測試系統(tǒng)及傳感器

1、1,5.1 測試系統(tǒng)的基本構成,機械系統(tǒng),測量系統(tǒng),信號采集處理系統(tǒng),顯示記錄系統(tǒng),被測物理量,數(shù)據(jù)采集卡,中間轉換器,傳感器,測試軟件,機械系統(tǒng),為保證試驗進行所需的各種機械結構,根據(jù)不同的機械參量，選用不同的傳感器和相應的后接儀器所組成的測量系統(tǒng),將測量裝置輸出的信號采集和處理后排除干擾和噪聲污染，并估計測量數(shù)據(jù)的可靠程度,測試系統(tǒng)的輸出環(huán)節(jié)，把試驗過程中的數(shù)據(jù)記錄下來，并顯示出來,第5章 傳感器測量原理,2,3,傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成另一種信息的裝置,傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置,5.2 傳感器概述,1

2、. 傳感器定義,4,2. 傳感器的構成,傳感器,敏感器件,輔助器件,感受被測物理量，并對信號進行轉換輸出,對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配 以便于后續(xù)儀表接入,5,6,5.3 傳感器的分類,傳感器種類名目繁多，分類方法也不完全同，從選用角度看一般是按被測參量和工作原理的不同來劃分。 一. 按被測參量分類 被測參量多種多樣，通?？蓜澐譃閹状箢?，如機械量、熱工量、物理化學量及生物醫(yī)學量等,7,機械量,機械信號,力、力矩、應力傳感器,位移、速度(角速度與線速度)、加速度傳感器,幾何尺寸(長度、厚度、角度、圓度)傳感器,8,熱量、比熱、熱流)傳感器,壓力(壓差、真空度)傳感器；流量、流速傳感器

3、,物位(液位)傳感器,熱工量,9,氣體或液體的密度、濕度傳感器,粘度、濃度、鹽度傳器,化學成分傳感器,物理化學量,10,血壓、眼壓、腦壓傳感器,哦,流體信號,體溫傳感器,心電、心音、心搏數(shù)傳感器,生物醫(yī)學量,11,二、按傳感器的能源分類,有源傳感器：被測量使傳感器本身的電參量R、L、C改 變，這種傳感器工作時必須有外加電源,無源傳感器： 被測量使傳感器產生電動勢、電流、 電荷，可直接接入放大器或記錄儀器,12,模擬傳感器 數(shù)字傳感器,三、按傳感器的輸出信號分類,13,電阻式傳感器 電感式傳感器 電容式傳感器 磁電式傳感器 壓電式傳感器 光電式傳感器,四、按傳感器的轉換原理分類,14,1. 電阻

4、式傳感器,工作原理：把被測變化參量轉換為電阻變化的一種傳感器,5.4 常用傳感器原理,15,按工作的原理可分為: 變阻器式、壓阻式、電阻應變式,1). 變阻器式（電位器式）傳感器,16,它是用電阻系數(shù)很大的金屬導線繞在絕緣骨架上而制成，滑動觸頭(電刷)的位移使輸出電阻或電壓發(fā)生變化，其簡單原理電路如圖所示。 1電位器 2電刷,17,電位器式位移傳感器 電位器式壓力傳感器 1-測量軸 2-滑動電阻 3-電刷 4-精密電阻 1-膜盒 2-杠桿 3-電位器 5-導軌 6-彈簧 7- 殼體,18,2).壓阻式傳感器 壓阻式傳感器是以單晶硅膜片作為敏感元件，在該膜片上采用集成電路工藝制作四個電阻并組成惠

5、斯登電橋，當膜片受力后，由于半導體的壓阻效應，電阻阻值發(fā)生變化，使電橋有輸出,縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)； 縱向應力和橫向應力(切向應力,19,3).電阻應變式傳感器-應變片,20,電阻應變式傳感器的應用：測力,21,應用：橋梁固有頻率測量,22,應用：電子稱,原理 將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出,23,應用：沖床生產記數(shù) 和生產過程監(jiān)測,24,2.電感式傳感器,工作原理：利用電磁感應原理將被測物理量變化轉換成線圈自感 量L或互感量M的變化, 再由測量電路轉換為電壓或電 流的變化量輸出,分為：自感式、差動變壓器式（互感式）、 電渦流式,應用：測量位移、壓力、流量、振

6、動等信號,M. Faraday 電磁感應定律(1831年)：當一個線圈中電流i變化時，該電流產生的磁通也隨之變化，因而在線圈本身產生感應電勢，這種現(xiàn)象稱之為自感,25,常用電感式傳感器,26,1). 自感式傳感器,鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向,27,只要改變氣隙厚 就可以改變電感,結構:由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為,自感式傳感器的特性公式,

7、N 線圈匝數(shù) ； S 氣隙的截面積； 氣隙厚度； o 導磁率（真空、空氣,線圈的電感量,變氣隙式 變面積式 螺管式,28,1.改變氣隙長度和截面積都能改變電感量； 2.電感量與氣隙長度成反比，與截面積成正比； 3.電感量與與氣隙長度不是線性關系； 4.氣隙長度越小，靈敏度越高,自感式傳感器特點,靈敏度為,5.變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾, 所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的； 6.為了減小非線性誤差，差動變隙式電感傳感器,29,單螺管式自感傳感器,它由平均半徑為r的螺管線圈、銜鐵和磁性套筒等組成。隨著銜鐵插入深度的不同將引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，從而使

8、線圈的電感發(fā)生變化,30,自感傳感器的測量電路,輸出指示無法判斷位移方向, 必須配合相敏檢波電路來解決。,1. 交流電橋測量電路,2 變壓器式交流電橋測量電路,31,自感式傳感器的應用,變隙電感式壓力傳感器結構圖,應用示例1,32,簡單式靈敏度,差動式靈敏度,2).差動變壓器式傳感器,定義：把被測非電量變化轉換成為線圈互感量的變化的傳感器,33,差動變隙式自感傳感器,結論: 差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。 差動式的線性度得到明顯改善,兩個變隙式電感傳感器在結構尺寸、 材料、電氣參數(shù)等方面均應完全一致,34,互感型-差動變壓器工作原理,結構：中間初級，兩邊次級鐵芯在骨架中間可上下移動,35,差

9、動式自感傳感器的輸出特性,采用差動式結構，除了可以改善非線性、提高靈敏度外，對電源電壓與頻率的波動及溫度變化等外界影響也有補償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性,36,差動變壓器式傳感器的結構示意圖 （a）、 （b） 變隙式差動變壓器,37,差動變壓器式傳感器的結構示意圖 （e）、 （f） 變面積式差動變壓器,38,差動變壓器式傳感器的結構示意圖 （c）、 （d） 螺線管式差動變壓器,39,差動變壓器位移傳感器,40,應用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度; 壓力,流量,液位;張力,重力,負荷量;扭矩, 應力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等,應用示例1,應用示例2,41,應用

10、示例3,變隙式差動電感壓力傳感器,42,應用示例3,1可動鐵心；2測桿；3被測物 可變氣隙式電感測厚度,帶相敏檢波的交流電橋,43,差動變壓器式加速度傳感器原理圖,應用示例,44,差動變壓器傳感器特點,結構簡單、工作可靠,靈敏度高、分辨力大,頻率響應低，不宜測高頻動態(tài)參量,測量精度高；非線性誤差為0.1,常用于測量位移量。如位移變化的參量：力、速度、加速度、厚度,45,3). 電渦流式傳感器,原理：利用線圈在金屬導體附近會產生電渦流,線圈產生得交變磁場向下，電渦流產生的交變磁場向上,線圈接通電源,46,電渦流式傳感器的應用,1.測位移 電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測量金屬件的靜態(tài)或動態(tài)

11、位移，最大量程達數(shù)百毫米，分辨率為0.1%。目前電渦流位移傳感器的分辨力最高已做到0.05m(量程015m)。凡是可轉換為位移量的參數(shù)，都可用電渦流式傳感器測量，如機器轉軸的軸向竄動、金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等,液位監(jiān)控系統(tǒng),電渦流傳感器測位移，由于測量范圍寬、反應速度快、可實現(xiàn)非接觸測量，常用于在線檢測,47,2.測厚度,測金屬板厚度示意圖,48,3.測溫度,式中 1、0分別為溫度t1與t0時的電阻率， a在給定溫度范圍內的電阻溫度系數(shù),測溫用渦流式傳感器,1-補償線圈；2-管架；3-測量線圈；4-隔熱襯墊；5-溫度敏感元件,優(yōu)點： (1)不受金屬表面涂料、油、水等

12、介質影響； (2)可實現(xiàn)非接觸測量； (3)反應快,49,除此以外： (1)利用多個傳感器沿轉軸軸向排布，可測得各測點轉軸的瞬時振幅值，從而作出轉軸振型圖； (2)利用兩個傳感器沿轉軸徑向垂直安裝，可測得轉軸軸心軌跡； (3)在被測金屬旋轉體上開槽或作成齒輪狀，利用電渦流傳感器可測出該旋轉體的旋轉頻率或轉速； (4)電渦流傳感器還可用作接近開關，金屬零件計數(shù)，尺寸或表面粗糙度檢測等,案例： 零件計數(shù),50,案例：連續(xù)油管的橢圓度測量,51,案例：無損探傷,裂紋檢測，缺陷造成渦流變化,火車輪檢測,油管檢測,52,案例： 無損探傷,原理 裂紋檢測，缺陷造成渦流變化,火車輪檢測,油管檢測,53,電渦

13、流式傳感器特點,結構簡單,靈敏度高,抗干擾能力強,測量范圍大,具有非接觸測量,常用于測量位移、振幅、零件幾何尺寸、表面粗糙 度、裂紋等,54,S 極板面積，變面積型傳感器 極板距離，變極距型傳感器 介電常數(shù)，變介質型傳感器 真空介電常數(shù) 相對介電常數(shù)， 無介質時空氣介質 =1,工作原理：將被測非電參量變化轉換成電容量的變化,3.電容式傳感器,55,一般結構靈敏度,1).變極距型傳感器,間隙越小，靈敏度越高； 間隙小受極板間擊穿電壓的限制 差動式靈敏度提高1倍，非線性大大減少,差動電容結構靈敏度,特點,56,2).變面積型傳感器,直線位移式靈敏度,角位移式靈敏度,電容與位移呈線性關系； 輸出特性

14、是線性的； 靈敏度為一常數(shù),特點,57,3).變介質型傳感器,用兩個同心圓柱狀電極 輸出電容與液面高度成線性關系,58,59,電容式傳感器特點,輸入能量小，靈敏度高；可測量很小的力、加速度,動態(tài)特性好；質量小、頻率高，常用于動態(tài)參數(shù)測量,能量損耗??；電容本身不產生熱量，不會引起零點漂移,結構簡單、適應性好；可工作在惡劣環(huán)境中、溫度變化大、液體中都能工作,電纜分布電容影響大；兩極板電容很小，但傳感器與儀器間有較大電容，降低靈敏度,非線性大；輸出和輸入存在非線性,60,常用的電容式傳感器,61,電容式液位傳感器（液位計/料位計,62,1.震動，偏心，裂紋，振蕩，同心度 2.位移，移動，位置，膨脹

15、3.撓度，變形，波動，傾斜 4.尺寸，公差，分選，零件識別 5.沖擊，應變，軸向振動 6.軸承振動，油膜間隙，磨擦，偏心,電容式傳感器,63,4. 磁電式傳感器（電動式傳感器,工作原理:利用電磁感應原理，將運動速度、位移等物理量轉換成線圈中的感應電動勢輸出,64,磁電式,磁感應電式傳感器,霍爾式傳感器,磁阻效應傳感器,2.分類,65,B-磁感應強度,S-線圈平均截面積,線圈運動方向與磁場方向夾角,當線圈相對磁場作旋轉運動切割磁力線，則線圈上的感應電動勢,旋轉運動的相對角速度,N-線圈匝數(shù),1） 磁感應電式傳感器 （感應式傳感器、電動勢傳感器,工作原理：把被測非電參量變化轉換成感應電動勢， 是一

16、種機電能量變換傳感器,66,磁感應電式,恒定磁通式,變磁通式,動圈式,動鐵式,運動部件是線圈,運動部件是磁鐵,又稱變磁阻式、變氣隙式,磁感應電式傳感器可分為,磁路系統(tǒng)恒定磁場，運動部件可以是線圈也可以是磁鐵,線圈、磁鐵靜止不動，轉動物體引起磁阻、磁通變化,線速度型,角速度型,67,恒磁通式,動鐵型,動圈型,a.恒定磁通式,68,動圈式傳感器的結構原理圖,線速度型,69,角速度型,測速電機,70,動鐵式傳感器結構原理圖,71,b. 變磁通式（又稱變磁阻式、變氣隙式,常用來測量旋轉物體的角速度，探頭的磁極與振動物體間有一氣隙，當振動物體振動時，氣隙變化引起磁路磁阻改變，線圈磁通發(fā)生變化，輸出電動勢

17、與振幅成比例,變磁阻式工作原理：一般通過改變傳感器到被測對象間的氣隙厚度等方法來改變磁路磁阻,72,結構原理圖（開路變磁通式傳感器,1-被測旋轉體；2-測量齒輪；3-線圈；4-軟鐵；5-永久磁鐵,線圈3產生的感應電動勢的變化頻率等于測量齒輪的齒數(shù)和轉速的乘積,73,74,磁電感應式轉速傳感器原理圖,75,優(yōu)點,無需外加電源,電路簡單,性能穩(wěn)定,輸出阻抗小,具有一定的頻率響應范圍（101000HZ,缺點,尺寸重量大,磁感應電式傳感器特點,常用于動態(tài)測量,76,2). 霍爾式傳感器,霍爾式傳感器原理: 利用霍爾元件基于霍爾效應將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器,特點: 在靜止狀態(tài)下具有感受磁場的

18、能力,優(yōu)點: 結構簡單，體積小，噪聲小，頻率范圍寬（從直流到微波） ，動態(tài)范圍大，壽命長等,77,金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應,a 霍爾效應,78,式中： KH霍爾元件的靈敏度系數(shù)，與霍爾片的厚度和反映材料霍爾效應強弱的霍爾系數(shù)有關?；魻柶暮穸仍叫?、霍爾系數(shù)越大，靈敏度系數(shù)KH越大。 I控制電流 B垂直于霍爾片平面的磁感應強度 磁場與霍爾元件平面的法線方向的夾角,79,b. 霍爾元件基于霍爾效應工作的半導體器 件，多采用N型半導體測量,元件外形,a，b控制電流端引線,c，d霍爾引出線,霍爾元件越薄，靈敏度系數(shù)越大

19、，一般只有1um,80,霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示,81,霍爾傳感器的應用,a.測量位移、壓力、流量,特點：測量范圍1mm，慣性小、響應速度快,82,b.測量轉速,83,測轉角,84,鐵磁材料裂紋檢測,85,例：汽車速度測量,86,5. 壓電式傳感器,工作原理:以某些物質的壓電效應為基礎,壓電效應：某些物質受到外力時，表面產生電荷，當外力去 掉時，又重新回到原來的狀態(tài),電容小，輸出電壓大，適于輸出為電壓的場合,電容大電荷量小，時間常數(shù)大，適于測緩慢信號，輸出為電荷的場合,87,壓電材料,壓電材料,壓電晶體,壓電陶瓷,如石英,具有很好的溫度穩(wěn)定性，壓電效應，機械強度高，絕緣性能好,穩(wěn)定性不如石英，但壓電系數(shù)約為石英的50倍,88,在x方向作用一力Fx時，t發(fā)生變化，y-z晶面產生正負電荷，當作用力的方向相反時，產生電荷極性相反,縱向壓電效應,89,橫向壓電效應,表面電荷量 ： Q = d F,d - 壓電常數(shù),F - 作用在表面上的力（表征壓電性能強弱,90,壓力變送器,加速度計,力傳感器,常見的壓電式傳感器,91,壓電式傳感器的應用,壓電式玻璃破碎報警器,92,投幣計數(shù)傳感器,93,壓電膜話筒結構示意圖,話筒中，壓電膜以一定的支撐形式保持膜內一定張力。 在外來聲壓作用下，膜面的曲率發(fā)生變化，使膜內應力改變，產生相應的壓電信號