測試裝置檢測裝置概述傳感器教學(xué)PPT

1、2.3 測試裝置測試裝置 一、檢測裝置概述一、檢測裝置概述 檢測系統(tǒng)組成、傳感器的分類、傳感器的特性檢測系統(tǒng)組成、傳感器的分類、傳感器的特性 二、常用的機(jī)械量傳感器二、常用的機(jī)械量傳感器 （一）位移傳感器（一）位移傳感器 電阻計(jì)、差動(dòng)變壓器式、電容式位移傳感器、磁柵電阻計(jì)、差動(dòng)變壓器式、電容式位移傳感器、磁柵 式、光柵式、編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器式、光柵式、編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器 （二）速度、加速度傳感器（二）速度、加速度傳感器 測速發(fā)電機(jī)、壓電式加速度計(jì)測速發(fā)電機(jī)、壓電式加速度計(jì) 2.3.1 概述概述 1.檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成 (1) 把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號,這就

2、是傳感器的 功能,傳感器又稱為一次儀表。 (2) 對轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行測量,并進(jìn)行放大、運(yùn)算、 轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理,這叫作電信號處理系統(tǒng), 通常被稱為二次儀表。 非電量檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖4-1所示。 圖 2.3-1 非電量檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 光、聲、 位移、 壓力、 磁等 非電量 信號 轉(zhuǎn)換成 電信號 模擬 電信號 傳輸、運(yùn)算 放大 切換、存儲(chǔ) 處理 電信號 數(shù)字 轉(zhuǎn)換成 電信號 驅(qū)動(dòng) 光、聲、 位移、 文字等 被測物理量傳感器以計(jì)算機(jī)為中心的電信號處理系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)備 圖 2.3-2 非電量檢測系統(tǒng)框圖 2 . 傳感器的組成 傳感器一般由敏感元件、傳感元件和轉(zhuǎn)換電路三 部分組成,如

3、圖所示。 圖2.3-3 傳感器的組成框圖 敏 感 元 件 轉(zhuǎn) 換 元 件 基 本 轉(zhuǎn) 換 電 路 電 量被 測 量 （1）敏感元件: 是一種能夠?qū)⒈粶y量轉(zhuǎn)換成易于 測量的物理量的預(yù)變換裝置,其輸入、輸出間具有確定 的數(shù)學(xué)關(guān)系（最好為線性）。如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn) 換為位移或應(yīng)變輸出。 （2）傳感元件：將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn) 換成電信號（如電阻、電感、電容等）形式。 （3）基本轉(zhuǎn)換電路：將電信號量轉(zhuǎn)換成便于測量 的電量,如電壓、電流、頻率等。 3.傳感器的分類傳感器的分類 (1)按輸入量分按輸入量分 即按測量對象對傳感器進(jìn)行分類。按輸入量可分 為：位移傳感器、速度傳感器、加速度、溫度、 濕度

4、、壓力等傳感器。 (2)按測量原理分按測量原理分 有變電阻的：電位計(jì)式、應(yīng)變式、壓阻式、光敏式、熱 敏式 有變磁阻的：電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、磁柵式 有變電容的：電容式、濕敏式 有變電荷的：壓電式 (3)按輸出量分按輸出量分 磁尺等）代碼型（回轉(zhuǎn)編碼器、 計(jì)數(shù)器）計(jì)數(shù)型（二值 數(shù)字型 電容式位移傳感器電感、電容型（電感、 、光電池等）電壓、電流型（熱電偶 應(yīng)變片等）電阻型（電位器、電阻 模擬型 、接近開關(guān)）非接觸型（如光電開關(guān) 、接觸開關(guān)）如微動(dòng)開關(guān)、行程開關(guān)接觸型 二值型 ) ( 傳感器 4.檢測裝置的靜態(tài)特性檢測裝置的靜態(tài)特性 （1） 線性度。描述實(shí)際標(biāo)定曲線與理想擬描述實(shí)際標(biāo)定曲線

5、與理想擬 合直線之間的接近程度。合直線之間的接近程度。 圖2.3-4 傳感器的線性度示意圖 yfs 2 1 max 0 xfs 1實(shí)際曲線 2理想曲線 y x 線性度可用下式計(jì)算： 式中： ; l線性度(非線性誤差)； max最大非線性絕對誤差； yfs 輸出滿度值。 （2） 靈敏度。傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下,輸出變 化對輸入變化的比值稱為靈敏度,用s0表示,即 %100 max fs l y （4-1） 對于線性傳感器來說,它的靈敏度s0是個(gè)常數(shù)。 （3）遲滯。傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行 程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度稱為遲滯,遲滯誤差一般 以滿量程輸出yfs的百分?jǐn)?shù)表示

6、： 式中: hm輸出值在正、反行程間的最大差值。 x y s 輸入量的變化量 輸出量的變化量 0(4-2) %100 2 1 %100 fs m h fs m h y h y h 或 (4-3) 遲滯特性一般由實(shí)驗(yàn)方法確定,如圖4-4所示。 圖2.3-5 遲滯特性 yfs hm 0 xfs y x （4） 重復(fù)特性。 傳感器在同一條件下,被測輸入量 按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測量時(shí),所得的輸出/ 輸入曲線不一致的程度,稱為重復(fù)特性,如圖4-5所示。重 復(fù)特性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即 式中: rm最大重復(fù)性誤差。 重復(fù)特性也由實(shí)驗(yàn)方法確定,常用絕對誤差表示,如 圖4-5所示。 %10

7、0 fs m r y r (4-4) 圖2.3-6 重復(fù)特性 yfs 0 xfsx rm1 y rm2 （5）分辨力。 （6）漂移。由于傳感器內(nèi)部因素或在外界干擾的 情況下,傳感器的輸出發(fā)生的變化稱為漂移。 （7）精度。精度表示測量結(jié)果和被測的“真值”的靠 近程度。 5. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性是指傳感器測量動(dòng)態(tài)信號時(shí),輸出對輸入 的響應(yīng)特性。 2.3.2 常用的機(jī)械量傳感器常用的機(jī)械量傳感器 位移式傳感器位移式傳感器 如圖所示的電阻計(jì)的兩端施加電壓ui，輸出電壓uo正比于滑動(dòng)電刷 在電阻元件上的位置。電阻若做成直線式的，則其輸出為 uo=kuix；電阻若做成回轉(zhuǎn)式的，則其

8、輸出為uo=kui。 1.電阻計(jì)電阻計(jì) 2.3.2 常用的機(jī)械量傳感器常用的機(jī)械量傳感器 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便； 缺點(diǎn)：分辨力不高（分辨力的大小取決于電阻絲的缺點(diǎn)：分辨力不高（分辨力的大小取決于電阻絲的 粗細(xì)），噪聲較大，電刷和電阻元件之間的接觸粗細(xì)），噪聲較大，電刷和電阻元件之間的接觸 面易磨損；面易磨損； 圖2.3-9 可變磁阻式電感傳感器 1 2 x 4 5 l 0 1線圈 2鐵心 3活動(dòng)銜鐵 4測桿 5被測件3 2 可變磁阻式電感傳感器可變磁阻式電感傳感器 典型的可變磁阻式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示, 它主要由線圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵組成。

9、其中： 0空氣磁導(dǎo)率； w線圈匝數(shù)。 上式表明,自感l(wèi)與空氣隙的大小成反比,與空氣隙導(dǎo)磁截面 積a0成正比。當(dāng)a0固定不變而改變時(shí),l與成非線性關(guān)系,此 時(shí)傳感器的靈敏度為 2 00 2 aw d dl s 2 00 2 aw l 3. 渦流式傳感器渦流式傳感器 渦流式傳感器的變換原理,是金屬導(dǎo)體在交流 磁場中的渦電流效應(yīng)。如圖所示,金屬板置于一只 線圈的附近,它們之間相互的間距為。 （1）高頻反射式渦流傳感器。如圖所示,高頻 (1 mhz)激勵(lì)電流i0產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬 板的表面,由于集膚效應(yīng),在金屬板表面將形成渦 電流。 圖2.3-10 高頻反射式渦流傳感器 i0 0 1 d1 金屬

10、板 h （2） 低頻透射式渦流傳感器。 低頻透射式渦流 傳感器的工作原理如圖所示。 圖2.3-11 低頻透射式渦流傳感器 （a） 原理圖； （b） 曲線圖 w1 i g u2 h w2 u1 u2 0 h (a)(b) 4.互感型差動(dòng)變壓器式電感傳感器互感型差動(dòng)變壓器式電感傳感器 差動(dòng)變壓器式電感傳感器是常用的互感型 傳感器,其結(jié)構(gòu)形式有多種,以螺管型應(yīng)用較為 普遍,其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖（a）、（b）所示。 圖2.3-12 差動(dòng)變壓器式電感傳感器 （a）、（b）工作原理; （c）輸出特性 w w1 w2 p x e0w e1e2 w1 ey e1 e2 w2 x e2 e e1 e0 x0 (

11、a)(b)(c) 圖2.3-14 光柵測量原理 5. 光柵尺光柵尺 光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成,兩者的光刻 密度相同,但體長相差很多,其結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖2.3-15 莫爾條紋示意 標(biāo)尺光柵和指示光柵是沿著與光柵條紋幾乎成垂直 的方向排列的,如圖所示。 光柵莫爾條紋的特點(diǎn)是起放大作用,用w表示條紋寬 度,p表示柵距,表示光柵條紋間的夾角,則有 若若p0.01mm, =0.001, 問莫爾條紋的寬度？問莫爾條紋的寬度？ 答：莫爾條紋的寬度為10mm,則放大倍數(shù)相當(dāng)于1000倍,即利 用光的干涉現(xiàn)象把光柵間距放大1000倍,因而大大減輕了電 子線路的負(fù)擔(dān)。 p w 圖2.3-17 感應(yīng)同步器原理

12、圖 1/4w 定尺 滑尺 cossin 6.感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 滑尺表面刻有兩個(gè)繞組,即正弦繞組和余弦繞組,見圖。 圖2.3-18 圓盤式感應(yīng)同步器 （a） 定子； （b） 轉(zhuǎn)子 圓盤式感應(yīng)同步器如圖所示,其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的 滑尺,定子相當(dāng)于定尺,而且定子繞組中的兩個(gè)繞組也錯(cuò)開1/4節(jié) 距。 鑒相式鑒相式。 所謂鑒相式,就是根據(jù)感應(yīng)電勢的 相位來鑒別位移量。 即ua=umsint,ub=umcost時(shí),則定尺上的繞 組由于電磁感應(yīng)作用將產(chǎn)生與激磁電壓同頻率 的交變感應(yīng)電勢。圖說明了感應(yīng)電勢幅值與定 尺和滑尺相對位置的關(guān)系。 圖2.3-19 滑尺繞組位置與定尺感應(yīng)電勢幅值的變化關(guān)系

13、定 尺 繞 組 1 2 3 4 5 ab ab ab ab ab ea 1 2 0 4 3 5 1 0 eb 2 3 4 5 滑 尺 繞 組 位 置 定 尺 感 應(yīng) 電 勢 變 化 情 況 僅 對a繞 組 激 磁僅 對b繞 組 激 磁 7.磁柵式磁柵式 （1）結(jié)構(gòu)：磁柵式傳感器由磁柵、磁頭、測量電路組成。 （2）分類： 用于直線測量：實(shí)體式磁柵，帶狀磁柵，線狀磁柵 用于角位移測量：回轉(zhuǎn)型磁柵 圖2.3-20 磁柵工作原理 8.編碼器編碼器 （1）組成 編碼器主要組成如圖所 示。由碼盤、光源加 兩個(gè)透鏡、光電管和 后續(xù)的處理電路組成。 圖2.3-21 四位光電編碼器工作原理 8.編碼器編碼器 （

14、2）分類： 按照碼盤轉(zhuǎn)角反映的是絕對位置還是相對位置進(jìn)行分 類：絕對值型 、增量型 絕對值式編碼器是通過讀取編碼盤上的圖案信息來表絕對值式編碼器是通過讀取編碼盤上的圖案信息來表 示數(shù)值的。示數(shù)值的。 增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖，增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖， 根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)， 以此來表示轉(zhuǎn)過的角位移量。以此來表示轉(zhuǎn)過的角位移量。 圖2.3-21 四位光電編碼器工作原理 圖2.3-22 增量式編碼器工作原理 7.旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電 壓信號的傳感器。 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。 中的勵(lì)磁電壓；定子繞組 耦合系數(shù)； 中的感應(yīng)電勢；轉(zhuǎn)子繞組其中： 21 21 s bb sin su k u uku s b sb 圖2.3-23 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理 2.3.3 速度、加速度檢測速度、加速度檢測 1 光電式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器,由裝在被 測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光 源、光電器件和指示縫隙盤組成,如圖2.3-23所示。 圖 2.3-24 光電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 光源 1 2 3 4 1透鏡； 2帶縫隙圓盤； 3指示縫隙盤； 4光電元件 根據(jù)測量單位時(shí)