測試技術(shù)教案10ppt課件

1、第三章第三章 常用的傳感器常用的傳感器本章學習要求：本章學習要求：1.1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.2.掌握常用傳感器測量原理掌握常用傳感器測量原理3.3.了解傳感器測量電路了解傳感器測量電路1 1概述概述第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一一. . 傳感器定義傳感器定義 傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電信號的裝置。二二. . 傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成 傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉(zhuǎn)換輸出。輔助

2、器件則是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。 dV1 1概述概述三三. . 傳感器的分類傳感器的分類1.1.按被測物理量分類按被測物理量分類常見的被測物理量：機械量、聲、磁、溫度、光等2.2.按工作的物理基礎(chǔ)按工作的物理基礎(chǔ): :機械式,電氣式,光學式,流體式等.1 1概述概述3.3.按信號變換特征按信號變換特征: :結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變。例如:電容式和電感式傳感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換。 如:水銀溫度計1 1概述概述4.4.按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系: :能量控制型:

3、從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化。例如:電阻應(yīng)變片能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作。例如:熱電偶溫度計5.5.按輸出信號按輸出信號: :模擬式和數(shù)字式模擬式和數(shù)字式1 1概述概述2 2機械式機械式傳感器傳感器第二節(jié)第二節(jié) 機械式傳感器機械式傳感器彈性體作為傳感器敏感元件彈性體作為傳感器敏感元件輸入：力、壓力、溫度等輸入：力、壓力、溫度等輸出：彈性元件本身變形輸出：彈性元件本身變形優(yōu)點：簡單、可靠、方便、廉價優(yōu)點：簡單、可靠、方便、廉價缺陷：線性范圍小、固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測量。缺陷：線性范圍小、固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測量。一、彈性敏感元件式

4、傳感器一、彈性敏感元件式傳感器 測力計測力計 壓力計壓力計 溫度計溫度計2 2機械式機械式傳感器傳感器二、微型探測開關(guān)二、微型探測開關(guān) 把物體的運動、位置或尺寸變化轉(zhuǎn)換為接通、斷開信號?？商綔y物體有無、位置、尺寸 、運動狀態(tài)等。3 3電阻式電阻式傳感器傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。種傳感器。 按工作的原理可分為按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式。變阻器式、電阻應(yīng)變式。一一. 變阻器式傳感器電位差計式傳感器）變阻器式傳感器電位差計式傳感器）1. 1. 工作原理：工作原理：一個電導體的電

5、阻值：AlR式中：R電阻；材料的電阻率； l導體的長度； A導體的截面積面積和材質(zhì)一定時，電阻值隨導線長度而變化。位移 電阻 3 3電阻式電阻式傳感器傳感器常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。2. 2. 直線位移型直線位移型xkRl靈敏度lkdxdRS單位長度內(nèi)的電阻值lk3. 3. 角位移型角位移型靈敏度kddRSk單位弧度對應(yīng)的電阻值3 3電阻式電阻式傳感器傳感器4. 4. 測量電路電阻分壓電路）測量電路電阻分壓電路）UiU1RxR-RxLRRRRRRUUxmxio1xLRRxLxRRxLUUmio1iixULxURRU1負載負載效應(yīng)效應(yīng)減小負載效應(yīng)的影響RRm3 3電阻

6、式電阻式傳感器傳感器5. 5. 變阻器式傳感器的特點變阻器式傳感器的特點優(yōu)點：簡單、可靠、輸出功率大優(yōu)點：簡單、可靠、輸出功率大缺陷：精度低、動態(tài)響應(yīng)差缺陷：精度低、動態(tài)響應(yīng)差6. 6. 變阻器式傳感器產(chǎn)品變阻器式傳感器產(chǎn)品3 3電阻式電阻式傳感器傳感器7. 7. 變阻器式傳感器應(yīng)用案例變阻器式傳感器應(yīng)用案例 比較重量設(shè)定原材料原材料1 1重量的自動檢測重量的自動檢測-配料設(shè)備配料設(shè)備 彈簧彈簧 電位器電位器原理：力原理：力 位移位移 電阻電阻3 3電阻式電阻式傳感器傳感器2 2玩具機器人玩具機器人原理：電機原理：電機-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角-電位器電位器-電阻電阻二、電阻應(yīng)變式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器

7、3 3電阻式電阻式傳感器傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器可分為金屬電阻應(yīng)變式和半導體應(yīng)電阻應(yīng)變式傳感器可分為金屬電阻應(yīng)變式和半導體應(yīng)變式兩類。變式兩類。1.1.金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片 基于金屬導體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化象。 （1 1工作原理：工作原理：金屬應(yīng)變片的電阻R為AlR/上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化,求導數(shù)dAldAAldlAdR2代入AlR/dRAdARldlRdR3 3電阻式電阻式傳感器傳感器dAdAldlRdR金屬絲：2rAdrdrldlRdR2dl/l=為電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應(yīng)變；d

8、r/r為電阻絲徑向相對變化，或稱橫向應(yīng)變金屬絲體積不變：ldlrdr電阻絲材料的泊松比d/反映了電阻絲的電阻率的相對變化，它與電阻絲縱向所受的應(yīng)力有關(guān)Ed縱向壓阻系數(shù) ；E材料的彈性模量3 3電阻式電阻式傳感器傳感器EERdR212對金屬材料，電阻率的變化很小，可以忽略：)21(RdR21ldlRdRSg應(yīng)變系數(shù)或靈敏度（2 2常用的金屬應(yīng)變片：絲式和箔式常用的金屬應(yīng)變片：絲式和箔式3 3電阻式電阻式傳感器傳感器2.2.半導體應(yīng)變片半導體應(yīng)變片 基于半導體材料的壓阻效應(yīng)，即單晶半導體材料在沿某一軸向受外力作用時，其電阻率隨之發(fā)生變化。(1) (1) 工作原理：工作原理：)E21 (RdR對于半

9、導體應(yīng)變片ERdR靈敏度EldlRdRSg(2) (2) 特點：特點：優(yōu)點：靈敏度高、體積小、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、使用簡單缺陷：溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散度大3 3電阻式電阻式傳感器傳感器3.3.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（1 1直接用于測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力直接用于測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力應(yīng)用案例：橋梁固有頻率測量應(yīng)用案例：橋梁固有頻率測量3 3電阻式電阻式傳感器傳感器（2 2將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器應(yīng)用案例：加速度傳感器應(yīng)用案例：加速度傳感器振動體加速度振動

10、體加速度應(yīng)變應(yīng)變電阻值的相對變化電阻值的相對變化3 3電阻式電阻式傳感器傳感器應(yīng)用案例：電子稱應(yīng)用案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。3 3電阻式電阻式傳感器傳感器應(yīng)用案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測應(yīng)用案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測4 4電容式電容式傳感器傳感器第四節(jié)第四節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電容量變化的電容式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。一種傳感器。工作原理：工作原理：+ A 兩平行極板組成的電容器其電容量為:AC0A極板面積m2）；0真空介電常數(shù),0=8.8510-1 2(F/m);極板間介質(zhì)的

11、介電常數(shù)，在空氣中=1； 兩極板間距離m）。 、A A或或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。4 4電容式電容式傳感器傳感器 根據(jù)電容器變化的參數(shù)可分為根據(jù)電容器變化的參數(shù)可分為:極距極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型。變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型。一一. 極距變化型極距變化型AC0dAdC201靈敏度201AddCS1. 1. 工作原理：工作原理：靈敏度隨極距變化線性誤差取極距變化范圍/ =0.12. 2. 特點：特點：可進行動態(tài)非接觸式測量；靈敏度高，適于較小位移的測量。4 4電容式電容式傳感器傳感器3. 3. 應(yīng)用案例應(yīng)用案例電容傳聲器電容傳聲器4 4電容式

12、電容式傳感器傳感器二二. 面積變化型面積變化型 面積變化型電容傳感器中常用的有角位移型和線位移型。面積變化型電容傳感器中常用的有角位移型和線位移型。+1. 1. 角位移型角位移型22rA-公共覆蓋面積對應(yīng)的中心角；r-半圓形極板半徑。220rC 靈敏度220rddCS常數(shù)4 4電容式電容式傳感器傳感器2. 2. 線位移型線位移型平面線位移型平面線位移型柱面線位移型柱面線位移型bxC0b-極板寬度靈敏度bdxdCS0常數(shù)dDInxC/20D-圓筒孔徑：d-圓柱外徑。靈敏度dDIndxdCS/20常數(shù)4 4電容式電容式傳感器傳感器3. 3. 特點：特點：輸出與輸入成線性關(guān)系；靈敏度低，適于較大直線

13、位移及角位移的測量。4. 4. 產(chǎn)品產(chǎn)品陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力作用在陶瓷膜片的液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產(chǎn)生位移。表面，使膜片產(chǎn)生位移。4 4電容式電容式傳感器傳感器三三. 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型AC0利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。可用來測量電介質(zhì)的液位或某些材料的厚度、溫度和濕度。產(chǎn)品產(chǎn)品電容式液位傳感器電容式液位傳感器液位計液位計/ /料位計）料位計）4 4電容式電容式傳感器傳感器應(yīng)用案例應(yīng)用案例全自動洗衣機全自動洗衣機5 5電感式電感式傳感器傳感器第五節(jié)第五節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的電感式傳感

14、器是把被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種傳感器。其變換是基于電磁感應(yīng)原理。一種傳感器。其變換是基于電磁感應(yīng)原理。 按變換方式不同可分為按變換方式不同可分為:自感型、互感型。自感型、互感型。一一. 自感型自感型 自感型又包括可變磁阻式與渦流式。自感型又包括可變磁阻式與渦流式。1.1.可變磁阻式可變磁阻式（1 1工作原理：工作原理：2002AWL W線圈匝數(shù)；0空氣導磁率, 0=410-7(H/m);A0空氣隙導磁橫截面積(m2)。 氣隙長度(m)；5 5電感式電感式傳感器傳感器靈敏度20022AWS靈敏度隨氣隙長度變化線性誤差取氣隙長度變化范圍/0.1（2 2典型結(jié)構(gòu)：典型結(jié)構(gòu)：差動型差動型面積A0變

15、化靈敏度低一個線圈自感增加，一個線圈自感減小。改善了線性特性，并提高了靈敏度。5 5電感式電感式傳感器傳感器（3 3應(yīng)用案例應(yīng)用案例電感式接近傳感器金屬）電感式接近傳感器金屬）被測物體構(gòu)成電感器的銜鐵，當物體移向接近傳感器時，物體和接近傳感器間的間隙變化，使得線圈的自感量發(fā)生變化。接近開關(guān)的檢測物體，只限于金屬導體。5 5電感式電感式傳感器傳感器2.2.渦電流式渦電流式（1 1工作原理：工作原理： 基于金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。),(ZZ 當線圈中通以一交變高頻電流 i時，會引起一交變磁通。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應(yīng)電流i1，該電流i1即為渦流。根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變

16、磁通1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即1將抵抗的變化。由于該渦流磁場的作用，會使線圈的等效阻抗發(fā)生變化，其變化的程度除了與兩者間的距離有關(guān)外，還與金屬導體的電阻率、磁導率以及線圈的激磁電流圓頻率等有關(guān)。5 5電感式電感式傳感器傳感器（2 2測量電路測量電路渦流傳感器的測量電路一般有阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。 分壓式調(diào)幅電路原理調(diào)頻電路工作原理5 5電感式電感式傳感器傳感器測厚儀測厚儀（3 3應(yīng)用案例應(yīng)用案例V 檢波檢波 檢波檢波 金屬板比較比較電壓電壓加法器加法器dD1x2x5 5電感式電感式傳感器傳感器無損探傷無損探傷原理 裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。油管油管檢測檢測5 5電感式電感式傳

17、感器傳感器二二. 互感型差動變壓器式電感傳感器）互感型差動變壓器式電感傳感器）1.1.工作原理工作原理電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象：電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象：當線圈W1輸入有交流電流i1時，在線圈W2中則產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e12，其大小正比于電流i1的變化率：dtdiMe112式中M為比例系數(shù)，也稱互感H），是兩線圈W1和W2之間耦合程度的度量，其大小與兩線圈的相對位置及周圍介質(zhì)的導磁率諸因素有關(guān)。 5 5電感式電感式傳感器傳感器應(yīng)用較多的是螺管形差動變壓器5 5電感式電感式傳感器傳感器2.2.測量電路測量電路3.3.差動變壓器式電感傳感器的特點差動變壓器式電感傳感器的特點測量精度高可達0.1m量級） ；線性

18、量程大可達100mm）；穩(wěn)定性好，使用方便，廣泛應(yīng)用于直線位移的測量。差動相敏檢波電路差動相敏檢波電路5 5電感式電感式傳感器傳感器4.4.應(yīng)用案例應(yīng)用案例板的厚度測量板的厚度測量 5 5電感式電感式傳感器傳感器張力測量張力測量6 6壓電式壓電式傳感器傳感器第六節(jié)第六節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可將機壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可將機械能轉(zhuǎn)換為電能，又可將電能轉(zhuǎn)換為機械能。械能轉(zhuǎn)換為電能，又可將電能轉(zhuǎn)換為機械能。一一. 變換原理：壓電效應(yīng)變換原理：壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當外力

19、去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。石英晶體石英晶體縱軸ZZ稱為光軸， XX軸稱為電軸，而垂直于XX軸和ZZ軸的YY軸稱為機軸。沿電軸XX方向作用的力所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)，而將沿機軸YY方向作用的力所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)。當沿光軸ZZ方向作用有力時則并不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。6 6壓電式壓電式傳感器傳感器其中dc為壓電常數(shù)，與材質(zhì)和切片方向有關(guān)。q=dcF二二. 壓電式傳感器及其等效電路壓電式傳感器及其等效電路6 6壓電式壓電式傳感器傳感器壓電傳感器可視為一個電荷發(fā)生器，也是一個電容器。壓電傳感器等效電路壓電傳感器等效電路 idtuCtqq壓電元件所產(chǎn)生的電荷量；

20、C等效電路總電容，C=Ca+Cc+Ci；u電容上建立的電壓；i泄漏電流; R0 泄漏電阻 。 tqidtiCR0 dttdqidtdiCR0 ssQsIssICR0 sIRsU0代入 sCRCsQsUsH0111傳遞函數(shù)6 6壓電式壓電式傳感器傳感器 jCRCH0111頻率響應(yīng)函數(shù)當測量的外力為一動態(tài)交變力F=F0sin0t時tqtFdFdqcc0000sinsin 20111CRCA幅頻特性20000)1(11CRCqu穩(wěn)定輸出的幅值v壓電傳感器適用于高頻信號的測量，若用于低頻信號，則要求R0、C大。v為了不失真地測量，壓電傳感器的測量電路應(yīng)具有高輸入阻抗，并在輸入端并聯(lián)一定的電容Ci以加大時間常數(shù)R0C。但并聯(lián)電容過大會使輸出電壓降低過多。 輸出輸入成線性關(guān)系，那么100CR6 6壓電式壓電式傳感器傳感器三三. 產(chǎn)品產(chǎn)品加速度計加速度計力傳感器力傳感器 壓力變送器壓力變送器6 6壓電式壓電式傳感器傳感器四四. 應(yīng)用案例應(yīng)用案例飛機模態(tài)分析飛機模態(tài)分析7 7