工程測試與信號處理技術(shù)02

1、12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)1第二章 工程常用傳感技術(shù)參考：工程測試與信息處工程測試與信息處理（理（第第2版版），狄長安，孔德仁狄長安，孔德仁 等等 主編，國防工業(yè)出版社主編，國防工業(yè)出版社2-1 概述概述能感受或響應(yīng)規(guī)定得被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置，稱為“傳感器”?！氨粶y量”：應(yīng)變、位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、噪聲等等；“有用信號”：電壓、電流、開關(guān)量等等；2-2 應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器 參考書：p59-692-2-1 金屬電阻應(yīng)變片的傳感原理原理：應(yīng)變效應(yīng)：應(yīng)變：材料的相對線變形量。單位：1 微應(yīng)變 ( me)1/106R=rLAln

2、R= lnr+lnL-lnA取自然對數(shù)：兩邊微分得到：dRR=drr+dLL-dAADRR=Drr+DLL-DAA小變形情況下，近似有：(2-1)12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)2假設(shè)應(yīng)變片縱軸方向應(yīng)變?yōu)椋杭僭O(shè)應(yīng)變片縱軸方向應(yīng)變?yōu)椋篹=DLL電阻絲被拉長的同時，直徑會按一定比例縮?。弘娮杞z被拉長的同時，直徑會按一定比例縮?。篋dd=mDLL=me式中式中 m 稱為稱為“柏松比柏松比”，康銅的柏松比約為，康銅的柏松比約為 0.35。于是，電阻絲長度被拉延后，橫截面積改變量：DAA=pd24-pd+ Dd()24pd24=d2-d+ Dd()2d2=-2dDd- Dd2d2 -2Ddd=

3、-2me金屬絲拉延后其電阻率變化率為： ，系數(shù) C 因材料而異。Drr=C1-2m()e將以上結(jié)果代入 (2-1) 式子，得到電阻變化率：DRR=C1-2m()e+e+2me= 1+C1-2m()+2me=Ke即，電阻的變化率正比于應(yīng)變量，這個結(jié)果同樣適用于電阻應(yīng)變片。常用應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 2 ，通常由廠家通過實(shí)驗(yàn)確定，注明在產(chǎn)品說明書中。(2-01)12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)32-2-2 金屬電阻應(yīng)變片的使用方法l 橋式測量電路：柵區(qū)伸縮引起橋臂阻值變化，得到正比變化的輸出電壓 v 。l 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：基底、電阻絲、覆蓋層、焊盤和引線，厚度0.05毫米左右。l 應(yīng)變片基本參數(shù)

4、： 靈敏系數(shù)：一般2左右； 標(biāo)稱阻值：常用有120 、350、1000，0.2； 柵距：機(jī)械0.510mm，土木10100mm； 供橋電壓：常用110V直流；12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)4l 應(yīng)變片粘貼工藝： 引線和保護(hù)：在應(yīng)變片附近粘貼接線端子板橋接導(dǎo)線，若無條件則應(yīng)設(shè)法固定導(dǎo)線以避免拉斷應(yīng)變片引線。涂抹凡士林、潤滑脂或覆蓋一層石蠟防潮。 電阻值檢查和分組：用萬用表測量，阻值應(yīng)該在標(biāo)稱阻值及給定誤差范圍內(nèi)；用于組成一個電橋不同橋臂的各個應(yīng)變片的阻值應(yīng)該盡量選配一致。 被測物體表面處理：首先清理待測區(qū)域表面的油漆、銹斑、氧化層、油污、灰塵等，清理干凈后用沙紙打磨平整，再用丙酮或無水

5、酒精擦拭干凈。 標(biāo)記定位線：用鋼針在測點(diǎn)處畫十字定位線，交叉點(diǎn)為應(yīng)變片柵區(qū)中心。 粘合劑選用：短期測試（數(shù)月范圍內(nèi)）可用502膠水及其改性產(chǎn)品，長期測試則應(yīng)采用廠家提供的專用膠水，并采用指定的粘貼固化工藝流程。所用粘合劑固化后應(yīng)該有足夠硬度，不能用凝固后呈顯彈性狀態(tài)的粘合劑。 粘貼應(yīng)變片：在粘貼區(qū)上涂抹適量粘合劑，將應(yīng)變片放置在膠液上輕輕移動，使粘貼面沾滿粘合劑；用拇指隔著一層塑料薄膜滾壓應(yīng)變片，把應(yīng)變片與粘貼表面之間的膠液盡量擠壓出來，只剩一層均勻而稀薄的粘合劑。 檢查：待粘合劑充分固化后，組成電橋并連接儀器，用橡皮擦子擠壓應(yīng)變片，不應(yīng)有明顯應(yīng)變值，尤其不能出現(xiàn)明顯信號跳變，否則，粘貼失敗。

6、12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)52-2-3 測量電路及應(yīng)變值與信號電壓之間的換算關(guān)系l 電橋平衡條件：v=VR1R1+R2-R4R3+R4 ;R2R1=R3R4, orR1R3=R2R4v= 0當(dāng)： 時，l 應(yīng)變片靈敏系數(shù)，公式(2-1)：K=DRR()DLL()=DRR()el 1/4橋，即，單臂工作：電阻變化率與長度變化率之比v1 4=VR1+ DR1R1+ DR1+R2-R4R3+R4=VR3R4-R2R1+R3R4DR1R11+DR1R1+R2R11+R3R414VDR1R1=14VKe假設(shè)：R3R4=R2R1=12 2+DR1R1 4得到：e4v1 4KV(2-03)(2-

7、02)12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)6l 1/2橋，即，半橋工作，情況1：v1 2=VR1+ DR1R1+ DR1+R2-R4- DR4R3+R4- DR4=V1+DR1R11+R2R1+DR1R1-1-DR4R41+R3R4-DR4R4得到：e2v1 2KV(2-05)假設(shè)：R2R1=R3R4=12+DR1R1 22-DR4R4 2DR1R1=DR4R4=DRR=Ke=V1+DR1R11+R3R4-DR4R4- 1-DR4R41+R2R1+DR1R11+R2R1+DR1R11+R3R4-DR4R4(2-04)其中：v1 212VKe12VDR1R1+DR4R4=12VDRR12-1

8、0-23第二章 工程常用傳感技術(shù)7v1 2=VR1+ DR1R1+ DR1+R2- DR2-R4R3+R4=V1+DR1R11+R2R1+DR1R1-DR2R1-11+R3R4DR1= DR2R2R1=R3R4=1其中：情況2：=V1+DR1R1+R3R4+R3R4DR1R1-1-R2R1-DR1R1+DR2R11+R2R1+DR1R1-DR2R1+R3R4+R2R1R3R4+R3R4DR1R1-R3R4DR2R1VR3R4DR1R1+DR2R11+R2R1+R3R4+R2R1R3R4=14VDR1R1+DR2R2同樣得到：e2v1 2KVv1 212VKe12-10-23第二章 工程常用傳感

9、技術(shù)8l 全橋工作：v1=VR1+ DR1R1+ DR1+R2- DR2-R4- DR4R3+ DR3+R4- DR4=V1+DR1R11+R2R1+DR1R1-DR2R1-1-DR4R41+R3R4+DR3R4-DR4R4DR1,3= DR2,4R2R1=R3R4=1其中：DRR2 0略去平方項(xiàng)：(2-06)=14VDR1R1+DR2R2+DR3R3+DR4R4=14V1+R3R4+DR3R4-DR4R4+DR1R1+R3DR1R4R1+DR3DR1R4R1-DR4DR1R4R1-1-R2R1-DR1R1+DR2R1+DR4R4+R2DR4R1R4+DR4DR1R4R1-DR2DR4R1R4

10、1+R3R4+DR3R4-DR4R4+R2R1+R3R2R4R1+R2DR3R1R4-R2DR4R1R4+DR1R1+R3DR1R4R1+DR3DR1R4R1-DR4DR1R4R1-DR2R1-R3DR2R4R1-DR3DR2R4R1+DR4DR2R4R1最后得到：ev1KVv1VKe(2-07)12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)9l 應(yīng)變電橋的一般工作方式：R2R1=R3R4初始狀態(tài)，即，平衡狀態(tài)：任意一個橋臂，應(yīng)變引起的電阻變化為：R+ DRDR 0DR 0 且與位移成正比。u 差動式位移傳感器差動式位移傳感器2：兩個完全對稱的差動線圈和兩個完兩個完全對稱的差動線圈和兩個完全對稱的電

11、阻構(gòu)成電橋，采用交流電源全對稱的電阻構(gòu)成電橋，采用交流電源 U 供橋。供橋。 當(dāng)銜鐵處在對稱位置時，電感 L1=L2 ，阻抗 Z1=Z2 ，電橋平衡，輸出電壓 Uout = 0 ； 當(dāng)銜鐵偏離對稱位置時，電感發(fā)生變化 L1+DL=L2-DL，阻抗 Z1Z2 ，輸出電壓 Uout 0 且與位移成正比。電感式位移傳感器，量程電感式位移傳感器，量程200毫米時分辨率可達(dá)毫米時分辨率可達(dá)1mm，是一種量程相對較大、，是一種量程相對較大、分辨率較高的位移傳感器。缺點(diǎn)是屬于接觸式傳感器，不能檢測高速運(yùn)動軸面。分辨率較高的位移傳感器。缺點(diǎn)是屬于接觸式傳感器，不能檢測高速運(yùn)動軸面。12-10-23第二章 工程

12、常用傳感技術(shù)19 兩個完全對稱的次級線圈同名端相對連接，次級輸出兩個完全對稱的次級線圈同名端相對連接，次級輸出電壓為：電壓為：Uout=E1-E2 銜鐵處在對稱位置時，兩次級線圈上的感應(yīng)電壓幅度相同、相位相反，輸出為 0 ( 通常會有一些偏置，圖中電壓 E0 )。 當(dāng)銜鐵偏離對稱位置時，兩次級線圈上的感應(yīng)電壓幅度發(fā)生變化、相位仍然相反，輸出信號的有效值： ，且正比于位移 d。Uout=E1-E2 02-4-2 差動變壓器式（互感式）位移傳感器差動變壓器式（互感式）位移傳感器2-4-3 電感式位移傳感器信號調(diào)理電路原理電感式位移傳感器信號調(diào)理電路原理 交流激勵電壓 U ； 電壓放大； 相位鑒波輸

13、出：d=kcvoutkc：系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù) 毫米 / 伏；12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)202-4-4 電渦流式位移傳感器及其信號調(diào)理電路原理電渦流式位移傳感器及其信號調(diào)理電路原理 等效電路：被測金屬表面的渦流效應(yīng)等效為一個互感線圈，其磁場抵消原線圈所產(chǎn)生的磁場，減弱原線圈的自感 L1； 渦流效應(yīng)：由于存在互感 M ，激勵電壓 U 及其頻率 w 給定后，線圈與被測表面之間距離 d 變化將而引起線圈阻抗 Z1 變化，變化量很小時 d 與 Z1 之間近似為線性關(guān)系； 測量電路：初始位置時，調(diào)整補(bǔ)償電阻 Rt，使電橋平衡： 。Z1Z2=RtR距離 d 變化時引起線圈阻抗 Z1 變化，從而引起電

14、橋輸出改變，放大后得到信號電壓 Vout ，d 的變化范圍很小時，Vout與 d 成正比。 特點(diǎn)：非接觸、高分辨、高速、小量程，如：真尚有0.5SU，分辨率0.1微米，量程0.5毫米，輸出電壓 5V。12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)212-5 熱電式傳感器熱電式傳感器 參考書：p103-112 熱電偶和熱敏電阻等溫度傳感器。2-5-1 熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器u 接觸電勢：eABT1( )-eABT2()u 溫差電勢：eAT1,T2()-eBT1,T2()u 熱電偶回路電勢：EABT1,T2()=eABT1( )-eABT2()+eAT1,T2()-eBT1,T2()以其中一個

15、端點(diǎn)，例如右側(cè)端點(diǎn)的溫度作為參考點(diǎn)，例如，將右側(cè)端點(diǎn)置于冰水混合液中，即，恒有 T2 = 273.16K。于是，回路電勢就只是另一端點(diǎn)溫度 T1 的函數(shù)：EABT,0()=eABT( )-eAB0( )+eAT,0()-eBT,0()u 信號形式：與熱電偶的材料有關(guān)，如鉑銠熱電偶的熱電勢約為10.575mV/C，具體可查“分度表”。u 調(diào)理電路：工程上稱為“溫度變送器”。輸出為5V(10V)電壓或4-20mA電流形式。12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)22u 常用熱電偶 1990年國際溫標(biāo)規(guī)定了8種熱電偶（熱電極）名稱名稱分度號分度號測量范圍測量范圍(C)適用氣氛適用氣氛穩(wěn)定性穩(wěn)定性(C

16、)鉑銠30鉑銠6B2001800O、N1500良鉑銠13鉑R-401600O、N1500良鉑銠10鉑S-401600O、N1500良鎳鎘鎳硅K-2701300O、N中等鎳鎘硅鎳硅N-2701260O、N、R良鎳鎘康銅E-2701000O、N中等鐵康銅J-40760O、N、R、V500良銅康銅T-270350O、N、R、V-170200 優(yōu)鎢錸3鎢錸25WRe3-WRe2502300O、V、R中等鎢錸5鎢錸26WRe5-WRe2602300O、V、R中等O氧化氣氛；N為中性氣氛；R為還原氣氛；V為真空12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)23u 熱電偶的冷端補(bǔ)償 0C恒溫法：將冷端置于冰點(diǎn)槽中

17、，槽內(nèi)為冰水混合物。準(zhǔn)確度高，但工藝麻煩，通常用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，或，用于溫度傳感器標(biāo)定。 修正法：冷端置于某已知溫度 T0 環(huán)境中，則，實(shí)測溫度的熱電勢為：EABT,0()=EABT,T0()+EABT0,0()EAB(T,T0) ：冷端置于參考溫度 T0 環(huán)境下實(shí)測得到的熱電勢；EAB(T0,0) ：參考溫度 T0 相對于 0C 的熱電勢，可預(yù)先實(shí)測或查表得到。 電橋補(bǔ)償法：利用一不平衡電橋產(chǎn)生的電勢補(bǔ)償冷端溫度引起的電勢。12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)24 有源電路補(bǔ)償：將冷端置于0C環(huán)境時，冷端接觸電勢等價(jià)于一個電動勢固定的微電池。因此，可以用一個電路形成一個與冷端電動勢相同的電

18、壓源模擬冷端特性。AD592與負(fù)載電阻構(gòu)成精密電壓源，為熱電偶提供參考電壓。2-5-2 熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻溫度傳感器u 金屬絲熱電阻：利用金屬材料的電阻溫度特性，即，金屬材料電阻率隨溫度變化而改變的特性： RT=R01+aT()T 待測溫度；R0 0C 時的電阻值；a 材料的溫度系數(shù)，正溫度系數(shù)的材料 a 0；u 鉑熱電阻：線性稍差，但穩(wěn)定性很好，應(yīng)用非常廣泛。 12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)25常用型號：Pt100、Pt10等，其0C的電阻值分別 100 W 和10 W。Pt100常用測量范圍在-200C 600C之間，Pt10用于 600C以上的高溫環(huán)境。參數(shù)W100：鉑

19、熱電阻100C時阻值與0C時阻值之比。一般要求：R100R01.385精度指標(biāo)：國產(chǎn)： A級，誤差0.25%；B級，誤差0.5%。 日本：A級0.06%；B級0.12%；C級0.24%；D級0.6%；u 熱電阻信號調(diào)理電路：兩線制、三線制電橋電路導(dǎo)線電阻自補(bǔ)償。 12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)26u 熱敏電阻：分為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)。由半導(dǎo)體材料制成，溫度系數(shù)很大，因此，靈敏度和分辨率高。指數(shù)函數(shù)擬合：RT=R0eB1T-1T0T 待測溫度；T0 參考溫度；參考溫度；R0 參考溫度時的電阻值；R 待測溫度下的電阻值；B 熱敏電阻的材料常數(shù)，由實(shí)

20、驗(yàn)測得，通常在2000K6000K之間。熱敏電阻的溫度系數(shù)電阻的相對變化率：aT=dRTdTRT= -BT2u 線性化：模擬電路補(bǔ)償；數(shù)字化補(bǔ)償。溫度測試用于溫度控制時，可以借助作為系統(tǒng)核心的計(jì)算機(jī)，以數(shù)學(xué)模型為依據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)272-6-1 光敏電阻光敏電阻2-6 光電式傳感器光電式傳感器 參考書：p85-103u 光敏電阻，硫化鎘半導(dǎo)體。電阻隨光照強(qiáng)度而減?。妼?dǎo)增加）。u 不同光敏材料，敏感的波長范圍不同?？蓪?shí)現(xiàn)選擇性敏感。硫酸鉛的中心波長為23mm，紅外波段。u 調(diào)理電路實(shí)例：光控開關(guān)電路、光電編碼器。12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)282

21、-6-2 光敏晶體管光敏晶體管u 光敏二極管，截止?fàn)顟B(tài)下，沒有光照時反向電流很小，稱為“暗電流”；隨著光照增加反向電流急劇增加形成“光電流”，光電流與照度成正比。u 光敏三極管，由兩個PN結(jié)組成，但基極沒有引出線。其 “光電流”比只有一個PN結(jié)的光敏二極管大 b 倍。u 特點(diǎn)，體積小、靈敏度高，但一致性和穩(wěn)定性差。2-6-3 光電位置傳感器光電位置傳感器(PSD Position Sensitive Detector)u 一維PSD工作特點(diǎn)，入射光點(diǎn)的位置決定了兩輸出極的電流比例：I1I2=L2L112-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)292-6-4 光纖光柵應(yīng)變傳感器簡介光纖光柵應(yīng)變傳感器

22、簡介u Bragg光柵，反射某一頻率的入射光，反射光的波長取決于光柵的柵距 d ；u 光柵應(yīng)變傳感器，應(yīng)變引起光柵柵距改變，檢測發(fā)射光波長可得到應(yīng)變值大小；u 特點(diǎn)1：沒有電磁干擾、環(huán)境耐受能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好刻長期使用；u 特點(diǎn)2：多路復(fù)用、同步檢測 單條光纖上刻蝕多個光柵，連續(xù)、同步、快速采集應(yīng)變信號。u 多路復(fù)用，在同一條光纖上刻蝕多個光柵，每個光柵的柵距不同。無應(yīng)變時反射波長各自不同，通過檢測每個波峰的中心頻率改變量，刻分別得到每個光柵應(yīng)變大?。?2-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)302-7 磁電式傳感器（霍爾傳感器）磁電式傳感器（霍爾傳感器）工程測試技術(shù)基礎(chǔ)，樊新海，國防工業(yè)出版社工程測試技術(shù)基礎(chǔ)，樊新海，國防工業(yè)出版社：p145-1472-7-1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為“霍爾效應(yīng)”。u e0 帶電粒子的電荷量；u B 磁感應(yīng)強(qiáng)度；u v 帶電粒子的運(yùn)動速度；FL=e0v