第2講被測量的獲取-傳感器原理課件1

1、第2講：被測量的獲取傳感器1第2講：被測量的獲取傳感器1傳感器將被測的量轉(zhuǎn)換成電的或其它形式的物理量輸出的裝置傳感器。傳感器的輸出量與被測量間應(yīng)有明確關(guān)系。傳感器是測試與檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。直接感受被測物理量并對其進行轉(zhuǎn)換的器件單元敏感元件。敏感元件是傳感器的核心。一個傳感器的輸入量和輸出的二次量之間的關(guān)系傳感器特性曲線。反應(yīng)了傳感器的信號轉(zhuǎn)換規(guī)律。線性傳感器特性曲線是一條直線，y = x0 + k x常數(shù) k 被稱為傳感系數(shù)、轉(zhuǎn)換比、靈敏度。非線性傳感器靈敏度不是常數(shù)。著重研究傳感器的原理和信號轉(zhuǎn)換關(guān)系2傳感器將被測的量轉(zhuǎn)換成電的或其它形式的物理量輸出的裝置傳感傳感器的發(fā)展趨勢數(shù)字化、智能

2、化輕量化、小型化多樣化、集成化3傳感器的發(fā)展趨勢數(shù)字化、智能化3具體介紹幾種傳感器首先介紹常用的電阻式傳感器；之后介紹傳感器的基本參數(shù)；最后介紹幾類傳感器。4具體介紹幾種傳感器首先介紹常用的電阻式傳感器；之后介紹傳電阻式傳感器被測非電量的變化引起電阻器阻值改變的變換元件 R = L / A R電阻值， 電阻率 L導(dǎo)線長度，A導(dǎo)線截面積電位器式傳感器：利用電刷來回移動改變電阻器長度L；電阻應(yīng)變式傳感器：利用應(yīng)力應(yīng)變使電阻絲產(chǎn)生變形導(dǎo)致電阻絲長度L、截面積A和電阻率均發(fā)生改變；利用熱或其它物理量使傳感器的電阻率發(fā)生變化。電阻式傳感器能夠測量哪些物理量？5電阻式傳感器被測非電量的變化引起電阻器阻值改

3、變的變換元件電阻滑動觸點式變阻傳感器直線位移型（圖 4.1a） R = kt x， kt = dR/dx R輸出電阻值，x輸入位移， kt靈敏度6滑動觸點式變阻傳感器直線位移型（圖 4.1a）6滑動觸點式變阻傳感器角位移型（圖 4.1b） R = kt， kt = dR / d R輸出電阻值， 輸入角位移， kt靈敏度7滑動觸點式變阻傳感器角位移型（圖 4.1b）7滑動觸點式變阻傳感器 導(dǎo)線均勻分布 kt為常數(shù) 線性傳感器 非線性傳感器：輸出電壓（電阻）與電刷行程之間呈非線性關(guān)系，可以實現(xiàn)三角函數(shù)、對數(shù)以及其它非線性函數(shù)的輸出，如圖 4.1cd所示。8滑動觸點式變阻傳感器 導(dǎo)線均勻分布 kt為

4、常數(shù) 線滑動觸點式變阻傳感器傳感器的負載效應(yīng)（圖4.2）當R1確定時，如何提高線性度9滑動觸點式變阻傳感器傳感器的負載效應(yīng)（圖4.2）當R1確定時應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器是將應(yīng)變量輸入轉(zhuǎn)換為電阻（變化）量的輸出。當金屬電阻絲受拉壓時，其長度、截面積、電阻率都發(fā)生變化： R = L / A，dR = A (dL + Ld) LdA / A2推導(dǎo)得出：dR/R = ( 1+2+1 E ) ， 單位應(yīng)變= dL/L，材料泊松比，縱向壓阻系數(shù)1 ，材料的彈性模量E10應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器是將應(yīng)變量輸入轉(zhuǎn)換為電阻（變化）量電阻式溫度計純金屬及大多數(shù)合金的電阻率隨溫度的增加而？鉑的電阻率穩(wěn)定、線性

5、范圍寬（圖4.11）常溫下鉑電阻溫度計可檢測到10-4 C量級的溫度變化。Rt：溫度為t時的電阻值R0：溫度t0度時的電阻值：溫度系數(shù)0.0039/11電阻式溫度計純金屬及大多數(shù)合金的電阻率隨溫度的增加而？R電阻式溫度計電阻溫度計的結(jié)構(gòu)（圖4.12）12電阻式溫度計電阻溫度計的結(jié)構(gòu)（圖4.12）12選擇和使用電阻式溫度計注意事項選用：密封可用于測量腐蝕性液體，但動態(tài)響應(yīng)慢；開口的相反；固體表面測溫傳感器的的結(jié)構(gòu)要薄。使用：電流要小，防止自發(fā)熱現(xiàn)象。13選擇和使用電阻式溫度計注意事項選用：密封可用于測量腐蝕性液體熱敏電阻熱敏電阻（圖4.14）是一種具有較大負溫度系數(shù)的半導(dǎo)體溫度傳感器，且其特性曲

6、線呈現(xiàn)非線性。熱敏電阻的靈敏度為 150/ C 20/ C ，比熱電偶和電阻溫度計高得多，但其不如鉑電阻溫度計那樣具有穩(wěn)定性。如何使檢測系統(tǒng)既具有高的靈敏度、又具有好的穩(wěn)定性14熱敏電阻熱敏電阻（圖4.14）是一種具有較大負溫度系數(shù)的半導(dǎo)傳感器基本參數(shù)傳感器本身可以被認為是一個測量系統(tǒng)。傳感器h(t)輸入x(t)輸出y(t) 一個傳感器的輸入量和輸出的二次量之間的關(guān)系傳感器特性曲線。反應(yīng)了傳感器的信號轉(zhuǎn)換規(guī)律。希望特性曲線是線性的，對于非線性系統(tǒng)需要進行補償。 對于傳感器而言，我們需要根據(jù)輸出和特性曲線，計算出輸入。 15傳感器基本參數(shù)傳感器本身可以被認為是一個測量系統(tǒng)。傳感器h(傳感器基本參

7、數(shù) 當被測量是恒定的或變化緩慢的，無需對系統(tǒng)進行動態(tài)描述時，只須關(guān)注傳感器的靜態(tài)特性。當測量的是快速變化的物理量時，需要用微分方程來描述傳感器的特性，此時必須關(guān)注動態(tài)特性。誤差是傳感器重要的參數(shù)之一。16傳感器基本參數(shù) 當被測量是恒定的或變化緩慢的，無需對系統(tǒng)進行測量誤差E=xm-x=指示值真值修正值B（ xm-x）誤差有如下幾種系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)本身造成的誤差，包括傳感器誤差、信號處理誤差、標定誤差、負載誤差等隨機誤差：具有0均值的測量誤差過失誤差：操作失誤引起的誤差對于靜態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，比較容易采用校正和補償技術(shù)進行補償。17測量誤差E=xm-x=指示值真值17傳感器的靜態(tài)參數(shù)線性度: Ym

8、ax/(YH-YL)_非線性誤差, 也可用直線擬合的相關(guān)系數(shù)表示精度:測量值和真實值的一致程度，反應(yīng)系統(tǒng)誤差和隨機誤差靈敏度: K=dY/dX分辨率:用數(shù)字化測量的字長來表示穩(wěn)定性：時間漂移、零點漂移、溫漂等重復(fù)性:隨機誤差接近0的程度遲滯和回差零點穩(wěn)定性量程精度、靈敏度、分辨率的關(guān)系18傳感器的靜態(tài)參數(shù)線性度: Ymax/(YH-YL)_非線傳感器的選擇:滿足應(yīng)用的需求抗干擾能力強穩(wěn)定性好精度和線性度高動態(tài)響應(yīng)快等等性能與成本相關(guān)。19傳感器的選擇:19稍后繼續(xù)20稍后繼續(xù)20介紹如下幾類傳感器電感式傳感器電容式傳感器壓電傳感器磁電式傳感器光電式傳感器氣敏傳感器紅外輻射檢測固態(tài)圖像傳感器霍爾

9、傳感器21介紹如下幾類傳感器電感式傳感器21電感式傳感器利用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量（位移變化)轉(zhuǎn)換為電磁線圈的自感量或互感量的變化。電磁傳感器按其不同轉(zhuǎn)換方式常分為自感式（可變磁阻、渦流式、磁彈性）和 互感式（差動變壓器式、壓磁互感式 ）兩類。22電感式傳感器利用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量（位移變化)轉(zhuǎn)換為電感式傳感器可變磁阻式傳感器：自感 L = W 20A0 / 2適于測量小位移0.0011mm（在小范圍內(nèi)有線性關(guān)系）23電感式傳感器可變磁阻式傳感器：自感 L = W 20A0 電感式傳感器可變磁阻式面積型電感傳感器，其L 與 A0成線性關(guān)系?？勺兇抛枋铰菥€管電感傳感器，鐵芯在線圈中運

10、動時，可認為是有效 W 變化，引起 L 變化。 （圖4.16）24電感式傳感器可變磁阻式面積型電感傳感器，其L 與 A0成線性電感式傳感器應(yīng)用用于確定磁性材料上非磁性涂覆層的厚度（圖4.17b）25電感式傳感器應(yīng)用用于確定磁性材料上非磁性涂覆層的厚度（圖4.電感式傳感器應(yīng)用測量高壓蒸汽管中閥的位置（圖4.17c）26電感式傳感器應(yīng)用測量高壓蒸汽管中閥的位置（圖4.17c）26電感式傳感器磁彈性測力傳感器：在外力作用下鐵磁體（鐵鎳合金）產(chǎn)生彈性變形，使其磁導(dǎo)率發(fā)生改變，引起自感變化。測量范圍約103N106N （圖4.37）27電感式傳感器磁彈性測力傳感器：在外力作用下鐵磁體（鐵鎳合金）渦流式電

11、感傳感器當金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中或在磁場中運動時，金屬導(dǎo)體的內(nèi)部會產(chǎn)生自身閉合的感應(yīng)電流渦流。渦流產(chǎn)生的交變磁通使線圈等效阻抗發(fā)生變化，變化程度與距離、導(dǎo)體電阻率和磁導(dǎo)率、線圈激磁電流頻率有關(guān)。（圖4.18）改變可測量位移和振動；改變和可測量材質(zhì)變化或用于無損檢測。原理和計算在渦流檢測部分詳細介紹問題：當導(dǎo)體接近線圈時，其電感如何變化？電感式傳感器測量鐵磁材料，渦流傳感器測量導(dǎo)電材料28渦流式電感傳感器當金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中或在磁場中運動時渦流式電感傳感器渦流式電感傳感器的測量電路一般有：阻抗分壓式調(diào)幅電路和調(diào)頻電路。（圖4.2123 ）調(diào)幅電路：檢測電壓變化 29渦流式電感傳感器渦流式電感傳感器的測量電路一般有：阻抗分壓式導(dǎo)體接近線圈時，其電感變化，阻抗變化，輸出電壓變化。用諧振電路可使微小的感抗變化引起較大的輸出電壓變化30導(dǎo)體接近線圈時，其電感變化，30調(diào)頻電路：通過反饋使輸出電壓最大，檢測頻率變化。31調(diào)頻電路：31渦流式電感傳感器應(yīng)用高頻(兆赫)反射式渦流傳感器用于測量位移、振動等低頻（音頻）透射式渦流傳感器多用于測厚，如下圖（圖4.20）。32渦流式電感傳感器應(yīng)用高頻(兆赫)反射式渦流傳感器用于測量位移電感式傳感器渦流傳感器的應(yīng)用實例（圖4.24）33電感式傳感器渦流傳感器的應(yīng)用實例（圖4