測試技術(shù)第3章

會計學(xué)1測試技術(shù)課件第3章傳感器在非電量電測系統(tǒng)中的作用：一是敏感作用：感受并拾取被測對象的信號二是變換作用：被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號概述將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。獲得傳感器信號的兩種方法：直接獲得電信號的變化（開關(guān)傳感器）；第1頁/共58頁2.傳感器的分類(1)按被測物理量分類:(2)按傳感器元件的變換原理分類:(3)按物理現(xiàn)象分類：位移傳感器,流量傳感器,溫度傳感器等.電阻式,電容式,電感式,壓電式,光電式等.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.

例如:水銀溫度計,壓電測力計.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.概述第2頁/共58頁能量轉(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,壓電式加速度計.能量控制型: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.能量傳遞型:從某種能量發(fā)生器與接受器進行能量傳遞過程中實現(xiàn)敏感檢測.

例如:超聲波發(fā)生器和接受器.(4)按傳感器的能量傳遞方式分類:(5)按輸出信號分類：模擬式——輸出為模擬量；數(shù)字式——輸出為數(shù)字量。

概述第3頁/共58頁3.傳感器的性能要求足夠的容量匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高精度適當，穩(wěn)定性高反應(yīng)速度快，工作可靠性高適應(yīng)性和適用性強概述第4頁/共58頁4.常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),

質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,

流量;聲:

聲壓,噪聲.磁:

磁通,磁場.溫度:

溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩概述第5頁/共58頁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按工作的原理可分為:熱敏式電阻應(yīng)變式變阻器式光敏式濕敏式3.2電阻式傳感器3常用傳感器第6頁/共58頁

電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變效應(yīng)電阻式傳感器導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機械變形而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。應(yīng)變片受力

應(yīng)變

比例關(guān)系

比例關(guān)系

應(yīng)變片電阻的變化

第7頁/共58頁1)工作原理式中，ρ——導(dǎo)線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)：當金屬絲由于受到軸向力P而伸長時，長度增長，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細絲因受壓力而縮短，即長度變短，截面積變粗時，則電阻就減小。電阻式傳感器第8頁/共58頁S由兩部分組成：前一部分(1+2μ)是由金屬導(dǎo)線的幾何尺寸變化引起的；后一部分λE除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。μ：泊松系數(shù)，E:彈性模量，ε:縱向應(yīng)變，λ:壓阻系數(shù)

推導(dǎo)電阻式傳感器第9頁/共58頁應(yīng)變片受力后，電阻的變化dR則兩邊同除以R，同時R=ρL/A，則dL/L=ε——金屬導(dǎo)線長度的相對變化，稱縱向應(yīng)變。dρ/ρ——導(dǎo)線電阻率的相對變化。dA/A——導(dǎo)線截面積的相對變化，稱為稱橫向應(yīng)變。

電阻式傳感器第10頁/共58頁對于圓形截面積的導(dǎo)線，若其直徑為D，則橫向應(yīng)變dD/D和縱向應(yīng)變dL/L之比稱為泊桑比，即故電阻式傳感器第11頁/共58頁E為導(dǎo)線材料的彈性模量，λ為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)。則已知當導(dǎo)體材料確定后，μ、λ、E均為常數(shù)，則(1+2μ+λE)為常數(shù)。靈敏度為：應(yīng)變片電阻的相對變化率dR/R與應(yīng)變ε之間是線形關(guān)系電阻式傳感器第12頁/共58頁S由兩部分組成：前一部分(1+2μ)單由金屬導(dǎo)線的幾何尺寸變化引起的；后一部分λE是電阻率隨應(yīng)變而引起變化的部分，它除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。電阻式傳感器第13頁/共58頁(1)金屬應(yīng)變片（不變）金屬應(yīng)變計(2)

半導(dǎo)體應(yīng)變片（變化）半導(dǎo)體應(yīng)變計電阻式傳感器第14頁/共58頁2)應(yīng)變計分類金屬應(yīng)變計有:

1、絲式

2、箔式

3、薄膜式優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點:靈敏度系數(shù)小.應(yīng)變計電阻式傳感器a)金屬應(yīng)變計按敏感柵材料分第15頁/共58頁b)半導(dǎo)體應(yīng)變計優(yōu)點：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。應(yīng)變計體型薄膜型擴散型

電阻式傳感器第16頁/共58頁按基底材料和安裝方法分

紙基應(yīng)變片.膠膜應(yīng)變片.浸膠基應(yīng)變片.金屬基應(yīng)變片.臨時基應(yīng)變片.

應(yīng)變片所用的基底材料不同,也會使應(yīng)變片具有明顯不同的性能特點,可分為:應(yīng)變片按安裝方法不同可分為:,粘貼式應(yīng)變片.焊接式應(yīng)變片.噴涂式應(yīng)變片.按敏感柵的結(jié)構(gòu)形狀分單軸應(yīng)變片

應(yīng)變花.電阻式傳感器第17頁/共58頁

每種應(yīng)變片只能在一定的工作溫度范圍內(nèi)使用,按其溫度范圍可分為:

⑴常溫應(yīng)變片其工作溫度由-30℃至+60℃

⑵中溫應(yīng)變片其最高溫度在+60℃～+350℃

⑶高溫應(yīng)變片最高工作溫度＞+350℃

⑷低溫應(yīng)變片最低工作溫度＜-30℃按應(yīng)變片的工作溫度分電阻式傳感器第18頁/共58頁3)應(yīng)變片的主要參數(shù)

1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L

表示。2）電阻值：應(yīng)變計的原始電阻值。3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。4）其它表示應(yīng)變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

電阻式傳感器第19頁/共58頁a)溫度誤差當應(yīng)變片粘貼在無外力,無任何約束的試件上時,在溫度變化的情況下,應(yīng)變片的電阻也會發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的溫度效應(yīng).b)測量動態(tài)信號的誤差應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件上測得的應(yīng)變往往認為是應(yīng)變片中點的應(yīng)變,但在測量一動態(tài)情況下的試件應(yīng)變,而在應(yīng)變片基長內(nèi)的應(yīng)變分布不是相同值.在同一瞬間應(yīng)變片在基長上不同點所得應(yīng)變是不同的值.4)電阻應(yīng)變片的誤差及其補償電阻式傳感器第20頁/共58頁案例：5)應(yīng)用電阻式傳感器第21頁/共58頁案例：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。德國HBM電阻應(yīng)變式傳感器電阻式傳感器第22頁/共58頁3.3電容式傳感器

1變換原理

將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++A

當被測量δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。3常用傳感器第23頁/共58頁2分類

a)極距變化型;+++c)介質(zhì)變化型電容式傳感器

b)面積變化型:平面線位移型,角位移型,柱面線位移型.第24頁/共58頁3靈敏度

a)極距變化型;傳感器的靈敏度近似為：變極距電容傳感器平板電容器電容式傳感器

第25頁/共58頁傳感器靈敏度b)面積變化型a)平面線位移型平面線位移型c)角位移型傳感器靈敏度角位移型電容式傳感器

第26頁/共58頁c)介質(zhì)變化型介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖d)等。電容式傳感器

第27頁/共58頁4應(yīng)用1.震動，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動，位置，膨脹3.撓度，變形，波動，傾斜4.尺寸，公差，分選，零件識別5.沖擊，應(yīng)變，軸向振動6.軸承振動，油膜間隙，磨擦，偏心電容式傳感器

第28頁/共58頁3.4電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型

3常用傳感器第29頁/共58頁1可變磁阻式原理:電磁感應(yīng)電感式傳感器W:線圈匝數(shù)；

L1:軟鐵長度；μ1：軟鐵磁導(dǎo)率；μ0：空氣磁導(dǎo)率A1：鐵芯導(dǎo)磁截面A0：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵第30頁/共58頁a)變間隙型可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵當μ0

、A0固定不變，改變δ時，L與δ呈非線形（雙曲線）關(guān)系，L與δ的雙曲線關(guān)系傳感器靈敏度電感式傳感器第31頁/共58頁b)變面積型可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵當μ0

、δ

固定不變，改變A0時，L與A0呈線形關(guān)系，傳感器靈敏度L與A0的線形關(guān)系電感式傳感器=常數(shù)第32頁/共58頁c）螺線管型當其它參數(shù)不變，僅改變L1，使Rm變化，從而產(chǎn)生電感的變化。螺線管型電感式傳感器第33頁/共58頁d)差動型變間隙型差動變壓器輸出特性傳感器靈敏度電感式傳感器第34頁/共58頁2渦流式高頻反射式渦流傳感器當金屬板置于變化磁場中或者在磁場中運動時，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。低頻投射式渦流傳感器渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t，以及金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。渦流式電感傳感器可分為1）高頻反射式2）低頻投射式電感式傳感器第35頁/共58頁原線圈的等效阻抗Z變化：a)高頻反射式：（集膚效應(yīng)）高頻反射式渦流傳感器電感式傳感器第36頁/共58頁b)低頻透射式：（互感原理）低頻透射式渦流傳感器e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律電感式傳感器第37頁/共58頁案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：電感式傳感器第38頁/共58頁案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測電感式傳感器第39頁/共58頁案例：測厚案例：零件計數(shù)電感式傳感器第40頁/共58頁案例電感式傳感器第41頁/共58頁3變壓器式--差動變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.電感式傳感器第42頁/共58頁應(yīng)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(yīng)力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.案例：板的厚度測量~案例：張力測量電感式傳感器第43頁/共58頁3.5磁電式傳感器

1變換原理

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢U為

磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。

3常用傳感器第44頁/共58頁2分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N磁電式傳感器第45頁/共58頁3動圈式傳感器

l:每匝線圈的平均長度；B:線圈所在磁場的磁感應(yīng)強度；A:每匝線圈的截面積；θ:線圈運動方向與磁場方向的夾角；k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)。磁電式傳感器第46頁/共58頁4磁阻式傳感器

磁電式傳感器第47頁/共58頁3.6壓電式傳感器

1變換原理

某些物質(zhì)，如石英，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

3常用傳感器第48頁/共58頁壓電效應(yīng)q=DF壓電式傳感器第49頁/共58頁壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號很弱小，因此要進行處理：(1)放大微弱的壓電信號(2)進行阻抗匹配

電壓放大器電荷放大器壓電式傳感器2測量電路

第50頁/共58頁電壓放大器放大器的輸入電壓：系統(tǒng)的輸出電壓為：系統(tǒng)的靈敏度為：當電纜長度變化時，Cc變化，ei變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，此時測試比較困難壓電式傳感器第51頁/共58頁電荷放大器

當略去傳感器的漏電阻Ra時qt≈ei(Ca+Cc+Ci)當略去電荷放大器的輸入電阻Ri的影響時qf≈(ei-ey)Cf

則整個電路中的電荷為：q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

式中，ei為放大器的輸入端電壓；ey為放大器輸出端電壓；Cf為電荷放大器的反饋電容。壓電式傳感器第52頁/共58頁ey=-Kei

其中，K為放大器的開環(huán)放大倍數(shù)q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

所以開環(huán)增益K足夠大系統(tǒng)的靈敏度為：在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容無關(guān)；系統(tǒng)輸出靈敏度取決于