測試技術(shù)第三章課件

第三章常用傳感器與敏感元件主要研究內(nèi)容：1.了解傳感器的分類

2.常用傳感器測量原理3.傳感器選用3.1概述1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測量、并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。

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)換成電信號的器件或裝置?；魻杺鞲衅髟诜请娏侩姕y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

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）；將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。2.傳感器的分類(1)按被測物理量分類: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。溫度傳感器壓力傳感器扭矩傳感器角位移傳感器光電式編碼器電感式位移傳感器直線光柵尺(2)按傳感器元件的變換原理分類: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.電容傳聲器、壓力傳感器的直流極化電路能量轉(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。(3)按傳感器的能量傳遞方式分類:3.傳感器的性能要求

(1)對被測量系統(tǒng)的負載效應?。?/p>

(2)轉(zhuǎn)換靈敏度高，有較好的線性關(guān)系；

(3)重復精度、精度適當，穩(wěn)定性高；

(4)反應速度快，動態(tài)特性好；

(5)適應性和適用性強。

電阻應變式傳感器--應變片

金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻絲應變片(康銅)電阻絲應變片(康銅)金屬箔式應變片1)工作原理金屬應變片的電阻R為(1)金屬應變片（不變）金屬應變計(2)

半導體應變片（變化）半導體應變計3)半導體應變計優(yōu)點：應變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應變電阻的元件。缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。

應變計薄膜型擴散型

4)應變片測量電路VER1R2R3R4令：金屬絲應變片：V與應變成線性關(guān)系，可以用電橋測量電壓測量應變5.焊線:用電烙鐵將應變片的引線焊接到導引線上。6.用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣組織，應大于500M歐。7.應變片保護：用704硅橡膠覆于應變片上，防止受潮。6)標準產(chǎn)品7)應用電阻應變式傳感器的應用：測力案例：橋梁固有頻率測量案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測案例：機器人握力測量案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。德國HBM電阻應變式傳感器

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。2.分類

a)極距變化型;+++c)介質(zhì)變化型b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.3.測量電路直流極化電路諧振電路電容傳感器的電容作為諧振回路調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感藕合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當傳感器電容發(fā)生變化時，諧振回路的阻抗將發(fā)生相應的變化，而這個變化被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過放大、檢波即可得到相應的輸出。運算放大器電路（位移測量傳感器）3.應用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，應變，軸向振動6.軸承振動，油膜間隙，磨擦，偏心3.4電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應原理，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1自感型--可變磁阻式a)變間隙型原理:電磁感應b)變面積型c）螺線管型d)差動型2渦流式原理:渦流效應原線圈的等效阻抗Z變化：a)高頻反射式：（集膚效應）b)低頻透射式：（互感原理）案例：干凈、高效的電磁爐電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈電磁爐的工作原理

高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測案例：測厚案例：零件計數(shù)3變壓器式--差動變壓器WW1W2Esx-x工作原理:互感現(xiàn)象.EwEout

(1)調(diào)幅式（AM）電路

4測量電路(2)調(diào)頻（FM）式電路(100kHz~1MHz）

當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo。

應用: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)換為感應電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應線圈的感應電動勢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電動勢。

2

分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N3動圈式傳感器

4磁阻式傳感器

5

應用b)測速電機a)磁電式車速傳感器3.6壓電式傳感器

1.變換原理:

壓電效應

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。壓電效應q=DFF+2、測量電路

a)電壓放大器

b)電荷放大器F+3應用b)壓力變送器a)加速度計，力傳感器

案例：飛機模態(tài)分析3.7光電式傳感器

(1)光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干擾能力強（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實現(xiàn)非接觸式測量等特點(2)可以直接檢測光信號，間接測量溫度、壓力、位移、速度、加速度等(3)其發(fā)展速度快、應用范圍廣，具有很大的應用潛力(1)由光路及電路兩大部分組成(2)光路部分實現(xiàn)被測信號對光量的控制和調(diào)制(3)電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換光子是具有能量的粒子，每個光子的能量可表示為光電效應方程光電器件是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N傳感器件。是構(gòu)成光電式傳感器的主要部件。光電器件工件的物理基礎：光電效應。光電效應分為：內(nèi)光電效應、外光電效應外光電效應型光電器件當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應。即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。根據(jù)外光電效應做出的光電器件有光電管和光電倍增管。內(nèi)光電效應型光電器件內(nèi)光電效應是指在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象這種效應可分為因光照引起半導體電阻率變化的光電導效應和因光照產(chǎn)生電動勢的光生伏特效應兩種

內(nèi)光電效應分類

光電導效應在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低的現(xiàn)象。如光敏電阻光生伏特效應在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。如光電池。光敏晶體管光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓，當光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。數(shù)字轉(zhuǎn)速表光電耦合器件3.7傳感器選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、線性范圍、響應特性、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。

1、靈敏度

一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。a)靈敏度過高引起的干擾問題；b)量程范圍；c)交叉靈敏度問題。3響應特性

傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。實際上傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。2線性范圍

任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則