測試系統(tǒng)及傳感器

測試系統(tǒng)及傳感器第1頁/共101頁2第2頁/共101頁3

傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。

物理量電量傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。5.2傳感器概述1.傳感器定義第3頁/共101頁4dV2.傳感器的構(gòu)成傳感器敏感器件輔助器件感受被測物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配

以便于后續(xù)儀表接入第4頁/共101頁5第5頁/共101頁65.3傳感器的分類

傳感器種類名目繁多，分類方法也不完全同，從選用角度看一般是按被測參量和工作原理的不同來劃分。一.按被測參量分類

被測參量多種多樣，通?？蓜澐譃閹状箢?，如機(jī)械量、熱工量、物理化學(xué)量及生物醫(yī)學(xué)量等。第6頁/共101頁7機(jī)械量機(jī)械信號(hào)力、力矩、應(yīng)力傳感器

位移、速度(角速度與線速度)、加速度傳感器

幾何尺寸(長度、厚度、角度、圓度)傳感器第7頁/共101頁8(熱量、比熱、熱流)傳感器

壓力(壓差、真空度)傳感器；流量、流速傳感器；

物位(液位)傳感器熱工量第8頁/共101頁9

氣體或液體的密度、濕度傳感器；

粘度、濃度、鹽度傳器

化學(xué)成分傳感器物理化學(xué)量第9頁/共101頁10血壓、眼壓、腦壓傳感器哦流體信號(hào)體溫傳感器心電、心音、心搏數(shù)傳感器生物醫(yī)學(xué)量第10頁/共101頁11二、按傳感器的能源分類

有源傳感器：被測量使傳感器本身的電參量R、L、C改變，這種傳感器工作時(shí)必須有外加電源。無源傳感器：被測量使傳感器產(chǎn)生電動(dòng)勢、電流、電荷，可直接接入放大器或記錄儀器。第11頁/共101頁12模擬傳感器數(shù)字傳感器三、按傳感器的輸出信號(hào)分類第12頁/共101頁13

電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器磁電式傳感器壓電式傳感器光電式傳感器四、按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類第13頁/共101頁141.電阻式傳感器工作原理：把被測變化參量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器5.4常用傳感器原理第14頁/共101頁15按工作的原理可分為:

變阻器式、壓阻式、電阻應(yīng)變式.(1).變阻器式（電位器式）傳感器第15頁/共101頁16

它是用電阻系數(shù)很大的金屬導(dǎo)線繞在絕緣骨架上而制成，滑動(dòng)觸頭(電刷)的位移使輸出電阻或電壓發(fā)生變化，其簡單原理電路如圖所示。

1—電位器2—電刷L．RU21L0

．R0U0ABO第16頁/共101頁17

電位器式位移傳感器電位器式壓力傳感器

1-測量軸2-滑動(dòng)電阻3-電刷4-精密電阻1-膜盒2-杠桿3-電位器

5-導(dǎo)軌6-彈簧7-殼體

第17頁/共101頁18(2).壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是以單晶硅膜片作為敏感元件，在該膜片上采用集成電路工藝制作四個(gè)電阻并組成惠斯登電橋，當(dāng)膜片受力后，由于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，電阻阻值發(fā)生變化，使電橋有輸出。

—縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)；

—縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力(切向應(yīng)力)第18頁/共101頁19(3).電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變片第19頁/共101頁20電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力第20頁/共101頁21應(yīng)用：橋梁固有頻率測量第21頁/共101頁22應(yīng)用：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。第22頁/共101頁23應(yīng)用：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測第23頁/共101頁242.電感式傳感器工作原理：利用電磁感應(yīng)原理將被測物理量變化轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化,再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出。分為：自感式、差動(dòng)變壓器式（互感式）、電渦流式應(yīng)用：測量位移、壓力、流量、振動(dòng)等信號(hào)M.Faraday電磁感應(yīng)定律(1831年)：當(dāng)一個(gè)線圈中電流i變化時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁通Φ也隨之變化，因而在線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電勢，這種現(xiàn)象稱之為自感。第24頁/共101頁25常用電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器第25頁/共101頁26(1).自感式傳感器鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。第26頁/共101頁27只要改變氣隙厚

就可以改變電感。結(jié)構(gòu):由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為σ

自感式傳感器的特性公式：

N線圈匝數(shù)；

S氣隙的截面積；氣隙厚度；μo導(dǎo)磁率（真空、空氣）線圈的電感量：變氣隙式變面積式螺管式第27頁/共101頁281.改變氣隙長度和截面積都能改變電感量；2.電感量與氣隙長度成反比，與截面積成正比；3.電感量與與氣隙長度不是線性關(guān)系；4.氣隙長度越小，靈敏度越高；自感式傳感器特點(diǎn)：靈敏度為5.變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時(shí)是比較精確的；6.為了減小非線性誤差，差動(dòng)變隙式電感傳感器第28頁/共101頁29單螺管式自感傳感器它由平均半徑為r的螺管線圈、銜鐵和磁性套筒等組成。隨著銜鐵插入深度的不同將引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。第29頁/共101頁30自感傳感器的測量電路輸出指示無法判斷位移方向,必須配合相敏檢波電路來解決。1.交流電橋測量電路2變壓器式交流電橋測量電路第30頁/共101頁31自感式傳感器的應(yīng)用變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用示例1第31頁/共101頁32簡單式靈敏度差動(dòng)式靈敏度差動(dòng)型(2).差動(dòng)變壓器式傳感器定義：把被測非電量變化轉(zhuǎn)換成為線圈互感量的變化的傳感器第32頁/共101頁33差動(dòng)變隙式自感傳感器結(jié)論:①差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍。②差動(dòng)式的線性度得到明顯改善兩個(gè)變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致。第33頁/共101頁34互感型--差動(dòng)變壓器工作原理WW1W2Esx-xEwEout次級(jí)次級(jí)骨架初級(jí)銜鐵次級(jí)次級(jí)初級(jí)結(jié)構(gòu)：中間初級(jí)，兩邊次級(jí)鐵芯在骨架中間可上下移動(dòng)第34頁/共101頁35差動(dòng)式自感傳感器的輸出特性采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性、提高靈敏度外，對(duì)電源電壓與頻率的波動(dòng)及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性。第35頁/共101頁36差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

（a）、（b）變隙式差動(dòng)變壓器第36頁/共101頁37差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

（e）、（f）變面積式差動(dòng)變壓器第37頁/共101頁38差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（c）、（d）螺線管式差動(dòng)變壓器第38頁/共101頁39差動(dòng)變壓器位移傳感器第39頁/共101頁40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(fù)荷量;扭矩,

應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),速度,加速度;等.~應(yīng)用示例1應(yīng)用示例2第40頁/共101頁41應(yīng)用示例3變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器

第41頁/共101頁42應(yīng)用示例31—可動(dòng)鐵心；2—測桿；3—被測物可變氣隙式電感測厚度帶相敏檢波的交流電橋第42頁/共101頁43差動(dòng)變壓器式加速度傳感器原理圖

應(yīng)用示例第43頁/共101頁44差動(dòng)變壓器傳感器特點(diǎn)：●結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠；●靈敏度高、分辨力大；●頻率響應(yīng)低，不宜測高頻動(dòng)態(tài)參量；●測量精度高；非線性誤差為0.1％●常用于測量位移量。如位移變化的參量：力、速度、加速度、厚度第44頁/共101頁45(3).電渦流式傳感器原理：利用線圈在金屬導(dǎo)體附近會(huì)產(chǎn)生電渦流線圈產(chǎn)生得交變磁場向下，電渦流產(chǎn)生的交變磁場向上。線圈接通電源第45頁/共101頁46電渦流式傳感器的應(yīng)用1.測位移電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測量金屬件的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)位移，最大量程達(dá)數(shù)百毫米，分辨率為0.1%。目前電渦流位移傳感器的分辨力最高已做到0.05μm(量程0～15μm)。凡是可轉(zhuǎn)換為位移量的參數(shù)，都可用電渦流式傳感器測量，如機(jī)器轉(zhuǎn)軸的軸向竄動(dòng)、金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。液位監(jiān)控系統(tǒng)電渦流傳感器測位移，由于測量范圍寬、反應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，常用于在線檢測。第46頁/共101頁472.測厚度

測金屬板厚度示意圖第47頁/共101頁483.測溫度式中ρ1、ρ0——分別為溫度t1與t0時(shí)的電阻率，a——在給定溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)測溫用渦流式傳感器1-補(bǔ)償線圈；2-管架；3-測量線圈；4-隔熱襯墊；5-溫度敏感元件優(yōu)點(diǎn)：(1)不受金屬表面涂料、油、水等介質(zhì)影響；(2)可實(shí)現(xiàn)非接觸測量；(3)反應(yīng)快。第48頁/共101頁49除此以外：(1)利用多個(gè)傳感器沿轉(zhuǎn)軸軸向排布，可測得各測點(diǎn)轉(zhuǎn)軸的瞬時(shí)振幅值，從而作出轉(zhuǎn)軸振型圖；(2)利用兩個(gè)傳感器沿轉(zhuǎn)軸徑向垂直安裝，可測得轉(zhuǎn)軸軸心軌跡；(3)在被測金屬旋轉(zhuǎn)體上開槽或作成齒輪狀，利用電渦流傳感器可測出該旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)頻率或轉(zhuǎn)速；(4)電渦流傳感器還可用作接近開關(guān)，金屬零件計(jì)數(shù)，尺寸或表面粗糙度檢測等。案例：零件計(jì)數(shù)第49頁/共101頁50案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle第50頁/共101頁51案例：無損探傷裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測第51頁/共101頁52案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測第52頁/共101頁53電渦流式傳感器特點(diǎn)：●結(jié)構(gòu)簡單；●靈敏度高；●抗干擾能力強(qiáng)；●測量范圍大；●具有非接觸測量；●常用于測量位移、振幅、零件幾何尺寸、表面粗糙度、裂紋等第53頁/共101頁54S—

極板面積，變面積型傳感器

—

極板距離，變極距型傳感器

—

介電常數(shù)，變介質(zhì)型傳感器

—

真空介電常數(shù)

—

相對(duì)介電常數(shù)，無介質(zhì)時(shí)空氣介質(zhì)=1工作原理：將被測非電參量變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化。3.電容式傳感器第54頁/共101頁55一般結(jié)構(gòu)靈敏度(1).變極距型傳感器●間隙越小，靈敏度越高；●間隙小受極板間擊穿電壓的限制●差動(dòng)式靈敏度提高1倍，非線性大大減少差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)靈敏度特點(diǎn)：第55頁/共101頁56(2).變面積型傳感器直線位移式靈敏度角位移式靈敏度●電容與位移呈線性關(guān)系；●輸出特性是線性的；●靈敏度為一常數(shù)。特點(diǎn)：第56頁/共101頁57(3).變介質(zhì)型傳感器●用兩個(gè)同心圓柱狀電極●輸出電容與液面高度成線性關(guān)系第57頁/共101頁58第58頁/共101頁59電容式傳感器特點(diǎn)：●輸入能量小，靈敏度高；可測量很小的力、加速度●動(dòng)態(tài)特性好；質(zhì)量小、頻率高，常用于動(dòng)態(tài)參數(shù)測量●能量損耗??；電容本身不產(chǎn)生熱量，不會(huì)引起零點(diǎn)漂移●結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性好；可工作在惡劣環(huán)境中、溫度變化大、液體中都能工作●電纜分布電容影響大；兩極板電容很小，但傳感器與儀器間有較大電容，降低靈敏度●非線性大；輸出和輸入存在非線性第59頁/共101頁60電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器常用的電容式傳感器第60頁/共101頁61電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）第61頁/共101頁621.震動(dòng)，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動(dòng)，位置，膨脹3.撓度，變形，波動(dòng)，傾斜4.尺寸，公差，分選，零件識(shí)別5.沖擊，應(yīng)變，軸向振動(dòng)6.軸承振動(dòng)，油膜間隙，磨擦，偏心電容式傳感器

第62頁/共101頁634.磁電式傳感器（電動(dòng)式傳感器）

工作原理:利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動(dòng)速度、位移等物理量轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢輸出。

磁電式傳感器機(jī)械量電量第63頁/共101頁64磁電式磁感應(yīng)電式傳感器霍爾式傳感器磁阻效應(yīng)傳感器2.分類

第64頁/共101頁65B-磁感應(yīng)強(qiáng)度S-線圈平均截面積-線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向夾角當(dāng)線圈相對(duì)磁場作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，則線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢：－旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)角速度N-線圈匝數(shù)（1）磁感應(yīng)電式傳感器（感應(yīng)式傳感器、電動(dòng)勢傳感器）工作原理：把被測非電參量變化轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢，是一種機(jī)電能量變換傳感器。第65頁/共101頁66磁感應(yīng)電式恒定磁通式變磁通式動(dòng)圈式動(dòng)鐵式運(yùn)動(dòng)部件是線圈運(yùn)動(dòng)部件是磁鐵又稱變磁阻式、變氣隙式磁感應(yīng)電式傳感器可分為：磁路系統(tǒng)恒定磁場，運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈也可以是磁鐵。線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起磁阻、磁通變化。線速度型角速度型第66頁/共101頁67恒磁通式動(dòng)鐵型動(dòng)圈型a.恒定磁通式第67頁/共101頁68動(dòng)圈式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖:線速度型第68頁/共101頁69角速度型測速電機(jī)第69頁/共101頁70動(dòng)鐵式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖:第70頁/共101頁71b.變磁通式（又稱變磁阻式、變氣隙式）常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度，探頭的磁極與振動(dòng)物體間有一氣隙，當(dāng)振動(dòng)物體振動(dòng)時(shí)，氣隙變化引起磁路磁阻改變，線圈磁通發(fā)生變化，輸出電動(dòng)勢與振幅成比例。變磁阻式工作原理：一般通過改變傳感器到被測對(duì)象間的氣隙厚度等方法來改變磁路磁阻。

第71頁/共101頁72結(jié)構(gòu)原理圖（開路變磁通式傳感器）1-被測旋轉(zhuǎn)體；2-測量齒輪；3-線圈；4-軟鐵；5-永久磁鐵線圈3產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的變化頻率等于測量齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積第72頁/共101頁73第73頁/共101頁74磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖第74頁/共101頁75優(yōu)點(diǎn)：

無需外加電源電路簡單性能穩(wěn)定輸出阻抗小具有一定的頻率響應(yīng)范圍（10~1000HZ）缺點(diǎn)：尺寸重量大磁感應(yīng)電式傳感器特點(diǎn)

常用于動(dòng)態(tài)測量第75頁/共101頁76(2).霍爾式傳感器

霍爾式傳感器原理:利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)將被測量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢輸出的一種傳感器

特點(diǎn):在靜止?fàn)顟B(tài)下具有感受磁場的能力

優(yōu)點(diǎn):

結(jié)構(gòu)簡單，體積小，噪聲小，頻率范圍寬（從直流到微波），動(dòng)態(tài)范圍大，壽命長等。第76頁/共101頁77

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

a霍爾效應(yīng)

第77頁/共101頁78式中：

KH——霍爾元件的靈敏度系數(shù)，與霍爾片的厚度和反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的霍爾系數(shù)有關(guān)?；魻柶暮穸仍叫　⒒魻栂禂?shù)越大，靈敏度系數(shù)KH越大。

I——控制電流

B——垂直于霍爾片平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度

——磁場與霍爾元件平面的法線方向的夾角

第78頁/共101頁79b.霍爾元件－－基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件，多采用N型半導(dǎo)體測量。元件外形a，b控制電流端引線c，d霍爾引出線霍爾元件越薄，靈敏度系數(shù)越大，一般只有1um第79頁/共101頁80霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。

第80頁/共101頁81霍爾傳感器的應(yīng)用

a.測量位移、壓力、流量

特點(diǎn)：測量范圍1～２mm，慣性小、響應(yīng)速度快。第81頁/共101頁82b.測量轉(zhuǎn)速霍爾開關(guān)集成電路第82頁/共101頁83測轉(zhuǎn)角：第83頁/共101頁84鐵磁材料裂紋檢測

NS第84頁/共101頁85例：汽車速度測量:第85頁/共101頁865.壓電式傳感器工作原理:以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)受到外力時(shí)，表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)。+串聯(lián)+并聯(lián)F+電容小，輸出電壓大，適于輸出為電壓的場合電容大電荷量小，時(shí)間常數(shù)大，適于測緩慢信號(hào)，輸出為電荷的場合第86頁/共101頁87壓電材料壓電材料壓電晶體壓電陶瓷如石英

具有很好的溫度穩(wěn)定性，壓電效應(yīng)，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能好穩(wěn)定性不如石英，但壓電系數(shù)約為石英的50倍第87頁/共101頁88在x方向作用一力Fx時(shí)，t發(fā)生變化，y-z晶面產(chǎn)生正負(fù)電荷，當(dāng)作用力的方向相反時(shí)，產(chǎn)生電荷極性相反縱向壓電效應(yīng)第88頁/共101頁89橫向壓電效應(yīng)表面電荷量：Q=dFd-壓電常數(shù)F-作用在表面上的力（表征壓電性能強(qiáng)弱）第89頁/共101頁90壓力變送器

加速度計(jì)力傳感器

常見的壓電式傳感器第90頁/共101頁91壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式玻璃破碎報(bào)警器第91頁/共101頁92PVF2壓電膜硬幣

銅柱

投幣計(jì)數(shù)傳感器第92頁/共101頁93壓電膜話筒結(jié)構(gòu)示意圖PVF2壓電膜

絮狀材料墊聲壓

話筒中，壓電膜以一定的支撐形式保持膜內(nèi)一定張力。在外來聲壓作用下，膜面的曲率發(fā)生變化，使膜內(nèi)應(yīng)力改變，產(chǎn)生相應(yīng)的壓電信號(hào)。