机械工程测试技术基础第三章课件.ppt
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1、第三章 常用传感器,主要研究内容:,1.了解传感器的分类 2.常用传感器测量原理3.传感器选用,测试技术基础,一、传感器的作用,传感器 - 被测信息按照一定的规律转换成某种可用信号输出器件/装置,传感器,(重要、关键),检测系统:,物理量、化学量、生物量/其他,便于处理和传输的信号,人的五官:,眼睛 耳朵 鼻子 舌头 皮肤,视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉,二、传感器的分类,3.1 概 述,1. 传感器(Sensor)定义,传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。 目前,传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义
2、上讲,传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的器件或装置。,第三章常用传感器,传感器在非电量电测系统中的作用:,一是 敏感作用: 感受并拾取被测对象的信号,二是变换作用: 被测信号转换成易于检测和处理的电信号,概述,获得传感器信号的两种方法:直接获得电信号的变化(开关传感器);将物理量变换成电信号的变化(水位、压力等)。,2. 传感器的分类,(1)按被测物理量分类:(2)按传感器元件的变换原理分类:,位移传感器,流量传感器,温度传感器等.,概述,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.(无源传感器) 例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量
3、的变化. (有源传感器)例如:电阻应变片.能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测. 例如:超声波发生器和接受器.,(3)按传感器的能量传递方式分类:,概述,(4)按输出信号分类:,概述,模拟式传感器和数字式传感器。,需要指出的是,不同情况下,传感器可能只有一个,也可能有几个换能元件,也可能是一个小型装置。例如,电容式位移传感器是位移一电容变化的能量控制型传感器,可以直接测量位移。而电容式压力传感器,则经过压力一膜片弹性变形(位移)一电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量一机械量的换能件,由它实现第一次变换;同时它又与另极板构成电容器,用来完成第二次转换。再如电容
4、型伺服式加速度计(也称力反馈式加速度计),实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统,如图3-2所示。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。,概述,3. 传感器的性能要求,足够的容量匹配性好,转换灵敏度高精度适当,稳定性高反应速度快,工作可靠性高适应性和适用性强,概述,机械式传感器应用很广。在测试技术中,常常以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量,而输出则为弹性元件本身的弹性变形(或应变)。这种变形可转变成其他形式的变量。例如被测量可放大而成为仪表指针的偏转,借助刻度指示出被测量的大小。,3.2 机械式传感器,第三章常用传感器,第三章常用传感器,1)、
5、机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。但弹性变形不宜大,以减小线性误差。 2)、由于放大和指示环节多为机械传动,不仅受间隙影响,而且、惯性大,固有频率低,只宜用于检测缓变或静态被测量。(为了提高测量的频率范围,可先用弹性元件将被测量转换成位移量,然后用其他形式的传感器(如电阻、电容、电涡流式等)将位移量转换成电信号输出。) 3)、弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象。材料的蠕变与承载时间、载荷大小、环境温度等因素有关。而弹性后效则与材料应力-松驰和内阻尼等因素有关。都会影响到输出与输入的线性关系。因此,应用弹性元件时,应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取有效措
6、施来改善上述诸现象产生的影响。,第三章常用传感器,第三章常用传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,按工作的原理可分为:,热敏式,电阻应变式,变阻器式,光敏式,电敏式,3.3 电阻式传感器,第三章常用传感器,固态压阻式,1、电阻应变式传感器-应变片,金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应,即金属导体在外力作用下发生机械变形时,其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,电阻式传感器,1) 工作原理,金属应变片的电阻R为,电阻式传感器,(1) 金属应变片(不变),(2) 半导体应变片(变化),电阻式传感器,压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受
7、到外力作用时,其电阻率发生变化的现象。从半导体物理可知,半导体在压力、温度及光辐射作用下,能使其电阻率P发生很大变化。,2) 金属应变计,金属应变计有:丝式和箔式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.,应变计,电阻式传感器,3) 半导体应变计,优点:应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点:温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,应变计,电阻式传感器,体型薄膜型扩散型,案例:,4) 应用,电阻式传感器,案例:电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,德国HBM电阻应变式传感器,电阻式传感器,2、变阻式传感器,电阻式传感器,变阻器式传感器亦称
8、为电位计式传感器,它通过改变电位器触头位置,实现将位移转换为电阻R的变化。常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。,函数电位器,电阻式传感器,变阻器式传感器的后接电路,一般采用电阻分压电路,变阻器式传感器的优点是结构简单、性能稳定、使用方便。 缺点是分辨力不高,因为受到电阻丝直径的限制。提高分辨力需使用更细的电阻丝,其绕制较困难。 由于结构上的特点,这种传感器还有较大的噪声,电刷和电阻元件之间接触面变动和磨损、尘埃附着等,都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化,从而产生噪声。 变阻器式传感器被用于线位移、角位移测量在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。,电阻式传感器
9、,电阻式传感器,3、固态压阻式传感器,固态压阻式传感器的工作原理是利用半导体材料的电阻效应。固态压阻式传感器中的敏感元件则是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻,所以亦可称为扩散型半导体应变片。这种元件是以单晶硅为基底材料,按一定晶向将P型杂质扩散到N型硅底层上,此P型层就相当于半导体应变片中的电阻条,连接引线后就构成了扩散型半导体应变片。 由于互相渗透,结合紧密,所以基本上为一体。在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形状。这时基底就是弹性元件,导电层就是敏感元件。当有机械力作用时,硅片产生应变,使导电层发生电阻变化。一般这种元件做成全桥形式,在外力作用下,电桥产生相应的不平衡输
10、出。,电阻式传感器,在设计传感器硅膜片时,为了使传感器有较好的线性输出,硅膜片的应变不宜;立大,对半导体应变片和硅杯扩散电阻,一般不超过500pc为宜。如图455所示结构的硅膜片, 其应变分布如图所示。,电阻式传感器,固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。 由于固态压阻传感器是用集成电路工艺制成的,测量压力时,有效面积可做得很小,因此这种传感器频响高,可用来测量几十千赫的脉动压力。 测量加速度的压阻式传感器,如恰当地选择尺寸与阻尼系数,可用来测量低频加速度与直线加速度。 由于半导体材料的温度敏感性,因此,压阻式传感器的温度误差较大,使用时应有温度补偿措施。,电阻式传感器,4、典型动态电阻应
11、变仪,电阻式传感器,3.3 电容式传感器,1.变换原理:,将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,当被测量、A或发生变化时,都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变,而仅改变另一个参数,就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,第三章常用传感器,2 分类,a) 极距变化型;,电容式传感器,电容式传感器,b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.,角位移型,电容式传感器,平面线位移型,柱面线位移型,电容式传感器,3 应用,1.震动,偏心,裂纹,振荡,同心度2.位移,移动,位置,膨胀3.挠度,变形,波动,倾斜4.尺寸,公差,分选,零件识别5.冲击
12、,应变,轴向振动6.轴承振动,油膜间隙,磨擦,偏心,电容式传感器,电容式传感器的特点,输入能量小,灵敏度高;动态特性好;能耗小;结构简单,适应性好;非线性较大;电缆分布电容影响大。,电容式传感器,3.4 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理,它是把被测量转化为电感量的一种装置。,第三章常用传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,电感式传感器,a)变间隙型,b)变面积型,c)螺线管型,电感式传感器,d)差动电感型,电感式传感器,2 涡流式,原理:涡流效应,电感式传感器,原线圈的等效阻抗Z变化:,电感式传感器,电涡流传感器的测量电路并联谐振电路,发生谐振时回路的电流和电压同相,此时
13、电路等效阻抗最大且具有纯电阻性,电路中的总电流很小。,电感式传感器,调幅测量法,调频测量法,电感式传感器,a)高频反射式:(集肤效应),电感式传感器,b)低频透射式:(互感原理),案例: 连续油管的椭圆度测量,原理:,电感式传感器,案例: 无损探伤,原理裂纹检测,缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,电感式传感器,案例: 测厚,案例: 零件计数,电感式传感器,3 变压器式-差动变压器,工作原理:互感现象.,电感式传感器,电感式传感器,差动相敏检波电路,应用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度; 压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速
14、度;等.,电感式传感器,电感式传感器,电感式传感器的特点 简单电感、差动电感和差动变压器式传感器具有以下特点 结构简单、工作可靠; 灵敏度高、分辨力较大; 测量精度较高,非线性误差小; 频率响应较低,不宜测高频动态参量。,3.5 磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势U为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关,改变其中一个因素,都会改变线圈的感应电动势。,第三章常用传感器,2 分类,磁电式传感器,3 动圈式传感器,磁电式传感器,磁电式传感器,线圈产生的感应电势通过电缆与电压放大器联接时,其等效电路如下,4 磁阻式
15、传感器,磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动,由运动着的物体(导磁材料)改变磁路的磁阻,而引起磁力线增强或减弱,使线圈产生感应电动势。,磁电式传感器,磁电式传感器,5 应用,b) 测速电机,a)磁电式车速传感器,磁电式传感器,3.6压电式传感器,1.变换原理:,压电效应(可逆),某些物质,如石英,当受到外力作用时,不仅几何尺寸会发生变化,而且内部被极化,表面会产生电荷;当外力去掉时,又重新回到原来的状态,这种现象称为压电效应。,第三章常用传感器,压电效应,q=DF,压电式传感器,压电式传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷等效电路,也可以等效为电压源与一个电容串联的电压等效电路。,
16、压电式传感器,压电式传感器,压电式传感器,在受到沿不同方向的作用力时会产生不同的极化作用,如图所示。x轴方向加力产生纵向压电效应,沿y轴加力产生横向压电效应,沿相对两平面加力产生剪切压电效应。压电效应和逆压电效应都是线性的。即晶体表面出现的电荷的多少和形变的大小成正比,当形变改变符号时,电荷也改变符号;在外电场作用下,晶体形变的大小与电场强度成正比,当电场反向时,形变改变符号。常用的压电材料大致可分为三类:压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。,压电式传感器,2、测量电路,a)电压放大器,压电式传感器,压电式传感器,传感器电缆不是规定的长度时,应重新调整灵敏度。,压电式传感器,压电式传感器高频响应
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