工程测试技术-第三章传感器.ppt
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1、第3章传感器测量原理,本章学习要求:,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,工程测试技术基础,1,第3章传感器测量原理,传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息,并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置,目前,传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲,传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,3.1概述,2,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量,并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配,以便于后续仪表接入。
2、,3.1概述,传感器的构成,3,3.1概述,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光:亮度,色彩,传感器的分类,4,3.1概述,机械式,电气式,光学式,流体式等。,2)按工作的物理基础分类:,5,3.1概述,3)按信号变换特征:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。如:水银温度计。结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。例如:电容式和电感式传感器.,7,3.1概述,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其
3、工作。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的变化。例如:电阻应变片。,6,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,3.17传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,灵敏度,一般说来,传感器灵敏度越高越好,但,在确定灵敏度时,要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题;b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。,11,3.17传感器选用原则,传感器的响应特性是指在所测频率范围内,保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟,但总希望延迟的时间越短越好。,线性范围,
4、任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系,线性范围愈宽,则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内,是保证测量精度的基本条件。,3.17传感器选用原则,响应特性,12,稳定性是表示传感器经过长期使用以后,其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,精确度,传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。,3.17传感器选用原则,稳定性,13,传感器工作方式,也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如,接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。,3.17传感器选用原则,测量方式,14,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种
5、传感器,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式。,变阻器式传感器,第3章传感器测量原理,3.2电阻式传感器,8,等效电路分析:,x,L,3.2电阻式传感器,L-变阻器总长;x-电刷移动量.R-总电阻;RL电刷电阻;,R=K*l,x=L*E1/E,9,3.2电阻式传感器,10,3.2电阻式传感器,11,3.2电阻式传感器,负载效应,1,E,E1,=,12,3.2电阻式传感器,12,(2)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类,3.2电阻式传感
6、器,按测量类型:,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,13,3.2电阻式传感器,按制作方式:,线绕电位器,14,变阻器式传感器产品,3.2电阻式传感器,15,案例:重量的自动检测-配料设备,3.2电阻式传感器,原理:弹簧-力-位移-电位器-电阻,16,案例:煤气包储量检测,3.2电阻式传感器,原理:钢丝-收线圈数-电位器-电阻,17,案例:玩具机器人(广州中鸣数码),3.2电阻式传感器,原理:电机-转角-电位器-电阻,18,3.2电阻式传感器,18,参考:门磁探测器,电阻应变片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,其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的
7、变化而发生变化象。,3.2电阻式传感器,电阻应变式传感器-应变片,1,1)工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,3.2电阻式传感器,金属应变片的电阻R为,代入,2,3.2电阻式传感器,有:,金属丝:,金属丝体积不变:,3,3.2电阻式传感器,有:,对金属材料,导电率不变:,金属丝应变片:,4,应变计,3.2电阻式传感器,金属应变计,5,3.2电阻式传感器,半导体应变计,简化为:,优点:灵敏度大;体积小;缺点:温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,6,3)应变片的主要参数,4)其它表示应变计性能的参数(工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等)。,3.2电阻式传感器
8、,1)几何参数:表距L和丝栅宽度b,制造厂常用 bL表示。,2)电阻值:应变计的原始电阻值。,3)灵敏系数:表示应变计变换性能的重要参数。,7,3.2电阻式传感器,4)应变片测量电路,8,3.2电阻式传感器,令:,金属丝应变片:,V与应变成线形关系,可以用电桥测量电压测量应变,9,3.2电阻式传感器,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷,有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆。,3.试件表面处理:贴片处置用细纱纸打磨干净,用 酒精棉球反复擦洗贴处,直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴:
9、在应变片基底上挤一小滴502胶水,轻轻涂抹均匀,立即放在应变贴片位置。,10,3.2电阻式传感器,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织,应 大于500M欧。,7.应变片保护:用704硅橡胶覆于应变片上,防止 受潮。,11,3.2电阻式传感器,电阻应变式传感器的应用:测力,12,3.2电阻式传感器,12,标准产品,案例:桥梁固有频率测量,3.2电阻式传感器,14,案例:冲床生产记数和生产过程监测,3.2电阻式传感器,16,3.2电阻式传感器,16,案例:机器人握力测量,3.2电阻式传感器,16,案例:振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、
10、古建筑的防范,挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,3.2电阻式传感器,16,电子称制作,3.2电阻式传感器,15,3.2电阻式传感器,15,1、在什么条件下变阻器式传感器的输出量与输入量之间有较好的线性关系?,2、简述应变式电阻传感器的工作原理,其测量电路如何实现?,第3章传感器测量原理,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:,、A或发生变化时,都会引起电容的变化。,3.3电容式传感器,1,3.3电容式传感器,a)极距变化型,2,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后,表面永久地驻有极化电荷,取代了电容传声器极
11、板,故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,3.3电容式传感器,3,b)面积变化型,3.3电容式传感器,4,平面线位移型,3.3电容式传感器,5,柱面线位移型,3.3电容式传感器,6,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面,使膜片产生 位移。,3.3电容式传感器,7,c)介质变化型,3.3电容式传感器,8,产品,电容式液位传感器(液位计/料位计),3.3电容式传感器,9,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板,另一个极板是物体本身,当物体移向接近开关时,物体和接近开关的介电常数发生变化,使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体,并不
12、限于金属导体,也可以是绝缘的液体或粉状物体。,3.3电容式传感器,10,3.3电容式传感器,11,a)电桥电路,3.3电容式传感器,测量电路,12,b)谐振电路,3.3电容式传感器,13,d)运算放大器电路,3.3电容式传感器,14,3.3电容式传感器,15,3.3电容式传感器,15,第3章传感器测量原理,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。,分类:,电感式传感器,3.4电感式传感器,1,3.4电感式传感器,原理:电磁感应,自感型-可变磁阻式,2,电感式接近传感器(金属),3.4电感式传感器,3,教学用低成本四线制无二次仪表传感器,3.4电感式传感器,4,原理:
13、涡流效应,3.4电感式传感器,涡流式,5,原线圈的等效阻抗Z变化:,3.4电感式传感器,6,3.4电感式传感器,7,案例:连续油管的椭圆度测量,3.4电感式传感器,9,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,3.4电感式传感器,10,实验:轴心轨迹测量,3.4电感式传感器,8,实验:轴心轨迹测量,3.4电感式传感器,8,3.4电感式传感器,互感型-差动变压器,11,3.4电感式传感器,12,差动变压器测量电路,3.4电感式传感器,13,差动变压器位移传感器,3.4电感式传感器,14,案例:板的厚度测量,3.4电感式传感器,15,案例:张力测量,3.4电感式传感器
14、,16,3.4电感式传感器,16,1、电容式传感器的工作原理是什么?,2、电感式传感器可分为几类?,3、何谓涡流效应?怎样利用涡流效应进行位移测量?,4、请设计几种测量物体位移的方法,描述其基本原理,各种方法的特点,局限性。,习题:,第3章传感器测量原理,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e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,都会改变感应电动势。,3.5磁电式传感器,1,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,3.5磁电式传感器,分类,2,动圈式传感器,线速度型,3.5磁电式传感器,3,角速度型,测速
15、电机,3.5磁电式传感器,4,3.5磁电式传感器,4,实验:用微型发电机制作机械式转速表,磁阻式传感器,3.5磁电式传感器,5,案例:鼠笼电机转子断细条检测,3.5磁电式传感器,6,第3章传感器测量原理,变换原理:压电效应,某些物质,如石英,受到外力作用时,不仅几何尺寸会发生变化,而且内部会被极化,表面产生电荷;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。,3.6压电式传感器,7,3.6压电式传感器,压电式传感器输出电信号很微弱,通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中,经过阻抗变换后,方可输入到后续显示仪表中。,测量电路,8,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,3.
16、6压电式传感器,9,案例:飞机模态分析,3.6压电式传感器,10,案例:热轧设备诊断,3.6压电式传感器,11,实验:转子实验台底座振动测量实验,3.7磁敏元件传感器,13,第3章传感器测量原理,3.7磁敏元件传感器,1,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成,如图示。,3.7磁敏元件传感器,2,3.7磁敏元件传感器,3,测转角:,3.7磁敏元件传感器,4,电流传感器,当电流流过导线时,将在导线周围产生磁场,磁场大小与流过导线的电流大小成正比,这一磁场可以通过软磁材料来聚集,然后用霍尔器件进行检测。,3.7磁敏元件传感器,5,铁磁材料裂纹检测,3.7磁敏元件传感器,6,叶片和齿轮位置传感器,应用
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