《机电一体化技术基础（第2版）教学课件作者倪依纯课题三》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化技术基础（第2版）教学课件作者倪依纯课题三（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、课题三 学习传感与检测技术,学习任务一 认识传感与检测技术 学习任务二 学习常用传感器及其应用,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,.什么是传感与检测技术 （） 什么是检测技术 检测是利用各种物理、化学效应， 选择合适的方法与装置， 将生产、科研生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。检测技术是自动化技术的支柱之一。 自动检测系统是帮助完成整个检测处理过程的系统。目前， 非电量的检测常常采用电测法， 即先将采集到的各种非电量转换为电量， 然后再进行处理。最后显示或记录非电量值，系统的组成框图如图 所示。,
2、下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,（） 什么是传感器 如图 所示， 人通过感官感觉外界对象的刺激， 通过大脑对感受的信息进行判断、处理， 肢体作出相应的反映。传感器相当于人的感官， 称“电五官”， 外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号， 微机对电信号进行处理， 发出控制信号给执行器， 执行器对外界对象进行控制。如果没有各种精确可靠的传感器去检测原始数据并提供真实的信息，即使是性能非常优越的计算机， 也无法发挥其应有的作用。传感器作为信息采集系统的前端单元， 已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件， 作为系统中的一个结构组成， 其重要性变得越来越明显。,上一页,下一页,返
3、回,学习任务一 认识传感与检测技术,从广义上讲， 传感器就是能够感觉外界信息， 并能按一定规律将这些信息转换成可用的输出信号的器件或装置。这一概念包含了下面三方面的含义。 传感器是一种能够完成提取外界信息任务的装置。 传感器的输入量通常指非电量， 如物理量、化学量、生物量等； 而输出量是便于传输、转换、处理、显示等的物理量， 主要是电量信号。 传感器的输出量与输入量之间精确地保持一定规律。 .传感器组成,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,传感器一般由敏感元件、传感元件和测量转换电路三部分组成， 如图 所示， 但并不是所有的传感器都有敏感元件和传感元件之分， 有些传感器是将二
4、者合二为一的。 （） 敏感元件 敏感元件是传感器中能直接感受被测量的部分， 即直接感受被测量， 并输出与被测量成确定关系的某一物理量。 （） 传感元件 传感元件是传感器中将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,（） 测量转换电路 测量转换电路将电量参数转换成便于测量的电压、电流、频率等电量信号。 .传感器的分类 传感器种类繁多， 分类方法也不尽相同， 常用的分类方法有以下几种。 （） 按被测物理量分类 按被测物理量， 可分为温度、压力、流量、物位、位移、加速度、磁场、光通量等传感器。这种分类方法明确表明了传感器的用途， 便于使用
5、者选用， 如压力传感器用于测量压力信号。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,（ ） 按传感器工作原理分类 按工作原理， 可分为电阻传感器、热敏传感器、光敏传感器、电容传感器、自感传感器、磁电传感器等， 这种方法表明了传感器的工作原理， 有利于传感器的设计和应用。表 列出了这种分类方法中各类型传感器的名称及典型应用。 （） 按传感器转换能量供给形式分类 按转换能量供给形式， 分为能量变换型（发电型） 和能量控制型（参量型） 两种。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,能量变换型传感器在进行信号转换时不需另外提供能量， 就可将输入信号能量变换为另一种形式能量输
6、出， 如热电偶传感器、压电式传感器等； 能量控制型传感器工作时必须有外加电源， 如电阻、电感、电容、霍尔式传感器等。 （） 按传感器工作机理分类 按工作机理， 可分为结构型传感器和物性型传感器。结构型传感器是指被测量变化时引起了传感器结构发生改变， 从而引起输出电量变化。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,物性型传感器是利用物质的物理或化学特性随被测参数变化的原理构成， 一般没有可动结构部分， 易小型化， 如各种半导体传感器。 习惯上常把工作原理和用途结合起来命名传感器， 如电容式压力传感器、电感式位移传感器等。,上一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,.电阻应变
7、片式传感器 电阻传感器中的电阻应变式传感器应用十分广泛， 主要应用可分两大类， 其一是将应变片直接粘贴在被测试件上， 测量应力或应变； 其二是与弹性元件连用， 测量力、压力、位移、速度、加速度等物理量。应用如案例中列举的电子秤和图 所示的冲床计数等。 （） 电阻应变式传感器概述 电阻应变式传感器是利用导体或半导体材料的应变效应制成的一种测量器件。用于测量微小的机械变化量， 在结构强度实验中， 它是测量应变的最主要手段， 也是目前测量应力、应变、力矩、压力、加速度等物理量应用最广泛的传感器之一。,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组
8、成。用应变片测量应变时， 将应变片粘贴在试件表面。当试件受力变形后， 应变片上的电阻也随之变形， 从而使应变片电阻值发生变化， 通过测量转换电路最终转换成电压或电流的变化。 应变式传感器结构简单， 尺寸小， 重量轻， 使用方便， 性能稳定可靠， 分辨率高， 灵敏度高， 价格又便宜， 工艺较成熟。因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。 （） 应变片 应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器， 是常用的传感器之一。应变式传感器的核心元件是电阻应变计（应变片）。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,如图 所示， 金属丝电阻应变片由敏感栅、基底、覆
9、盖层和引线组成。 敏感栅： 感受应变， 并将其转换为电阻的变化。 基底和覆盖层： 固定和保护敏感栅， 使敏感栅与试件绝缘， 并传递试件变形给敏感栅。 引出线： 将敏感栅的电阻变化引出到测量电路中。 常用的应变片有两大类： 一类是金属电阻应变片， 另一类是半导体应变片。 金属电阻应变片有丝式应变片和箔式应变片等。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,箔式应变片的优点是表面积和截面积之比大， 散热条件好， 故允许通过较大的电流， 并可做成任意形状， 便于大量生产。由于上述一系列优点， 所以使用范围日益广泛， 有逐渐取代丝式应变片的趋势。如图所示。 半导体应变片的结构如图3 所
10、示。它的使用方法与电阻丝式相同， 即粘贴在被测物上， 随被测物的应变， 其电阻发生相应变化。 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片的主要优点是灵敏度高（灵敏度比金属丝式、箔式大几十倍）， 主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大， 电阻与应变间非线性严重。在使用时， 需采用温度补偿及非线性补偿措施。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,应变片的粘贴是应变测量的关键之一， 它涉及被测表面的变形能否正确地传递给应变片。粘贴所用的黏合剂必须与应变片材料和试件材料相适应， 并要遵循正确的粘贴工艺。现将粘贴工艺简述如下： 试件的表面处理。 确定贴片位置。 粘贴。
11、 固化。 粘贴质量检查。 引线的焊接与防护。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,（） 测量转换电路 根据不同的要求, 应变电桥有不同的工作方式， 如图 所示。 单臂半桥工作方式。 为应变片， 其余各臂为固定电阻。 双臂半桥工作方式。 、 为应变片， 、 为固定电阻。应变片、 感受到的应变 以及产生的电阻增量正负号相间， 可以使输出电压 成倍地增大。 全桥工作方式。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后， 应变片 产生的电阻增量（或感受到的应变 ） 正负号相间， 就可以使输出电压 成倍地增大。 上述三种
12、工作方式中， 全桥四臂工作方式的灵敏度最高， 单臂半桥工作方式的灵敏度最低。 在实际应用时， 应尽量采用双臂半桥或全桥的工作方式， 这不仅是因为这两种工作方式的灵敏度较高， 还因为它们都具有实现温度自补偿的功能。当环境温度升高时， 桥臂上的应变片温度同时升高， 温度引起的电阻值漂移大小一致， 从而减小因桥路的温漂而带来的测量误差。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,（ ） 电阻应变式传感器的种类及应用 测力传感器。 应变片式传感器的最大用武之地还是称重和测力领域， 如图 所示。这种测力传感器的结构由应变计、弹性元件和一些附件所组成。视弹性元件结构型式（如柱形、筒形、环形
13、、梁式、轮辐式等） 和受载性质（如拉、压、弯曲和剪切等） 的不同， 它们有许多种类。 例如： 电子秤， 如图 所示， 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。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,压力传感器压力传感器主要用来测量流体的压力。视其弹性体的结构形式有单一式和组合式之分。 单一式压力传感器是指应变计直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。 组合式压力传感器则由受压弹性元件（膜片、膜盒或波纹管） 和应变弹性元件（如各种梁） 组合而成。前者承受压力， 后者粘贴应变计。两者之间通过传力件传递压力作用。这种结构的优点是受压弹性元件能对流体高温、腐蚀等影响起到隔
14、离作用， 使应变计具有良好的工作环境。 位移传感器。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变， 然后通过应变计和应变电桥， 输出正比于被测位移的电量。它可用来近测或远测静态与动态的位移量。因此， 既要求弹性元件刚度小， 对被测对象的影响反力小， 又要求系统的固有频率高， 动态频响特性好。如图 所示。 其他应变式传感器。 利用应变片除可构成上述主要应用传感器外， 还可构成其他应变式传感器， 如通过质量块与弹性元件的作用， 可将被测加速度转换成弹性应变， 从而构成应变式加速度传感器， 如图 所示。,上一页,下一页,返回,学
15、习任务二 学习常用传感器及其应用,如通过弹性元件和扭矩应变计， 可构成应变式扭矩传感器等。应变式传感器结构与设计的关键是弹性体型式的选择与计算， 应变片的合理布置与接桥。 .电涡流传感器 在电工学中， 我们学过有关电涡流的知识。当导体处于交变的磁场中时， 铁芯会因为电磁感应而在内部产生自行封闭的电涡流而发热。变压器和交流电动机的铁芯都是用硅钢片叠制而成， 就是为了减小电涡流， 避免发热。但人们也能利用电涡流做有用的工作， 如电磁灶、中频炉、高频淬火等都是利用电涡流原理而工作的。 （） 电涡流传感器定义及分类,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,基于法拉第感应现象， 金属导
16、体在置于交变的磁场中时， 导体表面会有感应电流的产生。电流的流线在金属体内自行闭合， 这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流， 这种现象称为电涡流效应。因此， 要形成涡流必须具备两个条件： 存在交变磁场； 导电体处于交变磁场中。 电涡流传感器的传感元件是一个线圈， 俗称为电涡流探头。电涡流探头结构如图所示， 实物如图 所示。随着电子技术的发展， 现在已能将测量转换电路安装到探头的外壳体中， 它具有输出信号大， 不受输出电缆分布电容影响等优点。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况， 此传感器分为高频反射式与低频透射式两大类， 但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接
