现代测试技术(4)讲解

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1、第第3 3章章 传感器的工作原理及其应用传感器的工作原理及其应用 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 1 3-1 传感器概述 一、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。 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。 物理量电量 2 二、传感器的组成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是 传感器的核心，其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。 V 3 敏感

2、元件 辅助电路 转换 元件 被被 测非测非 电量电量 有有 用用 非电量非电量 有用有用 电量电量 信号调节 转换电路 电电 量量 敏感元件 被测非电量被测非电量有用电量有用电量 物性型物性型 传感器传感器 结构型结构型 传感器传感器 敏感 元件 转换 元件 被测非电量被测非电量 有用电量有用电量有用非电量有用非电量 4 敏感元件：传感器中能直接感受或响应被测量 的部分 转换元件：传感器中能将敏感元件感受或响应 的被测量转换成适合于传输或测量 的电信号部分。 信号调理：传感器输出信号一般都很微弱，因 此传感器输出的信号一般需要进行 信号调理与转换、放大、运算与调 制之后才能进行显示和参与控制。

3、 5 三、传感器的分类 1.按被测物理量分类 常见的被测物理量有： 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。 6 机械式、电气式、光学式、流体式等。 2.按工作的物理基础分类 切削测力仪 动圈式磁电传感器 线速度型 7 3.按敏感元件与被测对象之间的能量关系分类 （2）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。 （1）能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作。 例如:热电偶温度计、压电式加速度计

4、。 动圈式磁电传感器 线速度型 声波 膜片 极板空腔 8 4.按信号变换特征分类 （1）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。 （2）结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转 换。例如:电容式和电感式传感器。 声波 膜片 极板空腔 9 3-2 电阻式传感器 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：电位计式、电阻 应变式、热敏式、光敏式、电敏式。 一、电位计式传感器 直线位移型 电位计式传感器 角位移型 电位计式传感器 10 电位计总长 电刷移动量 总电阻 电刷电阻 对于直线位移型， 当无负载电阻时 1.等效电路分析 （3-

5、1） 11 传感器的输出电压为 其电压灵敏度为 因此，无负载时，电位计式传感器的输入与输出 成线性关系。 因而，在实际中电位计式传感器一般采用电阻分 压时，在输出端需要接负载电阻 ，如下图所示。 传感器的电阻灵敏度为 （3-2） （3-3） （3-4） 12 当 时， ，此时存在非线性 误差 。 （3-5） 13 当 和 时， ，说明在起点和终点 位置非线性误差为零。 因此，应该避免电刷在骨架中央附近工作，在实 际中，电刷一般在离起点或终点三分之一处工作。 由 得到 式中， ， ，因此， 是 的函数。 （3-6） 14 2.电位计式传感器的性能参数 1)非线性度(或曲线的一致性); 2)分辨率

6、（受导线直径的限制）; 3)整个电阻值的偏差; 4)移动或旋转角度范围; 5)电阻温度系数; 6)寿命。 15 直线滑动式电位计 角度传感器 弹性绳盘 电位计式位移传感器 3.电位计式传感器产品 16 4.应用 案例：重量的自动检测配料设备 比较 原材料 重量设定 原理：弹簧 力 位移 电位器 电阻 17 案例：煤气包储量检测 煤气包 钢丝 弹性绳盘 原理：钢丝 收线圈数 电位器 电阻 18 案例：玩具机器人 19 20 原理：电机 转角 电位器 电阻 21 航空飞行高度传感器航空飞行高度传感器 22 应变片式加速度传感器 二、应变式传感器应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应 ，

7、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)的变化而发生变化 的现象。 应变片 应变片 23 1.工作原理 金属应变片的电阻为 上述任何一个参数变换均会引起电阻变化，求导数 24 由于 （3-7） 代入 ，得到 （3-8） 因此（3-9） 25 所以 （3-10） 同时还有 （ 为泊松比） 对于金属材料，由于应变而引起电阻率的变化很 小，可以忽略不计，因此有 （1）金属电阻应变片 （3-11） 其灵敏度为 （3-12） 26 （2）半导体应变片 对于半导体材料，由于压力的作用而引起电阻率 发生很大的变化，而此时由于几何变形而引起的电阻 变化相对较小，可以忽略不

8、计，因此有 （3-13） 式中， 为弹性模量； 为压阻系数。 其灵敏度为 （3-14） 半导体应变片的优点是灵敏度大、体积小;而缺 点是温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 27 金属电阻应变片主要由敏感栅、基底、覆盖层和 引线组成。 1敏感元件 2、4基底 3引线 2.结构 28 3.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）。 （2）电阻值：应变计的原始电阻值。 （3）灵敏度：表示应变计变换性能的重要参数。 （1）几何参数：表距 和丝栅宽度 ，制造厂常用 表示。 1敏感元件 2、4基底 3引线 29 4.4.应变计的型号代号应变计的型

9、号代号 30 4.测量电路 V （3-15） 设 31 又因为 所以 （3-16） 即输出电压与应变成线性关系，因此可以通过电 桥测量输出电压，从而测出应变的大小。 32 5.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：贴片处位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 。 33 （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

10、变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受 潮。 （4）应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变片贴片位置。 34 6.电阻应变片的应用 柱式 35 钢柱的横截面积为 ； 弹性模量为 ；泊松 比为 。应变片的电阻 为 ；灵敏度为 。 36 标准产品 37 案例：桥梁固有频率测量 38 案例：电子称 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。 39 柱式 案例：冲床生产记数和生产过程监测 40 案例：机器人握力测量 41 案例：振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、 爆破等破坏行为均可及时发现。 42 扭矩传感

11、器 43 L L、D D 扭矩轴的轴长、轴直径扭矩轴的轴长、轴直径 G G 扭矩扭矩轴的弯曲系数轴的弯曲系数 T T 扭矩扭矩 扭矩角扭矩角 ： 单位：单位：N . mN . m 压缩力压缩力 拉伸力拉伸力 轴的扭转弹性形变程度轴的扭转弹性形变程度 应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器 44 应变计式加速度传感器应变计式加速度传感器 惯性系统：惯性系统：a Fa F 适用频率：适用频率：10106060HzHz 45 3-3 电容式传感器 一、工作原理及分类 将被测量的变化转换为电容量的变化，属于结构 型传感器。 1.工作原理 两平行极板组成的电容 器，它的电容量为： （3-17） 、 或 发生变

12、化时 ，都会引起电容的变化。 46 2.分类 （1）变极距型 声波 膜片 极板空腔 电容传声器 47 电容传声器的工作原理 背极 内腔 毛细孔 振膜 阻尼孔 绝缘体 48 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。 49 对于变极距型电容式传感器，当极距 有一微小的 变化 时，其电容的变化量为 （3-18） 因此变极距型电容式传感器的灵敏度为 （3-19） 很显然，其灵敏度不是常数，其输入和输出呈非线 性关系，这样存在非线性误差。 设初始间距 ，当移动

13、 时， ，此时 （3-20） 50 当 时， ，可得到 （3-21） 此时，传感器的灵敏度近似为常量，输入与输出 呈近似的线性关系，因此该传感器只能用于小位移的 测量，其测量范围 ， 越大，测量范围越宽， 但是灵敏度减小。为了增大测量范围，提高灵敏度， 实际中常采用差动结构。 51 （2）变面积型 角位移型 1 2 变面积型电容传感器 1 固定极板 2 动极板 52 平面线位移型 变面积型电容传感器 1 固定极板 2 动极板 53 柱面线位移型 变面积型电容传感器 1 固定极板 2 动极板 54 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。 产品介绍 55 压力变送器 电容压力传感器 56 （3）变介质型 57 产品介绍 电容式液位传感器（液位计/料位计） 58 电容式接近开关 振荡电路 被测物体 感应电极 被测电容 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，并不限于金属导体，也可以 是绝缘的液体或粉状物体。 59 二、测量电路 放大器相敏检波滤波器 输出 电桥电路 60 三、应用 频率计 定极 转换电路 脉冲频率为 齿轮（齿数为 ）转速为 测齿轮转速 61 电容式测厚仪 测钢材厚度 62