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1、传感器原理及应用 1 教材及参考书 教材 传感器 第3版 哈尔滨工业大学强锡富主编机械工业出版社参考书 机械工程测试技术 第二版 黄长艺 严普强主编机械工业出版社参考书 当代测试技术 钱难能主编华东化工学院出版社 2 绪论 3 一 测试技术简介 测试技术的发展与生产的发展 科技的发展有着密切的联系 在工业发达的国家里 测试技术的水平及其装置必定是相当先进的 测试技术的应用领域也十分广泛 4 机械系统中常见的物理量 几何量 长度 角度 表面几何形状机械量 振动 速度 加速度 位移 力 压力 力矩 扭矩 功率 质量 硬度热工量 温度 温度场 湿度 流量光学量 照度 光学参数 焦距 透光率 电磁量
2、电压 电流 电势 磁场强度 5 测试技术的方法 以测力为例 6 各种测试法的优缺点 机械测试法 惯性大 摩擦大 不便记录 不能测过程 只能测静态光学测试法 精度最高 但对环境要求苛刻 需在实验室中作标准或高精度测量气液测试法 要求有合适的动力源 气体的压缩性 液体的阻尼跟不上快速的变化 一般只能用于准静态测量 7 电测法的优点 电测法 1 精度高 2 灵敏度高 在很大范围内可进行方便调整 测试范围很广 3 电惯性小 反映快 能够进行快速变化的量的测量 频域范围很广 4 便于远距离传输和控制 可遥测 遥控 5 便于仪器的通用化和专业化生产 6 动力源普遍 有一定抗干扰能力 适合现场使用 8 非电
3、量被测量的二次转换 一次变换二次变换被测量 光测 气液测 电测量 9 一般非电量电测法测试系统的组成 10 非电量电测法测试系统的各部分的作用 传感器 感受被测物理量并把它变换为便于传输处理的电信号 它是整个测试系统实现测试和自动控制的首要的 关键的环节 中间电路 将传感器输出的微弱电信号进行再次变换 放大 衰减 滤波 调制和解调等 使它们成为便于显示 记录或进行数据处理的信号 显示与记录器 将中间变换与测量电路送来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来 11 作用二 驱动装置 产生人为驱动信号 是被测对象处于人为的工作状态下 把内部特性表现得更明显 标定装置 产生标准输入以便用实验的方法来得
4、到被测量与显示记录之间准确地量的关系 12 二 传感器在科技发展中的作用 13 三 传感器的定义 国家标准 GB7665 87 对传感器 Transducer Sensor 的定义 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 教科书对其定义 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的 便于应用的某种物理量的测量装置 14 定义包含以下几方面意思 传感器是测量装置 能完成检测任务 它的输入量是某一被测量 可能是物理量 也可能是化学量 生物量等 它的输出量是某一物理量 这种量要便于传输 转换 处理 显示等等 这种量可以是气 光 电物理量 但主要是电物理量 输
5、出输入有对应关系 且应有一定的精确程度 15 四 传感器的组成 以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例 16 组成 17 例 应变式力传感器 弹性膜片 敏感元件 将力转换为弹性膜片的变形应变片 传感元件 将弹性膜片的变形转换成电阻值的变化 18 五 传感器的分类 传感器的分类方法有许多种 从传感器的工作机理来说 可分为物理型 化学型 生物型等 本课程主要讲的是物理型传感器 因此下面我们列表将物理型传感器的各种分类情况进行介绍 19 20 六 传感器的命名 式 传感器 如 电阻式液位传感器电容式声传感器应变式力传感器压电式加速度传感器 表示变换元件 变换原理的种类 表示用途 指出被测量的种类 21
6、七 传感器的发展趋势 高精度小型化集成化数字化智能化新型化 大量物性型传感器的涌现化学传感器的开发采用新工艺的传感器开发 22 第二章电阻式传感器 23 电阻式传感器的分类 电位计式 应变式 物理量变化 电阻变化 传感元件 属于大电阻变化型 R 0 R传 物理量变化 变形 应力 应变 敏感元件 属于微电阻变化型 R 0 20 R传 传感元件 电阻变化 24 2 1电位计式传感器 25 电位计式传感器分类 将机械的线位移或角位移的变化 电阻或电压的变化 一定函数关系 变阻器式 变压器式 26 电位计式传感器的优 缺点 优点 结构简单 尺寸小 重量轻 精度高 0 1 0 05 性能稳定 受环境因素
7、影响小 可实现输出 输入任意函数关系 输出信号较大 一般不用放大 缺点 存在滑动触头与线圈等之间的摩擦 输入能量要求较大 且磨损降低寿命和可靠性 也会降低测量精度 27 电位计分类 电位计分类 按输出 输入特性 线性电位计非线性电位计 按结构形式 线绕式 在传感器中应用较多薄膜式 具有较高的精度和线性特性光电式 无摩擦和磨损 分辨率高 28 一 线绕电位计的结构 29 二 线绕电位计的工作原理 根据欧姆定律 以线位移型为例 若变阻器式 SR 电阻灵敏度 表示电刷单位位移能引起的输出电阻的变化量 若分压器式 SV 电压灵敏度 表示电刷单位位移能引起的输出电压的变化量SR SV均是常数 30 三
8、线绕电位计的输出特性 阶梯特性和阶梯误差阶梯特性 电位计输出电压随x的变化是不连续的 而是一条阶梯形的折线 阶梯误差理论特性曲线 通过每个阶梯中点的曲线 阶梯误差 阶特梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差 31 输出特性二 负载特性和负载误差负载特性 电位计有负载的情况下得到的特性 一般表达式 32 对负载特性的讨论 当时 特性曲线变成直线 它实为空载特性当带有负载时 曲线下垂 负载越小 下垂越多 产生的负载误差越大 33 输出特性三 负载误差 由于负载电阻不是无限大 而是可与电位计电阻值相比的有限值 造成负载特性为一下垂曲线 产生误差 也称非线性误差 电刷在起始和最终位置时 负载误差e
9、L 0电刷在相对行程X 1 2时 负载误差eL max 且m eL 34 四 电位计式传感器的应用 电位计式压力传感器 35 电位计式加速度计 36 总结 37 2 2电阻应变式传感器 38 优点 结构简单 使用方便 性能稳定 可靠 易于实现测试过程自动化和多点同步测量 以及远距测量和遥测 灵敏度高 测量速度快 适合静态 动态测量 可测多种物理量 如 位移 加速度 力 力矩 压力等 39 工作原理及分类 电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上 使物理量的变化变成应变片的应力 应变变化 从而变成电阻值变化 根据应变片的材料不同 可分为两种 金属电阻应变片半导体应变片 4
10、0 2 2 1电阻应变片 41 一 金属电阻应变片 金属的应变效应 根据欧姆定律 42 金属的应变效应 金属丝的电阻应变效应 金属丝的电阻值随着金属丝的几何尺寸变化 伸长或缩短 而发生相应的变化的现象 称为泊松比 43 结构和形式 44 种类 45 电阻 应变特性 令 Ks越大 越灵敏 Ks 金属丝的灵敏系数 表示金属丝产生单位变形时 电阻相对变化的大小 Ks只能靠实验求得 而 一般K Ks K是通过抽样测定的 故称标称灵敏系数 46 二 半导体应变片 半导体材料有明显的压阻效应 即半导体材料的电阻率随作用应力而变化 压阻效应系数E 弹性模数 实验表明 E 1 2 半导体应变片的灵敏系数 47
11、 2 2 2测量电路 48 测量过程 力 压力 应变变化 电阻变化 电压或电流的变化并显示和记录 敏感元件 应变片 电阻应变仪 按激励电压性质 直流电桥交流电桥 49 一 直流电桥1 不平衡桥式 直流不平衡式电桥形式 电桥平衡条件为 R1R4 R2R3一般取R1 R2 R3 R4 R当R R R时 U0相应变化 50 半桥和全桥 假设 R1 R2 R3 R4 根据参与工作的桥臂数 半桥 半桥单臂 半桥双臂 全桥 51 讨论 电桥接法与电桥灵敏度的关系 S半桥单臂 S半桥双臂 S全桥 1 2 4电桥联接的规律电阻变化符号相反的联入相邻臂中电阻变化符号相同的联入相对臂中桥臂电阻数与输出之关系 单纯
12、的增加桥臂电阻数不会增加输出 但可以起平均作用及消除干扰的作用 52 2 平衡桥路原理 H的读数 桥臂电阻变化 R特点 电表G始终指零 与输入电压U无关 故测量误差仅取决于可变电位器的精度及刻线精度 而与电源无关 这种方法称为 零位法 53 二 交流电桥 输出电压 平衡条件 设各臂阻抗为 Z 复阻抗的模则 根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为 在测量前对电桥应分别进行电阻 电容平衡 即R1R4 R2R3R1C1 R2C2 54 2 2 3温度误差及其补偿 55 一 温度误差 敏感栅电阻随温度的变化引起的误差试件材料的线膨胀引起的误差 56 二 温度补偿 自补偿法1 单丝自补偿法2 组合式自补
13、偿法a 选用两者具有不同符号的电阻温度系数b 两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数 57 2 线路补偿法 1 电桥补偿法2 采用差动电桥补偿法3 热敏电阻补偿法 58 2 2 4应变式传感器的应用 59 一 测结构的应变或应力 60 二 与弹性元件结合构成各种应变式传感器 61 应变式加速度传感器 62 应变式传感器实例 应变式压力传感器 63 应变式力传感器 64 三 压阻式压力传感器 65 四 压阻式加速度传感器 66 总结 67 第三章电感式传感器 68 原理 电感式传感器最基本原理是电磁感应原理 被测物理量 位移振动压力流量比重 的变化 传感器 自感系数L互感系数M 的变化 电路 电
14、压电流 69 电感传感器优点 灵敏度高 分辨力高 位移 0 1 m 精度高 线性特性好 非线性误差 0 05 0 1 性能稳定 重复性好 结构简单可靠 输出功率大 输出阻抗小 抗干扰能力强 对工作环境要求不高 寿命长能实现信息的远距离传输 记录 显示和控制等 70 电感式传感器分类 变磁阻式传感器 自感型差动变压器式传感器 互感型涡流式传感器 自感型和互感型都有 高频反射式 自感型低频透射式 互感型 71 3 1变磁阻式传感器 72 一 工作原理及分类 将被测对象的微小变化 x 电感的变化 L 传感器运动部分与衔铁相连 测物理量时 运动部分位移 衔铁位移 气隙厚度 变化 线圈自感系数L变化 7
15、3 若 很小 且不考虑磁路铁损 则 根据电工学 线圈中的电感量 li 各导磁体长度 空气隙间隙i 各导磁体相对导磁率 0 空气隙导磁系数Si 各导磁体截面积S 空气隙截面积 因为 铁芯 衔铁 气隙 所以 R铁芯 R衔铁 R气隙 74 电感传感器的三种型式 气隙变化型 变气隙的间隙 a 面积变化型 变气隙的截面积S b 螺管型 变衔铁与线圈重合长度 c 75 二 电感传感器的分类比较 76 差动型式 为了增加灵敏度 改善线性 往往做成差动式的 差动优点 1 大大的改善了线性 减小线性误差 2 使灵敏度提高一倍 77 3 2差动变压器式传感器 78 互感原理 差动变压器本身是变压器 利用互感原理
16、所以也称互感传感器 互感现象 线圈N1输入电流i1 N2产生感应电势e12 79 一 工作原理 e1 初级线圈的激励电压L2a L2b 次级线圈的电感R L1 初级线圈的电阻和电感R2a R2b 次级线圈的电阻Ma Mb 初级与次级线圈的互感系数N1 初级线圈的匝数N21 N22 次级线圈的匝数 80 原理推导一 在初级线圈中 次级线圈中的感应电势 感应电势的有效值 81 原理推导二 82 讨论 初始位置 衔铁处于中间位置 当衔铁上升 L 当衔铁下降 L E2与E2a同相 E2与E2b同相 83 二 输出特性 从理论上讲 在衔铁处于中间位置时输出电压应为零 但实际存在零点残余电压 它由这样一些因素引起 两个次级线圈不对称初级线圈铜耗电阻的存在导磁体靠近的安装位置 铁芯长度等激磁频率的高低铁磁材质不均匀线圈间存在分布电容 84 三 应用 压力测量 85 加速度测量 液面高度测量 86 3 3涡流式传感器 87 涡流 成块的金属物体置于变化着的磁场中 或者在磁场中运动时 在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流 这就是涡流 高频反射式涡流传感器 自感型低频透射式涡流传感器 互感型 根据激励
