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1、杭州电子科技大学 自动化学院 LH 测试技术与传感器测试技术与传感器 第二章 检测技术理论基础 2 1 测量概述测量概述 2 1 1 测量的概念及其测量结果的组成 1 测量的概念 测量的最基本形式是将待测量和同种性质的标准量进 行比较 确定待测量对标准量的倍数 即或者 式中 x 为被测量值 u 为标准量 n 为比值 纯数 含有测量误差 2 测量结果的组成 测量结果 测量数据 测量单位 测量误差 2 1 2 测量方法及其分类 按照获得测量值的方法分 直接测量 间接测量 组合测量 按照测量方式分 偏差式测量 零位式测量 微差式测量 2 1 3 测量误差分类 1 按误差表示方法分类 1 绝对误差 示
2、值与被测量真值之间的差值 即 x L 式中 绝对误差 x 测量值 L 真值 注意 绝对误差不能真实反映测量结果的优劣 2 相对误差 绝对误差与被测量的约定值之比 I 实际相对误差 指绝对误差与被测量真值得百分比 即 式中 实际相对误差 绝对误差 L 被测量真值 II 示值 标称 相对误差 指绝对误差与器具的示值 测量值 的百分比 即 式中 示值相对误差 绝对误差 x 测量值 替代真值 u x n nux 100 L 100 x 杭州电子科技大学 自动化学院 LH III 引用误差 指绝对误差与器具的满度值 量程 的百分比 即 式中 示值相对误差 max 最大绝对误差 注意 引用误差是仪表中通用
3、的一种误差表示方法 常用来确 定仪表的精度等级 例如 0 5 级仪表的引用误差小于等于正 负 0 5 3 基本误差 指仪表在规定的标准条件下所具有的误差 4 附加误差 指当仪表的使用条件偏离额定条件时出现的误差 5 容许误差 指测量仪器在规定的使用条件下可能产生的最大误 差范围 2 按误差性质分类 1 随机误差 指对同一被测量进行多次重复测量时 绝对值和符 号不可预知地随机变化 但就误差的总体而言 具有一定的统 计规律性的误差 2 系统误差 指在同一测量条件下 对同一被测量进行多次重复 测量时 按照一定规律出现的误差 注意 系统误差可以修正 但由于真值不确定 只能进行有限 度地补偿 3 粗大误
4、差 指明显偏离测量结果的误差 又称为疏忽误差 2 2 测量数据的估计和处理测量数据的估计和处理 2 2 1 随机误差分析 具有单峰性 有界性 对称性 抵偿性 三个特征 测量上限 测量下限 max minmax max xx 杭州电子科技大学 自动化学院 LH 2 2 2 系统误差分析 不要求计算 系统误差不具有抵偿性 难以发现 但是它往往固定不变或者按照一 定规律变化 可判断并消除 1 系统误差的判断 1 理论分析法 2 实验对比法这种方法适用于发现固定的系统误差 3 残差观察法 根据残余误差的变化规律 判断系统误差的有无 类型以及大小等 详细分析和图解见书本 P29 4 准则检测法 I 马利
5、科夫判据 将残余误差前后各半分两组 若 vi前 与 vi 后 之差明显不为零 则可能含有线性系统误差 II 阿贝检验法 检查残余误差是否偏离正态分布 若偏离 则可 能存在变化的系统误差 将测量值的残余误差按测量顺序排列 且设 A v12 v22 vn2 B v1 v2 2 v2 v3 2 vn 1 vn 2 vn v1 2 若则可能含有变化的系统误差 2 系统误差的消除 了解即可 书本 P30 2 2 3 粗大误差剔除 1 3 准则 莱以达准则 如果一组测量数据中某个测量值的残余误 差的绝对值 vi 3 极限误差 时 则应剔除 2 肖维勒准则 假设多次重复测量所得 n 个测量值中 某个测量值的
6、 残余误差 vi Zc 则剔除此数据 实用中 Zc0 y x dy dx 当输入 输出完全呈线性关系时 S 为常数 当输入 输出呈曲线关系 时 S 为变数 灵敏度系数大 表示传感器对被测量的敏感程度高 3 迟滞性 指传感器在正行程和反行程之间 输入 输出曲线的不重合 程度 即最大迟滞误差和满量程输出的比值 迟滞特性重复特性 4 重复性 指当传感器的输入按同一方向连续多次变动时所得的特性 曲线不一致的程度 即正反行程中最大的重复性偏差和满量程输出 的比值 100 max SF L Y Y SF H Y H max SF Y max R R 杭州电子科技大学 自动化学院 LH 5 零漂和温漂 3
7、3 2 动态特性 1 时域分析延时时间 上升时间 超调量等参数 2 频域分析通频带 工作频带等参数 第四章 应变式传感器 4 1 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 1 应变效应 任何在线性范围内变形的弹性体 当其受力发生变形时 长度将发生改变 产生应变的效应 2 应变式传感器 利用电阻应变片将应变转化为电阻变化的传感器 3 应变式传感器的工作原理 机械弹性结构体受力变形时产生应变效 应 这种应变效应由电阻应变片完成检测 应变片的电阻变化再由 电桥完成信号的转换 并最终输出与弹性体受力成对应关系的电信 号 4 电阻丝的灵敏系数 单位应变所引起的电阻值相对变化 即应变片 在其轴向受到单
8、向应力时 引起的电阻相对变化 R R 与其单向应 力引起的试件表面轴向应变 之比 其中 4 2 电阻应变片的特性电阻应变片的特性 4 2 1 电阻应变片 电阻应变片分为金属应变片和半导体应变片两种 21 E R R E RR K 21 0 杭州电子科技大学 自动化学院 LH 传统的金属应变片又分为丝式和箔式两种 其中 半导体应变片的工 作原理基于半导体材料的压阻效应 其灵敏度系数一般高于金属应变 片 但稳定性不如金属应变片 4 2 2 横向效应 1 什么叫横向效应 答 将直的电阻丝绕成敏感栅后 虽然长度不变 应变状态相同 但 由于应变片敏感栅端部的结构导致电阻变化减小 因而其灵敏度系 数 K
9、较整长电阻丝的灵敏度系数 k 小 这种现象就称为横向效应 2 如何产生横向效应 如何减小横向效应 答 转弯段不仅降低了灵敏度 还带来了测量误差 为了消除转弯段 的影响 减小横向效应 可使转弯段 短路 或尽量使转弯段本身 的阻值降低 4 3 应变片的测量电路应变片的测量电路 4 3 1 直流电桥 1 电桥平衡条件和调零 直流电桥平衡条件 R1 R2 R3 R4 2 灵敏度对比 单臂 Ku E 4 半桥 Ku E 2 全桥 Ku E 具体计算另外复习 书本 P60 63 4 3 2 交流电桥 与直流电桥相比 交流电桥双向供电 有利于消除零漂 交流电桥平衡条件 Z1Z4 Z2Z3 即 R1 R2 R
10、3 R4且 R1 R2 C2 C1 杭州电子科技大学 自动化学院 LH 第五章 电感式传感器 5 1 自感式传感器自感式传感器 5 1 1 自感式传感器的工作原理 1 组成 它是由线圈 铁芯和衔铁三部分组成 2 工作原理 在铁芯和活动衔铁之间有气隙 气隙厚度为 传感器 的运动部分与衔铁相连 当衔铁移动时 气隙厚度 发生变化 从而 使磁路中的磁阻变化 导致电感线圈的电感量改变 测出这种电感量 的变化 就能确定衔铁的位移量大小和方向 3 线圈电感值 式中 W 为线圈匝数 u0为空气磁导率 一般线圈匝数 W 确定 可通过改变气隙有效面积 s0或者气隙厚度 来改变电感的变化 5 1 2 变隙式自感传感
11、器 当 W 和 s0一定 改变气隙厚度 灵敏度 K0 1 5 1 3 差动变隙式自感传感器 利用两只完全对称的单个自感传感器合用一个活动衔铁 构成差动结 构变隙式自感传感器 灵敏度 K0 2 比单个自感传感器提高了一倍 线性度也得到了改善 5 2 互感式传感器互感式传感器 5 2 1 互感式传感器的结构和工作原理 1 结构 主要由线圈框架 A 绕在框架上的一组初级线圈 W1 两个 完全相同的次级线圈 W2a W2b及插入线圈中心的圆柱型铁芯 B 组成 22 0 0 55 2 m WsW L R 杭州电子科技大学 自动化学院 LH 2 工作原理 把被测量的变化转换为变压器互感的变化 变压器的初
12、级线圈输入交流电压 次级线圈则互感应出电势 3 零点残余电压 当衔铁位于中心位置时 差动变压器输出电压并不 等于0 我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压 主要由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称 以及磁性 材料的非线性等引起的 5 3 电涡流式传感器电涡流式传感器 5 3 1 电涡流式传感器的结构和工作原理 1 电涡流 电感线圈产生的磁力线经过金属导体时 金属导体就会产 生感应电流 且呈闭合回路 类似于水涡流形状 故称之为电涡流 电涡流传感器分为高频反射式和低频透射式 2 电涡流效应 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁 力线运动时 导体内将产生呈涡旋状的感
13、应电流 5 3 2 电涡流的形成范围 1 电涡流的径向形成范围 电涡流的径向形成范围大约在传感器外径的 2 倍左右范围内 且分布 杭州电子科技大学 自动化学院 LH 不均匀 因此为了充分利用涡流效应 被测导体的平面尺寸不应小 于传感器线圈外径的 2 倍 否则灵敏度将下降 2 电涡流强度与距离的关系 电涡流强度随着距离 x 的增大而迅速减小 3 电涡流的轴向贯穿深度 磁场进入金属导体后 强度随距离表面的深度 h 的增大按指数规律衰 减 故电涡流密度沿深度方向亦按指数规律下降 电涡流密度主要分布在表面附近 第六章 电容式传感器 6 1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 6
14、1 1 电容式传感器的工作原理 工作原理 通过改变被测量 d A 和 的值 引起电容量 C 的变化 式中 为极板间介质的介电常数 A 为极板的有 效面积 d 为两平行极板间的距离 故电容式传感器分为变极距型 变面积型 变介电常数型三类 6 1 2 变极距型电容式传感器 1 基本特性 灵敏度 K 1 d0 d0为电容器初始极距 由此可见 要提高传感器的灵敏度 需要减小极板的初始极距 d0 但 d0的减小 一方面会导致非线性误差 增大 另一方面 d0过 小还容易引起电容器击穿 可在极板间放云母片改善 d A c 杭州电子科技大学 自动化学院 LH 2 差动式变极距型电容式传感器 灵敏度 K 2 d
15、0 灵敏度比单一结构的传感器提高一倍 且非线性误差 大为减小 第七章 压电式传感器 7 1 压电转换和压电材料压电转换和压电材料 7 1 1 压电转换 1 什么叫压电效应 答 压电效应又有正压电效应和逆压电效应之分 正压电效应是指压电材料受力后变形 在表面产生电荷 逆压电效应是指压电材料通电压后发生变形 2 压电材料的性能指标 1 压电电压常数 是衡量材料压电效应强弱的参数 它直接关系到 压电输出的灵敏度 2 压电材料的机械性能 3 温度稳定性 4 时间稳定性等等 注意 对于某种压电材料 当温度超过某一值时 压电性能会急剧下 降 这个温度又称居里点 居里点越高越好 7 1 2 石英的压电机理7
16、 1 3 压电陶瓷的压电机理 1 石英晶体的结构 杭州电子科技大学 自动化学院 LH 1 x 轴 两平行柱面内夹角的等分线 垂直此轴压电效应最强 又称为电轴 2 y 轴 垂直于平行柱面 该轴方向在电场作用下变形最大 又 称为机械轴 3 z 轴 无压电效应 又称为中心轴 2 压电陶瓷的压电机理 制作过程 将粉末材料粘结成需要的形状 经过高温烧结得到 还需 要在一定温度下经强直流电场 2 3 小时的极化 才具有较 高的压电系数 为了得到稳定的压电性能 极化后的压电 材料还需要一段时间的时效处理 内部机理 压电陶瓷由无数细微的电畴组成 极化前 这些电畴的方 向呈任意排列 整体无压电效应 施加高温电场 E 后 各 微单元电畴趋向一致 3 石英晶体和压电陶瓷的对比 石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好 机械强度高适合 做工作温度范围很宽的传感器 但价格昂贵 极化后的压电陶瓷 当受外力变形后 由于电极矩的重新定位而产生 电荷 压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍 成本低 但 稳定性不如石英好 居里点也低 7 2 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路 压电传感器可以等效为一个电荷源
