工程测试模拟量传感器

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1、机电工程学院测量与控制技术研究所卢春霞QQ：467033116 Tel：13379086851,工程测试技术,信号分析与信号处理,本课程重在信号处理,信号分析：研究信号的构成与特征,模拟信号处理：采用能实现模拟信号运算的器件或方 法，对模拟信号的处理。,信号处理：将信号做必要的变换以获得所需信息的过程,第六章、模拟量传感器,本章学习要求：,了解传感器的分类掌握常用传感器测量原理了解传感器测量电路,工程测试技术基础,6.1 传感器概述,传感器,信号调理及处理,微处理器,A,D,被测信号,整形,放大,滤波,传感器系统,传感器是传感器系统的一个组成部分，是被测信号输入的第一个关口,基本概念：传感器的

2、定义、构成与分类传感器原理：电阻式、电容式、电感式传感器特点：传感器测量电路：直流电桥、交流电桥(辨向电路)、变压器电桥、调频电路、谐振电路、运算放大式电路、脉宽调制电路,模拟量传感器,6.1 概述,6.1.1 传感器定义,指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。,如热电偶可以测炙热物体的温度； 超声波探测器测海水深度； 红外遥感器从高空测地面植被和污染情况；,6.1 传感器概述,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。,力,位移,温度,6.1 传感器概述,传感器由敏感元件与转换元件组成。 敏感元件能直接感

3、受（响应）被测量的部分； 转换元件传感器中能将敏感元件感受的被测量转换成能传输或测量的电信号的部分。,6.1.2 传感器的构成,转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。,6.1 传感器概述,6.1.3 传感器的分类,用途（被测物理量）机械量，声，光，磁 转换原理-电阻，电容，电感，压电， 能量关系物性型，结构型 输出信号类型模拟量，数字量 其它分类方法,6.1 传感器概述,1）用途（被测物理量）,位移传感器液面传感器速度传感器加速度传感器振动传感器,热敏传感器湿敏传感器气敏传感器生物传感器真空度传感器,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,

4、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,6.1 传感器概述,2）转换原理,利用物理效应和化学效应，即使被测量是微小量都可以转换为电信号,6.1 传感器概述,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.,6.1 传感器概述,4）输出信号类型,模拟传感器将被测量的非电学量转换为模拟信号； 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号； 开关传感

5、器当一个被测量达到某个特定的确定值时，传感器相应地输出一个低电平或高电平信号,6.1 传感器概述,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,弹性压力计. 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:电桥电阻应变仪.,制作材料和工艺：,所用材料的类别金属、聚合物、陶瓷等材料的物理性质导体、半导体、磁性材料等制造工艺集成传感器、薄膜传感器、陶瓷传感器等,按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,6.1 传感器概述,按输出形式分模拟量传感器 数字量传感器按工作原理分电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 压电式传感器 ,6.1 传感器概述,6.1.4 传

6、感器的工作原理与标定,传感器工作原理：基于某一种物理现象或化学现象。,y = f(x1,x2,xn),如： R=L/A,传感器的制造：能够让被测量影响某一个参数，而通过另一个电参数的变化来反映被测量的大小，既传感器的设计、研制都要基于某种物理效应，在此基础上再设计出敏感部分的结构以及变换部分的结构。,传感器的标定：即确定输入与输出的关系。,传感器作用及分类 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 压电式传感器 磁电式传感器,6.2 电阻式传感器,被测量电阻变化,6.2 电阻式传感器,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.,6.2.1 变阻器式传感器（电位器式传感

7、器）,6.2 电阻式传感器,等效电路分析:,x,L,L-变阻器总长;x-电刷移动量.,电阻：,灵敏度：,kl-单位长度电阻值,传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系,6.2 电阻式传感器,分压电路,6.2 电阻式传感器,负载特性(其后接电路一般采用电阻分压电路),为减小后接电路的影响，一般RLR,6.2 电阻式传感器,接入电桥半桥邻臂:,6.2 电阻式传感器,单圈电位器（一般用于音量控制),多圈电位器（精密调节电路中),直线滑动式电位器(一般用于电视机、音响中作音量控制或均衡控制),分类:,6.2 电阻式传感器,优点：结构简单，价格低廉，且性能稳定；受环境温度影响小；输出信号大，一般不需

8、放大缺点:电刷与线圈式电阻膜之间摩擦，需较大的输入能量；磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性分辨力较低 动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量,应用：主要用来测量位移、压力、加速度等,滑动电阻式位移传感器结构：,6.2 电阻式传感器,6.2.2 变阻应变式传感器,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)的变化而发生变化的现象。,金属电阻应变片半导体应变片,结构,6.2 电阻式传感器,6.2 电阻式传感器,工作原理应变效应,6.2 电阻式传感器,6.2 电阻式传感器,金属丝体积不变：,有：,单位应变所引起的电阻相对变化,6.2 电阻

9、式传感器,对金属材料，导电率不变或很小，即,表明电阻相对变化率与应变成正比，称比值S为应变系数或灵敏度，即：,（取值一般在1.73.6）,金属丝应变片,6.2 电阻式传感器,优点：结构简单，性能稳定，价格低;缺点：精度不高，灵敏度低,分丝式和箔式，有单轴，多轴（应变花），同轴多栅等多种类型,6.2 电阻式传感器,简化为：,压阻效应：半导体材料受到外界作用时，电阻率发生变化,对半导体来说， 由几何尺寸引起，,半导体应变片,6.2 电阻式传感器,灵敏度：,（是金属丝灵敏度的5070倍）,优点：灵敏度高;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化；半

10、导体应变片利用半导体电阻率变化引起电阻变化,半导体应变传感器应用：,应变片的主要参数,（4）其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞后、疲劳寿命、横向灵敏度等）。,（1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，常用 bL表示。,（2）电阻值：应变计的原始电阻值。,（3）灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。,6.3 电阻式传感器,灵敏系数：,6.2 电阻式传感器,应变片测量电路,采用转换电路把电阻的变化转换为电压或电流的变化，这种电路称为测量电路。电桥,6.2 电阻式传感器,组桥时，应变片的灵敏系数必须一致，初始零位,表明各桥臂应变对电桥输出的影响相对桥臂应变值相加，相邻桥臂应变值相减,全桥方式,6.2

11、 电阻式传感器,R1或R1,R3产生R, R2或R2,R4产生-R,应变片电桥工作方式和输出电压,6.2 电阻式传感器,温度补偿,概念：作为测量应变的金属应变片，希望电阻值仅随应变变化，而干扰因素主要是温度变化。,原因：,电阻温度效应：,线膨胀系数不同产生的电阻变化：,其中：1-试件线膨胀系数 2 -电阻丝线膨胀系数 S -应变片灵敏度,6.2 电阻式传感器,桥路补偿 利用电桥相邻的相等两臂同时产生大小相等、符号相同的电阻增量（加减特性），从而不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿。,R1-工作片R2-温度补偿,R1、 R2 -工作片R3 、R4 -温度补偿,6.2 电阻式传感器,电阻应变片的粘贴技

12、术,应变片需粘贴在试件或弹性元件上才能工作，因此粘合剂和粘合技术对测量结果有直接影响。,6.2 电阻式传感器,应变片贴在弹性体上,可测力、位移、压力、加速度等,梁的应变与质量块相对于基座的位移成正比,6.2 电阻式传感器,电阻应变片应用,直接测力或应变,6.2 电阻式传感器,柱（筒）式力传感器,6.2 电阻式传感器,环式力传感器,6.2 电阻式传感器,膜片式压力传感器,6.2 电阻式传感器,应变式容器内液体重量传感器,该传感器有一根传压杆, 上端安装微压传感器, 为了提高灵敏度, 共安装了两只; 下端安装感压膜, 感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时, 感压膜感受的压力就增大。 将其上

13、两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路, 则输出电压为,感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系式为： Uo= (A1-A2)QD,6.2 电阻式传感器,案例：电子称,原理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。,6.2 电阻式传感器,6.2 电阻式传感器,作业：,1、下图悬臂梁贴有两应变片和R1 ，R2，且R1=R2=120，梁受力的变化规律为 ，R1和R2的灵敏度为 ，已知R= R1= - R2 ，若电桥的激励电压为 ，问： 1）应变片的变化量 R=? 2）组成半桥时，若电桥的另外两 个桥臂电阻R3、R4也为120 ， 求电桥输出电压 。 3）绘制 的频谱。,6

14、.3 电感式传感器,6.3 电感式传感器,传感器作用及分类 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 压电式传感器 磁电式传感器,6.3 电感式传感器,变压器,变压器的工作原理就是电磁感应原理，也就是“动电生磁，动磁生电”的过程。,6.3 电感式传感器,分类:,6.3 电感式传感器,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。,6.3 电感式传感器,6.3.1 可变磁阻式 reluctance variation sensors,1.原理:电磁感应,气隙厚度；气隙面积S；导磁率；线圈匝数W,6.3.1 可变磁阻式传感器,变气隙式,变截面式,螺线管式,2.常见形式,变面积和螺旋管式原理,6.3.1 可变磁阻式传感器,结论：电感L的变化与气隙面积S的变化之间是线性的,结论：电感L的变化与混合磁导率的变化之间是线性的,3.变气隙原理,衔铁位移引起的电感变化为：,6.3.1 可变磁阻式传感器,结论：电感L的变化与气隙的变化之间是非线性关系,泰勒展开式,衔铁位移引起的电感变化为：,6.3.1 可变磁阻式传感器,变气隙式线性化处理：,