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1、第三章、传感器测量原理,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,工程测试技术基础,第三章、传感器测量原理,3.1 概述,1. 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。,2. 传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的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。,3.1 概述,3. 传感器的分类,3.1 概述,1)按被测物理量
2、分类,常见的被测物理量,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,3.1 概述,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,3.1 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,压电式加速度计. 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:电阻应变片.,3.1 概述,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,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
3、: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.,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:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,1 变阻器式传感器,第三章、传感器测量原理,等效电路分析:,x,L,3.2 电阻式传感器,L-变阻器总长; x-电刷移动量. R-总电阻; RL电刷电阻;,R=K*l,x=L*E1 / E,3.2 电阻式传感器,3.2 电阻式传感器,3.2 电阻式传感器,(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2) 分辨率;
4、5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类,3.2 电阻式传感器,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,3.2 电阻式传感器,按制作方式：,线绕电位器,变阻器式传感器产品,3.2 电阻式传感器,案例：重量的自动检测-配料设备,3.2 电阻式传感器,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,3.2 电阻式传感器,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,3.2 电阻式传感器,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,2 电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金
5、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)的变化而发生变化象。,3.2 电阻式传感器,1) 工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,3.2 电阻式传感器,金属应变片的电阻R为,代入,3.2 电阻式传感器,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,3.2 电阻式传感器,有：,对金属材料，导电率不变：,金属丝应变片：,应变计,3.2 电阻式传感器,金属应变计,3.2 电阻式传感器,半导体应变计,简化为：,优点：灵敏度大;体积小; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,3) 应变片的主要参数,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
6、劳寿命、横向灵敏度等）。,3.2 电阻式传感器,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。,3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,3.2 电阻式传感器,3) 应变片测量电路,3.2 电阻式传感器,令：,金属丝应变片：,V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变,3.2 电阻式传感器,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：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴
7、处，直到棉球无黑迹为止。,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，立即放在应变贴片位置。,3.2 电阻式传感器,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.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,3.2 电阻式传感器,电阻应变式传感器的应用：测力,3.2 电阻式传感器,标准产品,案例：桥梁固有频率测量,3.2 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。,3.2 电阻式传感器,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,3.2 电阻式传感
8、器,案例：机器人握力测量,3.2 电阻式传感器,3.2 电阻式传感器,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。,3.2 电阻式传感器,第三章、传感器测量原理,3.3 电容式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,3.3 电容式传感器,a)极距变化型,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。,3.3 电容式传感
9、器,b)面积变化型,3.3 电容式传感器,平面线位移型,3.3 电容式传感器,柱面线位移型.,3.3 电容式传感器,产品.,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。,3.3 电容式传感器,c) 介质变化型,3.3 电容式传感器,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,3.3 电容式传感器,电容式接近开关,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。,3.3 电容式传感器,3.3 电容式传感器,
10、3 测量电路,a)电桥电路,3.3 电容式传感器,b) 谐振电路,3.3 电容式传感器,d) 运算放大器电路,3.3 电容式传感器,3.3 电容式传感器,第三章、传感器测量原理,3.4 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。,分类:,电感式传感器,3.4 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,电感式接近传感器（金属）,3.4 电感式传感器,教学用低成本四线制无二次仪表传感器,3.4 电感式传感器,2 涡流式,原理:涡流效应,3.4 电感式传感器,原线圈的等效阻抗Z变化：,3.4 电感式传感器,3.4 电感式传感器,产品：,3.4 电感
11、式传感器,案例：连续油管的椭圆度测量,3.4 电感式传感器,案例：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,3.4 电感式传感器,2 互感型-差动变压器,3.4 电感式传感器,3.4 电感式传感器,差动变压器测量电路,3.4 电感式传感器,差动变压器位移传感器,3.4 电感式传感器,案例：板的厚度测量,3.4 电感式传感器,案例：张力测量,3.4 电感式传感器,第三章、传感器测量原理,3.5 磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因
12、素，都会改变感应电动势。,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,3.5 磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,3.5 磁电式传感器,角速度型,测速电机,3.5 磁电式传感器,磁阻式传感器,3.5 磁电式传感器,案例：鼠笼电机转子断细条检测,3.5 磁电式传感器,第三章、传感器测量原理,3.6压电式传感器,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,3.6压电式传感器,2、测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,3.6压电式传感器,案例：飞机模态分析,3.6压电式传感器,案例：热轧设备诊断,3.6压电式传感器,
