工程测试第二版西北工业大学出版社.pptx

本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌掌握握传传感感器器的的基基本本概概念念，组组成成，传传感感器器的的分类分类 2.2.掌握电阻式传感器的工作原理和性能特点掌握电阻式传感器的工作原理和性能特点3.3.掌握测量电路及其补偿方法掌握测量电路及其补偿方法4.4.了解电阻式传感器的应用了解电阻式传感器的应用第1页/共96页 4.1 传感器概述传感器概述一、什么是传感器？一、什么是传感器？1、什么是传感器？是能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用的输出信、什么是传感器？是能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。号的器件或装置。2、传感器的功能：有二：、传感器的功能：有二：1）、对规定的被测量的敏感作用，以完成对被测量的拾取；）、对规定的被测量的敏感作用，以完成对被测量的拾取；2）、变换作用：将被测量转换成与之有严格（一、一）对应关系的，容易检测，传输）、变换作用：将被测量转换成与之有严格（一、一）对应关系的，容易检测，传输或处理的电信号。或处理的电信号。3、应用广泛、应用广泛传感器的作用类似人的五官（感觉器官）：视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。人类依靠传感器的作用类似人的五官（感觉器官）：视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。人类依靠五种感官从外界获取信息。又是五官的延伸。主要用于检测机电一体化系统五种感官从外界获取信息。又是五官的延伸。主要用于检测机电一体化系统自身、自身、作业对象、作业对象、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统的运动状态提供信息。应作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统的运动状态提供信息。应用极为广泛，无论是经典的闭环控制，还是今天的用极为广泛，无论是经典的闭环控制，还是今天的CNC（数控机床）、（数控机床）、MC(加工中心）、加工中心）、CIMS（计算机集成制造技术）（计算机集成制造技术）FMS(柔性制造）。柔性制造）。科学研究，军事、航空、航天、航海、工业、农业（温度、湿度，土壤成分的监测与控科学研究，军事、航空、航天、航海、工业、农业（温度、湿度，土壤成分的监测与控制，设施农业制，设施农业）、医疗卫生，环保、资源普查，地质、采矿、）、医疗卫生，环保、资源普查，地质、采矿、人们的生活人们的生活。机器人，头脑尚较发达，感官迟钝机器人，头脑尚较发达，感官迟钝第2页/共96页二、传感器的组成：二、传感器的组成：一般由：敏感元件，转换元件，及基本转换电一般由：敏感元件，转换元件，及基本转换电路三部分组成。路三部分组成。作用：作用：1、敏感元件：直接感受被测物理量，并以确、敏感元件：直接感受被测物理量，并以确定（一、一对应）关系输出转换元件敏感的另定（一、一对应）关系输出转换元件敏感的另一物理量；一物理量；2、转换元件：将敏感元件输出的非电量转换、转换元件：将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（成电路参数（R.L,C)，或电压，电流，频率等，或电压，电流，频率等电信号；开环电信号；开环3、基本转换电路：把转换元件输出的电信号、基本转换电路：把转换元件输出的电信号规范化，放大到一定的功率，或转换成便于传规范化，放大到一定的功率，或转换成便于传输，处理的电量。输，处理的电量。一次、二次传感器一次、二次传感器开环，闭环开环，闭环基本转换电路一般不与敏感元件状在一个壳体基本转换电路一般不与敏感元件状在一个壳体内，由于空间限制和技术等原因内，由于空间限制和技术等原因一次传一次传感器：感器：热电偶热电偶压电压电 FQ(V）磁电磁电 vE电容电容 位移位移C二次二次传感传感器器第3页/共96页差动电感式传差动电感式传感器感器第4页/共96页第5页/共96页三、传感器的分类：三、传感器的分类：由于实际的需要，新材料，新理论，新工艺及由于实际的需要，新材料，新理论，新工艺及CPU,传感器的种类、数量与日俱增，传感器的种类、数量与日俱增，因此应对其进行合理分类；因此应对其进行合理分类；按按被被测测量量对对象象内部信息内部信息传感器：传感器：用于检测机电一体化系统内部的位置，速度，加速度，用于检测机电一体化系统内部的位置，速度，加速度，M,n外部信息外部信息传感器：传感器：环境状态：环境状态：非接触式非接触式视觉视觉听觉听觉接近觉接近觉味觉味觉接触式接触式触觉触觉力传感器力传感器接触觉接触觉压觉压觉滑动觉滑动觉重量觉重量觉软硬觉软硬觉1、第6页/共96页2、按工作机理分类、按工作机理分类（机理，机制：某些自然（机理，机制：某些自然现象的物理、化学规律）现象的物理、化学规律）1）、物性型：是利用某些物质（材料）的某些物理）、物性型：是利用某些物质（材料）的某些物理性质随被测参数的变化而变化的原理制成的。主要是性质随被测参数的变化而变化的原理制成的。主要是以半导体（以半导体（），电介质（），电介质（）、磁性体（）、磁性体（）、热电、）、热电、压电材料。以光电、热电、压磁、压电效应为基础。压电材料。以光电、热电、压磁、压电效应为基础。2）、结构型：利用传感器本身的结构或参数变化来实）、结构型：利用传感器本身的结构或参数变化来实现对被测量的检测或转换。如滑线电阻，电感，电容式、现对被测量的检测或转换。如滑线电阻，电感，电容式、光栅，磁栅，感应同步器等传感器。有运动部件。光栅，磁栅，感应同步器等传感器。有运动部件。3、按被测物理量分类：此方法明确地表明了传感器的用途，便于使用者选择。、按被测物理量分类：此方法明确地表明了传感器的用途，便于使用者选择。如：机械参数：力、力矩、位置、位移、速度，加速度，长度，厚度、角度；如：机械参数：力、力矩、位置、位移、速度，加速度，长度，厚度、角度；热工参数：压力，压差，流量、流速，温度，液位热工参数：压力，压差，流量、流速，温度，液位；物理、化学量：密度，湿度，粘度，浓度，比重，盐度，物理、化学量：密度，湿度，粘度，浓度，比重，盐度，PH值值；生物医学量：血压，眼压，脑压，血液，生物医学量：血压，眼压，脑压，血液，4、按工作原理：此法清楚地表示了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和使用。、按工作原理：此法清楚地表示了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和使用。表表11，列出了，列出了28种工作原理：种工作原理：第7页/共96页第8页/共96页第9页/共96页第10页/共96页5、按传感器的能量源分类：、按传感器的能量源分类：1）、无源型：不需要外加电源、而是将被测量的相关）、无源型：不需要外加电源、而是将被测量的相关能量转换为电量（电压，电流，电荷）输出，故又称为能量转换为电量（电压，电流，电荷）输出，故又称为能量转换型，发电型。光电，热电、压电、磁电。能量转换型，发电型。光电，热电、压电、磁电。2）、有源型：需外接电源才能输出电量，故又称为能量）、有源型：需外接电源才能输出电量，故又称为能量控制型、参量型。如：电阻，电感，电容等控制型、参量型。如：电阻，电感，电容等6、按输出信号的、按输出信号的性质分类性质分类开关型开关型（二值型）（二值型）接触型（如微动开关、行程开关接触型（如微动开关、行程开关有触点的开关有触点的开关非接触型：（光电开关、声控开关、接近开关、磁控非接触型：（光电开关、声控开关、接近开关、磁控开关开关）模拟型模拟型电阻型（电位器，电阻应变片，湿敏电阻）电阻型（电位器，电阻应变片，湿敏电阻）电压，电流型（热电偶，光电池）电压，电流型（热电偶，光电池）电感、电容型（电感、电容式位置传感器等）电感、电容型（电感、电容式位置传感器等）数字型数字型计数型（脉冲或方波信号计数型（脉冲或方波信号+计数器）计数器）代码型（增量码盘、绝对码盘代码型（增量码盘、绝对码盘二进制码盘二进制码盘格雷码盘格雷码盘第11页/共96页按能量源无源型、发电型有源型、能量控制型第12页/共96页1）、开关型：）、开关型：输出只有输出只有ON或或OFF(“1”或或“0”）两种状）两种状态，非此及彼，两者必居其一；态，非此及彼，两者必居其一；可直接送入微机进行处理，使用方便：可直接送入微机进行处理，使用方便：如：压力、温度、流量、速度如：压力、温度、流量、速度继电器继电器类。类。）、模拟型传感器）、模拟型传感器传感器的输出是与输入相对应的连续变化量传感器的输出是与输入相对应的连续变化量线性线性非线性非线性）、数字型）、数字型、计数型：输出的脉冲数与输入量成、计数型：输出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器，即可对输入量进行正比，加上计数器，即可对输入量进行计数。计数。如：增量码盘：脉冲数与转角成正比：如：增量码盘：脉冲数与转角成正比：光电检测输送带上的产品个数光电检测输送带上的产品个数、代码型（数字编码器）：如绝对码、代码型（数字编码器）：如绝对码盘，直接输出数字代码，如二进制码、盘，直接输出数字代码，如二进制码、格雷码（循环码）格雷码（循环码）各码道随输入量各码道随输入量变化，如码道变化，如码道第13页/共96页4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器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是把被测量转换为电阻变化的一种传感器传感器,按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、气敏式热敏式、光敏式、气敏式.磁敏式磁敏式例：变阻器式传感器例：变阻器式传感器基本工作原理基本工作原理大电阻传感器第14页/共96页第15页/共96页1.1.电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其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电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发的变化而发生变化象。生变化象。第16页/共96页1)1)工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为代入代入或两边相除或两边相除第17页/共96页有：有：将代入，得：材料的压阻系数由上式 由两部分组成（1+2），由几何尺寸变化引起的，称为几何效应LE,是由电阻率变化引起的，称为力阻效应、压阻效应、物理效应。第18页/共96页对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：金属丝应变片：金属丝应变片：主要是几何效应的贡献主要是几何效应的贡献半导体应变片半导体应变片=LE主要是压阻效应的贡献主要是压阻效应的贡献优点：灵敏度大优点：灵敏度大;体积小体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。如金属应变片。第19页/共96页第20页/共96页2)2)电阻应变片的种类与材料电阻应变片的种类与材料第21页/共96页2)2)电阻应变片的种类与材料电阻应变片的种类与材料第22页/共96页2)2)电阻应变片的种类与材料电阻应变片的种类与材料第23页/共96页关于电阻应变片的横向效应：关于电阻应变片的横向效应：如上，粘贴在试样表面上的应变片，当试样表面变形时，如上，粘贴在试样表面上的应变片，当试样表面变形时，必然引起应变片电阻值产生相对变化。但这种改变不仅是必然引起应变片电阻值产生相对变化。但这种改变不仅是沿应变片轴线（即纵向）变形引起的，而且也由应变栅弯沿应变片轴线（即纵向）变形引起的，而且也由应变栅弯曲部分承受横向变形引起的因试样若纵向伸长，必然引曲部分承受横向变形引起的因试样若纵向伸长，必然引起试样横向收缩（体积不变原理），而横向收缩作用引起试样横向收缩（体积不变原理），而横向收缩作用引起电阻值的减小量对于轴向伸长作用引起的电阻值增加量起电阻值的减小量对于轴向伸长作用引起的电阻值增加量起着抵消作用，它使所测应变值偏小，或者说使应变灵敏起着抵消作用，它使所测应变值偏小，或者说使应变灵敏度系数减小，这种现象称为横向效应，它对测量带来误差。度系数减小，这种现象称为横向效应，它对测量带来误差。在实际测量时，弯曲半径越大，横向效应也越大。在实际测量时，弯曲半径越大，横向效应也越大。第24页/共96页2)2)电阻应变片的种类与材料电阻应变片的种类与材料第25页/共96页2)2)电阻应变片的种类与材料电阻应变片的种类与材料金属箔很薄，因而所感受的应力状金属箔很薄，因而所感受的应力状态更接近于试样表面的应力状态态更接近于试样表面的应力状态第26页/共96页2)2)电阻应变片的种类与材料电阻应变片的种类与材料第27页/共96页是金属电阻应变片的是金属电阻应变片的5070倍倍第28页/共96页金属与半导体电阻应变片性能比较金属与半导体电阻应变片性能比较1、工作原理：、工作原理：几何效应几何效应 压阻效应压阻效应2、灵敏度：、灵敏度：较小、一般为较小、一般为2 但稳定但稳定 较大，是金属的较大，是金属的5070倍倍 分散分散3、温度系数：较小、温度系数：较小较大较大4、线性、线性、好好非线性非线性5、横向效应、横向效应有横向效应有横向效应小小6、器件参数、器件参数、一致性好一致性好分散分散 第29页/共96页把试件表面的应变准确地传递给敏感栅把试件表面的应变准确地传递给敏感栅教材教材P30、表、表31抗湿、抗热抗湿、抗热酚醛树脂、环氧树脂、聚脂酚醛树脂、环氧树脂、聚脂第30页/共96页3)3)电阻应变片的性能参数电阻应变片的性能参数第31页/共96页4.3 4.3 测量电路及温度补偿测量电路及温度补偿及及R/R都比较小，难以直接测量都比较小，难以直接测量简单直接简单直接动态响应好动态响应好精度灵敏度精度灵敏度都较高都较高第32页/共96页对边电阻乘积相等对边电阻乘积相等第33页/共96页直流电桥的连接方式直流电桥的连接方式第34页/共96页t1）、电桥的特性电桥的特性 传感传感器与应变仪配套才能进行力的测器与应变仪配套才能进行力的测量。电桥输出电压：量。电桥输出电压：电桥的四个臂电桥的四个臂R1、R2、R3、R4所产生的变化用所产生的变化用R1、R2、R3、R4表示。若初始状态表示。若初始状态电桥平衡、且满足最大灵敏度电桥平衡、且满足最大灵敏度条件，对上式进行全微分，得：条件，对上式进行全微分，得：若各桥臂的应变灵敏度系数若各桥臂的应变灵敏度系数K都相同，则：都相同，则：电桥根据工作的桥臂数，电桥根据工作的桥臂数，可分为：单臂、双臂、可分为：单臂、双臂、和全桥，其输出电压见和全桥，其输出电压见表表322、电桥的和差特性、电桥的和差特性石来德、袁礼平，机械参数电测石来德、袁礼平，机械参数电测技术技术P23,自考讲义自考讲义P27背面背面第35页/共96页第36页/共96页第37页/共96页第38页/共96页第39页/共96页电桥的和差特性电桥的和差特性电桥的和差特性电桥的和差特性t1、若相邻两桥臂应变极性相同（同为拉、若相邻两桥臂应变极性相同（同为拉、压）时，电桥输出电压正比于两应变之差；压）时，电桥输出电压正比于两应变之差；若极性相反，输出电压正比于两应变之和；若极性相反，输出电压正比于两应变之和；t2、相对两桥臂应变极性相同，输出电压、相对两桥臂应变极性相同，输出电压正比于两应变之和；若相反，输出电压正正比于两应变之和；若相反，输出电压正比于两应变之差。比于两应变之差。第40页/共96页2)2)电桥的和差特性（电桥的和差特性（结论结论）、减小非线性、减小非线性第41页/共96页2)2)电桥的和差特性（电桥的和差特性（例例）温度温度把把R1、R3布置在电桥相对两边，布置在电桥相对两边，输出电压正比于两应变之和输出电压正比于两应变之和第42页/共96页3 3、温度误差及补偿温度误差及补偿对对t微分微分第43页/共96页K：由温度变化所引起的电阻变化为;第44页/共96页选择：选择：+S(1-2）=0第45页/共96页tSU0tRtUiU0第46页/共96页4、电桥的非线性、电桥的非线性 王光铨：王光铨：P130起始电桥平衡起始电桥平衡 R1R3=R2R4 ，满足最大灵敏度条件满足最大灵敏度条件R1=R2=R3=R41)、单臂电桥：当、单臂电桥：当R1R1+R1分子、分母同除分子、分母同除因分母中包含自变量因分母中包含自变量R!/R1，故具有非线性误差。故具有非线性误差。第47页/共96页忽略忽略R1/R1小量，并考虑小量，并考虑R2/R1=R3/R4=1 则：则：2）差动半桥：）差动半桥：R1R1+R1 R2 R2+R2 则：则：第48页/共96页2）差动半桥：）差动半桥：R1R1+R1 R2 R2+R2 则：则：分母中不含分母中不含R项，只要相邻桥臂项，只要相邻桥臂R大小相等，极性相反，大小相等，极性相反，就可消除非线性。就可消除非线性。第49页/共96页3）、差动全桥）、差动全桥 相邻桥臂电阻变化大小相等，极性相反；相邻桥臂电阻变化大小相等，极性相反；可见可见在全等臂电桥时，在全等臂电桥时，K=、采用差动电桥可减小或消除非线性误差、采用差动电桥可减小或消除非线性误差第50页/共96页4、减小或消除非线性减小或消除非线性减小或消除非线性减小或消除非线性第51页/共96页4 4、应变片的布置和接桥方式应变片的布置和接桥方式第52页/共96页4 4、应变片的布置和接桥方式、应变片的布置和接桥方式第53页/共96页4.4 4.4 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用第54页/共96页4.4 4.4 电阻式传感器的应用：电阻式传感器的应用：测力测力第55页/共96页一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器t1、基本工作原理、基本工作原理t力力弹性敏感元弹性敏感元件产生应变件产生应变应变片、应变片、R电桥、电桥、U放大放大kU2、弹性敏感元件及计算公式、弹性敏感元件及计算公式1）、柱形弹性元件）、柱形弹性元件F：NE:Pa(N/m2)S:m22)簿壁圆环形弹性元件簿壁圆环形弹性元件第56页/共96页第57页/共96页第58页/共96页:断面坐标角，断面坐标角，B处为处为0，A处为处为900M:坐标角为坐标角为处的弯矩处的弯矩R0:环的平均半径（环的平均半径（m）；）；F:拉力或压力拉力或压力在在A、B断面处出现最大弯断面处出现最大弯矩：矩：MA=0.318FR0 MB=-0.182FR0两处的应变值分别为：两处的应变值分别为：式中：式中：b为簿壁环的宽度；为簿壁环的宽度；h为厚度为厚度;E为材料为材料的杨氏模量的杨氏模量Pa八角形测力环：八角形测力环：第59页/共96页由于圆环不易固定，实际常用八角环代替他。当八角由于圆环不易固定，实际常用八角环代替他。当八角环的环的h/R较小时（较小时（h环的宽度，环的宽度，R环的平均半径），环的平均半径），零应变点在零应变点在50.50.随着随着h/R的增大，此角度下降；当的增大，此角度下降；当h/R=0.4时，零应变点在时，零应变点在450FxFy零应变处在零应变处在与与Fx成成900的的B处处BB第60页/共96页第61页/共96页各种弹性元件产生的应变各种弹性元件产生的应变与外力与外力F成正比，成正比，完成了完成了F的转变的转变第62页/共96页第63页/共96页第64页/共96页案例：案例：振动式地音入侵探测器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。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。4.4 4.4 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用第65页/共96页第66页/共96页 第第4章传感器技术概论章传感器技术概论 1.掌握传感器的基本概念掌握传感器的基本概念 2.了解常用的弹性敏感元件及其特性了解常用的弹性敏感元件及其特性 3.了解传感器的应用及发展趋势了解传感器的应用及发展趋势第67页/共96页第68页/共96页第69页/共96页第70页/共96页第71页/共96页第72页/共96页第73页/共96页第74页/共96页第75页/共96页第76页/共96页第77页/共96页第78页/共96页第79页/共96页第80页/共96页第81页/共96页第82页/共96页第83页/共96页第84页/共96页第85页/共96页第86页/共96页第87页/共96页第88页/共96页第89页/共96页第90页/共96页第91页/共96页第92页/共96页第93页/共96页第94页/共96页第95页/共96页第96页/共96页