测试技术第三章.pptx

3.1 概述概述1.传感器传感器(Sensor)定义定义 传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成组成(GB766-87)。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从目前，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器件或装置。号的器件或装置。霍尔霍尔电磁式车辆速度传感器由两个电磁线圈和永久磁铁电磁式车辆速度传感器由两个电磁线圈和永久磁铁组成。车速传感器安装在变速器输出轴附近的壳体组成。车速传感器安装在变速器输出轴附近的壳体上，输出轴上的停车锁定齿轮为感应转子。当输出上，输出轴上的停车锁定齿轮为感应转子。当输出轴转动时，齿轮的凸齿不断靠近和离开传感器，使轴转动时，齿轮的凸齿不断靠近和离开传感器，使线圈内的磁通量发生变化，从而产生应变电流，线圈内的磁通量发生变化，从而产生应变电流，ECMECM通过线圈感应车辆速度。通过线圈感应车辆速度。传感器在非电量电测系统中的作用：传感器在非电量电测系统中的作用：F一是一是 敏感作用：敏感作用：感受并拾取被测对象的信号感受并拾取被测对象的信号F二是变换作用：二是变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电被测信号转换成易于检测和处理的电信号信号 获得传感器信号的两种方法：直接获得电信获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。号的变化（水位、压力等）。2.传感器的分类传感器的分类(1)按被测物理量分类按被测物理量分类:常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量:长度长度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋转角旋转角,转数转数,质量质量,重量重量,力力,压力压力,真空度真空度,力矩力矩,风速风速,流速流速,流量；流量；声声:声压声压,噪声。噪声。磁磁:磁通磁通,磁场。磁场。温度温度:温度温度,热量热量,比热。比热。光：光：亮度，色彩。亮度，色彩。温度传感器压力传感器扭矩传感器角位移传感器 光电式编码器电感式位移传感器直线光栅尺光电式编码器原理图光电式编码器原理图(2)(2)按传感器元件的变换原理分类按传感器元件的变换原理分类:电阻式电阻式,电容式电容式,电感式电感式,压电式、光电式等压电式、光电式等.物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如例如:水银温度计水银温度计,压电测力计压电测力计.结构型结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如例如:电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器.电容传声器、压力传感器的直流极化电路电容传声器、压力传感器的直流极化电路能量转换型能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作。直接由被测对象输入能量使其工作。例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计。能量控制型能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给从外部供给能量并由被测量控制外部供给 能量的变化。能量的变化。例如例如:电阻应变片。电阻应变片。能量传递型能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递从某种能量发生器与接受器进行能量传递 过程中实现敏感检测。过程中实现敏感检测。例如例如:超声波发生器和接受器。超声波发生器和接受器。(3)(3)按传感器的能量传递方式分类按传感器的能量传递方式分类:3.传感器的性能要求传感器的性能要求(1)对被测量系统的负载效应小；对被测量系统的负载效应小；(2)转换灵敏度高，有较好的线性关系；转换灵敏度高，有较好的线性关系；(3)重复精度、精度适当，稳定性高；重复精度、精度适当，稳定性高；(4)反应速度快，动态特性好；反应速度快，动态特性好；(5)适应性和适用性强。适应性和适用性强。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按工作的原理可分为:F热敏式热敏式F电阻应变式电阻应变式F变阻器式变阻器式F光敏式光敏式F电敏式电敏式3.2 电阻式传感器电阻式传感器 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变应变效应效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变的变化而发生变化的现象。化的现象。电阻丝应变片电阻丝应变片(康铜康铜)电阻丝应变片电阻丝应变片(康铜康铜)金属箔式应变片金属箔式应变片1)工作原理工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R为为(1)金属应变片（金属应变片（不变）不变）金属应变计金属应变计(2)半导体应变片（半导体应变片（变化）变化）半导体应变计半导体应变计2)金属应变计金属应变计金属应变计有金属应变计有:丝式和丝式和箔式。箔式。优点优点:稳定性和温度特稳定性和温度特 性好。性好。缺点缺点:灵敏度系数小。灵敏度系数小。应变计3)半导体应变计半导体应变计优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大;体积小体积小;能制成具有一定应能制成具有一定应变电阻的元件。变电阻的元件。缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变温度稳定性和可重复性不如金属应变片片。应变计薄膜型薄膜型扩散型扩散型 4)应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4令：令：金属丝应变片：金属丝应变片：V V与应变成线性关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线性关系，可以用电桥测量电压测量应变5)电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无折痕目测电阻应变片有无折痕.断丝等断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。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小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5欧姆欧姆.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴在应变片基底上挤一小滴502502胶水，胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。5.焊线焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。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，应用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于大于500M500M欧。欧。7.应变片保护：用应变片保护：用704704硅橡胶覆于应变片上，防止硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。受潮。6)标准标准产品产品7)应用应用电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力案例：案例：7)应用应用案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量案例：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。案例：案例：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片化结构变形再通过应变片转化为电量输出。转化为电量输出。德国德国HBMHBM电阻应变式传感器电阻应变式传感器 3.3 电容式传感器电容式传感器 1.变换原理变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化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两平行极板组成的电容器,它的电容量为它的电容量为:+A 当当被被测测量量、A或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电电容容的的变变化化。如如果果保保持持其其中中的的两两个个参参数数不不变变，而而仅仅改改变变另另一一个个参参数数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。2.分类分类 a)a)极距变化型极距变化型;+c)c)介质变化型介质变化型b)b)面积变化型面积变化型:角位移型角位移型,平面线位移型平面线位移型,柱面线位移型柱面线位移型.3.测量电路测量电路直流极化电路直流极化电路谐振电路谐振电路电容传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐电容传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，谐振回路的阻抗将发生压。当传感器电容发生变化时，谐振回路的阻抗将发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。放大、检波即可得到相应的输出。运算放大器电路（位移测量传感器）运算放大器电路（位移测量传感器）3.应用应用1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2.位移，移动，位置，膨胀3.挠度，变形，波动，倾斜4.尺寸，公差，分选，零件识别5.冲击，应变，轴向振动6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心3.4 电感式传感器电感式传感器 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。转化为电感量的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式a)变间隙型变间隙型原理原理:电磁感应电磁感应b)变面积型变面积型c）螺线管型螺线管型d)差动型差动型2 涡流式涡流式原理原理:涡流效应涡流效应原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：a)高频反射式：（高频反射式：（集肤效应）集肤效应）b)低频透射式：（互感原理）低频透射式：（互感原理）案例：案例：干净、高效的电磁炉干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流通过励高频电流通过励磁线圈，产生交磁线圈，产生交变磁场，在铁质变磁场，在铁质锅底会产生无数锅底会产生无数的电涡流，使锅的电涡流，使锅底自行发热，烧底自行发热，烧开锅开锅 内内 的的 食食 物。物。案例：案例：连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：案例：案例：无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测案例：案例：测厚测厚案例：案例：零件计数零件计数3 变压器式变压器式-差动变压器差动变压器WW1W2Esx-x工作原理工作原理:互感现象互感现象.EwEout(1)调幅式调幅式（AM）电路电路 4 测量电路测量电路(2)调频（调频（FM）式电路）式电路(100kHz1MHz）当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡改变时，电涡流线圈的电感量流线圈的电感量L 也随之改变，引起也随之改变，引起LC 振荡器的输振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将 f转换为电压转换为电压 Uo 。应用应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量3.5 磁电式传感器磁电式传感器 1.变换原理变换原理: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。势的一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势U U为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。2 分类分类 磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N3 动圈式传感器动圈式传感器 4 磁阻式传感器磁阻式传感器 5 应用应用b)测速电机测速电机a)磁电式车速传感器磁电式车速传感器3.6压电式传感器压电式传感器 1.变换原理变换原理:压电效应压电效应 某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；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。重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。压电效应压电效应q=DFF+2、测量电路、测量电路 a)电压放大器电压放大器 b)电荷放大器电荷放大器F+3 应用应用b)压力变送器压力变送器a)加速度计，力传感器加速度计，力传感器 案例：案例：飞机模态分析飞机模态分析3.7光电式传感器光电式传感器 (1)光电式传感器具有结构简单、响应速度快、光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点可实现非接触式测量等特点(2)可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、加速度等位移、速度、加速度等(3)其发展速度快、应用范围广，具有很大的应其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力用潜力 (1)由光路及电路两大部分组成由光路及电路两大部分组成(2)光路部分实现被测信号对光量的控制和光路部分实现被测信号对光量的控制和调制调制(3)电路部分完成从光信号到电信号的转换电路部分完成从光信号到电信号的转换光子是具有能量的粒子，每个光子的能量光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为可表示为 光电效应方程光电效应方程 光电器件是将光能转变为电能的一种传光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部感器件。是构成光电式传感器的主要部件。件。光电器件工件的物理基础：光电效应。光电器件工件的物理基础：光电效应。光电效应分为：内光电效应、外光电效光电效应分为：内光电效应、外光电效应应外光电效应型光电器件外光电效应型光电器件当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。进入外界空间，这种现象称为外光电效应。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。表面的现象。根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。电倍增管。内光电效应型光电器件内光电效应型光电器件内光电效应是指在光线作用下，物体的导内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象电性能发生变化或产生光生电动势的现象这种效应可分为因光照引起半导体电阻率这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种光生伏特效应两种 内光电效应分类内光电效应分类光电导效应光电导效应 在在光光线线作作用用下下，对对于于半半导导体体材材料料吸吸收收了了入入射射光光子子能能量量，若若光光子子能能量量大大于于或或等等于于半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度，就就激激发发出出电电子子-空空穴穴对对，使使载载流流子子浓浓度度增增加加，半半导导体体的的导导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻光生伏特效应光生伏特效应 在在光光线线的的作作用用下下能能够够使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势的现象。如光电池。势的现象。如光电池。光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PNPN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的的倍，所以光敏晶体管有放大作用。倍，所以光敏晶体管有放大作用。数字转速表数字转速表光电耦合器件光电耦合器件3.7传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1、灵敏度灵敏度 一一般般说说来来，传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高越越好好，但但在在确确定定灵灵敏敏度时，要考虑以下几个问题。度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围量程范围；c)交叉灵敏度问题交叉灵敏度问题。3 响应特性响应特性 传传感感器器的的响响应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，保保持持不不失真的测量条件。失真的测量条件。实实际际上上传传感感器器的的响响应应总总不不可可避避免免地地有有一一定定延延迟迟，但但总希望延迟的时间越短越好。总希望延迟的时间越短越好。2 线性范围线性范围 任任何何传传感感器器都都有有一一定定的的线线性性工工作作范范围围。在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系，线线性性范范围围愈愈宽宽，则则表表明明传传感感器器的的工工作作量量程程愈愈大大。传传感感器器工工作作在在线线性性区区域域内内，是是保保证证测量精度的基本条件。测量精度的基本条件。4 稳定性稳定性 稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期使使用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能。影影响响传传感感器器稳稳定定性性的的因因素素是是时时间间与环境。与环境。5 精确度精确度 传传感感器器的的精精确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测测量量的的对对应程度。应程度。6 测量方式测量方式 传传感感器器工工作作方方式式，也也是是选选择择传传感感器器时时应应考考虑虑的的重重要要因因素素。例例如如，接接触触与与非非接接触触测测量量、破破坏坏与与非非破破坏坏性性测测量、在线与非在线测量等。量、在线与非在线测量等。作业：作业：P126:4,7,8,11