测试技术课件-第3章.ppt

测试技术,*,3,常用传感器,主要研究内容：,1.,了解传感器的分类,2.,常用传感器测量原理,3.,传感器选用,测试技术基础,3.1,概 述,1.,传感器,(Sensor),定义,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,敏感元件,和,转换元件,组成,(GB766-87),。,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,的器件或装置。,3,常用传感器,传感器在非电量电测系统中的作用：,一是 敏感作用：,感受并拾取被测对象的信号,二是变换作用：,被测信号转换成易于检测和处理的电信号,概,述,将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。,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）；,2.,传感器的分类,(1),按被测物理量分类,:,(2),按传感器元件的变换原理分类,:,(3),按物理现象分类：,位移传感器,流量传感器,温度传感器等,.,电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等,.,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,.,例如,:,水银温度计,压电测力计,.,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,.,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,.,能量传递型,:,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,.,例如,:,超声波发生器和接受器,.,(4),按传感器的能量传递方式分类,:,(5),按输出信号分类：,模拟式,输出为模拟量；,数字式,输出为数字量。,概,述,3.,传感器的性能要求,足够的容量,匹配性好，转换灵敏度高,精度适当，稳定性高,反应速度快，工作可靠性高,适应性和适用性强,概,述,4.,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,概,述,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,:,热敏式,电阻应变式,变阻器式,光敏式,湿敏式,3.2,电阻式传感器,3,常用传感器,电阻应变式传感器,-,应变效应,电阻式传感器,导体或半导体在外力作用下产生,机械变形,而引起导体或半导体的,电阻值发生变化,的物理现象称为,应变效应,。,传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的,应变量,转换成,电阻变化量,的传感元件。,应变片受力,应变,比例关系,比例关系,应变片电阻的变化,1),工作原理,式中，,导线的电阻率，又称为电阻系数,金属导线的,应变电阻效应,：,当金属丝由于受到轴向力,P,而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。,电阻式传感器,S,由两部分组成：,前一部分,(1+2),是由金属导线的,几何尺寸,变化引起的；,后一部分,E,除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。,：,泊松系数，,E:,弹性模量，,:,纵向应变，,:,压阻系数,推导,电阻式传感器,应变片受力后，电阻的变化,dR,则,两边同除以,R,，同时,R=,L,/A,，则,dL,/L=,金属导线长度的相对变化，称,纵向应变,。,d/,导线电阻率的相对变化。,dA,/A,导线截面积的相对变化，称为,称横向应变,。,电阻式传感器,对于圆形截面积的导线，若其直径为,D,，则,横向应变,dD,/D,和纵向应变,dL,/L,之比称为泊桑比，即,故,电阻式传感器,E,为导线材料的弹性模量，,为压阻系数，与材料有关。,则,已知,当导体材料确定后，,、,、,E,均为常数，则,(1+2+E),为常数。,灵敏度为：,应变片电阻的相对变化率,dR,/R,与应变,之间是线形关系,电阻式传感器,S,由两部分组成：,前一部分,(1+2),单由金属导线的几何尺寸变化引起的；,后一部分,E,是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。,电阻式传感器,(1),金属应变片（,不变）,金属应变计,(2),半导体应变片（变化）,半导体应变计,电阻式传感器,2),应变计分类,金属应变计有,:,1,、,丝式,2,、,箔式,3,、,薄膜式,优点,:,稳定性和温度特性好,.,缺点,:,灵敏度系数小,.,应变计,电阻式传感器,a),金属应变计,按敏感栅材料分,b),半导体应变计,优点：,应变灵敏度大,;,体积小,;,能制成具有一定应变电阻的元件,.,缺点：,温度稳定性和可重复性不如金属应变片,。,应变计,体型,薄膜型,扩散型,电阻式传感器,按基底材料和安装方法分,纸基应变片,.,胶膜应变片,.,浸胶基应变片,.,金属基应变片,.,临时基应变片,.,应变片所用的基底材料不同,也会使应变片具有明显不同的性能特点,可分为,:,应变片按安装方法不同可分为,:,粘贴式应变片,.,焊接式应变片,.,喷涂式应变片,.,按敏感栅的结构形状分,单轴应变片,应变花,.,电阻式传感器,每种应变片只能在一定的工作温度范,围内使用,按其温度范围可分为,:,常温应变片 其工作温度由,-30,至,+60,中温应变片 其最高温度在,+60,+350,高温应变片 最高工作温度,+350,低温应变片 最低工作温度,-30,按应变片的工作温度分,电阻式传感器,3),应变片的主要参数,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。,4,）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、,蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,电阻式传感器,a),温度误差 当应变片粘贴在无外力,无任何约束的试件上时,在温度变化的情况下,应变片的电阻也会发生变化,这种现象称为应变片的,温度效应,.,b),测量动态信号的误差 应变片粘贴在被测构件上测得的应变往往,认为是应变片中点的应变,但在测量一动态情况下的试件应变,而在应变片基长内的应变分布不是相同值,.,在,同一瞬间,应变片在基长上不同点所得应变是不同的值,.,4),电阻应变片的误差及其补偿,电阻式传感器,案例：,5),应用,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。,德国,HBM,电阻应变式传感器,电阻式传感器,3.3,电容式传感器,1,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,当被测量,、,A,或,发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,3,常用传感器,2,分类,a),极距变化型,;,+,+,+,c),介质变化型,电容式传感器,b),面积变化型,:,平面线位移型,角位移型,柱面线位移型,.,3,灵敏度,a),极距变化型,;,传感器的灵敏度近似为：,变极距电容传感器,平板电容器,电容式传感器,传感器灵敏度,b),面积变化型,a),平面线位移型,平面线位移型,c),角位移型,传感器,灵敏度,角位移型,电容式传感器,c),介质变化型,介质常数变化型电容式传感器,大多用于测量电介质的厚度,(,图,a),、位移,(,图,b),、液位,(,图,c),根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量,(,图,d),等。,电容式传感器,4,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,电容式传感器,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,自感型,可变磁阻型,涡流式,互感型,3,常用传感器,1,可变磁阻式,原理,:,电磁感应,电感式传感器,W:,线圈匝数；,L,1,:,软铁长度；,1,：,软铁磁导率；,0,：空气磁导率,A,1,：铁芯导磁截面,A,0,：空气导磁截面,可变磁阻式传感器基本原理,1,线圈,2.,铁芯,3.,衔铁,a),变间隙型,可变磁阻式传感器基本原理,1,线圈,2.,铁芯,3.,衔铁,当,0,、,A,0,固定不变，改变,时，,L,与,呈非线形（双曲线）关系，,L,与,的双曲线关系,传感器灵敏度,电感式传感器,b),变面积型,可变磁阻式传感器基本原理,1,线圈,2.,铁芯,3.,衔铁,当,0,、,固定不变，改变,A,0,时，,L,与,A,0,呈线形关系，,传感器灵敏度,L,与,A,0,的,线形关系,电感式传感器,=,常数,c,）螺线管型,当其它参数不变，仅改变,L,1,，使,R,m,变化，从而产生电感的变化。,螺线管型,电感式传感器,d),差动型,变间隙型差动变压器,输出特性,传感器灵敏度,电感式传感器,2,涡流式,高频反射式涡流传感器,当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为,涡流,。,低频投射式涡流传感器,涡流的大小与金属板的电阻率,、磁导率,、厚度,t,，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。,涡流式电感传感器可分为,1,）,高频反射式,2,）,低频投射式,电感式传感器,原线圈的等效阻抗,Z,变化：,a),高频反射式：（,集肤效应）,高频反射式涡流传感器,电感式传感器,b),低频透射式：（互感原理）,低频透射式涡流传感器,e,2,随材料厚度增加变化的规律,电感式传感器,案例：,连续油管的椭圆度测量,Coiled Tube,Eddy Sensor,Reference Circle,原理：,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,电感式传感器,案例：,测厚,案例：,零件计数,电感式传感器,案例,电感式传感器,3,变压器式,-,差动变压器,工作原理,:,互感现象,.,电感式传感器,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：,板的厚度测量,案例：,张力测量,电感式传感器,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,U,为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。,3,常用传感器,2,分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,N,磁,电式传感器,3,动圈式传感器,l:,每匝线圈的平均长度；,B:,线圈所在磁场的磁感应强度；,A:,每匝线圈的截面积；,:,线圈运动方向与磁场方向的夹角；,k:,传感器的结构系数。,磁,电式传感器,4,磁阻式传感器,磁,电式传感器,3.6,压电式传感器,1,变换原理,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，又重新回到原来的状态，这种现象称为,压电效应,。,3,常用传感器,压电效应,q=DF,压,电式传感器,压电式传感器输出电荷,q,很少，内阻,Ra,很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：,(1),放大,微弱的压电信号,(2),进行,阻抗匹配,电压放大器,电荷放大器,压,电式传感器,2,测量电路,电压放大器,放大器的输入电压：,系统的输出电压为：,系统的灵敏度为：,当电缆长度变化时，,Cc,变化，,e,i,变化，系统的灵敏度发生变化，此时测试比较困难,压,电式传感器,电荷放大器,当略去传感器的漏电阻,Ra,时,q,t,e,i,(C,a,+C,c,+C,i,),当略去电荷放大器的输入电阻,Ri,的影响时,q,f,(e,i,-e,y,)C,f,则整个电路中的电荷为：,qq,t,+q,f,=,e,i,(C,a,+C,c,+C,i,)+(e,i,-e,y,)C,f,=,e,i,C,+(,e,i,-e,y,)C,f,式中，,e,i,为放大器的输入端电压；,e,y,为放大器输出端电压；,C,f,为电荷放大器的反馈电容。,压,电式传感器,e,y,=-Ke,i,其中，,K,为放大器的开环放大倍数,qq,t,+q,f,=,e,i,(C,a,+C,c,+C,i,)+(e,i,-e,y,)C,f,=,e,i,C,+(,e,i,-e,y,)C,f,所以,开环增益,K,足够大,系统的灵敏度为：,在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关；,系统输出灵敏度取决于反馈电容，所以可以通过调节反馈电容,压,电式传感器,e,i,=,(,q+e,y,C,f,),/,(,C+C,f,),3.7,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、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,1,、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。,a),灵敏度过高引起的干扰问题；,b),量程范围。,3,常用传感器,3,响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持,不失真,的测量条件。,实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,2,线性范围,任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。,传感器选用原则,4,稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,5,精确度,传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。,6,测量方式,传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。,传感器选用原则,小结,:,3,常用传感器,