機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章課件

1、機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,1,第三章 常用的傳感器,Sensor, transducer, Resolution,threshold value,null,excitation,output Repeatability of measurement,hysteresis,drift Sensitivity,linearity,least-squares line, natural frequency Calibration,response,span,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,2,3-1 傳感器的分類,按被測量分類： 位移傳感器 力傳感器 溫度傳感器 按工作原理分類： 機械

2、式 電氣式 光電式 流體式,按信號變換特征分類： 物性型、結(jié)構(gòu)型 按敏感元件與被測對象間能量關(guān)系： 能量轉(zhuǎn)換型、能量控制型 按輸出信號分類： 模擬式、數(shù)字式,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,3,名詞,物性型傳感器： 依靠敏感元件材料本身物理化學性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號的變換。如：水銀溫度計，壓電測力計 結(jié)構(gòu)型傳感器： 依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化而 實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。 如：電容式傳感器，電感式傳感器,能量轉(zhuǎn)換型傳感器：無源傳感器，直接由被測對象輸入能量使其工作。如熱電偶溫度計、彈性壓力計 能量控制型傳感器：有源傳感器，從外部供給輔助能量使傳感器工作，并由被測量來控制外部供給能量的變化。 如：電阻應(yīng)變計

3、,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,4,3-2 機械式傳感器,以彈性體作為傳感器的敏感元件，又稱為彈性敏感元件。 輸入量：力、壓力、溫度 輸出：彈性元件本身的變形 轉(zhuǎn)變?yōu)閮x表指針的偏轉(zhuǎn)。 如：測力計、彈簧秤；波紋膜片；雙金屬片 特點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀。 缺點：放大和指示環(huán)節(jié)存在間隙，慣性大，固有頻率低。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,5,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,6,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,7,3-3 電阻式傳感器,機械量電阻變化 分類：變阻式大電阻式 應(yīng)變式小電阻式,一、變阻器式傳感器（電位計式）,電阻率，L長度，A截面積,機械工程測

4、試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,8,單位長度的電阻（常數(shù)）,輸入量：觸點C移動量位移,C點與A點之間電阻輸出量,傳感器靈敏度,對于圖a:,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,9,當：RL時，則：,在u0作用下，傳感器輸入量x與輸出量 uy之間的關(guān)系：,u0 直流激勵電壓 uy 傳感器輸出電壓 xp變阻器總長度 Rp變阻器總電阻 RL后續(xù)測量電路的輸入電阻,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,10,優(yōu)缺點： 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便 缺點：分辨率低（低于20m），電噪聲大（uyx曲線為階梯形狀） 應(yīng)用于：線位移、角位移測量，測量儀中電子電位差計等。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,11,

5、二、電阻應(yīng)變式傳感器,1 金屬電阻應(yīng)變片 金屬絲式應(yīng)變片（電阻絲式應(yīng)變片）、金屬箔式應(yīng)變片,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,12,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,13,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,14,應(yīng)變計,金屬應(yīng)變計,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,15,由：,得到：,電阻的相對變化：,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,16,電阻絲軸向相對變形，縱向應(yīng)變,電阻絲徑向相對變形，橫向應(yīng)變,電阻絲材料泊松比,彈性模量,壓阻系數(shù),應(yīng)變系數(shù)或靈敏度,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,17,2 半導體應(yīng)變片,應(yīng)用半導體材料的壓阻效應(yīng)。 壓阻效應(yīng)：單晶半導體材料在沿某一軸向受到外

6、力作用時，能使其電阻率發(fā)生很大變化的現(xiàn)象。,一般比金屬絲電阻應(yīng)變片大5070倍,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,18,優(yōu)點： 靈敏度高，機械滯后小、橫向效應(yīng)小、體積小。 缺點： 溫度穩(wěn)定性能差，靈敏度分散大，在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,19,3 應(yīng)用,直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,20,將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度的傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,21,案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,22,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,23,機械

7、工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,24,案例：電子稱,原理 將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,25,案例：橋梁固有頻率測量,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,26,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,27,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,28,案例：振動式地音入侵探測器,適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,29,案例：機器人握力測量,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,30,注意的問題： 應(yīng)變片測出的是應(yīng)變，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換 粘貼工藝很重要 用于動態(tài)測量時，

8、應(yīng)考慮應(yīng)變片本身的動態(tài)特性（激勵電源頻率、基片的長度） 溫度變化引起阻值變化，需考慮溫度補償,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,31,3-4 電感傳感器,被測機械量電感量（互感量） 分類：自感型（可變磁阻式、電渦流式) 互感型（差動變壓器式） 變換原理：基于電磁感應(yīng),機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,32,一、可變磁阻式電感傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,33,工作原理 ： 由電工學知，線圈自感量L為,W線圈匝數(shù) Rm 磁路總磁阻,如果空氣隙較小，而且不考慮磁路的鐵損時，總磁阻,l鐵心導磁長度；鐵心導磁率；A鐵心導磁截面積，A=ab; 氣隙長度；0空氣導磁率，0=410-7；A

9、0空氣隙導磁橫截面積。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,34,鐵心磁阻與空氣隙的磁阻相比很小，可忽略，則電感量：,可構(gòu)成、0 、A0 及W變化型傳感器 鐵心導磁率； A鐵心導磁截面積 氣隙長度 W線圈匝數(shù),機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,35,在氣隙變化型中，L與是呈非線性關(guān)系（雙曲線）,靈敏度,由于S不是常數(shù)，會出現(xiàn)線性誤差，一般規(guī)定在較小間隙范圍內(nèi)工作，工作范圍00+，一般取/010%，這種傳感器使用于小位移的測量，一般為0.0011mm。 特點：靈敏度高。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,36,圖3-22 幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu),機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章

10、,37,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,38,電渦流式電感傳感器,工作原理：電渦流現(xiàn)象： 金屬板置于一只線圈附近，相互距離為。當線圈中有一高頻交變電流I通過時，便產(chǎn)生磁通1。此交變磁通通過鄰近的金屬板，金屬板上便產(chǎn)生感應(yīng)電流i1。這種渦電流也將產(chǎn)生交變磁通1。根據(jù)楞次定律，渦電流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反，1總是抵抗的變化。由于渦流磁場的作用使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化，變化程度與距離有關(guān)。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,39,例如：ST-1-03型非接觸電渦流傳感器，測頭直徑：8，線性度：1.1%，測量范圍：2mm，穩(wěn)定度：0.05%/,靈敏度：8mv/m,分辨率：0.12

11、5m 其它、0 、A0 及W變化型，S為常數(shù)，但S比較低。 自感式傳感器，還有差動式、單螺管、雙螺管差動式。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,40,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,41,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,42,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,43,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,44,產(chǎn)品：,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,45,案例：連續(xù)油管的橢圓度測量,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,46,案例：無損探傷,原理 裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。,火車輪檢測,油管檢測,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,47,互感型-差動變壓器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張

12、軍）第三章,48,工作原理： 利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象（與變壓器的原理相同）,M比例系數(shù)，稱為互感（H），其大小與兩線圈相對位置及周圍介質(zhì)的導磁能力等因素有關(guān)，它表明兩線圈之間的耦合程度。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,49,螺旋管式差動變壓器式傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,50,傳感器線圈為原邊，R1、L1為線圈電阻、電感，渦流回路為付邊，R2、L2為等效電阻、電感，等效回路方程：,傳感器的線圈等效阻抗Z1,實部：線圈的等效電阻，虛部：線圈的等效電感 測得線圈等效電阻或等效電感變化就測得間隙的變化。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,51,變壓器由初級線圈W和兩個參數(shù)完

13、全相同的次級線圈W1、W2組成。線圈中心插入圓柱形鐵心P，次級線圈W1及W2 反極性串聯(lián)。 當初級線圈W加上交流電壓時，次級線圈W1及W2分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢e1和e2，其大小與鐵心位置有關(guān)。 當鐵心在中間位置時，e1=e2，輸出電壓e0=0， 鐵心向上運動時，e1e2 向下運動時，e1e2。隨著鐵心偏離中心位置，e0逐漸增大，其輸出特性如圖所示,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,52,自感型的單螺管傳感器加上初級線圈W，都可以變成變壓器式傳感器，簡稱差動式變壓器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,53,特點： 線性測量范圍大，可達100mm 精度高，分辨率可達0.1m， 穩(wěn)定性好（變壓器隔離

14、作用，支流去除）， 頻率響應(yīng)：0200Hz（頻率響應(yīng)低）,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,54,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,55,案例：板的厚度測量,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,56,案例：張力測量,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,57,3-5 電容式傳感器,被測量電容量變化,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,58,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,59,變化原理,平行極電容器,極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，在空氣中=1； 0真空中介電常數(shù)， 0=8.8510-12F/m； 極板間距離； A極板面積 當、A、變化，都會引起電容的變化，對應(yīng)極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化

15、型。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,60,極距變化型，c 與之間關(guān)系呈非線性。,一般取/0 10%，S近似為常數(shù)，在此范圍內(nèi)，近似為線性。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,61,面積變化型,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,62,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,63,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,64,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,65,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,66,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,67,電容式接近開關(guān),測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)

16、也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,68,測量電路,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,69,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,70,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,71,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,72,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,73,3-6 壓電式傳感器,被測機械量壓電敏感元件的電荷輸出,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,74,一、壓電材料與壓電效應(yīng),壓電效應(yīng),正壓電效應(yīng)：某些晶體在其表面施加力，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，在其表面出現(xiàn)電荷，形成電場；當外力消失時，材料重

17、新回復到原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象成為正壓電效應(yīng)。 逆壓電效應(yīng)：將這些晶體置于電場中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外電場作用導致物質(zhì)的機械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮效應(yīng)。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,75,壓電材料,1壓電單晶石英、鈮酸鋰，穩(wěn)定性好，靈敏度低 壓電多晶壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛，穩(wěn)定性差，靈敏度高 壓電半導體有壓電半導體兩特性 有機壓電薄膜聚丙二氟乙烯（PVPF），靈敏度低，用于微壓、擬人觸覺，大面積生產(chǎn)，柔軟不易碎。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,76,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,77,二、石英晶體的正壓電效應(yīng),石英晶體成分SiO2，其基本結(jié)構(gòu)為六棱柱

18、體，石英晶體的直角坐標： X-X壓電軸, Y-Y機械軸, Z-Z光軸,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,78,在石英晶體中切出一個平行六面體，其對表面分別垂直于X、Y、Z軸。,a)縱向效應(yīng),b)橫向效應(yīng),c)切向效應(yīng),機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,79,縱向壓電效應(yīng) 沿X方向施加Fx力，將在垂直于X軸表面出現(xiàn)電荷qx qx=d11Fx d11=2.3110-12C/N,橫向壓電效應(yīng) 沿Y方向施加Fy力，將在垂直于X軸表面出現(xiàn)電荷qx qx=-d11Fy,切向壓電效應(yīng) 在垂直于Z軸兩個石英表面上施加切向力Fy切，則在垂直于XX軸的表面產(chǎn)生電荷qx qx=d14Fy切 d14=0.7310

19、-12C/N,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,80,！沿Z軸表面施加Fz作用力，其表面不產(chǎn)生電荷。,三、石英晶體壓電效應(yīng)的物理解釋,組成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于Z軸平面上的投影可以等效為正六邊形的頂點排列。 當不受力時，硅、氧離子的正、負電荷的等效作用中心重合，對外不顯電性。 縱向壓電效應(yīng) 在Fx力的作用下，石英晶體變形，硅、氧離子的正、負電荷的等效作用中心沿X軸方向分離，因此在垂直于X軸的晶體表面將吸附電荷（形成偶極子電場，與外力電場平衡。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,81,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,82,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,83,機械工程測試

20、技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,84,四、壓電傳感器及等效電路,單向石英壓電測力傳感器,若R0時,石英=4.5 鋯鈦酸鉛=1200,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,85,傳感器輸出電壓u與C0、R0的關(guān)系,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,86,其穩(wěn)態(tài)解為,電容上的電壓值為,在C一定時 當R00時，u=0，當R0時，u=q0/Csin(wt+),因此，提高測量精度，即減小電荷漏失，要R0盡量大，理想,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,87,五、測量電路,電壓放大器、電荷放大器,設(shè)R0，其中電纜對地電容CC比Ca和CI都大，故整個測量系統(tǒng)對電纜對地電容的變化非常敏感，從而使儀器的靈敏度發(fā)生變化。

21、,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,88,設(shè)R0，uI放大器輸入電壓,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,89,uy放大器輸出電壓 A電荷放大器開環(huán)增益 Cf電荷放大器反饋電容,電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，與電纜對地電容無關(guān)。但電路復雜，價格昂貴。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,90,六、應(yīng)用,正壓電效應(yīng)測力（加速度、扭矩） 逆壓電效應(yīng)振動送料器、執(zhí)行器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,91,加速度計,力傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,92,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,93,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,94,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第

22、三章,95,YDS-78型石英壓電傳感器 測力范圍：5000N 分辨率：0.01N 線性誤差：51013 固有頻率：50KHz 工作溫度：-60+140 重量：10克 尺寸：18mm7mm 獲省科技成果一等獎,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,96,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,97,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,98,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,99,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,100,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,101,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,102,3-7 磁電式傳感器,磁電式傳感器是把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種傳感器，又稱電磁感應(yīng)

23、式或電動力式傳感器。,感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e為,磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,103,2 分類,磁電式,動圈式,磁阻式,線速度型,角速度型,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,104,一、 動圈式,動圈式傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,105,測速電機,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,106,動圈磁電式傳感器等效電路,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,107,二、 磁阻式,磁阻式傳感器工作原理及應(yīng)用實例 a)測頻數(shù) b)測轉(zhuǎn)速 c)偏心測量 d)振動測量,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第

24、三章,108,磁阻式傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,109,1.雙金屬溫度計,把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機械量變化。,優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單 牢固 可靠 防爆,3.8 熱敏傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,110,2. 熱電溫度計(熱電偶),熱電效應(yīng),將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,111,k玻耳茲曼常數(shù)， e電子電荷量， T接觸處的溫度 NA，NB分別為導體A和B的自由電子密度。,機械工程

25、測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,112,熱電偶測溫基本定律,1)均質(zhì)導體定律 由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。,2)中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,113,3)參考電極定律 兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：,由于鉑的物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,114,3.熱電阻傳感器,（1）鉑電阻,鉑電

26、阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。,WZB型鉑電阻體,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,115,（2）銅電阻,銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價格便宜的等優(yōu)點。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,116,3-9 半導體傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,117,1 磁感應(yīng)半導體元件分類,霍爾元件,磁電阻元件,磁敏二極管,磁晶體管,磁半導體開關(guān),一、磁敏傳感器,利用半導體材料的磁敏特性來工作的：霍爾元件、磁阻元件、磁敏管。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,118,2 磁電阻元件,磁阻效應(yīng),特點 電阻的增量與磁場的平方成正比； 與磁場的正負無關(guān)； 溫度系數(shù)影響大； 磁感應(yīng)

27、的范圍比霍爾元件大。,應(yīng)用 磁頭；接近開關(guān)和無觸點開關(guān)。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,119,案例：轉(zhuǎn)速測量,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,120,3 霍爾元件,霍爾元件及霍爾效應(yīng)原理,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,121,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,122,霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,123,測轉(zhuǎn)角：,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,124,電流傳感器,當電流流過導線時，將在導線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章

28、,125,鐵磁材料裂紋檢測,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,126,葉片和齒輪位置傳感器,應(yīng)用,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,127,案例：汽車速度測量:,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,128,光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。,內(nèi)光電效應(yīng),半導體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應(yīng) 。,光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管,二、光敏傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,129,光敏電阻是一種光電導元件，其工作

29、原理是基于半導體材料的內(nèi)光電效應(yīng)，既當半導體受到光照射時，其電阻值減小的現(xiàn)象。,光敏電阻阻值與光的波長有關(guān)。 受溫度影響大。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,130,照相機自動測光 光控燈 工業(yè)控制,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,131,光電池,光生伏特效應(yīng)指半導體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。,一般常用光電池有硒、硅、銻化鉻、硫化鉻。 硅光電池：光譜范圍0.11.1m,靈敏度68nAmm2lx-1;響應(yīng)時間微妙。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,132,應(yīng)用,光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收

30、式、遮光式、反射式、四種基本形式。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,133,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,134,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,135,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,136,案例：光電鼠標就是利用LED與光敏晶體管組合來 測量位移。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,137,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,138,相機測距反射式光電傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,139,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,140,（三）光敏二極管和光敏三極管,和光電池、光敏二極管比較，光敏三極管具有輸出信號大，產(chǎn)生光電流部分與放大部分集中在一起，具有良好

31、的抗噪聲能力，響應(yīng)速度慢些。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,141,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,142,利用光電傳感器進行邊緣位置檢測的裝置。 用于帶鋼冷軋過程中控制帶鋼的移動位置糾偏。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,143,三、固態(tài)圖象傳感器,從功能上說，是能把受光面的光像分成許多小單元（像元），并將它們轉(zhuǎn)換成電信號，然后順序地輸送出去的器件。從結(jié)構(gòu)上，是小型固態(tài)集成單元，核心部分多是電荷耦合器件（Charge Coupled Device 簡稱CCD）。CCD由陣列式排列在襯底上的金屬-氧化物-硅(Metal Oxide Semi-Conductor,簡稱MOS)電容器

32、組成，具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,144,固態(tài)圖象傳感器具有：小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命高和以光為媒介可以到達危險地點的優(yōu)點。 用途： 物位、尺寸、形狀、工件損傷等測量 作為光學信息處理的輸入環(huán)節(jié)，如電視攝像、傳真技術(shù)、光學文字識別技術(shù)和圖象識別技術(shù)中的輸入環(huán)節(jié)。 自動生產(chǎn)過程的控制敏感元件,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,145,四、熱敏電阻,由金屬氧化物的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成的半導體。具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降,與金屬絲電阻比較優(yōu)點： 靈敏度高 可制成片狀、柱狀，熱慣性小，響應(yīng)速度快，時間常數(shù)可到毫秒

33、級 元件本身電阻值可在3700k選擇，導線電阻影響小 -50350溫度范圍穩(wěn)定性好。,缺點：非線性大，對環(huán)境溫度敏感性大,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,146,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,147,產(chǎn)品,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,148,溫控器,應(yīng)用,汽車發(fā)動機傳感器,水溫感應(yīng)塞,還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,149,五、氣敏傳感器,六、濕敏傳感器,煙霧報警器,酒精傳感器,二氧化碳傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,150,3-10 光纖傳感器,一、分類,光纖傳感器以光學量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體利用光導纖

34、維輸送信號。,把光波隨被測量的變化而變化，稱為對光的調(diào)制。分為：強度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制。,光纖作用：功能型和傳光型,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,151,物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。,1）物性型光纖傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,152,光纖流速傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,153,結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。,2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,154,二、光纖導光

35、原理,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,155,三、光纖傳感器的應(yīng)用,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,156,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,157,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,158,四、光纖傳感器的特點,1)采用光波傳遞信息,不受電磁干擾,電氣絕緣性能好,可在強電磁干擾下完成傳統(tǒng)傳感器難以完成的某些參量的測量,特別是電流、電壓測量。 2)光波傳輸無電能和電火花,不會引起被測介質(zhì)的燃燒、爆炸;光纖耐高壓、耐腐蝕;因而能在易燃、易爆和強腐蝕性的環(huán)境中安全工作。 3)某些光纖傳感器的工作性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器,如加速度計、磁場計、水聽器等。 4)重量輕、體積小、可撓性好,利于在狹窄

36、空間使用。 5)光纖傳感器有良好的幾何形狀適應(yīng)性,可做成任意形狀的傳感器和傳感器陣列。 6)頻帶寬,動態(tài)范圍大,對被測對象不產(chǎn)生影響,有利于提高測量精確度。 7)利用現(xiàn)有光通訊技術(shù),易于實現(xiàn)遠距離測控。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,159,3-10 傳感器的選用原則,一、靈敏度,靈敏度高好/低好？ 傳感器靈敏度越高越好, 靈敏度越高, 傳感器所能感知的變化量越小,被測量稍有一微小變化時,傳感器就有較大的輸出。 當靈敏度愈高時,與測量信號無關(guān)的外界干擾也愈容易混入,并被放大裝置所放大。 必須考慮既要檢測微小量值,又要干擾小。要求信噪比愈大愈好,既要求傳感器本身噪聲小,且不易從外界引人干擾

37、。 當被測量是向量時, 在該方向靈敏度愈高愈好,而橫向靈敏度愈小愈好。在測量多維向量時, 要求交叉靈敏度愈小愈好。 測量范圍與靈敏度緊密相關(guān)。 除非有專門的非線性校正措施,最大輸入量不應(yīng)使傳感器進入非線性區(qū)域,更不能進入飽和區(qū)域。 在較強的噪聲干擾下進行測試，輸入量包括被測量,及干擾量;兩者之和不能進入非線性區(qū)。過高的靈敏度會縮小其適用的測量范圍。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,160,二、響應(yīng)特性,在所測頻率范圍內(nèi),傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真測量條件。 實際傳感器響應(yīng)總有一定遲延,但總希望遲延時間愈短愈好。 利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等物性型傳感器,響應(yīng)較快,可工作頻率范圍寬。 結(jié)構(gòu)型

38、,如電感、電容、磁電式傳感器等,往往由于結(jié)構(gòu)中的機械系統(tǒng)慣性的限制,其固有頻率低,可工作頻率較低。 在動態(tài)測量中,傳感器的響應(yīng)特性對測試結(jié)果有直接影響,在選用時,應(yīng)充分考慮到被測物理量的變化特點(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機等)。,機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,161,三、線性范圍,傳感器都有一定的線性范圍,在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍愈寬,則表明傳感器的工作量程愈大。 傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi),是保證測量精確度的基本條件。 例如,機械式傳感器中的測力彈性元件,其材料的彈性限是決定測力量程的基本因素。當超過彈性限時,將產(chǎn)生線性誤差。 任何傳感器都不容易保證其絕對線性,在許可限度內(nèi),可以在其近似線性區(qū)域應(yīng)用。 例如,變間隙型的電容、電感傳感器,均采用在初始間隙附近的