測試技術(shù)第三章ppt課件

1、第三章第三章 常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件主要研究內(nèi)容：主要研究內(nèi)容：1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.常用傳感器測量原理常用傳感器測量原理3.傳感器選用傳感器選用3.1 概述概述1. 傳感器傳感器(Sensor)定義定義 傳感器是能感受規(guī)定的被測量、并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件或裝置。霍爾霍爾電磁式車輛速度傳感器由兩個電磁線圈和永久磁鐵電磁式車輛速度傳感器由兩個電磁線圈和永久磁鐵組成。車速傳感器安裝在變

2、速器輸出軸附近的殼體組成。車速傳感器安裝在變速器輸出軸附近的殼體上，輸出軸上的停車鎖定齒輪為感應轉(zhuǎn)子。當輸出上，輸出軸上的停車鎖定齒輪為感應轉(zhuǎn)子。當輸出軸轉(zhuǎn)動時，齒輪的凸齒不斷靠近和離開傳感器，使軸轉(zhuǎn)動時，齒輪的凸齒不斷靠近和離開傳感器，使線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生應變電流，線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生應變電流，ECMECM通過線圈感應車輛速度。通過線圈感應車輛速度。 傳感器在非電量電測系統(tǒng)中的作用：傳感器在非電量電測系統(tǒng)中的作用：F一是一是 敏感作用：敏感作用：F 感受并拾取被測對象的信號感受并拾取被測對象的信號F二是變換作用：二是變換作用：F 被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的被測信

3、號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號電信號 獲得傳感器信號的兩種方法：直接獲得電信號的變化開關(guān)傳感器）；將物理量變換成電信號的變化水位、壓力等）。2. 傳感器的分類傳感器的分類(1)按被測物理量分類按被測物理量分類:常見的被測物理量常見的被測物理量機械量機械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角, ,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,分量分量, ,力力, , 壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風速風速, ,流速流速, , 流量；流量；聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲。噪聲。磁磁: : 磁通磁通, ,磁場。磁場。溫度溫度: : 溫度溫度,

4、,熱量熱量, ,比熱。比熱。光：光： 亮度，顏色。亮度，顏色。溫度傳感器壓力傳感器扭矩傳感器角位移傳感器 光電式編碼器電感式位移傳感器直線光柵尺光電式編碼器原理圖光電式編碼器原理圖(2)(2)按傳感器元件的變換原理分類按傳感器元件的變換原理分類: :電阻式電阻式, ,電容式電容式, ,電感式電感式, ,壓電式、光電式等壓電式、光電式等. .物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換. . 例如例如: :水銀溫度計水銀溫度計, ,壓電測力計壓電測力計. .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參

5、數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .電容傳聲器、壓力傳感器的直流極化電路電容傳聲器、壓力傳感器的直流極化電路能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: :直接由被測對象輸入能量使其工作。直接由被測對象輸入能量使其工作。 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,壓電式加速度計。壓電式加速度計。能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測量控制外部供給從外部供給能量并由被測量控制外部供給 能量的變化。能量的變化。 例如例如: :電阻應變片。電阻應變片。能量傳遞型能量傳遞型: :從某種能量發(fā)生器與接受器進行能量傳遞從某種能量發(fā)生器與接受器進行能量傳遞 過程中實

6、現(xiàn)敏感檢測。過程中實現(xiàn)敏感檢測。 例如例如: :超聲波發(fā)生器和接受器。超聲波發(fā)生器和接受器。(3)(3)按傳感器的能量傳遞方式分類按傳感器的能量傳遞方式分類: :3. 傳感器的性能要求傳感器的性能要求(1)(1)對被測量系統(tǒng)的負載效應?。粚Ρ粶y量系統(tǒng)的負載效應?。?(2)(2)轉(zhuǎn)換靈敏度高，有較好的線性關(guān)系；轉(zhuǎn)換靈敏度高，有較好的線性關(guān)系；(3)(3)重復精度、精度適當，穩(wěn)定性高；重復精度、精度適當，穩(wěn)定性高；(4)(4)反應速度快，動態(tài)特性好；反應速度快，動態(tài)特性好；(5)(5)適應性和適用性強。適應性和適用性強。電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電

7、阻變化的一種傳感器按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :F熱敏式熱敏式F電阻應變式電阻應變式F變阻器式變阻器式F光敏式光敏式F電敏式電敏式AlR3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器-應變應變片片 金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的應變金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短伸長或縮短)的變化而發(fā)生變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象?；默F(xiàn)象。 電阻絲應變片電阻絲應變片(康銅康銅)金屬箔式應變片金屬箔式應變片1)

8、 工作原理工作原理金屬應變片的電阻金屬應變片的電阻R為為AlR2ddRdldrRlrRRRlAdRdlddA22ArdArdr,ddrlrlE (12)dRRE(1) 金屬應變片（金屬應變片（不變）不變）(12 )1.73.6dRRS 金屬應變計金屬應變計(2) 半導體應變片（半導體應變片（ 變化）變化）60170dRERS 半導體應變計半導體應變計2) 金屬應變計金屬應變計金屬應變計有金屬應變計有: :絲式和絲式和箔式。箔式。優(yōu)點優(yōu)點: :穩(wěn)定性和溫度特穩(wěn)定性和溫度特 性好。性好。缺陷缺陷: :靈敏度系數(shù)小。靈敏度系數(shù)小。應變計3) 半導體應變計半導體應變計優(yōu)點：應變靈敏度大優(yōu)點：應變靈敏度

9、大; ;體積小體積小; ;能制成具有一定應能制成具有一定應變電阻的元件。變電阻的元件。缺陷：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變?nèi)毕荩簻囟确€(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。片。 應變計薄膜型薄膜型擴散型擴散型 4)應變片測量電路應變片測量電路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(32413142ERRRRRRRRV)(32413142令：令：RR 1dRRR4RRR32ERRdRRRRRdRRRV)()(RdRE4(12)d RR金屬絲應變片：金屬絲應變片：V V與應變成線性關(guān)系，可以用電橋測量電壓測量應變與應變成線性關(guān)系，可以用電橋測量電壓測量應變5) 電阻應變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應變片的

10、選擇、粘貼技術(shù) 1.目測電阻應變片有無折痕目測電阻應變片有無折痕.斷絲等斷絲等 缺陷，有缺陷的應變片不能粘貼。缺陷，有缺陷的應變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測量應變片電阻值大用數(shù)字萬用表測量應變片電阻值大 小。同一電橋中各應變片之間阻值小。同一電橋中各應變片之間阻值 相差不得大于相差不得大于0.5歐姆歐姆.3.試件表面處理：貼片處置用細紗紙打磨干凈，用試件表面處理：貼片處置用細紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。酒精棉球反復擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應變片粘貼應變片粘貼:在應變片基底上擠一小滴在應變片基底上擠一小滴502膠水，膠水， 輕輕涂抹均勻，立即放在應變貼

11、片位置。輕輕涂抹均勻，立即放在應變貼片位置。5.焊線焊線:用電烙鐵將應變片的引線焊接到導引線上。用電烙鐵將應變片的引線焊接到導引線上。6.用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣組織，應用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣組織，應 大于大于500M歐。歐。7.應變片保護：用應變片保護：用704硅橡膠覆于應變片上，防止硅橡膠覆于應變片上，防止 受潮。受潮。6) 標準產(chǎn)品標準產(chǎn)品7) 運用運用電阻應變式傳感器的應用：測力電阻應變式傳感器的應用：測力案例：案例：7) 運用運用案例：橋梁固有頻率測量案例：橋梁固有頻率測量案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測和生產(chǎn)過程監(jiān)測案例：機器人握力測量案例

12、：機器人握力測量案例：振動式地音入侵探測器案例：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)。案例：電子稱案例：電子稱原理原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應變片化結(jié)構(gòu)變形再通過應變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。轉(zhuǎn)化為電量輸出。德國德國HBMHBM電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器 3.3 電容式傳感器電容式傳感器 1.變換原理變換原理: 將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,它的電容量為它的電容量為: :AC+A 當被測量當被測量、A或或發(fā)生變化時，都會引起

13、電容的變化。發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。2. 分類分類 a) a) 極距變化型極距變化型; ;+c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型b)b)面積變化型面積變化型: :角位移型角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型柱面線位移型. .2AddCS03. 測量電路測量電路直流極化電路直流極化電路2ydcA duREREdtdt 諧振電路諧振電路電容傳感器的電容作為諧振回路調(diào)諧電容的一部分。諧電容傳感器的電

14、容作為諧振回路調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感藕合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電振回路通過電感藕合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當傳感器電容發(fā)生變化時，諧振回路的阻抗將發(fā)生壓。當傳感器電容發(fā)生變化時，諧振回路的阻抗將發(fā)生相應的變化，而這個變化被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過相應的變化，而這個變化被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過放大、檢波即可得到相應的輸出。放大、檢波即可得到相應的輸出。運算放大器電路位移測量傳感器）運算放大器電路位移測量傳感器）0011011oiiiCCC suuuuCAC s 3. 運用運用1.震動，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，挪動，位置，膨脹3.撓度，變形，動搖，傾斜4.尺

15、寸，公差，分選，零件識別5.沖擊，應變，軸向振動6.軸承振動，油膜間隙，磨擦，偏心3.4 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類分類: :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式a)變間隙型原理原理: :電磁感應電磁感應20022NAdLLSd 2002NALb)變面積型c螺線管型2002NdLSdAd)差動型2 渦流式渦流式原理原理:渦流效應渦流效應原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z變化：

16、變化：),(ZZ a)高頻反射式：（集膚效應）高頻反射式：（集膚效應）( )Zf xb)低頻透射式：（互感原理）低頻透射式：（互感原理）案例：干凈、高效的電磁爐案例：干凈、高效的電磁爐電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈電磁爐的工作原理電磁爐的工作原理 高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋 內(nèi) 的 食 物。案例：案例： 連續(xù)油管的橢圓度測量連續(xù)油管的橢圓度測量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：案例：案例： 無損探傷無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測火車輪檢測油管檢測油

17、管檢測案例：案例： 測厚測厚案例：案例： 零件計數(shù)零件計數(shù)3 變壓器式變壓器式-差動變壓器差動變壓器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象. .EwEout (1) 調(diào)幅式AM電路 4 測量電路(2)調(diào)頻調(diào)頻FM式電路式電路(100kHz1MHz） 當電渦流線圈與被測體的距離x 改變時，電渦流線圈的電感量L 也隨之改變，引起LC 振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo 。 運用運用: 厚度厚度,角度角度,表面粗糙度表面粗糙度;拉伸拉伸,緊縮緊縮,垂直度垂直度; 壓力壓力,流量流量,液位液位;張力張

18、力,重力重力,負荷量負荷量;扭矩扭矩, 應力應力,動力動力;氣壓氣壓,溫度溫度;振動振動,速度速度,加速度加速度;等等.案例：板的厚度測量案例：板的厚度測量 案例：張力測量案例：張力測量3.5 磁電式傳感器磁電式傳感器 1.變換原理變換原理: 磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應電動磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。勢的一種轉(zhuǎn)換器。,cos ,( , )ddmdtdtUNBAB R 感應線圈的感應電動勢感應線圈的感應電動勢U U為為 磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，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，都會改變線圈的感應電動

19、勢。改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。 2 分類分類 磁磁電電式式動圈式動圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角速度型N3 動圈式傳感器動圈式傳感器 4 磁阻式傳感器磁阻式傳感器 5 運用運用b) 測速電機測速電機a)磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器3.6壓電式傳感器壓電式傳感器 1.變換原理變換原理: 壓電效應壓電效應 某些物質(zhì)，如石英，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)某些物質(zhì)，如石英，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當外力去掉時，又生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。重新

20、回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。壓電效應壓電效應q=DFiaciqeCCCpypiaciqAeA eCCCF+2、測量電路、測量電路 a)電壓放大器電壓放大器 b) b)電荷放大器電荷放大器()()iaciiofqu CCCuu C()offAquCCAC0 A() ufffIfCCCqthenCF+3 運用運用b) 壓力變送器壓力變送器a) 加速度計，力傳感器加速度計，力傳感器 案例：飛機模態(tài)分析案例：飛機模態(tài)分析3.7光電式傳感器光電式傳感器 (1)光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干擾能力強高精度、高分辨率、高

21、可靠性、抗干擾能力強（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實現(xiàn)非接觸式測量等特點可實現(xiàn)非接觸式測量等特點(2)可以直接檢測光信號，間接測量溫度、壓力、可以直接檢測光信號，間接測量溫度、壓力、位移、速度、加速度等位移、速度、加速度等(3)其發(fā)展速度快、應用范圍廣，具有很大的應其發(fā)展速度快、應用范圍廣，具有很大的應用潛力用潛力 (1)由光路及電路兩大部分組成由光路及電路兩大部分組成(2)光路部分實現(xiàn)被測信號對光量的控制和光路部分實現(xiàn)被測信號對光量的控制和調(diào)制調(diào)制(3)電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換光子是具有能量的

22、粒子，每個光子的能量光子是具有能量的粒子，每個光子的能量可表示為可表示為 光電效應方程光電效應方程 Eh v2012kEmvh vA 光電器件是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N傳光電器件是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N傳感器件。是構(gòu)成光電式傳感器的主要部感器件。是構(gòu)成光電式傳感器的主要部件。件。 光電器件工件的物理基礎(chǔ)：光電效應。光電器件工件的物理基礎(chǔ)：光電效應。 光電效應分為：內(nèi)光電效應、外光電效光電效應分為：內(nèi)光電效應、外光電效應應外光電效應型光電器件外光電效應型光電器件 當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入光子的能量傳

23、給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應。進入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應。 即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。表面的現(xiàn)象。 根據(jù)外光電效應做出的光電器件有光電管和光根據(jù)外光電效應做出的光電器件有光電管和光電倍增管。電倍增管。內(nèi)光電效應型光電器件內(nèi)光電效應型光電器件 內(nèi)光電效應是指在光線作用下，物體的導內(nèi)光電效應是指在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化

24、或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象 這種效應可分為因光照引起半導體電阻率這種效應可分為因光照引起半導體電阻率變化的光電導效應和因光照產(chǎn)生電動勢的變化的光電導效應和因光照產(chǎn)生電動勢的光生伏特效應兩種光生伏特效應兩種 內(nèi)光電效應分類光電導效應 在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低的現(xiàn)象。如光敏電阻光生伏特效應 在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。如光電池。 光敏晶體管光敏晶體管 光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個光敏晶體管與一般晶

25、體管很相似，具有兩個PNPN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。的照射面積。 大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當集電極大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓，集電結(jié)就是反向偏壓， 當光照射在集電結(jié)時，當光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對，光生電子被空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的的倍，所以光敏晶體管有放大作用。倍，所以光敏晶體管有放大作用。 數(shù)字轉(zhuǎn)速表數(shù)字轉(zhuǎn)速表光電耦合器件光電耦合器件3.7傳感器選用原則傳感器選用原則 選擇傳感器主要考慮靈敏度、