工程測(cè)試與信號(hào)處理技術(shù)02

1、12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)1第二章 工程常用傳感技術(shù)參考：工程測(cè)試與信息處工程測(cè)試與信息處理（理（第第2版版），狄長(zhǎng)安，孔德仁狄長(zhǎng)安，孔德仁 等等 主編，國(guó)防工業(yè)出版社主編，國(guó)防工業(yè)出版社2-1 概述概述能感受或響應(yīng)規(guī)定得被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置，稱為“傳感器”?！氨粶y(cè)量”：應(yīng)變、位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、噪聲等等；“有用信號(hào)”：電壓、電流、開關(guān)量等等；2-2 應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器 參考書：p59-692-2-1 金屬電阻應(yīng)變片的傳感原理原理：應(yīng)變效應(yīng)：應(yīng)變：材料的相對(duì)線變形量。單位：1 微應(yīng)變 ( me)1/106R=rLAln

2、R= lnr+lnL-lnA取自然對(duì)數(shù)：兩邊微分得到：dRR=drr+dLL-dAADRR=Drr+DLL-DAA小變形情況下，近似有：(2-1)12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)2假設(shè)應(yīng)變片縱軸方向應(yīng)變?yōu)椋杭僭O(shè)應(yīng)變片縱軸方向應(yīng)變?yōu)椋篹=DLL電阻絲被拉長(zhǎng)的同時(shí)，直徑會(huì)按一定比例縮?。弘娮杞z被拉長(zhǎng)的同時(shí)，直徑會(huì)按一定比例縮?。篋dd=mDLL=me式中式中 m 稱為稱為“柏松比柏松比”，康銅的柏松比約為，康銅的柏松比約為 0.35。于是，電阻絲長(zhǎng)度被拉延后，橫截面積改變量：DAA=pd24-pd+ Dd()24pd24=d2-d+ Dd()2d2=-2dDd- Dd2d2 -2Ddd=

3、-2me金屬絲拉延后其電阻率變化率為： ，系數(shù) C 因材料而異。Drr=C1-2m()e將以上結(jié)果代入 (2-1) 式子，得到電阻變化率：DRR=C1-2m()e+e+2me= 1+C1-2m()+2me=Ke即，電阻的變化率正比于應(yīng)變量，這個(gè)結(jié)果同樣適用于電阻應(yīng)變片。常用應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 2 ，通常由廠家通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，注明在產(chǎn)品說(shuō)明書中。(2-01)12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)32-2-2 金屬電阻應(yīng)變片的使用方法l 橋式測(cè)量電路：柵區(qū)伸縮引起橋臂阻值變化，得到正比變化的輸出電壓 v 。l 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：基底、電阻絲、覆蓋層、焊盤和引線，厚度0.05毫米左右。l 應(yīng)變片基本參數(shù)

4、： 靈敏系數(shù)：一般2左右； 標(biāo)稱阻值：常用有120 、350、1000，0.2； 柵距：機(jī)械0.510mm，土木10100mm； 供橋電壓：常用110V直流；12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)4l 應(yīng)變片粘貼工藝： 引線和保護(hù)：在應(yīng)變片附近粘貼接線端子板橋接導(dǎo)線，若無(wú)條件則應(yīng)設(shè)法固定導(dǎo)線以避免拉斷應(yīng)變片引線。涂抹凡士林、潤(rùn)滑脂或覆蓋一層石蠟防潮。 電阻值檢查和分組：用萬(wàn)用表測(cè)量，阻值應(yīng)該在標(biāo)稱阻值及給定誤差范圍內(nèi)；用于組成一個(gè)電橋不同橋臂的各個(gè)應(yīng)變片的阻值應(yīng)該盡量選配一致。 被測(cè)物體表面處理：首先清理待測(cè)區(qū)域表面的油漆、銹斑、氧化層、油污、灰塵等，清理干凈后用沙紙打磨平整，再用丙酮或無(wú)水

5、酒精擦拭干凈。 標(biāo)記定位線：用鋼針在測(cè)點(diǎn)處畫十字定位線，交叉點(diǎn)為應(yīng)變片柵區(qū)中心。 粘合劑選用：短期測(cè)試（數(shù)月范圍內(nèi)）可用502膠水及其改性產(chǎn)品，長(zhǎng)期測(cè)試則應(yīng)采用廠家提供的專用膠水，并采用指定的粘貼固化工藝流程。所用粘合劑固化后應(yīng)該有足夠硬度，不能用凝固后呈顯彈性狀態(tài)的粘合劑。 粘貼應(yīng)變片：在粘貼區(qū)上涂抹適量粘合劑，將應(yīng)變片放置在膠液上輕輕移動(dòng)，使粘貼面沾滿粘合劑；用拇指隔著一層塑料薄膜滾壓應(yīng)變片，把應(yīng)變片與粘貼表面之間的膠液盡量擠壓出來(lái)，只剩一層均勻而稀薄的粘合劑。 檢查：待粘合劑充分固化后，組成電橋并連接儀器，用橡皮擦子擠壓應(yīng)變片，不應(yīng)有明顯應(yīng)變值，尤其不能出現(xiàn)明顯信號(hào)跳變，否則，粘貼失敗。

6、12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)52-2-3 測(cè)量電路及應(yīng)變值與信號(hào)電壓之間的換算關(guān)系l 電橋平衡條件：v=VR1R1+R2-R4R3+R4 ;R2R1=R3R4, orR1R3=R2R4v= 0當(dāng)： 時(shí)，l 應(yīng)變片靈敏系數(shù)，公式(2-1)：K=DRR()DLL()=DRR()el 1/4橋，即，單臂工作：電阻變化率與長(zhǎng)度變化率之比v1 4=VR1+ DR1R1+ DR1+R2-R4R3+R4=VR3R4-R2R1+R3R4DR1R11+DR1R1+R2R11+R3R414VDR1R1=14VKe假設(shè)：R3R4=R2R1=12 2+DR1R1 4得到：e4v1 4KV(2-03)(2-

7、02)12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)6l 1/2橋，即，半橋工作，情況1：v1 2=VR1+ DR1R1+ DR1+R2-R4- DR4R3+R4- DR4=V1+DR1R11+R2R1+DR1R1-1-DR4R41+R3R4-DR4R4得到：e2v1 2KV(2-05)假設(shè)：R2R1=R3R4=12+DR1R1 22-DR4R4 2DR1R1=DR4R4=DRR=Ke=V1+DR1R11+R3R4-DR4R4- 1-DR4R41+R2R1+DR1R11+R2R1+DR1R11+R3R4-DR4R4(2-04)其中：v1 212VKe12VDR1R1+DR4R4=12VDRR12-1

8、0-23第二章 工程常用傳感技術(shù)7v1 2=VR1+ DR1R1+ DR1+R2- DR2-R4R3+R4=V1+DR1R11+R2R1+DR1R1-DR2R1-11+R3R4DR1= DR2R2R1=R3R4=1其中：情況2：=V1+DR1R1+R3R4+R3R4DR1R1-1-R2R1-DR1R1+DR2R11+R2R1+DR1R1-DR2R1+R3R4+R2R1R3R4+R3R4DR1R1-R3R4DR2R1VR3R4DR1R1+DR2R11+R2R1+R3R4+R2R1R3R4=14VDR1R1+DR2R2同樣得到：e2v1 2KVv1 212VKe12-10-23第二章 工程常用傳感

9、技術(shù)8l 全橋工作：v1=VR1+ DR1R1+ DR1+R2- DR2-R4- DR4R3+ DR3+R4- DR4=V1+DR1R11+R2R1+DR1R1-DR2R1-1-DR4R41+R3R4+DR3R4-DR4R4DR1,3= DR2,4R2R1=R3R4=1其中：DRR2 0略去平方項(xiàng)：(2-06)=14VDR1R1+DR2R2+DR3R3+DR4R4=14V1+R3R4+DR3R4-DR4R4+DR1R1+R3DR1R4R1+DR3DR1R4R1-DR4DR1R4R1-1-R2R1-DR1R1+DR2R1+DR4R4+R2DR4R1R4+DR4DR1R4R1-DR2DR4R1R4

10、1+R3R4+DR3R4-DR4R4+R2R1+R3R2R4R1+R2DR3R1R4-R2DR4R1R4+DR1R1+R3DR1R4R1+DR3DR1R4R1-DR4DR1R4R1-DR2R1-R3DR2R4R1-DR3DR2R4R1+DR4DR2R4R1最后得到：ev1KVv1VKe(2-07)12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)9l 應(yīng)變電橋的一般工作方式：R2R1=R3R4初始狀態(tài)，即，平衡狀態(tài)：任意一個(gè)橋臂，應(yīng)變引起的電阻變化為：R+ DRDR 0DR 0 且與位移成正比。u 差動(dòng)式位移傳感器差動(dòng)式位移傳感器2：兩個(gè)完全對(duì)稱的差動(dòng)線圈和兩個(gè)完兩個(gè)完全對(duì)稱的差動(dòng)線圈和兩個(gè)完全對(duì)稱的電

11、阻構(gòu)成電橋，采用交流電源全對(duì)稱的電阻構(gòu)成電橋，采用交流電源 U 供橋。供橋。 當(dāng)銜鐵處在對(duì)稱位置時(shí)，電感 L1=L2 ，阻抗 Z1=Z2 ，電橋平衡，輸出電壓 Uout = 0 ； 當(dāng)銜鐵偏離對(duì)稱位置時(shí)，電感發(fā)生變化 L1+DL=L2-DL，阻抗 Z1Z2 ，輸出電壓 Uout 0 且與位移成正比。電感式位移傳感器，量程電感式位移傳感器，量程200毫米時(shí)分辨率可達(dá)毫米時(shí)分辨率可達(dá)1mm，是一種量程相對(duì)較大、，是一種量程相對(duì)較大、分辨率較高的位移傳感器。缺點(diǎn)是屬于接觸式傳感器，不能檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)軸面。分辨率較高的位移傳感器。缺點(diǎn)是屬于接觸式傳感器，不能檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)軸面。12-10-23第二章 工程

12、常用傳感技術(shù)19 兩個(gè)完全對(duì)稱的次級(jí)線圈同名端相對(duì)連接，次級(jí)輸出兩個(gè)完全對(duì)稱的次級(jí)線圈同名端相對(duì)連接，次級(jí)輸出電壓為：電壓為：Uout=E1-E2 銜鐵處在對(duì)稱位置時(shí)，兩次級(jí)線圈上的感應(yīng)電壓幅度相同、相位相反，輸出為 0 ( 通常會(huì)有一些偏置，圖中電壓 E0 )。 當(dāng)銜鐵偏離對(duì)稱位置時(shí)，兩次級(jí)線圈上的感應(yīng)電壓幅度發(fā)生變化、相位仍然相反，輸出信號(hào)的有效值： ，且正比于位移 d。Uout=E1-E2 02-4-2 差動(dòng)變壓器式（互感式）位移傳感器差動(dòng)變壓器式（互感式）位移傳感器2-4-3 電感式位移傳感器信號(hào)調(diào)理電路原理電感式位移傳感器信號(hào)調(diào)理電路原理 交流激勵(lì)電壓 U ； 電壓放大； 相位鑒波輸

13、出：d=kcvoutkc：系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù) 毫米 / 伏；12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)202-4-4 電渦流式位移傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路原理電渦流式位移傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路原理 等效電路：被測(cè)金屬表面的渦流效應(yīng)等效為一個(gè)互感線圈，其磁場(chǎng)抵消原線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，減弱原線圈的自感 L1； 渦流效應(yīng)：由于存在互感 M ，激勵(lì)電壓 U 及其頻率 w 給定后，線圈與被測(cè)表面之間距離 d 變化將而引起線圈阻抗 Z1 變化，變化量很小時(shí) d 與 Z1 之間近似為線性關(guān)系； 測(cè)量電路：初始位置時(shí)，調(diào)整補(bǔ)償電阻 Rt，使電橋平衡： 。Z1Z2=RtR距離 d 變化時(shí)引起線圈阻抗 Z1 變化，從而引起電

14、橋輸出改變，放大后得到信號(hào)電壓 Vout ，d 的變化范圍很小時(shí)，Vout與 d 成正比。 特點(diǎn)：非接觸、高分辨、高速、小量程，如：真尚有0.5SU，分辨率0.1微米，量程0.5毫米，輸出電壓 5V。12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)212-5 熱電式傳感器熱電式傳感器 參考書：p103-112 熱電偶和熱敏電阻等溫度傳感器。2-5-1 熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器u 接觸電勢(shì)：eABT1( )-eABT2()u 溫差電勢(shì)：eAT1,T2()-eBT1,T2()u 熱電偶回路電勢(shì)：EABT1,T2()=eABT1( )-eABT2()+eAT1,T2()-eBT1,T2()以其中一個(gè)

15、端點(diǎn)，例如右側(cè)端點(diǎn)的溫度作為參考點(diǎn)，例如，將右側(cè)端點(diǎn)置于冰水混合液中，即，恒有 T2 = 273.16K。于是，回路電勢(shì)就只是另一端點(diǎn)溫度 T1 的函數(shù)：EABT,0()=eABT( )-eAB0( )+eAT,0()-eBT,0()u 信號(hào)形式：與熱電偶的材料有關(guān)，如鉑銠熱電偶的熱電勢(shì)約為10.575mV/C，具體可查“分度表”。u 調(diào)理電路：工程上稱為“溫度變送器”。輸出為5V(10V)電壓或4-20mA電流形式。12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)22u 常用熱電偶 1990年國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定了8種熱電偶（熱電極）名稱名稱分度號(hào)分度號(hào)測(cè)量范圍測(cè)量范圍(C)適用氣氛適用氣氛穩(wěn)定性穩(wěn)定性(C

16、)鉑銠30鉑銠6B2001800O、N1500良鉑銠13鉑R-401600O、N1500良鉑銠10鉑S-401600O、N1500良鎳鎘鎳硅K-2701300O、N中等鎳鎘硅鎳硅N-2701260O、N、R良鎳鎘康銅E-2701000O、N中等鐵康銅J-40760O、N、R、V500良銅康銅T-270350O、N、R、V-170200 優(yōu)鎢錸3鎢錸25WRe3-WRe2502300O、V、R中等鎢錸5鎢錸26WRe5-WRe2602300O、V、R中等O氧化氣氛；N為中性氣氛；R為還原氣氛；V為真空12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)23u 熱電偶的冷端補(bǔ)償 0C恒溫法：將冷端置于冰點(diǎn)槽中

17、，槽內(nèi)為冰水混合物。準(zhǔn)確度高，但工藝麻煩，通常用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，或，用于溫度傳感器標(biāo)定。 修正法：冷端置于某已知溫度 T0 環(huán)境中，則，實(shí)測(cè)溫度的熱電勢(shì)為：EABT,0()=EABT,T0()+EABT0,0()EAB(T,T0) ：冷端置于參考溫度 T0 環(huán)境下實(shí)測(cè)得到的熱電勢(shì)；EAB(T0,0) ：參考溫度 T0 相對(duì)于 0C 的熱電勢(shì)，可預(yù)先實(shí)測(cè)或查表得到。 電橋補(bǔ)償法：利用一不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)補(bǔ)償冷端溫度引起的電勢(shì)。12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)24 有源電路補(bǔ)償：將冷端置于0C環(huán)境時(shí)，冷端接觸電勢(shì)等價(jià)于一個(gè)電動(dòng)勢(shì)固定的微電池。因此，可以用一個(gè)電路形成一個(gè)與冷端電動(dòng)勢(shì)相同的電

18、壓源模擬冷端特性。AD592與負(fù)載電阻構(gòu)成精密電壓源，為熱電偶提供參考電壓。2-5-2 熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻溫度傳感器u 金屬絲熱電阻：利用金屬材料的電阻溫度特性，即，金屬材料電阻率隨溫度變化而改變的特性： RT=R01+aT()T 待測(cè)溫度；R0 0C 時(shí)的電阻值；a 材料的溫度系數(shù)，正溫度系數(shù)的材料 a 0；u 鉑熱電阻：線性稍差，但穩(wěn)定性很好，應(yīng)用非常廣泛。 12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)25常用型號(hào)：Pt100、Pt10等，其0C的電阻值分別 100 W 和10 W。Pt100常用測(cè)量范圍在-200C 600C之間，Pt10用于 600C以上的高溫環(huán)境。參數(shù)W100：鉑

19、熱電阻100C時(shí)阻值與0C時(shí)阻值之比。一般要求：R100R01.385精度指標(biāo)：國(guó)產(chǎn)： A級(jí)，誤差0.25%；B級(jí)，誤差0.5%。 日本：A級(jí)0.06%；B級(jí)0.12%；C級(jí)0.24%；D級(jí)0.6%；u 熱電阻信號(hào)調(diào)理電路：兩線制、三線制電橋電路導(dǎo)線電阻自補(bǔ)償。 12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)26u 熱敏電阻：分為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)。由半導(dǎo)體材料制成，溫度系數(shù)很大，因此，靈敏度和分辨率高。指數(shù)函數(shù)擬合：RT=R0eB1T-1T0T 待測(cè)溫度；T0 參考溫度；參考溫度；R0 參考溫度時(shí)的電阻值；R 待測(cè)溫度下的電阻值；B 熱敏電阻的材料常數(shù)，由實(shí)

20、驗(yàn)測(cè)得，通常在2000K6000K之間。熱敏電阻的溫度系數(shù)電阻的相對(duì)變化率：aT=dRTdTRT= -BT2u 線性化：模擬電路補(bǔ)償；數(shù)字化補(bǔ)償。溫度測(cè)試用于溫度控制時(shí)，可以借助作為系統(tǒng)核心的計(jì)算機(jī)，以數(shù)學(xué)模型為依據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)272-6-1 光敏電阻光敏電阻2-6 光電式傳感器光電式傳感器 參考書：p85-103u 光敏電阻，硫化鎘半導(dǎo)體。電阻隨光照強(qiáng)度而減小（電導(dǎo)增加）。u 不同光敏材料，敏感的波長(zhǎng)范圍不同?？蓪?shí)現(xiàn)選擇性敏感。硫酸鉛的中心波長(zhǎng)為23mm，紅外波段。u 調(diào)理電路實(shí)例：光控開關(guān)電路、光電編碼器。12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)282

21、-6-2 光敏晶體管光敏晶體管u 光敏二極管，截止?fàn)顟B(tài)下，沒(méi)有光照時(shí)反向電流很小，稱為“暗電流”；隨著光照增加反向電流急劇增加形成“光電流”，光電流與照度成正比。u 光敏三極管，由兩個(gè)PN結(jié)組成，但基極沒(méi)有引出線。其 “光電流”比只有一個(gè)PN結(jié)的光敏二極管大 b 倍。u 特點(diǎn)，體積小、靈敏度高，但一致性和穩(wěn)定性差。2-6-3 光電位置傳感器光電位置傳感器(PSD Position Sensitive Detector)u 一維PSD工作特點(diǎn)，入射光點(diǎn)的位置決定了兩輸出極的電流比例：I1I2=L2L112-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)292-6-4 光纖光柵應(yīng)變傳感器簡(jiǎn)介光纖光柵應(yīng)變傳感器

22、簡(jiǎn)介u Bragg光柵，反射某一頻率的入射光，反射光的波長(zhǎng)取決于光柵的柵距 d ；u 光柵應(yīng)變傳感器，應(yīng)變引起光柵柵距改變，檢測(cè)發(fā)射光波長(zhǎng)可得到應(yīng)變值大小；u 特點(diǎn)1：沒(méi)有電磁干擾、環(huán)境耐受能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好刻長(zhǎng)期使用；u 特點(diǎn)2：多路復(fù)用、同步檢測(cè) 單條光纖上刻蝕多個(gè)光柵，連續(xù)、同步、快速采集應(yīng)變信號(hào)。u 多路復(fù)用，在同一條光纖上刻蝕多個(gè)光柵，每個(gè)光柵的柵距不同。無(wú)應(yīng)變時(shí)反射波長(zhǎng)各自不同，通過(guò)檢測(cè)每個(gè)波峰的中心頻率改變量，刻分別得到每個(gè)光柵應(yīng)變大??；12-10-23第二章 工程常用傳感技術(shù)302-7 磁電式傳感器（霍爾傳感器）磁電式傳感器（霍爾傳感器）工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)，樊新海，國(guó)防工業(yè)出版社工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)，樊新海，國(guó)防工業(yè)出版社：p145-1472-7-1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為“霍爾效應(yīng)”。u e0 帶電粒子的電荷量；u B 磁感應(yīng)強(qiáng)度；u v 帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度；FL=e0v