測試技術(shù)-4-常用傳感器課件

1、上節(jié)課回顧1 測試系統(tǒng)及其主要性質(zhì)定義：借助專門設備測試裝置(系統(tǒng))，設計相應的實驗,采用合適的方法和必要的數(shù)學處理方法求得感興趣的信息。h(t)H(s)系統(tǒng)輸入輸出x(t)X(s)Y(s)y(t)1.1 測試系統(tǒng)的基本要求 輸入輸出存在單值確定的對應關(guān)系，其中線性關(guān)系為最佳。理想的測試裝置1.2 線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)1.2.1 時不變（定常）線性系統(tǒng)：其中，ai (i=0,1,n)、bj (j=0,1, ,m) 為常數(shù)，nm。 1.2.2 線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)疊加性、齊次性、微分特性、積分特性、頻率保持性2 測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性 是指靜態(tài)測量情況下描述實際測試裝置與理想定常線性系統(tǒng)的接近程度。測

2、試系統(tǒng)的靜態(tài)特性：（1） 靜態(tài)方程測試裝置處于靜態(tài)測量時，輸入量x和輸出量y不隨時間而變化，各階微分等于0。（2） 定度曲線 實際測量裝置一般為非理想定常線性系統(tǒng)：2. 靈敏度定義為輸出量的變化y與引起該變化的輸入量的變化x之比理想情況下，實際應用：總是用定度曲線的擬合直線的斜率作為該裝置的靈敏度放大倍數(shù)：定義為當輸入輸出量綱相同時的靈敏度。3 分辨力 是指測試系統(tǒng)所能檢測出來的輸入量的最小變化量。定義：注意：一個測試系統(tǒng)的分辨力越高，表示它所能檢測出的輸入量的最小變化量越小。4. 回程誤差回程誤差是指輸入量由小到大與由大到小變化時，測試裝置對同一輸入量所得輸出量不一致的程度回程誤差5. 漂移

3、 是指測試系統(tǒng)在輸入不變的條件下，輸出隨時間變化的趨勢。點漂（相同輸入，不同輸出）；零漂：最低量程的點漂漂移3 測試系統(tǒng)的動態(tài)特性 1. 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 是指零初始條件下，定常線性系統(tǒng)輸出量的拉普拉斯變換與引起該輸出的輸入量拉普拉斯變換之比。 H(s)與輸入x(t)及系統(tǒng)的初始狀態(tài)無關(guān)； H(s)只反映系統(tǒng)傳輸特性，而和系統(tǒng)具體物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。 輸入與輸出間的量綱變換關(guān)系ai和bj的量綱由具體物理系統(tǒng)決定。 H(s)的分母取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)頻率響應函數(shù)2. 頻率響應函數(shù) 是指零初始條件下，定常線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出量的傅里葉變換與引起該輸出的輸入量傅里葉變換之比。（1）頻率響應函數(shù)的概念（2）頻率特性

4、幅頻特性、相頻特性、頻率特性、實頻特性、虛頻特性（3）頻率響應函數(shù)的求法（4）幅、相頻率特性的圖像描述4 測試系統(tǒng)在典型輸入下的響應4.1 系統(tǒng)對任意輸入的響應任何輸入信號x(t)都可用眾多相鄰接的、持續(xù)時間為的矩形波信號來逼近。系統(tǒng)的響應y(t)即為這些脈沖依次作用的結(jié)果。4.2 測試系統(tǒng)在單位階躍輸入的響應一階系統(tǒng)單位階躍響應的特點：輸出無震蕩，y()=1，無穩(wěn)態(tài)誤差。二階系統(tǒng)單位階躍響應的特點：輸出震蕩，y()=1，無穩(wěn)態(tài)誤差。4.1 傳感器概述 (Introduction)1.傳感器概念 是指直接作用于被測量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。傳感器傳感器處于測試裝置的

5、輸入端，其性能將直接影響著整個測試裝置的工作質(zhì)量。2.傳感器分類 按被測量分類位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。 按工作機理分類機械式、電氣式、光學式、化學型等。傳感器概述(3/5)3.傳感器的性能要求（9）低成本、通用性強。（1）靈敏度高，輸入和輸出之間有較好的線性關(guān)系；（2）噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能；（3）滯后、漂移誤差?。唬?）動態(tài)特性良好；（5）在接入測量系統(tǒng)中，對被測量不產(chǎn)生影響；（6）功耗小，復現(xiàn)性好，有互換性；（7）防水及耐腐蝕等性能好，能長期使用；（8）結(jié)構(gòu)簡單，容易維修和校正；傳感器概述(4/5)傳感器的技術(shù)指標基本參數(shù)指標環(huán)境參數(shù)指標可靠性指標其他指標量程指

6、標:量程范圍、過載能力等靈敏度指標:靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關(guān)指標:精度、誤差、線性、滯后、重復性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動態(tài)性能指標:固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時間、過沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等溫度指標:工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標:允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差等其他環(huán)境參數(shù):抗潮濕、耐介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁干擾能力等工作壽命、平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標:供電方式(直流、交流、頻率及波形等)及功率、各項分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等

7、結(jié)構(gòu)方面指標:外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點等安裝連接方面指標:安裝方式、饋線電纜等傳感器概述(5/5)4.傳感器的發(fā)展趨勢（6）研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。（1）采用新原理、開發(fā)新型傳感器；（2）大力開發(fā)物性型傳感器；（3）傳感器的集成化；（4）傳感器的多功能化；（5）傳感器的智能化(smart sensor)；4.2 傳感器選用原則 (Principle of Transducer Selection)1.靈敏度傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小。 傳感器往往要求有較大的信噪比。傳感器的量程范圍與靈敏度密切相關(guān)。 過高的靈敏度會影響其適用的范圍。在測量過程中，傳感器在被測量方向

8、上的靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好； 對于二維或三維矢量的測量，傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。2.線性范圍任何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。線性范圍越寬，傳感器的工作量程越大。傳感器選用原則(2/2)3.響應特性傳感器響應特性必須在所測頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。實際傳感器的響應總有一定的延遲，但延遲時間越短越好。4.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指經(jīng)過長期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間和環(huán)境。5.精確度精確度表示傳感器輸出與被測量的對應程度。傳感器的精確度并非越高越好，選擇時應從實際出發(fā)。6.其他選用原則如實際測試條件下的工作方式等因素。電阻

9、式傳感器(2/22)1.電阻應變式傳感器（1）應變式傳感器工作原理1）金屬的電阻應變效應 是指導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨所受機械變形（應變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻應變效應設金屬絲長度為l，截面積為A，電阻率為，則其阻值為金屬絲變形時，、l、A將同時發(fā)生變化，從而導致R改變。若、l、A的變化量為d、dl、dA，則電阻式傳感器(3/22)即：對半徑為r的金屬電阻絲有：，：電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應變。：電阻絲徑向相對變形，或稱橫向應變。橫向應變與縱向應變間的關(guān)系為式中為泊松比。負號表示兩者變化相反。：電阻率相對變化，與電阻絲軸向所受正應力有關(guān)。電阻式傳感器(5/22)電阻

10、應變片的應變系數(shù)或靈敏度S0定義為通常，S0 =1.73.6。2）應變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理典型結(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑 0.025 mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導線接于電路中。測量原理：將應變片粘貼于彈性體表面或者直接將應變片粘貼在被測件上，被測物變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵 阻值變化 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號。電阻式傳感器(6/22)如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應變，可以構(gòu)成各種不同的傳感器。（2）電阻應變片的分類及材料金屬電阻應變片分為絲式、箔式和膜式。1）絲式應變片金屬絲式應變片有回線式和短接式兩種

11、?；鼐€式短接式電阻式傳感器(8/22)3）膜式應變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1 mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。 應變靈敏度大。 允許電流密度大。 工作范圍廣，可達-197317 。（3）電阻應變片的應用 測量結(jié)構(gòu)的應變或應力。 將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。電阻式傳感器(9/22)齒輪輪齒彎矩x位移傳感器m質(zhì)塊加速度傳感器F柱式測力傳感器電阻式傳感器(10/22)注意事項應變極限：機械滯后：零漂和蠕變：零漂：恒定溫度，無機械應變時，應變片阻值隨時間變化的特性。蠕變：恒定溫度、恒定應變時，應變片阻值隨時間變化的

12、特性。 應變大 輸出非線性大。誤差為10%時對應的應變作為應變片的應變極限。 敏感柵、底基及膠粘層承受機械應變后，一般都會存在殘余變形，造成應變片的機械滯后。電阻式傳感器(12/22)2.壓阻式傳感器（1）基本工作原理 是指半導體材料受到應力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。壓阻效應單晶半導體在外力作用下的電阻變化量仍為對半導體而言，電阻率變化引起的電阻變化 E 遠遠大于形變引起的電阻變化(1+2v) ，則 實際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應，但半導體材料的這種效應特別強。電阻式傳感器(13/22)靈敏度：由半導體理論 E 半導體材料的彈性模量。L 沿某晶向L的壓阻系數(shù)； 沿某晶向L的應力

13、；半導體電阻材料的靈敏度比金屬絲要高5070倍。例：對于半導體硅，L=(4080)10-11 m2/N，E=1.671011 Pa,則S0 = LE50100。電阻式傳感器(14/22)（2）壓阻式傳感器類型與特點 壓阻式傳感器有兩種類型1）利用半導體材料的體電阻制成粘貼式的應變片，其使用方法與電阻應變片類似。2）在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，作為測量傳感元件，測量壓力和加速度等物理量。 壓阻式傳感器的優(yōu)點缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。1）靈敏度非常高。2）分辨率高，例如測量壓力時可測出1020 Pa的微壓。3）測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應高。4

14、）可測量低頻加速度和直線加速度。電阻式傳感器(15/22)3. 變阻器式傳感器（1）變阻器式傳感器的結(jié)構(gòu)和原理變阻器式傳感器實際是精密線繞電位器，通過改變電位器觸頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。導體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導線長度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任何可以轉(zhuǎn)換為位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。1）直線位移型xCxABCR改變觸點C的位置時，AC間電阻值為KL：單位長度內(nèi)的電阻值，/m。電阻式傳感器(16/22)傳感器靈敏度：當導線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。2）角位移型 角位移；K 單位弧度電阻值, /rad 。傳感器靈敏度：A

15、CB電阻式傳感器(17/22)3）非線性型（2）變阻器式傳感器的特性變阻器式傳感器具有階梯特性和負載效應。xACB電阻式傳感器(18/22)階梯輸出特性 是指電位器觸點的最小位移為線圈的一匝，每當觸點移動一個節(jié)距，輸出電阻產(chǎn)生一匝電阻值的跳躍，即輸出電阻值不是位移的連續(xù)函數(shù)，而是階梯形折線。理想電位器每個階梯大小均相同，通過每個階梯中點的直線即為理論特性曲線。xR01）階梯輸出特性電阻式傳感器(19/22)階梯誤差是指理想階梯特性線對理論直線的最大偏差。 階梯誤差式中：n為總匝數(shù)。顯然，減小ej必須增加n，當骨架長度不變時，只有減小線徑。 分辨率（力）定義為電位器總匝數(shù)的倒數(shù)。分辨率例：1 0

16、00匝直線型線繞電位器，分辨率為0.1%，即該電位器僅能檢測到它的總量程1/1 000以上的位移量。電阻式傳感器(20/22) 線性度線性度 是指由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻?qū)е码A梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性。2）負載特性u0 xpxRLuy對于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器：式中：R0 變阻器總電阻； Rx x段的電阻。 電阻式傳感器(21/22)令，對直線位移型變阻器，于是，式中：空載時， 由此可見，接入負載電阻RL后，輸出uy與r不再保持線性關(guān)系。負載誤差由負載特性引起的非線性誤差。01102030405060m = 5m = 2m = 1m = 0.5m = 0.

17、1m = 0reL若整個行程內(nèi)誤差不超過1%3%，必須有RL (1020)R0 。電阻式傳感器(22/22)因觸點與繞線間存在摩擦，動態(tài)響應較差。分辨力低，一般小于20 m。噪聲大。 主要應用于線位移、角位移測量。或作為伺服記錄儀或電子電位差計。 （3）變阻器式傳感器特點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號大，受外界條件影響小。缺點：（4）變阻器式傳感器的應用4.4 電感式傳感器 (Inductance Transducer) 將被測量，如位移或能轉(zhuǎn)換成位移的機械量，轉(zhuǎn)換為電感量的變化。電感式傳感器 互感型（差動變壓器式）按照變換方式的不同可分為： 自感型（包括可變磁阻式與渦流式）1.

18、 自感型傳感器（1）可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，在鐵心與銜鐵之間存在氣隙。電感式傳感器(2/20)由電工學可知，線圈自感量： i 線圈中流過的電流。 通過線圈的磁通量。 Rm 磁路的總磁阻（H-1）， Rm= RF + R ，其中RF為 鐵心與銜鐵的磁阻；R為空氣隙磁阻。ix123L0 1線圈；2鐵心；3銜鐵式中：W 線圈匝數(shù)；電感式傳感器(3/20)式中：l1、l2 鐵心和銜鐵的導磁長度； 1、2 鐵心和銜鐵的磁導率； A1、A2 鐵心和銜鐵的導磁截面積； 氣隙長度； 0 空氣磁導率，0=410-7 Hm-1 ； A0 空氣隙導磁截面積。若不考慮磁路的鐵損，且空氣

19、隙較小時：一般，1和2遠遠大于0，即：RF R ，因此，電感式傳感器(4/20)自感L與氣隙成反比，與氣隙導磁截面積A0成正比。結(jié)論：當固定A0，變化 時，L 與 成非線性關(guān)系，傳感器靈敏度為了減小非線性誤差，/0 0.1。變氣隙長度式傳感器適用于微小位移的測量，范圍為0.0011 mm。傳感器靈敏度與氣隙長度的平方成反比。結(jié)論：電感式傳感器(5/20)1）可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu) 可變導磁面積型特點：線性，靈敏度低。 差動變氣隙型特點：提高靈敏度，改善線性特性。xx電感式傳感器(6/20)特點：結(jié)構(gòu)簡單，易制造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測量。 單螺管線圈型 雙螺管差動型特點：提高靈敏

20、度，改善線性特性。xx電感式傳感器(7/20)2）差動變氣隙傳感器工作原理對差動式傳感器，當共用銜鐵位移時，兩線圈的間隙按0、0+變化，即一個線圈自感增加，另一個減小。當/ e2，eo與e1同相。 鐵芯P下移：M1 = MM，M2 = M+M，e1 e2，eo0，eo與e2同相。 eo與M成正比。電感式傳感器(19/20)（3）幾點說明 存在零點殘余電壓（鐵心位于中心處時，M1M2，eo0）。 傳感器輸出電壓包含了位移的大小及方向 相敏檢波。R用于調(diào)節(jié)零點殘余電壓的大小。放大器相敏檢波振蕩器差動相敏檢波電路工作原理xR電感式傳感器(20/20)（4）差動變壓器式傳感器的優(yōu)點 包含機械結(jié)構(gòu)，頻率

21、響應較低，不宜測量高頻動態(tài)參量。 精度高(0.1 m 數(shù)量級，最高可達0.01 m )，高精度型非線性誤差可達0.1%。 線性范圍大（可達 100 mm）。 穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。 4.5 電容式傳感器 (Capacitance Transducer)1.工作原理及分類電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。A電容式傳感器實質(zhì)是一具有可變參數(shù)的電容器。電容量為 介質(zhì)相對真空的介電常數(shù)，空氣 1。0 真空的介電常數(shù)，0=8.8510-12F/m。 極板間距。A 極板面積。、A或 發(fā)生變化都會引起C變化。電容式傳感器(2/12)實際使用中，通常僅改變一個參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)

22、的不同，可分為三類： 改變極板間距的極距變化型； 改變極板相互遮蓋面積的面積變化型； 改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型（改變）。 （1）極距變化型電容式傳感器C 與極距成反比， 當極板間距減小時，電容為C極距變化型電容傳感器電容式傳感器(3/12)電容增量為當/01時，有（近似線性） 忽略非線性項，得非線性誤差為靈敏度靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距受極板間擊穿電壓的限制。電容式傳感器(4/12)設間距增加通常極距變化范圍 /0 0.1，僅適于較小位移的測量（0.01 m數(shù)百微米）。為了提高靈敏度、線性特性及克服電源電壓、環(huán)境溫度等對測量精度的影響，常采用差動式，靈敏度提高一倍，非線性誤差減小為21電容式傳感器(5/12)（2）面積變化