檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)

1、檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)一、傳感器概述1、傳感器的基本概念人的五官：眼睛 耳朵 鼻子 舌頭 皮膚視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺定義：被測量：物理量、化學(xué)量、生物量 規(guī)律：確定規(guī)律，可以重復(fù)（線性、非線性、周期）可用信號：便于處理和傳輸?shù)姆窃肼曅盘?（電信號、光信號）R例：熱敏電阻 - - 電阻變化傳感器：傳-傳遞信息；感-感受被測量；器-器件傳感器是一種把特定的被測信息量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為可用信號輸出的器件或裝置。感覺：功 能傳感器檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)一、傳感器概述2、傳感器的構(gòu)成型式轉(zhuǎn)換電路：例：電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器、脈沖調(diào)寬電路等。 被測量被測量敏感元件轉(zhuǎn)換電路敏感元件：感受被測量

2、變化，并輸出相對應(yīng)的電信號例：電阻應(yīng)變片（應(yīng)變-電阻）把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號變換成為便于記錄、顯示、處理和控制的可用信號的電路，又稱“信號調(diào)理電路” 或 “測量電路”又稱“轉(zhuǎn)換元件” 或 “變換元件”傳感器檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測1、電感式位移傳感器W-線圈匝數(shù)Rm-磁路總磁阻li-各段導(dǎo)磁體的長度ui-各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率Ai-各段導(dǎo)磁體的截面積檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測(1) 變氣隙式電感位移傳感器基本形式思考：靈敏度？ 線性度？ 線圈鐵芯銜鐵改進(jìn)方法？差動式(2) 變面積式(3) 螺管式檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測(2) 變面積式(3) 螺管式蔡萍

3、教材P40 圖3-5檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測電感位移傳感器意大利Marposs:檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測電感位移傳感器中國中原量儀:檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測2、光柵位移傳感器（Grating）檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測(1) 光柵傳感器原理 (莫爾條紋) 構(gòu)成：疊合主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動條紋寬度： W-柵距， a-線寬， b-縫寬W=a+b ，a=b=W/2 主光柵-標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵-動光柵檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測莫爾條紋特性： 方向性：垂直于角平分線 與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動

4、一個柵距 莫爾條紋移動一個間距放大性：夾角很小 BW 光學(xué)放大 提高靈敏度準(zhǔn)確性：誤差平均效應(yīng) 克服個別/局部誤差 提高精度 檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測(2) 光柵傳感器特點 精度高：測長(0.2+210-6L)m，測角0.1量程大：透射式-光柵尺長（幾十米響應(yīng)快：可用于動態(tài)測量增量式：增量碼測量 計數(shù) 斷電數(shù)據(jù)消失要求高：對環(huán)境要求高溫度、濕度、灰塵、振動、移動精度成本高：電路復(fù)雜 檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測(3) 光柵傳感器結(jié)構(gòu) 1 主光柵尺（定光柵）2 指示光柵（動光柵）3 光電元件4 透鏡5 光源透射式結(jié)構(gòu)：反射式結(jié)構(gòu)： 光源 指示光柵 透射 主光柵 光電元

5、件光源 主光柵 反射 指示光柵 光電元件檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測(4) 代表性產(chǎn)品： 德國Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1 m開放式：量程1440mm，分辨力m開放式：量程270mm 分辨力1nm檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測英國Renishaw（雷尼紹）： 量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01 m中國長春光機所： 量 程：1000mm分辨力：0.01 m精 度：2 m檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測2、光學(xué)干涉（Interference）干涉原理（單頻干涉）：兩束同頻光束在空間相遇會發(fā)生干涉條紋，其亮暗程度取決于兩束

6、光間的相位差 亮條：暗條：=2k, k=0,1,l,2, 相消干涉=2k, k=0,1,l,2, 相長干涉 檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測結(jié)構(gòu)：實現(xiàn)要點:（1）單一光源光源觀察屏、光電接收固定反射鏡被測物體半透半反鏡（4）分光鏡（半透半反）（5）固定參考反射鏡（2）被測物體（3）光電接收檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測雙頻激光干涉位移傳感器測量原理： 激光器發(fā)出一束激光，含有兩束偏振光： 左旋光，頻率f1 右旋光，頻率f2， 振幅相同， 頻率相差約2MHz。激光束分光器參考光束測量光束光電檢測/4波片渥氏棱鏡f2光電檢測f1角錐棱鏡參考信號測量信號f2-f1ff1f1f2-(

7、f1 f)檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)二、長度及線位移檢測激光干涉位移傳感器HP5528A Laser interferometer：量程：100m 分辨力： 0.01 m檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)三、角度及角位移檢測1、絕對碼光電編碼器原理：平行光源碼盤 光電元件電信號輸出 碼盤：光學(xué)玻璃，透光/不透光 照相腐蝕 要求：分度準(zhǔn)確（工藝）、陰暗交替邊緣陡峭（工藝、材質(zhì)）光源：LED 光學(xué)系統(tǒng) 平行光 投影精確 光電元件：硅光電池，光電晶體管 滯后 響應(yīng)速度 碼道：位數(shù)每個碼道對應(yīng)一個光電元件分辨率 角度分辨率：=360/2n n-碼道數(shù)（位數(shù)） 組成：光源、碼盤、光電元件 增加碼道、增大碼盤尺寸 有限提高精

8、度光學(xué)細(xì)分 附加碼道檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)三、角度及角位移檢測測量電路：編碼碼制：十進(jìn)制碼 - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二進(jìn)制碼 - 0000 0001 0010 0011 0100 格 雷 碼-循環(huán)碼：相鄰兩數(shù)只有一位不同 每次只有一位變化轉(zhuǎn)換 放大 足夠電平 ，驅(qū)動整形 接近理想方波 細(xì)分 提高分辨率（光學(xué)+電路）多位碼同時動作同步誤差錯碼讀數(shù)直觀，不易電路處理直觀，易于后續(xù)電路和計算機處理檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)角度位置二進(jìn)制碼十進(jìn)制碼格雷碼0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0

9、337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位絕對碼光電編碼器碼制檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)三、角度及角位移檢測特點：摩擦輪編碼器小范圍絕對位置測量-角度、直線位置小范圍位移、速度檢測結(jié)構(gòu)簡單、精度高、分辨率高，可靠性好，應(yīng)用：例：直線 旋轉(zhuǎn) 360 直接數(shù)字量輸出 - 數(shù)字傳感器，絕對碼 - 絕對角位置

10、傳感器測量范圍有限（360），速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分），怕振動 - 丟數(shù)連接 - 彈性連軸結(jié)檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)三、角度及角位移檢測2、增量碼光電編碼器結(jié)構(gòu)： 與絕對編碼器類似碼道：最外 - 增量碼道：透光扇形區(qū)分辨率 中間 - 辨向碼道：錯開半個扇形區(qū) 最內(nèi) - 零位碼道：透光狹縫基準(zhǔn)脈沖應(yīng)用：相對位置測量-角度、直線位置， 位移、速度測量 特點：結(jié)構(gòu)簡單、精度高、分辨率高，可靠性好， 脈沖數(shù)字輸出，測量范圍無限 速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分） 怕振動 - 丟數(shù)檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)三、角度及角位移檢測3、圓光柵傳感器工作原理：莫爾條紋技術(shù)類型：(1) 直線莫爾條紋：條紋 -直線(2) 圓型莫爾

11、條紋：條紋 - 圓型RENISHAW 圓光柵：角度分辨率為0.01 系統(tǒng)精度為 0.7(a) 徑向光柵 - 圓弧形莫爾條紋光柵：兩塊，徑向刻線，柵距角相同，偏心疊合條紋寬度不是定值，隨位置不同而不同。在位于偏心的垂直位置上，條紋近似垂直于柵線，稱橫向莫爾條紋在沿著偏心方向上，條紋近似地平行于柵線，稱縱向莫爾條紋其他位置上上，稱為斜向莫爾條紋條紋：在不同區(qū)域柵線的交角不同，不同曲率半徑圓弧檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)三、角度及角位移檢測光柵：兩塊完全相同，環(huán)形刻線，偏心疊合，(b) 切向光柵 - 環(huán)形莫爾條紋光柵：兩塊，切向刻線，切向相同，柵距角相同， 基圓半徑不同，柵線面相對同心疊合，條紋：是以光柵中

12、心為圓心的同心圓簇，寬度也不是定值，隨位置不同而不同。特點：具有全光柵平均效應(yīng)，用于高精度角度測量和分度。(c) 環(huán)形光柵 - 輻射形莫爾條紋條紋：近似直線并成輻射方向，稱為輻射形莫爾條紋。 檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)四、絕對測距1、電渦流測距(1) 工作原理: 交變電流傳感器線圈被測導(dǎo)體交變磁場H1電渦流交變磁場H2參數(shù)變化(電感、阻抗、 品質(zhì)因素等)輸出信號檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)四、絕對測距保持其他參數(shù)不變，只改變一個參數(shù) - 測量，變化因素：被測導(dǎo)體 - 幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 線圈 - 幾何參數(shù)、電流大小和頻率、 其他 - 線圈與導(dǎo)體距離測量原理：電渦流密度徑向分布渦流密度不等：電渦流分布：

13、深度：高頻激勵 - 表面薄層，銅導(dǎo)體，1MHz頻率，深度徑向：有限范圍 - 圓環(huán)形 - 渦流環(huán) D=d時：密度最大：下降為5%：無電渦流 傳感器特性：非線性嚴(yán)重，修正檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)四、絕對測距導(dǎo)體 - 傳感器的一部分 - 參數(shù)影響被測導(dǎo)體直徑的影響材料：形狀：被測導(dǎo)體：作用：電導(dǎo)率越高，靈敏度越高；磁導(dǎo)率越高，靈敏度越低，平面 - 曲面 - 曲率半徑 （） 思考：激勵頻率高低有什么影響？檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)四、絕對測距日本Keynce量程：50mm精度0.03%檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)四、絕對測距2、激光測距傳感器(1) 激光測距特點：測量距離可達(dá)幾公里甚至幾十公里（主要手段）(2) 激光測

14、距方法：飛行時間法、相位差法(a) 飛行時間法：被測距離:c - 光速 t - 往返飛行時間(b) 相位差法：被測距離:c - 光速 f0 - 脈沖頻率 - 相位差激光器被測目標(biāo)原理：激光器發(fā)出單個激光脈沖原理：激光器發(fā)出連續(xù)激光脈沖激光器被測目標(biāo)特點：對時間測量精度要求高，適于測量超長距離（地球-月球：分辨力達(dá)到1m ）特點：測量精度高，測量范圍大（短距離 超長距離）（相機自動調(diào)焦）檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)四、絕對測距范圍：0.2 300m 分辨力： 3mm德國俫卡手持式：范圍：0.2 200m分辨力：0.2mm美國bushwell 單目軍用范圍：1000m分辨力：1m檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)四、絕

15、對測距3、超聲測距傳感器超聲測距原理：被測距離:c - 聲速 t - 往返飛行時間應(yīng)用：適于大目標(biāo)、近距離、一般精度測距 手持測距儀 - 盲人導(dǎo)盲 汽車倒車?yán)走_(dá) - 汽車安全 工業(yè)應(yīng)用 - 超聲測量液位、物位特點：超聲波束發(fā)散，測量范圍小 波束聚焦困難，測量精度低 測量目標(biāo)不能太??； 超生探頭被測目標(biāo)超聲波傳感器（超聲波探頭），是實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置（超聲換能器）這種裝置能夠發(fā)射超聲波，同時還可以接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成電信號。檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)五、溫度檢測1、概述 溫度分類:應(yīng)用: 測溫接觸測溫非接觸測溫?zé)彷椛錅y溫?zé)醾鲗?dǎo)測溫壓電效應(yīng)熱阻效應(yīng)熱電勢效應(yīng)金 屬熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻熱電偶溫 度傳感器

16、壓電陶瓷（熱釋電效應(yīng)） 敏感元件 電參數(shù)光電效應(yīng)紅外溫度傳感器、光纖溫度傳感器熱電阻電渦流傳感器PN結(jié)熱電效應(yīng)熱敏二極管/三極管、集成溫度傳感器工作原理：檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ) (1) 熱電阻原理與特性: 要求：（1）溫度系數(shù)、電阻率較高 提高靈敏度，體積小，反應(yīng)快（2）理化性能穩(wěn)定 提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，復(fù)現(xiàn)性好 （3）良好的輸入-輸出特性 線性/接近線性，測量精度高（4）良好的工藝性 批量生產(chǎn)，降低成本材料：純金屬 -鉑、銅、鎳、鐵 （5）較大的測溫范圍 特別是在低溫范圍五、溫度檢測2、熱電阻原理：熱能 熱電阻 電阻值溫度 熱電阻 阻值檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)特點：0 +850： 0 - 200：

17、 應(yīng)用：(1) 在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定， 易于提純，工藝性好(2) 輸入輸出特性接近線性(4) 貴重金屬，成本較高標(biāo)準(zhǔn)溫度計，高精度工業(yè)測溫，高低溫測試 構(gòu)成：金屬鉑絲(0.020.07mm)繞制成線圈(3) 測量精度高：0: 1、 0100: 0.5、 100650: 0.5%五、溫度檢測Pt100：R0：0時的溫度 標(biāo)準(zhǔn)值(Pt100, Pt500) (2) 鉑電阻(Pt)檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)特點：-50 180： 應(yīng)用：(1) 易于提純，在-50 150范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，價格低 (2) 輸入輸出特性接近線性:(3) 電阻率低（為鉑電阻的1/6），體積較大 (Cu50, Cu100)

18、(4) 高溫易被氧化，易被腐蝕(5) 測量精度低于鉑電阻：-5050: 0.5、50150: 1%小范圍，較低溫度，測量精度要求低，沒有浸蝕性介質(zhì)，代替鉑 五、溫度檢測構(gòu)成：金屬鉑絲(0.020.07mm)繞制成線圈(3) 銅電阻(Cu)R0：0時的溫度 標(biāo)準(zhǔn)值檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)材料：特點：分類：（1）溫度系數(shù)大 靈敏度高 （為熱電阻10100倍）（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小 可以測量點溫度（3）電阻率高、熱慣性小 適于動態(tài)測溫（4）易于維護(hù)、使用壽命長 適于現(xiàn)場測溫（5）互換性差，非線性嚴(yán)重，精度低 正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR) 半導(dǎo)體

19、- 半導(dǎo)體熱電阻（6）成本低，應(yīng)用廣泛 3、熱敏電阻 五、溫度檢測非線性 檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)熱敏電阻的應(yīng)用家用電器電熨斗、電冰箱、電飯煲、洗衣機、電暖壺、烘干機、電烤箱、空調(diào)機、電熱毯、熱水器、熱得快、電磁爐、汽車電子電子噴油嘴、空調(diào)機、發(fā)電機防熱裝置、電熱座椅測量儀器流量計、風(fēng)速表、真空計、濃度計、濕度計、空氣傳感器、環(huán)境監(jiān)測儀、辦公設(shè)備復(fù)印機、傳真機、打印機、掃描儀農(nóng)業(yè)園藝溫室控制、人工氣候箱、烘干系統(tǒng)、醫(yī)療器具體溫計、人工透析、散熱系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)電動機過熱保護(hù)、五、溫度檢測檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)應(yīng)用實例：基于熱敏電阻的電機過熱保護(hù)器： Rt1 Rt2 Rt3 ：熱敏電阻(NTC) ，安裝在

20、三相繞組附近 溫度低時 ：電阻高 三極管不導(dǎo)通 繼電器不吸合 電機運行溫度高時 ：電阻低 三極管導(dǎo)通 繼電器吸合 電機停止五、溫度檢測檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)4、熱電偶 五、溫度檢測(1) 工作原理: 兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路兩個節(jié)點（A、B）溫度不同熱電勢溫差電勢：A-溫差系數(shù) TA,TB-A、B兩節(jié)點絕對溫度 k-波爾茲曼常數(shù) e-電子電荷NA,NB-導(dǎo)體AB的自由電子密度材料T-節(jié)點絕對溫度 接觸電勢：不同導(dǎo)體自由電子密度不同擴(kuò)散電勢 （帕爾帖）同一導(dǎo)體兩端溫度不同電子遷移（高 低） 電勢 若兩種導(dǎo)體相同： A=B E=0若兩端無溫差： T=T0 E=0 兩種情況 導(dǎo)體不同兩端溫差條件 檢測

21、工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)(2) 常用熱電偶材料： 五、溫度檢測材料測溫范圍特點應(yīng)用鉑鐒10純鉑0 1000 準(zhǔn)確性高，成本高工業(yè)銥鐒10純銥0 2100 科學(xué)研究銥鐒40鉑鐒400 1900 氧化、中性氣體鎳鐵鎳銅50 500 50 無電勢火災(zāi)報警鎳鉻康銅-200 900 各種場合鎳鉻鎳硅-50 1300 電勢大，線性好各種場合、常用銅康銅-200 400 各種場合鎳鉻金鐵-270 10 低溫銅金鐵-270 -250 靈敏度高低溫檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)(3) 熱電偶結(jié)構(gòu)： 五、溫度檢測a) 普通熱電偶：應(yīng)用：測量氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)溫度結(jié)構(gòu)：1-熱電極 2-絕緣套管 3-保護(hù)套管 4-接線盒 b) 鎧裝熱電偶：結(jié)構(gòu)：熱電極 + 絕緣材料 + 金屬保護(hù)套特點：細(xì)長(13mm)，可以彎曲，撓性好，強度高 測端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快(0.01s)，應(yīng)用：適于狹小空間、點溫度c) 其他熱電偶：薄膜熱電偶、浸入式熱電阻、檢測工作技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)(4) 熱電偶的冷端補償 熱電勢:a) 恒溫法：測 溫: 獲得T T0固定 T0=0（冷端）冷 端：干擾、波動 T00 誤差 冷端溫度補償標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冷端 冰水混合液（保溫容器）b)系數(shù)修正法：T00 精確計算 修正T：測端溫度 T0：參考端（冷端）溫度Tn：測量溫度 k：修正系數(shù)（表7-5）五