《測試系統(tǒng)及傳感器》

5.1測試系統(tǒng)的基本構成機械系統(tǒng)測量系統(tǒng)信號采集處理系統(tǒng)顯示記錄系統(tǒng)被測物理量數據采集卡中間轉換器傳感器測試軟件機械系統(tǒng)為保證試驗進行所需的各種機械結構根據不同的機械參量，選用不同的傳感器和相應的后接儀器所組成的測量系統(tǒng)。將測量裝置輸出的信號采集和處理后排除干擾和噪聲污染，并估計測量數據的可靠程度。測試系統(tǒng)的輸出環(huán)節(jié)，把試驗過程中的數據記錄下來，并顯示出來。第5章傳感器測量原理1整理課件2整理課件

傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成另一種信息的裝置。

物理量電量傳感器轉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換成電信號的裝置。5.2傳感器概述1.傳感器定義3整理課件dV2.傳感器的構成傳感器敏感器件輔助器件感受被測物理量，并對信號進行轉換輸出對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配

以便于后續(xù)儀表接入4整理課件5整理課件5.3傳感器的分類傳感器種類名目繁多，分類方法也不完全同，從選用角度看一般是按被測參量和工作原理的不同來劃分。一.按被測參量分類

被測參量多種多樣，通?？蓜澐譃閹状箢?，如機械量、熱工量、物理化學量及生物醫(yī)學量等。6整理課件機械量機械信號力、力矩、應力傳感器位移、速度(角速度與線速度)、加速度傳感器幾何尺寸(長度、厚度、角度、圓度)傳感器7整理課件(熱量、比熱、熱流)傳感器

壓力(壓差、真空度)傳感器；流量、流速傳感器；物位(液位)傳感器熱工量8整理課件

氣體或液體的密度、濕度傳感器；

粘度、濃度、鹽度傳器

化學成分傳感器物理化學量9整理課件血壓、眼壓、腦壓傳感器哦流體信號體溫傳感器心電、心音、心搏數傳感器生物醫(yī)學量10整理課件二、按傳感器的能源分類

有源傳感器：被測量使傳感器本身的電參量R、L、C改變，這種傳感器工作時必須有外加電源。無源傳感器：被測量使傳感器產生電動勢、電流、電荷，可直接接入放大器或記錄儀器。11整理課件模擬傳感器數字傳感器三、按傳感器的輸出信號分類12整理課件電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器磁電式傳感器壓電式傳感器光電式傳感器四、按傳感器的轉換原理分類13整理課件1.電阻式傳感器工作原理：把被測變化參量轉換為電阻變化的一種傳感器5.4常用傳感器原理14整理課件按工作的原理可分為:

變阻器式、壓阻式、電阻應變式.(1).變阻器式（電位器式）傳感器15整理課件

它是用電阻系數很大的金屬導線繞在絕緣骨架上而制成，滑動觸頭(電刷)的位移使輸出電阻或電壓發(fā)生變化，其簡單原理電路如圖所示。

1—電位器2—電刷L．RU21L0．R0U0ABO16整理課件

電位器式位移傳感器電位器式壓力傳感器

1-測量軸2-滑動電阻3-電刷4-精密電阻1-膜盒2-杠桿3-電位器

5-導軌6-彈簧7-殼體

17整理課件(2).壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是以單晶硅膜片作為敏感元件，在該膜片上采用集成電路工藝制作四個電阻并組成惠斯登電橋，當膜片受力后，由于半導體的壓阻效應，電阻阻值發(fā)生變化，使電橋有輸出。

—縱向壓阻系數和橫向壓阻系數；—縱向應力和橫向應力(切向應力)18整理課件(3).電阻應變式傳感器--應變片19整理課件電阻應變式傳感器的應用：測力20整理課件應用：橋梁固有頻率測量21整理課件應用：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。22整理課件應用：沖床生產記數和生產過程監(jiān)測23整理課件2.電感式傳感器工作原理：利用電磁感應原理將被測物理量變化轉換成線圈自感量L或互感量M的變化,再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出。分為：自感式、差動變壓器式（互感式）、電渦流式應用：測量位移、壓力、流量、振動等信號M.Faraday電磁感應定律(1831年)：當一個線圈中電流i變化時，該電流產生的磁通Φ也隨之變化，因而在線圈本身產生感應電勢，這種現(xiàn)象稱之為自感。24整理課件常用電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器25整理課件(1).自感式傳感器鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。26整理課件只要改變氣隙厚

就可以改變電感。結構:由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為σ

自感式傳感器的特性公式：

N線圈匝數；

S氣隙的截面積；氣隙厚度；μo導磁率（真空、空氣）線圈的電感量：變氣隙式變面積式螺管式27整理課件1.改變氣隙長度和截面積都能改變電感量；2.電感量與氣隙長度成反比，與截面積成正比；3.電感量與與氣隙長度不是線性關系；4.氣隙長度越小，靈敏度越高；自感式傳感器特點：靈敏度為5.變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的；6.為了減小非線性誤差，差動變隙式電感傳感器28整理課件單螺管式自感傳感器它由平均半徑為r的螺管線圈、銜鐵和磁性套筒等組成。隨著銜鐵插入深度的不同將引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。29整理課件自感傳感器的測量電路輸出指示無法判斷位移方向,必須配合相敏檢波電路來解決。1.交流電橋測量電路2變壓器式交流電橋測量電路30整理課件自感式傳感器的應用變隙電感式壓力傳感器結構圖

應用示例131整理課件簡單式靈敏度差動式靈敏度差動型(2).差動變壓器式傳感器定義：把被測非電量變化轉換成為線圈互感量的變化的傳感器32整理課件差動變隙式自感傳感器結論:①差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。②差動式的線性度得到明顯改善兩個變隙式電感傳感器在結構尺寸、材料、電氣參數等方面均應完全一致。33整理課件互感型--差動變壓器工作原理WW1W2Esx-xEwEout次級次級骨架初級銜鐵次級次級初級結構：中間初級，兩邊次級鐵芯在骨架中間可上下移動34整理課件差動式自感傳感器的輸出特性采用差動式結構，除了可以改善非線性、提高靈敏度外，對電源電壓與頻率的波動及溫度變化等外界影響也有補償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性。35整理課件差動變壓器式傳感器的結構示意圖

（a）、（b）變隙式差動變壓器36整理課件差動變壓器式傳感器的結構示意圖

（e）、（f）變面積式差動變壓器37整理課件差動變壓器式傳感器的結構示意圖（c）、（d）螺線管式差動變壓器38整理課件差動變壓器位移傳感器39整理課件應用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;壓力,流量,液位;張力,重力,負荷量;扭矩,應力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.~應用示例1應用示例240整理課件應用示例3變隙式差動電感壓力傳感器

41整理課件應用示例31—可動鐵心；2—測桿；3—被測物可變氣隙式電感測厚度帶相敏檢波的交流電橋42整理課件差動變壓器式加速度傳感器原理圖

應用示例43整理課件差動變壓器傳感器特點：●結構簡單、工作可靠；●靈敏度高、分辨力大；●頻率響應低，不宜測高頻動態(tài)參量；●測量精度高；非線性誤差為0.1％●常用于測量位移量。如位移變化的參量：力、速度、加速度、厚度44整理課件(3).電渦流式傳感器原理：利用線圈在金屬導體附近會產生電渦流線圈產生得交變磁場向下，電渦流產生的交變磁場向上。線圈接通電源45整理課件電渦流式傳感器的應用1.測位移電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測量金屬件的靜態(tài)或動態(tài)位移，最大量程達數百毫米，分辨率為0.1%。目前電渦流位移傳感器的分辨力最高已做到0.05μm(量程0～15μm)。凡是可轉換為位移量的參數，都可用電渦流式傳感器測量，如機器轉軸的軸向竄動、金屬材料的熱膨脹系數、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。液位監(jiān)控系統(tǒng)電渦流傳感器測位移，由于測量范圍寬、反應速度快、可實現(xiàn)非接觸測量，常用于在線檢測。46整理課件2.測厚度

測金屬板厚度示意圖47整理課件3.測溫度式中ρ1、ρ0——分別為溫度t1與t0時的電阻率，a——在給定溫度范圍內的電阻溫度系數測溫用渦流式傳感器1-補償線圈；2-管架；3-測量線圈；4-隔熱襯墊；5-溫度敏感元件優(yōu)點：(1)不受金屬表面涂料、油、水等介質影響；(2)可實現(xiàn)非接觸測量；(3)反應快。48整理課件除此以外：(1)利用多個傳感器沿轉軸軸向排布，可測得各測點轉軸的瞬時振幅值，從而作出轉軸振型圖；(2)利用兩個傳感器沿轉軸徑向垂直安裝，可測得轉軸軸心軌跡；(3)在被測金屬旋轉體上開槽或作成齒輪狀，利用電渦流傳感器可測出該旋轉體的旋轉頻率或轉速；(4)電渦流傳感器還可用作接近開關，金屬零件計數，尺寸或表面粗糙度檢測等。案例：零件計數49整理課件案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle50整理課件案例：無損探傷裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測51整理課件案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測52整理課件電渦流式傳感器特點：●結構簡單；●靈敏度高；●抗干擾能力強；●測量范圍大；●具有非接觸測量；●常用于測量位移、振幅、零件幾何尺寸、表面粗糙度、裂紋等53整理課件S—極板面積，變面積型傳感器

—極板距離，變極距型傳感器

—介電常數，變介質型傳感器

—真空介電常數—相對介電常數，無介質時空氣介質=1工作原理：將被測非電參量變化轉換成電容量的變化。3.電容式傳感器54整理課件一般結構靈敏度(1).變極距型傳感器●間隙越小，靈敏度越高；●間隙小受極板間擊穿電壓的限制●差動式靈敏度提高1倍，非線性大大減少差動電容結構靈敏度特點：55整理課件(2).變面積型傳感器直線位移式靈敏度角位移式靈敏度●電容與位移呈線性關系；●輸出特性是線性的；●靈敏度為一常數。特點：56整理課件(3).變介質型傳感器●用兩個同心圓柱狀電極●輸出電容與液面高度成線性關系57整理課件58整理課件電容式傳感器特點：●輸入能量小，靈敏度高；可測量很小的力、加速度●動態(tài)特性好；質量小、頻率高，常用于動態(tài)參數測量●能量損耗??；電容本身不產生熱量，不會引起零點漂移●結構簡單、適應性好；可工作在惡劣環(huán)境中、溫度變化大、液體中都能工作●電纜分布電容影響大；兩極板電容很小，但傳感器與儀器間有較大電容，降低靈敏度●非線性大；輸出和輸入存在非線性59整理課件電容式接近開關電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器常用的電容式傳感器60整理課件電容式液位傳感器（液位計/料位計）61整理課件1.震動，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動，位置，膨脹3.撓度，變形，波動，傾斜4.尺寸，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，偏心電容式傳感器

62整理課件4.磁電式傳感器（電動式傳感器）

工作原理:利用電磁感應原理，將運動速度、位移等物理量轉換成線圈中的感應電動勢輸出。

磁電式傳感器機械量電量63整理課件磁電式磁感應電式傳感器霍爾式傳感器磁阻效應傳感器2.分類

64整理課件B-磁感應強度S-線圈平均截面積-線圈運動方向與磁場方向夾角當線圈相對磁場作旋轉運動切割磁力線，則線圈上的感應電動勢：－旋轉運動的相對角速度N-線圈匝數（1）磁感應電式傳感器（感應式傳感器、電動勢傳感器）工作原理：把被測非電參量變化轉換成感應電動勢，是一種機電能量變換傳感器。65整理課件磁感應電式恒定磁通式變磁通式動圈式動鐵式運動部件是線圈運動部件是磁鐵又稱變磁阻式、變氣隙式磁感應電式傳感器可分為：磁路系統(tǒng)恒定磁場，運動部件可以是線圈也可以是磁鐵。線圈、磁鐵靜止不動，轉動物體引起磁阻、磁通變化。線速度型角速度型66整理課件恒磁通式動鐵型動圈型a.恒定磁通式67整理課件動圈式傳感器的結構原理圖:線速度型68整理課件角速度型測速電機69整理課件動鐵式傳感器結構原理圖:70整理課件b.變磁通式（又稱變磁阻式、變氣隙式）常用來測量旋轉物體的角速度，探頭的磁極與振動物體間有一氣隙，當振動物體振動時，氣隙變化引起磁路磁阻改變，線圈磁通發(fā)生變化，輸出電動勢與振幅成比例。變磁阻式工作原理：一般通過改變傳感器到被測對象間的氣隙厚度等方法來改變磁路磁阻。

71整理課件結構原理圖（開路變磁通式傳感器）1-被測旋轉體；2-測量齒輪；3-線圈；4-軟鐵；5-永久磁鐵線圈3產生的感應電動勢的變化頻率等于測量齒輪的齒數和轉速的乘積72整理課件73整理課件磁電感應式轉速傳感器原理圖74整理課件優(yōu)點：無需外加電源電路簡單性能穩(wěn)定輸出阻抗小具有一定的頻率響應范圍（10~1000HZ）缺點：尺寸重量大磁感應電式傳感器特點

常用于動態(tài)測量75整理課件(2).霍爾式傳感器霍爾式傳感器原理:利用霍爾元件基于霍爾效應將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器特點:在靜止狀態(tài)下具有感受磁場的能力優(yōu)點:

結構簡單，體積小，噪聲小，頻率范圍寬（從直流到微波），動態(tài)范圍大，壽命長等。76整理課件

金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。

a霍爾效應

77整理課件式中：KH——霍爾元件的靈敏度系數，與霍爾片的厚度和反映材料霍爾效應強弱的霍爾系數有關?；魻柶暮穸仍叫?、霍爾系數越大，靈敏度系數KH越大。I——控制電流B——垂直于霍爾片平面的磁感應強度——磁場與霍爾元件平面的法線方向的夾角

78整理課件b.霍爾元件－－基于霍爾效應工作的半導體器件，多采用N型半導體測量。元件外形a，b控制電流端引線c，d霍爾引出線霍爾元件越薄，靈敏度系數越大，一般只有1um79整理課件霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。

80整理課件霍爾傳感器的應用

a.測量位移、壓力、流量特點：測量范圍1～２mm，慣性小、響應速度快。81整理課件b.測量轉速霍爾開關集成電路82整理課件測轉角：83整理課件鐵磁材料裂紋檢測

NS84整理課件例：汽車速度測量:85整理課件5.壓電式傳感器工作原理:以某些物質的壓電效應為基礎壓電效應：某些物質受到外力時，表面產生電荷，當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)。+串聯(lián)+并聯(lián)F+電容小，輸出電壓大，適于輸出為電壓的場合電容大電荷量小，時間常數大，適于測緩慢信號，輸出為電荷的場合86整理課件壓電材料壓電材料壓電晶體壓電陶瓷如石英具有很好的溫度穩(wěn)定性，壓電效應，機械強度高，絕緣性能好穩(wěn)定性不如石英，但壓電系數約為石英的50倍87整理課件在x方向作用一力Fx時，t發(fā)生變化，y-z晶面產生正負電荷，當作用力的方向相反時，產生電荷極性相反縱向壓電效應88整理課件橫向壓電效應表面電荷量：Q=dFd-壓電常數F-作用在表面上的力（表征壓電性能強弱）89整理課件壓力變送器

加速度計力傳感器

常見的壓電式傳感器90整理課件壓電式傳感器的應用壓電式玻璃破碎報警器91整理課件PVF2壓電膜硬幣

銅柱

投幣計數傳感器92整理課件壓電膜話筒結構示意圖PVF2壓電膜

絮狀材料墊聲壓

話筒中，壓電膜以一定的支撐形式保持膜內一定張力。在外來聲壓作用下，膜面的曲率發(fā)生變化，使膜內應力改變，產生相應的壓電信