03常用传感器

机械工程测试技术基础1绪论第一章信号分析基础第三章常用传感器第二章测试系统特性第四章信号调理技术第五章信号分析技术第六章虚拟仪器技术第七章工程应用课程内容：第三章常用传感器2机械工程测试技术基础§3.1概述一、什么叫传感器传感器是获取信息的工具。传感器（Transducer或Sensor），俗称探头，有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器。指那些对某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。第三章常用传感器3机械工程测试技术基础§3.1概述传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。一、什么叫传感器第三章常用传感器4机械工程测试技术基础§3.1概述一、什么叫传感器密封型压力变送器压阻式压力传感器电容式差压变送器第三章常用传感器5机械工程测试技术基础§3.1概述一、什么叫传感器旋转差动变压器电涡流传感器电感式接近开关第三章常用传感器6机械工程测试技术基础§3.1概述一、什么叫传感器热电偶热敏电阻光敏电阻第三章常用传感器7机械工程测试技术基础§3.1概述一、什么叫传感器光敏三极管压电加速度传感器第三章常用传感器8机械工程测试技术基础§3.1概述一、什么叫传感器激光位移传感器霍尔电压传感器温度传感器9机械工程测试技术基础§3.1概述二、传感器的构成并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如：压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。敏感元件转换元件信号调理电路辅助电路被测量非电量其它量非电量电量电信号标准信号电量传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电路组成。10机械工程测试技术基础§3.1概述二、传感器的构成例如应变式压力传感器。11机械工程测试技术基础§3.1概述三、传感器的分类1按被测物理量分类常见的被测物理量有------如位移，速度，加速度，旋转角，转速，力，压力，力矩，温度，声压，声强等12机械工程测试技术基础§3.1概述三、传感器的分类2按工作的物理基础分类如机械式,电气式,光学式,流体式等。车削测力仪13机械工程测试技术基础§3.1概述三、传感器的分类物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。如:水银温度计。结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。例如:电容式和电感式传感器。3按信号变换特征分类4按敏感元件与被测对象之间的能量关系14机械工程测试技术基础§3.1概述三、传感器的分类能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作。例如热电偶温度计,压电式加速度计。能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。例如:电阻应变片。15机械工程测试技术基础•电阻式传感器能把被测量转换为电阻变化的一种传感器。§3.2电阻式传感器第三章常用传感器•按工作的原理可分为:变阻器式（大电阻式）、电阻应变式（微电阻式）AlR16机械工程测试技术基础一、变阻器式传感器§3.2电阻式传感器第三章常用传感器1类型17机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器2结构和工作原理线绕电位器的结构主要由电阻丝、电刷和骨架三部分组成。电阻丝：康铜、镍铬、卡玛（Karma）丝以及铂铱、金银。电刷：一般选用贵金属。骨架：塑料、胶木、金属（经绝缘处理）。18机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器3后接电路xPxueuo1ueuoxxPRLRp+xPx()-VRL负载效应19机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器负载效应0xuo20机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器当电刷在变阻器线圈上移动时，电位器的阻值随电刷从一圈移动到另一圈是不连续变化的，故输出电压Uo也不连续变化，而是阶跃式地变化。电刷每移动一匝线圈使输出电压产生一次跳动，移动n匝，则使输出电压产生n次电压跳动（阶跃）。阶梯特性21机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器阶梯特性22机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器阶梯特性实际23机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器非线性变阻器24机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器电位器拉线式位移传感器•工作原理：被测物体移动时通过钢丝绳带动传感器的拉线盘使电位器旋转，电位器接在高精密的信号源上，其滑动头上的电位变化通过V/I变换器变换成4~20mA输出。•主要特色：电位器为高精密线绕式多圈电位器，其线绕电阻丝为合金丝，精密可靠耐用，尤其适用于频繁动作的场合。变送器为高精密的V/I变换器模块，其变换精度可高达十万分之五。•适用范围：水轮机调速器的接力器和闸门行程，以及计算机监控系统中的位移测量。25机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理：电机-转角-电位器-电阻26机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器二电阻应变式传感器--应变片1工作原理导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。外力→变形→应力→应变→电阻值变化→电压变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求偏微分金属应变片的电阻R为AlR/dAldAAldlAdR+2§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片271工作原理代入AlR/dRdldAdRlA+§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片281工作原理§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片291工作原理drdrldlRdR+2金属丝体积不变：ldlrdr§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片301工作原理dE电阻率相对变化：(12)dRER++对金属材料，主要考虑其几何变形引起电阻变化：(12)dRR+2金属电阻应变片§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片31被称为灵敏度，其值为1.7~3.6之间。21+§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片32基本结构1－基底2－敏感栅3－覆盖层4－引线，用以和外接导线连接L－敏感栅长度b－敏感栅的宽度§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片33基本结构§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片34（1）回线式丝式应变片：丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大；基本结构§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片35（2）短接式丝式应变片：短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。缺点是焊点多，在冲击或振动条件下，易在焊点处出现疲劳，制造工艺要求高。目前大都采用箔式应变片。基本结构§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片36（3）箔式应变片：箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀等技术将厚度为0.003~0.01mm的金属箔片制成所需的各种图形的敏感栅。有时称为应变花。基本结构a)c)b)d)e)（3）箔式应变片§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础37（3）箔式应变片§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础383半导体应变片dRER§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片39(12)dRER++对半导体材料，主要考虑其电阻率变化引起电阻变化。3半导体应变片§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片401–应变片2–半导体敏感条3–外引线4–引线连接片5–内引线•优点：灵敏度大;体积小;•缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。3半导体应变片§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片41半导体应变片的制作方法将半导体材料按所需晶向切割成片或条，粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感栅使用，称作“体型半导体应变片”。将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄的导电P型层，焊上引线即成应变片称作“扩散硅应变片”。4应变片的主要参数4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片425电阻应变片的选择、粘贴技术目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片43焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片445电阻应变片的选择、粘贴技术应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在试件贴片位置。6电阻应变式传感器的应用§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器45案例：冲床生产记数和生产过程监测§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器466电阻应变式传感器的应用§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器47•轮辐式力传感器特点：刚性比较大，同时利用它的对称性，能够比较好地防止横向力的影响。6电阻应变式传感器的应用§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器48特点：在外力作用下，各点的应力差别较大。•薄壁圆环式力传感器标准产品6电阻应变式传感器的应用§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器496电阻应变式传感器的应用§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器50轴剪切力传感器（应变片式扭矩传感器）6电阻应变式传感器的应用§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器51轴剪切力传感器（应变片式扭矩传感器）6电阻应变式传感器的应用§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器52弹性元件为一具有盲孔的圆筒，当被测流体压力P作用于筒体内壁时，圆筒部分发生变形，沿圆筒周向粘贴的应变片产生正应变。用于管道及枪（炮）管内压力测量。筒式压力传感器6电阻应变式传感器的应用§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器53特点：结构简单使用可靠•膜片式压力传感器案例：桥梁固有频率测量§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器54案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器55案例：机器人握力测量§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片56案例：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器5758机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器二电阻应变式传感器1-质量块；2-应变粱；3-硅油阻尼液；4-应变片；5-温度补偿电阻；6-绝缘套