材料成型及控制工程中常用的传感器

第二章材料成形及控制工程中常用的传感器是一种测量装置，能将被控量（如线位移、角位移、速度、压力、热量或温度等）转换为另一种易于显示、传输、记忆或控制的物理量（如电压、电流等）。（也称非电量电测）第一节概述一.传感器的概念二.材料成形过程的测量1.1.材料成形四大工艺材料成形四大工艺塑性成形轧制成形焊接成形铸造成形塑性成形轧制成形焊接成形铸造成形‹‹各种形式的能源测量与控制占主导各种形式的能源测量与控制占主导‹‹加热电源测量与控制系统的控制功能多、精度高加热电源测量与控制系统的控制功能多、精度高‹‹注重改善工作环境与操作人员的劳动保护注重改善工作环境与操作人员的劳动保护‹‹注重改善供电电网的供电质量注重改善供电电网的供电质量‹‹高新技术和新兴学科在材料成形领域的广泛应用高新技术和新兴学科在材料成形领域的广泛应用二二..材料成形过程的测量与控制的特点材料成形过程的测量与控制的特点（１）电弧热源（２）高能粒子束热源（３）激光光束热源（４）中高频感应加热热源（５）焦尔电阻热热源（6）燃料热源电弧热源高能粒子束热源激光光束热源中高频感应加热热源焦尔电阻热热源对上述的所有热源形式的最重要的要求是热源必须可控。所谓可控，首先是指热源的输出功率可控，并且控制方法要方便可靠。尽管热源形式多样化，但对热源输出功率的控制最终都归结于对热源供电电源的控制。从供电电源的控制角度看，不同的能源形式有不同的电负载形式。其中最复杂的电负载当属电弧。电弧是一种气体放电现象。常见焊接电弧电源控制系统：１）（电弧）电源输出“伏—安特性”（Ｖ　Ａ特性）（亦称“外特性”）控制系统。２）电源脉冲调制（ＰＭ）功能控制系统。３）电源恒（电）压、恒（电）流控制系统。在材料成形“热加工”过程中，使用着各种大功率和特大功率的加热热源。因此，材料成形“热加工”过程中，常伴随着高温热辐射、强烈的光辐射、高能粒子溅射、有害气体的逸出以及烟气、粉尘的逸散。总之，材料成形“热加工”过程多伴随有恶劣的工作劳动环境。１　材料成形工程中的设备都属于单台大功率与特大功率的电负载材料塑性成形工程中，特别是在以模（型）锻（压）成形工艺为主的零部件生产线上，例如汽车前、后桥模锻件生产线，目前多采用大功率晶闸管逆变器构成的中频感应加热炉。单台大功率晶闸管逆变器的功率多在５００ｋＶ·Ａ以上。２　材料成形工程设备中的电负载多为（电）阻（电）感性负载１）为解决“扰邻”和“邻扰”问题，在每台阻感性负载晶闸管开关主电路中，一般都加装“滤波网络”；２）对阻焊机来说，即便是单点焊机，因为其阻感性负载晶闸管开关主电路的容量太大，加之其工作方式是频繁的“开”、“关”过程，即晶闸管开关主电路中的交流调压过渡过程成为主要工作方式；３）为解决多台电阻焊机并联给电网造成的冲击，对全车间的用电设备实行电网负荷优化管理。微型、高熔点、结构复杂、有害物质蒸发、易氧化工件的激光加工系统需设计为完善的有监视系统的全自动遥控系统第二节第二节电参数型传感器电参数型传感器这种形式传感器的输出量是电参数（电阻、这种形式传感器的输出量是电参数（电阻、电感、电容、互感）。即传感器将感受到的输电感、电容、互感）。即传感器将感受到的输入被测物理量转换为电参数的变化。入被测物理量转换为电参数的变化。一．电阻式传感器该传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器种类很多，大致可分为三大类：电阻应变式、半导体应变式和电位计式传感器。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。（一）电阻应变式传感器1.1.概述：概述：该传感器是一种利用电阻应变片将应变（长度的变化）转换为电阻变化的传感器。任何非电量只要能设法变换为应变，都可利用电阻应变片进行测量。电阻应变式传感器的核心部分是电阻应变片和弹性元件，这两者都将直接影响传感器的各种性能指标。2.2.电阻应变片电阻应变片①工作原理：是基于导体的应变—电阻效应，即导体在承受机械变形时，它的电阻值将相应地发生变化。导体的应变—电阻效应用应变灵敏系数K描述，它决定于导体电阻的相对变化ΔR/R与长度的相对变化Δl/l之比值：llRRK//ΔΔ=单根长导线的电阻为：假设均匀应力σ作用于导线，则导线电阻的变化为或者，相对于初始电阻R，则-------①SlρR=σρσρσρσ∂∂+∂∂−∂∂=SlSSllSddR2σρρσσσ∂∂+∂∂−∂∂=1111SSllddRRρρΔ+Δ−Δ=ΔSSllRR由①式可知：对于小而有限的应力变化，总电阻的变化是由于：长度的相对变化Δl/l；截面积的相对变化－ΔS/S；和电阻率的相对变化Δρ/ρ。对于直径为d的圆导线而言，------②，并运用泊松比μ，即横向变形与纵向变形之间成正比关系，而变形符号相反：------③，将②③两式代入①式得：----（*），并引入应变的符号ε=Δl/l，则（*）式可写成：即ddSSΔ≈Δ2llddΔ−=ΔμρρμΔ++Δ=Δ)21(llRRερρμε/)21(/Δ++=ΔRRερρμ/)21(Δ++=K从前式可知，应变灵敏系数K受两个因素的影响a.受力后由于材料的几何形状发生变化而引起的，即（1+2μ）项；b.受力后由于材料的电阻率ρ发生变化而引起的，即（Δρ/ρ）/ε项。（Δρ/ρ）/ε与材料的物理特性变化有关，金属材料的（Δρ/ρ）/ε项比（1+2μ）项要小得多，而半导体材料的（Δρ/ρ）/ε项比（1+2μ）项要大得多，甚至可认为K≈（Δρ/ρ）/ε。金属材料在弹性变形范围内，泊松比μ=0.2～0.4，在塑性变形范围内μ≈0.5。所以（1+2μ）=1.4～1.8（弹性区）或（1+2μ）≈2（塑性区）。但是根据对金属材料的灵敏系数进行实测表明，一般都超过2.0，这说明（Δρ/ρ）/ε项对金属材料的灵敏系数还是有影响的。常用的公式为：②结构与分类a.结构：电阻应变片一般由敏感元件、基片、覆盖片和引出线组成。电阻应变片的核心为电阻敏感元件，基片和覆盖片起保护作用，并使电阻丝和弹性元件之间绝缘，引出线为连接测量电路之用。b.分类：根据应变片原材料形状和制造工艺的不同，有丝式、箔式和薄膜式三种。ε×=ΔKRR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。（二）压阻传感器（半导体应变片）（二）压阻传感器（半导体应变片）金属电阻应变片测量应变的原理是基于金属电阻体的形状发生变化引起电阻率发生变化，而半导体应变片是以半导体晶体的压阻效应及晶体的各向异性为基础的。半导体应变片的应变灵敏系数比金属应变片半导体应变片的应变灵敏系数比金属应变片要大数十倍。此外，半导体的应变灵敏度还与掺要大数十倍。此外，半导体的应变灵敏度还与掺杂浓度有关，它随杂质浓度的增加而减小。杂浓度有关，它随杂质浓度的增加而减小。半导体应变片工作原理在于半导体单晶具有压阻半导体应变片工作原理在于半导体单晶具有压阻效应，即对一块半导体的某一轴向施加一定载荷而产效应，即对一块半导体的某一轴向施加一定载荷而产生应力时，其电阻率会发生一定变化。不同类型的半生应力时，其电阻率会发生一定变化。不同类型的半导体，或施加载荷的方向不同，压阻效应也不一样。导体，或施加载荷的方向不同，压阻效应也不一样。目前使用最多的是单晶硅半导体，对于目前使用最多的是单晶硅半导体，对于PP型硅半导体，型硅半导体，(111)(111)晶轴方向的压阻效应最大，而对于晶轴方向的压阻效应最大，而对于NN型硅半导型硅半导体，体，(100)(100)晶轴方向的压阻效应最大。晶轴方向的压阻效应最大。二．电感式传感器二．电感式传感器1．概述：电感式传感器主要是根据电磁感应的原理，把被测位移变化转换为线圈的自感和线圈间的互感的变化来实现非电量电测的一种装置。利用这种转换原理，可以测量位移、振动、压力、应变、流量、相对密度等参数。电感式传感器根据转换原理，可以分为自感式和互感式两类。按照结构形式，自感式传感器可以分为变气隙式、变截面式和螺管式等形式，互感式传感器也有螺管式及变气隙式等结构。分类分类::电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型电感式传感器与其它传感器相比，具有以下优点：•输出功率较大，即使不用放大器，一般也有(0.1～5)V/mm的输出值。•结构简单，可靠，测量力小，当衔铁重力为(0.5～200)×10－4N时，电磁吸力为(1～10)×10－4N。•分辨率高，最小刻度值可达0.1μm。•零点稳定，漂移最小可达0.1μm。•测量精度高，输出线性可达±0.1%。电感式传感器的缺点主要是：传感器本身频率响应较低，所以它不能用于快速动态信号的测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围愈大，分辨率愈低。2．工作原理（自感型－可变磁阻式）传感器主要由线圈、衔铁和铁传感器主要由线圈、衔铁和铁心等组成。图中点划线表示磁心等组成。图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长为路，磁路中空气隙总长为llδδ，，工工作时衔铁与被测体相连，被测体作时衔铁与被测体相连，被测体的位移引起气隙磁阻的变化，从的位移引起气隙磁阻的变化，从而使线圈电感值变化，当将传感而使线圈电感值变化，当将传感器线圈接入测量电路后，电感的器线圈接入测量电路后，电感的变化进一步转换成电压，电流或变化进一步转换成电压，电流或频率的变化，完成了非电量到电频率的变化，完成了非电量到电量的转换。量的转换。由磁路基本知识可知，线圈电感为：式中N-----线圈匝数Rm-----磁路总磁阻其中Rm=Rm1（铁心磁路磁阻）+Rm2（衔铁磁路磁阻）+Rm3（气隙磁路磁阻）=因此mRNL2=AlAlAl0222111μμμδ++AlNAlAlAlNRNLm02022211122μμμμδδ≈++==上式中，若通过改变上式中，若通过改变llδδ的改变来改的改变来改变变LL的值，为变气隙式传感器；若通过改变的值，为变气隙式传感器；若通过改变AA的来改变的来改变LL的值，为变截面式传感器；螺的值，为变截面式传感器；螺管式传感器变化的量比较多。管式传感器变化的量比较多。螺线管型螺线管型变面积型变面积型2．工作原理（自感型－差动变压器式）‹‹是把被测位移量转换成一次线圈与二次线是把被测位移量转换成一次线圈与二次线圈的互感量圈的互感量MM的变化，当一次线圈接入激励的变化，当一次线圈接入激励电源后，二次线圈就产生感应电动势，当电源后，二次线圈就产生感应电动势，当两者将的互感量变化时，感应电动势也发两者将的互感量变化时，感应电动势也发生变化。生变化。应用－位移测量‹‹测量时测头的测端与被侧件接触，被测件测量时测头的测端与被侧件接触，被测件的微小位移使衔铁在差动线圈中移动，线的微小位移使衔铁在差动线圈中移动，线圈的电感值将产生变化，这一变化通过引圈的电感值将产生变化，这一变化通过引线接到交流电桥，电桥的输出就反映被测线接到交流电桥，电桥的输出就反映被测件的位移变化量。件的位移变化量。应用－振动和加速度测量‹‹衔铁受振动和加速度的作用，衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大小反映了振动的衔铁的位移大小反映了振动的幅度以及加速度的大小。的幅度以及加速度的大小。应用－滚珠直接测量‹‹将送来的滚珠按顺序送入落料管将送来的滚珠按顺序送入落料管55中，中，滚珠的直径决定了电感传感器衔铁的滚珠的直径决定了电感传感器衔铁的位移量。电感传感器的输出经相敏检位移量。电感传感器的输出经相敏检波后送到计算机，计算直径的偏差值。波后送到计算机，计算直径的偏差值。完成测量后移开挡板完成测量后移开挡板88，滚珠落入与其，滚珠落入与其直径偏差对应的容器。直径偏差对应的容器。应用－液位测量‹‹由于液位的变化，沉筒所受浮力也将发生由于液位的变化，沉筒所受浮力也将发生变化，这一变化转变成衔铁的位移，从而变化，这一变化转变成衔铁的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，该输出值改变了差动变压器的输出电压，该输出值反映了液位的变化。反映了液位的变化。应用－压力测量应用－仿行加工机械零件‹‹铣刀与电感传感器安装在龙门