测试技术中的常用传感器课件模板

1常用传感器本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路1第3章常用传感器3.1概述1.传感器传感器（Transducer/Sensor）是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。非电物理量电信号目前，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。2现代信息技术的基础有三个主要方面：①信息采集——传感器技术②信息传输——通信技术③信息处理——计算机技术（包括软件和硬件）2.传感器的构成传感器由敏感器件、转换元件和基本转换电路组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。3.1概述3被测信息敏感元件转换元件辅助电源基本转换电路输出信息传感器构成框图3.传感器的分类2.1概述1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩42.1概述位移传感器,力传感器,滑觉传感器,压力传感器，流量传感器，温度传感器等.2)按被测量分类:52.1概述能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入转换为电能.（有源）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（无源）供给能量的变化.例如:电阻应变片.62.1概述4)按工作原理分类:电阻应变式传感器，电容传感器，磁电式传感器，光电式传感器，光纤式传感器等73.传感器的选用根据灵敏度、线性度、重复性、稳定性、精确度、动态特性、环境参数等指标选用。2.2电阻式传感器•电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,是能量控制型传感器。第2章常用传感器8上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数金属丝电阻R为AlR/金属电阻传感器工作原理1)工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数2.2电阻式传感器dAldAAldlAdR2代入AlR/dRAdARldlRdR金属应变片的电阻R为AlR/92.2电阻式传感器dAdAldlRdR有：金属丝：2rAdrdrldlRdR2金属丝体积不变：ldlrdr102.2电阻式传感器有：dRdR2对金属材料，导电率不变(不同于半导体材料）：)21(RdR金属丝应变片：11灵敏系数：/21/0dRdRS2)电阻应变式传感器--应变片电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。伸长缩短应变计2.2电阻式传感器金属应变计13•金属应变片按敏感栅的结构可分为：丝绕式、短接丝式、箔式等。3)应变片的主要参数5）其它表示应变计性能的参数如：工作温度（书P8论述较详）、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。1）几何参数：基长L和基宽b，制造厂常用b×L表示。B一般在10mm以下，l通常为2～30mm。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。4）允许电流：敏感栅流过电流，使得应变片产生温升，影响测量精度。一般规定25mA。(1)电阻温度系数的影响(2)试件材料和敏感栅材料线膨胀系数的影响因此，由温度变化引起的总的相对电阻增量为或温度补偿。常用的温度补偿方法有三种：桥路补偿法、应变片的自补偿、热敏电阻。t)RΔR(tSRΔR21)(βαtRΔRRΔRRΔR)()()(tS)(21ΔtββSαRΔR21t4).金属应变片的温度误差2.2电阻式传感器2.2电阻式传感器5)应变片测量电路043214231y))((ERRRRRRRRE16yE0E1R2R3R4R2.2电阻式传感器043214231))((ERRRRRRRREy令：RR1dRRR3RRR420))(()(ERRdRRRRRdRRREyRdRE40)21(dRR金属丝应变片：V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变172.2电阻式传感器电阻应变片的选择、粘贴技术1.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。2.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。3.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。4.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，立即放在应变贴片位置。182.2电阻式传感器5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。192.2电阻式传感器压阻式传感器原理drdrldlRdR2因电阻变化主要由电阻率变化引起，上式可简化为：dRdREL•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。包括：体形、薄膜型和扩散型。20基底半导体材料内部引线焊接板引出线2.2电阻式传感器电阻应变式传感器的应用：测力212.2电阻式传感器标准产品22•本研究所承担的省科委科研项目：“带传感装置骨外固定器研究”.案例：骨应力测量23案例：桥梁固有频率测量2.2电阻式传感器24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。2.2电阻式传感器25案例：冲床生产记数和生产过程监测2.2电阻式传感器26案例：机器人握力测量2.2电阻式传感器272.2电阻式传感器案例：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。282.2电阻式传感器29•1变阻器式传感器30•等效电路分析:xL2.2电阻式传感器•L-变阻器总长;•x-电刷移动量.•R-总电阻;•RL电刷电阻;Rx=K*xx=Rx/KEE1Lx=RRx=EE1x=L*E1/E312.2电阻式传感器x=L*E1/E=K1*E10LEE1x322.2电阻式传感器VRmEE1RxR-Rx1EE1xLRmRLx()-测量时的负载效应332.2电阻式传感器负载效应1EE1xLRmRLx()-[]0LE34(2)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;(3)变阻器式传感器的分类2.2电阻式传感器按测量类型：单圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器352.2电阻式传感器按制作方式：线绕电位器导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉36变阻器式传感器产品2.2电阻式传感器37案例：重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料2.2电阻式传感器原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻38案例：煤气包储量检测煤气包钢丝2.2电阻式传感器原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻39案例：玩具机器人（广州中鸣数码）2.2电阻式传感器原理：电机-转角-电位器-电阻40第2章、常用传感器2.2.2电容式传感器变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:AC+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。412.2.2电容式传感器a)极距δ变化型+++AC+++422.2.2电容式传感器4300AC当动极板向定极板运动时，极板间的距离减小，电容的增量000001//CAAC0当])(1[/1/200000CCC00CC20001ACCS100%灵敏度：相对误差：2.2.2电容式传感器差动结构：])([300022CC200022ACCS灵敏度：20)(100%相对误差估算：b)面积A变化型2.2.2电容式传感器4522RAC222222RRRC)(当动极板有角位移时,电容变化量:22RCS灵敏度：平面线位移型2.2.2电容式传感器46xbbxxxbC)(bxCSΔxb灵敏度：当动极板移动后，覆盖面积发生变化，由此产生的电容变化量柱面线位移型.2.2.2电容式传感器47dDlC/ln2DddDldDldDllC/ln/ln/ln222当覆盖长度l变化时，电容的变化量灵敏度：dDlCS/ln2产品.陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。压力变送器2.2.2电容式传感器48c)介质ε变化型AεC2.3电容式传感器492.3电容式传感器xxlbC000)(albbaCxxx)/ln()()/ln(dDhdDhCx0022产品.电容式液位传感器（液位计/料位计）2.3电容式传感器512.3电容式传感器1p2p硅油隔离膜绝缘体测量膜片固定极1C2C定极板质块绝缘体弹簧片定极板带材轧辊工作极板液压差传感器加速度传感器测厚传感器应用电容式传感器测钢带厚度电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。2.3电容式传感器532.3电容式传感器543测量电路a)电桥电路2.3电容式传感器55b)谐振电路LCfπ2102.3电容式传感器56d)运算放大器电路2.3电容式传感器57第2章、常用传感器2.2.3电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型582.4电感式传感器1自感型--可变磁阻式59niiiinimiAlWRWL12122002AWL自感系数00LLLL000200022AWAW)(001L)(0001LLS忽略铁磁阻灵敏度：1）变气隙式自感传感器初始间隙：0.1～0.5mm，δ0/Δδmax取5。3.4电感式传感器2）螺管式自感传感器00123456差动式变气隙自感传感器12312）（a）（b1WW2W1234x1e2e0e21eeeyx1W2WW)(a)(b2互感型--差动变压器WW1W2Eox-x工作原理:互感现象.EwEo3.4电感式传感器61测量电路：差动直流特点：宽、好、高、高应用：测直线和角位移、力单螺管线圈型螺管线圈差动双螺管线圈差动型传感器测量电路~3.4电感式传感器62差动变压器测量电路3.4电感式传感器63差动变压器位移传感器3.4电感式传感器64案例：板的厚度测量3.4电感式传感器65~案例：张力测量3.4电感式传感器66电感式接近传感器（金属）3.4电感式传感器673涡流式原理:涡流效应3.4电感式传感器68原线圈的等效阻抗Z变化：),,,(ZZ3.4电感式传感器693.4电感式传感器70产品：3.4电感式传感器71案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTube盘绕油管EddySensor涡流传感器ReferenceCircle参考圆3.4电感式传感器72案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测3.4电感式传感器73油管检