河南理工大学工程测试技术基础第三章1.ppt

1、第三章、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,机械工程测试技术基础,传感器在测试技术中扮演的角色,1、产品检验和质量控制的重要手段,被动检测,主动检测（在线检测）,质量控制领域,2、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用,故障监测系统,动态监测,保证设备和人员安全提高经济效益,3、自动化系统中不可缺少的组成部分,生产过程：,“物流”,“信息流”,检测,获取信息,分析判断,自动控制,自动化：,信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行,4、检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步,检测手段水平决定科学研究的深度和广度,理

2、论研究成果离不开必要的检测手段,传感器检测系统重要构成部分,（信号检出部分）,（信号变换部分）,（分析处理部分、通信接口及总线）,传感器信号检出部分,传感器（Sensor）- 检出功能的器件,信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）,特点：,1）输出量为电压、电流、频率,2）输出的电信号一般较微弱：,电压 - 毫伏级、微伏级；电流 - 毫安级、纳安级,3）输出信号与噪声混杂在一起 - 传感器内部噪声 传感器的信噪比小、输出信号弱 - 信号淹没在噪声中,4）传感器的输出特性呈线性或非线性,选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件 以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制,电

3、阻、电容、电感,两种：数字量、模拟量,5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性,检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分,第三章、常用传感器,3.1 概述,1. 传感器定义,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。,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. 传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。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. 传感器的分类,3.1 概述,1)按被测物理量分类,

4、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,3.1 概述,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,3.1 概述,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.,3.1 概述,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,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

5、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.,第三章、常用传感器,3.2 机械式传感器,被测量,弹性元件,变形（位移）,敏感元件,电信号,指 示,3.3 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, 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,1 变阻器式传感器,第三章、常用传感器,等效电路分析:,x,L,3.3 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;,R=K*l,x=L*E1 / E,3.3 电阻式传感器,3.3 电阻式传感器,3.3 电阻式传感器,(2) 变阻器式传

6、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,3.3 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,3.3 电阻式传感器,按制作方式：,线绕电位器,变阻器式传感器产品,3.3 电阻式传感器,案例：重量的自动检测-配料设备,3.3 电阻式传感器,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,3.3 电阻式传感器,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,3.3 电阻式传感器,原理：电机-转角 -电位

7、器 -电阻,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)的变化而发生变化的现象。,3.3 电阻式传感器,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,3.3 电阻式传感器,金属应变片的电阻R为,代入,3.3 电阻式传感器,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,3.3 电阻式传感器,有：,对金属材料，导电率不变：,金属丝应变片：,应变计,3.3 电阻式传感器,金属应变计,3.3 电阻式传感器,2）半导体应变计：利用其压阻效应，即单晶半导体材料受某一方向外力作用时，电阻率变化的现象

8、。,简化为：,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) 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）。,3.3 电阻式传感器,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL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。,3.3 电阻式传感器,3) 应变片测量电路,3. 3 电阻式传感器,令：,金属丝应变片：,V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压而测得应变,3.3 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

9、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：贴片处置用细砂纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴片处，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。,3.3 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。,3.3 电阻式传感器,电阻应变式传感器的应用：测力,3.3 电阻式传感器,标准产品,案例：桥梁固有频率测量,3.3 电阻式传感器,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