工程测试与信号处理技术02

1、12-10-23第二章 工程常用传感技术1第二章 工程常用传感技术参考：工程测试与信息处工程测试与信息处理（理（第第2版版），狄长安，孔德仁狄长安，孔德仁 等等 主编，国防工业出版社主编，国防工业出版社2-1 概述概述能感受或响应规定得被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，称为“传感器”。“被测量”：应变、位移、速度、加速度、温度、压力、流量、噪声等等；“有用信号”：电压、电流、开关量等等；2-2 应变式电阻传感器应变式电阻传感器 参考书：p59-692-2-1 金属电阻应变片的传感原理原理：应变效应：应变：材料的相对线变形量。单位：1 微应变 ( me)1/106R=rLAln

2、R= lnr+lnL-lnA取自然对数：两边微分得到：dRR=drr+dLL-dAADRR=Drr+DLL-DAA小变形情况下，近似有：(2-1)12-10-23第二章 工程常用传感技术2假设应变片纵轴方向应变为：假设应变片纵轴方向应变为：e=DLL电阻丝被拉长的同时，直径会按一定比例缩小：电阻丝被拉长的同时，直径会按一定比例缩小：Ddd=mDLL=me式中式中 m 称为称为“柏松比柏松比”，康铜的柏松比约为，康铜的柏松比约为 0.35。于是，电阻丝长度被拉延后，横截面积改变量：DAA=pd24-pd+ Dd()24pd24=d2-d+ Dd()2d2=-2dDd- Dd2d2 -2Ddd=

3、-2me金属丝拉延后其电阻率变化率为： ，系数 C 因材料而异。Drr=C1-2m()e将以上结果代入 (2-1) 式子，得到电阻变化率：DRR=C1-2m()e+e+2me= 1+C1-2m()+2me=Ke即，电阻的变化率正比于应变量，这个结果同样适用于电阻应变片。常用应变片的灵敏系数 K 2 ，通常由厂家通过实验确定，注明在产品说明书中。(2-01)12-10-23第二章 工程常用传感技术32-2-2 金属电阻应变片的使用方法l 桥式测量电路：栅区伸缩引起桥臂阻值变化，得到正比变化的输出电压 v 。l 应变片结构：基底、电阻丝、覆盖层、焊盘和引线，厚度0.05毫米左右。l 应变片基本参数

4、： 灵敏系数：一般2左右； 标称阻值：常用有120 、350、1000，0.2； 栅距：机械0.510mm，土木10100mm； 供桥电压：常用110V直流；12-10-23第二章 工程常用传感技术4l 应变片粘贴工艺： 引线和保护：在应变片附近粘贴接线端子板桥接导线，若无条件则应设法固定导线以避免拉断应变片引线。涂抹凡士林、润滑脂或覆盖一层石蜡防潮。 电阻值检查和分组：用万用表测量，阻值应该在标称阻值及给定误差范围内；用于组成一个电桥不同桥臂的各个应变片的阻值应该尽量选配一致。 被测物体表面处理：首先清理待测区域表面的油漆、锈斑、氧化层、油污、灰尘等，清理干净后用沙纸打磨平整，再用丙酮或无水

5、酒精擦拭干净。 标记定位线：用钢针在测点处画十字定位线，交叉点为应变片栅区中心。 粘合剂选用：短期测试（数月范围内）可用502胶水及其改性产品，长期测试则应采用厂家提供的专用胶水，并采用指定的粘贴固化工艺流程。所用粘合剂固化后应该有足够硬度，不能用凝固后呈显弹性状态的粘合剂。 粘贴应变片：在粘贴区上涂抹适量粘合剂，将应变片放置在胶液上轻轻移动，使粘贴面沾满粘合剂；用拇指隔着一层塑料薄膜滚压应变片，把应变片与粘贴表面之间的胶液尽量挤压出来，只剩一层均匀而稀薄的粘合剂。 检查：待粘合剂充分固化后，组成电桥并连接仪器，用橡皮擦子挤压应变片，不应有明显应变值，尤其不能出现明显信号跳变，否则，粘贴失败。

6、12-10-23第二章 工程常用传感技术52-2-3 测量电路及应变值与信号电压之间的换算关系l 电桥平衡条件：v=VR1R1+R2-R4R3+R4 ;R2R1=R3R4, orR1R3=R2R4v= 0当： 时，l 应变片灵敏系数，公式(2-1)：K=DRR()DLL()=DRR()el 1/4桥，即，单臂工作：电阻变化率与长度变化率之比v1 4=VR1+ DR1R1+ DR1+R2-R4R3+R4=VR3R4-R2R1+R3R4DR1R11+DR1R1+R2R11+R3R414VDR1R1=14VKe假设：R3R4=R2R1=12 2+DR1R1 4得到：e4v1 4KV(2-03)(2-

7、02)12-10-23第二章 工程常用传感技术6l 1/2桥，即，半桥工作，情况1：v1 2=VR1+ DR1R1+ DR1+R2-R4- DR4R3+R4- DR4=V1+DR1R11+R2R1+DR1R1-1-DR4R41+R3R4-DR4R4得到：e2v1 2KV(2-05)假设：R2R1=R3R4=12+DR1R1 22-DR4R4 2DR1R1=DR4R4=DRR=Ke=V1+DR1R11+R3R4-DR4R4- 1-DR4R41+R2R1+DR1R11+R2R1+DR1R11+R3R4-DR4R4(2-04)其中：v1 212VKe12VDR1R1+DR4R4=12VDRR12-1

8、0-23第二章 工程常用传感技术7v1 2=VR1+ DR1R1+ DR1+R2- DR2-R4R3+R4=V1+DR1R11+R2R1+DR1R1-DR2R1-11+R3R4DR1= DR2R2R1=R3R4=1其中：情况2：=V1+DR1R1+R3R4+R3R4DR1R1-1-R2R1-DR1R1+DR2R11+R2R1+DR1R1-DR2R1+R3R4+R2R1R3R4+R3R4DR1R1-R3R4DR2R1VR3R4DR1R1+DR2R11+R2R1+R3R4+R2R1R3R4=14VDR1R1+DR2R2同样得到：e2v1 2KVv1 212VKe12-10-23第二章 工程常用传感

9、技术8l 全桥工作：v1=VR1+ DR1R1+ DR1+R2- DR2-R4- DR4R3+ DR3+R4- DR4=V1+DR1R11+R2R1+DR1R1-DR2R1-1-DR4R41+R3R4+DR3R4-DR4R4DR1,3= DR2,4R2R1=R3R4=1其中：DRR2 0略去平方项：(2-06)=14VDR1R1+DR2R2+DR3R3+DR4R4=14V1+R3R4+DR3R4-DR4R4+DR1R1+R3DR1R4R1+DR3DR1R4R1-DR4DR1R4R1-1-R2R1-DR1R1+DR2R1+DR4R4+R2DR4R1R4+DR4DR1R4R1-DR2DR4R1R4

10、1+R3R4+DR3R4-DR4R4+R2R1+R3R2R4R1+R2DR3R1R4-R2DR4R1R4+DR1R1+R3DR1R4R1+DR3DR1R4R1-DR4DR1R4R1-DR2R1-R3DR2R4R1-DR3DR2R4R1+DR4DR2R4R1最后得到：ev1KVv1VKe(2-07)12-10-23第二章 工程常用传感技术9l 应变电桥的一般工作方式：R2R1=R3R4初始状态，即，平衡状态：任意一个桥臂，应变引起的电阻变化为：R+ DRDR 0DR 0 且与位移成正比。u 差动式位移传感器差动式位移传感器2：两个完全对称的差动线圈和两个完两个完全对称的差动线圈和两个完全对称的电

11、阻构成电桥，采用交流电源全对称的电阻构成电桥，采用交流电源 U 供桥。供桥。 当衔铁处在对称位置时，电感 L1=L2 ，阻抗 Z1=Z2 ，电桥平衡，输出电压 Uout = 0 ； 当衔铁偏离对称位置时，电感发生变化 L1+DL=L2-DL，阻抗 Z1Z2 ，输出电压 Uout 0 且与位移成正比。电感式位移传感器，量程电感式位移传感器，量程200毫米时分辨率可达毫米时分辨率可达1mm，是一种量程相对较大、，是一种量程相对较大、分辨率较高的位移传感器。缺点是属于接触式传感器，不能检测高速运动轴面。分辨率较高的位移传感器。缺点是属于接触式传感器，不能检测高速运动轴面。12-10-23第二章 工程

12、常用传感技术19 两个完全对称的次级线圈同名端相对连接，次级输出两个完全对称的次级线圈同名端相对连接，次级输出电压为：电压为：Uout=E1-E2 衔铁处在对称位置时，两次级线圈上的感应电压幅度相同、相位相反，输出为 0 ( 通常会有一些偏置，图中电压 E0 )。 当衔铁偏离对称位置时，两次级线圈上的感应电压幅度发生变化、相位仍然相反，输出信号的有效值： ，且正比于位移 d。Uout=E1-E2 02-4-2 差动变压器式（互感式）位移传感器差动变压器式（互感式）位移传感器2-4-3 电感式位移传感器信号调理电路原理电感式位移传感器信号调理电路原理 交流激励电压 U ； 电压放大； 相位鉴波输

13、出：d=kcvoutkc：系统标定系数 毫米 / 伏；12-10-23第二章 工程常用传感技术202-4-4 电涡流式位移传感器及其信号调理电路原理电涡流式位移传感器及其信号调理电路原理 等效电路：被测金属表面的涡流效应等效为一个互感线圈，其磁场抵消原线圈所产生的磁场，减弱原线圈的自感 L1； 涡流效应：由于存在互感 M ，激励电压 U 及其频率 w 给定后，线圈与被测表面之间距离 d 变化将而引起线圈阻抗 Z1 变化，变化量很小时 d 与 Z1 之间近似为线性关系； 测量电路：初始位置时，调整补偿电阻 Rt，使电桥平衡： 。Z1Z2=RtR距离 d 变化时引起线圈阻抗 Z1 变化，从而引起电

14、桥输出改变，放大后得到信号电压 Vout ，d 的变化范围很小时，Vout与 d 成正比。 特点：非接触、高分辨、高速、小量程，如：真尚有0.5SU，分辨率0.1微米，量程0.5毫米，输出电压 5V。12-10-23第二章 工程常用传感技术212-5 热电式传感器热电式传感器 参考书：p103-112 热电偶和热敏电阻等温度传感器。2-5-1 热电偶温度传感器热电偶温度传感器u 接触电势：eABT1( )-eABT2()u 温差电势：eAT1,T2()-eBT1,T2()u 热电偶回路电势：EABT1,T2()=eABT1( )-eABT2()+eAT1,T2()-eBT1,T2()以其中一个

15、端点，例如右侧端点的温度作为参考点，例如，将右侧端点置于冰水混合液中，即，恒有 T2 = 273.16K。于是，回路电势就只是另一端点温度 T1 的函数：EABT,0()=eABT( )-eAB0( )+eAT,0()-eBT,0()u 信号形式：与热电偶的材料有关，如铂铑热电偶的热电势约为10.575mV/C，具体可查“分度表”。u 调理电路：工程上称为“温度变送器”。输出为5V(10V)电压或4-20mA电流形式。12-10-23第二章 工程常用传感技术22u 常用热电偶 1990年国际温标规定了8种热电偶（热电极）名称名称分度号分度号测量范围测量范围(C)适用气氛适用气氛稳定性稳定性(C

16、)铂铑30铂铑6B2001800O、N1500良铂铑13铂R-401600O、N1500良铂铑10铂S-401600O、N1500良镍镉镍硅K-2701300O、N中等镍镉硅镍硅N-2701260O、N、R良镍镉康铜E-2701000O、N中等铁康铜J-40760O、N、R、V500良铜康铜T-270350O、N、R、V-170200 优钨铼3钨铼25WRe3-WRe2502300O、V、R中等钨铼5钨铼26WRe5-WRe2602300O、V、R中等O氧化气氛；N为中性气氛；R为还原气氛；V为真空12-10-23第二章 工程常用传感技术23u 热电偶的冷端补偿 0C恒温法：将冷端置于冰点槽中

17、，槽内为冰水混合物。准确度高，但工艺麻烦，通常用于实验室环境，或，用于温度传感器标定。 修正法：冷端置于某已知温度 T0 环境中，则，实测温度的热电势为：EABT,0()=EABT,T0()+EABT0,0()EAB(T,T0) ：冷端置于参考温度 T0 环境下实测得到的热电势；EAB(T0,0) ：参考温度 T0 相对于 0C 的热电势，可预先实测或查表得到。 电桥补偿法：利用一不平衡电桥产生的电势补偿冷端温度引起的电势。12-10-23第二章 工程常用传感技术24 有源电路补偿：将冷端置于0C环境时，冷端接触电势等价于一个电动势固定的微电池。因此，可以用一个电路形成一个与冷端电动势相同的电

18、压源模拟冷端特性。AD592与负载电阻构成精密电压源，为热电偶提供参考电压。2-5-2 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器u 金属丝热电阻：利用金属材料的电阻温度特性，即，金属材料电阻率随温度变化而改变的特性： RT=R01+aT()T 待测温度；R0 0C 时的电阻值；a 材料的温度系数，正温度系数的材料 a 0；u 铂热电阻：线性稍差，但稳定性很好，应用非常广泛。 12-10-23第二章 工程常用传感技术25常用型号：Pt100、Pt10等，其0C的电阻值分别 100 W 和10 W。Pt100常用测量范围在-200C 600C之间，Pt10用于 600C以上的高温环境。参数W100：铂

19、热电阻100C时阻值与0C时阻值之比。一般要求：R100R01.385精度指标：国产： A级，误差0.25%；B级，误差0.5%。 日本：A级0.06%；B级0.12%；C级0.24%；D级0.6%；u 热电阻信号调理电路：两线制、三线制电桥电路导线电阻自补偿。 12-10-23第二章 工程常用传感技术26u 热敏电阻：分为正温度系数热敏电阻(PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC)。由半导体材料制成，温度系数很大，因此，灵敏度和分辨率高。指数函数拟合：RT=R0eB1T-1T0T 待测温度；T0 参考温度；参考温度；R0 参考温度时的电阻值；R 待测温度下的电阻值；B 热敏电阻的材料常数，由实

20、验测得，通常在2000K6000K之间。热敏电阻的温度系数电阻的相对变化率：aT=dRTdTRT= -BT2u 线性化：模拟电路补偿；数字化补偿。温度测试用于温度控制时，可以借助作为系统核心的计算机，以数学模型为依据进行补偿。12-10-23第二章 工程常用传感技术272-6-1 光敏电阻光敏电阻2-6 光电式传感器光电式传感器 参考书：p85-103u 光敏电阻，硫化镉半导体。电阻随光照强度而减小（电导增加）。u 不同光敏材料，敏感的波长范围不同。可实现选择性敏感。硫酸铅的中心波长为23mm，红外波段。u 调理电路实例：光控开关电路、光电编码器。12-10-23第二章 工程常用传感技术282

21、-6-2 光敏晶体管光敏晶体管u 光敏二极管，截止状态下，没有光照时反向电流很小，称为“暗电流”；随着光照增加反向电流急剧增加形成“光电流”，光电流与照度成正比。u 光敏三极管，由两个PN结组成，但基极没有引出线。其 “光电流”比只有一个PN结的光敏二极管大 b 倍。u 特点，体积小、灵敏度高，但一致性和稳定性差。2-6-3 光电位置传感器光电位置传感器(PSD Position Sensitive Detector)u 一维PSD工作特点，入射光点的位置决定了两输出极的电流比例：I1I2=L2L112-10-23第二章 工程常用传感技术292-6-4 光纤光栅应变传感器简介光纤光栅应变传感器

22、简介u Bragg光栅，反射某一频率的入射光，反射光的波长取决于光栅的栅距 d ；u 光栅应变传感器，应变引起光栅栅距改变，检测发射光波长可得到应变值大小；u 特点1：没有电磁干扰、环境耐受能力强、稳定性好刻长期使用；u 特点2：多路复用、同步检测 单条光纤上刻蚀多个光栅，连续、同步、快速采集应变信号。u 多路复用，在同一条光纤上刻蚀多个光栅，每个光栅的栅距不同。无应变时反射波长各自不同，通过检测每个波峰的中心频率改变量，刻分别得到每个光栅应变大小；12-10-23第二章 工程常用传感技术302-7 磁电式传感器（霍尔传感器）磁电式传感器（霍尔传感器）工程测试技术基础，樊新海，国防工业出版社工程测试技术基础，樊新海，国防工业出版社：p145-1472-7-1 霍尔效应霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为“霍尔效应”。u e0 带电粒子的电荷量；u B 磁感应强度；u v 带电粒子的运动速度；FL=e0v