检测技术3(中ch5)

1、 检测技术 1第1章 过程控制简介第2章 模拟信号调整第4章 热传感器第5章 机械传感器 (应变传感器、运动传感器、压力传感器流量传感器)第5章 光学传感器2 第5章 机械传感器 3Chapter 5. Mechanical Sensors 5.1 简介机械变量通常与许多其他变量相关。许多量 (如力、压力、温度等) 通常都被转换成位移 (或运动)量来测量。4Chapter 5. Mechanical Sensors5.2 位移传感器 5Chapter 5. Mechanical Sensors 在工业上位移传感器的一些应用：传送带系统的定位6Chapter 5. Mechanical Sens

2、ors 控制阀的阀位7Chapter 5. Mechanical Sensors将压力或温度转换成位移来测量液位或物位测量8Chapter 5. Mechanical Sensors5.2.1 电位计型传感器 (1) 原理9Chapter 5. Mechanical Sensors(2) Rm的负载效应10Chapter 5. Mechanical Sensors例题： 一电位计型位移传感器用来测量一工件0 到 10 cm的位移，电位计电阻变化为0 到 1 K 。构建一个信号调理器使其具有0 到 10 V的输出。11Chapter 5. Mechanical SensorsI1I212Chap

3、ter 5. Mechanical Sensors运算放大器:特性理想值实际值开环增益 A100,000v/v偏置电压 Ves01mV基极电流 iA, iB010-6 to 10-14 A输入阻抗 Zi105 to 1011输出阻抗 Zo01 to 10共模抑制比（C.M.R.R）90 db13Chapter 5. Mechanical Sensors(2) 电位计的分辨率14Chapter 5. Mechanical Sensors(3) 电位计的结构15Chapter 5. Mechanical Sensors5.2.2 电容与电感传感器16Chapter 5. Mechanical Se

4、nsors(1) 电容 17Chapter 5. Mechanical Sensors组成形式范围电容值灵敏度大范围线性10.0 mm10 pF0.94 fF/m大范围旋转1.5 rad10 pF6.9 fF/mrad小范围线性100 m10 pF100 fF/m小范围旋转17 mrad10 pF580 fF/mrad18Chapter 5. Mechanical Sensors 简单电路：ecI19Chapter 5. Mechanical Sensors 线性化电路 1：20Chapter 5. Mechanical Sensors 线性化电路 1：21Chapter 5. Mechani

5、cal Sensors（2）电感 Ui22Chapter 5. Mechanical Sensors5.2.3 可变磁阻 23Chapter 5. Mechanical Sensors最常用的可变磁阻是线性可变差动变压器 (LVDT)24Chapter 5. Mechanical SensorsLVDT原理：25Chapter 5. Mechanical SensorsLVDT中需要相敏解调26Chapter 5. Mechanical Sensors用整流器检波：27Chapter 5. Mechanical SensorsLVDT的结构28Chapter 5. Mechanical Sen

6、sors例题： 一LVDT的铁芯最大移动范围是 +/-1.5cm，在该范围的线性度是+/-0.3%，其传递函数为 23.8mV/mm。若用其来跟踪一运动范围是If used -1.2 to +1.4 cm的工件，问其输出电压是多少？由于非线性产生的位置误差是多少？29Chapter 5. Mechanical Sensors5.2.4 液位传感器 (1) 机械式固定浮力型 30Chapter 5. Mechanical Sensors固定浮力机械传感器：31Chapter 5. Mechanical Sensors可变浮力型 LVDT32Chapter 5. Mechanical Sensor

7、s(2) 电气式电阻型33Chapter 5. Mechanical Sensors电容型 34Chapter 5. Mechanical Sensors 例题： 用电容传感器测量一个范围是0到 5 m的酒精液位，系统如图 5.10(b)。其指标如下： 酒精： K=26. 空气 ： K=1. 柱间距： d=0.5cm. 平板面积： A=2RL. 此处 R=5.75 cm， L=轴向距离。 当液位变化为0 到 5 m时，电容变化为多少？35Chapter 5. Mechanical Sensors(3) 超声波行36Chapter 5. Mechanical Sensors超声波传感器原理：37

8、Chapter 5. Mechanical Sensors(4) 压力 38Chapter 5. Mechanical Sensors5.3 应变传感器5.3.1 应变与应力(1) 定义 应力 39Chapter 5. Mechanical Sensors 应变 FFA40Chapter 5. Mechanical Sensors 剪切应力与应变 41Chapter 5. Mechanical Sensors应力-应变曲线42Chapter 5. Mechanical Sensors 弹性模量 弹性模量材料模量 (N/m2)铝6.891010铜11.731010钢20.701010聚乙烯3.4

9、510843Chapter 5. Mechanical Sensors Poission比44Chapter 5. Mechanical Sensors例题： 1000N的张力作用在截面积为410-4m2 、长度为10m的铝梁上，求其产生的应变为多少？45Chapter 5. Mechanical Sensors5.3.2 应变计原理 (1) 电阻变化 46Chapter 5. Mechanical Sensors 例题： 求一标称线电阻为120的应变计，在产生1000 m/m 应变时，电阻变化为多少？47Chapter 5. Mechanical Sensors(2) 温度效应 温度补偿的一

10、种方法 48Chapter 5. Mechanical Sensors5.3.3 金属应变计 (SGs)(1) 仪表系数 (GF)49Chapter 5. Mechanical Sensors(2) 结构 线型: 50Chapter 5. Mechanical Sensors箔型 (玫瑰形 ): 51Chapter 5. Mechanical Sensors(3) 信号调理两个效应: R is 非常小 温度T的效应桥路可以解决上述两个问题52Chapter 5. Mechanical Sensors单臂桥：53Chapter 5. Mechanical Sensors例题： 一 GF=2.03

11、的应变计， 其桥路电阻 RA=350，且R1=R2=350, 补偿应变片RD=350。如果Vs=10V，在产生 1450 m/m 的应变时，其偏置电压为多少？ 并求零位补偿电压与应变之间的关系。若应变为1 micro ，输出电压为多少？54Chapter 5. Mechanical Sensors双臂桥：55Chapter 5. Mechanical Sensors四臂桥：56Chapter 5. Mechanical Sensors5.3.4 半导体应变计 (SGs) (1) 原理 当有应变时物体的晶体结构会发生变化，从而引起电子与空穴发生变化。 (2) 仪表系数 57Chapter 5.

12、Mechanical Sensors(3) 结构 58Chapter 5. Mechanical Sensors (4) 信号调理配合桥路使用 59Chapter 5. Mechanical Sensors5.3.5 测压元件 半导体应变计SGs的一个重要应用就是测量力或重力。这类便送装置就是测压元件。60Chapter 5. Mechanical Sensors梁式结构：61Chapter 5. Mechanical Sensors梁式结构的测压元件：62Chapter 5. Mechanical Sensors柱式结构：63Chapter 5. Mechanical Sensors柱式结构

13、的测压元件：64Chapter 5. Mechanical Sensors 例题： 一个2.5 cm半径的铝柱测压元件，贴有检测应变片与补偿应变片。应变片接在Vs=2V的桥路中，且R1=R2=RD=120.0，GF=2.13 。如果施加0-5000lb的负载，问桥路的偏置电压为多少？65Chapter 5. Mechanical Sensors5.4 运动传感器运动： 位置的变化 V（速度） A （加速度）66Chapter 5. Mechanical Sensors5.4.1 运动类型(1) 直线运动67Chapter 5. Mechanical Sensors(2) 旋转运动68Chapt

14、er 5. Mechanical Sensors(3)振动 振动就是物体的位置随时间呈周期性的变化： x (t)=xosint69Chapter 5. Mechanical Sensors(4) 震动70Chapter 5. Mechanical Sensors5.4.2 加速度计原理(1) 弹簧-质量系统质量加速度的Newton定律弹簧作用的Hooke定律71Chapter 5. Mechanical Sensors(2) 自然频率与阻尼72Chapter 5. Mechanical Sensors(3) 振动效应“谐振”73Chapter 5. Mechanical Sensors5.4.

15、3 加速度计的类型 (1) 电位计型74Chapter 5. Mechanical Sensors(2) LVDT型75Chapter 5. Mechanical Sensors(3) 可变磁阻型 类似于 LVDT76Chapter 5. Mechanical Sensors(4) 应变计型77Chapter 5. Mechanical Sensors(5) 压电型 一些材料 (晶体) ，在受到应力时，其晶体断面上会产生电压。78Chapter 5. Mechanical Sensors 这类材料主要有：自然晶体：石英合成晶体：硫酸锂 极化铁电陶瓷：钛酸钡 79Chapter 5. Mecha

16、nical Sensors晶体未极化晶体极化压电材料80Chapter 5. Mechanical Sensors结构81Chapter 5. Mechanical Sensors5.4.4 速度传感器的类型 (1) 运动线圈或运动磁场传感器 (直线运动)82Chapter 5. Mechanical Sensors (2)飞球速度传感器 (旋转运动)83Chapter 5. Mechanical Sensors(3)接近开关传感器 (旋转或直线运动) Hall-效应型84Chapter 5. Mechanical Sensors涡流型85Chapter 5. Mechanical Senso

17、rs(4) 运动传感器的应用 - 测加速度 86Chapter 5. Mechanical Sensors - 测震动 87Chapter 5. Mechanical Sensors- 麦克风88Chapter 5. Mechanical Sensors - 地震仪89Chapter 5. Mechanical Sensors- 交通管理90Chapter 5. Mechanical Sensors运动与健身91Chapter 5. Mechanical Sensors 转数检测T92Chapter 5. Mechanical Sensors5.5 压力传感器93Chapter 5. Mech

18、anical Sensors5.5.1 压力原理(1) 力测量的基本方法 用已知的力与之平衡分析天平94Chapter 5. Mechanical Sensors台秤95Chapter 5. Mechanical Sensors 通过测量加速度 测量有力作用的弹性偏差96Chapter 5. Mechanical Sensors(2) 静态压力(3) 动态压力97Chapter 5. Mechanical Sensors(4) 单位国际单位制单位：国际单位制前缀：英制单位：在中国：98Chapter 5. Mechanical Sensors(5) 表压绝对压力：作用在物体上的压力 (Pabs

19、)表压：真空：差压： 99Chapter 5. Mechanical Sensors绝对压力绝对压力0真空 大气压 绝对零压力表压差压P1P2Pv100Chapter 5. Mechanical Sensors(6) 压头101Chapter 5. Mechanical Sensors例题： 一水槽盛水深度为7.0ft。问水槽底部压力分别为多少psi和Pa ？102Chapter 5. Mechanical Sensors 5.5.2 压力传感器（P1atm）对于 P1atm的压力测量，通常将其转成物理位移，之后再转成与之成比例的电信号进行测量。103Chapter 5. Mechanical

20、 Sensors (1) 压力计 U型管104Chapter 5. Mechanical Sensors 井型管105Chapter 5. Mechanical Sensors 斜管106Chapter 5. Mechanical Sensors(2) 弹性体传感器 隔膜型： 平面型 波纹型 膜盒型 封装型107Chapter 5. Mechanical Sensors应变计能用于隔膜108Chapter 5. Mechanical Sensors电容传感器也能用于隔膜(Fixed electrode )(Insulate diaphragm)(Measuring diaphragm)(Fix

21、ed electrode )(Base )(Silicon oil )(Glass )(Wire )109Chapter 5. Mechanical Sensors110Chapter 5. Mechanical Sensors 波纹管 111Chapter 5. Mechanical Sensors 博尔顿管 C-型, 112Chapter 5. Mechanical Sensors盘旋型 扭曲型 螺旋型 113Chapter 5. Mechanical Sensors 固态(SS) 压力传感器扩散硅型114Chapter 5. Mechanical Sensors115Chapter 5.

22、 Mechanical SensorsSS 传感器的结构：116Chapter 5. Mechanical SensorsSilicon oilSS sensorP1P2P1P2SS 差压传感器的结构：117Chapter 5. Mechanical Sensors118Chapter 5. Mechanical Sensors固态压力传感器的特性：体积小10 到 100mv/kpa宽范围的灵敏度响应时间在10ms级压力与电压的线性关系好易于使用。通常只有 3 个管脚： dc 电源(5v)、 接地、及输出。119Chapter 5. Mechanical Sensors 例题： 一固态压力传感器，对压力变化范围是0 到 25kPa时输出是25mv/kPa ，用其测量密度为1.3103kg/m3的液体液位。 如果液位从0 到 2m之间变化，问输出电