测试技术第3章

会计学1测试技术课件第3章传感器在非电量电测系统中的作用：一是敏感作用：感受并拾取被测对象的信号二是变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号概述将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变化（开关传感器）；第1页/共58页2.传感器的分类(1)按被测物理量分类:(2)按传感器元件的变换原理分类:(3)按物理现象分类：位移传感器,流量传感器,温度传感器等.电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等.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.

例如:水银温度计,压电测力计.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.概述第2页/共58页能量转换型: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.能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测.

例如:超声波发生器和接受器.(4)按传感器的能量传递方式分类:(5)按输出信号分类：模拟式——输出为模拟量；数字式——输出为数字量。

概述第3页/共58页3.传感器的性能要求足够的容量匹配性好，转换灵敏度高精度适当，稳定性高反应速度快，工作可靠性高适应性和适用性强概述第4页/共58页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，色彩概述第5页/共58页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:热敏式电阻应变式变阻器式光敏式湿敏式3.2电阻式传感器3常用传感器第6页/共58页

电阻应变式传感器--应变效应电阻式传感器导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。应变片受力

应变

比例关系

比例关系

应变片电阻的变化

第7页/共58页1)工作原理式中，ρ——导线的电阻率，又称为电阻系数金属导线的应变电阻效应：当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。电阻式传感器第8页/共58页S由两部分组成：前一部分(1+2μ)是由金属导线的几何尺寸变化引起的；后一部分λE除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。μ：泊松系数，E:弹性模量，ε:纵向应变，λ:压阻系数

推导电阻式传感器第9页/共58页应变片受力后，电阻的变化dR则两边同除以R，同时R=ρL/A，则dL/L=ε——金属导线长度的相对变化，称纵向应变。dρ/ρ——导线电阻率的相对变化。dA/A——导线截面积的相对变化，称为称横向应变。

电阻式传感器第10页/共58页对于圆形截面积的导线，若其直径为D，则横向应变dD/D和纵向应变dL/L之比称为泊桑比，即故电阻式传感器第11页/共58页E为导线材料的弹性模量，λ为压阻系数，与材料有关。则已知当导体材料确定后，μ、λ、E均为常数，则(1+2μ+λE)为常数。灵敏度为：应变片电阻的相对变化率dR/R与应变ε之间是线形关系电阻式传感器第12页/共58页S由两部分组成：前一部分(1+2μ)单由金属导线的几何尺寸变化引起的；后一部分λE是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。电阻式传感器第13页/共58页(1)金属应变片（不变）金属应变计(2)

半导体应变片（变化）半导体应变计电阻式传感器第14页/共58页2)应变计分类金属应变计有:

1、丝式

2、箔式

3、薄膜式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计电阻式传感器a)金属应变计按敏感栅材料分第15页/共58页b)半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。应变计体型薄膜型扩散型

电阻式传感器第16页/共58页按基底材料和安装方法分

纸基应变片.胶膜应变片.浸胶基应变片.金属基应变片.临时基应变片.

应变片所用的基底材料不同,也会使应变片具有明显不同的性能特点,可分为:应变片按安装方法不同可分为:,粘贴式应变片.焊接式应变片.喷涂式应变片.按敏感栅的结构形状分单轴应变片

应变花.电阻式传感器第17页/共58页

每种应变片只能在一定的工作温度范围内使用,按其温度范围可分为:

⑴常温应变片其工作温度由-30℃至+60℃

⑵中温应变片其最高温度在+60℃～+350℃

⑶高温应变片最高工作温度＞+350℃

⑷低温应变片最低工作温度＜-30℃按应变片的工作温度分电阻式传感器第18页/共58页3)应变片的主要参数

1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L

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。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）。

电阻式传感器第19页/共58页a)温度误差当应变片粘贴在无外力,无任何约束的试件上时,在温度变化的情况下,应变片的电阻也会发生变化,这种现象称为应变片的温度效应.b)测量动态信号的误差应变片粘贴在被测构件上测得的应变往往认为是应变片中点的应变,但在测量一动态情况下的试件应变,而在应变片基长内的应变分布不是相同值.在同一瞬间应变片在基长上不同点所得应变是不同的值.4)电阻应变片的误差及其补偿电阻式传感器第20页/共58页案例：5)应用电阻式传感器第21页/共58页案例：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。德国HBM电阻应变式传感器电阻式传感器第22页/共58页3.3电容式传感器

1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:+++A

当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。3常用传感器第23页/共58页2分类

a)极距变化型;+++c)介质变化型电容式传感器

b)面积变化型:平面线位移型,角位移型,柱面线位移型.第24页/共58页3灵敏度

a)极距变化型;传感器的灵敏度近似为：变极距电容传感器平板电容器电容式传感器

第25页/共58页传感器灵敏度b)面积变化型a)平面线位移型平面线位移型c)角位移型传感器灵敏度角位移型电容式传感器

第26页/共58页c)介质变化型介质常数变化型电容式传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。电容式传感器

第27页/共58页4应用1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2.位移，移动，位置，膨胀3.挠度，变形，波动，倾斜4.尺寸，公差，分选，零件识别5.冲击，应变，轴向振动6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心电容式传感器

第28页/共58页3.4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

3常用传感器第29页/共58页1可变磁阻式原理:电磁感应电感式传感器W:线圈匝数；

L1:软铁长度；μ1：软铁磁导率；μ0：空气磁导率A1：铁芯导磁截面A0：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁第30页/共58页a)变间隙型可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁当μ0

、A0固定不变，改变δ时，L与δ呈非线形（双曲线）关系，L与δ的双曲线关系传感器灵敏度电感式传感器第31页/共58页b)变面积型可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁当μ0

、δ

固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系，传感器灵敏度L与A0的线形关系电感式传感器=常数第32页/共58页c）螺线管型当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。螺线管型电感式传感器第33页/共58页d)差动型变间隙型差动变压器输出特性传感器灵敏度电感式传感器第34页/共58页2涡流式高频反射式涡流传感器当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。低频投射式涡流传感器涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。涡流式电感传感器可分为1）高频反射式2）低频投射式电感式传感器第35页/共58页原线圈的等效阻抗Z变化：a)高频反射式：（集肤效应）高频反射式涡流传感器电感式传感器第36页/共58页b)低频透射式：（互感原理）低频透射式涡流传感器e2随材料厚度增加变化的规律电感式传感器第37页/共58页案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：电感式传感器第38页/共58页案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测电感式传感器第39页/共58页案例：测厚案例：零件计数电感式传感器第40页/共58页案例电感式传感器第41页/共58页3变压器式--差动变压器工作原理:互感现象.电感式传感器第42页/共58页应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;

压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,

应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：板的厚度测量~案例：张力测量电感式传感器第43页/共58页3.5磁电式传感器

1变换原理

磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势U为

磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

3常用传感器第44页/共58页2分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N磁电式传感器第45页/共58页3动圈式传感器

l:每匝线圈的平均长度；B:线圈所在磁场的磁感应强度；A:每匝线圈的截面积；θ:线圈运动方向与磁场方向的夹角；k:传感器的结构系数。磁电式传感器第46页/共58页4磁阻式传感器

磁电式传感器第47页/共58页3.6压电式传感器

1变换原理

某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。

3常用传感器第48页/共58页压电效应q=DF压电式传感器第49页/共58页压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：(1)放大微弱的压电信号(2)进行阻抗匹配

电压放大器电荷放大器压电式传感器2测量电路

第50页/共58页电压放大器放大器的输入电压：系统的输出电压为：系统的灵敏度为：当电缆长度变化时，Cc变化，ei变化，系统的灵敏度发生变化，此时测试比较困难压电式传感器第51页/共58页电荷放大器

当略去传感器的漏电阻Ra时qt≈ei(Ca+Cc+Ci)当略去电荷放大器的输入电阻Ri的影响时qf≈(ei-ey)Cf

则整个电路中的电荷为：q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

式中，ei为放大器的输入端电压；ey为放大器输出端电压；Cf为电荷放大器的反馈电容。压电式传感器第52页/共58页ey=-Kei

其中，K为放大器的开环放大倍数q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

所以开环增益K足够大系统的灵敏度为：在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关；系统输出灵敏度取决于