农业工程测试技术-4

农业工程测试技术（4）孙裕晶2009.10.19回顾线性系统特性静态特性动态特性实现不失真测试条件回顾动态特性描述方法时域微分方程

线性时不变系统

传递函数H(s)

对微分方程式的两边作拉普拉斯变换

频率响应函数H(ω)

脉冲响应函数h(t)

传递函数H(s)系统的传输特性频率响应函数H(ω)定常线性系统的频率保持特性定常线性系统的幅频特性定常线性系统的相频特性频率特性函数频率特性函数脉冲响应函数h(t)X(s)=L[δ(t)]=1Y(s)=H(s)X(s)=H(s)学习内容导航……被测量信号调理传感器信号处理显示记录激励装置常用传感器原理及应用测试系统的特性测试系统测试系统应用及实例应变片电测技术振动的测量温度与湿度测量压力和流量的测量计算机控制测试系统测试系统结构常用传感器原理及应用

信号的变换与处理第4章常用传感器原理及应用分类用途：位移传感器、压力传感器、温度传感器、…

工作原理：电阻应变式、电感式、电容式、压电式、…被测量的转换特征：结构型和物性型能量传递方式：能量控制型传感器和能量转换型传感器主要内容电阻应变式传感器电感式传感器电容式传感器压电式传感器磁敏传感器光电式传感器集成传感器6.1电阻应变式传感器原理：利用电阻应变片将应变转换为电阻变化

功能：测量应变、力、扭矩、位移、加速度等

特点：灵敏度高、测量精确、动态响应快、技术成熟

电阻应变片金属电阻应变片半导体应变片一、电阻应变片式传感器结构1-敏感栅2-基片3-覆盖层4-引线l——应变片的基长，b——基宽材料直径为0.025mm左右的康铜(wCu为57％、wNi为43％)或镍铬合金丝(wNi为80％、wCr为20％)

阻值系列：60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1000Ω，以120Ω为最常用。电阻应变片式传感器工作原理电阻应变效应当金属丝在外力作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化。

微分电阻相对变化整理纵向应变电阻应变片式传感器工作原理应变系数或灵敏度金属电阻丝的灵敏度一般在1.7～3.6左右。金属电阻应变系数二、半导体应变片压阻效应半导体单晶材料在沿某一方向受到外力作用时，电阻率会发生相应变化的现象称为压阻效应。

1-基片2-半导体3-导线4-接线片5-引出线(1+2μ)ε很小灵敏度优点：灵敏度高，比金属应变片要高50～70倍，P型硅的灵敏度可达175。还有横向效应和机械滞后小、体积小等特点。类型体型半导体应变片薄膜型半导体应变片扩散型半导体应变片λ压阻系数半导体应变片电阻值温度稳定性差

因附加变形产生的电阻变化大灵敏系数温度稳定性差受拉应变和压应变时的K不一致

输出量较大时，非线性严重

600-1000με时非线性开始明显；1000με以上时非线性较大。半导体应变片灵敏度系数离散度大3%-5%局限性应变片的主要参数和工作特性应变片尺寸阻值灵敏度系数K零点飘移热输出丝式：3-5mm箔式：0.2-0.5mm最小尺寸：选片原则：试件测量部位大小；应变梯度；动态测试中擅长应不大于振动波长的特定条件：单向应力；轴线应力；材料一定，μ不变对已安装的应变片，在环境温度恒定，但无机械应变条件下，应变片指示应变随时间的变化。安装在线膨胀系数试件上，试件可以自由膨胀并不受外力作用，缓慢升（或降）温的均匀温度场内，温度变化引起的应变片指示应变。蠕变机械滞后应变极限横向效应系数绝缘电阻疲劳寿命最大工作电流应变片的主要参数和工作特性

标准：应变片承受应变为1000με时，经一小时应变片指示应变的变化量。对已安装的应变片，在环境温度恒定，加载和减载过程中同一载荷下应变片指示应变量大差值。位移传感器电阻应变片式传感器应用悬臂梁式位移传感器应变片式位移传感器1-测量头2-悬臂梁3-弹簧4-外壳5-测量杆6-调整螺母7-应变片电阻应变片式传感器应用直接把应变片贴在试件上机器人适用于电子汽车衡、轨道衡和测力系统安装方便适用于电子吊秤配料秤．机改电等悬挂称重系统三、电位器式位移测量传感器线绕电位器的阶梯输出特性光电式电位器结构图1-光电导体2-基体3-电阻薄膜4-窄光束5-导电带第1次实验：应变片的粘贴工艺表面清理划线应变片粘贴粘接层固化粘贴质量检验测量通断应变片和实践通断引线和试件间的绝缘电阻安装连接线连接端子、连接线检查应变片防护直流电阻电桥万用表兆欧表502胶无水乙醇如何评价应变片粘贴工艺对粘接剂要求强度固化过程变形小固化后不吸潮绝缘阻值高蠕变和滞后小工艺性能长期储存粘贴质量要求粘贴牢固胶层薄而均匀绝缘性好蠕变小Agreatlessonoflifeisdonn’tliketodowhatyoulikebutliketodowhatyouhavetodo.4.2电感式传感器自感式差动变压器式电涡流式

一、自感式传感器自感式传感器结构原理a)变气隙式b)变面积式c)螺旋管式1-铁心2-线圈3-衔铁磁阻线圈自感量二、差动变压器式传感器差动变压器示意图1-一次绕组2、3-二次绕组4-衔铁a)变气隙型b)变面积型c)螺管型优点：不存在机械过载问题，因为铁心完全能与变压器的其他部件分开；对高温、低温和温度变化也不敏感；能提供比较高的输出，常常用于中间无需放大的场合；可反复使用，价格合理。差动变压器式位移传感器的应用灵敏度：0.1～5V/mm或100mA/mm螺管型差动变压器线性范围：±2μm～±500mm，线性可达0.1％～0.5％。

三、电涡流式传感器将金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，像水中的漩涡一样，故称为电涡流或涡流。δ——位移、振动；ρ或μ——材质鉴别或探伤电涡流式传感器应用反射式电涡流式位移传感器

b)差动式a)单线圈式变间隙型变面积型结构简单、体积小、抗干扰能力强、不受介质污染等影响、可进行非接触测量、灵敏度高等特点；适合高速旋转或振动位移的测量，除测量位移外，还可用于测量厚度尺寸、物体表面粗糙度、无损探伤等。可测位移量程：0～80mm。电涡流式传感器应用透射式电涡流式位移传感器fl<f2<f3

L0—发射线圈L2—接收线圈被测金属板4.3电容式传感器εAδ极距变化型量程范围在0.01μm到数百μm。

a)直线位移型b)角位移面积变化型电容传感器主要参数介电常数极板覆盖面积极板距离电容式传感器应用液位测量示意图差动电容传感器变面积型电容位移传感器的结构图1、3-开槽弹簧2-活动电极5、6-固定电极7-调节螺母8-测杆4-测力弹簧线位移：0.01μm～0.1mm灵敏度高，实现非接触测量4.4压电式传感器压电效应某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力或拉力而使之变形时，它们的表面上会产生电荷，当将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种观象就称为“压电效应”。压电单晶压电陶瓷新型压电材料

石英晶体z-z:光轴y-y:电轴x-x:机械轴压电常数大、灵敏度高、价格低廉

柔软、不易破碎、面积大阵列传感器机器人触觉传感器逆压电效应（电致伸缩效应）有机压电薄膜压电半导体硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硫化钙(CaS)等压电材料压电式传感器等效电路压电晶片相当于一只平行极板介质电容器

a)压电晶体b)并联c)串联d)等效电路压电元件可以等效为一个具有一定电容的电荷源4.5磁敏传感器霍尔元件磁敏电阻磁敏管霍尔效应将导电体薄片置于磁场B中，如果在a、b端通以电流I，则在c、d端就会出现电位差，这一现象称为霍尔效应。电位差称为霍尔电势。霍尔效应原理图b霍尔电势霍尔元件可以用来测量磁场强度、位移、力、角度等。KH——霍尔常数；B——磁感应强度；α——电流与磁场方向的夹角。一、基本元件二、磁栅式位移测量系统磁栅磁栅是一种测量位移的数字传感器，它是在非磁性体的平整表面上镀一