工程测试技术31

工程测试技术

第三章传感器原理及应用本章学习要求：了解传感器的分类；掌握常用传感器测量原理；了解测量电路；了解智能传感器的概念；了解典型传感器的应用。工程测试技术本章目录3.1概述（4学时）3.2电阻式传感器3.3电感式传感器（2学时）3.4电容式传感器3.5磁电式传感器3.6压电式传感器3.7热电式传感器（2学时）3.8光电式传感器（2学时）3.9其它类型的传感器3.10传感器的应用2工程测试技术3.1概述人类通过五种感官获取信息，在人的一生中发挥着传递信息和指导人类活动的重要作用眼——视觉，83%耳——听觉，11%鼻——嗅觉，3.5%舌——味觉，1%手——触觉，1.5%3工程测试技术人类感官获取信息的局限性感官生理机能的限制视觉：0.38～0.78μm听觉：20Hz～20KHz神经脉冲的速度：250Km/h受限于不同个体的思维和理解能力机械师听声识故障中医切脉、CT图像、超声图像对音乐的感受信号的频谱分析4工程测试技术人类感官的延伸—传感系统 传感器的作用类似于人的感觉器官。它把被测量如力、位移、温度等，换为易测信号，传送给测量系统的信号调理环节。传感器也可以认为是人类感官的延伸，因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物，例如，用热电偶可以测得炽热物体的温度；用超声波探测器可以测量海水深度；用红外遥感器可从高空探测地面上的植被和污染情况，等等。因此，可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。 传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。 随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素，被视为关键技术之一受到了普遍重视。深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中自动测量和自动控制的发展，以及人类观测研究自然界的深度和广度都具有重要的实际意义。5工程测试技术1.传感器的定义

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。物理量电量传感器

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量信号转换成电信号的装置。6工程测试技术国标GB/T7665-2005对传感器的定义“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。7工程测试技术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。V8工程测试技术3.传感器的分类按被测物理量分类按工作机理分类按信号变换特征按敏感元件与被测对象之间的能量关系9工程测试技术1)按被测物理量分类机械量：重量、力、压力、长度、位移、 速度、加速度、力矩、旋转角、 转数、流量、流速、厚度、真空 度、风速…声：超声波、声压、噪声…磁：磁通、磁场…温度：温度、热量、比热…光：亮度、色彩…10工程测试技术2)按工作机理分类11工程测试技术3)按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型和能量控制型能量转换型：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。12工程测试技术4)

按信号变换特征物性型：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：热敏电阻。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。13工程测试技术按工作机理分类14工程测试技术3.2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。 电阻式传感器的传感元件是电阻元件，根据欧姆定律工作。 按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、磁敏式、气敏式。15工程测试技术3.2.1变阻器式传感器 变阻器式传感器类似于电位器，当改变触点位置时，导体的相对长度发生变化，从而测量电阻发生改变，因而可用于位移（包括角位移）的测量。16工程测试技术1.变阻器式传感器等效电路分析L-变阻器总长；x-电刷移动量；R-总电阻；Rx-电刷电阻。xLEExLx=RRx=EExx=L*Ex/E17工程测试技术x=L*Ex/E=K*Ex0LEE1x18工程测试技术2.变阻器式传感器的性能参数线性(或曲线的一致性)；分辨率；整个电阻值的偏差；移动或旋转角度范围；电阻温度系数；寿命。19工程测试技术3.变阻器式传感器的分类按测量类型：多圈电位器单圈电位器直线滑动式电位器20工程测试技术按制作方式：线绕电位器导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉21工程测试技术4.变阻器式传感器产品22工程测试技术案例一：自动称量装置--配料设备原理：弹簧→力→位移→电位器→电阻

比较重量设定原材料23工程测试技术案例二：煤气包储量检测原理：钢丝→收线圈数 →电位器→电阻煤气包钢丝24工程测试技术3.2.2电阻应变式传感器 电阻应变式传感器的核心是电阻应变片。 电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。 电阻应变片(straingage)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。25工程测试技术1.工作原理 根据欧姆定律应变片的电阻R为：上述任何一个参数变换均会引起电阻变化，求导数：26工程测试技术有：代入27工程测试技术金属丝的截面积：体积不变时：电阻率的相对变化与轴向所受正应力σ有关：28工程测试技术电阻变化率与应力之间的关系灵敏度系数k0：29工程测试技术a.对金属应变片

分析式上式，1+2ν项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。在相同条件下1+2ν是常数。λE项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝来说λE是很小的可忽略。上式简化为：灵敏度系数k0是一常数只与材料本身有关。一般为：1.7~3.6。30工程测试技术金属应变片应变计31工程测试技术b.半导体应变片优点：灵敏度大（50-100，比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍）;横向效应和机械滞后极小；体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时其电阻率ρ发生变化的现象。从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使其电阻率ρ发生很大的变化。分析表明，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。32工程测试技术2应变片的主要参数几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。电阻值：应变片的原始电阻值。灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。33工程测试技术3应变片测量电路VER1R2R4R334工程测试技术单臂桥路的计算令：

V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压来测量应变。当：35工程测试技术双臂半桥的计算输入与输出基本为线性关系；输出是单臂桥的二倍。当：36工程测试技术全桥电路的计算当：输入与输出为线性关系；输出是单臂桥的四倍。37工程测试技术（１）电桥的输出电压V与桥臂电阻的变化率dR/R（或应变）成线性关系（在一定的应变范围内）。电阻应变仪的工作原理，就是利用上述关系，以电桥输出量的大小来确定应变值。（２）各个桥臂电阻的变化率dR/R（或应变ε）对输出电压的影响是线性叠加的，相邻桥臂符号相反，相对桥臂符号相同。（３）利用单、双臂半桥电路确定被测应变值，存在一定的误差。38工程测试技术4)

电阻应变式传感器的应用：测力将应变片直接粘贴于被测构件上，用来直接测量构件的应变或应力将应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器，常用来测力、位移、压力、加速度等物理量39工程测试技术电阻应变式传感器的应用40工程测试技术标准产品-LoadCell/ForceSensor41工程测试技术TorqueSensors42工程测试技术PressureSensor1—低压腔2—高压腔3—硅杯4—引线5—硅膜片43工程测试技术案例一：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。44工程测试技术案例二：机器人握力测量45工程测试技术案例三：振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为