测试装置检测装置概述传感器教学PPT.ppt

2.3 测试装置,一、检测装置概述 检测系统组成、传感器的分类、传感器的特性 二、常用的机械量传感器 （一）位移传感器 电阻计、差动变压器式、电容式位移传感器、磁栅式、光栅式、编码器、感应同步器、旋转变压器 （二）速度、加速度传感器 测速发电机、压电式加速度计,2.3.1 概述,1.检测系统的组成 (1) 把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功能,传感器又称为一次仪表。 (2) 对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理,这叫作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。 非电量检测系统的结构形式如图4-1所示。 ,图 2.3-1 非电量检测系统的结构形式,图 2.3-2 非电量检测系统框图,2 . 传感器的组成 传感器一般由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成,如图所示。 ,图2.3-3 传感器的组成框图,（1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。 （2）传感元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 （3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。,3.传感器的分类 (1)按输入量分 即按测量对象对传感器进行分类。按输入量可分为：位移传感器、速度传感器、加速度、温度、湿度、压力等传感器。,(2)按测量原理分 有变电阻的：电位计式、应变式、压阻式、光敏式、热敏式 有变磁阻的：电感式、差动变压器式、涡流式、磁栅式 有变电容的：电容式、湿敏式 有变电荷的：压电式,(3)按输出量分,4.检测装置的静态特性 （1） 线性度。描述实际标定曲线与理想拟合直线之间的接近程度。,图2.3-4 传感器的线性度示意图,线性度可用下式计算： 式中： ; l线性度(非线性误差)； max最大非线性绝对误差； yfs 输出满度值。 （2） 灵敏度。传感器在静态标准条件下,输出变化对输入变化的比值称为灵敏度,用s0表示,即 ,（4-1）,对于线性传感器来说,它的灵敏度s0是个常数。 （3）迟滞。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量程输出yfs的百分数表示： 式中: hm输出值在正、反行程间的最大差值。 ,(4-2),(4-3),迟滞特性一般由实验方法确定,如图4-4所示。,图2.3-5 迟滞特性,（4） 重复特性。 传感器在同一条件下,被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时,所得的输出/输入曲线不一致的程度,称为重复特性,如图4-5所示。重复特性误差用满量程输出的百分数表示,即 式中: rm最大重复性误差。 重复特性也由实验方法确定,常用绝对误差表示,如图4-5所示。 ,(4-4),图2.3-6 重复特性,（5）分辨力。 （6）漂移。由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传感器的输出发生的变化称为漂移。 （7）精度。精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。 5. 传感器的动态特性 动态特性是指传感器测量动态信号时,输出对输入的响应特性。,2.3.2 常用的机械量传感器,位移式传感器 如图所示的电阻计的两端施加电压ui，输出电压uo正比于滑动电刷在电阻元件上的位置。电阻若做成直线式的，则其输出为uo=kuix；电阻若做成回转式的，则其输出为uo=kui。,1.电阻计,2.3.2 常用的机械量传感器,优点：结构简单，性能稳定，使用方便； 缺点：分辨力不高（分辨力的大小取决于电阻丝的粗细），噪声较大，电刷和电阻元件之间的接触面易磨损；,图2.3-9 可变磁阻式电感传感器,2 可变磁阻式电感传感器 典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图所示,它主要由线圈、铁心和活动衔铁组成。,其中： 0空气磁导率； w线圈匝数。 上式表明,自感l与空气隙的大小成反比,与空气隙导磁截面积a0成正比。当a0固定不变而改变时,l与成非线性关系,此时传感器的灵敏度为 ,3. 涡流式传感器 涡流式传感器的变换原理,是金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图所示,金属板置于一只线圈的附近,它们之间相互的间距为。 （1）高频反射式涡流传感器。如图所示,高频(1 mhz)激励电流i0产生的高频磁场作用于金属板的表面,由于集肤效应,在金属板表面将形成涡电流。,图2.3-10 高频反射式涡流传感器,（2） 低频透射式涡流传感器。 低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示。,图2.3-11 低频透射式涡流传感器 （a） 原理图； （b） 曲线图,4.互感型差动变压器式电感传感器 差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器,其结构形式有多种,以螺管型应用较为普遍,其结构及工作原理如图（a）、（b）所示。 ,图2.3-12 差动变压器式电感传感器 （a）、（b）工作原理; （c）输出特性,图2.3-14 光栅测量原理,5. 光栅尺 光栅由标尺光栅和指示光栅组成,两者的光刻密度相同,但体长相差很多,其结构如图所示。,图2.3-15 莫尔条纹示意,标尺光栅和指示光栅是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列的,如图所示。,光栅莫尔条纹的特点是起放大作用,用w表示条纹宽度,p表示栅距,表示光栅条纹间的夹角,则有 若p0.01mm, =0.001, 问莫尔条纹的宽度？ 答：莫尔条纹的宽度为10mm,则放大倍数相当于1000倍,即利用光的干涉现象把光栅间距放大1000倍,因而大大减轻了电子线路的负担。,图2.3-17 感应同步器原理图,6.感应同步器 滑尺表面刻有两个绕组,即正弦绕组和余弦绕组,见图。,图2.3-18 圆盘式感应同步器 （a） 定子； （b） 转子,圆盘式感应同步器如图所示,其转子相当于直线感应同步器的滑尺,定子相当于定尺,而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。,鉴相式。 所谓鉴相式,就是根据感应电势的相位来鉴别位移量。 即ua=umsint,ub=umcost时,则定尺上的绕组由于电磁感应作用将产生与激磁电压同频率的交变感应电势。图说明了感应电势幅值与定尺和滑尺相对位置的关系。,图2.3-19 滑尺绕组位置与定尺感应电势幅值的变化关系,7.磁栅式 （1）结构：磁栅式传感器由磁栅、磁头、测量电路组成。 （2）分类： 用于直线测量：实体式磁栅，带状磁栅，线状磁栅 用于角位移测量：回转型磁栅,图2.3-20 磁栅工作原理,8.编码器 （1）组成 编码器主要组成如图所示。由码盘、光源加两个透镜、光电管和后续的处理电路组成。,图2.3-21 四位光电编码器工作原理,8.编码器 （2）分类： 按照码盘转角反映的是绝对位置还是相对位置进行分类：绝对值型 、增量型 绝对值式编码器是通过读取编码盘上的图案信息来表示数值的。 增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。,图2.3-21 四位光电编码器工作原理,图2.3-22 增量式编码器工作原理,7.旋转变压器 旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。,图2.3-23 旋转变压器工作原理,2.3.3 速度、加速度检测,1 光电式转速传感器 光电式转速传感器是一种角位移传感器,由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成,如图2.3-23所示。,图 2.3-24 光电式转速传感器的结构原理图,根据测量单位时间内的脉冲数n,则可测出转速为 （4-19） 式中: ; z圆盘