机械工程测试技术基础（张军）第三章.ppt

第三章常用的传感器 Sensor transducer Resolution thresholdvalue null excitation outputRepeatabilityofmeasurement hysteresis driftSensitivity linearity least squaresline naturalfrequencyCalibration response span 3 1传感器的分类 按被测量分类 位移传感器力传感器温度传感器按工作原理分类 机械式电气式光电式流体式 按信号变换特征分类 物性型 结构型按敏感元件与被测对象间能量关系 能量转换型 能量控制型按输出信号分类 模拟式 数字式 名词 物性型传感器 依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换 如 水银温度计 压电测力计结构型传感器 依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换 如 电容式传感器 电感式传感器 能量转换型传感器 无源传感器 直接由被测对象输入能量使其工作 如热电偶温度计 弹性压力计能量控制型传感器 有源传感器 从外部供给辅助能量使传感器工作 并由被测量来控制外部供给能量的变化 如 电阻应变计 3 2机械式传感器 以弹性体作为传感器的敏感元件 又称为弹性敏感元件 输入量 力 压力 温度输出 弹性元件本身的变形 转变为仪表指针的偏转 如 测力计 弹簧秤 波纹膜片 双金属片特点 结构简单 可靠 使用方便 价格低廉 读数直观 缺点 放大和指示环节存在间隙 惯性大 固有频率低 3 3电阻式传感器 机械量 电阻变化分类 变阻式 大电阻式应变式 小电阻式 一 变阻器式传感器 电位计式 电阻率 L 长度 A 截面积 单位长度的电阻 常数 输入量 触点C移动量位移 C点与A点之间电阻输出量 传感器灵敏度 对于图a 当 RL 时 则 在u0作用下 传感器输入量x与输出量uy之间的关系 u0 直流激励电压uy 传感器输出电压xp 变阻器总长度Rp 变阻器总电阻RL 后续测量电路的输入电阻 优缺点 优点 结构简单 性能稳定 使用方便缺点 分辨率低 低于20 m 电噪声大 uy x曲线为阶梯形状 应用于 线位移 角位移测量 测量仪中电子电位差计等 二 电阻应变式传感器 1金属电阻应变片金属丝式应变片 电阻丝式应变片 金属箔式应变片 应变计 金属应变计 由 得到 电阻的相对变化 电阻丝轴向相对变形 纵向应变 电阻丝径向相对变形 横向应变 电阻丝材料泊松比 弹性模量 压阻系数 应变系数或灵敏度 2半导体应变片 应用半导体材料的压阻效应 压阻效应 单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时 能使其电阻率发生很大变化的现象 一般比金属丝电阻应变片大50 70倍 优点 灵敏度高 机械滞后小 横向效应小 体积小 缺点 温度稳定性能差 灵敏度分散大 在较大应变作用下 非线性误差大 3应用 直接用来测定结构的应变或应力 将应变片贴于弹性元件上 作为测量力 位移 压力 加速度的传感器 案例 冲床生产记数和生产过程监测 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 案例 桥梁固有频率测量 案例 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 爆破等破坏行为均可及时发现 案例 机器人握力测量 注意的问题 应变片测出的是应变 必须经过转换粘贴工艺很重要用于动态测量时 应考虑应变片本身的动态特性 激励电源频率 基片的长度 温度变化引起阻值变化 需考虑温度补偿 3 4电感传感器 被测机械量 电感量 互感量 分类 自感型 可变磁阻式 电涡流式 互感型 差动变压器式 变换原理 基于电磁感应 一 可变磁阻式电感传感器 工作原理 由电工学知 线圈自感量L为 W 线圈匝数Rm 磁路总磁阻 如果空气隙 较小 而且不考虑磁路的铁损时 总磁阻 l 铁心导磁长度 铁心导磁率 A 铁心导磁截面积 A a b 气隙长度 0 空气导磁率 0 4 10 7 A0 空气隙导磁横截面积 铁心磁阻与空气隙的磁阻相比很小 可忽略 则电感量 可构成 0 A0及W变化型传感器 铁心导磁率 A 铁心导磁截面积 气隙长度W 线圈匝数 在气隙 变化型中 L与 是呈非线性关系 双曲线 灵敏度 由于S不是常数 会出现线性误差 一般规定在较小间隙范围内工作 工作范围 0 0 一般取 0 10 这种传感器使用于小位移的测量 一般为0 001 1mm 特点 灵敏度高 图3 22几种常用可变磁阻式传感器的典型结构 电涡流式电感传感器 工作原理 电涡流现象 金属板置于一只线圈附近 相互距离为 当线圈中有一高频交变电流I通过时 便产生磁通 1 此交变磁通通过邻近的金属板 金属板上便产生感应电流i1 这种涡电流也将产生交变磁通 1 根据楞次定律 涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反 1总是抵抗 的变化 由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化 变化程度与距离 有关 例如 ST 1 03型非接触电涡流传感器 测头直径 8 线性度 1 1 测量范围 2mm 稳定度 0 05 灵敏度 8mv m 分辨率 0 125 m其它 0 A0及W变化型 S为常数 但S比较低 自感式传感器 还有差动式 单螺管 双螺管差动式 产品 案例 连续油管的椭圆度测量 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 互感型 差动变压器 工作原理 利用电磁感应中的互感现象 与变压器的原理相同 M 比例系数 称为互感 H 其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关 它表明两线圈之间的耦合程度 螺旋管式差动变压器式传感器 传感器线圈为原边 R1 L1为线圈电阻 电感 涡流回路为付边 R2 L2为等效电阻 电感 等效回路方程 传感器的线圈等效阻抗Z1 实部 线圈的等效电阻 虚部 线圈的等效电感测得线圈等效电阻或等效电感变化就测得间隙的变化 变压器由初级线圈W和两个参数完全相同的次级线圈W1 W2组成 线圈中心插入圆柱形铁心P 次级线圈W1及W2反极性串联 当初级线圈W加上交流电压时 次级线圈W1及W2分别产生感应电势e1和e2 其大小与铁心位置有关 当铁心在中间位置时 e1 e2 输出电压e0 0 铁心向上运动时 e1 e2向下运动时 e1 e2 随着铁心偏离中心位置 e0逐渐增大 其输出特性如图所示 自感型的单螺管传感器加上初级线圈W 都可以变成变压器式传感器 简称差动式变压器 特点 线性测量范围大 可达 100mm精度高 分辨率可达0 1 m 稳定性好 变压器隔离作用 支流去除 频率响应 0 200Hz 频率响应低 案例 板的厚度测量 案例 张力测量 3 5电容式传感器 被测量 电容量变化 变化原理 平行极电容器 极板间介质的相对介电常数 在空气中 1 0 真空中介电常数 0 8 85 10 12F m 极板间距离 A 极板面积当 A 变化 都会引起电容的变化 对应极距变化型 面积变化型和介质变化型 极距 变化型 c与 之间关系呈非线性 一般取 0 10 S近似为常数 在此范围内 近似为线性 面积变化型 电容式接近开关 测量头构成电容器的一个极板 另一个极板是物体本身 当物体移向接近开关时 物体和接近开关的介电常数发生变化 使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化 接近开关的检测物体 并不限于金属导体 也可以是绝缘的液体或粉状物体 测量电路 3 6压电式传感器 被测机械量 压电敏感元件的电荷输出 一 压电材料与压电效应 压电效应 正压电效应 某些晶体在其表面施加力 不仅几何尺寸发生变化 而且内部极化 在其表面出现电荷 形成电场 当外力消失时 材料重新回复到原来状态 这种现象成为正压电效应 逆压电效应 将这些晶体置于电场中 其几何尺寸也发生变化 这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象 称为逆压电效应 或称为电致伸缩效应 压电材料 1 压电单晶 石英 铌酸锂 稳定性好 灵敏度低 压电多晶 压电陶瓷 锆钛酸铅 稳定性差 灵敏度高 压电半导体 有压电半导体两特性 有机压电薄膜 聚丙二氟乙烯 PVPF 灵敏度低 用于微压 拟人触觉 大面积生产 柔软不易碎 二 石英晶体的正压电效应 石英晶体成分SiO2 其基本结构为六棱柱体 石英晶体的直角坐标 X X 压电轴 Y Y 机械轴 Z Z 光轴 在石英晶体中切出一个平行六面体 其对表面分别垂直于X Y Z轴 a 纵向效应 b 横向效应 c 切向效应 纵向压电效应沿X方向施加Fx力 将在垂直于X轴表面出现电荷qxqx d11Fxd11 2 31 10 12C N 横向压电效应沿Y方向施加Fy力 将在垂直于X轴表面出现电荷qxqx d11Fy 切向压电效应在垂直于Z轴两个石英表面上施加切向力Fy切 则在垂直于X X轴的表面产生电荷qxqx d14Fy切d14 0 73 10 12C N 沿Z轴表面施加Fz作用力 其表面不产生电荷 三 石英晶体压电效应的物理解释 组成石英晶体的硅离子和氧离子 在垂直于Z轴平面上的投影可以等效为正六边形的顶点排列 当不受力时 硅 氧离子的正 负电荷的等效作用中心重合 对外不显电性 纵向压电效应在Fx力的作用下 石英晶体变形 硅 氧离子的正 负电荷的等效作用中心沿X轴方向分离 因此在垂直于X轴的晶体表面将吸附电荷 形成偶极子电场 与外力电场平衡 四 压电传感器及等效电路 单向石英压电测力传感器 若R0 时 石英 4 5锆钛酸铅 1200 传感器输出电压u与C0 R0的关系 其稳态解为 电容上的电压值为 在C一定时当R0 0时 u 0 当R0 时 u q0 Csin wt 因此 提高测量精度 即减小电荷漏失 要R0尽量大 理想 五 测量电路 电压放大器 电荷放大器 设R0 其中电缆对地电容CC比Ca和CI都大 故整个测量系统对电缆对地电容的变化非常敏感 从而使仪器的灵敏度发生变化 设R0 uI 放大器输入电压 uy 放大器输出电压A 电荷放大器开环增益Cf 电荷放大器反馈电容 电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比 与电缆对地电容无关 但电路复杂 价格昂贵 六 应用 正压电效应测力 加速度 扭矩 逆压电效应振动送料器 执行器 加速度计 力传感器 YDS 78 型石英压电传感器测力范围 5000N分辨率 0 01N线性误差 5 1013 固有频率 50KHz工作温度 60 140 重量 10克尺寸 18mm 7mm获省科技成果一等奖 3 7磁电式传感器 磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器 又称电磁感应式或电动力式传感器 感应线圈的感应电动势e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 都会改变感应电动势 2分类 磁电式 动圈式 磁阻式 线速度型 角速度型 一 动圈式 动圈式传感器 测速电机 动圈磁电式传感器等效电路 二 磁阻式 磁阻式传感器工作原理及应用实例a 测频数b 测转速c 偏心测量d 振动测量 磁阻式传感器 1 双金属温度计 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的 它是一种固体膨胀温度计 可将温度变化转换成机械量变化 优点 结构简单牢固可靠防爆 3 8热敏传感器 2 热电温度计 热电偶 热电效应 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路 当两个接点温度不同时 在回路中就会产生热电势 形成电流 此现象称为热电效应 k 玻耳兹曼常数 e 电子电荷量 T 接触处的温度NA NB 分别为导体A和B的自由电子密度 热电偶测温基本定律 1 均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路 不论导体的横截面积 长度以及温度分布如何均不产生热电动势 2 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体 只要其两端的温度相等 该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势 3 参考电极定律两种导体A B分别与参考电极C组成热电偶 如果他们所产生的热电动势为已知 A和B两极配对后的热电动势可用下式求得 由于铂的物理化学性质稳定 人们多采用铂作为参考电极 3 热电阻传感器 1 铂电阻 铂电阻的特点是精度高 稳定性好 性能可靠 WZB型铂电阻体 2 铜电阻 铜电阻具有线性度好 电阻温度系数高以及价格便宜的等优点 3 9半导体传感器 1磁感应半导体元件分类 霍尔元件 磁电阻元件 磁敏二极管 磁晶体管 磁半导体开关 一 磁敏传感器 利用半导体材料的磁敏特性来工作的 霍尔元件 磁阻元件 磁敏管 2磁电阻元件 磁阻效应 特点电阻的增量与磁场的平方成正比 与磁场的正负无关 温度系数影响大 磁感应的范围比霍尔元件大 应用磁头 接近开关和无触点开关 案例 转速测量 3霍尔元件 霍尔元件及霍尔效应原理 霍尔元件由霍尔片 引线和壳体组成 测转角 电流传感器 当电流流过导线时 将在导线周围产生磁场 磁场大小与流过导线的电流大小成正比 这一磁场可以通过软磁材料来聚集 然后用霍尔器件进行检测 铁磁材料裂纹检测 叶片和齿轮位置传感器 应用 案例 汽车速度测量 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量 并能将光能转化成电信号的器件 其工作原理是基于一些物质的光电效应 内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子 空穴对 使其导电性能增强 光线愈强 阻值愈低 这种光照后电阻率发生变化的现象 称为内光电效应 光敏电阻 光敏二极管和光敏三极管 二 光敏传感器 光敏电阻是一种光电导元件 其工作原理是基于半导体材料的内光电效应 既当半导体受到光照射时 其电阻值减小的现象 光敏电阻阻值与光的波长有关 受温度影响大 照相机自动测光光控灯工业控制 光电池 光生伏特效应指半导体材料P N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应 以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件 一般常用光电池有硒 硅 锑化铬 硫化铬 硅光电池 光谱范围0 1 1 1 m 灵敏度6 8nAmm 2lx 1 响应时间微妙 应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式 直射式 吸收式 遮光式 反射式 四种基本形式 案例 光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移 相机测距反射式光电传感器 三 光敏二极管和光敏三极管 和光电池 光敏二极管比较 光敏三极管具有输出信号大 产生光电流部分与放大部分集中在一起 具有良好的抗噪声能力 响应速度慢些 利用光电传感器进行边缘位置检测的装置 用于带钢冷轧过程中控制带钢的移动位置纠偏 三 固态图象传感器 从功能上说 是能把受光面的光像分成许多小单元 像元 并将它们转换成电信号 然后顺序地输送出去的器件 从结构上 是小型固态集成单元 核心部分多是电荷耦合器件 ChargeCoupledDevice简称CCD CCD由阵列式排列在衬底上的金属 氧化物 硅 MetalOxideSemi Conductor 简称MOS 电容器组成 具有光生电荷 积蓄和转移电荷的功能 固态图象传感器具有 小型 轻便 响应快 灵敏度高 稳定性好 寿命高和以光为媒介可以到达危险地点的优点 用途 物位 尺寸 形状 工件损伤等测量作为光学信息处理的输入环节 如电视摄像 传真技术 光学文字识别技术和图象识别技术中的输入环节 自动生产过程的控制敏感元件 四 热敏电阻 由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结而成的半导体 具有负的电阻温度系数 随温度上升而阻值下降 与金属丝电阻比较优点 灵敏度高可制成片状 柱状 热惯性小 响应速度快 时间常数可到毫秒级元件本身电阻值可在3 700k 选择 导线电阻影响小 50 350 温度范围稳定性好 缺点 非线性大 对环境温度敏感性大 产品 温控器 应用 汽车发动机传感器 水温感应塞 还广泛应用于空调 暖气 电子体温计等 五 气敏传感器 六 湿敏传感器 烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器 3 10光纤传感器 一 分类 光纤传感器以光学量转换为基础 以光信号为变换和传输的载体利用光导纤维输送信号 把光波随被测量的变化而变化 称为对光的调制 分为 强度调制 频率调制 相位调制和偏振调制 光纤作用 功能型和传光型 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性 将输入物理量变换为调制的光信号 1 物性型光纤传感器 光纤流速传感器 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统 其中光纤仅作为光的传播媒质 所以又称为传光型或非功能型光纤传感器 2 结构型光纤传感器 二 光纤导光原理 三 光纤传感器的应用 四 光纤传感器的特点 1 采用光波传递信息 不受电磁干扰 电气绝缘性能好 可在强电磁干扰下完成传统传感器难以完成的某些参量的测量 特别是电流 电压测量 2 光波传输无电能和电火花 不会引起被测介质的燃烧 爆炸 光纤耐高压 耐腐蚀 因而能在易燃 易爆和强腐蚀性的环境中安全工作 3 某些光纤传感器的工作性能优于传统传感器 如加速度计 磁场计 水听器等 4 重量轻 体积小 可挠性好 利于在狭窄空间使用 5 光纤传感器有良好的几何形状适应性 可做成任意形状的传感器和传感器阵列 6 频带宽 动态范围大 对被测对象不产生影响 有利于提高测量精确度 7 利用现有光通讯技术 易于实现远距离测控 3 10传感器的选用原则 一 灵敏度 灵敏度高好 低好 传感器灵敏度越高越好 灵敏度越高 传感器所能感知的变化量越小 被测量稍有一微小变化时 传感器就有较大的输出 当灵敏度愈高时 与测量信号无关的外界干扰也愈容易混入 并被放大装置所放大 必须考虑既要检测微小量值 又要干扰小 要求信噪比愈大愈好 既要求传感器本身噪声小 且不易从外界引人干扰 当被测量是向量时 在该方向灵敏度愈高愈好 而横向灵敏度愈小愈好 在测量多维向量时 要求交叉灵敏度愈小愈好 测量范围与灵敏度紧密相关 除非有专门的非线性校正措施 最大输入量不应使传感器进入非线性区域 更不能进入饱和区域 在较强的噪声干扰下进行测试 输入量包括被测量 及干扰量 两者之和不能进入非线性区 过高的灵敏度会缩小其适用的测量范围 二 响应特性 在所测频率范围内 传感器的响应特性必须满足不失真测量条件 实际传感器响应总有一定迟延 但总希望迟延时间愈短愈好 利用光电效应 压电效应等物性型传感器 响应较快 可工作频率范围宽 结构型 如电感 电容 磁电式传感器等 往往由于结构中的机械系统惯性的限制 其固有频率低 可工作频率较低 在动态测量中 传感器的响应特性对测试结果有直接影响 在选用时 应充分考虑到被测物理量的变化特点 如稳态 瞬变 随机等 三 线性范围 传感器都有一定的线性范围 在线性范围内输出与输入成比例关系 线性范围愈宽 则表明传感器的工作量程愈大 传感器工作在线性区域内 是保证测量精确度的基本条件 例如 机械式传感器中的测力弹性元件 其材料的弹性限是决定测力量程的基本因素 当超过弹性限时 将产生线性误差 任何传感器都不容易保证其绝对线性 在许可限度内 可以在其近似线性区域应用 例如 变间隙型的电容 电感传感器 均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作 选用时必须考虑被测物理量的变化范围 令其线性误差在允许范围以内 四 可靠性是传感器和一切测量装置的生命 可靠性是指仪器 装置等产品在规定的条件下 在规定的时间内可完成规定功能的能力 只有产品的性能参数 特别是主要性能参数 均处于规定的误差范围内 方能视为可完成规定的功能 为保证传感器应用中具有高的可靠性 事前须选用设计 制造良好 使用条件适宜的传感器 使用过程中 应严格保持规定的使用条件 尽量减轻使用条件的不良影响 电阻应变式传感器 湿度会影响其绝缘性 温