合工大传感器原理及应用

课程内容回顾-I,吴喆wanlingren2015年6月5日,Principleandapplicationofsensor,1.1传感器分类,按被测物理量分类,测量位移：电容传感器，电感传感器,霍尔传感器，光电开关，角编码器，光栅，容栅。测量线速度/角速度：超声波传感器，电涡流传感器，霍尔传感器，光电开关，角编码器。测量加速度：电容传感器，压电传感器。测量质量：应变片传感器，电容式传感器，电感式传感器。测量流量：超声波传感器，霍尔传感器，电容传感器。测量磁通量：电感式传感器，霍尔传感器。测量温度：热敏电阻，热电偶，光电池。,第一章：检测技术的基本概念,1灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率，如右图所示，可表示为：,线性传感器的灵敏度为常数；非线性传感器的灵敏度随输入量的变化而变化。,输出曲线看，曲线越陡，灵敏度越高,1.2传感器的特性参数,作图法求灵敏度,2分辨力指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。右表的分辨力为多少？,分辨率：将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。,右表的满量程为99.9A，问：该表的分辨力、分辨率为多少？,解：分辨力=0.1A分辨率=0.1A99.90.1%,1.3测量误差表示方法及数据处理,绝对误差：被测量值Ax与真值A0之间总是存在着一个差值，这种差值称为绝对误差，用表示：=Ax0真值有理论真值、约定真值、相对真值之分。准确度高2级以上的仪表的误差与准确度低的仪表的误差相比，则高一级仪表的测量值可以认为是相对真值。,某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg（绝对误差相同），但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？,相对误差及准确度等级,示值相对误差：,引用误差m（也称满度相对误差）：,准确度等级S我国的工业模拟仪表有下列常用的7种等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。,（m为最大绝对误差）,例某压力表准确度为2.5级,量程为01.5MPa，求:,1）可能出现的最大满度相对误差m。2）可能出现的最大绝对误差m为多少千帕？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差x。,解:1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即m25%。,2）mmAm251.5MPa0.0375MPa37.5kPa,3）,测量误差的分类静态误差（粗大误差，系统误差，随机误差）1.粗大误差,超出在规定条件下预计的误差，或明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差、疏忽误差或粗差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。,真值：5测量值：5，5.5，5，6，15，5，6，5,比如：罗纳尔多射门打飞了,在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，多属于系统误差。系统误差是有规律性的,因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正,也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,2.系统误差：,真值：5测量值：8，8.5，8，9，8.5，8，9，8均值8.375，系统误差为3.375,比如：球门框的位置被移动了,3.随机误差,在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。,存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。测量值的随机误差=测量结果算术平均值,真值：5测量值：5.5，4.5，4.5，5，6，4.5，5，6均值5.125，系统误差为0.125,比如：每次射门的进球位置会有变化,1拉伸前2拉伸后,电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电阻变大。,第二章：电阻传感器,1.应变片式传感器,金属丝受拉后的电阻变化,设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R及相对变化可表示为,当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时,上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。当金属丝受拉时,l将增加、r变小，均导致R变大。,电阻相对变化量与力的关系,电阻丝的电阻相对变化量R/R，与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即x=F/(AE），设K为灵敏度，金属材料的面积为A，弹性模量为E，则R/R又可表示为,对于金属材料，K值一般为2左右。,非平衡电桥的结构,非平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”。有4个结点a、b、c、d。在a、c结点之间接入电源Ui，而另一对结点（b、d）之间的电压差作为输出电压Uo端。,b、d点对负极（a点）的电压相等时称作“电桥平衡”；反之，称作“电桥不平衡”。电桥平衡的条件是：上下两个桥臂的左右桥臂的电阻比例相等。即：R1/R2=R4/R3或R1R3=R4R2,非平衡电桥可以分为单臂、双臂、全桥,单臂半桥:四个桥臂中，只有一个电阻的电阻可变，R2为应变片，R3、R4为固定电阻（低温漂的锰合金电阻）桥路的输出电压为：,单臂半桥的灵敏度最低，温漂最大。,非平衡电桥的输出电压,若桥路的4个桥臂相邻电阻的电阻值变化趋势相同，桥路的输出电压为零。若相邻电阻的电阻值变化趋势相反，桥路就产生输出电压：,四臂全桥,全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。,输出电压：,全桥的温度自补偿原理,当环境温度升高时，四个桥臂上的应变片温度同时升高，假设温度引起的电阻值漂移数值一致，就可以相互抵消，所以全桥能实现温度自补偿：,应变片的结构,1引出线2覆盖层3基底4电阻丝,l：应变片的工作基长，b：应变片基宽，bl：应变片的有效使用面积。,金属丝式应变片的结构,管桩材料的受压应变测量,预应力管桩的受力预测：工作人员正在贴应变片,应变片粘贴在管桩上，四片应变片可组成全桥,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,金属热电阻的正温度系数温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,2.金属热电阻,金属丝电阻随温度增高而变大的演示,取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。请说明钨丝的温度系数的正负。,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,制作热电阻的材料必须具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、一致性好、使用温度范围宽、加工容易等特点。,（）,金属热电阻材料的主要技术性能,热电阻的阻值Rt与温度t的关系表达式,Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3+Dt4),式中Rt热电阻在t时的电阻值；R0热电阻在0时的电阻值；A、B、C、D温度系数,热电阻的阻值Rt与t之间并不完全呈线性关系。在规定的测温范围内，根据国际电工委员会（IEC）颁布的分度表数值，列出每隔1的Rt电阻值，这种表格称为热电阻分度表，见附录C。在工程中，若不考虑线性度误差的影响，有时也可以利用温度系数来近似计算热电阻的阻值Rt。即：Rt=R0(1+t）。,铂热电阻分度表,被测物体位移等的变化转换为线圈电感量的变化，再将电感量的变化转换为电流、电压或者频率的变化，实现非电量到电量的转换。电感传感器可分为自感式和互感式两大类。电感式传感器通常是指自感传感器。自感系数常用L来表示，简称自感或电感。自感的单位是亨利,简称亨,符号是H。常用的较小的单位有毫亨(mH)和微亨(H)。自感传感器的数值多为mH数量级。,衔铁,测杆,被测物,变间隙式自感传感器,第三章：电感传感器,1-线圈绕组2-铁心3-衔铁,变间隙式电感传感器的特性近似双曲线,其灵敏度为：,气隙越小，灵敏度越高，因此适合小量程位移的测量。,螺线管式电感传感器,螺线管是具有多重卷绕的导线，卷绕内部可以是空心的，或者有一个磁芯。当有电流通过导线时，螺线管中间部位会产生比较均匀的磁场。作为传感器，螺线管电感传感器的主要元器件是一只螺线管和一根可移动的圆柱形衔铁。衔铁插入绕组后，将引起螺线管内部的磁阻的减小，电感随插入的深度而增大。,空心螺线管,x,螺线管越长，线性区就越大。螺线管式电感传感器的线性区约为螺线管长度的1/10。,当衔铁偏离中间位置时，两个绕组的电感一个增加,一个减小,形成差动形式。,差动电感传感器,a)变隙式差动传感器b)螺线管差动传感器1上差动绕组2铁心3衔铁4下差动绕组5测杆6工件7基座,电感传感器的交流电桥,衔铁上移：,衔铁下移：,1衔铁的位移曲线2激励源波形3交流电桥的输出波形4普通检波之后的直流平均值5相敏检波之后的直流平均值,t0衔铁上下位移到达差动螺线管绕组中间位置的时刻e0零点残余电压的瞬时值E0零点残余电压的平均值,采用相敏检波电路的必要性,检波：将交变信号转换为直流平均值。检波电路的作用是将电感的变化转换成直流电压或电流，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路配以普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出电压的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映幅值（位移的大小），还可以反映输出电压的相位（位移的方向）。这种检波电路称为相敏检波电路。,差动变压器传感器的工作原理,差动变压器是把被测位移量转换为一次线圈与二次绕组间的互感量M的变化的装置。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。,在差动变压器的线框上绕有一个输入绕组（称一次绕组）；在同一线框的上端和下端再绕制两个完全对称的绕组（称二次线圈），它们反向串联（输出电压相互抵消），组成差动输出形式。,线性差动变压器：LinearVariableDifferentialTransformer，LVDT,差动变压器式传感器的等效电路及接线,结构特点：两个二次绕组反向串联，组成差动输出形式。,请将二次绕组N21、N22的有关端点正确地连接起来，并指出哪两个为输出端点。,差动接法的输出电压为uo=u21-u22,差动变压器的输出波形,第四章：电涡流传感器,趋肤效应（集肤效应）,交变磁场的频率f越高，电涡流的渗透深度就越浅，趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应来控制非电量的检测深度。,当100kHz2MHz信号源产生的交变电压施加到电感线圈L1上时，就产生一次电流i1，在线圈周围产生交变磁场H1。如果将线圈靠近一块金属导体，金属导体表面就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为趋肤效应。,电涡流线圈等效阻抗分析,.,设电涡流线圈在高频时的等效电阻为R1（大于直流电阻），电感为L1。当有被测导体靠近电涡流线圈时，则被测导体等效为一个短路环，电涡流线圈L1与导体之间存在一个互感M。互感随线圈与导体之间距离的减小而增大。,电涡流线圈的等效阻抗,式中R、L电涡流线圈靠近被测导体时的等效电阻和等效电感。,当被测物与电涡流线圈的间距减小时，电涡流线圈与被测金属的互感量M增大，等效电感L减小，等效电阻R增大，品质因数Q值降低：Q=L/R等效电阻上消耗的有功功率P增大：P=I2R,电涡流效应演示,当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大，Q值降低，流过电涡流线圈的电流i1增大。,调频（FM）式电路,当电涡流线圈与被测体的距离x变小时，电涡流线圈的电感量L也随之变小（非铁质），同时引起LC振荡器的输出电压及频率变高。如果希望用模拟仪表进行显示或记录时，使用“鉴频器”，可以将f转换为电压Uo。,并联谐振回路的谐振频率,设电涡流线圈的初始电感量L=0.8mH，微调电容C0=200pF（1pF10-12F）求：探头中的振荡器的初始频率f0。（一般将振荡器的频率控制在几百千赫兹）,解：,电涡流表面探伤,Eddycurrentsaredistortedbythecrack,thischangesthemagneticfieldoftheeddycurrentsfromHBtoHCtherebychangingtheloadingonthecoil.ThecoilimpedancechangestoZcrack.,手持式裂纹测量仪,油管探伤,轴承滚子涡流探伤机,轴承滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深