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()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(),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(t)=1,Y(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：60、120、350、600、1000，以120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1.73.6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+2)很小,灵敏度,优点：灵敏度高，比金属应变片要高5070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,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600-1000时非线性开始明显；1000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，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1000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,Agreatlessonoflifeisdonntliketodowhatyoulikebutliketodowhatyouhavetodo.,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：0.15V/mm或100mA/mm螺管型差动变压器线性范围：2m500mm，线性可达0.10.5。,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。,位移、振动；或材质鉴别或探伤,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：080mm。,电涡流式传感器应用,透射式电涡流式位移传感器,flf2f3,L0发射线圈L2接收线圈被测金属板,4.3电容式传感器,A,极距变化型,量程范围在0.01m到数百m。,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：0.01m0.1mm,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；,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层磁性薄膜，并用录制磁头沿长度方向按一定的节距录上磁性刻度线而构成的，因此又把磁栅称为磁尺。,磁栅主要用于大型机床和精密机床的位置或位移量的检测元件。,单面型直线磁栅同轴型直线磁栅旋转型磁栅,磁栅式位移传感器的结构示意图1-输出绕组2-铁心3-激励绕组4-磁头5-磁尺,最高工作速度为12m/min系统的精度可达0.0lmm/m最小指示值为0.001mm使用范围为040,感应同步器,（略）,4.6光电式传感器,基本概念光电效应,外光电效应在光的照射下，金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的现象称为外光电效应。,内光电效应半导体材料受光的照射后，其电导率发生变化的现象称为光导效应，而受光后产生电势的现象称为光生伏特效应。二者统称为内光电效应。,光电管,光电倍增管,基于光导效应的光电器件有光敏电阻，,基于光生伏特效应的有光电池、光敏晶体管等。,光电管,光电池,光敏晶体管,二、固体图像传感器,电荷耦合器件,(ChargeCoupledDevice，CCD),CCD基本单元的结构,具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。,金属一氧化物一半导体结构元(MOS),读出移位寄存器的结构原理,读出移位寄存器,遮光层,每个像素由三个(也有二个、四个的)电极组成一个耦合单元,结构形式,线阵结构面阵CCD,CCD应用举例,尺寸自动检测缺陷检测,工件尺寸测量系统,光学系统放大率：1:ML=(Nd2d)ML工件尺寸；N覆盖的光敏单元数；d相邻光敏元中心距离。最大误差：2d（图像末端两个光敏单元）。,验钞机结构原理图,两列信号比较,4.7光纤位移测量系统,元件型反射型,反射型光纤位移传感器工作原理1-光纤接受端头2-光纤发送接受端头3-光纤发送端头4-反射镜面5-电源,微弯光纤传感器,位移分辨力为0.01m,光纤生物传感器,轻、细长、小，光纤探针可应用于生物体内研究；抗电磁干扰强，在强电磁干扰、高温高压、易燃易爆和强放射性等恶劣环境中应用，便于遥测；应用范围广，成本低，且操作方便；应用于多波长和时间分辨测量技术，改进分析结果的重现性。,4.8轴角编码器,绝对式编码器增量式编码器,轴角编码器又称码盘，是测量轴角位置和位移的一种数字式传感器。,敏感元件：光电式的、磁电式的或电刷接触式。,数控机床、机器人位置控制、机床进给系统控制、