非电量测试传感器.ppt

1、在现代检测技术中，对于各种类型的被测量的测量，大多数都是直接或通过各种传感器、电路转换为与被测量相关的电压、电流等电学基本参量后进行监测和处理的，这样既便于对被测量的检测、处理、记录和控制，又能提高测量的精度，因此，了解和掌握这些非电量的测量方法是十分重要的。,第六章 非电量测量,第一节 长度及线位移测量,一、 光栅位移传感器,光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。它的特点是测量精确度高（可达1m）、响应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中。,（一）光栅的构造 所谓光栅就是在透明的玻璃板上，均

2、匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面上均匀地划出许多间隔相等的条纹，通常线条的间隙和宽度是相等的。,光栅位移传感器的结构如图6-1所示。它主要由标尺光栅、指示光栅、光电器件和光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。一般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离W称为栅距，是刻线宽和两刻线之间缝宽之和。光栅条纹密度一般为每毫米25、50、100、250条等,计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；以透光的玻璃为载体的称为透射光栅，不透光的金属为载体的称为反射光栅 按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅； 按其用途可分为直线光栅和圆光栅。,光

3、栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。,图6-1 光栅位移传感器的结构原理 1 标尺光栅 2 指示光栅 3 光电器件 4 光源,（二）工作原理 如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，莫尔”原出

4、于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹,图6-2 莫尔条纹,它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图6-2所示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的dd线区所示。f f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。莫尔条纹具有如下特点：,1. 莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。当指示光栅不动，标尺光栅向左右移动时，莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动；光栅每移动过一个栅距W

5、，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。,2. 莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为：,的单位为rad，B、W的单位为mm。所以莫尔条纹的放大倍数为,可见越小，放大倍数越大。实际应用中，角的取值范围都很小。例如当=10时，K=1/=1/0.029rad345。也就是说指示光栅与标尺光栅相对移动一个很小的W距离时，可以得到一个很大的莫尔条纹移动量B，可以用测量条纹的移动来检测光栅微小的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。,3. 莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成，它反

6、映了形成条纹的光栅刻线的平均位置，对各栅距误差起了平均作用，减弱了光栅制造中的局部误差和短周期误差对检测精度的影响。,通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号,将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。 提高测量分辨率的常用方法是细分，且电子细分应用较广。这样可在光栅相对移动一个栅距的位移（即电压波形在一个周期内）时，得到4个计数脉冲，将分辨率提高4倍，这就是通常说的电子4倍频细分。,一、应变检测和应力计算1、线应力状态 对于单向应力状态，只要将应变

7、片沿应力方向粘贴，测出应变值，即可求出应力 =E 式中，E被测零件材料的弹性模量。,6.3力、力矩及应力测量,2、测点选择、布片和选片原则（1）测点的选择 应考虑如下几个问题： 1）最大应力点一般都产生在危险截面或应力集中的地方。 2）如果最大应力点难以确定，或者需要了解构件应力分布的全貌，一般都在所研究的线段上比较均匀地布置57个测点。 3）对于构件上开有孔、凹槽或截面急剧变化等一些产生应力集中的区域，测点应适当的加多，以了解其应力变化情况。 4）为了减少测点数目，可以利用结构与载荷的对称性和结构边界的特殊性况。 5）动态测试应在静态测试的基础上进行，测点数目要比静态的少。动态测点一定要选在

8、能反映构件动态性质的关键部位。,一、 测力传感器,a) 弹性元件受力图 b)电阻位置示意图 c)等效电路图,图6-24 柱式弹性元件及其电桥,柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如图6-24所示。 这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷 和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压)力传感器。其受力后，产生应变：,用电阻应变仪测出的指示应变为：,式中：P作用力； A弹性体的横截面积； E弹性材料的弹性模量；,弹性材料的泊松比。,二、 力矩传感器,图6-26 机器人手腕用力矩传感器原理,图中驱动轴B通过装有应变片A的腕部与手部C联接。当驱动轴回转并带动手部回转而拧紧螺丝钉D时，手部所受力矩的大小

9、可通过应变片电压的输出测得。,图6-27 无触点力矩测量原理,传动轴的两端安装上磁分度圆盘A，分别用磁头B检测两圆盘之间的转角差，用转角差与负荷M成比例的关系，即可测量负荷力矩的大小。,6.5 温度测量,温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产和科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。,一、温度与温度检测 1、原理：某些金属与非金属导体受热后产生电动势，而另一些导体的电阻受到热或光照射而产生变化。可以通过测量这些物理量的变化来达到测量温度的目的。 2、分类（1）接触式；（2

10、）非接触式； （3）其它。,二、温标 1、经验温标：某以物质的性质作介质而定的温标。如，水银作测温介质制成了摄氏和华氏温标；兰氏温标则用酒精和水混合作为介质。 （1）华氏温标：冰水融体为“32”，水的沸点为“212”，中间等分为180份，每份为1度，以OF表示。 （2）兰氏温标：以水的冰点为“1000”，水的沸点为“1080”，中间等分为80份，每份为1度，以OR表示。 （3）摄氏温标：以水的冰点为“0”，水的沸点为“100”，中间等分为100份，每份为1度，以OC表示。 三个经验温标之间的换算关系如下：,三、温度检测系统的组成 测温系统的组成应考虑如下几个方面： （1）温度范围; （2）使用

11、场合 （3）温度响应; （4）传输方式 温度检测系统的组成如图4-2所示。,温度被测对象,温度传感器,温度显示仪表,k,温度被测对象,温度传感器,温度变送器,k,a)简单系统,b)较完善的系统,mA,温度显示记录仪,k,测量：温度、与温度有关的参量, 热电偶,PN结型温度传感器,一、 热电式传感器,温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,(一)、热电效应两种不同的导体或半导体A和B组

12、合成如图6-30所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T1T2），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。,一、热电偶,相应的电动势称为温差电动势或西拜克电动势，它在回路中产生的电流，称为热电流。A、B称为热电极。接点1在测温时，将它置于被测温度场中，称为测量端（或工作端、热端）。节点2一般要求恒定在某一温度，称为参考端（或自由端、冷端）。,由此可见，热电偶就是利用热电动势随两接点温度变化的特性来测量温度的。,理论证明： 1）热电偶必须由两种不同材料的热电极组成； 2）

13、热电偶的两接点必须具有不同的温度； 3）当热电极的材料固定以后，热电动势的大小EAB（T，T0）是温度（T，T0） 如果保持T0不变，那么EAB（T，T0）就是T的单值函数，利用这个关系就可以通过测温仪表测定温度。,设TT0，则在该回路中产生接触电势和温差电势，分别为EAB(T)、EAB(T0)、EA(T，T0)和EB(T，T0)，它们与T、T0有关，与两种导体材料的特性有关。,2、热电势产生的原因,（1）接触电势,EAB(T)为导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势； e为单位电荷， e =1.610-19C； k为波尔兹曼常数 k =1.3810-23 J/K ； NA、NB为导体A、B

14、在温度为T 时的电子密度；,（3）回路的总热电势,在实际应用中，保持冷端温度T0不变，则总热电势EAB(T，T0)只是温度的单值函数：,EAB(T，T0)=f(T)-c,c为T0=0度时的电压值,二、热电偶材料和常用热电偶 1、热电偶材料 常用的热电偶材料有铜、 铁、铂铹合金和镍铬合金等。 2 、常用的热电偶 （1）铂铑10-铂热电偶 分度号为S, 是一种贵金属热电偶。 （2）镍铬-镍硅（镍铝）热电偶 分度号为K, 是一种廉价热电偶。 （3）铂铑30-铂铑6热电偶 分度号为B, 亦称作双铂铑热电偶。 （4）钨-铼热电偶 属高温型热电偶。 （5）镍铬-考铜热电偶 分度号为EA。 （6）铜-康铜热

15、电偶 分度号为T。,2、热电偶的结构,（1）热电极,3、热电偶的种类,三、热电偶的冷端温度补偿 热电偶的热电动势大小与热电极材料和两节点的温度有关,同时热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表都是以热电偶参考端温度等于零为条件的。但实际上,冷端温度受周围温度的影响不可能保持为0C 或某一常数。因此要测出实际温度就必须采取修正或补偿措 施。,1、冷端恒温法：使参考端（冷端）温度处于C 或某一恒定温度。 1）将冷端放在固定的铁匣内,利用铁匣有有较大的热容量,使冷端温度变化不大或变化缓慢,或将铁匣做成水套式通以流水以提高恒定性。 2）将冷端置入盛油的容器内,利用油的热惰性使节点温度保持一致并接近室温

16、。 3）将冷端置入充满绝缘物的铁管中,把铁管埋在1.5-2mm或更深的地下，以保持恒温。 4）将冷端置入冰水混合物容器中,容器维持在0C不变。这种方法精度高，一般用在实验室和校验热电偶的装置中。 5）将冷端置于恒温器中,恒温器可自动控制温度恒定。,冰点槽法,2 计算修正法,用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算： EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即 T T kTH。 式中：T为未知的被测温度； T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度； T

17、H室温； k为补正系数。 用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14。,3 补正系数法,在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。 例如：用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。,4

18、 零点迁移法,5 冷端补偿器法,图6-32 冷端补偿器法,利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响，电路如图6-32所示。注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下,6、补偿导线法：测温时，热电偶长度受一定限制，使得冷端温度直接受到被测介质温度和周围环境温度的影响，难以处于C，而且不稳定。根据中间温度定律，当热电极A 、B与A， 、 B，相连接后仍然可以看作仅由热电极A 、B组成的

19、回路。一般在低温范围内（0100 C ），用补偿导线作为A， 、 B， ，它的作用是把热电偶参考端移至离热源较远及环境温度较恒定的地方。 必须注意的是，补偿导线只起延长热电极的作用，并不能消除冷端温度不为0C时的影响，因此还应该用补正方法将其补正到 0C。,1工作原理 由物理学可知，对于大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性，其特性方程满足于下式： （6-36） 式中： Rt、R0热电阻在t和0时的电阻值； 热电阻的温度系数(1)。 对于绝大多数金属导体，值并不是一个常数，而是随温度而变化，但在一定温度范围内，可近似视为一个常数，不同的金属导体，保持常数所对应的温度范围也不同。,二、 热

20、电阻,原理：金属材料的电阻随温度变化而变化,2、热电阻材料特点,（1）高温度系数、高电阻率 （2）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质 （3）良好的输出特性 （4）良好工艺性,其中，Rt、R0 温度为 t 和 0 时的电阻； A、B、C 为温度系数： A = 3.940 10-2 / B = -5.84 10-7 /2 C = -4.22 10-12 /4,分度表 R0 = 50 和 100 时的 Rt t 关系,国际温标IPTS-68规定：在 259.34 630.74 内， 以铂电阻作为温度基准器,优点：（1）易提纯； （2）在高温和氧化性介质中性能稳定； （3）输出近线性； （4）测量

21、精度高。,（2）铜电阻,在测量精度不高和温度范围小时，可用铜作成的温度传感器。由于铜电阻的电阻率仅为铂电阻的1/6左右，当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有腐蚀性的介质中工作。 铜电阻温度系数大，在一定温度范围内常数，电阻与温度的关系在50150的温度范围内可表示为,式中： Rt、R0铜电阻在t和0时的电阻值， 铜电阻的温度系数，4.2510-34.2810-3。 与铂电阻一样，在工业中把R050和R0100对应的Rt t关系制成分度表，称为铜热电阻分度表，供使用者查阅。,三 热敏电阻,一、热敏电阻的结构和特点,金属氧化物：钴Co、锰Mn、镍Ni 等的氧化物 采用不同比例配方、

22、高温烧结而成。,优点：（1）结构简单、体积小、可测点温度； （2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）； （3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。,热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的温度敏感元件。半导体和金属具有完全不同的导电机理，金属的电阻值随温度的升高而增大，而半导体的电阻值却随温度升高而急剧下降。当温度变化时1时，金属电阻的阻值变化0.4%0.6%，而半导体热敏电阻的阻值变化3%6%。 半导体热敏电阻随温度变化的灵敏度高的原因是：半导体中参加导电的是载流子，载流子数目比金属中的自由电子数目少得多，所以半导体的电阻率大。随着温度的升高，半导体中的价电子受热激发跃迁到

23、较高能级而产生新的电子空穴对，使参加导电的载流子数目大大增加，导致电阻率减小。半导体载流子的数目随温度升高呈指数规律上升，所以其电阻率温度升高按指数规律下降。,二、热敏电阻的温度特性,PTC热敏电阻的电阻率随温度升高而增加，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。这种电阻的材料是陶瓷材料，在室温下是半导体，由强电介质钛酸钡掺杂铝或锶，部分取代钡离子的方法制成。PTC热敏电阻的用途主要是用于彩电消磁、各种电器设备的过热保护、发热源的定温控制，也可作限流元件使用。,CTR热敏电阻采用VO3系列材料制作，当温度升高接近某一温度时（约68），电阻率大大下降产生突变，其用途主要用作温度开关。

24、NTC热敏电阻的电阻率随着温度增加比较均匀地减小，有较均匀的感温特性。它采用负电阻温度系数很大的固体多晶半导体氧化物的混合物制成。改变其氧化物的成分和比例，就可得到测温范围、阻值和温度系数不同的NTC热敏电阻。特别适用于100300之间的温度测量用。在点温、表面温度、温差、温度场等测量中得到日益广泛的应用，同时也广泛的应用在自动控制及电子线路的热补偿电路中。 PTC和CTR热敏电阻随温度变化的特性为剧变型，适合在某一较窄温度范围内做温度控制开关或监测用；而NTC热敏电阻随温度变化的特性为缓变型，适合在较宽温度范围内做温度测量用，也是目前使用的主要热敏电阻。下面对NTC热敏电阻的基本特性进行介绍。,1、NTC的 热电特性（ R-T 特性）,热电特性是指热敏电阻的阻值和温度之间的关系，它是热敏电阻测温的基础，下图是电阻温度特性曲线，显然，热