全套课件：检测与传感技术

1、 检测技术基础检测技术基础1.1测量方法及其分类测量方法及其分类1.2测测 量量 误误 差差1.4 传感器的组成、分类和性能指标传感器的组成、分类和性能指标 1.5测测 量量 系系 统统1.31.1 检测技术基础 1.1.1 检测技术的概念与作用 1、概念 检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性了解和定量掌握所采取的一系列技术措施，它是产品检验和质量控制的重要手段。 2、作用 对产品进行质量评价；保证大型设备安全经济运行；对多种参数进行长期动态检测，以便及时发现异常情况，加强故障预防，达到早期诊断的目的，可以避免严重的突发事故，保证设备和人员的安全，提高经济效益；可采用计算机来处理检

2、测信息，进行分析、判断，及时诊断出故障并自动报警或采取相应的对策；也是自动化系统中不可缺少的组成部分。 1.1.2 检测系统的基本组成 一个完整的检测系统或装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。 图图1-1 1-1 检测系统组成框图检测系统组成框图 1传感器 传感器是把被测量转换成电化学量的装置。是检测系统最重要的环节。从传感器研究的目的出发，着眼于变换过程的特征，可以将传感器按输入量的性质分为以下两种。 （1）参量型传感器。它的输出量是电阻、电感、电容等无源电参量，相应的有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器等。 （2）发电型传

3、感器。它的输出是电压或电流，相应的有热电偶传感器、光电传感器、磁电传感器、压电传感器等。 2测量电路 测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于传输的电压或电流信号。通常传感器输出信号微弱时，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。 3显示记录装置 显示记录装置是检测人员和监测系统联系的主要环节，其主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。常用的有模拟显示、数字显示和图像显示3种。 模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示被测量的大小，。 数字显示则直接以十进制数字形式来显示读数，它可以附加打印机，打印记录测量数值；并且易于和计算机连机。 图像显示，如果被测量处于动态变化之中

4、，可以将输出信号送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线。常用的自动记录仪器有笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪等。 1.1.3 检测技术的发展趋势 科学技术的迅猛发展，为检测技术的现代化创造了条件，主要表现在以下两个方面。 （1）人们研究新原理、新材料和新工艺所取得得的成果，将产生更多品质优良的新型传感器。 （2）检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。1.2 测量方法及其分类 1.2.1 概述 测量是在有关理论的指导下，用专门的仪器或设备，通过实验和必要的数据处理，求得被测量的值。 测量方法的正确与否十分重要，必须根据不同测量任务的要求，找出切实可行的测量方法，

5、然后根据测量方法选择合适的测量工具，组成测量装置，进行实际测量。 测量方法的分类多种多样，例如，根据在测量过程中，被测量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量；根据测量手段分类，可分为直接测量、间接测量和组合测量；按测量方式分类，可分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量等。 1.2.2 直接测量、间接测量和组合测量 1直接测量 用按已知标准标定好的测量仪器，对某一未知量直接进行测量，这类测量称为直接测量。 直接测量的优点是测量过程简单且迅速，是工程技术中采用较为广泛的测量方法。 2间接测量 对几个被测量有确切函数关系的物体物理量进行直接测量，然后通过已知函数关系的公式、曲线或表格，求出该未知

6、量，这类测量称为间接测量。 间接测量方法手段较麻烦，多用在实验室，工程中有时也用。 3组合测量 在测量中，使各个未知量以不同的组合形式出现，根据直接测量和间接测量所得到的数据，通过解一组联立方程而求出未知量的数值，这类测量称为组合测量，又称联立测量。 组合测量的测量过程比较复杂，但易达到较高的精度，一般适用于科学实验和特殊场合。 1.2.3 偏差式测量法、零位式测量法和微差式测量法 1偏差式测量法 在测量过程中，用仪表指针相对于刻度线的位移（偏差）来直接表示被测量，这种方法称为偏差式测量法，广泛应用于工程测量。 2零位式测量法 零位式测量法是在测量过程中，用指零仪表的零位指示来检测测量系统是否

7、处于平衡状态，当测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的量值。例如用电位差计测量待测电势。只适用于测量变化缓慢的信号。它在工程实践和实验室中应用很普遍。 3微差式测量法 微差式测量法是综合了偏差式测量法和零位式测量法的优点而提出的一种测量方法，它将被测未知量与已知的标准量进行比较，并取出差值，然后用偏差式测量法求出此偏差值。 微差式测量法反应快、测量精度高，所以工程测量中已获得越来越广泛的应用。 1.3 测 量 系 统 1.3.1 测量系统构成 测量系统应具有对被测对象的特征量进行检测、传输、处理及显示等功能，一个测量系统是传感器、变送器（变换器）和其他转换装置等的有机组合。图1-5

8、所示为测量系统组成框图。 图图1-5 1-5 测量系统组成框图测量系统组成框图 1、传感器是感受被测量（物理量、化学量、生物量等）的大小，并输出相对应的可用输出信号（一般多为电量）的器件或装置。 2、变送器将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的信号。 3、传输通道将测量系统各环节的输入、输出信号连接起来，通常用电缆连接，或用光纤连接，以用来传输数据。 4、信号处理环节将传感器输出信号进行处理和转换。也可与计算机进行连接，以便对测量信号进行信息处理。 5、显示装置是将测量信息变成人的器官能接收的形式，以完成监视、控制或分析的目的。 1.3.2 开环测量系统和闭环测量系统 1开环测量系统 开环测

9、量系统的全部信息转换只沿着一个方向进行，如图1-6所示。其中x是输入量，y是输出量，k1、k2、k3为各个环节的传递系数。输出关系表示为 y =k1k2k3x 图图1-6 1-6 开环测量系统框图开环测量系统框图 2闭环测量系统 闭环测量系统有两个通道，一个正向通道，一个反馈通道，其结构如图1-7所示。其中x为正向通道的输入量，为反馈环节的传递系数，正向通道的总传递系数k=k2k3。由图1-7得系统的输入输出关系为111kkkyxxk 图图1-7 1-7 闭环测量系统框图闭环测量系统框图 显然，这时整个系统的输入输出关系由反馈环节的特性决定，放大器等环节特性的变化不会造成测量误差，或者造成的测

10、量误差很小。1.4 测 量 误 差 测量误差是测得值减去被测量的真值。 1.4.1 测量误差的表示方法 测量误差的表示方法有多种，含义各异。 1绝对误差 绝对误差可定义为 式中：绝对误差； X测量值； L真值。XL 绝对误差可正可负并有量纲。 采用绝对误差表示测量误差，不能很好说明被测质量的好坏。所以用相对误差可以客观的反映测量的准确性。 2实际相对误差 实际相对误差的定义式为 式中：实际相对误差，一般用百分数给出； 绝对误差； L真值。100%L 3引用误差 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对于仪表满量程的一种误差，即 100%测量范围的上限测量范围的下限 式中：引用误差； 绝

11、对误差。 仪表的精确等级是根据最大引用误差来决定的。例如，0.5级表的引用误差的最大值不超过0.5%；1.0级表的引用误差的最大值不超过1%。 4基本误差 基本误差是指传感器或仪表在规定的条件下所具有的误差。例如，某传感器是在电源电压(220 5)V，电网频率(50 2)Hz，环境温度(20 5)，温度65% 5%的条件下标定的。 5附加误差 附加误差是指传感器或仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。例如，温度附加误差，频率附加误差，电源电压波动附加误差等。 1.4.2 测量误差的性质 根据测量数据中的误差所呈现的规律及产生的原因可将其分为系统误差、随机误差和粗大误差。 1随机误差 在同一测

12、量条件下，多次测量被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称随机误差。 随机误差表示为 随机误差 ixx 式中：xi被测量的某一个测量值； 重复性条件下无限多次的测量值的平均值，即 12()nxxxxnn x 由于重复测量实际上只能测量有限次，因此实用中的随机误差只是一个近似估计值。 2系统误差 在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律（如线性、多项式、周期性等函数规律）变化的误差称为系统误差。前者为恒值系统误差，后者为变值系统误差。 它可表示为系统误差 式中：L测量的真值。xL 3粗大误差 超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差，粗大误差

13、又称为疏忽误差。 所以进行误差分析时，要估计的误差只有系统误差和随机误差两类。1.5 传感器的组成、分类和性能 指标 1.5.1 传感器的组成 传感器由敏感元件和转换元件组成，如图1-8所示。 敏感元件 指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。 转换元件 指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。 信号调理与转换电路 对信号进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助电源。 1.5.2 传感器的分类 传感器的种类很多，其分类方法如表1-1所示。 分分 类类 法法型型 式式说说 明明按基本效应按基本效应物理型、化学型、生物型物理型、化学型、

14、生物型分别以转换中的物理效应、化学效分别以转换中的物理效应、化学效应等命名应等命名按构成原理按构成原理结构型结构型以转换原件结构参数变化实现信号以转换原件结构参数变化实现信号的转换的转换物性型物性型以转换元件物理特性变化实现信号以转换元件物理特性变化实现信号的转换的转换按输入量按输入量位移、压力、温度、流量、加速度位移、压力、温度、流量、加速度等等以被测量（即按用途分类）以被测量（即按用途分类）按工作原理按工作原理电阻式、热电式、光电式等电阻式、热电式、光电式等以传感器转换信号的工作原理命名以传感器转换信号的工作原理命名按能量关系按能量关系能量转换型（自然型）能量转换型（自然型）传感器输出量直

15、接由被测量能量转传感器输出量直接由被测量能量转换而得换而得能量转换型（外源型）能量转换型（外源型）传感器输出量能量由外源供给，但传感器输出量能量由外源供给，但受被测输入量控制受被测输入量控制按输出信按输出信号形式号形式模拟式模拟式输出为模拟信号输出为模拟信号数字式数字式输出为数字信号输出为数字信号表表1-11-1传感器的分类传感器的分类 1.5.3 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输入与输出的关系。 传感器的静态特性可用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性、精度和漂移等。 1灵敏度 灵敏度是输入量y与引起输入量增量y的相应输入量增量x之比。用S表示

16、灵敏度，即 （1-15） 很显然，灵敏度值越大表示传感器越灵敏。ySx 2线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。可用拟合直线近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性变化。 传感器的线性度是指在全程测量范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用L表示，即maxFS100%LLY 式中：Lmax最大非线性绝对误差；YFS满量程输入值。 选取拟合直线的方法很多：理论拟合、过零旋转拟合、端殿连线拟合和端点平移拟合。 3迟滞 传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特

17、性曲线不重合的现象为迟滞，对于同样的输入信号传感器的正反行程输出信号大小不等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大迟滞差值与满量程输出值之比称为迟滞误差，用H表示，即maxHFS100%HY 4重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 5漂移 传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器的自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。 6精度 精度是评价系统的优良程度。精度分为准确度和精密度。 准确度就是测量值对于真值的偏离程度。精密度就是测量相同对象每次测量也会

18、得到不同的值，即离散偏差。 本 章 小 结 （1）测量的概念。测量系统包括开环测量系统和闭环测量系统。 （2）测量方法：直接测量、间接测量和组合测量；偏差式测量法、零位式测量法和微差式测量法。 （3）测量误差。误差的表示方法：绝对误差、相对误差、基本误差、附加误差和引用误差；误差的性质：系统误差、随机误差和粗大误差。 （4）传感器的组成：敏感元件、转换元件和信号调理转换电路；传感器的分类。 （5）传感器的静态指标：灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移。 思考题和习题 1-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？ 它们的相互作用及相互关系如何？ 1-2 什么是传感器的静态特性？它有哪些 性能指标？分别

19、说明这些指标的含义。 1-3 什么是测量值的绝对误差、相对误差、 引用误差？ 1-4 什么是测量误差？测量误差有几种表 示方法？它们通常适用于什么场合？ 1-5 什么是随机误差？产生随机误差的原 因是什么？如何减小随机误差对测量 结果的影响？ 1-6 什么是系统误差？系统误差可分为哪 几类？系统误差有哪些检验方法？如 何减小和消除系统误差？ 1-7 什么是粗大误差？如何判断测量数据 中存在的粗大误差？ 1-8 什么是间接测量、直接测量和组合测 量？ 第2章 应变式传感器 工工 作作 原原 理理2.1应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴2.2电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路2

20、.3应变式传感器的应用应变式传感器的应用2.4 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。2.1 工 作 原 理 2.1.1 应变效应 导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 2.1.2 工作原理分析 当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为ddddRlARlA dl/l为长度相对变化量即应变

21、， dd2ArAr 轴向应变和径向应变的关系可表示为ddrlrl 式中：电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。 dd(12 )RR 通常，把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其表达式为 dd12RRK 灵敏系数K受两个因素影响： 应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2； 应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（d/）/。 对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比（d/）/大得多，而半导体材料的（d/）/项的值比1+2大得多。 2.1.3压阻效应 半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。 d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感

22、元件在轴向所受的应变力有关，其关系为d E 上式中：半导体材料的压阻系数； 半导体材料的所受应变力； E半导体材料的弹性模量；半导体材料的应变。 半导体应变片的灵敏系数为 dRRKE 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。 用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值，应力值为E 由此可知，应力值正比于应变，而试件应变正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化，这就是利用

23、应变片测量应变的基本原理。 2.2 应变片的种类、材料及粘贴 2.2.1 金属电阻应变片的种类 1、金属电阻应变片组成 敏感栅、 基片、覆盖层和引线等部分组成。 2.2.2 金属电阻应变片的材料 电阻丝材料应有如下要求： （1）灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数； （2）值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值； （3）电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值； （4）与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电势小； （5）机械强度高，具有优良的机械加工性能。 2.2.3 金属电阻应变片的粘贴 应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。 常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰

24、基丙烯酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。 2.2.4 应变片的温度误差及补偿 1应变片的温度误差 （1）电阻温度系数的影响。敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可表示为 当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为 t00(1)RRtt000RRRRt （2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不会产生附加 变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。 2电阻应变片的温度补偿方法 （1）线路补偿法。电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。 测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补

25、偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变，如图2-4（b）所示。 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 Uo = A(R1R4 RBR3) = 0 （2-24） 图图2-4 2-4 电桥补偿法电桥补偿法 一般按R1 = RB = R3 = R4选取桥臂电阻。当温度升高或降低t = t t0时，两个应变片因温度相同而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即 （2-25）o11t4BBt3()()0UA RRRRRR 若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1有新的增量R1 = R1K，而补偿

26、片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为 Uo = AR1R4K （2-26） （2）应变片的自补偿法。这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。2.3 电阻应变片的测量电路 2.3.1 直流电桥 1直流电桥平衡条件 电桥电路如图2-5所示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。31o1234RRUERRRR 当电桥平衡时，Uo = 0，则 这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。1423R RR R 2电压灵敏度 设桥臂比n = R2 / R1，由于R1R1，分母中R1 /

27、 R1可忽略，并考虑到平衡条件R2 / R1 = R4 / R3，则 1o21(1)RnUERn 电桥电压灵敏度定义为oU211(1)UnKERnR 分析上式可得： （1）电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高。 （2）电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。 当n = 1时，KU为最大值。R1 = R2 = R3 = R4，电桥电压灵敏度最高，此时单臂电桥有： 1o14REURU4EK 3非线性误差及其补偿方法与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为 1oo1L1o11RUURRUnR 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电轿如下

28、图2-6所示，在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，构成半桥电路，如图2-6（a）所示。该电桥输出电压为 （2-39）311o112234RRRUERRRRRR 图图2-6 2-6 差动电桥差动电桥 若R1 = R2，R1 = R2，R3 = R4，则得半桥输出电压为 （2-40）1o12REUR 由式（2-40）可知，Uo与R1/R1成线性关系，差动电路无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU = E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。 若将电桥四臂接入4片应变片，如图2-6（b）所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动

29、电路。若R1 = R2 = R3 = R4，且R1 = R2 = R3 = R4，则全桥输出电压为： （2-41） KU = E （2-42）1o1RUER 此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。 2.3.2 交流电桥 根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性。 图图2-7 2-7 交流电桥交流电桥 1111222233441j1jRZR CRZR CZRZR 由交流电路分析可得 1423o1234()()Z ZZ Z

30、UUZZZZ 要满足电桥平衡条件，即Uo = 0，则 Z1Z4 = Z2Z3 对这种交流电容电桥，除要满足电阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件。 2.4 应变式传感器的应用 2.4.1 柱（筒）式力传感器 被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 图2-9（a）、（b）所示分别为柱式、筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响。 贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图2-9（c）、（d）所示，R1和R

31、3串接，R2和R4串接，并置于桥路对臂上，以减小弯矩影响，横向贴片R5和R7串接，R6和R8串接，作温度补偿时，接于另两个桥臂上。 图图2-9 2-9 圆柱（筒）式力传感器圆柱（筒）式力传感器 2.4.2 应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态和静态压力，如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 2.4.3 应变式容器内液体重量传感器 图2-11所示为插入式测量容器内液体重量的传感器示意图。该传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器安装了两只。下端安装感压膜，感压膜感

32、受上面液体的压力。 当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为 （2-52）o1212()UUUKKh g 式中：K1，K2传感器传输系数。 由于hg表征着感压膜上面液体的重量，对于等截面的柱式容器，则 （2-53）Qh gA 式中：Q容器内感压膜上面溶液的重量； A柱形容器的截面积。 将上两式联立，得到容器内感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系式为 （2-54）12oKKQUA 图图2-11 2-11 应变片容器内液体重量传感器应变片容器内液体重量传感器 上式表明，电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系

33、，因此用此种方法可以测量容器内储存的溶液重量。 2.4.4 应变式加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。 图2-12所示是应变片式加速度传感器的结构示意图，图中1是等强度梁，自由端安装质量块2，另一端固定在壳体3上。等强度梁上粘贴4个电阻应变敏感元件4。为了调节振动系统阻尼系数，在壳体内充满硅油。 图图2-12 2-12 电阻应变式加速度传感器结构图电阻应变式加速度传感器结构图 测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生

34、变化。电阻的变化产生输出电压，即可得出加速度值的大小。 应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060Hz范围。 2.4.5 半导体力敏应变片在电子皮带秤上的应用 荷重传感器是皮带秤的关键组成部件，采用半导体力敏应变片作为敏感元件，这种传感器灵敏度可达710mV/kg，额定压力为5kg的荷重传感器可输出50mV左右。电子皮带秤工作原理如图2-13所示。 1电磁振动给料机；电磁振动给料机；2物料；物料；3秤架；秤架；4力敏荷重传感器（包括放大器）；力敏荷重传感器（包括放大器）；5支点；支点；6减速电机；减速电机；7环行皮带；环行皮带；8料仓料仓图图2-13 电子皮带秤

35、工作原理示意图电子皮带秤工作原理示意图 当未给料时，整个皮带秤重量通过调节秤架上的平衡锤使之自重基本作用在支点5上，仅留很小一部分压力作为传感器预压力。当电磁振动机开始给料时，通过皮带运动，使物料平铺在皮带上。此时皮带上物料重量一部分通过支点传到基座，另一部分作用于传感器上。 设每米物料重量为P，则传感器受力为F，F = CP（C为系数，取决于传感器距支点的距离）。当传感器受力后，传感器中的弹性元件将产生变形，因此，粘贴于弹性元件上的力敏应变电桥就有电压信号U输出，其值为RUUR 式中：U应变电桥的电源电压； R/R应变片的相对变化。 当U和R恒定时，U与受力成正比。因此U与P成正比。在皮带速

36、度V不变时，单位时间内皮带上物料流量为Q = PV，即Q与P成正比。所以测量U的大小就间接地测量Q的大小。 本 章 小 结 （1）应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化的现象。 （2）应变式传感器的结构：敏感栅、基片、覆盖层和引线；应变式传感器分类及工作原理。 （3）应变片的材料及粘贴。 （4）应变片的温度误差：电阻温度系数的影响、试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响；补偿方法：线路补偿法、自补偿法。 （5）应变式传感器的测量电路：直流电桥、单臂电桥、半桥和全桥。 （6）应变式传感器在工程中的应用。 思考题和习题 2-1 什么叫应变效应?利用应变效应

37、解释 金属电阻应变片的工作原理。 2-2 试述应变片温度误差的概念、产生原 因和补偿办法。 2-3 什么是直流电桥？若按不同的桥臂工 作方式分类，可分为哪几种？各自的 输出电压如何计算？ 2-4 拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相 同的电阻应变片，并组成差动全桥电 路，试问： 4个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？ 画出相应的电桥电路图。 2-5 图2-5为一直流应变电桥。图中E = 4V，R1 = R2 = R3 = R4 = 120，试 求： R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为R1 = 1.2时，电桥输出电压Uo为多少？ R1、R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同

38、，其余为外接电阻，电桥输出电压Uo为多少？ 题中，如果R2与R1感受应变的极性相反，且R1 = R2 = 1.2，电桥输出电压Uo为多少？ 2-6 图2-14为等强度梁测力系统，R1为电 阻应变片，应变片灵敏系数 K= 2.05，未受应变时，R1 = 120。 当试件受力F时，应变片承受平均应 变 = 800m/m，试求： 应变片电阻变化量R1及电阻相对变化量R1/R1。 将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压及电桥非线性误差。 若要减小非线性误差，应采取何种措施?分析其电桥输出电压及非线性误差大小。 2-7 在题2-6条件下，如果试件材质为合 金钢，线膨胀系

39、数g = 11 106/，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数 = 15 106/，线膨涨系数s = 14.9 106/。当传感器的环境温度从10变化到50时，所引起的附加电阻相对变化量(R/R)t为多少?折合成附加应变t为多少? 实训1 半导体应变片单臂电桥的测试 一、实验目的 （1）观察了解应变片的结构及粘贴方式。 （2）测试应变梁变形的应变输出，进一步理解应变式传感器的工作原理。 二、实验所需部件 直流稳压电源、电桥、差动放大器、半导体应变计、测微头、电压表。 三、实验原理 由于半导体材料的“压阻效应”特别明显，可以反映出很微小的形变，当电桥的一个桥臂换成半导体应变片后，就构成单臂

40、电桥，当相邻两桥臂换成受力方向相反的应变片时，即可构成半桥。若应变片不受力时，4个桥臂电阻构成的电桥在电位计WD调节下能够达到平衡状态，即输出为零，若悬臂梁受力，则电桥输出不再为零，且随受力的增加而增大。 四、实验步骤图2-15 （1）差动放大器调零：将差动放大器的两输入端接地，增益调节适当，输出端接地，调节调零旋钮使输出为0。 （2）按图2-15接线，电桥中R1为半导体应变片，其余电阻为固定电阻。 （3）调节电桥平衡：悬臂梁不受力时，电压表读数应该为0，若不为0时，调节电位器WD使电桥输出为0。 （4）旋转测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以水平状态下的输出为零，向上和向下各移动4m

41、m，每移动0.5mm记录一个数据，填入表2-2中。 （5）用测出V，X值，画出VX曲线，求出灵敏度。 位移位移/mm/mm0 00.50.51.01.01.51.52.02.02.52.53.03.03.53.54.04.0电压电压/V/V电压电压/V/V表表2-22-2 数据记录表数据记录表 第3章 电容式传感器 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构3.1成成电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.33.1 电容式传感器的工作原理 和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 AC

42、d 式中：电容极板间介质的介电常数，=0r ，其中0为真空介电常数，r极板间介质的相对介电常数； A两平行板正对面积； d两平行板之间的距离。 如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可以转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型3种。 3.1.1 变极距型电容传感器 当传感器的r和A为常数，初始极距为d0时，其初始电容量C0为 0000rACd 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大了C，则有000002000111rdCACdCCCdddddd （）- 传感器的输出特性不是线性关系，而是曲

43、线关系。 若d/ d0M2，因而e2a增加，而e2b减小。反之，e2b增加，e2a减小。因为Uo=e2ae2b，所以当e2a、e2b 随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。 1差动整流电路 差动整流电路还可以接成全波电压输出和全波电流输出的形式。 差动整流电路具有结构简单，根据差动输出电压的大小和方向就可以判断出被测量（如位移）的大小和方向，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，分布电容影响小，便于远距离传输，因而获得广泛的应用。 2相敏检波电路 相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次输出电压频率相同，相位相同或相反。为了保证这一点，通常在电路中接入移相电路。另外，由于比较电压在检波

44、电路中起开关作用，因此其幅值应尽可能大，一般应为信号电压的35倍。 图4-13中RP1为电桥调零电位器。对于小位移测量，由于输出信号小，在电路中还要接入放大器。此外，交流电桥也是常用的测量电路。 4.2.3 差动变压器式传感器的应用 差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 差动变压器式加速度传感器的原理。它由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的绕组骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动

45、衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。4.3 电涡流式传感器4.3.1 电涡流式传感器的工作原理 1、电涡流效应 块状金属导体置于变化磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，金属导体内将会产生旋涡状的感应电流，该现象称为电涡流效应。 2、应用 利用电涡流传感器可以实现对位移、材料厚度、金属表面温度、应力、速度以及材料损伤等进行非接触式的连续测量，并且这种测量方法具有灵敏度高、频率响应范围宽、体积小等一系列优点。 3、类型 电涡流传感器分为高频反射式和低频透射式两类。 4、原理分析 将一个通以正弦交变电流I1的扁平线圈置于金属导体附近，则线圈周围空间将产生一个正弦交变磁场H

46、1，使金属导体中感应电涡流I2，I2又产生一个与H1方向相反的交变磁场H2，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 它与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率f、与线圈与导体间的距离x有关。 函数关系式为： Z=F(, , r, f, x) 如果保持上式中其他参数不变，而只使其中一个参数发生变化，则传感器线圈的阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数，即可实现对该参数的测量。 4.3.2 电涡流式传感器的结构 电涡流式传感器的结构主要是一个绕制在框架上的扁平绕组，绕组的导线应选用电阻率小的材料，一般采用高强度漆包铜线，图4-16所示为CZF1型电涡流式传感器的结构图

47、，电涡流是采用把导线绕制在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯。 这种传感器的线圈与被测金属之间是磁性耦合的，并利用这种耦合程度的变化作为测量值，它的尺寸和形状都与测量装置的特性有关。所以作为传感器的线圈装置仅为实际传感器的一半，而另一半是被测体，所以，在电涡流式传感器的设计和使用中，必须同时考虑被测物体的物理性质和几何形状及尺寸。 4.3.3 电涡流式传感器的测量电路 用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。 1调频式电路 传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x)，

48、该频率可由数字频率计直接测量，或者通过fU变换，用数字电压表测量对应的电压。 振荡频率为： （4-12） 为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。12fLC 2调幅式电路 由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（fo）稳定的激励电流io，LC回路输出电压为 Uo=io f (Z) 式中：ZLC回路的阻抗。 当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属

49、导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。 因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。 4.3.4 电涡流式传感器的应用 1低频透射式电涡流厚度传感器 在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。 如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流，并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通

50、将减弱为1，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U2就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1100mm，分辨率为0.1m，线性度为1%。 2电涡流式转速传感器 在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。 当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为d0+d。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随d的变化而变化，导致振荡器的电压幅值和振荡频率发生变化。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号。 该信号由检波器检出电压幅值的变

51、化量，然后经整形电路输出频率为fn的脉冲信号。该信号经电路处理便可得到被测转速。 这种转速传感器可实现非接触式测量，抗污染能力很强，可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600 000r/min。 3高频反射式电涡流厚度传感器 为了克服带材不够平整或运行过程中上、下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。 S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有“x1+x2=常数”的关系存在。两传感器的输出电压之和为2Uo，数值不变。 如果被测带材厚度改变量为 ，则两传感器与带材之间的距

52、离也改变一个 ，两传感器输出电压此时为2UoU，U经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。 4高频反射式电涡流位移传感器 电涡流位移计是根据高频反射式涡流传感器的基本原理制作的。电涡流位移计可以用来测量各种形状试件的位移量。 电涡流位移计测量位移的范围可以从01mm至030mm，个别产品已达80mm。一般的分辨率为满量程的0.1%，也有达到0.5m的（其全量程为05m）。 例如：CZFI-1000型传感器与BZF-1、ZZF-5310型配套时，有01mm、03mm、05mm等几种主要类型传感器，其分辨率为0.1%。另外，凡是

53、可变成位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量，如钢水液位、纱线张力和液体压力等。 本 章 小 结 本章主要介绍电感式传感器，它可以把输入的各种机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、相对密度等参数转换成电能量输出。 差动变隙式电感传感器工作原理及组成。 差动变压器是把被测的非电量变化转换成绕组互感量的变化。 差动变压器结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。 电涡流式传感器工作原理及应用 思考题和习题 4-1 说明差动变磁阻式电感传感器的主要 组成、工作原理和基本特性。 4-2 已知变气隙电感传感

54、器的铁芯截面积 S=1.5cm2，磁路长度L=20cm，相对磁 导率 1=5 000，气隙 0=0.5cm， =0.1mm，真空磁导率 0=4107H/m，线圈匝数 W=3 000，求单端式传感器的灵敏度 L/。若将其做成差动结构形 式，灵敏度将如何变化？ 4-4 根据螺管型差动变压器的基本特性， 说明其灵敏度和线性度的主要特点。 4-5 概述差动变压器的应用范围，并说明 用差动变压器式传感器检测振动的基 本原理。 4-6 什么叫电涡流效应？怎样利用电涡流 效应进行位移测量？ 4-7 简述电涡流式传感器的工作原理、特 性、和基本结构。 4-8 电涡流式传感器测厚度的原理是什 么？具有哪些特点？

55、 实训3 差动变压器式传感器性能测试与 标定 一、实训目的 （1）了解差动变压器式电感传感器的基本结构及工作原理。 （2）掌握差动变压器同名端的确定。 （3）掌握差动变压器式电感传感器测试系统的组成及标定方法。 （4）振动测量。 二、实训原理 差动变压器的基本元件有衔铁、一次绕组、二次绕组、绕组骨架等。一次绕组作为差动变压器的激励，而二次绕组由两个结构尺寸和参考相同的绕组反相串接而成。差动变压器为开磁路，其工作原理建立在互感变化的基础上。 差动变压器式电感传感器标定的含义是：通过实训建立传感器输出量和输入量之间的关系，同时，确定出不同条件下的误差关系。 三、实训设备 （1）差动变压器； （2）

56、音频振荡器； （3）差动放大器； （4）低频振荡器； （5）移相器； （6）相敏检波器； （7）低通滤波器； （8）螺旋测微器（测微头）； （9）振动台； （10）电压/频率表； （11）双踪示波器。 四、实训方法及步骤 1差动变压器二次绕组同名端的确定 按图4-23接线（先任意假定绕组同名端），松开测微头，从示波器的第二通道观察输出波形，转换接线头再观察输出波形，波形幅值较小的一端应为同名端。 按正确的接法，调整测微头，从示波器上观察输出波形使输出电压幅值最小。这个最小输出电压即为差分变压器的零点残余电压，该位置即为衔铁的正中位置。可以看出，零点残余电压的相位差约为/2，是正交分量。 图图4

57、-23 4-23 确定差动变压器二次确定差动变压器二次绕组同名端接线图绕组同名端接线图 2差动变压器的标定 （1）测微头不动，按图4-24接线，差放增益为100倍。 图图4-24 4-24 差动变压器标定系统图差动变压器标定系统图 （2）调节RPD、RPA使系统输出为零。 （3）用测微头调节振动台2.5mm左右，并调整移相器，使输出达最大值，若不对称可再调节平衡电位器、移相器使输出基本对称。 （4）旋动测微头，每旋一周（0.5mm）记录实验数据，并填入表4-2中，总共2.5mm；作出Ux曲线，求出灵敏度。 x x/mm/mm2.52.52.02.01.51.51.01.00.50.50 00.

58、50.51.01.01.51.52.02.02.52.5U U/V/V表表4-24-2实训实训3 3测量数据测量数据1 1 3振动测量 （1）将测微头退出振动台。 （2）利用位移测量线路，调整好有关信号参数。 （3）音频振荡器输出电压峰峰值为1.5V。 （4）将低频振荡器输出接到激振器上，给振动梁加一个频率为f的交变力，使振动梁上下振动。 （5）保持低频振荡器的输出幅值不变，改变激振频率，用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰峰值，记下实训数据，填入表4-3中。 f f/Hz/Hz3 35 57 79 911111313151520203030U UP-PP-P/V/V表表4-34-3实训实训3

59、 3测量数据测量数据2 2 根据实验结果，作出振动梁的幅频特性曲线，并分析自动频率的大致范围。 4注意事项 （1）正式实训前，一定要熟悉所用设备、仪器的使用方法。 （2）在用振动台做差动变压器式电感传感器性能测试及标定时，一定要把测微头拿掉（或移开），防止振动时发生意外。 压电效应和压电材料压电效应和压电材料5.1压电式传感器及测量电路压电式传感器及测量电路5.2压电式传感器的应用压电式传感器的应用5.35.1 压电效应和压电材料 5.1.1 正、逆压电效应 1、正压电效应 某些晶体结构的材料，当沿着一定方向受到外力作用时，内部产生极化现象，同时在晶体的某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去

60、掉后，又恢复到不带电的状态。这一现象称为“正压电效应”。 2、逆压电效应 当在电介质的极化方向施加电场，电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”。 3、压电材料 可分为压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。 压电晶体是一种天然单晶体，例如石英晶体、酒石酸钾钠等；压电陶瓷是一种人工合成的多晶体，例如钛酸钡、锆钛酸铅等；有机压电材料是近些年来研制成的有机高分子聚合材料。 压电材料的主要特性参数以下几种： 压电常数、弹性常数、介电常数、机械耦合系数、电阻、居里点。 5.1.2 石英晶体 石英晶体是单晶体，有电轴x、机械轴y、光轴z轴。沿z轴方向受力不会产生压电效应。 从晶体上沿y轴方向切下一块