教学材料《传感器》-第十二章

12.1电阻应变片的认识与粘贴技术1.实验目的(1)了解应变片的测量原理、结构和种类。(2)掌握应变片的粘贴技术及质量检查与防潮方法。2.实验原理在机械工程测试技术中，广泛应用电阻应变片，因为它能准确地测量各种力参数。对于应变片的正确选取和粘贴质量的好坏，将直接影响应变片的性能和测量的准确性。1)应变片的分类应变片可分为金属式和半导体式两大类。金属式:丝式、箔式、薄膜式;半导体式:薄膜式、扩散式。下一页返回12.1电阻应变片的认识与粘贴技术根据基底材料不同又可分为纸基、胶基和金属片基等。2)基底材料基底材料要满足如下要求:机械强度高，粘贴容易，电绝缘性好，热稳定性好，抗潮湿性能好，挠性好(能够粘贴在曲率半径很小的曲面上)，无滞后和蠕变。(1)胶基:由有机聚合材料的薄片作为基底的称为胶基应变片。(2)酚醛、环氧树脂基底(箔式片居多)，它具有良好的耐热和防潮性能，使用温度达到180℃，并且长时间稳定性好。(3)聚酞亚胺基底，使用温度为-260一400℃，绝缘性能好，因此可以做得很薄，通常为0.025mm，应变片的柔韧性好。(4)石棉、玻璃纤维增强塑料作基底，主要在高温下使用。上一页下一页返回12.1电阻应变片的认识与粘贴技术3)敏感元件材料对敏感材料的要求:灵敏度Ko在尽可能大的应变范围内是常数Ko尽可能大。具有足够的热稳定性。电阻系数ρ高且受温度变化的影响小，在一定的电阻值要求下，电阻系数越高，电阻丝的长度越短，因此可以减小电阻应变片的尺寸。康铜是用得最广泛的电阻应变片敏感材料，康铜的Ko值对应变的稳定性非常好，不但在弹性变形的范围内Ko保持常数，在进人塑性范围后Ko仍基本上保持常数，故测量范围大。康铜具有足够小的电阻温度系数，使测量时因温度变化而引起的误差较小。康铜的电阻系数ρ很大，便于做成电阻值大而尺寸小的电阻应变片。我国制造的电阻应变片绝大部分以康铜为敏感材料，除康铜外还有镍铬铁合金、镍铬合金等。上一页下一页返回12.1电阻应变片的认识与粘贴技术

4)应变片的主要参数(1)几何尺寸:基长L为沿敏感栅金属丝轴线方向上能承受应变的有效长度，基宽b为与金属丝轴线垂直方向上敏感外侧之间的距离。2)电阻值:它是指应变片既没有粘贴，又不受外力作用的条件下，在室温中测量的原始电阻值。目前应变片的规格已成为标准系列化，目前我国生产的应变片名义阻值一般为120，此外，还有60、80,240等。(3)灵敏度S:当应变片粘贴在试件上之后，在沿应变片轴线方向的单向载荷作用下，应变片的电阻变化率与被敏感栅覆盖下的试件表面上的轴向应变的比值称为应变片的灵敏度S。上一页下一页返回12.1电阻应变片的认识与粘贴技术(4)绝缘电阻:指敏感栅与被测试件之间的绝缘电阻。(5)允许电流:当应变片接入测量电路后，敏感栅中流过一定的电流，使应变片产生温升，一般在静态测量中允许电流为25mA，在动态测量中允许电流为75一100mA。3.实验仪器和设备上一页下一页返回12.1电阻应变片的认识与粘贴技术

4.实验内容及步骤仔细观察电阻应变片的样品，区别纸基、胶基等应变片及其结构，特别注意应变片在粘贴时的正反面区别。1)应变片的选择(1)根据试件大小、工作温度和受力情况，选取合适的应变片。(2)用5一10倍的放大镜选择没有短路、断路、气泡等缺陷，并且要求表面平整、丝栅排列均匀的应变片。上一页下一页返回12.1电阻应变片的认识与粘贴技术(3)量出所选取应变片的阻值，使阻值相近的应变片放在一起，应保证同组各应变片的阻值差不超过0.5}，这样在测量时容易调整平衡。2)试件的表面处理与画线(1)预清洗:根据试件的表面状况进行预清洗，一般采用有机溶剂脱脂除渍。(2)除锈、粗化:一般多采用砂布打磨法，除掉试件表面的锈渍使其露出新鲜的金属表层，以便使胶液充分浸润以提高粘贴强度。用细砂布沿着与所测应变轴线成45。方向交叉轻度打磨，使试件表面呈细密、均匀新鲜的交叉网纹状，这样有利于充分传递应变，打磨面要大于应变片的面积，如图12-1所示。(3)画定位基准线:根据应变片尺寸，利用钢板尺、高度尺、画线针或硬质铅笔画出确定应变片粘贴位置的定位基准线。画线时，不要画到应变片覆盖范围内，如图12-2所示。上一页下一页返回12.1电阻应变片的认识与粘贴技术(4)清洗:一般采用纯度较高的无水乙醇、丙酮等，用尖镊子夹持脱脂棉球蘸少量的丙酮粗略地洗去打磨粉粒，然后用无污染的脱脂棉球蘸丙酮仔细地从里向外擦拭粘贴表面，擦一次转换一个侧面再擦，棉球四面都用过，更换新棉球用同样的方法擦洗，直到没有污物和油渍为止。应变片背面也要轻轻擦拭干净，干燥后待用。3)粘贴在无灰尘的条件下，用清洗过的小螺丝刀蘸取少量KH-501(或502)胶液，在清洗好的试件粘贴表面和应变片背面单方向涂上薄而均匀的一层胶液(单方向涂抹，以防产生气泡)，放置少许时间，待涂胶的试件和应变片上胶液溶剂挥发还带有茹沾性时，将应变片涂胶一曲与试件表曲贴台，上一页下一页返回12.1电阻应变片的认识与粘贴技术并注意应变片的定位标应与试件上的定位基准线对齐。在贴好的应变片上覆盖一层聚四氟乙烯薄膜用手指单方向轻轻按压，将余胶和气泡挤出压平。手指按压时不要相对试件错动，按压3一5min后，放在室温下固化待用。4)接桥(1)将干燥固化后的应变片用数字万用表检查有无短路、断路现象，并测出应变片与试件之间的绝缘电阻，长期测量大于500MSL，临时测量大于20MSL。本实验属于短期测量，达到20一100MSL以上即可。低于20MSL将会严重影响到稳定性，达不到要求的应当重新贴片。(2)检查无误后，按图12-3所示电路焊接成半桥或全桥。(3)用万用表检查绝缘及通路。上一页下一页返回12.1电阻应变片的认识与粘贴技术(4)用惠斯顿电桥或数字万用表测量两臂(半桥:AB,BC)或两对角(全桥:AC,BD)，检查其阻值是否大致相等，最好不超过0.5，否则应变仪不易调平衡。5.密封、防潮密封、防潮措施是为了保护粘贴后的应变片避免受到机械损坏，在使用过程中不受环境温度变化的影响，保持良好的绝缘性能。用石蜡涂料(石蜡40%-45%、松香30%一35%、凡上林15%、机油少许)或其他密封涂料涂于试件表面，起到防水、防潮、绝缘的作用。上一页返回12.2涡流传感器原理及应用实验

1.实验目的了解和掌握电涡流传感器测量原理和方法。2.实验原理(1)电涡流传感器就是能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流位移传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间的静态和动态距离及其变化。(2)探头、延仲电缆、前置器以及被测体构成基本工作系统:前置器中高频振荡电流通过延仲电缆流人探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失;当有被测金属体靠近这一磁场时，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位下一页返回12.2涡流传感器原理及应用实验得到改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性的，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率、磁导率、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用函数来表示。通常能做到控制这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是非线性的，其函数特征为“S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。因此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测上一页下一页返回12.2涡流传感器原理及应用实验体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。(3)涡流检测不需要改变试件的形状，也不会影响试件的使用性能，因此，是一种无损地评定试件有关性能和发现试件有无缺陷等的检测方法。涡流检测只适用于能产生涡流的导电材料。同时，由于涡流是电磁感应产生的，在检测时，不必要求线圈与试件紧密接触，也不必在线圈和试件之间充填满合剂，从而容易实现自动化检验。对管、棒、丝材表面缺陷，涡流检查法有很高的速度和效率。涡流及其反作用磁场对代表金属试件物理和工艺性能的多种参数有反应，因此是一种多用途的试验方法。然而，正是由于对多种试验参数有敏感反应，也就会给试验结果带来干扰信息，影响检测的正确进行。上一页下一页返回12.2涡流传感器原理及应用实验涡流检测设备用于各种金属管、棒、线、丝材的在线和离线探伤。在探伤过程中，能时兼顾长通伤、缓变伤等长缺陷和短小缺陷(如通孔)，能够有效抑制管道在线、离线检时的某些干扰信号(如材质不均、晃动等)，对金属管道内外壁缺陷检测都具有较高的灵度，还可用于机械零部件混料分选，渗碳深度和热处理状态评价，硬度测量等。3.实验仪器电涡流传感器、电涡流传感器实验模块、测速电机、电压/频率表、示波器。4.实验内容与步骤(1)观察涡流传感器的外形。(2)按照使用说明书安装涡流传感器。(3)观察传感器的输出信号，然后采集。(4)静态校准。上一页下一页返回12.2涡流传感器原理及应用实验按图12-4所示示意图接好线路，调整被测片与涡流线圈的距离。使系统发生振荡(用计算机分析系统监视)。示波器上读出峰一峰值，毫伏表上读出平均值，每隔0.25mm读一次数，直到线性严重破坏为止，即静态校准。根据以上数据，找出传感器与被测体间的最佳工作距离和起始点。(5)被测体对传感器特性的影响。根据图12-4所示示意图，分别用铝、铜、铁被测片重复实验内容(1)，分析比较所得结果。(6)电涡流式振幅测量系统。按图12-5所示意图接线，用激振器激励平行梁振动，激振频率为15Hz,20Hz,30Hz处分别记录要求对应的输出峰一峰值，并根据前面得到的校准曲线计算出对应的振动幅度。上一页返回12.3光电传感器实验12.3.1光敏二极管特性实验1.实验原理光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导体性，因此工作时需加上反向电压。无光照射时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时二极管截止;当受到光照射时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。光敏二极管结构如图12-6所示。2.实验仪器光敏二极管、稳压电源、负载电阻、遮光罩、光源、电压表、微安表3.实验步骤按照12-7所示电路接线，注意二极管是工作在反向工作电压下一页返回12.3光电传感器实验时的。由于硅光敏二极管的反向工作电路非常小，所以应视实验情况适当提高工作电压，必要时可用稳压电源上的士10V或士12V串接。1)暗电流测试用遮光罩盖住光电器件模版，电路中反向工作电压接士12V，选择适当的负载电阻。打开电源，调节负载电阻值，微安表显示的电流值即为暗电流。一般锗光敏二极管的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍。可在试件插座上更换其他二极管进行测试作性能比较。2)光电流测试缓慢揭开遮光罩，观察微安表上的电流值的变化，如果光电流较大，则可减小工作电压或调节加大负载电阻。上一页下一页返回12.3光电传感器实验3)灵敏度测试改变仪器照射光源强度及相对于光敏器件的距离，观察光电流的变化情况。4)光谱特性测试不同材料制成的光敏二极管对不同波长的入射光反应灵敏度是不同的。由图12-8所示的光敏二极管的光谱特性曲线中可以看出，硅光敏二极管和错光敏二极管的影响峰值在80一100um，试用附件中的红外发射管、各色发光LED、光源光、激光光源照射光敏二极管，测得光电流并将测试数据填入表12一1。

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4.注意事项本实验中暗电流测试最高反向工作电压受仪器电压条件限制定为士12v(24v)，硅光敏二极管暗电流很小，有可能不易测得。测试光电流时要缓慢地改变光照度，以免测试电路中的微安表指针打表。上一页下一页返回12.3光电传感器实验12.3.2光敏三极管特性测试1.实验原理光敏三极管是具有NPN或PNP结构的半导体管，结构与普通三极管类似。但它的引出电极通常只有两个，入射光主要衫面积做得较大的基区所吸收。光敏三极管的结构与工作电路如图12-9所示。集电极接正电压，发射极接负电压。2.实验仪器光敏三极管、稳压电源、各类电源、电压表、微安表、负载电阻、照度计。3.实验步骤(1)判断光敏三极管C、E极性.方法是用万用表20M阻测试挡，测得管阻小的候红笔棒端触脚C极，黑表棒为E极。上一页下一页返回12.3光电传感器实验(2)暗电流测试。按图12-9所示电路接线，稳压电源用士12V,调整负载电阻R阻值，使光敏器件模板被遮光罩盖住时微安表显示有电流，这就是光敏三极管的暗电流，或是测得负载电阻RL

上的压降U暗，暗电流ICEO=U暗/RL。如果是硅光敏三极管，则暗电流可能要小于10-9A，一般不易测出。(3)光电流测试。缓慢地取开遮光罩，观察随光照度测得的光电流I的变化情况，并将所测数据填入表12-2。通过实验比较可以看出，光敏三极管与光敏二极管相比能把光电流放大(1+HFE)倍，具有更高的灵敏度。(4)伏安特征测试。光敏三极管在给定的光照强度与工作电压下，将所测得的工作电压价卜与工作电流记录，工作电压可从士4-士12V变换，并作出一组U-I曲线。上一页下一页返回12.3光电传感器实验

(5)光谱特性测试。对于一定材料和工艺制成的光敏管，必须对应一定波长的入射光才有响应。按照图12-9所示电路接好光敏三极管测试电路，参照光敏二极管的光谱特性测试方法，用各种光源照射光敏三极管，测得光电流，并作出定性的结沦。(6)光电特性测试。在外加工作电压恒定的情况下，照射光通量与光电流的关系如图12-10所示，用各种光源照射光敏三极管，记录光电流的变化。(7)温度特性测试。光敏三极管的温度特性曲线如图12-11所示，试在图12-9所示的电路中加热光敏三极管，观察光电流随温度升高的变化情况。上一页下一页返回12.3光电传感器实验

12.3.3光敏三极管对不同光谱的响应1.实验原理在光照度一定时，光敏三极管输出的光电流随波长的改变而变化。一般来说，对于发射与接收的光敏器件，必须由同一种材料制成才能有比较好的波长的响应，这就是光学工程中所使用光电对管的原因。2.实验仪器光敏三极管、发光二极管、试