测试技术第三章.ppt

1、第三章 常用传感器与敏感元件,主要研究内容：,1.了解传感器的分类 2.常用传感器测量原理 3.传感器选用,3.1 概述,1. 传感器(Sensor)定义,传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的器件或装置。,霍尔,电磁式车辆速度传感器由两个电磁线圈和永久磁铁 组成。车速传感器安装在变速器输出轴附近的壳体 上，输出轴上的停车锁定齿轮为感应转子。当输出 轴转动时，齿轮的凸齿不断靠近和离开传感器，使 线圈内的磁通量发

2、生变化，从而产生应变电流，ECM 通过线圈感应车辆速度。,传感器在非电量电测系统中的作用：,一是 敏感作用： 感受并拾取被测对象的信号,二是变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理的电信号,获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。,2. 传感器的分类,(1)按被测物理量分类:,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量； 声: 声压,噪声。 磁: 磁通,磁场。 温度: 温度,热量,比热。 光： 亮度，色彩。,温度传感器,压力传感器,扭矩传感器

3、,角位移传感器,光电式编码器,电感式位移传感器,直线光栅尺,光电式编码器原理图,(2)按传感器元件的变换原理分类:,电阻式,电容式,电感式,压电式、光电式等.,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. 例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,电容传声器、压力传感器的直流极化电路,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作。 例如:热电偶温度计,压电式加速度计。 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给 能量的变化。 例如:电阻应变片。 能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递 过程中实现敏感

4、检测。 例如:超声波发生器和接受器。,(3)按传感器的能量传递方式分类:,3. 传感器的性能要求,(1)对被测量系统的负载效应小； (2)转换灵敏度高，有较好的线性关系； (3)重复精度、精度适当，稳定性高； (4)反应速度快，动态特性好； (5)适应性和适用性强。,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,按工作的原理可分为:,热敏式,电阻应变式,变阻器式,光敏式,电敏式,3.2 电阻式传感器,电阻应变式传感器-应变片,金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,电阻丝应变片

5、(康铜),电阻丝应变片(康铜),金属箔式应变片,1) 工作原理,金属应变片的电阻R为,(1) 金属应变片（不变）,(2) 半导体应变片（变化）,2) 金属应变计,金属应变计有: 丝式和 箔式。 优点:稳定性和温度特 性好。 缺点:灵敏度系数小。,应变计,3) 半导体应变计,优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应 变电阻的元件。 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变 片。,应变计,薄膜型 扩散型,4)应变片测量电路,令：,金属丝应变片：,V与应变成线性关系，可以用电桥测量电压测量应变,5) 电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2

6、.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,6) 标准产品,7) 应用,电阻应变式传感器的应用：测力,案例：,7) 应用,案例：桥梁固有频率测量,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,案例：机器人握

7、力测量,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,案例：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,德国HBM电阻应变式传感器,3.3 电容式传感器,1.变换原理:,将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,当被测量、A或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,2. 分类,a) 极距变化型;,b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.,3. 测量电路,直流极化电路,谐振电路,电容

8、传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，谐振回路的阻抗将发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。,运算放大器电路（位移测量传感器）,3. 应用,1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度 2.位移，移动，位置，膨胀 3.挠度，变形，波动，倾斜 4.尺寸，公差，分选，零件识别 5.冲击，应变，轴向振动 6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心,3.4 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,1 自感型-可变磁阻式,a)变间隙型,原理:电磁感应,b

9、)变面积型,c）螺线管型,d)差动型,2 涡流式,原理:涡流效应,原线圈的等效阻抗Z变化：,a)高频反射式：（集肤效应）,b)低频透射式：（互感原理）,案例：干净、高效的电磁炉,电磁炉内部的励磁线圈,电磁炉的工作原理,高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅 内 的 食 物。,案例： 连续油管的椭圆度测量,原理：,案例： 无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,案例： 测厚,案例： 零件计数,3 变压器式-差动变压器,(1) 调幅式（AM）电路,4 测量电路,(2)调频（FM）式电路(100kHz1MHz）,当电涡流线

10、圈与被测体的距离x 改变时，电涡流线圈的电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo 。,应用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度; 压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.,3.5 磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势U为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。,2 分类,3 动圈式传感器,4 磁阻式

11、传感器,5 应用,b) 测速电机,a)磁电式车速传感器,3.6压电式传感器,1.变换原理:,压电效应,某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,压电效应,q=DF,2、测量电路,a)电压放大器,b)电荷放大器,3 应用,b) 压力变送器,a) 加速度计，力传感器,案例：飞机模态分析,3.7光电式传感器,(1)光电式传感器具有结构简单、响应速度快、 高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强 （不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、 可实现非接触式测量等特点 (2)可以直接检测光信号，间

12、接测量温度、压力、 位移、速度、加速度等 (3)其发展速度快、应用范围广，具有很大的应 用潜力,(1)由光路及电路两大部分组成 (2)光路部分实现被测信号对光量的控制和 调制 (3)电路部分完成从光信号到电信号的转换,光子是具有能量的粒子，每个光子的能量 可表示为 光电效应方程,光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。 光电器件工件的物理基础：光电效应。 光电效应分为：内光电效应、外光电效应,外光电效应型光电器件,当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱

13、离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。 即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。 根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。,内光电效应型光电器件,内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象 这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种,内光电效应分类 光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻 光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。,光敏晶体管,光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。 大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压， 当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基