電氣測試技術(shù)第四章

1、第一篇第一篇 工程測試技術(shù)基礎(chǔ)工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 1.1.掌握傳感器的基本概念掌握傳感器的基本概念 2.2.了解常用的彈性敏感元件及其特性了解常用的彈性敏感元件及其特性 3.3.了解傳感器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢了解傳感器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢 第第4章章 傳感器技術(shù)概論傳感器技術(shù)概論 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念 1.1.傳感器的定義及組成傳感器的定義及組成 定義：傳感器是能夠定義：傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量感受規(guī)定的被測量并并按一定規(guī)按一定規(guī) 律律轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成可用輸出信號可用輸出信號的器件或裝置。的器件或裝置。 物理量物理量電量電量 組成：敏感元件、變換元件、輔助元件等。組成：敏感元件、變換

2、元件、輔助元件等。 敏感元件敏感元件：被測非電量：被測非電量其他形式信號（易其他形式信號（易 于轉(zhuǎn)換成電量于轉(zhuǎn)換成電量: :形變形變）；）； 變換元件變換元件：非電量：非電量電量（電阻、電感、電電量（電阻、電感、電 容等容等) ) 輔助元件輔助元件：信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換等。：信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換等。 傳感器組成實例傳感器組成實例 溫度傳感器溫度傳感器 2.2.傳感器的分類傳感器的分類 1)1)按被測量分類按被測量分類 常見的被測物理量包括：常見的被測物理量包括： 機械量：位移、力、速度、加速度機械量：位移、力、速度、加速度 熱工量：溫度熱工量：溫度、流量、熱量、比熱、壓力流量、熱量、比熱、壓力( (差差)

3、 ) 物性參量：濃度、比重、真空度、酸堿度物性參量：濃度、比重、真空度、酸堿度 狀態(tài)參量：裂紋、缺陷、泄漏、磨損狀態(tài)參量：裂紋、缺陷、泄漏、磨損 電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式等電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式等 2)2)按工作原理分類按工作原理分類 結(jié)構(gòu)型和物性型結(jié)構(gòu)型和物性型. .3)3)按信號變換特征按信號變換特征: : 物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來 實現(xiàn)信號變換實現(xiàn)信號變換. .如如: :水銀溫度計水銀溫度計. . 結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. .

4、 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. . 4)4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系: : 能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: :直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,壓電式加速度計壓電式加速度計. . 能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測量控制外部從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片. . 按傳感器的輸出量：按傳感器的輸出量： 模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器 按傳感器的測量方式

5、：按傳感器的測量方式： 接觸式傳感器和非接觸式傳感器接觸式傳感器和非接觸式傳感器 3.3.傳感器常用的技術(shù)性能指標(biāo)傳感器常用的技術(shù)性能指標(biāo) 機電學(xué)院機電學(xué)院傳感器技術(shù)概論傳感器技術(shù)概論 傳感器性能的基本要求：傳感器性能的基本要求： 1)高靈敏度、線性、抗干擾的穩(wěn)定性高靈敏度、線性、抗干擾的穩(wěn)定性(對噪聲不敏感對噪聲不敏感)、 容易調(diào)節(jié)容易調(diào)節(jié)(校準(zhǔn)簡易校準(zhǔn)簡易) 2)高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長(耐用性耐用性) 3)高響應(yīng)速率、可重復(fù)性、抗老化、抗環(huán)境影響高響應(yīng)速率、可重復(fù)性、抗老化、抗環(huán)境影響(熱、熱、 振動、酸、堿、空氣、水、塵埃振動、酸、堿

6、、空氣、水、塵埃)的能力的能力 4)選擇性、安全性選擇性、安全性(傳感器應(yīng)是無污染的傳感器應(yīng)是無污染的) 、互換性、互換性、 低成本低成本 5)寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強度、寬工作溫度寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強度、寬工作溫度 范圍范圍 4.2 彈性敏感元件彈性敏感元件 利用利用彈性變形彈性變形進行變換和測量的元件。在機械進行變換和測量的元件。在機械 量（力、壓力、位移、速度等）測量常用的彈性敏量（力、壓力、位移、速度等）測量常用的彈性敏 感元件有感元件有彈性梁、柱及筒、膜片、膜盒、彈簧管、彈性梁、柱及筒、膜片、膜盒、彈簧管、 波紋管波紋管等。等。 1 1、彈性敏感元件的基本特性、彈

7、性敏感元件的基本特性 剛度剛度：引起單位變形所需要的外力。：引起單位變形所需要的外力。 dx dF k 1 1）彈性特性）彈性特性 靈敏度靈敏度：單位外力作用下產(chǎn)生變形的大小。：單位外力作用下產(chǎn)生變形的大小。 dF dx k S 1 2 2）彈性滯后彈性滯后 在彈性變形范圍內(nèi)，加載、卸載正反行程曲線在彈性變形范圍內(nèi)，加載、卸載正反行程曲線 不重合的現(xiàn)象不重合的現(xiàn)象引起傳感器回差的原因。引起傳感器回差的原因。 3 3）彈性后效彈性后效 當(dāng)彈性元件所加載荷改變時，不能立即完成相當(dāng)彈性元件所加載荷改變時，不能立即完成相 應(yīng)變形，而是經(jīng)一定時間間隔逐漸完成變形的現(xiàn)應(yīng)變形，而是經(jīng)一定時間間隔逐漸完成變形

8、的現(xiàn) 象象引起傳感器的測量誤差。引起傳感器的測量誤差。 4 4）溫度特性溫度特性 彈性敏感元件的幾何尺寸和彈性模量隨溫度變化彈性敏感元件的幾何尺寸和彈性模量隨溫度變化 5 5）固有頻率固有頻率 固有頻率決定其動態(tài)特性。一般來說，固有頻率固有頻率決定其動態(tài)特性。一般來說，固有頻率 越高，其動態(tài)特性越好越高，其動態(tài)特性越好與靈敏度相矛盾與靈敏度相矛盾。 e m k f 2 1 6 6）機械品質(zhì)因素機械品質(zhì)因素 定義：每個振動周期存儲的能量與由阻尼等消耗的能定義：每個振動周期存儲的能量與由阻尼等消耗的能 量之比，反映了彈性元件消耗能量的程度。量之比，反映了彈性元件消耗能量的程度。 C S E E Q

9、 對于小阻尼系統(tǒng)對于小阻尼系統(tǒng)(1)(1)，機械品質(zhì)因數(shù)就等于其諧，機械品質(zhì)因數(shù)就等于其諧 振狀態(tài)下的振幅比，即振狀態(tài)下的振幅比，即 2 1 0 A A Q 越小，機械品質(zhì)因數(shù)越小，機械品質(zhì)因數(shù)Q Q值越大，這時彈性敏感值越大，這時彈性敏感 元件消耗的能量越少，系統(tǒng)的儲能效率就越高；同元件消耗的能量越少，系統(tǒng)的儲能效率就越高；同 時系統(tǒng)的幅頻特性越陡峭，工作頻帶變窄。時系統(tǒng)的幅頻特性越陡峭，工作頻帶變窄。 彈性敏感元件的機械品質(zhì)因數(shù)高，諧振元件選彈性敏感元件的機械品質(zhì)因數(shù)高，諧振元件選 頻愈強，諧振頻率愈穩(wěn)定，這對設(shè)計諧振式傳感器頻愈強，諧振頻率愈穩(wěn)定，這對設(shè)計諧振式傳感器 有實際意義。有實際

10、意義。 2 2、彈性敏感元件的材料、彈性敏感元件的材料 彈性敏感元件的材料主要有彈性敏感元件的材料主要有金屬金屬和和非金屬非金屬兩大類，兩大類， 金屬材料以結(jié)構(gòu)合金鋼為主金屬材料以結(jié)構(gòu)合金鋼為主 ；非金屬材料包括半導(dǎo)體、；非金屬材料包括半導(dǎo)體、 石英、陶瓷、高分子材料等。石英、陶瓷、高分子材料等。P90表表4.2.1 彈性敏感元件材料的基本要求彈性敏感元件材料的基本要求: （1）彈性極限和強度高；）彈性極限和強度高； （2）彈性滯后和彈性后效小；）彈性滯后和彈性后效?。?（3）彈性模量的溫度系數(shù)要小且穩(wěn)定；）彈性模量的溫度系數(shù)要小且穩(wěn)定； （4）線膨脹系數(shù)要小且穩(wěn)定；）線膨脹系數(shù)要小且穩(wěn)定；

11、（5）具有良好的機械加工和熱處理性能；）具有良好的機械加工和熱處理性能； （6）具有高的抗氧化性、耐腐蝕性、絕緣等性能。）具有高的抗氧化性、耐腐蝕性、絕緣等性能。 3 3、彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性、彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性 1 1）柱式彈性敏感元件）柱式彈性敏感元件 結(jié)構(gòu)簡單，可承受很大載荷；結(jié)構(gòu)簡單，可承受很大載荷； 但產(chǎn)生的位移很小，所以往往但產(chǎn)生的位移很小，所以往往 以以應(yīng)變應(yīng)變作為輸出量。作為輸出量。 AE F x 縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變 AE F xy 橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變 靈敏度高、有靈敏度高、有 效減小偏心等效減小偏心等 固有頻率固有頻率 E l f 249. 0 0 2 2）梁式

12、彈性敏感元件）梁式彈性敏感元件 結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，多用于較小力的測量。結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，多用于較小力的測量。 以以應(yīng)變或自由端的位移應(yīng)變或自由端的位移作為輸出量。作為輸出量。 等截面梁：等截面梁： 在距離梁的固定端在距離梁的固定端x x處的應(yīng)變?yōu)樘幍膽?yīng)變?yōu)?2 )(6 Ebh xlF x 在梁的根部（在梁的根部（x x=0=0），應(yīng)變最大，在），應(yīng)變最大，在x x= =l l處應(yīng)變?yōu)榱?；處?yīng)變?yōu)榱悖?梁的上下表面應(yīng)變性質(zhì)相反。梁的上下表面應(yīng)變性質(zhì)相反。 固有頻率為：固有頻率為： E l h f 2 0 162. 0 自由端的位移為：自由端的位移為： F Ebh l y 3 3 4 等強度梁

13、：等強度梁：等應(yīng)變性等應(yīng)變性 應(yīng)變應(yīng)變 2 0 6 hEb Fl x 固有頻率固有頻率 E l h f 2 0 316. 0 注意注意：作用力：作用力F F必須施加在梁的兩斜邊的交匯點；必須施加在梁的兩斜邊的交匯點； 梁的自由端的最小寬度要求梁的自由端的最小寬度要求切應(yīng)力計算。切應(yīng)力計算。 變形梁：實際應(yīng)用變形梁：實際應(yīng)用 （電子稱）（電子稱） 自由端的位移為：自由端的位移為： F hEb l y 3 0 3 6 3 3）環(huán)式彈性敏感元件）環(huán)式彈性敏感元件靈敏度高靈敏度高 園環(huán)外、內(nèi)表面上與水平面成園環(huán)外、內(nèi)表面上與水平面成角處角處所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的 應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變?yōu)? (環(huán)內(nèi)外應(yīng)變性質(zhì)不同環(huán)內(nèi)外應(yīng)

14、變性質(zhì)不同) ) F Ebh r )cos391. 1 ( 2 0 當(dāng)當(dāng)/2時，應(yīng)變最大時，應(yīng)變最大 當(dāng)當(dāng)50.5時，時， 0， 固有頻率固有頻率 E r h f 2 0 0 123. 0 4 4）扭轉(zhuǎn)軸）扭轉(zhuǎn)軸測量扭矩測量扭矩 在扭矩在扭矩T的作用下，其表面產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力為的作用下，其表面產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力為 n W T max 剪應(yīng)變是角應(yīng)變，不能直接測剪應(yīng)變是角應(yīng)變，不能直接測 量，實際測量應(yīng)變量，實際測量應(yīng)變 。 maxmax n EW T E max max 主應(yīng)力和軸線分別主應(yīng)力和軸線分別 成成45和和135 5 5）平面膜片）平面膜片壓力測量壓力測量 pxr Eh pxr Eh

15、t r )(1 ( 8 3 )3)(1 ( 8 3 22 0 2 2 22 0 2 2 徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變 切向應(yīng)變切向應(yīng)變 p Eh r tr )1 ( 8 3 2 2 2 0 膜片中心膜片中心 膜片邊緣膜片邊緣 p Eh r r )1 ( 4 3 2 2 2 0 應(yīng)變節(jié)點應(yīng)變節(jié)點058. 0 0 r rx 固有頻率固有頻率 E r h f 2 0 0 492. 0 6 6）薄壁圓筒）薄壁圓筒壁厚和筒徑之比壁厚和筒徑之比1/201/20 軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變 周向應(yīng)變周向應(yīng)變 p Eh r p Eh r y x )2( 2 )21( 2 0 0 結(jié)構(gòu)簡單，剛度好，較大壓力測量多用。結(jié)構(gòu)簡單，剛度好

16、，較大壓力測量多用。 固有頻率固有頻率 E llr f 2 0 0 22 32. 0 周向應(yīng)變大于（約周向應(yīng)變大于（約4倍）軸向應(yīng)變。倍）軸向應(yīng)變。 7 7）彈簧管和波紋管）彈簧管和波紋管 自由端的位移與管內(nèi)自由端的位移與管內(nèi) 壓力成壓力成線性關(guān)系線性關(guān)系。 將管內(nèi)壓力或軸向力波紋將管內(nèi)壓力或軸向力波紋 管的形變管的形變(拉伸或壓縮拉伸或壓縮)。 8 8）彈性敏感元件的組合）彈性敏感元件的組合 可獲得較高的靈敏度，但固有頻率低，不宜動可獲得較高的靈敏度，但固有頻率低，不宜動 態(tài)測量。態(tài)測量。 4.3 傳感器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢傳感器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢 目前，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向：目前，傳感器技術(shù)

17、的主要發(fā)展動向： 一是不斷提高和改善現(xiàn)有傳感器的性能；一是不斷提高和改善現(xiàn)有傳感器的性能； 二是開展基礎(chǔ)研究，發(fā)掘新效應(yīng)，重點研究傳感二是開展基礎(chǔ)研究，發(fā)掘新效應(yīng)，重點研究傳感 器的新材料和新工藝；器的新材料和新工藝； 三是實現(xiàn)傳感器的集成化、多功能化與智能化。三是實現(xiàn)傳感器的集成化、多功能化與智能化。 傳感器作為信息的源頭，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)傳感器作為信息的源頭，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng) 域域科技進步的推動力。科技進步的推動力。 改善傳感器性能的技術(shù)途徑改善傳感器性能的技術(shù)途徑 ： 1)1)差動技術(shù)差動技術(shù) 提高靈敏度、改善非線性誤差、減提高靈敏度、改善非線性誤差、減 小外界干擾小外界干擾( (溫度、

18、電源、噪聲等溫度、電源、噪聲等) )影響影響。 2)2)平均技術(shù)平均技術(shù)若干個傳感單元同時感受被測量，若干個傳感單元同時感受被測量， 輸出為平均值，有效減小誤差，提高靈敏度。輸出為平均值，有效減小誤差，提高靈敏度。 3)3)補償與修正技術(shù)補償與修正技術(shù)軟件或硬件等。軟件或硬件等。 4)4)屏蔽、隔離與干擾抑制屏蔽、隔離與干擾抑制 5)5)穩(wěn)定性處理穩(wěn)定性處理傳感器是長期測量或反復(fù)使用的傳感器是長期測量或反復(fù)使用的 器件。器件。 發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象、新材料、新工藝發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象、新材料、新工藝 ： 1)利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原 理，是研究開發(fā)新型傳感器的基礎(chǔ)。如理，是研究開發(fā)新型傳感器的基礎(chǔ)。如磁成像技術(shù)磁成像技術(shù)。 2)傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，開發(fā)新材料傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，開發(fā)新材料 的趨勢包括的趨勢包括從單晶體到多晶體、非晶體；從單晶體到多晶體、非晶體；從單一從單一 型到復(fù)合材料；型到復(fù)合材料；原子（分子）型材料的人工合成。原子（分子）型材料的人工合成。 如如半導(dǎo)體、陶瓷、高分子材料、磁性、智能材料等半導(dǎo)體、陶瓷、高分子材料、磁性、智能材料等。 3)隨著集成電路工藝發(fā)展起來的隨著集成電路工藝發(fā)展起來的微機械加工技術(shù)微機