《測(cè)試技術(shù)》課件：第四章

1、第四章第四章 常用傳感器常用傳感器 1.1.熟悉傳感器的定義、作用、分類和應(yīng)用熟悉傳感器的定義、作用、分類和應(yīng)用2.2.了解傳感器的選用原則了解傳感器的選用原則 3.3.掌握電阻式、電感式、電容式、壓電式等常用傳感掌握電阻式、電感式、電容式、壓電式等常用傳感 器的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用。器的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用。 本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：一、傳感器的定義：一、傳感器的定義：一種以一定的精度和規(guī)律把規(guī)定的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的器件或裝置。 被測(cè)量被測(cè)量電量電量觀察者激勵(lì)裝置傳感器被測(cè)對(duì)象信號(hào)調(diào)理反饋、控制顯示記錄信號(hào)處理測(cè)試系統(tǒng)的組成4.1 4.1 傳感器概述傳感器概述二

2、、傳感器的作用二、傳感器的作用人體系統(tǒng)與機(jī)器系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系傳感器類似于人的感覺(jué)器官，又被稱為機(jī)電五官機(jī)電五官，有些情況下又是人類感官的延伸。三、傳感器的構(gòu)成三、傳感器的構(gòu)成（1）組成組成：振動(dòng)膜片、剛性極板、電源和負(fù)載電阻 被測(cè)聲壓輸出電壓電容變化平板電容測(cè)量電路極距變化振膜（2）原理原理 ：振膜一次敏感元件電容器敏感元件傳感器由一次敏感元件、敏感元件與輔助元件組成。傳感器由一次敏感元件、敏感元件與輔助元件組成。一次敏感元件的作用是將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為能引起敏感元件變化的機(jī)械量。敏感器件的作用是感受被測(cè)量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件一般為信號(hào)傳遞元件。 傳感器代號(hào)傳感器代號(hào): :傳感器被測(cè)量轉(zhuǎn)換

3、原理序號(hào)CWY-YB-20傳感器傳感器主稱被測(cè)量（位移）轉(zhuǎn)換原理（應(yīng)變）傳感器序號(hào)（20）四、傳感器的分類四、傳感器的分類 ：1 1、按被測(cè)量種類分：、按被測(cè)量種類分：溫度傳感器溫度傳感器壓力傳感器壓力傳感器位移傳感器位移傳感器2 2、按工作原理分類：、按工作原理分類：電阻式傳感器電阻式傳感器電感式傳感器電感式傳感器電容式傳感器電容式傳感器光電式傳感器光電式傳感器通常會(huì)把前兩種命名方法結(jié)合起來(lái)使用，例如：通常會(huì)把前兩種命名方法結(jié)合起來(lái)使用，例如：光電式位移傳感器光電式位移傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器3 3、按被測(cè)量轉(zhuǎn)換特征（構(gòu)成原理）：、按被測(cè)量轉(zhuǎn)

4、換特征（構(gòu)成原理）：l結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。變阻式傳感器變阻式傳感器l物性型：依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。水銀溫度計(jì)水銀溫度計(jì)壓電式傳感器壓電式傳感器電容傳聲器電容傳聲器4 4、按能量傳遞方式：、按能量傳遞方式：u能量控制型：從外部供給輔助能量使其工作，并由被測(cè)量來(lái)控制外部供給能量的變化。如電阻式、電容式、電感式。u能量轉(zhuǎn)換型：輸出量直接由被測(cè)對(duì)象能量轉(zhuǎn)換而得。熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì)4.2 4.2 傳感器選用原則傳感器選用原則 1.靈敏度：傳感器的靈敏度越高，可以感知越小的變化量， 即被測(cè)量稍有微小變化時(shí)，傳感器即有較大的輸出。 2.線性范圍：

5、線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 3.響應(yīng)特性：在所測(cè)頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。 4.穩(wěn)定性：經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。 影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。5.精確度:表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。 傳感器精確度愈高，價(jià)格越昂貴，因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來(lái)選擇。 4.3 4.3 電阻式傳感器電阻式傳感器lRAlRk xldRSkdxRkdRSkd1.結(jié)構(gòu)：一、變阻式傳感器一、變阻式傳感器 被測(cè)量的變化被測(cè)量的變化電阻的變化電阻的變化變阻式變阻式電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式壓阻式壓阻式2.測(cè)量電路：不考慮外接電路影響時(shí)：考慮外接電路影響時(shí)：00yxppUUURxRx01(1

6、)ypppUUxRxxRx3.特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好。 (2)分辨力低，受電阻絲直徑的限制。適合大位移的測(cè)量。 (3)噪聲大。 二、電阻應(yīng)變式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器 1.結(jié)構(gòu)：絲式、箔式、金屬膜片2.工作原理：基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。若金屬絲的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面積為S，電阻率為，其未受力時(shí)的電阻為R，則:lRA如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形， dRdLdAdRLA(12)(12)dRdR 靈敏度：0/(12)dRRS3.特點(diǎn)：金屬應(yīng)變片的靈敏度較低(1.7-3.6)，但其溫度穩(wěn)定性好，可用于對(duì)精度要求較高的測(cè)量。drdrLdL2橫向應(yīng)變LdLrdr二者的關(guān)系:dRdLdAd

7、RLAdrdrLdL2=縱向應(yīng)變dRdLdAdRLAdrdrLdL2三、壓阻式傳感器三、壓阻式傳感器 (12)dRddR 1.1.原理：壓阻效應(yīng)原理：壓阻效應(yīng)靈敏度：靈敏度：0/LdRRSELLdE 某晶向壓阻系數(shù)某晶向壓應(yīng)力彈性模量某晶向壓阻系數(shù)某晶向壓阻系數(shù)某晶向壓應(yīng)力某晶向壓阻系數(shù)某晶向壓應(yīng)力某晶向壓阻系數(shù)兩種應(yīng)變片在工作原理上的區(qū)別：兩種應(yīng)變片在工作原理上的區(qū)別：金屬應(yīng)變片金屬材料受力后幾何變形電阻的相對(duì)變化半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體材料受力后電阻率變化電阻的相對(duì)變化2.2.特點(diǎn)：特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，比金屬應(yīng)變片高50-70倍,分辨率高， 橫向效應(yīng)，機(jī)械滯后小。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，在較大應(yīng)變

8、下，非線性誤差大。3.3.類型：類型：半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器、擴(kuò)散型壓阻式傳感器三、應(yīng)變片的應(yīng)用三、應(yīng)變片的應(yīng)用1.直接測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。2.作為傳感器的測(cè)量參數(shù)。四、轉(zhuǎn)換電路四、轉(zhuǎn)換電路 應(yīng)變 電壓或電流的變化RR4.4 4.4 電感式傳感器電感式傳感器 一、可變磁阻式傳感器一、可變磁阻式傳感器 按結(jié)構(gòu)型式變氣隙式螺管式變面積式線圈自感量為當(dāng)氣隙較小，且不考慮磁路的鐵損時(shí)，總磁阻311100330022mllRAAAA2mNLR1.1.變氣隙式：變氣隙式：靈敏度20022NAS 常數(shù)特點(diǎn)：靈敏度高，線性誤差小，適于測(cè)小位移。于是，2002NAL2.2.變面積式變面積式靈敏度202NS常數(shù)特點(diǎn)

9、：線性度好，量程大，但靈敏度較低。3.3.螺管式螺管式當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。 特點(diǎn)：靈敏度低，但測(cè)量范圍大，適用于較大位移測(cè)量。 4.4.差動(dòng)式差動(dòng)式x2L1L5.5.測(cè)量電路測(cè)量電路: :交流電橋交流電橋二、電渦流式傳感器二、電渦流式傳感器原理：利用金屬體在交變磁場(chǎng)中的渦流效應(yīng)。按電渦流在導(dǎo)體 內(nèi)的貫穿情況高頻反射式低頻透射式1.1.高頻反射式高頻反射式可以作為位移、振動(dòng)測(cè)量，也可進(jìn)行材質(zhì)鑒別或探傷、測(cè)溫度等。2.2.低頻透射式低頻透射式適于測(cè)量金屬材料的厚度。3.3.特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。4.4.應(yīng)用應(yīng)用電感式紙頁(yè)厚度測(cè)量?jī)x

10、原理圖 三、差動(dòng)變壓器式傳感器三、差動(dòng)變壓器式傳感器原理：利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。1.1.互感現(xiàn)互感現(xiàn)象象dtdiMe1122.2.差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器(1)結(jié)構(gòu)變氣隙式變面積式螺管式1i1W12e2W(2)(2)原理原理(3)(3)特點(diǎn)：特點(diǎn)：精度高，線性范圍大，穩(wěn)定性好。0u2W1W21eeey2e1e4.5 4.5 電容式傳感器電容式傳感器一、工作原理一、工作原理AAC00為真空介電常數(shù)，mF /10854. 8120分類變 面積變化型A變 介質(zhì)變化型變 極距變化型1.1.極距變化型極距變化型C0C與 成反比關(guān)系。02AdCCKd 常數(shù)靈敏度為 使用時(shí)，減小初始極距來(lái)提

11、高靈敏度。由于電容量C與極距呈非線性關(guān)系，將引起非線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定測(cè)量范圍實(shí)際應(yīng)用中常采用差動(dòng)形式，可使靈敏度提高一倍。0特點(diǎn)：靈敏度高，有線性誤差，適于小位移測(cè)量。2.2.面積變化型面積變化型(1)(1)直線位移型直線位移型若兩極板間相互覆蓋長(zhǎng)為 ，寬為 ，覆蓋面積為 xbbxAbxC0則電容靈敏度0bS 常數(shù)(2) (2) 角位移型角位移型 若覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為 ，極板半徑為r ，覆蓋面積為 220rC 則電容靈敏度202rS 常數(shù)22rA (3)(3)圓柱體線位移型圓柱體線位移型 動(dòng)板左右移動(dòng)時(shí)， ， xdDA22dD1/) 1/(2/ )(200dDxdDdDx

12、dDC則電容靈敏度常數(shù)1/) 1/(0dDdDS(4)(4)差動(dòng)圓柱體線位移型差動(dòng)圓柱體線位移型 動(dòng)板上下移動(dòng)時(shí)，上下兩個(gè)電容量一增一減。特點(diǎn)：線性關(guān)系好，量程大；與極距變化型相比，靈敏度 較低。適用于較大角位移及直線位移的測(cè)量。 3.3.介電常數(shù)變化型介電常數(shù)變化型 (1)測(cè)厚度、位移介質(zhì)層的溫度、濕度、厚度變化時(shí)， 變化，從而引起 變。 C(2)測(cè)液面高度二、測(cè)量電路被測(cè)量電容變化電壓、電流、頻率變化1.交流電橋2.運(yùn)算放大器電路：可解決極距變化型電容傳感器的非線性 問(wèn)題。ACx0AuCuCCuxy00000三、電容傳感器特點(diǎn)與應(yīng)用三、電容傳感器特點(diǎn)與應(yīng)用 1.優(yōu)點(diǎn): (1) 輸入能量小而

13、靈敏度高。(2)信噪比大，穩(wěn)定性好。(3) 動(dòng)態(tài)特性好，可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。(4) 能量損耗小。(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好。2.缺點(diǎn): (1)極距變化型，非線性大。 (2)電纜分布電容影響大。 解決辦法：利用測(cè)量電路。 解決辦法：利用集成電路；采用屏蔽電纜。3.應(yīng)用舉例(1)電容式測(cè)厚儀 (2)電容式轉(zhuǎn)速傳感器 1、p129：4.22、p129：4.3第第4 4章作業(yè)：章作業(yè)：3、某應(yīng)變式位移測(cè)量系統(tǒng)如下圖所示，試分析該系統(tǒng)的原理及信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程。 應(yīng)變片懸臂梁質(zhì)量塊x4.6 4.6 壓電式傳感器壓電式傳感器 工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。既可將機(jī)械能電能，又可將電能機(jī)械能。一、壓電效應(yīng)一、壓

14、電效應(yīng) 1.壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：2.2.逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：施加電場(chǎng)，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。 如果在這些物質(zhì)的極化方向時(shí)，在表面上將產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。某些材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃味弘姴牧霞捌涮匦远?、壓電材料及其特性具有壓電效?yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。 常用的壓電材料：壓電單晶體、壓電陶瓷、新型壓電材料1.1.壓電單晶體石英壓電單晶體石英( ) ( ) 、鈮酸鋰、鈮酸鋰( ) ( ) 2SiO3LiNbO2.2.壓電陶瓷壓電陶瓷鈦酸鋇、鋯鈦酸

15、鉛特點(diǎn)：壓電常數(shù)大，靈敏度高，價(jià)格低廉。3.3.新型壓電材料新型壓電材料 在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，因此就構(gòu)成一個(gè)電容器。其電容量為三、等效電路三、等效電路 0aAC 電荷等效電路電壓等效電路壓電式傳感器適合作動(dòng)態(tài)測(cè)量。四、壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式四、壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)適合以電壓作為輸出的場(chǎng)合。適合測(cè)量緩變信號(hào)和以電荷量作為輸出的場(chǎng)合。并聯(lián)五、應(yīng)用五、應(yīng)用壓電式壓力傳感器 壓力變送器壓力變送器加速度計(jì)加速度計(jì)力傳感器力傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品: :壓電材料換能器壓電材料換能器4.7 4.7 磁電傳感器磁電傳感器 包括磁電感應(yīng)傳感器、霍爾傳感器。 一、磁電感應(yīng)傳感器一、磁電

16、感應(yīng)傳感器( (感應(yīng)式傳感器、電動(dòng)傳感器感應(yīng)式傳感器、電動(dòng)傳感器) ) 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中會(huì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)deNdt 恒定磁通式變磁通式根據(jù)改變參 數(shù)的不同1.恒定磁通式 sineNBlvekNBA2.2.變磁通式變磁通式 常用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。二、霍爾傳感器二、霍爾傳感器 霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 1.1.工作原理工作原理霍爾電勢(shì):利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出。IBKdIBReHHH 霍爾元件是一種半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件，多

17、采用N型半導(dǎo)體材料。它是基于霍爾效應(yīng)工作的。 2.2.霍爾元件霍爾元件符號(hào) 目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。 3.3.應(yīng)用應(yīng)用 4.4.特點(diǎn)特點(diǎn) 體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可用于非接觸測(cè)量，但受溫度影響較大。4.8 4.8 光電傳感器光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光敏器件一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)工作原理：基于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。1.外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)金屬中的自由電子吸收光能而逸出金屬表面的 現(xiàn)象。如光電管，光電倍增管。2.內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻、光敏二極管、三極管光生伏特效應(yīng)光電池 可用于檢測(cè)直接引起光強(qiáng)度變化的非電量，也可檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。二、光電器件二、光電器件1.1.光敏電阻光敏電阻工作