工程測試技術(shù)第三章第一講資料

1第三章、傳感器原理及應(yīng)用本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類2.駕馭常用傳感器測量原理3.了解傳感器測量電路4.了解傳感器應(yīng)用工程測試技術(shù)基礎(chǔ)2第三章、傳感器原理及應(yīng)用測試技術(shù)是探討客觀事物變更規(guī)律的方法（手段），是從客觀事物中攝取有關(guān)信息的相識過程。3典型的信息處理過程信息信息獲得信號分析信號處理對象（靜態(tài)）（動態(tài)）信號源傳感器信號分析中間變換記錄第三章、傳感器原理及應(yīng)用4第三章、傳感器原理及應(yīng)用美國Arecibo305米射電望遠(yuǎn)鏡探究宇宙和太空：射電望遠(yuǎn)鏡射電望遠(yuǎn)鏡是主要接收天體射電波段輻射的望遠(yuǎn)鏡。與傳統(tǒng)的天文望遠(yuǎn)鏡不同，射電望遠(yuǎn)鏡不用眼睛去看，而是用耳朵去傾聽，即傾聽宇宙中發(fā)出的電磁波。英國人賴爾(Ryle)獲1974年度諾貝爾物理學(xué)獎：獨(dú)創(chuàng)應(yīng)用合成孔徑射電天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行射電天體物理學(xué)的開創(chuàng)性探討。5依據(jù)量子力學(xué)原理，由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不是在表面邊界處突變?yōu)榱?。在金屬表面以外，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減長度約為1nm。STM可以干脆觀測到材料表面的單個(gè)原子和原子在表面上的三維結(jié)構(gòu)圖像；其水平和垂直辨別率可以分別達(dá)到0.04nm和0.01nm。STM可以在觀測材料表面原子結(jié)構(gòu)的同時(shí)得到材料表面的掃描隧道譜，可以探討材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)。探究微觀原子世界：掃描隧道顯微鏡STM第三章、傳感器原理及應(yīng)用德國人比尼格(GerdBinnig)和瑞士人羅雷爾(HeinrichRohrer)獲1986年度諾貝爾物理學(xué)獎：設(shè)計(jì)第一臺掃描隧道電子顯微鏡。6STM:SomeApplicationsMicrotopographyandnanotopographyOneturnmarkonadiamond-turnedAlsubstrateSurfaceScienceSi(100)surfaceManipulationofAtomsIronatomsareplacedonCu(111)surface第三章、傳感器原理及應(yīng)用7身邊的測試技術(shù)：汽車傳感器一般家用轎車上大約安裝幾十到近百只傳感器。豪華轎車上的傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。第三章、傳感器原理及應(yīng)用發(fā)動機(jī)限制系統(tǒng)溫度傳感器壓力傳感器流量傳感器位置和轉(zhuǎn)速傳感器氣體濃度傳感器爆震傳感器底盤和車身限制系統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)8Nanotechnology,Nanomanufacturing&NanometrologyNanotechnologyinvolvesthemanipulationofmateratthenanometerscaletocreatenanostructureswithuniqueproperties.Nanomanufacturingisanessentialbridgebetweenthediscoveriesoffundamentalnanoscienceandreal-worldnanotechnology-enabledproducts.Controllable,Predictable,Repeatable,Reliable,Scalable,andEconomical.第三章、傳感器原理及應(yīng)用Ifaproductcannotbemeasured,itcannotbemanufactured.Ifaproductcannotbemanufacturedsafely,itshouldnotbemanufactured.Ifaproductcannotbemeasuredhowwouldyouknow?9第三章、傳感器原理及應(yīng)用3.1概述1.傳感器定義傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按確定的規(guī)律將所獲得的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。物理量電量102.傳感器的構(gòu)成傳感器一般由敏感器件與幫助器件組成。敏感器件是傳感器的核心，它的作用是干脆感受被測物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。幫助器件則是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。3.1概述dV113.傳感器的分類3.1概述(1)按被測物理量分類:(2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:(3)按信號變換特征:(4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:位移,力,溫度等.機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.物性型,結(jié)構(gòu)型.能量轉(zhuǎn)換型和能量限制型.123.1概述A物性型與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變更來實(shí)現(xiàn)信號變換.例如:水銀溫度計(jì),壓電測力計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變更實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.例如:電容式和電感式傳感器.B能量轉(zhuǎn)換型和能量限制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型:干脆由被測對象輸入能量使其工作.例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量限制型:從外部供應(yīng)能量并由被測量限制外部供應(yīng)能量的變更.例如:電阻應(yīng)變片.133.1概述4.常見的被測物理量機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色調(diào)143.2電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變更的一種傳感器按工作的原理可分為變阻器式電阻應(yīng)變式熱敏式、光敏式、磁敏式、氣敏式第三章、傳感器原理及應(yīng)用15123132直線型旋轉(zhuǎn)型(1)工作原理：隨接觸位置的變更而變更電阻值。第三章、傳感器原理及應(yīng)用1、變阻器式傳感器16等效電路分析:Rp-總電阻;xp-變阻總長;RL負(fù)載電阻;x-電刷移動量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0x100%100%Output0負(fù)載效應(yīng)3.2電阻式傳感器17(2)變阻器式傳感器的性能參數(shù)1)線性(或曲線的一樣性);4)移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍;2)辨別力;5)電阻溫度系數(shù);3)整個(gè)電阻值的偏差;6)壽命;(3)變阻器式傳感器的分類變阻器按電阻元件分單圈電位器直線滑動式電位器多圈電位器混合式電位器導(dǎo)電塑料電位器金屬陶瓷電位器線繞電位器3.2電阻式傳感器按結(jié)構(gòu)分18(4)變阻器式傳感器的特點(diǎn)電阻器

制作

特點(diǎn)

繞線式

直徑0.012-0.1mm的鎳鉻合金的精密電阻絲繞在絕緣的薄膜銅絲或絕緣膠木板等卷芯上而制作

電阻溫度系數(shù)非常好，為±5-20*10-6/0C;精度,穩(wěn)定性,重復(fù)性比薄膜式好,分辨力低于薄膜式.

金屬陶瓷式

電阻膠印在陶瓷基板上,并用高溫?zé)贫?

分辨力高,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)前,電阻溫度系數(shù),為±200*10-6/0C左右.

導(dǎo)電-塑料式

將基板的樹脂與電阻墨制成一體,或?qū)㈦娮枘z涂于薄膜基片上.

分辨力,壽命,高速現(xiàn)響應(yīng)特性好,電阻溫度系數(shù)為±400*10-6/0C

混合式

導(dǎo)電性樹脂涂于限繞式電阻元件上

兼有繞線式和導(dǎo)電-塑料式的優(yōu)點(diǎn),電阻溫度系數(shù)為±150*10-6/0C

3.2電阻式傳感器19(5)應(yīng)用例1重量的自動檢測--配料設(shè)備重量設(shè)定原材料

比較原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移;再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變更3.2電阻式傳感器20例2煤氣包儲量檢測原理干脆將代表煤氣包儲量的高度變更轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變更煤氣包鋼絲特點(diǎn)：（1）測量量程大；（2）防爆；（3）牢靠；（4）成本低。3.2電阻式傳感器21例3玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化3.2電阻式傳感器222、電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)朝氣械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變更而發(fā)生變更的現(xiàn)象。3.2電阻式傳感器231)工作原理金屬應(yīng)變片的電阻R為3.2電阻式傳感器電阻變更增量dR為電阻絲面積縱向應(yīng)變泊松比壓阻系數(shù)λ彈性模量E241)工作原理(1)當(dāng)不變時(shí)金屬應(yīng)變計(jì)(2)當(dāng)變更時(shí)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)3.2電阻式傳感器252)金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)有:絲式和箔式優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.應(yīng)變計(jì)3.2電阻式傳感器263)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有確定應(yīng)變電阻的元件.缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。應(yīng)變計(jì)3.2電阻式傳感器273)應(yīng)變片的主要參數(shù)

1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L表示。2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及乏累壽命、橫向靈敏度等）。3.2電阻式傳感器284)應(yīng)用a）電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。3.2電阻式傳感器29b）橋梁固有頻率測量原理在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時(shí)的沖擊對橋梁進(jìn)行激勵，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。3.2電阻式傳感器303、熱電阻式(1)工作原理：將溫度變更干脆轉(zhuǎn)化為電阻變更。3.2電阻式傳感器(2)熱電阻：金屬熱電阻式傳感器，如鉑、銅、鎳等。(3)熱敏電阻：半導(dǎo)體熱電阻式傳感器。正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR314、光敏電阻工作原理：基于半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)，即光敏半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，其內(nèi)部阻值減小的現(xiàn)象。也稱為光導(dǎo)管。光敏半導(dǎo)體材料一般為鉈、鎘、鉛、鉍的硒化物或硫化物。光敏電阻阻值的變更與光波長有關(guān)，不同材料的光譜特性不同。3.2電阻式