工程測(cè)試技術(shù)31

工程測(cè)試技術(shù)

第三章傳感器原理及應(yīng)用本章學(xué)習(xí)要求：了解傳感器的分類(lèi)；掌握常用傳感器測(cè)量原理；了解測(cè)量電路；了解智能傳感器的概念；了解典型傳感器的應(yīng)用。工程測(cè)試技術(shù)本章目錄3.1概述（4學(xué)時(shí)）3.2電阻式傳感器3.3電感式傳感器（2學(xué)時(shí)）3.4電容式傳感器3.5磁電式傳感器3.6壓電式傳感器3.7熱電式傳感器（2學(xué)時(shí)）3.8光電式傳感器（2學(xué)時(shí)）3.9其它類(lèi)型的傳感器3.10傳感器的應(yīng)用2工程測(cè)試技術(shù)3.1概述人類(lèi)通過(guò)五種感官獲取信息，在人的一生中發(fā)揮著傳遞信息和指導(dǎo)人類(lèi)活動(dòng)的重要作用眼——視覺(jué)，83%耳——聽(tīng)覺(jué)，11%鼻——嗅覺(jué)，3.5%舌——味覺(jué)，1%手——觸覺(jué)，1.5%3工程測(cè)試技術(shù)人類(lèi)感官獲取信息的局限性感官生理機(jī)能的限制視覺(jué)：0.38～0.78μm聽(tīng)覺(jué)：20Hz～20KHz神經(jīng)脈沖的速度：250Km/h受限于不同個(gè)體的思維和理解能力機(jī)械師聽(tīng)聲識(shí)故障中醫(yī)切脈、CT圖像、超聲圖像對(duì)音樂(lè)的感受信號(hào)的頻譜分析4工程測(cè)試技術(shù)人類(lèi)感官的延伸—傳感系統(tǒng) 傳感器的作用類(lèi)似于人的感覺(jué)器官。它把被測(cè)量如力、位移、溫度等，換為易測(cè)信號(hào)，傳送給測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)。傳感器也可以認(rèn)為是人類(lèi)感官的延伸，因?yàn)榻柚鷤鞲衅骺梢匀ヌ剿髂切┤藗儫o(wú)法用感官直接測(cè)量的事物，例如，用熱電偶可以測(cè)得熾熱物體的溫度；用超聲波探測(cè)器可以測(cè)量海水深度；用紅外遙感器可從高空探測(cè)地面上的植被和污染情況，等等。因此，可以說(shuō)傳感器是人們認(rèn)識(shí)自然界的有力工具，是測(cè)量?jī)x器與被測(cè)事物之間的接口。 傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測(cè)試裝置的工作質(zhì)量。 隨著測(cè)量、控制及信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為這些領(lǐng)域里的一個(gè)重要構(gòu)成因素，被視為關(guān)鍵技術(shù)之一受到了普遍重視。深入研究傳感器的原理和應(yīng)用，研制新型傳感器，對(duì)于社會(huì)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)和日常生活中自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制的發(fā)展，以及人類(lèi)觀測(cè)研究自然界的深度和廣度都具有重要的實(shí)際意義。5工程測(cè)試技術(shù)1.傳感器的定義

傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。物理量電量傳感器

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。6工程測(cè)試技術(shù)國(guó)標(biāo)GB/T7665-2005對(duì)傳感器的定義“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。7工程測(cè)試技術(shù)2.傳感器的構(gòu)成 傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。V8工程測(cè)試技術(shù)3.傳感器的分類(lèi)按被測(cè)物理量分類(lèi)按工作機(jī)理分類(lèi)按信號(hào)變換特征按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系9工程測(cè)試技術(shù)1)按被測(cè)物理量分類(lèi)機(jī)械量：重量、力、壓力、長(zhǎng)度、位移、 速度、加速度、力矩、旋轉(zhuǎn)角、 轉(zhuǎn)數(shù)、流量、流速、厚度、真空 度、風(fēng)速…聲：超聲波、聲壓、噪聲…磁：磁通、磁場(chǎng)…溫度：溫度、熱量、比熱…光：亮度、色彩…10工程測(cè)試技術(shù)2)按工作機(jī)理分類(lèi)11工程測(cè)試技術(shù)3)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測(cè)對(duì)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)。能量控制型：從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化。例如:電阻應(yīng)變片。12工程測(cè)試技術(shù)4)

按信號(hào)變換特征物性型：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)變換，如：熱敏電阻。結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變，例如：電容式和電感式傳感器。13工程測(cè)試技術(shù)按工作機(jī)理分類(lèi)14工程測(cè)試技術(shù)3.2電阻式傳感器 電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。 電阻式傳感器的傳感元件是電阻元件，根據(jù)歐姆定律工作。 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。15工程測(cè)試技術(shù)3.2.1變阻器式傳感器 變阻器式傳感器類(lèi)似于電位器，當(dāng)改變觸點(diǎn)位置時(shí)，導(dǎo)體的相對(duì)長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而測(cè)量電阻發(fā)生改變，因而可用于位移（包括角位移）的測(cè)量。16工程測(cè)試技術(shù)1.變阻器式傳感器等效電路分析L-變阻器總長(zhǎng)；x-電刷移動(dòng)量；R-總電阻；Rx-電刷電阻。xLEExLx=RRx=EExx=L*Ex/E17工程測(cè)試技術(shù)x=L*Ex/E=K*Ex0LEE1x18工程測(cè)試技術(shù)2.變阻器式傳感器的性能參數(shù)線性(或曲線的一致性)；分辨率；整個(gè)電阻值的偏差；移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍；電阻溫度系數(shù)；壽命。19工程測(cè)試技術(shù)3.變阻器式傳感器的分類(lèi)按測(cè)量類(lèi)型：多圈電位器單圈電位器直線滑動(dòng)式電位器20工程測(cè)試技術(shù)按制作方式：線繞電位器導(dǎo)電塑料電位器普通塑料基底導(dǎo)電材料粉21工程測(cè)試技術(shù)4.變阻器式傳感器產(chǎn)品22工程測(cè)試技術(shù)案例一：自動(dòng)稱量裝置--配料設(shè)備原理：彈簧→力→位移→電位器→電阻

比較重量設(shè)定原材料23工程測(cè)試技術(shù)案例二：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)原理：鋼絲→收線圈數(shù) →電位器→電阻煤氣包鋼絲24工程測(cè)試技術(shù)3.2.2電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器的核心是電阻應(yīng)變片。 電阻應(yīng)變式傳感器可分為金屬電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類(lèi)。 電阻應(yīng)變片(straingage)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)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。25工程測(cè)試技術(shù)1.工作原理 根據(jù)歐姆定律應(yīng)變片的電阻R為：上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化，求導(dǎo)數(shù)：26工程測(cè)試技術(shù)有：代入27工程測(cè)試技術(shù)金屬絲的截面積：體積不變時(shí)：電阻率的相對(duì)變化與軸向所受正應(yīng)力σ有關(guān)：28工程測(cè)試技術(shù)電阻變化率與應(yīng)力之間的關(guān)系靈敏度系數(shù)k0：29工程測(cè)試技術(shù)a.對(duì)金屬應(yīng)變片

分析式上式，1+2ν項(xiàng)是由電阻絲幾何尺寸改變所引起的。在相同條件下1+2ν是常數(shù)。λE項(xiàng)是由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變而引起的。對(duì)于金屬電阻絲來(lái)說(shuō)λE是很小的可忽略。上式簡(jiǎn)化為：靈敏度系數(shù)k0是一常數(shù)只與材料本身有關(guān)。一般為：1.7~3.6。30工程測(cè)試技術(shù)金屬應(yīng)變片應(yīng)變計(jì)31工程測(cè)試技術(shù)b.半導(dǎo)體應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大（50-100，比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍）;橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小；體積小;缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效。所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。從半導(dǎo)體物理可知，半導(dǎo)體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使其電阻率ρ發(fā)生很大的變化。分析表明，單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度的變化，從而引起電阻率的變化。32工程測(cè)試技術(shù)2應(yīng)變片的主要參數(shù)幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L表示。電阻值：應(yīng)變片的原始電阻值。靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變片變換性能的重要參數(shù)。其它表示應(yīng)變片性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。33工程測(cè)試技術(shù)3應(yīng)變片測(cè)量電路VER1R2R4R334工程測(cè)試技術(shù)單臂橋路的計(jì)算令：

V與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測(cè)量電壓來(lái)測(cè)量應(yīng)變。當(dāng)：35工程測(cè)試技術(shù)雙臂半橋的計(jì)算輸入與輸出基本為線性關(guān)系；輸出是單臂橋的二倍。當(dāng)：36工程測(cè)試技術(shù)全橋電路的計(jì)算當(dāng)：輸入與輸出為線性關(guān)系；輸出是單臂橋的四倍。37工程測(cè)試技術(shù)（１）電橋的輸出電壓V與橋臂電阻的變化率dR/R（或應(yīng)變）成線性關(guān)系（在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)）。電阻應(yīng)變儀的工作原理，就是利用上述關(guān)系，以電橋輸出量的大小來(lái)確定應(yīng)變值。（２）各個(gè)橋臂電阻的變化率dR/R（或應(yīng)變?chǔ)牛?duì)輸出電壓的影響是線性疊加的，相鄰橋臂符號(hào)相反，相對(duì)橋臂符號(hào)相同。（３）利用單、雙臂半橋電路確定被測(cè)應(yīng)變值，存在一定的誤差。38工程測(cè)試技術(shù)4)

電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力將應(yīng)變片直接粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，用來(lái)直接測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力將應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器，常用來(lái)測(cè)力、位移、壓力、加速度等物理量39工程測(cè)試技術(shù)電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用40工程測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品-LoadCell/ForceSensor41工程測(cè)試技術(shù)TorqueSensors42工程測(cè)試技術(shù)PressureSensor1—低壓腔2—高壓腔3—硅杯4—引線5—硅膜片43工程測(cè)試技術(shù)案例一：電子稱原理 將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。44工程測(cè)試技術(shù)案例二：機(jī)器人握力測(cè)量45工程測(cè)試技術(shù)案例三：振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器 適合于金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為