礦壓測(cè)試技術(shù)2傳感器.ppt

1、第二章 傳感器,將被測(cè)物理量直接轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的容易檢測(cè)、傳輸或處理的信號(hào)的元件稱為傳感器，也稱換能器、變換器或探頭 Sensor Transducer 傳感器的命名應(yīng)由主題(傳感器)前面加四級(jí)修飾詞：主要技術(shù)指標(biāo)特征描述變換原理被測(cè)量 按變換原理和能量轉(zhuǎn)換方式分類：電阻式、電容式、差動(dòng)變壓器式、光電式等 按被測(cè)量物理量分類 ：位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器等,傳感器的組成,敏感元件將被測(cè)非電量先變換成易于變換成電量的某一中間非電量； 轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的中間非電量轉(zhuǎn)換成電量的元件； 測(cè)量電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變換成易于顯示、記錄、處理和控制的電信號(hào)； 輔助電源。,22 電阻式傳感器,電

2、阻式傳感器是把被測(cè)量(如位移、力等參數(shù))轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器，按其工作 原理，可分為電阻應(yīng)變式傳感器、電位計(jì)式傳感器、熱電阻式傳感器和半導(dǎo)體熱能電阻傳感器等幾種。 電阻應(yīng)變式傳感器是根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng),先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，再將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻，所以它也是電阻式傳感器的一種，其使用特別廣泛。,一、電阻應(yīng)變式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)通常由應(yīng)變片、彈性元件和其他附件組成。在被測(cè)拉壓力的作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，貼在彈性元件上的應(yīng)變片產(chǎn)生一定的應(yīng)變，由應(yīng)變儀讀出讀數(shù)，再根據(jù)事先標(biāo)定的應(yīng)變力對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可得到被測(cè)力的數(shù)值 。,1測(cè)力傳感器,測(cè)力傳感器常用的的彈性

3、元件形式有柱式(桿式)、環(huán)式和梁式等。,2位移傳感器,用適當(dāng)形式的彈性元件，貼上應(yīng)變片，也可以測(cè)量位移，測(cè)量的范圍可從01mm至上百mm。彈性元件有梁式、弓式和彈簧組合式等。,3壓強(qiáng)傳感器(液壓傳感器),壓強(qiáng)傳感器(液壓傳感器)有膜式、筒式和組合式等，測(cè)量范圍從01MPa到數(shù)百兆帕。 膜式傳感器是在周邊固定的金屬膜片上貼上應(yīng)變片，當(dāng)膜片承受流體壓力產(chǎn)生變形時(shí)，通過(guò)應(yīng)變片測(cè)出流體的壓力；周邊固定、受有均布?jí)毫Φ哪て?，其切向?yīng)變及徑向應(yīng)變的分布如圖26所示 。,4壓力盒,電阻應(yīng)變片式壓力盒也采用膜片結(jié)構(gòu)，它是將轉(zhuǎn)換元件(應(yīng)變片)貼在彈性金屬膜片式傳力元件上，當(dāng)膜片感受外力變形時(shí)，將應(yīng)變傳給應(yīng)變片，

4、通過(guò)應(yīng)變片輸出的電信號(hào)測(cè)出應(yīng)變值，再根據(jù)標(biāo)定關(guān)系算出外力值。圖28所示是應(yīng)變片式壓力盒的構(gòu)造。,二、電位計(jì)式傳感器,電位計(jì)式傳感器是測(cè)試技術(shù)中常用的一種機(jī)電參數(shù)轉(zhuǎn)換元件，其功能是把輸入的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與位移有確定函數(shù)關(guān)系的電阻，并引起輸出電壓或電流的變化。當(dāng)它配上各種彈性元件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，還可用來(lái)測(cè)量液壓、溫度、速度和加速度等參數(shù)。,三、熱電阻式傳感器和半導(dǎo)體熱能電阻傳感器,1熱電阻傳感器 熱電阻傳感器是利用某些金屬導(dǎo)體的電阻率隨溫度變化而變化(或增大，或減小)的特 性，制成各種熱電阻傳感器，用來(lái)測(cè)量溫度，達(dá)到將溫度變化轉(zhuǎn)換成電量變化的目的。因而， 熱電阻傳感器一般是溫度計(jì)。,熱電阻傳感器,金屬

5、導(dǎo)體的電阻和溫度的關(guān)系(溫度電阻效應(yīng)）可用下式表示： Rt=R0(1+t) 式中 Rt，R0溫度為t和t0時(shí)的電阻值； ttt0溫度的變化值； 溫度在t0t之間時(shí)金屬導(dǎo)體的平均電阻溫度系數(shù)。 電阻溫度系數(shù)是溫度每變化l時(shí)材料電阻的相對(duì)變化值,1/。,2半導(dǎo)體熱能電阻傳感器,半導(dǎo)體熱能電阻是由半導(dǎo)體材料做成的新型電阻，它與一般電阻不同，不僅可具有正的電阻系數(shù)，而且還可具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，也即當(dāng)溫度升高時(shí)，它的電阻值反而會(huì)減小，且電阻溫度系數(shù)的絕對(duì)值比金屬的大49倍，因此，它的靈敏度和電阻率高，體積小，可測(cè)點(diǎn)溫度和固體表面溫度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)。,23 電感式傳感器,電感式傳感器是

6、根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，它是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電感中的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，引起后續(xù)電橋橋路的橋臂中阻抗Z的變化；當(dāng)電橋失去平衡時(shí)，輸出與被測(cè)的位移量成比例的電壓UC。 電感式傳感器常分成自感式(單磁路電感式)和互感式(差動(dòng)變壓器式)兩類。,一、單磁路電感傳感器,組成：鐵芯、線圈和銜鐵。 原理：當(dāng)銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，銜鐵與帶線圈的鐵芯之間的氣隙發(fā)生變化，引起磁路中磁阻的變化，因此，改變了線圈中的電感。線圈中的電感量L可按下式計(jì)算： 式中 W線圈的匝數(shù)； R磁路的總磁阻(H-1)； Rm0，Rm1及Rm2，分別是空氣隙、鐵芯和銜鐵的磁阻。,：,三種類型的單磁路電感傳感器,應(yīng)用,位移電感式傳感器

7、、壓力電感式傳感器、加速度電感式傳感器,二、差動(dòng)變壓器式電感傳感器,差動(dòng)變壓器式傳感器是互感式電感傳感器中最常用的一種。其原理如圖214(a)所示，當(dāng)初級(jí)線圈L1通入一定頻率的交流電壓E激磁時(shí)，由于互感作用，在兩組次級(jí)線圈L2l 和L22中就會(huì)產(chǎn)生互感電勢(shì)e21和e22 ，其計(jì)算的等效電路如圖214(b)所示,初級(jí)線圈的回路方程 次級(jí)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為 當(dāng)負(fù)載開(kāi)路時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)為 輸出電動(dòng)勢(shì)的有效值,24 鋼弦式傳感器,一、鋼弦式傳感器原理 基本原理是由鋼弦內(nèi)應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殇撓艺駝?dòng)頻率的變化。 根據(jù)數(shù)學(xué)物理方程中有關(guān)弦的振動(dòng)的微分方程可推導(dǎo)出鋼弦應(yīng)力與振動(dòng)頻率的如下關(guān)系 式中f鋼弦振動(dòng)

8、頻率； L鋼弦長(zhǎng)度； 鋼弦的密度； 鋼弦所受的張拉應(yīng)力,二、鋼弦式傳感器的構(gòu)造和性能,優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果比較穩(wěn)定，受溫度影響小， 易于防潮，可用于長(zhǎng)期觀測(cè)故在地下工程和巖土工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和監(jiān)測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。 缺點(diǎn)：是靈敏度受壓力盒尺寸的限制，并且不能用于動(dòng)態(tài)測(cè)試。,工作原理： 1受力3傳力軸2擾曲變形4偏轉(zhuǎn) 5鋼弦應(yīng)力變化 鋼弦儀激勵(lì)起振接受f值 由標(biāo)定曲線f-P關(guān)系土壓力值P,注意：應(yīng)不改變被測(cè)鋼筋（錨桿）的承載性能。條件：應(yīng)力計(jì)殼體工作段與鋼筋的面積、強(qiáng)度、彈性模量相等。,三、頻率儀,鋼弦壓力盒的鋼弦振動(dòng)頻率是由頻率儀測(cè)定的，它主要由放大器、示波管、振蕩器和激發(fā)電路等組成，若為數(shù)字

9、式頻率儀，則還有一數(shù)字顯示裝置。,2-5 電容式傳感器、壓電式傳感器和壓磁式傳感器,一、電容式傳感器 以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測(cè)物理量或機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電容量的變化 。 平板型電容器 電容量,三類電容式傳感器1.變極距型；2.變面積型；3.變介質(zhì)型。靈敏度,電容式傳感器輸出是電容量，需經(jīng)后續(xù)電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。測(cè)量電路常采用調(diào)頻電路，把電容的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化或振蕩信號(hào)的相位變化。,二、壓電式傳感器,壓電效應(yīng) 有些電介質(zhì)晶體材料在沿一定方向受到壓力或拉力作用時(shí)發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成比例，若外力取消時(shí)，它們又會(huì)回到不帶電狀態(tài)，

10、這種由外力作用而激起晶體表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 逆壓電效應(yīng)：壓電材料在交變電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象。 壓電材料：sio2石英、壓電陶瓷（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛）,1壓電晶體加速度傳感器,結(jié)構(gòu)圖: 它主要由壓電晶體片3、慣性質(zhì)量塊2、壓緊彈簧1和金屬基座4等零件組成。,基本原理,根據(jù)極化原理證明，某些晶體當(dāng)沿某一晶軸的方向有力地作用時(shí)，其表面上產(chǎn)生的電荷與所受力的大小成比例，即 作為信號(hào)源，壓電晶體可以看作一個(gè)小電容，其輸出電壓為 當(dāng)傳感器底座以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，則傳感器的輸出電壓為 即輸出電壓與振動(dòng)的加速度成正比。,2壓電式測(cè)力傳感器,壓電式傳感器的測(cè)量,壓電式傳感器是發(fā)電式傳感器，不需供電

11、，但壓電晶片產(chǎn)生的電荷量極其微弱，不能用一般低阻抗儀表來(lái)測(cè)量，否則，壓電片上的電荷就會(huì)很快地在測(cè)量電路中泄露。必須在傳感器和測(cè)量電路間加接可變換阻抗前置放大器。有電壓放大器和電荷放大器兩類。 壓電式傳感器適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。,三、壓磁式傳感器,鐵磁材料受到機(jī)械力作用，產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)力，從而引起鐵磁材料的磁導(dǎo)率發(fā)生變化；如果鐵磁材料上有線圈，由于導(dǎo)磁率的變化，將引起鐵磁材料中的磁通量的變化；磁通量的變化會(huì)導(dǎo)致線圈的自感電動(dòng)勢(shì)的變化，從而把力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 鐵磁材料的壓磁效應(yīng)規(guī)律是： 鐵磁材料受到拉力時(shí)，在作用方向的導(dǎo)磁率提高，而在與作用力相垂直的方向，導(dǎo)磁率略有降低；鐵磁材料受到壓力作用時(shí)，其效果相反

12、，當(dāng)外力作用力消失后，它的導(dǎo)磁性能復(fù)原。,在巖體孔徑變形預(yù)應(yīng)力法中，使用的鉆孔應(yīng)力計(jì)就是壓磁式傳感器，其工作原理如下：,鉆孔應(yīng)力計(jì)的磁芯，在外加壓力作用下，將產(chǎn)生導(dǎo)磁率的變化，導(dǎo)磁率變化能引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即阻抗(電感)的變化，其變化越大，越能提高測(cè)量的靈敏度。電感L的大小，取決于磁芯上所繞線圈的匝數(shù)、磁芯的導(dǎo)磁率和尺寸。,2-6 傳感器的選擇和標(biāo)定,對(duì)使用傳感器的基本要求: (1)輸出與輸入之間成比例關(guān)系，直線性好，靈敏度高； (2)滯后、漂移誤差??； (3)動(dòng)態(tài)特性良好； (4)功耗??； (5)不因其接入而使測(cè)試對(duì)象受到影響； (6)抗干擾能力強(qiáng)，即受被測(cè)量之外的量的影響??； (7)重復(fù)性好

13、，有互換性； (8)抗腐蝕性好，能長(zhǎng)期使用； (9)容易維修和校準(zhǔn)。,一、傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響,當(dāng)傳感器接入測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，是否改變了原系統(tǒng)的狀態(tài)和環(huán)境條件，對(duì)被測(cè)物理量產(chǎn)生了干擾，以至于測(cè)試的結(jié)果并不是原系統(tǒng)中存在的要測(cè)物理量。 傳感器如何才能與原系統(tǒng)匹配，必須從理論上弄清相互關(guān)系，才能在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，正確選擇傳感器、正確安裝，避免測(cè)試結(jié)果錯(cuò)誤（不是誤差）。,應(yīng)力計(jì)和應(yīng)變計(jì)原理,地下工程測(cè)試中有兩類傳感器，應(yīng)力計(jì)和應(yīng)變計(jì)，區(qū)別在于傳感器的敏感元件與被測(cè)系統(tǒng)剛度的差異。分析如下： 原系統(tǒng)受p力作用，彈簧的變形量 如果想用一個(gè)測(cè)量元件來(lái)測(cè)量未知力P和壓縮變形u1，在兩根彈簧之間放入彈簧常數(shù)為K的

14、元件彈簧，則其變形u2和壓力p為 u2= P2=Ku2,結(jié)論,若Kk，則P2P，說(shuō)明彈簧元件加進(jìn)前后，系統(tǒng)的受力與彈性元件的 受力幾乎一致，彈簧元件的受力能反映系統(tǒng)的受力，因而可看作一個(gè)測(cè)力計(jì)，把它測(cè)出來(lái)的值乘以一個(gè)標(biāo)定常數(shù)，可以指示應(yīng)力值，所以它是一個(gè)應(yīng)力計(jì)。 若k2k，即彈簧元件與原系統(tǒng)的剛度相近，加入彈簧元件后，系統(tǒng)的受力和變形都有很大的變化，則既不能做應(yīng)力計(jì)，也不能做應(yīng)變計(jì)。,二、壓力盒的選擇和埋設(shè)要求,傳感器與介質(zhì)匹配 問(wèn)題 由于傳感器取代了原介質(zhì)，傳感器與介質(zhì)的變形特性不同，引起介質(zhì)內(nèi)應(yīng)力重新分布，使作用于傳感器上的應(yīng)力與原應(yīng)力不同，叫不匹配。由此引起測(cè)量誤差叫匹配誤差。 問(wèn)題：

15、1.傳感器與介質(zhì)的完全匹配條件是什么？ 2.不匹配時(shí)，誤差規(guī)律是什么？如何減小誤差？,完全匹配的條件,靜力匹配傳感器與介質(zhì)的彈性模量E和泊松比相等 ，考慮體積力時(shí)，則還須密度相等。 動(dòng)力完全匹配彈性模量E泊松比 和密度相等。傳感器動(dòng)力剛度gcg與介質(zhì)的動(dòng)力剛度 scs 相等。 前提條件：傳感器的邊界與巖土介質(zhì)緊密接觸。,壓力盒的埋設(shè)應(yīng)注意如下問(wèn)題,1)埋設(shè)時(shí)，要求壓力盒感壓面朝向被測(cè)壓力方向、且誤差應(yīng)小于l0，埋設(shè)位置也不允許有較大的偏差。 (2)壓力盒埋設(shè)后回填時(shí)，填埋被測(cè)介質(zhì)要密，以減小因周圍介質(zhì)與更遠(yuǎn)處原狀介質(zhì)的性質(zhì)差異產(chǎn)生的二次匹配誤差。 (3)對(duì)于自由場(chǎng)應(yīng)力測(cè)量，壓力盒水平和垂直凈距

16、一般取為三倍的壓力盒直徑， (4)對(duì)自由場(chǎng)應(yīng)力測(cè)量的壓力盒，埋置深度一般取大于25倍壓力盒的直徑；對(duì)剛性結(jié)構(gòu)表面壓力測(cè)量，覆蓋介質(zhì)厚度一般取大于壓力盒敏感面直徑即可。,三、傳感器的標(biāo)定,標(biāo)定目的：通過(guò)試驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系，即求取傳感器的輸出特性曲線(又稱標(biāo)定曲線)。 標(biāo)定的基本方法：是利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知的非電量標(biāo)準(zhǔn)值(如一已知的標(biāo)準(zhǔn)力、壓力、位移等)作為輸入量，輸入到待標(biāo)定的傳感器中，得到傳感器的輸出量。然后，將傳感器的輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比較，從而得到一系列的標(biāo)定曲線。,降低標(biāo)定結(jié)果的系統(tǒng)誤差和減小偶然誤差 的要求：,(1)傳感器的標(biāo)定應(yīng)該在其使用條件相似的狀態(tài)下進(jìn)行； (2)在被測(cè)對(duì)象的變化頻率小于30Hz時(shí)，靜標(biāo)定造成的誤差可以忽略，故可只作靜標(biāo)定。但工作在高頻或沖擊荷載下的傳感器，靜標(biāo)定的誤差大，應(yīng)設(shè)法模擬實(shí)際荷載進(jìn)行動(dòng)標(biāo)定； (3)為了減小標(biāo)定中的偶然誤差，應(yīng)增加重復(fù)標(biāo)定的次數(shù)和提高測(cè)試精度。對(duì)于自制或不經(jīng)常使用的傳感器，建議在使用前后均作標(biāo)定，二者的誤差在允許的范圍內(nèi)時(shí)才確認(rèn)為有效。,本章重點(diǎn)內(nèi)容,1.傳感器的變換原理和工作原理電阻歐姆定律、電磁感應(yīng)