工程測試與信號處理技術(shù)02

1、12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),1,第二章 工程常用傳感技術(shù)參考：工程測試與信息處理（第2版），狄長安，孔德仁 等 主編，國防工業(yè)出版社,2-1 概述,能感受或響應(yīng)規(guī)定得被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置，稱為“傳感器”。,“被測量”：應(yīng)變、位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、噪聲等等；,“有用信號”：電壓、電流、開關(guān)量等等；,2-2 應(yīng)變式電阻傳感器 參考書：p59-69,2-2-1 金屬電阻應(yīng)變片的傳感原理,原理：應(yīng)變效應(yīng)：,應(yīng)變：材料的相對線變形量。單位：1 微應(yīng)變 ( me)1/106,取自然對數(shù)：,兩邊微分得到：,小變形情況下，近似有：,(2-1),12

2、-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),2,假設(shè)應(yīng)變片縱軸方向應(yīng)變?yōu)椋?電阻絲被拉長的同時，直徑會按一定比例縮小：,式中 m 稱為“柏松比”，康銅的柏松比約為 0.35。,于是，電阻絲長度被拉延后，橫截面積改變量：,金屬絲拉延后其電阻率變化率為： ，系數(shù) C 因材料而異。,將以上結(jié)果代入 (2-1) 式子，得到電阻變化率：,即，電阻的變化率正比于應(yīng)變量，這個結(jié)果同樣適用于電阻應(yīng)變片。常用應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 2 ，通常由廠家通過實驗確定，注明在產(chǎn)品說明書中。,(2-01),12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),3,2-2-2 金屬電阻應(yīng)變片的使用方法,橋式測量電路：柵區(qū)伸縮引起橋臂阻值變

3、化，得到正比變化的輸出電壓 v 。,應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：基底、電阻絲、覆蓋層、焊盤和引線，厚度0.05毫米左右。,應(yīng)變片基本參數(shù)：,靈敏系數(shù)：一般2左右；,標稱阻值：常用有120 、350、1000，0.2；,柵距：機械0.510mm，土木10100mm；,供橋電壓：常用110V直流；,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),4,應(yīng)變片粘貼工藝：,引線和保護：在應(yīng)變片附近粘貼接線端子板橋接導(dǎo)線，若無條件則應(yīng)設(shè)法固定導(dǎo)線以避免拉斷應(yīng)變片引線。涂抹凡士林、潤滑脂或覆蓋一層石蠟防潮。,電阻值檢查和分組：用萬用表測量，阻值應(yīng)該在標稱阻值及給定誤差范圍內(nèi)；用于組成一個電橋不同橋臂的各個應(yīng)變片的阻值應(yīng)該盡量選

4、配一致。,被測物體表面處理：首先清理待測區(qū)域表面的油漆、銹斑、氧化層、油污、灰塵等，清理干凈后用沙紙打磨平整，再用丙酮或無水酒精擦拭干凈。,標記定位線：用鋼針在測點處畫十字定位線，交叉點為應(yīng)變片柵區(qū)中心。,粘合劑選用：短期測試（數(shù)月范圍內(nèi)）可用502膠水及其改性產(chǎn)品，長期測試則應(yīng)采用廠家提供的專用膠水，并采用指定的粘貼固化工藝流程。所用粘合劑固化后應(yīng)該有足夠硬度，不能用凝固后呈顯彈性狀態(tài)的粘合劑。,粘貼應(yīng)變片：在粘貼區(qū)上涂抹適量粘合劑，將應(yīng)變片放置在膠液上輕輕移動，使粘貼面沾滿粘合劑；用拇指隔著一層塑料薄膜滾壓應(yīng)變片，把應(yīng)變片與粘貼表面之間的膠液盡量擠壓出來，只剩一層均勻而稀薄的粘合劑。,檢查

5、：待粘合劑充分固化后，組成電橋并連接儀器，用橡皮擦子擠壓應(yīng)變片，不應(yīng)有明顯應(yīng)變值，尤其不能出現(xiàn)明顯信號跳變，否則，粘貼失敗。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),5,2-2-3 測量電路及應(yīng)變值與信號電壓之間的換算關(guān)系,電橋平衡條件：,當： 時，,應(yīng)變片靈敏系數(shù)，公式(2-1)：,1/4橋，即，單臂工作：,電阻變化率與長度變化率之比,假設(shè)：,得到：,(2-03),(2-02),12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),6,1/2橋，即，半橋工作，情況1：,得到：,(2-05),假設(shè)：,(2-04),其中：,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),7,其中：,情況2：,同樣得到：,

6、12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),8,全橋工作：,其中：,略去平方項：,(2-06),最后得到：,(2-07),12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),9,應(yīng)變電橋的一般工作方式：,初始狀態(tài)，即，平衡狀態(tài)：,任意一個橋臂，應(yīng)變引起的電阻變化為：,對應(yīng)于應(yīng)變片承受拉應(yīng)變，電阻變大； 對應(yīng)于應(yīng)變片承受壓應(yīng)變，電阻變??；,電橋輸出電壓與應(yīng)變之間關(guān)系可統(tǒng)一表示為“相鄰相減、相對相加”關(guān)系：,(2-08),例如：彎曲應(yīng)變測試，,得到，電橋輸出為：,例如：四個橋臂貼在同一處，溫度引起的電阻變化相同，,于是，電橋輸出為：,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),10,2-2-4 電橋的預(yù)調(diào)

7、平衡以及溫度補償方法,W：電位器，可選100500K； Rt：2050K；,1、預(yù)調(diào)平衡阻值選擇,2、溫度對測量過程和測量結(jié)果的影響,電橋的溫度漂移：溫度變化會引起橋臂電阻值改變。當四個橋臂受到的溫度影響不同時其電阻值的改變量也不同，由此形成的虛假輸出稱為溫度漂移；,信號調(diào)理電路的熱穩(wěn)定性：溫度引起供橋電壓變化或放大電路增益改變而造成的測量結(jié)果偏離實際值；,應(yīng)變片溫度效應(yīng)之一：應(yīng)變片電阻絲的電阻率隨溫度變化而改變；,應(yīng)變片溫度效應(yīng)之二：應(yīng)變片熱膨脹系數(shù)與被測材料不同，應(yīng)變片不能隨著被測對象同步膨脹或收縮而被拉伸或壓縮，引起應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變；,解決溫度影響的常用措施：適當選擇應(yīng)變片和組橋方式

8、，使得相鄰橋臂的溫度影響相同；,若 則溫度影響被消除；,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),11,熱應(yīng)變：溫度變化引起被測對象熱漲冷縮而形成的應(yīng)變；,例如：空調(diào)管路應(yīng)變測量，該測量是管道沿其軸向的應(yīng)變量。為了消除溫度影響，做一塊與管道材料相同的溫度補償塊，涂抹導(dǎo)熱硅脂附著在被測管道上，將不工作橋臂粘貼在溫度補償塊上。于是，四個橋臂受到的溫度影響相同，溫度變化不會改變電橋輸出。,應(yīng)變片的溫度效應(yīng) 與 熱應(yīng)變的區(qū)別：二者均是溫度引起的橋臂電阻值改變，但前者直接取決于溫度變化量，而后者取決于溫度引起的應(yīng)變量。,例如：溫度升高后鑄鐵套受銅材圓柱膨脹作用的徑向增加量（銅線膨脹系數(shù)17ppm/K，

9、鑄鐵11.2ppm/K）。測量方法：用一個材質(zhì)和結(jié)構(gòu)完全相同的鑄鐵套作為補償件。將待測件和補償件置于同溫環(huán)境下，改變溫度，進行測量應(yīng)變。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),12,例如：梁式稱重傳感器。,截面1、2處的應(yīng)變值e1 和e2 正比于待測重力F 及其作用距離：,橋臂R1的電阻增加值和橋臂R2的電阻減小值取決于應(yīng)變值e1；橋臂R4的電阻增加值和橋臂R3的電阻減小值取決于應(yīng)變值e2 ，代入公式 (2-8) ：,于是，圖示結(jié)構(gòu)和組橋方法，信號電壓 v 正比于作用力 F，而與力的作用位置無關(guān)。其中，系數(shù) kc 只取決于梁的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，可以根據(jù)材料力學進行適當設(shè)計，然后，可通過試驗進

10、行精確“標定”得到。,C 是由梁的材料及尺寸決定的常數(shù)。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),13,2-2-5 應(yīng)變測量信號調(diào)理電路的基本原理,供橋電壓（或電流）設(shè)定。恒流 ( I ) 供橋，則實際供橋電壓為：,電流供橋的優(yōu)點：橋壓不受導(dǎo)線電阻的影響。,量程范圍 E ：輸出電壓范圍 U 給定時(5V或10V)， 實測應(yīng)變 e 與輸出電壓 Vo 之間的比例關(guān)系為：,靈敏系數(shù) K 。假定，系統(tǒng)的放大倍數(shù)為 A 則：AQ(VKE) = U,工作方式 Q，全橋： ，半橋： ，1/4橋： ，于是：,直流放大器的增益應(yīng)為：,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),14,2-3 壓電式傳感器 參

11、考書：p81-85,2-3-1 壓電效應(yīng)簡介,變形量正比于作用力：,電荷量正比于變形量：,電壓，正比于電荷量：,C 為壓電材料的電容量，取決于材料特性和結(jié)構(gòu)尺寸的常數(shù)。,構(gòu)成回路后，隨著電流從+極流向-極，電壓也將隨之下降，最終趨于0。,當電荷放大器輸入阻抗非常高、被測信號波動很快的時候，可以近似認為電壓 v(t) 受電流流失的影響忽略不計，電壓 v(t) 正比于被測作用力 F(t)。由此可見，這種傳感器只能檢測動態(tài)信號： 。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),15,2-3-2 壓電式傳感器,1、壓電式力傳感器,用于動態(tài)力的測試，其輸出信號需要經(jīng)過電荷放大器放大后以電壓輸出。即，信號

12、調(diào)理電路為電荷放大器。,2、壓電式壓力（壓強）傳感器,工業(yè)上所謂“壓力”指的是“壓強”。其原理和力傳感器基本相同只是結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別，同樣只能用于動態(tài)壓力的測試，且，調(diào)理電路也是電荷放大器。,3、壓電式加速度傳感器,安裝在被測對象上后，當?shù)鬃S著被測對象 上下運動時，質(zhì)量塊以相應(yīng)的慣性力作用于壓電 晶體上，從而形成與慣性力成比例的電荷輸出， 再經(jīng)電荷放大器放大并轉(zhuǎn)換后，成為正比于加速度的電壓信號。壓電式加速度傳感器不能測量恒定不變的加速度，可測的頻率下限是加速度計的一個重要參數(shù)。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),16,4、IEPE加速度傳感器,加速度的單位：,量程：可測的加速度范圍，

13、例如：20g（196.2 ms2）;,激勵電流：常用 2mA 或 4mA，由廠家給出；,靈敏度：例如，500mV/g，即，在額定激勵電流下，每一 g 加速度輸出0.5V電壓。通常滿量程輸出為5V，所以，由靈敏度也可以推知量程范圍，反之亦然。,分辨率：傳感器可感知的最小加速度值，如：0.04 mg = 0.3924 mms2 ;,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),17,2-4-1 自感式傳感器原理,2-4 電感式傳感器 參考書：p69-72,線圈的自感量為：,N 為線圈匝數(shù)； Rm 為磁路的磁阻。,對于圖示結(jié)構(gòu)的磁阻為：,磁阻：可與電路中的電阻類比，將磁場強度(線圈中電流與匝數(shù)乘積)比

14、作電壓，磁回路中的磁感應(yīng)強度比作電流，那么，磁路對磁力線的傳導(dǎo)能力即可用“磁阻”表示。磁力線經(jīng)過一段等截面、柱型導(dǎo)體時所受到的磁阻與路徑長度成正比、與材料的導(dǎo)磁率和截面積成反比：,線圈的自感量為：,相對于氣隙來說鐵芯的磁阻可以忽略不計，于是，氣隙 d 與電感 L 成反比。,因此，可以通過檢測電感變化間接測得距離 d 。,(2-09),12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),18,差動式位移傳感器1：兩個完全對稱的差動線圈和完全對稱的耦合線圈構(gòu)成一個電感電橋。,當銜鐵處在對稱位置時，電感 L1=L2 ，于是，流過電阻 R 上的電流 DI = 0，輸出電壓 Uout = 0 ；,兩次級線圈上的

15、感應(yīng)電壓 Uin 完全相等。,當銜鐵偏離對稱位置時，電感發(fā)生變化 L1+DL=L2-DL，于是，DI 0，輸出電壓 Uout 0 且與位移成正比。,差動式位移傳感器2：兩個完全對稱的差動線圈和兩個完全對稱的電阻構(gòu)成電橋，采用交流電源 U 供橋。,當銜鐵處在對稱位置時，電感 L1=L2 ，阻抗 Z1=Z2 ，電橋平衡，輸出電壓 Uout = 0 ；,當銜鐵偏離對稱位置時，電感發(fā)生變化 L1+DL=L2-DL，阻抗 Z1Z2 ，輸出電壓 Uout 0 且與位移成正比。,電感式位移傳感器，量程200毫米時分辨率可達1mm，是一種量程相對較大、分辨率較高的位移傳感器。缺點是屬于接觸式傳感器，不能檢測高

16、速運動軸面。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),19,兩個完全對稱的次級線圈同名端相對連接，次級輸出電壓為：,銜鐵處在對稱位置時，兩次級線圈上的感應(yīng)電壓幅度相同、相位相反，輸出為 0 ( 通常會有一些偏置，圖中電壓 E0 )。,當銜鐵偏離對稱位置時，兩次級線圈上的感應(yīng)電壓幅度發(fā)生變化、相位仍然相反，輸出信號的有效值： ，且正比于位移 d。,2-4-2 差動變壓器式（互感式）位移傳感器,2-4-3 電感式位移傳感器信號調(diào)理電路原理,交流激勵電壓 U ；,電壓放大；,相位鑒波輸出：,kc：系統(tǒng)標定系數(shù) 毫米 / 伏；,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),20,2-4-4 電渦流式

17、位移傳感器及其信號調(diào)理電路原理,等效電路：被測金屬表面的渦流效應(yīng)等效為一個互感線圈，其磁場抵消原線圈所產(chǎn)生的磁場，減弱原線圈的自感 L1；,渦流效應(yīng)：由于存在互感 M ，激勵電壓 U 及其頻率 w 給定后，線圈與被測表面之間距離 d 變化將而引起線圈阻抗 Z1 變化，變化量很小時 d 與 Z1 之間近似為線性關(guān)系；,測量電路：初始位置時，調(diào)整補償電阻 Rt，使電橋平衡： 。,距離 d 變化時引起線圈阻抗 Z1 變化，從而引起電橋輸出改變，放大后得到信號電壓 Vout ，d 的變化范圍很小時，Vout與 d 成正比。,特點：非接觸、高分辨、高速、小量程，如：真尚有0.5SU，分辨率0.1微米，量

18、程0.5毫米，輸出電壓 5V。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),21,2-5 熱電式傳感器 參考書：p103-112,熱電偶和熱敏電阻等溫度傳感器。,2-5-1 熱電偶溫度傳感器,接觸電勢：,溫差電勢：,熱電偶回路電勢：,以其中一個端點，例如右側(cè)端點的溫度作為參考點，例如，將右側(cè)端點置于冰水混合液中，即，恒有 T2 = 273.16K。于是，回路電勢就只是另一端點溫度 T1 的函數(shù)：,信號形式：與熱電偶的材料有關(guān)，如鉑銠熱電偶的熱電勢約為10.575mV/C，具體可查“分度表”。,調(diào)理電路：工程上稱為“溫度變送器”。輸出為5V(10V)電壓或4-20mA電流形式。,12-10-23

19、,第二章 工程常用傳感技術(shù),22,常用熱電偶,1990年國際溫標規(guī)定了8種熱電偶（熱電極）,O氧化氣氛；N為中性氣氛；R為還原氣氛；V為真空,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),23,熱電偶的冷端補償,0C恒溫法：將冷端置于冰點槽中，槽內(nèi)為冰水混合物。準確度高，但工藝麻煩，通常用于實驗室環(huán)境，或，用于溫度傳感器標定。,修正法：冷端置于某已知溫度 T0 環(huán)境中，則，實測溫度的熱電勢為：,EAB(T,T0) ：冷端置于參考溫度 T0 環(huán)境下實測得到的熱電勢；,EAB(T0,0) ：參考溫度 T0 相對于 0C 的熱電勢，可預(yù)先實測或查表得到。,電橋補償法：利用一不平衡電橋產(chǎn)生的電勢補償冷端

20、溫度引起的電勢。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),24,有源電路補償：將冷端置于0C環(huán)境時，冷端接觸電勢等價于一個電動勢固定的微電池。因此，可以用一個電路形成一個與冷端電動勢相同的電壓源模擬冷端特性。,AD592與負載電阻構(gòu)成精密電壓源，為熱電偶提供參考電壓。,2-5-2 熱敏電阻溫度傳感器,金屬絲熱電阻：利用金屬材料的電阻溫度特性，即，金屬材料電阻率隨溫度變化而改變的特性：,T 待測溫度； R0 0C 時的電阻值； a 材料的溫度系數(shù)，正溫度系數(shù)的材料 a 0；,鉑熱電阻：線性稍差，但穩(wěn)定性很好，應(yīng)用非常廣泛。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),25,常用型號：Pt10

21、0、Pt10等，其0C的電阻值分別 100 W 和10 W。Pt100常用測量范圍在-200C 600C之間，Pt10用于 600C以上的高溫環(huán)境。,參數(shù)W100：鉑熱電阻100C時阻值與0C時阻值之比。一般要求：,精度指標：國產(chǎn)： A級，誤差0.25%；B級，誤差0.5%。 日本：A級0.06%；B級0.12%；C級0.24%；D級0.6%；,熱電阻信號調(diào)理電路：兩線制、三線制電橋電路導(dǎo)線電阻自補償。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),26,熱敏電阻：分為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)。由半導(dǎo)體材料制成，溫度系數(shù)很大，因此，靈敏度和分辨率高。,指數(shù)函數(shù)擬

22、合：,T 待測溫度； T0 參考溫度； R0 參考溫度時的電阻值； R 待測溫度下的電阻值； B 熱敏電阻的材料常數(shù)，由實驗測得，通常在2000K6000K之間。,熱敏電阻的溫度系數(shù)電阻的相對變化率：,線性化：模擬電路補償；數(shù)字化補償。,溫度測試用于溫度控制時，可以借助作為系統(tǒng)核心的計算機，以數(shù)學模型為依據(jù)進行補償。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),27,2-6-1 光敏電阻,2-6 光電式傳感器 參考書：p85-103,光敏電阻，硫化鎘半導(dǎo)體。電阻隨光照強度而減?。妼?dǎo)增加）。,不同光敏材料，敏感的波長范圍不同?？蓪崿F(xiàn)選擇性敏感。硫酸鉛的中心波長為23mm，紅外波段。,調(diào)理電路實

23、例：光控開關(guān)電路、光電編碼器。,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),28,2-6-2 光敏晶體管,光敏二極管，截止狀態(tài)下，沒有光照時反向電流很小，稱為“暗電流”；隨著光照增加反向電流急劇增加形成“光電流”，光電流與照度成正比。,光敏三極管，由兩個PN結(jié)組成，但基極沒有引出線。其 “光電流”比只有一個PN結(jié)的光敏二極管大 b 倍。,特點，體積小、靈敏度高，但一致性和穩(wěn)定性差。,2-6-3 光電位置傳感器(PSD Position Sensitive Detector),一維PSD工作特點，入射光點的位置決定了兩輸出極的電流比例：,12-10-23,第二章 工程常用傳感技術(shù),29,2-6-4 光纖光柵應(yīng)變傳感器簡介,Bragg光柵，反射某一頻率的入射光，反射光的波長取決于光柵的柵距 d ；,光柵應(yīng)變傳感器，應(yīng)變引起光柵柵距改變，檢測發(fā)射光波長可得到應(yīng)變值大小；,特點1：沒有電磁干擾、環(huán)境耐受能力強、穩(wěn)定性好刻長期使用；,特點2：多路復(fù)用、同步檢測 單條光纖上刻蝕多個光柵，連續(xù)、同步、快速采集應(yīng)變信號。,多路復(fù)用，在同一條光纖上刻蝕多個光柵，每個光柵的柵距不同。無應(yīng)變時反射波長各自不同，通過檢測每個波