5测试技术课件河南科技大学__第2章_常用传感器.

河南科技大学机电学院第2章常用传感器本章学习要求：1.理解传感器的定义、组成及分类；2.掌握常用传感器原理、特点及应用；3.了解传感器的信号调理电路。测试技术河南科技大学机电学院第2章常用传感器2.1概述1.传感器的定义传感器(Transducer/Sensor)是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用信号(便于传输和处理)的器件或装置。非电物理量电信号传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电物理量转换成电信号的装置。现代信息技术的基础有三个主要方面：①信息采集——传感器技术②信息传输——通信技术③信息处理——计算机技术(包括软件和硬件)河南科技大学机电学院2.传感器的组成传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。敏感元件直接感受被测物理量(力)，并对被测量进行转换输出(应变)；转换元件将敏感元件的输出转换成便于传输和测量的电参量(电阻)或电信号；转换电路则对转换元件输出的信号进行放大、阻抗匹配、运算调制等，以便于接入后续仪表。2.1概述被测量敏感元件转换元件辅助电源基本转换电路输出信号河南科技大学机电学院3.传感器的分类（1）按被测物理量分类常见的被测物理量机械量：长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转速,质量,重量,力,应力,应变,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量。声：声压,噪声。磁：磁通,磁场。温度：温度,热量,比热。光：亮度,色彩。2.1概述河南科技大学机电学院位移传感器力传感器滑觉传感器压力传感器流量传感器温度传感器等（2）按被测量的性质分类2.1概述河南科技大学机电学院能量转换型和能量控制型两大类。（3）按被测量与输出电信号的转换关系分类能量转换型：直接将被测量转换为电信号(电压等)。（有源）例如：热电偶传感器，压电式传感器。2.1概述能量控制型：先将被测量转换为电参量(电阻等)，在（无源）外部辅助电源作用下才能输出电信号，并由被测量控制输出电信号的变化。例如：应变式传感器，电容式传感器。河南科技大学机电学院（4）按工作原理分类电阻应变式传感器电容传感器磁电式传感器光电式传感器压电式传感器等4.传感器的性能指标灵敏度、线性度、重复性、稳定性、精确度、动态特性、环境影响等。2.1概述河南科技大学机电学院2.2能量控制型传感器第2章常用传感器上式中任何一个参数变化均会引起电阻变化。金属电阻丝的电阻为：AlρR转换原理：将被测量变化转换为电阻变化。2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院金属电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。（1）工作原理：电阻应变效应1.电阻应变式传感器(金属电阻应变片)2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院对上式求偏导数代入2/rlR金属电阻丝的电阻为：2rlAlR2322rlrrllrR)2(2rrllrlR2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院有：rrllRR22.2.1电阻式传感器式中：ll——轴向相对变形(纵向应变)；rr——径向相对变形(体积不变)；ELL——电阻率相对变化。河南科技大学机电学院故：)21(LERR电阻丝灵敏系数：RRS/0对于金属电阻应变片，在外力作用下电阻率基本不变(不同于半导体应变片)：)21(RR(由实验确定)6.3~7.1210S2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院应变计（2）应变片的结构及类型•金属应变片按敏感栅的结构可分为：丝绕式、短接丝式、箔式、应变花。2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院（3）应变片的主要参数5）其它参数：如环境温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向效应等。1）几何尺寸：基长×基宽=l×b30×10(mm2)2）电阻值：应变片原始电阻值(120Ω、350Ω)4）允许电流：流过敏感栅的电流，使应变片产生温升，影响测量精度。一般规定25mA。3）灵敏系数：2/RRS左右)(0SS2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院（4）应变片的温度误差2.2.1电阻式传感器由温度变化引起的总的相对电阻增量为温度补偿：桥路补偿法、应变片的自补偿、热敏电阻。tSRRRRRR)]([)()()(21βαttRR)(1）敏感栅材料电阻温度系数的影响tS(RR))(21β2）试件材料和敏感栅材料线膨胀系数的影响河南科技大学机电学院（5）应变片的测量电桥043214231y))((ERRRRRRRRE0EyE1R2R3R4R2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院043214231y))((ERRRRRRRRE令：RR1RRR24RRR30y))(()(ERRRRRRRRRRERRE40金属电阻应变片：电桥输出电压与应变呈线性关系，由此可测量应变。)21(RR2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院（6）应变片的选择与粘贴技术1）目测应变片有无折痕、断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2）用惠斯顿电桥测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间的电阻值相差不得大于0.5欧姆。3）试件表面处理：贴片处用细纱纸交叉45°打磨，用酒精棉球反复擦洗贴片处，直到棉球无黑迹为止。2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院5）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导线上。6）用万用表检查应变片与试件之间的绝缘电阻，应大于500兆欧。7）应变片保护：用防潮剂覆盖于应变片上，防止应变片受潮脱落。4）应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院（7）电阻应变式传感器的应用：测力2.2.1电阻式传感器R3R5R2R6R1河南科技大学机电学院标准产品:2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院•河南省科委科研项目：“带传感装置骨外固定器”案例：骨应力测量2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院案例：桥梁固有频率测量2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院案例：电子秤测量原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过电阻应变片和测量电桥转化为电信号输出。2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院R3R5R2R6R1案例：冲床生产记数和生产过程监测2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院案例：机器人握力测量2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院案例：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院（1）工作原理：压阻效应2．压阻式传感器(半导体应变片)半导体材料受到外力作用时，其电阻率发生变化引起电阻变化，这种现象称为压阻效应。电阻变化主要由电阻率变化引起，上式可简化为ERRL2.2.1电阻式传感器)21(LERR河南科技大学机电学院半导体应变片的灵敏系数：•优点：灵敏度高，体积小，便于集成；•缺点：温度误差大，在较大应变下线性较差。类型包括：体型、薄膜型和扩散型等三种。（2）特点与类型140~70/LERRS2.2.1电阻式传感器基底P-Si片内引线焊接板引出线河南科技大学机电学院3．变阻器式传感器(电位器式传感器)2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院（1）电阻分压电路L—变阻器总长；x—电刷移动量；R—总电阻；Rx—电刷电阻。Rx=k1·xx=Rx/k1xL2.2.1电阻式传感器xRxL=R=e0eyx=L·ey/e0e0ey河南科技大学机电学院x=L·ey/e0=k·ey0Le0eyx2.2.1电阻式传感器空载时：河南科技大学机电学院（2）测量时的负载效应2.2.1电阻式传感器RReeRRRRRxLy02LxxRLe0eyRxR-Rx河南科技大学机电学院ey0x2.2.1电阻式传感器RxXLRx)RmRL(,XeemXXy01(1)RRL(10~20)河南科技大学机电学院（3）变阻器式传感器的性能参数1）线性(或曲线的一致性)；2）分辨率；3）整个电阻值的偏差；4）移动或旋转角度范围；5）电阻温度系数；6）寿命。（4）变阻器式传感器的分类*单圈电位器*多圈电位器*直线滑动式电位器1）按测量类型2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院2）按制作方式*导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉2.2.1电阻式传感器*线绕电位器河南科技大学机电学院变阻器式传感器产品2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院案例：重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料原理：弹簧力位移电位器电阻2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院案例：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝收线圈数电位器电阻2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院案例：玩具机器人(广州中鸣数码)原理：电机转角电位器电阻2.2.1电阻式传感器河南科技大学机电学院第2章常用传感器2.2.2电容式传感器1.工作原理：将被测量变化转换为电容量变化。δ、A或ε发生变化时，都会引起电容量的变化。两平行极板构成的电容器，其电容量为：AC+++A河南科技大学机电学院AC2.2.2电容式传感器++++++（1）变极距式（1）极距变化型yy河南科技大学机电学院00AC当两极板相对运动时：0由于初始电容量：00ACCC])()(1[/1/3020000000CCC2.2.2电容式传感器非线性误差：%1000灵敏度：2000ACCS河南科技大学机电学院差动结构：])()(1[240200021CCCCCCAS020022灵敏度：非线性误差：%100)(202.2.2电容式传感器定极板定极板动极板12河南科技大学机电学院产品:原理：液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。陶瓷电容压力传感器压力变送器2.2.2电容式传感器河南科技大学机电学院1p2p硅油隔离膜绝缘体测量膜片固定极测液体压差传感器1C2C定极板质量块绝缘体弹簧片定极板测加速度传感器带材轧辊工作极板测钢带厚度传感器带材轧辊电容极板2.2.2电容式传感器电容河南科技大学机电学院（2）变面积式当动极板有角位移时，电容变化量：22RAC22RC灵敏度：22RCS常数2.2.2电容式传感器河南科技大学机电学院ΔxbxbC电容变化量：平面线位移型：bxCbxCS灵敏度：常数2.2.2电容式传感器河南科技大学机电学院柱面线位移型：dDlC/ln2DddDlC/ln2电容的变化量：灵敏度：dDlCS/ln2=常数2.2.2电容式传感器河南科技大学机电学院（3）变介电常数式AC2.2.2电容式传感器河南科技大学机电学院00)(xxxxalbbaCxxlbC02.2.2电容式传感器)/ln()(2)/ln(200dDhdDhCx河南科技大学机电学院产品:电容式液位传感器（液位计/料位计）原理：液面位置发生变化，两电极侵入液体中的高度发生变化2.2.2电容式传感器河南科技大学机电学院电容式接近开关：振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头是电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的间距发生变化，从而使得与测头相连的电路状态也发生变化。2.2.2电容式传感器河南科技大学机电学院2．测量电路（1）电桥电路2.2.2电容式传感器电容电桥调幅波河南科技大学机电学院（2）谐振电路电容阻抗电压2.2.2电容式传感器E0EyEy河