电气检测技术4.1

第四章非电量的电测技术NUST自动化学院电气检测技术2工程测量中常见非电物理量1、机械量：位移、速度、加速度、力、转矩、应变、应力、振动频率等；2、热工量：温度、压力、流量等；3、化工量：浓度、成分、pH值等。非电量的测量方法：1、非电测量方法：例2、电测技术NUST自动化学院电气检测技术3传感器技术非电量电测技术的关键技术：传感技术：非电量转换成电量的技术。NUST自动化学院电气检测技术4传感器的定义1、传感器是一种装置，能完成检测任务；2、输出量与某一被测量有对应关系的量，且具有一定的精度；3、对应的量的关系包括物理量、光、电气、化学量、生物量等。NUST自动化学院电气检测技术5传感器的组成结构图：1、敏感元件：直接感受被测量，输出与被测量有确定关系；2、转换元件：磁芯与电感线圈3、转换电路：磁芯变化引起转换电路输出变化NUST自动化学院电气检测技术6传感器分类1、按传感器的工作原理：物理型、化学型、生物型；2、按传感器的构成原理：结构型(定理、数学公式)、物性型(材料有关)NUST自动化学院电气检测技术73、按能量转换：能量控制型：外加电源、应变电阻、热阻、光阻；能量转换型：压电效应、热电效应、光电动势效应。4、按用途：位移、压力、温度、振动、电流、电压、功率等；NUST自动化学院电气检测技术85、按物理型的分类：1)电参量：电阻式、电感式、电容式；2)磁电式：磁电感3)压电式；4)光电式：光栅、激光、光纤、红外、摄像；5)热电式；6)波式：超声波、微波；7)半导体式；NUST自动化学院电气检测技术9传感器的一般特性表征传感器输出与输入之间的关系的特性。1、静态特性：输入量为常量或变化缓慢的信号；2、动态特性：输入量随时间变化较快。NUST自动化学院电气检测技术10传感器的特性参数1、线性度(产生系统误差)以及线性化处理；2、迟滞(产生系统误差)；3、重复性(产生随机误差)；4、灵敏度(s)与灵敏度误差；5、分辨力与阈值：分辨力：能检测到的最小的输入增量(绝对值表示)NUST自动化学院电气检测技术116、分辨率：分辨力用满量程的百分数表示；传感器输入零点附近分辨力称为阈值(死区)7、稳定性：温度、时间、抗干扰稳定性；8、静态误差(精度)；9、动态特性。NUST自动化学院电气检测技术124.1电阻式传感器功能：将相关非电量(位移、压力、加速度、流量等)变换成与电阻阻值相关的电量传感器。主要类型：1、线性电位器传感器；2、非线性电位器传感器；3、电阻应变传感器；4、压阻传感器；5、金属电阻传感器；NUST自动化学院电气检测技术13一、线性电位器式传感器工作原理功能：把线位移和角位移变换成一定函数关系的输出电阻或电压，测量压力、位移等非电参数。典型结构：1、金属电阻丝2、骨架3、电刷工作原理：NUST自动化学院电气检测技术14特点1、制作时，单位长度电阻处处相等；2、空载和带负载的情况下，其输入输出特性有着明显的区别。NUST自动化学院电气检测技术151、空载输入输出特性线性电位器的理想空载特性曲线具有严格的线性关系。当电位器电刷的行程为x时(如图)：NUST自动化学院电气检测技术16空载输出电压电压灵敏度：电阻灵敏度：ρ、A、t：导线的电阻率、截面积、节距b、h：骨架的宽度及高度；I：工作电流AthbIxUkU)(2maxmaxAthbxRkR)(2maxmaxxkxxUUUxmaxmaxxkxxRRRxmaxmaxNUST自动化学院电气检测技术17电压分别率ΔU电位器电刷作台阶式的跳跃变化。电刷每移过一匝，输出电压(电阻)就会产生一个阶跃，其阶跃值为：ΔU=Umax/NNUST自动化学院电气检测技术182、负载特性接入负载后，输出电压为：令电阻的相对变化γ为：X为电刷相对行程2maxmaxmaxxxLLxxlRRRRRRRUUXxxRRxmaxmaxNUST自动化学院电气检测技术19非线性误差δl：令可得：%100xxlxlUUUmRRLmax%100)1(111XmXlNUST自动化学院电气检测技术203、线性电位器传感器的应用特点：整个量程范围内，单位长度上的电阻值处处相等，只要是能转变成位移的参数均可用电位器作为检测元件。例如：温度、物位，振动、位移、速度等。NUST自动化学院电气检测技术21电位器式数字位移测量仪的原理图NUST自动化学院电气检测技术22电路特点1、稳压电源1403提供供桥电压，输出2.5V；2、传感器接入电桥中，构成桥臂；3、放大器接成跟随器形式，选用高输入阻抗的放大器，差动输入阻抗可达，测量时电桥阻值变化，可认为外电路开路。4、ICL7139为双积分式A/D转换器件，输出可直接驱动LCD显示。M310RNUST自动化学院电气检测技术23调试过程如下1、电位器处于零点(动触点无位移)，选择合适的桥臂电阻，使得，通过调放大器的调零电阻BP1、BP2，使得电路的输出为0；2、用该位移计测量标准位移(满量程位移)，如该位移计量程范围为0~40mm，如40.00mm，调节BP3改变参考电压，使得LCD的显示为40.00mm。3、调试过程中，A/D转换器的参考电压是根据量程来调整的。调试的过程实际上也是位移计定标的过程。4231RRRRNUST自动化学院电气检测技术24二、非线性电位器传感器NUST自动化学院电气检测技术25三、电阻应变式传感器传感器组成：电阻应变片、测量电路敏感元件的电阻随机械变形(伸长或缩短)大小而变化。应用：测量力和与力有关的一些非电参数(压力、扭力、加速度等)。NUST自动化学院电气检测技术26特点1）精度高，测量范围广；2）结构简单，性能稳定可靠，寿命长；3）频率特性好，能在高温、高压、振动强烈、强磁场等恶劣环境条件下工作。NUST自动化学院电气检测技术271、应变片工作原理电阻应变片是采用直径约为0.025mm的具有高电阻率的金属电阻丝制成，如图所示：l：标距（工作基长）b：工作宽度转换原理：金属电阻的应变效应。金属丝阻值随其变形而改变的一种物理现象。NUST自动化学院电气检测技术28应变片受力后的阻值变化为材料的泊松系数，不同的金属材料不同，通常之间；电阻丝长度相对变化量，纵向应变为横向应变。)()21(dRdR5.0~3.0ldlDdDrNUST自动化学院电气检测技术292、金属电阻应变片应变电阻的阻值变化量为：应变灵敏度系数:多数金属材料的之间对一定的金属，为常数，受确定力后，电阻丝的纵向应变和横向应变都一定，因此，应变片的阻值变化量随外力的变化而变化。kRdR)21(21k5.0~3.0NUST自动化学院电气检测技术30金属电阻应变片的特点1、高分辨率，非线性误差小，温漂系数小；2、测量范围大；能测量静态、动态应变；3、价格低廉，品种繁多，便于选择和大量使用NUST自动化学院电气检测技术31应变片电阻值的常用阻值：60、120、200、350、500、1000欧，以120欧最为常用。最大允许工作电流：通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电流大，输出信号就大，灵敏度高。NUST自动化学院电气检测技术323、电阻应变传感器的测量电路电阻应变片工作阻值变化较小，例如，应变系数k=2，初始电阻120欧的应变片，发生1000微应变时，阻值变化为：24.010100021206RNUST自动化学院电气检测技术33直接测出较小阻值变化较困难，且带来较大的测量误差。常用电桥测量电路来把这种电阻值的较小变化转化为电压或电流的变化进行输出，并进行适当放大后便与进行处理。NUST自动化学院电气检测技术344、电桥测量电路(全桥差动电路)如图R1、R2、R3、R4都为应变电阻，初始电阻满足：R1=R2=R3=R4NUST自动化学院电气检测技术35说明1）R1、R3纵向应变，R2、R4横向应变，输出电压为：电压灵敏度为：)1(2)(40kUkUUrr)1(21kUKUNUST自动化学院电气检测技术36说明2）产生相同应变的应变片不能接在相邻的桥臂，否则输出恒为0；3）可在电桥中串联多片的应变片、选择灵敏度系数较高的应变片；提高电桥电压灵敏度；4）提高供桥电压(受应变片允许功耗限制)。NUST自动化学院电气检测技术375、电桥的零位调整串联法、并联法NUST自动化学院电气检测技术386、电阻应变传感器的应用应变片压力传感器测量电路NUST自动化学院电气检测技术39说明1、电路采用恒流源进行供电；2、采用差动式放大结构，提高输入阻抗；NUST自动化学院电气检测技术40小结电阻应变传感器能测量较大的外力，且价格便宜，因此广泛使用在压力、转矩、加速度的测量中。