武汉理工大学检测技术课件Chapter5

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1、测试技术,,*,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第五章 常用传感器,77,第五章 常用传感器,5.1 概 述,,5.2 电阻传感器,,,5.3 电容传感器,,5.4 电感传感器,,5.5 磁电传感器,,5.6 压电传感器,,5.7 磁敏传感器,,5.8,传感器选用原则,▼,▼,▼,▼,▼,▼,▼,▼,1,5.1 概 述,1. 传感器(Sensor)定义,,传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律

2、转换成可用输出信号的器件或装置。通常由,敏感元件,和,转换元件,组成(GB766-87)。,,狭义上，,非电信号 电信号,。,在非电量电测系统中的作用,敏感作用,：,感受并拾取被测对象的信号,变换作用,：,被测信号转换成易于检测和处理,,的电信号,2,将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。,获得传感器信号的两种方法,直接获得电信号的变化（开关传感器）；,3,2. 传感器的分类,(1)按被测物理量分类,,,(2)按传感器元件的变换原理分类,,,位移传感器,流量传感器,温度传感器等.,电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等.,能量转换型:,直接由被测对象输入能量使其工作.,,,例如

3、:热电偶温度计,压电式加速度计.,,能量控制型:,从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.,,,,例如:电阻应变片.,,能量传递型:,从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现,,敏感检测.,,,,例如:超声波发生器和接受器.,(3)按传感器的能量传递方式分类,4,3. 传感器的性能要求,工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力,,与检测系统匹配性好，转换灵敏度高,,精度适当，稳定性高,,反应速度快，工作可靠性高,,适应性和适用性强,5,4. 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,,,转数,,,,,质量,,,重量,,,力,,,压

4、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,▲,6,电阻式传感器,是把被测量转换为,电阻变化,的一种传感器。,按工作的原理可分为,:,热敏式,电阻应变式,变阻器式,光敏式,湿敏式,5.2 电阻式传感器,7,1.可调电位器,为输出电压(V)； 为外加固定电压(V) ;,,为材料的总电阻,( );,为固定端至滑块的电阻( ),8,2.应变式电阻传感器,丝式应变片,,箔式应变片,,9,(1).应变效应,导体或半导体在外力作用下产生,机械变形,

5、而引起导体或半导体的,电阻值发生变化,的物理现象称为,应变效应,。,传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的,应变量,转换成,电阻变化量,的传感元件。,应变片受力,,应变,,比例关系,,比例关系,,应变片电阻的变化,,10,(2).工作原理,式中，ρ——导线的电阻率，又称为电阻系数,金属导线的,应变电阻效应,：,当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。,11,S,由两部分组成：,前一部分,(1+2μ),是由金属导线的,几何变形,引起的；,后一部分,λE,除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身

6、的特性有关。,μ：,泊松系数，E:弹性模量，,ε:纵向应变，λ:压阻系数,推导,12, 金属应变片（,,不变）,金属应变计,,,半导体应变片（,,变化）,半导体应变计,13,(3). 应变片的主要参数,,1) 几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用,,b×L 表示。,,2) 电阻值：应变计的原始电阻值。,,,3) 灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,,4) 其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、,,蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,,14,(4).金属应变计,金属应变计有,:,,,1,、,丝式,,,2,、,箔式,,,3,、,薄膜式,,优点,:,稳定性和温度特性好,.,,

7、缺点,:,灵敏度系数小,.,应变计,15,(5).半导体应变计,优点：,应变灵敏度大,;,体积小,;,能制成具有一定应变电阻的元件,.,,缺点：,温度稳定性和可重复性不如金属应变片,。,应变计,体型,薄膜型,扩散型,16,立柱应力,,,桥梁应力,,(6).应变式电阻传感器的应用,,德国HBM电阻应变式传感器,,17,质量传感器,,位移传感器,,加速度计,,压力传感器,,18,压力传感器,,转矩传感器,,19,3.其他电阻传感器,,(1).热电阻传感器,,利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。,温度(热量)的变化,,电阻的变化,温度检测,:,-200℃～+500℃,

8、20,(2).热敏电阻传感器,,圆形热敏电阻,柱形热敏电阻,珠形热敏电阻,热敏电阻在电路中的符号,非线性元件:它的温度-电阻关系是指数关系,,温度为-50℃～＋350℃,,21,(3).光敏电阻传感器,,(4).湿敏电阻传感器,,▲,22,5.3 电容式传感器,,1. 变换原理,,将被测物理量的变化转化为电容量变化。,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,+,,+,,+,,A,,,当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,23,2. 分类,,a) 极距变化型,+,,+,,+,c) 介质变化

9、型,b)面积变化型:平面线位移型,角位移型, 柱面线位移型,24,3. 灵敏度,,a) 极距变化型,传感器的灵敏度近似为：,变极距电容传感器,,平板电容器,25,传感器灵敏度,b)面积变化型,a)直线位移型,,直线位移型,b)角位移型,,传感器,灵敏度,角位移型,26,c)介质变化型,介质常数变化型电容式传感器,大多用于测量电介质的厚度,(,图,a),、位移,(,图,b),、液位,(,图,c),根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量,(,图,d),等 。,27,4.电容式传感器的应用,振动测量,,旋转轴的偏心量的测量,,28,电容式氢液高度传感器,,纱条均匀度

10、测试仪,,▲,29,5.4 电感式传感器,电感式传感器是基于,电磁感应,原理，它是把,被测量,转化为,电感量,的一种装置。,分类:,电感式传感器,自感型,可变磁阻型,涡流式,互感型,30,1. 可变磁阻式(自感型),原理:,电磁感应,W:线圈匝数；,,L,1,:软铁长度；,,μ,1：,软铁磁导率；,,μ,0,：空气磁导率,,A,1,：铁芯导磁截面,,A,0,：空气导磁截面,可变磁阻式传感器基本原理,1．线圈 2. 铁芯 3. 衔铁,31,(1).间隙变化型,间隙变化型可变磁阻式传感器结构,,当μ,0,、A,0,固定不变，改变δ时，L与δ呈非线形（双曲线）关系，,L与δ的双曲线关系,,传感器灵敏

11、度：,32,(2).面积变化型,面积变化型可变磁阻式传感器结构,当μ,0,、,δ,,固定不变，改变,A,0,时，L与,A,0,呈线形关系，,传感器灵敏度,L与A,0,的线形关系,=常数,33,(3).螺线管型,当其它参数不变，仅改变L,1,，使R,m,变化，从而产生电感的变化。,34,(4).差动型,变间隙型差动变压器,输出特性,传感器灵敏度,35,2. 涡流式电感传感器,,当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为,涡流,。,涡流的大小与金属板的电阻率,ρ,、磁导率,μ,、厚度,t,，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。,

12、涡流式电感传感器可分为,1）,高频反射式,2）,低频投射式,36,原线圈的等效阻抗Z变化：,(1).高频反射式（集肤效应）,高频反射式涡流传感器,δ,37,(2).低频透射式（互感原理）,低频透射式涡流传感器,e,2,随材料厚度增加变化的规律,38,4.涡流式传感器的应用,案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量,径向振动的测量,构件振幅的测量,构件振型的测量,轴心轨迹的测量,39,其中，,n,为转轴的转速；,f,为脉冲频率；,z,为转轴上的槽数或齿数。,案例:转速的测量,40,案例：,测厚,案例：,零件计数,41,案例：,连续油管的椭圆度测量,Coiled Tube,Eddy Sensor,,Ref

13、erence Circle,原理：,42,案例：,无损探伤,原理,,裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,43,3. 变压器式--差动变压器,工作原理:,互感现象,.,44,应用,: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;,,压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,,,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.,案例：,板的厚度测量,~,案例：,张力测量,▲,45,5.5 磁电传感器,,1. 变换原理,,磁电式传感器是把被测量的,物理量,转换为,感应电动势,的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，

14、都会改变线圈的感应电动势。,,46,2. 分类,,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,N,47,3. 动圈式传感器,,l:,每匝线圈的平均长度；,B:,线圈所在磁场的磁感应强度；,,A:,每匝线圈的截面积；θ,:,线圈运动方向与磁场方向的夹角；,,k:,传感器的结构系数。,48,4. 磁阻式传感器,,49,5. 磁电传感器的应用,测速电机,磁电式测速传感器,50,测频数,测转速,偏心测量,振动测量,▲,51,5.6 压电传感器,,1. 变换原理,,某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为

15、,压电效应,。,52,压电效应,式中，q为电荷[量]；D为压电常数，与材质及切片方向有关；,F,为作用力。,q=DF,53,e,a,：,开路电压；,,q:压电晶片表面上的电荷；,,C,a,为压电晶片的电容。,,2. 测量电路,,等效电荷源,,C,c,:分布电容；,,R,i,:输入电阻；,,R,a,:漏电阻；,,C,i,:输入电容,54,压电式传感器输出电荷,q,很少，内阻,Ra,很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：,(1),放大,微弱的压电信号,(2) 进行,阻抗匹配,,电压放大器,电荷放大器,(1).主要作用,55,放大器的输入电压：,系统的输出电压为：,,系统的灵敏度为：,当电缆长度变化

16、时，Cc变化， e,i,变化，系统的灵敏度发生变化，此时测试比较困难,(2).电压放大器,56,q≈q,t,+q,f,= e,i,(C,a,+C,c,+C,i,)+(e,i,-e,y,)C,f,= e,i,C+ (e,i,-e,y,)C,f,,e,i,=,(,q+e,y,C,f,),/,(,C+C,f,),推导,(3).电荷放大器,57,3. 压电传感器的应用,压力变送器,加速度计，力传感器,,58,压电式压力传感,,压电式压力传感器特性,,59,阻抗头的结构原理图,,阻抗头的安装结构,,60,▲,61,5.7 磁敏传感器,1.半导体霍尔元件,霍尔效应,,当半导体中流过一个电流时，若在与该电流

17、垂直的方向上外加一个磁场，则在与电流及磁场分别成直角的方向上会产生一个电压。这种现象也称为霍尔效应,,。,霍尔效应原理图,,62,半导体霍尔元件的结构,,63,半导体磁敏电阻,,半导体磁敏电阻的结构(蛇形元件),利用磁场造成的电流偏转使元件阻抗增加这种特点制成的双端磁敏传感器。,64,磁性体磁敏电阻,,利用强磁材料的磁场异向性制成的磁敏元件。,磁性体磁敏电阻的结构,65,电磁感应型磁敏传感器,原理：,范围：,法拉第电磁感应定律,只能检测交流磁场，不能检测直流磁场,,电磁感应型磁敏传感器,,66,2. 磁敏传感器的应用,,电流计,磁感应开关,磁敏电位器,霍尔电动机,纸币及预付卡识别设,卡形电流计

18、的结构,,67,霍尔电动机的结构示意图,,,霍尔电动机等效电路,,▲,68,5.8 传感器选用原则,,,选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,,1. 灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。,,,a)灵敏度过高引起的干扰问题；,,,b)量程范围。,,,,69,3 响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持,不失真,的测量条件。,,实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,2 线性范围,任何传感器都有一定的线性工作范围。,在线性范围内输出与输入成比例关系,，线性范围愈

19、宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。,70,4 稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,5 精确度,传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。,6 测量方式,传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。,▲,71,应变片受力后，电阻的变化,dR,,则,两边同除以,R,，同时,R=,ρL,/A,，则,dL/L=ε——金属导线长度的相对变化，称,纵向应变,。,,dρ/ρ——导线电阻率的相对变化。,,dA/

20、A——导线截面积的相对变化，称为,称横向应变,。,,,(2).工作原理,72,对于圆形截面积的导线，若其直径为,D,，则,横向应变,dD,/D,和纵向应变,dL,/L,之比称为泊桑比，即,故,73,E为导线材料的弹性模量，λ为压阻系数，与材料有关。,则,已知,当导体材料确定后，,μ,、,λ,、,E,均为常数，则,(1+2μ+λE),为常数。,灵敏度为：,应变片电阻的相对变化率,dR,/R,与应变,ε,之间是线形关系,74,S,由两部分组成：,前一部分,(1+2μ),单由金属导线的几何尺寸变化引起的；,后一部分,λE,是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特

21、性有关。,返回,75,当略去传感器的漏电阻,Ra,时,q,t,≈e,i,(C,a,+C,c,+C,i,),当略去电荷放大器的输入电阻,Ri,的影响时,q,f,≈(e,i,-e,y,)C,f,,则整个电路中的电荷为：,q≈q,t,+q,f,= e,i,(C,a,+C,c,+C,i,)+(e,i,-e,y,)C,f,= e,i,C+ (e,i,-e,y,)C,f,,式中，e,i,为放大器的输入端电压；e,y,为放大器输出端电压；C,f,为电荷放大器的反馈电容。,(3).电荷放大器,76,e,y,=-Ke,i,,其中，K为放大器的开环放大倍数,q≈q,t,+q,f,= e,i,(C,a,+C,c,+C,i,)+(e,i,-e,y,)C,f,= e,i,C+ (e,i,-e,y,)C,f,,所以,开环增益K足够大,系统的灵敏度为：,在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关；,系统输出灵敏度取决于反馈电容，所以可以通过调节反馈电容,e,i,=,(,q+e,y,C,f,),/,(,C+C,f,),返回,77,