《測試技術教案》PPT課件

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1、第 三 章 常 用 的 傳 感 器本 章 學 習 要 求 ：1.了 解 傳 感 器 的 分 類 2.掌 握 常 用 傳 感 器 測 量 原 理3.了 解 傳 感 器 測 量 電 路 1概 述 第 一 節(jié) 概 述一 . 傳 感 器 定 義 傳 感 器 是 借 助 檢 測 元 件 將 一 種 形 式 的 信 息 按 一 定 的規(guī) 律 轉(zhuǎn) 換 成 另 一 種 信 息 的 裝 置 。 物 理 量 電 量 目 前 ， 傳 感 器 轉(zhuǎn) 換 后 的 信 號 大 多 為 電 信 號 。 因 而 從 狹義 上 講 ， 傳 感 器 是 把 外 界 輸 入 的 非 電 信 號 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號 的裝 置 。

2、二 . 傳 感 器 的 構(gòu) 成 傳 感 器 由 敏 感 器 件 與 輔 助 器 件 組 成 。 敏 感 器 件 的 作用 是 感 受 被 測 物 理 量 ， 并 對 信 號 進 行 轉(zhuǎn) 換 輸 出 。 輔 助 器件 則 是 對 敏 感 器 件 輸 出 的 電 信 號 進 行 放 大 、 阻 抗 匹 配 ，以 便 于 后 續(xù) 儀 表 接 入 。 d V1概 述 三 . 傳 感 器 的 分 類1.按 被 測 物 理 量 分 類常 見 的 被 測 物 理 量 ： 機 械 量 、 聲 、 磁 、 溫 度 、 光 等2.按 工 作 的 物 理 基 礎 :機 械 式 ,電 氣 式 ,光 學 式 ,流 體

3、式 等 .1概 述 3.按 信 號 變 換 特 征 :結(jié) 構(gòu) 型 :依 靠 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 的 變 化 實 現(xiàn) 信 號 轉(zhuǎn) 變 。例 如 :電 容 式 和 電 感 式 傳 感 器物 性 型 :依 靠 敏 感 元 件 材 料 本 身 物 理 性 質(zhì) 的 變 化 來 實 現(xiàn) 信 號 變 換 。 如 :水 銀 溫 度 計1概 述 4.按 敏 感 元 件 與 被 測 對 象 之 間 的 能 量 關 系 :能 量 控 制 型 :從 外 部 供 給 能 量 并 由 被 測 量 控 制 外 部 供 給 能 量 的 變 化 。例 如 :電 阻 應 變 片能 量 轉(zhuǎn) 換 型 :直 接 由 被 測 對

4、 象 輸 入 能 量 使 其 工 作 。例 如 :熱 電 偶 溫 度 計5.按 輸 出 信 號 :模 擬 式 和 數(shù) 字 式1概 述 2機 械 式傳 感 器 第 二 節(jié) 機 械 式 傳 感 器彈 性 體 作 為 傳 感 器 敏 感 元 件輸 入 ： 力 、 壓 力 、 溫 度 等輸 出 ： 彈 性 元 件 本 身 變 形優(yōu) 點 ： 簡 單 、 可 靠 、 方 便 、 廉 價缺 點 ： 線 性 范 圍 小 、 固 有 頻 率 低 ， 只 宜 用 于 檢 測 緩 變 或 靜 態(tài) 被 測 量 。一 、 彈 性 敏 感 元 件 式 傳 感 器 測 力 計 壓 力 計 溫 度 計 2機 械 式傳 感 器

5、 二 、 微 型 探 測 開 關 把 物 體 的 運 動 、 位 置 或 尺 寸 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 接 通 、 斷 開 信 號 。 可 探 測 物 體 有 無 、 位 置 、 尺 寸 、 運 動 狀 態(tài) 等 。 3電 阻 式傳 感 器 第 三 節(jié) 電 阻 式 傳 感 器 電 阻 式 傳 感 器 是 把 被 測 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 變 化 的 一種 傳 感 器 。 按 工 作 的 原 理 可 分 為 :變 阻 器 式 、 電 阻 應 變 式 。一 . 變 阻 器 式 傳 感 器 （ 電 位 差 計 式 傳 感 器 ）1. 工 作 原 理 ：一 個 電 導 體 的 電 阻 值 ： AlR 式

6、 中 ： R 電 阻 ； 材 料 的 電 阻 率 ； l 導 體 的 長 度 ； A 導 體 的 截 面 積面 積 和 材 質(zhì) 一 定 時 ， 電 阻 值 隨 導 線 長 度 而 變 化 。 位 移 電 阻 3電 阻 式傳 感 器 常 用 變 阻 器 式 傳 感 器 有 直 線 位 移型 、 角 位 移 型 和 非 線 性 型 等 。2. 直 線 位 移 型xkR l靈 敏 度 lkdxdRS 單 位 長 度 內(nèi) 的 電 阻 值 lk3. 角 位 移 型靈 敏 度 kddRS k 單 位 弧 度 對 應 的 電 阻 值 3電 阻 式傳 感 器 4. 測 量 電 路 （ 電 阻 分 壓 電 路

7、）Ui U1RxR-RxL RRRRRR UU xmx io 1 xLRRx LxRRxL UU m io 1iix ULxURRU 1 負 載效 應減 小 負 載 效 應 的 影 響 RRm 3電 阻 式傳 感 器 5. 變 阻 器 式 傳 感 器 的 特 點優(yōu) 點 ： 簡 單 、 可 靠 、 輸 出 功 率 大缺 點 ： 精 度 低 、 動 態(tài) 響 應 差6. 變 阻 器 式 傳 感 器 產(chǎn) 品 3電 阻 式傳 感 器 7. 變 阻 器 式 傳 感 器 應 用 案 例 比 較 重 量 設 定原 材 料 1） 重 量 的 自 動 檢 測 -配 料 設 備 彈 簧 電 位 器原 理 ： 力 位

8、 移 電 阻 3電 阻 式傳 感 器 2） 玩 具 機 器 人 原 理 ： 電 機 -轉(zhuǎn) 角 -電 位 器 -電 阻 二 、 電 阻 應 變 式 傳 感 器 3電 阻 式傳 感 器 電 阻 應 變 式 傳 感 器 可 分 為 金 屬 電 阻 應 變 式 和 半 導 體 應變 式 兩 類 。1.金 屬 電 阻 應 變 片 基 于 金 屬 導 體 的 應 變 效 應 ， 即 金 屬 導 體 在 外 力 作 用 下 發(fā) 生 機 械變 形 時 ， 其 電 阻 值 隨 著 所 受 機 械 變 形 (伸 長 或 縮 短 )的 變 化 而 發(fā) 生 變化 象 。 （ 1） 工 作 原 理 ：金 屬 應 變 片

9、 的 電 阻 R為 AlR / 上 述 任 何 一 個 參 數(shù) 變 換 均 會 引 起 電 阻 變 化 ,求 導 數(shù) dAldAAldlAdR 2代 入 AlR / dRAdARldlRdR 3電 阻 式傳 感 器 dAdAldlRdR 金 屬 絲 ： 2rA drdrldlRdR 2dl/l=為 電 阻 絲 軸 向 相 對 變 形 ， 或 稱 縱 向 應 變 ；dr/r為 電 阻 絲 徑 向 相 對 變 化 ， 或 稱 橫 向 應 變金 屬 絲 體 積 不 變 ： ldlrdr 電 阻 絲 材 料 的 泊 松 比d/反 映 了 電 阻 絲 的 電 阻 率 的 相 對 變 化 ， 它 與 電

10、阻 絲 縱 向 所 受 的 應力 有 關 Ed 縱 向 壓 阻 系 數(shù) ； E 材 料 的 彈 性 模 量 3電 阻 式傳 感 器 EERdR 212對 金 屬 材 料 ， 電 阻 率 的 變 化 很 小 ， 可 以 忽 略 ： )21( RdR 21 ldl RdRSg應 變 系 數(shù) 或 靈 敏 度（ 2） 常 用 的 金 屬 應 變 片 ： 絲 式 和 箔 式 3電 阻 式傳 感 器 2.半 導 體 應 變 片 基 于 半 導 體 材 料 的 壓 阻 效 應 ， 即 單 晶 半 導 體 材 料 在 沿 某 一 軸 向受 外 力 作 用 時 ， 其 電 阻 率 隨 之 發(fā) 生 變 化 。(1

11、) 工 作 原 理 ： )E21( RdR對 于 半 導 體 應 變 片 ERdR 靈 敏 度 Eldl RdRS g (2) 特 點 ：優(yōu) 點 ： 靈 敏 度 高 、 體 積 小 、 動 態(tài) 響 應 快 、 測 量 精 度 高 、 使 用 簡 單缺 點 ： 溫 度 穩(wěn) 定 性 差 、 靈 敏 度 分 散 度 大 3電 阻 式傳 感 器 3.電 阻 應 變 式 傳 感 器 的 應 用（ 1） 直 接 用 于 測 定 結(jié) 構(gòu) 的 應 變 或 應 力應 用 案 例 ： 橋 梁 固 有 頻 率 測 量 3電 阻 式傳 感 器 （ 2） 將 應 變 片 貼 于 彈 性 元 件 上 ， 作 為 測 量

12、力 、位 移 、 壓 力 、 加 速 度 等 物 理 參 數(shù) 的 傳 感 器應 用 案 例 ： 加 速 度 傳 感 器振 動 體 加 速 度 應 變 電 阻 值 的 相 對 變 化 3電 阻 式傳 感 器 應 用 案 例 ： 電 子 稱 原 理將 物 品 重 量 通 過 懸 臂 梁 轉(zhuǎn) 化 結(jié)構(gòu) 變 形 再 通 過 應 變 片 轉(zhuǎn) 化 為 電量 輸 出 。 3電 阻 式傳 感 器 應 用 案 例 ： 沖 床 生 產(chǎn) 記 數(shù) 和 生 產(chǎn) 過 程 監(jiān) 測 4電 容 式傳 感 器 第 四 節(jié) 電 容 式 傳 感 器 電 容 式 傳 感 器 是 把 被 測 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 容 量 變 化 的一 種

13、 傳 感 器 。工 作 原 理 ： + A兩 平 行 極 板 組 成 的 電 容 器 其 電 容 量 為 : AC 0A極 板 面 積 （ m2） ；0真 空 介 電 常 數(shù) ,0=8.85 10-1 2(F/m);極 板 間 介 質(zhì) 的 介 電 常 數(shù) ， 在 空 氣 中 =1； 兩 極 板 間 距 離 （ m） 。 、 A或 發(fā) 生 變 化 時 ， 都 會 引 起 電 容 的 變 化 。 4電 容 式傳 感 器 根 據(jù) 電 容 器 變 化 的 參 數(shù) 可 分 為 :極 距變 化 型 、 面 積 變 化 型 和 介 質(zhì) 變 化 型 。一 . 極 距 變 化 型 AC 0 dAdC 20 1靈

14、 敏 度 20 1 AddCS 1. 工 作 原 理 ：靈 敏 度 隨 極 距 變 化 線 性 誤 差 取 極 距 變 化 范 圍 / =0.12. 特 點 ：可 進 行 動 態(tài) 非 接 觸 式 測 量 ； 靈 敏 度 高 ， 適 于 較 小 位 移 的 測 量 。 4電 容 式傳 感 器 3. 應 用 案 例電 容 傳 聲 器 4電 容 式傳 感 器 二 . 面 積 變 化 型 面 積 變 化 型 電 容 傳 感 器 中 常 用 的 有 角 位 移 型 和 線 位 移 型 。+ +1. 角 位 移 型 22rA -公 共 覆 蓋 面 積 對 應 的 中 心 角 ；r-半 圓 形 極 板 半

15、徑 。 2 20 rC 靈 敏 度 2 20 rddCS 常 數(shù) 4電 容 式傳 感 器 2. 線 位 移 型平 面 線 位 移 型 柱 面 線 位 移 型 bxC 0 b-極 板 寬 度靈 敏 度 bdxdCS 0 常 數(shù) dDIn xC /2 0 D-圓 筒 孔 徑 ：d-圓 柱 外 徑 。靈 敏 度 dDIndxdCS /2 0 常 數(shù) 4電 容 式傳 感 器 3. 特 點 ：輸 出 與 輸 入 成 線 性 關 系 ； 靈 敏 度 低 ， 適 于 較 大 直 線 位 移 及 角 位 移 的 測 量 。4. 產(chǎn) 品 陶 瓷 電 容 壓 力 傳 感 器 液 體 壓 力 作 用 在 陶 瓷 膜

16、 片 的表 面 ， 使 膜 片 產(chǎn) 生 位 移 。 4電 容 式傳 感 器 三 . 介 質(zhì) 變 化 型 AC 0利 用 介 質(zhì) 介 電 常 數(shù) 的 變 化 將被 測 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 量 的 傳 感 器 ?？?用 來 測 量 電 介 質(zhì) 的 液 位 或 某些 材 料 的 厚 度 、 溫 度 和 濕 度 。產(chǎn) 品 電 容 式 液 位 傳 感 器（ 液 位 計 /料 位 計 ） 4電 容 式傳 感 器 應 用 案 例全 自 動 洗 衣 機 5電 感 式傳 感 器 第 五 節(jié) 電 感 式 傳 感 器 電 感 式 傳 感 器 是 把 被 測 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 感 量 變 化 的一 種 傳 感 器

17、。 其 變 換 是 基 于 電 磁 感 應 原 理 。 按 變 換 方 式 不 同 可 分 為 :自 感 型 、 互 感 型 。一 . 自 感 型 自 感 型 又 包 括 可 變 磁 阻 式 與 渦 流 式 。1.可 變 磁 阻 式（ 1） 工 作 原 理 ： 2 002 AWLW 線 圈 匝 數(shù) ；0 空 氣 導 磁 率 , 0=4 10-7(H/m);A0 空 氣 隙 導 磁 橫 截 面 積 (m2)。 氣 隙 長 度 (m)； 5電 感 式傳 感 器靈 敏 度 2 0022 AWS 靈 敏 度 隨 氣 隙 長 度 變 化 線 性 誤 差 取 氣 隙 長 度 變 化 范 圍 /0.1（ 2

18、） 典 型 結(jié) 構(gòu) ： 差 動 型 面 積 A0變 化靈 敏 度 低 一 個 線 圈 自 感 增 加 ， 一 個 線圈 自 感 減 小 。 改 善 了 線 性 特性 ， 并 提 高 了 靈 敏 度 。 5電 感 式傳 感 器 （ 3） 應 用 案 例電 感 式 接 近 傳 感 器 （ 金 屬 ） 被 測 物 體 構(gòu) 成 電 感 器 的 銜 鐵 ， 當 物 體移 向 接 近 傳 感 器 時 ， 物 體 和 接 近 傳 感器 間 的 間 隙 變 化 ， 使 得 線 圈 的 自 感 量發(fā) 生 變 化 。 接 近 開 關 的 檢 測 物 體 ， 只限 于 金 屬 導 體 。 5電 感 式傳 感 器 2

19、.渦 電 流 式（ 1） 工 作 原 理 ： 基 于 金 屬 體 在 交 變 磁 場 中 的 渦 電 流 效 應 。 ),( ZZ 當 線 圈 中 通 以 一 交 變 高 頻 電 流 i時 ，會 引 起 一 交 變 磁 通 。 在 靠 近 線 圈的 金 屬 表 面 內(nèi) 部 產(chǎn) 生 一 感 應 電 流 i1，該 電 流 i1即 為 渦 流 。 根 據(jù) 楞 次 定 律 ，由 該 渦 電 流 產(chǎn) 生 的 交 變 磁 通 1將 與線 圈 產(chǎn) 生 的 磁 場 方 向 相 反 ， 亦 即 1將 抵 抗 的 變 化 。 由 于 該 渦 流 磁 場的 作 用 ， 會 使 線 圈 的 等 效 阻 抗 發(fā) 生變

20、化 ， 其 變 化 的 程 度 除 了 與 兩 者 間的 距 離 有 關 外 ， 還 與 金 屬 導 體 的 電阻 率 、 磁 導 率 以 及 線 圈 的 激 磁 電流 圓 頻 率 等 有 關 。 5電 感 式傳 感 器 （ 2） 測 量 電 路渦 流 傳 感 器 的 測 量 電 路 一 般 有 阻 抗 分 壓 式 調(diào) 幅 電 路 及 調(diào) 頻 電 路 。 分 壓 式 調(diào) 幅 電 路 原 理 調(diào) 頻 電 路 工 作 原 理 5電 感 式傳 感 器測 厚 儀 （ 3） 應 用 案 例 V 檢 波 檢 波 金 屬 板 比 較電 壓 加 法 器dD 1x 2x 5電 感 式傳 感 器 無 損 探 傷

21、原 理 裂 紋 檢 測 ， 缺 陷 造 成 渦 流 變 化 。油 管檢 測 5電 感 式傳 感 器 二 . 互 感 型 （ 差 動 變 壓 器 式 電 感 傳 感 器 ）1.工 作 原 理電 磁 感 應 中 的 互 感 現(xiàn) 象 ：當 線 圈 W1輸 入 有 交 流 電 流 i1時 ，在 線 圈 W2中 則 產(chǎn) 生 感 應 電 動 勢 e12，其 大 小 正 比 于 電 流 i1的 變 化 率 ：dtdiMe 112 式 中 M為 比 例 系 數(shù) ， 也 稱 互 感（ H） ， 是 兩 線 圈 W1和 W2之 間 耦 合程 度 的 度 量 ， 其 大 小 與 兩 線 圈 的 相對 位 置 及 周

22、 圍 介 質(zhì) 的 導 磁 率 諸 因 素有 關 。 5電 感 式傳 感 器 應 用 較 多 的 是 螺 管 形 差 動 變 壓 器 5電 感 式傳 感 器 2.測 量 電 路3.差 動 變 壓 器 式 電 感 傳 感 器 的 特 點測 量 精 度 高 （ 可 達 0.1m量 級 ） ； 線 性 量 程 大 （ 可 達 100mm） ；穩(wěn) 定 性 好 ， 使 用 方 便 ， 廣 泛 應 用 于 直 線 位 移 的 測 量 。差 動 相 敏 檢 波 電 路 5電 感 式傳 感 器 4.應 用 案 例板 的 厚 度 測 量 5電 感 式傳 感 器 張 力 測 量 6壓 電 式傳 感 器 第 六 節(jié)

23、壓 電 式 傳 感 器 壓 電 式 傳 感 器 是 一 種 可 逆 型 換 能 器 ， 既 可 將 機械 能 轉(zhuǎn) 換 為 電 能 ， 又 可 將 電 能 轉(zhuǎn) 換 為 機 械 能 。一 . 變 換 原 理 ： 壓 電 效 應 某 些 物 質(zhì) ， 如 石 英 ， 受 到 外 力 作 用 時 ， 不 僅 幾 何 尺 寸會 發(fā) 生 變 化 ， 而 且 內(nèi) 部 會 被 極 化 ， 表 面 產(chǎn) 生 電 荷 ； 當 外 力去 掉 時 ， 又 重 新 回 到 原 來 的 狀 態(tài) ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 壓 電 效 應 。 石 英 晶 體 縱 軸 ZZ稱 為 光 軸 ， XX軸 稱 為 電 軸 ， 而 垂

24、直 于XX軸 和 ZZ軸 的 YY軸 稱 為 機 軸 。 沿 電 軸 XX方 向 作 用 的 力 所 產(chǎn) 生 的 壓 電 效 應 稱 為 縱 向 壓 電 效應 ， 而 將 沿 機 軸 YY方 向 作 用 的 力 所 產(chǎn) 生 的 壓 電效 應 稱 為 橫 向 壓 電 效 應 。 當 沿 光 軸 ZZ方 向 作 用有 力 時 則 并 不 產(chǎn) 生 壓 電 效 應 。 6壓 電 式傳 感 器其 中 dc為 壓 電 常 數(shù) ， 與 材 質(zhì) 和 切 片 方 向 有 關 。q=dcF二 . 壓 電 式 傳 感 器 及 其 等 效 電 路 6壓 電 式傳 感 器壓 電 傳 感 器 可 視 為 一 個 電 荷

25、發(fā) 生 器 ， 也是 一 個 電 容 器 。 壓 電 傳 感 器 等 效 電 路 idtuCtq q壓 電 元 件 所 產(chǎn) 生 的 電 荷 量 ；C等 效 電 路 總 電 容 ， C=Ca+Cc+Ci；u電 容 上 建 立 的 電 壓 ；i泄 漏 電 流 ; R 0 泄 漏 電 阻 。 tqidtiCR 0 dttdqidtdiCR 0 ssQsIssICR 0 sIRsU 0代 入 sCRCsQ sUsH 011 1傳 遞 函 數(shù) 6壓 電 式傳 感 器 jCRCH 011 1頻 率 響 應 函 數(shù)當 測 量 的 外 力 為 一 動 態(tài) 交 變 力 F=F0sin0t時 tqtFdFdq c

26、c 0000 sinsin 2011 1 CRCA幅 頻 特 性 20000 )1(1 1 CRCqu 穩(wěn) 定 輸 出 的 幅 值v壓 電 傳 感 器 適 用 于 高 頻 信 號 的 測 量 ， 若 用 于 低 頻 信 號 ， 則 要 求 R0、 C大 。v為 了 不 失 真 地 測 量 ， 壓 電 傳 感 器 的 測 量 電 路 應 具 有 高 輸 入 阻 抗 ， 并 在輸 入 端 并 聯(lián) 一 定 的 電 容 Ci以 加 大 時 間 常 數(shù) R0C。 但 并 聯(lián) 電 容 過 大 會 使 輸 出電 壓 降 低 過 多 。 輸 出 輸 入 成 線 性 關 系 ， 則 100 CR 6壓 電 式傳

27、 感 器 三 . 產(chǎn) 品 加 速 度 計力 傳 感 器 壓 力 變 送 器 6壓 電 式傳 感 器 四 . 應 用 案 例飛 機 模 態(tài) 分 析 7磁 電 式傳 感 器 第 七 節(jié) 磁 電 式 傳 感 器 磁 電 式 傳 感 器 是 把 被 測 量 轉(zhuǎn) 換 為 感 應 電 動 勢 的一 種 傳 感 器 。工 作 原 理 ： dtdWe 當 穿 過 線 圈 的 磁 通 發(fā) 生 變 化 時 ， 線 圈 中 所 感 應 產(chǎn) 生的 電 動 勢磁 通 變 化 率 與 磁 場 強 度 、 磁 阻 、 線 圈 運 動 速 度 有 關 ，改 變 其 中 一 個 因 素 ， 都 會 改 變 感 應 電 動 勢

28、。 ),( mRBdtd 7磁 電 式傳 感 器 根 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 方 式 不 同 可 分 為 :動 圈 式 、磁 阻 式 。一 . 動 圈 式 動 圈 式 又 可 分 為 線 速 度 型 和 角 速 度 型 。1. 線 速 度 型 工 作 原 理 ： sinWBleB磁 場 的 磁 感 應 強 度 （ T） ；l單 匝 線 圈 的 有 效 長 度 （ m） ；W有 效 線 圈 匝 數(shù) ；v線 圈 相 對 于 磁 場 的 運 動 速 度 （ m/s） ；線 圈 運 動 方 向 與 磁 場 方 向 的 夾 角 。 當 =90 時 ， 上 式 可 寫 為 WBle 7磁 電 式傳 感 器 2. 角 速 度 型工 作 原 理 ： kWBAe線 圈 轉(zhuǎn) 動 的 角 頻 率 ； A單 匝 線 圈 的 截 面 積 （ m2） ；k依 賴 于 結(jié) 構(gòu) 的 參 數(shù) ， k1。 7磁 電 式傳 感 器 3. 應 用 案 例 ：動 圈 式 傳 聲 器 7磁 電 式傳 感 器 二 . 磁 阻 式1.工 作 原 理 ： ),( mRBdtd 運 動 的 物 體 改 變 磁 路 的 磁 阻 磁 通 改 變 產(chǎn) 生 感 應 電 動 勢2.應 用 ：測 頻 數(shù) 7磁 電 式傳 感 器 測 轉(zhuǎn) 速 偏 心 測 量 振 動 測 量