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机械工程测试技术基础··第三章(沈阳理工大学)

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机械工程测试技术基础··第三章(沈阳理工大学)

常用传感器及敏感元件,学习要求,传感器是一种获取信息的装置,是测试系统的首要环节。完成本章内容的学习后应能做到: 了解传感器的的作用与工业应用情况 了解传感器的分类 了解传感器的最新发展动态,主要内容,概述 传感器的组成与分类 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 压电式传感器 磁电式传感器 其它传感器,概述,定义:工程上通常把直接作用于被测量,能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件,称为传感器。,广州中鸣数码的机器狗,传感器的组成与分类,传感器的组成:,例如测量一辆直线运动的汽车的加速度:,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,转数,质量,重量,力, 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,传感器的组成与分类,传感器的分类:,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,传感器的组成与分类,3)按信号变换特征:能量转换型和能量控制型,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如: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.,传感器的组成与分类,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. 例如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,传感器的组成与分类,电阻式传感器,完成本节内容的学习后应能做到: 掌握电阻式传感器的工作原理 了解电阻式传感器的结构、分类 掌握变阻器式传感器、电阻应变式传感器、 固态压阻式传感器在结构和工作原理的相 同点和不同点 了解电阻式传感器的应用,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:变阻器式、电应变式、压阻式.,电阻式传感器,1 变阻器式传感器,变阻器式传感器的等效电路,变阻器式传感器的负载效应,优点:稳定、简单、适合精度不高的场合 缺点:分辨力不高,变阻器式传感器的特点,变阻器式传感器的应用,例1 重量的自动检测-配料设备,变阻器式传感器的应用,例2 用变阻式传感器制作的位移传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时,带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移,从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥臂,构成电桥测量电路。,电阻式传感器,2电阻应变片式传感器,金属应变计有: 丝式(wire gauge)和 箔式(foil gauge) 优点:稳定性和 温度特性好. 缺点:灵敏度系 数小.,应变计是一种将压力,荷重,位移,速度,加速度,扭矩等物理量转换成电信号的元件.,电阻式传感器,金属的电阻R为:,(1) 当不变时-金属应变计,(2) 当变化时-半导体应变计,应变计分类,金属丝式,金属丝式,纵向应变,引起电阻值相对变化量为,电阻相对变化率与应变成正比,电阻应变片的灵敏度,金属箔式和半导体式,优点:散热好易成形,取代了丝式,半导体式:结构如图,原理同上,工作原理:基于半导体材料的压阻效应。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:电阻温度系数比金属应变计大一个数量级,应变片应用中的问题,(1) 温度效应,1) 电阻温度系数的影响,敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示: Rt=R0(1+0t),Rt温度为 t 时的电阻值; R0温度为t0时的电阻值; 0金属丝的电阻温度系数; t温度变化值, t=t -t0 当温度变化t时, 电阻丝电阻的变化值为: Rt=Rt- R0= R00t,设电阻丝和试件在温度为 0 时的长度均为L0,它们的线膨胀系数分别为 s和g, 若两者不粘贴, 则它们的长度分别为 Ls= L0(1+st) Lg= L0(1+gt),2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,电阻应变片的温 度补偿方法通常 有线路补偿法和 应变片自补偿两 大类。,应变片应用中的问题,横向效应,应变片应用中的问题,动态误差,由于应力波高频变化时,在机械杆形成波动,对应变片长度有限制。,应变片应用,1)将应变片粘贴于被测构件上,直接用来测定构件的应变和应力。,应变片应用,2)将应变片贴于弹性元件上,与弹性元件一起构成应变式传感器。,这种传感器常 用来测量力、 位移、加速度 等物理参数 。,电感式传感器,完成本节内容的学习后应能做到: 了解电感式传感器的工作原理 了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器 和差动变压器式传感器的特点 了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器 和差动变压器式传感器的应用,电感式传感器,电感式传感器是把被测量如力,位移等转换为电感量 变化的一种装置.其变换的原理是电磁感应(现象)。,分类:,电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,自感L与空气隙成反比,而与空气 隙导磁截面积S0成正比。当固定S0 不变,变化时,L 与呈非线性 (双曲线)关系,此时,传感器的 灵敏度为:,由于S不是常数,因而出现非线性误差,为了减小误差,通常规定在较小的范围内工作。,电感式传感器,实际应用中,一般取 。这种传感器适用 于较小位移的测量,一般约为0.0011 mm。,如将固定,变化空气隙导磁截面积S0时,自感L与 S0呈线性关系如下图所示:,差动式可变磁阻电感传感器,线性改善,差动方 式可提高灵敏度及减少非线性误差。,电感式传感器,2 电涡流,如果这些参数中有某个发生变化,线圈阻抗便会发生变化,通过测量线圈的阻抗,便能测定相应的物理量。,电涡流等效电路,涡流电感 M互感,由于等效电感与位移有关,在一定范围呈线性,可测位移、材质、厚度; 优点:非接触,电涡流检测电路,(1)谐振电路,电涡流检测电路,(2)调频电路,电涡流传感器的应用,涡流式位移、力、振动测量,NDT,测厚,材质判别。,案例: 测厚,案例: 零件计数,电涡流传感器的应用,案例:无损探伤,火车轮检测,油管检测,裂纹检测,缺陷造成涡流变化。,电涡流传感器的应用,3 互感式差动传感器,电感式传感器,输出:ey=e1-e2,活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。 当活动衔铁的位置居中时,e1=e2,ey=0; 当活动衔铁向上移时,e1e2,ey0; 当活动衔铁向下移时,e1e2,ey0。 活动衔铁的位置往复变化,其输出电压也随之变化,注意:差动变压器式传感器输出的电压是交流量,如用交流电压表指示则输出值只能反应铁芯位移的大小,而不能反应移动的方向;其次,交流电压输出存在一定的零点残余电压,零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称,以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成的。所以,即使活动衔铁位于中间位置时,输出也不为零。,电感式传感器,差动相敏检波电路,差动变压器式传感器应用,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.,电容式传感器,完成本节内容的学习后应能做到: 掌握电容式传感器的工作原理 了解电容式传感器的结构、分类 掌握电容式传感器的设计要点、转换电路 了解电容式传感器的应用,电容传感器,电容式传感器:将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的一种传感器。,S 两个极板相对有效面积 ,单位为m2; d 两平行极板间的距离,单位为m; 两极板间介质的介电常数。,基本工作原理,平行极板电容器的电容量为:,工作原理及类型,改变电容C的方法:改变介质的介电常数; 改变形成电容的有效面积; 改变两个极板间的距离。,类型: 变极距(或称变间隙)型、变面积型和变介电常数型。 电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。,灵敏度及非线性,变极距式,对单极式电容表达式为:,其初始电容值为:,当极板距离有增量d时,则传感器电容为:,灵敏度k为:,比值d/d0 很小时接近线性关系,因此这种形式传感器的被测量范围不应太大。,灵敏度及非线性,如果,变极距式电容传感器被测范围大,适当增大极板间的初始 距离 d0 ,保证比值d/d0,但C0/d0,故灵敏度;C0,寄 生电容的干扰作用。常采用差动式电容传感器。,忽略电容器的边缘效应后,变面积型和变介电常数型(测厚除外) 电容传感器具有很好的线性。实际由于边缘效应,仍存在非线性问 题,且灵敏度下降,但比变极距型好得多。,电容传感器的特点,优点:温度稳定性好; 结构简单、适应性强; 动态响应好; 可以实现非接触测量,具有平均效应,缺点:输出阻抗高,负载能力差;则ZC,但是C很小,故ZC大 寄生电容影响大;引线电容、电路杂散电容、极板与周围导 体之间电容。 输出特性非线性,电容式传感器的等效电路,电容式传感器的等效电路,电容式传感器的等效电路,电容式传感器的设计要点,(1)保证绝缘材料的绝缘性能:从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。 (2)消除和减小边缘效应:边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性,因此应尽量消除或减小它。,电容式传感器的设计要点,(3)消除和减小寄生电容的影响 增加原始电容值可减小寄生电容的影响。 注意传感器的接地和屏蔽。 将传感器与电子线路的前置级(集成化)装在一个壳体内,去除传感器至前置级的电缆。 采用“驱动电缆“技术(也称“双层屏蔽等位传输“技术)。,电容式传感器的设计要点,(4)防止和减小外界干扰 屏蔽和接地。 增加原始电容值以降低容抗。 导线和导线要离得远,以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短,最好成直角排列,必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地,避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。 尽量采用差动式电容传感电路,可减小非线性误差,提高传感器灵敏度,减小寄生电容的影响和干扰。,电容式传感器的转换电路,将传感器C转换成电压、电流、频率等电量。 一般归结为两类:调制型、脉冲型(或称为电容充放电型),调制型:,电容式传感器的转换电路,交流激励法,电容式传感器的转换电路,电容式传感器构成交流电桥的一些形式 :,电容式传感器的转换电路,双T型充放电网络,电容式传感器的转换电路,脉冲型电路-利用电容的充放电,电容式传感器的应用,电容传感器可用于测量直线位移、角位移,振动振幅(可测至0.05m的微小振幅),尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量; 可用于测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。 在自动检测和控制系统中常作为位置信号发生器。,电容式传感器的应用,电容式传感器的应用,电容式传感器的应用,电容式传感器的应用,电容式传感器的应用,压电式传感器,掌握压电式传感器的工作原理 了解压电式传感器的等效电路 了解压电式传感器的测量电路,学习内容:,压电效应,压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是典型 的有源传感器。当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生,从而实现非电量测量。,某些晶体或多晶陶瓷,当沿着一定方向受到外力作用时,内部就产 生极化现象,同时在某两个表面

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