工程测试技术—第2章压力传感器1-6节课件

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,*,第二章 常用的传感器,传感器的定义：,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，叫做传感器。,通常,传感器的工作情况如下图所示：,传感器,物理量,化学量,生物量,电压（V）,电流（mA）,频率（Hz）,传感器将其它类型的,被测量,转换成,电量,的好处是：,易于测量、易于传输、易于处理、易于转换,被检测的物理量：,力、位移、加速度、温度,等；,被检测的化学量：,气体的化学成分,、液体中的,某种成分的含量,等；,被检测的生物量：,酶、抗菌素,等。,第二章 常用的传感器物理量电压（V）传感器将其它类型的,1,第二章的主要内容,第一节,机械式,传感器,第二节,电阻式,传感器,第三节,电感式,传感器,第四节,压电式,传感器,第五节,光敏,传感器,第六节 其它常用传感器,第七节 传感器的,分类,第八节 传感器的,性能,指标,第二章的主要内容,2,第一节 机械式传感器,机械式传感器通常以,弹性体,作为传感器的,敏感元件,。,机械式,传感器,力,压力,温度,弹性变形,一、环形测力计,环形测力计一般用来,测力,或,称重,。应用时，用,百分表,测量环形测力计受力后的弹性变形量，,换算成,环形测力计的受力值。,第一节 机械式传感器机械式力弹性变形 一,3,环形测力计携带方便，,不需要电源,，经常用于现场的称重传感器或力传感器的校准（通常用千斤顶作为力源）。,环形测力计的测力精度一般为,0.3%,。,环形测力计携带方便，不需要电源，经常用于现场,4,二、波登管式温度计,波登管式温度计测温的原理是：封闭在感温筒内的酒精的体积随温度变化，造成,波登管的弹性变形,，,带动指针转动，指示温度的数值。,工程中应用的许多温度表就是这种温度计。,这种温度计的特点：,结构简单、价格便宜，不需要电源；,读数不精确，惯性大，响应慢，只适于,静态测量。,二、波登管式温度计 工程中应用,5,三、波纹膜片式压力计,波纹膜片式压力计用于,流体的压力,计量。在计量时，流体的压力作用在膜片上，造成膜片的,弹性变形,，,带动指针转动,，指示压力的数值。,工程中应用的许多压力表就是这种压力计。,这种压力计的特点：,结构简单、价格便宜，不需要电源；,读数不精确，惯性大，响应慢，只适于,静态测量。,三、波纹膜片式压力计 工程中应,6,第二节 电阻式传感器,电阻式传感器是一种把被测量转化为,电阻阻值变化,的传感器。,电阻式,传感器,位移,转角,应变,阻值变化,电阻式传感器按照工作原理可分为,变阻器式,和,电阻应变式,两类,。,一、变阻器式传感器,变阻器式传感器也称为,电位差式,传感器，它通过改变,电位器触头的位置,，把位移或转角的变化转换为电阻的变化。,第二节 电阻式传感器电阻式位移阻值变化 电阻,7,左图为测量,直线位移,的变阻器式传感器。,中间图为测量,角位移,的变阻器式传感器。,右图为测量,直线位移,的,非线性输出,变阻器式传感器。,这种传感器价格便宜，但长期使用会因,磨损,影响性能，并且其分辨力不高（一般很难优于20,m,）。,左图为测量直线位移的变阻器式传感器。这种传感,8,二、电阻应变式传感器,电阻应变式传感器可用于测量,力、扭矩、位移、加速度,等。,电阻应变式传感器的测量方法是：,把电阻应变片,粘贴在弹性体上,，通过测量弹性体上（贴片部位）的,应变,造成的电阻应变片的,阻值变化,，,间接测量,力、扭矩、位移、加速度等。,（重要概念）,二、电阻应变式传感器 电阻应变,9,第三节 电感式传感器,电感式传感器是一种把被测量（,位移,）变换为,电感量,变化的传感器，其变换基于,电磁感应,原理。按照变换方式的不同，可分为自感型和互感型。,一、自感型涡电流（电涡流）式传感器,电涡流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的,涡电流效应。,第三节 电感式传感器 一、自感型涡电流（,10,由于涡流磁场的作用，使原线圈的,等效阻抗Z,（,等效电感,L,等）都发生变化，其变化程度与距离,有关,。,电涡流传感器,距离,电感 L,电涡流传感器的检测电路有多种形式，其中,调频电路,的工作原理比较简单。,由于涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗Z（等,11,电涡流传感器可用于,动态非接触测量,。其结构简单，能防水和油污，主要性能指标如下：,测量间隙的范围,：,0（110）mm,最高分辨力,：,1,m,电涡流传感器的,主要用途：,（重要概念）,在被测金属材质不变的条件下，,用于测量与金属之间的间隙，可测量,位移,、,振动,。,（这种用途最广！）,在间隙不变的条件下，,用于测量金属的,电阻率,和,磁导率,的变化，可以作为,材质鉴别,和,无损探伤,。,电涡流传感器可用于动态非接触测量。其结构简单,12,电涡流传感器,电涡流传感器的典型应用,回转轴的径向摆动和振动测量,钢板厚度测量,电涡流传感器电涡流传感器的典型应用回转轴的径向摆动和振动测量,13,二、互感型差动变压器式传感器,这种传感器是利用电磁感应中的,互感现象,（即变压器的原理），把被测量（,位移,）变换成,感应电势,的变化。,由于在应用中常常采用两个,次级线圈,组成,差动式,传感器，故一般又被称为,差动变压器式传感器,。,二、互感型差动变压器式传感器,14,差动变压器式传感器的主要性能为：,测量范围：,0100 mm,测量精度：,0.1,m,有些轧钢机的,辊缝仪,采用这种传感器进行压下螺丝行程测量。,通常，传感器采用,差动,结构形式的目的：,（重要概念）,（1）提高传感器的,灵敏度,；,（2）增大传感器输出的,线性段范围,。,差动变压器式传感器的主要性能为：,15,可以,应用差动变压器的原理，通过测量弹性体的,微小变形,，测量,作用力 F,。,这种传感器的,主要缺点是有,残余电压。,可以应用差动变压器的原理，通过测量弹性体的微,16,第四节 压电式传感器,压电式传感器的原理是利用某些物质的,压电效应,检测作用力。,一、压电效应,压电材料,外力,表面出现电荷,当外力消失后，材料恢复到原来的状态（电荷消失）。在,外力保持不变时,，电荷会,泄漏,。因此，,压电式传感器不适合测量静力。,（重要概念）,第四节 压电式传感器压电材料外力表面出现电荷,17,二、压电材料,常用的压电材料分为三类：,压电单晶、压电陶瓷、有机压电薄膜,目前使用最多的是压电陶瓷（,PZT,锆钛酸铅）。,三、压电式传感器的应用,膜片,压电材料,质量块,壳体,压力传感器,加速度传感器,二、压电材料 三、压电式传感器的应用膜,18,压电效应是可逆的：,压电晶片可以做,驱动器,。对压电晶片施加,交变电压,，可作为,振动源,，做超声波发生器。,四、测量电路,压电式传感器输出信号是很微弱的电荷，而且本身,内阻很大，输出能量很小,，给后接电路带来困难。,压电式传感器在应用时，一般需要将其输出信号先输入到一个,高阻抗的前置放大器,。,压电效应是可逆的：压电晶片可以做驱动器。对压,19,前置放大器主要有两个作用：,（1）将传感器的,高阻抗,输出变换为,低阻抗,输出；,（2）,放大,传感器输出的微弱信号。,前置放大器分为两种：,（1）用电阻反馈的,电压放大器,（工作不稳定，价格便宜）,（2）带电容反馈的,电荷放大器,（工作稳定，价格高，,常用,）,前置放大器主要有两个作用：前,20,电荷放大器的工作原理：,在忽略漏电阻的条件下,电荷放大器的工作原理：在忽略漏电阻的条件下,21,电荷放大器的工作原理：,式中 u,i,放大器输入端电压；,u,y,传感器输出端电压,在忽略漏电阻的条件下,（,A,为电荷放大器的,开环增益,。）,C,f,电荷放大器的,反馈电容,。,如果放大器的开环增益足够大，则,上式可简化为,电荷放大器的工作原理：式中 ui放大器输入端电压；在,22,第五节 光敏传感器,光敏传感器是将,光量,转换成,电量,的器件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。,光 敏传感器,光,电量,光敏传感器主要有,光敏电阻,、,光电池,和,光敏晶体管,等。,一、光敏电阻,光敏电阻是一种光电元件，其工作原理是基于半导体材料的,内光电效应,，即当半导体受到光照射时，其电阻值减小的现象。,第五节 光敏传感器光 敏传感器光电量,23,A,一般的光敏电阻在,无光照射,时，其,阻值很大,；受到,光照,时，,阻值下降,，其阻值下降的幅度取决于光照的亮度。,L,R I,不同的半导体材料的,光谱特性,不同，应根据入射光波的,波长,选择材料。,对,可见光,：硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）,对,紫外线域,：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）,对,红外线域,：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）,A 一般的光敏电阻在无光照射时，其阻值很大,24,二、光电池,半导体能够将,光能,直接转换为,电能,。当光电池受到光照时，可直接输出电势。,光电池,实质上是一个,电源,。,常用的光电池有硒、硅、碲化镉、硫化镉等光电池。其中应用最广的是,硅光电池,。,二、光电池 常用的光电池有硒、硅,25,三、光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管是一种有一个,PN,结、并具有,光电,转换功能的晶体二极管。,光敏二极管的PN结位于管的顶部，以便接受光照。在,没有光照时,，光敏二极管处于,截止状态,，反向电阻很大，反向电流很小。当,受到光照时,，PN结附近受光电子冲击，使得通过PN结的反向电流大大增加，,形成光电流,。,光电流随入射光,照度,的变化而变动，光敏二极管就实现了把,光信号,转换成,电信号,的功能。,三、光敏二极管和光敏三极管 光,26,如果把普通晶体管的,基极集电极,制成,光敏二极管,，则该晶体管就成为,光敏三极管,。,在光敏三极管内，光敏二极管的,光电流,成为,基极电流,，在三极管内放大，形成集电极电流。,由于光敏三极管的基极电流由其基极集电极结的光电流供给，因而许多光敏三极管,不再设基极引线,。,与光电池、光敏二极管相比，光敏三极管,输出信号大,，产生光电流部分与放大部分集中在一起，具有较好的,抗噪声,等优点；但其,响应速度稍低,。,如果把普通晶体管的基极集电极制成光敏二极管,27,四、光敏传感器的应用,1.零件表面缺陷的检测,如果零件表面有缺陷（非圆、粗糙、波纹、裂纹等，会引起光束的偏转或散射，这些光被硅光电池接收，即可转换成电信号输出。,四、光敏传感器的应用 如果零件,28,2.光电转速计,在电动机的旋转轴上涂上,黑白,两种颜色。当电动机转动时，光电元件收到强弱,交变,的反射信号，转换成电信号。再经过放大整形电路，输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电动机的转速。,2.光电转速计,29,3.混浊度检测,把被测物放在光学通路中，光源的部分光通量由被测物吸收，剩余的光通量投射到光电元件上。,因被吸收的光通量与被测物的,透明度,有关，故光电元件收到的光通量也与被测物的透明度有关。所以，通过这种方式可以测量物体的,混浊度,。,3.混浊度检测 因被吸收的光,30,4.表面粗糙度检测,当光源发出的光投射到被测物上时，被测物把,部分光通量,反射到光电元件上。,反射的光通量取决于反射表面的,性质、状态,和与光源之间的距离。利用这个原理可以制成,表面粗糙度测试仪,。,4.表面粗糙度检测 反射的光,31,5.物体位移量检测,当光源发出的光通量被不透光的被测物,遮挡,了一部分时，使投射到光电元件上的光通量,减弱,。,光通量,减弱的程度,与被测物在光学通路中的,位置,有关，由光通量减弱的程度可以准确判断被测物在光学通路中的位置。因此，利用这个原理可以制成,位移计,。,5.物体位移量检测 光通量减,32,工程测试技术第2章压力传感器1-6节课件,33,6.温度检测,当被测物是,光辐射源,时，,被测物发出的光,可以投射到光电元件上。,辐射体的温度不同则其发出的光,波长,和,颜色,就不同。利用这个原理可以制成,光电比色,高温计和,红外,测温仪。,6.温度检测 辐射体的温度不,34,红外测温仪,使用红外测温仪注意目标的,尺寸,（,距离系数L/d,）