传感器12级资料.pptx
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1、第五章第五章 常用机械量测量的传感器常用机械量测量的传感器学习要求学习要求n 了解了解传感器的选用原则;传感器的选用原则;n 掌握掌握机械工程测试中常用各种传感器的基本原理、机械工程测试中常用各种传感器的基本原理、结构及性能参数及其适用范围。结构及性能参数及其适用范围。传感器的定义 GB/T 7665-2005 GB/T 7665-2005传感器通用术语传感器通用术语对传感器对传感器的定义是:的定义是:能感受规定的被测量并按照一定的规律能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置转换成可用输出信号的器件或装置。解解 释释u 传感器是测量装置,能完成检测任务;传感器是测量装置
2、,能完成检测任务;u 输入量是某一被测量,可能是物理量(位移、温度、力、输入量是某一被测量,可能是物理量(位移、温度、力、压力、速度、加速度等),也可能是化学量、生物量等;压力、速度、加速度等),也可能是化学量、生物量等;u 输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等,可以是气、光、电量,但显示等,可以是气、光、电量,但主要是电量主要是电量;u 输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。传感器的作用u 变换作用:将非电量变换成电量。变换作用:将非电量变换成电量。传感器是控制系统
3、中的第一个环节,其性能直传感器是控制系统中的第一个环节,其性能直接影响整个测试系统,主要有两个作用:接影响整个测试系统,主要有两个作用:u 敏感作用:感受物理量的变化,以完成对被测信敏感作用:感受物理量的变化,以完成对被测信 号的拾取。号的拾取。传感器的基本组成u 敏感元件:直接感受被测量,输出与被测量成确定关系敏感元件:直接感受被测量,输出与被测量成确定关系 的某一物理量。的某一物理量。u 转换元件:敏感元件的输出作为转换元件的输入,它把转换元件:敏感元件的输出作为转换元件的输入,它把 输入转换成电路参量。输入转换成电路参量。u 转换电路:把转换元件输出的电路参量转换为便于处理、转换电路:把
4、转换元件输出的电路参量转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号。显示、记录或控制的有用的电信号。一、一、常用传感器分类常用传感器分类1、按被测物理量分类、按被测物理量分类机械量机械量:长度长度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋转角,旋转角,转数转数,质量质量,重量重量,力力,压力压力,真空度真空度,力矩力矩,风速风速,流速流速,流量;流量;声声:声压声压,噪声;噪声;磁磁:磁通磁通,磁场;磁场;温度温度:温度温度,热量热量,比热;比热;光:光:亮度,色彩。亮度,色彩。常见的被测物理量常见的被测物理量2、按传感器工作原理分类、按传感器工作原理分类机械式机械式,电气式电气式,光
5、学式光学式,流体式等。流体式等。3、按敏感元件与被测对象之间的能量关系、按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型能量转换型(无源传感器)无源传感器):直接由被测对象输入能量使其工作。直接由被测对象输入能量使其工作。例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,磁电式加速度计。磁电式加速度计。能量控制型(有源传感器)能量控制型(有源传感器):从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的 变化。例如变化。例如:电阻应变片。电阻应变片。V4、按信号变换特征、按信号变换特征物性型传感器物性型传感器:依靠敏感元件材料本身依靠敏感元件材料本身物理性质的变化物理性质的变化来
6、实现信号变换。来实现信号变换。例如例如:水银温度计。水银温度计。结构型传感器结构型传感器:依靠传感器依靠传感器结构参数的变化结构参数的变化实现信号转变。实现信号转变。例如例如:电容式和电感式传感器。电容式和电感式传感器。二、机械式传感器及仪器二、机械式传感器及仪器测力计测力计u 机械式传感器以机械式传感器以弹性体作为敏感元件弹性体作为敏感元件,输入量可以是力、,输入量可以是力、压力、温度等物理量,输出量为弹性元件本身的弹性变形。压力、温度等物理量,输出量为弹性元件本身的弹性变形。u 弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转,借助刻度指弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转,借助刻度指 示被测量的
7、大小。示被测量的大小。u 应用实例:测力计、压力计和温度计。应用实例:测力计、压力计和温度计。压力计压力计温度计温度计弹性膜片弹性膜片波纹管波纹管波登管波登管特 点u 机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读读 数直观;数直观;u 弹性变形不宜大,以减小线性误差;弹性变形不宜大,以减小线性误差;u 惯性大、固有频率低,只宜测缓变或静态被测量。惯性大、固有频率低,只宜测缓变或静态被测量。u 弹性元件具有弹性元件具有蠕变蠕变蠕变蠕变、弹性后效弹性后效弹性后效弹性后效等现象,影响输出与输入等现象,影响输出与输入的的 线性关系。线性关系。解解
8、释释u 蠕变:固体材料在保持应力不变的情况下,应变随时间缓蠕变:固体材料在保持应力不变的情况下,应变随时间缓 慢增长的现象。慢增长的现象。u 弹性后效:指载荷在停止变化之后,弹性元件在一段时间弹性后效:指载荷在停止变化之后,弹性元件在一段时间 之内还会继续产生类似蠕动的位移。之内还会继续产生类似蠕动的位移。三、涡流式传感器三、涡流式传感器利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应。利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应。高频反射式涡流传感器工作原理高频反射式涡流传感器工作原理n 涡流产生:当线圈中通以一交变高频电流涡流产生:当线圈中通以一交变高频电流i i时,会引起一时,会引起一交变磁通交变磁通。在靠
9、近线圈的金属表面内部产生一感应电流。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流i i1 1,该电流,该电流i i1 1即为涡流。即为涡流。n 抵抗作用:根据楞次定抵抗作用:根据楞次定律,由该涡电流产生的交律,由该涡电流产生的交变磁通变磁通1 1将与线圈产生的将与线圈产生的磁场方向相反,亦即磁场方向相反,亦即1 1将将抵抗抵抗的变化。的变化。变换原理原线圈的原线圈的等效阻抗等效阻抗Z(equivalent impedance)的变化的变化金属板电阻率金属板电阻率磁导率磁导率线圈激磁圆频率线圈激磁圆频率u 改变改变可作为位移、振动测量;可作为位移、振动测量;u 改变改变,可作为材质鉴别或探伤。可作为材
10、质鉴别或探伤。径向振动测量径向振动测量 轴心轨迹测量轴心轨迹测量 工程应用实例 涡流式传感器可用于涡流式传感器可用于动态非接触测量动态非接触测量。近年来涡流式。近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用。冶金等部门中日益得到广泛应用。转速测量转速测量 零件计数器零件计数器 表面裂纹测量表面裂纹测量 穿透式测厚穿透式测厚 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时,交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流,会体通过时,交变磁场就会在该金属导
11、体表面产生电涡流,会在接收线圈中感应出电压,计算机根据感应电压的大小、相在接收线圈中感应出电压,计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软软x x光光”扫描仪,它对人体、胶卷无害,用软件处理的方法可合扫描仪,它对人体、胶卷无害,用软件处理的方法可合成完整的光学图像。成完整的光学图像。n 电涡流式通道安全检查电涡流式通道安全检查门门 手持式裂纹测手持式裂纹测量仪量仪n 电涡流表面探伤电涡流表面探伤油管探伤油管探伤原理原理裂纹检测,缺陷造成涡流变化。裂纹检测,缺陷造成涡流变化。+A 四、电容式传感器四、电容式传感
12、器工作原理 采用电容器作为敏感元件,将不同物理量的变化转换采用电容器作为敏感元件,将不同物理量的变化转换为电容量的变化。为电容量的变化。平板电容器的电容量平板电容器的电容量 极板间介质的相对介电系数,极板间介质的相对介电系数,空气中空气中真空中介电常数,真空中介电常数,极板间距离极板间距离A A 极板面积极板面积(1 1)极距变化型)极距变化型 极距有一微小变化量极距有一微小变化量d d时,引起电容变化量时,引起电容变化量n 灵敏灵敏度度分 类n 由于灵敏度随极距变化,由于灵敏度随极距变化,引起引起非线性误差非线性误差,规定在较,规定在较小的间隙范围内工作,一般小的间隙范围内工作,一般取取指纹
13、识别指纹识别指纹识别指纹识别n 优点:体积小、成本低,优点:体积小、成本低,成像精度高,而且耗电量成像精度高,而且耗电量很小,因此非常适合在消很小,因此非常适合在消费类电子产品中使用。费类电子产品中使用。指纹识别目前常用的是电容式传感器,也被称为第二指纹识别目前常用的是电容式传感器,也被称为第二代指纹识别系统。代指纹识别系统。右图为指纹经过处理后右图为指纹经过处理后的成像图的成像图 指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列,其外面是一层绝缘的表面,当用户的手指放在上体的阵列,其外面是一层绝缘的表面,当用户的手指放在上面时,面时,金
14、属导体阵列金属导体阵列/绝缘物绝缘物/皮肤皮肤就构成了相应的小电容器就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊(近的)和沟(远的)与金属导阵列。它们的电容值随着脊(近的)和沟(远的)与金属导体之间的距离不同而变化。体之间的距离不同而变化。(2)面积变化型)面积变化型特 点 输出与输入成线性关系,灵敏度低,适于输出与输入成线性关系,灵敏度低,适于较大直线位移及角位移测量。较大直线位移及角位移测量。油量表可用于飞机油箱油量表可用于飞机油箱(3)介质变化型)介质变化型 用于测量电介质的厚度、位移、液位,还可根据极板间用于测量电介质的厚度、位移、液位,还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量
15、改变而改变来测量温度、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、容量等。湿度、容量等。测量电路 电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。电路转换成电压、电流或频率等输出量。(1)电桥型电路)电桥型电路 电容传感器作为电桥的一部分,电容变化转换为电桥电容传感器作为电桥的一部分,电容变化转换为电桥电压输出。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的电压输出。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的输出为一调幅波,经放大、相敏解调、滤波后输出。输出为一调幅波,经放大、相敏解调、滤波后输出。(2)调
16、频电路)调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分,调频振荡电容传感器作为振荡器谐振回路一部分,调频振荡器的谐振频率器的谐振频率振荡回路电感振荡回路电感 当被测量使电容值发生变化时,则当被测量使电容值发生变化时,则振荡器频率也发生振荡器频率也发生变化变化,频率的变化经鉴频器变为电压变化,再放大后由记,频率的变化经鉴频器变为电压变化,再放大后由记录器或显示仪表指示。录器或显示仪表指示。(1)电容式测厚仪电容式测厚仪:测量金属带材在轧制过程中厚度测量金属带材在轧制过程中厚度 C C1 1、C C2 2工作极板与带材之工作极板与带材之间形成两个电容间形成两个电容,当金属当金属带材在轧制中厚度发生变
17、化带材在轧制中厚度发生变化时,将引起电容量的变化。时,将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映此变通过检测电路可以反映此变化,并转换和显示出带材的化,并转换和显示出带材的厚度。厚度。应用实例 电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。精度和稳定性日益提高,高精度达的测试中。精度和稳定性日益提高,高精度达0.01%,精,精度可达度可达5m。当齿轮转动时,电容量发生周期性变化,通过当齿轮转动时,电容量发生周期性变化,通过测量电路转换为脉冲信号,则频率计显示的频率代测量电路转换为脉冲信号,则频率计显示的频率代表转速大小。表转速大小。(2)电
18、容式转速传感器)电容式转速传感器 设齿数为设齿数为z,频率为,频率为f,则转速,则转速 一个电容测微仪其传感器的圆形极板半径一个电容测微仪其传感器的圆形极板半径r=4mm,工作初始间隙工作初始间隙=0.3mm,问:,问:1)工作时,如果传感器与工件的)工作时,如果传感器与工件的间隙变化量间隙变化量=1m时,电容变化量是多少?时,电容变化量是多少?2)如果测量)如果测量电路的灵敏度电路的灵敏度S1=100mV/pF,读数仪表的灵敏度,读数仪表的灵敏度S2=5格格/mV,在在=1 1m m时,读数仪表的指示值变化多少格?时,读数仪表的指示值变化多少格?例例解:解:极距变化型电容传感器电容的变化量极
19、距变化型电容传感器电容的变化量仪表的指示值变化为仪表的指示值变化为 灵敏度?灵敏度?五、磁电式传感器五、磁电式传感器 一种将被测物理量转换为感应电动势的装置,又称电一种将被测物理量转换为感应电动势的装置,又称电磁感应式或电动式传感器。磁感应式或电动式传感器。由电磁感应定律可知,当穿过线圈的磁通由电磁感应定律可知,当穿过线圈的磁通发生变化时,发生变化时,线圈中所感应产生的电动势线圈中所感应产生的电动势n 磁通变化率与磁通变化率与磁场强度、磁路磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度磁阻、线圈的运动速度有关,改有关,改变其中一个因素,都可改变线圈变其中一个因素,都可改变线圈的感应电动势。的感应电动势。分
20、 类1、动圈式、动圈式n 线速度型线速度型 在永久磁铁产生的直流磁场内,在永久磁铁产生的直流磁场内,线圈在磁场中作直线运动,切割磁力线圈在磁场中作直线运动,切割磁力线,因此所产生的感应电动势线,因此所产生的感应电动势说 明n 当传感器的结构参数(当传感器的结构参数(B,l,N)选定,则感应电动)选定,则感应电动势势e e的大小使正比于线圈的运动速度的大小使正比于线圈的运动速度v。n 将测得的速度经微分和积分运算又可得加速度和位移,将测得的速度经微分和积分运算又可得加速度和位移,因此速度传感器又可用来测量运动物体的位移和加速度。因此速度传感器又可用来测量运动物体的位移和加速度。n 可测量物体转速
21、。可测量物体转速。n 角速度型角速度型 线圈在磁场中转动时,产生的感应电动势线圈在磁场中转动时,产生的感应电动势说 明n 当传感器的结构参数(当传感器的结构参数(N,B,A)选定时,感应电动势)选定时,感应电动势e与线与线 圈相对于磁场的转动角速度成圈相对于磁场的转动角速度成 正比。正比。动圈磁电式传感器等效电路导线电阻导线电阻负载电阻负载电阻线圈阻抗线圈阻抗n 等效电路输出电压等效电路输出电压导线分布电容导线分布电容六、压电式传感器六、压电式传感器压电式传感器是一种压电式传感器是一种可逆型可逆型换能器。换能器。n 机械能机械能电能:用来测量力、压力、加速度等;电能:用来测量力、压力、加速度等
22、;n 电能电能机械能:用于高频振动台、超声发射器、扬声器。机械能:用于高频振动台、超声发射器、扬声器。优 点n 体积小;体积小;n 重量小;重量小;n 固有频率高(加速度传感器,可测频率范围固有频率高(加速度传感器,可测频率范围0.120kHz);n 灵敏度高(加速度传感器可测灵敏度高(加速度传感器可测10-2105ms-2、力传感器分、力传感器分 辨力达辨力达10-3N)。)。利用某些物质的利用某些物质的压电效应压电效应,即受到外力作用而发生变,即受到外力作用而发生变形时,其表面将产生电荷,形成电场,当外力作用去除后,形时,其表面将产生电荷,形成电场,当外力作用去除后,电场随之消失。电场随之
23、消失。工作原理说 明n 压电效应可逆:当压电晶压电效应可逆:当压电晶体置于外电场,其几何尺寸体置于外电场,其几何尺寸也会发生变化,称为逆压电也会发生变化,称为逆压电效应。效应。n 具有压电效应的晶体称为具有压电效应的晶体称为压电晶体,石英晶体是常用压电晶体,石英晶体是常用的压电材料之一。的压电材料之一。石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示形 式电轴电轴机械轴机械轴光轴光轴n 纵向压电效应:沿电轴纵向压电效应:沿电轴X-X方向的作用力产生的压电效应。方向的作用力产生的压电效应。n 横向压电效应:将沿机械横向压电效应:将沿机械轴轴Y-Y方向的作用力产生的压方向的作用力产生的压电效应。电效应
24、。n 切向效应:沿相对两平面加切向效应:沿相对两平面加力。力。n 当沿光轴当沿光轴Z-Z方方向作用有力时不向作用有力时不产生压电效应。产生压电效应。实验证明:实验证明:压电效应呈线性。压电效应呈线性。晶体表面出现的电荷的多少和形变的大小成正比,形变晶体表面出现的电荷的多少和形变的大小成正比,形变改变符号时,电荷也改变符号。改变符号时,电荷也改变符号。说 明n 石英晶体切片受石英晶体切片受x向压力,产生的电荷量与作用力成正比,向压力,产生的电荷量与作用力成正比,与切片的几何尺寸无关;与切片的几何尺寸无关;n 石英晶体切片受石英晶体切片受y向压力,产生的电荷量与切片的几何尺寸有向压力,产生的电荷量
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