测试系统及传感器.ppt

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1、1,5.1 测试系统的基本构成,机械系统,测量系统,信号采集处理系统,显示记录系统,被测物理量,数据采集卡,中间转换器,传感器,测试软件,机械系统,为保证试验进行所需的各种机械结构,根据不同的机械参量，选用不同的传感器和相应的后接仪器所组成的测量系统。,将测量装置输出的信号采集和处理后排除干扰和噪声污染，并估计测量数据的可靠程度。,测试系统的输出环节，把试验过程中的数据记录下来，并显示出来。,第5章 传感器测量原理,2,3,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,5.2 传感

2、器概述,1. 传感器定义,4,2. 传感器的构成,传感器,敏感器件,辅助器件,感受被测物理量，并对信号进行转换输出,对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配 以便于后续仪表接入,5,6,5.3 传感器的分类,传感器种类名目繁多，分类方法也不完全同，从选用角度看一般是按被测参量和工作原理的不同来划分。 一. 按被测参量分类 被测参量多种多样，通常可划分为几大类，如机械量、热工量、物理化学量及生物医学量等。,7,机械量,机械信号,力、力矩、应力传感器,位移、速度(角速度与线速度)、加速度传感器,几何尺寸(长度、厚度、角度、圆度)传感器,8,(热量、比热、热流)传感器,压力(压差、真空度)传感器；流

3、量、流速传感器；,物位(液位)传感器,热工量,9,气体或液体的密度、湿度传感器；,粘度、浓度、盐度传器,化学成分传感器,物理化学量,10,血压、眼压、脑压传感器,哦,流体信号,体温传感器,心电、心音、心搏数传感器,生物医学量,11,二、按传感器的能源分类,有源传感器：被测量使传感器本身的电参量R、L、C改 变，这种传感器工作时必须有外加电源。,无源传感器： 被测量使传感器产生电动势、电流、 电荷，可直接接入放大器或记录仪器。,12,模拟传感器 数字传感器,三、按传感器的输出信号分类,13,电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 磁电式传感器 压电式传感器 光电式传感器,四、按传感器的转换原理

4、分类,14,1. 电阻式传感器,工作原理：把被测变化参量转换为电阻变化的一种传感器,5.4 常用传感器原理,15,按工作的原理可分为: 变阻器式、压阻式、电阻应变式.,(1). 变阻器式（电位器式）传感器,16,它是用电阻系数很大的金属导线绕在绝缘骨架上而制成，滑动触头(电刷)的位移使输出电阻或电压发生变化，其简单原理电路如图所示。 1电位器 2电刷,17,电位器式位移传感器 电位器式压力传感器 1-测量轴 2-滑动电阻 3-电刷 4-精密电阻 1-膜盒 2-杠杆 3-电位器 5-导轨 6-弹簧 7- 壳体,18,(2).压阻式传感器 压阻式传感器是以单晶硅膜片作为敏感元件，在该膜片上采用集成

5、电路工艺制作四个电阻并组成惠斯登电桥，当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电阻阻值发生变化，使电桥有输出。,纵向压阻系数和横向压阻系数； 纵向应力和横向应力(切向应力),19,(3).电阻应变式传感器-应变片,20,电阻应变式传感器的应用：测力,21,应用：桥梁固有频率测量,22,应用：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,23,应用：冲床生产记数 和生产过程监测,24,2.电感式传感器,工作原理：利用电磁感应原理将被测物理量变化转换成线圈自感 量L或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电压或电 流的变化量输出。,分为：自感式、差动变压器式（互感式）、 电

6、涡流式,应用：测量位移、压力、流量、振动等信号,M. Faraday 电磁感应定律(1831年)：当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的磁通也随之变化，因而在线圈本身产生感应电势，这种现象称之为自感。,25,常用电感式传感器,26,(1). 自感式传感器,铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。,27,只要改变气隙厚 就可以改变电感。,结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之

7、间有气隙，气隙厚度为,自感式传感器的特性公式：,N 线圈匝数 ； S 气隙的截面积； 气隙厚度； o 导磁率（真空、空气）,线圈的电感量：,变气隙式 变面积式 螺管式,28,1.改变气隙长度和截面积都能改变电感量； 2.电感量与气隙长度成反比，与截面积成正比； 3.电感量与与气隙长度不是线性关系； 4.气隙长度越小，灵敏度越高；,自感式传感器特点：,灵敏度为,5.变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的； 6.为了减小非线性误差，差动变隙式电感传感器,29,单螺管式自感传感器,它由平均半径为r的螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。随

8、着衔铁插入深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。,30,自感传感器的测量电路,输出指示无法判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决。 ,1. 交流电桥测量电路,2 变压器式交流电桥测量电路,31,自感式传感器的应用,变隙电感式压力传感器结构图,应用示例1,32,简单式灵敏度,差动式灵敏度,(2).差动变压器式传感器,定义：把被测非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器,33,差动变隙式自感传感器,结论: 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。 差动式的线性度得到明显改善,两个变隙式电感传感器在结构尺寸、 材料、电气参数等方面均应完全一致。,34,互感型-差动变压器工作

9、原理,结构：中间初级，两边次级铁芯在骨架中间可上下移动,35,差动式自感传感器的输出特性,采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。,36,差动变压器式传感器的结构示意图 （a）、 （b） 变隙式差动变压器,37,差动变压器式传感器的结构示意图 （e）、 （f） 变面积式差动变压器,38,差动变压器式传感器的结构示意图 （c）、 （d） 螺线管式差动变压器,39,差动变压器位移传感器,40,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

10、,温度;振动,速度,加速度;等.,应用示例1,应用示例2,41,应用示例3,变隙式差动电感压力传感器,42,应用示例3,1可动铁心；2测杆；3被测物 可变气隙式电感测厚度,带相敏检波的交流电桥,43,差动变压器式加速度传感器原理图,应用示例,44,差动变压器传感器特点：,结构简单、工作可靠；,灵敏度高、分辨力大；,频率响应低，不宜测高频动态参量；,测量精度高；非线性误差为0.1,常用于测量位移量。如位移变化的参量：力、速度、加速度、厚度,45,(3). 电涡流式传感器,原理：利用线圈在金属导体附近会产生电涡流,线圈产生得交变磁场向下，电涡流产生的交变磁场向上。,线圈接通电源,46,电涡流式传感

11、器的应用,1.测位移 电涡流式传感器的主要用途之一是可用来测量金属件的静态或动态位移，最大量程达数百毫米，分辨率为0.1%。目前电涡流位移传感器的分辨力最高已做到0.05m(量程015m)。凡是可转换为位移量的参数，都可用电涡流式传感器测量，如机器转轴的轴向窜动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。,液位监控系统,电涡流传感器测位移，由于测量范围宽、反应速度快、可实现非接触测量，常用于在线检测。,47,2.测厚度,测金属板厚度示意图,48,3.测温度,式中 1、0分别为温度t1与t0时的电阻率， a在给定温度范围内的电阻温度系数,测温用涡流式传感器,1-补偿线圈；2-管架；3

12、-测量线圈；4-隔热衬垫；5-温度敏感元件,优点： (1)不受金属表面涂料、油、水等介质影响； (2)可实现非接触测量； (3)反应快。,49,除此以外： (1)利用多个传感器沿转轴轴向排布，可测得各测点转轴的瞬时振幅值，从而作出转轴振型图； (2)利用两个传感器沿转轴径向垂直安装，可测得转轴轴心轨迹； (3)在被测金属旋转体上开槽或作成齿轮状，利用电涡流传感器可测出该旋转体的旋转频率或转速； (4)电涡流传感器还可用作接近开关，金属零件计数，尺寸或表面粗糙度检测等。,案例： 零件计数,50,案例：连续油管的椭圆度测量,51,案例：无损探伤,裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,

13、52,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,53,电涡流式传感器特点：,结构简单；,灵敏度高；,抗干扰能力强；,测量范围大；,具有非接触测量；,常用于测量位移、振幅、零件几何尺寸、表面粗糙 度、裂纹等,54,S 极板面积，变面积型传感器 极板距离，变极距型传感器 介电常数，变介质型传感器 真空介电常数 相对介电常数， 无介质时空气介质 =1,工作原理：将被测非电参量变化转换成电容量的变化。,3.电容式传感器,55,一般结构灵敏度,(1).变极距型传感器,间隙越小，灵敏度越高； 间隙小受极板间击穿电压的限制 差动式灵敏度提高1倍，非线性大大减少,差动电容结构

14、灵敏度,特点：,56,(2).变面积型传感器,直线位移式灵敏度,角位移式灵敏度,电容与位移呈线性关系； 输出特性是线性的； 灵敏度为一常数。,特点：,57,(3).变介质型传感器,用两个同心圆柱状电极 输出电容与液面高度成线性关系,58,59,电容式传感器特点：,输入能量小，灵敏度高；可测量很小的力、加速度,动态特性好；质量小、频率高，常用于动态参数测量,能量损耗小；电容本身不产生热量，不会引起零点漂移,结构简单、适应性好；可工作在恶劣环境中、温度变化大、液体中都能工作,电缆分布电容影响大；两极板电容很小，但传感器与仪器间有较大电容，降低灵敏度,非线性大；输出和输入存在非线性,60,常用的电容

15、式传感器,61,电容式液位传感器（液位计/料位计）,62,1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度 2.位移，移动，位置，膨胀 3.挠度，变形，波动，倾斜 4.尺寸，公差，分选，零件识别 5.冲击，应变，轴向振动 6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心,电容式传感器,63,4. 磁电式传感器（电动式传感器）,工作原理:利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。,64,磁电式,磁感应电式传感器,霍尔式传感器,磁阻效应传感器,2.分类,65,B-磁感应强度,S-线圈平均截面积,-线圈运动方向与磁场方向夹角,当线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，则线圈上的感应电动势：,旋转运动的相

16、对角速度,N-线圈匝数,（1） 磁感应电式传感器 （感应式传感器、电动势传感器）,工作原理：把被测非电参量变化转换成感应电动势， 是一种机电能量变换传感器。,66,磁感应电式,恒定磁通式,变磁通式,动圈式,动铁式,运动部件是线圈,运动部件是磁铁,又称变磁阻式、变气隙式,磁感应电式传感器可分为：,磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。,线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。,线速度型,角速度型,67,恒磁通式,动铁型,动圈型,a.恒定磁通式,68,动圈式传感器的结构原理图:,线速度型,69,角速度型,测速电机,70,动铁式传感器结构原理图:,71,b. 变磁通式（又称变磁阻

17、式、变气隙式）,常用来测量旋转物体的角速度，探头的磁极与振动物体间有一气隙，当振动物体振动时，气隙变化引起磁路磁阻改变，线圈磁通发生变化，输出电动势与振幅成比例。,变磁阻式工作原理：一般通过改变传感器到被测对象间的气隙厚度等方法来改变磁路磁阻。,72,结构原理图（开路变磁通式传感器）,1-被测旋转体；2-测量齿轮；3-线圈；4-软铁；5-永久磁铁,线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮的齿数和转速的乘积,73,74,磁电感应式转速传感器原理图,75,优点：,无需外加电源,电路简单,性能稳定,输出阻抗小,具有一定的频率响应范围（101000HZ）,缺点：,尺寸重量大,磁感应电式传感器特点,

18、常用于动态测量,76,(2). 霍尔式传感器,霍尔式传感器原理: 利用霍尔元件基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器,特点: 在静止状态下具有感受磁场的能力,优点: 结构简单，体积小，噪声小，频率范围宽（从直流到微波） ，动态范围大，寿命长等。,77,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,a 霍尔效应,78,式中： KH霍尔元件的灵敏度系数，与霍尔片的厚度和反映材料霍尔效应强弱的霍尔系数有关。霍尔片的厚度越小、霍尔系数越大，灵敏度系数KH越大。 I控制电流 B垂直于霍尔片平面的磁感应强度 磁场与霍尔元件平面的法

19、线方向的夹角,79,b. 霍尔元件基于霍尔效应工作的半导体器 件，多采用N型半导体测量。,元件外形,a，b控制电流端引线,c，d霍尔引出线,霍尔元件越薄，灵敏度系数越大，一般只有1um,80,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,81,霍尔传感器的应用,a.测量位移、压力、流量,特点：测量范围1mm，惯性小、响应速度快。,82,b.测量转速,83,测转角：,84,铁磁材料裂纹检测,85,例：汽车速度测量:,86,5. 压电式传感器,工作原理:以某些物质的压电效应为基础,压电效应：某些物质受到外力时，表面产生电荷，当外力去 掉时，又重新回到原来的状态。,电容小，输出电压大，适于输出为电

20、压的场合,电容大电荷量小，时间常数大，适于测缓慢信号，输出为电荷的场合,87,压电材料,压电材料,压电晶体,压电陶瓷,如石英,具有很好的温度稳定性，压电效应，机械强度高，绝缘性能好,稳定性不如石英，但压电系数约为石英的50倍,88,在x方向作用一力Fx时，t发生变化，y-z晶面产生正负电荷，当作用力的方向相反时，产生电荷极性相反,纵向压电效应,89,横向压电效应,表面电荷量 ： Q = d F,d - 压电常数,F - 作用在表面上的力（表征压电性能强弱）,90,压力变送器,加速度计,力传感器,常见的压电式传感器,91,压电式传感器的应用,压电式玻璃破碎报警器,92,投币计数传感器,93,压电

21、膜话筒结构示意图,话筒中，压电膜以一定的支撑形式保持膜内一定张力。 在外来声压作用下，膜面的曲率发生变化，使膜内应力改变，产生相应的压电信号。,94,应用,b) 压力变送器,a) 加速度计，力传感器,压 电式传感器,95,6.光电式传感器,工作原理: 将被测量的变化转换成光量的变化，再通 过光电元件把光量变化转换成电信号。,光电效应可分为：,光生伏特效应,光电导效应,外光电效应,内光电效应,光敏器件主要利用各种光电效应,光敏器件种类有：光电管、光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。,96,97,7 传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应

22、特性、线性范围、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。 c)交叉灵敏度问题。,98,2 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。,3 线性范围,任何传感器都有一定线性工作范围。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。,99,4 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。,100,6 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。,第三章、传感器测量原理,