《机械工程测试技术》第三章.ppt
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1、第三章 常用传感器与敏感元件,本章学习要求:1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路,传感器: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。,作 用:类似人的感觉器官。它把被测量如力、位移、温度等转换为易测信号,传给测量系统的信号调理环节。,2019年6月30日星期日,1,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,2,1、按被测量分类,位 移 传 感 器,力 传 感 器,温 度 传 感 器,湿 度 传 感 器,第一节 传感器的分类,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,3,3、按信号变换特征,2、 按 工 作
2、原 理,机械式,电气式,光学式,流体式,物性型,结构型,4、按能量关系,能量转换 型(无源),能量控制 型(有源),5、按输出信号:数字式、模拟式,机械工程测试技术基础,4,物性型传感器: 依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换。如水银温度计;石英晶体压电效应。,结构型传感器: 是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。如电容、电感、应变式传感器。,能量转换型(无源)传感器: 是直接由被测对象输入能量使其工作的,如热电偶温度计,弹性压力计。,能量控制型(有源)传感器: 从外部供给辅助能量使传感器工作。如把电阻应变计接于由外部供电的电阻电桥上,被测量变化引起的电阻变化去控制电桥
3、输出。,参见书中 表3-1,机械工厂中常用传感器。,另外,传感器可能只有一个,也可能几个换能元件组合而成一个小型装置。,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,5,2019年6月30日星期日,图 3-2 伺服式加速度计框图,输入,输出,图 3-1 能量控制型传感器工作原理,测量对象,传感器,辅助能源,机械工程测试技术基础,6,测力计,压力计,温度计,第二节 机械式传感器,以弹性体为敏感元件,将被测量转换为弹性变形(或应变)的传感器,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,7,2019年6月30日星期日,图3-4 微型探测开关 1-工件 2-电磁铁 3-导槽 4-簧片开关 5
4、-电极 6-惰性气体 7-簧片,机械工程测试技术基础,8,优点:结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。,2019年6月30日星期日,弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象,应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取有效措施来改善这些现象产生的影响。,一般,与其他传感器配套使用,先用弹性元件将被测量转换成位移量,然后用其他形式的传感器(如电阻、电容、电涡流式等)将位移量转换成电信号输出。,缺点:弹性变形不能过大;受结构间隙影响大,惯性大,固有频率低,只宜用于检测缓变或静态被测量。,机械工程测试技术基础,9,第三节 电阻式传感器,电阻式传感器一种把被测量转换为电阻变化的传感器。,分类 (一)变
5、阻器式; (二)电阻应变式,一变阻器式传感器(电位差计式),定义:通过改变电位器触头位置,把位移转换为电阻的变化。,根据电阻公式电阻R 为,(3-1),式中:电阻率;l电阻丝长度; A电阻丝截面积 从式中看出当电阻丝直径和材质一定时,电阻值随导线长度而变化。,分类:(1)直线位移型 (2)角位移型 (3)非线性型 如图3-5 所示,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,10,图3-5 变阻器式传感器 直线位移型 b) 角位移型 c)非线性型,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,11,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,12,4变阻器式传感器后接电路,Rp
6、-变阻器总电阻;xp-变阻器总长度;Rl-后接电路输入电阻。,(3-3),为减小后接电路影响,应使 Rl Rp (减小负载效应)。优点:(1)结构简单;(2)性能稳定;(3)使用方便。 缺点:(1)分辨力不高;(2)躁声较大。 应用:线位移、角位移测量,用于伺服记录仪器或电子电位差计等。,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,13,二电阻应变式传感器,应用范围:测量力、应变、位移、加速度、扭矩等 分类:(1)金属应变片式 ;(2)半导体应变式; 特点:(1)体积小;(2)动态响应快; (3)测量准确度高;(4)使用方便; (一)金属电阻应变片 工作原理:应变片用特制胶水粘固在弹性元
7、件或要测量变形的物体表面上,在外力作用下,电阻丝随该物体一起变形,其阻值发生相应变化。由此,将被测量的变化转换为电阻变化。 种类:常用的有丝式和箔式,其工作原理一样。,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,14,图3-7 电阻丝应变片 1-电阻丝 2-基片 3-覆盖层 4-引出线,(1)丝式把直径为0.025mm的康铜或镍铬合金丝,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间,由引出导线接于电路上。,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,15,图3-8 箔式应变片 a)单轴 b)测扭矩 c)多轴 d)平行轴多栅 e)同轴多栅,(2)箔式用栅状金属箔片代替栅状
8、金属丝。用光刻技术制造,其线条均匀,尺寸准确,阻值一致性好。箔片约厚110 m。散热好,粘接情况好,传递性能好。,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,16,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,17,变换原理,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,18,电阻相 对变化,纵向应变,横向应变,常数sg,(1+2)项是电阻丝几何尺寸改变所引起,同一电阻材料是常数。 E项是电阻丝的电阻率随应变而引起的,一般对金属丝很小可忽略。,机械工程测试技术基础,19,电阻丝轴向相对应变(或称纵向应变),电阻丝径向相对应变(或称横向应变),电阻丝电阻率相对变化,与电阻丝所受正应
9、力有关。压阻系数,与材质有关;E电阻丝材料的弹性模量;,材料泊松比,式中,2019年6月30日星期日,制造中 Sg在1.73.6之间,一般市场上电阻应变片标准为 60,120,350,600,1000 等。几种常用电阻丝材料物理性能见表3-2。,机械工程测试技术基础,20,表3-2 常用电阻丝材料物理性能,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,21,(二)半导体应变片,这一数值比金属丝式大5070倍。,2019年6月30日星期日,工作原理:半导体材料的压阻效应,单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时,其电阻率发生变化,几何尺寸变化0,电阻率变化,机械工程测试技术基础,22,表3-
10、3 几种常用半导体材料特性,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,23,优点:灵敏度高。 缺点:(1)温度稳定性差。 (2)灵敏度分散度大(由于晶向杂质等因数)。 (3)非线性大 。 小结:(1)金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。 (2)半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,24,1直接用来测定结构的应变或应力。 例如:研究机械、桥梁等某些构件在工作状态下的受力、变形情况。,2019年6月30日星期日,2将应变片贴在弹性体上,测量力、位移、加速度等物理参数。,各种传感器从本质上讲均为: 受力 产生弹性变形 电
11、阻应变片阻值发生变化 经二次仪表转换为电压(或电流)信号输出。示例见图3-11。,(三)电阻应变片传感器应用方式,机械工程测试技术基础,25,电阻 应变片,图3-11 动态电阻应变仪框图,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,26,(四)电阻应变片传感器应用注意事项 (1)由应变片测出的是构件或弹性体上某处的应变,通过换算(或标定)才能得到应力、力或位移。 标定 (2)应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺(胶、贴前处理、固化处理、防潮等)至关重要。 贴片工艺 (3)动态测量时,应考虑弹性元件和应变片的动态特性。 动态特性 (4)温度对电阻值的变化影响不容忽略,考虑温
12、度补偿。 温度补偿,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,27,第四节 电感式传感器,原理:把被测量转换为电感量变化的一种装置。(基于电磁感应原理) 分类:,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,28,一、自感式 a) 可变磁阻式,线圈自感量:,W:线圈匝数;Rm:磁路总磁阻H-1,如果空气隙较小,不考虑磁路的铁损时,则总磁阻为,l铁心导磁长度 铁心磁导率 A铁心导磁截面积 气隙长度 0空气磁导率(410-7) A0空气隙导磁横截面积,因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比很小,可以忽略,故:,(3-15),机械工程测试技术基础,29,代入式(3-13
13、)得,(3-16),式(3-16)表明:自感 L 与气隙 成反比,与气隙导磁截面积 A0 成正比。当固定 A0 变化 时,L与 呈非线性关系,此时传感器灵敏度 S 为,(3-17),灵敏度S与气隙长度平方成反比,越小,S 越高。如果 S 不是常数会出现非线性误差。为了减小这一误差,通常规定在较小间隙范围内工作。设间隙变化为(0,0+),一般应用中取/0.1。此种传感器适合于较小位移的测量,一般设为 0.0011 mm。,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,30,图3-13 可变磁阻式传感器典型结构,L与A0成线性关系灵敏度较低。,0+,0-,将两线圈接于电桥相邻两臂,灵敏度提高
14、1 倍,并改善了非线性。,结构简单,易制造,但灵敏度低,适用大位移测量。,有较高灵敏度及线性,常用于电感测微仪上,其测量范围为 0300 m,最小分辨力为0.5m。,2019年6月30日星期日,x,机械工程测试技术基础,31,双螺旋管圈差动型传感器常接于电桥两个桥臂上,线圈电感 L1、L2随铁心位移而变化,其输出特性如图(3-14)所示。,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,32,一、自感式 (b)涡电流式,原理:利用金属导体在交变磁场中的涡流效应。,图3-15 高频反射式 涡流传感器原理,i,i1,1,金属板,当线圈通过一高频交变电流i时,产生磁通
15、。 此交变磁场在邻近金属板上感应电流 i1。 此电流在金属体内是闭合的,称之为“涡流”。 根据楞次定律,涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。 由于涡流磁场作用,使原线圈的等效阻抗Z发生变化,变化程度与距离 有关。,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,33,电涡流传感器实物图,2019年6月30日星期日,34,电涡流式传感器的结构 电涡流式传感器结构比较简单,主要由一个安置在探头壳体的扁平圆形线圈构成。,机械工程测试技术基础,35,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,36,分压式调幅电路:,(3-18),b),2,0,u2,u1,u,a),
16、u2,u1,u,u,u,0,f,f0,图3-17 分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性 a) 谐振曲线 b) 输出特性,振荡器提供稳定的高频信号。 当谐振频率等于电源频率时,输出电压 u 最大。 工作时线圈阻抗随 改变,LC 回路失谐,输出信号 u (t) 频率虽然仍为工作频率,但幅值随 而变化,它相当于一个调谐波。 此调谐波经放大、检波、滤波后即可得到气隙 的动态化信息。,谐振频率,2019年6月30日星期日,f2,f1,1,f0,机械工程测试技术基础,37,调频电路:调频电路的工作原理如图 3-18 所示。与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量。当发生变化时,引起线圈电感 L 变化,使
17、震荡器的震荡频率 f 发生变化,再通过鉴频器进行频率电压转换,即得与 成比例的输出电压。目前此种传感器应用广泛,测量范围为 110 mm,分辨力为 1 m 的 非接触式测量。,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,38,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,39,a)径向振动测量,b)轴心轨迹测量,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,40,c)转速测量,d)穿透式测厚,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,41,e)零件计数器,f)表面裂纹测量,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,42,电磁炉工作示意图
18、,电磁炉内部励磁线圈,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,43,电涡流探雷器,电涡流探雷器的实物图,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,44,电涡流式接近开关 接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离(几毫米至几十毫米)内检测有无物体靠近。 当物体接近到设定距离时,就可发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”,它对正在接近的物体有很高的感辨能力。 这种接近开关只能检测金属。,电感式接近开关的原理框图,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,45,电涡流接近开关实物,机械工程测试技术基础,46,二互感式差动变压器式电感传感器,工作原理见图3-19
19、,当线圈 W1 输入交流电流 i1 时,线圈W2 产生感应电动势 e12,其大小与电流 i1 的变成正比,即,(3-19),式中 M比例系数(称为互感H),其大小与两线圈相对位置及周围介质导磁能力有关。,图3-19 互感现象,e12,i1,W2,W1,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,47,差动式工作原理:见图3-20 b),初级线圈 W 次级线圈 W1, W2反极性串联。当W上加上交流电时,W1, W2分别产生感应电势e1 和e2,其大小与铁芯位置有关。 (1)当铁芯在中心时,e1 = e2 e = 0 (2)当铁芯向上运动时,e1 e2 (3)当铁芯向下运动时,e1 e2,
20、其输出特性见 c),2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,48,问题:交流电压输出存在零点残余电压和输出值不能反映铁芯位移的极性问题。 解决办法:采用如图3-21所示的差动相敏检波电路和差动整流电路在没有输入信号时,铁芯处中间位置,调节R使零点残余电压减小,当铁芯上下移动时,输入信号经放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。 优点:精度高(0.1m级)线性范围大(100mm),稳定度好,使用方便,广泛用于直线位移测量。,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,49,定义:把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。 (又称电磁感应式或电动力式) 原理:由电工学知,一个匝数为W的
21、线圈,当穿过该线圈的磁通 发生变化时,其感应电动势 e 为,(3-34),可见线圈磁感应电动势大小,取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。而磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻和线圈运动速度有关。,第七节 磁电式传感器,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,50,一动圈式(恒磁通式) 1线速度型 在永久磁铁产生的直流磁场内,放置一个可动线圈,当线圈在磁场中运动时,它所产生的感应电动势e为:,(3-35),(3-36),2019年6月30日星期日,W线圈匝数 B磁场的磁感应强度 l单匝线圈有效长度 v线圈与磁场的相对运动速度 线圈运动方向与磁场方向夹角 当=900时式(3-35)可写成,机械工
22、程测试技术基础,51,这类结构有动圈式和动铁式两种,如图所示。,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,52,2角速度型:线圈在磁场中转动时产生的感应电动势为,(3-37),2019年6月30日星期日,角速度 A单匝线圈的截面积 k与结构有关的系数(k1),当传感器结构一定时,W、B、A 均为常数,感应电动势 e 与线圈相对磁场的角速度成正比,这种传感器被用于转速测量。,机械工程测试技术基础,e :发电线圈感应电势; Z0 :线圈阻抗; CC 是电缆导线分布电容; RC 是电缆导线的电阻(可忽略) RL 是负载电阻(含放大器输入电阻);,53,3等效电路,(3-38),如果使用线不长
23、CC可忽略,且RL Z0时,则放大器输入电压为,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,54,二磁阻式(变磁通式) 原理:磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动,由运动着的物体(导磁材料)来改变磁路的磁阻,而引起磁力线增加和减弱,使线圈产生感应电动势。其工作原理见图3-37所示。 特点:磁阻式传感器使用简便,结构简单,不同场合用来测量转速、偏心量、振动等。,图3-37 磁阻式传感器工作原理及应用例,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,2019年6月30日星期日,机械工程测试技术基础,55,磁电式扭距传感器,2019年6月30日星期日,56,磁电式振动传感器的特点: 磁
24、电式振动传感器是惯性式传感器,不需要静止的基准参考,可直接装在被测体上,适合作机械振动测量、转速测量。 传感器是发电型传感器,工作时可不加电压,直接将机械能转化为电能输出。 速度传感器的输出电压正比于速度信号,便于直接放大。 输出功率大,稳定可靠,可简化二次仪表,但传感器尺寸大、重,频率响应低,通常在10100Hz。输出阻抗低几十几千欧,对后置电路要求低,干扰小。 航空航天发动机等设备的振动实验; 兵器,坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射; 民用,机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。,机械工程测试技术基础,57,第五节 电容式传感器,2019年6月30日星期日,根据电容器变化的参数可
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