机械工程测试技术基础(张军)第三章2.ppt
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1、第三章 常用的传感器,Sensor, transducer, Resolution,threshold value,null,excitation,output Repeatability of measurement,hysteresis,drift Sensitivity,linearity,least-squares line, natural frequency Calibration,response,span,3-1 传感器的分类,按被测量分类: 位移传感器 力传感器 温度传感器 按工作原理分类: 机械式 电气式 光电式 流体式,按信号变换特征分类: 物性型、结构型 按敏感元件与被
2、测对象间能量关系: 能量转换型、能量控制型 按输出信号分类: 模拟式、数字式,名词,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,压电测力计 结构型传感器: 依靠传感器结构参量的变化而 实现信号转换。 如:电容式传感器,电感式传感器,能量转换型传感器:无源传感器,直接由被测对象输入能量使其工作。如热电偶温度计、弹性压力计 能量控制型传感器:有源传感器,从外部供给辅助能量使传感器工作,并由被测量来控制外部供给能量的变化。 如:电阻应变计,3-2 机械式传感器,以弹性体作为传感器的敏感元件,又称为弹性敏感元件。 输入量:力、压力、温度 输出:弹性元件本身的
3、变形 转变为仪表指针的偏转。 如:测力计、弹簧秤;波纹膜片;双金属片 特点:结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观。 缺点:放大和指示环节存在间隙,惯性大,固有频率低。,3-3 电阻式传感器,机械量电阻变化 分类:变阻式大电阻式 应变式小电阻式,一、变阻器式传感器(电位计式),电阻率,L长度,A截面积,单位长度的电阻(常数),输入量:触点C移动量位移,C点与A点之间电阻输出量,传感器灵敏度,对于图a:,当:RL时,则:,在u0作用下,传感器输入量x与输出量 uy之间的关系:,u0 直流激励电压 uy 传感器输出电压 xp变阻器总长度 Rp变阻器总电阻 RL后续测量电路的输入电阻,优缺点:
4、 优点:结构简单,性能稳定,使用方便 缺点:分辨率低(低于20m),电噪声大(uyx曲线为阶梯形状) 应用于:线位移、角位移测量,测量仪中电子电位差计等。,二、电阻应变式传感器,1 金属电阻应变片 金属丝式应变片(电阻丝式应变片)、金属箔式应变片,应变计,金属应变计,由:,得到:,电阻的相对变化:,电阻丝轴向相对变形,纵向应变,电阻丝径向相对变形,横向应变,电阻丝材料泊松比,弹性模量,压阻系数,应变系数或灵敏度,2 半导体应变片,应用半导体材料的压阻效应。 压阻效应:单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时,能使其电阻率发生很大变化的现象。,一般比金属丝电阻应变片大5070倍,优点: 灵敏度高
5、,机械滞后小、横向效应小、体积小。 缺点: 温度稳定性能差,灵敏度分散大,在较大应变作用下,非线性误差大。,3 应用,直接用来测定结构的应变或应力,将应变片贴于弹性元件上,作为测量力、位移、压力、加速度的传感器,案例:冲床生产记数 和生产过程监测,案例: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。,案例:桥梁固有频率测量,案例:振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范,挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,案例:机器人握力测量,注意的问题: 应变片测出的是应变,必须经过转换 粘贴工艺很重要 用于动态测量时,应考虑应变片本身的动态特性(激励电源频率、
6、基片的长度) 温度变化引起阻值变化,需考虑温度补偿,3-4 电感传感器,被测机械量电感量(互感量) 分类:自感型(可变磁阻式、电涡流式) 互感型(差动变压器式) 变换原理:基于电磁感应,一、可变磁阻式电感传感器,工作原理 : 由电工学知,线圈自感量L为,W线圈匝数 Rm 磁路总磁阻,如果空气隙较小,而且不考虑磁路的铁损时,总磁阻,l铁心导磁长度;铁心导磁率;A铁心导磁截面积,A=ab; 气隙长度;0空气导磁率,0=410-7;A0空气隙导磁横截面积。,铁心磁阻与空气隙的磁阻相比很小,可忽略,则电感量:,可构成、0 、A0 及W变化型传感器 铁心导磁率; A铁心导磁截面积 气隙长度 W线圈匝数,
7、在气隙变化型中,L与是呈非线性关系(双曲线),灵敏度,由于S不是常数,会出现线性误差,一般规定在较小间隙范围内工作,工作范围00+,一般取/010%,这种传感器使用于小位移的测量,一般为0.0011mm。 特点:灵敏度高。,图3-22 几种常用可变磁阻式传感器的典型结构,电涡流式电感传感器,工作原理:电涡流现象: 金属板置于一只线圈附近,相互距离为。当线圈中有一高频交变电流I通过时,便产生磁通1。此交变磁通通过邻近的金属板,金属板上便产生感应电流i1。这种涡电流也将产生交变磁通1。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,1总是抵抗的变化。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发
8、生变化,变化程度与距离有关。,例如:ST-1-03型非接触电涡流传感器,测头直径:8,线性度:1.1%,测量范围:2mm,稳定度:0.05%/,灵敏度:8mv/m,分辨率:0.125m 其它、0 、A0 及W变化型,S为常数,但S比较低。 自感式传感器,还有差动式、单螺管、双螺管差动式。,产品:,案例:连续油管的椭圆度测量,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,互感型-差动变压器,工作原理: 利用电磁感应中的互感现象(与变压器的原理相同),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的导磁能力等因素有关,它表明两线圈之间的耦合程度。,螺旋管式
9、差动变压器式传感器,传感器线圈为原边,R1、L1为线圈电阻、电感,涡流回路为付边,R2、L2为等效电阻、电感,等效回路方程:,传感器的线圈等效阻抗Z1,实部:线圈的等效电阻,虚部:线圈的等效电感 测得线圈等效电阻或等效电感变化就测得间隙的变化。,变压器由初级线圈W和两个参数完全相同的次级线圈W1、W2组成。线圈中心插入圆柱形铁心P,次级线圈W1及W2 反极性串联。 当初级线圈W加上交流电压时,次级线圈W1及W2分别产生感应电势e1和e2,其大小与铁心位置有关。 当铁心在中间位置时,e1=e2,输出电压e0=0, 铁心向上运动时,e1e2 向下运动时,e1e2。随着铁心偏离中心位置,e0逐渐增大
10、,其输出特性如图所示,自感型的单螺管传感器加上初级线圈W,都可以变成变压器式传感器,简称差动式变压器,特点: 线性测量范围大,可达100mm 精度高,分辨率可达0.1m, 稳定性好(变压器隔离作用,支流去除), 频率响应:0200Hz(频率响应低),案例:板的厚度测量,案例:张力测量,3-5 电容式传感器,被测量电容量变化,变化原理,平行极电容器,极板间介质的相对介电常数,在空气中=1; 0真空中介电常数, 0=8.8510-12F/m; 极板间距离; A极板面积 当、A、变化,都会引起电容的变化,对应极距变化型、面积变化型和介质变化型。,极距变化型,c 与之间关系呈非线性。,一般取/0 10
11、%,S近似为常数,在此范围内,近似为线性。,面积变化型,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板,另一个极板是物体本身,当物体移向接近开关时,物体和接近开关的介电常数发生变化,使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体,并不限于金属导体,也可以是绝缘的液体或粉状物体。,测量电路,3-6 压电式传感器,被测机械量压电敏感元件的电荷输出,一、压电材料与压电效应,压电效应,正压电效应:某些晶体在其表面施加力,不仅几何尺寸发生变化,而且内部极化,在其表面出现电荷,形成电场;当外力消失时,材料重新回复到原来状态,这种现象成为正压电效应。 逆压电效应:将这些晶体置于电场中,其几何尺寸也
12、发生变化,这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象,称为逆压电效应,或称为电致伸缩效应。,压电材料,1压电单晶石英、铌酸锂,稳定性好,灵敏度低 压电多晶压电陶瓷、锆钛酸铅,稳定性差,灵敏度高 压电半导体有压电半导体两特性 有机压电薄膜聚丙二氟乙烯(PVPF),灵敏度低,用于微压、拟人触觉,大面积生产,柔软不易碎。,二、石英晶体的正压电效应,石英晶体成分SiO2,其基本结构为六棱柱体,石英晶体的直角坐标: X-X压电轴, Y-Y机械轴, Z-Z光轴,在石英晶体中切出一个平行六面体,其对表面分别垂直于X、Y、Z轴。,a)纵向效应,b)横向效应,c)切向效应,纵向压电效应 沿X方向施加Fx力,将在
13、垂直于X轴表面出现电荷qx qx=d11Fx d11=2.3110-12C/N,横向压电效应 沿Y方向施加Fy力,将在垂直于X轴表面出现电荷qx qx=-d11Fy,切向压电效应 在垂直于Z轴两个石英表面上施加切向力Fy切,则在垂直于XX轴的表面产生电荷qx qx=d14Fy切 d14=0.7310-12C/N,!沿Z轴表面施加Fz作用力,其表面不产生电荷。,三、石英晶体压电效应的物理解释,组成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于Z轴平面上的投影可以等效为正六边形的顶点排列。 当不受力时,硅、氧离子的正、负电荷的等效作用中心重合,对外不显电性。 纵向压电效应 在Fx力的作用下,石英晶体变形,硅、
14、氧离子的正、负电荷的等效作用中心沿X轴方向分离,因此在垂直于X轴的晶体表面将吸附电荷(形成偶极子电场,与外力电场平衡。,四、压电传感器及等效电路,单向石英压电测力传感器,若R0时,石英=4.5 锆钛酸铅=1200,传感器输出电压u与C0、R0的关系,其稳态解为,电容上的电压值为,在C一定时 当R00时,u=0,当R0时,u=q0/Csin(wt+),因此,提高测量精度,即减小电荷漏失,要R0尽量大,理想,五、测量电路,电压放大器、电荷放大器,设R0,其中电缆对地电容CC比Ca和CI都大,故整个测量系统对电缆对地电容的变化非常敏感,从而使仪器的灵敏度发生变化。,设R0,uI放大器输入电压,uy放
15、大器输出电压 A电荷放大器开环增益 Cf电荷放大器反馈电容,电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比,与电缆对地电容无关。但电路复杂,价格昂贵。,六、应用,正压电效应测力(加速度、扭矩) 逆压电效应振动送料器、执行器,加速度计,力传感器,YDS-78型石英压电传感器 测力范围:5000N 分辨率:0.01N 线性误差:51013 固有频率:50KHz 工作温度:-60+140 重量:10克 尺寸:18mm7mm 获省科技成果一等奖,3-7 磁电式传感器,磁电式传感器是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传感器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁
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