工程测试技术32-精选课件.ppt
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1、工程测试技术第三章第三章 传感器原理及应用传感器原理及应用本章学习要求:1.了解传感器的分类;2.掌握常用传感器测量原理;3.了解测量电路;4.了解智能传感器的概念;5.了解典型传感器的应用。华中科技大学材料学院本章目录本章目录3.1 概述(4学时)3.2 电阻式传感器3.3 电感式传感器(2学时)3.4 电容式传感器3.5 磁电式传感器3.6 压电式传感器3.7 热电式传感器(2学时)3.8 光电式传感器(2学时)3.9 其它类型的传感器3.10 传感器的应用2华中科技大学材料学院3.1 概述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称为传感器。传感器的作用
2、类似于人的感觉器官。它把被测量如力、位移、温度等,换为易测信号,传送给测量系统的信号调理环节。传感器也可以认为是人类感官的延伸,因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物,例如,用热电偶可以测得炽热物体的温度;用超声波探测器可以测量海水深度;用红外遥感器可从高空探测地面上的植被和污染情况,等等。因此,可以说传感器是人们认识自然界的有力工具,是测量仪器与被测事物之间的接口。传感器处于测试装置的输入端,其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。随着测量、控制及信息技术的发展,传感器作为这些领域里的一个重要构成因素,被视为关键技术之一受到了普遍重视。深入研究传感器的原理和应用,研制新型
3、传感器,对于社会生产、科学技术和日常生活中自动测量和自动控制的发展,以及人类观测研究自然界的深度和广度都具有重要的实际意义。3华中科技大学材料学院1.传感器的定义传感器的定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信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。息转换成另一种信息的装置。物物 理理 量量电电 量量传感器传感器 目前,传感器转换后的信号大多为电信号。目前,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量因而从狭义上讲,传感器是把外界输入的非电量信号转换成电信号的装置。信号转换成电信号的装置。4华中科技大学材料学院2.传感器的构成传感器的构成 传感
4、器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量,并对信号进行转换件的作用是感受被测物理量,并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进输出。辅助器件则是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。行放大、阻抗匹配,以便于后续仪表接入。V5华中科技大学材料学院3.传感器的分类传感器的分类按被测物理量分类按被测物理量分类按工作机理分类按工作机理分类按信号变换特征按信号变换特征按敏感元件与被测对象之间的按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量关系6华中科技大学材料学院按工作按工作机理机理分类分类工作机理分类工作机理分类电
5、阻式电感式光电式压电式电容式变阻器式应变片式热敏式光敏式磁阻式气敏式自感式互感式磁电式极距变化型面积变化型介质变化型涡流式可变磁阻型热电式半导体式电阻丝式机械式7华中科技大学材料学院3.2.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变式传感器的核心是电阻应变式传感器的核心是电阻应变片。电阻应变片。电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。与半导体应变片式两类。1.工作原理工作原理a.对对金属应变片金属应变片 b.半导体应半导体应变片变片AlR)21(ERdR0)21(kRdRERdR8华中科技大学材料学院3)应变片测量电路应变片测量电路
6、VER1R2R4R3ERRRRRRRRV)(324131429华中科技大学材料学院单臂桥路的计算单臂桥路的计算0)(32414231ERRRRRRRRV令:令:dRRR34321RRRRRRdREEdRRRRRRRdRRRV4)()(V V与应变成线形关系,可以用电桥测量电压来与应变成线形关系,可以用电桥测量电压来测量应变。测量应变。当:当:10华中科技大学材料学院双臂半桥的计算双臂半桥的计算dRRR4dRRR3RdREEdRRRdRRRdRRRdRRRV2)()()(1.1.输入与输出基本为线性关系;输入与输出基本为线性关系;2.2.输出是单臂桥的二倍。输出是单臂桥的二倍。当:当:11华中科
7、技大学材料学院全桥电路的计算全桥电路的计算dRRRR42RdREEdRRdRRdRRdRRV222)()()(当:当:dRRRR311.1.输入与输出为线性关系;输入与输出为线性关系;2.2.输出是单臂桥的四倍。输出是单臂桥的四倍。12华中科技大学材料学院()电桥的输出电压V与桥臂电阻的变化率dR/R(或应变)成线性关系(在一定的应变范围内)。电阻应变仪的工作原理,就是利用上述关系,以电桥输出量的大小来确定应变值。()各个桥臂电阻的变化率dR/R(或应变)对输出电压的影响是线性叠加的,相邻桥臂符号相反,相对桥臂符号相同。()利用单、双臂半桥电路确定被测应变值,存在一定的误差。13华中科技大学材
8、料学院4)电阻应变式传感器的应用:测力电阻应变式传感器的应用:测力14华中科技大学材料学院电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用15华中科技大学材料学院标准产品标准产品-Load Cell/Force Sensor16华中科技大学材料学院Torque Sensors17华中科技大学材料学院Pressure Sensor1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片18华中科技大学材料学院案例一:电子称案例一: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。19华中科技大学材料学院案例二:机器人握力测量案例二:机器人握力测量20华中科技大学材料学院案例三:振动式地音入侵
9、探测器案例三:振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范,挖适合于金库、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。墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。21华中科技大学材料学院3.2.3 热敏式传感器热敏式传感器热阻式传感器热电阻热敏电阻线绕式热电阻薄膜式热电阻负温度系数正温度系数线性温度系数 热敏式传感器的工作原理是利用了导体或半导体电阻值随温度变化的性质。构成热敏式传感器的测温元件,有金属热电阻及半导体热敏电阻。22华中科技大学材料学院1.热电阻-RTD 从物理学可知,一般金属导体具有正的电阻温度系数,电阻率随着温度的上升而增加,电阻与温度的关系为Rt=R0(1+
10、At+Bt2+)式中,R0和Rt分别为0C和tC时的电阻值;A和B为常数。常用的标准化测温电阻有铂电阻(Pt100)、铜电阻(Cu50)等。铜电阻的线性很好,但测量范围不宽,一般为0-150。铂电阻的线性稍差,但其物理化学性能稳定,复现性好,测量温度高,测温范围宽,因而应用广泛。23华中科技大学材料学院1).铂电阻-目前最好的材料 长时间稳定的复现性可达10-4 K,是目前测温复现性最好的一种温度计。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,一般用百度电阻比衡量。0100)100(RRWW(100)越高,表示铂丝纯度越高,越高,表示铂丝纯度越高,国际实用温标规定,作为基准器的铂电阻,国际实用温标规定,作
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