检测技术学习.pptx
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1、11、传感器基本概念、传感器基本概念、传感器基本概念、传感器基本概念(1 1)定义定义第三章第三章 检测技术检测技术 传感器传感器传感器传感器是借助检测元件将一种形式的信号转换成是借助检测元件将一种形式的信号转换成是借助检测元件将一种形式的信号转换成是借助检测元件将一种形式的信号转换成另一种形式的信号的装置。另一种形式的信号的装置。另一种形式的信号的装置。另一种形式的信号的装置。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,传感器是把被测的因而,从狭义上讲,传感器是把被测的物理量物理量转换为电信号转换为电信号的装置。的装置。第1页/共101页传感
2、元件传感元件传感元件传感元件:将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号:将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号:将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号:将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号 (如电阻、电感、电容等)形式。(如电阻、电感、电容等)形式。(如电阻、电感、电容等)形式。(如电阻、电感、电容等)形式。(2 2)相关概念相关概念敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件:是一种能够将被测量转换成易于测量的物理:是一种能够将被测量转换成易于测量的物理:是一种能够将被测量转换成易于测量的物理:是一种能够将被测量转换成易于测量的物理 量的预变换装置。如弹性敏感元件将力转换量的预变换装置。如弹性敏感元件将
3、力转换量的预变换装置。如弹性敏感元件将力转换量的预变换装置。如弹性敏感元件将力转换 为位移或应变输出。为位移或应变输出。为位移或应变输出。为位移或应变输出。基本转换电路基本转换电路基本转换电路基本转换电路:将电信号量转换成便于测量的电量:将电信号量转换成便于测量的电量:将电信号量转换成便于测量的电量:将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。如电压、电流、频率等。如电压、电流、频率等。如电压、电流、频率等。第三章第三章 检测技术检测技术第2页/共101页(3 3)传感器的作用和地位传感器的作用和地位传感器的出现是科学技术发展的必然。传感器的出现是科学技术发展的必然。传感器的出现是科
4、学技术发展的必然。传感器的出现是科学技术发展的必然。第三章第三章 检测技术检测技术历史时代:历史时代:手工化手工化机械化机械化自动化自动化信息化信息化生产方式:生产方式:人与简人与简单工具单工具动力机动力机与机械与机械自动测自动测量控制量控制智能机智能机械装置械装置第3页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术 人与机器的机能对应关系:人与机器的机能对应关系:人与机器的机能对应关系:人与机器的机能对应关系:第4页/共101页加加速速度度传传感感器器在在汽汽车车中中的的应应用用 在轿车上,作为碰撞传感器。装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊第三章第三章 检测技术检测技术第5页/共101页高
5、分子压电电缆的应用演示 测量车速及汽车的载重量,并根据存储在计算机内部的档案数据,判定汽车的车型。第三章第三章 检测技术检测技术高高分分子子压压电电电电缆缆的的应应用用演演示示第6页/共101页(4 4)传感器的分类)传感器的分类第三章第三章 检测技术检测技术 按按被测物理量被测物理量分为:分为:位移传感器位移传感器 速度传感器速度传感器 加速度传感加速度传感 力传感器力传感器 温度传感器温度传感器 。第7页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术温度传感器温度传感器压力传感器压力传感器扭矩传感器扭矩传感器角位移传感器角位移传感器位移传感器位移传感器第8页/共101页第三章第三章 检测技术检
6、测技术 按按传感器工作的物理原理传感器工作的物理原理分为:分为:电阻式电阻式 电感式电感式 电容式电容式 光电式光电式 。第9页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术压电式加速度传感器压电式加速度传感器激光位移传感器激光位移传感器光纤式位移传感器光纤式位移传感器超声波位移传感器传感器超声波位移传感器传感器电感式位移传感器电感式位移传感器第10页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术 按按传感器组成结构传感器组成结构分为:分为:直接变换型直接变换型 差动型差动型 平衡型平衡型第11页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术直接变换型结构直接变换型结构(几(几个串联环节组成的开个串联环节
7、组成的开环系统)环系统)差动型差动型(并(并联系统)联系统)平衡型平衡型(反馈(反馈系统)系统)第12页/共101页(5 5)传感器的特性)传感器的特性第三章第三章 检测技术检测技术 1 1)静态响应特性)静态响应特性 当被测量的数值处在当被测量的数值处在稳定状态稳定状态时,传感器的时,传感器的输出输出输入特性输入特性。包括包括包括包括:线性度、灵敏度、迟滞、重复特性、分:线性度、灵敏度、迟滞、重复特性、分:线性度、灵敏度、迟滞、重复特性、分:线性度、灵敏度、迟滞、重复特性、分辨力、漂移、精度、测量范围。辨力、漂移、精度、测量范围。辨力、漂移、精度、测量范围。辨力、漂移、精度、测量范围。第13
8、页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术线性度线性度L L线性度线性度(非线性误差非线性误差);maxmax最大非线性绝对误差;最大非线性绝对误差;y yFSFS 输出满度值输出满度值第14页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术 灵敏度灵敏度 传感器在静态传感器在静态标准条件下标准条件下,输出输出变化对输入变化的变化对输入变化的比值称为灵敏度比值称为灵敏度,用用S S0 0表示。表示。注意:注意:对于线性传感器来说对于线性传感器来说,它的灵敏度它的灵敏度S S0 0是个常数。是个常数。第15页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术迟滞迟滞 传感器在正传感器在正(输入输入量增大量增
9、大)、反、反(输入量输入量减小减小)行程中输出行程中输出/输输入特性曲线的不重合入特性曲线的不重合程度称为迟滞程度称为迟滞,迟滞误迟滞误差一般以满量程输出差一般以满量程输出y yFSFS的百分数表示:的百分数表示:H Hm m输出值在正、反行程间的最大差值输出值在正、反行程间的最大差值。第16页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术 传感器在同一条传感器在同一条件下件下,被测输入量按同被测输入量按同一方向作全量程连续一方向作全量程连续多次重复测量时多次重复测量时,所得所得的输出的输出/输入曲线不一输入曲线不一致的程度致的程度,称为重复特称为重复特性性,重复特性误差用重复特性误差用满量程输出
10、的百分数满量程输出的百分数表示。表示。重复特性重复特性R Rm m最大重复性误差。最大重复性误差。第17页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术测量范围测量范围分辨力分辨力漂移漂移精度精度传感器能检测到的最小输入增量。传感器能检测到的最小输入增量。由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传传感器的输出发生的变化称为漂移。感器的输出发生的变化称为漂移。精度表示测量结果和被测的精度表示测量结果和被测的“真值真值”的靠近程度。的靠近程度。能够测量的最小与最大值之间的范围。能够测量的最小与最大值之间的范围。第18页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术 2
11、 2)动态响应特性)动态响应特性 动态特性反映了被测量快速变化的性能,可以利动态特性反映了被测量快速变化的性能,可以利动态特性反映了被测量快速变化的性能,可以利动态特性反映了被测量快速变化的性能,可以利用系统的用系统的用系统的用系统的传递函数传递函数传递函数传递函数、频率响应频率响应频率响应频率响应来描述。来描述。来描述。来描述。第19页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术调整时间调整时间峰值时间峰值时间最大超调量最大超调量振荡次数振荡次数延迟时间延迟时间上升时间上升时间a)时域指标)时域指标第20页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术b)频域指标)频域指标可以用幅可以用幅频特性和
12、频特性和相频特性相频特性描述描述第21页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术二阶系统的脉冲输入和响应二阶系统的脉冲输入和响应 二阶系统的阶跃输入和响应二阶系统的阶跃输入和响应 两种典型的输入响应:两种典型的输入响应:第22页/共101页稳定性稳定性(零漂零漂)传感器传感器温度温度供电供电各种干扰稳定性各种干扰稳定性温漂温漂分辨力分辨力冲击与振动冲击与振动电磁场电磁场线性线性滞后滞后重复性重复性灵敏度灵敏度输入输入误差因素误差因素外界影响外界影响 传感器输入输出作用图传感器输入输出作用图输出输出取决于传感器本身,可通过传感器本身的改善来加以抑取决于传感器本身,可通过传感器本身的改善来加以抑
13、制,有时也可以对外界条件加以限制。制,有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特衡量传感器特性的主要技术性的主要技术指标指标第23页/共101页2 2、位移传感器、位移传感器、位移传感器、位移传感器第三章第三章 检测技术检测技术角位移传感器角位移传感器主要有:主要有:电容传感器电容传感器 旋转变压器传感器旋转变压器传感器 光电编码盘光电编码盘 。直线位移传感器直线位移传感器主要有:主要有:电感传感器电感传感器 差动变压器传感器差动变压器传感器 电容传感器电容传感器 感应同步器感应同步器 光栅传感器光栅传感器 。第24页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术直线型直线型 光电型光电型 位位移
14、移检检测测传传感感器器光电编码器光电编码器 光栅光栅 刻度尺(投射型和反射型)刻度尺(投射型和反射型)电压型电压型差动变压器;电容型差动变压器;电容型容栅等容栅等 磁电型磁电型磁尺磁尺电磁感应型电磁感应型直线感应同步器直线感应同步器非接触型非接触型激光、超声波测距等激光、超声波测距等回转型回转型 光电型光电型 增量型编码器增量型编码器 圆光栅圆光栅磁电型磁电型磁尺;电容型磁尺;电容型容栅等容栅等电磁感应型电磁感应型电阻型电阻型电位计电位计绝对型编码器绝对型编码器 旋转变压器旋转变压器 回转感应同步器回转感应同步器 第25页/共101页(1 1)电感式传感器)电感式传感器第三章第三章 检测技术检
15、测技术 电感式传感器是基于电磁感应原理,将电感式传感器是基于电磁感应原理,将被测物理量转换为电感量的变化。被测物理量转换为电感量的变化。1)自感型电感式传感器)自感型电感式传感器 可变磁阻式电感传感器、电涡流式传感器 2)互感型电感传感器)互感型电感传感器 第26页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术1)自感型电感式传感器)自感型电感式传感器 1 1线圈;线圈;2 2铁心;铁心;3 3活动衔铁;活动衔铁;4 4测杆;测杆;5 5被测件触头被测件触头 a)a)可变磁阻式电感传感器可变磁阻式电感传感器W W线圈匝数;线圈匝数;R Rm m总磁阻。总磁阻。当线圈通以激磁电流时当线圈通以激磁电流
16、时当线圈通以激磁电流时当线圈通以激磁电流时,其自感其自感其自感其自感L LL L与磁路的总磁阻与磁路的总磁阻与磁路的总磁阻与磁路的总磁阻RmRmRmRm有关有关有关有关第27页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术如果空气隙如果空气隙较小较小,而且不考虑磁路的损失而且不考虑磁路的损失,则总磁阻为则总磁阻为L L铁心导磁长度(铁心导磁长度(m m););铁心导磁率(铁心导磁率(H H/m m););A A铁铁 心心 导导 磁磁 截截 面面 积积(m m2 2),A A=ab;=ab;空气隙空气隙(m),(m),=0 0+;0 0空气磁导率(空气磁导率(H Hm m),0 0=210=210-
17、7-7;A A0 0空气隙导磁截面积(空气隙导磁截面积(m m2 2)。)。铁铁心心的的磁磁阻阻与与空空气气隙隙的的磁磁阻阻相相比比很很小小,计计算算时时铁心的磁阻可忽略不计铁心的磁阻可忽略不计,故故代代 入入,得得 第28页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术b)b)电涡流式电磁传感器电涡流式电磁传感器变换原理变换原理:金属导体在交流磁场中的涡电流效应。金属导体在交流磁场中的涡电流效应。金金属属板板置置于于一一只只线线圈圈的的附附近近,它它们们之之间间相相互互的的间距为间距为。第29页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 高高频频(1(1
18、MHz)MHz)激激励励电电流流i0i0产产生生的的高高频频磁磁场场作作用用于于金金属属板板的的表表面面,由由于于集集肤肤效效应应,在在金金属属板板表表面面将形成涡电流。将形成涡电流。第30页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 (a a)原理图;原理图;(b b)曲线图曲线图 第31页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术2)互感型电感式传感器)互感型电感式传感器(a a)、()、(b b)工作原理)工作原理;(c c)输出特性)输出特性 当当初初级级线线圈圈输输入入交交流流激激励励电电压压时时,次次级级线线圈圈将将产产生生感感应应电电动动势
19、势e1e1和和e2e2。传传感感器器的的输输出出电电压压为为两两者者之之差差,即即ey=e2-e1ey=e2-e1。第32页/共101页(2 2)电容式传感器)电容式传感器第三章第三章 检测技术检测技术 电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化,再通过配套的测量电路,将电容电容量的变化,再通过配套的测量电路,将电容的变化转换为电信号输出。的变化转换为电信号输出。式中:0真空的介电常数;s 极板的遮盖面积;极板间相对介电系数;两平行极板间的距离。第33页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术1)极距变化型电容式传感器)极距变化型电容式传感器 如
20、如果果两两极极板板相相互互覆覆盖盖面面积积及及极极间间介介质质不不变变,当当两两极极板板在在被被测测参参数数作作用用下下发发生生位位移移,引引起起电电容容量量的的变变化化为:为:传感器的灵敏度为:传感器的灵敏度为:第34页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术2)面积变化型电容式传感器)面积变化型电容式传感器 动动板板与与定定板板之之间间相相互互覆覆盖盖的的面面积积引引起起电电容容量量变变化化。当当覆覆盖盖面面积积对对应应的的中中心心角角为为a a、极极板板半半径径为为r r时时,覆覆盖盖面面积为:积为:电容量为:电容量为:其灵敏度为:其灵敏度为:第35页/共101页(3 3)数字光栅传感
21、器)数字光栅传感器第三章第三章 检测技术检测技术光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列而成的光电器件。20线-150线/mm25线-50线/mm透射式反射式为光栅常数,也称光栅栅距。第36页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术按用途分物理光栅计量光栅利用光的衍射现象,主要用于光谱分析、光波长测量。利用莫尔条纹现象,主要用于长度、角度、速度、加速度、振动等物理量的测量。计量光栅长光栅圆光栅用于长度测量用于角度测量按光的走向透射式光栅反射式光栅按栅线的形式黑白光栅(幅值光栅)闪耀光栅(相位光栅)径向光栅切向光栅环形光栅第37页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术长光
22、栅-直线位移圆光栅-角位移 构成:主光栅-标尺光栅,定光栅 指示光栅-动光栅长度-测量范围;刻线密度-测量精度(10、25、50、100、125线/mm)光栅传感器的结构光栅传感器的结构第38页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术光源透镜主光栅指示光栅光电元件光栅副光 路第39页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术 工工作作原原理理:把把两两块块栅栅距距W W相相等等的的光光栅栅平平行行安安装装,且且让让它它们们的的刻刻痕痕之之间间有有较较小小的的夹夹角角时时,这这时时光光栅栅上上会会出出现现若若干干条条明明暗暗相相间间的的条条纹纹,这这种种条条纹纹称称莫莫尔尔条条纹纹,它它们们沿
23、着与光栅条纹几乎垂直的方向排列,如图所示。沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列,如图所示。第40页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点:1.1.莫莫尔尔条条纹纹的的位位移移与与光光栅栅的的移移动动成成比比例例。光光栅栅每每移移动动过一个栅距过一个栅距W W,莫尔条纹就移动过一个条纹间距,莫尔条纹就移动过一个条纹间距B B;2.2.莫莫尔尔条条纹纹具具有有位位移移放放大大作作用用。莫莫尔尔条条纹纹的的间间距距B B与与两光栅条纹夹角之间关系为两光栅条纹夹角之间关系为3.3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。第41页/共101页第三章第三
24、章 检测技术检测技术 通过光电元件,可将莫尔条纹移动时光强的变化通过光电元件,可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号,如图所示。转换为近似正弦变化的电信号,如图所示。其电压为:其电压为:其电压为:其电压为:第42页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术 将此电压信号放大、整形变换为方波,经微将此电压信号放大、整形变换为方波,经微分转换为脉冲信号,再经辨向电路和可逆计数器分转换为脉冲信号,再经辨向电路和可逆计数器计数,则可用数字形式显示出位移量,位移量等计数,则可用数字形式显示出位移量,位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。第43
25、页/共101页(4 4)感应同步器)感应同步器第三章第三章 检测技术检测技术感应同步器结构感应同步器结构 sinsin coscos 节距节距节距节距44(2mm2mm)节距节距节距节距(0.5mm0.5mm)绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔铜箔铜箔 铝箔铝箔铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板基板基板(钢、铜钢、铜钢、铜钢、铜)滑尺滑尺滑尺滑尺定尺定尺定尺定尺第44页/共101页第三章第三章 检测技术检测技术感应同步器结构:感应同步器结构:包括定尺和滑尺,用制造印刷线路板的腐蚀包括定尺和滑尺,用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距方法在定尺
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