测试与传感技术（ 2 ）

1. 测试与传感技术（2） 孙裕晶 2012.10.22

2. 回 顾 测试信号分析方法 传感器原理与应用 性质 测试系统特性分析 测试系统 被测量 传感器 信号调理 信号处理 显示记录 激励装置 测试系统结构 常用传感器原理与应用 信号的变换与处理 应变片电测技术 振动的测量 过称量检测 虚拟仪器与集成检测技术 测试系统应用实例

3. 第2章 常用传感器原理与应用 分 类 • 用途：位移传感器、压力传感器、温度传感器、… • 工作原理：电阻应变式、电感式、电容式、压电式、… • 被测量的转换特征：结构型和物性型 • 能量传递方式：能量控制型传感器和能量转换型传感器

4. 主要内容 • 电位器式式传感器 • 电阻应变式传感器 • 电感式传感器 • 电容式传感器 • 压电式传感器 • 磁敏传感器 • 光电式传感器 • 集成传感器

5. 6.1 电阻应变式传感器 • 原理：利用电阻应变片将应变转换为 电阻变化 • 功能：测量应变、力、扭矩、位移、加速度等 • 特点：灵敏度高、测量精确、动态响应快、技术成熟 金属电阻应变片 电阻应变片 半导体应变片

6. 一、电阻应变片式传感器 • 结构 1-敏感栅 2-基片 3-覆盖层 4-引线 l——应变片的基长，b——基宽 • 材料 直径为0.025mm左右的康铜(wCu为57％、wNi为43％)或镍铬合金丝(wNi为80％、wCr为20％) 阻值系列：60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1000Ω，以120Ω为最常用。

7. 电阻应变片式传感器工作原理 • 电阻应变效应 当金属丝在外力作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化。 纵向应变 微分 电阻相对变化 整理

8. 电阻应变片式传感器工作原理 应变系数或灵敏度 金属电阻应变系数 金属电阻丝的灵敏度一般在1.7～3.6左右。

9. 应变片产品

10. 二、半导体应变片 • 压阻效应 半导体单晶材料在沿某一方向受到外力作用时，电阻率会发生相应变化的现象称为压阻效应。 (1+2μ)ε很小 λ压阻系数 1-基片 2-半导体 3-导线 4-接线片 5-引出线 • 优点： • 灵敏度高，比金属应变片要高50～70倍，P型硅的灵敏度可达175。 • 还有横向效应和机械滞后小、体积小等特点。 灵敏度 体型半导体应变片 • 类型 薄膜型半导体应变片 扩散型半导体应变片

11. 半导体应变片 局限性 • 电阻值温度稳定性差因附加变形产生的电阻变化大 • 灵敏系数温度稳定性差 • 受拉应变和压应变时的K不一致 • 输出量较大时，非线性严重 600-1000με时非线性开始明显； 1000με以上时非线性较大。 • 半导体应变片灵敏度系数离散度大 3%-5%

12. 应变片的主要参数和工作特性 • 应变片尺寸 • 阻值 • 灵敏度系数K 最小尺寸： 箔式：0.2-0.5mm 丝式：3-5mm 选片原则： 试件测量部位大小； 应变梯度； 动态测试中 擅长应不大于振动波长的 特定条件： 单向应力； 轴线应力； 材料一定，μ不变

13. 应变片的主要参数和工作特性 • 零点飘移 • 热输出 对已安装的应变片，在环境温度恒定，但无机械应变条件下，应变片指示应变随时间的变化。 安装在线膨胀系数试件上，试件可以自由膨胀并不受外力作用，缓慢升（或降）温的均匀温度场内，温度变化引起的应变片指示应变。

14. 应变片的主要参数和工作特性 • 蠕变 • 机械滞后 • 应变极限 • 横向效应系数 • 绝缘电阻 • 疲劳寿命 • 最大工作电流 标准：应变片承受应变为1000με时，经一小时应变片指示应变的变化量。 对已安装的应变片，在环境温度恒定，加载和减载过程中同一载荷下应变片指示应变量大差值。

15. 应变片及其附属元件

16. 电阻应变片式传感器应用 • 位移传感器 应变片式位移传感器 1-测量头 2-悬臂梁 3-弹簧 4-外壳 5-测量杆 6-调整螺母 7-应变片 悬臂梁式位移传感器

17. 电阻应变片式传感器应用 • 直接把应变片贴在试件上 安装方便 适用于电子吊秤 配料秤． 机改电等悬挂称重系统 适用于电子汽车衡、轨道衡和测力系统 机器人

18. 电阻应变片式传感器应用

19. 三、电位器式位移测量传感器 光电式电位器结构图 1-光电导体 2-基体 3-电阻薄膜 4-窄光束5-导电带 线绕电位器的阶梯输出特性

20. 第1次实验：应变片的粘贴工艺 直流电阻电桥 • 表面清理 • 划线 • 应变片粘贴 • 粘接层固化 • 粘贴质量检验 测量通断 应变片和实践通断 引线和试件间的绝缘电阻 • 安装连接线 连接端子、连接线 • 检查 • 应变片防护 万用表 兆欧表 502胶 无水乙醇

21. 如何评价应变片粘贴工艺 • 对粘接剂要求 强度 固化过程变形小 固化后不吸潮 绝缘阻值高 蠕变和滞后小 工艺性 能长期储存 • 粘贴质量要求 粘贴牢固 胶层薄而均匀 绝缘性好 蠕变小

22. A great lesson of life is don’t like to do what you like but like to do what you have to do.

23. 电感式传感器 • 自感式 • 差动变压器式 • 电涡流式 一、自感式传感器 线圈自感量 自感式传感器结构原理 a)变气隙式 b)变面积式 c)螺旋管式 1-铁心 2-线圈 3-衔铁 磁阻

24. 二、差动变压器式传感器 c)螺管型 a)变气隙型 b)变面积型 差动变压器示意图 1-一次绕组 2、3-二次绕组 4-衔铁 优点：不存在机械过载问题，因为铁心完全能与变压器的其他部件分开； 对高温、低温和温度变化也不敏感； 能提供比较高的输出，常常用于中间无需放大的场合； 可反复使用，价格合理。

25. 差动变压器式位移传感器的应用 • 灵敏度：0.1～5V/mm或100mA/mm • 螺管型差动变压器线性范围：±2μm～±500mm，线性可达0.1％～0.5％。

26. 三、电涡流式传感器 将金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，像水中的漩涡一样，故称为电涡流或涡流。 δ——位移、振动；ρ或μ——材质鉴别或探伤

27. 电涡流式传感器应用 • 反射式电涡流式位移传感器 a)单线圈式 变间隙型 变面积型 • 结构简单、体积小、抗干扰能力强、不受介质污染等影响、可进行非接触测量、灵敏度高等特点； • 适合高速旋转或振动位移的测量，除测量位移外，还可用于测量厚度尺寸、物体表面粗糙度、无损探伤等。 • 可测位移量程：0～80mm。 b)差动式

28. 电涡流式传感器应用 • 透射式电涡流式位移传感器 L0—发射线圈 L2—接收线圈 被测金属板 fl<f2<f3

29. 4.3 电容式传感器 • ε • A • δ 极距变化型 主要参数 量程范围在0.01μm到数百μm。 介电常数 极板覆盖面积 极板距离 a) 直线位移型 b) 角位移 面积变化型电容传感器

30. 电容式传感器应用 差动电容传感器 线位移：0.01μm～0.1mm 灵敏度高， 实现非接触测量 变面积型电容位移传感器的结构图 1、3-开槽弹簧 2-活动电极 4-测力弹簧 5、6-固定电极 7-调节螺母 8-测杆 液位测量示意图

31. 4.4 压电式传感器 • 压电效应 某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力或拉力而使之变形时，它们的表面上会产生电荷，当将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种观象就称为“压电效应”。 逆压电效应（电致伸缩效应） 石英晶体 • 压电材料 x-x: 机械轴 y-y: 电轴 z-z: 光轴 压电单晶 压电陶瓷 新型压电材料 压电常数大、灵敏度高、价格低廉 阵列传感器 机器人触觉传感器 有机压电薄膜 柔软、不易破碎、面积大 压电半导体 硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硫化钙(CaS)等

32. 压电式传感器等效电路 • 压电晶片相当于一只平行极板介质电容器 a)压电晶体 b)并联 c)串联 d)等效电路 • 压电元件可以等效为一个具有一定电容的电荷源

33. 4.5 磁敏传感器 一、基本元件 • 霍尔元件 • 磁敏电阻 • 磁敏管 b 霍尔效应 将导电体薄片置于磁场B中，如果在a、b端通以电流I，则在c、d端就会出现电位差，这一现象称为霍尔效应。电位差称为霍尔电势。 霍尔效应原理图 霍尔电势 KH——霍尔常数； B——磁感应强度； α——电流与磁场方向的夹角。 霍尔元件可以用来测量磁场强度、位移、力、角度等。

34. 二、磁栅式位移测量系统 • 磁栅 磁栅是一种测量位移的数字传感器，它是在非磁性体的平整表面上镀一层磁性薄膜，并用录制磁头沿长度方向按一定的节距λ录上磁性刻度线而构成的，因此又把磁栅称为磁尺。 单面型直线磁栅 同轴型直线磁栅 旋转型磁栅 最高工作速度为12m/min 系统的精度可达0.0lmm/m 最小指示值为0.001mm 使用范围为0～40℃ 磁栅式位移传感器的结构示意图 1-输出绕组 2-铁心 3-激励绕组 4-磁头 5-磁尺 磁栅主要用于大型机床和精密机床的位置或位移量的检测元件。 • 感应同步器 （略）

35. 4.6 光电式传感器 基本概念 • 光电效应 光电管 外光电效应 在光的照射下，金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的现象称为外光电效应。 光电管 光电倍增管 内光电效应半导体材料受光的照射后，其电导率发生变化的现象称为光导效应，而受光后产生电势的现象称为光生伏特效应。二者统称为内光电效应。 基于光导效应的光电器件有光敏电阻， 光电池 基于光生伏特效应的有光电池、光敏晶体管等。 光敏晶体管

36. 二、固体图像传感器 (Charge Coupled Device，CCD) • 电荷耦合器件 具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。 金属一氧化物一半导体结构元(MOS) • 读出移位寄存器 CCD基本单元的结构 遮光层 每个像素由三个(也有二个、四个的)电极组成一个耦合单元 读出移位寄存器的结构原理

37. 结构形式 • 线阵结构 • 面阵CCD

38. CCD应用举例 光学系统放大率：1:M L=(Nd±2d)M L——工件尺寸； N——覆盖的光敏单元数； d——相邻光敏元中心距离。 最大误差：±2d（图像末端两个光敏单元）。 • 尺寸自动检测 • 缺陷检测 工件尺寸测量系统 验钞机结构原理图 两列信号比较

39. 4.7 光纤位移测量系统 • 元件型 • 反射型 微弯光纤传感器 位移分辨力为0.01μm 反射型光纤位移传感器工作原理 1-光纤接受端头 2-光纤发送接受端头 3-光纤发送端头 4-反射镜面 5-电源

40. 光纤生物传感器 ①轻、细长、小，光纤探针可应用于生物体内研究； ②抗电磁干扰强，在强电磁干扰、高温高压、易燃易爆和强放射性等恶劣环境中应用，便于遥测； ③应用范围广，成本低，且操作方便； ④应用于多波长和时间分辨测量技术，改进分析结果的重现性。

41. 4.8 轴角编码器 轴角编码器又称码盘，是测量轴角位置和位移的一种数字式传感器。 • 绝对式编码器 • 增量式编码器 敏感元件：光电式的、磁电式的或电刷接触式。 数控机床、机器人位置控制、机床进给系统控制、角度测量、通信和自动化控制

42. 增量编码器（脉冲盘式） 增量码道与辨向码道

43. Radar II Ground Speed Sensor

44. 4.9 智能传感器 • 向微型化发展； • 应用新机理（物理现象、化学反应、生物效应）； • 使用新型材料； • 向微功耗及无源化发展； • 采用新加工技术(如化学微腐技术、微机械加工技术)； • 高可靠性、宽温度范围发展。 以智能传感器技术为检测头的呼吸医疗监视仪, 能研究各种情感和呼吸之间的联系，并且用来真实纪录一个人的呼吸状况及其变化. 呼吸医疗监视仪