传感器与检测技术教案1-

传感器与检测技术教案1-内容摘要：

检测出莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光 栅移动的距离和方向，实现位移的检测。 (6) 测长精度可达 ～ 3μm，分辨率达 . 透射式光路（栅）； 反射式光路（栅） 动光栅相对于静光栅转动，将转动的角度量变换成莫尔条纹信号，通过光电转换元件，将莫尔条纹的变化转换成近似于正弦波形的电信号。 用于角度测量，精度可达 ，分辨力可达 ，甚至更高。 感应同步器 利用电磁感应原理，将线位移和角位移转换成电 信号的一种装置。 根据用途，可将感应同步器分为 直线式 和 旋转式 两种，分别用于 测量： 线位移 和 角位移。 直线线感应同步器由定尺绕组和滑尺绕组（两组，相差 900）组成，两者平面平行相对，间距为 ~。 当滑 尺 的两 组绕组用交流电激励时，由于电磁感应，在定尺的绕组中会产生与激励 电压同频率 的 交变感应电动势 E。 当滑尺相对定尺移动时，改变了通过定尺绕组的磁通，从而改变了定尺绕组中输出 的感应电动势 E。 E 的变化反映了定、滑尺间的相对位移，实现了位移至电量的 变换。 旋转式感应同步器的转子、定子绕组可看成由直线式感应同步器的滑尺、定尺绕组围成辐射状而形成，因此可测角位移。 21 根据对滑尺的正、余弦绕组供给励磁电压方式的不同 ，又分为 鉴相 和 鉴幅型测试系统。 鉴相： 定尺输出电压的相位 x 与相对移动位移 x 成比例； 鉴幅： 定尺输出电压的幅值 A 相对移动位移 x 成比例； ①精度较高，对环境要求低，可测大位移； ②工作可靠，抗干扰能力强，维护简单，寿命长； ③对局部误差有平均化 作用。 激光式位移传感器 （考纲没有要求） 由激光器、光学元件、光电转换元件组成激光测试系统，将被测位移量转化成电信号。 精度高，测量范围大、测试时间短、非接触、易数字化、效率高。 3. 激光干涉测长技术用途 ①精密长度测量（磁尺、感应同步器、光栅检定）； ②精密机床位移检测与校正； ③集成电路制作中的精密定位。 ①单频激光干涉传感器； ②双频激光干涉传感器。 第三章 力、扭矩和压力传感器 测力传感器 分类方式和种类 测量力的传感器多为 电气式 ，根据 转换方式 分为 参量型 和 发电型。 参量型测力传感器 ： 电阻应变式 、 电容式 、 电感式等； 发电型测力传感器 ： 压电式 、 压磁式。 电阻式应变测力传感器 22 工作原理 1） 电阻应变效应 ：金属导体受到外力作用时发生机械变化，产生应变，从而引起电阻阻值变化的现象。 2） 压阻效应 ：固体受到应力作用力时，其电阻率发生变化的想象。 3) 工作原理 ：基于电阻应变效应和压阻效应。 将力作用 在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变，贴在弹性元件上应变片 也会产生应变，其 电阻变化。 然后利用电桥将电阻变化转换成电压或电流的变化。 (再 送入测量放大电路测量 ， 最后利用标称的电压（电流）和力之间的对应关系，测出力的大小或经换算得到被测力。 ) 有柱型、薄壁环型和梁型 1）柱型弹性元件 圆柱形、圆筒形、方柱形 受力后的 应变 值 FSE E—— 材料的弹性模量 Pa； S—— 弹性元件的横截面积 m2； 2) 薄壁环型弹性元件 圆环受拉之后， 承受的弯矩 0 (0 .3 1 8 0 .5 c o s )M F R  R0—— 环的平均半径 m， φ—— 断面的坐标角， M—— 坐标角 φ断面处的弯矩 N178。 m 3）梁型弹性元件 悬臂梁式、两端固定梁式 应变值分别是 ： ɛ=6Fl/Ebh2， ɛ=3Fl/4Ebh2 l、 b、 h 分别是 长度、宽度、厚度 m。 是非电 量电测中一种常见的转换元件。 由于应变片使用简单，测量精度高，体积小，动态响应好，被广泛应用。 分 金属电阻应变片 （金属丝、金属箔）、 半导体应变片。 1) 工作原理 LR S 23 dR dL dS dR L S    (1 2 ) LdR ER       对金属应变片： (1 2 )dR KR      12K  —— 金属应变片灵敏度系数（ ~，比较小）。 对半导体应变片： LdR EKR    LKE —— 半导体应变片灵敏度系数（比金属应变片的大 50~70 倍） 2) 应变片 的结构 (1) 由敏感栅、底基、绝缘保护片组成（图 35） (a)敏感栅的作用 : 感受机械试件的应变变化； (b)底基的作用：将试件的应变准确地传给敏感栅； (c)敏感栅的种类：金属丝、金属箔、半导体。 (2)对 金属丝的要求 (a)具有较高的电阻系数（单位长度的电阻要大）； (b)具有尽可能大的电阻应变灵敏度系数； (c)具有较小的温度系数； (d)具有较高的弹性极限，以便得到较宽的 应变测量范围； (e)良好的加工性和焊接性； (f)对铜的热电动势要小。 (3) 对底基的要求 (考纲上不做要求 )： (a) 应具有较低的弹性模量，较高的绝缘电阻，良好的抗湿抗热性能。 (b) 厚度 20～ 50μm之间， （ 常用底基 ：纸基、胶基、玻璃纤维布基）。 纸基 制作简单，价格便宜，比较柔软，易于粘贴，应变极限大，但耐潮湿性和耐热性差。 胶基 比纸基更柔软，且具有较好的绝缘性，较高的弹性，耐热和耐潮湿性都较好，使用温度达 100℃～ 300℃。 用酚醛树脂、环氧树脂、 聚酯等固化后制成。 玻璃纤维布基： 制作的底基能耐 400℃～ 500℃ 的高温，用于中温和高温情况下。 （ 4） 箔式电阻应变片 (考纲上不做要求 )： 敏感栅是用（ 3~5） um厚的金属箔粘于胶基上，用光刻技术加工成需要的形状。 敏感栅制成 圆角形 栅，也可成 直角形 栅。 24 优点 ： （ 1）金属箔很薄，因而所感受的应力状态与试件表面的应力状态更接近； （ 2）箔式敏感栅面积大，散热条件好，允许通过较大的电流，灵敏度较高，输出信号功率比较大，为丝式电阻应变片的 100~400 倍； （ 3）箔式敏感栅的尺寸可以 做的很准确，基长可以很短，并能制成任意形状，从而可扩大使用范围； （ 4）便于成批生产。 缺点 ： 生产工序复杂，引线的焊点采用锡焊，不适于在高温环境中测量，另外价格比较高。 3） 半导体应变片 (1) 工作原理是基于压阻效应。 (2） 特点 优点 ： 灵敏度系数大，适用于需要大信号输出的场合； 半导体应变片横向效应小，其横向灵敏度几乎为零；机械滞后小，可制成小型和超小型片子。 缺点： 应变灵敏系数的离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。 应根据测量目的、对载荷分布的估计以及在复合载荷下测量应变时应能消除相互影响等情况而定。 电桥 ：有 单臂、双臂、四臂工作方式（平衡条件 Uo=0， R1R3=R2R4） 工作方式 单臂 双臂 四臂 应变片所在位置 R1 R1， R2 R1， R2， R3， R4 输出电压 Uo 1/4UiKε 1/2UiKε UiKε 图 37 图 38 圆筒形弹性元件、应变片。 压电式力传感器 是基于压电元 件的 压电效应 而工作的。 压电效应有正压电效应和逆压电效应。 （ 1） 正压电效应 :当某些 材料 沿一定方向受外力 F 作用而变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷 Q，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，这种物理现象称之 正压电效应。 电荷的极性取决于变形的形式。 25 Q KF K—— 压电常数，与材料有关。 （ 2） 逆压电效应 是当某些晶体的极化方向施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失，这种物理现象称之。 （ 3）压电效应的方向 纵向和剪切向 及 材料 压电晶体 :具有压电效应的晶体， 常用的压电材料 ：石英、钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铝系压电陶瓷（ PZT）以及新型高分子材料（ 聚偏二氟乙烯 PVDF）等。 压电元件在传感器中的 连接方式 ：单片式、两片串联式、两片并联式、剪贴式、扭转式。 两片串联式：输出电压大， 两片并联式：输出电荷量大， 传感器的 等效电路 和前置放大器 1）等效电路 等效为 电荷 为 Q的电容器（电荷源） 或内阻为为 aC 的电压源。 电容量 a SC ； 压电元件两 端电压 i aQU C 2)前置放大器 (1) 压电元件的输出很微弱，电容 aC 很小导致容抗 (阻抗 )很大。 (2) 需采用前置放大器放大压电元件输出的微弱信号，并把高阻抗变换为低阻抗输出 (目的是减少负载效应 )。 压电式传感器的前置放大器的 输入阻抗应尽可能的高。 (3) 前置放大器有 ： 电压放大 器 、 电荷放大器 两种形式。 电压放大器 ：输出电压与压电元件的输出电压成正比，但电缆 电容对输出有影响。 电荷放大器 ：输出电压与压电元件的输出电荷成正比，电缆电容的影响很小，可忽略不计，但价格贵、电路复杂。 （ 1）类型和结构 26 是利用压电晶体的 纵向 和 剪切 向压电效应。 （分：单分量和多分量）。 (2)压电式力传感器的 选用原则 ： 量程和频带的选择 : 估计被测力的大小和频率范围，选用量程和频带合适的传感器。 电荷放大器的选择 : 测量准静态力 (低频 )信号，要求电荷放大器输入阻抗高于 1012Ω，低频响应为。 电缆选择 : 选用受振动、压力变化等影响所产生噪音小的低噪音电缆； 压磁式力传感器 在机械力作用下，铁磁材料内部产生应力变化，使磁导率发生变化，磁阻相应也发生的现象 ，称为 压磁效应。 外力是拉力时，在作用力方向铁磁材料磁导率提高，垂直作用力方向磁导率降低；作用力为压力时，则反之。 常用铁 (压 )磁材料 ： 硅钢片 、 坡莫合金。 制成的弹性体称铁磁体或压磁元件。 理 (1) 压磁元件一般由相互垂直的一次侧绕组、二次侧绕组组成（图 313）。 (2) 在一次侧绕组通过交变励磁电流时，铁心 中产生磁场。 压磁元件不受力时， 磁力线呈轴对称分布，磁力线不与二次侧绕组交链，故二次侧绕组不会感应出电动势。 (3)当压磁元件受力时，由于压磁效应，磁力线分布呈椭圆，磁力线与二次侧绕组交链，故就会在二次侧绕组中感应出感应电动势。 外力越大，磁力线交链越多，二次侧绕组中感应的电动势愈大。 (4) 经测量电路将电动势转换成电压或电流输出。 主要是由 压磁元件 、 弹性机架 、 基座 和 传力钢球 等组成。 扭矩传感器 转矩： 使物体转动 或扭转变形 的力偶或力矩 ，又称 扭矩（扭转力矩）。 单位 是牛顿 ﹒ 米 (Nm)。 电阻应变式扭矩传感器 27 (1) 将电阻应变片直接贴在需要测量扭矩的轴类零件上。 (2) 当轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变， 粘贴在其上的应变片就会 产生应变，从而测出该扭矩。 (3)应变片也可 贴在一根特制弹性传动轴上，制成一个应变式扭矩传感器。 13 1 T KTEW      2. 集流环的用途和种类 1) 用途 : 将转动中轴体上的电信号与固定测量电路装置相联系。 2） 种类 ： 按工作原理分类： 电刷 滑环式、水银式、感应式 、无线式。 (1)电刷 滑环式 ： 结构 ： 由 套筒，绝缘环，滑。