传感器与测试技术ppt,第四章课件.ppt

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1、第一篇工程测试技术基础1.掌握传感器的基本概念2.了解常用的弹性敏感元件及其特性3.了解传感器的应用及发展趋势第4章传感器技术概论4.1传感器的基本概念1.传感器的定义及组成定义:传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。物理量电量组成:敏感元件、变换元件、辅助元件等。敏感元件:被测非电量→其他形式信号(易于转换成电量:形变);变换元件:非电量→电量(电阻、电感、电容等)辅助元件:信号调节与转换等。传感器组成实例温度传感器2.传感器的分类1)按被测量分类常见的被测物理量包括:机械量:位移、力、速度、加速度…热工

2、量:温度、流量、热量、比热、压力(差)…物性参量:浓度、比重、真空度、酸碱度…状态参量:裂纹、缺陷、泄漏、磨损………电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式等2)按工作原理分类结构型和物性型.3)按信号变换特征:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电

3、阻应变片.按传感器的输出量:模拟式传感器和数字式传感器按传感器的测量方式:接触式传感器和非接触式传感器3.传感器常用的技术性能指标机电学院传感器技术概论传感器性能的基本要求:1)高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)、容易调节(校准简易)2)高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性)3)高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力4)选择性、安全性(传感器应是无污染的)、互换性、  低成本5)宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围4.2弹性敏感元件利用弹性变形进行变换和测量的元

4、件。在机械量(力、压力、位移、速度等)测量常用的弹性敏感元件有弹性梁、柱及筒、膜片、膜盒、弹簧管、波纹管等。1、弹性敏感元件的基本特性刚度:引起单位变形所需要的外力。1)弹性特性灵敏度:单位外力作用下产生变形的大小。2)弹性滞后在弹性变形范围内,加载、卸载正反行程曲线不重合的现象——引起传感器回差的原因。3)弹性后效当弹性元件所加载荷改变时,不能立即完成相应变形,而是经一定时间间隔逐渐完成变形的现象——引起传感器的测量误差。4)温度特性弹性敏感元件的几何尺寸和弹性模量随温度变化5)固有频率固有频率决定其动态特性。一般来说,固有频率越高,其动

5、态特性越好——与灵敏度相矛盾。6)机械品质因素定义:每个振动周期存储的能量与由阻尼等消耗的能量之比,反映了弹性元件消耗能量的程度。对于小阻尼系统(ξ<<1),机械品质因数就等于其谐振状态下的振幅比,即ξ越小,机械品质因数Q值越大,这时弹性敏感元件消耗的能量越少,系统的储能效率就越高;同时系统的幅频特性越陡峭,工作频带变窄。弹性敏感元件的机械品质因数高,谐振元件选频愈强,谐振频率愈稳定,这对设计谐振式传感器有实际意义。2、弹性敏感元件的材料弹性敏感元件的材料主要有金属和非金属两大类,金属材料以结构合金钢为主;非金属材料包括半导体、石英、陶瓷、

6、高分子材料等。P90表4.2.1弹性敏感元件材料的基本要求:(1)弹性极限和强度高;(2)弹性滞后和弹性后效小;(3)弹性模量的温度系数要小且稳定;(4)线膨胀系数要小且稳定;(5)具有良好的机械加工和热处理性能;(6)具有高的抗氧化性、耐腐蚀性、绝缘等性能。3、弹性敏感元件的结构及力学特性1)柱式弹性敏感元件结构简单,可承受很大载荷;但产生的位移很小,所以往往以应变作为输出量。纵向应变横向应变灵敏度高、有效减小偏心等固有频率2)梁式弹性敏感元件结构简单,灵敏度高,多用于较小力的测量。以应变或自由端的位移作为输出量。等截面梁:在距离梁的固定

7、端x处的应变为在梁的根部(x=0),应变最大,在x=l处应变为零;梁的上下表面应变性质相反。固有频率为:自由端的位移为:等强度梁:等应变性应变固有频率注意:作用力F必须施加在梁的两斜边的交汇点;梁的自由端的最小宽度要求——切应力计算。变形梁:实际应用(电子称)自由端的位移为:3)环式弹性敏感元件——灵敏度高园环外、内表面上与水平面成Φ角处所产生的应变为(环内外应变性质不同)当Φ=π/2时,应变最大当Φ=50.5°时,=0,固有频率4)扭转轴——测量扭矩在扭矩T的作用下,其表面产生的最大剪应力为剪应变是角应变,不能直接测量,实际测量应变。主

8、应力和轴线分别成45°和135°5)平面膜片——压力测量径向应变切向应变膜片中心膜片边缘应变节点固有频率6)薄壁圆筒——壁厚和筒径之比<1/20轴向应变周向应变结构简单,刚度好,

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