最新工程测试技术基础--第三部分-传感器原理课件PPT.ppt 98页

'工程测试技术基础--第三部分-传感器原理 第三章、传感器测量原理3.1概述1.传感器定义传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。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信号转换成电信号的装置。物理量电量 2.传感器的构成传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，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行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。3.1概述dV 3.2电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.123132直线型旋转型1变阻器式传感器(1)工作原理第三章、传感器测量原理 等效电路分析:Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0x100%100%Output0负载效应3.2电阻式传感器 (2)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;(3)变阻器式传感器的分类变阻器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕电位器3.2电阻式传感器 (4)变阻器式传感器的特点电阻器制作特点绕线式直径0.012-0.1mm的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘胶木板等卷芯上而制作电阻温度系数非常好，为±5-20*10-6/0C;精度,稳定性,重复性比薄模式好,分辨力低于薄模式.金属陶瓷式电阻胶印在陶瓷基板上,并用高温烧制而成.分辨力高,环境适应性强前,电阻温度系数,为±200*10-6/0C左右.导电-塑料式将基板的树脂与电阻墨制成一体,获将电阻胶涂于薄膜基片上.分辨力,寿命,高速现响应特性好,电阻温度系数为±400*10-6/0C混合式导电性树脂涂于限绕式电阻元件上兼有绕线式和导电-塑料式的优点,电阻温度系数为±150*10-6/0C3.2电阻式传感器 (5)应用案例：重量的自动检测--配料设备重量设定原材料比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化3.2电阻式传感器 案例：煤气包储量检测原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化煤气包钢丝特点：（1）测量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。3.2电阻式传感器 案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化3.2电阻式传感器 2电阻应变式传感器--应变片金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。3.2电阻式传感器 1)工作原理金属应变片的电阻R为(1)当不变时金属应变计(2)当变化时半导体应变计3.2电阻式传感器 2)金属应变计金属应变计有:丝式和箔式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计3.2电阻式传感器 3)半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。应变计3.2电阻式传感器 3)应变片的主要参数1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。3.2电阻式传感器 案例：桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。3.2电阻式传感器4)应用 案例：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。3.2电阻式传感器 第三章、传感器测量原理3.3电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型 3.3电感式传感器1自感型--可变磁阻式a)可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动原理:电磁感应 3.3电感式传感器双螺管线圈差动型传感器及测量电路~交流电桥 3.3电感式传感器2涡流式原理:涡流效应原线圈的等效阻抗Z变化： 3.3电感式传感器优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。应用：位移、力、振动测量，NDT，测厚,材质判别案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensorReferenceCircle原理： 3.3电感式传感器案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测 3.3电感式传感器案例：测厚案例：零件计数 3.3电感式传感器2互感型--差动变压器工作原理:互感现象.WW1W2Esx-xEwEout 3.3电感式传感器测量电路 3.3电感式传感器应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：板的厚度测量~案例：张力测量 第三章、传感器测量原理3.4电容式传感器1.变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++A当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。 2分类3.4电容式传感器a)极距变化型;+++c)介质变化型b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++ 3测量电路3.4电容式传感器a)电桥电路b)谐振电路c)调频电路d)运算放大器电路 4应用3.4电容式传感器案例：电容传声器案例:液面高度测量 3.4电容式传感器动手做：观察你计算机上使用的麦克风，并用它测量你自己的声音，绘出频谱。 第三章、传感器测量原理3.5压电式传感器1.变换原理:压电效应+F++串联并联某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。q=DF 3.5压电式传感器2、测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。 3应用b)压力变送器3.5压电式传感器a)加速度计，力传感器 3.5压电式传感器案例：飞机模态分析 第三章、传感器测量原理3.6磁电式传感器1.变换原理:磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势U为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 2分类磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.6磁电式传感器 3动圈式传感器3.6磁电式传感器 4磁阻式传感器3.6磁电式传感器 5应用b)测速电机a)磁电式车速传感器3.6磁电式传感器 第三章、传感器测量原理3.7半导体敏感元件传感器1磁电转换元件传感器金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。1)霍尔元件 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。3.7半导体敏感元件传感器 应用案例：电流传感器案例：管道裂纹检测3.7半导体敏感元件传感器原理磁场强度变化检测 2)磁电阻元件3.7半导体敏感元件传感器磁阻效应--++lwx特点电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；温度系数影响大；磁感应的范围比霍尔元件大。R-5-4-3-2-1012345应用磁头；接近开关和无触点开关。 3)磁感应半导体元件分类3.7半导体敏感元件传感器磁感应半导体元件体元件霍尔IC结型元件霍尔元件磁电阻元件磁敏二极管磁晶体管磁半导体开关其它开关线性 3.7半导体敏感元件传感器2光电转换元件光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。1)光敏电阻光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。 3.7半导体敏感元件传感器2)光电池光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+++---PN 3.7半导体敏感元件传感器3)应用光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。 3.7半导体敏感元件传感器案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。案例：亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。 3.7半导体敏感元件传感器动手做：观察你计算机上使用的鼠标结构，了解鼠标如何实现运动测量。 3.7半导体敏感元件传感器3热敏电阻传感器半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。 3.7半导体敏感元件传感器应用温控器热敏电阻 3.7半导体敏感元件传感器4气敏电阻传感器气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测量、酒精浓度探测等方面。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器 3.7半导体敏感元件传感器5CCD固态图象传感器MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元(MOS)。在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。 3.7半导体敏感元件传感器01111100光敏管阵列并联串联转换器运算电路显示电路结束信号驱动脉冲CCD 3.7半导体敏感元件传感器特点:(1)非接触检测;(2)响应快;(3)可靠性高,为修简便;(4)测量精度高;(5)体积小,重量轻;容易与计算机连接(6)对被测物体需要强光照射;(7)受被测物体以外的光的影响.应用:(1)宽度测量;(2)外径测量;(3)主轴径向跳动测量. 第三章、传感器测量原理3.8其它类型的传感器1、热辐射检测传感器绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体的温度(K)，在此仅考虑黑体也称全辐射体的辐射能和波长的关系。根据普朗克辐射定律有以下表达式： 应用：冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。3.8其它类型的传感器 2、超声波检测传感器3.8其它类型的传感器1)声波及其分类(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。(2)声波:振动频率在16Hz―20KHz之间的机械波。(3)超声波:高于20KHz的机械波。2）超声波的物理性质超声波与一般声波比较，振动频率高，波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并具有很高的穿透能力。 3)超声波传感器及应用3.8其它类型的传感器(1)超声波传感器对(2)超声波探伤tA 3.8其它类型的传感器案例：输油管检测检测机器人 3、声发射检测传感器3.8其它类型的传感器材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称无声发射。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，但多数金属(如钢、铁等)的声发射频带，均在超声范围内。声发射分:1）连续发射;2）突发发射。由于结构和传感器的谐振，检测到的发射信号像衰减的正弦波，检测到的两类信号如图所示。 案例：材料断裂等结构监测。3.8其它类型的传感器 4、光纤传感器简介3.8其它类型的传感器物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。1）物性型光纤传感器 3.8其它类型的传感器光纤流速传感器 3.8其它类型的传感器结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。2）结构型光纤传感器 第三章、传感器测量原理3.8传感器选用原则选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1、灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。 3.8传感器选用原则2响应特性传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。3线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。 3.8传感器选用原则4稳定性稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。6测量方式传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。 翻身训练新沂铁路医院康复科 翻身翻身是由卧位向直立位动作发育的中继，是更广泛接触外界空间的准备，打好这一阶段的基础，对今后的站、行有重要的作用。 翻身训练的意义只有翻身运动完成，躯干立直反射才能出现，股膝关节的屈曲和支持动作才能完成。为坐位平衡打基础。 翻身训练的目的促进躯体回旋运动完成，促使非对称性姿势的消失。 翻身的发育3~6个月为翻身的发育期，翻身的发育过程包括以下四项（1）颈立直反射动作，主要见于新生儿，是在拥抱反射与颈立直反射支配下，由于肌紧张分布差造成的；（2）头背屈，角弓反张：翻身动作从肩向一侧回旋开始，脊柱伸展，头背屈呈角弓反张，多只能翻至侧卧位； 翻身的发育（3）自动翻身：属皮质下支配，多无目的性，以骨盆带抬高，躯干屈曲开始，可完成整个翻身动作；（4）有目的翻身：在皮质的支配下有目的性翻身，肩与骨盆可同时向一侧回旋，并可成四爬位或坐位，动作可灵活调节。不会翻身的患儿的发育多停留在前两项，说明处在原始反射支配下，中脑和皮质水平的立直和平衡反应未发育成熟。 翻身的条件从神经发育学的角度来说，翻身完成的条件为：躯干直立反射出现；紧张性颈反射（ATNR及STNR）、紧张性迷路反射（TNR)、等原始反射消失；股膝关节屈曲；躯干回旋运动良好；肘关节、膝关节支撑（四爬位）的实现。 翻身训练流程俯卧位抬头训练→肘手支撑训练→手眼协调训练→仰卧位至俯卧位翻身训练→俯卧位至仰卧位翻身训练→仰／俯卧位的平衡反应训练 促躯干立直反射的出现及股膝关节屈曲的训练方法人体立直反射的调节是在中脑进行的，通过调正反应的相互作用，使头和身体在空间保持正确位置。在大脑皮层抑制功能发育完善前，是儿童完成翻身、起坐、手足支撑的关键时期。立直反射主要包括视性、迷路、颈立直反射等。 A仰卧位肩部控制翻身训练患儿取仰卧位，治疗师双手分别握住患儿双臂上举过头，将两臂左右交叉，后方侧上肢向欲翻向侧用力，从而带动患儿身体旋转，完成一次肩控式翻身动作。翻身过程中注意避免头部过度伸展，纠正肩部异常姿势后再进行。 B俯卧位肩部控制翻身训练患儿取俯卧位，治疗师双手分别握住患儿双上肢前臂，将两臂左右交叉，后方侧上肢向欲翻向侧用力，从而带动患儿身体旋转，完成一次肩控式翻身动作。 C仰卧位骨盆控制翻身训练患儿取仰卧位，治疗师握其小腿，屈曲单侧的髋和膝带动骨盆，向左翻时右下肢屈曲，身体向左侧回旋，同时向下牵拉屈曲侧的下肢，身体回旋至俯卧位。 D俯卧位骨盆控制翻身训练患儿取俯卧位，一侧上肢上举，另一侧上肢自然屈曲，治疗师握其小腿，屈曲单侧的髋和膝带动骨盆，向左翻时右下肢屈曲，身体向左侧回旋，同时向下牵拉屈曲侧的下肢，身体回旋至仰卧位。 E长坐位训练患儿背靠墙或使用椅背成角的坐具，长腿坐以缓解下肢痉挛，使髋关节充分屈曲。 F双下肢被动伸展训练患儿仰卧于床上，治疗师站于床前，使患儿双腿抵住治疗师身体，治疗师握住其双膝，使患儿膝关节伸直，再轻轻前倾，屈曲髋关节。注意训练过程中患儿臀部不要离开床面。 G上田正下肢法（右下肢法）由三种手法组成，患儿取仰卧位，伸展相：治疗师右单膝立位坐，左手拇指及食指对准患儿内外踝，握住足跟，使患儿髋及膝关节轻度屈曲，右手拇食指握住前足部，向膝的方向推足跟的同时使踇指屈曲保持3分钟；屈曲相：使患儿髋关节呈屈曲位，膝关节屈曲位，踝关节内翻、背屈位，踇指伸展位。伸展-屈曲相交替：治疗师使患儿踝关节背屈，然后在跖曲，如此反复交替进行15次，然后使患儿踝关节跖曲，保持3分钟。本手技可降低下肢肌张力，注意伸展相时足跟要充分，但要防止前足部跖曲。 （二）促躯干回旋运动实现的训练方法良好的体轴回旋需要相关肌群的正常协同，运动发育迟缓儿童往往由于脊柱两侧肌群的肌紧张与无力而不能完成。 A球上俯卧位至侧卧位翻身患儿俯卧于球上，治疗师在其身体一侧，一手扶患儿肩，一手扶腹部，双手协同患儿俯卧于球上，治疗师在其身体一侧，一手扶患儿肩，一手扶腹部，双手协同用力使患儿从俯卧位转为侧卧位。两侧交替进行。翻身训练中应避免头部的过度伸展。 B主动翻身训练患儿取仰卧位，以玩具逗引其翻身至侧卧位，再逗引其主动翻身至俯卧位。 C楔形垫躯干回旋训练患儿仰卧于楔形垫的斜面上，用斜面来辅助完成患儿躯干的旋转动作。在斜坡上完成翻身动作，以促进躯干回旋模式的建立。 D被单内体轴回旋训练患儿仰卧于被单内，治疗师缓慢提起被单的一头，使患儿向侧方滚动，辅助患儿完成在被单内的翻身动作，以促进其体轴回旋模式的建立。 控制头部翻身，控制下颌翻身控制下颌用力方向与翻身方向相反，头部控制时注意颈部旋转幅度不可过大，防止扭伤 Vojta反射性翻身出发姿势：患儿仰卧，头部正中或向一侧旋转30度，颈部伸展、头部略前屈，颜面侧上肢伸展、后头侧上肢屈曲，或者两侧上肢呈自由伸展姿势。两侧下肢轻度外展、外旋，髋关节与膝关节呈轻度屈曲状态，头部、颈部、躯干成一条直线。 诱发带主诱发带：在颜面侧胸部，乳线（锁骨中线）上，膈肌附着从附近，即错哦、从乳线划一直线，与第7、8肋间（相当于剑突水平）划一横线的交点，约相当于在小儿乳头下两横指与乳头外侧一横指交点处。可以上下左右移动1cm。刺激时向躯干内侧、背侧、头侧三个方向给予压迫性刺激。治疗师多用拇指尖端与诱发带部位呈近于垂直的方向，持续性地由小到大给予刺激，注意指甲必须剪短，手指不可来回移动，以防止产生疼痛。 辅助诱发带1）后头侧肩峰：向主诱发带方向给予刺激。2）下颌骨：向颜面方向给予压迫刺激。'