最新工程测试技术—第2章压力传感器1-6节.课件PPT.ppt 69页

'工程测试技术—第2章压力传感器1-6节. 第二章的主要内容第一节机械式传感器第二节电阻式传感器第三节电感式传感器第四节压电式传感器第五节光敏传感器第六节其它常用传感器第七节传感器的分类第八节传感器的性能指标 第一节机械式传感器机械式传感器通常以弹性体作为传感器的敏感元件。机械式传感器力压力温度弹性变形一、环形测力计环形测力计一般用来测力或称重。应用时，用百分表测量环形测力计受力后的弹性变形量，换算成环形测力计的受力值。 第二节电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻阻值变化的传感器。电阻式传感器位移转角应变阻值变化电阻式传感器按照工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。一、变阻器式传感器变阻器式传感器也称为电位差式传感器，它通过改变电位器触头的位置，把位移或转角的变化转换为电阻的变化。 左图为测量直线位移的变阻器式传感器。中间图为测量角位移的变阻器式传感器。右图为测量直线位移的非线性输出变阻器式传感器。这种传感器价格便宜，但长期使用会因磨损影响性能，并且其分辨力不高（一般很难优于20μm）。 二、电阻应变式传感器电阻应变式传感器可用于测量力、扭矩、位移、加速度等。电阻应变式传感器的测量方法是：把电阻应变片粘贴在弹性体上，通过测量弹性体上（贴片部位）的应变造成的电阻应变片的阻值变化，间接测量力、扭矩、位移、加速度等。（重要概念） 第三节电感式传感器电感式传感器是一种把被测量（位移）变换为电感量变化的传感器，其变换基于电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分为自感型和互感型。一、自感型－－涡电流（电涡流）式传感器电涡流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。 由于涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗Z（等效电感L等）都发生变化，其变化程度与距离有关。电涡流传感器距离电感L电涡流传感器的检测电路有多种形式，其中调频电路的工作原理比较简单。 电涡流传感器可用于动态非接触测量。其结构简单，能防水和油污，主要性能指标如下：测量间隙的范围：0～（1～10）mm最高分辨力：1m电涡流传感器的主要用途：（重要概念）★在被测金属材质不变的条件下，用于测量与金属之间的间隙，可测量位移、振动。（这种用途最广！）★在间隙不变的条件下，用于测量金属的电阻率和磁导率的变化，可以作为材质鉴别和无损探伤。 电涡流传感器电涡流传感器的典型应用回转轴的径向摆动和振动测量钢板厚度测量 二、互感型－－差动变压器式传感器这种传感器是利用电磁感应中的互感现象（即变压器的原理），把被测量（位移）变换成感应电势的变化。由于在应用中常常采用两个次级线圈组成差动式传感器，故一般又被称为差动变压器式传感器。 差动变压器式传感器的主要性能为：测量范围：0～100mm测量精度：0.1m有些轧钢机的辊缝仪采用这种传感器进行压下螺丝行程测量。通常，传感器采用差动结构形式的目的：（重要概念）（1）提高传感器的灵敏度；（2）增大传感器输出的线性段范围。 可以应用差动变压器的原理，通过测量弹性体的微小变形，测量作用力F。这种传感器的主要缺点是有残余电压。 第四节压电式传感器压电式传感器的原理是利用某些物质的压电效应检测作用力。一、压电效应压电材料外力表面出现电荷当外力消失后，材料恢复到原来的状态（电荷消失）。在外力保持不变时，电荷会泄漏。因此，压电式传感器不适合测量静力。（重要概念） 二、压电材料常用的压电材料分为三类：压电单晶、压电陶瓷、有机压电薄膜目前使用最多的是压电陶瓷（PZT锆钛酸铅）。三、压电式传感器的应用膜片压电材料质量块壳体压力传感器加速度传感器 压电效应是可逆的：压电晶片可以做驱动器。对压电晶片施加交变电压，可作为振动源，做超声波发生器。四、测量电路压电式传感器输出信号是很微弱的电荷，而且本身内阻很大，输出能量很小，给后接电路带来困难。压电式传感器在应用时，一般需要将其输出信号先输入到一个高阻抗的前置放大器。 前置放大器主要有两个作用：（1）将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；（2）放大传感器输出的微弱信号。前置放大器分为两种：（1）用电阻反馈的电压放大器（工作不稳定，价格便宜）（2）带电容反馈的电荷放大器（工作稳定，价格高，常用） 电荷放大器的工作原理：在忽略漏电阻的条件下 电荷放大器的工作原理：式中ui－放大器输入端电压；uy－传感器输出端电压在忽略漏电阻的条件下（A为电荷放大器的开环增益。）Cf－电荷放大器的反馈电容。如果放大器的开环增益足够大，则上式可简化为 第五节光敏传感器光敏传感器是将光量转换成电量的器件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。光敏传感器光电量光敏传感器主要有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻光敏电阻是一种光电元件，其工作原理是基于半导体材料的内光电效应，即当半导体受到光照射时，其电阻值减小的现象。 A~一般的光敏电阻在无光照射时，其阻值很大；受到光照时，阻值下降，其阻值下降的幅度取决于光照的亮度。L↑→R↓→I↑不同的半导体材料的光谱特性不同，应根据入射光波的波长选择材料。★对可见光：硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）★对紫外线域：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）★对红外线域：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe） 二、光电池半导体能够将光能直接转换为电能。当光电池受到光照时，可直接输出电势。光电池实质上是一个电源。常用的光电池有硒、硅、碲化镉、硫化镉等光电池。其中应用最广的是硅光电池。 三、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管是一种有一个PN结、并具有光电转换功能的晶体二极管。光敏二极管的PN结位于管的顶部，以便接受光照。在没有光照时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。当受到光照时，PN结附近受光电子冲击，使得通过PN结的反向电流大大增加，形成光电流。光电流随入射光照度的变化而变动，光敏二极管就实现了把光信号转换成电信号的功能。 如果把普通晶体管的基极－集电极制成光敏二极管，则该晶体管就成为光敏三极管。在光敏三极管内，光敏二极管的光电流成为基极电流，在三极管内放大，形成集电极电流。由于光敏三极管的基极电流由其基极－集电极结的光电流供给，因而许多光敏三极管不再设基极引线。与光电池、光敏二极管相比，光敏三极管输出信号大，产生光电流部分与放大部分集中在一起，具有较好的抗噪声等优点；但其响应速度稍低。 四、光敏传感器的应用1.零件表面缺陷的检测如果零件表面有缺陷（非圆、粗糙、波纹、裂纹等，会引起光束的偏转或散射，这些光被硅光电池接收，即可转换成电信号输出。 2.光电转速计在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色。当电动机转动时，光电元件收到强弱交变的反射信号，转换成电信号。再经过放大整形电路，输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电动机的转速。 3.混浊度检测把被测物放在光学通路中，光源的部分光通量由被测物吸收，剩余的光通量投射到光电元件上。因被吸收的光通量与被测物的透明度有关，故光电元件收到的光通量也与被测物的透明度有关。所以，通过这种方式可以测量物体的混浊度。 4.表面粗糙度检测当光源发出的光投射到被测物上时，被测物把部分光通量反射到光电元件上。反射的光通量取决于反射表面的性质、状态和与光源之间的距离。利用这个原理可以制成表面粗糙度测试仪。 5.物体位移量检测当光源发出的光通量被不透光的被测物遮挡了一部分时，使投射到光电元件上的光通量减弱。光通量减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关，由光通量减弱的程度可以准确判断被测物在光学通路中的位置。因此，利用这个原理可以制成位移计。 6.温度检测当被测物是光辐射源时，被测物发出的光可以投射到光电元件上。辐射体的温度不同则其发出的光波长和颜色就不同。利用这个原理可以制成光电比色高温计和红外测温仪。 红外测温仪使用红外测温仪注意目标的尺寸（距离系数L/d）！ 7.光电编码器光电编码器一般用于轴的角位移的测量。转轴光电编码器脉冲（增量式光电编码器）编码（绝对式光电编码器）（1）增量式光电编码器增量式光电编码器把转轴的角位移（转角）变为脉冲信号输出，其输出为“脉冲/转”，最高精度的增量式光电编码器可达到5000脉冲/转（有些资料上介绍，最高可达到900000脉冲/转)。注意：正、反转！零位！ （2）绝对式光电编码器绝对式光电编码器把转轴的角位移（转角）变为二进制编码输出，最高精度的绝对式光电编码器可输出13位二进制编码（0～360转角对应0～8192的编码）。增量式光电编码器的主要缺点是可能出现累计误差；并且易受电磁干扰。绝对式光电编码器的主要缺点是检测超过360后难于直接累计。问题：检测超过360后能否累计？ 第六节其它常用传感器一、固态图像传感器固态图像传感器的功能是把传感器受光面的光像分解成许多像元，并将它们转换为电信号，然后顺序地输送出去。大部分固态图像传感器的核心部分是CCD（ChargeCoupleDevice，电荷耦合器），其原理如下图所示。CCD作为读出移位寄存器，顺序地将电信号在输出端串行输出。 根据光敏二极管的排列方式，CCD可分为：线阵CCD和面阵CCD。目前，在应用中：★线阵CCD已能达到4096像素；★面阵CCD已能达到1.9G像素。由于光敏二极管排列整齐、尺寸和位置精确，每个光敏二极管的光电荷量不仅含有光照度的信息，而且还含有位置信息。固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好和寿命高等优点，并且以光为媒介进行非接触测量，可以达到危险地点，因而得到广泛应用。其主要用途为：（1）物位、尺寸、形状、表面质量、表面温度等；（2）作为光学信息处理的输入环节，例如电视摄像、传真、扫描仪、数字化的复印机等。 棒材直径在线检测连铸坯断面尺寸在线检测钢板表面缺陷检测 1.半导体热电阻半导体热电阻是由金属氧化物（NiO、MnO2、CuO、TiO2等）的粉末按一定的比例混合烧结而成的半导体。热敏电阻具有负的电阻温度系数，其阻值随温度上升而下降。热敏电阻主要有以下优点：（1）直径可小到0.2mm，热惯性小，响应速度快；（2）阻值可在3～700k之间选择，适于远距离测量；（3）在－50～350°C范围内有较好的稳定度。二、热电阻式温度传感器外壳半导体热电阻导线 半导体热电阻的主要缺点：（1）随温度变化，其阻值非线性变化；（2）对环境温度敏感，测量时易受干扰。2.铂热电阻铂热电阻用高纯铂丝制作，一般适用于0～650℃的温度测量。典型的铂热电阻PT100：t＝0℃时，R＝100Ωt＝100℃时，R＝138.5Ω3.热电阻的测量电路热电阻温度传感器的测量电路一般采用平衡电桥方式。 三、超声波物位传感器超声波物位传感器是利用超声波在气体、液体或固体介质中传播的回声测距的原理检测物位。超声波物位传感器一般由超声波发生器、接收装置和计时器组成。超声波发生器是通过对压电晶片施加交变电压，产生超声波。测量时，检测从超声波发生器发出超声波到接收装置收到回声的时间，根据介质的情况，推算出被测物的距离。 超声波物位传感器使用时应注意：（1）在近距离有盲区，测远距离需较大的发射能量；盲区（2）超声波发射时有发射角（大约6°），远距离测量时声波反射面积较大，测得的距离可能是反射面积中最近点。 放射性肺炎（radiationpneumonitis） 定义系由于肺癌、乳腺癌、食管癌、恶性淋巴瘤或胸部其他恶性肿瘤经放射治疗后，在放射野内的正常肺组织受到损伤而引起的炎症反应。 症状多于放射治疗后2～3周出现症状 症状轻者无症状，炎症可自行消散；重者肺脏发生广泛纤维化，导致呼吸功能损害，甚致呼吸衰竭。 症状常有刺激性、干性咳嗽、伴气急、心悸和胸痛，不发热或低热、偶有高热。 症状气急随肺纤维化加重呈进行性加剧、容易产生呼吸道感染而加重呼吸道症状。并发放射性食管炎时出现吞咽困难。若放射损伤肋骨，产生肋骨骨折，局部有明显压痛。 体征体检见放射部位皮肤萎缩、变硬，肺部可闻及干、湿罗音和摩擦音。肺部广泛、严重纤维化，最后导致肺动脉高压及肺源性心脏病，出现相应征象。 病因放射性肺炎的发生、严重程度与放射方法、放射量、放射面积、放射速度均有密切关系。有认为放射量阈在3周内为2500～3000rad。 诊断根据放射治疗史，干性呛咳，进行性气急和胸部X线有炎症或纤维化改变可作出诊断，▲但应与肺部肿瘤恶化和转移性肿瘤相鉴别，以免误诊；支气管粘膜上皮经照射后常引起细胞间变，应与癌肿细胞慎加区别。 肺功能改变肺放射性肺炎和纤维化都引起限制性通气功能障碍，肺顺应性减低，伴通气/血流比例降低和弥散功能减低，导致缺氧。▲有时胸片尚未发现异常，而肺功能检查已显示变化。 X线表现多数于停止放疗一月后，肺部出阴影。 X线表现急性期在照射的肺野上出现弥温性片状模糊阴影，其间隐约可见网状影，酷似支气管肺炎或肺水肿。 X线表现病变的范围与胸廓表面照射野一致。 X线表现慢性发生肺纤维化，呈条索状或团块状收缩或局限性肺不张。纵隔胸膜和心包有大量粘连，纵隔向患侧移位，同侧横膈升高和胸廓塌陷。 防治放射性肺炎的防治关键，在于“防”。一旦发现本病，应尽早开始治疗，阻断病程的进展。如已发生广泛肺纤维化，则预后不良 预防为预防放射性肺炎的发生，应严格掌握放射总剂量及其单次剂量分配、照射野大小。 治疗首先是即时的皮质激素治疗。▲在急性期，及时的激素治疗可降低炎性反应的程度，增加炎性渗出的吸收，对某些因对放射致敏产生的反应效果更佳。同时可促进Ⅱ型细胞内表面活性物质的合成和分泌。 治疗地塞米松可以使用10-20mg/日，最多可给到40毫克冲击。 治疗时间看病情缓解程度决定，缓慢减量。过快停药可使症状和体征出现反跳现象，并且更加难以控制。▲此外，对于后期纤维化过程，激素的应用无益而有害。 治疗★注意加用抗生素及制酸治疗。由于放射性肺炎常伴有继发感染，及时大剂量使用抗生素是需要的。抗生素的选择应据感染的菌种和药敏结果而定。 治疗当心如果足量抗生素及激素使用后病情仍未得到缓解，需警惕真菌感染。 治疗可加用H2受体抑制剂如苯海拉明，非甾体抗炎药如消炎痛等以减轻炎性渗。， 治疗另外给予一定的支持治疗较好，如对症的止咳药，雾化吸入，低流量吸氧等。 谢谢！'