自動檢測技術及應用3(力學傳感器及力學量檢測)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 圖 218 荷重傳感器上應變片工作示意圖 荷重傳感器原理演示 荷重傳感器上的應變片在重力作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。 應變式力傳感器 應變式力傳感器 F F F F 各種懸臂梁 F F 固定點 固定點 電纜 應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置 F R 1 R 2 R 4 應變式荷重傳感器外形及受力位置（續） F F 汽車衡 電子秤 磅秤 超市打印秤 遠距離顯示 電子天平 電子天平的精度可達十萬分之一 人體秤 吊鉤秤 便攜式 應變式數顯扭矩扳手 可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程 2~，耗電量 ≤10mA，有公制 /英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。 電阻應變儀 下圖所示的靜態應變儀測量范圍： 177。 19999με； 分辨率： 1με；電橋電壓：直流 ； 應變片： 120Ω或其他阻值； 測量點數： 8/16點； 材料應變的測量 斜拉橋上的斜拉繩應變的測量 返回本章目錄 傳感器的靜態標定和 動態標定 標定 ? 標定 —— 對新研制或生產的傳感器進行 全面的技術檢定 稱為標定； ? 校準 —— 將傳感器在 使用中或存放后 進行的性能 復測 稱為校準。傳感器的標定是指在明確傳感器的輸出與輸入關系的前提下，利用某種標準器具對傳感器進行標度。 ? 標定的基本方法 —— 利用標準儀器產生已知的非電量（如壓力、位移等）作為輸入量，輸入到待標定的傳感器中，然后將傳感器的輸出量與輸入的標準量相比較， 獲得一系列校準數據或曲線 。有時輸入的標準量是利用一個標準傳感器檢測而得，這時的標定實質上是待標定傳感器與標準傳感器之間的比較。 傳感器的標定系統一般由以下幾部分組成： （ 1）被測非電量的 標準發生器 ，如活塞式壓力計、測力機、恒溫源等； （ 2）被測非電量的 標準測試系統 ，如標準壓力傳感器、標準力傳感器、標準溫度計等； （ 3） 待標定 傳感器所配接的信號調節器、顯示器和記錄器等，其精度是已知的。 ? 為了保證各種量值的準確一致，標定應按計量部門規定檢定規程和管理辦法進行。各種標準量值都有一個傳遞系統，圖 121給出了力值傳遞系統。 ? 按此系統，只能 用上一級標準裝置檢定下級傳感器及配套的儀器 。如果待定的傳感器精度較高，可以跨級使用更高級的標準裝置。 ? 工程測試所用傳感器的標定應在與其使用條件相似的環境下進行。有時為了獲得較高的標定精度，可將傳感器與其配用的電纜、放大器等測試系統一起標定。有些傳感器標定時還應注意規定安裝技術條件。 圖 121 力值傳遞系統 靜態標定 ? 靜態標定是指在 靜態標準條件 下，對傳感器的靜態特性、靜態靈敏度、非線性、遲滯、重復性等性能指標的確定。 ? 1. 靜態標準條件 ? 靜態標準條件是指沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數本身是被測量），環境溫度一般為（ 20177。 5） ℃ ，相對濕度不大于 85%，大氣壓力為 177。 。 2. 標準儀器設備的精度等級的確定 ? 按照國家規定，各種量值傳遞系統在標定傳感器時所用的標準儀器及設備至少要比被標定的傳感器的精度 高一個等級 。只有這樣，通過標定確定的傳感器的靜態性能才是可靠的，所確定的精度才是可信的。 （ 1） 標準器 ：標準器應有足夠的精度，其允許的基本誤差不應超過被校 傳感器允許基本誤差的 1/5～ 1/10，并具有計量部門周期檢定的合格 證書。 （ 2） 電源 ：按傳感器要求配備，其穩定度按傳感器技術要求確定，一般 應為被校傳感器精度的 1/5～ 1/10。 （ 3）讀數記錄和數據處理裝置，要求其精度為被校傳感器精度的 1/3～ 1/10。 ? 對以上三部分設備的共同要求是：具有合適的測量范圍，性能穩定可靠，操作使用方便。 3. 對被校傳感器的要求 （ 1）外觀完整，并附有生產廠家按技術條件所規定的技術指標或銘牌，銘牌應標明傳感器名稱、制造廠、型號、規格、出廠編號、出廠年月。 （ 2）傳感器電源輸入線和輸出線應有明顯區別，并給出線路連接圖，標定時應同時將與傳感器配套的設備，電纜一起標定。 4. 標定過程及步驟 （ 1）將傳感器全量程（測量范圍）分成若干個等間隔點； （ 2）按照等間隔點，由小到大逐一輸入標準量值，并記錄下與各 輸入值相對應的輸出值； （ 3）再由大到小逐一輸入標準量值，同時記錄對應的各輸出值； （ 4）按（ 2）、（ 3）所述過程，對傳感器進行正、反行程反復循 環多次測試，將得到的輸出、輸入測試數據用表格列出或畫 成曲線； （ 5）對測試數據進行必要的處理，根據處理結果，可以確定傳感 器的線性度、靈敏度、滯后和重復性等靜態特性指標。 動態標定 ? 傳感器的動態標定主要是研究傳感器的 動態響應 及與動態響應有關的參數。 ? 對一階傳感器只有一個時間常數 ? 對二階傳感器則有固有頻率 和阻尼比 兩個參數。 ?? ?1. 標準儀器設備的精度等級的確定 ? 對于動態校準系統，除具備靜態標定對儀器設備精度等級要求外，還必須具有足夠的動態響應范圍。 ? 一般要求動態系統的工作頻率范圍應 大于被校準傳感器的 5—10倍 ，上升時間應小于被校準傳感器上升時間的 1/5。如：標準傳感器的精度為 %，被校傳感器的精度可在 %～%之內；標準傳感器的精度為： %，被校： %～ %。 2. 傳感器進行動態標定常用的標準激勵源 （ 1） 周期性函數 ，如正弦波、三角波等， 以正弦波信號為常用； （ 2）瞬變函數，如階躍函數、半正弦波 等，以階躍信號為常用。 3. 標定方法 ?對被標定傳感器輸入標準激勵信號，測得輸出數據，做出輸出值與時間的關系曲線。由輸出曲線與輸入標準激勵信號比較可以標定傳感器的動態響應時間常數、幅頻特性及相頻特性等。 電容式傳感器測量 轉換電路 ? 電容式傳感器把被測物理量轉換為電容變化后 ,還要經測量轉換電路將電容量轉換成 電壓或電流 信號，以便記錄、傳輸、顯示、控制等。 ? 常見的電容式傳感器測量轉換電路有 橋式電路、調頻電路、運算放大器電路等。 電容式傳感器 ? 電容式傳感器是指能將被測物理量的變化轉換為電容變化的一種傳感元件 。 電容式傳感器的測量原理框圖如圖 233所示 。 電容敏感元件 轉換電路 輸出顯示被測物理量 C U 、 I圖 233 電容式傳感器的測量原理框圖 0 r AACdd?????一個平行板電容器，如果不考慮其邊緣效應，則電器的容量 上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？ 電容式傳感器的分類及特點 ? 特點：電容式傳感器的結構簡單，分辨率高，工作可靠，非接觸測量，并能在高溫、輻射、強烈振動等惡劣條件下工作，易于獲得被測量與電容量變化的線性關系，可用于力、壓力、壓差、振動、位移、加速度、液位、料位、成分含量等測量。 平板形 圓柱形 變間隙式 變面積式 變介電常數式 分類 電容式傳感器的各種結構 圖 235 電容式傳感元件的各種結構類型 當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離 d，從而使電容量發生變化。 實際使用時 ， 總是使初始極距 d0盡量小些 ， 以提高靈敏度 ， 但這也帶來了變間隙式電容器的行程較小的缺點 。 變間隙式電容傳感器 變間隙式電容傳感器的特性曲線 從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應使當d0小些還是大些？當變間隙式電容傳感器的初始極距 d0較小時，它的測量范圍變大還是變小？ a） 結構示意圖 b）電容量與極板距離的關系 1—定極板 2—動極板 為了提高測量的靈敏度，減小非線性誤差，實際應用時常采用差動式結構。 圖 238 差動式電容器結構 1 2 002 dC C C Cd?? ? ? ?002CdCd???輸出靈敏度提高了一倍 變極距式電容傳感器特點 ? 起始電容在 20?100pF之間，只能測量微小位移（微米級，25?200um ）。 ? d0過小時，電容容易擊穿，可在極板間放置云母片來改善，云母片的相對介電常數是空氣的 7倍，擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為 3kV/mm。有了云母片，極板間起始間距可大大減小，傳感器的輸出線性度可得到改善。 ? d0： 25?200um ? d0/10 d? 變面積式電容傳感器 dbxCK ??????00() ( ) ( 1 )xa x b a x xC C Cd a a? ??? ? ? ?0CxCa? ??圖 239 變面積式電容傳感器結構原理 電容量變化為 其靈敏度 變面積式電容傳感器的特性 變面積式電容傳感器的 輸出特性是線性的，靈敏度是常數 。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。 請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！ 2. 圓柱形變面積電容傳感器 ? 當外力使電容器的動極板（內圓柱）發生位移后，電容器的電容量變為 02l n ( )lCRr???02 ( ) ( 1 )l n ( )xl y yCCR r l?? ?? ? ?0CxCl? ??電容量的相對變化為 212AR??扇形面積 3. 半圓形變面積電容傳感器 ? 設兩極板全重合（ θ =0）時的電容量為 C0。動片轉動角度θ 后，電容量變為 Cθ 00CCC? ? ???0CC? ? ?? ? ?0CC??? ??角度的變化與電容的變化成線性關系 電容量變化 ?由上述三種類型的變面積電容傳感器可以看出，電容的相對變化與位移的大小成正比，但方向相反，因為 面積變化總是在減小 。 ?變面積電容式位移傳感器的特點：可以測量較大位移的變化，常為 厘米級位移量 。為了提高測量靈敏度，變面積電容傳感器也常做成差動式結構。這樣其輸出靈敏度可提高一倍。 提高靈敏度的方法 差動連接 平板差動電容器 旋轉形差電容器 圓柱形差動電容器 圖 240 變面積差動電容傳感器結構 因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也就不同。 幾種介質的相對介電常數 變介電常數式電容傳感器 (c) 液位傳感器 圖 38 液位傳感器的等效電路 C2 C1 C 圓筒式液位傳感器 首先 ? ?12 00 2 r/rln hC ???? ?12002r/rlnhC ???2r2 2r1 h hx ? ?1212r/rlnhC x??? ? ?? ?12022r/rlnhhC x?? ???RRF ???? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?）（ 193 2222000012012012012??????????xxxxhhCCr/rlnhr/rlnhr/rlnhhr/rlnhC????????????? ?hhCC x000 ???? ??與被測液位 hx成線性關系。 ? ?12 00 2 r/rln hC ???2r2 2r1 h hx 電容式傳感器測量 轉換電路 ? 電容式傳感器把被測物理量轉換為電容變化后 ,還要經測量轉換電路將電容量轉換成 電壓或電流 信號，以便記錄、傳輸、顯示、控制等。 ? 常見的電容式傳感器測量轉換電路有 橋式電路、調頻電路、運算放大器電路等。 ?單臂電橋： 電容 Cx1 、 C C C4 構成電橋的四臂， Cx1 為電容傳感器 ,當Cx1 改變時， U0≠0 ，有輸出電壓 由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需要采用穩幅、穩頻等措施 。 1. 橋式測量電路 1 3 2 401 2 3 4()( ) ( ) iZ Z Z ZUUZ