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1、课题三 学习传感与检测技术,学习任务一 认识传感与检测技术学习任务二 学习常用传感器及其应用,课题三 学习传感与检测技术,案例导入1.汽车上的传感器如图3-1所示丰田2JZ-GE型轿车发动机上传感器排布，可见汽车上应用各式各样的传感器。汽车传感器是汽车电子控制系统的关键部件，是汽车电子控制系统信息的主要来源。汽车电子控制系统上应用了多种传感器，如空气流量计、压力传感器、位置传感器、速度传感器、气体浓度传感器等。其主要功能是利用安装在汽车各部位的信号转换装置，测量或检测汽车在各种运行状态下相关机件的工作参数以及驾驶操纵、车辆控制、运行环境、异常状态监测等所需信息。,下一页,返回,课题三 学习传感
2、与检测技术,并将它们转换成计算机能接受的电信号后送给ECU,ECU根据这些信息进行运算处理，进而发出指令对执行元件进行适时传感器控制。2.起重机械上的传感检测随着工业的发展，交通、建筑等行业也日新月异，各类机型的类型众多，各自发挥着重要作用。如图3-2所示汽车起重机(适用于流动性大的不固定场所作业)及图3-3所示履带起重机(常用于各种建筑工地)，但起重机械工作时的起重重量控制以及工作中的安全因素，如起重量、起升高度及幅度等，必须通过传感器得到严密的实时监控。,上一页,下一页,返回,课题三 学习传感与检测技术,3.电子秤日常生活中常见的各种电子秤及用于运输车辆测重的地秤(如图3-4所示)等称重设
3、备应用广泛都离不开传感器技术。4.安检门电涡流式通道安全的出入口检测系统应用较广，可有效地探测出枪支、匕首等金属武器及其他大件金属物品。它广泛应用于机场、海关、钱币厂、监狱等重要场所。利用电涡流式传感器如何进行通道安全门的检查，防止危险物品的进入。如图3-5所示。,上一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,1.什么是传感与检测技术(1)什么是检测技术检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。检测技术是自动化技术的支柱之一。自动检测系统是帮助完
4、成整个检测处理过程的系统。目前，非电量的检测常常采用电测法，即先将采集到的各种非电量转换为电量，然后再进行处理。最后显示或记录非电量值，系统的组成框图如图3-6所示。,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,(2)什么是传感器如图3-7所示，人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。传感器作为信息采集系统的前端单元，已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变
5、得越来越明显。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,从广义上讲，传感器就是能够感觉外界信息，并能按一定规律将这些信息转换成可用的输出信号的器件或装置。这一概念包含了下面三方面的含义。传感器是一种能够完成提取外界信息任务的装置。传感器的输入量通常指非电量;而输出量是便于传输、转换、处理、显示等的物理量，主要是电量信号。传感器的输出量与输入量之间精确地保持一定规律。2.传感器组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量转换电路三部分组成，如图3-8所示，但并不是所有的传感器都有敏感元件和传感元件之分，有些传感器是将二者合二为一的。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术
6、,(1)敏感元件 敏感元件是传感器中能直接感受被测量的部分，即直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量。(2)传感元件传感元件是传感器中将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。(3)测量转换电路测量转换电路将电量参数转换成便于测量的电压、电流、频率等电量信号。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,3.传感器的分类传感器种类繁多，分类方法也不尽相同，常用的分类方法有以下几种。(1)按被测物理量分类按被测物理量，可分为温度、压力、流量、物位、位移、加速度、磁场、光通量等传感器。这种分类方法明确表明了传感器的用途，便于使用者选用，如压力传感器用于测量压力信号。
7、(2)按传感器工作原理分类,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,按工作原理，可分为电阻传感器、热敏传感器、光敏传感器、电容传感器、自感传感器、磁电传感器等，这种方法表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用。例如，电容传感器就是将被测量转换成电容值的变化。表3-1列出了这种分类方法中各类型传感器的名称及典型应用。(3)按传感器转换能量供给形式分类按转换能量供给形式，分为能量变换型(发电型)和能量控制型(参量型)两种。能量变换型传感器在进行信号转换时不需另外提供能量，就可将输入信号能量变换为另一种形式能量输出，如热电偶传感器、压电式传感器等;能量控制型传感器工作时必须有外
8、加电源，如电阻、电感、电容、霍尔式传感器等。,上一页,下一页,返回,学习任务一 认识传感与检测技术,(4)按传感器工作机理分类按工作机理，可分为结构型传感器和物性型传感器。结构型传感器是指被测量变化时引起了传感器结构发生改变，从而引起输出电量变化。物性型传感器是利用物质的物理或化学特性随被测参数变化的原理构成，一般没有可动结构部分，易小型化，如各种半导体传感器。习惯上常把工作原理和用途结合起来命名传感器，如电容式压力传感器、电感式位移传感器等。,上一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,1.电阻应变片式传感器电阻传感器中的电阻应变式传感器应用十分广泛，主要应用可分两大类，其一是将应变片
9、直接粘贴在被测试件上，测量应力或应变;其二是与弹性元件连用，测量力、压力、位移、速度、加速度等物理量。应用如案例中列举的电子秤和图3-9所示的冲床计数等。(1)电阻应变式传感器概述电阻应变式传感器是利用导体或半导体材料的应变效应制成的一种测量器件。用于测量微小的机械变化量，在结构强度实验中，它是测量应变的最主要手段，也是目前测量应力、应变、力矩、压力、加速度等物理量应用最广泛的传感器之一。,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。用应变片测量应变时，将应变片粘贴在试件表面。当试件受力变形后，应变片上的电阻也随之变形，从而使应变片电
10、阻值发生变化，通过测量转换电路最终转换成电压或电流的变化。(2)应变片应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，是常用的传感器之一。应变式传感器的核心元件是电阻应变计(应变片)。如图3-11所示，金属丝电阻应变片由敏感栅、基底、覆盖层和引线组成。敏感栅:感受应变，并将其转换为电阻的变化。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,基底和覆盖层:固定和保护敏感栅，使敏感栅与试件绝缘，并传递试件变形给敏感栅。引出线:将敏感栅的电阻变化引出到测量电路中。常用的应变片有两大类:一类是金属电阻应变片，另一类是半导体应变片。金属电阻应变片有丝式应变片和箔式应变片等。箔式应变片的优点是表面
11、积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，并可做成任意形状，便于大量生产。由于上述一系列优点，所以使用范围日益广泛，有逐渐取代丝式应变片的趋势。如图3-12所示。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,半导体应变片的结构如图3-13所示。它的使用方法与电阻丝式相同，即粘贴在被测物上，随被测物的应变，其电阻发生相应变化。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片的主要优点是灵敏度高(灵敏度比金属丝式、箔式大几十倍)，主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大，电阻与应变间非线性严重。在使用时，需采用温度补偿及非线性补偿措施。应变片的粘贴是应变测量的关键之
12、一，它涉及被测表面的变形能否正确地传递给应变片。粘贴所用的钻合剂必须与应变片材料和试件材料相适应，并要遵循正确的粘贴工艺。现将粘贴工艺简述如下:试件的表面处理。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,确定贴片位置。粘贴。固化。粘贴质量检查。引线的焊接与防护。(3)测量转换电路根据不同的要求，应变电桥有不同的工作方式，如图3-14所示。单臂半桥工作方式双臂半桥工作方式,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,全桥工作方式上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，单臂半桥工作方式的灵敏度最低。在实际应用时，应尽量采用双臂半桥或全桥的工作方式，这不仅是因
13、为这两种工作方式的灵敏度较高，还因为它们都具有实现温度自补偿的功能。当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移大小一致，从而减小因桥路的温漂而带来的测量误差。(4)电阻应变式传感器的种类及应用测力传感器。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,应变片式传感器的最大用武之地还是称重和测力领域，如图3-15所示。这种测力传感器的结构由应变计、弹性元件和一些附件所组成。视弹性元件结构型式和受载性质的不同，它们有许多种类。例如:电子秤，如图3-16所示，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。压力传感器压力传感器主要用来测量流体的压力。视
14、其弹性体的结构形式有单一式和组合式之分。单一式压力传感器是指应变计直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,组合式压力传感器则由受压弹性元件(膜片、膜盒或波纹管)和应变弹性元件(如各种梁)组合而成。前者承受压力，后者粘贴应变计。两者之间通过传力件传递压力作用。这种结构的优点是受压弹性元件能对流体高温、腐蚀等影响起到隔离作用，使应变计具有良好的工作环境。位移传感器。应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用来近测或远测静态与动态的位移量。因此，既要求弹性元件刚度小，对被测对象
15、的影响反力小，又要求系统的固有频率高，动态频响特性好。如图3-17所示。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,其他应变式传感器。利用应变片除可构成上述主要应用传感器外，还可构成其他应变式传感器，如通过质量块与弹性元件的作用，可将被测加速度转换成弹性应变，从而构成应变式加速度传感器，如图3-18所示。2.电涡流传感器在电工学中，我们学过有关电涡流的知识。当导体处于交变的磁场中时，铁芯会因为电磁感应而在内部产生自行封闭的电涡流而发热。变压器和交流电动机的铁芯都是用硅钢片叠制而成，就是为了减小电涡流，避免发热。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,(1)电
16、涡流传感器定义及分类基于法拉第感应现象，金属导体在置于交变的磁场中时，导体表面会有感应电流的产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。因此，要形成涡流必须具备两个条件:存在交变磁场;导电体处于交变磁场中。电涡流传感器的传感元件是一个线圈，俗称为电涡流探头。电涡流探头结构如图3-19所示，实物如图3-20所示。随着电子技术的发展，现在已能将测量转换电路安装到探头的外壳体中，它具有输出信号大，不受输出电缆分布电容影响等优点。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。(2
17、)电涡流传感器应用电涡流传感器由于它具有结构简单、灵敏度高、线性范围大、频率响应范围宽、抗干扰能力强等优点，并能进行非接触测量，在科学领域和工业生产中得到广泛使用。在检测领域，电涡流的用途就更多了。可以用来探测金属(如图3-21、图3-22所示的安全检测、探雷等)、非接触地测量微小位移和振动以及测量工件尺寸、转速、表面温度等诸多与电涡流有关的参量，还可以作为接近开关和进行无损探伤。它的最大特点是非接触测量，它是检测技术中用途十分广泛的一种传感器。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,下面介绍电涡流传感器的几种典型应用。位移测量、振动测量、转速测量、电涡流表面探伤。位移和振
18、动测量。在测量振动方面，它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件。还可以用多个传感器并排安置在轴侧，并通过多通道指示仪表输出至记录仪，以测量轴的振动形状并绘出振型图。如图3 23图3-26是各种测量应用。转速测量。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,在测量转速方面，只要在旋转体上加工或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体，并配以电涡流传感器，就能准确地测出转速。如图3-27所示。电涡流表面探伤测量。保持传感器与被测导体的距离不变，还可实现电涡流探伤。探测时如果遇到裂纹，导体电阻率和导磁率就发生变化，电涡流损耗，从而输出电压也相应改变。通过对
19、这些信号的检验就可确定裂纹的存在和方位。如图3-28所示。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,此外，利用导体的电阻率与温度的关系，保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变，就可以测量金属材料的表面温度，还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度。电涡流测温是非接触式测量，适用于测低温到常温的范围，且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点。电涡流传感器还可用作接近传感器和厚度传感器以及用于金属零件计数、尺寸检验、粗糙度检测和制作非接触连续测量式厚度计，如图3-29所示。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,3.光纤传感器(1)光纤传感器
20、概述光纤传感器一般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构、光电探测器和信号处理系统等部分组成。光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件，如图3-30所示。光纤传感器与传统的传感器相比，具有灵敏度高，抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全，测量速度快，信息容量大，适用于恶劣环境，质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,光纤传感器一般分为两大类:一类是传光型，也称非功能型光纤传感器;另一类是传感型或称为功能型光纤传感器。功能型传感器利用光纤本身具有的某种敏感功能。光纤一方面起传输光的作用
21、，另一方面作为敏感元件，被测物理量的变化将影响光纤的传输特性，从而将被测物理量的变化转变为调制的光信号。也称传感型光纤传感器。图3-31简单示意了光纤传感器的工作场景。(2)光纤传感器的应用光纤传感器在油气勘探中的应用。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,流体分析仪如图3-32所示，可用于了解初期开发过程中的原油组成成分。它由两个传感器合成:一个是吸收光谱分光计，另一个是荧光和气体探测器。电路板标志检测。如图3-33所示，当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。转速传感器。如图3-34所示，齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的
22、测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,4.超声波传感器(1)超声波传感器概述超声波的特点是指向性好，能量集中，穿透本领大，在遇到两种介质的分界面(例如钢板与空气的交界面)时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,(2)超声波传感器的应用如图3-35所示，空咖啡罐盒经漏斗灌装后，需达到规定的高度才可封装，其检测传感器多使用超声波
23、传感器。超声波液位计。超声波测液位是利用回声原理进行工作的，如图3-36所示。超声波的速度在各种不同的液体中是不同的。超声波测距计。如图3-37所示，汽车倒车探头装在后保险杠上，探头以450角辐射，上下左右搜寻目标。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,超声波防盗报警器。图3-38为超声报警电路。上图为发射部分，下图为接收部分的电原理框图。它们装在同一块线路板上。5.传感器的应用及发展综上所述，传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专用设备等各行
24、各业。目前，正向着高精度、多功能、集成化、智能化发展。,上一页,下一页,返回,学习任务二 学习常用传感器及其应用,(1)专用设备专用设备主要包括医疗、环保、气象等领域应用的专业电子设备。(2)工业自动化(3)通信电子产品(4)汽车工业,上一页,返回,图3-1丰田2JZ-GE型轿车发动机上传感器分布情况,返回,图3-2汽车起重机,返回,图3-3履带起重机,返回,图3-4各种电子秤,返回,图3-5安全检查门,返回,图3-6自动检测系统原理框图,返回,图3-7人与机器的机能对应关系图,返回,图3-8传感器组成框图,返回,表3-1传感器分类表,下一页,返回,表3-1传感器分类表,上一页,返回,图3-9
25、冲床,返回,图3-11金属丝电阻应变片的结构,返回,图3-12各式箔式电阻应变片,返回,图3-13半导体应变片,返回,1-半导体敏感条;2-基底;3-引线;4-引线连接片;5-内引线,图3-14直流电桥测量转换电路,返回,(a)单臂半桥;(b)双臂半桥;(c)全桥,图3-15应变片传感器测力及称重简图,返回,图3-16电子秤,返回,图3-17位称传感器,返回,图3-18加速度传感器,返回,图3-19电涡流探头结构,返回,1-电涡流线圈;2-探头壳体;3-壳体上的位置调节螺纹;4一印制线路板;5-夹持螺母;6-电源指示灯;7-阈值指示灯;8-输出屏蔽电缆线;9-电缆插头,图3-20电涡流探头实物
26、图,返回,图3-21安全检测,返回,图3-22探雷,返回,图3-23轴向位移测量,下一页,图3-24振动测量,下一页,图3-25胀差测量,下一页,图3-26斜坡式胀差测量,返回,图3-27转速测量,返回,(a)带有凹槽的转轴;(b)带有凸槽的转轴;(c)实物图 1-传感器;2-被测物,图3-28探伤测量,返回,图3-29厚度测量,返回,图3-30 光纤传感器结构简图,返回,图3-31光纤传感器工作示意简图,返回,图3-32流体分析仪简图,返回,图3-33光纤传感器检测电路板标志孔示意简图,返回,图3-34光纤传感器测转速示意简图,返回,(a)实物图;(b)透光式;(c)反光式,图3-35咖啡罐自动流水线示意图,返回,图3-36超声波传感器测液位示意简图,返回,图3-37超声波传感器防碰撞示意简图,返回,图3-38超声防盗报警器电原理框图,返回,
