机械工程测试技术第3章_常用传感器与敏感元件

1、常用传感器常用传感器 第三章第三章 被测机械量被测机械量与之相应的易于传输、识别、与之相应的易于传输、识别、处理的电信号的装置处理的电信号的装置转化为转化为 第一节第一节 传感器的分类传感器的分类 位移传感器位移传感器 机械式机械式按被按被 力传感器力传感器 按工作按工作 电气式电气式测量测量 温度传感器温度传感器 原理原理 光学式光学式 流体式流体式按信号按信号 物性型：例：压电式物性型：例：压电式变换特征变换特征 结构型：例：电容式结构型：例：电容式 能量转换型：能量转换型：直接由被测对象输入能量，直接由被测对象输入能量， 如：如：热电偶温度计热电偶温度计能量控制型：能量控制型：从外部供给

2、辅助能量，从外部供给辅助能量， 如：如：电阻应变计中电阻接于电桥上电阻应变计中电阻接于电桥上 按敏感组件与按敏感组件与 被测对象之间被测对象之间 的的能量能量关系关系 按输出信号按输出信号 模拟式模拟式 数字式数字式 第二节第二节 机械式传感器机械式传感器 敏感组件敏感组件： 弹性体弹性体 输入输入：力，压力，温度等力，压力，温度等 输出输出： 弹性组件本身的变形弹性组件本身的变形 特点特点： 简单、可靠、使用方便，价低，简单、可靠、使用方便，价低， 读读 数直观；但固有频率低数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜：适宜： 检测缓变或静态被

3、测量检测缓变或静态被测量 敏感元件：直接感受被测物理量敏感元件：直接感受被测物理量弹性后效弹性后效是指载荷在停止变化之后，是指载荷在停止变化之后，弹性元件在一段时间之内还会继续弹性元件在一段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移产生类似蠕动的位移蠕变：蠕变：固体材料在保持应力不变的固体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间缓慢增长的现象情况下，应变随时间缓慢增长的现象微型探测开关微型探测开关可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器位移位移电阻变化电阻变化 AlR被测量被测量 - 电阻变化电

4、阻变化转化为转化为电阻传感器电阻传感器 变阻器式变阻器式 电阻应变式电阻应变式 直线位移型传感器直线位移型传感器 角位移型传感器角位移型传感器 非线性型非线性型 金属电阻应变片金属电阻应变片 半导体应变片半导体应变片 丝式丝式 箔式箔式 直线位移型直线位移型 灵敏度：灵敏度： 常lkdxdRs输入：输入：x(位移位移) 输出：输出：R(电阻电阻) 测：直线位移测：直线位移 角位移型角位移型 常kddRs输入：输入：角位移角位移 输出：输出：阻值阻值R 测：角位移测：角位移 非线性型非线性型 骨架按要求定骨架按要求定 若被测量：若被测量： )(xf要求： 2)(kxxf为使输出的阻值：为使输出的

5、阻值： 2)()(ckxxcfxR骨架当触点在骨架当触点在x处时：处时： xkcxdxxrxR02)()()(xr：任一位置微小区间内的电阻任一位置微小区间内的电阻 ( )2r xkcxKx所以所以:骨架形状应为三角形骨架形状应为三角形 后接电路：后接电路：电阻分压电路电阻分压电路0()(1)ypPLpuuxRxxRxPLRR 0ypuuxx时 m20变阻器式传感器的优点变阻器式传感器的优点： 简单、性能稳定、使用方便简单、性能稳定、使用方便缺点缺点：分辨力低，分辨力低，20微米，微米， 噪音较大噪音较大应用：应用：测线位移，角位移测线位移，角位移 应用应用案例案例1 1：重量的自动检测重量的

6、自动检测-配料设备配料设备设定值原材料 比较电阻式传感器电阻式传感器原理原理用弹簧将力转换为位移用弹簧将力转换为位移; ;再再用变阻器将位移转换为电用变阻器将位移转换为电阻的变化阻的变化二电阻应变式传感器二电阻应变式传感器 应用：应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等测应变、力、位移、加速度、扭矩等 特点：特点：体积小、动态响应快、精度高、使用方便体积小、动态响应快、精度高、使用方便（一）金属电阻应变片传感器（一）金属电阻应变片传感器 工作原理：工作原理：应变片发生机械变形时应变片发生机械变形时引起电阻值变化引起电阻值变化应变片工作时：应变片工作时：粘固在被测物表面上或弹性体上粘固在被测物表面

7、上或弹性体上丝式丝式 箔式箔式 丝式丝式：康铜或镍铬合金康铜或镍铬合金直径直径0.025mm几何参数：几何参数：栅长栅长L和和栅宽栅宽b，制造厂常用制造厂常用bL表示。表示。箔式箔式：线条均匀，尺寸准确，粘结情况好，线条均匀，尺寸准确，粘结情况好， 传递试件应变性能好传递试件应变性能好 工作原理：工作原理： AlRdRdAARdllRdRrA2drldrrldlrdR2322)2(drdrldlR)21 (ER弹性模量弹性模量ldlldlrdrEd纵向应变纵向应变 电阻丝泊松比电阻丝泊松比压阻系数压阻系数与材质有关与材质有关灵敏度：灵敏度： 常21/ldlRdRRdRSg Sg=1.73.6

8、)21 ( ：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的E：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的 )21 ( RdR对于电阻丝：对于电阻丝：)21 (ERdR 金属应变片有：金属应变片有： 丝式、箔式丝式、箔式 优点：优点： 稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好 缺点：缺点： 灵敏度系数小灵敏度系数小（二）半导体应变片（二）半导体应变片工作原理工作原理：半导体材料的压阻效应：半导体材料的压阻效应压阻效应压阻效应：单晶半导体材料在单晶半导体材料在 沿某一轴向受到外力作用时，沿某一轴向受到外力作用时， 其电阻率其电阻率 发生较大变化发生

9、较大变化 )21 (RdR对半导体：对半导体： )21 ( 很小，可略去很小，可略去 RdR灵敏度灵敏度： RdRSg/较金属丝电阻应变片大较金属丝电阻应变片大50507070倍倍 金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：前者利用导体前者利用导体形变形变引起阻值的变化，引起阻值的变化，后者利用半导体后者利用半导体电阻率变化电阻率变化引起阻值的变化。引起阻值的变化。 半导体应变片优点：半导体应变片优点： 灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小 缺点：缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大（晶向、杂质 等因素影响），非线性误差大（三）电阻应变式传感器的应用

10、（三）电阻应变式传感器的应用 1. 1.直接测结构的应变或应力直接测结构的应变或应力2.2.将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由 转变为转变为的变化的变化 ，再由后续电路转变为电压的变化再由后续电路转变为电压的变化RRdR注意：注意：1 1）应变片的粘接）应变片的粘接 2 2）温度的影响，温度补偿）温度的影响，温度补偿 3 3）用于动态测量时，要注意应变）用于动态测量时，要注意应变 片的上限测量频率片的上限测量频率 应用应用案例案例1 1：桥梁固有频率测量

11、桥梁固有频率测量原理：原理：在桥中设置一三角形障碍在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁物，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，得到桥梁固有频率梁动态变形，得到桥梁固有频率。案例案例2 2：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片化结构变形再通过应变片转化为电量输出。转化为电量输出。n应变片有如下的优点：应变片有如下的优点：n. .测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测可靠，可测1 122，误差小于，误差小于1 1。. .应变应变片尺寸小

12、、重量轻、结构简单、使用方便、测片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量用于动态测量. .测量范围大。既可测量弹性测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1 12 2。. .适应性强。可在高温、超低温、适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。使用。. .便于多点测量、远距离测量和遥测。便于多点测量

13、、远距离测量和遥测。. .价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量各种物理量。择和使用，可以测量各种物理量。第四节第四节 电感式传感器电感式传感器、 自感型自感型(一一) 可变磁阻式可变磁阻式原理原理： 线圈自感量：线圈自感量： mRWL2电感式传感器电感式传感器 自感型自感型(L): 可变磁阻式可变磁阻式 涡电流式涡电流式 互感型互感型(M): 当当 较小，较小，且不考虑磁路的铁损，且不考虑磁路的铁损，002AAlRm因：因： 铁心磁阻铁心磁阻 空气隙的磁阻空气隙的磁阻002ARm2002AWL 灵敏度灵敏度 常数20022AWddLS所以存

14、在线性误差所以存在线性误差 时时： 故：故： 当固定当固定 ，改变改变 0A变变 L 变变 位移传感器位移传感器 变化过程：变化过程： 机械量机械量 变变 L 变变 1 . 00此传感器适此传感器适： 测较小位移，约为测较小位移，约为 0.0011 mm其它几种常用的可变磁阻式传感器：其它几种常用的可变磁阻式传感器： 1.1.面积变化型面积变化型机械量机械量 LAx02002AWL 常202WdAdLSS: 较低较低 2. 2. 差动型：差动型：初始状态：初始状态：x=000020210212AwLLL 当当 x)(200021xAwL)(200022xAwL 将两线圈接于电桥的相邻桥臂，将两

15、线圈接于电桥的相邻桥臂，输出灵敏度输出灵敏度 提高一倍，并改善了线性特征提高一倍，并改善了线性特征 004URRUy002URRUy差动连接：差动连接：3. 3. 单螺管型：单螺管型：灵敏度低灵敏度低 适：较大位移（数毫米）测量适：较大位移（数毫米）测量4 4双螺管线圈差动型：双螺管线圈差动型：较单螺管型灵敏度较单螺管型灵敏度 提高一倍，提高一倍， 较好的线性较好的线性, 测量范围测量范围:0300 , 分辨力分辨力: 0.5 mm( (一一) ) 涡电流式传感器涡电流式传感器涡电流效应：涡电流效应：变换原理：变换原理：金属导体在金属导体在交变磁场中的涡电流效应交变磁场中的涡电流效应影响高频线

16、圈阻抗影响高频线圈阻抗 Z Z 、自感自感L L的因素的因素1.线圈与金属线圈与金属 2. 金属板的金属板的 3.金属板的金属板的 4.线圈激磁线圈激磁板间距离板间距离 电阻率电阻率 磁导率磁导率 圆频率圆频率 w测：位移测：位移 振动振动 厚度厚度测：材质测：材质 探伤探伤 测量电路：测量电路： 阻抗分压式调幅电路：阻抗分压式调幅电路： 变变电感电感 L 变变电压电压u变变 调频电路：调频电路： 变变电感电感 L 变变 转化为电压转化为电压 u的变化的变化 振荡器振荡器 f 变变 涡电流传感器的特点：涡电流传感器的特点： 动态非接触测量动态非接触测量范围范围:1mm 10 mm 分辨力：分辨

17、力：1 m简单，使用方便，不受油液等介质的影响；简单，使用方便，不受油液等介质的影响； 应用：应用：位移，振动，测厚，探伤，材质鉴别，径向摆动，位移，振动，测厚，探伤，材质鉴别，径向摆动，回转轴误差，转速，零件计数，表面裂纹，缺陷等；回转轴误差，转速，零件计数，表面裂纹，缺陷等；二、互感型二、互感型差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器工作原理：工作原理：电磁感应中的互感现象电磁感应中的互感现象 感应电动势：感应电动势： dtdiMe112M：互感系数（：互感系数（ H ）M:大小与相对位置，介质的导磁能力，大小与相对位置，介质的导磁能力， 线圈形状、大小、匝数有关线圈形状、大小、匝数有

18、关 表明：表明：两线圈之间的耦合程度；两线圈之间的耦合程度； 螺管型差动螺管型差动变压器传感器变压器传感器1.1.工作原理：工作原理：2. 2. 测量电路：测量电路：注意：注意：零点残余电压的补偿；零点残余电压的补偿；位移正负的判断：相敏检波位移正负的判断：相敏检波 3. 3. 特点：特点：精度高，可达精度高，可达0.1 m 线性范围大线性范围大: : 达达 100 m稳定性好，使用方便稳定性好，使用方便 4.适于：适于：测直线位移，压力，重量等测直线位移，压力，重量等 螺管型差动螺管型差动变压器传感器变压器传感器一、变换原理一、变换原理:被测量被测量电容量的变化电容量的变化 （一）极距变化型

19、（一）极距变化型 1. 工作原理：工作原理： dAdc20灵敏度：灵敏度： 20Addcs S 存在线性误差，故一般存在线性误差，故一般： 1 . 00(3). 实际应用时：差动式实际应用时：差动式第五节第五节 电容式传感器电容式传感器Ac0固定固定 A，变变 极距变化型极距变化型 固定固定 ，变变 A 面积面积 固定固定 A，变变 介质介质 2.2.特点：特点： 非接触动态测量非接触动态测量, ,灵敏度高灵敏度高, ,测较小位移（达测较小位移（达0.01 )0.01 ) m线性误差，杂散电容对灵敏度及测量精度的影响，电子线路复杂；线性误差，杂散电容对灵敏度及测量精度的影响，电子线路复杂；(二

20、二) 面积变化型面积变化型 角位移型角位移型 平面线位移型平面线位移型 圆柱体线位移型圆柱体线位移型2,2202rcrA常220rddcsbxc0常bdxdcs0)/ln(20dDxc常)/ln(20dDdxdcs面积变化型传感器的特点：面积变化型传感器的特点： 常输入输出 灵敏度较低灵敏度较低 适：适：较大直线位移及角位移的测量较大直线位移及角位移的测量 (三三) 介质变化型介质变化型 变变 C C 变变 可测：材料的厚度，温度，湿度材料的厚度，温度，湿度,液位高度的测量液位高度的测量二、测量电路二、测量电路1.电桥型电路电桥型电路2. 直流极化电路直流极化电路3. 谐振电路：谐振电路：4.

21、 调频电路调频电路5. 运算放大器：运算放大器： xyCCuu00ACuuy000 应用应用电容式传感器电容式传感器 案例案例1 1：电容传声器电容传声器 案例案例2:2:转速测量转速测量第六节第六节 压电式传感器压电式传感器 可逆型换能器可逆型换能器: : 机械能机械能 电能电能 应用：应用：力，压力，加速度的测量力，压力，加速度的测量 工作原理：工作原理：某些物质的压电效应某些物质的压电效应 一一. . 压电效应压电效应压电效应压电效应 逆压电效应逆压电效应压电材料：压电材料：石英，钛酸钡等石英，钛酸钡等z zz: z: 光轴光轴x xx: x: 电轴电轴 y yy: y: 机械轴机械轴电

22、荷量： Fdqccd：压电系数，与材质与切片方向有关 F：作用力 二、压电式传感器极其等效电路二、压电式传感器极其等效电路压电传感器：电荷发生器，又是一个电容器压电传感器：电荷发生器，又是一个电容器Ac0压电传感器宜：压电传感器宜：动态测量动态测量实际使用时芯片的连接实际使用时芯片的连接 ：并联并联：电容大，电荷量电容大，电荷量 大，时间常数大大，时间常数大； 适：适：缓变信号缓变信号 串联：串联：电容小，输出电容小，输出 电压大；电压大； 适适：以电压输出以电压输出 压电芯片及等效电路压电芯片及等效电路：cC：电缆寄生电容电缆寄生电容 0R：后续电路的输入后续电路的输入 阻抗和传感器中的漏阻

23、抗和传感器中的漏 电阻所形成的泄漏电阻；电阻所形成的泄漏电阻；三、测量电路三、测量电路前置放大器前置放大器 的作用的作用 1.将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出 2.放大传感器输出的电信号放大传感器输出的电信号 不同前置放大器的特点：不同前置放大器的特点： 电压电压放大器：放大器：受电缆电容影响较大，影响灵敏度；受电缆电容影响较大，影响灵敏度； 电荷电荷放大器：放大器：受电缆电容影响较小，灵敏度无明显变受电缆电容影响较小，灵敏度无明显变 化，但电路复杂，价高；化，但电路复杂，价高；压电式传感器的应用压电式传感器的应用: 测力、压力、振动的加速度测力、压力、振动

24、的加速度fycq0产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 压电式传感器压电式传感器 第七节第七节 磁电式传感器磁电式传感器 被测物理量被测物理量 感应电动势感应电动势 原理原理：感应电动势：感应电动势 dtdWeW：线圈匝数：线圈匝数 ：磁通量：磁通量 影响磁通量影响磁通量 的因素的因素 1.磁场强度磁场强度 2.磁路磁阻磁路磁阻 3.线圈的运动速度线圈的运动速度磁阻式磁阻式 动圈式动圈式 磁电式传感器磁电式传感器 动圈式动圈式 磁阻式磁阻式 角速度型角速度型 线速度型线速度型 . . 动圈式动圈式1.线速度型线速度型感应电动势：感应电动势： sinWBlve :Bv,时

25、当090WBlve ve 惯性式速度计惯性式速度计 2. 角速度型角速度型感应电动势：感应电动势： kWBAe 转速测量转速测量 当结构一定，当结构一定， W ,B, AW ,B, A 为常数时为常数时e动圈式磁电传感器测量电路：动圈式磁电传感器测量电路：当当 0ZRL， 且不使用特别加长电缆时且不使用特别加长电缆时： euL: 负载电阻负载电阻 LR0Z: 线圈阻抗线圈阻抗 0011ZCjZZeucLL二二. . 磁阻式传感器磁阻式传感器工作原理：工作原理：线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体 （导磁材料）来（导磁材料）来改变磁路的磁阻改变磁路的磁阻，引起

26、磁力，引起磁力 线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。应用：应用：测频数，转速，偏心测量，振动测量测频数，转速，偏心测量，振动测量特点：特点：简单，方便简单，方便应用应用b) 测速电机测速电机a)磁电式车速传感器磁电式车速传感器磁电式传感器磁电式传感器 变磁通式传感器对环境条件要求不变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在高，能在-15090的温度下工的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，下工作。但它的工作频率下限较高，约为约为50Hz，上限可达，上限可达100Hz。 第八节第八节 半导体传感器

27、半导体传感器利用：利用：半导体对光、热、力、磁、气体、温度等的敏感半导体对光、热、力、磁、气体、温度等的敏感一一. 磁敏传感器磁敏传感器 霍尔组件，磁阻组件，瓷敏管等霍尔组件，磁阻组件，瓷敏管等(一一) 霍尔组件霍尔组件霍尔效应：霍尔效应：运动电荷受磁场中洛兰兹力的作用：运动电荷受磁场中洛兰兹力的作用：BvqF霍尔电场：霍尔电场： siniBkVHHHk：霍尔系数，决定于材质，温度，尺寸；霍尔系数，决定于材质，温度，尺寸； :Bi, 霍尔组件的应用：霍尔组件的应用：测位移，微压，压差，加速度，振动等测位移，微压，压差，加速度，振动等霍尔元件霍尔元件由由霍尔片、四根引线和壳体霍尔片、四根引线和壳

28、体组成，如图组成，如图:3.7 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为一般为4mm2mm0.1mm)，在，在它的长度方向两端面上焊有它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元

29、件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅、硅(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)等半导体材料。等半导体材料。 3.7 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 应用应用 从从 a端通人电流端通人电流I，根据霍尔效应，左，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势半部产生霍尔电势VH1，右半部产生，右半部产生露尔电势露尔电势VH2，其方向相反。因此，其方向相反。因此，c、d两端电势为两端电势为VH1 VH2。如果霍尔元。如果霍尔元件在初始位置时件在初始位置时VH1=VH2，则输出为，则输出为零；零；1、位移传感器、位移传感器半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 2、测速传感器、测速传感器3、管道裂纹检测、管道裂纹检测半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 原理原理磁场强度变化检测磁场强度变化检测4 4、汽车速度测量、汽车速度测量半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 案例：案例：亮度传感器：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