机械工程测试技术基础3-1

1、3.1 概述1. 传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。 物理量电量 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。第第3章章 常用传感器常用传感器2. 传感器的构成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，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。 传感器可以用来探测人们无法用感官直接感知的事物，比如：用热电偶测得物体的温度，用超声波感知海水深度及水下地貌形态等。 3. 传感器的分类1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:

2、长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩2)按工作原理分类:机械式,电气式,光学式,流体式等.3)按信号变换特征分类:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量

3、的变化.例如:电阻应变片.不同情况下，传感器可能只有一个，也可能有几 个换能元件，也可能是一个小型装置。 机械式传感器是以弹性体作为机械式传感器是以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力或温度等物理量，可以是力、压力或温度等物理量，输出则是弹性元件本身的弹性变输出则是弹性元件本身的弹性变形。形。 该弹性变形可以转变成其他形该弹性变形可以转变成其他形式的变量，如被测量可放大而成式的变量，如被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻度指为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。示出被测量的大小。 优点：结构简单、可靠、使用优点：结构简单、可靠、使用方便、

4、价格低廉、读数直观。方便、价格低廉、读数直观。2机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器弹性敏感元件：弹性体弹性敏感元件：弹性体 输入量：力、压力、温度等物理量输入量：力、压力、温度等物理量 输出量：弹性体本身的弹性变形输出量：弹性体本身的弹性变形 为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后用其他形式的传感被测量转换成位移量，然后用其他形式的传感器（如电容等）将位移量转换成电信号输出。器（如电容等）将位移量转换成电信号输出。 被测量被测量弹性元件弹性元件位移量位移量其他型式的传其他型式的传感器感器电信号输出电信号输出 弹性元件具有蠕变、

5、弹性后效等现象。弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象。 蠕变蠕变:金属在一定的压力和温度作用下逐渐产金属在一定的压力和温度作用下逐渐产生塑性变形的现象。生塑性变形的现象。 弹性后效：加载弹性后效：加载(或卸载或卸载)后经过一段时间应后经过一段时间应变才增加变才增加(或减小或减小)到一定数值的现象。到一定数值的现象。 微型探测开关能把物体的微型探测开关能把物体的运动、位置或尺寸变化转换运动、位置或尺寸变化转换为接通、断开信号。它由两为接通、断开信号。它由两个簧片组成，在常态下处于个簧片组成，在常态下处于断开状态。当它与磁性块接断开状态。当它与磁性块接近时，簧片被磁化而接合，近时，簧片被磁化而接合，成

6、为接通状态；只有当钢制成为接通状态；只有当钢制工件通过簧片和电磁铁之间工件通过簧片和电磁铁之间时，簧片才会被磁化而接合，时，簧片才会被磁化而接合，从而表达了有一件工件通过。从而表达了有一件工件通过。 3电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器一、电阻式传感器 电阻式传感器：是一种把被测量（如位电阻式传感器：是一种把被测量（如位移、速度、力、加速度等）转换为电阻变化移、速度、力、加速度等）转换为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。电阻应变式两类。电阻式电阻式 传感器传感器变阻器式变阻器式电阻应变电阻应变 片式

7、片式线性线绕线性线绕非线性线绕非线性线绕金属应变片金属应变片半导体应变片半导体应变片工作原理工作原理特特性性曲曲线线材材料料电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器 变阻器式传感器变阻器式传感器 、变阻器式传感器、变阻器式传感器 变阻器式传感器也称为电位计式传感器变阻器式传感器也称为电位计式传感器, ,它通过改变电它通过改变电位器触头位置位器触头位置, ,把位移转换为电阻的变化。把位移转换为电阻的变化。AlR式中式中 电阻率电阻率 l l电阻丝长度电阻丝长度 A A电阻丝截面积电阻丝截面积 如果电阻丝直径和材质一定时如果电阻丝直径和材质一定时, ,则电阻值随导线长则电阻值随导线长度而变化。度而

8、变化。 常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。线性型等。直线位移型直线位移型 若触点若触点B沿变阻器移动沿变阻器移动x,则则C点与点与A点之间的电点之间的电阻值为：阻值为： xkRllkdxdRS传感器灵敏度：传感器灵敏度： 当导线分布均匀时，当导线分布均匀时，kl为一常数，这时传感器的输出为一常数，这时传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。（电阻）与输入（位移）成线性关系。 回转型变阻式传感器回转型变阻式传感器 若单位弧度对应的电若单位弧度对应的电阻值为阻值为ka，电阻值随电，电阻值随电刷转角而变化，其灵敏刷转角而变化，其灵

9、敏度为度为 kddRS 当导线分布均匀时，传感器的输出（电阻）与输入当导线分布均匀时，传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。（位移）成线性关系。 非线性变阻器式传感器非线性变阻器式传感器 又称为函数电位器。其骨又称为函数电位器。其骨架架形状根据要求的输出形状根据要求的输出f(x)f(x)来决定。例如来决定。例如 , , 输出输出 f(x) f(x) =kx=kx2 2, , 其中其中x x为输入位移为输入位移 , , 为要得到输出电阻值为要得到输出电阻值 R(x) R(x) 与与 f(x)f(x)成线性关系成线性关系 , , 变阻变阻器骨架应做成直角三角形。器骨架应做成直角三角形。如果

10、输出要求为如果输出要求为 f(x)=kxf(x)=kx3 3, , 则应采用抛物线形骨架。则应采用抛物线形骨架。 输入与变阻器位移成某种输入与变阻器位移成某种函数关系，但输出与输入仍函数关系，但输出与输入仍成线性。成线性。因为因为 2)(kxxf且输出要求与且输出要求与f(x)成线性关系成线性关系 则则 )()(xSfxR设点变阻器高度为设点变阻器高度为r(x)，则有：，则有： xSkxdxxrxR02)()(Skxxr2)(结果表明，传感器形状为三角形，显然三角形的结果表明，传感器形状为三角形，显然三角形的厚度会引起误差，因此厚度会引起误差，因此x和高度要远大于厚度。和高度要远大于厚度。 因

11、为因为 2)(kxxf且输出要求与且输出要求与f(x)成线性关系成线性关系 则则 )()(xSfxR设点变阻器高度为设点变阻器高度为r(x)，则有：，则有： xSkxdxxrxR02)()(Skxxr2)(结果表明，传感器形状为三角形，显然三角形的结果表明，传感器形状为三角形，显然三角形的厚度会引起误差，因此厚度会引起误差，因此x和高度要远大于厚度。和高度要远大于厚度。 当接一负载，传感器的输出电压为当接一负载，传感器的输出电压为 )1( )(00200plpplxlpxpxpxplxlxlxlxpxlxlxlxlyxxRRxxURRRRRRURRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIu

12、电位计式传感器通常用电阻丝绕在框电位计式传感器通常用电阻丝绕在框架上，改变电阻丝的接入长度，引起架上，改变电阻丝的接入长度，引起输出电阻的改变。输出电阻的改变。 特点：结构简单、性能稳定、可靠，特点：结构简单、性能稳定、可靠，使用方便；但受电阻丝直径的限制，使用方便；但受电阻丝直径的限制，分辨力不高，精度低，动态响应差。分辨力不高，精度低，动态响应差。且由于磨损与尘埃等，引起接触电阻且由于磨损与尘埃等，引起接触电阻变化，从而引入噪声。变化，从而引入噪声。 应用：可用来测位移及可变成位移的应用：可用来测位移及可变成位移的物理量。物理量。 、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器 电阻应变式传感器用于

13、应变、力、位移、电阻应变式传感器用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数测量。具有体积小、动态加速度、扭矩等参数测量。具有体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等优点。在响应快、测量精确度高、使用简便等优点。在航空、船舶、机械、建筑等行业里获得广泛应航空、船舶、机械、建筑等行业里获得广泛应用。用。 将应变片贴在被测定物上，使其随着被测将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应长或缩短时其电阻会随之变化

14、。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。系。 电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。与半导体应变片式两类。 1)、金属电阻应变片、金属电阻应变片 常常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。其用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。其工作原理都是基于应变片发生机械变形时工作原理都是基于应变片发生机械变形时 , ,其其电阻值发生变

15、化。电阻值发生变化。 金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片 ( ( 又称电阻丝应变片又称电阻丝应变片 ) ) 出现出现得较早得较早 , , 现仍在广泛采用。其典型结构是把一根现仍在广泛采用。其典型结构是把一根具有高电阻率的金属丝具有高电阻率的金属丝 ( ( 康铜或镍铬合金等康铜或镍铬合金等 , , 直直径径 0 .025mm 0 .025mm 左右左右 ) ) 绕成栅形绕成栅形 , , 粘贴在绝缘的基粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间片和覆盖层之间 , , 由引出导线接于电路上。由引出导线接于电路上。 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属薄栅，厚

16、度在很薄的金属薄栅，厚度在0.003-0.010mm0.003-0.010mm。其优点。其优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过是表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过电流较大，可制成各种需要的形状，便于大批量生电流较大，可制成各种需要的形状，便于大批量生产。产。 工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数 金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdRdAdAldlRdR有：有：金属丝：金属丝：2rAdrdrldlRdR2金属丝轴向伸长径向必缩短

17、：金属丝轴向伸长径向必缩短：ldlrdr（泊松定律）（泊松定律）有：有：dRdR2对金属材料，导电率变化很小：对金属材料，导电率变化很小：)21(RdREd表明了电阻相对变化率与应变成正比，一般表明了电阻相对变化率与应变成正比，一般用用Sg表征电阻应变片的应变或灵敏度。表征电阻应变片的应变或灵敏度。 5.焊线焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。引线上。 6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于织，应大于500M欧。欧。 7.应变片保护：用应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。防止

18、受潮。)、半导体应变片、半导体应变片 工作原理工作原理基于半导体材料的压阻效应。基于半导体材料的压阻效应。 所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时向受到外力作用时 , , 其电阻率其电阻率 发生变化的现发生变化的现象。象。由半导体物理可知，半导体在压力、温度由半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，其电阻率发生很大变化。及光辐射作用下，其电阻率发生很大变化。EERdR212根据式根据式简化为：简化为：dRdREERdRsg/灵敏度灵敏度这一数值比金属丝电阻应变片大这一数值比金属丝电阻应变片大50-70 50-70 倍。倍。 区

19、别：金属丝电阻应变片是利用导体的形变引起区别：金属丝电阻应变片是利用导体的形变引起电阻的变化，半导体应变片是利用半导体电阻率电阻的变化，半导体应变片是利用半导体电阻率引起电阻的变化引起电阻的变化 优点：灵敏度大优点：灵敏度大; ;体积小体积小; ; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 电阻应变式传感器的应用实例电阻应变式传感器的应用实例案例：桥梁固有频率测量案例：桥梁固有频率测量3.2电阻式传感器电阻式传感器案例：冲床生产记数和生产过程监测案例：冲床生产记数和生产过程监测二、电容传感器二、电容传感器电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变电容式

20、传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。两个平行极板组成的电容器其电容量两个平行极板组成的电容器其电容量 式中式中 极板间介质的相对介电常数极板间介质的相对介电常数 , , 在空气中在空气中 =1; =1; 。 真空中介电常数真空中介电常数 , o=8.85 , o=8.85 10 10-12-12F/m; F/m; 极板间距离极板间距离 ; ; A A 极板面积极板面积。AC0+ + + A 、A A或或发生变发生变化时，都会引起化时，都会引起电容的变化。电容的变化。a)a)极距极距变化型变化型+ + +

21、AC0+ + + 电容传感器电容传感器 拍手实验拍手实验 驻极体麦克风的工作原理是：当人声通过驻极体麦克风的工作原理是：当人声通过空气使振膜震动，从而使上振膜和下金属空气使振膜震动，从而使上振膜和下金属铁片的距离产生变化，使其电容改变，形铁片的距离产生变化，使其电容改变，形成电流。进一步解释来说就是：话筒中成电流。进一步解释来说就是：话筒中“电容电容”的一个极板固定，另一个极板在的一个极板固定，另一个极板在一个振动薄膜上，人说话时，薄膜随着声一个振动薄膜上，人说话时，薄膜随着声波的强弱振动，也就是电容的两个极板间波的强弱振动，也就是电容的两个极板间距在变动，电容的容量也在变动，再用话距在变动，

22、电容的容量也在变动，再用话筒中的高输入阻抗的场效应管将信号放大，筒中的高输入阻抗的场效应管将信号放大，再经外置功放去推动扬声器还原成声音。再经外置功放去推动扬声器还原成声音。 驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。优越、使用方便。 驻极体话筒是电容话筒的一种。电容话筒的基本原理驻极体话筒是电容话筒的一种。电容话

23、筒的基本原理就是用一个电容器作为声信号就是用一个电容器作为声信号电信号的转化器，这个电信号的转化器，这个电容的一个极板可以感应声压的变化，起到声信号摄入的电容的一个极板可以感应声压的变化，起到声信号摄入的作用。通常这一极由金属化的高分子膜片构成，与另一极作用。通常这一极由金属化的高分子膜片构成，与另一极构成一个极间距离可以改变的可变电容。在有声压作用时，构成一个极间距离可以改变的可变电容。在有声压作用时，膜片发生振动，振动强度、振动频率都由即时声压决定，膜片发生振动，振动强度、振动频率都由即时声压决定，电容容量也相应的随声信号而发生变化。假如此时已经给电容容量也相应的随声信号而发生变化。假如此

24、时已经给电容加上了一个恒定的电压，那么电容容量的改变将使得电容加上了一个恒定的电压，那么电容容量的改变将使得电容上极化的电荷量发生改变，从而在电容两端产生一个电容上极化的电荷量发生改变，从而在电容两端产生一个电信号，达到声电信号，达到声电信号转换。电信号转换。 某些材料在加上电荷后可以基本上永久性的保存住这些某些材料在加上电荷后可以基本上永久性的保存住这些电荷，这就是通常所说的驻极体材料，使用这些材料的话电荷，这就是通常所说的驻极体材料，使用这些材料的话筒就是所谓的驻极体电容话筒。电容话筒拾声单元有两个筒就是所谓的驻极体电容话筒。电容话筒拾声单元有两个极，其中的一极是可以振动的金属化膜片，另一

25、极则为金极，其中的一极是可以振动的金属化膜片，另一极则为金属极板。对驻极体电容话筒来说，就是将其中一个极用驻属极板。对驻极体电容话筒来说，就是将其中一个极用驻极体材料制成或加上驻极体材料，利用驻极体材料本身可极体材料制成或加上驻极体材料，利用驻极体材料本身可以保存电荷的特点，由驻极体提供正常工作所需恒定电压。以保存电荷的特点，由驻极体提供正常工作所需恒定电压。这样省去了提供给话筒极头工作所需电源电压的部分，结这样省去了提供给话筒极头工作所需电源电压的部分，结构简单，体积也小。构简单，体积也小。 依据使用驻极体材料的位置，又可分为膜片式和背极依据使用驻极体材料的位置，又可分为膜片式和背极式两种。

26、早期驻极体话筒多采用膜片式，即使用驻极体材式两种。早期驻极体话筒多采用膜片式，即使用驻极体材料制作膜片，工艺相对简单，技术要求不高。但是由于使料制作膜片，工艺相对简单，技术要求不高。但是由于使用驻极体材料制作的膜片的音质效果并不是很好，现在的用驻极体材料制作的膜片的音质效果并不是很好，现在的驻极体话筒多采用背极式，即在电容的另一极（背极）上驻极体话筒多采用背极式，即在电容的另一极（背极）上附着驻极体材料、极化电荷，而膜片材料则可从拾音角度附着驻极体材料、极化电荷，而膜片材料则可从拾音角度考虑，选择音质效果较好的材质的膜片。从目前技术发展考虑，选择音质效果较好的材质的膜片。从目前技术发展来看，背

27、极式传声器是驻极体话筒的一个趋势。来看，背极式传声器是驻极体话筒的一个趋势。驻极体话筒的品质主要受两个方面的影响：一、膜片的品驻极体话筒的品质主要受两个方面的影响：一、膜片的品质，这个方面和电容话筒是一样的。二、内置场效应晶体质，这个方面和电容话筒是一样的。二、内置场效应晶体管的品质。这种晶体管，必须是低噪声宽频响的。因为它管的品质。这种晶体管，必须是低噪声宽频响的。因为它是对信号的第一级放大，所以要求比较高。是对信号的第一级放大，所以要求比较高。 驻极体传声器相对于一般电容传声器来说，生产工艺简驻极体传声器相对于一般电容传声器来说，生产工艺简单，成本低，适于大批量生产。同时体积较小，使用时比

28、单，成本低，适于大批量生产。同时体积较小，使用时比较方便，广泛应用于多种场合，比如一般会议场合，语音较方便，广泛应用于多种场合，比如一般会议场合，语音通讯系统，如电话机、摄像机、手机、复读机等等。但驻通讯系统，如电话机、摄像机、手机、复读机等等。但驻极体话筒拾声的音质效果相对差些，多用在对于音质效果极体话筒拾声的音质效果相对差些，多用在对于音质效果要求不高的场合。要求不高的场合。 不过，目前也有一些驻极体话筒，品质已经达到了电容不过，目前也有一些驻极体话筒，品质已经达到了电容话筒的品质。在一些测量话筒和一些小型传声器上有广泛话筒的品质。在一些测量话筒和一些小型传声器上有广泛的应用。的应用。 如

29、果两极板互相覆盖面积及极间介质不变如果两极板互相覆盖面积及极间介质不变 , , 则电容量则电容量 C C 与极距与极距 呈非线性关系呈非线性关系 。当极距有。当极距有一微小变化量一微小变化量 d d 时时 , , 引起电容的变化量引起电容的变化量 dC dC 为为 dAdC201得到传感器灵敏度得到传感器灵敏度 灵敏度灵敏度 S S 与极距平方成反比与极距平方成反比 , , 极距越小灵敏极距越小灵敏度越高。度越高。为减小非线性误差，该类传感器通常为减小非线性误差，该类传感器通常用于测量微小位移。用于测量微小位移。 201AddCS优点是可进行优点是可进行动态非接触式测量动态非接触式测量，灵敏度

30、较高，灵敏度较高，可适用于较小位移的测量，缺点是具有非线性可适用于较小位移的测量，缺点是具有非线性特性。特性。b)b)面积变化型面积变化型角位移型角位移型+ + + 面积变化型面积变化型角位移型角位移型 线位移型线位移型角位移型。当动板有一转角时角位移型。当动板有一转角时 , , 与定板之间相与定板之间相互覆盖面积就改变互覆盖面积就改变 , , 因而导致电容量改变。因而导致电容量改变。由于覆盖面积由于覆盖面积 覆盖面积对应的中心角覆盖面积对应的中心角 ; ; r r 极板半径。极板半径。 22rA所以电容量所以电容量 灵敏度灵敏度 输出与输入成线性关系。输出与输入成线性关系。 220rC 常数

31、220rddCS平面线位移型电容传感器平面线位移型电容传感器bxC0式中式中 b 极板宽度。极板宽度。常数bdxdCS0面积型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，面积型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。移及角位移测量。c) c) 介质变化型介质变化型利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。用来测量电介质的液位或某些材料的厚度、温度和湿。用来测量电介质的液位或某些材料的厚度、温度和湿度等度等 , , 也可用来测量空气的湿度

32、。也可用来测量空气的湿度。3 3 测量电路测量电路a)a)电桥电路电桥电路 b) b) 谐振电路谐振电路 LCf210d) d) 运算放大器电路运算放大器电路 例例1：极板间距式电容式传感器，极板半径：极板间距式电容式传感器，极板半径r=4mm，间隙间隙=0.5mm，极板介质为空气，试求其灵敏度。，极板介质为空气，试求其灵敏度。若极板移动，求其电容变化。若极板移动，求其电容变化。1）掌握电容式传感器原理，写出电容的表达式。）掌握电容式传感器原理，写出电容的表达式。2)掌握灵敏度的概念，列出电容式传感器灵敏度的计算公式。掌握灵敏度的概念，列出电容式传感器灵敏度的计算公式。(3)带入给定参数计带入

33、给定参数计算算c=s=2.84710-7210-3=5.69410-10(F) 5. 为什么电容式传感器易受干扰？如何减小干扰？为什么电容式传感器易受干扰？如何减小干扰？ 答：答：(1)传感器两极板之间的电容很小，仅几十个传感器两极板之间的电容很小，仅几十个F，小，小的甚至只有几个的甚至只有几个F。 (2)而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容，而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容，如屏蔽线的电容最小的如屏蔽线的电容最小的l米也有几个米也有几个F，最大的可达上百，最大的可达上百个个F。这不仅使传感器的电容相对变化大大降低，灵敏。这不仅使传感器的电容相对变化大大降低，灵敏度

34、也降低，更严重的是电缆本身放置的位置和形状不同，度也降低，更严重的是电缆本身放置的位置和形状不同，或因振动等原因，都会引起电缆本身电容的较大变化，使或因振动等原因，都会引起电缆本身电容的较大变化，使输出不真实，给测量带来误差。输出不真实，给测量带来误差。 (3)解决的办法，一种方法是利用集成电路，使放大测量电解决的办法，一种方法是利用集成电路，使放大测量电路小型化，把它放在传感器内部，这样传输导线输出是直路小型化，把它放在传感器内部，这样传输导线输出是直流电压信号，不受分布电容的影响流电压信号，不受分布电容的影响; (4)另一种方法是采用双屏蔽传输电缆，适当降低分布电容另一种方法是采用双屏蔽传

35、输电缆，适当降低分布电容的影响。由于电缆分布电容对传感器的影响，使电容式传的影响。由于电缆分布电容对传感器的影响，使电容式传感器的应用受到一定的限制。感器的应用受到一定的限制。三三 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是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。把被测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型3.4电感式传感器电感式传感器3.4.1自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式原理原理:电磁感应电磁感应原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：Z = Z( ,

36、 , , )案例：无损探伤案例：无损探伤原理原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。裂纹检测，缺陷造成涡流变化。思考题：思考题：1、电容式传感器的工作原理、电容式传感器的工作原理是什么？是什么？2、电感式传感器可分为几类？、电感式传感器可分为几类？3、何谓涡流效应？怎样利用、何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？涡流效应进行位移测量？4、请设计几种测量物体位移、请设计几种测量物体位移的方法，描述其基本原理。的方法，描述其基本原理。3.6:压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传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，经过感器信号先输入到高输入阻抗的前置放

37、大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。 一、压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的一、压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应（这种现象称为压电效应（Piezoelectric Effect）。）。在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械振动。当去掉外加电场时，电介质

38、变形随之消失，机械振动。当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。例如，音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发声的。例如，音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发声的。 自然界中与压电效应有关的现象很多。自然界中与压电效应有关的现象很多。 举例：在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用举例：在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生的闪光，产淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生的闪光，产生闪光的机理也是晶

39、体的压电效应。生闪光的机理也是晶体的压电效应。 又例：在敦煌的鸣沙丘，当许多游客在沙丘上蹦跳又例：在敦煌的鸣沙丘，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。或从鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这个现象的原因是无数干燥的沙子（产生这个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶晶体）在重压引起振动，表面产生电荷，在某些时刻，体）在重压引起振动，表面产生电荷，在某些时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空气恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出声音。放电而发出声音。 再例：在电子打火机中，多片串连的压电材料受到再例：在电子打火机中，多片串连

40、的压电材料受到敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃火敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃火焰。焰。 三、压电加速度传感器的安装及使用三、压电加速度传感器的安装及使用 理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具体使用理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具体使用中，压电振动加速度传感器安装使用方法如图所示。中，压电振动加速度传感器安装使用方法如图所示。 压电振动加速度传感器安装使用方法压电振动加速度传感器安装使用方法a）双头螺钉固定法）双头螺钉固定法 b）磁铁吸附法）磁铁吸附法 c）胶水粘结法）胶水粘结法 d）手持探针式）手持探针式法法1压电式加速度传感器压电式

41、加速度传感器 2双头螺栓双头螺栓 3磁钢磁钢 4黏接剂黏接剂 5顶针顶针提示：提示：压电式振动加速度传感器必须与被测振动加速度的机件紧固在一起。压电式振动加速度传感器必须与被测振动加速度的机件紧固在一起。传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的交变力（的交变力（F=ma），从而产生电荷。弹簧是给压电晶片施加预紧力），从而产生电荷。弹簧是给压电晶片施加预紧力的，以防损坏压电片。的，以防损坏压电片。 1）用于长期监测振动机械的压电加速度传感器）用于长期监测振动机械的压电加速度传感器应采用双头螺栓牢固地固定在监视点上，

42、如图应采用双头螺栓牢固地固定在监视点上，如图a所示。所示。 2）短时间监测低频微弱振动时，可用磁铁将）短时间监测低频微弱振动时，可用磁铁将钢质传感器底座吸附在监测点上，如图钢质传感器底座吸附在监测点上，如图b所示。所示。 3）测量更微弱的振动时，可以用环氧树脂或）测量更微弱的振动时，可以用环氧树脂或瞬干胶将传感器胶接在监测点上，如图瞬干胶将传感器胶接在监测点上，如图c所示。所示。 4）在对许多测试点进行定期巡检时，也可采）在对许多测试点进行定期巡检时，也可采用手持探针式加速度传感器。使用时，用手握住用手持探针式加速度传感器。使用时，用手握住探针，紧紧地抵触在监测点上，如图探针，紧紧地抵触在监测

43、点上，如图d所示。此所示。此方法方便，但重复性差，使用频率上限在方法方便，但重复性差，使用频率上限在500Hz以下。以下。为什么说压电式传感器只适用于动态为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量测量而不能用于静态测量? 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可

44、以电荷可以 压电式传感器测量电路的作用是什么压电式传感器测量电路的作用是什么?其核其核心是解决什么问题心是解决什么问题? 答：压电式传感器测量电路的作用是将压答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。得到足够强的输出信号。 请同学们回答常用的压电材料有哪些请同学们回答常用的压电材料有哪些? 最具代表性的是什么材料？最具代表性的是什么材料？ 普遍应用的是什么材料？普遍应用的是什么材料？ 最早使用的压电陶瓷是什么？最早使用的压电陶瓷是什么？

45、 何为居里点？何为居里点？ 高分子压电薄膜的用途？高分子压电薄膜的用途？ 前置放大器的主要用途？前置放大器的主要用途？ 电压放大器和电荷放大器的区别？电压放大器和电荷放大器的区别？ 压电传感器常用于测量什么？压电传感器常用于测量什么？ 压电式力传感器的主要形式？压电式力传感器的主要形式？检测机床主轴转速，发电机检测机床主轴转速，发电机实验：用微型发电机制作机械式转速表实验：用微型发电机制作机械式转速表3.7磁敏元件传感器磁敏元件传感器请同学们阅读有关半导体材料的基本情况请同学们阅读有关半导体材料的基本情况3.7.1 霍尔元件霍尔元件 V= KHIB sin导体或半导体薄片置于磁场导体或半导体薄

46、片置于磁场B 中，在相对两侧通以电流中，在相对两侧通以电流I，在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个大小与电流在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个大小与电流I和磁和磁感应强度感应强度B的乘积成正比的电动势。这一现象称为霍尔效应。的乘积成正比的电动势。这一现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。KH霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关，霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关，它决定霍尔电势的强弱。它决定霍尔电势的强弱。霍耳电霍耳电势势应为：应为： VH KH I B VH KH I B Sin 注意：当控制电流的方向或

47、磁场方向改变时，输出注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍霍耳电耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，时，霍耳电霍耳电势并不改变方向。势并不改变方向。汽车手柄转角测量特点特点电阻的增量与磁场的平方成正比；电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；与磁场的正负无关；温度系数影响大；温度系数影响大；磁感应的范围比霍尔元件大。磁感应的范围比霍尔元件大。应用应用磁头；接近开关和无触点开关。磁头；接近开关和无触点开关。磁阻元件：利用半导体材料的磁阻效应磁阻元件：利用半导体材料的磁阻效应来工作的。来工作的。 所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的

48、电阻率所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻时，与自旋有关的散

49、射最强，材料的电阻最大。最大。 2007年年10月，科学界的最高盛典月，科学界的最高盛典瑞典瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。本年皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。本年度，法国科学家度，法国科学家阿尔贝阿尔贝费尔费尔和德国科学家和德国科学家彼得彼得格林贝格尔格林贝格尔因分别独立发现因分别独立发现巨磁阻巨磁阻效效应而共同获得应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。瑞年诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在

50、近年来迅速变得越来越小在近年来迅速变得越来越小”。 格林贝格尔格林贝格尔 早在早在1988年，费尔和格林贝格尔就各自独立发年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。那时，法致磁性材料发生非常显著的电阻变化。那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效应（为巨磁阻效应

51、（Giant Magneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前）。有趣的是，就在此前3个月，德国优利个月，德国优利希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁有层间反平行磁化的铁/铬铬/铁三层膜结构中也发铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。现了完全同样的现象。 巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头（出头（Read Head）。这使得存储单字节）。这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而数据所需的

52、磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。第一个商业化生产的数据读取探头是由第一个商业化生产的数据读取探头是由IBM公司于公司于1997年投放市场的，到目前为止，年投放市场的，到目前为止，巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、数码相机、MP3播放器的标准技术。播放器的标准技术。 诺贝尔评委会主席佩尔诺贝尔评委会主席佩尔卡尔松用比较通俗的语卡尔松用比较通俗的语言解答了这个问题。他用两张图片的对比说明了巨言解答了这个问题。他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台磁阻的重大意义：一台1954

53、年体积占满整间屋子年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。目前，根据该效应储的信息量才得以大幅度提升。目前，根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。 正如一位中国科研人员所言：正如一位中国科研人员所言：“看看你的计算看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大了。了。”或许我们这才明白，司空见惯的笔记本电脑

54、、或许我们这才明白，司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费品，居然都闪烁着耀眼的科学光盘等消费品，居然都闪烁着耀眼的科学光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩的芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩的知识，它往往就在我们身边，在我们不曾留意的日知识，它往往就在我们身边，在我们不曾留意的日常生活中。常生活中。 众所周知，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息众所周知，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。一块密封的计算机硬盘内部包含若干个磁盘的。一块密封的计算机硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁

55、道，每个磁道又被的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又被划分为若干个扇区。磁盘片上的磁涂层是由数量划分为若干个扇区。磁盘片上的磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成，若干个磁众多的、体积极为细小的磁颗粒组成，若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录颗粒组成一个记录单元来记录1比特（比特（bit）信息，）信息，即即0或或1。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。当磁头当磁头“扫描扫描”过磁盘面的各个区域时，各个区过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为号的变化进而被表

56、达为“0”和和“1”，成为所有信，成为所有信息的原始译码。息的原始译码。 最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁感应的方式读写数据。然而，随着信息通过电磁感应的方式读写数据。然而，随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，这类磁头技术发展对存储容量的要求不断提高，这类磁头难以满足实际需求。因为使用这种磁头，磁致电难以满足实际需求。因为使用这种磁头，磁致电阻的变化仅为阻的变化仅为12之间，读取数据要求一定之间，读取数据要求一定的强度的磁场，且的强度的磁场，且磁道磁道密度不能太大，因此使用密度不能太大，因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平

57、方英寸传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平方英寸20兆位。硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，兆位。硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。 1997年，全球首个基于年，全球首个基于巨磁阻效应巨磁阻效应的读出磁的读出磁头问世。正是借助了巨磁阻效应，人们才能够制头问世。正是借助了巨磁阻效应，人们才能够制造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出较弱的磁信造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出号，并

58、且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出现引发了硬盘的现引发了硬盘的“大容量、小型化大容量、小型化”革命。革命。 本模块采用磁性检测原理来探测钢管缺陷。探头由磁铁和可本模块采用磁性检测原理来探测钢管缺陷。探头由磁铁和可检测磁场强度的霍尔传感器组成。磁铁与被测的铁磁材料工检测磁场强度的霍尔传感器组成。磁铁与被测的铁磁材料工件间形成磁路，若工件上有缺陷，则磁路的磁阻增大，霍尔件间形成磁路，若工件上有缺陷，则磁路的磁阻增大，霍尔传感器附近的磁场强度变弱。当探头在试件表面移动时，正传感器附近的磁场强度变弱。当探头在试件表面移动时，正常情况下磁场强度是不变的，当试件表面有缺陷的时候，会常情况下磁场强度是不变

59、的，当试件表面有缺陷的时候，会产生一个磁场的跳变，产生一个磁场的跳变，通过监测磁场的跳变即可进行试件的探伤。通过监测磁场的跳变即可进行试件的探伤。 热电偶传感器热电偶传感器 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 一、一、温度测温度测量的基本概念量的基本概念 温度标志着物温度标志着物质内部大量分子无质内部大量分子无规则运动的剧烈程规则运动的剧烈程度。温度越高，表度。温度越高，表示物体内部分子热示物体内部分子热运动越剧烈。运动越剧烈。 模拟图：模拟图：在一个密闭的空间里，气体分在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！子在高温时的运动速度比低温时快！低温低温高温高温二、温标二、温标

60、 1 1、温度的数值表示方法称为温标温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。由温标确定。 2 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。华氏温标、热力学温标等。 几种温标的对比几种温标的对比 正常体温正常体温为为37 C C ，相当于华相当于华氏温度多氏温度多少度？少度？98.6热力学温标（热力学温标（K K） 热力学温标是建热力学温标是建立在热力学第二定律立在热力学第二定律基础上的最科学的温基础上的最科学的温标，