第4章常用的传感器

1、机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院测试系统的基本特性测试系统的基本特性模拟信号处理模拟信号处理数字信号处理数字信号处理计算机与虚拟仪器测试技术计算机与虚拟仪器测试技术常用传感器常用传感器绪论绪论测试信号的描述与分析测试信号的描述与分析机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院 主要内容主要内容1.1.传感器的基本概念传感器的基本概念 2.2.电阻式传感器电阻式传感器 3.3.电感式传感器电感式传感器 4.4.电容式传感器电容式传感器5.5.压电式传感器压电式传感器 6.6.磁电式传感器磁电式传感

2、器7.7.霍尔式传感器霍尔式传感器 8.8.传感器的选用原则传感器的选用原则机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.1 4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念一一. . 传感器的作用和分类传感器的作用和分类1 1、定义：定义：传感器是借助检测元件将一种形式的信号转换传感器是借助检测元件将一种形式的信号转换成另一种形式的信号的装置。成另一种形式的信号的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把被测的物理量转换为电信号的装置。义上讲，

3、传感器是把被测的物理量转换为电信号的装置。第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院2. 2. 传感器的构成传感器的构成4.1 4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念 图 1-1 传感器组成框图转 换转 换元元 件件敏 感敏 感元元 件件辅 助辅 助元元 件件 辅助电源辅助电源被测量被测量第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院1)1)按传感器的检测用途分类按传感器的检测用途分类可分为位移传感器、力传感器、温度传感器、湿可分为位移传

4、感器、力传感器、温度传感器、湿度传感器、流量传感器、化学成分传感器、生物度传感器、流量传感器、化学成分传感器、生物信息传感器等。这种分类方法，对使用者十分方信息传感器等。这种分类方法，对使用者十分方便，但由于把用途相同而变换原理不同的传感器便，但由于把用途相同而变换原理不同的传感器分为一类，如可用于加速度测量的传感器，可利分为一类，如可用于加速度测量的传感器，可利用不同变换原理的传感器元件组成，这样分类对用不同变换原理的传感器元件组成，这样分类对学习和研究很不方便。学习和研究很不方便。4.1 4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念3 3、传感器的分类、传感器的分类第四章第四章 常用传感器常用

5、传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院2)2)按传感器的传感原理分类按传感器的传感原理分类 4.1 4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念 有电阻式传感器，电容式传感器、电感式传感器、压有电阻式传感器，电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。这种分类电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。这种分类方法，对每一类传感器可具有相同的传感原理，基于一种方法，对每一类传感器可具有相同的传感原理，基于一种传感原理可研究出多种传感器，如利用电阻传感原理可以传感原理可研究出多种传感器，如利用电阻传感原理可以研制出电阻

6、式位移传感、压力传感器、加速度传感器、湿研制出电阻式位移传感、压力传感器、加速度传感器、湿度传感器等，而且其后接的调理电路也基本相同，便于学度传感器等，而且其后接的调理电路也基本相同，便于学习和研究。习和研究。第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage 能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型3)3)按传感器能量转换关系分类按传感器能量转换关系分类 能量转换型能量转换型: :能量转换型传感器直接将被测对象输入的能量能量转换型传感器直接将被测对象输入的能量转换为电能而不需要外加能源。机械工程测试中常

7、用的能量转换为电能而不需要外加能源。机械工程测试中常用的能量转换型传感器有：电动式传感器、压电式传感器、热电式传转换型传感器有：电动式传感器、压电式传感器、热电式传感器、光电式传感器、磁电式传感器等。感器、光电式传感器、磁电式传感器等。 能量控制型能量控制型: :能量控制型传感器是借助辅助能源将被测的物能量控制型传感器是借助辅助能源将被测的物理参数转换成电信号输出的，这里被测物理参数起着控制外理参数转换成电信号输出的，这里被测物理参数起着控制外加能源的作用。机械工程测试中常用的能量控制型传感器有：加能源的作用。机械工程测试中常用的能量控制型传感器有：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等。

8、电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等。4.1 4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4)4)按敏感元件与被测对象之间的机理分类按敏感元件与被测对象之间的机理分类结构型结构型:结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化而实现信结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化而实现信 号转换。如电阻式、电感式、电容式等号转换。如电阻式、电感式、电容式

9、等；物性型物性型: :物性型传感器是利用敏感元件材料本身物理性质的变物性型传感器是利用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，压电式加速度机等化来实现信号变换。如水银温度计，压电式加速度机等 4.1 4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4.1 4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念n按其工作的物理性质可分为 机械式、电气式、光学式、流体式等（见表4-1）按其信号输出的特征可分为 模拟式和数字式等等， 此处不一一赘述。无论何种传感器，作为信号测试系

10、统的首要环节，通常都必须具有快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本功能。n表4-1汇总了机械工程中常用传感器的基本类型n本章主要介绍以电信号输出的各种传感器第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院二、传感器的基本结构类型二、传感器的基本结构类型4.1 4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念组成传感器基本结构的类型有三种：直接变换型、差动型和平衡型。直接变换型结构（几个串联环节组成的开环系统） 差动型（并联系统）平衡型（反馈系统）312123SSSSSSyy12S -S02Syyx01231234S SS

11、S1 SS S Syx第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage三、三、 传感器的发展趋势传感器的发展趋势4.1 4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念（一）传感器的集成化和多功能化趋势（一）传感器的集成化和多功能化趋势 传感器正随着半导体微电子技术的发展而以单个元件向传感器正随着半导体微电子技术的发展而以单个元件向多个元件和多种电路集成在一个芯片上多个元件和多种电路集成在一个芯片上的方向发展，例如集的方向发展，例如集成压力传感器，集成磁敏传感器等。由于集成度的提高，出成压力传感器，集成磁敏传感器等

12、。由于集成度的提高，出现了具有多种参数检测功能的传感器，如多功能气体检测传现了具有多种参数检测功能的传感器，如多功能气体检测传感器，温湿敏传感器等等，这就是多功能化的发展趋向。如感器，温湿敏传感器等等，这就是多功能化的发展趋向。如手指感觉温度、湿度、粗糙度等手指感觉温度、湿度、粗糙度等第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院（二）传感器的智能化趋势（二）传感器的智能化趋势智能传感器是一种带有微处理器的传感器智能传感器是一种带有微处理器的传感器，它将信号检测、，它将信号检测、信号处理和信号驱动等功能电路全部集成到一

13、块基片上，并信号处理和信号驱动等功能电路全部集成到一块基片上，并且使它具有诊断、自动调整量程、处理数据和信息远距离通且使它具有诊断、自动调整量程、处理数据和信息远距离通信等功能，这样的智能化传感器将成为传感器发展的方向。信等功能，这样的智能化传感器将成为传感器发展的方向。（三）传感器的图像化趋势（三）传感器的图像化趋势近代科学技术的发展，要求传感器不仅仅局限于对一个点近代科学技术的发展，要求传感器不仅仅局限于对一个点的物理量可进行测量，而是能够的物理量可进行测量，而是能够进行一维、二维以至三维进行一维、二维以至三维空间的测量，感受的是空间的测量，感受的是“象象”的信息。的信息。例如红外遥感技术

14、，例如红外遥感技术，它能敏感热象图。要求传感器由单件向组合阵列发展。它能敏感热象图。要求传感器由单件向组合阵列发展。第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院传感器的发展趋势传感器的发展趋势4.1 4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念新型片式汽车尾气传感器新型片式汽车尾气传感器第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是将被测物理理（如位移、应变、力、加电阻式传感器

15、是将被测物理理（如位移、应变、力、加速度等）转换成电阻值变化的一种传感器。速度等）转换成电阻值变化的一种传感器。通过调理电通过调理电路把其输出的电阻变化量变换为电压或电流，便可进行路把其输出的电阻变化量变换为电压或电流，便可进行测量、记录、达到信息检测之目的测量、记录、达到信息检测之目的。 按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :电阻应变式、热敏电阻式、气敏电阻应变式、热敏电阻式、气敏电阻式、光敏电阻式等。电阻式、光敏电阻式等。 本节主要介绍应变片式的电阻传感器本节主要介绍应变片式的电阻传感器 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州

16、电子科技大学机械工程学院4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器 应变片式电阻传感器可以用于测量应变、力、位移、加速应变片式电阻传感器可以用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。具有体积小、动态响应快、测量精度高、度、扭矩等参数。具有体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便等优点。故在航空、船舶、机械、建筑等行业得使用简便等优点。故在航空、船舶、机械、建筑等行业得到广泛应用。到广泛应用。 应变片式电阻传感器是以应变片式电阻传感器是以应变效应应变效应为机理的电阻传感器。为机理的电阻传感器。所谓所谓应变效应是指金属导体在发生机械变形时，其电阻值应变效应是指金

17、属导体在发生机械变形时，其电阻值发生变化的物理现象。发生变化的物理现象。 应变片基本结构如图示应变片基本结构如图示第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院 4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器n当导体发生机械变形时，导体长度 、截面积A和电阻率 都要发生变化，于是电阻值的改变量 可由电阻定律 的全微分得到ld R/Rl A2dddddddRRRllRlAlAlAAAAddddRlARlA2Arddd rd2RlRlr第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院

18、杭州电子科技大学机械工程学院4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器/dl l/rdr rr dE E21 2REER 0RKR01 2KE E0KRRdS第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage1 1 金属电阻应变片金属电阻应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发生变化象。的变化

19、而发生变化象。 4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器)21(RdR第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage金属应变计金属应变计4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImagedRdRE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。4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 半

20、导体应变片半导体应变片第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用1-质量块；2-弹性梁；3-硅油阻尼液；4-应变片（两片）；5-温度补偿电阻；6-接线板；7-接线柱；8-外壳图4-6 测力传感器第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院图4-7 加速度传感器1-密封圈；2-通气孔；3-弹性膜片；4-电阻应变片5-输出接线1-密封圈；2-通气

21、孔；3-弹性膜片；4-电阻应变片5-输出接线图4-8 应变片式压力传感器第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院电阻应变片使用中常需了解以下主要特性参数：电阻应变片使用中常需了解以下主要特性参数：电阻值电阻值是指应变片没有粘贴，也不受力时，室温下测是指应变片没有粘贴，也不受力

22、时，室温下测定的电阻值。其规格有定的电阻值。其规格有60、120、200、300、600、1000等多种。等多种。灵敏度灵敏度在一批产品中抽样一定百分比的产品，将各的在一批产品中抽样一定百分比的产品，将各的平均值作为该批产品的平均值作为该批产品的“标称灵敏度标称灵敏度”。应变极根应变极根应变片所能测量的最大应变范围。一般规定，应变片所能测量的最大应变范围。一般规定，在室温下指示应变值与真实应变值的比例偏差超过在室温下指示应变值与真实应变值的比例偏差超过10%时，时，所对应的真实应变为应变极限。所对应的真实应变为应变极限。绝缘电阻绝缘电阻应变片引线与试件之间的电阻称绝缘电阻，应变片引线与试件之间

23、的电阻称绝缘电阻，一般要求在一般要求在(50100)M以上。以上。机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院最大工作电流最大工作电流应变片正常工作范围内允许通过的最大应变片正常工作范围内允许通过的最大电流值，通常在静态测量时允许电流取电流值，通常在静态测量时允许电流取25mA左右。左右。动态响应动态响应分析表明，应变片对正弦应变的响应误差随分析表明，应变片对正弦应变的响应误差随栅长和应变频率的增加而增大；其栅长与应变波波长之比栅长和应变频率的增加而增大；其栅长与应变波波长之比愈小，测量误差也愈小。愈小，测量误差也愈小。零漂和蠕变零漂和蠕变在一定温度

24、下，已装好的应变片不加载时，在一定温度下，已装好的应变片不加载时，其阻值随时间增加而逐渐变化的现象称为零漂。施加恒定其阻值随时间增加而逐渐变化的现象称为零漂。施加恒定应变时，其阻值随时间增加而变化的现象称为蠕变。应变时，其阻值随时间增加而变化的现象称为蠕变。疲劳寿命疲劳寿命反映应变片在动态载荷作用下耐受能力的特反映应变片在动态载荷作用下耐受能力的特性参数，通常用幅值恒定的交变应力作用下连续工作而不性参数，通常用幅值恒定的交变应力作用下连续工作而不发生疲劳破坏的循环次数作为疲劳寿命值。发生疲劳破坏的循环次数作为疲劳寿命值。第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子

25、科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院例例1 有一拉力传感器，用钢柱作为敏感元件，其上贴一有一拉力传感器，用钢柱作为敏感元件，其上贴一电阻应变片。已知钢柱的截面积电阻应变片。已知钢柱的截面积A=1cm2，弹性模量，弹性模量Pa，应变片的灵敏度应变片的灵敏度=2。若测量电路对应变片电阻相对变化。若测量电路对应变片电阻相对变化量的分辨力为量的分辨力为10-7，试计算该传感器能测出的最小拉力。，试计算该传感器能测出的最小拉力。解解 应变片的灵敏度为应变片的灵敏度为从而从而由此得应变片对钢柱应变的分辨力由此得应变片对钢柱应变的分辨力拉力拉力 、应力、应力 和应变和应变 间关系为间关系为所以，

26、该传感器对力的分辨力，即能测到的最小拉力为所以，该传感器对力的分辨力，即能测到的最小拉力为d/R RSd/RRS78minmin(/ )105 102dR RS FEA8104minmin5 1020 101 101FEANN F第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理，把被测的非电电感式传感器是利用电磁感应原理，把被测的非电量，如位移、压力等，转换为电感量变化的一种装置。量，如位移、压力等，转换为电感量变化的一种装置。 按照变

27、换方式按照变换方式 自感式自感式 互感式互感式 按照结构不同按照结构不同 气隙型气隙型 螺管型螺管型 分类第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器一一. .自感式传感器自感式传感器变气隙型变气隙型第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器l衔铁式中式中l为磁路长度，为磁路长度，为磁路的磁导率，为磁路的磁导率，A A为铁芯面积，为

28、铁芯面积，磁通量磁通量与线圈参数有如与线圈参数有如下关系：下关系：mmW iR2mWLR120120011222mmmmllRRRRAAA002mRA2002WAL( )LfmWLi 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器0/1 0()LfA200dd2WLSA0200001LL20002002LWALS0/0.1 00LL L 12200000000012()2WAWALL 200001LL 测量范围允许在0.001mm1mm之间。l衔铁第四章第四章 常用

29、传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器二二. .差动式电感传感器差动式电感传感器12 120LLL120L L L 101LLL202LLL1212LLLLL 24000021LL 002LL 002LLS图4-12 变气隙差动式电感传感器第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差上式中不存在

30、偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。工作范围内要比单个自感传感器的小得多。灵敏度灵敏度提提高一倍高一倍 ！ 变面积型变气隙型变气隙型第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器三、差动变压器式电感传感器三、差动变压器式电感传感器差动变压器的两个次级线圈通常是反相串联连接的，如果两线圈的互感系数为 和 1M2M当铁心处于中间平衡位置时 120MMM输出电压 20U当铁心偏离中心时， 2122112()MUURL1020,

31、MMM MMM第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器 由上所述，差动变压器式传感器输出电压的大小与互由上所述，差动变压器式传感器输出电压的大小与互感的变化量感的变化量 成正比，在铁心上下偏移量相等时，输出电压成正比，在铁心上下偏移量相等时，输出电压大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。 为了获得较好的线性范围，一般要求铁心的位移范围为为了获得较好的线性范围，一般要求铁心的位移范围为线圈骨架长度的线圈骨架长度的1/101/4为宜为宜。 差动变压器式传感器输出

32、的电压信息中既包含了输入差动变压器式传感器输出的电压信息中既包含了输入位移的大小，也包含了输入位移的方向，为了提取这两种位移的大小，也包含了输入位移的方向，为了提取这两种信息，需在其测量电路中采用相敏检波器，这部分内容将信息，需在其测量电路中采用相敏检波器，这部分内容将在第五章中介绍。在第五章中介绍。第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器四、涡电流式传感器四、涡电流式传感器 涡电流式传感器是利用金属导体在交变磁场中的涡电流式传感器是利用金属导体在交变磁场中的涡电流涡电流效

33、应效应设计出的一种互感式传感器。设计出的一种互感式传感器。 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器线圈的等效阻抗线圈的等效阻抗Z Z可表示为可表示为,Zfh I 四、涡电流式传感器四、涡电流式传感器第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器四、涡电流式传感器四、涡电流式传感器 由上式可知，只要改变函数中任一参数，都可使线由上式可知，只要改变

34、函数中任一参数，都可使线圈阻抗发生变化，达到不同的变换目的。圈阻抗发生变化，达到不同的变换目的。 线圈的等效电阻 ，等效电感 及等效品质因数 分别为RLQ22122222221222222212222222122222()()()()MRRRRLMLLLRLMLLRLQMRRRL当线圈接近金属导体时，电路参数 、 、 等均为互感系数 的函数。所以凡是能引起涡电流变化的非电量，如金属的电阻率、磁导率、几何形状以及线圈与导体的距离等参量均可通过测量线圈的等效电阻、等效电感、等效阻抗及等效品质因数来得到。RLQ第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程

35、学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器四、涡电流式传感器应用四、涡电流式传感器应用第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感电容式传感器器变换原理变换原理: :电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。实际上，它就是一个可变参量的电容器。的一种装置。实际上，它就是一个可变参量的电容器。 两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :+ A

36、 、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。0(F)rAAC 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器一、变极距型电容传感器一、变极距型电容传感器+AC0+第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器一、变极距型电容传感器（非差动结构）一、变极距型电容传感器（非差动结构）000AACC C 000

37、/1 (/)C 0200CCAS00AC0AC0/0.1 2ddACS一般取极距变化范围为。亦可对式（4-28）求导得230000CC0/1 230000CC极距减小当极距增加第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器一、变极距型电容传感器（差动结构）一、变极距型电容传感器（差动结构）实际应用中，常把电容传感器作成差动结构，如图4-18所示。24000021CC002CC002CCS10则上半部间隙变为 下半部间隙变为 20 相应地电容变化为 101CCC202

38、CCC总的电容变化量1212CCCCC 12CC 差动结构的电容传感器灵敏度提高一倍，而非线性度显著降低。第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器1.1.角位移型角位移型由于覆盖面积 所以电容量灵敏度212Ar22rC2dd2CrS常数 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器二、变

39、面积型电容传感器二、变面积型电容传感器AC02.2.平板位移型平板位移型由于电容量 bxC灵敏度ddCbSx常数 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器3.3.圆柱体线位移型圆柱体线位移型AC02In/xCD d电容量 当覆盖长度 变化时，电容量 发生变化， 其灵敏度xC2In/dCSdxD d常数 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工

40、程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器产品产品陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。压力变送压力变送器器第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器AC0 若在电容传感器的两极板之间充以不同的介质，使若在电容传感器的两极板之间充以不同的介质，使介电常数发生

41、变化，电容量也会随之改变。应用这一原理介电常数发生变化，电容量也会随之改变。应用这一原理制成的电容传感器就是变介质型的。制成的电容传感器就是变介质型的。 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器产品产品. .第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器三、变介电常数型电容传感器三

42、、变介电常数型电容传感器电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术

43、机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器三、变介电常数型电容传感器（电容式液位计）三、变介电常数型电容传感器（电容式液位计） 电容器总电容 等于气体介质中的电容 与液体介质中的电容 之和。C1C2C211222112()21n1nhxxCCCRRRR212221122 ()In1nhxRRRR 其灵敏度12212 ()dd1nCSRxR 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.4 4.4 电容式传感器电容式传感

44、器( (应用）应用）第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.5 4.5 压电式传感器压电式传感器一、压电效应一、压电效应压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。这些物质在机械力作用下发生变形时，内部产生极化的。这些物质在机械力作用下发生变形时，内部产生极化现象，在其表面上生成极性相反的电荷，形成电场。当外现象，在其表面上生成极性相反的电荷，形成电场。当外力撤消时，电荷立即消失，重新恢复到原来的状态，这种力撤消时，电荷立即消失，重新恢

45、复到原来的状态，这种现象称为压电效应。二、压电材料：具有压电效应的物质现象称为压电效应。二、压电材料：具有压电效应的物质很多，常见的大致可分三类：石英晶体很多，常见的大致可分三类：石英晶体 、酒石酸钾、酒石酸钾钠钠( )等压电单晶体；钛酸钡等压电单晶体；钛酸钡 、锆、锆钛酸铅钛酸铅(PZT)等多晶压电陶瓷和高分子压电薄膜，如聚偏等多晶压电陶瓷和高分子压电薄膜，如聚偏二氟乙烯（二氟乙烯（PVDF）等。下面以石英晶体为例来说明其压电）等。下面以石英晶体为例来说明其压电特性。特性。)(2SiO44624aKN C H OH O)(3BaTiO第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程

46、测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院( )a石英晶体 ( )b光轴、电轴和机械轴 晶片电荷极性与受力方向关系第四章第四章 常用传感器常用传感器一、压电效应一、压电效应机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院三、压电式传感器及其特性三、压电式传感器及其特性+并联并联+串联串联qDF0aaqDUFCC第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院 压电式传感器突出的特点是固有频率高，可测频带宽，压电式传感器突出的特点是固有频率高，可测频带宽，此外，

47、还具有体积小、重量轻、精确度与灵敏度高等优点。此外，还具有体积小、重量轻、精确度与灵敏度高等优点。在测量加速度和动态力等方面得到了广泛地应用。在用作加在测量加速度和动态力等方面得到了广泛地应用。在用作加速度和力传感器时，可测频率范围从速度和力传感器时，可测频率范围从0.1Hz20kHz，可测，可测振动加速度值达（振动加速度值达（10-2105）ms-2。 压电式传感器多与电荷放大器配套使用，形成专用测量压电式传感器多与电荷放大器配套使用，形成专用测量系统。系统。第四章第四章 常用传感器常用传感器三、压电式传感器及其特性三、压电式传感器及其特性机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械

48、工程学院杭州电子科技大学机械工程学院压电式力传感器和压电式加速度传感器的应用实例原理图压电式力传感器和压电式加速度传感器的应用实例原理图22122ddddddyyymckymttt 01yyy2,2nkcmkm222122ddd2dddnnyyyyattt 22221 /()12nannyAaFG yqDFDGy22221 /12nnnD G a/1n2nD Gqa三、压电式传感器及其特性三、压电式传感器及其特性机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院第四章第四章 常用传感器常用传感器三、压电式传感器及其特性三、压电式传感器及其特性机械工程测试技

49、术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage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 第四章第四章 常用传感器常用传感器4.5 4.5 压电式传感器压电式传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院图4-28 阻抗头1-压电晶片；2-质量块；3-安装平面；4-钛质壳体；5-加速度输出口；6-压电晶片；7-激振平台；8-橡皮；9-力输出口第四章第四章 常用传感器常用传感器压电式传感器应用实例压电式传感器应用实例 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技

50、大学机械工程学院NoImage4.6 4.6 磁电式传感器磁电式传感器根据电磁感应定律，对于一个匝数为根据电磁感应定律，对于一个匝数为 的线圈，当穿过该线的线圈，当穿过该线圈的磁通圈的磁通 发生变化时，其感应电动势发生变化时，其感应电动势1.1.变换原理变换原理: :电磁感应原理电磁感应原理 磁电式传感器是把被测的物理量转换为感应电动势的一磁电式传感器是把被测的物理量转换为感应电动势的一种传感器。种传感器。磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。其中一个因素，都会改变感应电动势。 ddeWt W),(

51、ddvRBtm第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.6 4.6 磁电式传感器磁电式传感器2 2 分类分类 磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院一、动圈式磁电传感器（速度拾振器）一、动圈式磁电传感器（速度拾振器）dsinsindxeWBlWBlvtW Belv90角速度型传感器感应电动势线速度型传感器感应电动势ekW BA第四章第四章 常用传

52、感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.6 4.6 磁电式传感器磁电式传感器角速度型角速度型测速电机测速电机第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.6 4.6 磁电式传感器磁电式传感器 将传感器中线圈产生的感应电势通过电缆与电压放大器联接时，其等效电路如图4-30所示。 是发电线圈的感应电势； 是线圈电阻； 是负载电阻（放大器输入电阻）； 是电缆导线的分布电容； 是电缆导线的电阻。 0e0RLRcCcR一、动圈式磁电

53、传感器（速度拾振器）一、动圈式磁电传感器（速度拾振器）00011jLcLeeRR CR第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院 通常传感器输出的电压是很微弱的通常传感器输出的电压是很微弱的(毫伏级毫伏级)，因此，因此，感应电动势须经放大检波后方可推动指示仪表。如果经感应电动势须经放大检波后方可推动指示仪表。如果经过微积分电路，可以得到加速度和位移过微积分电路，可以得到加速度和位移第四章第四章 常用传感器常用传感器4.6 4.6 磁电式传感器磁电式传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭

54、州电子科技大学机械工程学院NoImage4.6 4.6 磁电式传感器磁电式传感器二、磁阻式磁电传感器二、磁阻式磁电传感器磁电式车速传感器磁电式车速传感器第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.6 4.6 磁电式传感器磁电式传感器二、磁阻式磁电传感器二、磁阻式磁电传感器 上述动圈式传感器的工作原理也可看作是线圈在磁场中上述动圈式传感器的工作原理也可看作是线圈在磁场中运动时切割磁力线而产生感应电动势。磁阻式传感器则是线运动时切割磁力线而产生感应电动势。磁阻式传感器则是线圈与磁铁不动，由运动的物体（导

55、磁材料）改变磁路的磁阻，圈与磁铁不动，由运动的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.6 4.6 磁电式传感器磁电式传感器二、磁阻式磁电传感器二、磁阻式磁电传感器 在没有被测物体时，永久磁铁的磁路经由铁芯和工作在没有被测物体时，永久磁铁的磁路经由铁芯和工作气隙闭合，当将其放置在被测物体旋转齿轮附近时，工作气隙闭合，当将其放置在被测物体旋转齿轮附近时，工作气隙随齿顶和齿谷的交替

56、出现而使磁通气隙随齿顶和齿谷的交替出现而使磁通 随磁阻的改变作周随磁阻的改变作周期性变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与齿轮转速期性变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与齿轮转速成比例的交流电动势，表达式为成比例的交流电动势，表达式为第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院60nfZ 为转速（为转速（ ）；）； 为齿轮齿数；为齿轮齿数； 为感应电动为感应电动势频率（势频率（ ）。）。nr/minZfHz 用频率计记下频率数，即可求得被测转轴的转速。测速用频率计记下频率数，即可求得被测转轴的转速。测速发电机就是最

57、普通的应用实例。发电机就是最普通的应用实例。 磁阻式传感器使用方便、结构简单，常被用来测量转速、磁阻式传感器使用方便、结构简单，常被用来测量转速、偏心量、振动等参数。偏心量、振动等参数。第四章第四章 常用传感器常用传感器4.6 4.6 磁电式传感器磁电式传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.7 4.7 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔式传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换器，其转换霍尔式传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换器，其转换元件是霍尔元件，一般由锗（元件是霍尔元件，一般由锗（Ge）、锑化铟（）、锑化铟（InSb）、砷化）、

58、砷化铟（铟（InAs）等半导体材料制成。）等半导体材料制成。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果 第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.7 4.7 霍尔传感器霍尔传感器 当电场作用在运动电子上的力当电场作用在运动电子上的力 与洛伦兹力与洛伦兹力 相等时，相等时，电子的积累便达到动态平衡。这时在元件电子的积累便达到动态平衡。这时在元件c 、d 两端之间建两端之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势立的电场称为霍尔电

59、场，相应的电势称为霍尔电势 ，其，其大小大小EFLFHVsinsinHHIBVk IBned第四章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院NoImage4.7 4.7 霍尔传感器霍尔传感器图图4-34表示用霍尔元件测量表示用霍尔元件测量位移的实例。将霍尔元件置于位移的实例。将霍尔元件置于两个相邻而方向相反的磁场内，两个相邻而方向相反的磁场内，由于每点磁感应强度由于每点磁感应强度 值不同，值不同，当元件沿当元件沿 方向移动时，可由方向移动时，可由霍尔电势的变化反映出位移量霍尔电势的变化反映出位移量大小。大小。BxIB第四

60、章第四章 常用传感器常用传感器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院 霍尔元件具有结构简单可靠，体积小，噪声低，寿命长，霍尔元件具有结构简单可靠，体积小，噪声低，寿命长，动态范围大（输出电压变化范围可达动态范围大（输出电压变化范围可达1000：1），频率范围），频率范围宽（从直流到微波频段）等特点。它不仅可用于测量位移和宽（从直流到微波频段）等特点。它不仅可用于测量位移和可转化为位移的力、加速度等参量，还可以通过改变电流可转化为位移的力、加速度等参量，还可以通过改变电流 和磁感应强度和磁感应强度 的方法，作为运算和调制器件。的方法，作为运算和调