机械工程测试技术基础··第三章(沈阳理工大学)

1、沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院常用传感器及敏感元件常用传感器及敏感元件沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院学习要求 传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节。完成本章内容的学习后应能做到：o了解传感器的的作用与工业应用情况o了解传感器的分类 o了解传感器的最新发展动态 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院主要内容 o概述o传感器的组成与分类 o电阻式传感器o电感式传感器o电容式传感器o压电式传感器o磁电式传感器o其它传感器 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院概述概述定义：工程上通常把直接作用于被测量，定义：工程上通常把直接作用于被

2、测量，能按一定规律将其转换成同种或别能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为种量值输出的器件，称为传感器。传感器。广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院传感器的组成与分类传感器的组成：传感器的组成：例如测量一辆直线运例如测量一辆直线运动的汽车的加速度：动的汽车的加速度：沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量

3、, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩传感器的组成与分类传感器的分类：传感器的分类：沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .2)2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: :传感器的组成与分类沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院3)3)按信号变换特征按信号变换特

4、征: :能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .传感器的组成与分类沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号

5、变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. . 例如例如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .传感器的组成与分类沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电阻式传感器完成本节内容的学习后应能做到：p掌握电阻式传感器的工作原理p了解电阻式传感器的结构、分类p掌握变阻器式传感器、电阻应变式传感器、 固态压阻式传感器在结构和工作原理的相 同点和不同点p了解电阻式传感器的应用沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电阻式传感器

6、是把被测量转换为电阻变化的一种传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式、电应变式、压阻式变阻器式、电应变式、压阻式.电阻式传感器1 变阻器式传感器变阻器式传感器 1 2 3 132直线型旋转型沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院变阻器式传感器的等效电路变阻器式传感器的等效电路EinEoutRxRLRp-Rx)1)(1pxxLRpRxpxinLRxRxRpRLRpRinLRxRLRxRxRpRinEEEoutE沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院变阻器式传感器的负载效应变阻器式传感器的负载效应 优点：稳定、简单

7、、适合精度不高优点：稳定、简单、适合精度不高的场合的场合缺点：分辨力不高缺点：分辨力不高 100%Output0 x沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院变阻器式传感器的特点变阻器式传感器的特点 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院变阻器式传感器的应用变阻器式传感器的应用 例例1 重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备原材料重量设定 比较沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院变阻器式传感器的应用变阻器式传感器的应用 例例2 用变阻式传感器制作的位移传感器的结构图。被测位移使测量用变阻式传感器制作的位移传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动

8、电刷在滑线电阻上产生相同的位移，轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥臂，构成电桥测量电路。两个桥臂，构成电桥测量电路。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电阻式传感器2电阻应变片式传感器电阻应变片式传感器 金属应变计有:丝式(wire gauge)和箔式(foil gauge)优点优点:稳定性和 温度特性好.缺点缺点:灵敏度系 数小.应变计是一种将应变计是一种将压力压力,荷重荷重,位移位移,速度速度,加速度加速度,扭扭矩等物理量转换矩等物理量转换成电

9、信号的元件成电信号的元件.沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电阻式传感器金属的电阻金属的电阻R为：为：AlR电阻率 长 A截面积 (1) 当当 不变时不变时-金属应变计金属应变计 (2) 当当 变化时变化时-半导体应变计半导体应变计)21 ( RdAdldRARlRERRdddRdAlR沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院应变计分类金属应变计压电二极管,压电晶体管半导体应变计粘 贴 式非粘贴式薄模型体型扩散型应变计应变计沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院金属丝式沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院金属丝式 dRdAARdllRdR纵向应变 l

10、dl引起电阻值相对变化量为 )21 ( RdR电阻相对变化率与应变成正比 电阻应变片的灵敏度21ldlRdRSg沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院金属箔式和半导体式 310 m金属箔式制做：金属丝经高温液化后，高压高速喷射，而后雾化沉积在基片上，形成层，再用光刻腐蚀法形成电路。 优点：散热好易成形，取代了丝式半导体式：结构如图，原理同上Es21Es 工作原理：基于半导体材料的压阻效应。优点:应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点:电阻温度系数比金属应变计大一个数量级 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院应变片应用中的问题 （1） 温度效应温度效应1)

11、 电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0（1+0t） Rt温度为 t 时的电阻值; R0温度为t0时的电阻值; 0金属丝的电阻温度系数; t温度变化值, t=t -t0当温度变化t时, 电阻丝电阻的变化值为： Rt=Rt- R0= R00t 设电阻丝和试件在温度为 0 时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为s和g, 若两者不粘贴, 则它们的长度分别为 Ls= L0（1+st） Lg= L0（1+gt） 2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 电阻应变片的温电阻应变片的温度补偿方法通常度补偿方

12、法通常有线路补偿法和有线路补偿法和应变片自补偿两应变片自补偿两大类。大类。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院应变片应用中的问题 横向效应横向效应 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院应变片应用中的问题 动态误差动态误差 由于应力波高频变化时，在机械杆形成波动，对应变片长度有限制。）（tXtpcos沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院应变片应用 1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院应变片应用 2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元

13、件一起构成应变式传感器。）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。 xsksRdR=maF惯.k 惯FkmaaskmRdR m这种传感器常这种传感器常用来测量力、用来测量力、位移、加速度位移、加速度等物理参数等物理参数 。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电感式传感器完成本节内容的学习后应能做到：p了解电感式传感器的工作原理p了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器 和差动变压器式传感器的特点p了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器 和差动变压器式传感器的应用 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电感式传感器 电感式传感器是把被测量如力电感式传感

14、器是把被测量如力,位移等转换为电感量位移等转换为电感量 变化的一变化的一种装置种装置.其变换的原理是电磁感应（现象）。其变换的原理是电磁感应（现象）。 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沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电感式传感器 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式 2002SNL 原理原理: :电磁感应电磁感应自感自感L与空气隙与空气隙成反比，而与空气成反比，而与空气隙导磁截面积隙导磁截面积S0成正比。当固定成正比。当固定S0不变，变化不变，变化时，时，L 与与呈非线性呈非线性（双曲线）关系，此时，传感器的（双曲

15、线）关系，此时，传感器的灵敏度为：灵敏度为： 由于由于S不是常数，不是常数，因而出现非线性因而出现非线性误差，为了减小误差，为了减小误差，通常规定误差，通常规定在较小的范围在较小的范围内工作。内工作。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电感式传感器 实际应用中，一般取实际应用中，一般取 。这种传感器适用。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为于较小位移的测量，一般约为0.0011 mm。 如将如将固定，变化空气隙导磁截面积固定，变化空气隙导磁截面积S0时，自感时，自感L与与S0呈线性关系如下图所示：呈线性关系如下图所示： 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院差动式可变

16、磁阻电感传感器200102()wALx200202()wALx200210011()2wALLLxx 2002201wAxx21LLx线性改善差动方差动方式 可 提式 可 提高 灵 敏高 灵 敏度 及 减度 及 减少 非 线少 非 线性误差。性误差。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电感式传感器 2 电涡流电涡流 如果这些参数中有某个发生变化，如果这些参数中有某个发生变化，线圈阻抗便会发生变化，通过测量线圈线圈阻抗便会发生变化，通过测量线圈的阻抗，便能测定相应的物理量。的阻抗，便能测定相应的物理量。),(ZZ 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电涡流等效电路 L2L

17、1U1M1R2R11R11L)(L1R1L2R2L线圈电阻 线圈电感 涡流电阻 涡流电感 M互感22122222MLLLRLhMM,hLL,22hLL, 由于等效电感与位移有关，在由于等效电感与位移有关，在一定范围呈线性，可测位移、材质、一定范围呈线性，可测位移、材质、厚度；厚度； 优点：非接触优点：非接触沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电涡流检测电路 (1)谐振电路谐振电路12fLc111Lf222Lf333Lf沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电涡流检测电路 (2)调频电路调频电路 12fLc0000 xLLLffeee xe 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工

18、大学机械工程学院电涡流传感器的应用 涡流式位移、力、振动测量，涡流式位移、力、振动测量，NDT，测厚，测厚,材质判别。材质判别。 案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电涡流传感器的应用 案例：无损探伤案例：无损探伤火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测裂纹检测，裂纹检测，缺陷造成缺陷造成涡流变化。涡流变化。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电涡流传感器的应用 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 3 互感式差动传感器互感式差动传感器 电感式传感器 输出：输出：ey=e1-e2 活动衔铁能改变线圈之间的藕合程

19、度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。 当活动衔铁的位置居中时，e1=e2，ey=0； 当活动衔铁向上移时，e1e2，ey0； 当活动衔铁向下移时，e1e2，ey0。 活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化 注意：差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示则输出值只能反应注意：差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向；其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向；其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁

20、磁材质不均零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成的。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为匀、线圈间分布电容等原因所形成的。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。零。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电感式传感器 差动相敏检波电路差动相敏检波电路沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院差动变压器式传感器应用应用应用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度; 压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：案例：板的厚度测量板的厚度

21、测量 案例：案例：张力测量张力测量沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器完成本节内容的学习后应能做到：p掌握电容式传感器的工作原理p了解电容式传感器的结构、分类p掌握电容式传感器的设计要点、转换电路p了解电容式传感器的应用沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容传感器 电容式传感器：将被测量电容式传感器：将被测量(如尺寸、压力等如尺寸、压力等)的变化转换成电容的变化转换成电容量变化的一种传感器。量变化的一种传感器。 S 两个极板相对有效面积两个极板相对有效面积 ，单位为，单位为m2； d 两平行极板间的距离，单位为两平行极板间的距离，单位为m； 两极板间介质的

22、介电常数。两极板间介质的介电常数。dsC沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院工作原理及类型 改变电容改变电容C的方法：的方法：改变介质的介电常数改变介质的介电常数； 改变形成电容的有效面积；改变形成电容的有效面积； 改变两个极板间的距离。改变两个极板间的距离。类型：类型： 变极距变极距（或称变间隙）型、变面积型和变介电常数型。或称变间隙）型、变面积型和变介电常数型。电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。 dsC沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院灵敏度及非线性 变极距式变极距式 00dsCdsC CCddsC00)( 32000

23、01dddddddCdCk比值比值d/d0 很小时接近线性关系，因此这种形式传感器的被测量范围不应太大。很小时接近线性关系，因此这种形式传感器的被测量范围不应太大。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院灵敏度及非线性 如果，变极距式电容传感器被测范围大，适当增大极板间的初始如果，变极距式电容传感器被测范围大，适当增大极板间的初始距离距离 d0 ，保证比值，保证比值d/d0，但，但C0/d0，故灵敏度，故灵敏度；C0，寄，寄生电容的干扰作用生电容的干扰作用。常采用差动式电容传感器常采用差动式电容传感器。 忽略电容器的边缘效应后，忽略电容器的边缘效应后，变面积型和变介电常数型变面积型和变

24、介电常数型(测厚除外测厚除外)电容传感器具有很好的线性电容传感器具有很好的线性。实际由于边缘效应，仍存在非线性问。实际由于边缘效应，仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容传感器的特点电容传感器的特点优点：优点：温度稳定性好；温度稳定性好； 结构简单、适应性强；结构简单、适应性强； 动态响应好；动态响应好； 可以实现非接触测量，具有平均效应可以实现非接触测量，具有平均效应缺点：缺点：输出阻抗高，负载能力差；输出阻抗高，负载能力差；则则ZC,但是但是C很小，故很小，故ZC大大 寄生电容影响大；引

25、线电容、电路杂散电容、极板与周围导寄生电容影响大；引线电容、电路杂散电容、极板与周围导 体之间电容。体之间电容。 输出特性非线性输出特性非线性 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的设计要点电容式传感器的设计要点 （1）保证绝缘材料的）保证绝缘材料的绝缘性能：绝缘性能：从选从选材、结构、加工材

26、、结构、加工工艺等方面来减工艺等方面来减小温度等误差和小温度等误差和保证绝缘材料具保证绝缘材料具有高的绝缘性能。有高的绝缘性能。（2）消除和减小边缘）消除和减小边缘效应：效应：边缘效应边缘效应不仅使电容传感不仅使电容传感器的灵敏度降低器的灵敏度降低而且产生非线性，而且产生非线性，因此应尽量消除因此应尽量消除或减小它。或减小它。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的设计要点电容式传感器的设计要点 （3）消除和减小寄生电容的影响）消除和减小寄生电容的影响 增加原始电容值可减小寄生电容的影响。增加原始电容值可减小寄生电容的影响。 注意传感器的接地和屏蔽。注意传感器的接地和屏蔽

27、。 将传感器与电子线路的前置级将传感器与电子线路的前置级(集成化集成化)装在一个壳体内，去除传感器至前置级的电缆。装在一个壳体内，去除传感器至前置级的电缆。 采用采用“驱动电缆驱动电缆技术技术(也称也称双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输技术技术)。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的设计要点电容式传感器的设计要点 （4）防止和减小外界干扰）防止和减小外界干扰 屏蔽和接地。屏蔽和接地。 增加原始电容值以降低容抗。增加原始电容值以降低容抗。 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成

28、直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。敏度，减小寄生电容的影响和干扰。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路将传感器将传感器C转换成电压、电流、频率等电量。转换成电压、电流、频率等电量。一般归结为两类：调制型、脉

29、冲型一般归结为两类：调制型、脉冲型(或称为电容充放电型或称为电容充放电型)调制型：调制型：沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路交流激励法交流激励法沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路电容式传感器构成交流电桥的一些形式电容式传感器构成交流电桥的一些形式 ：沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路双双T型充放电网络型充放电网络 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路脉冲型电路脉冲型电

30、路-利用电容的充放电利用电容的充放电沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的应用电容式传感器的应用电容传感器可用于测量直线位移、电容传感器可用于测量直线位移、角位移，振动振幅角位移，振动振幅(可测至可测至0.05m的微小振幅的微小振幅)，尤其适，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量；回转精度、加速度等机械量；可用于测量压力、差压力、液位、可用于测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。电介质的湿度、密

31、度、厚度等等。在自动检测和控制系统中常作为在自动检测和控制系统中常作为位置信号发生器。位置信号发生器。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的应用电容式传感器的应用沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的应用电容式传感器的应用沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的应用电容式传感器的应用沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的应用电容式传感器的应用沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容式传感器的应用电容式传感器的应用沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院压电式传感器压电式传感器p掌握

32、压电式传感器的工作原理p了解压电式传感器的等效电路p了解压电式传感器的测量电路学习内容：沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院压电效应压电效应 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，的有源传感器。当材料受力作用而变形时， 其表面会有电荷产生，从其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。而实现非电量测量。 某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外

33、力去掉生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院压电效应压电效应 +F+

34、沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院压电材料压电材料 压电材料可以分为两大类压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷。压电晶体和压电陶瓷。 p压电晶体（主要是单晶体）压电晶体（主要是单晶体） 石英、天然晶体，除压电常数不大外，特性优越石英、天然晶体，除压电常数不大外，特性优越,作为作为标准传感器。标准传感器。p压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体） 属于人工制造的多晶体，仍以属于人工制造的多晶体，仍以Q=dF表示，较大的压电表示，较大的压电系数，介电常数，机械强度系数，介电常数，机械强度1 (1+k)CfCyfqec 电荷放大器：电荷放大器：沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机

35、械工程学院压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 实际电荷放大器实际电荷放大器 反馈端并联电阻反馈端并联电阻Rf:电荷放大器，对电缆长度要求不高，可以长达电荷放大器，对电缆长度要求不高，可以长达100米米沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院压电式传感器的应用压电式传感器的应用 压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。量。在检测技术中，常用来测量力和加速度。在检测技术中，常用来测量力和加速度。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院压电式传感器的应用压电式传感器的应用 压电元件是

36、一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。量。在检测技术中，常用来测量力和加速度。在检测技术中，常用来测量力和加速度。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院压电式传感器的应用压电式传感器的应用 BSD2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器, 它利用压电它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出波转换成电压输出 输出电压经放大

37、、输出电压经放大、 滤波、滤波、 比较等处理后提供给报警系统。比较等处理后提供给报警系统。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 磁电式传感器磁电式传感器 学习内容：p 掌握磁电式传感器变换原理掌握磁电式传感器变换原理p 了解动圈式传感器的基本结构和工作原理了解动圈式传感器的基本结构和工作原理p 了解磁阻式传感器的基本结构和工作原理了解磁阻式传感器的基本结构和工作原理沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 磁电式传感器磁电式传感器 磁感应电式传感器是利用电磁感应原理将被测量磁感应电式传感器是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）的变化转变为感应电动（如振动、位移

38、、转速等）的变化转变为感应电动势，是一种机势，是一种机-电能量变换型传感器，电能量变换型传感器， 它不需要辅它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。电信号，是有源传感器。 由于它输出功率大电路简单，输出阻抗小，且由于它输出功率大电路简单，输出阻抗小，且性能稳定性能稳定, 不需要外部供电电源，又具有一定的频率不需要外部供电电源，又具有一定的频率响应范围响应范围(一般为一般为101000Hz)，适用于振动、转，适用于振动、转速、扭矩等测量。所以得到普遍应用。但这种传感速、扭矩等测量。所以得到普遍应用。但这种传感器的尺寸

39、和重量都较大。器的尺寸和重量都较大。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 磁电式传感器磁电式传感器 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沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 磁电式传感器分类磁电式传感器分类 根据法拉第电磁感应定律，根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量的大小决定于穿过线圈的磁通量的变化率：的变化率： dtdWdtde 磁通变化率与磁场强度、磁路

40、磁阻、线圈的运动速度有关，磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 磁电式传感器分类磁电式传感器分类 ewBlvekWBA沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 磁电式传感器分类磁电式传感器分类 在传感器中当结构参数确定后，在传感器中当结构参数确定后

41、，B、l、N、S均为定值，感应电动势均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度(v或或)成正比，所以这类传感器的基本形成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 磁阻式磁阻式 磁阻式传感器又

42、称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测磁阻式传感器又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。其结构原理如下图所示。量旋转物体的角速度。其结构原理如下图所示。 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，也能在的温度下工作，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，约为油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达上限可达100Hz。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 测量电路测量电路 E等效电路等效电路RfWVRRLBRREI 010Rf测量电路输

43、入电阻测量电路输入电阻 R 线圈等效电阻线圈等效电阻E电压源电压源R内阻（线圈电阻）内阻（线圈电阻） 磁电式传感器可以等效为一个二阶系统。磁电式传感器可以等效为一个二阶系统。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 测量电路测量电路 磁电感应式传感器直接输出感应电势。所以任何具有一定工作频带的电压表或示磁电感应式传感器直接输出感应电势。所以任何具有一定工作频带的电压表或示波器都可采用。并且由于该传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要增益放大。波器都可采用。并且由于该传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要增益放大。 但磁电感应式传感器是速度传感器，如要获取位移或加速度信号，就需配

44、用积分但磁电感应式传感器是速度传感器，如要获取位移或加速度信号，就需配用积分电路或微分电路。电路或微分电路。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 测量电路测量电路 积分电路：积分电路： 无源积分电路 有源积分电路 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 测量电路测量电路 微分电路：微分电路：实用有源微分电路 有源微分电路的幅频特性 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 该传感器测量的是振动速度参数该传感器测量的是振动速度参数, 若在测量电路中接入积分电路若在测量电路中接入积分电路, 则输出电则输出电势与位移成正比势与位移成正比; 若在测量电路中接入微分电路若

45、在测量电路中接入微分电路, 则其输出与加速度成正比。则其输出与加速度成正比。 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 CD-1型振动速度传感器 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 磁电感应式转速传感器沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。随着半导体技术的发展霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。随着半导体技术的发展, 开始用开始用半导体材料制成霍尔元件半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显

46、著而得到应用和发展。由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。 置于磁场中的静止载流导体置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称霍尔效应。这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。该电势称霍尔电势。 霍尔式传感器是磁电式传感器。霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁霍尔式传感器是磁电式传感器。霍尔式传感器为

47、载流半导体在磁场中有电磁效应效应(霍尔效应霍尔效应)而输出电势的。它们原理并不完全相同，因此各有各的特点和应而输出电势的。它们原理并不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。用范围。 由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波从直流到微波)、动态范围大、动态范围大(输出电势变化范围输出电势变化范围可达可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、

48、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 霍尔效应和霍尔元件材料霍尔效应和霍尔元件材料霍尔电势：霍尔电势：RH霍尔系数，由载流材料的物理性质决定；kH灵敏度系数；d 薄片厚度。如果磁场和薄片法线有角，那么 最常用的霍尔元件材料有1锗(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)N型及P型均可。3砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。 沈阳理工大学

49、机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 测量电路测量电路 激励电流由电源激励电流由电源E供给，可变电阻供给，可变电阻RP用来调节激励电流用来调节激励电流I的大小。的大小。RL为输出霍为输出霍尔电势尔电势UH的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标 1）额定激励电流）额定激励电流IH 使霍尔元件温升使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用IH表示。表示。2）输入电阻）输

50、入电阻Ri 它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(205)的环境温度中测取。的环境温度中测取。 输出电阻输出电阻Rs 它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(205)的条件下测取。的条件下测取。3） 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为当霍尔元件的激励电流为I时时, 若元件所处位置磁感应强度为零若元件所处位置磁感应强度为零, 则它的霍尔电势应则它的霍尔电势应该为零该为零, 但实际不为零。但实际不为零。 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。 4

51、） 寄生直流电势寄生直流电势 在外加磁场为零在外加磁场为零, 霍尔元件用交流激励时霍尔元件用交流激励时, 霍尔电极输出除了交流不等位电势外霍尔电极输出除了交流不等位电势外, 还有一直流电势还有一直流电势, 称寄生直流电势。称寄生直流电势。5） 霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下在一定磁感应强度和激励电流下, 温度每变化温度每变化1时时, 霍尔电势变化的百分率称霍霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势

52、补偿 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用霍尔式位移传感器原理示意图 霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器结构原理图及磁钢外形 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用铁磁材料裂纹检测 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 其他传感器其他传感器

53、光电传感器光电传感器 光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要它是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件工作的物理基础是光电效应。的部件。光电器件工作的物理基础是光电效应。 光电器件响应快、结构简单、光电器件响应快、结构简单、 使用方便使用方便, 而且有较高的可靠性而且有较高的可靠性, 因此在自动检因此在自动检测、计算机和控制系统中测、计算机和控制系统中, 应用非常广泛。应用非常广泛。 受光照物体受光照物体(通常为半导体材料通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效

54、应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。 在光线作用下在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。电倍增管就属于这类光电器件。 由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应。体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大

55、学机械工程学院 其他传感器其他传感器光电传感器光电传感器光电导效应：光电导效应： 光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏和反向工作的光敏二极管、光敏三极管三极管(光电导结型光电导结型)。 1 光敏电阻光敏电阻 材料：硅、硒、硫化镉材料：硅、硒、硫化镉

56、 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 其他传感器其他传感器光电传感器光电传感器 光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅（光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅（Si）。光敏管的工作原理与光）。光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的敏电阻是相似的,其差别只是光照在半导体结上而已。其差别只是光照在半导体结上而已。2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 其他传感器其他传感器光电传感器光电传感器光生伏特效应光生伏特效应 ： 光生伏特效应指半导体材料光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。结受到光照后产生

57、一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器件是自发电式的因此光生伏特型光电器件是自发电式的,属有源器件。以可见光作光源的光电池是属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件常用的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常用的材料硒和硅是光电池常用的材料,也可以使用锗。也可以使用锗。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 其他传感器其他传感器光电传感器光电传感器3 光电开关光电开关 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收, 并进行光电转换并进行光电转换, 同同时加以某种形式的放大和控制时加以某种形式的放大和控制, 从而获得

58、最终的控制输出从而获得最终的控制输出“开开”、 “关关”信号的信号的器件。器件。 光电开关广泛应用于工业控光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测，控系统中用作物体检测， 产品计产品计数数, 料位检测，尺寸控制，安全报料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等用途。警及计算机输入接口等用途。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 其他传感器其他传感器光电传感器光电传感器光电传感器的应用光电传感器的应用 由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、

59、高分由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。的应用。按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。 光电传感光电传感器在工业上的器在工业上的应用可归纳为应用可归纳为吸收式、遮光吸收式、遮光式、反射式、式、反射式、辐射式四种基辐

60、射式四种基本形式。本形式。 沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院 其他传感器其他传感器电荷耦合器件电荷耦合器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Couple Device， 简称简称CCD）是一种金属氧）是一种金属氧化物半导体（化物半导体（MOS）集成电路器件。它以电荷作为信号）集成电路器件。它以电荷作为信号, 基本功能是进行电荷的基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移。存储和电荷的转移。 广泛应用于自动控制和自动测量广泛应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识别技术。尤其适用于图像识别技术。 线型线型CCD图像传感器图像传感器 CCD固态图像传感器由感光部分和固态图像