第三章常用传感器

1、机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器第三章第三章 常用传感器技术常用传感器技术第一节第一节 传感器的基本概念传感器的基本概念第二节第二节 电阻式传感器电阻式传感器第三节第三节 电容式传感器电容式传感器第四节第四节 电感式传感器电感式传感器第五节第五节 压电式传感器压电式传感器第六节第六节 磁电与热电式传感器磁电与热电式传感器第七节第七节 光电式传感器光电式传感器第八节第八节 光纤传感器光纤传感器第九节第九节 半导体传感器半导体传感器第十节第十节 其它类型传感器其它类型传感器机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器1.了解传感器的分类及其选

2、用原则；了解传感器的分类及其选用原则； 2.了解传感器常用测量电路；了解传感器常用测量电路； 3.掌握常用传感器的测量原理、特点掌握常用传感器的测量原理、特点及其应用；及其应用； 4.了解新型传感器的发展方向。了解新型传感器的发展方向。 教学目标教学目标机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器第一节第一节 传感器的基本概念传感器的基本概念一、传感器的定义与组成一、传感器的定义与组成： 传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。定义的

3、解释：定义的解释：1.1. 传感器是测量装置传感器是测量装置, ,能完成检测任务能完成检测任务; ;2.2. 它的输入量是某一被测量它的输入量是某一被测量, ,可能是物理量可能是物理量( (如位移、温度、如位移、温度、力、压力、速度、加速度等力、压力、速度、加速度等),),也可能是化学量、生物量也可能是化学量、生物量等等; ;3.3. 它的输出量是某种物理量它的输出量是某种物理量, ,这种量要便于这种量要便于传输、转换、处传输、转换、处理、显示理、显示等等, ,可以是气、光、电量可以是气、光、电量, ,但主要是但主要是电量电量; ; 4.4. 输出与输入有一定的对应关系输出与输入有一定的对应关

4、系, ,且应有一定的且应有一定的精确度精确度。 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器传感器的基本组成：传感器的基本组成：1.1. 敏感元件敏感元件：直接感受被测量：直接感受被测量, ,输出与被测量成确定关输出与被测量成确定关系的某一物理量。系的某一物理量。 2.2. 转换元件转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入：敏感元件的输出就是转换元件的输入, ,它它把输入转换成把输入转换成电路参量电路参量 。 3.3. 转换电路转换电路：把转换元件的电路参量转换为：把转换元件的电路参量转换为便于处理、便于处理、显示、记录或控制显示、记录或控制的有用的电信号。的有用的电信

5、号。 其组成如图所示。其组成如图所示。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器二、常用传感器的分类二、常用传感器的分类1 1、按被测物理量分类、按被测物理量分类机械量机械量: :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, ,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

6、亮度，色彩常见的被测物理量常见的被测物理量机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器 机械式传感器以机械式传感器以弹性体弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、作为敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。 弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。示被测量的大小。 应用实例：测力计、压力计和温度计。应用实例：测力计、压力计和温度计。测力计2 2、按传感器工作原理分类、按传感器工作原理分类机械式机械式, ,电气式电

7、气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器压力计温度计弹性膜片弹性膜片波纹管波纹管波登管波登管机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器特点：特点： 机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读数直观；读数直观； 弹性变形不宜大，以减小线性误差；弹性变形不宜大，以减小线性误差； 惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量。惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量。 弹性元件具有弹性元件具有蠕变、弹性后效蠕变、弹性后效等现象，影响输出与输等现象

8、，影响输出与输入的线性关系。入的线性关系。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器3 3、按信号变换特征、按信号变换特征: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身依靠敏感元件材料本身物理性质的变化物理性质的变化来实现信号来实现信号变换变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器依靠传感器结构参数的变化结构参数的变化实现信号转变实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .4 4、按敏感元件

9、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能量转换型能量转换型( (无源传感器）无源传感器）: : 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, ,磁电式加速度计磁电式加速度计. .能量控制型（有源传感器）能量控制型（有源传感器）: : 从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器V机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器5 5按传

10、感器的输出量分按传感器的输出量分 模拟式传感器和数字式传感器 模拟式传感器是指传感器的输出信号为连续形式的模拟量； 数字式传感器是指传感器的输出信号为离散形式的数字量。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器第二节第二节 电阻式传感器电阻式传感器一、电阻式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。 电阻式传感器分类：电阻式传感器分类： 变阻器式传感器变阻器式传感器 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 固态压阻式传感器固态压阻式传感器机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器1

11、 1、变阻器式传感器、变阻器式传感器变阻器式传感器又称为变阻器式传感器又称为电位器式传感器电位器式传感器。工作原理：工作原理：一个电导体的电阻值：一个电导体的电阻值：式中：式中：R R电阻（电阻（）；）； 材料的电阻率（材料的电阻率（mmmm2 2/m/m）；）； l l导体的长度（导体的长度（m m）；）； A A导体的截面积（导体的截面积（mmmm2 2）。）。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。变阻器式传感器有变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型直线位移型、角位移型和非线性型等。等。)(AlR机械工程测试技术机械工程测试技术第

12、三章第三章 常用传感器常用传感器 直线位移型直线位移型k kl l为单位长度中的为单位长度中的电阻电阻 。其灵敏度：其灵敏度： 角位移型角位移型 灵敏度：灵敏度：触点转角触点转角(rad)(rad)；k ka a单位弧度对应的电阻单位弧度对应的电阻值。值。ldxdRkskddRsxkRlkR 非线性型非线性型 输出电阻输出电阻( (或电压或电压) )与电刷位移与电刷位移( (包括线位移或角位移包括线位移或角位移) )之间具有非线性函数关系的一种电位器之间具有非线性函数关系的一种电位器 。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 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第三章第三

13、章 常用传感器常用传感器变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuopLPpeoxxRRxxuu1机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器变阻器式传感器的优缺点：变阻器式传感器的优缺点： 优点：结构简单，性能稳定，使用方便；优点：结构简单，性能稳定，使用方便； 缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于2020m m；较；较大的噪声（大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因着等原因）。）。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常

14、用传感器2 2、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器 可测参数：可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。应变、力、位移、加速度、扭矩等。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器: :金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体应变片半导体应变片。 （1 1）金属电阻应变片）金属电阻应变片 基本工作原理：基本工作原理： 当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器主要形式：主要形式：金属电阻应变片有金属电阻应变片有丝式丝式和和箔式箔式两种。两种。 金属丝式应变片是用金属丝式应变片是用0.010.010.

15、05mm0.05mm的金属丝绕成敏感的金属丝绕成敏感栅栅 ，粘贴在，粘贴在绝缘的基片和覆盖层绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接之间，由引出导线接于电路上。于电路上。 金属箔式应变片是利用金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术照相制版或光刻技术，将厚约，将厚约为为0.0030.0030.01mm0.01mm的金属箔片制成敏感栅。的金属箔片制成敏感栅。 优点：优点：可可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；生产效率高，便于实现自动化生产。生产效率高，便于实现自动化生产。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器机械

16、工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 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第三章第三章 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第三章第三章 常用传感器常用传感器应变计实际中的金属应变片实际中的金属应变片机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器 将将应变片应变片粘贴于弹性元件粘贴于弹性元件或被测构件或被测构件预定部位预定部位的表面。的表面。电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无缺陷目测电阻应变片有无缺陷2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小小3.试件表面处理试件表面处理

17、4.应变片粘贴应变片粘贴5.焊线焊线6.用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，应大于应大于50M欧欧 7.应变片保护应变片保护应变片的使用应变片的使用：机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器2ALdAALdAdLdRdAARdLLRdRALR公式推导：公式推导：应变片实际使用：应变片实际使用：将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。外将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。外力作用下，金属丝随物体一同变形，电阻值发生变化，将被力作用下，金属丝随物体一同变形，电阻值发生变化，将被测量的变化转换为电阻值的变化。测量的变化转换为电

18、阻值的变化。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器设设A=A=rr2 2，r r为电阻丝半径，代入上式得为电阻丝半径，代入上式得)2(2322rdrdldlRdrrldrldlrdR电阻的相对变化电阻的相对变化)2(rdrdLdLRdR机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 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第三章第三章 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第三章第三章 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第三章第三章 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第三章第三章 常用传感器常用传感器 （1

19、 1）电阻应变片的种类）电阻应变片的种类 常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片和半导体应变片。 （1）金属电阻应变片有丝式和箔式等结构形式。丝式应变片，将一根电阻丝绕成栅状，用胶粘剂贴于基底，其直径在0.0120.050mm之间。 箔式应变片如图3-9b、c、d所示，它是用光刻、腐蚀等工艺方法制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.0030.010mm。它的优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，并可做成任意的形状，适于大批量生产。 箔式应变片的使用范围日益广泛，并有逐渐取代丝式应变片的趋势。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器机械工程测

20、试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器（2 2）半导体应变片）半导体应变片 半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。 工作原理：工作原理：单晶半导体材料在沿某一轴向受到应力作用时，单晶半导体材料在沿某一轴向受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应压阻效应。 实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体半导体材料的这种效应特别强材料的这种效应特别强。 单晶半导体在外力作用下，原单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规则变化，导致

21、载流子迁移率及载流子浓度变子点阵排列规则变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变化，从而引起电阻率变化。化，从而引起电阻率变化。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 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第三章第三章 常用传感器常用传感器 半导体应变片的优点是半导体应变片的优点是: : 灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；于测量； 分辨率高，例如测量压力时可测出分辨率高，例如测量压力时可测出101020Pa20Pa的微压；的微压； 机械滞后小，横向效应小、体积小。机械滞后小，横向效应小、体积小。 最大的缺点是最大

22、的缺点是温度误差大温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使，故需温度补偿或恒温条件下使用。用。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器（3 3）电阻应变片式传感器的应用实例）电阻应变片式传感器的应用实例将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。力或应变。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器应变片粘贴于应变片粘贴于弹性元件弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等

23、物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。出。 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器测量时，基座固定在测量时，基座固定在振动体振动体上。振动加速度使质量块产生惯性上。振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产生弯曲变形。因此，生弯曲变形。因此，梁的应变梁的应变在一定的频率范围内与振动体的在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比

24、。加速度成正比。 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器第三节第三节 电容式传感器电容式传感器一、工作原理及类型一、工作原理及类型 定义：定义：电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。物理量的变化转换为电容量的变化。 公式：公式：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为： FAC0机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器各参数含义：各参数含义：极板间介质的介电常数，当介质为空气时极板间介质的介电常数，当介质为空气时=1=1；0

25、0真空介电常数真空介电常数,0 0=8.85=8.851010-1 2-1 2(F/m);(F/m); A A极板面积（极板面积（m m2 2）；）；两极板间距离（两极板间距离（m m）。）。结论：结论：被测量使被测量使、A A或或变化，均会引起电容变化，均会引起电容C C变化。保变化。保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。数的变化变换成电容量的变化。分类分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型极距变化型、面积变化型和

26、介质变化型三种，前两种应三种，前两种应用较广。用较广。 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器（1 1）极距变化型）极距变化型极距有一微小变化量极距有一微小变化量d d时，引起电容变化量时，引起电容变化量dCdC为为dAdC20机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器灵敏度为灵敏度为20AddCS结论：结论：机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器（2 2）面积变化型）面积变化型机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器a)a)角位移型角位移型电容量电容量灵敏度灵敏度结论：输出与输入成线性关

27、系。结论：输出与输入成线性关系。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器b)b)平面线位移型平面线位移型机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器c)c)圆柱体线位移型圆柱体线位移型机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 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第三章第三章 常用传感器常用传感器（3 3）介质变化型）介质变化型 大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、

28、湿度、容量等。测量温度、湿度、容量等。图解：图解：图图3 324a24a，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿 度发生变化时，介电常数变，导致电容量变；度发生变化时，介电常数变，导致电容量变；图图3 324b24b，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入高度变化，电容量变化。高度变化，电容量变化。 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 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第三章第三章 常用传感器常用传感器二、测量电路二、测量电路 电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电容式传感器

29、将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。电路转换成电压、电流或频率等输出量。（1 1）变压器式交流电桥）变压器式交流电桥 电容传感器所用变压器式交流电桥测量电路如图电容传感器所用变压器式交流电桥测量电路如图3-3-2121所示，电桥两臂所示，电桥两臂C1C1、C2C2为差动式电容传感器，另外两臂为差动式电容传感器，另外两臂为交流变压器二次绕组阻抗的一半，即为交流变压器二次绕组阻抗的一半，即L1L1和和L2L2。电桥的输。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，再出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，再推动显示仪表。推动显示仪表。机械工程

30、测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器图3-21 变压器式交流电桥应用电路 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器（2 2）直流极化电路）直流极化电路 又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。传感器。 组成：组成：弹性膜片、电容器、直流极化电压弹性膜片、电容器、直流极化电压E E0 0、高阻值、高阻值电阻电阻R R。 输出电压：输出电压： 被测量：被测量：测量气流（或液流）振动速度，进而测其压测量气流（或液流）振动速度，进而测其压力。力。dtdAREdtdREUCg2000机械工程测试技

31、术机械工程测试技术第三章第三章 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第三章第三章 常用传感器常用传感器（3 3）调频电路）调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率谐振频率f f为：为： 式中式中L L振荡回路电感。振荡回路电感。 当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录器或显示仪表指示。器或显示仪表指示。LCf21机械工程测试技术机械工程测试技术第三章

32、第三章 常用传感器常用传感器调频电路工作原理调频电路工作原理 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器(4(4）运算放大电路）运算放大电路 输出电压和位移量的关系：输出电压和位移量的关系：xgCCuu00ACuug000则有则有 式中式中u u0 0信号源电压；信号源电压；u ug g运放输出电压；运放输出电压；c co o固定电容；固定电容；c cx x传感器等效电容。传感器等效电容。输出电压输出电压u uo o与电容传感器间隙与电容传感器间隙成正比关系。成正比关系。 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器0ugu机械工程测试技术机械工程

33、测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器三、电容式传感器的应用：三、电容式传感器的应用：电容式传感器广泛应用在电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位位移、压力、流量、液位等的测等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度达达0.01%0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种电容式传感器已有商品出现，如一种250mm250mm量程的量程的电容式位移传感器，精度可达电容式位移传感器，精度可达5m5m。 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器（1 1）电容式测厚仪）电容式测厚仪: : 测量金属带材在轧

34、制过程中厚度测量金属带材在轧制过程中厚度 C C1 1、C C2 2工作极板与带材之间形成两个电容，工作极板与带材之间形成两个电容， 其总电容为其总电容为C= CC= C1 1+C+C2 2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。换和显示出带材的厚度。 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器（2 2）电容式转速传感器）电容式转速传感器 当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换当齿轮转动时，电容

35、量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z z, ,频率为频率为f f, ,则转速为则转速为: : min)/ r (zf60n 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器 电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应电磁感应原理，它是把原理，它是把被测量被测量转转化为化为电感量电感量的一种装置。的一种装置。分类分类:第四节、电感式传感器第四节、电感式传感器电感式传感器电感式传感器自感型自感型涡流式涡流式互感型互感型机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常

36、用传感器 1、自感式电感传感器自感式电感传感器(或可变磁阻式电感传感器或可变磁阻式电感传感器) 自感式电感传感器的结构是由线圈、铁心和衔铁组成，铁心自感式电感传感器的结构是由线圈、铁心和衔铁组成，铁心与衔铁之间留有气隙，其长度为与衔铁之间留有气隙，其长度为，衔铁与运动部件相连。衔，衔铁与运动部件相连。衔铁移动时，由于铁移动时，由于变化使磁路的磁阻发生变化，从而引起线圈变化使磁路的磁阻发生变化，从而引起线圈电感量电感量L的变化。将传感器与测量电路连接后，可将电感量的的变化。将传感器与测量电路连接后，可将电感量的变化转换成电压、电流或频率的变化，实现由非电量到电量的变化转换成电压、电流或频率的变化

37、，实现由非电量到电量的转换。常用的有变气隙型、变面积型和螺管型。转换。常用的有变气隙型、变面积型和螺管型。自感式电感传感器（变气隙型）的结构和特性曲线自感式电感传感器（变气隙型）的结构和特性曲线 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器由电磁感应原理，线圈自感由电磁感应原理，线圈自感L L为为N-N-线圈匝数，线圈匝数，R Rm m- -磁路总磁阻磁路总磁阻HH-1-1 。当不考虑磁路的铁损且当气隙当不考虑磁路的铁损且当气隙较小时，则该磁路的总磁阻较小时，则该磁路的总磁阻mRNL2002AAlRm式中式中 l l铁芯的导磁长度铁芯的导磁长度(m); (m); 铁芯磁导

38、率铁芯磁导率 (H/m);(H/m);A A铁芯导磁截面积铁芯导磁截面积,A=a,A=ab(mb(m2 2); ); 气隙宽气隙宽(m);(m);0 0空气导磁率空气导磁率,0 0=4=41010-7-7(H/m); (H/m); A A0 0空气隙导磁横截面积空气隙导磁横截面积(m(m2 2) )(3(328)28)机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器代入代入3 32828，得，得2002ANL 当当A A0 0固定，变化固定，变化时，时，L L与与成非线性变化关系，此时传成非线性变化关系，此时传感器灵敏度感器灵敏度20022ANddLS铁心磁阻与空气气隙的磁阻

39、相比很小，可忽略，则总磁铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁阻阻R Rm m近似为近似为 002ARm灵敏度灵敏度S S与与的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生非线性误差。非线性误差。因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。这样输出与输入近似成线性关系。内工作。这样输出与输入近似成线性关系。实际应用中常选取实际应用中常选取/0 00.10.1。这种传感器这种传感器适宜于测量小位移，一般为适宜于测量小位移，一般为0.0010.0011mm1mm。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传

40、感器常用传感器2002AWL (1).(1).间隙变化型间隙变化型20022WAdLLSd 间隙变化型可变磁阻式传感器结构间隙变化型可变磁阻式传感器结构 当当0 、A0固定不变，改变固定不变，改变时，时，L与与呈非线形（双曲线）关系，呈非线形（双曲线）关系， L L与与的双曲线关系的双曲线关系 传感器灵敏度：传感器灵敏度： L自感式电感传感器的几种类型：自感式电感传感器的几种类型：机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器2002AWL (2).(2).面积变化型面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构面积变化型可变磁阻式传感器结构 当当0 、 固定不变，改变固定不变，

41、改变A0时，时，L与与A0呈线形关系，呈线形关系， 传感器灵敏度传感器灵敏度 2002WdLSdAL L与与A A0 0的线形关系的线形关系=常数常数机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器(3).(3).螺线管型螺线管型 当其它参数不变，仅改变当其它参数不变，仅改变L L1 1，使，使R Rm m变化，从而变化，从而产生电感的变化。产生电感的变化。 001112AALmRmRWL2机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器(4).(4).差动型差动型变间隙型差动变压器变间隙型差动变压器 输出特性输出特性传感器灵敏度传感器灵敏度 LddLS2机

42、械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器2 2、互感式电感传感器、互感式电感传感器n 互感型传感器的工作原理：互感型传感器的工作原理： 利用电磁感应中的利用电磁感应中的互感现象互感现象，将被测，将被测位移量位移量转换转换成成线圈互感的线圈互感的变化。变化。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器n传感器实质是一个变压器传感器实质是一个变压器，初级线圈接入稳定交流电源，初级线圈接入稳定交流电源，次级线圈感应产生输出电压。次级线圈感应产生输出电压。M M变化，副线圈输出电压变化。变化，副线圈输出电压变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称由于

43、常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器差动变压器式传感器式传感器。工作原理如图。工作原理如图3 32020。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 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第三章第三章 常用传感器常用传感器n差动变压器式传感器的优点是：差动变压器式传感器的优点是： 测量精度高，可达测量精度高，可达0.1m0.1m； 线性范围大，可到线性范围大，可到100100mmmm； 稳定性好，使用方便。稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移因而被广泛应用于直线位移, ,或借助弹性元件将压或借助弹性元件将压力、重量等参数转换为位移变化，实现间接测量。力、重量等

44、参数转换为位移变化，实现间接测量。图图3-34 差动相敏检波电路工作图差动相敏检波电路工作图机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器3 3、电涡流式传感器、电涡流式传感器n 涡电流式传感器变换原理：利用金属导体在交变磁场中的涡电流式传感器变换原理：利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应涡电流效应。n 高频反射式涡流传感器工作原理：高频反射式涡流传感器工作原理：涡流产生：涡流产生：当线圈中通以一当线圈中通以一交变高频电流交变高频电流i i时，会引起时，会引起一一交变磁通交变磁通H H。在靠近线圈的金属表面内部产生一。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应感应电流电流I I1

45、1，该电流，该电流I I1 1即为涡流。即为涡流。抵抗作用：抵抗作用：根据楞次定律，由该涡电流产生的根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁交变磁通通H H1 1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即将与线圈产生的磁场方向相反，亦即H H1 1将抵抗将抵抗H H的的变化。变化。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器3. 涡流式电感传感器涡流式电感传感器 当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流涡流。 涡流的大小与金属板

46、的电阻率涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、磁导率、厚度、厚度t，以及，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。 涡流式电感传感器可分涡流式电感传感器可分为为 1）高频反射式高频反射式 2）低频投射式低频投射式 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(iZZ(1).(1).高频反射式（高频反射式（集肤效应）集肤效应）( )Zf x高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器(2).(2).低频透

47、射式（互感原理）低频透射式（互感原理）低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 e e2 2随材料厚度增加变化的规律随材料厚度增加变化的规律 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器电涡流式传感器的测量电路有阻抗分压式调幅电路及电涡流式传感器的测量电路有阻抗分压式调幅电路及调频电路调频电路分压式调幅电路原理，它主要包括振荡器、并联谐振分压式调幅电路原理，它主要包括振荡器、并联谐振回路、放大器、检波器及滤波器等。传感器线圈回路、放大器、检波器及滤波器等。传感器线圈L L和电和电容容C C 组成并联谐振回路组成并联谐振回路4 4、涡流式传感器的测量电路：、涡流式传感器的测

48、量电路：图图3-36 分压式调幅电路原理分压式调幅电路原理机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 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第三章第三章 常用传感器常用传感器调频电路：调频电路：把传感器线圈接入把传感器线圈接入LCLC振荡回路，当金属导体至传感器振荡回路，当金属导体至传感器之间的距离之间的距离x x发生变化时，将引起线圈电感变化，使振荡发生变化时，将引起线圈电感变化，使振荡器的振荡频率器的振荡频率f f发生变化，再通过鉴频器进行频率发生变化，再通过鉴频器进行频率- -电压电压转换，即可得到与位移转换，即可得到与位移x x成比例的电压信号。成比例的电压信号。3-3

49、7 调频电路的工作原理调频电路的工作原理机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器电涡流式传感器的特点电涡流式传感器的特点 结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等, 频率响应范围宽（频率响应范围宽（0104Hz），能进行动态非接触），能进行动态非接触测量，测量， 其测量的范围和精度视传感器结构尺寸、线圈匝其测量的范围和精度视传感器结构尺寸、线圈匝数以及激励频率而异，最高分辨力可达数以及激励频率而异，最高分辨力可达0.1m。 近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在工程

50、检测中得到广泛应用。检测探伤仪等在工程检测中得到广泛应用。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器5、涡电流式传感器应用：、涡电流式传感器应用：动态非接触测量动态非接触测量u涡电流式位移和振动测量仪涡电流式位移和振动测量仪u测厚仪测厚仪u无损探伤无损探伤u径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量u零件计数、表面裂纹和缺陷测量零件计数、表面裂纹和缺陷测量径向振动测量 轴心轨迹测量 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器转速测量 零件计数器 表面裂纹测量 穿透式测厚 机械工程测试技术机械工程测试技术第三章

51、第三章 常用传感器常用传感器第五节第五节 压电式传感器压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器。压电式传感器是一种可逆型换能器。l 机械能机械能电能：可用来测量力、压力、加速度等；电能：可用来测量力、压力、加速度等；l 电能电能机械能：可用于高频振动台、超声发射器、扬声器机械能：可用于高频振动台、超声发射器、扬声器等。等。主要优点：主要优点：l 体积小；体积小；l 重量小；重量小；l 固有频率高（加速度传感器，可测频率范围固有频率高（加速度传感器，可测频率范围0.120kHz) ；l 灵敏度高（加速度传感器，可测灵敏度高（加速度传感器，可测10102 210105 5m ms s-2-2、力

52、传感器，、力传感器，分辨力达分辨力达10103 3N N）。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器1 1、压电效应、压电效应 定义：定义： 某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等晶体，当受到外某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等晶体，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部会产生极力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部会产生极化作用，从而会在晶体的相应表面产生电荷，形成电场。化作用，从而会在晶体的相应表面产生电荷，形成电场。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，晶体的这一性质当外力去掉后，又重新回到不带电状态，晶体的这一性质称为压电效应。称为压电效应。说明

53、：说明： 压电效应可逆：当压电晶体置于外电场，其几何尺寸压电效应可逆：当压电晶体置于外电场，其几何尺寸也会发生变化，这种物理现象称为也会发生变化，这种物理现象称为逆压电效应逆压电效应。 具有压电效应的晶体称之为压电晶体，具有压电效应的晶体称之为压电晶体， 如石英、钛酸钡（如石英、钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（）、锆钛酸铅（PZT）等。）等。 天然压电晶体例如石英、电气石、闪锌矿等。不易获天然压电晶体例如石英、电气石、闪锌矿等。不易获得、价格昂贵。石英晶体是常用的压电材料之一。得、价格昂贵。石英晶体是常用的压电材料之一。 人造晶体，如酒石酸钾钠（罗谢耳盐）、磷酸二氢铵、人造晶体，如酒石酸钾钠

54、（罗谢耳盐）、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、酒石酸乙二钾、硫酸锂等磷酸二氢钾、酒石酸乙二钾、硫酸锂等。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器下面以石英晶体为例，介绍压电效应下面以石英晶体为例，介绍压电效应 石英晶体的化学成分是石英晶体的化学成分是SiO2，是单晶体，两端为一对称的棱锥，如图，是单晶体，两端为一对称的棱锥，如图3-41a所所示石英晶体是各向异性材料，可用示石英晶体是各向异性材料，可用x、y、z轴来描述，如图轴来描述，如图3-41b所示所示。zyxOzxyOzxybacz轴是称为光轴，沿该方向受力不会产生压电效应；轴是称为光轴，沿该方向受力不会产生压电效应；x

55、轴是经过六面体的棱线并垂直于轴是经过六面体的棱线并垂直于z轴的轴线，称为电轴又称轴的轴线，称为电轴又称 “纵向压电效应纵向压电效应”y轴是与轴是与x、z轴垂直的轴线，称为机械轴，又称轴垂直的轴线，称为机械轴，又称 “横向压电效应横向压电效应”。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器xyzFxFxxyzFxFxxyzFyFyxyzFyFy机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器2 2、压电材料、压电材料 单晶压电晶体单晶压电晶体，如石英、罗歇尔盐（四水酒石酸钾，如石英、罗歇尔盐（四水酒石酸钾钠）、硫酸锂、磷酸二氢铵等；钠）、硫酸锂、磷酸二氢铵

56、等； 特点特点: :石英压电常数不高，但具有较好的机械强度和石英压电常数不高，但具有较好的机械强度和温度、时间稳定性，其他压电单晶的压电常数为石英温度、时间稳定性，其他压电单晶的压电常数为石英的的2.52.53.53.5倍，但价格较高。倍，但价格较高。 多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷，如极化的铁电陶瓷（钛酸钡）、锆钛，如极化的铁电陶瓷（钛酸钡）、锆钛酸铅（酸铅（PZTPZT）等；）等； 组成：铁电体微晶（指某些存在自发极化的特点晶体），组成：铁电体微晶（指某些存在自发极化的特点晶体），微晶再细分为电畴，压电陶瓷可视为多畴晶体。微晶再细分为电畴，压电陶瓷可视为多畴晶体。 特点：压电陶瓷的压电常数比单晶

57、体高的多，一般比石特点：压电陶瓷的压电常数比单晶体高的多，一般比石英高数百倍。英高数百倍。 有机压电薄膜有机压电薄膜。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 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第三章第三章 常用传感器常用传感器 PVDF PVDF压电薄膜压电薄膜l 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2）是压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜）是压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿平面锯齿”结构，存在结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规

58、则排列，并在与分抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、灵敏度高、频带宽。面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、灵敏度高、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(

59、PVF2 PZT)。l 应用应用 ：l 人体接触安全舒适，声阻抗接近人体肌肉，适宜作生物医学工程的传感器元人体接触安全舒适，声阻抗接近人体肌肉，适宜作生物医学工程的传感器元件。件。l PVDF血压传感器：圆柱体纵切形状，与上腕部动脉沟吻合，使用方便。血压传感器：圆柱体纵切形状，与上腕部动脉沟吻合，使用方便。l 机器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电效应，薄膜柔软，做成大面机器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电效应，薄膜柔软，做成大面积传感阵列器件。积传感阵列器件。机械工程测试技术机械工程测试技术第三章第三章 常用传感器常用传感器 对压电材料特性要求：对压电材料特性要求： 转换性能。要求

60、具有较大压电常数。转换性能。要求具有较大压电常数。 机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性