机械工程测试技术基础--03传感器01

1、机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 1河北工程大学Hebei University of Engineering 第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件第三章第三章 常用传感器（常用传感器（1）第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 2河北工程大学Hebei University of Engineering 第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类 第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁

2、电、压电与热电式传感器第五节第五节 光电传感器光电传感器第六节第六节 光纤传感器光纤传感器 第七节第七节 半导体传感器半导体传感器第八节第八节 红外测试系统红外测试系统第九节第九节 激光测试传感器激光测试传感器第十节第十节 传感器选用原则传感器选用原则第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 3河北工程大学Hebei University of Engineering 第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类q按被测物理量按被测物理量位移传感器、速度传感器、力传感器、温度传感器等位移传感器、速度传感器、力传感器、温度传感器等q按信号变换特征按信号变换特征物性型：物理性质的变化；

3、结构型：结构参数的变化。物性型：物理性质的变化；结构型：结构参数的变化。q按敏感元件与被测对象之间能量关系按敏感元件与被测对象之间能量关系能量转换型：能量转换型：直接由被测对象输入能量使传感器工作。直接由被测对象输入能量使传感器工作。如弹性压力计等。如弹性压力计等。能量控制型：能量控制型能量控制型：能量控制型外部供给能量使传感器工作。外部供给能量使传感器工作。如电阻应变计等。如电阻应变计等。q输出信号类型输出信号类型模拟式、数字式模拟式、数字式第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 4河北工程大学Hebei University of Engineering 第二节第二节 机械

4、式传感器及仪器机械式传感器及仪器第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 5河北工程大学Hebei University of Engineering 微型探测开关微型探测开关1、工件2、电磁铁3、导槽4、簧片开关5、电极6、惰性气体7、簧片第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 6河北工程大学Hebei University of Engineering 第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器q电阻式传感器（把被测量变化转变为电阻变化）电阻式传感器（把被测量变化转变为电阻变化）变阻器式变阻器式电阻应变片式电阻应变片式q电容式传感器（将被测

5、量转换为电容量变化）电容式传感器（将被测量转换为电容量变化）q电感式传感器（将被测量转换为电感量变化）电感式传感器（将被测量转换为电感量变化）第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 7河北工程大学Hebei University of Engineering 一、电阻式传感器一、电阻式传感器 1 1 变阻器式变阻器式q电阻：电阻： 电阻率、电阻丝长度、截面积电阻率、电阻丝长度、截面积qC与与A点之间电阻点之间电阻q直线灵敏度直线灵敏度q回转灵敏度回转灵敏度lRA1Rk x1dRSkdxdRSkd第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 8河北工程大学Hebei U

6、niversity of Engineering 变阻器式传感器变阻器式传感器 - - 非线性型非线性型q也称函数电位器也称函数电位器q骨架形状按输出要求骨架形状按输出要求直角三角形（如图）：直角三角形（如图）：抛物线性：抛物线性： 2f xkx 3fxkx因为 x=nd y=cosax2 所以 R=ny=nndcosa2=x2cosa2/d第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 9河北工程大学Hebei University of Engineering 第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 10河北工程大学Hebei University of Engin

7、eering 变阻器式传感器变阻器式传感器- -后接电路后接电路分压电路分压电路位移变成输出电压位移变成输出电压0yppLpuuxRx1xRx第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 11河北工程大学Hebei University of Engineering 变阻器式传感器特点变阻器式传感器特点q优点：结构简单性能稳定使用方便q缺点：分辨力低噪声磨损灰尘原始输入量 变换原理物理现象能量关系输出量位移欧姆定律结构型控制型电阻、电压总结第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 12河北工程大学Hebei University of Engineering 应用举例应

8、用举例 电位计式压力传感器电位计式压力传感器第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 13河北工程大学Hebei University of Engineering 一、电阻式传感器一、电阻式传感器 2 2 电阻应变式电阻应变式q分类分类金属电阻应变片式金属电阻应变片式半导体应变片式半导体应变片式q特点特点体积小体积小动态响应快动态响应快精确度高精确度高使用简便使用简便q应用应用应变、力、位移、加速度、扭矩应变、力、位移、加速度、扭矩第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 14河北工程大学Hebei University of Engineering 金属电阻应变

9、片式金属电阻应变片式 结构结构金属电阻丝应变片金属电阻丝应变片1-基底；基底；2-电阻丝；电阻丝；3-覆盖层；覆盖层；4-引出线引出线 注：高电阻率的金属丝注：高电阻率的金属丝金属箔式应变片金属箔式应变片注：光刻成形，适于大批量生产，注：光刻成形，适于大批量生产，线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 15河北工程大学Hebei University of Engineering 金属电阻应变片式金属电阻应变片式lRARRRdRdldAdlAdRdl2drdRlr原理：应变片变形，使电阻值变化原理：应变片变形，

10、使电阻值变化 。(金属丝电阻应变效应金属丝电阻应变效应)电阻电阻电阻增量电阻增量电阻相对变化电阻相对变化dlldE 式中：纵向应变（电阻丝轴向相对变形）电阻率的相对变化（与轴向受正压力有关）E：弹性模量，：压阻系数，dr/r：径向相对变形。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 16河北工程大学Hebei University of Engineering 21+2dREER dR12R 1+2constgdR RdR RSdl l对金属丝而言，电阻率随应变变化很小可忽略，于是简化为：灵敏度（应变系数）drdlrl 横向应变v：材料的泊松比于是有第三章第三章 常用传感器与敏感原

11、件常用传感器与敏感原件 17河北工程大学Hebei University of Engineering 半导体式应变片半导体式应变片 q结构如图结构如图q工作原理：工作原理：半导体材料半导体材料压阻效应压阻效应，即某个方向上受外力作即某个方向上受外力作用时，电阻率发生变化用时，电阻率发生变化半导体物理：半导体在半导体物理：半导体在外力作用下，原子点阵外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导排列规律发生变化，导致载流子浓度和迁移率致载流子浓度和迁移率变化，从而引起电阻率变化，从而引起电阻率变化。变化。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 18河北工程大学Hebei Univer

12、sity of Engineering 半导体式应变片半导体式应变片 灵敏度灵敏度dR2E12ER dRER gdR RSE金属丝应变片与半导体应变片主要区别：金属丝应变片：导体形变引起的电阻变化半导体应变片：半导体电阻率变化引起的电阻变化对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化 E 远远大于形变引起的电阻变化(1+2v) ，则第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 19河北工程大学Hebei University of Engineering 半导体式应变片半导体式应变片 特点特点q优点灵敏度高机械滞后小横向效应小体积小q缺点温度稳定性差灵敏度散度大大应变下，非线性误差大类型输

13、入量变换原理物理现象能量关系金属应变应变效应物性型控制型半导体 应力压阻效应物性型控制型第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 20河北工程大学Hebei University of Engineering 电阻应变片应用电阻应变片应用齿轮轮齿弯矩齿轮轮齿弯矩x位移传感器位移传感器m质块质块加速度传感器加速度传感器F柱式测力传感器柱式测力传感器第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 21河北工程大学Hebei University of Engineering 二、电容式传感器二、电容式传感器原理：将被测量转换为电容量变化。将被测量转换为电容量变化。0AC 电容

14、类型极距变化型面积变化型介质变化型：极板间介质的相对介电系数。：真空中介电系数。：极板间距。A：极板面积。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 22河北工程大学Hebei University of Engineering 类型类型1 1 极距变化型极距变化型02ddCA 02dC1SAd 0C0C极距变化型电容传感器极距越小灵敏度越极距越小灵敏度越高，通常极距变化高，通常极距变化范围范围 / 0 0.1，仅适于较小位移的仅适于较小位移的测量（测量（0.01 m数数百微米）。百微米）。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 23河北工程大学Hebei Univ

15、ersity of Engineering 类型类型2 2 面积变化型面积变化型优点：线性关系缺点：灵敏度低第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 24河北工程大学Hebei University of Engineering 类型类型3 3 介质变化型介质变化型上图：介质通过固定极板，可用于测介质层温度、湿度、厚度变化。下图（电容液位计）： 液位变化，导致电极浸入高度变化第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 25河北工程大学Hebei University of Engineering 第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 26河北工程大学

16、Hebei University of Engineering 二、电容式传感器二、电容式传感器 2 2 测量电路测量电路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、调频电路、调频电路5、运算放大电路、运算放大电路第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 27河北工程大学Hebei University of Engineering 1 1、电桥型电路、电桥型电路电容组成桥路电容组成桥路电容变化转换成电桥输出电压变化（调幅波）。电容变化转换成电桥输出电压变化（调幅波）。电桥型电路电桥型电路L1L2C1C2放大相敏解调滤波第三章第三章 常用传感

17、器与敏感原件常用传感器与敏感原件 28河北工程大学Hebei University of Engineering 2 2、直流极化电路、直流极化电路第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 29河北工程大学Hebei University of Engineering 3 3、调频电路、调频电路第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 30河北工程大学Hebei University of Engineering 二、电容式传感器二、电容式传感器 3 3 电容集成压力传感器电容集成压力传感器用集成电路工艺，将电容敏感原件和测量电路制成一体，用集成电路工艺，将电容敏感

18、原件和测量电路制成一体，间距和尺寸可做的很小。间距和尺寸可做的很小。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 31河北工程大学Hebei University of Engineering 二、电容式传感器二、电容式传感器 4 4 应用实例应用实例 电容式测厚电容式测厚轧辊工作极板被测带材 转速测量转速测量12341 齿轮2 定极3 电容传感器 4 频率计第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 32河北工程大学Hebei University of Engineering 三、电感式传感器三、电感式传感器q原理原理 ： 电磁感应。将被测量转换为电感量变化。电磁感应

19、。将被测量转换为电感量变化。按照变换方式的不同可分为：按照变换方式的不同可分为：自感型（包括自感型（包括可变磁阻式可变磁阻式与与涡流式涡流式）互感型（互感型（差动变压器式差动变压器式）第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 33河北工程大学Hebei University of Engineering 三、电感式传感器三、电感式传感器 1 1 自感型自感型1）可变磁阻式）可变磁阻式2mNNLIR线圈自感N：线圈匝数Rm：磁路总磁阻I 线圈中流过的电流。 通过线圈的磁通量。特点：非线性关系测量范围小 0.001-1 mmix123L0 1线圈；线圈；2铁心；铁心；3衔铁衔铁Rm=

20、 RF + R ，其中RF为 铁心与衔铁的磁阻；R为空气隙磁阻。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 34河北工程大学Hebei University of Engineering 式中：l1、l2 铁心和衔铁的导磁长度； 1、2 铁心和衔铁的磁导率； A1、A2 铁心和衔铁的导磁截面积； 气隙长度； 0 空气磁导率，0=410-7 Hm-1 ； A0 空气隙导磁截面积。00222111m2AAlAlR若不考虑磁路的铁损，且空气隙 较小时：00m2AR一般，1和2远远大于0，即：RF e2 ，eo0 。 铁芯P下移：M1 = MM，M2 = M+M，e1 e2，eo0。 eo

21、= e1 - e2，与M成正比。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 45河北工程大学Hebei University of Engineering 差动变压器式传感器的优点差动变压器式传感器的优点 包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量。 精度高(0.1 m 数量级，最高可达0.01 m )，高精度型非线性误差可达0.1%。 线性范围大（可达 100 mm）。 稳定性好，结构简单，使用方便。 第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 46河北工程大学Hebei University of Engineering 第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器

22、磁电、压电与热电式传感器磁电式传感器磁电式传感器动圈式动圈式磁阻式磁阻式压电式传感器压电式传感器热电式传感器热电式传感器热电偶热电偶热电阻热电阻第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 47河北工程大学Hebei University of Engineering 一、磁电式传感器一、磁电式传感器eNBlvsin 磁电感应式传感器， 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成感应电动势输出的一种传感器。两种方式：动生电动势： 动圈式、动铁式感生电动势： 磁阻式deNdt 第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 48河北工程大学Hebei University of Engineering 一、磁电式传感器一、磁电式传感器 1 1 动圈式动圈式1）线速度型eNBlvsinB 磁感应强度、N 线圈匝数、L 单匝线圈长度、V 线圈与磁场相对速度、线圈与磁场夹角。ev第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 49河北工程大学Hebei University of Engineering 一、磁电式传感器一、磁电式传感器 1 动圈式动圈式2）角速度型ekNBAB 磁感应强度、N 线圈匝数、A 单匝线圈截面积、k 结构参数、线