工程测试技术(第三章)

1、第三章 工程中常用的传感器 3.1 概述 传感器是人类感官的扩展和延伸。 自动控制领域中不能没有传感器。 传感器可分为两大类：工程中常用传感器（或传统传感器）、智能化传感器。后者包括智能传感器和模糊传感器。3.2 工程中常用传感器及其分类 传感器定义：能把外界输入的非电信号转换为电信号输出的装置。传感器的组成：敏感器件与其它辅助器件。分类：(1)按被测物理量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。 (2)按工作原理分：机械式、电气式、辐射式、流体式等。 （3）按信号变换特征分：物性型、结构型。 （4）按传感器与被测量之间关系分：能量转换型、能量控制型。 传统传感器的选

2、用原则： （1）灵敏度。灵敏度应适应于使用要求。 （2）响应特性。指在所测频率范围内，保持不失真。 （3）线性范围。 （4）稳定性。 （5）精确性。传感器的输出与被测量的对应程度。 （6）测量方式。接触测量与非接触测量；破坏性测量与非破坏性测量；在线测量与离线测量。 3.3 电阻式传感器 是根据电阻定律来设计的传感器，它将被测物理量的变化转换成电阻的变化输出。 3.3.1 电位计式(变阻器式)传感器 3.3.2 电阻应变式传感器 是通过电阻应变片将被测量的变化转换成电阻变化的传感器。 金属应变片 包括丝式、箔式两种。灵敏度S=1+2=1.73.6其中为电阻丝材料的泊松比。 （2）半导体应变片

3、其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应：指单晶半导体材料沿轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。其灵敏度比金属应变片的大5070倍。 （3）应变片的应用 结构的应力和应变分析 ；用于制成力、位移、压力、力矩和加速度等测量传感器。 粘贴应变片的力和力矩传感器（a）拉力杆 （b）压力杆（c）弯曲悬臂 （d）扭矩轴 3.4 电容式传感器 3.4.1 电容式传感器的工作原理及分类其中，为介质的相对介电系数，空气的1；0=8.85x10-12(F/m)为真空的介质常数；为两极板间的距离(m)；A为两极板间的有效覆盖面积（m2）。 （1）变极距型电容式传感器 （2）变面积型电容式传感器 （3）

4、变介电常数型电容式传感器 3.4.2 电容式传感器常用转换电路（1）谐振电路 （2）调频电路 （3）运算放大器电路 3.4.3 电容式传感器的应用举例 3.5 电感式传感器 3.5.1 自感式电感传感器 （1）可变磁阻式电感传感器 （2）涡流式传感器 电涡流传感器与被测物体的等效电路 ：图中金属导体被抽象为一短路线圈，它与传感器线圈磁性耦合，两者之间定义一互感系数M，表示耦合程度，它随间距的增大而减小。 电涡流传感器分类：高频反射式；低频透射式。 用途：测量位移、振动等物理量。 电涡流传感器与被测物体的等效电路 涡流传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路。 图3.21 涡流测振仪分

5、压调幅电路 图3.23 调频电路工作原理 涡流式电感传感器的应用： 电涡流式传感器应用例 3.5.2 互感型差动变压器式电感传感器 3.5.3 电感式传感器的应用举例 3.6 磁电式传感器 基于电磁感应原理，把被测物理量转换成感应电动势输出的一种传感器。感应电动势e= -Wd/dt其中，W为线圈匝数，d/dt为感应线圈中磁通量的变化率。 3.6.1动圈式磁电传感器 3.6.2 磁阻式磁电传感器 工作原理：线圈与磁铁固定不动，通过运动着的被测物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，从而引起磁力线的增强或减弱，使线圈产生感应电动势。 3.7 压电式传感器 压电效应：某些物质（物体），如石英、钛酸钡等，当受

6、到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面上会产生电荷；当外力去掉后，又回到原来的状态，这种现象称为压电效应。 X轴电轴，y轴机械轴，z光轴 应用： 3.8 热敏传感器 3.8.1 热电偶 工作原理：热电效应将两种不同材料的金属导体（或半导体），连接成闭合回路，把两个结点分别置于不同温度的热源中，回路中就有电流产生的现象。 热电势的组成两个接触电势 两个单一导体的温差电势闭合回路产生热电势必须具备的两个条件： (1)闭合回路必须用两种不同的金属材料构成； (2)闭合回路的两结点必须具备不同的温度。 热电偶的基本定律：（1）中间导体定律当热电偶回路的一个或两个结点被断开，接入一

7、种或多种金属材料的中间导体后，如果全部新结点处的温度和原来结点的温度相同，那么合成电势不变。 （2）参考电极定律 标准电极C常为物理性能和化学性能较稳定的铂丝。 （3）中间温度定律 3.8.2 金属热电阻 铂、铜、镍等金属丝材料，在一定温度范围内，它们的电阻值随温度的升高而增加。此性质可用来测量温度变化。 3.8.3 半导体热敏电阻 是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。优点： (1) 灵敏度高，可测出0.0010.005的温度变化。 (2) 体积小，响应快。直径可小到0.5mm，响应时间可缩短到毫秒级。 (3) 元

8、件本身电阻可达3700欧姆，远距离测量时可不考虑导线电阻影响。 (4) 在50350范围内，具有较好的温度性。 3.9 超声波传感器 3.9.1 声学基础知识 （1）声波及其分类次声波：低于16Hz.声波：162x104Hz超声波：高于2x104Hz微波：3x1083x1011Hz （2）声压与声强介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压。单位Pa（N/m2）声强指单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波强度。单位W/m2（3）物质的声学特性声速：除水外，大部分液体中的声速随温度升高而减小，而水中的声速则随温度的升高而增加。液体中的声速随压力的增加而增加。声阻抗特性：直接表征介质的声学性能，其有效值等于传声介质的密度与声速c之积。记作Z = c（4）声的吸收 介质对声波会吸收。均匀介质对超声波吸收不明显，而介质不均匀时，对声波的吸收会很明显。 3.9.2 超声波波型及其物理性质 （1）超声波波型纵波、横波、表面波表面波质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加迅速减弱。（2）超声波的物理性质振动频率高、波长短，穿透能力强。例如，在钢材中可穿透10米以上。在