机械工程测试技术

测试系统的基本特性模拟信号处理数字信号处理计算机与虚拟仪器测试技术常用传感器绪论测试信号的描述与分析主要内容1.传感器的基本概念2.电阻式传感器3.电感式传感器4.电容式传感器5.压电式传感器6.磁电式传感器7.霍尔式传感器8.传感器的选用原则4.1传感器的基本概念一.传感器的作用和分类1、定义：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。

物理量电量

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。第四章常用传感器2.传感器的构成4.1传感器的基本概念

图1-1传感器组成框图转换元件敏感元件辅助元件辅助电源被测量第四章常用传感器1)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。4.1传感器的基本概念3、传感器的分类第四章常用传感器2)按传感器的传感原理分类

4.1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，便于学习和研究。第四章常用传感器

能量转换型和能量控制型3)按传感器能量转换关系分类

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。4.1传感器的基本概念第四章常用传感器第四章常用传感器4)按敏感元件与被测对象之间的机理分类结构型:结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化而实现信 号转换。如电阻式、电感式、电容式等；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 化来实现信号变换。如水银温度计，压电式加速度机等

4.1传感器的基本概念第四章常用传感器4.1传感器的基本概念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。表4-1汇总了机械工程中常用传感器的基本类型本章主要介绍以电信号输出的各种传感器第四章常用传感器二、传感器的基本结构类型4.1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）第四章常用传感器三、传感器的发展趋势4.1传感器的基本概念（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，例如集成压力传感器，集成磁敏传感器等。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、粗糙度等第四章常用传感器（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，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，而是能够进行一维、二维以至三维空间的测量，感受的是“象”的信息。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。第四章常用传感器传感器的发展趋势4.1传感器的基本概念新型片式汽车尾气传感器第四章常用传感器4.2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、加速度等）转换成电阻值变化的一种传感器。通过调理电路把其输出的电阻变化量变换为电压或电流，便可进行测量、记录、达到信息检测之目的。按工作的原理可分为:电阻应变式、热敏电阻式、气敏电阻式、光敏电阻式等。

本节主要介绍应变片式的电阻传感器

第四章常用传感器4.2电阻式传感器

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、建筑等行业得到广泛应用。应变片式电阻传感器是以应变效应为机理的电阻传感器。所谓应变效应是指金属导体在发生机械变形时，其电阻值发生变化的物理现象。应变片基本结构如图示第四章常用传感器

4.2电阻式传感器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第四章常用传感器4.2电阻式传感器第四章常用传感器1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(伸长或缩短)的变化而发生变化象。4.2电阻式传感器第四章常用传感器金属应变计4.2电阻式传感器第四章常用传感器优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。4.2电阻式传感器2半导体应变片第四章常用传感器4.2电阻式传感器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测力传感器第四章常用传感器图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常用传感器4.2电阻式传感器案例：冲床生产记数和生产过程监测第四章常用传感器电阻应变片使用中常需了解以下主要特性参数：①电阻值——是指应变片没有粘贴，也不受力时，室温下测定的电阻值。其规格有60Ω、120Ω、200Ω、300Ω、600Ω、1000Ω等多种。②灵敏度——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“标称灵敏度”。③应变极根——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10%时，所对应的真实应变为应变极限。④绝缘电阻——应变片引线与试件之间的电阻称绝缘电阻，一般要求在(50～100)MΩ以上。⑤最大工作电流——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25mA左右。⑥动态响应——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愈小，测量误差也愈小。⑦零漂和蠕变——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。施加恒定应变时，其阻值随时间增加而变化的现象称为蠕变。⑧疲劳寿命——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发生疲劳破坏的循环次数作为疲劳寿命值。第四章常用传感器[例1]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A=1cm2，弹性模量Pa，应变片的灵敏度=2。若测量电路对应变片电阻相对变化量的分辨力为10-7，试计算该传感器能测出的最小拉力。解应变片的灵敏度为从而由此得应变片对钢柱应变的分辨力拉力、应力和应变间关系为所以，该传感器对力的分辨力，即能测到的最小拉力为第四章常用传感器4.3电感式传感器

电感式传感器是利用电磁感应原理，把被测的非电量，如位移、压力等，转换为电感量变化的一种装置。按照变换方式

自感式

互感式

按照结构不同

气隙型

螺管型

分类第四章常用传感器4.3电感式传感器一.自感式传感器变气隙型第四章常用传感器4.3电感式传感器lδ衔铁Δδ式中l为磁路长度，μ为磁路的磁导率，A为铁芯面积，磁通量Φ与线圈参数有如下关系：第四章常用传感器4.3电感式传感器测量范围允许在0.001mm~1mm之间。lδ衔铁Δδ第四章常用传感器4.3电感式传感器二.差动式电感传感器图4-12变气隙差动式电感传感器第四章常用传感器4.3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在±Δδ工作范围内要比单个自感传感器的小得多。灵敏度提高一倍！！！

变面积型变气隙型第四章常用传感器4.3电感式传感器三、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当铁心处于中间平衡位置时输出电压

当铁心偏离中心时，第四章常用传感器4.3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感的变化量成正比，在铁心上下偏移量相等时，输出电压大小相等，相位相反。

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1/10~1/4为宜。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。第四章常用传感器4.3电感式传感器四、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效应设计出的一种互感式传感器。第四章常用传感器4.3电感式传感器线圈的等效阻抗Z可表示为四、涡电流式传感器第四章常用传感器4.3电感式传感器四、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。第四章常用传感器4.3电感式传感器四、涡电流式传感器应用第四章常用传感器4.4电容式传感器变换原理: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,它的电容量为:+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。第四章常用传感器4.4电容式传感器一、变极距型电容传感器++++++第四章常用传感器4.4电容式传感器一、变极距型电容传感器（非差动结构）一般取极距变化范围为。亦可对式（4-28）求导得极距减小当极距增加第四章常用传感器4.4电容式传感器一、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。则上半部间隙变为

下半部间隙变为

相应地电容变化为

总的电容变化量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。第四章常用传感器4.4电容式传感器二、变面积型电容传感器1.角位移型由于覆盖面积所以电容量灵敏度常数第四章常用传感器4.4电容式传感器二、变面积型电容传感器2.平板位移型由于电容量灵敏度常数第四章常用传感器4.4电容式传感器二、变面积型电容传感器3.圆柱体线位移型电容量当覆盖长度变化时，电容量发生变化，其灵敏度常数第四章常用传感器4.4电容式传感器二、变面积型电容传感器产品陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。压力变送器第四章常用传感器4.4电容式传感器三、变介电常数型电容传感器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。第四章常用传感器4.4电容式传感器三、变介电常数型电容传感器产品.第四章常用传感器4.4电容式传感器三、变介电常数型电容传感器电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容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，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。第四章常用传感器4.4电容式传感器三、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。其灵敏度第四章常用传感器4.4电容式传感器(应用）第四章常用传感器4.5压电式传感器一、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。当外力撤消时，电荷立即消失，重新恢复到原来的状态，这种现象称为压电效应。二、压电材料：具有压电效应的物质很多，常见的大致可分三类：石英晶体、酒石酸钾钠()等压电单晶体；钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)等多晶压电陶瓷和高分子压电薄膜，如聚偏二氟乙烯（PVDF）等。下面以石英晶体为例来说明其压电特性。第四章常用传感器石英晶体

光轴、电轴和机械轴

晶片电荷极性与受力方向关系第四章常用传感器一、压电效应三、压电式传感器及其特性+并联+串联第四章常用传感器压电式传感器突出的特点是固有频率高，可测频带宽，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。在用作加速度和力传感器时，可测频率范围从0.1Hz～20kHz，可测振动加速度值达（10-2～105）ms-2。压电式传感器多与电荷放大器配套使用，形成专用测量系统。第四章常用传感器三、压电式传感器及其特性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三、压电式传感器及其特性第四章常用传感器三、压电式传感器及其特性产品压力变送器加速度计力传感器第四章常用传感器4.5压电式传感器图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-力输出口第四章常用传感器压电式传感器应用实例

4.6磁电式传感器根据电磁感应定律，对于一个匝数为的线圈，当穿过该线圈的磁通发生变化时，其感应电动势1.变换原理: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，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。

第四章常用传感器4.6磁电式传感器2分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N第四章常用传感器一、动圈式磁电传感器（速度拾振器）角速度型传感器感应电动势线速度型传感器感应电动势第四章常用传感器4.6磁电式传感器角速度型测速电机第四章常用传感器4.6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。

一、动圈式磁电传感器（速度拾振器）第四章常用传感器通常传感器输出的电压是很微弱的(毫伏级)，因此，感应电动势须经放大检波后方可推动指示仪表。如果经过微积分电路，可以得到加速度和位移第四章常用传感器4.6磁电式传感器4.6磁电式传感器二、磁阻式磁电传感器磁电式车速传感器第四章常用传感器4.6磁电式传感器二、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。第四章常用传感器4.6磁电式传感器二、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出现而使磁通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成比例的交流电动势，表达式为第四章常用传感器为转速（）；为齿轮齿数；为感应电动势频率（）。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、偏心量、振动等参数。第四章常用传感器4.6磁电式传感器4.7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，其转换元件是霍尔元件，一般由锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）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

第四章常用传感器4.7霍尔传感器当电场作用在运动电子上的力与洛伦兹力相等时，电子的积累便达到动态平衡。这时在元件c、d

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，其大小第四章常用传感器4.7霍尔传感器图4-34表示用霍尔元件测量位移的实例。将霍尔元件置于两个相邻而方向相反的磁场内，由于每点磁感应强度值不同，当元件沿方向移动时，可由霍尔电势的变化反映出位移量大小。第四章常用传感器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1000：1），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的方法，作为运算和调制器件。第四章常用传感器4.7霍尔传感器4.12传感器的选用原则如何根据测试的目的和实际工作条件，合理地选用传感器，是经常会遇到的问题。传感器的选用合理与否不仅影响测试精度，而且还将影响测试成本.一、灵敏度一般来讲，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，意味着传感器所能感知的变化量越小，被测量稍有微小变化时，传感器就有较大的输出。当然也应考虑到，当灵敏度越高时，与测量信号无关的外界干扰也越容易混入，并被放大装置所放大。这时必须考虑既要检测微小量值，又要干扰小。为保证此点，往往要求信噪比愈大愈好，既要求传感器本身噪声小，且不易从外界引入干扰。第四章常用传感器4.12传感器的选用原则除非有专门的非线性校正措施，最大输入量不应使传感器进入非线性区域，更不能进入饱和区域。某些测试工作要在较强的噪声干扰下进行，这时对传感器来讲，其输入量不仅包括被测量，也包括干扰量；两者之和不能进入非线性区。过高的灵敏度会缩小其适用的范围。4.12传感器的选用原则第四章常用传感器二、响应特性在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测量条件。此外，实际传感器的响应总有一定延迟，但总希望延迟时间愈短愈好。一般来讲，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，响应较快，可工作频率范围宽。而结构型，如电感、电容、磁电式传感器等，往往由于结构中的机械系统惯性