机械测试工程技术第四章

第4章常用传感器4.1概述4.2电阻传感器

4.3电容传感器4.4电感传感器4.5磁电传感器4.6压电传感器4.7磁敏传感器4.8传感器选用原则▼▼▼▼▼▼▼▼4.1概述1.传感器(Sensor)定义

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。狭义上，非电信号电信号。将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。获得传感器信号的两种方法直接获得电信号的变化（开关传感器）；在非电量电测系统中的作用敏感作用：感受并拾取被测对象的信号变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号2.传感器的分类(1)按被测物理量分类(2)按传感器元件的变换原理分类位移传感器,流量传感器,温度传感器等.电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等.能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.

例如:电阻应变片.能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测.

例如:超声波发生器和接受器.(3)按传感器的能量传递方式分类3.传感器的性能要求工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力与检测系统匹配性好，转换灵敏度高精度适当，稳定性高反应速度快，工作可靠性高适应性和适用性强4.常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,

质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,

流量;声:

声压,噪声.磁:

磁通,磁场.温度:

温度,热量,比热.光：亮度，色彩▲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:热敏式电阻应变式变阻器式光敏式湿敏式4.2电阻式传感器1.可调电位器为输出电压(V)；为外加固定电压(V);为材料的总电阻();为固定端至滑块的电阻()2.应变式电阻传感器丝式应变片

箔式应变片

(1).应变效应导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。应变片受力

应变

比例关系

比例关系

应变片电阻的变化

(2).工作原理式中，ρ——导线的电阻率，又称为电阻系数金属导线的应变电阻效应：当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。S由两部分组成：前一部分(1+2μ)是由金属导线的几何变形引起的；后一部分λE除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。μ：泊松系数，E:弹性模量，ε:纵向应变，λ:压阻系数

推导<1>金属应变片（不变）金属应变计<2>

半导体应变片（变化）半导体应变计(3).应变片的主要参数

1)几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2)电阻值：应变计的原始电阻值。

3)灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4)其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。

(4).金属电阻应变片金属电阻应变片有:

1、丝式

2、箔式

3、薄膜式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计(5).半导体应变片优点：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：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。应变计体型薄膜型扩散型立柱应力

桥梁应力

(6).应变式电阻传感器的应用

德国HBM电阻应变式传感器

质量传感器

位移传感器

加速度计

压力传感器

压力传感器

转矩传感器

3.其他电阻传感器

(1).热电阻传感器

利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。温度(热量)的变化

电阻的变化温度检测:-200℃～+500℃(2).热敏电阻传感器

圆形热敏电阻柱形热敏电阻珠形热敏电阻热敏电阻在电路中的符号非线性元件:它的温度-电阻关系是指数关系

温度为-50℃～＋350℃

(3).光敏电阻传感器

(4).湿敏电阻传感器

▲4.3电容式传感器

1.变换原理

将被测物理量的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++

A

当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。2.分类

a)极距变化型+++c)介质变化型b)面积变化型:平面线位移型,角位移型,柱面线位移型3.灵敏度

a)极距变化型传感器的灵敏度近似为：变极距电容传感器

平板电容器传感器灵敏度b)面积变化型a)直线位移型

直线位移型b)角位移型

传感器灵敏度角位移型c)介质变化型介质常数变化型电容式传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。4.电容式传感器的应用振动测量

旋转轴的偏心量的测量

电容式氢液高度传感器

纱条均匀度测试仪

▲4.4电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型1.可变磁阻式(自感型)原理:电磁感应W:线圈匝数；L1:软铁长度；μ1：软铁磁导率；μ0：空气磁导率A1：铁芯导磁截面A0：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁(1).间隙变化型间隙变化型可变磁阻式传感器结构

当μ0、A0固定不变，改变δ时，L与δ呈非线形（双曲线）关系，L与δ的双曲线关系

传感器灵敏度：(2).面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构当μ0、δ

固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系，传感器灵敏度L与A0的线形关系=常数(3).螺线管型当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。(4).差动型变间隙型差动变压器输出特性传感器灵敏度2.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。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。涡流式电感传感器可分为1）高频反射式2）低频投射式原线圈的等效阻抗Z变化：(1).高频反射式（集肤效应）高频反射式涡流传感器δ(2).低频透射式（互感原理）低频透射式涡流传感器e2随材料厚度增加变化的规律4.涡流式传感器的应用案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量径向振动的测量构件振幅的测量构件振型的测量轴心轨迹的测量其中，n为转轴的转速；f为脉冲频率；z为转轴上的槽数或齿数。案例:转速的测量案例：测厚案例：零件计数案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测3.变压器式--差动变压器工作原理:互感现象.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：板的厚度测量~案例：张力测量▲4.5磁电传感器

1.变换原理

磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势e为

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，都会改变线圈的感应电动势。

2.分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.动圈式传感器

W:线圈的匝数;

l:每匝线圈的有效长度；B:线圈所在磁场的磁感应强度；A:每匝线圈的截面积；θ:线圈运动方向与磁场方向的夹角；k:传感器的结构系数。4.磁阻式传感器

5.磁电传感器的应用测速电机磁电式测速传感器测频数测转速偏心测量振动测量▲4.6压电传感器

1.变换原理

某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。压电效应式中，q为电荷[量]；D为压电常数，与材质及切片方向有关；F为作用力。q=DFea：开路电压；q:压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。2.测量电路

等效电荷源

Cc:分布电容；Ri:输入电阻；Ra:漏电阻；Ci:输入电容其中，Cc:分布电容；Ri:输入电阻；Ra:漏电阻；Ci:输入电容；D为压电常数。(1)ω足够高时，才可能测试不失真；(2)ω足够高时，输出不受Ri的影响；压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：(1)放大微弱的压电信号(2)进行阻抗匹配

电压放大器电荷放大器(1).