機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)--03傳感器01

1、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ) 1河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件第三章第三章 常用傳感器（常用傳感器（1）第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 2河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件第一節(jié)第一節(jié) 常用傳感器分類常用傳感器分類 第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械式傳感器及儀器機(jī)械式傳感器及儀器第三節(jié)第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器電阻、電容與電感式傳感器第四節(jié)第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁

2、電、壓電與熱電式傳感器第五節(jié)第五節(jié) 光電傳感器光電傳感器第六節(jié)第六節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器 第七節(jié)第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器第八節(jié)第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng)紅外測(cè)試系統(tǒng)第九節(jié)第九節(jié) 激光測(cè)試傳感器激光測(cè)試傳感器第十節(jié)第十節(jié) 傳感器選用原則傳感器選用原則第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 3河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 第一節(jié)第一節(jié) 常用傳感器分類常用傳感器分類q按被測(cè)物理量按被測(cè)物理量位移傳感器、速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等位移傳感器、速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等q按信號(hào)變換特征按信號(hào)變換特征物性型：物理性質(zhì)的變化；

3、結(jié)構(gòu)型：結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。物性型：物理性質(zhì)的變化；結(jié)構(gòu)型：結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。q按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間能量關(guān)系按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型：能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使傳感器工作。直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使傳感器工作。如彈性壓力計(jì)等。如彈性壓力計(jì)等。能量控制型：能量控制型能量控制型：能量控制型外部供給能量使傳感器工作。外部供給能量使傳感器工作。如電阻應(yīng)變計(jì)等。如電阻應(yīng)變計(jì)等。q輸出信號(hào)類型輸出信號(hào)類型模擬式、數(shù)字式模擬式、數(shù)字式第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 4河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械

4、式傳感器及儀器機(jī)械式傳感器及儀器第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 5河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 微型探測(cè)開關(guān)微型探測(cè)開關(guān)1、工件2、電磁鐵3、導(dǎo)槽4、簧片開關(guān)5、電極6、惰性氣體7、簧片第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 6河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 第三節(jié)第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器電阻、電容與電感式傳感器q電阻式傳感器（把被測(cè)量變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓╇娮枋絺鞲衅鳎ò驯粶y(cè)量變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓┳冏杵魇阶冏杵魇诫娮钁?yīng)變片式電阻應(yīng)變片式q電容式傳感器（將被測(cè)

5、量轉(zhuǎn)換為電容量變化）電容式傳感器（將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量變化）q電感式傳感器（將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化）電感式傳感器（將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化）第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 7河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器 1 1 變阻器式變阻器式q電阻：電阻： 電阻率、電阻絲長(zhǎng)度、截面積電阻率、電阻絲長(zhǎng)度、截面積qC與與A點(diǎn)之間電阻點(diǎn)之間電阻q直線靈敏度直線靈敏度q回轉(zhuǎn)靈敏度回轉(zhuǎn)靈敏度lRA1Rk x1dRSkdxdRSkd第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 8河北工程大學(xué)Hebei U

6、niversity of Engineering 變阻器式傳感器變阻器式傳感器 - - 非線性型非線性型q也稱函數(shù)電位器也稱函數(shù)電位器q骨架形狀按輸出要求骨架形狀按輸出要求直角三角形（如圖）：直角三角形（如圖）：拋物線性：拋物線性： 2f xkx 3fxkx因?yàn)?x=nd y=cosax2 所以 R=ny=nndcosa2=x2cosa2/d第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 9河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 10河北工程大學(xué)Hebei University of Engin

7、eering 變阻器式傳感器變阻器式傳感器- -后接電路后接電路分壓電路分壓電路位移變成輸出電壓位移變成輸出電壓0yppLpuuxRx1xRx第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 11河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 變阻器式傳感器特點(diǎn)變阻器式傳感器特點(diǎn)q優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能穩(wěn)定使用方便q缺點(diǎn)：分辨力低噪聲磨損灰塵原始輸入量 變換原理物理現(xiàn)象能量關(guān)系輸出量位移歐姆定律結(jié)構(gòu)型控制型電阻、電壓總結(jié)第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 12河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 應(yīng)用舉例應(yīng)

8、用舉例 電位計(jì)式壓力傳感器電位計(jì)式壓力傳感器第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 13河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器 2 2 電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式q分類分類金屬電阻應(yīng)變片式金屬電阻應(yīng)變片式半導(dǎo)體應(yīng)變片式半導(dǎo)體應(yīng)變片式q特點(diǎn)特點(diǎn)體積小體積小動(dòng)態(tài)響應(yīng)快動(dòng)態(tài)響應(yīng)快精確度高精確度高使用簡(jiǎn)便使用簡(jiǎn)便q應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 14河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 金屬電阻應(yīng)變

9、片式金屬電阻應(yīng)變片式 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)金屬電阻絲應(yīng)變片金屬電阻絲應(yīng)變片1-基底；基底；2-電阻絲；電阻絲；3-覆蓋層；覆蓋層；4-引出線引出線 注：高電阻率的金屬絲注：高電阻率的金屬絲金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片注：光刻成形，適于大批量生產(chǎn)，注：光刻成形，適于大批量生產(chǎn)，線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 15河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 金屬電阻應(yīng)變片式金屬電阻應(yīng)變片式lRARRRdRdldAdlAdRdl2drdRlr原理：應(yīng)變片變形，使電阻值變化原理：應(yīng)變片變形，

10、使電阻值變化 。(金屬絲電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬絲電阻應(yīng)變效應(yīng))電阻電阻電阻增量電阻增量電阻相對(duì)變化電阻相對(duì)變化dlldE 式中：縱向應(yīng)變（電阻絲軸向相對(duì)變形）電阻率的相對(duì)變化（與軸向受正壓力有關(guān)）E：彈性模量，：壓阻系數(shù)，dr/r：徑向相對(duì)變形。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 16河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 21+2dREER dR12R 1+2constgdR RdR RSdl l對(duì)金屬絲而言，電阻率隨應(yīng)變變化很小可忽略，于是簡(jiǎn)化為：靈敏度（應(yīng)變系數(shù)）drdlrl 橫向應(yīng)變v：材料的泊松比于是有第三章第三章 常用傳感器與敏感原

11、件常用傳感器與敏感原件 17河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 半導(dǎo)體式應(yīng)變片半導(dǎo)體式應(yīng)變片 q結(jié)構(gòu)如圖結(jié)構(gòu)如圖q工作原理：工作原理：半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)，即某個(gè)方向上受外力作即某個(gè)方向上受外力作用時(shí)，電阻率發(fā)生變化用時(shí)，電阻率發(fā)生變化半導(dǎo)體物理：半導(dǎo)體在半導(dǎo)體物理：半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn)陣外力作用下，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子濃度和遷移率致載流子濃度和遷移率變化，從而引起電阻率變化，從而引起電阻率變化。變化。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 18河北工程大學(xué)Hebei Univer

12、sity of Engineering 半導(dǎo)體式應(yīng)變片半導(dǎo)體式應(yīng)變片 靈敏度靈敏度dR2E12ER dRER gdR RSE金屬絲應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片主要區(qū)別：金屬絲應(yīng)變片：導(dǎo)體形變引起的電阻變化半導(dǎo)體應(yīng)變片：半導(dǎo)體電阻率變化引起的電阻變化對(duì)半導(dǎo)體而言，電阻率變化引起的電阻變化 E 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形變引起的電阻變化(1+2v) ，則第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 19河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 半導(dǎo)體式應(yīng)變片半導(dǎo)體式應(yīng)變片 特點(diǎn)特點(diǎn)q優(yōu)點(diǎn)靈敏度高機(jī)械滯后小橫向效應(yīng)小體積小q缺點(diǎn)溫度穩(wěn)定性差靈敏度散度大大應(yīng)變下，非線性誤差大類型輸

13、入量變換原理物理現(xiàn)象能量關(guān)系金屬應(yīng)變應(yīng)變效應(yīng)物性型控制型半導(dǎo)體 應(yīng)力壓阻效應(yīng)物性型控制型第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 20河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 電阻應(yīng)變片應(yīng)用電阻應(yīng)變片應(yīng)用齒輪輪齒彎矩齒輪輪齒彎矩x位移傳感器位移傳感器m質(zhì)塊質(zhì)塊加速度傳感器加速度傳感器F柱式測(cè)力傳感器柱式測(cè)力傳感器第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 21河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 二、電容式傳感器二、電容式傳感器原理：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量變化。將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量變化。0AC 電容

14、類型極距變化型面積變化型介質(zhì)變化型：極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)。：真空中介電系數(shù)。：極板間距。A：極板面積。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 22河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 類型類型1 1 極距變化型極距變化型02ddCA 02dC1SAd 0C0C極距變化型電容傳感器極距越小靈敏度越極距越小靈敏度越高，通常極距變化高，通常極距變化范圍范圍 / 0 0.1，僅適于較小位移的僅適于較小位移的測(cè)量（測(cè)量（0.01 m數(shù)數(shù)百微米）。百微米）。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 23河北工程大學(xué)Hebei Univ

15、ersity of Engineering 類型類型2 2 面積變化型面積變化型優(yōu)點(diǎn)：線性關(guān)系缺點(diǎn)：靈敏度低第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 24河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 類型類型3 3 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型上圖：介質(zhì)通過(guò)固定極板，可用于測(cè)介質(zhì)層溫度、濕度、厚度變化。下圖（電容液位計(jì)）： 液位變化，導(dǎo)致電極浸入高度變化第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 25河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 26河北工程大學(xué)

16、Hebei University of Engineering 二、電容式傳感器二、電容式傳感器 2 2 測(cè)量電路測(cè)量電路1、電橋型電路、電橋型電路2、直流極化電路、直流極化電路3、諧振電路、諧振電路4、調(diào)頻電路、調(diào)頻電路5、運(yùn)算放大電路、運(yùn)算放大電路第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 27河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 1 1、電橋型電路、電橋型電路電容組成橋路電容組成橋路電容變化轉(zhuǎn)換成電橋輸出電壓變化（調(diào)幅波）。電容變化轉(zhuǎn)換成電橋輸出電壓變化（調(diào)幅波）。電橋型電路電橋型電路L1L2C1C2放大相敏解調(diào)濾波第三章第三章 常用傳感

17、器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 28河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 2 2、直流極化電路、直流極化電路第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 29河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 3 3、調(diào)頻電路、調(diào)頻電路第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 30河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 二、電容式傳感器二、電容式傳感器 3 3 電容集成壓力傳感器電容集成壓力傳感器用集成電路工藝，將電容敏感原件和測(cè)量電路制成一體，用集成電路工藝，將電容敏感

18、原件和測(cè)量電路制成一體，間距和尺寸可做的很小。間距和尺寸可做的很小。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 31河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 二、電容式傳感器二、電容式傳感器 4 4 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 電容式測(cè)厚電容式測(cè)厚軋輥工作極板被測(cè)帶材 轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量12341 齒輪2 定極3 電容傳感器 4 頻率計(jì)第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 32河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 三、電感式傳感器三、電感式傳感器q原理原理 ： 電磁感應(yīng)。將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化。電磁感應(yīng)

19、。將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化。按照變換方式的不同可分為：按照變換方式的不同可分為：自感型（包括自感型（包括可變磁阻式可變磁阻式與與渦流式渦流式）互感型（互感型（差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式）第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 33河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 三、電感式傳感器三、電感式傳感器 1 1 自感型自感型1）可變磁阻式）可變磁阻式2mNNLIR線圈自感N：線圈匝數(shù)Rm：磁路總磁阻I 線圈中流過(guò)的電流。 通過(guò)線圈的磁通量。特點(diǎn)：非線性關(guān)系測(cè)量范圍小 0.001-1 mmix123L0 1線圈；線圈；2鐵心；鐵心；3銜鐵銜鐵Rm=

20、 RF + R ，其中RF為 鐵心與銜鐵的磁阻；R為空氣隙磁阻。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 34河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 式中：l1、l2 鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁長(zhǎng)度； 1、2 鐵心和銜鐵的磁導(dǎo)率； A1、A2 鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁截面積； 氣隙長(zhǎng)度； 0 空氣磁導(dǎo)率，0=410-7 Hm-1 ； A0 空氣隙導(dǎo)磁截面積。00222111m2AAlAlR若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙 較小時(shí)：00m2AR一般，1和2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0，即：RF e2 ，eo0 。 鐵芯P下移：M1 = MM，M2 = M+M，e1 e2，eo0。 eo

21、= e1 - e2，與M成正比。第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 45河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 差動(dòng)變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)差動(dòng)變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn) 包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)較低，不宜測(cè)量高頻動(dòng)態(tài)參量。 精度高(0.1 m 數(shù)量級(jí)，最高可達(dá)0.01 m )，高精度型非線性誤差可達(dá)0.1%。 線性范圍大（可達(dá) 100 mm）。 穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 46河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 第四節(jié)第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器

22、磁電、壓電與熱電式傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器動(dòng)圈式動(dòng)圈式磁阻式磁阻式壓電式傳感器壓電式傳感器熱電式傳感器熱電式傳感器熱電偶熱電偶熱電阻熱電阻第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 47河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 一、磁電式傳感器一、磁電式傳感器eNBlvsin 磁電感應(yīng)式傳感器， 是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。兩種方式：動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)： 動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式感生電動(dòng)勢(shì)： 磁阻式deNdt 第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 48河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 一、磁電式傳感器一、磁電式傳感器 1 1 動(dòng)圈式動(dòng)圈式1）線速度型eNBlvsinB 磁感應(yīng)強(qiáng)度、N 線圈匝數(shù)、L 單匝線圈長(zhǎng)度、V 線圈與磁場(chǎng)相對(duì)速度、線圈與磁場(chǎng)夾角。ev第三章第三章 常用傳感器與敏感原件常用傳感器與敏感原件 49河北工程大學(xué)Hebei University of Engineering 一、磁電式傳感器一、磁電式傳感器 1 動(dòng)圈式動(dòng)圈式2）角速度型ekNBAB 磁感應(yīng)強(qiáng)度、N 線圈匝數(shù)、A 單匝線圈截面積、k 結(jié)構(gòu)參數(shù)、線