機械工程測試技術(shù)基礎第三章(2)

1、第一節(jié)第一節(jié) 常用傳感器分類常用傳感器分類第四節(jié)第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 機械式傳感器及儀器機械式傳感器及儀器第五節(jié)第五節(jié) 傳感器的選用原則傳感器的選用原則第三節(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概概 述述傳感器傳感器(Sensor)定義定義 傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件組成組成(GB766-87)。 狹義上，狹義上，非電信號非電信號 電信號電信號。在非電量電

2、測系統(tǒng)中的作用在非電量電測系統(tǒng)中的作用:敏感作用敏感作用:感受并拾取被測對象的信號感受并拾取被測對象的信號變換作用變換作用:被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號概概 述述傳感器是測試系統(tǒng)的一部分，其作用類似于人類的感覺器官，傳感器是測試系統(tǒng)的一部分，其作用類似于人類的感覺器官，它把被測量如力、位移、溫度等物理量轉(zhuǎn)換為易測信號或易傳它把被測量如力、位移、溫度等物理量轉(zhuǎn)換為易測信號或易傳輸信號，傳送給測試系統(tǒng)的調(diào)理環(huán)節(jié)；輸信號，傳送給測試系統(tǒng)的調(diào)理環(huán)節(jié)；傳感器也可以看做人類感官的延伸，人類可以借助傳感器去傳感器也可以看做人類感官的延伸，人類可以借助傳感器去探測那

3、些人們無法用或不便用感官直接感知的事物，如用熱電探測那些人們無法用或不便用感官直接感知的事物，如用熱電偶測熾熱物體的溫度，用超聲波換能器測海水的深度及地貌等；偶測熾熱物體的溫度，用超聲波換能器測海水的深度及地貌等；傳感器是人類認識自然界事物的有力工具，是測量儀器與被傳感器是人類認識自然界事物的有力工具，是測量儀器與被測事物之間的借口。測事物之間的借口。(1)(1)按被測物理量分類按被測物理量分類位移傳感器位移傳感器, ,力傳感器力傳感器, ,溫度傳感器等溫度傳感器等. .(2)(2)按傳感器的工作原理分類按傳感器的工作原理分類機械式機械式, ,電氣式電氣式, ,光學式光學式, ,流體式等流體式

4、等. .(3)(3)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系 能量轉(zhuǎn)換型（無源傳感器）能量轉(zhuǎn)換型（無源傳感器）: :直接由被測對象輸入能量使其工作，直接由被測對象輸入能量使其工作，由由于被測對象與傳感器之間存在能量交換，必然導致被測對象狀態(tài)于被測對象與傳感器之間存在能量交換，必然導致被測對象狀態(tài)和測量誤差和測量誤差. . 例如例如: :熱電偶熱電偶, ,壓電式加速度計，彈性壓力傳感器壓電式加速度計，彈性壓力傳感器 能量控制型（有源傳感器）能量控制型（有源傳感器）: :從外部供給能量并由被測量控制外部供從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化給能量的變化. .

5、例如例如: :電阻應變片，熱電阻，電容測振儀電阻應變片，熱電阻，電容測振儀第一節(jié)第一節(jié) 常用傳感器分類常用傳感器分類能量控制型傳感器(4)(4)按信號變換特征分類按信號變換特征分類物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換. . 如如: :水銀溫度計（水銀溫度計（熱脹冷縮性熱脹冷縮性），壓電加速度計（），壓電加速度計（石英晶石英晶體壓電效應體壓電效應）. .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. .如如: :電容（電容（極極板間距離變化板間距離變化）、電感式位移傳感器（

6、）、電感式位移傳感器（銜鐵位移引起自銜鐵位移引起自感或互感感或互感）. .電容伺服式加速度計，實際上是一個具有閉環(huán)回路的小型電容伺服式加速度計，實際上是一個具有閉環(huán)回路的小型測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)機械傳感器應用比較廣，通常以彈性體作為傳感器的敏感元件，它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形；機械式傳感器做成的機械式指示儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點；為了提高測量頻率范圍，可先用彈性元件將被測量轉(zhuǎn)換成位移量，然后將位移量用其他形式的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號輸出。第二節(jié)第二節(jié) 機械式傳感器及儀器機械式傳感器及儀器被測量可放大而成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借

7、助刻度指示出被測量的大小第二節(jié)第二節(jié) 機械式傳感器及儀器機械式傳感器及儀器主要以主要以彈性體彈性體作為敏感元件作為敏感元件線性度差線性度差固有頻率低固有頻率低微型探測開關(guān)機械式傳感器圖圖3-4電阻式傳感器電阻式傳感器 是把被測量轉(zhuǎn)換為是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化電阻變化的一種傳的一種傳感器。感器。 按工作原理可分為按工作原理可分為: : 變阻器式變阻器式 電阻應變式電阻應變式 熱敏式熱敏式 光敏式光敏式 濕敏式濕敏式 AlR 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一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器1.變阻器式傳感器第三節(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

8、變阻式傳感器的后接電路，一般采用電阻分壓電路，如圖3-6所示。圖圖3-6一、電阻式傳感器1EERRxLx R總電阻總電阻; Rx 電刷電阻電刷電阻;AlR 1. 變阻器式傳感器變阻器式傳感器變阻器式傳感器一般采用電阻分壓電路常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等變阻器受電阻絲直徑限制，分辨力20m，線性度低，使用日益減少電阻應變式傳感器具有體積小、動態(tài)響應快、測量精度高使用方便等優(yōu)點，而得到廣泛運用2.電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器絲式應變片絲式應變片 箔式應變片箔式應變片 AlR 半導體應變片半導體應變片金屬應變片金屬應變片 絲式、箔式絲式、箔式半導體應變片半導體應變片 金屬

9、電阻應變片的工作原理，是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。大量實驗表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對變化與其所受的軸向應變是成正比的比例關(guān)系比例關(guān)系 AlR 應變片受力應變片受力 應變應變 比例關(guān)系比例關(guān)系 應變片電阻的變化應變片電阻的變化 應變效應應變效應 導體或半導體在外力作用下產(chǎn)生導體或半導體在外力作用下產(chǎn)生機械變形機械變形而引起導體或半而引起導體或半導體的導體的電阻值發(fā)生變化電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為的物理現(xiàn)象稱為應變效應應變效應。傳感元件：電阻應變片，它是一種把被測試件的傳感元件：

10、電阻應變片，它是一種把被測試件的應變量應變量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成成電阻變化量電阻變化量的傳感元件。的傳感元件。AlR 工作原理工作原理式中，式中， 導線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)導線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)金屬導線的金屬導線的應變電阻效應應變電阻效應： 當金屬絲由于受到軸向力當金屬絲由于受到軸向力P而伸長時，長度增長，截而伸長時，長度增長，截面積減小，其電阻值就增大；反之，若金屬絲受壓力而面積減小，其電阻值就增大；反之，若金屬絲受壓力而縮短，即長度變短，截面積變粗時，則電阻就減小?？s短，即長度變短，截面積變粗時，則電阻就減小。應變片受力后，電阻的變化應變片受力后，電阻的變化dR AARRllRRdddd

11、AlR 則則AAlAllARdddd2 兩邊同除以兩邊同除以R，同時同時R= l/A，則則AAllRRdddd dl/l = e e 金屬導線長度的相對變化，稱金屬導線長度的相對變化，稱縱向應變縱向應變。 d / 導線電阻率的相對變化。導線電阻率的相對變化。 dA/A 導線截面積的相對變化，稱為導線截面積的相對變化，稱為橫向應變橫向應變。 工作原理工作原理 對于圓形截面積的導線，若半徑為對于圓形截面積的導線，若半徑為r，則，則 rrrddAd2)(2 )d(2d22rrrrrAdA 橫向應變橫向應變dr/r和縱向應變和縱向應變dl/l之比稱為之比稱為泊松比泊松比，即，即 ddrlrl 故故 d

12、d2AlAl e e E dE為導線材料的彈性模量，為導線材料的彈性模量， 為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)則則 AAllRRdddd dd2AlAl 另外另外同種電阻絲材料的同種電阻絲材料的 、 、E為常數(shù)，則為常數(shù)，則(1+2 + E)為為常數(shù)常數(shù) dddd2(12)RllE Rll靈敏度為：靈敏度為： 1 2SE 應變片電阻的相對變化率應變片電阻的相對變化率dR/R與應變與應變e e之間是線形關(guān)系之間是線形關(guān)系dddd2(12)RllE Rlle e SRdR12SE S由兩部分組成：由兩部分組成： 前一部分前一部分(1+2 )單由金屬導線的幾何尺寸變化引起的；單由金屬導線的

13、幾何尺寸變化引起的；后一部分后一部分 E是電阻率隨應變而引起變化的部分，它除與是電阻率隨應變而引起變化的部分，它除與金屬導線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。金屬導線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。 : 泊松系數(shù)，E: 彈性模量， : 壓阻系數(shù)， e : 縱向應變(12 )dRR e 金屬應變片（金屬應變片（ 不變，不變， 很?。┖苄。┙饘賾冇嫿饘賾冇?半導體應變片（半導體應變片（ 變化，變化， 相對很小）相對很?。┌雽w應變計半導體應變計6 . 37 . 1)21( gSRdRe e 7060 gSERdRe e e ee e SERdR)21(E12應變片的主要參數(shù)應變片

14、的主要參數(shù)1) 幾何參數(shù)：表距幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度和絲柵寬度b，制造廠常用，制造廠常用bL 表示。表示。 2) 電阻值：應變計的原始電阻值電阻值：應變計的原始電阻值(60、120、350、600等)3) 靈敏系數(shù)：表示應變計變換性能的重要參數(shù)。靈敏系數(shù)：表示應變計變換性能的重要參數(shù)。 4) 其它表示應變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、其它表示應變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。金屬應變計金屬應變計 金屬應變計有金屬應變計有: 1、絲式絲式 2、箔式箔式 優(yōu)點優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特穩(wěn)定性和溫度特性好性好. 缺點缺點:

15、靈敏度系數(shù)小靈敏度系數(shù)小.基本公式：dRER e/gdR RSEeE 半導體材料的彈性模量；半導體材料的壓阻系數(shù)。半導體應變片的靈敏度為遠大于金屬絲應變片(2)半導體應變計（物性型）半導體應變計（物性型）壓阻效應：單晶半導體材料在沿壓阻效應：單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 優(yōu)點：優(yōu)點：應變靈敏度大應變靈敏度大; ;體積小體積小; ;能制成具有一定應變能制成具有一定應變電阻的元件電阻的元件. . 缺點：缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。整體型整體型薄膜型薄膜型擴散型擴散型

16、1）直接用來測定結(jié)構(gòu)的應變或應力(3).電阻應變式傳感器的應用電阻應變式傳感器的應用德國德國HBMHBM電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器 2） 將應變片貼于彈性元件上，測量力、位移、壓力、加速度等壓力傳感器壓力傳感器 質(zhì)量傳感器質(zhì)量傳感器 位移傳感器位移傳感器 加速度計加速度計 壓力傳感器壓力傳感器 扭矩傳感器扭矩傳感器 3. 固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器的工作原理與半導體應變片相同：都是利用半導體材料的電阻效應。 壓阻式傳感器是根據(jù)半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時，各

17、電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產(chǎn)生相應的不平衡輸出。 用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應用最為普遍。 壓阻式傳感器有兩種類型：半導體應變式傳感器、固態(tài)壓阻式傳感器壓阻式傳感器的優(yōu)點是: 靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量； 分辨率高，例如測量壓力時可測出1020Pa的微壓； 測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應高； 可測量低頻加速度和直線加速度。 無須粘貼，便于傳感器的集成化最大的缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。4.典型動態(tài)電阻應變儀圖圖3

18、-11動態(tài)電阻應變儀框圖動態(tài)電阻應變儀框圖直流電橋直流電橋電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測量電路，由于橋式測量電路簡單可靠，而且具有很高的精度和靈敏度，測量電路，由于橋式測量電路簡單可靠，而且具有很高的精度和靈敏度，因此在測量裝置中被廣泛采用。因此在測量裝置中被廣泛采用。電橋按其所采用的激勵電源的類型可分為直流電橋與交流電橋；按其工電橋按其所采用的激勵電源的類型可分為直流電橋與交流電橋；按其工作原理可分為作原理可分為偏值法偏值法和和歸零法歸零法兩種，其中偏值法的應用更為廣泛。兩種，其中偏值法的應用更為

19、廣泛。直流電橋的基本結(jié)構(gòu)直流電橋的基本結(jié)構(gòu)直流電橋為常見電橋，假定電橋四個橋臂電阻分別為直流電橋為常見電橋，假定電橋四個橋臂電阻分別為R1R1、R2R2、R3R3、R4R4，輸入直流電壓為，輸入直流電壓為u u0 0，輸出電壓信號為，輸出電壓信號為u uy y，則，則輸出為輸出為 如果各橋臂的電阻變化分別為：如果各橋臂的電阻變化分別為：R1R1、R2R2、R3R3、R4R4，同時，同時 R1=R2=R3=R4=R R1=R2=R3=R4=R 則則當電阻為應變片時，上式可寫成：當電阻為應變片時，上式可寫成：132401234()()yR RR RuuRRRR03124()4yuRRRRuRRRR

20、01234()4yguuSeeee電橋又可分為電橋又可分為半橋單臂、半橋雙臂和全橋半橋單臂、半橋雙臂和全橋電路，分別適合不同要求的電路，分別適合不同要求的測量，電橋輸出電壓測量，電橋輸出電壓uyuy大小均不相同，但注意到直流電橋的輸出值均大小均不相同，但注意到直流電橋的輸出值均與直流電源電壓與直流電源電壓u0u0直接相關(guān)，所以電橋在實際測試中常采用平衡電橋，直接相關(guān)，所以電橋在實際測試中常采用平衡電橋，從而避免電源電壓不穩(wěn)所造成的輸出不準確的缺陷。電橋平衡條件為：從而避免電源電壓不穩(wěn)所造成的輸出不準確的缺陷。電橋平衡條件為：R1R3=R2R4R1R3=R2R4。實測電路往往為平衡電橋，如動態(tài)電

21、阻應變儀，平衡電。實測電路往往為平衡電橋，如動態(tài)電阻應變儀，平衡電阻可顯示被測量的大小。阻可顯示被測量的大小。 圖圖4-2114411011223344333222033441122312401()()21()()21()4eeeeeRRRRRRUUURRRRRRRRRRRRRRRRorUUURRRRRRRRRRRRRRUURRRR123411223344,RRRRRRRRRRRRR312401()4eRRRRUURRRR由上式可以看出：由上式可以看出：1 1）若相鄰兩橋臂電阻同向（兩電阻同時增大或同時減?。?，）若相鄰兩橋臂電阻同向（兩電阻同時增大或同時減?。?，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互抵消

22、；所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互抵消；2 2）若相鄰兩橋臂電阻反向（兩電阻同時增大或同時減?。?，）若相鄰兩橋臂電阻反向（兩電阻同時增大或同時減?。a(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互迭加；所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互迭加；上述性質(zhì)即為電橋的和差特性，很好掌握該特性對構(gòu)成實際的電橋測量上述性質(zhì)即為電橋的和差特性，很好掌握該特性對構(gòu)成實際的電橋測量電路具有重要意義。電路具有重要意義。二、電感式傳感器 基于電磁感應原理把被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的裝置，按變化方式可分為自感型（包括可變磁阻式和渦流式）與互感型（差動變壓器式）。1）可變磁阻式 線圈、鐵芯和銜鐵組成，鐵芯與銜鐵間有空隙，自感L與氣隙成反比圖圖3-2

23、1 可變磁阻式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理可變磁阻式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理1、自感型電感傳感器、自感型電感傳感器式中：l鐵心導磁長度； u鐵心磁導率； A鐵心磁導截面積； 氣隙長度； u0空氣磁導率； A0空氣氣隙導磁截面積（m2）2mNLR002mlRu AuA002002002222mRuANuALNuAS 得 ：得 ：若A0為導磁截面積，此時傳感器靈敏度為：2002700(/)410/NASsNH mH m 線圈匝數(shù)；空氣的磁導率，。圖圖3-21 可變磁阻式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理可變磁阻式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理可見有三種型式的可變磁阻式電感傳感器：可見有三種型式的可變磁阻式電感傳感器：變氣隙型、變面積型及變磁

24、導率型變氣隙型、變面積型及變磁導率型a)變氣隙型變氣隙型可見可見L與與之間的關(guān)系為雙曲線關(guān)系，是非線性關(guān)系，測量會產(chǎn)生線性誤之間的關(guān)系為雙曲線關(guān)系，是非線性關(guān)系，測量會產(chǎn)生線性誤差。差。 靈敏度為：靈敏度為： 為減少測量誤差，須采取措施：為減少測量誤差，須采取措施： （）限制測量范圍（）限制測量范圍（0，0+） 一般一般/00.1 應用應用:測量小位移測量小位移0.0011mm.20022NuAS（）采用差動式）采用差動式 銜鐵移動時一個銜鐵移動時一個0,另一另一個個0使得一個使得一個L,另一個另一個L,將兩個線圈接入電橋?qū)蓚€線圈接入電橋的相鄰橋臂的相鄰橋臂,利用電橋的利用電橋的加減特性達到

25、減小測量非加減特性達到減小測量非線性誤差的目的線性誤差的目的. 特點：靈敏高、非線性特點：靈敏高、非線性誤差大誤差大b)面積變化型面積變化型 L與與A0為線性關(guān)系為線性關(guān)系,測測量線性誤差小量線性誤差小,但與變但與變氣隙型傳感器相比靈氣隙型傳感器相比靈敏度較低敏度較低. 特點：靈敏低、非線特點：靈敏低、非線性誤差小；性誤差?。籧)螺管線圈型（變磁導率）螺管線圈型（變磁導率）傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米數(shù)毫米)測量測量雙螺管線圈差動型，較之單螺管雙螺管線圈差動型，較之單螺管型有較高靈敏度及線性，被用型有較高靈敏度

26、及線性，被用于電感測微計上，常用測量范于電感測微計上，常用測量范圍為圍為0300um，最小分辨力，最小分辨力為為0.5um這種傳感器的線圈接于電橋上這種傳感器的線圈接于電橋上(見見圖圖3-23a)，構(gòu)成兩個橋臂，線，構(gòu)成兩個橋臂，線圈電感圈電感L1、L2：隨鐵心位移：隨鐵心位移而變化，其輸出特性如圖而變化，其輸出特性如圖3-23b所示。所示。Z=f(,r,I,)應用：應用：變間距變間距：測位移、厚度、振幅、轉(zhuǎn)速、計數(shù)等；：測位移、厚度、振幅、轉(zhuǎn)速、計數(shù)等；變電阻率變電阻率：金屬的：金屬的、硬度、熱處理的性能、合金、硬度、熱處理的性能、合金成分等；成分等；變磁導率變磁導率：無損探傷、殘余應力、材

27、質(zhì)檢測等。：無損探傷、殘余應力、材質(zhì)檢測等。優(yōu)點：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強、不受油優(yōu)點：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強、不受油污塵埃等介質(zhì)的影響、非接觸測污塵埃等介質(zhì)的影響、非接觸測量。 渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導體在交流磁場中的渦電流效應，如圖所示。一塊金屬板置于一只線圈的附近，相互間距為，當線圈中有一高頻交變電流i通過時，便產(chǎn)生磁通。此交變磁通通過鄰近金屬板，金屬板表層上便產(chǎn)生感應電流，即渦電流。這種渦電流也將產(chǎn)生交變磁通1。根據(jù)楞次定律，渦電流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反，1總是抵抗的變化。渦流磁場也使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化，變化程度與距離有關(guān)。分析表明，影響高頻

28、線圈阻抗分析表明，影響高頻線圈阻抗Z Z的因素，除了線圈與金屬板間的因素，除了線圈與金屬板間距距 以外，還有金屬板的電阻率、以外，還有金屬板的電阻率、磁導率以及線圈激勵頻率等。磁導率以及線圈激勵頻率等。當改變其中某一因素時，即可當改變其中某一因素時，即可達到不同的變換目的，即可做達到不同的變換目的，即可做成不同類型的傳感器。成不同類型的傳感器。2 2）電渦流式傳感器）電渦流式傳感器調(diào)幅電路調(diào)幅電路12fLC測量時傳感器線圈阻抗隨金屬板間距測量時傳感器線圈阻抗隨金屬板間距 而變化，而變化，LCLC回路失諧，輸出信號頻率雖然仍為振蕩器回路失諧，輸出信號頻率雖然仍為振蕩器的工作頻率，但是幅值隨的工作

29、頻率，但是幅值隨 而變化，它相當于而變化，它相當于一個被一個被 調(diào)制的調(diào)幅波，再經(jīng)放大、檢波、濾調(diào)制的調(diào)幅波，再經(jīng)放大、檢波、濾波后，即可得到間隙波后，即可得到間隙 的動態(tài)變化信息。的動態(tài)變化信息。調(diào)頻電路調(diào)頻電路特點及應用特點及應用 特點：特點： 渦流式傳感器可用于動態(tài)非接觸測量，測量范圍視傳渦流式傳感器可用于動態(tài)非接觸測量，測量范圍視傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)和勵磁頻率而定，一般從感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)和勵磁頻率而定，一般從(110)mm不等，最高分辨力可達不等，最高分辨力可達0.1um。 具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等優(yōu)點。優(yōu)點

30、。 因此，近年來渦流式位移和振動測量儀、測厚儀和無因此，近年來渦流式位移和振動測量儀、測厚儀和無損檢測探傷儀等在機械、冶金等部門中日益得到廣泛應用損檢測探傷儀等在機械、冶金等部門中日益得到廣泛應用。 實際上，這種傳感器在徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運動、實際上，這種傳感器在徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運動、轉(zhuǎn)速和厚度測量，以及在零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量轉(zhuǎn)速和厚度測量，以及在零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量中都有應用。中都有應用。a）徑向振擺測量 b）軸心軌跡測量 c）轉(zhuǎn)速測量d）穿透式測厚 e）零件計數(shù)器 f）表面裂紋測量下圖表示的是渦流式傳感器的工程應用實例。2.互感型這種傳感器利用電磁感應中的互感現(xiàn)象。當

31、線圈W1輸入交流電流i1時，線圈W2產(chǎn)生感應電勢e12，其大小與電流i1變化率成正比，比例系數(shù)M稱為互感量。它描述兩線圈之間的耦合程度，其大小與兩線圈相對位置及周圍介質(zhì)導磁能力等因素有關(guān)。實際應用較多的是螺管形差動變壓器，其工作原理如圖3-30a、b所示。圖圖3-30 差動變壓器輸出交流電壓，其幅值與鐵心位移成正比，只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動的極性。其次，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓。零點殘余電壓是由于兩個次級線圈結(jié)構(gòu)不對稱，以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等形成。所以，即使鐵心處于中間位置時，輸出也不為零。為此，差動變壓器式傳感器的后接電路，需要采用既能反

32、映鐵心位移極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。 由差動變壓器式電感傳感器構(gòu)成的位移測量儀，最高分辨力可達01m，測量范圍可擴展到100mm，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，穩(wěn)定性好，被廣泛用于直線位移，或可轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重力等參數(shù)的測量。 上圖是一種用于小位移測量的差動相敏檢波電路。在沒有輸入信號時，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻及，使零點殘余電壓減小；當有輸入信號時，鐵心移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小和方向。三、電容式傳感器三、電容式傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置，實際上是一個具有可變參數(shù)的電容器1 工作原理工作原理最簡單

33、的平行極板電容器。在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量為 : 0 真空的介電常數(shù)， ( 0 =8.854 10 -12 F/m ）；A 極板的遮蓋面積； 極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，空氣 = 1 ； 兩平行極板間的距離。 兩平行極板間的距離。 當被測量 、 A 或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。0ACe e2 分類 ：根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，可分為極距變化型介質(zhì)變化型 面積變化型 3 測量電路電容傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量的變化后，由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。（1）電橋型電路：將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出。通常采用電阻、電容或電感、電容組成的

34、交流電橋，如上圖所示。通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋，如上圖所示。（2）直流極化電路：此電路又稱為靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器（3）諧振電路原理及其工作特性（4）調(diào)頻電路的工作原理圖圖3-18（5）運算放大器電路第四節(jié) 磁電、壓電及溫度傳感器一、一、 磁電式傳感器磁電式傳感器 1.變換原理變換原理: 磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應電動磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。勢的一種轉(zhuǎn)換器。),(,cos,mdtddtdRBSBNU感應線圈的感應電動勢感應線圈的感應電動勢U U為為 磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變

35、磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。 2 分類分類 3 動圈式傳感器動圈式傳感器 4 磁阻式傳感器磁阻式傳感器 5 應用應用b) 測速電機測速電機a)磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器二二 壓電式傳感器壓電式傳感器 1.變換原理變換原理: 壓電效應壓電效應 某些物質(zhì)，如石英，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，某些物質(zhì)，如石英，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)

36、，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。壓電效應壓電效應式中，式中，q為電荷為電荷量量；D為為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；方向有關(guān)；F為作用力。為作用力。 q=DFaaqeCea：開路電壓；開路電壓； q:壓電晶片表面上的電荷；壓電晶片表面上的電荷； Ca 為壓電晶片的電容。為壓電晶片的電容。 2. 測量電路測量電路 等效電荷源等效電荷源 Cc:分布電容；分布電容； Ri:輸入電阻；輸入電阻； Ra:漏電阻；漏電阻； Ci:輸入電容輸入電容壓電式傳感器輸出電荷壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號很很大，輸出信號很弱小，因此要進行處理：

37、弱小，因此要進行處理： (1) 放大放大微弱的壓電信號微弱的壓電信號 (2) 進行進行阻抗匹配阻抗匹配 電壓放大器電壓放大器 電荷放大器電荷放大器 (1).(1).主要作用主要作用放大器的輸入電壓：放大器的輸入電壓： icaiCCCqe系統(tǒng)的輸出電壓為：系統(tǒng)的輸出電壓為： 系統(tǒng)的靈敏度為：系統(tǒng)的靈敏度為： icaCCCASicaiyCCCqAeAe當電纜長度變化當電纜長度變化時，時，Cc變化，變化， ei變化，系統(tǒng)的靈變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，敏度發(fā)生變化，此時測試比較困此時測試比較困難難 (2).(2).電壓放大器電壓放大器qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= e

38、iC+ (ei-ey)Cf ffyKCCCKqe)(fyffCqethenCCKCIf )( ei=(q+eyCf)/(C+Cf)fCS1(3).(3).電荷放大器電荷放大器3 應用應用b) 壓力變送器壓力變送器a) 加速度計，力傳感器加速度計，力傳感器 案例：案例：飛機模態(tài)分析飛機模態(tài)分析三三 溫度傳感器溫度傳感器 熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器thermocouple熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻溫度傳感器thermistor四個溫度段：規(guī)定各溫度段所使用的標準儀器四個溫度段：規(guī)定各溫度段所使用的標準儀器低溫鉑電阻溫度計（低溫鉑電阻溫度計（13.81K273.15K）；）；鉑電阻溫度計（鉑電

39、阻溫度計（273.15K903.89K）；）；鉑銠鉑銠-鉑熱電偶溫度計（鉑熱電偶溫度計（903.89K1337.58K）；）；光測溫度計（光測溫度計（1337.58K以上）。以上）。 國際實用開爾文溫度與國際實用攝氏溫度分別用符號國際實用開爾文溫度與國際實用攝氏溫度分別用符號T68和和t68來區(qū)別（一般簡寫為來區(qū)別（一般簡寫為T與與t）。）。3. 3. 溫度傳感器的種類及特點溫度傳感器的種類及特點l 接觸式溫度傳感器l 非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被

40、測物體溫度，測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象卻較低。優(yōu)點是：不

41、從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應快等。的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應快等。物理物理現(xiàn)象現(xiàn)象體積熱膨脹體積熱膨脹電阻變化電阻變化溫差電現(xiàn)象溫差電現(xiàn)象導磁率變化導磁率變化電容變化電容變化壓電效應壓電效應超聲波傳播速度變化超聲波傳播速度變化物質(zhì)物質(zhì) 顏色顏色PN結(jié)電動勢結(jié)電動勢晶體管特性變化晶體管特性變化可控硅動作特性變化可控硅動作特性變化熱、光輻射熱、光輻射種種類類鉑測溫電阻、熱敏電阻鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶熱電偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶體振動器石英晶體振動器超聲波溫度計超聲波溫度計示溫涂料示溫涂料 液晶液晶半導體二極管半導體二極管晶體管半導

42、體集成電路溫度傳感器晶體管半導體集成電路溫度傳感器可控硅可控硅輻射溫度傳感器輻射溫度傳感器 光學高溫計光學高溫計1.氣體溫度計氣體溫度計 2. 玻璃制水銀溫度計玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計玻璃制有機液體溫度計 4.雙金屬溫度計雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計液體壓力溫度計 6. 氣體壓力溫度計氣體壓力溫度計1 熱鐵氧體熱鐵氧體 2 Fe-Ni-Cu合金合金熱電偶、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬熱電偶、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電

43、路傳感器、可控硅管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅分分 類類特特 征征傳傳 感感 器器 名名 稱稱超高溫用超高溫用傳感器傳感器1500以上以上光學高溫計、輻射傳感器光學高溫計、輻射傳感器高溫用高溫用傳感器傳感器10001500光學高溫計、輻射傳感器、光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶熱電偶中高溫用中高溫用傳感器傳感器5001000光學高溫計、輻射傳感器、光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶熱電偶中溫用中溫用傳感器傳感器0500低溫用低溫用傳感器傳感器-2500極低溫用極低溫用傳感器傳感器-270-250BaSrTiO3陶瓷陶瓷晶體管、熱敏電阻、晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計壓力式玻璃溫度計見表

44、下內(nèi)容見表下內(nèi)容 測測 溫溫 范范 圍圍溫度傳感器分類(1)分分 類類特特 征征傳傳 感感 器器 名名 稱稱測溫范圍寬測溫范圍寬輸出小輸出小晶體管、熱電偶晶體管、熱電偶半導體集成電路傳感器、半導體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動器、可控硅、石英晶體振動器、壓力式溫度計、玻璃制溫度計壓力式溫度計、玻璃制溫度計線性型線性型測溫范圍窄測溫范圍窄輸出大輸出大熱敏電阻熱敏電阻指數(shù)型指數(shù)型函數(shù)函數(shù)開關(guān)型開關(guān)型特性特性特定溫度特定溫度輸出大輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計感溫鐵氧體、雙金屬溫度計 測測 溫溫 特特 性性溫度傳感器分類溫度傳感器分類(2)分分 類類特特 征征傳傳 感感 器器 名名 稱稱測定精

45、度測定精度0.10.5鉑測溫電阻、石英晶體振動鉑測溫電阻、石英晶體振動器、玻璃制溫度計、氣體溫器、玻璃制溫度計、氣體溫度計、光學高溫計度計、光學高溫計溫度溫度標準用標準用測定精度測定精度0.55熱電偶、測溫電阻器、熱敏電熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、雙金屬溫度計、壓力式溫阻、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅體集成電路傳感器、可控硅絕對值絕對值測定用測定用管理溫度管理溫度測定用測定用相對值相對值15 測測 定定 精精 度度溫度傳感器分類(3) 常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型常用熱電偶的結(jié)構(gòu)

46、類型1 1工業(yè)用熱電偶工業(yè)用熱電偶2 2鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）3 3快速反應薄膜熱電偶快速反應薄膜熱電偶4 4快速消耗微型熱電偶快速消耗微型熱電偶 溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可

47、用于測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量?？焖偌皠討B(tài)溫度的測量。 熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器兩種不同的導體或半導體兩種不同的導體或半導體A A和和B B組合成閉合回路，若導體組合成閉合回路，若導體A A和和B B的的連接處溫度不同（設連接處溫度不同（設T TT T0 0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應熱電效應。這種。這種現(xiàn)象早在現(xiàn)象早在18211821年首先由西拜克（年首先由西拜克（See.backSee.back）發(fā)現(xiàn)）發(fā)現(xiàn), ,所以

48、又稱西拜克所以又稱西拜克效應。效應。熱電偶原理圖熱電偶原理圖TT0AB 工作原理工作原理回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢熱電勢。熱電勢thermo-electric force由兩部分組成由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。，即溫差電勢和接觸電勢。熱熱端端冷冷端端 熱敏電阻是利用某種半導體材料的電阻率隨溫度變化熱敏電阻是利用某種半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。而變化的性質(zhì)制成的。 在溫度傳感器中應用最多的有熱電偶、熱電阻（如鉑在溫度傳感器中應用最多的有熱電偶、熱電阻（如鉑、銅電阻溫度計等）和熱敏電阻。熱敏電阻發(fā)展最為迅速、銅電阻溫度計等）和熱敏電阻

49、。熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改進，穩(wěn)定性已大為提高，在許多，由于其性能得到不斷改進，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場合下（場合下（- -40350）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。傳感器。熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻溫度傳感器NTC二極管封裝二極管封裝環(huán)氧封裝、小型化高精度環(huán)氧封裝、小型化高精度 ； 響應時響應時間快間快 ； 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 根據(jù)不同用途有多種封根據(jù)不同用途有多種封裝結(jié)構(gòu)裝結(jié)構(gòu) ；使用溫區(qū)寬；使用溫區(qū)寬 高穩(wěn)定性、高可靠性高穩(wěn)定性、高可靠性根據(jù)不同用途有多種封裝根據(jù)不同用途有多種封裝結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) ；使用溫區(qū)寬；使用溫區(qū)寬 ；高穩(wěn)；高穩(wěn)定性、高可靠性定性、高可靠性 ；為客戶；為客戶提供多種便捷服務提供多種便捷服務 家用冰箱、空調(diào)器家用冰箱、空調(diào)器 ；電熱水器、整體浴室電熱水器、整體浴室 ；冰柜、豆?jié){機冰柜、豆?jié){機 環(huán)氧封裝、小型化、精度高環(huán)氧封裝、小型化、精度高 ；可靠性高、；可靠性高、響應時間快響應時間快 ；引線采用聚脂漆包線、耐熱、；引線采用聚脂漆包線、耐熱、絕緣性好絕緣性好 第五節(jié) 傳感器的選用原則 如何根據(jù)測試目的和實際條件，合理地選用傳感器。1靈敏度 一般講，傳感器靈敏度越高越好，因為靈敏度越高，意味著傳感器所能感知的變化量越