第5章機(jī)械常用傳感器

1、第五章第五章 常用機(jī)械量測(cè)量的傳感器常用機(jī)械量測(cè)量的傳感器n 了解了解傳感器的選用原則；傳感器的選用原則；n 掌握掌握機(jī)械工程測(cè)試中常用各種傳感器的基本原理、機(jī)械工程測(cè)試中常用各種傳感器的基本原理、 結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)及其適用范圍。結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)及其適用范圍。傳感器的基本組成u 敏感元件：直接感受被測(cè)量，輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系敏感元件：直接感受被測(cè)量，輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系 的某一物理量。的某一物理量。u 轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出作為轉(zhuǎn)換元件的輸入，它把轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出作為轉(zhuǎn)換元件的輸入，它把 輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。u 轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參量轉(zhuǎn)換為便于處理、轉(zhuǎn)

2、換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參量轉(zhuǎn)換為便于處理、 顯示、記錄或控制的有用的電信號(hào)。顯示、記錄或控制的有用的電信號(hào)。一、一、 常用傳感器分類常用傳感器分類1、按被測(cè)物理量分類、按被測(cè)物理量分類機(jī)械量機(jī)械量: :長(zhǎng)度長(zhǎng)度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, ,旋轉(zhuǎn)角，旋轉(zhuǎn)角， 轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,重量重量, ,力力, ,壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, , 風(fēng)速風(fēng)速, ,流速流速, ,流量；流量；聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲；噪聲；磁磁: : 磁通磁通, ,磁場(chǎng)；磁場(chǎng)；溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱；比熱；光：光： 亮度，色彩。亮度，

3、色彩。常見的被測(cè)物理量常見的被測(cè)物理量2、按傳感器工作原理分類、按傳感器工作原理分類機(jī)械式機(jī)械式, ,電氣式電氣式, ,光學(xué)式光學(xué)式, ,流體式等。流體式等。3、按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系、按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型( (無(wú)源傳感器）無(wú)源傳感器）: : 直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。 例如例如: :熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì), ,磁電式加速度計(jì)。磁電式加速度計(jì)。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(cè)量控制外部供給能量的從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的 變化。例如變化。例如: :

4、電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片。V4、按信號(hào)變換特征、按信號(hào)變換特征物性型傳感器物性型傳感器: : 依靠敏感元件材料本身依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。 例如例如: :水銀溫度計(jì)。水銀溫度計(jì)。結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器: : 依靠傳感器依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變。 例如例如: :電容式和電感式傳感器。電容式和電感式傳感器。二、機(jī)械式傳感器及儀器二、機(jī)械式傳感器及儀器測(cè)力計(jì)測(cè)力計(jì)u 機(jī)械式傳感器以機(jī)械式傳感器以彈性體作為敏感元件彈性體作為敏感元件，輸入量可以是力、，輸入量可以是力、 壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本

5、身的彈性變形。壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。u 彈性變形經(jīng)放大后可轉(zhuǎn)化為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指彈性變形經(jīng)放大后可轉(zhuǎn)化為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指 示被測(cè)量的大小。示被測(cè)量的大小。u 應(yīng)用實(shí)例：測(cè)力計(jì)、壓力計(jì)和溫度計(jì)。應(yīng)用實(shí)例：測(cè)力計(jì)、壓力計(jì)和溫度計(jì)。壓力計(jì)壓力計(jì)溫度計(jì)溫度計(jì)彈性膜片彈性膜片波紋管波紋管波登管波登管特 點(diǎn)u 機(jī)械式指示儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低、讀機(jī)械式指示儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低、讀 數(shù)直觀；數(shù)直觀；u 彈性變形不宜大，以減小線性誤差；彈性變形不宜大，以減小線性誤差；u 慣性大、固有頻率低，只宜測(cè)緩變或靜態(tài)被測(cè)量。慣性大、固有頻率

6、低，只宜測(cè)緩變或靜態(tài)被測(cè)量。u 彈性元件具有彈性元件具有、等現(xiàn)象，影響輸出與輸入的等現(xiàn)象，影響輸出與輸入的 線性關(guān)系。線性關(guān)系。解解 釋釋u 蠕變：固體材料在保持應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時(shí)間緩蠕變：固體材料在保持應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時(shí)間緩 慢增長(zhǎng)的現(xiàn)象。慢增長(zhǎng)的現(xiàn)象。u 彈性后效：指載荷在停止變化之后，彈性元件在一段時(shí)間彈性后效：指載荷在停止變化之后，彈性元件在一段時(shí)間 之內(nèi)還會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生類似蠕動(dòng)的位移。之內(nèi)還會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生類似蠕動(dòng)的位移。三、渦流式傳感器三、渦流式傳感器利用金屬導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。利用金屬導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。高頻反射式渦流傳感器工作原理高頻反射式渦流傳感器工

7、作原理n 渦流產(chǎn)生：當(dāng)線圈中通以一交變高頻電流渦流產(chǎn)生：當(dāng)線圈中通以一交變高頻電流i i時(shí)，會(huì)引起一時(shí)，會(huì)引起一交變磁通交變磁通。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應(yīng)電流。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應(yīng)電流i i1 1，該電流該電流i i1 1即為渦流。即為渦流。n 抵抗作用：根據(jù)楞次定抵抗作用：根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁通變磁通1 1將與線圈產(chǎn)生的將與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，亦即磁場(chǎng)方向相反，亦即1 1將將抵抗抵抗的變化。的變化。變換原理原線圈的原線圈的等效阻抗等效阻抗Z（equivalent impedance）的變化的變化,ZZ 金屬板電阻率金屬板電阻率

8、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率線圈激磁圓頻率線圈激磁圓頻率u 改變改變可作為位移、振動(dòng)測(cè)量；可作為位移、振動(dòng)測(cè)量；u 改變改變, ,可作為材質(zhì)鑒別或探傷。可作為材質(zhì)鑒別或探傷。徑向振動(dòng)測(cè)量徑向振動(dòng)測(cè)量 軸心軌跡測(cè)量軸心軌跡測(cè)量 工程應(yīng)用實(shí)例 渦流式傳感器可用于渦流式傳感器可用于動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量。近年來(lái)渦流式。近年來(lái)渦流式位移和振動(dòng)測(cè)量?jī)x、測(cè)厚儀和無(wú)損檢測(cè)探傷儀等在機(jī)械、位移和振動(dòng)測(cè)量?jī)x、測(cè)厚儀和無(wú)損檢測(cè)探傷儀等在機(jī)械、冶金等部門中日益得到廣泛應(yīng)用。冶金等部門中日益得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量 零件計(jì)數(shù)器零件計(jì)數(shù)器 表面裂紋測(cè)量表面裂紋測(cè)量 穿透式測(cè)厚穿透式測(cè)厚 安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈

9、。當(dāng)有金屬物安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過時(shí)，交變磁場(chǎng)就會(huì)在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會(huì)體通過時(shí)，交變磁場(chǎng)就會(huì)在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會(huì)在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來(lái)判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺(tái)位來(lái)判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺(tái)“軟軟x x光光”掃描儀，它對(duì)人體、膠卷無(wú)害，用軟件處理的方法可掃描儀，它對(duì)人體、膠卷無(wú)害，用軟件處理的方法可合成完整的光學(xué)圖像。合成完整的光學(xué)圖像。 n 電渦流式通道安全檢查門電渦流式通道安全檢查門 手持式裂紋手持式裂紋測(cè)量?jī)x測(cè)量?jī)xn

10、 電渦流表面探傷電渦流表面探傷油管探傷油管探傷原理原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。+ A 四、電容式傳感器四、電容式傳感器工作原理 采用電容器作為敏感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換采用電容器作為敏感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。為電容量的變化。 平板電容器的電容量平板電容器的電容量 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)， 空氣中空氣中真空中介電常數(shù)，真空中介電常數(shù)，極板間距離極板間距離A A 極板面積極板面積11208.85 10/F m0AC 0（1 1）極距變化型）極距變化型 極距有一微小變化量極距有一微小變化量d d時(shí)，引起電容變化量

11、時(shí)，引起電容變化量n 靈敏度靈敏度20AddCS分 類021dCAd n 由于靈敏度隨極距變化，由于靈敏度隨極距變化，引起引起非線性誤差非線性誤差，規(guī)定在較，規(guī)定在較小的間隙范圍內(nèi)工作，一般小的間隙范圍內(nèi)工作，一般取取0/0.1 指紋識(shí)別指紋識(shí)別指紋識(shí)別指紋識(shí)別n 優(yōu)點(diǎn)：體積小、成本低，優(yōu)點(diǎn)：體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消很小，因此非常適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。 指紋識(shí)別目前常用的是電容式傳感器，也被稱為第二指紋識(shí)別目前常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)。代指紋識(shí)別系統(tǒng)。右圖為指紋經(jīng)過處理后右圖為指紋經(jīng)過處

12、理后的成像圖的成像圖（2）面積變化型）面積變化型00Ab xC 0bdCSdx 常數(shù)特 點(diǎn) 輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度低，適于輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度低，適于較大直線位移及角位移測(cè)量。較大直線位移及角位移測(cè)量。油量表可用于飛機(jī)油箱油量表可用于飛機(jī)油箱（3）介質(zhì)變化型）介質(zhì)變化型 用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量等。濕度、容量等。測(cè)量電路 電容式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量的變化后再由后續(xù)電容式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換

13、為電容量的變化后再由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。（1）電橋型電路）電橋型電路 電容傳感器作為電橋的一部分，電容變化轉(zhuǎn)換為電橋電容傳感器作為電橋的一部分，電容變化轉(zhuǎn)換為電橋電壓輸出。圖示為電感、電容組成的交流電橋。電橋的電壓輸出。圖示為電感、電容組成的交流電橋。電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后輸出。輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后輸出。LCf21（2）調(diào)頻電路）調(diào)頻電路 電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩器的諧振頻率器的諧振頻率振蕩回路電感振蕩回路電感 當(dāng)被測(cè)量使電容值發(fā)生

14、變化時(shí)，則當(dāng)被測(cè)量使電容值發(fā)生變化時(shí)，則振蕩器頻率也發(fā)生振蕩器頻率也發(fā)生變化變化，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再放大后由記，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓俜糯蠛笥捎涗浧骰蝻@示儀表指示。錄器或顯示儀表指示。（1）電容式測(cè)厚儀電容式測(cè)厚儀: 測(cè)量金屬帶材在軋制過程中厚度測(cè)量金屬帶材在軋制過程中厚度 C C1 1、C C2 2工作極板與帶材工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容之間形成兩個(gè)電容， 當(dāng)金當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化?；瘯r(shí)，將引起電容量的變化。通過檢測(cè)電路可以反映此變通過檢測(cè)電路可以反映此變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚

15、度。厚度。 應(yīng)用實(shí)例 電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測(cè)試中。精度和穩(wěn)定性日益提高，高精度達(dá)的測(cè)試中。精度和穩(wěn)定性日益提高，高精度達(dá)0.01%，精，精度可達(dá)度可達(dá)5m。 當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，通過當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。表轉(zhuǎn)速大小。min)/ r (zf60n （2）電容式轉(zhuǎn)速傳感器）電容式轉(zhuǎn)速傳感器 設(shè)齒數(shù)為設(shè)齒數(shù)為z，頻率為，頻率為f，則轉(zhuǎn)速則轉(zhuǎn)速 一個(gè)電容測(cè)微儀其傳感器的圓形極板半徑一個(gè)電容測(cè)微儀其

16、傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始間隙工作初始間隙=0.3mm，問：，問：1）工作時(shí)，如果傳感器與工件的）工作時(shí)，如果傳感器與工件的間隙變化量間隙變化量= =1m時(shí)，電容變化量是多少？時(shí)，電容變化量是多少？2）如果測(cè)量）如果測(cè)量電路的靈敏度電路的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格格/mV，在在= =1 1m m時(shí)，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？時(shí)，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？202rCd 例例122615231 8.85 100.0041 104.94100.3 10CF 解：解：極距變化型電容傳感器電容的變化量極距變化型電容傳感器電容的變化量123

17、110,4.94 10FpFCpF 20AddCS34.94 1010052.47mVpFpFmV格格儀表的指示值變化為儀表的指示值變化為 靈敏度？靈敏度？S ddtdNe五、磁電式傳感器五、磁電式傳感器 一種將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的裝置，又稱電一種將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的裝置，又稱電磁感應(yīng)式或電動(dòng)式傳感器。磁感應(yīng)式或電動(dòng)式傳感器。 由電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過線圈的磁通由電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過線圈的磁通發(fā)生變化時(shí)，發(fā)生變化時(shí)，線圈中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)線圈中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)n 磁通變化率與磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改有關(guān)

18、，改變其中一個(gè)因素，都可改變線圈變其中一個(gè)因素，都可改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。sinNBlve 分 類1、動(dòng)圈式、動(dòng)圈式n 線速度型線速度型 在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)內(nèi)，在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)內(nèi)，線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，切割磁力線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，切割磁力線，因此所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)線，因此所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)說 明n 當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（B，l，N）選定，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）選定，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e e的大小使正比于線圈的運(yùn)動(dòng)速度的大小使正比于線圈的運(yùn)動(dòng)速度v。n 將測(cè)得的速度經(jīng)微分和積分運(yùn)算又可得加速度和位移，將測(cè)得的速度經(jīng)微分和積分運(yùn)算又可得加速度和位移，因此速度傳

19、感器又可用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的位移和加速度。因此速度傳感器又可用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的位移和加速度。kNBAe n 可測(cè)量物體轉(zhuǎn)速?？蓽y(cè)量物體轉(zhuǎn)速。n 角速度型角速度型 線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)說 明n 當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（N，B， A）選定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）選定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線與線 圈相對(duì)于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成圈相對(duì)于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成 正比。正比。動(dòng)圈磁電式傳感器等效電路導(dǎo)線電阻導(dǎo)線電阻負(fù)載電阻負(fù)載電阻線圈阻抗線圈阻抗n 等效電路輸出電壓等效電路輸出電壓00,0011CLCRZLCLueeZj C ZR導(dǎo)線分布電容導(dǎo)線分布電容六、壓

20、電式傳感器六、壓電式傳感器壓電式傳感器是一種壓電式傳感器是一種可逆型可逆型換能器。換能器。n 機(jī)械能機(jī)械能電能：用來(lái)測(cè)量力、壓力、加速度等；電能：用來(lái)測(cè)量力、壓力、加速度等；n 電能電能機(jī)械能：用于高頻振動(dòng)臺(tái)、超聲發(fā)射器、揚(yáng)聲器。機(jī)械能：用于高頻振動(dòng)臺(tái)、超聲發(fā)射器、揚(yáng)聲器。優(yōu) 點(diǎn)n 體積?。惑w積??；n 重量??；重量??；n 固有頻率高（加速度傳感器，可測(cè)頻率范圍固有頻率高（加速度傳感器，可測(cè)頻率范圍0.120kHz) ；n 靈敏度高（加速度傳感器可測(cè)靈敏度高（加速度傳感器可測(cè)10-2105ms-2、力傳感器分、力傳感器分 辨力達(dá)辨力達(dá)10-3N）。）。形 式電軸電軸機(jī)械軸機(jī)械軸光軸光軸n 縱向壓

21、電效應(yīng)：沿電軸縱向壓電效應(yīng)：沿電軸X-X方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。n 橫向壓電效應(yīng)：將沿機(jī)械軸橫向壓電效應(yīng)：將沿機(jī)械軸Y-Y方向的作用力產(chǎn)生的壓電方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。效應(yīng)。n 切向效應(yīng)：沿相對(duì)兩平面加切向效應(yīng)：沿相對(duì)兩平面加力。力。n 當(dāng)沿光軸當(dāng)沿光軸Z-Z方方向作用有力時(shí)不向作用有力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。產(chǎn)生壓電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明：實(shí)驗(yàn)證明：壓電效應(yīng)呈線性。壓電效應(yīng)呈線性。 晶體表面出現(xiàn)的電荷的多少和形變的大小成正比，形變晶體表面出現(xiàn)的電荷的多少和形變的大小成正比，形變改變符號(hào)時(shí)，電荷也改變符號(hào)。改變符號(hào)時(shí)，電荷也改變符號(hào)。說 明n 石英晶體切片受石英晶體切片受

22、x向壓力，產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，向壓力，產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，與切片的幾何尺寸無(wú)關(guān)；與切片的幾何尺寸無(wú)關(guān)；n 石英晶體切片受石英晶體切片受y向壓力，產(chǎn)生的電荷量與切片的幾何尺寸有向壓力，產(chǎn)生的電荷量與切片的幾何尺寸有關(guān)，且電荷的極性與沿關(guān)，且電荷的極性與沿x軸施加壓力時(shí)產(chǎn)生的電荷極性相反。軸施加壓力時(shí)產(chǎn)生的電荷極性相反。天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形2、壓電材料、壓電材料主要有壓電單晶、壓電陶瓷主要有壓電單晶、壓電陶瓷和有機(jī)壓電薄膜三類。和有機(jī)壓電薄膜三類。石英晶體薄片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝石英晶體切片及封裝壓電陶瓷壓電陶瓷未極化未

23、極化正極化正極化極化后極化后n 極化過程極化過程常用的有鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。常用的有鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。利用強(qiáng)電場(chǎng)使陶瓷電疇規(guī)則排列，利用強(qiáng)電場(chǎng)使陶瓷電疇規(guī)則排列，呈現(xiàn)壓電性。極化電場(chǎng)去除后，電呈現(xiàn)壓電性。極化電場(chǎng)去除后，電疇取向保持不變，常溫下呈壓電性。疇取向保持不變，常溫下呈壓電性。高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜測(cè)量電路KyfaicffKqqUCCCCCKC 前置放大器電路作用前置放大器電路作用n 將傳感器的高阻抗輸出將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；變換為低阻抗輸出；n 放大傳感器輸出的微弱放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。電信號(hào)。 前置放大器電路的兩種形式前置放大器電路的兩種形式n 用電阻

24、反饋的電壓放大器，輸出受連接電纜對(duì)地電容的影響。用電阻反饋的電壓放大器，輸出受連接電纜對(duì)地電容的影響。n 帶帶電容反饋的電荷放大器電容反饋的電荷放大器。粘貼粘貼位置位置工程應(yīng)用實(shí)例n 玻璃打碎報(bào)警裝置玻璃打碎報(bào)警裝置 將高分子壓電將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。警系統(tǒng)。七、電阻應(yīng)變式傳感器七、電阻應(yīng)變式傳感器可測(cè)參數(shù)：應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等?？蓽y(cè)參數(shù)：應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等?？煞譃榻饘匐娮钁?yīng)變片式和半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類。可分為金屬電阻

25、應(yīng)變片式和半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類。（1）金屬電阻應(yīng)變片）金屬電阻應(yīng)變片工作原理 常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式兩種。當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電兩種。當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化。阻值發(fā)生變化。位移、力、力矩、位移、力、力矩、加速度、壓力加速度、壓力彈性敏感彈性敏感元件元件 應(yīng)變應(yīng)變 金屬絲電阻應(yīng)變片 金屬絲式應(yīng)變片是用金屬絲式應(yīng)變片是用0.010.05mm的金屬絲繞成敏的金屬絲繞成敏感柵感柵 ，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路上。于電路上。金屬箔式應(yīng)變片n 優(yōu)點(diǎn)：可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準(zhǔn)確

26、的敏感柵；散熱條優(yōu)點(diǎn)：可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準(zhǔn)確的敏感柵；散熱條件好；生產(chǎn)效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。件好；生產(chǎn)效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。 金屬箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻技術(shù)，將厚約為金屬箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻技術(shù)，將厚約為0.0030.01mm的金屬箔片制成敏感柵。的金屬箔片制成敏感柵。實(shí)際中的金屬應(yīng)變片 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 穩(wěn)定性和溫度特性好穩(wěn)定性和溫度特性好 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 靈敏度系數(shù)小靈敏度系數(shù)小應(yīng)變片的使用 將應(yīng)變片粘貼于彈性元件或被測(cè)構(gòu)件預(yù)定部將應(yīng)變片粘貼于彈性元件或被測(cè)構(gòu)件預(yù)定部位的表面。外力作用下，金屬絲隨物體一同變形，位的表面。外力作用下，金屬絲隨物體一同變形，將被測(cè)

27、量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)u 目測(cè)電阻應(yīng)變片有無(wú)缺陷；目測(cè)電阻應(yīng)變片有無(wú)缺陷；u 用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值大??；用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值大小；u 試件表面處理；試件表面處理；u 應(yīng)變片粘貼；應(yīng)變片粘貼；u 焊線；焊線；u 用兆歐表檢查應(yīng)變片的引線與試件之間的絕緣用兆歐表檢查應(yīng)變片的引線與試件之間的絕緣 阻值，應(yīng)大于阻值，應(yīng)大于50M50M歐；歐；u 應(yīng)變片保護(hù)。應(yīng)變片保護(hù)。2llRArn 金屬電阻應(yīng)變片電阻值金屬電阻應(yīng)變片電阻值(2)RRRdRdldrdlrdldrdRlr 22(12)dRdldr

28、dRlrEE n 電阻增量電阻增量n 電阻的相對(duì)變化電阻的相對(duì)變化縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變幾何尺寸變形幾何尺寸變形電阻率變化電阻率變化/12/dR RdR RSdl l n 金屬電阻應(yīng)變片電阻值金屬電阻應(yīng)變片電阻值由電阻絲由電阻絲幾何尺寸改變幾何尺寸改變引起電阻的變化。引起電阻的變化。說 明n SgSg為應(yīng)變片系數(shù)或靈敏度，金屬電阻絲的靈為應(yīng)變片系數(shù)或靈敏度，金屬電阻絲的靈敏度常在敏度常在1.7-3.61.7-3.6，常用的金屬材料有銀、鉻鎳，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、或鐵鎳合金等。合金、或鐵鎳合金等。n 電阻絲應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)阻值有電阻絲應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)阻值有6060、120120、35

29、0350、600600和和10001000。其中。其中120120最為常用。最為常用。2(12 )dRR 靈敏度靈敏度dRS R（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片）半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理 單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到應(yīng)力作用時(shí)，其單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻電阻率會(huì)發(fā)生變化率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。/dR RSEddRER 靈敏度靈敏度特點(diǎn)n 靈敏度高，分辨率高，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小、體積??；靈敏度高，分辨率高，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小、體積??；n 溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。應(yīng)用實(shí)例n 將應(yīng)變片粘貼于

30、被測(cè)構(gòu)件上，直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)力將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。或應(yīng)變。齒輪彎矩齒輪彎矩機(jī)身應(yīng)力機(jī)身應(yīng)力立柱應(yīng)力立柱應(yīng)力橋梁應(yīng)力橋梁應(yīng)力n 應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。感器。 彈性元件將得到與被測(cè)量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片彈性元件將得到與被測(cè)量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。4、典型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、典型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀電路原理框圖動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀電路原理框圖 有一電阻應(yīng)變片靈敏度有一電阻應(yīng)變片靈敏度Sg=2，R=120，設(shè)工作時(shí)，設(shè)工作時(shí)

31、電壓電壓1.5V，其應(yīng)變?yōu)椋鋺?yīng)變?yōu)?000，問，問R=？試求：？試求：1）無(wú)應(yīng)變時(shí)電流）無(wú)應(yīng)變時(shí)電流表示值；表示值；2）有應(yīng)變時(shí)電流表示值。）有應(yīng)變時(shí)電流表示值。 例例解：解：（1）無(wú)應(yīng)變時(shí)）無(wú)應(yīng)變時(shí)dRSR6120 2 1000 100.24dRR S 1.50.012481200.24UiARR1.50.0125120UiAR（2）有應(yīng)變時(shí)）有應(yīng)變時(shí)八、熱電式傳感器八、熱電式傳感器n 溫度：反映了物體冷熱的程度，與自然界中的各種物理和溫度：反映了物體冷熱的程度，與自然界中的各種物理和化學(xué)過程相聯(lián)系?；瘜W(xué)過程相聯(lián)系。n 溫度測(cè)量：以熱平衡為基礎(chǔ)。溫度測(cè)量：以熱平衡為基礎(chǔ)。n 溫度最本質(zhì)特性

32、：當(dāng)兩個(gè)冷熱程度不同的物體接觸后就溫度最本質(zhì)特性：當(dāng)兩個(gè)冷熱程度不同的物體接觸后就會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)熱、換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)熱、換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。則它們具有相同的溫度。n 測(cè)量方式：接觸式和非接觸式。測(cè)量方式：接觸式和非接觸式。模擬圖：模擬圖：在一個(gè)密閉的空間里，在一個(gè)密閉的空間里，氣體分子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比氣體分子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比低溫時(shí)快！低溫時(shí)快！CPUCPU散熱風(fēng)扇散熱風(fēng)扇低溫時(shí)顯示藍(lán)色低溫時(shí)顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色溫度升高后變?yōu)榧t色溫度測(cè)量方法n 變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用氣體的

33、體積與熱力學(xué)溫度成正比氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比n 體積熱膨脹式體積熱膨脹式 不需要電源，耐用；但感溫不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。部件體積較大。熱電式傳感器定義 把被測(cè)量（溫度）轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置，其變換把被測(cè)量（溫度）轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應(yīng)。是基于金屬的熱電效應(yīng)。分 類n 熱電偶傳感器熱電偶傳感器n 熱電阻傳感器熱電阻傳感器1、熱電偶傳感器、熱電偶傳感器n 屬于自發(fā)電型傳感器：測(cè)量時(shí)可以不需外加電源，可直屬于自發(fā)電型傳感器：測(cè)量時(shí)可以不需外加電源，可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表；接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表；n 測(cè)溫范圍廣：測(cè)溫范圍廣：下限可達(dá)下限可達(dá)-270 C ，上限可達(dá)，上限可達(dá)1800 C以上以上；n 各溫區(qū)中的熱電勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。各溫區(qū)中的熱電勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。（1）優(yōu)）優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn)鎧裝型熱電偶可鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米長(zhǎng)達(dá)上百米普通裝配型熱普通裝配型熱電偶的外形電偶的外形柔性安裝型柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)鎧裝結(jié)構(gòu)2、熱電阻傳感器、熱電阻傳感器 利用電阻隨溫度變化的特點(diǎn)