機械常用傳感器

關于機械常用傳感器第1頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五傳感器的基本組成

敏感元件：直接感受被測量，輸出與被測量成確定關系的某一物理量。

轉換元件：敏感元件的輸出作為轉換元件的輸入，它把輸入轉換成電路參量。

轉換電路：把轉換元件輸出的電路參量轉換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號。第2頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五一、常用傳感器分類1、按被測物理量分類機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉角，轉數(shù),質量,重量,力,壓力,真空度,力矩,

風速,流速,流量；聲:

聲壓,噪聲；磁:

磁通,磁場；溫度:

溫度,熱量,比熱；光：亮度，色彩。常見的被測物理量2、按傳感器工作原理分類機械式,電氣式,光學式,流體式等。第3頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五3、按敏感元件與被測對象之間的能量關系能量轉換型(無源傳感器）:

直接由被測對象輸入能量使其工作。

例如:熱電偶溫度計,磁電式加速度計。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給能量的變化。例如:電阻應變片。V第4頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五4、按信號變換特征物性型傳感器:

依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現(xiàn)信號變換。例如:水銀溫度計。結構型傳感器:

依靠傳感器結構參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉變。例如:電容式和電感式傳感器。第5頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五二、機械式傳感器及儀器測力計

機械式傳感器以彈性體作為敏感元件，輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。

彈性變形經(jīng)放大后可轉化為儀表指針的偏轉，借助刻度指示被測量的大小。

應用實例：測力計、壓力計和溫度計。第6頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五壓力計溫度計彈性膜片波紋管波登管第7頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五特點

機械式指示儀表結構簡單、可靠、使用方便、價格低、讀數(shù)直觀；彈性變形不宜大，以減小線性誤差；慣性大、固有頻率低，只宜測緩變或靜態(tài)被測量。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象，影響輸出與輸入的線性關系。解釋

蠕變：固體材料在保持應力不變的情況下，應變隨時間緩慢增長的現(xiàn)象。

彈性后效：指載荷在停止變化之后，彈性元件在一段時間之內(nèi)還會繼續(xù)產(chǎn)生類似蠕動的位移。第8頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五三、渦流式傳感器利用金屬導體在交變磁場中的渦電流效應。高頻反射式渦流傳感器工作原理

渦流產(chǎn)生：當線圈中通以一交變高頻電流i時，會引起一交變磁通Ф。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應電流i1，該電流i1即為渦流。

抵抗作用：根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁通Ф1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即Ф1將抵抗Ф的變化。變換原理第9頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五原線圈的等效阻抗Z（equivalentimpedance）的變化金屬板電阻率磁導率線圈激磁圓頻率

改變δ可作為位移、振動測量；改變ρ,μ可作為材質鑒別或探傷。第10頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五徑向振動測量

軸心軌跡測量工程應用實例

渦流式傳感器可用于動態(tài)非接觸測量。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。第11頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五轉速測量

零件計數(shù)器

表面裂紋測量

穿透式測厚

第12頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五

安檢門的內(nèi)部設置有發(fā)射線圈和接收線圈。當有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應出電壓，計算機根據(jù)感應電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側面還安裝一臺“軟x光”掃描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法可合成完整的光學圖像。

電渦流式通道安全檢查門第13頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五手持式裂紋測量儀

電渦流表面探傷油管探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。第14頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五+++A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換為電容量的變化。

平板電容器的電容量

—極板間介質的相對介電系數(shù)，空氣中—真空中介電常數(shù)，—極板間距離A

—極板面積第15頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五（1）極距變化型

極距有一微小變化量dδ時，引起電容變化量

靈敏度分類

由于靈敏度隨極距變化，引起非線性誤差，規(guī)定在較小的間隙范圍內(nèi)工作，一般取第16頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五指紋識別第17頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五指紋識別

優(yōu)點：體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。

指紋識別目前常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。右圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖第18頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五（2）面積變化型特點

輸出與輸入成線性關系，靈敏度低，適于較大直線位移及角位移測量。第19頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五油量表可用于飛機油箱（3）介質變化型

用于測量電介質的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。第20頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五測量電路

電容式傳感器將被測量轉換為電容量的變化后再由后續(xù)電路轉換成電壓、電流或頻率等輸出量。（1）電橋型電路

電容傳感器作為電橋的一部分，電容變化轉換為電橋電壓輸出。圖示為電感、電容組成的交流電橋。電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后輸出。第21頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五（2）調(diào)頻電路

電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩器的諧振頻率振蕩回路電感

當被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再放大后由記錄器或顯示儀表指示。第22頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五（1）電容式測厚儀:測量金屬帶材在軋制過程中厚度

C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個電容，當金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映此變化，并轉換和顯示出帶材的厚度。

應用實例

電容式傳感器廣泛應用在位移、壓力、流量、液位等的測試中。精度和穩(wěn)定性日益提高，高精度達0.01%，精度可達5μm。第23頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五

當齒輪轉動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉速大小。（2）電容式轉速傳感器

設齒數(shù)為z，頻率為f，則轉速第24頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五

一個電容測微儀其傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始間隙δ=0.3mm，問：1）工作時，如果傳感器與工件的間隙變化量Δδ=±1μm時，電容變化量是多少？2）如果測量電路的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在Δδ=±1μm時，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？

例解：極距變化型電容傳感器電容的變化量儀表的指示值變化為

靈敏度？第25頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五五、磁電式傳感器

一種將被測物理量轉換為感應電動勢的裝置，又稱電磁感應式或電動式傳感器。

由電磁感應定律可知，當穿過線圈的磁通Φ發(fā)生變化時，線圈中所感應產(chǎn)生的電動勢

磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關，改變其中一個因素，都可改變線圈的感應電動勢。第26頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五分類1、動圈式

線速度型

在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場內(nèi)，線圈在磁場中作直線運動，切割磁力線，因此所產(chǎn)生的感應電動勢說明

當傳感器的結構參數(shù)（B，l，N）選定，則感應電動勢e的大小使正比于線圈的運動速度v。

將測得的速度經(jīng)微分和積分運算又可得加速度和位移，因此速度傳感器又可用來測量運動物體的位移和加速度。第27頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五

可測量物體轉速。

角速度型

線圈在磁場中轉動時，產(chǎn)生的感應電動勢說明

當傳感器的結構參數(shù)（N，B，

A）選定時，感應電動勢e與線圈相對于磁場的轉動角速度成正比。第28頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五動圈磁電式傳感器等效電路導線電阻負載電阻線圈阻抗

等效電路輸出電壓導線分布電容第29頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五六、壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型換能器。

機械能電能：用來測量力、壓力、加速度等；

電能機械能：用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚聲器。優(yōu)點

體積?。恢亓啃。还逃蓄l率高（加速度傳感器，可測頻率范圍0.1~20kHz)；靈敏度高（加速度傳感器可測10-2～105m·s-2、力傳感器分辨力達10-3N）。第30頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五形式電軸機械軸光軸

縱向壓電效應：沿電軸X-X方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應。

橫向壓電效應：將沿機械軸Y-Y方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應。

切向效應：沿相對兩平面加力。

當沿光軸Z-Z方向作用有力時不產(chǎn)生壓電效應。第31頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五實驗證明：壓電效應呈線性。

晶體表面出現(xiàn)的電荷的多少和形變的大小成正比，形變改變符號時，電荷也改變符號。說明

石英晶體切片受x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關；

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關，且電荷的極性與沿x軸施加壓力時產(chǎn)生的電荷極性相反。第32頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五天然形成的石英晶體外形2、壓電材料主要有壓電單晶、壓電陶瓷和有機壓電薄膜三類。第33頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝第34頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五壓電陶瓷未極化正極化極化后

極化過程常用的有鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。利用強電場使陶瓷電疇規(guī)則排列，呈現(xiàn)壓電性。極化電場去除后，電疇取向保持不變，常溫下呈壓電性。第35頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五高分子壓電薄膜第36頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五測量電路前置放大器電路作用

將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；

放大傳感器輸出的微弱電信號。

前置放大器電路的兩種形式

用電阻反饋的電壓放大器，輸出受連接電纜對地電容的影響。

帶電容反饋的電荷放大器。第37頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五粘貼位置工程應用實例

玻璃打碎報警裝置

將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。第38頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五七、電阻應變式傳感器可測參數(shù)：應變、力、位移、加速度、扭矩等。可分為金屬電阻應變片式和半導體應變片式兩類。（1）金屬電阻應變片工作原理

常用的金屬電阻應變片有絲式、箔式兩種。當應變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。位移、力、力矩、加速度、壓力彈性敏感元件

應變

第39頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五金屬絲電阻應變片

金屬絲式應變片是用0.01～0.05mm的金屬絲繞成敏感柵，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導線接于電路上。第40頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五金屬箔式應變片

優(yōu)點：可制成多種復雜形狀、尺寸準確的敏感柵；散熱條件好；生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

金屬箔式應變片是利用照相制版或光刻技術，將厚約為0.003～0.01mm的金屬箔片制成敏感柵。第41頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五實際中的金屬應變片

優(yōu)點：穩(wěn)定性和溫度特性好缺點：靈敏度系數(shù)小第42頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五應變片的使用

將應變片粘貼于彈性元件或被測構件預定部位的表面。外力作用下，金屬絲隨物體一同變形，將被測量的變化轉換為電阻值的變化。電阻應變片的選擇、粘貼技術

目測電阻應變片有無缺陷；用數(shù)字萬用表測量應變片電阻值大??；試件表面處理；應變片粘貼；焊線；用兆歐表檢查應變片的引線與試件之間的絕緣阻值，應大于50M歐；應變片保護。第43頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五

金屬電阻應變片電阻值

電阻增量

電阻的相對變化縱向應變橫向應變幾何尺寸變形電阻率變化第44頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五

金屬電阻應變片電阻值由電阻絲幾何尺寸改變引起電阻的變化。說明

Sg為應變片系數(shù)或靈敏度，金屬電阻絲的靈敏度常在1.7-3.6，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、或鐵鎳合金等。

電阻絲應變片的標準阻值有60、120、350、600和1000Ω。其中120Ω最為常用。靈敏度第45頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五（2）半導體應變片工作原理

單晶半導體材料在沿某一軸向受到應力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。靈敏度特點

靈敏度高，分辨率高，機械滯后小，橫向效應小、體積小；

溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。第46頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五應用實例

將應變片粘貼于被測構件上，直接用來測定構件的應力或應變。齒輪彎矩機身應力立柱應力橋梁應力第47頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五

應變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式傳感器。

彈性元件將得到與被測量成正比的應變，再通過應變片轉換成電阻的變化后輸出。第48頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五4、典型動態(tài)電阻應變儀動態(tài)電阻應變儀電路原理框圖

第49頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五

有一電阻應變片靈敏度Sg=2，R=120Ω，設工作時電壓1.5V，其應變?yōu)?000με，問ΔR=？試求：1）無應變時電流表示值；2）有應變時電流表示值。

例解：（1）無應變時（2）有應變時第50頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五八、熱電式傳感器

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過程相聯(lián)系。

溫度測量：以熱平衡為基礎。

溫度最本質特性：當兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導熱、換熱，換熱結束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。

測量方式：接觸式和非接觸式。模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！第51頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五CPU散熱風扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色溫度測量方法

變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用第52頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五氣體的體積與熱力學溫度成正比

體積熱膨脹式不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。第53頁，共60頁，2022年，5月20日，3點23分，星期五熱電式傳感器定義

把被測量（溫度）轉換為電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應。分類

熱電偶傳感器熱電阻傳感器1、熱電偶傳感器

屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅動動圈式儀表；

測溫范圍廣：下限可達-270C，上限可達1800C