機(jī)械工程測(cè)試 第三章課件

第三章常用傳感器研究問(wèn)題*1.常用傳感器的工作原理及特點(diǎn)*2.傳感器的應(yīng)用3.傳感器的調(diào)理電路2/6/20231傳感器的定義、組成1.傳感器的定義直接感受被測(cè)量，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。2.傳感器的組成應(yīng)變片2/6/202323.1傳感器的分類(lèi)1.按傳感器感知外界信息所依據(jù)的基本效應(yīng)分2.按工作原理分類(lèi)

例：以壓電效應(yīng)工作的傳感器就稱(chēng)之為壓電式傳感器，以應(yīng)變效應(yīng)工作的傳感器就稱(chēng)之為應(yīng)變式傳感器等。3.按傳感器使用的敏感材料分類(lèi)

4.按被測(cè)量（或傳感器的用途）分類(lèi)例：用于測(cè)力、扭矩、加速度的傳感器就稱(chēng)為力傳感器、扭矩傳感器、加速度傳感器。2/6/20233第二節(jié)機(jī)械式傳感器1.作用原理依靠彈性元件感受被測(cè)物理量并將該物理量轉(zhuǎn)換為另一類(lèi)變形量,以指針的偏轉(zhuǎn)顯示被測(cè)量。2.實(shí)例2/6/202353.特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低、讀數(shù)直觀。缺點(diǎn)：固有頻率低不適于動(dòng)態(tài)量測(cè)量，輸出為非電量，不易傳輸。2/6/20236第三節(jié)電阻、電容、電感式傳感器一.電阻器式傳感器1.變阻器式傳感器1）結(jié)構(gòu)形式2/6/202373）工作特性①空載特性②負(fù)載特性4）特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便缺點(diǎn)：分辨率低（<20μm）、易磨損、噪聲大。ABCL2/6/202395）應(yīng)用：主要用于位移測(cè)量液位測(cè)量軸轉(zhuǎn)角測(cè)量壓力測(cè)量線位移測(cè)量2/6/2023102/6/202311（2）半導(dǎo)體式2/6/2023132）工作原理結(jié)論：

（1）金屬式應(yīng)變片：基于應(yīng)變效應(yīng)工作。（2）半導(dǎo)體式應(yīng)變片：基于壓阻效應(yīng)工作。

2/6/2023143）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高、使用簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)：受溫度影響大、紙基片易受潮、不能測(cè)量材料內(nèi)部應(yīng)變等。4應(yīng)用直接用于應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量，經(jīng)彈性元件轉(zhuǎn)換可測(cè)力、位移、速度、加速度、扭矩等。2/6/2023152/6/2023172/6/2023183.固態(tài)壓阻式傳感器1）工作原理與半導(dǎo)體應(yīng)變片相同——利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。2）區(qū)別——半導(dǎo)體應(yīng)變片由單晶半導(dǎo)體材料構(gòu)成，工作時(shí)粘貼在敏感元件上。固態(tài)壓阻式傳感器中的敏感元件是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，故也稱(chēng)為擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。3）應(yīng)用主要用于測(cè)壓力與加速度。2/6/202319①輸入-輸出特性（基本結(jié)構(gòu)）②傳感器靈敏度（基本結(jié)構(gòu)）結(jié)論：輸入、輸出關(guān)系為非線性2/6/2023212）面積變化型（1）角位移型（2）平面位移型2/6/202322結(jié)論：面積變化型輸入-輸出關(guān)系位線性。（3）圓柱體線位移型2/6/2023233.測(cè)量電路1）電橋型電路2）直流極化電路2/6/2023253）諧振電路4）調(diào)頻電路2/6/2023265)運(yùn)放電路4.應(yīng)用例電容式聽(tīng)診器2/6/202327三.電感式傳感器依據(jù)電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置1.類(lèi)型：2.工作原理及應(yīng)用1）自感式-可變磁阻式傳感器（1）結(jié)構(gòu)形式2/6/2023292/6/202330（2）（變隙式）工作原理①工作原理：②靈敏度2/6/202331（3）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。缺點(diǎn)：線圈有電流，銜鐵始終有吸力；不能反映被測(cè)量的變化方向；存在非線性；靈敏度較低，適于較小位移測(cè)量。

*非線性的解決方法:①僅用于小位移測(cè)量，測(cè)量范圍一般應(yīng)滿足：0.001-1mm2/6/202332結(jié)論：差動(dòng)結(jié)構(gòu)線性、靈敏度、分辨力（0.5μm）均較高.②采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。2/6/202333（3）應(yīng)用：位移測(cè)量變隙式電感式壓力傳感器變隙式差動(dòng)電感式壓力傳感器2/6/2023342)自感式—電渦流式傳感器（1）結(jié)構(gòu)形式2/6/202335（2）工作原理2/6/202336（3）測(cè)量電路①調(diào)幅電路xLfu2/6/202337（4）應(yīng)用：可測(cè)位移（數(shù)微米-數(shù)百毫米）、振幅、板厚、材料熱膨脹系數(shù)、金屬探傷等。渦流式厚度測(cè)量②調(diào)頻電路Ｕ（ｔ）位移測(cè)量δ2/6/2023382/6/2023393）互感式——差動(dòng)變壓器式傳感器（1）基本結(jié)構(gòu)及工作原理改變銜鐵位置改變M值改變e12值2/6/202340（2）差動(dòng)結(jié)構(gòu)及工作特性2/6/202341（3）測(cè)量電路2/6/202342差動(dòng)變壓器式位移傳感器差動(dòng)變壓器式力傳感器（4）應(yīng)用例2/6/202343第四節(jié)磁電、壓電、熱電式傳感器一.磁電式傳感器1.類(lèi)型動(dòng)圈式、磁阻式2/6/2023442.工作原理及測(cè)量電路1)動(dòng)圈式（1）線速度型（2）角速度型

2/6/202345（3）測(cè)量電路2/6/2023462.磁阻式2/6/202347二、壓電式傳感器1.工作原理-壓電效應(yīng)*正壓電效應(yīng):材料受外力作用產(chǎn)生形變及與外力成正比的電荷，外力去除，材料形變恢復(fù)且電荷消失。*逆壓電效應(yīng)：材料受交變電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械變形，電場(chǎng)去除，變形恢復(fù)。

2/6/2023481)石英晶體縱壓電效應(yīng)橫壓電效應(yīng)切向效應(yīng)qqq光軸機(jī)械軸電軸2.常用壓電材料及其壓電特性2/6/2023492)壓電陶瓷3)高分子壓電薄膜

2/6/2023503.壓電式傳感器測(cè)量電路

1)壓電式傳感器的等效電路壓電片的連接方式2/6/2023512)壓電式傳感器的測(cè)量電路與響應(yīng)特性

（1）傳感器與測(cè)量線路的連接

（2）響應(yīng)特性設(shè)則2/6/202352（3）壓電傳感器不同放大器電路下的工作特性

①電壓放大器②電荷放大器2/6/2023534.壓電式傳感器應(yīng)用

1)壓電式測(cè)力傳感器2)壓電式加速度傳感器2/6/2023543)煤氣灶電子點(diǎn)火器

2/6/202355三、熱電式傳感器1.熱電偶傳感器1）工作機(jī)理——熱電效應(yīng)2/6/2023562）熱電偶的幾個(gè)定律(1)中間溫度定律

(2)中間導(dǎo)體定律

2/6/202357(3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律

2)熱電偶分類(lèi)

(1)鉑銠10-鉑(2)鉑銠30－鉑銠6

(3)鎳鉻-鎳硅或鎳鉻-鎳鉛(4)鎳鉻-考銅(5)鎳鉻-康銅（1）、（3）、（4）型2/6/2023582.熱電阻傳感器工作機(jī)理—基于電阻材料阻值隨溫度變化的特性類(lèi)別—分金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類(lèi)，前者稱(chēng)為熱電阻，后者稱(chēng)為熱敏電阻1)鉑電阻（1）結(jié)構(gòu)2/6/202359（2）鉑電阻的溫度關(guān)系（經(jīng)驗(yàn)公式）

2)銅電阻

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第五節(jié)光電傳感器光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器一、光電測(cè)量原理理論基礎(chǔ)－光電效應(yīng)1.外光電效應(yīng)

光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象

2.內(nèi)光電效應(yīng)（光導(dǎo)效應(yīng)）光照作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象

3.光生伏特效應(yīng)光照作用下，物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象2/6/202361二、光電元件

1.光電池

1）種類(lèi)

2）硅光電池的結(jié)構(gòu)

2/6/2023623）基本特性*光照特性*頻率特性*光譜特性*溫度特性光電池的光譜特性2/6/2023632.真空光電管或光電管1)結(jié)構(gòu)a）金屬底層光電陰極；b）光透明陰極2/6/2023642）光電管的基本特性（1）光電陰極的基本特性-頻譜靈敏度、紅限、逸出功（2）光電特性（3）伏安特性

2/6/2023653.光電倍增管1)結(jié)構(gòu)2）工作原理—-2/6/2023664.光敏電阻1）工作原理—基于內(nèi)光電效應(yīng)工作，無(wú)光照時(shí)，電阻很高，有光照時(shí)電阻很低2）光敏電阻的主要特征參數(shù)(1)光電流、暗電阻、亮電阻(2)光照特性(3)伏安特性(4)光譜特性(5)響應(yīng)時(shí)間(6)溫度特性2/6/2023675.光敏晶體管分為光敏二極管和光敏晶體管兩類(lèi)。1）光敏二極管

2）光敏晶體管

2/6/2023683）光敏管的基本特性(1)光照特性(2)伏安特性(3)光譜特性(4)溫度特性(5)響應(yīng)時(shí)間

2/6/202369三、光電傳感器的應(yīng)用基本測(cè)量方式：1.光源測(cè)量式2.光投射式3.光反射式4.光遮擋式5.光斷續(xù)式2/6/202370應(yīng)用例2/6/202371冷軋鋼帶跑偏監(jiān)測(cè)裝置角矩陣反射鏡2/6/202372光電控制電路2/6/202373光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)2/6/202374光電開(kāi)關(guān)2/6/2023753.9光纖傳感器1.基本概念1）光纖的結(jié)構(gòu)2）工作原理3）光纖的種類(lèi)n1>n2

2/6/2023763）光纖的傳光原理2/6/2023774)光纖的數(shù)值孔徑2/6/2023783.光纖傳感器的應(yīng)用1）光纖位移傳感器2/6/2023792/6/2023802）光纖液位及計(jì)2/6/202381

第七節(jié)半導(dǎo)體傳感器類(lèi)別：磁敏傳感器、光敏傳感器、固態(tài)圖像傳感器、熱敏電阻、氣敏傳感器、濕敏傳感器、集成傳感器2/6/202382一.磁敏傳感器1.霍爾元件1）霍爾效應(yīng)及霍爾元件2/6/2023832）霍爾元件的應(yīng)用a.霍爾位移傳感器2/6/202384b.霍爾角位移傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器2/6/202385c.霍爾壓力傳感器2/6/202386e.霍爾汽車(chē)無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火器2/6/2023872)磁阻元件(1)磁阻效應(yīng)與基本工作原理2/6/202388(2)磁阻元件的應(yīng)用a.磁通計(jì)b.無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)2/6/202389c.位移測(cè)量

2/6/2023903)磁敏管分磁敏二極管和磁敏三極管二種，為磁電轉(zhuǎn)換元件

(1)磁敏二極管結(jié)構(gòu)原理粗糙面光滑面2/6/202391(2)磁敏三極管結(jié)構(gòu)原理結(jié)論：磁敏三極管與磁敏二極管工作原理相同，以磁場(chǎng)方向控制集電極電流增加或減少，用磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制集電極電流增加或減少的變化量。IcIcIb恒定Ib恒定iirr2/6/202392(3)應(yīng)用2/6/202393二.熱敏傳感器（熱敏電阻）1）熱敏電阻的結(jié)構(gòu)2/6/2023942）工作原理熱電阻效應(yīng)-—導(dǎo)體電阻率隨其自身溫度變化而變化

3)特性電阻溫度系數(shù)為負(fù)值4)特點(diǎn)靈敏度大；可制成各種形式；阻值大；非線性較大。2/6/2023954.氣敏傳感器

1)功能：檢測(cè)氣體成分或濃度2）工作原理依靠氣敏元件與氣體接觸后自身性質(zhì)（如電阻）發(fā)生變化的特性而工作。3）類(lèi)型2/6/2023965.濕敏傳感器1)類(lèi)型及工作原理（1）電阻型：利用物質(zhì)吸收水分而電阻率增加的性質(zhì)工作，材料為多孔陶瓷；（2）電容型：利用電極間物質(zhì)吸收水分后電容增加的原理工作；（3）二極管型：利用二極管的單向?qū)щ娦噪S濕度變化的性質(zhì)而工作；（4）晶振型：利用晶體表面吸濕后，振體質(zhì)量增加，諧振頻率變化的性質(zhì)工作。2/6/2023972）Fe4O3濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)示意及特性曲線

2/6/2023983)陶瓷型濕度濕度計(jì)結(jié)構(gòu)2/6/2023992.固體圖像傳感器1）功能：轉(zhuǎn)變光信號(hào)為電信號(hào)2）構(gòu)造2/6/20231003.工作原理1）電荷的存貯2）電荷獲取3）電荷傳輸2/6/20231012/6/20231024.面型ＣCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)與傳輸方式

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