機械工程測試第三章

機械工程測試第三章3/16/20231第一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日傳感器的定義、組成1.傳感器的定義直接感受被測量，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.傳感器的組成應變片3/16/20232第二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3.1傳感器的分類1.按傳感器感知外界信息所依據(jù)的基本效應分2.按工作原理分類

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

4.按被測量（或傳感器的用途）分類例：用于測力、扭矩、加速度的傳感器就稱為力傳感器、扭矩傳感器、加速度傳感器。3/16/20233第三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日5.按能量關系分類1)能量轉(zhuǎn)換型（無源型）：可將輸入的信號直接轉(zhuǎn)換為電信號輸出的傳感器。例：壓電式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器等。

2）能量控制型（有源型）：在輔助電源作用下，將被測的信號轉(zhuǎn)換為電參量變化的傳感器。例：電阻式傳感器、電容式傳感器、電阻應變式傳感器等6.按輸出信號的性質(zhì)分類3/16/20234第四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第二節(jié)機械式傳感器1.作用原理依靠彈性元件感受被測物理量并將該物理量轉(zhuǎn)換為另一類變形量,以指針的偏轉(zhuǎn)顯示被測量。2.實例3/16/20235第五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3.特點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、價格低、讀數(shù)直觀。缺點：固有頻率低不適于動態(tài)量測量，輸出為非電量，不易傳輸。3/16/20236第六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第三節(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3/16/20237第七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2）工作原理3/16/20238第八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3）工作特性①空載特性②負載特性4）特點

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便缺點：分辨率低（<20μm）、易磨損、噪聲大。ABCL3/16/20239第九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日5）應用：主要用于位移測量液位測量軸轉(zhuǎn)角測量壓力測量線位移測量3/16/202310第十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3/16/202311第十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2.應變式傳感器1）類型2）結(jié)構(gòu)

（1）金屬式金屬箔式金屬絲式敏感元件材質(zhì)3/16/202312第十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（2）半導體式3/16/202313第十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2）工作原理結(jié)論：

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

3/16/202314第十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3）特點優(yōu)點：體積小、動態(tài)響應快、測量精度高、使用簡便。缺點：受溫度影響大、紙基片易受潮、不能測量材料內(nèi)部應變等。4應用直接用于應力、應變測量，經(jīng)彈性元件轉(zhuǎn)換可測力、位移、速度、加速度、扭矩等。3/16/202315第十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3/16/202316第十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3/16/202317第十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3/16/202318第十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3.固態(tài)壓阻式傳感器1）工作原理與半導體應變片相同——利用半導體材料的壓阻效應。2）區(qū)別——半導體應變片由單晶半導體材料構(gòu)成，工作時粘貼在敏感元件上。固態(tài)壓阻式傳感器中的敏感元件是在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，故也稱為擴散型半導體應變片。3）應用主要用于測壓力與加速度。3/16/202319第十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日二.電容式傳感器1.工作原理2.類型及工作特性1）極距變化型

基本結(jié)構(gòu)差動結(jié)構(gòu)3/16/202320第二十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日①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、輸出關系為非線性3/16/202321第二十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2）面積變化型（1）角位移型（2）平面位移型3/16/202322第二十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日結(jié)論：面積變化型輸入-輸出關系位線性。（3）圓柱體線位移型3/16/202323第二十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3）介質(zhì)變化型3/16/202324第二十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3.測量電路1）電橋型電路2）直流極化電路3/16/202325第二十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3）諧振電路4）調(diào)頻電路3/16/202326第二十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日5)運放電路4.應用例電容式聽診器3/16/202327第二十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日電容集成壓力傳感器

電容式料位傳感器3/16/202328第二十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日三.電感式傳感器依據(jù)電磁感應原理，把被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置1.類型：2.工作原理及應用1）自感式-可變磁阻式傳感器（1）結(jié)構(gòu)形式3/16/202329第二十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3/16/202330第三十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（2）（變隙式）工作原理①工作原理：②靈敏度3/16/202331第三十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（3）特點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。缺點：線圈有電流，銜鐵始終有吸力；不能反映被測量的變化方向；存在非線性；靈敏度較低，適于較小位移測量。

*非線性的解決方法:①僅用于小位移測量，測量范圍一般應滿足：0.001-1mm3/16/202332第三十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日結(jié)論：差動結(jié)構(gòu)線性、靈敏度、分辨力（0.5μm）均較高.②采用差動結(jié)構(gòu)。3/16/202333第三十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（3）應用：位移測量變隙式電感式壓力傳感器變隙式差動電感式壓力傳感器3/16/202334第三十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2)自感式—電渦流式傳感器（1）結(jié)構(gòu)形式3/16/202335第三十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（2）工作原理3/16/202336第三十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（3）測量電路①調(diào)幅電路xLfu3/16/202337第三十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（4）應用：可測位移（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。渦流式厚度測量②調(diào)頻電路Ｕ（ｔ）位移測量δ3/16/202338第三十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3/16/202339第三十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3）互感式——差動變壓器式傳感器（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3/16/202340第四十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（2）差動結(jié)構(gòu)及工作特性3/16/202341第四十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（3）測量電路3/16/202342第四十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日差動變壓器式位移傳感器差動變壓器式力傳感器（4）應用例3/16/202343第四十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第四節(jié)磁電、壓電、熱電式傳感器一.磁電式傳感器1.類型動圈式、磁阻式3/16/202344第四十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2.工作原理及測量電路

1)動圈式（1）線速度型（2）角速度型

3/16/202345第四十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（3）測量電路3/16/202346第四十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2.磁阻式3/16/202347第四十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日二、壓電式傳感器1.工作原理-壓電效應*正壓電效應: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，材料形變恢復且電荷消失。*逆壓電效應：材料受交變電場作用產(chǎn)生機械變形，電場去除，變形恢復。

3/16/202348第四十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1)石英晶體縱壓電效應橫壓電效應切向效應qqq光軸機械軸電軸2.常用壓電材料及其壓電特性3/16/202349第四十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2)壓電陶瓷3)高分子壓電薄膜

3/16/202350第五十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3.壓電式傳感器測量電路

1)壓電式傳感器的等效電路壓電片的連接方式3/16/202351第五十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2)壓電式傳感器的測量電路與響應特性

（1）傳感器與測量線路的連接

（2）響應特性設則3/16/202352第五十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（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3/16/202353第五十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4.壓電式傳感器應用1)壓電式測力傳感器2)壓電式加速度傳感器3/16/202354第五十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3)煤氣灶電子點火器

3/16/202355第五十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日三、熱電式傳感器

1.熱電偶傳感器

1）工作機理——熱電效應3/16/202356第五十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2）熱電偶的幾個定律

(1)中間溫度定律

(2)中間導體定律

3/16/202357第五十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日(3)標準電極定律

2)熱電偶分類

(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3/16/202358第五十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

2.熱電阻傳感器工作機理—基于電阻材料阻值隨溫度變化的特性類別—分金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類，前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻1)鉑電阻（1）結(jié)構(gòu)3/16/202359第五十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（2）鉑電阻的溫度關系（經(jīng)驗公式）

2)銅電阻

3/16/202360第六十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

第五節(jié)光電傳感器光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器一、光電測量原理理論基礎－光電效應

1.外光電效應

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（光導效應）光照作用下，物體的導電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象

3.光生伏特效應光照作用下，物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象3/16/202361第六十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日二、光電元件1.光電池1）種類2）硅光電池的結(jié)構(gòu)

3/16/202362第六十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3）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3/16/202363第六十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2.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3/16/202364第六十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2）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

3/16/202365第六十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3.光電倍增管

1)結(jié)構(gòu)

2）工作原理—-3/16/202366第六十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4.光敏電阻

1）工作原理—基于內(nèi)光電效應工作，無光照時，電阻很高，有光照時電阻很低

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)響應時間

(6)溫度特性3/16/202367第六十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日5.光敏晶體管分為光敏二極管和光敏晶體管兩類。

1）光敏二極管

2）光敏晶體管

3/16/202368第六十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3）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)響應時間

3/16/202369第六十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日三、光電傳感器的應用基本測量方式：

1.光源測量式

2.光投射式

3.光反射式

4.光遮擋式

5.光斷續(xù)式3/16/202370第七十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日應用例3/16/202371第七十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日冷軋鋼帶跑偏監(jiān)測裝置角矩陣反射鏡3/16/202372第七十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日光電控制電路3/16/202373第七十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速計3/16/202374第七十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日光電開關3/16/202375第七十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3.9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n1>n2

3/16/202376第七十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3）光纖的傳光原理3/16/202377第七十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4)光纖的數(shù)值孔徑3/16/202378第七十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3.光纖傳感器的應用1）光纖位移傳感器3/16/202379第七十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3/16/202380第八十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2）光纖液位及計3/16/202381第八十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

第七節(jié)半導體傳感器類別：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3/16/202382第八十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日一.磁敏傳感器

1.霍爾元件

1）霍爾效應及霍爾元件3/16/202383第八十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

2）霍爾元件的應用

a.霍爾位移傳感器3/16/202384第八十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日b.霍爾角位移傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器3/16/202385第八十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日c.霍爾壓力傳感器3/16/202386第八十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日e.霍爾汽車無觸點點火器3/16/202387第八十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2)磁阻元件(1)磁阻效應與基本工作原理3/16/202388第八十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日(2)磁阻元件的應用

a.磁通計

b.無觸點開關3/16/202389第八十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日c.位移測量

3/16/202390第九十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3)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3/16/202391第九十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日(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，以磁場方向控制集電極電流增加或減少，用磁場的強弱控制集電極電流增加或減少的變化量。IcIcIb恒定Ib恒定iirr3/16/202392第九十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日(3)應用3/16/202393第九十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日二.熱敏傳感器（熱敏電阻）1）熱敏電阻的結(jié)構(gòu)3/16/202394第九十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2）工作原理熱電阻效應-—導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)為負值4)特點靈敏度大；可制成各種形式；阻值大；非線性較大。3/16/202395第九十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4.氣敏傳感器

1)功能：檢測氣體成分或濃度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）類型3/16/202396第九十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日5.濕敏傳感器