機(jī)械工程測試技術(shù)第3章-常用傳感器與敏感元件

機(jī)械工程測試技術(shù)第3章_常用傳感器與敏感元件第一頁，共64頁。

能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測對象輸入能量，如：熱電偶溫度計(jì)能量控制型：從外部供給輔助能量，如：電阻應(yīng)變計(jì)中電阻接于電橋上

按敏感組件與

被測對象之間

的能量關(guān)系

按輸出信號

模擬式

數(shù)字式

第二頁，共64頁。第二節(jié)機(jī)械式傳感器

敏感組件：

彈性體

輸入：力，壓力，溫度等輸出：彈性組件本身的變形

特點(diǎn)：簡單、可靠、使用方便，價(jià)低，讀數(shù)直觀；但固有頻率低彈性原件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象

適宜：檢測緩變或靜態(tài)被測量

敏感元件：直接感受被測物理量彈性后效是指載荷在停止變化之后，彈性元件在一段時(shí)間之內(nèi)還會繼續(xù)產(chǎn)生類似蠕動的位移蠕變：固體材料在保持應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時(shí)間緩慢增長的現(xiàn)象第三頁，共64頁。第四頁，共64頁。微型探測開關(guān)可探測物體有無、位置、尺寸、運(yùn)動狀態(tài)等第五頁，共64頁。第三節(jié)電阻式傳感器一、變阻器式傳感器位移———電阻變化

被測量——--電阻變化轉(zhuǎn)化為電阻傳感器

變阻器式

電阻應(yīng)變式

直線位移型傳感器

角位移型傳感器

非線性型

金屬電阻應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片

絲式

箔式

第六頁，共64頁。直線位移型

靈敏度：

輸入：x(位移)

輸出：R(電阻)

測：直線位移

角位移型

輸入：角位移

輸出：阻值R

測：角位移

非線性型

骨架按要求定

第七頁，共64頁。若被測量：

要求：

為使輸出的阻值：

骨架當(dāng)觸點(diǎn)在x處時(shí)：

：任一位置微小區(qū)間內(nèi)的電阻

所以:骨架形狀應(yīng)為三角形

第八頁，共64頁。后接電路：電阻分壓電路時(shí)

變阻器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：

簡單、性能穩(wěn)定、使用方便缺點(diǎn)：分辨力低，<20微米，噪音較大應(yīng)用：測線位移，角位移

第九頁，共64頁。應(yīng)用案例1：重量的自動檢測--配料設(shè)備設(shè)定值原材料

比較電阻式傳感器原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移;再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化第十頁，共64頁。二．電阻應(yīng)變式傳感器

應(yīng)用：測應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等特點(diǎn)：體積小、動態(tài)響應(yīng)快、精度高、使用方便（一）金屬電阻應(yīng)變片傳感器

工作原理：應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)——引起電阻值變化應(yīng)變片工作時(shí)：粘固在被測物表面上或彈性體上絲式

箔式

絲式：康銅或鎳鉻合金直徑0.025mm第十一頁，共64頁。幾何參數(shù)：柵長L和柵寬b，制造廠常用b×L表示。第十二頁，共64頁。第十三頁，共64頁。箔式：線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，粘結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好

工作原理：

彈性模量縱向應(yīng)變電阻絲泊松比壓阻系數(shù)與材質(zhì)有關(guān)第十四頁，共64頁。靈敏度：

Sg=1.7—3.6

：是由電阻絲幾何尺寸變化所引起的：是由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變而引起的對于電阻絲：

金屬應(yīng)變片有：絲式、箔式優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性和溫度特性好缺點(diǎn)：靈敏度系數(shù)小第十五頁，共64頁。（二）半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理：半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生較大變化

對半導(dǎo)體：

很小，可略去

靈敏度：較金屬絲電阻應(yīng)變片大50—70倍

第十六頁，共64頁。金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別：前者利用導(dǎo)體形變引起阻值的變化，后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起阻值的變化。

半導(dǎo)體應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：

靈敏度高，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小，體積小

缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，靈敏度分散度大（晶向、雜質(zhì)等因素影響），非線性誤差大（三）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

直接測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力2.將應(yīng)變片貼于彈性組件上，測力、位移、壓力、加速度等彈性組件得到與被測量成正比的應(yīng)變，再由轉(zhuǎn)變?yōu)榈淖兓?，再由后續(xù)電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓谑唔摚?4頁。第十八頁，共64頁。第十九頁，共64頁。加速度慣性機(jī)構(gòu)m慣性力懸臂梁電壓的變化電橋應(yīng)變片注意：1）應(yīng)變片的粘接2）溫度的影響，溫度補(bǔ)償3）用于動態(tài)測量時(shí)，要注意應(yīng)變片的上限測量頻率

第二十頁，共64頁。應(yīng)用案例1：橋梁固有頻率測量原理：在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時(shí)的沖擊對橋梁進(jìn)行激勵(lì)，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。第二十一頁，共64頁。案例2：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。第二十二頁，共64頁。應(yīng)變片有如下的優(yōu)點(diǎn)：①.測量應(yīng)變的靈敏度和精度高，性能穩(wěn)定、可靠，可測1～2με，誤差小于1％。②.應(yīng)變片尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量速度快。測量時(shí)對被測件的工作狀態(tài)和應(yīng)力分布基本上無影響。既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量③.測量范圍大。既可測量彈性變形，也可測量塑性變形。變形范圍可從1％～2％。④.適應(yīng)性強(qiáng)?？稍诟邷?、超低溫、高壓、水下、強(qiáng)磁場以及核輻射等惡劣環(huán)境下使用。⑤.便于多點(diǎn)測量、遠(yuǎn)距離測量和遙測。⑥.價(jià)格便宜，品種多，工藝較成熟，便于選擇和使用，可以測量各種物理量。第二十三頁，共64頁。第四節(jié)電感式傳感器被測量電感量變化轉(zhuǎn)換為、自感型(一)可變磁阻式原理：線圈自感量：

電感式傳感器

自感型(L):可變磁阻式

渦電流式

互感型(M):

第二十四頁，共64頁。當(dāng)較小，且不考慮磁路的鐵損，因：鐵心磁阻

空氣隙的磁阻靈敏度

所以存在線性誤差

時(shí)：

故：當(dāng)固定，改變變—L變位移傳感器變化過程：

機(jī)械量——

變—L變

第二十五頁，共64頁。此傳感器適：測較小位移，約為0.001—1mm其它幾種常用的可變磁阻式傳感器：

面積變化型機(jī)械量

S:較低

第二十六頁，共64頁。2.差動型：①初始狀態(tài)：x=0②當(dāng)

③將兩線圈接于電橋的相鄰橋臂，輸出靈敏度提高一倍，并改善了線性特征

差動連接：第二十七頁，共64頁。3.單螺管型：靈敏度低適：較大位移（數(shù)毫米）測量4．雙螺管線圈差動型：較單螺管型靈敏度提高一倍，較好的線性,測量范圍:0—300,分辨力:0.5

第二十八頁，共64頁。(一)渦電流式傳感器渦電流效應(yīng)：變換原理：金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)影響高頻線圈阻抗Z、自感L的因素1.線圈與金屬

2.金屬板的

3.金屬板的

4.線圈激磁板間距離

電阻率

磁導(dǎo)率

圓頻率

測：位移振動

厚度測：材質(zhì)

探傷

第二十九頁，共64頁。測量電路：

阻抗分壓式調(diào)幅電路：

變——電感L變——電壓u變

第三十頁，共64頁。調(diào)頻電路：

變——電感L變——轉(zhuǎn)化為電壓u的變化

振蕩器f變

渦電流傳感器的特點(diǎn)：

動態(tài)非接觸測量范圍:1mm—

10mm

分辨力：1

簡單，使用方便，不受油液等介質(zhì)的影響；

應(yīng)用：位移，振動，測厚，探傷，材質(zhì)鑒別，徑向擺動，回轉(zhuǎn)軸誤差，轉(zhuǎn)速，零件計(jì)數(shù)，表面裂紋，缺陷等；第三十一頁，共64頁。二、互感型——差動變壓器式電感傳感器工作原理：電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象

感應(yīng)電動勢：

M：互感系數(shù)（H）M:大小與相對位置，介質(zhì)的導(dǎo)磁能力，線圈形狀、大小、匝數(shù)有關(guān)

表明：兩線圈之間的耦合程度；

螺管型差動變壓器傳感器第三十二頁，共64頁。1.工作原理：2.測量電路：注意：零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償；位移正負(fù)的判斷：相敏檢波

3.特點(diǎn)：精度高，可達(dá)0.1

線性范圍大:達(dá)

100

穩(wěn)定性好，使用方便

4.適于：測直線位移，壓力，重量等

螺管型差動變壓器傳感器第三十三頁，共64頁。一、變換原理:被測量——電容量的變化

（一）極距變化型

1.工作原理：

靈敏度：

①

②存在線性誤差，故一般：

(3).實(shí)際應(yīng)用時(shí)：差動式第五節(jié)電容式傳感器固定

，變

極距變化型

固定

，變A

面積

固定

，變

介質(zhì)

第三十四頁，共64頁。2.特點(diǎn)：

非接觸動態(tài)測量,靈敏度高,測較小位移（達(dá)0.01)

線性誤差，雜散電容對靈敏度及測量精度的影響，電子線路復(fù)雜；(二)面積變化型

角位移型平面線位移型圓柱體線位移型第三十五頁，共64頁。面積變化型傳感器的特點(diǎn)：①

②

靈敏度較低

適：較大直線位移及角位移的測量

(三)介質(zhì)變化型

變——C變

可測：材料的厚度，溫度，濕度,液位高度的測量第三十六頁，共64頁。二、測量電路電橋型電路2.直流極化電路第三十七頁，共64頁。3.諧振電路：4.調(diào)頻電路第三十八頁，共64頁。5.運(yùn)算放大器：

第三十九頁，共64頁。應(yīng)用電容式傳感器

案例1：電容傳聲器

案例2:轉(zhuǎn)速測量第四十頁，共64頁。第六節(jié)壓電式傳感器

可逆型換能器:

機(jī)械能

電能

應(yīng)用：力，壓力，加速度的測量

工作原理：某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)

一.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)

逆壓電效應(yīng)壓電材料：石英，鈦酸鋇等第四十一頁，共64頁。z—z:光軸x—x:電軸y—y:機(jī)械軸電荷量：

：壓電系數(shù)，與材質(zhì)與切片方向有關(guān)

：作用力

第四十二頁，共64頁。二、壓電式傳感器極其等效電路壓電傳感器：電荷發(fā)生器，又是一個(gè)電容器壓電傳感器宜：動態(tài)測量實(shí)際使用時(shí)芯片的連接：并聯(lián)：電容大，電荷量大，時(shí)間常數(shù)大；

適：緩變信號

串聯(lián)：電容小，輸出電壓大；

適：以電壓輸出

第四十三頁，共64頁。壓電芯片及等效電路：：電纜寄生電容

：后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器中的漏電阻所形成的泄漏電阻；三、測量電路壓電式傳感器前置放大器一般放大檢波指示儀表前置放大器的作用1.將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?.放大傳感器輸出的電信號

第四十四頁，共64頁。不同前置放大器的特點(diǎn)：

電壓放大器：受電纜電容影響較大，影響靈敏度；

電荷放大器：受電纜電容影響較小，靈敏度無明顯變化，但電路復(fù)雜，價(jià)高；壓電式傳感器的應(yīng)用:

測力、壓力、振動的加速度第四十五頁，共64頁。產(chǎn)品壓力變送器加速度計(jì)力傳感器壓電式傳感器

第四十六頁，共64頁。第七節(jié)磁電式傳感器

被測物理量―――感應(yīng)電動勢

原理：感應(yīng)電動勢

：線圈匝數(shù)

：磁通量

影響磁通量的因素

1.磁場強(qiáng)度2.磁路磁阻3.線圈的運(yùn)動速度磁阻式

動圈式

磁電式傳感器

動圈式

磁阻式

角速度型

線速度型

第四十七頁，共64頁。.動圈式線速度型感應(yīng)電動勢：

慣性式速度計(jì)

2.角速度型感應(yīng)電動勢：

轉(zhuǎn)速測量

當(dāng)結(jié)構(gòu)一定，

W,B,A為常數(shù)時(shí)第四十八頁，共64頁。動圈式磁電傳感器測量電路：當(dāng)

，且不使用特別加長電纜時(shí)：

:負(fù)載電阻

:線圈阻抗

第四十九頁，共64頁。二.磁阻式傳感器工作原理：線圈與磁鐵無相對運(yùn)動，由運(yùn)動著的物體（導(dǎo)磁材料）來改變磁路的磁阻，引起磁力線的增強(qiáng)與減弱，線圈中產(chǎn)生感生電動勢。應(yīng)用：測頻數(shù)，轉(zhuǎn)速，偏心測量，振動測量特點(diǎn)：簡單，方便第五十頁，共64頁。應(yīng)用b)測速電機(jī)a)磁電式車速傳感器磁電式傳感器

變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，能在-150～＋90℃的溫度下工作，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達(dá)100Hz。

第五十一頁，共64頁。第八節(jié)半導(dǎo)體傳感器利用：半導(dǎo)體對光、熱、力、磁、氣體、溫度等的敏感一.磁敏傳感器

霍爾組件，磁阻組件，瓷敏管等(一)霍爾組件霍爾效應(yīng)：第五十二頁，共64頁。運(yùn)動電荷受磁場中洛蘭茲力的作用：霍爾電場：

：霍爾系數(shù)，決定于材質(zhì)，溫度，尺寸；

霍爾組件的應(yīng)用：測位移，微壓，壓差，加速度，振動等第五十三頁，共64頁?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成，如圖:3.7半導(dǎo)體敏感元件傳感器

霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm×2mm×0.1mm)，在它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。

第五十四頁，共64頁。第五十五頁，共64頁。3.7半導(dǎo)體敏感元件傳感器

應(yīng)用

從a端通人電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生露爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1－

VH2。如果霍爾元件在初始位置時(shí)VH1=VH2，則輸出為零；1、位移傳感器第五十六頁，共64頁。半導(dǎo)體敏感元件傳感器

2、測速傳感器第五十七頁，共64頁。3、管道裂紋檢測半導(dǎo)體敏感元件傳感器

原理磁場強(qiáng)度變化檢測第五十八頁，共64頁。4、汽車速度測量半導(dǎo)體敏感元件傳感器

第五十九頁，共64頁。