武漢理工大學檢測技術(1)課件

第五章常用傳感器5.1概述5.2電阻傳感器

5.3電容傳感器5.4電感傳感器5.5磁電傳感器5.6壓電傳感器5.7磁敏傳感器5.8傳感器選用原則▼▼▼▼▼▼▼▼1可編輯版5.1概述1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成(GB766-87)。狹義上，非電信號電信號。在非電量電測系統(tǒng)中的作用敏感作用：感受并拾取被測對象的信號變換作用：被測信號轉換成易于檢測和處理的電信號2可編輯版將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。獲得傳感器信號的兩種方法直接獲得電信號的變化（開關傳感器）；3可編輯版2.傳感器的分類(1)按被測物理量分類(2)按傳感器元件的變換原理分類位移傳感器,流量傳感器,溫度傳感器等.電阻式,電容式,電感式,壓電式,光電式等.能量轉換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型: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.能量傳遞型:從某種能量發(fā)生器與接受器進行能量傳遞過程中實現敏感檢測.

例如:超聲波發(fā)生器和接受器.(3)按傳感器的能量傳遞方式分類4可編輯版3.傳感器的性能要求工作范圍或量程應足夠大，具有一定的過載能力與檢測系統(tǒng)匹配性好，轉換靈敏度高精度適當，穩(wěn)定性高反應速度快，工作可靠性高適應性和適用性強5可編輯版4.常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉角,轉數,

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▲6可編輯版電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器。按工作的原理可分為:熱敏式電阻應變式變阻器式光敏式濕敏式5.2電阻式傳感器7可編輯版1.可調電位器為輸出電壓(V)；為外加固定電壓(V);為材料的總電阻();為固定端至滑塊的電阻()8可編輯版2.應變式電阻傳感器絲式應變片

箔式應變片

9可編輯版(1).應變效應導體或半導體在外力作用下產生機械變形而引起導體或半導體的電阻值發(fā)生變化的物理現象稱為應變效應。傳感元件：電阻應變片，它是一種把被測試件的應變量轉換成電阻變化量的傳感元件。應變片受力

應變

比例關系

比例關系

應變片電阻的變化

10可編輯版(2).工作原理式中，ρ——導線的電阻率，又稱為電阻系數金屬導線的應變電阻效應：當金屬絲由于受到軸向力P而伸長時，長度增長，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細絲因受壓力而縮短，即長度變短，截面積變粗時，則電阻就減小。11可編輯版S由兩部分組成：前一部分(1+2μ)是由金屬導線的幾何變形引起的；后一部分λE除與金屬導線幾何尺寸有關外，還與金屬本身的特性有關。μ：泊松系數，E:彈性模量，ε:縱向應變，λ:壓阻系數推導12可編輯版<1>金屬應變片（

不變）金屬應變計<2>

半導體應變片（

變化）半導體應變計13可編輯版(3).應變片的主要參數

1)幾何參數：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L表示。2)電阻值：應變計的原始電阻值。

3)靈敏系數：表示應變計變換性能的重要參數。4)其它表示應變計性能的參數（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

14可編輯版(4).金屬應變計金屬應變計有:

1、絲式

2、箔式

3、薄膜式優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點:靈敏度系數小.應變計15可編輯版(5).半導體應變計優(yōu)點：應變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應變電阻的元件.缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。應變計體型薄膜型擴散型16可編輯版立柱應力

橋梁應力

(6).應變式電阻傳感器的應用

德國HBM電阻應變式傳感器

17可編輯版質量傳感器

位移傳感器

加速度計

壓力傳感器

18可編輯版壓力傳感器

轉矩傳感器

19可編輯版3.其他電阻傳感器

(1).熱電阻傳感器

利用導電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度電阻效應制成的傳感器。溫度(熱量)的變化

電阻的變化溫度檢測:-200℃～+500℃20可編輯版(2).熱敏電阻傳感器

圓形熱敏電阻柱形熱敏電阻珠形熱敏電阻熱敏電阻在電路中的符號非線性元件:它的溫度-電阻關系是指數關系

溫度為-50℃～＋350℃

21可編輯版(3).光敏電阻傳感器

(4).濕敏電阻傳感器

▲22可編輯版5.3電容式傳感器

1.變換原理

將被測物理量的變化轉化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++

A

當被測量δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變，而僅改變另一個參數，就可把該參數的變化變換為單一電容量的變化。23可編輯版2.分類a)極距變化型+++c)介質變化型b)面積變化型:平面線位移型,角位移型,柱面線位移型24可編輯版3.靈敏度a)極距變化型傳感器的靈敏度近似為：變極距電容傳感器

平板電容器25可編輯版?zhèn)鞲衅黛`敏度b)面積變化型a)直線位移型

直線位移型b)角位移型

傳感器靈敏度角位移型26可編輯版c)介質變化型介質常數變化型電容式傳感器大多用于測量電介質的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)根據極板介質的介電常數隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖d)等。27可編輯版4.電容式傳感器的應用振動測量

旋轉軸的偏心量的測量

28可編輯版電容式氫液高度傳感器

紗條均勻度測試儀

▲29可編輯版5.4電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型30可編輯版1.可變磁阻式(自感型)原理:電磁感應W:線圈匝數；L1:軟鐵長度；μ1：軟鐵磁導率；μ0：空氣磁導率A1：鐵芯導磁截面A0：空氣導磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵31可編輯版(1).間隙變化型間隙變化型可變磁阻式傳感器結構

當μ0、A0固定不變，改變δ時，L與δ呈非線形（雙曲線）關系，L與δ的雙曲線關系

傳感器靈敏度：32可編輯版(2).面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結構當μ0、δ

固定不變，改變A0時，L與A0呈線形關系，傳感器靈敏度L與A0的線形關系=常數33可編輯版(3).螺線管型當其它參數不變，僅改變L1，使Rm變化，從而產生電感的變化。34可編輯版(4).差動型變間隙型差動變壓器輸出特性傳感器靈敏度35可編輯版2.渦流式電感傳感器

當金屬板置于變化磁場中或者在磁場中運動時，在金屬板中產生感應電流，這種電流在金屬體內是閉合的，稱為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導率μ、厚度t，以及金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數有關。渦流式電感傳感器可分為1）高頻反射式2）低頻投射式36可編輯版原線圈的等效阻抗Z變化：(1).高頻反射式（集膚效應）高頻反射式渦流傳感器δ37可編輯版(2).低頻透射式（互感原理）低頻透射式渦流傳感器e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律38可編輯版4.渦流式傳感器的應用案例：位移、振幅、軸心軌跡的測量徑向振動的測量構件振幅的測量構件振型的測量軸心軌跡的測量39可編輯版其中，n為轉軸的轉速；f為脈沖頻率；z為轉軸上的槽數或齒數。案例:轉速的測量40可編輯版案例：測厚案例：零件計數41可編輯版案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：42可編輯版案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測油管檢測43可編輯版3.變壓器式--差動變壓器工作原理:互感現象.44可編輯版應用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;壓力,流量,液位;張力,重力,負荷量;扭矩,應力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.案例：板的厚度測量~案例：張力測量▲45可編輯版5.5磁電傳感器

1.變換原理

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉換為感應電動勢的一種轉換器。感應線圈的感應電動勢e為

磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。

46可編輯版2.分類磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N47可編輯版3.動圈式傳感器

l:每匝線圈的平均長度；B:線圈所在磁場的磁感應強度；A:每匝線圈的截面積；θ:線圈運動方向與磁場方向的夾角；k:傳感器的結構系數。48可編輯版4.磁阻式傳感器

49可編輯版5.磁電傳感器的應用測速電機磁電式測速傳感器50可編輯版測頻數測轉速偏心測量振動測量▲51可編輯版5.6壓電傳感器

1.變換原理

某些物質，如石英，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內部被極化，表面會產生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現象稱為壓電效應。52可編輯版壓電效應式中，q為電荷[量]；D為壓電常數，與材質及切片方向有關；F為作用力。q=DF53可編輯版ea：開路電壓；q:壓電晶片表面上的電荷；Ca為壓電晶片的電容。2.測量電路

等效電荷源

Cc:分布電容；Ri:輸入電阻；Ra:漏電阻；Ci:輸入電容54可編輯版壓電式傳感器輸出電荷q很少，內阻Ra很大，輸出信號很弱小，因此要進行處理：(1)放大微弱的壓電信號(2)進行阻抗匹配

電壓放大器電荷放大器(1).主要作用55可編輯版放大器的輸入電壓：系統(tǒng)的輸出電壓為：

系統(tǒng)的靈敏度為：當電纜長度變化時，Cc變化，ei變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，此時測試比較困難(2).電壓放大器56可編輯版q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推導(3).電荷放大器57可編輯版3.壓電傳感器的應用壓力變送器加速度計，力傳感器

58可編輯版壓電式壓力傳感

壓電式壓力傳感器特性

59可編輯版阻抗頭的結構原理圖

阻抗頭的安裝結構

60可編輯版▲61可編輯版5.7磁敏傳感器1.半導體霍爾元件霍爾效應

當半導體中流過一個電流時，若在與該電流垂直的方向上外加一個磁場，則在與電流及磁場分別成直角的方向上會產生一個電壓。這種現象也稱為霍爾效應

?；魻栃韴D

62可編輯版半導體霍爾元件的結構

63可編輯版半導體磁敏電阻

半導體磁敏電阻的結構(蛇形元件)利用磁場造成的電流偏轉使元件阻抗增加這種特點制成的雙端磁敏傳感器。64可編輯版磁性體磁敏電阻

利用強磁材料的磁場異向性制成的磁敏元件。磁性體磁敏電阻的結構65可編輯版電磁感應型磁敏傳感器原理：范圍：法拉第電磁感應定律只能檢測交流磁場，不能檢測直流磁場

電磁感應型磁敏傳感器

66可編輯版2.磁敏傳感器的應用

電流計磁感應開關磁敏電位器霍爾電動機紙幣及預付卡識別設卡形電流計的結構

67可編輯版霍爾電動機的結構示意圖

霍爾電動機等效電路

▲68可編輯版5.8傳感器選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、線性范圍、響應特性、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。

1.靈敏度一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。a)靈敏度過高引起的干擾問題；b)量程范圍。

69可編輯版3響應特性傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內，保持不失真的測量條件。實際上傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。2線性范圍任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內輸出與輸入成比例關系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內，是保證測量精度的基本條件。70可編輯版4穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示傳感器經過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。5精確度傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應程度。6測量方式傳感器工作方式，也是選擇傳感器時應考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等?！?1可編輯版應變片受力后，電阻的變化dR

則兩邊同除以R，同時R=ρL/A，則dL/L=ε——金屬導線長度的相對變化，稱縱向應變。dρ/ρ——導線電阻率的相對變化。dA/A——導線截面積的相對變化，稱為稱橫向應變。

(2).工作原理72可編輯版對于圓形截面積的導線，若其直徑為D，則橫向應變dD/D和縱向應變dL/L之比稱為泊桑比，即故73可編輯版E為