測(cè)試技術(shù)第三章

1、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章第三章常用傳感器常用傳感器 本章內(nèi)容本章內(nèi)容1. 傳感器的分類和選用原則； 2. 幾種常用傳感器（電阻傳感器、電容傳感器、電感傳感器、壓電傳感器等）的工作原理、用途和特點(diǎn)； 3. 部分傳感器的后接電路； 本章要求本章要求了解傳感器的分類；掌握常用傳感器的工作原理、用途和特點(diǎn)；了解傳感器的后接電路和新型傳感器的基本知識(shí)。 本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)幾種常用傳感器的工作原理、用途、特點(diǎn)。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)

2、械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院l 3.1 3.1 傳感器概述傳感器概述l 3.2 3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器l 3.3 3.3 電容式傳感器電容式傳感器l 3.4 3.4 電感式傳感器電感式傳感器l 3.5 3.5 壓電式傳感器壓電式傳感器l 3.6 3.6 磁電式傳感器磁電式傳感器l 3.7 3.7 新型傳感器新型傳感器第三章第三章常用傳感器常用傳感器機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院傳感器傳感器是測(cè)試系統(tǒng)中的第一級(jí)，是感受和拾取是測(cè)試系統(tǒng)中的第一級(jí)，是感受和拾取被測(cè)信號(hào)的裝置被測(cè)信號(hào)的裝置 。在

3、現(xiàn)代生活和生產(chǎn)及科學(xué)試驗(yàn)中，有大量的、各種各樣的傳感器在各種系統(tǒng)中得到應(yīng)用。下圖中的麥克風(fēng)是將聲音這種物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)的裝置，而彩色電視機(jī)中的光電二極管則是將遙控器發(fā)出的紅外線這種物理量檢測(cè)并變換成器件通斷電信號(hào)以控制相應(yīng)的裝置，它們是日常生活中常見(jiàn)的傳感器的例子。3.1概述概述機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3.1 概述概述1. 傳感器定義傳感器定義 傳感器傳感器是直接作用于被測(cè)量、并能按一定規(guī)律是直接作用于被測(cè)量、并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)化為同種或別種量值輸出的器件。將其轉(zhuǎn)化為同種或別種量值輸出的

4、器件。 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。號(hào)的裝置。傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能將直接影響著傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測(cè)試裝置的工作質(zhì)量。整個(gè)測(cè)試裝置的工作質(zhì)量。物理量電量傳感器電壓、電流、頻率、脈沖等尺寸、位移、溫度、力等機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2. 傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成 傳感器一般由傳感器一般由敏感器

5、件敏感器件與與輔助器件輔助器件組成。組成。敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測(cè)物理敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 dV機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3. 傳感器的分類傳感器的分類(1)(1)按被測(cè)物理量分類按被測(cè)物理量分類: :(2)(2)按工作的物理基礎(chǔ)分類按工作的物理基礎(chǔ)

6、分類: :(3)(3)按信號(hào)變換特征按信號(hào)變換特征: :(4)(4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系: :位移位移, ,力力, ,溫度溫度, ,流量等流量等. .機(jī)械式機(jī)械式, ,電氣式電氣式, ,光學(xué)式光學(xué)式, ,流體式等流體式等. .物性型物性型, ,結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型. .能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型. .這種分類方法對(duì)使用者是方便的，但由于這種分類方法把用途相同而變換原理不同的傳感器分為一類，對(duì)研究和學(xué)習(xí)是不方便的。例如同是測(cè)量加速度用的傳感器，可利用各種變換原理和不同的傳感元件組成，有應(yīng)變式、電容式、電感式和壓電式加速度傳感器等。因此，要

7、研究一種用途的傳感器，必須研究多種傳感元件和傳感機(jī)理。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院A A 物性型與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換. . 例如例如: :水銀溫度計(jì)水銀溫度計(jì), ,壓電測(cè)力計(jì)等壓電測(cè)力計(jì)等. .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器等電容式和電感式傳感器等. .B B 能量轉(zhuǎn)換型和

8、能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: :直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì), ,壓電式加速度計(jì)等壓電式加速度計(jì)等. .能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的 變化變化. . 例如例如: :電阻應(yīng)變片，電容式傳感器等電阻應(yīng)變片，電容式傳感器等. .機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 3.2 3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器一、變阻器式傳

9、感器一、變阻器式傳感器 電阻式傳感器是一種把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化電阻式傳感器是一種把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。按其工作原理分為的傳感器。按其工作原理分為變阻器式變阻器式和和電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式兩類。兩類。1 1變阻式傳感器的工作原理及分類變阻式傳感器的工作原理及分類 變阻式傳感器又稱為變阻式傳感器又稱為電位器式傳感器電位器式傳感器，由線圈、骨架及電，由線圈、骨架及電刷三部分組成。根據(jù)刷三部分組成。根據(jù) R=x/AR=x/A ，其，其靈敏度靈敏度S S/A/A常值常值。常用的變阻器式傳感器有常用的變阻器式傳感器有直線位移型直線位移型、角位移型角位移型和和非線性型非線性型等等機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基

10、礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2. 2. 變阻器式傳感器特點(diǎn)應(yīng)用變阻器式傳感器特點(diǎn)應(yīng)用l優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：l缺點(diǎn)缺點(diǎn)：由于電阻絲直徑限制，分辨率不高。且電刷與線圈之由于電阻絲直徑限制，分辨率不高。且電刷與線圈之間存在干摩擦，不僅容易磨損，影響到使用壽命、降間存在干摩擦，不僅容易磨損，影響到使用壽命、降低可靠性和測(cè)量精度，而且要求輸入能量大。低可靠性和測(cè)量精度，而且要求輸入能量大。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定，線性度好；受環(huán)境因素（如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干線性度好；受

11、環(huán)境因素（如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等）影響?。豢梢詫?shí)現(xiàn)輸入輸出間任意函數(shù)關(guān)擾等）影響?。豢梢詫?shí)現(xiàn)輸入輸出間任意函數(shù)關(guān)系；系；應(yīng)用：應(yīng)用：綜上所述，此類傳感器適用于對(duì)精度要求不綜上所述，此類傳感器適用于對(duì)精度要求不高、動(dòng)作不太頻繁的較大線位移和角位移的測(cè)量。高、動(dòng)作不太頻繁的較大線位移和角位移的測(cè)量。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二、電阻應(yīng)變式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器（）概述（）概述 電阻應(yīng)變式傳感器又稱電阻應(yīng)變計(jì)，電阻應(yīng)變式傳感器又稱電阻應(yīng)變計(jì)，其敏感元件是電阻應(yīng)變片，其敏感元件是電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片

12、是在用苯酚、環(huán)氧樹(shù)脂等絕緣材料浸泡過(guò)的玻璃基板上，粘貼直應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹(shù)脂等絕緣材料浸泡過(guò)的玻璃基板上，粘貼直徑為徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔制成，如圖所示。敏感元件也叫左右的金屬絲或金屬箔制成，如圖所示。敏感元件也叫敏感柵。敏感柵。根據(jù)其材料不同，應(yīng)變片可分為：根據(jù)其材料不同，應(yīng)變片可分為：金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片和和半導(dǎo)體電阻半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片應(yīng)變片兩大類。兩大類。半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 電阻應(yīng)變片工作原理是基于電阻應(yīng)

13、變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形其電阻值隨著所受機(jī)械變形( (伸長(zhǎng)或縮短伸長(zhǎng)或縮短) )的變化的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 （二）、工作原理二）、工作原理機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：設(shè)金屬應(yīng)變片金屬絲的長(zhǎng)度為：設(shè)金屬應(yīng)變片金屬絲的長(zhǎng)度為L(zhǎng) L，截，截面積為面積為A A、半徑為、半徑為r r、電阻率為、電阻率為，則金屬絲的初始，則金屬絲的初

14、始電阻電阻R R可表示為：可表示為： 當(dāng)電阻絲受到拉力當(dāng)電阻絲受到拉力F 作用時(shí)，作用時(shí)， 將伸長(zhǎng)將伸長(zhǎng)l，橫截面積相應(yīng)減小，橫截面積相應(yīng)減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d，從而引，從而引起電阻值相對(duì)變化量為起電阻值相對(duì)變化量為 ：式中式中： 電阻絲軸向相對(duì)變形，稱縱向應(yīng)變；電阻絲軸向相對(duì)變形，稱縱向應(yīng)變； 電阻絲徑向相對(duì)變形，稱橫向應(yīng)變；電阻絲徑向相對(duì)變形，稱橫向應(yīng)變； 電阻絲材料的泊松比；電阻絲材料的泊松比； d/= E電阻率相對(duì)變化；電阻率相對(duì)變化； 電阻材料的壓阻系數(shù)；電阻材料的壓阻系數(shù)； E 電阻材料的彈性模量。電阻材料的

15、彈性模量。2llRAr2RdRdldAddldrdRRlAlrdlldrdlrl （二）、工作原理二）、工作原理機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院得：R/R=(1+2+ E) =S0 式中：式中：S0 單位應(yīng)變引起的電阻值變化，稱為金屬單絲的靈敏系數(shù)。單位應(yīng)變引起的電阻值變化，稱為金屬單絲的靈敏系數(shù)。 1+2金屬絲受力后材料幾何形狀的變化引起的電阻相對(duì)變化；金屬絲受力后材料幾何形狀的變化引起的電阻相對(duì)變化； E材料材料電阻率電阻率發(fā)生變化引起的電阻相對(duì)變化。發(fā)生變化引起的電阻相對(duì)變化。1、對(duì)對(duì)金屬材料金屬

16、材料來(lái)說(shuō)，電阻的變化與上述兩因素有關(guān)，但來(lái)說(shuō)，電阻的變化與上述兩因素有關(guān)，但以前者為主以前者為主。即：即： S S0 0 1+2 1+2。其其靈敏度取值一般為靈敏度取值一般為1.75.6。 2 2、對(duì)于、對(duì)于半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料，因半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用壓阻效應(yīng)進(jìn)行工作的，由，因半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用壓阻效應(yīng)進(jìn)行工作的，由于其壓阻系數(shù)于其壓阻系數(shù)及彈性模量及彈性模量E E都比較大，所以其靈敏度主要取決于都比較大，所以其靈敏度主要取決于E E項(xiàng)。而其幾何變形引起的電阻的變化則很小，可忽略。即項(xiàng)。而其幾何變形引起的電阻的變化則很小，可忽略。即S S0 0E E，其其靈敏度取值一般為靈敏度取值一般為6060

17、170170。材料確定，則材料確定，則、E均為常數(shù)均為常數(shù)，則應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化率，則應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化率R/R與與成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。012RRSE 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（三）金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及參數(shù)（三）金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及參數(shù) 常見(jiàn)的金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如下常見(jiàn)的金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如下圖。按照敏感柵制造方式不同分為：圖。按照敏感柵制造方式不同分為： 絲式：絲式：敏感柵由金屬電阻絲繞制而敏感柵由金屬電阻絲繞制而成。成。 箔式：箔式：敏感柵由金屬電阻箔采用光敏感柵由金屬電阻箔

18、采用光刻技術(shù)制造?？碳夹g(shù)制造。 目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)如圖所示片，其結(jié)構(gòu)如圖所示機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院金屬應(yīng)變片的主要參數(shù)：金屬應(yīng)變片的主要參數(shù)： 幾何參數(shù)：幾何參數(shù)： 電阻值電阻值R： 最大工作電流：最大工作電流： 靈敏度靈敏度S：其它特性如溫度效應(yīng)、應(yīng)變極限、零漂等，可其它特性如溫度效應(yīng)、應(yīng)變極限、零漂等，可按照實(shí)際測(cè)試要求進(jìn)行選擇。按照實(shí)際測(cè)試要求進(jìn)行選擇。應(yīng)變片敏感柵的尺寸bl反映了應(yīng)變片的有效工作面積，b稱為基寬，為敏感柵的橫向?qū)挾取 稱為基

19、長(zhǎng)，即敏感柵的縱向長(zhǎng)度。b b一般在10mm以下，l通常在230mm之間指應(yīng)變片未經(jīng)安裝也不受外力情況下于室溫時(shí)所測(cè)定的電阻值。它是使用應(yīng)變片時(shí)應(yīng)知道的一個(gè)特征參數(shù)。目前應(yīng)變片的電阻值已趨于標(biāo)準(zhǔn)化，有60，120，200，350，1000幾種規(guī)格，最常用的為120。應(yīng)變片規(guī)格一般以使用面積和電阻值表示。如320mm2，120歐姆 當(dāng)應(yīng)變片接入測(cè)量電路后，在電阻絲中要通過(guò)一定的電流，這個(gè)電流使得應(yīng)變片溫度升高，影響測(cè)量精度，所以要規(guī)定通過(guò)的最大電流值。在靜態(tài)測(cè)試中，最大工作電流一般為25mA；動(dòng)態(tài)測(cè)試一般為75100 mA將金屬絲做成應(yīng)變片后的靈敏度值，要重新使用實(shí)驗(yàn)方法確定。 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)

20、基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（四）半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器（四）半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器 一、壓阻效應(yīng)：一、壓阻效應(yīng)： 半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。 二、工作原理二、工作原理 實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。電阻應(yīng)變效應(yīng)的分析公式也導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。電阻應(yīng)變效應(yīng)的分析公式也適用于半導(dǎo)體電阻材料，即：適用于半導(dǎo)體電阻材料，即： 如半

21、導(dǎo)體硅，如半導(dǎo)體硅， =(4080)(1011)m2/N，E=1.671011N/m2，則，則S0=50100。顯然半導(dǎo)體電阻材。顯然半導(dǎo)體電阻材料的靈敏系數(shù)比金屬絲的要高料的靈敏系數(shù)比金屬絲的要高5070倍。倍。 S0=（R/R）/ =1+2+E E機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變片結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小。頻率響應(yīng)好，適用于應(yīng)變片結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小。頻率響應(yīng)好，適用于靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。 測(cè)量應(yīng)變的靈敏度和分辨力高，可測(cè)量微應(yīng)變，誤差小于測(cè)量應(yīng)變的靈敏度和分辨力

22、高，可測(cè)量微應(yīng)變，誤差小于1。 測(cè)量范圍廣，既可測(cè)量彈性變形，也可測(cè)量塑性變形。測(cè)量范圍廣，既可測(cè)量彈性變形，也可測(cè)量塑性變形。 能適應(yīng)各種環(huán)境，可在高（低）溫、超低壓、高壓、水下、能適應(yīng)各種環(huán)境，可在高（低）溫、超低壓、高壓、水下、強(qiáng)磁場(chǎng)以及輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境下使用。強(qiáng)磁場(chǎng)以及輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境下使用。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：大應(yīng)變狀態(tài)下具有較明顯的非線性；大應(yīng)變狀態(tài)下具有較明顯的非線性； 輸出信號(hào)較弱。輸出信號(hào)較弱。金屬應(yīng)變片工作實(shí)例：金屬應(yīng)變片工作實(shí)例：電阻應(yīng)變式位移傳感器電阻應(yīng)變式位移傳感器 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)

23、械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（六）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（六）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用l電阻應(yīng)變片在使用時(shí)通常將其接入測(cè)量電橋，電阻應(yīng)變片在使用時(shí)通常將其接入測(cè)量電橋，以便將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓量輸出。金屬應(yīng)變片構(gòu)成的這種電以便將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓量輸出。金屬應(yīng)變片構(gòu)成的這種電橋稱為惠斯登電橋?？梢圆捎秒姌虻囊粋€(gè)橋臂為一片金屬應(yīng)變片、橋稱為惠斯登電橋。可以采用電橋的一個(gè)橋臂為一片金屬應(yīng)變片、其他橋臂為固定電阻的方法其他橋臂為固定電阻的方法圖圖(a)，也可以采用在電橋上用，也可以采用在電橋上用2片片或或4片金屬應(yīng)變片組成的橋路結(jié)構(gòu)，以此提高傳感器的測(cè)量精度片金屬應(yīng)變片組成的橋路結(jié)構(gòu)，以此提高傳

24、感器的測(cè)量精度圖圖(b)。圖 (a)圖 (b)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（六）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（六）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：1) 直接測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或應(yīng)變 為了研究機(jī)械、建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)的某些部位或所有部位工作狀態(tài)下的受力變形情況，往往將不同形狀的應(yīng)變片貼在結(jié)構(gòu)的預(yù)定部位上，直接測(cè)得這些部位的拉、壓應(yīng)力、彎矩等，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力校核或構(gòu)件破壞及機(jī)器設(shè)備的故障診斷提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或診斷信息。如圖 (a)，(b)所示給出了兩種實(shí)際應(yīng)用的例子。 立柱 應(yīng)力 (b)

25、橋梁 應(yīng)力 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2)將應(yīng)變片貼于彈性元件上將應(yīng)變片貼于彈性元件上制成多種用途的應(yīng)變傳感器制成多種用途的應(yīng)變傳感器l用應(yīng)變片貼于彈性元件上制成的傳感器可測(cè)量各種能使彈性元件產(chǎn)生應(yīng)變的物理量，如壓力、流量、位移、加速度等。因?yàn)檫@時(shí)被測(cè)的物理量使彈性元件產(chǎn)生與之成正比的應(yīng)變，這個(gè)應(yīng)變?cè)儆蓱?yīng)變片轉(zhuǎn)換成其自身電阻的變化。根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)可知，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片所感受的應(yīng)變成比例，從而通過(guò)電阻與應(yīng)變、應(yīng)變與被測(cè)量的關(guān)系即可測(cè)得被測(cè)物理量的大小。 例：例：電阻應(yīng)變式位移傳感器電阻應(yīng)變

26、式位移傳感器 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器L應(yīng)變片質(zhì)量塊m彈簧片外殼基座a 測(cè)量時(shí)根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體加速測(cè)量時(shí)根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體加速度的方向，把傳感器固定在被度的方向，把傳感器固定在被測(cè)部位。當(dāng)測(cè)點(diǎn)的加速度沿箭測(cè)部位。當(dāng)測(cè)點(diǎn)的加速度沿箭頭頭a a所示方向時(shí)，懸臂梁自由端所示方向時(shí)，懸臂梁自由端受慣性力受慣性力F F= =mama的作用，質(zhì)量塊的作用，質(zhì)量塊向箭頭向箭頭a a相反的方向相對(duì)于基座相反的方向相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng)，使梁發(fā)生彎

27、曲變形，應(yīng)運(yùn)動(dòng)，使梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出變片電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度成正比。成正比。測(cè)加速度測(cè)加速度機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)例：振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器 適合于金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、古建筑的防范，挖墻、打適合于金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工

28、程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)例：電子稱電子稱原理將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形，再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院應(yīng)用實(shí)例：沖床生產(chǎn)記數(shù)應(yīng)用實(shí)例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 3.3 電容式傳感器一、工作原理與特性一、工作原理與特性1.變換原理變換原理: 將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組

29、成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,它的電容量為它的電容量為: :AC0+A 當(dāng)被測(cè)量當(dāng)被測(cè)量、A或或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2 分類及其特性分類及其特性 （一（一) )極距變化型極距變化型: :+（三（三) ) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型: :C（二（二) )面積變

30、化型面積變化型: :角位移型角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型柱面線位移型. .+ACC機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（一）極距變化型 ：由此可得到傳感器的靈敏度為：由此可得到傳感器的靈敏度為：從上式可看出，靈敏度從上式可看出，靈敏度S與極距平方成反比。一般通過(guò)減小初始極距與極距平方成反比。一般通過(guò)減小初始極距來(lái)提高靈敏度。由于電容量來(lái)提高靈敏度。由于電容量C與極距與極距呈非線性關(guān)系，這將引起非線呈非線性關(guān)系，這將引起非線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定測(cè)量范圍性誤差。為了減小

31、這一誤差，通常規(guī)定測(cè)量范圍 。一般。一般取極距變化范圍為取極距變化范圍為 ，此時(shí)，傳感器的靈敏度近似為常數(shù)。，此時(shí)，傳感器的靈敏度近似為常數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件外界條件(如電源電壓、環(huán)境溫度等如電源電壓、環(huán)境溫度等)的變化對(duì)測(cè)量精度的影響，常的變化對(duì)測(cè)量精度的影響，常常采用常采用差動(dòng)型電容式傳感器差動(dòng)型電容式傳感器。02AdCd 02AdCSd 00(,) 00.1 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

32、（一）極距變化型該傳感器使用時(shí)要注意：該傳感器使用時(shí)要注意：02AdCd 1、電容和極矩不是線性關(guān)系，只有測(cè)微位移時(shí)，才可、電容和極矩不是線性關(guān)系，只有測(cè)微位移時(shí)，才可認(rèn)為是近似線性關(guān)系。認(rèn)為是近似線性關(guān)系。2、要提高靈敏度，應(yīng)該減小初始極矩。、要提高靈敏度，應(yīng)該減小初始極矩。3、當(dāng)極矩過(guò)小時(shí)，又容易擊穿，同時(shí)加工精度、當(dāng)極矩過(guò)小時(shí)，又容易擊穿，同時(shí)加工精度要求也高了。因此，使用時(shí)一般在極板間放置云要求也高了。因此，使用時(shí)一般在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來(lái)提高絕緣性。母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來(lái)提高絕緣性。5、在實(shí)際應(yīng)用中，為提高靈敏度，減小非線性，可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。、在實(shí)際應(yīng)用

33、中，為提高靈敏度，減小非線性，可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。4 4、一般極變化矩型電容式傳感器的起始電容在一般極變化矩型電容式傳感器的起始電容在20pF30pF之間，極板間距離在之間，極板間距離在25m200m的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在故在微微位移測(cè)量位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。中應(yīng)用最廣。000ggACdd 云母的相對(duì)介電常數(shù)（云母的相對(duì)介電常數(shù)（g=7）是空氣介電常數(shù)（）是空氣介電常數(shù)（0=1）的）的7倍，云母的擊穿電倍，云母的擊穿電壓壓1000kv/mm，而空氣的擊穿電壓只有，而空氣的擊穿電壓只有3kv/mm。因此有了云母片極板間的。因此有了云母片極板間的起始間

34、距可大大減小，極大地提高了電容式傳感器的靈敏度。起始間距可大大減小，極大地提高了電容式傳感器的靈敏度。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院極矩變化型電容傳感器應(yīng)用：加速度傳感器極矩變化型電容傳感器應(yīng)用：加速度傳感器敏感加速度的敏感加速度的質(zhì)量塊質(zhì)量塊用兩個(gè)用兩個(gè)彈簧片彈簧片固定，固定，上下上下平面平面為電容器的為電容器的活動(dòng)活動(dòng)極板。極板。質(zhì)量塊感受加速度而有位質(zhì)量塊感受加速度而有位移時(shí)電容隨之變化。移時(shí)電容隨之變化。該位移使兩電容的間該位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，

35、從而使一個(gè)減小，從而使Cx1、Cx2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。測(cè)加速度。電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院極矩變化型電容式傳感器應(yīng)用：電容傳聲器+機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院( (二二) ) 面積變化型面積變化型 1 角位移型電容式傳感器角位移型電容式傳感器：當(dāng)動(dòng)板有：當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)

36、，與定板之間相互覆蓋的面積發(fā)一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋的面積發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電容量變化。當(dāng)覆蓋面生變化，因而導(dǎo)致電容量變化。當(dāng)覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為積對(duì)應(yīng)的中心角為a、極板半徑為、極板半徑為r時(shí)，覆時(shí)，覆蓋面積為：蓋面積為：電容量為：電容量為：其其靈敏度靈敏度為：為：22rA202rdCSd常數(shù) 2 平面線位移型電容式傳感器平面線位移型電容式傳感器其其靈敏度靈敏度為：為：機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 3圓柱線位移型電容式傳感器：圓柱線位移型電容式傳感器：由于平板型傳由于平板型傳感器的可動(dòng)極板稍有

37、極距方向移動(dòng)會(huì)影響測(cè)量精度。感器的可動(dòng)極板稍有極距方向移動(dòng)會(huì)影響測(cè)量精度。因此，一般情況下，變截面積型電容式傳感器常做因此，一般情況下，變截面積型電容式傳感器常做成圓柱形成圓柱形,當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度x變化時(shí)，電容量變化，其靈敏度為變化時(shí)，電容量變化，其靈敏度為小結(jié)：小結(jié)：面積變化型電容傳感器是一種線性傳感器，可以面積變化型電容傳感器是一種線性傳感器，可以測(cè)量較大的直線位移和角度位移，但靈敏度較低。測(cè)量較大的直線位移和角度位移，但靈敏度較低。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院( (二二) ) 面積變化型應(yīng)

38、用：電容式位移面積變化型應(yīng)用：電容式位移傳感器傳感器機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(三三)介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型 是在電容傳感器兩極板間加上介質(zhì)構(gòu)成的。由于是在電容傳感器兩極板間加上介質(zhì)構(gòu)成的。由于各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，當(dāng)極板間的介電常數(shù)變化各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，當(dāng)極板間的介電常數(shù)變化時(shí)，電容量隨之變化。常用于檢測(cè)容器中液面的高度、溶液濃時(shí)，電容量隨之變化。常用于檢測(cè)容器中液面的高度、溶液濃度和板材的厚度等。度和板材的厚度等。變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理：下述變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理：下

39、述測(cè)量方法中，若電極間測(cè)量方法中，若電極間存在導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，電極表面應(yīng)涂蓋絕緣層（如涂存在導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，電極表面應(yīng)涂蓋絕緣層（如涂0.1mm厚的聚四氟厚的聚四氟乙烯等），防止電極間短路。乙烯等），防止電極間短路。 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院變電介質(zhì)型電容式傳感器變電介質(zhì)型電容式傳感器l柱式dDhHdDhcln)(2ln201dDhdDHln)(2ln2010dDhCln)(2010電容的增量正比于被測(cè)液位高度，可測(cè)量一種流體的液位高度。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZ

40、U.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(三三)介質(zhì)變化型應(yīng)用：電容液位計(jì)介質(zhì)變化型應(yīng)用：電容液位計(jì)棒狀電極（金屬管）棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。間的電容變大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院產(chǎn)品產(chǎn)品. .在洗衣機(jī)中的應(yīng)用在洗衣機(jī)中的應(yīng)用機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU

41、.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二、測(cè)量電路二、測(cè)量電路（一）、（一）、電橋電路電橋電路 （二）、直流極化電路（二）、直流極化電路（四）、（四）、調(diào)頻電路調(diào)頻電路（五）、（五）、運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路（三）、諧振電路（三）、諧振電路機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院三、特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1 1、輸入量小而靈敏度高；輸入量小而靈敏度高； 2 2、良好的動(dòng)態(tài)性能；良好的動(dòng)態(tài)性能； 3 3、本身發(fā)熱影響很小，能量損耗??；本身發(fā)熱影響很小，能量損耗小； 4 4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好；結(jié)構(gòu)

42、簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 非線性誤差大（解決辦法：利用測(cè)量電路。常用的電橋電路如：非線性誤差大（解決辦法：利用測(cè)量電路。常用的電橋電路如：電容傳感器的電橋電路電容傳感器的電橋電路、比例運(yùn)算放大器電路比例運(yùn)算放大器電路；電纜電容、電子線路；電纜電容、電子線路的分布電容影響大（解決辦法：利用驅(qū)動(dòng)電纜）。的分布電容影響大（解決辦法：利用驅(qū)動(dòng)電纜）。應(yīng)用：應(yīng)用：電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測(cè)試中。其電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測(cè)試中。其精度和穩(wěn)定性日益提高，如一個(gè)精度和穩(wěn)定性日益提高，如一個(gè)250mm250mm量程的電容式位移傳感器，精量程的電容式位移傳感器

43、，精度可達(dá)度可達(dá)5m5m。其應(yīng)用實(shí)例如下：。其應(yīng)用實(shí)例如下：機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（一）電容測(cè)厚儀（一）電容測(cè)厚儀測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中的厚度。測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中的厚度。 在被測(cè)金屬帶材的上下兩側(cè)各放置一塊面積相等，與帶在被測(cè)金屬帶材的上下兩側(cè)各放置一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就形成了兩個(gè)電容器。材距離相等的極板，這樣極板與帶材就形成了兩個(gè)電容器。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來(lái)就成為一個(gè)極板，而金屬帶材就把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來(lái)就成為一個(gè)極板，而金屬帶材就是電容的另一個(gè)

44、極板，其總電容是電容的另一個(gè)極板，其總電容C Cx xC C1 1+C+C2 2=2C=2C。如果帶材厚度。如果帶材厚度發(fā)生變化，則引起電容量的變化。通過(guò)檢測(cè)電路可以反映這發(fā)生變化，則引起電容量的變化。通過(guò)檢測(cè)電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。 四、電容式傳感器的應(yīng)用實(shí)例四、電容式傳感器的應(yīng)用實(shí)例機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院l當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在一個(gè)轉(zhuǎn)上升，指針停留在一個(gè)轉(zhuǎn)角位置。當(dāng)油箱中的油位角位置。當(dāng)油箱中的

45、油位降低時(shí)，電容傳感器的電降低時(shí)，電容傳感器的電容量容量Cx減小，電橋失去平減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動(dòng)滑線變阻?。?，同時(shí)帶動(dòng)滑線變阻器的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)變阻器的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)變阻器阻值達(dá)到一定值時(shí)，電器阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（留在新的位置（ x 處）。處）。(二二)電容油量表電容油量表機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（三）

46、電容式轉(zhuǎn)速傳感器（三）電容式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為z，頻率為，頻率為f，則轉(zhuǎn)速為，則轉(zhuǎn)速為機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 3.4 3.4 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理：電感式傳感器的工作原理：電感傳感器的電感傳感器的敏感元件是電感線圈，其轉(zhuǎn)換原理基于電磁感應(yīng)原理。它把被測(cè)量敏感元件是電感

47、線圈，其轉(zhuǎn)換原理基于電磁感應(yīng)原理。它把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)或互感系數(shù)M的變化的變化(在電路中表現(xiàn)為在電路中表現(xiàn)為感抗感抗XL的變化的變化)而實(shí)現(xiàn)把被測(cè)量而實(shí)現(xiàn)把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。 按照轉(zhuǎn)換方式的按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為不同，可分為 用途用途：常用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等：常用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等物理量參數(shù)。物理量參數(shù)?？勺兇抛枋阶愿惺诫姼惺絺鞲衅鳒u電流式互感式機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭

48、州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院一、自感型電感傳感器一、自感型電感傳感器 自感型電感傳感器是一種改變自感系數(shù)的傳感器。自感型電感傳感器是一種改變自感系數(shù)的傳感器。原理圖如下圖。它由線圈、鐵芯及銜鐵組成。在鐵芯和銜鐵原理圖如下圖。它由線圈、鐵芯及銜鐵組成。在鐵芯和銜鐵之間有空氣隙之間有空氣隙。 按照工作原理的不同，其分類為：按照工作原理的不同，其分類為：變氣隙式可變磁阻式 變磁路面積式自感型螺管式電感傳感器渦電流式機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（一）可變磁阻式 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈中通以電流根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線

49、圈中通以電流i時(shí)，其時(shí)，其自感與線圈匝數(shù)和磁路總磁阻的關(guān)系為自感與線圈匝數(shù)和磁路總磁阻的關(guān)系為其中：其中： 式中式中: l 導(dǎo)磁體導(dǎo)磁體 (鐵芯鐵芯)的長(zhǎng)度的長(zhǎng)度(m)； 鐵芯導(dǎo)磁率鐵芯導(dǎo)磁率(H/m)； s 鐵芯導(dǎo)磁橫截面積鐵芯導(dǎo)磁橫截面積(m2); 空氣隙長(zhǎng)度空氣隙長(zhǎng)度(m); 0 空氣導(dǎo)磁率；空氣導(dǎo)磁率； S0 空氣隙導(dǎo)磁橫截面積空氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m2)。因?yàn)橐驗(yàn)?，則，則則則機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上式表明，自感上式表明，自感L L與氣隙與氣隙成反比，而與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面

50、積導(dǎo)磁截面積S S0 0成正比。對(duì)于成正比。對(duì)于1 1、變氣隙式自感傳感器、變氣隙式自感傳感器 其靈敏度為其靈敏度為 靈敏度靈敏度S與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比，與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比，愈小，靈敏度愈愈小，靈敏度愈高。由于高。由于S不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一誤差，通常規(guī)定誤差，通常規(guī)定在較小的范圍內(nèi)工作。在較小的范圍內(nèi)工作。例如，若間隙變化范圍為（例如，若間隙變化范圍為（ ），），取取 。因此因此: 該類傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為該類傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為0.0011 mm.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HT

51、TP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2、變面積式自感傳感器、變面積式自感傳感器 若將變氣隙式自感傳感器的氣隙厚若將變氣隙式自感傳感器的氣隙厚度度保持不變，使氣隙導(dǎo)磁截面積保持不變，使氣隙導(dǎo)磁截面積A隨被隨被測(cè)非電量而變，即構(gòu)成變面積式自感傳測(cè)非電量而變，即構(gòu)成變面積式自感傳感器。感器。 3、螺管式自感傳感器、螺管式自感傳感器：當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。這種傳感器阻，使線圈自感發(fā)生變化。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，另外由于空氣隙另外由于空氣隙大，磁路磁阻大，其靈敏度較前兩

52、種低，大，磁路磁阻大，其靈敏度較前兩種低，但線性范圍大；但線性范圍大；適用于較大位移適用于較大位移(數(shù)毫米數(shù)毫米)測(cè)量測(cè)量。 dLSdx機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院變氣隙式、螺管式電感傳感器均可做成變氣隙式、螺管式電感傳感器均可做成差動(dòng)形式差動(dòng)形式 當(dāng)銜鐵有位移當(dāng)銜鐵有位移時(shí)，時(shí)，一個(gè)線圈自感一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)線圈增加，另一個(gè)線圈自感減小。將兩線自感減小。將兩線圈接于電橋的相鄰圈接于電橋的相鄰橋臂時(shí)，其輸出靈橋臂時(shí)，其輸出靈敏度可提高一倍，敏度可提高一倍，并改善了線性特性。并改善了線性特性。

53、較之單螺管線較之單螺管線圈型有較高靈敏度圈型有較高靈敏度及線性，被用于電及線性，被用于電感測(cè)微計(jì)上，其測(cè)感測(cè)微計(jì)上，其測(cè)量范圍為量范圍為0 0300m300m，最 小 分 辨 力 為最 小 分 辨 力 為0.5m0.5m。 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（二）渦電流式傳感器（二）渦電流式傳感器 1、工作原理、工作原理： 下圖所示為下圖所示為高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器工作原理。工作原理。 渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場(chǎng)中的磁場(chǎng)中的渦

54、電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)。按照激勵(lì)電流頻率的不同分為。按照激勵(lì)電流頻率的不同分為高頻反射式和低頻透射式渦流傳感器。高頻反射式和低頻透射式渦流傳感器。原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z的變化：的變化：),(ZZ 金屬板與線圈的間距為金屬板與線圈的間距為，當(dāng)線圈輸入一高，當(dāng)線圈輸入一高頻交變電時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量頻交變電時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量，此交變磁通，此交變磁通通過(guò)鄰近的金屬板，金屬板表層就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電通過(guò)鄰近的金屬板，金屬板表層就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱為渦流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱為渦流。這種渦流也將產(chǎn)生交變磁通流。這種渦流也將產(chǎn)生交變磁通11。根據(jù)楞次。根據(jù)

55、楞次定律，渦流的交變磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)變化方向相定律，渦流的交變磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)變化方向相反，反，11總是抵抗總是抵抗的變化。由于渦流磁場(chǎng)的作的變化。由于渦流磁場(chǎng)的作用（對(duì)導(dǎo)磁材料還有氣隙對(duì)磁路的影響）使原線用（對(duì)導(dǎo)磁材料還有氣隙對(duì)磁路的影響）使原線圈的等效阻抗圈的等效阻抗Z Z發(fā)生變化，變化程度與距離發(fā)生變化，變化程度與距離、金屬板的電阻率金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率以及線圈激磁圓頻以及線圈激磁圓頻率率等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（二）渦電流式傳感器（二）渦電流式傳感器 1

56、、工作原理、工作原理： 下圖所示為下圖所示為高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器工作原理。工作原理。*利用材料導(dǎo)磁率利用材料導(dǎo)磁率作為變作為變換量，可以做成測(cè)量應(yīng)力、換量，可以做成測(cè)量應(yīng)力、硬度等傳感器；硬度等傳感器；*利用變換量利用變換量，的綜的綜合影響，可以做成探傷裝置。合影響，可以做成探傷裝置。 渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場(chǎng)中的磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)。按照激勵(lì)電流頻率的不同分為。按照激勵(lì)電流頻率的不同分為高頻反射式和低頻透射式渦流傳感器。高頻反射式和低頻透射式渦流傳感器。*利用位移利用位移作為變換作為變換量，做成測(cè)量位

57、移、振量，做成測(cè)量位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等傳感器，也動(dòng)、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開(kāi)關(guān)、計(jì)數(shù)可做成接近開(kāi)關(guān)、計(jì)數(shù)器等；器等；*利用材料電阻率利用材料電阻率作為變換作為變換量，可以做成溫度測(cè)量、材量，可以做成溫度測(cè)量、材質(zhì)判別等傳感器；質(zhì)判別等傳感器；原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z的變化：的變化：),(ZZ 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器的工作原理的工作原理 發(fā)射線圈發(fā)射線圈 1 1和接收線圈和接收線圈 2 2分別分別放在被測(cè)材料放在被測(cè)材料G G的上下方，低頻的上

58、下方，低頻( (音頻范音頻范圍圍) )電壓加到線圈電壓加到線圈1 1的兩端后，在周圍的兩端后，在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，并在被測(cè)材料空間產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，并在被測(cè)材料G G中產(chǎn)生渦流中產(chǎn)生渦流 ，此渦流損耗了部分能量，此渦流損耗了部分能量，使貫穿使貫穿 2 2的磁力線減少，從而使的磁力線減少，從而使2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e e2 2 減小。減小。 e e2 2的大小與的大小與G G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)與理論證的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)與理論證明，明， 隨材料厚度隨材料厚度h h增加增加e e2 2按負(fù)指數(shù)規(guī)律減按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小。因而若金屬板材料的性質(zhì)一定，按小。因而若金屬板材料的性

59、質(zhì)一定，按 e e2 2的變化便可測(cè)得材料的厚度。的變化便可測(cè)得材料的厚度。l頻率越低，磁通穿透能力越強(qiáng)，在接受線圈上感應(yīng)的電壓頻率越低，磁通穿透能力越強(qiáng)，在接受線圈上感應(yīng)的電壓u u2 2也越高，且也越高，且頻率較低時(shí)，線性較好，因此應(yīng)選擇較低的激勵(lì)頻率頻率較低時(shí)，線性較好，因此應(yīng)選擇較低的激勵(lì)頻率( (通常為通常為1kHz1kHz左右左右) )。 l 低頻透射式渦流傳感器的檢測(cè)范圍可達(dá)低頻透射式渦流傳感器的檢測(cè)范圍可達(dá)1mm1mm100mm100mm，分辨率為，分辨率為0.10.1。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州

60、大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2 2、測(cè)量電路、測(cè)量電路：（1 1）調(diào)幅電路調(diào)幅電路 振蕩器提供一個(gè)恒頻恒幅高頻電壓，在電阻振蕩器提供一個(gè)恒頻恒幅高頻電壓，在電阻R和和LC組成的并聯(lián)諧振回路分壓。組成的并聯(lián)諧振回路分壓。振蕩器放大器檢波器濾波器機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 （2 2）調(diào)頻電路）調(diào)頻電路 傳感器線圈作為組成傳感器線圈作為組成LC振蕩器的電感元件，振蕩器的電感元件，當(dāng)傳感器的等效電感當(dāng)傳感器的等效電感L發(fā)生變化時(shí)，引起振蕩發(fā)生變化時(shí)，引起振蕩器的振蕩頻率變化，該頻率可直接由數(shù)字頻率器的振蕩頻率變化，該