第三章常用傳感器

1、機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器第三章第三章 常用傳感器技術(shù)常用傳感器技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 傳感器的基本概念傳感器的基本概念第二節(jié)第二節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器第四節(jié)第四節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器第五節(jié)第五節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器第六節(jié)第六節(jié) 磁電與熱電式傳感器磁電與熱電式傳感器第七節(jié)第七節(jié) 光電式傳感器光電式傳感器第八節(jié)第八節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器第九節(jié)第九節(jié) 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器第十節(jié)第十節(jié) 其它類型傳感器其它類型傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器1.了解傳感器的分類及其選

2、用原則；了解傳感器的分類及其選用原則； 2.了解傳感器常用測量電路；了解傳感器常用測量電路； 3.掌握常用傳感器的測量原理、特點掌握常用傳感器的測量原理、特點及其應(yīng)用；及其應(yīng)用； 4.了解新型傳感器的發(fā)展方向。了解新型傳感器的發(fā)展方向。 教學(xué)目標教學(xué)目標機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器第一節(jié)第一節(jié) 傳感器的基本概念傳感器的基本概念一、傳感器的定義與組成一、傳感器的定義與組成： 傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測量轉(zhuǎn)換為與之有傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。定義的

3、解釋：定義的解釋：1.1. 傳感器是測量裝置傳感器是測量裝置, ,能完成檢測任務(wù)能完成檢測任務(wù); ;2.2. 它的輸入量是某一被測量它的輸入量是某一被測量, ,可能是物理量可能是物理量( (如位移、溫度、如位移、溫度、力、壓力、速度、加速度等力、壓力、速度、加速度等),),也可能是化學(xué)量、生物量也可能是化學(xué)量、生物量等等; ;3.3. 它的輸出量是某種物理量它的輸出量是某種物理量, ,這種量要便于這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示理、顯示等等, ,可以是氣、光、電量可以是氣、光、電量, ,但主要是但主要是電量電量; ; 4.4. 輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)

4、系, ,且應(yīng)有一定的且應(yīng)有一定的精確度精確度。 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器傳感器的基本組成：傳感器的基本組成：1.1. 敏感元件敏感元件：直接感受被測量：直接感受被測量, ,輸出與被測量成確定關(guān)輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量。系的某一物理量。 2.2. 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入：敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入, ,它它把輸入轉(zhuǎn)換成把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量電路參量 。 3.3. 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件的電路參量轉(zhuǎn)換為：把轉(zhuǎn)換元件的電路參量轉(zhuǎn)換為便于處理、便于處理、顯示、記錄或控制顯示、記錄或控制的有用的電信號。的有用的電信

5、號。 其組成如圖所示。其組成如圖所示。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器二、常用傳感器的分類二、常用傳感器的分類1 1、按被測物理量分類、按被測物理量分類機械量機械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角, ,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,重量重量, ,力力, , 壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風(fēng)速風(fēng)速, ,流速流速, , 流量流量; ;聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁場磁場. .溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱比熱. .光：光： 亮度，色彩

6、亮度，色彩常見的被測物理量常見的被測物理量機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器 機械式傳感器以機械式傳感器以彈性體彈性體作為敏感元件，輸入量可以是力、作為敏感元件，輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。 彈性變形經(jīng)放大后可轉(zhuǎn)化為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指彈性變形經(jīng)放大后可轉(zhuǎn)化為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示被測量的大小。示被測量的大小。 應(yīng)用實例：測力計、壓力計和溫度計。應(yīng)用實例：測力計、壓力計和溫度計。測力計2 2、按傳感器工作原理分類、按傳感器工作原理分類機械式機械式, ,電氣式電

7、氣式, ,光學(xué)式光學(xué)式, ,流體式等流體式等. .機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器壓力計溫度計彈性膜片彈性膜片波紋管波紋管波登管波登管機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器特點：特點： 機械式指示儀表結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低、機械式指示儀表結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低、讀數(shù)直觀；讀數(shù)直觀； 彈性變形不宜大，以減小線性誤差；彈性變形不宜大，以減小線性誤差； 慣性大、固有頻率低，只宜測緩變或靜態(tài)被測量。慣性大、固有頻率低，只宜測緩變或靜態(tài)被測量。 彈性元件具有彈性元件具有蠕變、彈性后效蠕變、彈性后效等現(xiàn)象，影響輸出與輸?shù)痊F(xiàn)象

8、，影響輸出與輸入的線性關(guān)系。入的線性關(guān)系。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器3 3、按信號變換特征、按信號變換特征: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號來實現(xiàn)信號變換變換. .如如: :水銀溫度計水銀溫度計. .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型. .4 4、按敏感元件

9、與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型( (無源傳感器）無源傳感器）: : 直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,磁電式加速度計磁電式加速度計. .能量控制型（有源傳感器）能量控制型（有源傳感器）: : 從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化化. .例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片. .機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器V機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器5 5按傳

10、感器的輸出量分按傳感器的輸出量分 模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器 模擬式傳感器是指傳感器的輸出信號為連續(xù)形式的模擬量； 數(shù)字式傳感器是指傳感器的輸出信號為離散形式的數(shù)字量。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器第二節(jié)第二節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器電阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅?。電阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅鳌?電阻式傳感器分類：電阻式傳感器分類： 變阻器式傳感器變阻器式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器1

11、 1、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器變阻器式傳感器又稱為變阻器式傳感器又稱為電位器式傳感器電位器式傳感器。工作原理：工作原理：一個電導(dǎo)體的電阻值：一個電導(dǎo)體的電阻值：式中：式中：R R電阻（電阻（）；）； 材料的電阻率（材料的電阻率（mmmm2 2/m/m）；）； l l導(dǎo)體的長度（導(dǎo)體的長度（m m）；）； A A導(dǎo)體的截面積（導(dǎo)體的截面積（mmmm2 2）。）。電阻絲直徑和材質(zhì)一定，電阻值隨導(dǎo)線長度改變。電阻絲直徑和材質(zhì)一定，電阻值隨導(dǎo)線長度改變。變阻器式傳感器有變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型直線位移型、角位移型和非線性型等。等。)(AlR機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第

12、三章第三章 常用傳感器常用傳感器 直線位移型直線位移型k kl l為單位長度中的為單位長度中的電阻電阻 。其靈敏度：其靈敏度： 角位移型角位移型 靈敏度：靈敏度：觸點轉(zhuǎn)角觸點轉(zhuǎn)角(rad)(rad)；k ka a單位弧度對應(yīng)的電阻單位弧度對應(yīng)的電阻值。值。ldxdRkskddRsxkRlkR 非線性型非線性型 輸出電阻輸出電阻( (或電壓或電壓) )與電刷位移與電刷位移( (包括線位移或角位移包括線位移或角位移) )之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器 。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三

13、章 常用傳感器常用傳感器變阻器式傳感器的后接電路：電阻分壓電路變阻器式傳感器的后接電路：電阻分壓電路ueuopLPpeoxxRRxxuu1機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器變阻器式傳感器的優(yōu)缺點：變阻器式傳感器的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便；優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便； 缺點：分辨力受電阻絲直徑限制，很難優(yōu)于缺點：分辨力受電阻絲直徑限制，很難優(yōu)于2020m m；較；較大的噪聲（大的噪聲（電刷和電阻元件之間接觸面磨損、塵埃附電刷和電阻元件之間接觸面磨損、塵埃附著等原因著等原因）。）。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常

14、用傳感器2 2、電阻應(yīng)變式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器 可測參數(shù)：可測參數(shù)：應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等。應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等。 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器: :金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片和和半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片。 （1 1）金屬電阻應(yīng)變片）金屬電阻應(yīng)變片 基本工作原理：基本工作原理： 當應(yīng)變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。當應(yīng)變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器主要形式：主要形式：金屬電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片有絲式絲式和和箔式箔式兩種。兩種。 金屬絲式應(yīng)變片是用金屬絲式應(yīng)變片是用0.010.010.

15、05mm0.05mm的金屬絲繞成敏感的金屬絲繞成敏感柵柵 ，粘貼在，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接之間，由引出導(dǎo)線接于電路上。于電路上。 金屬箔式應(yīng)變片是利用金屬箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻技術(shù)照相制版或光刻技術(shù)，將厚約，將厚約為為0.0030.0030.01mm0.01mm的金屬箔片制成敏感柵。的金屬箔片制成敏感柵。 優(yōu)點：優(yōu)點：可可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準確的敏感柵；散熱條件好；制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準確的敏感柵；散熱條件好；生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械

16、工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器應(yīng)變計實際中的金屬應(yīng)變片實際中的金屬應(yīng)變片機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器 將將應(yīng)變片應(yīng)變片粘貼于彈性元件粘貼于彈性元件或被測構(gòu)件或被測構(gòu)件預(yù)定部位預(yù)定部位的表面。的表面。電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù) 1.目測電阻應(yīng)變片有無缺陷目測電阻應(yīng)變片有無缺陷2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大 小小3.試件表面處理試件表面處理

17、4.應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片粘貼5.焊線焊線6.用兆歐表檢查應(yīng)變片的引線與試件之間的絕緣阻值，用兆歐表檢查應(yīng)變片的引線與試件之間的絕緣阻值，應(yīng)大于應(yīng)大于50M歐歐 7.應(yīng)變片保護應(yīng)變片保護應(yīng)變片的使用應(yīng)變片的使用：機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器2ALdAALdAdLdRdAARdLLRdRALR公式推導(dǎo)：公式推導(dǎo)：應(yīng)變片實際使用：應(yīng)變片實際使用：將其粘貼于彈性元件或被測物體表面。外將其粘貼于彈性元件或被測物體表面。外力作用下，金屬絲隨物體一同變形，電阻值發(fā)生變化，將被力作用下，金屬絲隨物體一同變形，電阻值發(fā)生變化，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。測量的變化轉(zhuǎn)換為電

18、阻值的變化。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器設(shè)設(shè)A=A=rr2 2，r r為電阻絲半徑，代入上式得為電阻絲半徑，代入上式得)2(2322rdrdldlRdrrldrldlrdR電阻的相對變化電阻的相對變化)2(rdrdLdLRdR機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器 （1

19、 1）電阻應(yīng)變片的種類）電阻應(yīng)變片的種類 常用的電阻應(yīng)變片有兩種：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。 （1）金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式等結(jié)構(gòu)形式。絲式應(yīng)變片，將一根電阻絲繞成柵狀，用膠粘劑貼于基底，其直徑在0.0120.050mm之間。 箔式應(yīng)變片如圖3-9b、c、d所示，它是用光刻、腐蝕等工藝方法制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般在0.0030.010mm。它的優(yōu)點是表面積和截面積之比大，散熱條件好，故允許通過較大的電流，并可做成任意的形狀，適于大批量生產(chǎn)。 箔式應(yīng)變片的使用范圍日益廣泛，并有逐漸取代絲式應(yīng)變片的趨勢。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測

20、試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器（2 2）半導(dǎo)體應(yīng)變片）半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖，使用方法同電阻絲應(yīng)變片。半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖，使用方法同電阻絲應(yīng)變片。 工作原理：工作原理：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到應(yīng)力作用時，單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。 實際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但實際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強材料的這種效應(yīng)特別強。 單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點陣排列規(guī)則變化，導(dǎo)致

21、載流子遷移率及載流子濃度變子點陣排列規(guī)則變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度變化，從而引起電阻率變化?；瑥亩痣娮杪首兓?。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器 半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點是半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點是: : 靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量；于測量； 分辨率高，例如測量壓力時可測出分辨率高，例如測量壓力時可測出101020Pa20Pa的微壓；的微壓； 機械滯后小，橫向效應(yīng)小、體積小。機械滯后小，橫向效應(yīng)小、體積小。 最大的缺點是最大

22、的缺點是溫度誤差大溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使，故需溫度補償或恒溫條件下使用。用。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器（3 3）電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用實例）電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用實例將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。力或應(yīng)變。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器應(yīng)變片粘貼于應(yīng)變片粘貼于彈性元件彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速度等

23、物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。出。 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器測量時，基座固定在測量時，基座固定在振動體振動體上。振動加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性上。振動加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當于慣性系統(tǒng)中的彈簧，在慣性力的作用下產(chǎn)力，懸臂梁則相當于慣性系統(tǒng)中的彈簧，在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲變形。因此，生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變梁的應(yīng)變在一定的頻率范圍內(nèi)與振動體的在一定的頻率范圍內(nèi)與振動體的加速度成正比

24、。加速度成正比。 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器一、工作原理及類型一、工作原理及類型 定義：定義：電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。 公式：公式：忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容可表達為：忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容可表達為： FAC0機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器各參數(shù)含義：各參數(shù)含義：極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，當介質(zhì)為空氣時極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，當介質(zhì)為空氣時=1=1；0

25、0真空介電常數(shù)真空介電常數(shù),0 0=8.85=8.851010-1 2-1 2(F/m);(F/m); A A極板面積（極板面積（m m2 2）；）；兩極板間距離（兩極板間距離（m m）。）。結(jié)論：結(jié)論：被測量使被測量使、A A或或變化，均會引起電容變化，均會引起電容C C變化。保變化。保持其中的兩個參數(shù)不變，僅改變另一參數(shù)，即可把該參持其中的兩個參數(shù)不變，僅改變另一參數(shù)，即可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。數(shù)的變化變換成電容量的變化。分類分類：根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為：根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型極距變化型、面積變化型和

26、介質(zhì)變化型三種，前兩種應(yīng)三種，前兩種應(yīng)用較廣。用較廣。 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器（1 1）極距變化型）極距變化型極距有一微小變化量極距有一微小變化量d d時，引起電容變化量時，引起電容變化量dCdC為為dAdC20機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器靈敏度為靈敏度為20AddCS結(jié)論：結(jié)論：機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器（2 2）面積變化型）面積變化型機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器a)a)角位移型角位移型電容量電容量靈敏度靈敏度結(jié)論：輸出與輸入成線性關(guān)

27、系。結(jié)論：輸出與輸入成線性關(guān)系。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器b)b)平面線位移型平面線位移型機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器c)c)圓柱體線位移型圓柱體線位移型機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器（3 3）介質(zhì)變化型）介質(zhì)變化型 大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、

28、濕度、容量等。測量溫度、濕度、容量等。圖解：圖解：圖圖3 324a24a，在兩固定極板間的介質(zhì)層的厚度、溫度或濕，在兩固定極板間的介質(zhì)層的厚度、溫度或濕 度發(fā)生變化時，介電常數(shù)變，導(dǎo)致電容量變；度發(fā)生變化時，介電常數(shù)變，導(dǎo)致電容量變；圖圖3 324b24b，電容式液面計，液面位置變動，兩電極侵入，電容式液面計，液面位置變動，兩電極侵入高度變化，電容量變化。高度變化，電容量變化。 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器二、測量電路二、測量電路 電容式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電容量的變化后再由后續(xù)電容式傳感器

29、將被測量轉(zhuǎn)換為電容量的變化后再由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。（1 1）變壓器式交流電橋）變壓器式交流電橋 電容傳感器所用變壓器式交流電橋測量電路如圖電容傳感器所用變壓器式交流電橋測量電路如圖3-3-2121所示，電橋兩臂所示，電橋兩臂C1C1、C2C2為差動式電容傳感器，另外兩臂為差動式電容傳感器，另外兩臂為交流變壓器二次繞組阻抗的一半，即為交流變壓器二次繞組阻抗的一半，即L1L1和和L2L2。電橋的輸。電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后獲得輸出，再出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后獲得輸出，再推動顯示儀表。推動顯示儀表。機械工程

30、測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器圖3-21 變壓器式交流電橋應(yīng)用電路 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器（2 2）直流極化電路）直流極化電路 又稱靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力又稱靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器。傳感器。 組成：組成：彈性膜片、電容器、直流極化電壓彈性膜片、電容器、直流極化電壓E E0 0、高阻值、高阻值電阻電阻R R。 輸出電壓：輸出電壓： 被測量：被測量：測量氣流（或液流）振動速度，進而測其壓測量氣流（或液流）振動速度，進而測其壓力。力。dtdAREdtdREUCg2000機械工程測試技

31、術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器（3 3）調(diào)頻電路）調(diào)頻電路 電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩器的電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩器的諧振頻率諧振頻率f f為：為： 式中式中L L振蕩回路電感。振蕩回路電感。 當被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變當被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再放大后由記錄化，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再放大后由記錄器或顯示儀表指示。器或顯示儀表指示。LCf21機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章

32、第三章 常用傳感器常用傳感器調(diào)頻電路工作原理調(diào)頻電路工作原理 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器(4(4）運算放大電路）運算放大電路 輸出電壓和位移量的關(guān)系：輸出電壓和位移量的關(guān)系：xgCCuu00ACuug000則有則有 式中式中u u0 0信號源電壓；信號源電壓；u ug g運放輸出電壓；運放輸出電壓；c co o固定電容；固定電容；c cx x傳感器等效電容。傳感器等效電容。輸出電壓輸出電壓u uo o與電容傳感器間隙與電容傳感器間隙成正比關(guān)系。成正比關(guān)系。 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器0ugu機械工程測試技術(shù)機械工程

33、測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器三、電容式傳感器的應(yīng)用：三、電容式傳感器的應(yīng)用：電容式傳感器廣泛應(yīng)用在電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位位移、壓力、流量、液位等的測等的測試中。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，高精度試中。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，高精度達達0.01%0.01%電容式傳感器已有商品出現(xiàn)，如一種電容式傳感器已有商品出現(xiàn)，如一種250mm250mm量程的量程的電容式位移傳感器，精度可達電容式位移傳感器，精度可達5m5m。 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器（1 1）電容式測厚儀）電容式測厚儀: : 測量金屬帶材在軋

34、制過程中厚度測量金屬帶材在軋制過程中厚度 C C1 1、C C2 2工作極板與帶材之間形成兩個電容，工作極板與帶材之間形成兩個電容， 其總電容為其總電容為C= CC= C1 1+C+C2 2 。當金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引。當金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉(zhuǎn)起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。換和顯示出帶材的厚度。 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器（2 2）電容式轉(zhuǎn)速傳感器）電容式轉(zhuǎn)速傳感器 當齒輪轉(zhuǎn)動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換當齒輪轉(zhuǎn)動時，電容

35、量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為z z, ,頻率為頻率為f f, ,則轉(zhuǎn)速為則轉(zhuǎn)速為: : min)/ r (zf60n 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器 電感式傳感器是基于電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)原理，它是把原理，它是把被測量被測量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為化為電感量電感量的一種裝置。的一種裝置。分類分類:第四節(jié)、電感式傳感器第四節(jié)、電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型渦流式渦流式互感型互感型機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常

36、用傳感器 1、自感式電感傳感器自感式電感傳感器(或可變磁阻式電感傳感器或可變磁阻式電感傳感器) 自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)是由線圈、鐵心和銜鐵組成，鐵心自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)是由線圈、鐵心和銜鐵組成，鐵心與銜鐵之間留有氣隙，其長度為與銜鐵之間留有氣隙，其長度為，銜鐵與運動部件相連。銜，銜鐵與運動部件相連。銜鐵移動時，由于鐵移動時，由于變化使磁路的磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈變化使磁路的磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈電感量電感量L的變化。將傳感器與測量電路連接后，可將電感量的的變化。將傳感器與測量電路連接后，可將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，實現(xiàn)由非電量到電量的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化

37、，實現(xiàn)由非電量到電量的轉(zhuǎn)換。常用的有變氣隙型、變面積型和螺管型。轉(zhuǎn)換。常用的有變氣隙型、變面積型和螺管型。自感式電感傳感器（變氣隙型）的結(jié)構(gòu)和特性曲線自感式電感傳感器（變氣隙型）的結(jié)構(gòu)和特性曲線 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器由電磁感應(yīng)原理，線圈自感由電磁感應(yīng)原理，線圈自感L L為為N-N-線圈匝數(shù)，線圈匝數(shù)，R Rm m- -磁路總磁阻磁路總磁阻HH-1-1 。當不考慮磁路的鐵損且當氣隙當不考慮磁路的鐵損且當氣隙較小時，則該磁路的總磁阻較小時，則該磁路的總磁阻mRNL2002AAlRm式中式中 l l鐵芯的導(dǎo)磁長度鐵芯的導(dǎo)磁長度(m); (m); 鐵芯磁導(dǎo)

38、率鐵芯磁導(dǎo)率 (H/m);(H/m);A A鐵芯導(dǎo)磁截面積鐵芯導(dǎo)磁截面積,A=a,A=ab(mb(m2 2); ); 氣隙寬氣隙寬(m);(m);0 0空氣導(dǎo)磁率空氣導(dǎo)磁率,0 0=4=41010-7-7(H/m); (H/m); A A0 0空氣隙導(dǎo)磁橫截面積空氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m(m2 2) )(3(328)28)機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器代入代入3 32828，得，得2002ANL 當當A A0 0固定，變化固定，變化時，時，L L與與成非線性變化關(guān)系，此時傳成非線性變化關(guān)系，此時傳感器靈敏度感器靈敏度20022ANddLS鐵心磁阻與空氣氣隙的磁阻

39、相比很小，可忽略，則總磁鐵心磁阻與空氣氣隙的磁阻相比很小，可忽略，則總磁阻阻R Rm m近似為近似為 002ARm靈敏度靈敏度S S與與的平方值成反比，由于不是常數(shù)，因此會產(chǎn)生的平方值成反比，由于不是常數(shù)，因此會產(chǎn)生非線性誤差。非線性誤差。因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍內(nèi)工作。這樣輸出與輸入近似成線性關(guān)系。內(nèi)工作。這樣輸出與輸入近似成線性關(guān)系。實際應(yīng)用中常選取實際應(yīng)用中常選取/0 00.10.1。這種傳感器這種傳感器適宜于測量小位移，一般為適宜于測量小位移，一般為0.0010.0011mm1mm。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳

40、感器常用傳感器2002AWL (1).(1).間隙變化型間隙變化型20022WAdLLSd 間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu) 當當0 、A0固定不變，改變固定不變，改變時，時，L與與呈非線形（雙曲線）關(guān)系，呈非線形（雙曲線）關(guān)系， L L與與的雙曲線關(guān)系的雙曲線關(guān)系 傳感器靈敏度：傳感器靈敏度： L自感式電感傳感器的幾種類型：自感式電感傳感器的幾種類型：機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器2002AWL (2).(2).面積變化型面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu) 當當0 、 固定不變，改變固定不變，

41、改變A0時，時，L與與A0呈線形關(guān)系，呈線形關(guān)系， 傳感器靈敏度傳感器靈敏度 2002WdLSdAL L與與A A0 0的線形關(guān)系的線形關(guān)系=常數(shù)常數(shù)機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器(3).(3).螺線管型螺線管型 當其它參數(shù)不變，僅改變當其它參數(shù)不變，僅改變L L1 1，使，使R Rm m變化，從而變化，從而產(chǎn)生電感的變化。產(chǎn)生電感的變化。 001112AALmRmRWL2機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器(4).(4).差動型差動型變間隙型差動變壓器變間隙型差動變壓器 輸出特性輸出特性傳感器靈敏度傳感器靈敏度 LddLS2機

42、械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器2 2、互感式電感傳感器、互感式電感傳感器n 互感型傳感器的工作原理：互感型傳感器的工作原理： 利用電磁感應(yīng)中的利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象，將被測，將被測位移量位移量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成成線圈互感的線圈互感的變化。變化。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器n傳感器實質(zhì)是一個變壓器傳感器實質(zhì)是一個變壓器，初級線圈接入穩(wěn)定交流電源，初級線圈接入穩(wěn)定交流電源，次級線圈感應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓。次級線圈感應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓。M M變化，副線圈輸出電壓變化。變化，副線圈輸出電壓變化。由于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱由于

43、常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器差動變壓器式傳感器式傳感器。工作原理如圖。工作原理如圖3 32020。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器n差動變壓器式傳感器的優(yōu)點是：差動變壓器式傳感器的優(yōu)點是： 測量精度高，可達測量精度高，可達0.1m0.1m； 線性范圍大，可到線性范圍大，可到100100mmmm； 穩(wěn)定性好，使用方便。穩(wěn)定性好，使用方便。因而被廣泛應(yīng)用于直線位移因而被廣泛應(yīng)用于直線位移, ,或借助彈性元件將壓或借助彈性元件將壓力、重量等參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移變化，實現(xiàn)間接測量。力、重量等

44、參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移變化，實現(xiàn)間接測量。圖圖3-34 差動相敏檢波電路工作圖差動相敏檢波電路工作圖機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器3 3、電渦流式傳感器、電渦流式傳感器n 渦電流式傳感器變換原理：利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流式傳感器變換原理：利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)。n 高頻反射式渦流傳感器工作原理：高頻反射式渦流傳感器工作原理：渦流產(chǎn)生：渦流產(chǎn)生：當線圈中通以一當線圈中通以一交變高頻電流交變高頻電流i i時，會引起時，會引起一一交變磁通交變磁通H H。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應(yīng)感應(yīng)電流電流I I1

45、1，該電流，該電流I I1 1即為渦流。即為渦流。抵抗作用：抵抗作用：根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁交變磁通通H H1 1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即H H1 1將抵抗將抵抗H H的的變化。變化。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器3. 渦流式電感傳感器渦流式電感傳感器 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(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為渦流渦流。 渦流的大小與金屬板

46、的電阻率渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度、厚度t，以及，以及金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。 渦流式電感傳感器可分渦流式電感傳感器可分為為 1）高頻反射式高頻反射式 2）低頻投射式低頻投射式 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(iZZ(1).(1).高頻反射式（高頻反射式（集膚效應(yīng)）集膚效應(yīng)）( )Zf x高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器(2).(2).低頻透

47、射式（互感原理）低頻透射式（互感原理）低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器 e e2 2隨材料厚度增加變化的規(guī)律隨材料厚度增加變化的規(guī)律 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器電渦流式傳感器的測量電路有阻抗分壓式調(diào)幅電路及電渦流式傳感器的測量電路有阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路調(diào)頻電路分壓式調(diào)幅電路原理，它主要包括振蕩器、并聯(lián)諧振分壓式調(diào)幅電路原理，它主要包括振蕩器、并聯(lián)諧振回路、放大器、檢波器及濾波器等。傳感器線圈回路、放大器、檢波器及濾波器等。傳感器線圈L L和電和電容容C C 組成并聯(lián)諧振回路組成并聯(lián)諧振回路4 4、渦流式傳感器的測量電路：、渦流式傳感器的測

48、量電路：圖圖3-36 分壓式調(diào)幅電路原理分壓式調(diào)幅電路原理機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器調(diào)頻電路：調(diào)頻電路：把傳感器線圈接入把傳感器線圈接入LCLC振蕩回路，當金屬導(dǎo)體至傳感器振蕩回路，當金屬導(dǎo)體至傳感器之間的距離之間的距離x x發(fā)生變化時，將引起線圈電感變化，使振蕩發(fā)生變化時，將引起線圈電感變化，使振蕩器的振蕩頻率器的振蕩頻率f f發(fā)生變化，再通過鑒頻器進行頻率發(fā)生變化，再通過鑒頻器進行頻率- -電壓電壓轉(zhuǎn)換，即可得到與位移轉(zhuǎn)換，即可得到與位移x x成比例的電壓信號。成比例的電壓信號。3-3

49、7 調(diào)頻電路的工作原理調(diào)頻電路的工作原理機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器電渦流式傳感器的特點電渦流式傳感器的特點 結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等, 頻率響應(yīng)范圍寬（頻率響應(yīng)范圍寬（0104Hz），能進行動態(tài)非接觸），能進行動態(tài)非接觸測量，測量， 其測量的范圍和精度視傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝其測量的范圍和精度視傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)以及激勵頻率而異，最高分辨力可達數(shù)以及激勵頻率而異，最高分辨力可達0.1m。 近年來渦流式位移和振動測量儀、測厚儀和無損近年來渦流式位移和振動測量儀、測厚儀和無損檢測探傷儀等在工程

50、檢測中得到廣泛應(yīng)用。檢測探傷儀等在工程檢測中得到廣泛應(yīng)用。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器5、渦電流式傳感器應(yīng)用：、渦電流式傳感器應(yīng)用：動態(tài)非接觸測量動態(tài)非接觸測量u渦電流式位移和振動測量儀渦電流式位移和振動測量儀u測厚儀測厚儀u無損探傷無損探傷u徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運動、轉(zhuǎn)速和厚度測量徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運動、轉(zhuǎn)速和厚度測量u零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量徑向振動測量 軸心軌跡測量 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器轉(zhuǎn)速測量 零件計數(shù)器 表面裂紋測量 穿透式測厚 機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章

51、第三章 常用傳感器常用傳感器第五節(jié)第五節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型換能器。壓電式傳感器是一種可逆型換能器。l 機械能機械能電能：可用來測量力、壓力、加速度等；電能：可用來測量力、壓力、加速度等；l 電能電能機械能：可用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚聲器機械能：可用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚聲器等。等。主要優(yōu)點：主要優(yōu)點：l 體積??；體積小；l 重量??；重量小；l 固有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍固有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍0.120kHz) ；l 靈敏度高（加速度傳感器，可測靈敏度高（加速度傳感器，可測10102 210105 5m ms s-2-2、力

52、傳感器，、力傳感器，分辨力達分辨力達10103 3N N）。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器1 1、壓電效應(yīng)、壓電效應(yīng) 定義：定義： 某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等晶體，當受到外某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等晶體，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部會產(chǎn)生極力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部會產(chǎn)生極化作用，從而會在晶體的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷，形成電場?；饔?，從而會在晶體的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷，形成電場。當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，晶體的這一性質(zhì)當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，晶體的這一性質(zhì)稱為壓電效應(yīng)。稱為壓電效應(yīng)。說明

53、：說明： 壓電效應(yīng)可逆：當壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸壓電效應(yīng)可逆：當壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為也會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的晶體稱之為壓電晶體，具有壓電效應(yīng)的晶體稱之為壓電晶體， 如石英、鈦酸鋇（如石英、鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（）、鋯鈦酸鉛（PZT）等。）等。 天然壓電晶體例如石英、電氣石、閃鋅礦等。不易獲天然壓電晶體例如石英、電氣石、閃鋅礦等。不易獲得、價格昂貴。石英晶體是常用的壓電材料之一。得、價格昂貴。石英晶體是常用的壓電材料之一。 人造晶體，如酒石酸鉀鈉（羅謝耳鹽）、磷酸二氫銨、人造晶體，如酒石酸鉀鈉

54、（羅謝耳鹽）、磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀、酒石酸乙二鉀、硫酸鋰等磷酸二氫鉀、酒石酸乙二鉀、硫酸鋰等。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器下面以石英晶體為例，介紹壓電效應(yīng)下面以石英晶體為例，介紹壓電效應(yīng) 石英晶體的化學(xué)成分是石英晶體的化學(xué)成分是SiO2，是單晶體，兩端為一對稱的棱錐，如圖，是單晶體，兩端為一對稱的棱錐，如圖3-41a所所示石英晶體是各向異性材料，可用示石英晶體是各向異性材料，可用x、y、z軸來描述，如圖軸來描述，如圖3-41b所示所示。zyxOzxyOzxybacz軸是稱為光軸，沿該方向受力不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)；軸是稱為光軸，沿該方向受力不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)；x

55、軸是經(jīng)過六面體的棱線并垂直于軸是經(jīng)過六面體的棱線并垂直于z軸的軸線，稱為電軸又稱軸的軸線，稱為電軸又稱 “縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”y軸是與軸是與x、z軸垂直的軸線，稱為機械軸，又稱軸垂直的軸線，稱為機械軸，又稱 “橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器xyzFxFxxyzFxFxxyzFyFyxyzFyFy機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器2 2、壓電材料、壓電材料 單晶壓電晶體單晶壓電晶體，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀鈉）、硫酸鋰、磷酸二氫銨等；鈉）、硫酸鋰、磷酸二氫銨

56、等； 特點特點: :石英壓電常數(shù)不高，但具有較好的機械強度和石英壓電常數(shù)不高，但具有較好的機械強度和溫度、時間穩(wěn)定性，其他壓電單晶的壓電常數(shù)為石英溫度、時間穩(wěn)定性，其他壓電單晶的壓電常數(shù)為石英的的2.52.53.53.5倍，但價格較高。倍，但價格較高。 多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛（酸鉛（PZTPZT）等；）等； 組成：鐵電體微晶（指某些存在自發(fā)極化的特點晶體），組成：鐵電體微晶（指某些存在自發(fā)極化的特點晶體），微晶再細分為電疇，壓電陶瓷可視為多疇晶體。微晶再細分為電疇，壓電陶瓷可視為多疇晶體。 特點：壓電陶瓷的壓電常數(shù)比單晶

57、體高的多，一般比石特點：壓電陶瓷的壓電常數(shù)比單晶體高的多，一般比石英高數(shù)百倍。英高數(shù)百倍。 有機壓電薄膜有機壓電薄膜。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器 PVDF PVDF壓電薄膜壓電薄膜l 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2）是壓電效應(yīng)較強的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜）是壓電效應(yīng)較強的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)

58、則排列，并在與分抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當在膜厚方向加直流高壓電場極化后，子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、靈敏度高、頻帶寬。面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、靈敏度高、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(

59、PVF2 PZT)。l 應(yīng)用應(yīng)用 ：l 人體接觸安全舒適，聲阻抗接近人體肌肉，適宜作生物醫(yī)學(xué)工程的傳感器元人體接觸安全舒適，聲阻抗接近人體肌肉，適宜作生物醫(yī)學(xué)工程的傳感器元件。件。l PVDF血壓傳感器：圓柱體縱切形狀，與上腕部動脈溝吻合，使用方便。血壓傳感器：圓柱體縱切形狀，與上腕部動脈溝吻合，使用方便。l 機器人觸覺傳感器：同時具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)，薄膜柔軟，做成大面機器人觸覺傳感器：同時具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)，薄膜柔軟，做成大面積傳感陣列器件。積傳感陣列器件。機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù)第三章第三章 常用傳感器常用傳感器 對壓電材料特性要求：對壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能。要求

60、具有較大壓電常數(shù)。轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。 機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。率。 電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應(yīng)性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較環(huán)境適應(yīng)性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。 時間穩(wěn)定性