機(jī)械測試工程技術(shù)第四章

第4章常用傳感器4.1概述4.2電阻傳感器

4.3電容傳感器4.4電感傳感器4.5磁電傳感器4.6壓電傳感器4.7磁敏傳感器4.8傳感器選用原則▼▼▼▼▼▼▼▼4.1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(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。狹義上，非電信號電信號。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(guān)傳感器）；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(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號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(zhuǎn)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(yīng)變片.能量傳遞型:從某種能量發(fā)生器與接受器進(jìn)行能量傳遞過程中實現(xiàn)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3.傳感器的性能要求工作范圍或量程應(yīng)足夠大，具有一定的過載能力與檢測系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高反應(yīng)速度快，工作可靠性高適應(yīng)性和適用性強(qiáng)4.常見的被測物理量機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),

質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)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▲電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)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(yīng)變式變阻器式光敏式濕敏式4.2電阻式傳感器1.可調(diào)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()2.應(yīng)變式電阻傳感器絲式應(yīng)變片

箔式應(yīng)變片

(1).應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。應(yīng)變片受力

應(yīng)變

比例關(guān)系

比例關(guān)系

應(yīng)變片電阻的變化

(2).工作原理式中，ρ——導(dǎo)線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)：當(dāng)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(xì)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。S由兩部分組成：前一部分(1+2μ)是由金屬導(dǎo)線的幾何變形引起的；后一部分λE除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。μ：泊松系數(shù)，E:彈性模量，ε:縱向應(yīng)變，λ:壓阻系數(shù)

推導(dǎo)<1>金屬應(yīng)變片（不變）金屬應(yīng)變計<2>

半導(dǎo)體應(yīng)變片（變化）半導(dǎo)體應(yīng)變計(3).應(yīng)變片的主要參數(shù)

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

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

(4).金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片有:

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(shù)小.應(yīng)變計(5).半導(dǎo)體應(yīng)變片優(yōu)點：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。應(yīng)變計體型薄膜型擴(kuò)散型立柱應(yīng)力

橋梁應(yīng)力

(6).應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用

德國HBM電阻應(yīng)變式傳感器

質(zhì)量傳感器

位移傳感器

加速度計

壓力傳感器

壓力傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器

3.其他電阻傳感器

(1).熱電阻傳感器

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

電阻的變化溫度檢測:-200℃～+500℃(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(guān)系是指數(shù)關(guān)系

溫度為-50℃～＋350℃

(3).光敏電阻傳感器

(4).濕敏電阻傳感器

▲4.3電容式傳感器

1.變換原理

將被測物理量的變化轉(zhuǎn)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(dāng)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(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。2.分類

a)極距變化型+++c)介質(zhì)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

平板電容器傳感器靈敏度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c)介質(zhì)變化型介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖d)等。4.電容式傳感器的應(yīng)用振動測量

旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測量

電容式氫液高度傳感器

紗條均勻度測試儀

▲4.4電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)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1.可變磁阻式(自感型)原理:電磁感應(yīng)W:線圈匝數(shù)；L1:軟鐵長度；μ1：軟鐵磁導(dǎo)率；μ0：空氣磁導(dǎo)率A1：鐵芯導(dǎo)磁截面A0：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵(1).間隙變化型間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)

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

傳感器靈敏度：(2).面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)當(dāng)μ0、δ

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

當(dāng)金屬板置于變化磁場中或者在磁場中運(yùn)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，稱為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)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(shù)有關(guān)。渦流式電感傳感器可分為1）高頻反射式2）低頻投射式原線圈的等效阻抗Z變化：(1).高頻反射式（集膚效應(yīng)）高頻反射式渦流傳感器δ(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4.渦流式傳感器的應(yīng)用案例：位移、振幅、軸心軌跡的測量徑向振動的測量構(gòu)件振幅的測量構(gòu)件振型的測量軸心軌跡的測量其中，n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率；z為轉(zhuǎn)軸上的槽數(shù)或齒數(shù)。案例:轉(zhuǎn)速的測量案例：測厚案例：零件計數(shù)案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：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3.變壓器式--差動變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.應(yīng)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(fù)荷量;扭矩,應(yīng)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▲4.5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(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e為

磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。

2.分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N3.動圈式傳感器

W:線圈的匝數(shù);

l:每匝線圈的有效長度；B:線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；A:每匝線圈的截面積；θ:線圈運(yùn)動方向與磁場方向的夾角；k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)。4.磁阻式傳感器

5.磁電傳感器的應(yīng)用測速電機(jī)磁電式測速傳感器測頻數(shù)測轉(zhuǎn)速偏心測量振動測量▲4.6壓電傳感器

1.變換原理

某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)式中，q為電荷[量]；D為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；F為作用力。q=DFea：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:輸入電容其中，Cc:分布電容；Ri:輸入電阻；Ra:漏電阻；Ci:輸入電容；D為壓電常數(shù)。(1)ω足夠高時，才可能測試不失真；(2)ω足夠高時，輸出不受Ri的影響；壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號很弱小，因此要進(jìn)行處理：(1)放大微弱的壓電信號(2)進(jìn)行阻抗匹配

電壓放大器電荷放大器(1).