07 工程测试技术 第三章 传感器原理及应用

1、11:28,1,第3章 传感器原理及应用基础,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器原理 3.了解传感器测量电路,工程测试技术,11:28,2,第3章 传感器原理及应用基础,上讲小结,1. 传感器定义：信息转换装置,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。如：温度、压力、位移等,11:28,3,2. 传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件包括对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以

2、及壳体、导线等。 一体化传感器,上讲小结,11:28,4,3. 传感器的分类,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量 机械量:长度,厚度;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,上讲小结,11:28,5,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.,上讲小结,11:28,6,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银

3、温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,上讲小结,11:28,7,上讲小结,3.2 电阻式传感器,应变式,热电阻式,光敏电阻,磁敏电阻,气敏电阻,变阻器式,金属应变片半导体应变片,热电阻 半导体 双金属 (热电偶),第3章 传感器原理及应用基础,11:28,8,本讲内容,3.4 电感式传感器,涡流式,互感式,可变磁阻式,3.3 电容式传感器,面积变化型,介质变化型,极距变化型,第3章 传感器原理及应用基础,11:28,9,第3章 传感器原理及应用基础,3.3 电容式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容

4、量为： 0为真空中介电常数，为极板间介质的相对介电常数,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,11:28,10,3.3 电容式传感器,a)极距变化型,11:28,11,电容量C与极距呈非线性关系,3.3 电容式传感器,传感器灵敏度：,传感器优点：可进行动态非接触式测量，对被测系统影响小，适用于较小位移的测量(0.01m-数百m) 传感器缺点：非线性特性，杂散电容对灵敏度和测量精确度有影响，后级处理电路较复杂，使用范围受限。,11:28,12,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是

5、体积小、性能优越、使用方便。,3.3 电容式传感器,11:28,13,b)面积变化型,3.3 电容式传感器,11:28,14,平面线位移型 b为极板宽度,3.3 电容式传感器,11:28,15,柱面线位移型.,3.3 电容式传感器,面积变化型电容传感器优点：输入与输出成线性关系，与极距变化型相比，灵敏度较低。 适用于较大直线位移和角位移测量。,11:28,16,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,3.3 电容式传感器,11:28,17,c) 介质变化型,3.3 电容式传感器,11:28,18,3. 4 电容式传感器,c) 介质变化型应用举例,介质温度湿

6、度计,液位计,11:28,19,3.3 电容式传感器,c) 介质变化型应用举例-电容测厚仪,C= C1+C2 电容的变化反映带材的厚度变化,11:28,20,3.3 电容式传感器,11:28,21,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,3.3 电容式传感器,11:28,22,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,3.3 电容式传感器,11:28,23,3 测量电路,a)电桥电路,3.3 电容式传

7、感器,相敏检波又称相敏整流。其特点是相敏检波的解调输出既能反映调制信号电压的幅值,又能反映调制信号电压的极性。,11:28,24,b) 谐振电路,3.3 电容式传感器,11:28,25,d) 运算放大器电路,3.3 电容式传感器,11:28,26,3.3 电容式传感器,11:28,27,第3章、传感器原理及应用基础,3.4 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,11:28,28,3.4 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,为气隙；0为空气磁导率；A0为气隙导磁截面积 。,L与呈非线性关系，适用于较小位移的测量

8、0.001-1mm。,11:28,29,3.4 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,为气隙；0为空气磁导率；A0为气隙导磁截面积 。,L与A0成线性关系，灵敏度较低 。,衔铁移动，变化，灵敏度提高了一倍 ，改变了线性特性。,11:28,30,3.4 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,为气隙；0为空气磁导率；A0为气隙导磁截面积 。,单螺管线圈型 铁心运动,改变磁阻,L变化。 结构简单，制造容易，灵敏度低，适于较大位移(数毫米)测量,双螺管线圈型 铁心运动,改变磁阻,L变化。 灵敏度较高，适于电感测微计，常用测量范围2mm，分辨力0.5 m,11:28,31

9、,电感式接近传感器（金属）,3.4 电感式传感器,11:28,32,教学用低成本四线制无二次仪表传感器,3.4 电感式传感器,11:28,33,2 涡流式,原理:涡流效应 线圈高频交变电流，产生磁通，金属板产生感应电流(涡电流),3.4 电感式传感器,11:28,34,原线圈的等效阻抗Z变化：,3.4 电感式传感器,线圈与金属板间距离，金属板的电阻率，磁导率线圈激磁圆频率,11:28,35,原线圈的等效阻抗Z变化：,3.4 电感式传感器,线圈与金属板间距离，金属板的电阻率，磁导率线圈激磁圆频率,适用：可用于动态非接触测量，测量范围1mm - 10mm,与传感器结构尺寸，线圈匝数和激磁频率有关,可到1m. 优点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。 涡流式位移、振动测量仪，无损探伤仪等。,11:28,36,3.4 电感式传感器,例：P58 电涡流转速传感器,例：电涡流传感器厚度测量,11:28,37,3.4 电感式传感器,例：电涡流传感器零件计数,11:28,38,产品：,3.4 电感式传感器,11:28,39,案例：连续油管的椭圆度测量,3.4 电感式传感器,11:28,40,案例：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,3.4 电感式传感器,11:28,41,2 互感型-差