机械测试工程技术第四章

1、武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器1第第4章章 常用传感器常用传感器4.1 概概 述述4.2 电阻传感器电阻传感器 4.3 电容传感器电容传感器4.4 电感传感器电感传感器4.5 磁电传感器磁电传感器4.6 压电传感器压电传感器4.7 磁敏传感器磁敏传感器4.8 传感器选用原则传感器选用原则武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器24.

2、1 概概 述述1. 传感器传感器(Sensor)定义定义 传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成组成(GB766-87)(GB766-87)。 狭义上，狭义上，非电信号非电信号 电信号电信号。武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器3将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。将物理量变换成电信号的变化（

3、水位、压力等）。获得传感器信号的两种方法获得传感器信号的两种方法直接获得电信号的变化（开关传感器）；直接获得电信号的变化（开关传感器）；在非电量电测系统中的作用在非电量电测系统中的作用F 敏感作用敏感作用：感受并拾取被测对象的信号感受并拾取被测对象的信号F变换作用变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理被测信号转换成易于检测和处理 的电信号的电信号武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器42. 传感器的分类传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类(2)

4、(2)按传感器元件的变换原理分类按传感器元件的变换原理分类位移传感器位移传感器, ,流量传感器流量传感器, ,温度传感器等温度传感器等. .电阻式电阻式, ,电容式电容式, ,电感式电感式, ,压电式压电式, ,光电式等光电式等. .能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :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. . 例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .能量传递型能量传递型: :从

5、某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现 敏感检测敏感检测. . 例如例如: :超声波发生器和接受器超声波发生器和接受器. .(3)(3)按传感器的能量传递方式分类按传感器的能量传递方式分类武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器53. 传感器的性能要求传感器的性能要求 工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力 与检测系统匹配性好，转换灵敏度高与检测系统匹配性好，转换灵敏度高

6、 精度适当，稳定性高精度适当，稳定性高 反应速度快，工作可靠性高反应速度快，工作可靠性高 适应性和适用性强适应性和适用性强武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器64. 常见的被测物理量常见的被测物理量 机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, ,旋转角旋转角, ,转数转数, , 质量质量, ,重量重量, ,力力, ,压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ; 声声: :

7、声压声压, ,噪声噪声. . 磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. . 温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. . 光：光： 亮度，色彩亮度，色彩武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器7电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为是把被测量转换为电阻变化电阻变化的一种传感器。的一种传感器。按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :F热敏式热敏式F电阻应变式电阻应变式F变阻器式变阻器式F光敏式光敏式F湿敏式湿敏式AlR4.2 电阻式传感器电阻式传感器武汉纺

8、织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器81.可调电位器可调电位器0OUTINAREER 为输出电压为输出电压(V)(V)； 为外加固定电压为外加固定电压(V) ;(V) ; 为材料的总电阻为材料的总电阻( ); 为固定端至滑块的电阻为固定端至滑块的电阻( ) ( ) OUTEINEAR0R武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器92.应变式电阻传

9、感器应变式电阻传感器丝式应变片丝式应变片 箔式应变片箔式应变片 AlR武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器10(1).(1).应变效应应变效应AlR导体或半导体在外力作用下产生导体或半导体在外力作用下产生机械变形机械变形而引起导体或而引起导体或半导体的半导体的电阻值发生变化电阻值发生变化的物理现象称为的物理现象称为应变效应应变效应。 传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量应变量转换成转换成电阻变化量电阻变化量的传

10、感元件。的传感元件。 应变片受力应变片受力 应变应变 比例关系比例关系 比例关系比例关系 应变片电阻的变化应变片电阻的变化 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器11(2).(2).工作原理工作原理AlR式中，式中，导线的电阻率，又称为电阻系数导线的电阻率，又称为电阻系数 金属导线的金属导线的应变电阻效应应变电阻效应： 当金属丝由于受到轴向力当金属丝由于受到轴向力P P而伸长时，长度增长，截面积减而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而

11、缩短，即小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器12SERdR)21 (S S由两部分组成：由两部分组成： 前一部分前一部分(1+2)(1+2)是由金属导线的是由金属导线的几何变形几何变形引起的；引起的； 后一部分后一部分EE除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。本身的特性有关。 ：泊松系数，

12、泊松系数，E:E:弹性模量，弹性模量，: :纵向应变，纵向应变，:压阻系数压阻系数 推导推导AlR武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器13 金属应变片（金属应变片（ 不变）不变）金属应变计金属应变计 半导体应变片（半导体应变片（ 变化）变化）半导体应变计半导体应变计(12 )1.7 3.6dRRS 60 170dRERS SERdR)21 (武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械

13、工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器14(3). (3). 应变片的主要参数应变片的主要参数 1) 几何参数：表距几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用 bL 表示。表示。 2) 电阻值：应变计的原始电阻值。电阻值：应变计的原始电阻值。 3) 灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4) 其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan

14、Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器15(4).(4).金属电阻应变片金属电阻应变片 金属电阻应变片有金属电阻应变片有: 1、丝式丝式 2、箔式箔式 3、薄膜式薄膜式 优点优点:稳定性和温度稳定性和温度特性好特性好. 缺点缺点:灵敏度系数小灵敏度系数小.应变计武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器16(5).(5).半导体应变片半导体应变片 优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大; ;体积小体积小; ;能

15、能制成具有一定应变电阻的元件制成具有一定应变电阻的元件. . 缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不温度稳定性和可重复性不如金属应变片如金属应变片。应变计体型体型薄膜型薄膜型扩散型扩散型武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器17立柱应力立柱应力 桥梁应力桥梁应力 (6).(6).应变式电阻传感器的应用应变式电阻传感器的应用 德国德国HBMHBM电阻应变式传感器电阻应变式传感器 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile Unive

16、rsity机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器18质量传感器质量传感器 位移传感器位移传感器 加速度计加速度计 压力传感器压力传感器 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器19压力传感器压力传感器 转矩传感器转矩传感器 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器20 3.其他电阻传感器其他电阻传感器 (1).(1)

17、.热电阻传感器热电阻传感器 利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。阻效应制成的传感器。 温度(热量)的变化电阻的变化 温度检测温度检测 :-200+500武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器21(2).(2).热敏电阻传感器热敏电阻传感器 圆形热敏电阻圆形热敏电阻 柱形热敏电阻柱形热敏电阻 珠形热敏电阻珠形热敏电阻 热敏电阻在电路中的符号热敏电阻在电路中的符号 非线性元件非线性元件: :它的

18、温度它的温度- -电阻关系是指数关系电阻关系是指数关系 温度为温度为-50-50350350 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器22(3).(3).光敏电阻传感器光敏电阻传感器 (4).(4).湿敏电阻传感器湿敏电阻传感器 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器234.3 电容式传感器电容式传感器 1. 变换原理变换原理 将被测物理量

19、的变化转化为电容量变化。将被测物理量的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AC+A 当被测量当被测量、A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器242. 分类

20、分类 a) a) 极距变化型极距变化型+c) c) 介质变化型介质变化型b)b)面积变化型面积变化型: :平面线位移型平面线位移型, ,角位移型角位移型, , 柱面线位移型柱面线位移型AC武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器253. 灵敏度灵敏度 a) a) 极距变化型极距变化型AC dAdC2传感器的灵敏度近似为：传感器的灵敏度近似为：00,0002,0CCCdCASd 变极距电容传感器变极距电容传感器 平板电容器平板电容器 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织

21、大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器26传感器灵敏度传感器灵敏度b)b)面积变化型面积变化型a)a)直线位移型直线位移型 bxC 常数bdxdCS直线位移型直线位移型b)b)角位移型角位移型 22rC 传感器传感器灵敏度灵敏度 常数22rddCS角位移型角位移型武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器27c)c)介质变化型介质变化型介质常数变化型电容式传感器介质常数变化型电

22、容式传感器大多用于测量电介质的厚度大多用于测量电介质的厚度( (图图a)a)、位移、位移( (图图b)b)、液位、液位( (图图c) c) 根据极板介质的介电常数随根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量来测量温度、湿度、容量( (图图d)d)等等 。武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器284.电容式传感器的应用电容式传感器的应用振动测量振动测量 旋转轴的偏心量的测量旋转轴的偏心量的测量 武汉纺织大学机械与

23、自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器29电容式氢液高度传感器电容式氢液高度传感器 纱条均匀度测试仪纱条均匀度测试仪 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器304.4 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应电磁感应原理，它是把原理，它是把被测量被测量转转化为化为电感量电感量的一种装置。的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式

24、传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器311. 可变磁阻式可变磁阻式(自感型自感型)001112AALmR原理原理: :电磁感应电磁感应 W: W:线圈匝数；线圈匝数； L L1 1: :软铁长度；软铁长度；1 1：软铁磁导率；软铁磁导率；0 0：空气磁导率：空气磁导率A A1 1：铁芯导磁截面：铁芯导磁截面A A0 0：空气导磁截面：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理可变磁阻式传感器基本原理 1 1线

25、圈线圈 2. 2. 铁芯铁芯 3. 3. 衔铁衔铁 mRWL22002AWL 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器322002AWL (1).(1).间隙变化型间隙变化型20022WAdLLSd 间隙变化型可变磁阻式传感器结构间隙变化型可变磁阻式传感器结构 当当0 、A0固定不变，改变固定不变，改变时，时，L与与呈非线形（双曲线）关系，呈非线形（双曲线）关系， L L与与的双曲线关系的双曲线关系 传感器灵敏度：传感器灵敏度： L武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织

26、大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器332002AWL (2).(2).面积变化型面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构面积变化型可变磁阻式传感器结构 当当0 、 固定不变，改变固定不变，改变A0时，时，L与与A0呈线形关系，呈线形关系， 传感器灵敏度传感器灵敏度 2002WdLSdAL L与与A A0 0的的线形关系线形关系=常数常数武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传

27、感器34(3).(3).螺线管型螺线管型 当其它参数不变，仅改变当其它参数不变，仅改变L L1 1，使，使R Rm m变化，从而变化，从而产生电感的变化。产生电感的变化。 001112AALmRmRWL2武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器35(4).(4).差动型差动型变间隙型差动变压器变间隙型差动变压器 输出特性输出特性传感器灵敏度传感器灵敏度 LddLS2武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University

28、机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器362. 涡流式电感传感器涡流式电感传感器 当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流涡流。 涡流的大小与金属板的电阻率涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、磁导率、厚度、厚度t，以及，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。 涡流式电感传感器可分涡流式电感传感器可分为为 1）高频反射式高频反射式 2）低频投射式低频投射式

29、 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器37原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(iZZ(1).(1).高频反射式（高频反射式（集肤效应）集肤效应）( )Zf x高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器38(2).(2).低频透射式（互感原理）低频透射式（互感原理）低频透射式涡流传

30、感器低频透射式涡流传感器 e e2 2随材料厚度增加变化的规律随材料厚度增加变化的规律 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器394.4.涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量径向振动的测量径向振动的测量 构件振幅的测量构件振幅的测量 构件振型的测量构件振型的测量 轴心轨迹的测量轴心轨迹的测量 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程

31、测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器4060fnz其中，其中，n为转轴的转速；为转轴的转速；f为脉冲频率；为脉冲频率；z为转轴上的槽数或为转轴上的槽数或齿数。齿数。案例案例: :转速的测量转速的测量武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器41案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器

32、常用传感器42案例：案例： 连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器43案例：案例： 无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器44

33、3. 变压器式变压器式-差动变压器差动变压器工作原理工作原理:互感现象互感现象.武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器45应用应用: : 厚度厚度, ,角度角度, ,表面粗糙度表面粗糙度; ;拉伸拉伸, ,压缩压缩, ,垂直度垂直度; ; 压力压力, ,流量流量, ,液位液位; ;张力张力, ,重力重力, ,负荷量负荷量; ;扭矩扭矩, , 应力应力, ,动力动力; ;气压气压, ,温度温度; ;振动振动, ,速度速度, ,加速度加速度; ;等等. .案例：案例：板

34、的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器464.5 磁电传感器磁电传感器 1. 变换原理变换原理 磁电式传感器是把被测量的磁电式传感器是把被测量的物理量物理量转换为转换为感应电动感应电动势势的一种转换器。的一种转换器。),(,cos,mdtddtdRBSBNU感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素

35、，都会改变线圈的感应电动势。改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 ddeWt 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器472. 分类分类 磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N),(,cos,mdtddtdRBSBNUddeWt 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器483. 动圈式传感器动圈式传感器 kWBAeWBlvesinW:W

36、:线圈的匝数线圈的匝数; ; l: :每匝线圈的有效长度；每匝线圈的有效长度；B:B:线圈所在磁场的磁感应强度；线圈所在磁场的磁感应强度；A:A:每匝线圈的截面积；每匝线圈的截面积；:线圈运动方向与磁场方向的夹角；线圈运动方向与磁场方向的夹角；k:k:传感器的结构系数。传感器的结构系数。 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器494. 磁阻式传感器磁阻式传感器 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机

37、械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器505. 磁电传感器的应用磁电传感器的应用 测速电机测速电机磁电式测速传感器磁电式测速传感器武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器51测频数测频数 测转速测转速 偏心测量偏心测量 振动测量振动测量 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器524.6 压电传感器压电传感器 1. 变

38、换原理变换原理 某些物质，如石英，当某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为原来的状态，这种现象称为压电效应压电效应。武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器53压电效应压电效应式中，式中，q为电荷为电荷量量；D为为压电常数，与材质及切片压电常数，与材质及切片方向有关；方向有

39、关；F为作用力。为作用力。 q=DF武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器54aaqeCea：开路电压；开路电压；q:压电晶片表面上的电荷；压电晶片表面上的电荷；Ca 为压电晶片的电容。为压电晶片的电容。2. 测量电路测量电路 等效电荷源等效电荷源 Cc:分布电容；分布电容；Ri:输入电阻；输入电阻；Ra:漏电阻；漏电阻；Ci:输入电容输入电容武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械

40、工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器55icaCCCC)sin(111020tFCRCDei其中，其中，Cc:分布电容；分布电容；Ri:输入电阻；输入电阻；Ra:漏电阻；漏电阻；Ci:输入电容；输入电容；D为压电为压电常数。常数。01CRtFFsin010CRiaiaRRRRR0(1) 足够高时，才可能测试不失真；足够高时，才可能测试不失真；(2) 足够高时，输出不受足够高时，输出不受Ri的影响；的影响；武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器56压电式传感器

41、输出电荷压电式传感器输出电荷q很少，内阻很少，内阻Ra很大，输出信号很很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：弱小，因此要进行处理： (1) 放大放大微弱的压电信号微弱的压电信号 (2) 进行进行阻抗匹配阻抗匹配 电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器 (1).(1).主要作用主要作用武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器57放大器的输入电压：放大器的输入电压： icaiCCCqe系统的输出电压为：系统的输出电压为： 系统的灵敏度为：系统的灵敏度为： icaCCC

42、ASicaiyCCCqAeAe当电缆长度变化当电缆长度变化时，时，Cc变化，变化， ei变化，系统的灵变化，系统的灵敏度发生变化，敏度发生变化，此时测试比较困此时测试比较困难难 (2).(2).电压放大器电压放大器武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器58qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf ffyKCCCKqe)(fyffCqethenCCKCIf )( ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推导推导fCS1(

43、3).(3).电荷放大器电荷放大器武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器593. 压电传感器的应用压电传感器的应用压力变送器压力变送器加速度计，力传感器加速度计，力传感器 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器60压电式压力传感压电式压力传感 压电式压力传感器特性压电式压力传感器特性 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学

44、院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器61阻抗头的结构原理图阻抗头的结构原理图 阻抗头的安装结构阻抗头的安装结构 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器62武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器634.7 磁敏传感器磁敏传感器1.半导体霍尔元件半导体霍尔元件霍尔效

45、应霍尔效应 当半导体中流过一个电流时，若在与该电流垂直的方当半导体中流过一个电流时，若在与该电流垂直的方向上外加一个磁场，则在与电流及磁场分别成直角的方向向上外加一个磁场，则在与电流及磁场分别成直角的方向上会产生一个电压。这种现象也称为霍尔效应上会产生一个电压。这种现象也称为霍尔效应 。 霍尔效应原理图霍尔效应原理图 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器64半导体霍尔元件的结构半导体霍尔元件的结构 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan

46、 Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器65半导体磁敏电阻半导体磁敏电阻 半导体磁敏电阻的结构半导体磁敏电阻的结构( (蛇形元件蛇形元件) ) 利用磁场造成的电利用磁场造成的电流偏转使元件阻抗增加流偏转使元件阻抗增加这种特点制成的双端磁这种特点制成的双端磁敏传感器。敏传感器。 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器66磁性体磁敏电阻磁性体磁敏电阻 利用强磁材料利用强磁材料的磁场异向性制成的磁场异向性制成的

47、磁敏元件。的磁敏元件。磁性体磁敏电阻的结构磁性体磁敏电阻的结构 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器67电磁感应型磁敏传感器电磁感应型磁敏传感器 原理：原理：范围：范围：法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 只能检测交流磁只能检测交流磁场，不能检测直流场，不能检测直流磁场磁场 电磁感应型磁敏传感器电磁感应型磁敏传感器 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章

48、常用传感器常用传感器682. 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用 电流计 磁感应开关 磁敏电位器 霍尔电动机 纸币及预付卡识别设 卡形电流计的结构卡形电流计的结构 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器69霍尔电动机的结构示意图霍尔电动机的结构示意图 霍尔电动机等效电路霍尔电动机等效电路 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器704.8 传

49、感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 1. 灵敏度灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。度时，要考虑以下几个问题。 a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题； b)b)量程范围。量程范围。 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第

50、4章章 常用传感器常用传感器713 3 响应特性响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不不失真失真的测量条件。的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。总希望延迟的时间越短越好。 2 2 线性范围线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围在线性范围内输出与输入成比例关系内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证器的工作量程愈大。传

51、感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。测量精度的基本条件。 武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器724 4 稳定性稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。与环境。5 5 精确度精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。应程度。 6 6

52、测量方式测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。在线与非在线测量等。武汉纺织大学机械与自动化学院武汉纺织大学机械与自动化学院Wuhan Textile University机械工程测试技术机械工程测试技术第第4章章 常用传感器常用传感器73 应变片受力后，电阻的变化应变片受力后，电阻的变化dRdR dAARdRdLLRdRALR则则dAALdALdLAdR2两边同除以两边同除以R，同时，同时R=L/A，则，则AdAdLdLRdRdL/L=金属导线长度的相对变化，称金属导线长度的相对变化，称纵向应变纵向应变。d/导线电阻