机械工程测试技术常用传感器与敏感元件学习教案

1、会计学1机械工程测试技术机械工程测试技术(jsh)常用传感器与敏常用传感器与敏感元件感元件第一页，共60页。第二节 机械式传感器 敏感(mngn)组件： 弹性体 输入：力，压力，温度等 输出： 弹性组件本身的变形 特点： 简单、可靠、使用方便，价低， 读 数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜： 检测缓变或静态被测量 敏感元件：直接(zhji)感受被测物理量弹性后效是指载荷在停止变化之后(zhhu)，弹性元件在一段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间缓慢增长的现象第1页/共59页第二页，共60页。第2页/共59页第三页，共60

2、页。微型探测(tnc)开关可探测物体有无(yu w)、位置、尺寸、运动状态等第3页/共59页第四页，共60页。第三节 电阻(dinz)式传感器一、变阻器式传感器位移(wiy)电阻变化 AlR被测量 - 电阻变化转化为电阻传感器 变阻器式 电阻应变式 直线位移型传感器 角位移型传感器 非线性型 金属电阻应变片 半导体应变片 丝式 箔式 第4页/共59页第五页，共60页。直线位移型 灵敏度： 常lkdxdRs输入：x(位移) 输出：R(电阻) 测：直线位移 角位移型 常kddRs输入：角位移 输出：阻值R 测：角位移 非线性型 骨架按要求定 第5页/共59页第六页，共60页。若被测量(cling)

3、： )(xf要求(yoqi)： 2)(kxxf为使输出(shch)的阻值： 2)()(ckxxcfxR骨架当触点在x处时： xkcxdxxrxR02)()()(xr：任一位置微小区间内的电阻 ( )2r xkcxKx所以:骨架形状应为三角形 第6页/共59页第七页，共60页。后接电路(dinl)：电阻分压电路(dinl)0()(1)ypPLpuuxRxxRxPLRR 0ypuuxx时 m20变阻器式传感器的优点： 简单、性能稳定(wndng)、使用方便缺点：分辨力低，20微米， 噪音较大应用：测线位移，角位移 第7页/共59页第八页，共60页。 应用(yngyng)案例1：重量(zhnglin

4、g)的自动检测-配料设备设定值原材料 比较电阻(dinz)式传感器原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化第8页/共59页第九页，共60页。二电阻应变式传感器 应用(yngyng)：测应变、力、位移、加速度、扭矩等 特点：体积小、动态响应快、精度高、使用方便（一）金属电阻(dinz)应变片传感器 工作(gngzu)原理：应变片发生机械变形时引起电阻值变化应变片工作(gngzu)时：粘固在被测物表面上或弹性体上丝式 箔式 丝式：康铜或镍铬合金直径0.025mm第9页/共59页第十页，共60页。几何参数(cnsh)：栅长L和栅宽b，制造厂常用bL表示。第10页/共59页第十一页，

5、共60页。第11页/共59页第十二页，共60页。箔式：线条(xintio)均匀，尺寸准确，粘结情况好， 传递试件应变性能好 工作(gngzu)原理： AlRdRdAARdllRdRrA2drldrrldlrdR2322)2(drdrldlR)21 (ER弹性模量(tn xn m lin)ldlldlrdrEd纵向应变 电阻丝泊松比压阻系数与材质有关第12页/共59页第十三页，共60页。灵敏度： 常21/ldlRdRRdRSg Sg=1.73.6 )21 ( ：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的E：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的 )21 ( RdR对于电阻丝：)21 (ERdR 金属应变(y

6、ngbin)片有： 丝式、箔式 优点： 稳定性和温度特性好 缺点： 灵敏度系数小第13页/共59页第十四页，共60页。（二）半导体应变(yngbin)片工作原理：半导体材料(cilio)的压阻效应压阻效应(xioyng)：单晶半导体材料在 沿某一轴向受到外力作用时， 其电阻率 发生较大变化 )21 (RdR对半导体： )21 ( 很小，可略去 RdR灵敏度： RdRSg/较金属丝电阻应变片大5070倍 第14页/共59页第十五页，共60页。金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要(zhyo)区别：前者利用导体形变引起阻值(z zh)的变化，后者利用半导体电阻率变化引起阻值(z zh)的变化。 半导

7、体应变(yngbin)片优点： 灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小 缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大（晶向、杂质 等因素影响），非线性误差大（三）电阻应变式传感器的应用 1.直接测结构的应变或应力2.将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由 转变为的变化 ，再由后续电路转变为电压的变化R第15页/共59页第十六页，共60页。第16页/共59页第十七页，共60页。第17页/共59页第十八页，共60页。RdR注意：1）应变片的粘接 2）温度的影响，温度补偿(bchng) 3）用于动态测量时，要注意应变 片的上限测量频率 第18页/共59页第十

8、九页，共60页。案例(n l)1：桥梁固有频率测量原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到(d do)桥梁固有频率。第19页/共59页第二十页，共60页。原理将物品重量通过(tnggu)悬臂梁转化结构变形再通过(tnggu)应变片转化为电量输出。第20页/共59页第二十一页，共60页。第21页/共59页第二十二页，共60页。第四节 电感式传感器一、 自感(z n)型(一) 可变磁阻式原理： 线圈(xinqun)自感量： mRWL2电感式传感器 自感型(L): 可变磁阻式 涡电流式 互感型(M): 第22页/共59页第二十三页，共60页

9、。当 较小，且不考虑(kol)磁路的铁损，002AAlRm因： 铁心(ti xn)磁阻 空气隙的磁阻002ARm2002AWL 灵敏度 常数20022AWddLS所以(suy)存在线性误差 时： 故： 当固定 ，改变 0A变 L 变 位移传感器 变化过程： 机械量 变 L 变 1 . 00第23页/共59页第二十四页，共60页。此传感器适： 测较小位移(wiy)，约为 0.0011 mm其它几种(j zhn)常用的可变磁阻式传感器： 1.面积(min j)变化型机械量 LAx02002AWL 常202WdAdLSS: 较低 第24页/共59页第二十五页，共60页。2. 差动型：初始状态：x=0

10、00020210212AwLLL 当 x)(200021xAwL)(200022xAwL 将两线圈(xinqun)接于电桥的相邻桥臂，输出灵敏度 提高(t go)一倍，并改善了线性特征 NoImage004URRUy002URRUy差动连接(linji)：第25页/共59页第二十六页，共60页。3. 单螺管型：灵敏度低 适：较大位移(wiy)（数毫米）测量4双螺管线圈差动型：较单螺管型灵敏度 提高一倍， 较好的线性, 测量范围:0300 , 分辨力: 0.5 mm第26页/共59页第二十七页，共60页。(一) 涡电流(dinli)式传感器涡电流(dinli)效应：变换原理：金属导体在交变磁场中

11、的涡电流(dinli)效应影响高频线圈阻抗 Z 、自感L的因素1.线圈与金属 2. 金属板的 3.金属板的 4.线圈激磁板间距离 电阻率 磁导率 圆频率 w测：位移 振动 厚度测：材质 探伤 第27页/共59页第二十八页，共60页。测量(cling)电路： 阻抗(zkng)分压式调幅电路： 变电感(din n) L 变电压u变 第28页/共59页第二十九页，共60页。调频电路： 变电感 L 变 转化为电压 u的变化 振荡器 f 变 涡电流(dinli)传感器的特点： 动态非接触测量(cling)范围:1mm 10 mm 分辨力：1 m简单，使用方便，不受油液等介质(jizh)的影响； 应用：位

12、移，振动，测厚，探伤，材质鉴别，径向摆动，回转轴误差，转速，零件计数，表面裂纹，缺陷等；第29页/共59页第三十页，共60页。二、互感(hgn)型差动变压器式电感传感器工作(gngzu)原理：电磁感应中的互感现象 感应(gnyng)电动势： dtdiMe112M：互感系数（ H ）M:大小与相对位置，介质的导磁能力， 线圈形状、大小、匝数有关 表明：两线圈之间的耦合程度； 螺管型差动变压器传感器第30页/共59页第三十一页，共60页。1.工作(gngzu)原理：2. 测量电路：注意(zh y)：零点残余电压的补偿；位移(wiy)正负的判断：相敏检波 3. 特点：精度高，可达0.1 m 线性范围

13、大: 达 100 m稳定性好，使用方便 4.适于：测直线位移，压力，重量等 螺管型差动变压器传感器第31页/共59页第三十二页，共60页。一、变换(binhun)原理:被测量(cling)电容量的变化 （一）极距变化(binhu)型 1. 工作原理： dAdc20灵敏度： 20Addcs S 存在线性误差，故一般： 1 . 00(3). 实际应用时：差动式第五节 电容式传感器Ac0固定 A，变 极距变化型 固定 ，变 A 面积 固定 A，变 介质 第32页/共59页第三十三页，共60页。2.特点： 非接触动态测量,灵敏度高,测较小位移（达0.01 ) m线性误差，杂散电容对灵敏度及测量精度的影

14、响，电子线路复杂；(二) 面积(min j)变化型 角位移型 平面(pngmin)线位移型 圆柱体线位移型2,2202rcrA常220rddcsbxc0常bdxdcs0)/ln(20dDxc常)/ln(20dDdxdcs第33页/共59页第三十四页，共60页。面积(min j)变化型传感器的特点： 常输入输出 灵敏度较低 适：较大直线(zhxin)位移及角位移的测量 (三) 介质(jizh)变化型 变 C 变 可测：材料的厚度，温度，湿度,液位高度的测量第34页/共59页第三十五页，共60页。二、测量(cling)电路1.电桥(din qio)型电路2. 直流极化(j hu)电路第35页/共5

15、9页第三十六页，共60页。3. 谐振(xizhn)电路：4. 调频(dio pn)电路第36页/共59页第三十七页，共60页。5. 运算(yn sun)放大器： xyCCuu00ACuuy000第37页/共59页第三十八页，共60页。 应用(yngyng)电容式传感器 案例(n l)1：电容传声器 案例(n l)2:转速测量第38页/共59页第三十九页，共60页。第六节 压电式传感器 可逆型换能器: 机械能 电能 应用(yngyng)：力，压力，加速度的测量 工作原理(yunl)：某些物质的压电效应 一. 压电效应(y din xio yng)压电效应 逆压电效应压电材料：石英，钛酸钡等第39

16、页/共59页第四十页，共60页。zz: 光轴xx: 电轴 yy: 机械(jxi)轴电荷量： Fdqccd：压电系数，与材质与切片(qi pin)方向有关 F：作用力 第40页/共59页第四十一页，共60页。二、压电式传感器极其(jq)等效电路压电传感器：电荷(dinh)发生器，又是一个电容器Ac0压电传感器宜：动态(dngti)测量实际使用时芯片的连接 ：并联：电容大，电荷量 大，时间常数大； 适：缓变信号 串联：电容小，输出 电压大； 适：以电压输出 第41页/共59页第四十二页，共60页。压电芯片(xn pin)及等效电路：cC：电缆寄生电容 0R：后续电路的输入(shr) 阻抗和传感器中

17、的漏 电阻所形成的泄漏电阻；三、测量(cling)电路前置放大器 的作用 1.将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出 2.放大传感器输出的电信号 第42页/共59页第四十三页，共60页。不同前置(qin zh)放大器的特点： 电压放大器：受电缆电容影响较大，影响灵敏度； 电荷放大器：受电缆电容影响较小，灵敏度无明显变 化，但电路复杂，价高；压电式传感器的应用: 测力、压力(yl)、振动的加速度fycq0第43页/共59页第四十四页，共60页。产品(chnpn)压力变送器加速度计力传感器 压电式传感器 第44页/共59页第四十五页，共60页。第七节 磁电式传感器 被测物理量 感应(gnyng)电动势

18、 原理(yunl)：感应电动势 dtdWeW：线圈匝数 ：磁通量 影响磁通量 的因素 1.磁场强度 2.磁路磁阻 3.线圈的运动速度磁阻式 动圈式 磁电式传感器 动圈式 磁阻式 角速度型 线速度型 第45页/共59页第四十六页，共60页。一. 动圈式1.线速度型感应(gnyng)电动势： sinWBlve :Bv,时当090WBlve ve 惯性(gunxng)式速度计 2. 角速度型感应(gnyng)电动势： kWBAe 转速测量 当结构一定， W ,B, A 为常数时e第46页/共59页第四十七页，共60页。动圈式磁电传感器测量(cling)电路：当 0ZRL， 且不使用特别加长电缆时：

19、euL: 负载电阻 LR0Z: 线圈阻抗 0011ZCjZZeucLL第47页/共59页第四十八页，共60页。二. 磁阻式传感器工作原理(yunl)：线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体 （导磁材料）来改变磁路的磁阻，引起磁力 线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。应用：测频数，转速(zhun s)，偏心测量，振动测量特点：简单(jindn)，方便第48页/共59页第四十九页，共60页。应用(yngyng)b) 测速电机(dinj)a)磁电式车速(ch s)传感器磁电式传感器 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较

20、高，约为50Hz，上限可达100Hz。 第49页/共59页第五十页，共60页。第八节 半导体传感器利用：半导体对光、热、力、磁、气体(qt)、温度等的敏感一. 磁敏传感器 霍尔组件(z jin)，磁阻组件(z jin)，瓷敏管等(一) 霍尔组件(z jin)霍尔效应：第50页/共59页第五十一页，共60页。运动(yndng)电荷受磁场中洛兰兹力的作用：BvqF霍尔电场(din chng)： siniBkVHHHk：霍尔系数，决定于材质，温度，尺寸； :Bi, 霍尔组件的应用：测位移，微压，压差(y ch)，加速度，振动等第51页/共59页第五十二页，共60页。霍尔元件(yunjin)由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图:3.7 半导体敏感元件传感器 霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm