机械工程测试技术基础--03传感器02

1、机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 1河北工程大学Hebei University of Engineering 第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件第三章第三章 常用传感器（常用传感器（2）第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 2河北工程大学Hebei University of Engineering 第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类 第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁

2、电、压电与热电式传感器第五节第五节 光电传感器光电传感器第六节第六节 光纤传感器光纤传感器 第七节第七节 半导体传感器半导体传感器第八节第八节 红外测试系统红外测试系统第九节第九节 激光测试传感器激光测试传感器第十节第十节 传感器选用原则传感器选用原则第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 3河北工程大学Hebei University of Engineering 第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器q磁电式传感器磁电式传感器动圈式动圈式磁阻式磁阻式q压电式传感器压电式传感器q热电式传感器热电式传感器热电偶热电偶热电阻热电阻第三章第三章 常用传感器与

3、敏感原件常用传感器与敏感原件 4河北工程大学Hebei University of Engineering 二、压电式传感器二、压电式传感器压电元件机械量电量可逆换能器可测范围：0.1Hz20Hz特点：体积小、质量小、精确度高、灵敏度高。工作原理：敏感元件的压电效应第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 5河北工程大学Hebei University of Engineering 二、压电式传感器二、压电式传感器 1. 1. 压电效应压电效应当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态； 当作用力方向相反时

4、，电荷的极性也随之改变。这种现象称压电效应压电效应。在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称逆压电效应逆压电效应。正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 6河北工程大学Hebei University of Engineering 石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片 zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。纵轴z轴，称为光轴；x轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的方向，因为沿x轴的力作用下压电效应最强最明显，所以x轴也称为电

5、轴；y轴，与x和z轴同时垂直的轴，因为电场作用下沿此轴方向机械变形最明显，故也称为机械轴。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 7河北工程大学Hebei University of Engineering 天然形天然形成的石成的石英晶体英晶体外形外形石英晶体切片双面镀银并封装石英晶体薄片第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 8河北工程大学Hebei University of Engineering 通常把沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，电荷量正比于力，与尺寸无关。而把沿机械轴Y方向的力用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”

6、，电荷量与尺寸有关，且与纵向效应电荷极性相反。沿光轴Z方向受力则不产生压电效应。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 9河北工程大学Hebei University of Engineering 二、压电式传感器二、压电式传感器 2 2 压电材料压电材料 在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为三大类：压电单晶、压电陶瓷、有机压电薄膜。 第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 10河北工程大学Hebei University of Engineer

7、ing 压电陶瓷的压电原理压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它们有各自的极化方向, 在无外电场作用时,不具有压电性质,压电陶瓷呈中性；即使有外力作用，由于材料的各电畴极化方向杂乱所以总体上不现电性。在一定温度下，施加强直流外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 使材料得到极化，此后去掉强电场常温下具有了压电性，有外力作用时，电畴极化总体上显现电性。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 11河北工程大学Hebei University of Engineering 高分子压电材料 典型的高分子

8、压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 12河北工程大学Hebei University of Engineering 压电陶瓷外形压电陶瓷外形高分子压电高分子压电薄膜及拉制薄膜及拉制第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 13河北工程大学Hebei University of Enginee

9、ring 二、压电式传感器二、压电式传感器 3 3 等效电路等效电路0aAC 由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的， 因此压电式传感器不适宜静态测量。动态测量时，压电材料变化快、漏电量相对较小，故适用于动态测量。 当压电器件中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷，实际上是一个电荷发生器，又是一个电容器。/aaUq C第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 14河北工程大学Hebei University of Engineering 实际应用中为了增大

10、输出值，压电传感器往往用两个或两个以上的晶体串联或并联：并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。适宜测量高频信号和以电压输出的场合。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 15河北工程大学Hebei University of Engineering 压电传感器的特点能量转换型（有源）传感器体积小，重量轻，刚性好，可提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围。灵敏度高，稳定性好，可靠。有比较理想的线性，且通常没有滞后现象。低频特性较差，主要用于动态测量应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆

11、。工作原理可逆第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 16河北工程大学Hebei University of Engineering 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 17河北工程大学Hebei University of Eng

12、ineering 横向振动测振器横向振动测振器纵向振动测振器纵向振动测振器压电式加速度传感器压电式加速度传感器第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 18河北工程大学Hebei University of Engineering 三、热电式传感器三、热电式传感器热电传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。 热电偶将温度变化转换为电势变化 热电阻温度变化转换为电阻值的变化 金属热电阻（热电阻） 半导体热电阻（热敏电阻）第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 19河北工程大学Hebei University of Engineering 1 1、热电偶传感器、热

13、电偶传感器热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。 当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0 ，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电势”。热电势由两部分电势组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。 TT0AB热端(工作端)冷端(自由端)第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件

14、20河北工程大学Hebei University of Engineering 将同温度的两种不同的金属互相接触，由于不同金属内自由电子的密度不同，在它们的接点处会产生接触电势接触电势。同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。温差电势。 当热电偶两个电极的材料不同，且A、B固定后，热电势EAB(T,T0)便为两接点温度T和T0的函数，即 当T0保持不变，则热电势EAB(T,T0)便为热电偶热端温度T的单值函数)()(),(00TETETTEAB)()(),(0TcTETTEAB第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 21河北工程大学Hebei University of E

15、ngineering 几种常用热电偶的测温范围及特点 分度号 名称 测量温度范围 特点E镍铬铜镍镍铬铜镍40800 C C优点：适用于还原气氛中，灵敏度高，价格低优点：适用于还原气氛中，灵敏度高，价格低缺点：使用温度区窄，易氧化，高温有滞后现象缺点：使用温度区窄，易氧化，高温有滞后现象K镍铬镍硅镍铬镍硅 -401000 C C优点：线性度好，适于氧化性气体，耐金属蒸汽，价格低优点：线性度好，适于氧化性气体，耐金属蒸汽，价格低缺点：略有滞后现象，高温还原气氛中易腐蚀缺点：略有滞后现象，高温还原气氛中易腐蚀S铂铑铂铑1010铂铂01400 C C优点：稳定性好，可做标准电极，可在氧化性和中性介质中

16、使用优点：稳定性好，可做标准电极，可在氧化性和中性介质中使用缺点：缺点：铂分子易挥发而变质，热电势小，成本高铂分子易挥发而变质，热电势小，成本高B铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 63001700 C C优点：可长期应用于优点：可长期应用于1600C以上高温，适合于氧化及中性介质以上高温，适合于氧化及中性介质中使用中使用缺点：缺点：常温时热电势小，价格高常温时热电势小，价格高第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 22河北工程大学Hebei University of Engineering 接线盒引出线套管引出线套管 热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护

17、管 普通装配型热电偶的结构放大图 固定螺纹（出厂固定螺纹（出厂时用塑料包裹）时用塑料包裹）第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 23河北工程大学Hebei University of Engineering 2 2、热电阻传感器、热电阻传感器 热电阻传感器是利用导体（或半导体热电阻传感器是利用导体（或半导体热敏电阻）热敏电阻）的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。优点：优点： 测量精度高；测量精度高； 有较大的测量范围；有较大的测量范围；200600 易于使用在自动测量和远距离测量中易于使用在自动测量和远距离测量中用于制造热电阻的

18、金属材料应满足以下要求：用于制造热电阻的金属材料应满足以下要求：（1）有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率）有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率, R-t 关关系最好成线性；系最好成线性；（2）热容量小；）热容量小；（3）在工作范围内，）在工作范围内， 物理和化学性能稳定，易复制，价物理和化学性能稳定，易复制，价格便宜；格便宜；目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 24河北工程大学Hebei University of Engineering 铂的物理、化学性质都很稳定，耐高温、耐腐蚀。但在还

19、原性介质中，特别是在高温下，易被氧化物中还原成金属的金属蒸汽污染，以致变脆，并改变电阻与温度的关系特性。可用保护套管设法避免或减轻。 1）、铂电阻）、铂电阻 Pt由于铂是贵重金属，因此在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为 -50 150。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的。铜热电阻线性好, 价格便宜, 但它易氧化, 不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。2）、铜热电阻）、铜热电阻第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 25河北工程大学Hebei University of Engineering 光电传感器通常是指对由紫外线

20、到红外线光的光能量敏感，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应光电效应。 第五节第五节 光电传感器光电传感器 光电效应光电效应：用光照射某一物体，即为光子与物体的能量交换过程，这一过程中产生的电效应称为光电效应。按原理分为：外光电效应、内光电效应、光生伏打效应。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 26河北工程大学Hebei University of Engineering 1、外光电效应、外光电效应 光照时，物体内的电子从物体表面逸出的现象。光子的电磁能 动能。 光子的能量： hvE 电子吸收了光子的能量： 212hvmAh：普朗克常数；A：物体

21、的逸出功；v ：光的频率；：电子的溢出速度； 光电子逸出表面的必要条件：hvA 对每种光电阴极材料，均有一个确定的光频率阈值。当入射光频率不变时，入射光光强，光电子。应用外光电效应的主要器件：光电管、光电倍增管。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 27河北工程大学Hebei University of Engineering 光电管的典型结构如图所示。由玻璃壳、两个电极、引出插脚等组成。将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂上一层光电材料作为阴极K。当阴极K受到光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极A吸引，这样就在光电管内产生了电子流，在外电路中便产生了电流。 光电管的结

22、构光电管的结构第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 28河北工程大学Hebei University of Engineering 光照度，光敏电阻的阻值。2、内光电效应、内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应 （又称光导效应）。主要器件：光敏电阻 特点：灵敏度高、光谱响应范围宽，可从紫外一直到红外，体积小、性能稳定，应用广泛。应用内光电效应的主要器件：光敏电阻、由光敏电阻制成的光导管。第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件 29河北工程大学Hebei University of Engineering 3、光生伏打效应、光生伏打效应 光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池（太阳能电池）是常用的光生伏特型器件，此外还有光敏晶体管。+-PN第三章第三章 常用传感器与敏感原件常用传感器与敏感原件