测试技术第三章

1、机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院第三章第三章常用传感器常用传感器 本章内容本章内容1. 传感器的分类和选用原则； 2. 几种常用传感器（电阻传感器、电容传感器、电感传感器、压电传感器等）的工作原理、用途和特点； 3. 部分传感器的后接电路； 本章要求本章要求了解传感器的分类；掌握常用传感器的工作原理、用途和特点；了解传感器的后接电路和新型传感器的基本知识。 本章重点本章重点几种常用传感器的工作原理、用途、特点。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机

2、械工程学院郑州大学机械工程学院l 3.1 3.1 传感器概述传感器概述l 3.2 3.2 电阻式传感器电阻式传感器l 3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器l 3.4 3.4 电感式传感器电感式传感器l 3.5 3.5 压电式传感器压电式传感器l 3.6 3.6 磁电式传感器磁电式传感器l 3.7 3.7 新型传感器新型传感器第三章第三章常用传感器常用传感器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院传感器传感器是测试系统中的第一级，是感受和拾取是测试系统中的第一级，是感受和拾取被测信号的装置被测信号的装置 。在

3、现代生活和生产及科学试验中，有大量的、各种各样的传感器在各种系统中得到应用。下图中的麦克风是将声音这种物理量转换成相应电信号的装置，而彩色电视机中的光电二极管则是将遥控器发出的红外线这种物理量检测并变换成器件通断电信号以控制相应的装置，它们是日常生活中常见的传感器的例子。3.1概述概述机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院3.1 概述概述1. 传感器定义传感器定义 传感器传感器是直接作用于被测量、并能按一定规律是直接作用于被测量、并能按一定规律将其转化为同种或别种量值输出的器件。将其转化为同种或别种量值输出的

4、器件。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从目前，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。号的装置。传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。整个测试装置的工作质量。物理量电量传感器电压、电流、频率、脉冲等尺寸、位移、温度、力等机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院2. 传感器的构成传感器的构成 传感器一般由传感器一般由敏感器

5、件敏感器件与与辅助器件辅助器件组成。组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 dV机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院3. 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)(2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础

6、分类: :(3)(3)按信号变换特征按信号变换特征: :(4)(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :位移位移, ,力力, ,温度温度, ,流量等流量等. .机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .物性型物性型, ,结构型结构型. .能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .这种分类方法对使用者是方便的，但由于这种分类方法把用途相同而变换原理不同的传感器分为一类，对研究和学习是不方便的。例如同是测量加速度用的传感器，可利用各种变换原理和不同的传感元件组成，有应变式、电容式、电感式和压电式加速度传感器等。因此，要

7、研究一种用途的传感器，必须研究多种传感元件和传感机理。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院A A 物性型与结构型传感器物性型与结构型传感器物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. . 例如例如: :水银温度计水银温度计, ,压电测力计等压电测力计等. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器等电容式和电感式传感器等. .B B 能量转换型和

8、能量控制型传感器能量转换型和能量控制型传感器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, ,压电式加速度计等压电式加速度计等. .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从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的 变化变化. . 例如例如: :电阻应变片，电容式传感器等电阻应变片，电容式传感器等. .机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院 3.2 3.2 电阻式传感器电阻式传感器一、变阻器式传

9、感器一、变阻器式传感器 电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按其工作原理分为的传感器。按其工作原理分为变阻器式变阻器式和和电阻应变式电阻应变式两类。两类。1 1变阻式传感器的工作原理及分类变阻式传感器的工作原理及分类 变阻式传感器又称为变阻式传感器又称为电位器式传感器电位器式传感器，由线圈、骨架及电，由线圈、骨架及电刷三部分组成。根据刷三部分组成。根据 R=x/AR=x/A ，其，其灵敏度灵敏度S S/A/A常值常值。常用的变阻器式传感器有常用的变阻器式传感器有直线位移型直线位移型、角位移型角位移型和和非线性型非线性型等等机械工程测试技术基

10、础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院2. 2. 变阻器式传感器特点应用变阻器式传感器特点应用l优点优点：l缺点缺点：由于电阻丝直径限制，分辨率不高。且电刷与线圈之由于电阻丝直径限制，分辨率不高。且电刷与线圈之间存在干摩擦，不仅容易磨损，影响到使用寿命、降间存在干摩擦，不仅容易磨损，影响到使用寿命、降低可靠性和测量精度，而且要求输入能量大。低可靠性和测量精度，而且要求输入能量大。 结构简单，尺寸小，重量轻，价格低廉且性能稳定，结构简单，尺寸小，重量轻，价格低廉且性能稳定，线性度好；受环境因素（如温度、湿度、电磁场干线性度好；受

11、环境因素（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响小；可以实现输入输出间任意函数关扰等）影响小；可以实现输入输出间任意函数关系；系；应用：应用：综上所述，此类传感器适用于对精度要求不综上所述，此类传感器适用于对精度要求不高、动作不太频繁的较大线位移和角位移的测量。高、动作不太频繁的较大线位移和角位移的测量。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器（）概述（）概述 电阻应变式传感器又称电阻应变计，电阻应变式传感器又称电阻应变计，其敏感元件是电阻应变片，其敏感元件是电阻应变片，应变片

12、是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料浸泡过的玻璃基板上，粘贴直应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料浸泡过的玻璃基板上，粘贴直径为径为0.025mm左右的金属丝或金属箔制成，如图所示。敏感元件也叫左右的金属丝或金属箔制成，如图所示。敏感元件也叫敏感栅。敏感栅。根据其材料不同，应变片可分为：根据其材料不同，应变片可分为：金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体电阻半导体电阻应变片应变片两大类。两大类。半导体应变片半导体应变片金属电阻应变片金属电阻应变片机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院 电阻应变片工作原理是基于电阻应

13、变片工作原理是基于金属导体的应变金属导体的应变效应效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形其电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化的变化而发生变化的现象。而发生变化的现象。 （二）、工作原理二）、工作原理机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院电阻应变效应电阻应变效应：设金属应变片金属丝的长度为：设金属应变片金属丝的长度为L L，截，截面积为面积为A A、半径为、半径为r r、电阻率为、电阻率为，则金属丝的初始，则金属丝的初

14、始电阻电阻R R可表示为：可表示为： 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F 作用时，作用时， 将伸长将伸长l，横截面积相应减小，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引，从而引起电阻值相对变化量为起电阻值相对变化量为 ：式中式中： 电阻丝轴向相对变形，称纵向应变；电阻丝轴向相对变形，称纵向应变； 电阻丝径向相对变形，称横向应变；电阻丝径向相对变形，称横向应变； 电阻丝材料的泊松比；电阻丝材料的泊松比； d/= E电阻率相对变化；电阻率相对变化； 电阻材料的压阻系数；电阻材料的压阻系数； E 电阻材料的弹性模量。电阻材料的

15、弹性模量。2llRAr2RdRdldAddldrdRRlAlrdlldrdlrl （二）、工作原理二）、工作原理机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院得：R/R=(1+2+ E) =S0 式中：式中：S0 单位应变引起的电阻值变化，称为金属单丝的灵敏系数。单位应变引起的电阻值变化，称为金属单丝的灵敏系数。 1+2金属丝受力后材料几何形状的变化引起的电阻相对变化；金属丝受力后材料几何形状的变化引起的电阻相对变化； E材料材料电阻率电阻率发生变化引起的电阻相对变化。发生变化引起的电阻相对变化。1、对对金属材料金属

16、材料来说，电阻的变化与上述两因素有关，但来说，电阻的变化与上述两因素有关，但以前者为主以前者为主。即：即： S S0 0 1+2 1+2。其其灵敏度取值一般为灵敏度取值一般为1.75.6。 2 2、对于、对于半导体材料半导体材料，因半导体应变片是利用压阻效应进行工作的，由，因半导体应变片是利用压阻效应进行工作的，由于其压阻系数于其压阻系数及弹性模量及弹性模量E E都比较大，所以其灵敏度主要取决于都比较大，所以其灵敏度主要取决于E E项。而其几何变形引起的电阻的变化则很小，可忽略。即项。而其几何变形引起的电阻的变化则很小，可忽略。即S S0 0E E，其其灵敏度取值一般为灵敏度取值一般为6060

17、170170。材料确定，则材料确定，则、E均为常数均为常数，则应变片电阻的相对变化率，则应变片电阻的相对变化率R/R与与成线性关系。成线性关系。012RRSE 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院（三）金属电阻应变片的结构及参数（三）金属电阻应变片的结构及参数 常见的金属电阻应变片的结构如下常见的金属电阻应变片的结构如下图。按照敏感栅制造方式不同分为：图。按照敏感栅制造方式不同分为： 丝式：丝式：敏感栅由金属电阻丝绕制而敏感栅由金属电阻丝绕制而成。成。 箔式：箔式：敏感栅由金属电阻箔采用光敏感栅由金属电阻箔

18、采用光刻技术制造。刻技术制造。 目前使用的多为金属箔式应变目前使用的多为金属箔式应变片，其结构如图所示片，其结构如图所示机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院金属应变片的主要参数：金属应变片的主要参数： 几何参数：几何参数： 电阻值电阻值R： 最大工作电流：最大工作电流： 灵敏度灵敏度S：其它特性如温度效应、应变极限、零漂等，可其它特性如温度效应、应变极限、零漂等，可按照实际测试要求进行选择。按照实际测试要求进行选择。应变片敏感栅的尺寸bl反映了应变片的有效工作面积，b称为基宽，为敏感栅的横向宽度。l 称为基

19、长，即敏感栅的纵向长度。b b一般在10mm以下，l通常在230mm之间指应变片未经安装也不受外力情况下于室温时所测定的电阻值。它是使用应变片时应知道的一个特征参数。目前应变片的电阻值已趋于标准化，有60，120，200，350，1000几种规格，最常用的为120。应变片规格一般以使用面积和电阻值表示。如320mm2，120欧姆 当应变片接入测量电路后，在电阻丝中要通过一定的电流，这个电流使得应变片温度升高，影响测量精度，所以要规定通过的最大电流值。在静态测试中，最大工作电流一般为25mA；动态测试一般为75100 mA将金属丝做成应变片后的灵敏度值，要重新使用实验方法确定。 机械工程测试技术

20、基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院（四）半导体应变式传感器（四）半导体应变式传感器 一、压阻效应：一、压阻效应： 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为这种现象称为压阻效应压阻效应。 二、工作原理二、工作原理 实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。电阻应变效应的分析公式也导体材料的这种效应特别强。电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料，即：适用于半导体电阻材料，即： 如半

21、导体硅，如半导体硅， =(4080)(1011)m2/N，E=1.671011N/m2，则，则S0=50100。显然半导体电阻材。显然半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高料的灵敏系数比金属丝的要高5070倍。倍。 S0=（R/R）/ =1+2+E E机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院 优点优点：应变片结构轻小，对试件影响小。频率响应好，适用于应变片结构轻小，对试件影响小。频率响应好，适用于静态测量和动态测量。静态测量和动态测量。 测量应变的灵敏度和分辨力高，可测量微应变，误差小于测量应变的灵敏度和分辨力

22、高，可测量微应变，误差小于1。 测量范围广，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。测量范围广，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。 能适应各种环境，可在高（低）温、超低压、高压、水下、能适应各种环境，可在高（低）温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。 缺点缺点：大应变状态下具有较明显的非线性；大应变状态下具有较明显的非线性； 输出信号较弱。输出信号较弱。金属应变片工作实例：金属应变片工作实例：电阻应变式位移传感器电阻应变式位移传感器 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机

23、械工程学院郑州大学机械工程学院（六）电阻应变式传感器的应用（六）电阻应变式传感器的应用l电阻应变片在使用时通常将其接入测量电桥，电阻应变片在使用时通常将其接入测量电桥，以便将电阻的变化转换成电压量输出。金属应变片构成的这种电以便将电阻的变化转换成电压量输出。金属应变片构成的这种电桥称为惠斯登电桥。可以采用电桥的一个桥臂为一片金属应变片、桥称为惠斯登电桥。可以采用电桥的一个桥臂为一片金属应变片、其他桥臂为固定电阻的方法其他桥臂为固定电阻的方法图图(a)，也可以采用在电桥上用，也可以采用在电桥上用2片片或或4片金属应变片组成的桥路结构，以此提高传感器的测量精度片金属应变片组成的桥路结构，以此提高传

24、感器的测量精度图图(b)。图 (a)图 (b)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院（六）电阻应变式传感器的应用（六）电阻应变式传感器的应用应变式电阻传感器的应用主要有两个方面：1) 直接测定结构的应力或应变 为了研究机械、建筑、桥梁等结构的某些部位或所有部位工作状态下的受力变形情况，往往将不同形状的应变片贴在结构的预定部位上，直接测得这些部位的拉、压应力、弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏及机器设备的故障诊断提供实验数据或诊断信息。如图 (a)，(b)所示给出了两种实际应用的例子。 立柱 应力 (b)

25、桥梁 应力 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院2)将应变片贴于弹性元件上将应变片贴于弹性元件上制成多种用途的应变传感器制成多种用途的应变传感器l用应变片贴于弹性元件上制成的传感器可测量各种能使弹性元件产生应变的物理量，如压力、流量、位移、加速度等。因为这时被测的物理量使弹性元件产生与之成正比的应变，这个应变再由应变片转换成其自身电阻的变化。根据应变效应可知，应变片电阻的相对变化与应变片所感受的应变成比例，从而通过电阻与应变、应变与被测量的关系即可测得被测物理量的大小。 例：例：电阻应变式位移传感器电阻应变

26、式位移传感器 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院应变式传感器的典型应用应变式传感器的典型应用应变式加速度传感器应变式加速度传感器L应变片质量块m弹簧片外壳基座a 测量时根据所测振动体加速测量时根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被度的方向，把传感器固定在被测部位。当测点的加速度沿箭测部位。当测点的加速度沿箭头头a a所示方向时，悬臂梁自由端所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力受惯性力F F= =mama的作用，质量块的作用，质量块向箭头向箭头a a相反的方向相对于基座相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯

27、曲变形，应运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度信号，输出信号大小与加速度成正比。成正比。测加速度测加速度机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院应用实例：应用实例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工

28、程学院郑州大学机械工程学院应用实例：应用实例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过应变片转化为电量输出。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院应用实例：冲床生产记数应用实例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院 3.3 电容式传感器一、工作原理与特性一、工作原理与特性1.变换原理变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组

29、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: :AC0+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。如果发生变化时，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，就可把该参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转换为电容量的变化。数的变化转换为电容量的变化。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院2 分类及其特性分类及其特性 （一（一) )极距变化型极距变化型: :+（三（三) ) 介质变化型介质变化型: :C（二（二) )面积变

30、化型面积变化型: :角位移型角位移型, ,平面线位移型平面线位移型, ,柱面线位移型柱面线位移型. .+ACC机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院（一）极距变化型 ：由此可得到传感器的灵敏度为：由此可得到传感器的灵敏度为：从上式可看出，灵敏度从上式可看出，灵敏度S与极距平方成反比。一般通过减小初始极距与极距平方成反比。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量来提高灵敏度。由于电容量C与极距与极距呈非线性关系，这将引起非线呈非线性关系，这将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围性误差。为了减小

31、这一误差，通常规定测量范围 。一般。一般取极距变化范围为取极距变化范围为 ，此时，传感器的灵敏度近似为常数。，此时，传感器的灵敏度近似为常数。实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件外界条件(如电源电压、环境温度等如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，常的变化对测量精度的影响，常常采用常采用差动型电容式传感器差动型电容式传感器。02AdCd 02AdCSd 00(,) 00.1 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院

32、（一）极距变化型该传感器使用时要注意：该传感器使用时要注意：02AdCd 1、电容和极矩不是线性关系，只有测微位移时，才可、电容和极矩不是线性关系，只有测微位移时，才可认为是近似线性关系。认为是近似线性关系。2、要提高灵敏度，应该减小初始极矩。、要提高灵敏度，应该减小初始极矩。3、当极矩过小时，又容易击穿，同时加工精度、当极矩过小时，又容易击穿，同时加工精度要求也高了。因此，使用时一般在极板间放置云要求也高了。因此，使用时一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来提高绝缘性。母、塑料膜等介电常数高的物质来提高绝缘性。5、在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，可采用差动结构。、在实际应用

33、中，为提高灵敏度，减小非线性，可采用差动结构。4 4、一般极变化矩型电容式传感器的起始电容在一般极变化矩型电容式传感器的起始电容在20pF30pF之间，极板间距离在之间，极板间距离在25m200m的范围内。最大位移应小于间距的的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在故在微微位移测量位移测量中应用最广。中应用最广。000ggACdd 云母的相对介电常数（云母的相对介电常数（g=7）是空气介电常数（）是空气介电常数（0=1）的）的7倍，云母的击穿电倍，云母的击穿电压压1000kv/mm，而空气的击穿电压只有，而空气的击穿电压只有3kv/mm。因此有了云母片极板间的。因此有了云母片极板间的起始间

34、距可大大减小，极大地提高了电容式传感器的灵敏度。起始间距可大大减小，极大地提高了电容式传感器的灵敏度。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院极矩变化型电容传感器应用：加速度传感器极矩变化型电容传感器应用：加速度传感器敏感加速度的敏感加速度的质量块质量块用两个用两个弹簧片弹簧片固定，固定，上下上下平面平面为电容器的为电容器的活动活动极板。极板。质量块感受加速度而有位质量块感受加速度而有位移时电容随之变化。移时电容随之变化。该位移使两电容的间该位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，隙发生变化，一个增加，一个减小，

35、从而使一个减小，从而使Cx1、Cx2产生大小相等、符号相反产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被的增量，此增量正比于被测加速度。测加速度。电容式加速度传感器结构示意图电容式加速度传感器结构示意图机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院极矩变化型电容式传感器应用：电容传声器+机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院( (二二) ) 面积变化型面积变化型 1 角位移型电容式传感器角位移型电容式传感器：当动板有：当动板有一转角时

36、，与定板之间相互覆盖的面积发一转角时，与定板之间相互覆盖的面积发生变化，因而导致电容量变化。当覆盖面生变化，因而导致电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为积对应的中心角为a、极板半径为、极板半径为r时，覆时，覆盖面积为：盖面积为：电容量为：电容量为：其其灵敏度灵敏度为：为：22rA202rdCSd常数 2 平面线位移型电容式传感器平面线位移型电容式传感器其其灵敏度灵敏度为：为：机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院 3圆柱线位移型电容式传感器：圆柱线位移型电容式传感器：由于平板型传由于平板型传感器的可动极板稍有

37、极距方向移动会影响测量精度。感器的可动极板稍有极距方向移动会影响测量精度。因此，一般情况下，变截面积型电容式传感器常做因此，一般情况下，变截面积型电容式传感器常做成圆柱形成圆柱形,当覆盖长度当覆盖长度x变化时，电容量变化，其灵敏度为变化时，电容量变化，其灵敏度为小结：小结：面积变化型电容传感器是一种线性传感器，可以面积变化型电容传感器是一种线性传感器，可以测量较大的直线位移和角度位移，但灵敏度较低。测量较大的直线位移和角度位移，但灵敏度较低。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院( (二二) ) 面积变化型应

38、用：电容式位移面积变化型应用：电容式位移传感器传感器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院(三三)介质变化型介质变化型 是在电容传感器两极板间加上介质构成的。由于是在电容传感器两极板间加上介质构成的。由于各种介质的介电常数不同，当极板间的介电常数变化各种介质的介电常数不同，当极板间的介电常数变化时，电容量随之变化。常用于检测容器中液面的高度、溶液浓时，电容量随之变化。常用于检测容器中液面的高度、溶液浓度和板材的厚度等。度和板材的厚度等。变介电常数型电容传感器的结构原理：下述变介电常数型电容传感器的结构原理：下

39、述测量方法中，若电极间测量方法中，若电极间存在导电介质时，电极表面应涂盖绝缘层（如涂存在导电介质时，电极表面应涂盖绝缘层（如涂0.1mm厚的聚四氟厚的聚四氟乙烯等），防止电极间短路。乙烯等），防止电极间短路。 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院变电介质型电容式传感器变电介质型电容式传感器l柱式dDhHdDhcln)(2ln201dDhdDHln)(2ln2010dDhCln)(2010电容的增量正比于被测液位高度，可测量一种流体的液位高度。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZ

40、U.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院(三三)介质变化型应用：电容液位计介质变化型应用：电容液位计棒状电极（金属管）棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的套管，当被测液体的液面上升时，引起棒液面上升时，引起棒状电极与导电液体之状电极与导电液体之间的电容变大。间的电容变大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院产品产品. .在洗衣机中的应用在洗衣机中的应用机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU

41、.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院二、测量电路二、测量电路（一）、（一）、电桥电路电桥电路 （二）、直流极化电路（二）、直流极化电路（四）、（四）、调频电路调频电路（五）、（五）、运算放大器电路运算放大器电路（三）、谐振电路（三）、谐振电路机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院三、特点及应用优点：优点： 1 1、输入量小而灵敏度高；输入量小而灵敏度高； 2 2、良好的动态性能；良好的动态性能； 3 3、本身发热影响很小，能量损耗小；本身发热影响很小，能量损耗小； 4 4、结构简单，适应性好；结构

42、简单，适应性好；缺点：缺点： 非线性误差大（解决办法：利用测量电路。常用的电桥电路如：非线性误差大（解决办法：利用测量电路。常用的电桥电路如：电容传感器的电桥电路电容传感器的电桥电路、比例运算放大器电路比例运算放大器电路；电缆电容、电子线路；电缆电容、电子线路的分布电容影响大（解决办法：利用驱动电缆）。的分布电容影响大（解决办法：利用驱动电缆）。应用：应用：电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。其电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。其精度和稳定性日益提高，如一个精度和稳定性日益提高，如一个250mm250mm量程的电容式位移传感器，精量程的电容式位移传感器

43、，精度可达度可达5m5m。其应用实例如下：。其应用实例如下：机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院（一）电容测厚仪（一）电容测厚仪测量金属带材在轧制过程中的厚度。测量金属带材在轧制过程中的厚度。 在被测金属带材的上下两侧各放置一块面积相等，与带在被测金属带材的上下两侧各放置一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就形成了两个电容器。材距离相等的极板，这样极板与带材就形成了两个电容器。把两块极板用导线连接起来就成为一个极板，而金属带材就把两块极板用导线连接起来就成为一个极板，而金属带材就是电容的另一个

44、极板，其总电容是电容的另一个极板，其总电容C Cx xC C1 1+C+C2 2=2C=2C。如果带材厚度。如果带材厚度发生变化，则引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这发生变化，则引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。个变化，并转换和显示出带材的厚度。 四、电容式传感器的应用实例四、电容式传感器的应用实例机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院l当油箱中注满油时，液位当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在一个转上升，指针停留在一个转角位置。当油箱中的油位角位置。当油箱中的

45、油位降低时，电容传感器的电降低时，电容传感器的电容量容量Cx减小，电桥失去平减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减针逆时针偏转（示值减小），同时带动滑线变阻小），同时带动滑线变阻器的滑动臂移动。当变阻器的滑动臂移动。当变阻器阻值达到一定值时，电器阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停伺服电动机停转，指针停留在新的位置（留在新的位置（ x 处）。处）。(二二)电容油量表电容油量表机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院（三）

46、电容式转速传感器（三）电容式转速传感器 当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为表转速大小。设齿数为z，频率为，频率为f，则转速为，则转速为机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院 3.4 3.4 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器的工作原理：电感式传感器的工作原理：电感传感器的电感传感器的敏感元件是电感线圈，其转换原理基于电磁感应原理。它把被测量敏感元件是电感

47、线圈，其转换原理基于电磁感应原理。它把被测量的变化转换成线圈自感系数的变化转换成线圈自感系数L或互感系数或互感系数M的变化的变化(在电路中表现为在电路中表现为感抗感抗XL的变化的变化)而实现把被测量而实现把被测量转换为电感量变化的一种装置。转换为电感量变化的一种装置。 按照转换方式的按照转换方式的不同，可分为不同，可分为 用途用途：常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等：常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量参数。物理量参数。可变磁阻式自感式电感式传感器涡电流式互感式机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑

48、州大学机械工程学院一、自感型电感传感器一、自感型电感传感器 自感型电感传感器是一种改变自感系数的传感器。自感型电感传感器是一种改变自感系数的传感器。原理图如下图。它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁原理图如下图。它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙之间有空气隙。 按照工作原理的不同，其分类为：按照工作原理的不同，其分类为：变气隙式可变磁阻式 变磁路面积式自感型螺管式电感传感器涡电流式机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院（一）可变磁阻式 根据电磁感应定律，当线圈中通以电流根据电磁感应定律，当线

49、圈中通以电流i时，其时，其自感与线圈匝数和磁路总磁阻的关系为自感与线圈匝数和磁路总磁阻的关系为其中：其中： 式中式中: l 导磁体导磁体 (铁芯铁芯)的长度的长度(m)； 铁芯导磁率铁芯导磁率(H/m)； s 铁芯导磁横截面积铁芯导磁横截面积(m2); 空气隙长度空气隙长度(m); 0 空气导磁率；空气导磁率； S0 空气隙导磁横截面积空气隙导磁横截面积(m2)。因为因为0，则，则则则机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院 上式表明，自感上式表明，自感L L与气隙与气隙成反比，而与气隙成反比，而与气隙导磁截面

50、积导磁截面积S S0 0成正比。对于成正比。对于1 1、变气隙式自感传感器、变气隙式自感传感器 其灵敏度为其灵敏度为 灵敏度灵敏度S与气隙长度的平方成反比，与气隙长度的平方成反比，愈小，灵敏度愈愈小，灵敏度愈高。由于高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定误差，通常规定在较小的范围内工作。在较小的范围内工作。例如，若间隙变化范围为（例如，若间隙变化范围为（ ），），取取 。因此因此: 该类传感器适用于较小位移的测量，一般约为该类传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.0011 mm.机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HT

51、TP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院 2、变面积式自感传感器、变面积式自感传感器 若将变气隙式自感传感器的气隙厚若将变气隙式自感传感器的气隙厚度度保持不变，使气隙导磁截面积保持不变，使气隙导磁截面积A随被随被测非电量而变，即构成变面积式自感传测非电量而变，即构成变面积式自感传感器。感器。 3、螺管式自感传感器、螺管式自感传感器：当铁芯在线圈中运动时，将改变磁当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，结构简单、制造容易，另外由于空气隙另外由于空气隙大，磁路磁阻大，其灵敏度较前两

52、种低，大，磁路磁阻大，其灵敏度较前两种低，但线性范围大；但线性范围大；适用于较大位移适用于较大位移(数毫米数毫米)测量测量。 dLSdx机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院变气隙式、螺管式电感传感器均可做成变气隙式、螺管式电感传感器均可做成差动形式差动形式 当衔铁有位移当衔铁有位移时，时，一个线圈自感一个线圈自感增加，另一个线圈增加，另一个线圈自感减小。将两线自感减小。将两线圈接于电桥的相邻圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，敏度可提高一倍，并改善了线性特性。并改善了线性特性。

53、较之单螺管线较之单螺管线圈型有较高灵敏度圈型有较高灵敏度及线性，被用于电及线性，被用于电感测微计上，其测感测微计上，其测量范围为量范围为0 0300m300m，最 小 分 辨 力 为最 小 分 辨 力 为0.5m0.5m。 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院（二）涡电流式传感器（二）涡电流式传感器 1、工作原理、工作原理： 下图所示为下图所示为高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器工作原理。工作原理。 涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的磁场中的涡

54、电流效应涡电流效应。按照激励电流频率的不同分为。按照激励电流频率的不同分为高频反射式和低频透射式涡流传感器。高频反射式和低频透射式涡流传感器。原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z的变化：的变化：),(ZZ 金属板与线圈的间距为金属板与线圈的间距为，当线圈输入一高，当线圈输入一高频交变电时，便产生交变磁通量频交变电时，便产生交变磁通量，此交变磁通，此交变磁通通过邻近的金属板，金属板表层就会产生感应电通过邻近的金属板，金属板表层就会产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，所以称为涡流，这种电流在金属体内是闭合的，所以称为涡流。这种涡流也将产生交变磁通流。这种涡流也将产生交变磁通11。根据楞次。根据

55、楞次定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，反，11总是抵抗总是抵抗的变化。由于涡流磁场的作的变化。由于涡流磁场的作用（对导磁材料还有气隙对磁路的影响）使原线用（对导磁材料还有气隙对磁路的影响）使原线圈的等效阻抗圈的等效阻抗Z Z发生变化，变化程度与距离发生变化，变化程度与距离、金属板的电阻率金属板的电阻率、磁导率、磁导率以及线圈激磁圆频以及线圈激磁圆频率率等因素有关。等因素有关。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院（二）涡电流式传感器（二）涡电流式传感器 1

56、、工作原理、工作原理： 下图所示为下图所示为高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器工作原理。工作原理。*利用材料导磁率利用材料导磁率作为变作为变换量，可以做成测量应力、换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；硬度等传感器；*利用变换量利用变换量，的综的综合影响，可以做成探伤装置。合影响，可以做成探伤装置。 涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的磁场中的涡电流效应涡电流效应。按照激励电流频率的不同分为。按照激励电流频率的不同分为高频反射式和低频透射式涡流传感器。高频反射式和低频透射式涡流传感器。*利用位移利用位移作为变换作为变换量，做成测量位

57、移、振量，做成测量位移、振动、转速等传感器，也动、转速等传感器，也可做成接近开关、计数可做成接近开关、计数器等；器等；*利用材料电阻率利用材料电阻率作为变换作为变换量，可以做成温度测量、材量，可以做成温度测量、材质判别等传感器；质判别等传感器；原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z的变化：的变化：),(ZZ 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器的工作原理的工作原理 发射线圈发射线圈 1 1和接收线圈和接收线圈 2 2分别分别放在被测材料放在被测材料G G的上下方，低频的上

58、下方，低频( (音频范音频范围围) )电压加到线圈电压加到线圈1 1的两端后，在周围的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料空间产生一交变磁场，并在被测材料G G中产生涡流中产生涡流 ，此涡流损耗了部分能量，此涡流损耗了部分能量，使贯穿使贯穿 2 2的磁力线减少，从而使的磁力线减少，从而使2产生的感应电势产生的感应电势e e2 2 减小。减小。 e e2 2的大小与的大小与G G的厚度及材料性质有关，实验与理论证的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，明， 随材料厚度随材料厚度h h增加增加e e2 2按负指数规律减按负指数规律减小。因而若金属板材料的性质一定，按小。因而若金属板材料的性

59、质一定，按 e e2 2的变化便可测得材料的厚度。的变化便可测得材料的厚度。l频率越低，磁通穿透能力越强，在接受线圈上感应的电压频率越低，磁通穿透能力越强，在接受线圈上感应的电压u u2 2也越高，且也越高，且频率较低时，线性较好，因此应选择较低的激励频率频率较低时，线性较好，因此应选择较低的激励频率( (通常为通常为1kHz1kHz左右左右) )。 l 低频透射式涡流传感器的检测范围可达低频透射式涡流传感器的检测范围可达1mm1mm100mm100mm，分辨率为，分辨率为0.10.1。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州

60、大学机械工程学院2 2、测量电路、测量电路：（1 1）调幅电路调幅电路 振荡器提供一个恒频恒幅高频电压，在电阻振荡器提供一个恒频恒幅高频电压，在电阻R和和LC组成的并联谐振回路分压。组成的并联谐振回路分压。振荡器放大器检波器滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础HTTP:/MECH.ZZU.EDU.CN 郑州大学机械工程学院郑州大学机械工程学院 （2 2）调频电路）调频电路 传感器线圈作为组成传感器线圈作为组成LC振荡器的电感元件，振荡器的电感元件，当传感器的等效电感当传感器的等效电感L发生变化时，引起振荡发生变化时，引起振荡器的振荡频率变化，该频率可直接由数字频率器的振荡频率变化，该