机械工程测试技术基础第三章(2)

1、第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类第四节第四节 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五节第五节 传感器的选用原则传感器的选用原则第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器概概 述述传感器传感器(Sensor)定义定义 传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成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)。 狭义上，狭义上，非电信号非电信号 电信号电信号。在非电量电

2、测系统中的作用在非电量电测系统中的作用: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变换作用变换作用:被测信号转换成易于检测和处理的电信号被测信号转换成易于检测和处理的电信号概概 述述传感器是测试系统的一部分，其作用类似于人类的感觉器官，传感器是测试系统的一部分，其作用类似于人类的感觉器官，它把被测量如力、位移、温度等物理量转换为易测信号或易传它把被测量如力、位移、温度等物理量转换为易测信号或易传输信号，传送给测试系统的调理环节；输信号，传送给测试系统的调理环节；传感器也可以看做人类感官的延伸，人类可以借助传感器去传感器也可以看做人类感官的延伸，人类可以借助传感器去探测那

3、些人们无法用或不便用感官直接感知的事物，如用热电探测那些人们无法用或不便用感官直接感知的事物，如用热电偶测炽热物体的温度，用超声波换能器测海水的深度及地貌等；偶测炽热物体的温度，用超声波换能器测海水的深度及地貌等；传感器是人类认识自然界事物的有力工具，是测量仪器与被传感器是人类认识自然界事物的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的借口。测事物之间的借口。(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类位移传感器位移传感器, ,力传感器力传感器, ,温度传感器等温度传感器等. .(2)(2)按传感器的工作原理分类按传感器的工作原理分类机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式

4、等. .(3)(3)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 能量转换型（无源传感器）能量转换型（无源传感器）: :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，由由于被测对象与传感器之间存在能量交换，必然导致被测对象状态于被测对象与传感器之间存在能量交换，必然导致被测对象状态和测量误差和测量误差. . 例如例如: :热电偶热电偶, ,压电式加速度计，弹性压力传感器压电式加速度计，弹性压力传感器 能量控制型（有源传感器）能量控制型（有源传感器）: :从外部供给能量并由被测量控制外部供从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化给能量的变化. .

5、例如例如: :电阻应变片，热电阻，电容测振仪电阻应变片，热电阻，电容测振仪第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类能量控制型传感器(4)(4)按信号变换特征分类按信号变换特征分类物性型物性型: :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. . 如如: :水银温度计（水银温度计（热胀冷缩性热胀冷缩性），压电加速度计（），压电加速度计（石英晶石英晶体压电效应体压电效应）. .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. .如如: :电容（电容（极极板间距离变化板间距离变化）、电感式位移传感器（

6、）、电感式位移传感器（衔铁位移引起自衔铁位移引起自感或互感感或互感）. .电容伺服式加速度计，实际上是一个具有闭环回路的小型电容伺服式加速度计，实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统测量系统机械传感器应用比较广，通常以弹性体作为传感器的敏感元件，它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形；机械式传感器做成的机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点；为了提高测量频率范围，可先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后将位移量用其他形式的传感器转换成电信号输出。第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借

7、助刻度指示出被测量的大小第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器主要以主要以弹性体弹性体作为敏感元件作为敏感元件线性度差线性度差固有频率低固有频率低微型探测开关机械式传感器图图3-4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的一种传感器。感器。 按工作原理可分为按工作原理可分为: : 变阻器式变阻器式 电阻应变式电阻应变式 热敏式热敏式 光敏式光敏式 湿敏式湿敏式 AlR 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一、电阻式传感器一、电阻式传感器1.变阻器式传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器

8、变阻式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路，如图3-6所示。图图3-6一、电阻式传感器1EERRxLx R总电阻总电阻; Rx 电刷电阻电刷电阻;AlR 1. 变阻器式传感器变阻器式传感器变阻器式传感器一般采用电阻分压电路常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等变阻器受电阻丝直径限制，分辨力20m，线性度低，使用日益减少电阻应变式传感器具有体积小、动态响应快、测量精度高使用方便等优点，而得到广泛运用2.电阻应变式传感器电阻应变式传感器丝式应变片丝式应变片 箔式应变片箔式应变片 AlR 半导体应变片半导体应变片金属应变片金属应变片 丝式、箔式丝式、箔式半导体应变片半导体应变片 金属

9、电阻应变片的工作原理，是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的比例关系比例关系 AlR 应变片受力应变片受力 应变应变 比例关系比例关系 应变片电阻的变化应变片电阻的变化 应变效应应变效应 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半而引起导体或半导体的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：

10、电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量应变量转换转换成成电阻变化量电阻变化量的传感元件。的传感元件。AlR 工作原理工作原理式中，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而伸长时，长度增长，截而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，若金属丝受压力而面积减小，其电阻值就增大；反之，若金属丝受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。应变片受力后，电阻的变化应变片受力后，电阻的变化dR AARRllRRdddd

11、AlR 则则AAlAllARdddd2 两边同除以两边同除以R，同时同时R= l/A，则则AAllRRdddd dl/l = e e 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 / 导线电阻率的相对变化。导线电阻率的相对变化。 dA/A 导线截面积的相对变化，称为导线截面积的相对变化，称为横向应变横向应变。 工作原理工作原理 对于圆形截面积的导线，若半径为对于圆形截面积的导线，若半径为r，则，则 rrrddAd2)(2 )d(2d22rrrrrAdA 横向应变横向应变dr/r和纵向应变和纵向应变dl/l之比称为之比称为泊松比泊松比，即，即 ddrlrl 故故 d

12、d2AlAl e e E dE为导线材料的弹性模量，为导线材料的弹性模量， 为压阻系数，与材料有关为压阻系数，与材料有关则则 AAllRRdddd dd2AlAl 另外另外同种电阻丝材料的同种电阻丝材料的 、 、E为常数，则为常数，则(1+2 + E)为为常数常数 dddd2(12)RllE Rll灵敏度为：灵敏度为： 1 2SE 应变片电阻的相对变化率应变片电阻的相对变化率dR/R与应变与应变e e之间是线形关系之间是线形关系dddd2(12)RllE Rlle e SRdR1 2SE S由两部分组成：由两部分组成： 前一部分前一部分(1+2 )单由金属导线的几何尺寸变化引起的；单由金属导线

13、的几何尺寸变化引起的；后一部分后一部分 E是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。 : 泊松系数，E: 弹性模量， : 压阻系数， e : 纵向应变(12 )dRR e 金属应变片（金属应变片（ 不变，不变， 很小）很小）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， 相对很小）相对很小）半导体应变计半导体应变计6 . 37 . 1)21( gSRdRe e 7060 gSERdRe e e ee e SERdR)21(E12应变片的主要参数应变

14、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(60、120、350、600等)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）。金属应变计金属应变计 金属应变计有金属应变计有: 1、丝式丝式 2、箔式箔式 优点优点:稳定性和温度特稳定性和温度特性好性好. 缺点缺点

15、:灵敏度系数小灵敏度系数小.基本公式：dRER e/gdR RSEeE 半导体材料的弹性模量；半导体材料的压阻系数。半导体应变片的灵敏度为远大于金属丝应变片(2)半导体应变计（物性型）半导体应变计（物性型）压阻效应：单晶半导体材料在沿压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。 优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大; ;体积小体积小; ;能制成具有一定应变能制成具有一定应变电阻的元件电阻的元件. . 缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片温度稳定性和可重复性不如金属应变片。整体型整体型薄膜型薄膜型扩散型扩散

16、型1）直接用来测定结构的应变或应力(3).电阻应变式传感器的应用电阻应变式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 2） 将应变片贴于弹性元件上，测量力、位移、压力、加速度等压力传感器压力传感器 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 扭矩传感器扭矩传感器 3. 固态压阻式传感器固态压阻式传感器的工作原理与半导体应变片相同：都是利用半导体材料的电阻效应。 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，

17、各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。 用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。 压阻式传感器有两种类型：半导体应变式传感器、固态压阻式传感器压阻式传感器的优点是: 灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量； 分辨率高，例如测量压力时可测出1020Pa的微压； 测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高； 可测量低频加速度和直线加速度。 无须粘贴，便于传感器的集成化最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。4.典型动态电阻应变仪图图

18、3-11动态电阻应变仪框图动态电阻应变仪框图直流电桥直流电桥电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路，由于桥式测量电路简单可靠，而且具有很高的精度和灵敏度，测量电路，由于桥式测量电路简单可靠，而且具有很高的精度和灵敏度，因此在测量装置中被广泛采用。因此在测量装置中被广泛采用。电桥按其所采用的激励电源的类型可分为直流电桥与交流电桥；按其工电桥按其所采用的激励电源的类型可分为直流电桥与交流电桥；按其工作原理可分为作原理可分为偏值法偏值法和和归零法归零法两种，其中偏值法的应用更为广泛。两种，其中偏值法的应用更

19、为广泛。直流电桥的基本结构直流电桥的基本结构直流电桥为常见电桥，假定电桥四个桥臂电阻分别为直流电桥为常见电桥，假定电桥四个桥臂电阻分别为R1R1、R2R2、R3R3、R4R4，输入直流电压为，输入直流电压为u u0 0，输出电压信号为，输出电压信号为u uy y，则，则输出为输出为 如果各桥臂的电阻变化分别为：如果各桥臂的电阻变化分别为：R1R1、R2R2、R3R3、R4R4，同时，同时 R1=R2=R3=R4=R R1=R2=R3=R4=R 则则当电阻为应变片时，上式可写成：当电阻为应变片时，上式可写成：132401234()()yR RR RuuRRRR03124()4yuRRRRuRRR

20、R01234()4yguuSeeee电桥又可分为电桥又可分为半桥单臂、半桥双臂和全桥半桥单臂、半桥双臂和全桥电路，分别适合不同要求的电路，分别适合不同要求的测量，电桥输出电压测量，电桥输出电压uyuy大小均不相同，但注意到直流电桥的输出值均大小均不相同，但注意到直流电桥的输出值均与直流电源电压与直流电源电压u0u0直接相关，所以电桥在实际测试中常采用平衡电桥，直接相关，所以电桥在实际测试中常采用平衡电桥，从而避免电源电压不稳所造成的输出不准确的缺陷。电桥平衡条件为：从而避免电源电压不稳所造成的输出不准确的缺陷。电桥平衡条件为：R1R3=R2R4R1R3=R2R4。实测电路往往为平衡电桥，如动态

21、电阻应变仪，平衡电。实测电路往往为平衡电桥，如动态电阻应变仪，平衡电阻可显示被测量的大小。阻可显示被测量的大小。 图图4-2114411011223344333222033441122312401()()21()()21()4eeeeeRRRRRRUUURRRRRRRRRRRRRRRRorUUURRRRRRRRRRRRRRUURRRR123411223344,RRRRRRRRRRRRR312401()4eRRRRUURRRR由上式可以看出：由上式可以看出：1 1）若相邻两桥臂电阻同向（两电阻同时增大或同时减小），）若相邻两桥臂电阻同向（两电阻同时增大或同时减小），所产生的输出电压的变化将相互抵

22、消；所产生的输出电压的变化将相互抵消；2 2）若相邻两桥臂电阻反向（两电阻同时增大或同时减小），）若相邻两桥臂电阻反向（两电阻同时增大或同时减小），所产生的输出电压的变化将相互迭加；所产生的输出电压的变化将相互迭加；上述性质即为电桥的和差特性，很好掌握该特性对构成实际的电桥测量上述性质即为电桥的和差特性，很好掌握该特性对构成实际的电桥测量电路具有重要意义。电路具有重要意义。二、电感式传感器 基于电磁感应原理把被测量转换为电感量变化的装置，按变化方式可分为自感型（包括可变磁阻式和涡流式）与互感型（差动变压器式）。1）可变磁阻式 线圈、铁芯和衔铁组成，铁芯与衔铁间有空隙，自感L与气隙成反比图图3-

23、21 可变磁阻式电感传感器结构原理可变磁阻式电感传感器结构原理1、自感型电感传感器、自感型电感传感器式中：l铁心导磁长度； u铁心磁导率； A铁心磁导截面积； 气隙长度； u0空气磁导率； A0空气气隙导磁截面积（m2）2mNLR002mlRu AuA002002002222mRuANuALNuAS 得 ：得 ：若A0为导磁截面积，此时传感器灵敏度为：2002700(/)410/NASsNH mH m 线圈匝数；空气的磁导率，。图图3-21 可变磁阻式电感传感器结构原理可变磁阻式电感传感器结构原理可见有三种型式的可变磁阻式电感传感器：可见有三种型式的可变磁阻式电感传感器：变气隙型、变面积型及变

24、磁导率型变气隙型、变面积型及变磁导率型a)变气隙型变气隙型可见可见L与与之间的关系为双曲线关系，是非线性关系，测量会产生线性误之间的关系为双曲线关系，是非线性关系，测量会产生线性误差。差。 灵敏度为：灵敏度为： 为减少测量误差，须采取措施：为减少测量误差，须采取措施： （）限制测量范围（）限制测量范围（0，0+） 一般一般/00.1 应用应用:测量小位移测量小位移0.0011mm.20022NuAS（）采用差动式）采用差动式 衔铁移动时一个衔铁移动时一个0,另一另一个个0使得一个使得一个L,另一个另一个L,将两个线圈接入电桥将两个线圈接入电桥的相邻桥臂的相邻桥臂,利用电桥的利用电桥的加减特性达

25、到减小测量非加减特性达到减小测量非线性误差的目的线性误差的目的. 特点：灵敏高、非线性特点：灵敏高、非线性误差大误差大b)面积变化型面积变化型 L与与A0为线性关系为线性关系,测测量线性误差小量线性误差小,但与变但与变气隙型传感器相比灵气隙型传感器相比灵敏度较低敏度较低. 特点：灵敏低、非线特点：灵敏低、非线性误差小；性误差小；c)螺管线圈型（变磁导率）螺管线圈型（变磁导率）传感器结构简单、制造容易，但传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移灵敏度低，适用于较大位移(数毫米数毫米)测量测量双螺管线圈差动型，较之单螺管双螺管线圈差动型，较之单螺管型有较高灵敏度及线性，被用型有较高灵敏

26、度及线性，被用于电感测微计上，常用测量范于电感测微计上，常用测量范围为围为0300um，最小分辨力，最小分辨力为为0.5um这种传感器的线圈接于电桥上这种传感器的线圈接于电桥上(见见图图3-23a)，构成两个桥臂，线，构成两个桥臂，线圈电感圈电感L1、L2：随铁心位移：随铁心位移而变化，其输出特性如图而变化，其输出特性如图3-23b所示。所示。Z=f(,r,I,)应用：应用：变间距变间距：测位移、厚度、振幅、转速、计数等；：测位移、厚度、振幅、转速、计数等；变电阻率变电阻率：金属的：金属的、硬度、热处理的性能、合金、硬度、热处理的性能、合金成分等；成分等；变磁导率变磁导率：无损探伤、残余应力、

27、材质检测等。：无损探伤、残余应力、材质检测等。优点：灵敏度高、结构简单、抗干扰性强、不受油优点：灵敏度高、结构简单、抗干扰性强、不受油污尘埃等介质的影响、非接触测污尘埃等介质的影响、非接触测量。 涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应，如图所示。一块金属板置于一只线圈的附近，相互间距为，当线圈中有一高频交变电流i通过时，便产生磁通。此交变磁通通过邻近金属板，金属板表层上便产生感应电流，即涡电流。这种涡电流也将产生交变磁通1。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，1总是抵抗的变化。涡流磁场也使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离有关。分析表明，影响高

28、频线圈阻抗分析表明，影响高频线圈阻抗Z Z的因素，除了线圈与金属板间的因素，除了线圈与金属板间距距 以外，还有金属板的电阻率、以外，还有金属板的电阻率、磁导率以及线圈激励频率等。磁导率以及线圈激励频率等。当改变其中某一因素时，即可当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的，即可做达到不同的变换目的，即可做成不同类型的传感器。成不同类型的传感器。2 2）电涡流式传感器）电涡流式传感器调幅电路调幅电路12fLC测量时传感器线圈阻抗随金属板间距测量时传感器线圈阻抗随金属板间距 而变化，而变化，LCLC回路失谐，输出信号频率虽然仍为振荡器回路失谐，输出信号频率虽然仍为振荡器的工作频率，但是幅值随的工

29、作频率，但是幅值随 而变化，它相当于而变化，它相当于一个被一个被 调制的调幅波，再经放大、检波、滤调制的调幅波，再经放大、检波、滤波后，即可得到间隙波后，即可得到间隙 的动态变化信息。的动态变化信息。调频电路调频电路特点及应用特点及应用 特点：特点： 涡流式传感器可用于动态非接触测量，测量范围视传涡流式传感器可用于动态非接触测量，测量范围视传感器结构尺寸、线圈匝数和励磁频率而定，一般从感器结构尺寸、线圈匝数和励磁频率而定，一般从(110)mm不等，最高分辨力可达不等，最高分辨力可达0.1um。 具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等优点。优

30、点。 因此，近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无因此，近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用。 实际上，这种传感器在径向振摆、回转轴误差运动、实际上，这种传感器在径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量转速和厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都有应用。中都有应用。a）径向振摆测量 b）轴心轨迹测量 c）转速测量d）穿透式测厚 e）零件计数器 f）表面裂纹测量下图表示的是涡流式传感器的工程应用实例。2.互感型这种传感器利用电磁感应中的互感现象。

31、当线圈W1输入交流电流i1时，线圈W2产生感应电势e12，其大小与电流i1变化率成正比，比例系数M称为互感量。它描述两线圈之间的耦合程度，其大小与两线圈相对位置及周围介质导磁能力等因素有关。实际应用较多的是螺管形差动变压器，其工作原理如图3-30a、b所示。图图3-30 差动变压器输出交流电压，其幅值与铁心位移成正比，只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的极性。其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压。零点残余电压是由于两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。所以，即使铁心处于中间位置时，输出也不为零。为此，差动变压器式传感器的后接电路，需要采用既能

32、反映铁心位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。 由差动变压器式电感传感器构成的位移测量仪，最高分辨力可达01m，测量范围可扩展到100mm，结构简单，使用方便，稳定性好，被广泛用于直线位移，或可转换为位移变化的压力、重力等参数的测量。 上图是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路。在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻及，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。三、电容式传感器三、电容式传感器将被测物理量转换为电容量变化的装置，实际上是一个具有可变参数的电容器1 工作原理工作原理最简

33、单的平行极板电容器。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为 : 0 真空的介电常数， ( 0 =8.854 10 -12 F/m ）；A 极板的遮盖面积； 极板间介质的相对介电系数，空气 = 1 ； 两平行极板间的距离。 两平行极板间的距离。 当被测量 、 A 或发生变化时，都会引起电容的变化。0ACe e2 分类 ：根据电容器参数变化的特性，可分为极距变化型介质变化型 面积变化型 3 测量电路电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化后，由后续电路转换为电压、电流或频率信号。（1）电桥型电路：将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出。通常采用电阻、电容或电感、电容组成

34、的交流电桥，如上图所示。通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥，如上图所示。（2）直流极化电路：此电路又称为静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器（3）谐振电路原理及其工作特性（4）调频电路的工作原理图图3-18（5）运算放大器电路第四节 磁电、压电及温度传感器一、一、 磁电式传感器磁电式传感器 1.变换原理变换原理: 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。势的一种转换器。),(,cos,mdtddtdRBSBNU感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势U U为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改

35、变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，都会改变线圈的感应电动势。其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 2 分类分类 3 动圈式传感器动圈式传感器 4 磁阻式传感器磁阻式传感器 5 应用应用b) 测速电机测速电机a)磁电式车速传感器磁电式车速传感器二二 压电式传感器压电式传感器 1.变换原理变换原理: 压电效应压电效应 某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状

36、态，这种现象称为压电效应。态，这种现象称为压电效应。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；方向有关；F为作用力。为作用力。 q=DFaaqeCea：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:输入电容输入电容压电式传感器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

37、：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： icaCCCASicaiyCCCqAeAe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qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=

38、eiC+ (ei-ey)Cf ffyKCCCKqe)(fyffCqethenCCKCIf )( ei=(q+eyCf)/(C+Cf)fCS1(3).(3).电荷放大器电荷放大器3 应用应用b) 压力变送器压力变送器a) 加速度计，力传感器加速度计，力传感器 案例：案例：飞机模态分析飞机模态分析三三 温度传感器温度传感器 热电偶温度传感器热电偶温度传感器thermocouple热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器thermistor四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器低温铂电阻温度计（低温铂电阻温度计（13.81K273.15K）；）；铂电阻温度计（铂

39、电阻温度计（273.15K903.89K）；）；铂铑铂铑-铂热电偶温度计（铂热电偶温度计（903.89K1337.58K）；）；光测温度计（光测温度计（1337.58K以上）。以上）。 国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和和t68来区别（一般简写为来区别（一般简写为T与与t）。）。3. 3. 温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特点l 接触式温度传感器l 非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了

40、被测物体温度，测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象却较低。优点是：

41、不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。物理物理现象现象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质 颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料 液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半

42、导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器 光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计 2. 玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计 6. 气体压力温度计气体压力温度计1 热铁氧体热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金合金热电偶、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属热电偶、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成

43、电路传感器、可控硅管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称超高温用超高温用传感器传感器1500以上以上光学高温计、辐射传感器光学高温计、辐射传感器高温用高温用传感器传感器10001500光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中高温用中高温用传感器传感器5001000光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中温用中温用传感器传感器0500低温用低温用传感器传感器-2500极低温用极低温用传感器传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷陶瓷晶体管、热敏电阻、晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计压力式玻璃温度计见

44、表下内容见表下内容 测测 温温 范范 围围温度传感器分类(1)分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称测温范围宽测温范围宽输出小输出小晶体管、热电偶晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计压力式温度计、玻璃制温度计线性型线性型测温范围窄测温范围窄输出大输出大热敏电阻热敏电阻指数型指数型函数函数开关型开关型特性特性特定温度特定温度输出大输出大感温铁氧体、双金属温度计感温铁氧体、双金属温度计 测测 温温 特特 性性温度传感器分类温度传感器分类(2)分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称测定

45、精度测定精度0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计度计、光学高温计温度温度标准用标准用测定精度测定精度0.55热电偶、测温电阻器、热敏电热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅体集成电路传感器、可控硅绝对值绝对值测定用测定用管理温度管理温度测定用测定用相对值相对值15 测测 定定 精精 度度温度传感器分类(3) 常用热电偶的结构类型常用热电偶的结

46、构类型1 1工业用热电偶工业用热电偶2 2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）铠装式热电偶（又称套管式热电偶）3 3快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶4 4快速消耗微型热电偶快速消耗微型热电偶 温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还

47、可用于测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。快速及动态温度的测量。 热电偶温度传感器热电偶温度传感器两种不同的导体或半导体两种不同的导体或半导体A A和和B B组合成闭合回路，若导体组合成闭合回路，若导体A A和和B B的的连接处温度不同（设连接处温度不同（设T TT T0 0），则在此闭合回路中就有电流产生，），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应热电效应。这种。这种现象早在现象早在18211821年首先由西拜克（年首先由西拜克（See.backSee.back）发现）发现, ,所

48、以又称西拜克所以又称西拜克效应。效应。热电偶原理图热电偶原理图TT0AB 工作原理工作原理回路中所产生的电动势，叫回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势热电势。热电势thermo-electric force由两部分组成由两部分组成，即温差电势和接触电势。，即温差电势和接触电势。热热端端冷冷端端 热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。而变化的性质制成的。 在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速、铜电阻温度计等）和热敏电

49、阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（场合下（- -40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。传感器。热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器NTC二极管封装二极管封装环氧封装、小型化高精度环氧封装、小型化高精度 ； 响应时响应时间快间快 ； 稳定性好稳定性好 根据不同用途有多种封根据不同用途有多种封装结构装结构 ；使用温区宽；使用温区宽 高稳定性、高可靠性高稳定性、高可靠性根据不同用途有多种封装根据不同用途有多种封装结构结构 ；使用温区宽；使用温区宽 ；高稳；高稳定性、高可靠性定性、高可靠性 ；为客户；为客户提供多种便捷服务提供多种便捷服务 家用冰箱、空调器家用冰箱、空调器 ；电热水器、整体浴室电热水器、整体浴室 ；冰柜、豆浆机冰柜、豆浆机 环氧封装、小型化、精度高环氧封装、小型化、精度高 ；可靠性高、；可靠性高、响应时间快响应时间快 ；引线采用聚脂漆包线、耐热、；引线采用聚脂漆包线、耐热、绝缘性好绝缘性好 第五节 传感器的选用原则 如何根据测试目的和实际条件，合理地选用传感器。1灵敏度 一般讲，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，意味着传感器所能感知的变化量越