机械工程测试技术应用

机械工程测试技术应用

CH2传感器技术概论（传感器定义与分类）

1能量控制型（参数型）传感器变换原理、结构特点、工作特性及主要应用234能量转换型（发电型）传感器变换原理、结构特点、工作特性及主要应用2第一节概论

传感器的定义能感受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（GB/T7665-2005

）。

被测量——通常是非电物理量

输出信号——一般为电量传感器也称为换能器、变换器、变送器或探测器，其主要作用是感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。3传感器的组成被测量敏感元件转换元件辅助电源测量电路电量传感器的组成框图

4传感器的分类按被测参量分类

位移、速度、温度、压力、流量、力、传感器。按传感器的工作机理分类

物理传感器：利用物理现象和效应感知并转换信息。R、L、C、压电、磁电、光电传感器等。

化学传感器：利用化学反应识别转换信息。pH、气体、湿度传感器等。

生物传感器（新）：利用生物化学反应识别转换信息，由固定生物体材料和转换器组合而成。味觉、听觉、酶、微生物传感器等。5

●

按能量转换分类

有源传感器（能量转换型、发电型）：本身是一换能装置，不需外加电源，如压电、磁电、热电传感器等。

无源传感器（能量控制型、参数型）：本身不是一个换能装置，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，必须有外加电源供给，如电阻、电容、电感、霍尔传感器等。按传感器使用材料分类

半导体、陶瓷、复合材料、金属、高分子，超导、光纤传感器、纳米材料传感器等。按传感器输出信号连续性分类模拟和数字传感器。6第二节电阻式传感器

热电阻

变大电阻式电位器变微电阻式（电阻应变片）1电阻式传感器分类7

2变阻器式传感器

直线位移型、角位移型和非线性型

图3-2（1）基本结构8（2）应用

线位移、角位移测量。一般地，滑线性：1-300mm,0-360o

γ=0.1-1%,分辨力0.01mm变阻式：1-1000mm0-60转9

（3）变阻器式传感器的工作特点

结构简单分辨力低（导电塑料可改善）高频动态测试时精度低●●●102电阻应变片

（1）变换原理

金属丝的电阻应变效应——金属丝的电阻随其形状改变而发生相应变化的现象。11

（2）基本组成：

1-基底2-电阻丝3-覆盖层4-引线

12

P电阻应变片13（3）电阻丝的电阻应变效应yx14Ks——金属丝的灵敏系数则：所以：令：注意：应变与微应变的关系15（4）电阻应变片的灵敏系数及其横向效应

应变片的灵敏系数K：应变片的电阻变化率与沿主应力方向试件应变之比。

K、Ks都为无量纲量。由于横向效应，同材质时有：

K<Ks应变片的横向效应：直金属丝绕成敏感栅虽长度同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直金属丝小，灵敏系数下降的现象。16

（5）电阻应变片的主要技术指标①栅宽b、栅长L标注：b×L②标称阻值R标称③灵敏系数K④最大允许电流Imax⑤热输出△Rt17

（6）电阻应变片的种类丝式应变片（回线式、短接式）（现已少用）、箔式、半导体式箔式应变片：单轴、应变花：18

箔式应变片19

⑴

敏感栅尺寸正确、线条均匀，可制成任意形状；⑵敏感栅界面为矩形，表面积与截面积之比远比圆断面大，粘合、散热效果好；⑶

敏感栅薄而宽，粘结性能及传递应变性能好；⑷

敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。箔式应变片的特点：20

变换原理

压阻效应——半导体材料的电阻率随应力而变化的现象。（7）半导体应变片图7-5

21

因为：所以：对于半导体材料：KS:半导体材料的灵敏系数λ：半导体材料的压阻系数22半导体应变片的特点：⑴KS↑↑,往往可省略放大环节；⑵

ρ↑↑

,R一定时，横向效应约为零；⑶

机械滞后↓；⑷KS仅在利600µε以下为常数；⑸KS离散性较大;⑹

温度稳定性↓。23

（8）电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感元件FF24

电阻应变式传感器传感元件电阻应变式（切削力）传感器25

电阻应变式传感器传感元件电阻应变式传感器26电阻应变式传感器传感元件电阻应变式传感器27固态压阻传感器：利用各向异性腐蚀进行高精度的三维加工，在硅片上加工复杂形状的微型机械元件,如梁、球、环、孔、沟等作为传感器的弹性元件（基底），其上的P型导电层就是敏感元件，两者合为一体。利用压阻效应工作。28（9）电阻应变片的温度误差及补偿热输出——应变片由于温度变化而引起电阻变化，使输出应变与温度成比例的变化现象。29双金属敏感栅自补偿应变片选择式自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片补偿方法焊接点

R1

R2

（1）桥路补偿法（2）应变片自补偿法30

第三节电容式传感器

1变换原理:

将被测量的变化转化为电容器电容量的变化。+++A两平行极板组成电容器,其电容量为:δ、A或εr发生变化时，都会引起电容的变化。δ31

2类型●变极距δ型●变面积型A型●变介电常数εr

型32

3极距变化型电容传感器工作原理

极距变化型电容传感器差动平板式电容传感器1－定极板；2－动极板33（1）非差动变极距型电容传感器输入输出特性初始：极间距减小时：输出增量：34

灵敏度：

非线性：传感器输出：35中极板上移:

输出:（2）差动变极距型电容传感器输入输出特性c0c0δ：初始极间距δδ36灵敏度：非线性：（3）差动式与非差动式特性比较：

差动式的非线性得到很大改善，灵敏度比非差动式提高1倍。37

电容式传声器38

4变面积型电容传感器工作原理

（1）角位移型+++39（2）平面线位移型abx电容式传感器

δ40

电容液位计图5变介质型电容传感器工作原理21416应用：微位移（0.01