机械工程测试第三章

机械工程测试第三章4/30/20231第1页，共105页，2023年，2月20日，星期一传感器的定义、组成1.传感器的定义直接感受被测量，并按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。2.传感器的组成应变片4/30/20232第2页，共105页，2023年，2月20日，星期一3.1传感器的分类1.按传感器感知外界信息所依据的基本效应分2.按工作原理分类

例：以压电效应工作的传感器就称之为压电式传感器，以应变效应工作的传感器就称之为应变式传感器等。3.按传感器使用的敏感材料分类

4.按被测量（或传感器的用途）分类例：用于测力、扭矩、加速度的传感器就称为力传感器、扭矩传感器、加速度传感器。4/30/20233第3页，共105页，2023年，2月20日，星期一5.按能量关系分类1)能量转换型（无源型）：可将输入的信号直接转换为电信号输出的传感器。例：压电式传感器、电磁式传感器、热电式传感器等。

2）能量控制型（有源型）：在辅助电源作用下，将被测的信号转换为电参量变化的传感器。例：电阻式传感器、电容式传感器、电阻应变式传感器等6.按输出信号的性质分类4/30/20234第4页，共105页，2023年，2月20日，星期一第二节机械式传感器1.作用原理依靠弹性元件感受被测物理量并将该物理量转换为另一类变形量,以指针的偏转显示被测量。2.实例4/30/20235第5页，共105页，2023年，2月20日，星期一3.特点优点：结构简单、性能可靠、价格低、读数直观。缺点：固有频率低不适于动态量测量，输出为非电量，不易传输。4/30/20236第6页，共105页，2023年，2月20日，星期一第三节电阻、电容、电感式传感器一.电阻器式传感器1.变阻器式传感器1）结构形式4/30/20237第7页，共105页，2023年，2月20日，星期一2）工作原理4/30/20238第8页，共105页，2023年，2月20日，星期一3）工作特性①空载特性②负载特性4）特点

优点：结构简单、性能稳定、使用方便缺点：分辨率低（<20μm）、易磨损、噪声大。ABCL4/30/20239第9页，共105页，2023年，2月20日，星期一5）应用：主要用于位移测量液位测量轴转角测量压力测量线位移测量4/30/202310第10页，共105页，2023年，2月20日，星期一4/30/202311第11页，共105页，2023年，2月20日，星期一2.应变式传感器1）类型2）结构

（1）金属式金属箔式金属丝式敏感元件材质4/30/202312第12页，共105页，2023年，2月20日，星期一（2）半导体式4/30/202313第13页，共105页，2023年，2月20日，星期一2）工作原理结论：

（1）金属式应变片：基于应变效应工作。（2）半导体式应变片：基于压阻效应工作。

4/30/202314第14页，共105页，2023年，2月20日，星期一3）特点优点：体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便。缺点：受温度影响大、纸基片易受潮、不能测量材料内部应变等。4应用直接用于应力、应变测量，经弹性元件转换可测力、位移、速度、加速度、扭矩等。4/30/202315第15页，共105页，2023年，2月20日，星期一4/30/202316第16页，共105页，2023年，2月20日，星期一4/30/202317第17页，共105页，2023年，2月20日，星期一4/30/202318第18页，共105页，2023年，2月20日，星期一3.固态压阻式传感器1）工作原理与半导体应变片相同——利用半导体材料的压阻效应。2）区别——半导体应变片由单晶半导体材料构成，工作时粘贴在敏感元件上。固态压阻式传感器中的敏感元件是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，故也称为扩散型半导体应变片。3）应用主要用于测压力与加速度。4/30/202319第19页，共105页，2023年，2月20日，星期一二.电容式传感器1.工作原理2.类型及工作特性1）极距变化型

基本结构差动结构4/30/202320第20页，共105页，2023年，2月20日，星期一①输入-输出特性（基本结构）②传感器灵敏度（基本结构）结论：输入、输出关系为非线性4/30/202321第21页，共105页，2023年，2月20日，星期一2）面积变化型（1）角位移型（2）平面位移型4/30/202322第22页，共105页，2023年，2月20日，星期一结论：面积变化型输入-输出关系位线性。（3）圆柱体线位移型4/30/202323第23页，共105页，2023年，2月20日，星期一3）介质变化型4/30/202324第24页，共105页，2023年，2月20日，星期一3.测量电路1）电桥型电路2）直流极化电路4/30/202325第25页，共105页，2023年，2月20日，星期一3）谐振电路4）调频电路4/30/202326第26页，共105页，2023年，2月20日，星期一5)运放电路4.应用例电容式听诊器4/30/202327第27页，共105页，2023年，2月20日，星期一电容集成压力传感器

电容式料位传感器4/30/202328第28页，共105页，2023年，2月20日，星期一三.电感式传感器依据电磁感应原理，把被测量转换为电感量变化的一种装置1.类型：2.工作原理及应用1）自感式-可变磁阻式传感器（1）结构形式4/30/202329第29页，共105页，2023年，2月20日，星期一4/30/202330第30页，共105页，2023年，2月20日，星期一（2）（变隙式）工作原理①工作原理：②灵敏度4/30/202331第31页，共105页，2023年，2月20日，星期一（3）特点优点：结构简单，使用方便。缺点：线圈有电流，衔铁始终有吸力；不能反映被测量的变化方向；存在非线性；灵敏度较低，适于较小位移测量。

*非线性的解决方法:①仅用于小位移测量，测量范围一般应满足：0.001-1mm4/30/202332第32页，共105页，2023年，2月20日，星期一结论：差动结构线性、灵敏度、分辨力（0.5μm）均较高.②采用差动结构。4/30/202333第33页，共105页，2023年，2月20日，星期一（3）应用：位移测量变隙式电感式压力传感器变隙式差动电感式压力传感器4/30/202334第34页，共105页，2023年，2月20日，星期一2)自感式—电涡流式传感器（1）结构形式4/30/202335第35页，共105页，2023年，2月20日，星期一（2）工作原理4/30/202336第36页，共105页，2023年，2月20日，星期一（3）测量电路①调幅电路xLfu4/30/202337第37页，共105页，2023年，2月20日，星期一（4）应用：可测位移（数微米-数百毫米）、振幅、板厚、材料热膨胀系数、金属探伤等。涡流式厚度测量②调频电路Ｕ（ｔ）位移测量δ4/30/202338第38页，共105页，2023年，2月20日，星期一4/30/202339第39页，共105页，2023年，2月20日，星期一3）互感式——差动变压器式传感器（1）基本结构及工作原理改变衔铁位置改变M值改变e12值4/30/202340第40页，共105页，2023年，2月20日，星期一（2）差动结构及工作特性4/30/202341第41页，共105页，2023年，2月20日，星期一（3）测量电路4/30/202342第42页，共105页，2023年，2月20日，星期一差动变压器式位移传感器差动变压器式力传感器（4）应用例4/30/202343第43页，共105页，2023年，2月20日，星期一第四节磁电、压电、热电式传感器一.磁电式传感器1.类型动圈式、磁阻式4/30/202344第44页，共105页，2023年，2月20日，星期一2.工作原理及测量电路

1)动圈式（1）线速度型（2）角速度型

4/30/202345第45页，共105页，2023年，2月20日，星期一（3）测量电路4/30/202346第46页，共105页，2023年，2月20日，星期一2.磁阻式4/30/202347第47页，共105页，2023年，2月20日，星期一二、压电式传感器1.工作原理-压电效应*正压电效应:材料受外力作用产生形变及与外力成正比的电荷，外力去除，材料形变恢复且电荷消失。*逆压电效应：材料受交变电场作用产生机械变形，电场去除，变形恢复。

4/30/202348第48页，共105页，2023年，2月20日，星期一1)石英晶体纵压电效应横压电效应切向效应qqq光轴机械轴电轴2.常用压电材料及其压电特性4/30/202349第49页，共105页，2023年，2月20日，星期一2)压电陶瓷3)高分子压电薄膜

4/30/202350第50页，共105页，2023年，2月20日，星期一3.压电式传感器测量电路

1)压电式传感器的等效电路压电片的连接方式4/30/202351第51页，共105页，2023年，2月20日，星期一2)压电式传感器的测量电路与响应特性

（1）传感器与测量线路的连接

（2）响应特性设则4/30/202352第52页，共105页，2023年，2月20日，星期一（3）压电传感器不同放大器电路下的工作特性

①电压放大器②电荷放大器4/30/202353第53页，共105页，2023年，2月20日，星期一4.压电式传感器应用1)压电式测力传感器2)压电式加速度传感器4/30/202354第54页，共105页，2023年，2月20日，星期一3)煤气灶电子点火器

4/30/202355第55页，共105页，2023年，2月20日，星期一三、热电式传感器

1.热电偶传感器

1）工作机理——热电效应4/30/202356第56页，共105页，2023年，2月20日，星期一2）热电偶的几个定律

(1)中间温度定律

(2)中间导体定律

4/30/202357第57页，共105页，2023年，2月20日，星期一(3)标准电极定律

2)热电偶分类

(1)铂铑10-铂(2)铂铑30－铂铑6

(3)镍铬-镍硅或镍铬-镍铅(4)镍铬-考铜(5)镍铬-康铜（1）、（3）、（4）型4/30/202358第58页，共105页，2023年，2月20日，星期一

2.热电阻传感器工作机理—基于电阻材料阻值随温度变化的特性类别—分金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者称为热电阻，后者称为热敏电阻1)铂电阻（1）结构4/30/202359第59页，共105页，2023年，2月20日，星期一（2）铂电阻的温度关系（经验公式）

2)铜电阻

4/30/202360第60页，共105页，2023年，2月20日，星期一

第五节光电传感器光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器一、光电测量原理理论基础－光电效应

1.外光电效应

光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象

2.内光电效应（光导效应）光照作用下，物体的导电性能发生改变的现象

3.光生伏特效应光照作用下，物体产生一定方向的电动势的现象4/30/202361第61页，共105页，2023年，2月20日，星期一二、光电元件1.光电池1）种类2）硅光电池的结构

4/30/202362第62页，共105页，2023年，2月20日，星期一3）基本特性*光照特性*频率特性*光谱特性*温度特性光电池的光谱特性4/30/202363第63页，共105页，2023年，2月20日，星期一2.真空光电管或光电管

1)结构

a）金属底层光电阴极；b）光透明阴极4/30/202364第64页，共105页，2023年，2月20日，星期一2）光电管的基本特性（1）光电阴极的基本特性-频谱灵敏度、红限、逸出功（2）光电特性（3）伏安特性

4/30/202365第65页，共105页，2023年，2月20日，星期一3.光电倍增管

1)结构

2）工作原理—-4/30/202366第66页，共105页，2023年，2月20日，星期一4.光敏电阻

1）工作原理—基于内光电效应工作，无光照时，电阻很高，有光照时电阻很低

2）光敏电阻的主要特征参数

(1)光电流、暗电阻、亮电阻

(2)光照特性

(3)伏安特性

(4)光谱特性

(5)响应时间

(6)温度特性4/30/202367第67页，共105页，2023年，2月20日，星期一5.光敏晶体管分为光敏二极管和光敏晶体管两类。

1）光敏二极管

2）光敏晶体管

4/30/202368第68页，共105页，2023年，2月20日，星期一3）光敏管的基本特性

(1)光照特性(2)伏安特性

(3)光谱特性(4)温度特性(5)响应时间

4/30/202369第69页，共105页，2023年，2月20日，星期一三、光电传感器的应用基本测量方式：

1.光源测量式

2.光投射式

3.光反射式

4.光遮挡式

5.光断续式4/30/202370第70页，共105页，2023年，2月20日，星期一应用例4/30/202371第71页，共105页，2023年，2月20日，星期一冷轧钢带跑偏监测装置角矩阵反射镜4/30/202372第72页，共105页，2023年，2月20日，星期一光电控制电路4/30/202373第73页，共105页，2023年，2月20日，星期一光电式数字转速计4/30/202374第74页，共105页，2023年，2月20日，星期一光电开关4/30/202375第75页，共105页，2023年，2月20日，星期一3.9光纤传感器1.基本概念1）光纤的结构2）工作原理3）光纤的种类n1>n2

4/30/202376第76页，共105页，2023年，2月20日，星期一3）光纤的传光原理4/30/202377第77页，共105页，2023年，2月20日，星期一4)光纤的数值孔径4/30/202378第78页，共105页，2023年，2月20日，星期一3.光纤传感器的应用1）光纤位移传感器4/30/202379第79页，共105页，2023年，2月20日，星期一4/30/202380第80页，共105页，2023年，2月20日，星期一2）光纤液位及计4/30/202381第81页，共105页，2023年，2月20日，星期一

第七节半导体传感器类别：磁敏传感器、光敏传感器、固态图像传感器、热敏电阻、气敏传感器、湿敏传感器、集成传感器4/30/202382第82页，共105页，2023年，2月20日，星期一一.磁敏传感器

1.霍尔元件

1）霍尔效应及霍尔元件4/30/202383第83页，共105页，2023年，2月20日，星期一

2）霍尔元件的应用

a.霍尔位移传感器4/30/202384第84页，共105页，2023年，2月20日，星期一b.霍尔角位移传感器及转速传感器4/30/202385第85页，共105页，2023年，2月20日，星期一c.霍尔压力传感器4/30/202386第86页，共105页，2023年，2月20日，星期一e.霍尔汽车无触点点火器4/30/202387第87页，共105页，2023年，2月20日，星期一2)磁阻元件(1)磁阻效应与基本工作原理4/30/202388第88页，共105页，2023年，2月20日，星期一(2)磁阻元件的应用

a.磁通计

b.无触点开关4/30/202389第89页，共105页，2023年，2月20日，星期一c.位移测量

4/30/202390第90页，共105页，2023年，2月20日，星期一3)磁敏管分磁敏二极管和磁敏三极管二种，为磁电转换元件

(1)磁敏二极管结构原理粗糙面光滑面4/30/202391第91页，共105页，2023年，2月20日，星期一(2)磁敏三极管结构原理结论：磁敏三极管与磁敏二极管工作原理相同，以磁场方向控制集电极电流增加或减少，用磁场的强弱控制集电极电流增加或减少的变化量。IcIcIb恒定Ib恒定iirr4/30/202392第92页，共105页，2023年，2月20日，星期一(3)应用4/30/202393第93页，共105页，2023年，2月20日，星期一二.热敏传感器（热敏电阻）1）热敏电阻的结构4/30/202394第94页，共105页，2023年，2月20日，星期一2）工作原理热电阻效应-—导体电阻率随其自身温度变化而变化

3)特性电阻温度系数为负值4)特点灵敏度大；可制成各种形式；阻值大；非线性较大。4/30/202395第95页，共105页，2023年，2月20日，星期一4.气敏传感器

1)功能：检测气体成分或浓度2）工作原理依靠气敏元件与气体接触后自身性质（如电阻）发生变化的特性而工作。3）类型4/30/202396第96页，共105页，2023年，2月20日，星期一5.湿