发动机测试技术 第四章传感器基本类型及其工作原理

1、2020/6/29,1,第四章 传感器的基本类型及其工作原理,学习要求 了解常见的传感器的分类。 熟悉常见的传感器（电阻式，电感式，电容式,压电式，磁电式，热电式，霍耳传感器等）的组成 、工作原理和用途等。,2020/6/29,2,4.1 传感器概述 1.传感器的定义,热能与动力机械测试技术发展的特点与趋向，是普遍采用电测仪表测定非测量。非电量电测系统一般由传感器、测量电路、记录和显示或处理装三部分组成。如图:4-1-1 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的输出，满足信息的传输、存储、显示、记录和控制要求。,2020/6/

2、29,3,4.1 传感器概述 1.传感器的定义,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号的装置。,物理量,电量,2020/6/29,4,2. 传感器的构成,传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。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。,2020/6/29,5,3 传感器分类,按被测物理量分类: 位移,力,温度等 按工作的物理基础分类: 机械式,电气式,光学式,流体式等. 按信号变换特征: 物性型,结构型. 按敏感元件与被测对象之间的能

3、量关系: 能量转换型和能量控制型,2020/6/29,6,3 传感器分类,A 物性型与结构型传感器 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. 例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,B 能量转换型和能量控制型传感器 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 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变化. 例如:电阻应变片.,2020/6/29,7,4.1 传感器概述 3 传感器分类,常用传感器根据其作用原理的不同，可以分为两大类。 “能量型” ：这类传

4、感器可以输出电信号，故称能量型传感器，也称发电型传感器。包括磁电式(电动式、感应式)、压电式、热电式、光电式、霍耳效应式、电涡流式等传感器。 “参数型”：这类传感器工作中只能相应改变其物性参数，所以称参数型。包括电阻式、电感式、电容式等传感。,2020/6/29,8,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,声强； 磁: 磁通,磁场； 温度: 温度,热量,比热； 光： 亮度，色彩,2020/6/29,9,4.1 传感器概述 3 传感器分类,传感器通常

5、根据其类型以及所测参数的含义来命名，如电容式压力计，压力式加速度计，磁电式测振计，光电式转速表。因为传感器的种类过于繁多，后续章节只是针多热能动力方面用得多的传感器作介绍。,2020/6/29,10,4.1 传感器概述 4.传感器特性,传感器的特性主要包括以下两种。 静态特性 静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。 表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力等。,2020/6/2

6、9,11,4.1 传感器概述 3.传感器特性,传感器的特性主要包括以下两种。 静态特性 动态特性 是指传感器在输入动态参数时，它的输出特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。测定动态特性最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种。,2020/6/29,12,4.2 电阻式传感器 1.电阻式传感器工作原理,我们知道导体的电阻与导体的材料性能(电阻率)，导体的尺寸(如长度 ，横截面积S)，形状以及导体的温度有关。其关系式如下： 从式中可以看出，在匀质导体中，电阻R与其长度 成正比。那么长度变化的测量就可以转换成电阻的测量，根据这个原理，可制成以下传感器：电位计式

7、、应变式等传感器。,2020/6/29,13,4.2 电阻式传感器 2.电位计式传感器,常用电位器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，可作为角位移和线位移测量的电阻式传感器。其工作原理如4-2-1 所示。,2020/6/29,14,4.2 电阻式传感器 2.电位计式传感器,优点： 结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；可以实现输出-输入间任意函数关系；输出信号大，一般不需放大。 缺点： 因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；动态响应较差

8、，适合于测量变化较缓慢的量。,2020/6/29,15,应用案例： 重量的自动检测-配料设备,比较,原理 用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化,2020/6/29,16,4.3应变式传感器 1.应变式传感器原理,金属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。 对于大多数作为应变片的金属来说,其电阻丝电阻变化率R/R在弹性范围内存在以下关系： 式中：k为常数，称为灵敏系数； 为线应变；这就是电阻应变片测量应变的理论基础。,2020/6/29,17,4.3应变式传感器 2.应

9、变式传感器的结构,电阻应变式传感器简称电阻应变计，它是用高电阻率的细金属丝，绕成如下图所示的栅状敏感元件1，用粘结剂牢固地粘在基底2、4之间，敏感元件两端焊上较粗的引线3。可测得应力、变形、扭矩等机械参数。,2020/6/29,18,4.3应变式传感器 2.应变式传感器的结构,2020/6/29,19,4.3应变式传感器 3.应变片的温度补偿,由于半导体应变片的温度稳定性差，使用时必须采取温度补偿措施，以消除由温度引起的零漂或虚假信号。在实际工作中，温度补偿的方法有桥路补偿和应变片自补偿两类。 1)桥路补偿 两片具有相同特性的应变片，将其轴线相互垂直地粘在同一弹性件表面上，如图4-4。,202

10、0/6/29,20,4.3应变式传感器 3.应变片的温度补偿,2020/6/29,21,4.3应变式传感器 3.应变片的温度补偿,应变片的纵轴x-x方向与受力方向一致的为工作片，另一片为补偿片，两片所处的温度可认为相同。将两片接入电桥相邻两臂，当电桥平衡时，即有 固定电阻R1，R2的阻值相等。当环境温度变化时，两个应变片上引起的电阻的增量Ra,Rb不仅符号相同，而且数值相等，因此仍能使电桥平衡，消除了温度影响。这种补偿方法简单，在常温下补偿效果好。但当试件的温度梯度较大时，补偿效果会受影响。,2020/6/29,22,4.3应变式传感器 3.应变片的温度补偿,2)应变片自补偿 这类方法是利用粘

11、贴在试件表面上的一种特定的应变片，温度变化时，其电阻增量等于零或相互抵消，从而不因虚假应变而产生虚假输出而影响真实应变的测量读数。 选择特定的应变片来进行自补偿 使应变片实现温度自补偿的最直接的设想，就是当环境温度变化时应变片不产生电阻变化，即： 于是有 这样就可以选择应变片的电阻丝栅材料，使它的电阻温度系数和线胀系数满足上式的要求，从而实现自补偿。,2020/6/29,23,4.3应变式传感器 3.应变片的温度补偿,双金属敏感栅电阻温度补偿 双金属敏感栅电阻温度补偿利用两种不同电阻丝栅材料构成一个应变片，并组成电桥相邻的两臂以实现温度补偿。采用两种材料的丝栅，要求当温度发生变化时分别成为电桥

12、相邻两臂的Rg和Rr的电阻丝栅发生相同的变化，使两者互相抵消，电桥没有输出，从而达到温度补偿的目的。,2020/6/29,24,4.3应变式传感器 4.电阻应变式传感器应用,1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况。 2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。,2020/6/29,25,4.3应变式传感器 4.电阻应变式传感器应用,应变片的典型应用见下图4-2-2 。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动

13、体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。 应变片原理,2020/6/29,26,案例：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。,2020/6/29,27,4.4电感式传感器 1.电感式传感器,电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,2020/6/29,28,4.4电感式传感器 2.可变磁阻式电感传感器的原理,由电磁感应原理可知，线圈中的电感L计算式为： 式中：S为气隙面积； 为气隙厚度； w为线圈匝数； 为空

14、气导磁率； 如图4-4-1所示，当衔铁产生位移时，气隙厚度或气隙面积S产生变化，因而使线圈中的电感L和线路中的电流发生变化，线路中的电流发生变化则由电流表或示波器记录。,2020/6/29,29,4.4电感式传感器 3.可变磁阻式传感器的分类,常用可变磁阻式传感器的典型结构有:可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。 双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图4-4-2所示。,2020/6/29,30,4.5

15、电容式传感器 1.电容式传感器原理,已知电容两极板间电感量公式: 式中:S为极板相互遮盖的面积；d为两极板间的距离； 为极板间介质的介电常数 由此可知，如果改变公式中任意一个变量(如下图中改变极板相互遮盖的面积S)，都可以引起电容C的变化.那么将要测的量转化成以上三个中的任意一个量,那么就可以做成三种电容式传感器.下图为改变极板间距离做所的传感器。 4-5-1,2020/6/29,31,4.5电容式传感器 2.电容式传感器的分类,按照电容式传感器的转换原理的不同，可以分为 极距变化型电容式传感器：两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则当两极板在被测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化的传感

16、器。 变介电常数型电容传感器：这种传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。 面积变化型电容传感器：改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。图4-5-2所示为差动式电容传感器。,2020/6/29,32,4.5电容式传感器 2.电容式传感器的分类,a) 极距变化型;,2020/6/29,33,4.6压电式传感器 1.压电效应,压电传感器的工件原理是基于某些物质的压电效应。 压电效应：是指某些结晶物质沿它的某个结晶轴受到力的作用时，其内部有极化现象出现，在其表面形成电荷集结，其大小和作用

17、力的大小成正比，这种效应称为正压电效应。相反，在晶体的某些表面之间施加电场，在晶体内部也产生极化现象，同时晶体产生变形，这种现象称为逆压电效应。,2020/6/29,34,4.6压电式传感器 1.压电效应,压电晶体：具有压电效应的晶体称为压电晶体。如图 4-6-1 所示。 压电晶体材料：石英晶体、酒石酸钾钠、钛酸钡、钛酸铅等铅系多晶体烧结而成的陶瓷等。,2020/6/29,35,4.6压电式传感器 1.压电式传感器与测量电路的匹配特性要求,通常压电传感器与放大器之间都要加入高阻抗的前置放大器。测量电路的输入阻抗越高，被测参数的变化越快(即频率越高)，则所测的结果就越接近电荷的实际变化。由此可见

18、，为了减小测量误差，要求压电传感器测量电路中必须用高输入阻抗的放大器。,2020/6/29,36,4.6压电式传感器 1.压电式传感器与测量电路的匹配特性要求,1.电压放大器 图4-21a为压电传感器、电缆和电压放大器组成的等效电路，图中Cp，Rp分别为传感器的电容量和绝缘电阻值；Cc是电缆的分布电容量；Ci，Ri分别为放大器的输入电容和输入电阻。图4-21b中，等效电容CCp+Cc+Ci ，等效电阻为,2020/6/29,37,4.6压电式传感器 1.压电式传感器与测量电路的匹配特性要求,2020/6/29,38,4.6压电式传感器 1.压电式传感器与测量电路的匹配特性要求,压电晶片上产生的

19、总电荷量Q为 式中，Kp为压电常数；F为作用在压电晶片上的交变力。 由于所产生的总电荷量的一部分 使电容C充电而获得端电压e,即e= /C,另一部分 经电阻R损失，并在电阻R上产生压降，其大小也是e，即,2020/6/29,39,4.6压电式传感器 1.压电式传感器与测量电路的匹配特性要求,那么有 显然，压电传感器所产生的电压等于电容C充电的电压加损失电压，即 改写成：,2020/6/29,40,4.6压电式传感器 1.压电式传感器与测量电路的匹配特性要求,设作用在压电晶片上的力是交变的， 即 代入可求得微分方程特解 由此可知： 1）当=0时，放大器输入电压 0，这说明电压放大器与压电传感器相

20、配，是不适于测量静态参数的。,2020/6/29,41,4.6压电式传感器 1.压电式传感器与测量电路的匹配特性要求,2）当 时，即在测量低频动态参数时，输入电压 。此时，电压放大器的输入电压与力F和频率成正比关系，但是随频率的下降，电压放大器的输入电压也跟着下降。 3）当 时，即在测量高频动态参数时，输入电压 ，这说明对于高频参数，电压放大器的输入电压不再随输入参数的频率而变，也就是说只有在频率越高的条件下，电压放大器的输入电压才能只随作用力的大小而变化。,2020/6/29,42,4.6压电式传感器 2.电荷放大器,电荷放大器是一种输出电压与输入电荷成正比的前置放大器。它具有电压并联负反馈

21、电路。如图4-22。,2020/6/29,43,4.6压电式传感器 2.电荷放大器,当压电传感器受外力作用时产生电荷Q时，将向所有的电容充电，此时放大器输入端的电压 为 ： 当 A1 时 放大器的输出电压 为：,2020/6/29,44,4.6压电式传感器 2.电荷放大器,结论： 输出电压仅与电荷量及反馈电容量有关，放大系数A及电缆分布电容Cc的变化不再影响放大器的输出。一般长电缆时取ACf100Cc，可使电缆分布电容对测量的灵敏度无明显影响，但是Cf值选得过大也会使灵敏度下降。,2020/6/29,45,4.7磁电式传感器 1.磁电式传感器变换原理,根据电磁感应定律e把被测参数变换为感应电动

22、势的传感器称“磁电传感器” (感应式传感器)。 其基本原理如下: 4-7-1 由电磁感应定律,具有W匝线圈的感应电动势e,其大小取决于磁通的变化率,即,2020/6/29,46,4.7 磁电式传感器 1.磁电式传感器变换原理,也可以写成 式中: B为磁场气隙磁感应强度; l为线圈导线长度; dx/dt为线圈和磁铁间相对运动的线速度; d /dt为线圈和磁铁间相对旋转运动的角速度; 为运动方向和磁感应矢量的夹角;,2020/6/29,47,4.7 磁电式传感器 2.磁电式传感器的分类,按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。 动圈式磁电感应式传感

23、器:这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度,还可以用来测量位移或加速度。 由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。,2020/6/29,48,4.7 磁电式传感器 2.磁电式传感器的分类,动圈式磁电感应式传感器可以分为线速度型和角速度型等。如下图所示。,2020/6/29,49,4.7 磁电式传感器 2. 磁阻式传感器,磁阻式传感器：又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。可分为开路变磁通式传感器和闭合磁路变磁通式传感器。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下

24、限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。,2020/6/29,50,4.8 热电式传感器 1.热电偶的基本性质,热电效应： 把两种不同金属导体接成闭合回路，如果两端温度不同(设 TT0)，则在回路中就会产生热电势。这种由于温度不同而产生电动势的现象，称为热电效应。若两端的温差越大，产生的热电势也越大。 热电传感器(常称热电偶)是利用不同导体间的“热电效应”现象制成的。热电偶用于测温目的的基本性质可归结为以下四条。,2020/6/29,51,4.8热电式传感器 1.热电偶的基本性质,1）中间温度定律 用两种不同的金属组成闭合电路，如果两端温度不同，则会产生热电动势。其大小取决于两种金属的性质和

25、两端的温度，与金属导线尺寸、导线途中的温度及测量热电动势在电路中所取位置无关。 2）均质材料定律 如用同一种金属组成闭合电路则不管截面是否变化，也不管在电路内存在什么样的温度梯度，电路中都不会产生热电动势。 3）中间导体定律 在热电偶插入第三种金属，只要插入金属的两端温度相同，不会使热电偶的热电动势发生变化。,2020/6/29,52,4.8热电式传感器 1.热电偶的基本性质,4）标准电极定律 在热电偶插入第三种金属，插入金属的两端温度不同，发生附加热电动势后的总热电动势，等于各接点之间所产生热电动势的代数和。 如图4-26中如果金属A和B中的热电动势为 ， 代表金属B和C中的热电动势， 代表

26、金属A和C中的热电动势，那么有,2020/6/29,53,4.8热电式传感器 2.热电偶的结构,如图4-27为普通热电偶的结构图示意图，它由热电极、绝缘管(或绝缘子)、保护套管、接线盒等几部分组成。其材料一般是使纯金属与选配材料合金相配，或者是合金与合金相配。 热电偶在测量温度时，将测量端插入被测对象的内部，主要用于测量容器或管道内气体、蒸汽、液体等介质的温度。,2020/6/29,54,4.8热电式传感器 2.热电偶的结构,2020/6/29,55,4.8热电式传感器 3.热电偶的冷端温度补偿,冷端温度受周围环境温度的影响，难以自行保持为0或某一定值。为减小测量误差，需对热电偶冷端人为地采取

27、一定措施，使其温度为恒定，或用其他方法进行校正和补偿。 1）冷端恒温法 将冷端放入装有冰水混合物的保温容器中，使容器保持0不变，这种方法比较精确； 也可以将冷端放入盛油的容器内，利用油的热惰性保持冷端接近于室温； 或者将容器做成带有水套的结构，让流经水套的冷却水来保持容器温度的稳定。,2020/6/29,56,4.8热电式传感器 3.热电偶的冷端温度补偿,2）冷端温度校正 热电偶的分度是在冷端保持为0条件下进行的。在实际使用条件下，若冷端温度；不能保持为0，则工作状态和用冷端温度为0所标定时产生的热电动势就不同。 在热电偶冷端温度 =0进行标定的情况下 工作时，在热电偶冷端温度 的情况下,20

28、20/6/29,57,4.8热电式传感器 3.热电偶的冷端温度补偿,两式相减得 或 根据 从分度表中查处校正值 算出校正后的热电动势 。,2020/6/29,58,4.9光电式传感器 1.光电效应及分类,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，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：当具有一定能量E的光子投射到某些物质的表面时，具有辐射能量的微粒将透过受光的表面层，赋予这些物质的电子以附加能量，或者改变物质的电阻大小，或者使其产生电动势，导致与其相连接的闭合回路中电流的变化，从而实现了光电转换过程。,2020/6/29,59,4.9光电式传感

29、器 1.光电效应及分类,见图4-9-1 由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应以及阻挡层光电效应。 1）外光电效应 在光线作用下能使电子逸出物质表面的称为外光电效应，属于外光电效应的转换元件有光电管、光电倍增管等。,2020/6/29,60,4.9光电式传感器 1.光电效应及分类,2）内光电效应 在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应。属于内光电效应的光电转换元件有光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管等。 3）阻挡层光效应 在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称为阻挡层光电效应，属于阻挡层光电效应的转换元件

30、有光电池和光敏晶体管等。,2020/6/29,61,4.9光电式传感器 2.光电转换元件,光电转换元件的种类很多，常用的元件有光电管，光敏电阻，光电池等。限于篇幅这里我们着重讲解光电管的有关特性。 1）光电管 光电管的特性主要取决于光电极的材料，其基本的特性是光谱特性，光电特性和伏安特性。 光谱特性 用单位辐射通量不同波长的光分别照射光电管，在光电管上产生大小不同的光电流。这里，光电流I与光波波长的关系曲线称为光谱特性曲线，又称频谱特性。 对于不同波长区域的光，应选用不同光电阴极的光电管。此外在测量与控制技术中，光电管可以担负人眼不能胜任的工作。,2020/6/29,62,4.9光电式传感器

31、2.光电转换元件,光电特性 光电管在固定阳极电压下，光通量与光电流 (阳极电流)之间的关系称为光电特性。图4-34为光电管的光电特性曲线。从图4-34可知，光电管的光电特性基本上呈线性关系，直线的斜率为其灵敏度。,2020/6/29,63,4.9光电式传感器 2.光电转换元件,伏安特性 光电管在光通量一定的情况下，阳极电压与阳极电流的关系称为伏安特性。图4-35为光电管的伏安特性曲线。在阳极电压大于50V时，光电流开始饱和，阳极电流近于常数，而与电压无关。真空光电管一般工作于伏安特性的饱和部分，内阻达几百兆欧。,2020/6/29,64,4.9光电式传感器 3.光电式传感器的运用,光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。下图4-9-2是反射式光电传感器工作原理。,2020/6/29,65,4.9光电式传感器 3.光电式传感器的运用,下面举一实