测试技术第3章1汇总

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1、第3章 常用传感器技术,本章要求： 1、熟悉机械工程测试中常用传感器的工作原理、测量电路及典型应用。 2、根据不同测试对象，能够按不失真测试条件，合理选择传感器。 3、通过实验了解传感器的标定方法及测试系统的组成。,3.1 传感器的基本概念 3.2 电阻式传感器 3.3 电容式传感器 3.4 电感式传感器 3.5 压电式传感器 3.6 磁电与热电式传感器 3.7 光电式传感器 3.8 光纤传感器 3.9 半导体传感器 3.10 其他类型传感器,传感器的作用 用于捕捉和认识信息，是人之感官的延伸。对认识和改造客观世界，对经济的发展，对推动科技的进步都起着相当重要的作用。 应用领域：测量、控制 例

2、如：阿波罗10号宇宙飞船共用各种传感器3295个，其中运载火箭部分用于检测加速度、温度、压力、振动、流量、应变等参数的传感器2077个，宇宙飞船部分共用各种传感器1218个。 一架飞机需要3600只传感器及其配套监测仪表；一辆汽车需要30100只，一个电站需要5000只，,一个钢厂需要20000只，大型发电机组需要3000只，大型石油化工厂需要6000只等。 从家庭到航天航空等尖端领域都在大量使用传感器。众所周知，计算机的发展相当迅速，但若无各种先进的传感器，其功能就不能得到充分的利用。（实际上计算机中的磁头、激光读出头等都属于传感器）。,3.1 传感器的基本概念,3.1.1 传感器的定义与组

3、成 根据GB7665-2005 传感器的定义 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 英文名：Transducer/Sensor。 本课程重点研究能将非电量转换成电量的传感器。,图3-1 传感器基本组成,图3-2 热电偶,图3-3 气体压力传感器 1壳体 2膜盒 3线圈 4磁芯 5电路,3.1.2 传感器的分类 1、按被测物理量的不同分类 （1）机械量 包括位移、力、速度、加速度等。 （2）热工量 包括温度、热量、流量、流速、压力、液位等。 （3）物性参量 包括浓度、粘度、比重、 酸碱度等。 （4）状态参量 包括裂纹、缺陷、泄漏、磨损等

4、。,2、按传感器工作原理的不同分类 机械式传感器 电气式传感器 光学式传感器 流体式传感器等。 3、按信号变换特征的不同分类 结构型传感器 物性型传感器,4、按传感器的能量关系不同分类 能量转换型传感器（无源传感器） 能量控制型传感器（有源传感器）。 5、按传感器的输出量不同分类 模拟式传感器 数字式传感器,图3-4 典型机械式传感器,测力计,弹性膜片,波纹管,波登管,压力计,温度计,常用的机械式传感器：称重用的弹簧秤、压力计、温度计等。 机械式传感器特点：结构简单、价格低廉、使用方便。 缺点：存在较大的机械惯性、固有频率低、动态特性差，只适合检测缓变或静态被测量。,3.2 电阻式传感器,电阻

5、式传感器的基本工作原理是将被测量的变化转换为传感器电阻值的变化，再经一定的测量电路实现对测量结果的输出。 按其工作原理不同可分为变阻器式传感器和电阻应变式传感器两类。,3.2.1 变阻器式传感器 又称电位器式传感器 工作原理：利用加激励的电位器上可动触点位置的变化，将被测量的变化转换为电压比变化的传感器。,图3-5 变阻器式传感器 a）直线位移型 b）角位移型 c）非线性型, 电阻率, 电阻丝长度, 电阻丝截面积,工作原理：,直线位移型：,角位移型：, 变阻器的总电阻 变阻器的总长度 后接电路的输入电阻,图3-6 电阻分压电路,变阻器式传感器的特点 优点：结构简单、性能稳定、使用方便。 缺点：

6、存在滑动磨损、尘埃附着等，使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化，从而产生噪声。 分辨力受线径、线距的限制。 变阻器式传感器的应用 用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。,3.2.2 电阻应变式传感器 1、电阻应变式传感器的工作原理 原理：将弹性敏感元件的应变变化转换成电阻的变化。 应用：测量应变、力、位移、加速度等参数。 组成：敏感元件、电阻应变片、转换电路等 敏感元件：一般由金属合金材料、半导体材料等。,图3-7 圆柱式电阻应变秤重传感器,物理基础：,图3-8 金属丝电阻应变片 1敏感栅 2基底 3覆盖层 4引出线,工作原理：,电阻丝轴向相对变形，或称纵向

7、应变；, 电阻率的相对变化；, 电阻丝材料的弹性模量；, 压阻系数，与材质有关；, 电阻丝径向相对变形，或称横向应变；,对于金属材料 对于半导体材料,电阻应变效应（几何尺寸变化引起）, 压阻效应（电阻率变化引起）,电阻应变片的灵敏度： 常用材料性能见表3-1和表3-2。,S=1.83.6,2、电阻应变片的种类 金属电阻应变片和半导体应变片。 （1）金属电阻应变片 有丝式和箔式等结构形式。 用光刻、腐蚀等工艺方法制成，与丝式相比箔式表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过较大电流，可做成任意形状，适于大批量生产。箔式使用范围广泛，有逐渐取代丝式应变片的趋势。 （2）半导体应变片 优点是灵敏度高

8、，横向效应和机械滞后小。缺点是温度稳定性差，测量较大应变时，非线性误差大，必须采取补偿措施。,图3-9 金属电阻应变片,工作时将应变片粘贴于弹性元件或被测构件预定部位的表面上。 电阻应变片的选择、粘贴技术 1、目测电阻应变片有无缺陷 2、用数字万用表测量应变片电阻值大小 3、试件表面处理 4、应变片粘贴 5、焊线 6、用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，应大于50M欧 7、应变片保护,图3-10 半导体应变片结构 1半导体敏感条 2 基底 3引出线,3、电阻应变式传感器的应用,图3-11 构件应力测定的应用实例 a）齿轮轮齿弯矩测量 b）飞机机身应力测量 c）立柱应力测量 d）桥梁应

9、力测量,图3-13 圆柱面展开及电桥 a)圆柱面展开图 b)桥路连接图,图3-14 膜片式压力传感器 a)应力变化 b)应变片粘贴位置,图3-15 应变式加速度传感器 1质量块 2悬臂梁 3硅油 4限位块 5应变片 6壳体,测量时，基座固定在振动体上。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中的弹簧，在惯性力的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。,电阻应变式称重传感器,图3 剪切梁受力情况和应变片布置图,图7 传感器测量电路图,例：有一拉力传感器，用钢柱作为敏感元件，其上贴一电阻应变片。已知钢柱的截面积 ，弹性模量为 ，应变片灵敏度 。若测

10、量电路对应变片电阻相对变化量 的分辨率为 ，试计算传感器能测出的最小拉力 。,3.3 电容式传感器,3.3.1 工作原理及类型,极板间介质的相对 介电系数，在空气中 ；,真空中介电常数，, 极板间距离（m）；, 极板面积（ ）；,图3-16 平板电容器,LM317 LM337 三端固定式集成稳压器,正负直流稳压电源,根据电容器变化的参数，可分为 （1）极距变化型,极距变化型：一般用于小位移测量,面积变化型：适用于较大直线位移及角位移测量,介质变化型：适用于物位、湿度、密度、厚度的测量,=0.11mm,=(0.010.1),图3-17 极距变化型电容传感器及输出特性 a）极距变化 b）输出特性,

11、小结：灵敏度与极矩的平方呈反比，极矩越小灵敏度越高。为防止非线性误差，一般取 。实际应用时为提高灵敏度，扩大线性范围，常采用差动式。,图3-18 差动式电容传感器,极距变化型电容传感器 优点：灵敏度高，可进行非接触测量，对被测系统影响小，适于测量微小位移。 测量范围：0.01um数百微米。 缺点：有非线性误差；传感器的杂散电容对灵敏度及测量精度也有影响；转换电路较为复杂。 （2）面积变化型 有角位移型与线位移型两种。,图3-15 面积变化型电容传感器 a）角位移型 b）平面线位移型 c）圆柱体线位移型 1动板 2定板,对于角位移型：,对于平面线位移型： 对于圆柱体线位移型：,b极板宽度。,D圆

12、筒孔径；d圆柱外径。,面积变化型电容传感器 优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型电容传感器相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移的测量。 （3）介质变化型 原理：利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的一种传感器。 多用来测量电介质的液位或某些材料的厚度、温度和湿度等。,图3-20 介质变化型电容传感器应用实例 a）介质液位计 b）介质厚度、温度、湿度计,3.3.2 测量电路 1、变压器式交流电桥,图3-21 变压器式交流电桥测量电路,返回68页,图3-22 直流极化电路,2、直流极化电路,又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。 组成：弹性膜片、电容器、直流极化电

13、压E0、高阻值电阻R。 输出电压：,被测量：气流（或液流）振动速度，进而测其压力。,图3-23 调频电路工作原理,3、调频电路,4、运算放大器电路,图3-24 运算放大器电路,输出电压与位移量的关系：,u0激励电压 ug运放输出电压 c0固定电容 cx传感器等效电容,输出电压ug与电容传感器间隙呈正比。,3.3.3 电容式传感器的应用 电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。其精度和稳定性也日益提高，精度高达0.01%的电容式传感器目前已有商品出现，例如：一种量程为250mm的电容式位移传感器，其精度可达5um。,电容式测厚仪：,工作原理：C1、C2工作极板与带材之间形成两个电

14、容， 其总电容为C= C1+C2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。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。,电容式转速传感器,工作原理：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表转速大小。设齿数为z，频率为f，转速为n。,图3-25 电容式传声器 1减压孔 2内腔 3固定极板 4膜片 5阻尼孔 6绝缘支架 7外壳,图3-26 电容式振动位移传感器 1测端电极 2绝缘衬套 3壳体 4弹簧卡圈 5电极座 6盘形弹簧 7螺母 8被测物 9电容式传感器,结构,应用,图3-27 差动式电容加速度传感器 1下固定极板 2绝

15、缘垫 3壳体 4弹簧 5上固定极板 6质量块,例：已知两极板电容传感器，其极板面积为 A，两极板间介质为空气，极板间距1mm，当 极距减少0.1mm时，其电容变化量和传感器的 灵敏度为多少？若参数不变，将其改为差动结 构，当极距变化0.1mm时，求其电容变化量和 传感器的灵敏度，并说明差动传感器为什么能 提高灵敏度和减少线形误差。,3.4 电感式传感器,电感式传感器是利用电磁感应原理把被测量，如力、位移等，转换成线圈自感或互感变化的一种装置。 按工作原理不同可分为自感式、互感式和电涡流式三种。 3.4.1 自感式电感传感器 常用的有变气隙型、变面积型和螺管型。,图3-28 自感式电感传感器（变气隙型） a）结构 b）特性曲线 1衔铁 2线圈 3铁心,线圈自感L为,N线圈匝数； Rm磁路总磁阻（H-1）,不考虑磁路的铁损时，总磁阻为：,则：,一般取：,测量范围0.0011mm,图3-29 差动式自感传感器,变面积型自感传感器在工作时气隙长度保持不变，使气隙导磁截面积A0随被测量变化，自感L与A0呈线性关系。,图3-30 变面积型自感传感器,图3-31 差动式螺管型自感传感器 1线圈 2铁心,双螺管线圈