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1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第6章、传感器原理与测量电路章、传感器原理与测量电路本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.1 6.1 概述概述1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。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
2、把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2. 2. 传感器的构成传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。的作用是感受被测物理量，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、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。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 dV华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3. 3. 传感器的分类传感器的分类1)1)按被测物理
3、量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .2)2
4、)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: :华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: :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. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系
5、按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .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. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 传感器是测量装置与被测量之间的接口，处于测传感器是测量装置与被测量之间的接口，处于测量系统的输入端，其性能直接影响着整个测量系统，量系统的输入端，其性能直接影响着整个测量系统，对测量精确度起着主要的作用。
6、对测量精确度起着主要的作用。在选择和使用传感器时还应该注意以下几点在选择和使用传感器时还应该注意以下几点: : 首先应该满足不失真测试的条件。首先应该满足不失真测试的条件。1)1)适当的灵敏度适当的灵敏度 灵敏度高意味着传感器能检测微小的信号，当被测量灵敏度高意味着传感器能检测微小的信号，当被测量稍有变化，传感器就有较大的输出。但高灵敏度的传感器稍有变化，传感器就有较大的输出。但高灵敏度的传感器测量范围也较窄，较容易受噪声的干扰。测量范围也较窄，较容易受噪声的干扰。 2)2)足够的精确度足够的精确度 传感器的精确度表示其输出电量与被测量的真值的传感器的精确度表示其输出电量与被测量的真值的一致程
7、度。一致程度。 3)3)高度的可靠性高度的可靠性 4)4)对被测对象的影响小对被测对象的影响小 传感器与被测物之间的相互作用要小传感器与被测物之间的相互作用要小 。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 6.2 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种是把被测量转换为电阻变化的一种传感器传感器, ,按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式热敏式、光敏式、电敏式.1 1 变阻器式传感器变阻器式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院等效电路分析等效电路分析: :xLL-L-变阻
8、器总长变阻器总长; ;x-x-电刷移动量电刷移动量. .R-R-总电阻总电阻; ; R RL L电刷电阻电刷电阻; ;R=K*ll=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1 / E华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院x=L*E1 / E= K*E10 LEE1x华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院EE1V VRmRxR-Rx1EE1= =xLRmR+ +Lx()-华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院负载效应负载效应1EE1= =xLRmR+ +Lx()-0LE华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院(2) (2) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: : 1) 1
9、)线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性); 4); 4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; ; 2) 2)分辨率分辨率; 5); 5)电阻温度系数电阻温度系数; ; 3) 3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差; 6); 6)寿命寿命; ;(3)(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类按测量类型：按测量类型：单圈电位器单圈电位器多圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院按制作方式：按制作方式：线绕电位器线绕电位器导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电导电材料粉材料粉华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院变阻器式
10、传感器产品变阻器式传感器产品华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 - -电位器电位器-电阻电阻华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 - -电位器电位器 - -电阻电阻华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理：电机原理：电机-转角转角 - -电位器电位器 - -电阻电阻华中科技大学机械学院华中科技大学机械
11、学院2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片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，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化象。生变化象。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1) 1) 工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为代入代入华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院有：有
12、：金属丝：金属丝：金属丝体积不变：金属丝体积不变：华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院有：有：对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：金属丝应变片：金属丝应变片：华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院应变计金属应变计金属应变计华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院半导体应变计半导体应变计简化为：简化为：优点：灵敏度大优点：灵敏度大; ;体积小体积小; ;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3) 3) 应变片的主要参数应变片的主要参数4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示
13、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）。 1 1）几何参数：表距）几何参数：表距L L和丝栅宽度和丝栅宽度b b，制造厂常用，制造厂常用 bL bL表示。表示。2 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。 3 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。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3) 3) 应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院令：令：金属丝应变片：金属丝应变片：V V与应变成线形关系，可以
14、用电桥测量电压测量应变与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术1.1.目测电阻应变片有无折痕目测电阻应变片有无折痕. .断丝等断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5欧姆欧姆. .3.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑
15、迹为止。酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.4.应变片粘贴应变片粘贴: :在应变片基底上挤一小滴在应变片基底上挤一小滴502502胶水，胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5.5.焊线焊线: :用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于大于500M500M欧。欧。7.7.应变片保护：用应变片保护：用704704硅橡胶覆于应变片上，防止硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。受潮。
16、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院标准产品标准产品华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：电子称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。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例
17、：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.3 6.3 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传感器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。测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1 1 可变磁阻式可变
18、磁阻式可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型原理原理: :电磁感应电磁感应华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院教学用低成本四线制无二次仪表传感器教学用低成本四线制无二次仪表传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2 涡流式涡流式原理原理: :涡流效应涡流效应华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院产品：产品：华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：连续油管的
19、椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensorReference Circle华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3 3 差动变压器差动变压器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感现象互感现象.EwEout华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型传感器测量电路传感器测量电路华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院差动变压器差动变压器测量电路
20、测量电路华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：张力测量张力测量华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为它的电容量为: :+ A 、A A或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电容的变化。电容的变化。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院a
21、)a)极距极距变化型变化型+华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院b)b)面积变化型面积变化型角位移型角位移型+华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院平面线位移型平面线位移型华中科技大学机械学院华
22、中科技大学机械学院柱面线位移型柱面线位移型. .华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院产品产品. .陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。压力变送器压力变送器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院c) c) 介质变化型介质变化型华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器
23、的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3 3 测量电路测量电路a)a)电桥电路电桥电路 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院b) b)
24、谐振电路谐振电路 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院d) d) 运算放大器电路运算放大器电路 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院动手做：动手做：观察你计算机上使用的麦观察你计算机上使用的麦克风，并用它测量你自己克风，并用它测量你自己的声音，绘出频谱。的声音，绘出频谱。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.56.5压电式传感器压电式传感器 1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应+串联串联+并联并联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；
25、当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。种现象称为压电效应。F+q=DF华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2、测量电路、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：
26、飞机模态分析案例：飞机模态分析华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊断华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.6 6.6 磁电式传感器磁电式传感器 1.1.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。电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有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，都会改变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2 分类分类 磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院角速度型角速度型测速电机测速电机华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院磁阻式传感器磁阻式传感器 磁电式车速传感器磁电式车速传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院N NS S案例：鼠笼电机转子断细条检测案例：鼠笼电机转子断细条检测
