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1、第三章常用的传感器Sensor, transducer,Resolution,threshold value,null,excitation,outputRepeatability of measurement,hysteresis,driftSensitivity,linearity,least-squares line, natural frequencyCalibration,response,span1机械工程测试技术基础（张军）第三章3-1传感器的分类按被测量分类：位移传感器力传感器温度传感器按工作原理分类：机械式电气式光电式流体式按信号变换特征分类： 物性型、结构型 按敏感元件与被
2、测对象间能量关系： 能量转换型、能量控制型 按输出信号分类： 模拟式、数字式2机械工程测试技术基础（张军）第三章名词物性型传感器：依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换。如：水银温度计，压电测力计结构型传感器：依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换。如：电容式传感器，电感式传感器能量转换型传感器：无源传感器，直接由被测对象输入能量使其工作。如热电偶温度计、弹性压力计能量控制型传感器：有源传感器，从外部供给辅助能量使传感器工作，并由被测量来控制外部供给能量的变化。如：电阻应变计3机械工程测试技术基础（张军）第三章3-2机械式传感器以弹性体作为传感器的敏感元件，又称为弹性敏感元件。
3、输入量：力、压力、温度输出：弹性元件本身的变形转变为仪表指针的偏转。如：测力计、弹簧秤；波纹膜片；双金属片特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观。缺点：放大和指示环节存在间隙，惯性大，固有频率低。4机械工程测试技术基础（张军）第三章5机械工程测试技术基础（张军）第三章6机械工程测试技术基础（张军）第三章3-3电阻式传感器机械量电阻变化分类：变阻式大电阻式应变式小电阻式一、变阻器式传感器（电位计式）一、变阻器式传感器（电位计式）电阻率，L长度，A截面积7机械工程测试技术基础（张军）第三章单位长度的电阻（常数）输入量：触点C移动量位移C点与A点之间电阻输出量传感器灵敏度对于图a:8机械
4、工程测试技术基础（张军）第三章当：RL时，则：在u0作用下，传感器输入量x与输出量uy之间的关系：u0 直流激励电压uy 传感器输出电压xp变阻器总长度Rp变阻器总电阻RL后续测量电路的输入电阻9机械工程测试技术基础（张军）第三章优缺点：优点：结构简单，性能稳定，使用方便缺点：分辨率低（低于20m），电噪声大（uyx曲线为阶梯形状）应用于：线位移、角位移测量，测量仪中电子电位差计等。10机械工程测试技术基础（张军）第三章二、电阻应变式传感器1金属电阻应变片金属丝式应变片（电阻丝式应变片）、金属箔式应变片11机械工程测试技术基础（张军）第三章12机械工程测试技术基础（张军）第三章13机械工程测试
5、技术基础（张军）第三章应变计金属应变计金属应变计14机械工程测试技术基础（张军）第三章由：得到：电阻的相对变化：15机械工程测试技术基础（张军）第三章电阻丝轴向相对变形，纵向应变电阻丝径向相对变形，横向应变电阻丝材料泊松比弹性模量压阻系数应变系数或灵敏度16机械工程测试技术基础（张军）第三章2半导体应变片应用半导体材料的压阻效应。压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，能使其电阻率发生很大变化的现象。一般比金属丝电阻应变片大5070倍17机械工程测试技术基础（张军）第三章优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小。缺点：温度稳定性能差，灵敏度分散大，在较大应变作用下，非线性误差
6、大。18机械工程测试技术基础（张军）第三章3应用直接用来测定结构的应变或应力19机械工程测试技术基础（张军）第三章将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度的传感器20机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：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21机械工程测试技术基础（张军）第三章22机械工程测试技术基础（张军）第三章23机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：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。24机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量25机械工程测试技术基础（张军）第三
7、章26机械工程测试技术基础（张军）第三章27机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：案例：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。28机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量29机械工程测试技术基础（张军）第三章注意的问题：1应变片测出的是应变，必须经过转换2粘贴工艺很重要3用于动态测量时，应考虑应变片本身的动态特性（激励电源频率、基片的长度）4温度变化引起阻值变化，需考虑温度补偿30机械工程测试技术基础（张军）第三章
8、3-4 3-4 电感传感器电感传感器 被测机械量被测机械量电感量（互感量）电感量（互感量）分分类类：自自感感型型（可可变变磁磁阻阻式式、电电涡涡流流式式) ) 互感型互感型（差动变压器式）（差动变压器式）变换原理：基于电磁感应变换原理：基于电磁感应31机械工程测试技术基础（张军）第三章一、可变磁阻式电感传感器一、可变磁阻式电感传感器32机械工程测试技术基础（张军）第三章工作原理：由电工学知，线圈自感量L为W线圈匝数Rm 磁路总磁阻如果空气隙较小，而且不考虑磁路的铁损时，总磁阻l铁心导磁长度；铁心导磁率；A铁心导磁截面积，A=ab;气隙长度；0空气导磁率，0=410-7；A0空气隙导磁横截面积。
9、33机械工程测试技术基础（张军）第三章铁心磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略，则电感量铁心磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略，则电感量：可构成、0 、A0 及W变化型传感器铁心导磁率；A铁心导磁截面积气隙长度W线圈匝数34机械工程测试技术基础（张军）第三章在气隙变化型中，L与是呈非线性关系（双曲线）灵敏度由于S不是常数，会出现线性误差，一般规定在较小间隙范围内工作，工作范围00+，一般取/010%，这种传感器使用于小位移的测量，一般为0.0011mm。特点：灵敏度高。35机械工程测试技术基础（张军）第三章图图3-22 几种常用可变磁阻式传感器的典型结构几种常用可变磁阻式传感器的典型结构36机械
10、工程测试技术基础（张军）第三章37机械工程测试技术基础（张军）第三章电涡流式电感传感器工作原理：电涡流现象： 金属板置于一只线圈附近，相互距离为。当线圈中有一高频交变电流I通过时，便产生磁通1。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流i1。这种涡电流也将产生交变磁通1。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，1总是抵抗的变化。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离有关。38机械工程测试技术基础（张军）第三章例如：ST-1-03型非接触电涡流传感器，测头直径：8，线性度：1.1%，测量范围：2mm，稳定度：0.05%/,灵敏度：8mv/m,分辨率
11、：0.125m其它、0 、A0 及W变化型，S为常数，但S比较低。自感式传感器，还有差动式、单螺管、双螺管差动式。39机械工程测试技术基础（张军）第三章40机械工程测试技术基础（张军）第三章41机械工程测试技术基础（张军）第三章42机械工程测试技术基础（张军）第三章43机械工程测试技术基础（张军）第三章产品：产品：44机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle45机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：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
12、测油管检测油管检测46机械工程测试技术基础（张军）第三章互感型互感型-差动变压器差动变压器47机械工程测试技术基础（张军）第三章工作原理：利用电磁感应中的互感现象（与变压器的原理相同）M比例系数，称为互感（H），其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的耦合程度。48机械工程测试技术基础（张军）第三章螺旋管式差动变压器式传感器49机械工程测试技术基础（张军）第三章传感器线圈为原边，R1、L1为线圈电阻、电感，涡流回路为付边，R2、L2为等效电阻、电感，等效回路方程：传感器的线圈等效阻抗Z1 实部：线圈的等效电阻，虚部：线圈的等效电感测得线圈等效电阻或等效电感变化就
13、测得间隙的变化。50机械工程测试技术基础（张军）第三章变压器由初级线圈变压器由初级线圈W W和两个参数完全相同的次级线圈和两个参数完全相同的次级线圈W W1 1、W W2 2组成。线圈中心插入圆柱形铁心组成。线圈中心插入圆柱形铁心P P，次级线圈次级线圈W W1 1及及W W2 2 反反极性串联。极性串联。当初级线圈当初级线圈W W加上交流电压时，次级线圈加上交流电压时，次级线圈W W1 1及及W W2 2分别产生分别产生感应电势感应电势e e1 1和和e e2 2，其大小与铁心位置有关。其大小与铁心位置有关。当铁心在中间位置时，当铁心在中间位置时，e e1 1=e=e2 2，输出电压输出电压
14、e e0 0=0=0，铁心向上运动时，铁心向上运动时，e e1 1ee2 2 向下运动时，向下运动时，e e1 1ee2 2。随着铁心偏离中心位置，随着铁心偏离中心位置，e e0 0逐渐逐渐增大，其输出特性如图所示增大，其输出特性如图所示 51机械工程测试技术基础（张军）第三章自感型的单螺管传感器加上初级线圈W，都可以变成变压器式传感器，简称差动式变压器52机械工程测试技术基础（张军）第三章特点：线性测量范围大，可达100mm精度高，分辨率可达0.1m，稳定性好（变压器隔离作用，支流去除），频率响应：0200Hz（频率响应低）53机械工程测试技术基础（张军）第三章54机械工程测试技术基础（张军
15、）第三章案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量55机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：案例：张力测量张力测量56机械工程测试技术基础（张军）第三章3-5 3-5 电容式传感器电容式传感器被测量电容量变化57机械工程测试技术基础（张军）第三章58机械工程测试技术基础（张军）第三章变化原理平行极电容器极板间介质的相对介电常数，在空气中=1；0真空中介电常数，0=8.8510-12F/m；极板间距离；A极板面积当、A、变化，都会引起电容的变化，对应极距变化型、面积变化型和介质变化型。 59机械工程测试技术基础（张军）第三章极距变化型，c 与之间关系呈非线性。一般取/0 10%，S近似为常数，在此范
16、围内，近似为线性。 60机械工程测试技术基础（张军）第三章面积变化型61机械工程测试技术基础（张军）第三章角位移型角位移型+62机械工程测试技术基础（张军）第三章63机械工程测试技术基础（张军）第三章64机械工程测试技术基础（张军）第三章65机械工程测试技术基础（张军）第三章66机械工程测试技术基础（张军）第三章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
17、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。67机械工程测试技术基础（张军）第三章测量电路68机械工程测试技术基础（张军）第三章69机械工程测试技术基础（张军）第三章70机械工程测试技术基础（张军）第三章71机械工程测试技术基础（张军）第三章72机械工程测试技术基础（张军）第三章3-6压电式传感器被测机械量压电敏感元件的电荷输出73机械工程测试技术基础（张军）第三章一、压电材料与压电效应压电效应正正
18、压压电电效效应应：某某些些晶晶体体在在其其表表面面施施加加力力，不不仅仅几几何何尺尺寸寸发发生生变变化化，而而且且内内部部极极化化，在在其其表表面面出出现现电电荷荷，形形成成电电场场；当当外外力力消消失失时时，材材料料重重新新回回复到原来状态，这种现象成为正压电效应。复到原来状态，这种现象成为正压电效应。逆压电效应逆压电效应：将这些晶体置于电场中，其几何将这些晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。致伸缩效应。 74机械工程测试技术基
19、础（张军）第三章压电材料压电材料 1压电单晶石英、铌酸锂，稳定性好，灵敏度低压电多晶压电陶瓷、锆钛酸铅，稳定性差，灵敏度高压电半导体有压电半导体两特性有机压电薄膜聚丙二氟乙烯（PVPF），灵敏度低，用于微压、拟人触觉，大面积生产，柔软不易碎。75机械工程测试技术基础（张军）第三章76机械工程测试技术基础（张军）第三章二、石英晶体的正压电效应二、石英晶体的正压电效应 石石 英英晶晶体体 成成分分SiOSiO2 2，其其基基本本结结构构为为六六棱棱柱柱体体，石石英英晶晶体体的的直直角角坐标：坐标：X-XX-X压电轴压电轴, ,Y-YY-Y机械轴机械轴, ,Z-ZZ-Z光轴光轴77机械工程测试技术基
20、础（张军）第三章在石英晶体中切出一个平行六面体，其对表面在石英晶体中切出一个平行六面体，其对表面分别垂直于分别垂直于X X、Y Y、Z Z轴。轴。a)纵向效应b)横向效应c)切向效应78机械工程测试技术基础（张军）第三章纵向压电效应纵向压电效应沿沿X X方向施加方向施加F Fx x力，将在垂直于力，将在垂直于X X轴表面出现电荷轴表面出现电荷q qx xq qx x=d=d1111F Fx x d d1111=2.3110=2.3110-12-12C/N C/N 横向压电效应沿Y方向施加Fy力，将在垂直于X轴表面出现电荷qxqx=-d11Fy 切向压电效应在垂直于Z轴两个石英表面上施加切向力F
21、y切，则在垂直于XX轴的表面产生电荷qxqx=d14Fy切 d14=0.7310-12C/N 79机械工程测试技术基础（张军）第三章！沿Z轴表面施加Fz作用力，其表面不产生电荷。三、石英晶体压电效应的物理解释三、石英晶体压电效应的物理解释组组成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子和和氧氧离离子子，在在垂垂直直于于Z Z轴轴平平面面上的投影可以等效为正六边形的顶点排列。上的投影可以等效为正六边形的顶点排列。当当不不受受力力时时，硅硅、氧氧离离子子的的正正、负负电电荷荷的的等等效效作作用用中心重合，对外不显电性。中心重合，对外不显电性。纵向压电效应纵向压电效应在在F Fx x力力的的作作用用下下，石
22、石英英晶晶体体变变形形，硅硅、氧氧离离子子的的正正、负负电电荷荷的的等等效效作作用用中中心心沿沿X X轴轴方方向向分分离离，因因此此在在垂垂直直于于X X轴轴的的晶晶体体表表面面将将吸吸附附电电荷荷（形形成成偶偶极极子子电电场场，与与外力电场平衡。外力电场平衡。80机械工程测试技术基础（张军）第三章81机械工程测试技术基础（张军）第三章82机械工程测试技术基础（张军）第三章83机械工程测试技术基础（张军）第三章四、压电传感器及等效电路四、压电传感器及等效电路单向石英压电测力传感器若R0时石英=4.5锆钛酸铅=1200 84机械工程测试技术基础（张军）第三章传感器输出电压u与C0、R0的关系85
23、机械工程测试技术基础（张军）第三章其稳态解为电容上的电压值为在在C C一定时一定时当当R R0 000时，时，u=0u=0，当当R R0 0时，时，u=qu=q0 0/Csin(wt+),/Csin(wt+),因此，因此，提高测量精度，即减小电荷漏失，要提高测量精度，即减小电荷漏失，要R R0 0尽量大，理想尽量大，理想86机械工程测试技术基础（张军）第三章五、测量电路五、测量电路 电压放大器、电荷放大器电压放大器、电荷放大器设R0，其中电缆对地电容CC比Ca和CI都大，故整个测量系统对电缆对地电容的变化非常敏感，从而使仪器的灵敏度发生变化。87机械工程测试技术基础（张军）第三章设设R R0
24、0，u uI I放大器输入电压放大器输入电压88机械工程测试技术基础（张军）第三章u uy y放大器输出电压放大器输出电压A A电荷放大器开环增益电荷放大器开环增益C Cf f电荷放大器反馈电容电荷放大器反馈电容电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压与与传传感感器器的的电电荷荷量量成成正正比比，与与电电缆缆对对地地电电容容无无关关。但但电电路路复复杂杂，价格昂贵。价格昂贵。89机械工程测试技术基础（张军）第三章六、应用六、应用正压电效应测力（加速度、扭矩）正压电效应测力（加速度、扭矩）逆压电效应振动送料器、执行器逆压电效应振动送料器、执行器90机械工程测试技术基础（张军）第三章加速度计加速度
25、计力传感器力传感器 91机械工程测试技术基础（张军）第三章92机械工程测试技术基础（张军）第三章93机械工程测试技术基础（张军）第三章94机械工程测试技术基础（张军）第三章YDS-78YDS-78型石英压电传感器型石英压电传感器测力范围：测力范围：50005000N N分辨率：分辨率：0.010.01N N线性误差：线性误差：1%5105101313固有频率：固有频率：5050KHzKHz工作温度：工作温度：-60-60+140+140重量：重量：1010克克尺寸：尺寸：18mm7mm18mm7mm获省科技成果一等奖获省科技成果一等奖95机械工程测试技术基础（张军）第三章96机械工程测试技术基
26、础（张军）第三章97机械工程测试技术基础（张军）第三章98机械工程测试技术基础（张军）第三章99机械工程测试技术基础（张军）第三章100机械工程测试技术基础（张军）第三章101机械工程测试技术基础（张军）第三章3-7 3-7 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。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。 102机械工程测试技术基础（张军）第三章2
27、 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N103机械工程测试技术基础（张军）第三章一、动圈式动圈式传感器动圈式传感器 104机械工程测试技术基础（张军）第三章测速电机测速电机105机械工程测试技术基础（张军）第三章动圈磁电式传感器等效电路106机械工程测试技术基础（张军）第三章二、磁阻式磁阻式传感器工作原理及应用实例a)测频数 b)测转速c)偏心测量d)振动测量107机械工程测试技术基础（张军）第三章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108机械工程测试技术基础（张军）第三章1.1.双金属温度计双金属温度计 把两种膨胀系数不同的
28、金属薄片焊接在一起把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。化转换成机械量变化。优点：优点：结构简单结构简单牢固牢固可靠可靠防爆防爆3.8 3.8 热敏传感器热敏传感器109机械工程测试技术基础（张军）第三章2. 2. 热电温度计热电温度计( (热电偶热电偶) ) 热电效应热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。生热电势
29、，形成电流，此现象称为热电效应。110机械工程测试技术基础（张军）第三章ABTT0k k玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，e e电子电荷量，电子电荷量，T T接触处的温度接触处的温度NANA，NBNB分别为导体分别为导体A A和和B B的自由电子密度。的自由电子密度。111机械工程测试技术基础（张军）第三章热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。生热电动势。TT02)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接
30、入第三种材料的导体，只在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。热电偶回路的总热电动势。TT0V112机械工程测试技术基础（张军）第三章3)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，果他们所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后两极配对后的热电动势可用下式求得：的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物
31、理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。113机械工程测试技术基础（张军）第三章3.热电阻传感器（1）铂电阻铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。WZB型铂电阻体型铂电阻体114机械工程测试技术基础（张军）第三章（2）铜电阻铜电阻具有线性度好、电阻温度系数高以及价格便宜的等优点。115机械工程测试技术基础（张军）第三章3-3-9 9 半导体传感器半导体传感器116机械工程测试技术基础（张军）第三章1 1 磁感应半导体元件分类磁感应半导体元件分类霍尔元件霍尔元件磁电阻元件磁电阻元件磁敏二极管磁敏二极管磁晶体管磁晶体管磁半导体开关磁半导体开关一、磁敏传感器利用半导体材料的磁敏特性来工作的：霍
32、尔元件、磁阻元件、磁敏管。117机械工程测试技术基础（张军）第三章2 2 磁电阻元件磁电阻元件磁阻效应磁阻效应- -+ +lwx特点特点 电阻的增量与磁场的平方成正比；电阻的增量与磁场的平方成正比； 与磁场的正负无关；与磁场的正负无关； 温度系数影响大；温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。磁感应的范围比霍尔元件大。应用应用 磁头；接近开关和无触点开关。磁头；接近开关和无触点开关。118机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：转速测量案例：转速测量119机械工程测试技术基础（张军）第三章3 霍尔元件霍尔元件及霍尔效应原理霍尔元件及霍尔效应原理120机械工程测试技术基础（张军）第三章121
33、机械工程测试技术基础（张军）第三章霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成122机械工程测试技术基础（张军）第三章测转角：测转角：123机械工程测试技术基础（张军）第三章电流传感器电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。来聚集，然后用霍尔器件进行检测。124机械工程测试技术基础（张军）第三章铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS125机械工程测试技术基础（张军）第三章叶
34、片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器应用应用 126机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：案例：汽车速度测量汽车速度测量:127机械工程测试技术基础（张军）第三章 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外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。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。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 内光电效应内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子- -空穴对空穴对, ,使其导电性能增强使其导电性能增强, ,光线愈强，阻值愈低，这种光线愈强，阻值愈低，这
35、种光照后电阻率发生变化的现象光照后电阻率发生变化的现象, ,称为称为内光电效应内光电效应 。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管二、光敏传感器128机械工程测试技术基础（张军）第三章光敏电阻是一种光电导元件，其工作原理是基于半导体材料的内光电效应，既当半导体受到光照射时，其电阻值减小的现象。光敏电阻阻值与光的波长有关。受温度影响大。129机械工程测试技术基础（张军）第三章照相机自动测光照相机自动测光光控灯光控灯工业控制工业控制130机械工程测试技术基础（张军）第三章光电池光电池 光光生生伏伏特特效效应应指指半半导导体体材材料料P-NP-N结结受受到到光光照照后后产产
36、生生一一定定方方向向的的电电动动势势的的效效应应。以以可可见见光光作作光光源源的光电池是常用的光生伏特型器件。的光电池是常用的光生伏特型器件。+-PN一般常用光电池有硒、硅、锑化铬、硫化铬。硅光电池：光谱范围0.11.1m,灵敏度68nAmm2lx-1;响应时间微妙。131机械工程测试技术基础（张军）第三章应用应用 光光电电传传感感器器在在工工业业上上的的应应用用可可归归纳纳为为辐辐射射式式( (直直射射式式) )、吸吸收收式式、遮遮光光式式、反反射射式式、四四种种基本形式。基本形式。 132机械工程测试技术基础（张军）第三章133机械工程测试技术基础（张军）第三章134机械工程测试技术基础（
37、张军）第三章135机械工程测试技术基础（张军）第三章案例：案例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LEDLED与光敏晶体管组合来与光敏晶体管组合来 测量位移。测量位移。136机械工程测试技术基础（张军）第三章亮度传感器：亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。达到节约电能的目的。137机械工程测试技术基础（张军）第三章相机测距反射式光电传感器相机测距反射式光电传感器138机械工程测试技术基础（张军）第三章139机械工程测试技术基础（张
38、军）第三章（三）光敏二极管和光敏三极管和光电池、光敏二极管比较，光敏三极管具有输出信号大，产生光电流部分与放大部分集中在一起，具有良好的抗噪声能力，响应速度慢些。140机械工程测试技术基础（张军）第三章141机械工程测试技术基础（张军）第三章利用光电传感器进行边缘位置检测的装置。用于带钢冷轧过程中控制带钢的移动位置纠偏。142机械工程测试技术基础（张军）第三章三、固态图象传感器从功能上说，是能把受光面的光像分成许多小单元（像元），并将它们转换成电信号，然后顺序地输送出去的器件。从结构上，是小型固态集成单元，核心部分多是电荷耦合器件（Charge Coupled Device 简称CCD）。CC
39、D由阵列式排列在衬底上的金属-氧化物-硅(Metal Oxide Semi-Conductor,简称MOS)电容器组成，具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。143机械工程测试技术基础（张军）第三章固态图象传感器具有：小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好、寿命高和以光为媒介可以到达危险地点的优点。用途：物位、尺寸、形状、工件损伤等测量作为光学信息处理的输入环节，如电视摄像、传真技术、光学文字识别技术和图象识别技术中的输入环节。自动生产过程的控制敏感元件144机械工程测试技术基础（张军）第三章四、热敏电阻由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降
40、与金属丝电阻比较优点：灵敏度高可制成片状、柱状，热惯性小，响应速度快，时间常数可到毫秒级元件本身电阻值可在3700k选择，导线电阻影响小-50350温度范围稳定性好。缺点：非线性大，对环境温度敏感性大145机械工程测试技术基础（张军）第三章146机械工程测试技术基础（张军）第三章产品产品147机械工程测试技术基础（张军）第三章温控器温控器应用应用汽车发动机传感器汽车发动机传感器水温感应塞水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等148机械工程测试技术基础（张军）第三章五、气敏传感器六、湿敏传感器烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化
41、碳传感器149机械工程测试技术基础（张军）第三章3-3-10 10 光纤传感器光纤传感器一、分类光纤传感器以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体利用光导纤维输送信号。把光波随被测量的变化而变化，称为对光的调制。分为：强度调制、频率调制、相位调制和偏振调制。光纤作用：功能型和传光型150机械工程测试技术基础（张军）第三章 物物性性型型光光纤纤传传感感器器是是利利用用光光纤纤对对环环境境变变化化的的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 1 1）物性型光纤传感器）物性型光纤传感器151机械工程测试技术基础（张军）第三章光纤流速传感器光纤流速传感器1
42、52机械工程测试技术基础（张军）第三章 结结构构型型光光纤纤传传感感器器是是由由光光检检测测元元件件与与光光纤纤传传输输回回路路及及测测量量电电路路所所组组成成的的测测量量系系统统。其其中中光光纤纤仅仅作作为为光光的的传传播播媒媒质质，所所以以又又称称为为传传光光型型或或非非功能型光纤传感器。功能型光纤传感器。2 2）结构型光纤传感器）结构型光纤传感器153机械工程测试技术基础（张军）第三章二、光纤导光原理154机械工程测试技术基础（张军）第三章三、光纤传感器的应用155机械工程测试技术基础（张军）第三章156机械工程测试技术基础（张军）第三章157机械工程测试技术基础（张军）第三章四、光纤传
43、感器的特点1)采用光波传递信息,不受电磁干扰,电气绝缘性能好,可在强电磁干扰下完成传统传感器难以完成的某些参量的测量,特别是电流、电压测量。2)光波传输无电能和电火花,不会引起被测介质的燃烧、爆炸;光纤耐高压、耐腐蚀;因而能在易燃、易爆和强腐蚀性的环境中安全工作。3)某些光纤传感器的工作性能优于传统传感器,如加速度计、磁场计、水听器等。4)重量轻、体积小、可挠性好,利于在狭窄空间使用。5)光纤传感器有良好的几何形状适应性,可做成任意形状的传感器和传感器阵列。6)频带宽,动态范围大,对被测对象不产生影响,有利于提高测量精确度。7)利用现有光通讯技术,易于实现远距离测控。158机械工程测试技术基础
44、（张军）第三章3-10 3-10 传感器的选用原则传感器的选用原则一、灵敏度灵敏度高好/低好？传感器灵敏度越高越好,灵敏度越高,传感器所能感知的变化量越小,被测量稍有一微小变化时,传感器就有较大的输出。当灵敏度愈高时,与测量信号无关的外界干扰也愈容易混入,并被放大装置所放大。必须考虑既要检测微小量值,又要干扰小。要求信噪比愈大愈好,既要求传感器本身噪声小,且不易从外界引人干扰。当被测量是向量时,在该方向灵敏度愈高愈好,而横向灵敏度愈小愈好。在测量多维向量时,要求交叉灵敏度愈小愈好。测量范围与灵敏度紧密相关。除非有专门的非线性校正措施,最大输入量不应使传感器进入非线性区域,更不能进入饱和区域。在
45、较强的噪声干扰下进行测试，输入量包括被测量,及干扰量;两者之和不能进入非线性区。过高的灵敏度会缩小其适用的测量范围。159机械工程测试技术基础（张军）第三章二、响应特性在所测频率范围内,传感器的响应特性必须满足不失真测量条件。实际传感器响应总有一定迟延,但总希望迟延时间愈短愈好。利用光电效应、压电效应等物性型传感器,响应较快,可工作频率范围宽。结构型,如电感、电容、磁电式传感器等,往往由于结构中的机械系统惯性的限制,其固有频率低,可工作频率较低。在动态测量中,传感器的响应特性对测试结果有直接影响,在选用时,应充分考虑到被测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、随机等)。160机械工程测试技术基础（张
46、军）第三章三、线性范围传感器都有一定的线性范围,在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围愈宽,则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内,是保证测量精确度的基本条件。例如,机械式传感器中的测力弹性元件,其材料的弹性限是决定测力量程的基本因素。当超过弹性限时,将产生线性误差。任何传感器都不容易保证其绝对线性,在许可限度内,可以在其近似线性区域应用。例如,变间隙型的电容、电感传感器,均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量的变化范围,令其线性误差在允许范围以内。161机械工程测试技术基础（张军）第三章四、可靠性是传感器和一切测量装置的生命可靠性是指仪器、装置等产品
47、在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。只有产品的性能参数(特别是主要性能参数)均处于规定的误差范围内,方能视为可完成规定的功能。为保证传感器应用中具有高的可靠性,事前须选用设计、制造良好,使用条件适宜的传感器;使用过程中,应严格保持规定的使用条件,尽量减轻使用条件的不良影响。电阻应变式传感器,湿度会影响其绝缘性;温度会影响其零漂;长期使用会产生蠕变现象。变间隙型的电容传感器,环境湿度或浸入间隙的油剂,会改变介质的介电常数。光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时,会改变光通量、偏振性或光谱成份。对于磁电式传感器或霍尔效应元件等,当在电场、磁场中工作时,亦会带来测量误差。滑线电阻式传感器
48、表面有尘埃时,将引入噪声等。162机械工程测试技术基础（张军）第三章机械系统或自动化加工过程,往往要求传感器能长期地使用而不需经常更换或校准。而其工作环境又比较恶劣,尘埃、油剂、温度、振动等干扰严重。热轧机系统控制钢板厚度的射线检测装置,用于自适应磨削过程的测力系统或零件尺寸的自动检测装置等,在这种情况下应对传感器可靠性有严格的要求。163机械工程测试技术基础（张军）第三章五、精确度传感器的精确度表示传感器的输出与被测量真值一致的程度。传感器处于测试系统的输入端,因此,传感器能否真实地反映被测量值,对整个测试系统具有直接影响。并非要求传感器的精确度愈高愈好,还应考虑到经济性。传感器精确度愈高,
49、价格越昂贵。应从实际出发尤其应从测试目的出发来选择。应了解测试目的,判定是定性分析还是定量分析。相对比较的定性试验，只需获得相对比较值即可，无须要求绝对量值，那么应要求传感器的精密度高。定量分析，必须获得精确量值，要求传感器有足够高精确度。164机械工程测试技术基础（张军）第三章六、测量方式：接触与非接触测量、在线与非在线测量工作方式不同对传感器要求亦不同。在机械系统中,运动部件的被测量(例如回转轴的误差运动、振动、扭力矩),往往需要非接触测量。对部件的接触式测量不仅造成对被测系统的影响,且有许多实际困难,诸如测量头的磨损、接触状态的变动,信号的采集都不易妥善解决,也易于造成测量误差。采用电容式、涡电流式等非接触式传感器,会有很大方便。若选用电阻应变片时,则需配以遥测应变仪,或其他装置。在线测试是与实际情况更接近一致的测试方式。特别是自动化过程的控制与检测系统,必须在现场实时条件下进行检测。若实现表面粗糙度的检测,以往的光切法、干涉法、触针式轮廓检测法等都不能运用,而代之的是激光检测法。实现在线检测的新型传感器的研制,也是当前测试技术发展的一个方面。165机械工程测试技术基础（张军）第三章七、其它尽可能兼顾结构简单体积小重量轻价格便宜易于维修易于更换166机械工程测试技术基础（张军）第三章
