第5章机械常用传感器.

第五章常用机械量测量的传感器学习要求了解传感器的选用原则；掌握机械工程测试中常用各种传感器的基本原理、结构及性能参数及其适用范围。传感器的基本组成敏感元件：直接感受被测量，输出与被测量成确定关系的某一物理量。转换元件：敏感元件的输出作为转换元件的输入，它把输入转换成电路参量。转换电路：把转换元件输出的电路参量转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号。一、常用传感器分类1、按被测物理量分类机械量: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,噪声；磁:磁通,磁场；温度:温度,热量,比热；光：亮度，色彩。常见的被测物理量2、按传感器工作原理分类机械式,电气式,光学式,流体式等。3、按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型(无源传感器）:直接由被测对象输入能量使其工作。例如:热电偶温度计,磁电式加速度计。能量控制型（有源传感器）: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。V4、按信号变换特征物性型传感器: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。结构型传感器: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。二、机械式传感器及仪器测力计机械式传感器以弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。应用实例：测力计、压力计和温度计。压力计温度计弹性膜片波纹管波登管特点机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读数直观；弹性变形不宜大，以减小线性误差；惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量。弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，影响输出与输入的线性关系。解释蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间缓慢增长的现象。弹性后效：指载荷在停止变化之后，弹性元件在一段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移。三、涡流式传感器利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应。高频反射式涡流传感器工作原理涡流产生：当线圈中通以一交变高频电流i时，会引起一交变磁通Ф。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流i1，该电流i1即为涡流。抵抗作用：根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁通Ф1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即Ф1将抵抗Ф的变化。变换原理原线圈的等效阻抗Z（equivalentimpedance）的变化,,,ZZ金属板电阻率磁导率线圈激磁圆频率改变δ可作为位移、振动测量；改变ρ,μ可作为材质鉴别或探伤。径向振动测量轴心轨迹测量工程应用实例涡流式传感器可用于动态非接触测量。近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用。转速测量零件计数器表面裂纹测量穿透式测厚安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法可合成完整的光学图像。电涡流式通道安全检查门手持式裂纹测量仪电涡流表面探伤油管探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。+++A四、电容式传感器工作原理采用电容器作为敏感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。平板电容器的电容量—极板间介质的相对介电系数，空气中—真空中介电常数，—极板间距离A—极板面积11208.8510/Fm0AC0（1）极距变化型极距有一微小变化量dδ时，引起电容变化量灵敏度20AddCS分类021dCAd由于灵敏度随极距变化，引起非线性误差，规定在较小的间隙范围内工作，一般取0/0.1指纹识别指纹识别优点：体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。指纹识别目前常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。右图为指纹经过处理后的成像图（2）面积变化型00AbxC0bdCSdx常数特点输出与输入成线性关系，灵敏度低，适于较大直线位移及角位移测量。油量表可用于飞机油箱（3）介质变化型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。测量电路电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。（1）电桥型电路电容传感器作为电桥的一部分，电容变化转换为电桥电压输出。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。LCf21（2）调频电路电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率振荡回路电感当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录器或显示仪表指示。（1）电容式测厚仪:测量金属带材在轧制过程中厚度C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容，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此变化，并转换和显示出带材的厚度。应用实例电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。精度和稳定性日益提高，高精度达0.01%，精度可达5μm。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。min)/r(zf60n（2）电容式转速传感器设齿数为z，频率为f，则转速一个电容测微仪其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙δ=0.3mm，问：1）工作时，如果传感器与工件的间隙变化量Δδ=±1μm时，电容变化量是多少？2）如果测量电路的灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，在Δδ=±1μm时，读数仪表的指示值变化多少格？202rCd例1226152318.85100.0041104.94100.310CF解：极距变化型电容传感器电容的变化量123110,4.9410FpFCpF20AddCS34.941010052.47mVpFpFmV格格仪表的指示值变化为灵敏度？SddtdNe五、磁电式传感器一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，又称电磁感应式或电动式传感器。由电磁感应定律可知，当穿过线圈的磁通Φ发生变化时，线圈中所感应产生的电动势磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应电动势。sinNBlve分类1、动圈式线速度型在永久磁铁产生的直流磁场内，线圈在磁场中作直线运动，切割磁力线，因此所产生的感应电动势说明当传感器的结构参数（B，l，N）选定，则感应电动势e的大小使正比于线圈的运动速度v。将测得的速度经微分和积分运算又可得加速度和位移，因此速度传感器又可用来测量运动物体的位移和加速度。kNBAe可测量物体转速。角速度型线圈在磁场中转动时，产生的感应电动势说明当传感器的结构参数（N，B，A）选定时，感应电动势e与线圈相对于磁场的转动角速度成正比。动圈磁电式传感器等效电路导线电阻负载电阻线圈阻抗等效电路输出电压00,0011CLCRZLCLueeZjCZR导线分布电容六、压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器。机械能电能：用来测量力、压力、加速度等；电能机械能：用于高频振动台、超声发射器、扬声器。优点体积小；重量小；固有频率高（加速度传感器，可测频率范围0.1~20kHz)；灵敏度高（加速度传感器可测10-2～105m·s-2、力传感器分辨力达10-3N）。形式电轴机械轴光轴纵向压电效应：沿电轴X-X方向的作用力产生的压电效应。横向压电效应：将沿机械轴Y-Y方向的作用力产生的压电效应。切向效应：沿相对两平面加力。当沿光轴Z-Z方向作用有力时不产生压电效应。实验证明：压电效应呈线性。晶体表面出现的电荷的多少和形变的大小成正比，形变改变符号时，电荷也改变符号。说明石英晶体切片受x向压力，产生的电荷量与作用力成正比，与切片的几何尺寸无关；石英晶体切片受y向压力，产生的电荷量与切片的几何尺寸有关，且电荷的极性与沿x轴施加压力时产生的电荷极性相反。天然形成的石英晶体外形2、压电材料主要有压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜三类。石英晶体薄片双面镀银并封装石英晶体切片及封装压电陶瓷未极化正极化极化后极化过程常用的有钛酸钡、锆钛酸铅等。利用强电场使陶瓷电畴规则排列，呈现压电性。极化电场去除后，电畴取向保持不变，常温下呈压电性。高分子压电薄膜测量电路KyfaicffKqqUCCCCCKC前置放大器电路作用将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路的两种形式用电阻反馈的电压放大器，输出受连接电缆对地电容的影响。带电容反馈的电荷放大器。粘贴位置工程应用实例玻璃打碎报警装置将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。七、电阻应变式传感器可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。可分为金属电阻应变片式和半导体应变片式两类。（1）金属电阻应变片工作原理常用的金属电阻应变片有丝式、箔式两种。当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件应变金属丝电阻应变片金属丝式应变片是用0.01～0.05mm的金属丝绕成敏感栅，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。金属箔式应变片优点：可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。实际中的金属应变片•优点：稳定性和温度特性好•缺点：灵敏度系数小应变片的使用将应变片粘贴于弹性元件或被测构件预定部位的表面。外力作用下，金属丝随物体一同变形，将被测量的变化转换为电阻值的变化。电阻应变片的选择、粘贴技术目测电阻应变片有无缺陷；用数字万用表测量应变片电阻值大小；试件表面处理；应变片粘贴；焊线；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；应变片保护。2llRAr金属电阻应变片电阻值(2)RRRdRdldrdlrdldrdRlr22(12)dRdldrdRlrEE电阻增量电阻的相对变化纵向应变横向应变几何尺寸变形电阻率变化//12/dRRdRRSdll金属电阻应变片电阻值由电阻丝几何尺寸改变引起电阻的变化。说明Sg为应变片系数或灵敏度，金属电阻丝的灵敏度常在1.7-3.6，常用的金属材料有银、铬镍合金、或铁镍合金等。电阻丝应变片的标准阻值有60、120、350、600和1000Ω。其中120Ω最为常用。2(12)dRR灵敏度dRSR（2）半导体应变片工作原理单晶半导体材料在沿某一轴向受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。/dRRSEddRER灵敏度特点灵敏度高，分辨率高，机械滞后小，横向效应小、体积小；温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。应用实例将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。齿轮弯矩机身应力立柱应力桥梁应力应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。4、典型动态电阻应变仪动态电阻应变仪电路原理框图有一电阻应变片灵敏度Sg=2，R=120Ω，设工作时电压1.5V，其应变为1000με，问ΔR=？试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电