机械工程测试技术基础--03传感器01

机械工程测试技术基础1河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第三章常用传感器与敏感原件第三章常用传感器（1）第三章常用传感器与敏感原件2河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第三章常用传感器与敏感原件第一节常用传感器分类第二节机械式传感器及仪器第三节电阻、电容与电感式传感器第四节磁电、压电与热电式传感器第五节光电传感器第六节光纤传感器第七节半导体传感器第八节红外测试系统第九节激光测试传感器第十节传感器选用原则第三章常用传感器与敏感原件3河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第一节常用传感器分类按被测物理量位移传感器、速度传感器、力传感器、温度传感器等按信号变换特征物性型：物理性质的变化；结构型：结构参数的变化。按敏感元件与被测对象之间能量关系能量转换型：直接由被测对象输入能量使传感器工作。如弹性压力计等。能量控制型：能量控制型外部供给能量使传感器工作。如电阻应变计等。输出信号类型模拟式、数字式第三章常用传感器与敏感原件4河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第二节机械式传感器及仪器第三章常用传感器与敏感原件5河北工程大学HebeiUniversityofEngineering微型探测开关1、工件2、电磁铁3、导槽4、簧片开关5、电极6、惰性气体7、簧片第三章常用传感器与敏感原件6河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第三节电阻、电容与电感式传感器电阻式传感器（把被测量变化转变为电阻变化）变阻器式电阻应变片式电容式传感器（将被测量转换为电容量变化）电感式传感器（将被测量转换为电感量变化）第三章常用传感器与敏感原件7河北工程大学HebeiUniversityofEngineering一、电阻式传感器–1变阻器式电阻：电阻率、电阻丝长度、截面积C与A点之间电阻直线灵敏度回转灵敏度lRA1Rkx1dRSkdxdRSkd第三章常用传感器与敏感原件8河北工程大学HebeiUniversityofEngineering变阻器式传感器-非线性型也称函数电位器骨架形状按输出要求直角三角形（如图）：抛物线性：2fxkx3fxkx因为x=n×dy=cosa×x×2所以R=n×y=n×n×d×cosa×2=x2×cosa×2/d第三章常用传感器与敏感原件9河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第三章常用传感器与敏感原件10河北工程大学HebeiUniversityofEngineering变阻器式传感器-后接电路分压电路位移变成输出电压0yppLpuuxRx1xRx第三章常用传感器与敏感原件11河北工程大学HebeiUniversityofEngineering变阻器式传感器特点优点：结构简单性能稳定使用方便缺点：分辨力低噪声磨损灰尘原始输入量变换原理物理现象能量关系输出量位移欧姆定律结构型控制型电阻、电压总结第三章常用传感器与敏感原件12河北工程大学HebeiUniversityofEngineering应用举例–电位计式压力传感器第三章常用传感器与敏感原件13河北工程大学HebeiUniversityofEngineering一、电阻式传感器–2电阻应变式分类金属电阻应变片式半导体应变片式特点体积小动态响应快精确度高使用简便应用应变、力、位移、加速度、扭矩第三章常用传感器与敏感原件14河北工程大学HebeiUniversityofEngineering金属电阻应变片式–结构金属电阻丝应变片1-基底；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线注：高电阻率的金属丝金属箔式应变片注：光刻成形，适于大批量生产，线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。第三章常用传感器与敏感原件15河北工程大学HebeiUniversityofEngineering金属电阻应变片式lRARRRdRdldAdlAdRdl2drdRlr原理：应变片变形，使电阻值变化。(金属丝电阻应变效应)电阻电阻增量电阻相对变化dlldE式中：纵向应变（电阻丝轴向相对变形）电阻率的相对变化（与轴向受正压力σ有关）E：弹性模量，λ：压阻系数，dr/r：径向相对变形。第三章常用传感器与敏感原件16河北工程大学HebeiUniversityofEngineering21+2dREERdR12R1+2constgdRRdRRSdll对金属丝而言，电阻率随应变变化很小可忽略，于是简化为：灵敏度（应变系数）drdlrl横向应变v：材料的泊松比于是有第三章常用传感器与敏感原件17河北工程大学HebeiUniversityofEngineering半导体式应变片结构如图工作原理：半导体材料压阻效应，即某个方向上受外力作用时，电阻率发生变化半导体物理：半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子浓度和迁移率变化，从而引起电阻率变化。第三章常用传感器与敏感原件18河北工程大学HebeiUniversityofEngineering半导体式应变片–灵敏度dR2E12ERdRERgdRRSE金属丝应变片与半导体应变片主要区别：金属丝应变片：导体形变引起的电阻变化半导体应变片：半导体电阻率变化引起的电阻变化对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化E远远大于形变引起的电阻变化(1+2v)，则第三章常用传感器与敏感原件19河北工程大学HebeiUniversityofEngineering半导体式应变片–特点优点灵敏度高机械滞后小横向效应小体积小缺点温度稳定性差灵敏度散度大大应变下，非线性误差大类型输入量变换原理物理现象能量关系金属应变应变效应物性型控制型半导体应力压阻效应物性型控制型第三章常用传感器与敏感原件20河北工程大学HebeiUniversityofEngineering电阻应变片应用齿轮轮齿弯矩x位移传感器m质块加速度传感器F柱式测力传感器第三章常用传感器与敏感原件21河北工程大学HebeiUniversityofEngineering二、电容式传感器原理：将被测量转换为电容量变化。0AC电容类型•极距变化型•面积变化型•介质变化型ε：极板间介质的相对介电系数。ε：真空中介电系数。δ：极板间距。A：极板面积。第三章常用传感器与敏感原件22河北工程大学HebeiUniversityofEngineering类型1–极距变化型02ddCA02dC1SAd0C0C极距变化型电容传感器极距越小灵敏度越高，通常极距变化范围/00.1，仅适于较小位移的测量（0.01m~数百微米）。第三章常用传感器与敏感原件23河北工程大学HebeiUniversityofEngineering类型2–面积变化型优点：线性关系缺点：灵敏度低第三章常用传感器与敏感原件24河北工程大学HebeiUniversityofEngineering类型3–介质变化型上图：介质通过固定极板，可用于测介质层温度、湿度、厚度变化。下图（电容液位计）：液位变化，导致电极浸入高度变化第三章常用传感器与敏感原件25河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第三章常用传感器与敏感原件26河北工程大学HebeiUniversityofEngineering二、电容式传感器–2测量电路1、电桥型电路2、直流极化电路3、谐振电路4、调频电路5、运算放大电路第三章常用传感器与敏感原件27河北工程大学HebeiUniversityofEngineering1、电桥型电路电容组成桥路电容变化转换成电桥输出电压变化（调幅波）。电桥型电路~L1L2C1C2放大相敏解调滤波第三章常用传感器与敏感原件28河北工程大学HebeiUniversityofEngineering2、直流极化电路第三章常用传感器与敏感原件29河北工程大学HebeiUniversityofEngineering3、调频电路第三章常用传感器与敏感原件30河北工程大学HebeiUniversityofEngineering二、电容式传感器–3电容集成压力传感器用集成电路工艺，将电容敏感原件和测量电路制成一体，间距和尺寸可做的很小。第三章常用传感器与敏感原件31河北工程大学HebeiUniversityofEngineering二、电容式传感器–4应用实例电容式测厚轧辊工作极板被测带材转速测量12341—齿轮2—定极3—电容传感器4—频率计第三章常用传感器与敏感原件32河北工程大学HebeiUniversityofEngineering三、电感式传感器原理：电磁感应。将被测量转换为电感量变化。按照变换方式的不同可分为：自感型（包括可变磁阻式与涡流式）互感型（差动变压器式）第三章常用传感器与敏感原件33河北工程大学HebeiUniversityofEngineering三、电感式传感器–1自感型1）可变磁阻式2mNNLIR线圈自感N：线圈匝数Rm：磁路总磁阻I—线圈中流过的电流。—通过线圈的磁通量。特点：非线性关系测量范围小0.001-1mmix123L01—线圈；2—铁心；3—衔铁Rm=RF+R，其中RF为铁心与衔铁的磁阻；R为空气隙磁阻。第三章常用传感器与敏感原件34河北工程大学HebeiUniversityofEngineering式中：l1、l2—铁心和衔铁的导磁长度；1、2—铁心和衔铁的磁导率；A1、A2—铁心和衔铁的导磁截面积；—气隙长度；0—空气磁导率，0=410-7H·m-1；A0—空气隙导磁截面积。00222111m2AAlAlR若不考虑磁路的铁损，且空气隙较小时：00m2AR一般，1和2远远大于0，即：RFR，因此，为什么是2？第三章常用传感器与敏感原件35河北工程大学HebeiUniversityofEngineering2002NAL自感L与气隙成反比，与气隙导磁截面积A0成正比。结论：如果当固定A0，变化时，L与成非线性关系，传感器灵敏度：20022NALS传感器灵敏度与气隙长度的平方成反比。结论：00m2AR2mNNLIR，特点：非线性关系，测量范围小0.001-1mm。第三章常用传感器与敏感原件36河北工程大学HebeiUniversityofEngineering典型结构L-A线性关系，灵敏度低。L-x，非线性关系接入电桥两臂，提高灵敏度。L-x，结构简单，易制造，灵敏度低，大位移测量。L-x，改善灵敏度及线性关系，用于电感测微计(0-300μm)第三章常用传感器与敏感原件37河北工程大学HebeiUniversityofEngineering涡流式导体电阻率ρ，磁导率μ，线圈与被测体之间距离，线圈激励电流的大小i，线圈激励电流的频率f，被测体结构特征r。Lf,,,i,f,r原理：涡电流效应。根据楞次定律，涡流的交变磁场变化方向与线圈磁场变化方向相反，1总是抵抗的变化，从而导致原线圈等效阻抗Z(电感L)发生变化。金属板1ii1通常线圈尺寸、激励电流i及其频率一定，若金属板材料一定，变化可以用来测量位移、振动等参量;若一定，变化或可实现材质鉴别或无损探伤。第三章常用传感器与敏感原件38河北工程大学HebeiUniversityofEngineering涡流传感器-分压式调幅电路谐振频率：01f2LC距离变化电感L变化谐振频率变化电路工作频率f不变。工作频率：f第三章常用传感器与敏感原件39河北工程大学HebeiUniversityofEng