1、,第五章 常用機械量測量的傳感器,學(xué)習(xí)要求,了解傳感器的選用原則；,掌握機械工程測試中常用各種傳感器的基本原理、 結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)及其適用范圍。,傳感器的定義,GB/T 7665-2005傳感器通用術(shù)語對傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。,解 釋,傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；,輸入量是某一被測量，可能是物理量（位移、溫度、力、 壓力、速度、加速度等），也可能是化學(xué)量、生物量等；,輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、 顯示等，可以是氣、光、電量，但主要是電量；,輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度。,傳感器的作用,變換作

2、用：將非電量變換成電量。,傳感器是控制系統(tǒng)中的第一個環(huán)節(jié)，其性能直接影響整個測試系統(tǒng)，主要有兩個作用：,敏感作用：感受物理量的變化，以完成對被測信 號的拾取。,傳感器的基本組成,敏感元件：直接感受被測量，輸出與被測量成確定關(guān)系 的某一物理量。,轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出作為轉(zhuǎn)換元件的輸入，它把 輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。,轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參量轉(zhuǎn)換為便于處理、 顯示、記錄或控制的有用的電信號。,一、 常用傳感器分類,1、按被測物理量分類,機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角， 轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩, 風(fēng)速,流速,流量； 聲: 聲壓,噪聲； 磁: 磁通,磁場；

3、溫度: 溫度,熱量,比熱； 光： 亮度，色彩。,常見的被測物理量,2、按傳感器工作原理分類,機械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等。,3、按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系,能量轉(zhuǎn)換型(無源傳感器）: 直接由被測對象輸入能量使其工作。 例如:熱電偶溫度計,磁電式加速度計。 能量控制型（有源傳感器）: 從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的 變化。例如:電阻應(yīng)變片。,4、按信號變換特征,物性型傳感器: 依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換。 例如:水銀溫度計。 結(jié)構(gòu)型傳感器: 依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變。 例如:電容式和電感式傳感器。,二、機械式傳感器及儀器,測力計,機械式傳

4、感器以彈性體作為敏感元件，輸入量可以是力、 壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。,彈性變形經(jīng)放大后可轉(zhuǎn)化為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指 示被測量的大小。,應(yīng)用實例：測力計、壓力計和溫度計。,壓力計,溫度計,彈性膜片,波紋管,波登管,特 點,機械式指示儀表結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低、讀 數(shù)直觀； 彈性變形不宜大，以減小線性誤差； 慣性大、固有頻率低，只宜測緩變或靜態(tài)被測量。 彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象，影響輸出與輸入的 線性關(guān)系。,解 釋,蠕變：固體材料在保持應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時間緩 慢增長的現(xiàn)象。,彈性后效：指載荷在停止變化之后，彈性元件在一段時間 之內(nèi)還會繼續(xù)

5、產(chǎn)生類似蠕動的位移。,三、渦流式傳感器,利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。,高頻反射式渦流傳感器工作原理,渦流產(chǎn)生：當(dāng)線圈中通以一交變高頻電流i時，會引起一交變磁通。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應(yīng)電流i1，該電流i1即為渦流。,抵抗作用：根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁通1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即1將抵抗的變化。,變換原理,原線圈的等效阻抗Z（equivalent impedance）的變化,金屬板電阻率,磁導(dǎo)率,線圈激磁圓頻率,改變可作為位移、振動測量； 改變,可作為材質(zhì)鑒別或探傷。,徑向振動測量,軸心軌跡測量,工程應(yīng)用實例,渦流式傳感器可用于動態(tài)非接觸測量。近年來渦流式

6、位移和振動測量儀、測厚儀和無損檢測探傷儀等在機械、冶金等部門中日益得到廣泛應(yīng)用。,轉(zhuǎn)速測量,零件計數(shù)器,表面裂紋測量,穿透式測厚,安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計算機根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺“軟x光”掃描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法可合成完整的光學(xué)圖像。,電渦流式通道安全檢查門,手持式裂紋測量儀,電渦流表面探傷,油管探傷,原理 裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。,四、電容式傳感器,工作原理,采用電容器作為敏感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化

7、。,平板電容器的電容量,極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)， 空氣中,真空中介電常數(shù)，,極板間距離,A 極板面積,（1）極距變化型,極距有一微小變化量d時，引起電容變化量,靈敏度,分 類,由于靈敏度隨極距變化，引起非線性誤差，規(guī)定在較小的間隙范圍內(nèi)工作，一般取,指紋識別,指紋識別,優(yōu)點：體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。,指紋識別目前常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。,右圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖,指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的

8、小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。,（2）面積變化型,特 點,輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度低，適于較大直線位移及角位移測量。,油量表可用于飛機油箱,（3）介質(zhì)變化型,用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。,測量電路,電容式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電容量的變化后再由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。,（1）電橋型電路,電容傳感器作為電橋的一部分，電容變化轉(zhuǎn)換為電橋電壓輸出。圖示為電感、電容組成的交流電橋。電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后輸出。,（2）調(diào)頻

9、電路,電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩器的諧振頻率,振蕩回路電感,當(dāng)被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再放大后由記錄器或顯示儀表指示。,（1）電容式測厚儀: 測量金屬帶材在軋制過程中厚度,C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個電容， 當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映此變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。,應(yīng)用實例,電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測試中。精度和穩(wěn)定性日益提高，高精度達0.01%，精度可達5m。,當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計顯

10、示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。,（2）電容式轉(zhuǎn)速傳感器,設(shè)齒數(shù)為z，頻率為f，則轉(zhuǎn)速,一個電容測微儀其傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始間隙=0.3mm，問：1）工作時，如果傳感器與工件的間隙變化量=1m時，電容變化量是多少？2）如果測量電路的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在=1m時，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？,例,解：,極距變化型電容傳感器電容的變化量,儀表的指示值變化為,靈敏度？,五、磁電式傳感器,一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的裝置，又稱電磁感應(yīng)式或電動式傳感器。,由電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過線圈的磁通發(fā)生變化時，線圈中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢,磁通變化率與磁

11、場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都可改變線圈的感應(yīng)電動勢。,分 類,1、動圈式,線速度型,在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場內(nèi)，線圈在磁場中作直線運動，切割磁力線，因此所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,說 明,當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（B，l，N）選定，則感應(yīng)電動勢e的大小使正比于線圈的運動速度v。,將測得的速度經(jīng)微分和積分運算又可得加速度和位移，因此速度傳感器又可用來測量運動物體的位移和加速度。,可測量物體轉(zhuǎn)速。,角速度型,線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,說 明,當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（N，B， A）選定時，感應(yīng)電動勢e與線 圈相對于磁場的轉(zhuǎn)動角速度成 正比。,動圈磁電式傳感器等效電路,導(dǎo)線電阻

12、,負載電阻,線圈阻抗,等效電路輸出電壓,導(dǎo)線分布電容,六、壓電式傳感器,壓電式傳感器是一種可逆型換能器。,機械能電能：用來測量力、壓力、加速度等；,電能機械能：用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚聲器。,優(yōu) 點,體積小； 重量?。?固有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍0.120kHz) ； 靈敏度高（加速度傳感器可測10-2105ms-2、力傳感器分 辨力達10-3N）。,利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)，即受到外力作用而發(fā)生變形時，其表面將產(chǎn)生電荷，形成電場，當(dāng)外力作用去除后，電場隨之消失。,工作原理,說 明,壓電效應(yīng)可逆：當(dāng)壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，稱為逆壓電效應(yīng)。,具有壓電效應(yīng)的晶體

13、稱為壓電晶體，石英晶體是常用的壓電材料之一。,石英晶體的壓電效應(yīng)演示,形 式,電軸,機械軸,光軸,縱向壓電效應(yīng)：沿電軸X-X方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。,橫向壓電效應(yīng)：將沿機械軸Y-Y方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。,切向效應(yīng)：沿相對兩平面加力。,當(dāng)沿光軸Z-Z方向作用有力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,實驗證明：壓電效應(yīng)呈線性。,晶體表面出現(xiàn)的電荷的多少和形變的大小成正比，形變改變符號時，電荷也改變符號。,說 明,石英晶體切片受x向壓力，產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，與切片的幾何尺寸無關(guān)；,石英晶體切片受y向壓力，產(chǎn)生的電荷量與切片的幾何尺寸有關(guān)，且電荷的極性與沿x軸施加壓力時產(chǎn)生的電荷極性相反。,天然形成的

14、石英晶體外形,2、壓電材料,主要有壓電單晶、壓電陶瓷和有機壓電薄膜三類。,石英晶體薄片,雙面鍍銀并封裝,石英晶體切片及封裝,石英晶體振蕩器（晶振）,石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。,壓電陶瓷,未極化,正極化,極化后,極化過程,常用的有鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。,利用強電場使陶瓷電疇規(guī)則排列，呈現(xiàn)壓電性。極化電場去除后，電疇取向保持不變，常溫下呈壓電性。,高分子壓電薄膜,測量電路,前置放大器電路作用,將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；,放大傳感器輸出的微弱電信號。,前置放大器電路的兩種形式,用電阻反饋的電壓放大器，輸出受連接電纜對地電容的影響。

15、,帶電容反饋的電荷放大器。,粘貼位置,工程應(yīng)用實例,玻璃打碎報警裝置,將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。,交通監(jiān)測,將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。,七、電阻應(yīng)變式傳感器,可測參數(shù)：應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等。,可分為金屬電阻應(yīng)變片式和半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類。,（1）金屬電阻應(yīng)變片,工作原理,常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式兩種。當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。,位移、力、力矩

16、、 加速度、壓力,彈性敏感元件,應(yīng)變,金屬絲電阻應(yīng)變片,金屬絲式應(yīng)變片是用0.010.05mm的金屬絲繞成敏感柵 ，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路上。,金屬箔式應(yīng)變片,優(yōu)點：可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準確的敏感柵；散熱條件好；生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。,金屬箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻技術(shù)，將厚約為0.0030.01mm的金屬箔片制成敏感柵。,實際中的金屬應(yīng)變片,優(yōu)點： 穩(wěn)定性和溫度特性好 缺點： 靈敏度系數(shù)小,應(yīng)變片的使用,將應(yīng)變片粘貼于彈性元件或被測構(gòu)件預(yù)定部位的表面。外力作用下，金屬絲隨物體一同變形，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。,電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù),

17、目測電阻應(yīng)變片有無缺陷； 用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大??； 試件表面處理； 應(yīng)變片粘貼； 焊線； 用兆歐表檢查應(yīng)變片的引線與試件之間的絕緣 阻值，應(yīng)大于50M歐； 應(yīng)變片保護。,金屬電阻應(yīng)變片電阻值,電阻增量,電阻的相對變化,縱向應(yīng)變,橫向應(yīng)變,幾何尺寸變形,電阻率變化,金屬電阻應(yīng)變片電阻值,由電阻絲幾何尺寸改變引起電阻的變化。,說 明,Sg為應(yīng)變片系數(shù)或靈敏度，金屬電阻絲的靈敏度常在1.7-3.6，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、或鐵鎳合金等。,電阻絲應(yīng)變片的標準阻值有60、120、350、600和1000。其中120最為常用。,靈敏度,（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片,工作原理,單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸

18、向受到應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。,靈敏度,特點,靈敏度高，分辨率高，機械滯后小，橫向效應(yīng)小、體積?。?溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。,應(yīng)用實例,將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。,齒輪彎矩,機身應(yīng)力,立柱應(yīng)力,橋梁應(yīng)力,應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。,彈性元件將得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。,4、典型動態(tài)電阻應(yīng)變儀,動態(tài)電阻應(yīng)變儀電路原理框圖,有一電阻應(yīng)變片靈敏度Sg=2，R=120，設(shè)工作時電壓1.5V，其應(yīng)變?yōu)?000，問R=？試求：1）無應(yīng)變時電流表示值；2）有應(yīng)變時電

19、流表示值。,例,解：,（1）無應(yīng)變時,（2）有應(yīng)變時,八、熱電式傳感器,溫度：反映了物體冷熱的程度，與自然界中的各種物理和化學(xué)過程相聯(lián)系。,溫度測量：以熱平衡為基礎(chǔ)。,溫度最本質(zhì)特性：當(dāng)兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導(dǎo)熱、換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。,測量方式：接觸式和非接觸式。,模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！,CPU散熱風(fēng)扇,低溫時顯示藍色,溫度升高后變?yōu)榧t色,溫度測量方法,變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用,氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比,體積熱膨脹式,不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。,紅外溫度計,熱電式傳感器定

20、義,把被測量（溫度）轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應(yīng)。,分 類,熱電偶傳感器 熱電阻傳感器,1、熱電偶傳感器,屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；,測溫范圍廣：下限可達-270C ，上限可達1800C以上；,各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標準。,（1）優(yōu) 點,熱電極A,右端稱 自由端 參考端 冷端,左端稱 測量端 工作端 熱端,熱電極B,熱電勢,A,B,（2）熱電偶工作原理演示,結(jié) 論,當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。,兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個接觸端TT0時，回路中會產(chǎn)生熱電勢。,鎧裝型熱電偶可長達上百米,普

21、通裝配型熱電偶的外形,柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu),小型K型熱電偶,其他熱電偶外形,2、熱電阻傳感器,利用電阻隨溫度變化的特點制成的傳感器，主要用于對溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)測量。,分 類,熱電阻：以金屬材料作為溫感元件。,熱敏電阻：以半導(dǎo)體材料作為溫感元件。,（1）熱電阻,由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部分組成。,鉑熱電阻,銅熱電阻,主要作為標準電阻溫度計，廣泛應(yīng)用于溫度基準、標準的傳遞。,測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為-50150。,（2）熱敏電阻,利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成，由金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結(jié)。,特 點,熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（49倍）。

22、,電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點溫、表面溫度及快速變化的溫度。,結(jié)構(gòu)簡單、機械性能好。,線性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。,熱敏電阻分類,正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻,用途：彩電消磁，各種電器設(shè)備的過熱保護，發(fā)熱源的定溫控制，限流元件。,臨界溫度系數(shù)（CTR）熱敏電阻,負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻,用途：溫度開關(guān)。,應(yīng)用：點溫、表面溫度、溫差、溫場等測量自動控制及電子線路的熱補償線路。,熱敏傳感器,溫控器,熱敏傳感器,汽車發(fā)動機傳感器,水溫感應(yīng)塞,廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等,集成溫度傳感器（溫度IC）將溫度敏感元件和放大、運算和補償?shù)入娐凡捎梦㈦娮蛹夹g(shù)和集成工藝集成在一片芯片上，

23、從而構(gòu)成集測量、放大、電源供電回路于一體的高性能的測溫傳感器。,集成溫度傳感器,電流輸出型溫度傳感器能產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比的電流作為輸出，AD590是電流輸出型溫度傳感器的典型產(chǎn)品。,模擬型集成溫度傳感器,空腳（接地）,AD590封裝示意圖,電壓輸出型集成溫度傳感器LM35/45,外形及引腳圖,散熱風(fēng)扇,集成溫度IC,CPU插座,CPU散熱片,在電腦中，集成溫度傳感器用于CPU散熱保護電路。,九、半導(dǎo)體傳感器,物性型傳感器,利用敏感元件材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)實現(xiàn)信號的變換。物性型傳感器大多屬于半導(dǎo)體傳感器。,半導(dǎo)體傳感器的優(yōu)點,結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，靈敏度高。 功耗低，安全可靠，壽命長。 對被測量敏感，響應(yīng)快。 易集成化。,霍爾傳感器,利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。,霍爾元件：基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件，一般由鍺、銻化銦、砷化銦等半導(dǎo)體材料制成。,工作原理：將霍爾元件置于磁場中，如果在a、b端通以電流i，在c、d端就會出現(xiàn)電位差，稱為霍爾電動勢