《常用传感器》PPT课件.ppt

《《常用传感器》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《常用传感器》PPT课件.ppt（103页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、第三章第三章常用传感器常用传感器本章学习要求：本章学习要求：1.了解传感器的分类了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路3.1概述概述3.2电阻式传感器电阻式传感器3.3电感式传感器电感式传感器3.4电容式传感器电容式传感器3.5压电式传感器压电式传感器3.6磁电式传感器磁电式传感器3.7半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器3.8其它类型传感器其它类型传感器3.9传感器选用原则传感器选用原则3.1.1传感器定义传感器定义3.1.2传感器的构成传感器的构成3.1.3传感器的分类传感器的分类3.1.4常见的被测物理量常见的被测物理

2、量3.1概述概述第三章第三章常用传感器常用传感器传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。按一定的规律将所获取的信息转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。因而从目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号的装置。3.1.1传感器定义传感器定义3.1概述概述3.1.2传感器的构成传感器的构成3.1概述概述传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传

3、感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，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、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。dV3.1.3传感器的分类传感器的分类3.1概述概述(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类:(2)(2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类:(3)(3)按信号变换特征按信号变换特征:(4)(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系:

4、位移位移,力力,温度等温度等.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.物性型物性型,结构型结构型.能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型.3.1概述概述A A 物性型与结构型传感器物性型与结构型传感器物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如例如:水银温度计水银温度计,压电测力计压电测力计.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.B B 能量转换型和能量控制型传感器能量转换型和能量控制型传感器能量

5、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供给能量的变化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.3.1.4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,

6、比热比热.光：光：亮度，色彩亮度，色彩.3.1概述概述3.2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传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器.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、热敏式、变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式光敏式、电敏式.第三章第三章常用传感器常用传感器3.2.1变阻器式传感器变阻器式传感器3.2.2电阻应变式传感器电阻应变式传感器3.2.1变阻器式传感器变阻器式传感器（1）工作原理工作原理3.2电阻式传感器电阻式传感器R等效电路分析等效电路分析:Rp-总电阻总电阻;xp-变阻总长变阻总长;RL负载电阻负载

7、电阻;x-电刷移动量电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0 x100%100%Output0负载效应负载效应3.2电阻式传感器电阻式传感器(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)线性线性(或曲线的一致性或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围;2)分辨率分辨率;5)电阻温度系数电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差;6)寿命寿命;(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类:3.2电阻式传感器电阻式传感器变阻器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕电位器按电位器结构分(

8、4)变阻器式传感器的特点：变阻器式传感器的特点：3.2电阻式传感器电阻式传感器电阻器电阻器制作制作特点特点绕线式绕线式直径0.012-0.1mm的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘的胶木板等卷心上而制作电阻温度系数非常好，为(520)10-6/；精度、稳定性、重复性比薄膜式好；分辨力低于薄膜式金属陶瓷式金属陶瓷式电阻胶印在陶瓷基板上，并用高温烧制而成分辨力高，环境适应性强，电阻温度系数为20010-6/左右导电导电-塑料塑料式式将基板的树脂与电阻膜制成一体，或将电阻胶涂于薄膜基片上分辨力高，寿命长，线响应特性好，电阻温度系数为40010-6/混合式混合式导电型树脂涂于线绕式电阻元件上

9、兼有绕线式、导电塑料式的优点，电阻温度系数为15010-6/(5)应用应用案例案例1 1：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备设定值原材料比较3.2电阻式传感器电阻式传感器(5)应用应用案例案例1 1：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备设定值原材料比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化3.2电阻式传感器电阻式传感器案例案例2 2：煤气包储量检测煤气包储量检测原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化煤气包钢丝特点：特点：（1）测量量程大；）测量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低。3.2电阻式传感器电阻

10、式传感器案例案例3 3：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化3.2电阻式传感器电阻式传感器3.2.2电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变金属电阻应变片的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，其电效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。变化的现象。3.2电阻式传感器电阻式传感器1）工作原理）工作原理金属应变片的电阻金属应变片

11、的电阻R为为纵向应变纵向应变泊松比泊松比弹性模量弹性模量压阻系数压阻系数3.2电阻式传感器电阻式传感器(1)(1)当当 不变时不变时金属应变计金属应变计(2)(2)当当 变化时变化时半导体应变计半导体应变计3.2电阻式传感器电阻式传感器2）金属应变片）金属应变片应变计3.2电阻式传感器电阻式传感器金属应变片有：金属应变片有：丝式、箔式丝式、箔式优点：优点：稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好缺点：缺点：灵敏度系数小灵敏度系数小3）半导体应变片）半导体应变片应变计3.2电阻式传感器电阻式传感器优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大;体积小体积小;能制成具有一定应变电阻的元件能制成具有一定应变电阻的

12、元件.缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片温度稳定性和可重复性不如金属应变片.4）应变片的主要参数）应变片的主要参数1）几何参数：表距）几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用bL表示。表示。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）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。4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（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）。3.2电阻式传感器电阻式传感器5）应变片的测量电路）应变片

13、的测量电路第四章中第四章中“电桥电桥”内容内容3.2电阻式传感器电阻式传感器6）应用）应用案例案例1 1：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。3.2电阻式传感器电阻式传感器案例案例2 2：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。3.2电阻式传感器电阻式传感器案例案例3 3：桶式测力传感器桶式测力传感器3.2电阻式传感器电阻式传感器电桥电桥1）直流电桥）直流电桥信号放大电路信号放大电路平衡条件平衡条件信号放大电路信号放大电路直流电桥的连接方式直流电桥的连

14、接方式a)半桥单臂半桥单臂b)半桥双臂半桥双臂c)全桥全桥(a)半桥单臂半桥单臂(b)半桥双臂半桥双臂(c)全桥全桥直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件优点：优点：所需的高稳定直流电源较易获得；电所需的高稳定直流电源较易获得；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。电桥的平衡电路简单。缺点：缺点：直流放大器比较复杂，易受零漂和接直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。地电位的影响。信号放大电路信号放大电路平衡电桥平衡电桥信号放大电路信号放大电路2）交流电桥

15、）交流电桥平衡条件平衡条件交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定度。率稳定度。3.3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，它是把被测量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。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3.3电感

16、式传感器电感式传感器1自感型自感型-可变磁阻可变磁阻式式原理原理:电磁感应电磁感应线圈匝数磁路总磁阻铁芯导磁长度铁芯导磁率铁芯导磁截面积气隙长度空气导磁率气隙导磁截面积3.3电感式传感器电感式传感器a）导磁面积变化）导磁面积变化b）变化变化3.3电感式传感器电感式传感器d）双螺管线圈差动c）单螺管线圈型b）差动型0-0+测量电路：将两线圈分别接到电桥的相邻桥臂上，输出灵敏度可提高一倍。3.3电感式传感器电感式传感器双螺管线圈差动型传感器及测量电路双螺管线圈差动型传感器及测量电路双螺管线圈差动型，较之单双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型螺管线圈型有较高灵敏度及线性；有较高灵敏度及线性；用于电感测

17、微计上，其测用于电感测微计上，其测量范围为量范围为0300m，最小分最小分辨力为辨力为。这种传感器的线圈接于电桥这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电上，构成两个桥臂，线圈电感感L1、L2随铁芯位移而变化。随铁芯位移而变化。3.3电感式传感器电感式传感器2涡流式涡流式原理原理:涡流效应涡流效应原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器。如图所示，如图所示，高频高频(1MHz)激励电激励电流流产生的高频磁场作用于金属板的表产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于面，由于集肤效应集肤效应，在金属板表面将，在金属板表面将形成涡电流形成涡电流。与此同

18、时，该涡流产生。与此同时，该涡流产生的交变磁场又的交变磁场又反作用反作用于线圈，引起线于线圈，引起线圈自感圈自感L或阻抗或阻抗ZL的的变化变化。线圈自感。线圈自感L或阻抗或阻抗ZL的变化与距离该金属板的的变化与距离该金属板的电阻率电阻率、磁导率、磁导率、激励电流、激励电流i及角及角频率频率等有关。若等有关。若只改变距离只改变距离而保而保持其它参数不变，则可将持其它参数不变，则可将位移变化转位移变化转换换为线圈为线圈自感变化自感变化，通过测量电路转，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感换为电压输出。高频反射式涡流传感器器多用于位移测量多用于位移测量。3.3电感式传感器电感式传感器低频透

19、射式涡流传感器低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器的工作原低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，理如图所示，发射线圈发射线圈1和和接收线圈接收线圈2分别置于被测金属板材料分别置于被测金属板材料G的上、的上、下方。由于低频磁场下方。由于低频磁场集肤效应小集肤效应小，渗渗透深透深，当低频，当低频(音频范围音频范围)电压电压e1加到加到线圈线圈1的两端后，所产生磁力线的一的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料部分透过金属板材料G,使线圈使线圈2产生产生感应电动势感应电动势e2。但由于。但由于涡流消耗涡流消耗部分部分磁场能量，使感应电动势磁场能量，使感应电动势e2减少，当减少，当金属板材料

20、金属板材料G越厚时，损耗的能量越越厚时，损耗的能量越大，输出电动势大，输出电动势e2越小。因此，越小。因此，e2的大的大小与小与G的厚度及材料的性质有关，试的厚度及材料的性质有关，试验表明，验表明，e2随材料厚度随材料厚度h的增加按负指的增加按负指数规律减少数规律减少,如图所示，因此，若金属如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用板材料的性质一定，则利用e2的变化的变化即可测量其厚度。即可测量其厚度。3.3电感式传感器电感式传感器3.3电感式传感器电感式传感器案例案例1 1：测厚测厚3.3电感式传感器电感式传感器案例案例2 2：零件计数零件计数3.3电感式传感器电感式传感器案例案例2 2

21、：零件计数零件计数3.3电感式传感器电感式传感器案例案例3 3：测转速：测转速3.3电感式传感器电感式传感器案例案例4 4：无损探伤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3.3电感式传感器电感式传感器优点优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。应用应用：位移、力、振动测量，：位移、力、振动测量，NDT，测厚，测厚,材质判别材质判别案例案例5 5：连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensorReferenceCircle原理：原理：测量电路：测量电路：1）阻抗分压式调幅电路）

22、阻抗分压式调幅电路3.3电感式传感器电感式传感器调制调制解调解调上图振荡器提供稳定的高频信号电源。上图振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电源频率相同时，输出电压当谐振频率与该电源频率相同时，输出电压最大。测量时，传感器线圈阻抗随最大。测量时，传感器线圈阻抗随x而改变，而改变，LC回路失谐，输出信号频率仍然为振荡器的回路失谐，输出信号频率仍然为振荡器的工作频率，但幅值随工作频率，但幅值随x而变化。它相当于一个而变化。它相当于一个调幅波。此调幅波经放大、检波、滤波后即调幅波。此调幅波经放大、检波、滤波后即可以得到气隙可以得到气隙x的动态变化信息。的动态变化信息。右图是谐振曲线和输出特性。

23、右图是谐振曲线和输出特性。3.3电感式传感器电感式传感器测量电路：测量电路：2）阻抗分压式调频电路）阻抗分压式调频电路该方法也将传感器线圈接入该方法也将传感器线圈接入LC振荡电路，与调幅法不同之振荡电路，与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距处是以回路的谐振频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离离x发生变化时，将引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频发生变化时，将引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率率f发生变化，再通过鉴频器进行频率电压转换，即可得到与发生变化，再通过鉴频器进行频率电压转换，即可得到与x成比例的输出电压。成比例的输出电压。3.4电容式传感

24、器电容式传感器1.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容器两平行极板组成的电容器,它的电容量为它的电容量为:+A当当被被测测量量、S或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电电容容的的变变化化。如如果果保保持持其其中中的的两两个个参参数数不不变变，而而仅仅改改变变另另一一个个参参数数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。相对介电常数，空气中为相对介电常数，空气中为1真空介电常数真空介电常数极板面积极板面积极板间距离极板间距离2分类分类3.4电容式传感器电容式传感器a)a)极距变化型极距

25、变化型+为减少线性误差，一般取极距变化范围为减少线性误差，一般取极距变化范围3.4电容式传感器电容式传感器b)b)面积变化型面积变化型:角位移型角位移型,平面线位移型平面线位移型,柱面线位移型柱面线位移型3.4电容式传感器电容式传感器c)c)介质变化型介质变化型变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感器大多用于测量电介质的厚度器大多用于测量电介质的厚度(图图a)、位移、位移(图图b)、液位、液位(图图c)，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

26、量变来测量温度、湿度、容量(图图d)等。等。3.4电容式传感器电容式传感器若忽略边缘效应，图若忽略边缘效应，图a、图、图b、图、图c所示传感器的电容量与被测量的关系为所示传感器的电容量与被测量的关系为式中式中、h、0两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数；两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数；x、hx、被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数；被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数；l、b、ax固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）；固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）；r1、r2内、外极筒的工作半径。内、外极筒的工作半径。案例案例:液面高

27、度测量液面高度测量3测量电路测量电路3.4电容式传感器电容式传感器a)电桥电路电桥电路电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，下图所示为一种由电感、电容组成的电桥。电容组成交流电桥，下图所示为一种由电感、电容组成的电桥。电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。动显示、记录仪器。3.4电容式传感器电容式传感器b)谐振电路谐振电路右右图图所所示示为为谐谐振振式式电电路路的的原原理理框框图图，电电容容传传感感器器的的电电容

28、容Cx作作为为谐谐振振回回路路(L2、C2、Cx)调调谐谐电电容容的的一一部部分分。谐谐振振回回路路通通过过电电感感藕藕合合，从从稳稳定定的的高高频频振振荡荡器器取取得得振振荡荡电电压压。当当传传感感器器电电容容发发生生变变化化时时，使使得得谐谐振振回回路路的的阻阻抗抗发发生生相相应应的的变变化化，而而这这个个变变化化被被转转换换为为电电压压或或电电流流，再再经经过过放放大大、检检波波即即可得到相应的输出。可得到相应的输出。为为了了获获得得较较好好的的线线性性关关系系，一一般般谐谐振振电电路路的的工工作作点点选选在在谐谐振振曲曲线线的的线线性性区区域域内内最最大大振振幅幅70%附附近近的的地地

29、方方，且工作范围选在且工作范围选在BC段内。段内。这这种种电电路路的的优优点点是是比比较较灵灵活活；缺缺点点是是工工作作点点不不易易选选好好，变变化化范范围围也也较较窄窄，传传感感器器连连接接电电缆缆的的杂杂散散电电容容对对电电路路的的影影响响较较大大，同同时时为为了了提提高高测测量量精精度度，要要求振荡器的频率具有很高的稳定性求振荡器的频率具有很高的稳定性3.4电容式传感器电容式传感器c)调频电路调频电路传传感感器器的的电电容容器器作作为为振振荡荡器器谐谐振振回回路路的的一一部部分分，当当输输入入量量使使电电容容量量发发生生变变化化时时，振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率将将发发生生变变化化，

30、频频率率的的变变化化经经过过鉴鉴频频器器转转换换为为电电压压的的变变化化，经经过过放放大大处处理理后后输输入入显显示示或记录等仪器。（课本或记录等仪器。（课本P72图图3-28）3.4电容式传感器电容式传感器d)运算放大器电路运算放大器电路前前面面已已经经叙叙述述到到，变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器的的极极距距变变化化与与电电容容变变化化量量成成非非线线性性关关系系。这这一一缺缺点点使使电电容容式式传传感感器器的的应应用用受受到到了了一一定定的的限限制制。采采用用比比例例运运算算放放大大器器电电路路，可可以以使使输输出出电电压压与与位位移移的的关关系系转转换换为为线线性性关关系系。如

31、如下下图图所所示示，反反馈馈回回路路中中的的Cx为为极极距距变变化化型型电电容容式式传传感感器器的的输输入入电电路路，采采用用固固定定电电容容C0，u0为稳定的工作电压。为稳定的工作电压。思考：是否意味着可用于长距测量？（当极距增加时CxUy饱和）4应用应用3.4电容式传感器电容式传感器案例案例1 1：电容传声器电容传声器案例案例2:2:转速测量转速测量3.4电容式传感器电容式传感器动手做：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。第三章第三章常用传感器常用传感器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础本

32、章学习要求：本章学习要求：1.了解传感器的分类了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路3.5压电式传感器压电式传感器3.6磁电式传感器磁电式传感器3.1概述概述3.2电阻式传感器电阻式传感器3.3电感式传感器电感式传感器3.4电容式传感器电容式传感器3.7半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器3.8其它类型传感器其它类型传感器3.9传感器选用原则传感器选用原则3.5压电式传感器压电式传感器1.变换原理变换原理:某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化

33、，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为态，这种现象称为压电效应压电效应。F+最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。在压电晶片最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。在压电晶片的两个的两个工作面上工作面上进行金属蒸镀，形成进行金属蒸镀，形成金属膜金属膜，构成两个，构成两个电极电极。当压电晶片受到压力当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传

34、感器可以看作是一个作是一个电荷发生器电荷发生器，也可以看成是一个，也可以看成是一个电容器电容器。工作原理：工作原理：在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，常常在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起（即并联和串联），组将两片或两片以上的晶片粘结在一起（即并联和串联），组成压电式传感器。成压电式传感器。+并联并联+串联串联并联和串联：并联和串联：并联时并联时串联时串联时设单片压电元件的电容为设单片压电元件的电容为，电荷为，电荷为，电压为，电压为，则当两片叠加后，则当两片叠加后电荷灵敏度高电荷灵敏度高电压灵敏度高电压灵敏度高+并联并联+串联串联并联和串

35、联：并联和串联：压压电电效效应应是是压压电电传传感感器器的的主主要要工工作作原原理理，压压电电传传感感器器不不能能用用于于静静态态测测量量，因因为为经经过过外外力力作作用用后后的的电电荷荷，只只有有在在回回路路具具有有无无限限大大的的输输入入阻阻抗抗时时才才得到保存，所以这决定了压电传感器只能够测量得到保存，所以这决定了压电传感器只能够测量动态动态的应力。的应力。并并联联时时，传传感感器器的的电电容容量量大大、输输出出电电荷荷量量大大、时时间间常常数数也也大大，故故适适用用于测量于测量缓变信号及电荷量输出信号缓变信号及电荷量输出信号。串串联联时时，传传感感器器本本身身的的电电容容量量小小、响响

36、应应快快、输输出出电电压压大大，故故适适用用于于测测量量以电压作输出的信号和频率较高的信号以电压作输出的信号和频率较高的信号。压电式传感器压电式传感器2、测量电路、测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号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先输入到高输入阻抗的前置放大器高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。可输入到后续显示仪表中。压电式传感器压电式传感器电容电容泄漏泄漏电阻电阻压电元压电元件产生件产生的电荷的电荷传感器传感器电容电容电缆电容电缆电容外接电路的外接电路的输入端电容输入端电容泄漏电流泄漏电流qC

37、R0ui电压放大器电压放大器压电式传感器压电式传感器 由于由于电荷放大器电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。故而电荷放大器应用日益广泛。若放大器开环增益足够大，则若放大器开环增益足够大，则ACf(C+Cf)传感器电容传感器电容电缆电容电缆电容外接电路输外接电路输入端电容入端电容在一定情况下，电荷放大器的输出在一定情况下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，并电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长用电荷放大器时

38、，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。变化，这是电荷放大器的突出优点。3应用应用b)压力变送器压力变送器压电式传感器压电式传感器a)加速度计，力传感器加速度计，力传感器压压电电传传感感器器主主要要应应用用在在加加速速度度、压压力力和和力力等等的的测测量量中中。压压电电式式加加速速度度传传感感器器是是一一种种常常用用的的加加速速度度计计。它它具具有有结结构构简简单单、体体积积小小、重重量量轻轻、使使用用寿寿命命长长等等优优异异的的特特点点。压压电电式式加加速速度度传传感感器器在在飞飞机机、汽汽车车、船船舶舶、桥桥梁梁和和建建筑

39、筑的的振振动动和和冲冲击击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压压电电式式传传感感器器也也可可以以用用来来测测量量发发动动机机内内部部燃燃烧烧压压力力的的测测量量与与真真空空度度的的测测量量。也也可可以以用用于于军军事事工工业业，例例如如用用它它来来测测量量枪枪炮炮子子弹弹在在膛膛中中击击发发的的一一瞬瞬间间的的膛膛压压的的变变化化和和炮炮口口的的冲冲击击波波压压力力。它它既既可可以以用用来来测测量量大大的的压压力力，也也可可以以用用来来测测量量微小的压力。微小的压力。产品产品压力变送器压力变送

40、器加速度计加速度计力传感器力传感器压电式传感器压电式传感器案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析压电式传感器压电式传感器案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊断压电式传感器压电式传感器第三章第三章常用传感器常用传感器本章学习要求：本章学习要求：1.了解传感器的分类了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路3.5压电式传感器压电式传感器3.6磁电式传感器磁电式传感器3.1概述概述3.2电阻式传感器电阻式传感器3.3电感式传感器电感式传感器3.4电容式传感器电容式传感器3.7半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器3.8其它类型传感器其它类型

41、传感器3.9传感器选用原则传感器选用原则1.了解磁电式传感器变换原理了解磁电式传感器变换原理2.了解动圈式传感器的基本结构和工作原理了解动圈式传感器的基本结构和工作原理3.了解磁阻式传感器的基本结构和工作原理了解磁阻式传感器的基本结构和工作原理3.6磁电式传感器磁电式传感器第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理完成本节内容的学习后应能做到：完成本节内容的学习后应能做到：1.变换原理变换原理:磁电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把磁电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为被测物理量的变化转变为感应电动势感应电动势，是一种，是一种机机-电能量变换

42、型电能量变换型传感器，传感器，不需要外部供电电源不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围小，又具有一定的频率响应范围(一般为一般为101000Hz)，适用于，适用于振振动、转速、扭矩等测量动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。但这种传感器的尺寸和重量都较大。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e为为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，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，都会改变线圈的感应电动势。改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。3.6磁电式传感器磁电式传感器2分

43、类分类3.6磁电式传感器磁电式传感器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3动圈式传感器动圈式传感器（恒定磁通式恒定磁通式）3.6磁电式传感器磁电式传感器3.6磁电式传感器磁电式传感器当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度线圈相对磁场运动的速度v或角速度或角速度表示，则所产生的感应表示，则所产生的感应电动势电动势e为：为：在传感器中当结构参数确定后，在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、A均为定值，感应电动势均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度(

44、v或或)成正比，所以这类传感器的基本形式是成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分接入积分电路或微分电路电路或微分电路，那么还可以用来，那么还可以用来测量位移或加速度测量位移或加速度。但由上述工作原理。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量动态测量。单匝线圈有效长度单匝线圈有效长度线圈与磁场的相对运动速度线圈与磁场的相对运动速度单匝线圈的截面积单匝线圈的截面积角速度角速度动圈式磁电传感器等效电路如下图所示，其等效电路的输出电压动圈式磁电

45、传感器等效电路如下图所示，其等效电路的输出电压3.6磁电式传感器磁电式传感器发电线圈感应电动势发电线圈感应电动势线圈电阻，一般为线圈电阻，一般为3KK负载电阻（放大器输入电阻）负载电阻（放大器输入电阻）一般一般C Cc c=70pF/m=70pF/m一般一般Rc可测量速度、加速度可测量速度、加速度和位移。和位移。4磁阻式传感器（磁阻式传感器（变磁通式变磁通式常用来测量旋转物体的角速度常用来测量旋转物体的角速度）3.6磁电式传感器磁电式传感器左图为开路变磁通式，线圈和磁铁静止，测量齿轮由导磁材料制成，安左图为开路变磁通式，线圈和磁铁静止，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，

46、每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。乘积。右右图图为为闭闭合合磁磁路路变变磁磁通通式式，被被测测转转轴轴带带动动椭椭圆圆形形测测量量齿齿轮轮在在磁磁场场气气隙隙中中等等速速转转动动，使使气气隙隙平平均均长长度度周周期期性性变变化化，因因而而磁磁路路磁磁阻阻也也周周期期性性变变化化，磁磁通通同同样样周周期期性性变变化化，则则在在线线圈圈中中产产生生感感应应电电动动势势，其其频频率率f与与测测量量齿

47、齿轮轮转转速速n(r/min)成正比，即成正比，即f=n/60。5应用应用b)测速电机测速电机a)磁电式车速传感器磁电式车速传感器3.6磁电式传感器磁电式传感器变磁通式传感器对环境条件要求不变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在高，能在-15090的温度下工的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，下工作。但它的工作频率下限较高，约为约为50Hz，上限可达，上限可达100Hz。c)磁电式转速表磁电式转速表3.6磁电式传感器磁电式传感器第三章第三章常用传感器常用传感器本章学习要求：本章学习要求：1.了解传感器的分类了解传感器的分类2.掌

48、握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路3.7半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器3.1概述概述3.2电阻式传感器电阻式传感器3.3电感式传感器电感式传感器3.4电容式传感器电容式传感器3.5压电式传感器压电式传感器3.6磁电式传感器磁电式传感器3.8其它类型传感器其它类型传感器3.9传感器选用原则传感器选用原则3.7.1磁电转换元件传感器磁电转换元件传感器3.7.2光电转换元件光电转换元件第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理3.7半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器物性型传感器；物性型传感器；结构简单、体积小、重量轻；结构简单、体积小

49、、重量轻；功耗低、安全可靠、寿命长；功耗低、安全可靠、寿命长；响应快；响应快；易于实现集成化；易于实现集成化；半导体传感器与前面介绍的传感器相比，有很多明显的特点：半导体传感器与前面介绍的传感器相比，有很多明显的特点：输出一般是非线性的，需要采用线性化电路；输出一般是非线性的，需要采用线性化电路；受温度影响大，须采用温度补偿措施；受温度影响大，须采用温度补偿措施；性能参数分散性较大。性能参数分散性较大。第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理1磁电转换元件传感器磁电转换元件传感器1)霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应霍尔效应原理而将被测量原

50、理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽小、频率范围宽(从直流到微波从直流到微波)、动态范围大、动态范围大(输出电势变化输出电势变化范围可达范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、电量的