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1、机械工程测试技术第三章1你现在浏览的是第一页，共108页物性型传感器物性型传感器: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；石英晶体压电效应。现信号的变换。如水银温度计；石英晶体压电效应。结构型传感器结构型传感器:是依靠传感器结构参数的变化而实现信号是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。如电容、电感、应变式传感器。转换的。如电容、电感、应变式传感器。能量转换型（无源）传感器能量转换型（无源）传感器:是直接由被测对象输入能量是直接由被测对象输入能量使其工作的，如热电偶温度计，弹性压力计。使其工作的，如热电偶温度计，弹性压
2、力计。能量控制型（有源）传感器能量控制型（有源）传感器:从外部供给辅助能量使传感从外部供给辅助能量使传感器工作。如把电阻应变计接于由外部供电的电阻电桥上，被器工作。如把电阻应变计接于由外部供电的电阻电桥上，被测量变化引起的电阻变化去控制电桥输出。测量变化引起的电阻变化去控制电桥输出。参见书中参见书中 表表3-1，机械工厂中常用传感器。，机械工厂中常用传感器。另外，传感器可能只一个，也可能几个换能元件组合而成一个小另外，传感器可能只一个，也可能几个换能元件组合而成一个小型装置。型装置。2你现在浏览的是第二页，共108页3你现在浏览的是第三页，共108页第二节第二节机械式传感器机械式传感器机械式传
3、感器机械式传感器以弹性体为敏感元件，将以弹性体为敏感元件，将被测量转换为弹性变形被测量转换为弹性变形（或应变）的传感器。（或应变）的传感器。优点：优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。缺点：缺点：弹性变形不能过大；受结构间隙影响大，惯性大，固有频弹性变形不能过大；受结构间隙影响大，惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。一般，与其他传感器配套使用，先用弹性元件将被测量转换一般，与其他传感器配套使用，先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后用其他形式的传感器（如电阻、电容、电涡成位移量，然
4、后用其他形式的传感器（如电阻、电容、电涡流式等）将位移量转换成电信号输出。流式等）将位移量转换成电信号输出。弹性元件具有弹性元件具有蠕变、弹性后效蠕变、弹性后效等现象，应从结构设计、材料选择和处等现象，应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取有效措施来改善这些现象产生的影响。理工艺等方面采取有效措施来改善这些现象产生的影响。4你现在浏览的是第四页，共108页5你现在浏览的是第五页，共108页6你现在浏览的是第六页，共108页第三节第三节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一种把被测量转换为电阻变化的传感器。是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。分类分类：（：（1）变阻器式）变阻
5、器式（2）电阻应变式）电阻应变式一变阻器式传感器（电位差计式）一变阻器式传感器（电位差计式）定义定义：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。根据电阻公式电阻根据电阻公式电阻R 为为（3-1）式中：式中：电阻率；电阻率；l电阻丝长度；电阻丝长度；A电阻丝截面积电阻丝截面积从式中看出当电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线长从式中看出当电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线长度而变化。度而变化。分类分类：（：（1）直线位移型）直线位移型（2）角位移型）角位移型（3）非线性型）非线性型如图如图3-5所示所示7你现在浏览的是第七页，共108页1直
6、线位移型直线位移型（见图（见图3-53-5a）C点与点与A点之间的电阻值为点之间的电阻值为两边取微分两边取微分（3-2）可见导线分布均匀时，传感器输出可见导线分布均匀时，传感器输出(电阻电阻)与输入与输入(位移位移)成线性关系。成线性关系。2角位移型角位移型（见图（见图3-53-5b）其电阻值随转角而变化，灵敏度其电阻值随转角而变化，灵敏度 S 为为式中式中转角（转角（rad）;k单位弧度对应的电阻值。单位弧度对应的电阻值。3非线性型非线性型（见图（见图3-53-5c）其骨架形状根据所要求的输出其骨架形状根据所要求的输出f(x)来确定。来确定。则则例如：（例如：（1）输出）输出f(x)=kx2
7、;R(x)与与f(x)成线性关系成线性关系三角形骨架三角形骨架 （2）输出）输出f(x)=kx3R(x)与与 f(x)成线性关系成线性关系抛物线形骨架抛物线形骨架8你现在浏览的是第八页，共108页4变阻器式传感器后接电路变阻器式传感器后接电路见见图图3-6，设设Rp-变变阻阻器器总总电电阻阻；xp-变变阻阻器器总总长长度度；Rl-后后接接电电路路输输入入电电阻阻。由由于于直直线线位位移移型型电电阻阻与与位位移移的的线线性性关关系系，传传感感器器的的输输出出电电压压uy 可用下式计算：可用下式计算：（3-3）图图3-6电阻分压电路电阻分压电路xRLuyu0 xp为减小后接电路影响，应使为减小后接
8、电路影响，应使Rl Rp（减小负载效应）（减小负载效应）优点：（优点：（1）结构简单）结构简单（2）性能稳定）性能稳定（3）使用方便）使用方便缺点：（缺点：（1）分辨力不高）分辨力不高（2）躁声较大）躁声较大应用：线位移、角位移测量，用于伺服记录仪器或电子电位差计等。应用：线位移、角位移测量，用于伺服记录仪器或电子电位差计等。9你现在浏览的是第九页，共108页二电阻应变式传感器二电阻应变式传感器应用范围应用范围：测量力、应变、位移、加速度、扭矩等：测量力、应变、位移、加速度、扭矩等分类：分类：（1）金属应变片式）金属应变片式（2）半导体应变式）半导体应变式特点：特点：（1）体积小（）体积小（2
9、）动态响应快（）动态响应快（3）测量准确高（）测量准确高（4）使用方便）使用方便（一）金属电阻应变片（一）金属电阻应变片常用的有丝式和箔式，其工作原理一样。常用的有丝式和箔式，其工作原理一样。（1）把把直直径径为为0.025mm的的康康铜铜或或镍镍铬铬合合金金丝丝，粘粘贴贴在在绝绝缘缘的的基基片片和和覆覆盖盖层之间，由引出导线接于电路上。层之间，由引出导线接于电路上。（2）用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光刻技术制造，其线条均匀，）用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光刻技术制造，其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片约厚尺寸准确，阻值一致性好。箔片约厚110 m。散热好，粘接情况好，传散热好，
10、粘接情况好，传递性能好。递性能好。工作原理：应变片用特制胶水粘固在弹性元件或要测量变形的物体表面上，工作原理：应变片用特制胶水粘固在弹性元件或要测量变形的物体表面上，在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其阻值发生相应变化。由此，在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其阻值发生相应变化。由此，将被测量的变化转换为电阻变化。将被测量的变化转换为电阻变化。10你现在浏览的是第十页，共108页11你现在浏览的是第十一页，共108页由于电阻值由于电阻值对上式求微分对上式求微分（3-4）式中式中 （3-5）式中式中 电阻丝轴向相对应变（或称纵向应变）电阻丝轴向相对应变（或称纵向应变）电阻丝径向相对应变（
11、或称横向应变）电阻丝径向相对应变（或称横向应变）电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝所手正应力电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝所手正应力有关。有关。材料泊松比材料泊松比（3-6）12你现在浏览的是第十二页，共108页（3-7）式中式中E电阻丝材料的弹性模量；电阻丝材料的弹性模量；压阻系数，与材质有关压阻系数，与材质有关将式（将式（3-6）（）（3-7）代入式（）代入式（3-5），则有），则有（3-8）(1+2)项是电阻丝几何尺寸改变所引起，同一电阻材料是常数项是电阻丝几何尺寸改变所引起，同一电阻材料是常数E项是电阻丝的电阻率随应变而引起的，一般对金属丝很小可忽略。项是电阻丝的电阻率随应变而引起的，一般
12、对金属丝很小可忽略。式（式（3-8）可简化为）可简化为（3-9）表明电阻相对变化率与应变成正比。比值表明电阻相对变化率与应变成正比。比值Sg称为应变系数或灵敏度。称为应变系数或灵敏度。常数常数（3-10）制造中制造中Sg在在1.73.6之间，几种常用电阻丝材料物理性能见之间，几种常用电阻丝材料物理性能见 表表3-2，一般，一般市场上电阻应变片标准为市场上电阻应变片标准为60，120，350，600，1000等。等。13你现在浏览的是第十三页，共108页（二）半导体应变片（二）半导体应变片典型结构见典型结构见 图图3-9工作原理：基于半导体材料的压阻效应工作原理：基于半导体材料的压阻效应单晶半导
13、体材料在外力作用下，单晶半导体材料在外力作用下，其电阻率其电阻率变化。根据式（变化。根据式（3-8），），(1+2)项是由几何尺寸变化引起的，项是由几何尺寸变化引起的，E是由电阻率变化引起的，就半导体而言，后者影响大于前者，故式（是由电阻率变化引起的，就半导体而言，后者影响大于前者，故式（3-8）可简化为）可简化为（3-11）灵敏度为灵敏度为（3-12）这一数值比金属丝式大这一数值比金属丝式大5070倍，倍，几种常用的半导体材料特性见几种常用的半导体材料特性见表表3-3优点优点：灵敏度高灵敏度高缺点缺点：（：（1）温度稳定性差（）温度稳定性差（2）灵敏度分散度大）灵敏度分散度大(由于晶向杂质等
14、因数）由于晶向杂质等因数）（3）非线性大）非线性大小结：（小结：（1）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。（2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。14你现在浏览的是第十四页，共108页（三）电阻应变片传感器应用实例（三）电阻应变片传感器应用实例1直接用来测定结构的应变或应力直接用来测定结构的应变或应力例如：研究机械、桥梁等某些构件在工作状态下的受力、变形情况。例如：研究机械、桥梁等某些构件在工作状态下的受力、变形情况。2将将应应变变片片贴贴在在弹弹性性体体上上,作作为为测测
15、量量力力、位位移移、加加速速度度等等物物理理参参数数。示示例例见见图图3-11。各各种种传传感感器器从从本本质质上上讲讲均均为为受受力力，产产生生弹弹性性变变形形，导导致致电电阻阻应应变变片片阻阻值值发发生变化，再经二次仪表转换为电压（或电流）信号输出。生变化，再经二次仪表转换为电压（或电流）信号输出。（1）由应变片测出的是构件或弹性体上某出的应变，通过换算（或标定）才能得到）由应变片测出的是构件或弹性体上某出的应变，通过换算（或标定）才能得到应力、力或位移。应力、力或位移。标定标定（2）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺（胶、贴前处）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。
16、所以粘贴工艺（胶、贴前处理、固化处理、防潮等）至关重要。理、固化处理、防潮等）至关重要。贴片工艺贴片工艺（3）动态测量时，应考虑弹性元件和应变片的动态特性。）动态测量时，应考虑弹性元件和应变片的动态特性。动态特性动态特性（4）温度对电阻值的变化影响不容忽略，考虑温度补偿。）温度对电阻值的变化影响不容忽略，考虑温度补偿。温度补偿温度补偿说明说明:15你现在浏览的是第十五页，共108页16你现在浏览的是第十六页，共108页第四节第四节电感式传感器电感式传感器原理原理：把被测量转换为电感量变化的一种装置。：把被测量转换为电感量变化的一种装置。(基于电磁感应原理基于电磁感应原理)分类：分类：（1）自感
17、式）自感式(a)可变磁阻可变磁阻(b)涡流式涡流式（2）互感式）互感式差动变压器式差动变压器式一自感式一自感式(一一)可变磁阻可变磁阻构造原理见构造原理见图图3-12,由电工学线圈自感量由电工学线圈自感量L为为（3-13）式中式中W线圈匝数线圈匝数 Rm磁路总磁阻磁路总磁阻H-1(亨亨)如果空气隙如果空气隙较小，不考虑磁路的铁损时，则总磁阻为较小，不考虑磁路的铁损时，则总磁阻为（3-14）式中式中铁心磁导率铁心磁导率0 0空气磁导率空气磁导率(410-7)l铁心导磁长度铁心导磁长度气隙长度气隙长度A铁心导磁截面积铁心导磁截面积A=ab bA0空气隙导磁横截面积空气隙导磁横截面积17你现在浏览的
18、是第十七页，共108页因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比很小，可以忽略，故因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比很小，可以忽略，故（3-15）代入式（代入式（3-13）得）得（3-16）式（式（3-16）表明：自感）表明：自感L 与气隙与气隙 成反比，与气隙导磁截面积成反比，与气隙导磁截面积A0成正比。成正比。当固定当固定A0变化变化 时，时，L与与 呈非线性关系，此时传感器灵敏度呈非线性关系，此时传感器灵敏度S 为为（3-17）从从式式(3-17)看看出出，灵灵敏敏度度S与与气气隙隙长长度度平平方方成成反反比比，越越小小，S 越越高高。如如果果S 不不是是常常数数会会出出现现非非线线性性误误差差。为为了了减
19、减小小这这一一误误差差，通通常常规规定定在在较较小小间间隙隙范范围围内内工工作作。设设间间隙隙变变化化为为(0 0,0 0+)，一一般般应应用用中中取取/0.10.1。此种传感器适合于较小位移的测量，一般设为此种传感器适合于较小位移的测量，一般设为0.0011mm。18你现在浏览的是第十八页，共108页图图(3-13）中列出四种常用可变磁阻式传感器的典型结构。中列出四种常用可变磁阻式传感器的典型结构。（3）单单螺螺管管线线圈圈型型铁铁心心在在线线圈圈中中运运动动时时，将将改改变变磁磁阻阻使使自自感感发发生生变变化化。结结构构简简单单，易易制制造造，但但灵灵敏敏度度低低，使使用用大大位位移移测量
20、。测量。（1）可变导磁面积型可变导磁面积型L与与A0成线性关系，灵敏度较低。成线性关系，灵敏度较低。（2）差动型差动型两个线圈的间隙按两个线圈的间隙按0 0+和和0 0-变化，一变化，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减少，将两线圈接于电桥相邻两臂个线圈自感增加，另一个线圈自感减少，将两线圈接于电桥相邻两臂时，其灵敏度提高时，其灵敏度提高1倍，并改善了非线性。倍，并改善了非线性。（4）双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及线性，与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及线性，常用于电感测微仪上，其测量范围为常用于电感测微仪上，其测量范围为0300m,最小分辨力为最小分辨力为 0.
21、5m。这种传感器常接于电桥两个桥臂上，线圈电感这种传感器常接于电桥两个桥臂上，线圈电感L1、L2随铁心位随铁心位移而变化，其输出特性如移而变化，其输出特性如图图(3-14)所示。所示。19你现在浏览的是第十九页，共108页（二）涡电流式（二）涡电流式原理原理：利用金属体在交变磁场中的涡：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。见图（流效应。见图（3-15）金属板位于一）金属板位于一线线圈附近，距离为线线圈附近，距离为，当线圈通过，当线圈通过一高频交变电流时，产生磁通一高频交变电流时，产生磁通 此交此交变磁场在邻近金属板上感应电流变磁场在邻近金属板上感应电流i1,此电流在金属体内是闭合的，称之为此电流
22、在金属体内是闭合的，称之为“涡流涡流”。根据楞次定律，涡电流的。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。交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场作用，使原线圈的等级由于涡流磁场作用，使原线圈的等级阻抗阻抗Z发生变化，变化程度与距离发生变化，变化程度与距离 有有关。关。图图3-15高频反射式高频反射式涡流传感器原理涡流传感器原理ii11金属板金属板20你现在浏览的是第二十页，共108页高频线圈阻抗高频线圈阻抗Z 影响因数影响因数：（：（1）值；（值；（2）金属板电极率）金属板电极率；（3）磁导率）磁导率；（；（4）线圈激励圆频率）线圈激励圆频率 等变化。等变化。可作为位移、
23、振动测量，变化可作为位移、振动测量，变化和和可作为材质鉴别和探伤。可作为材质鉴别和探伤。涡电流式传感器测量电路涡电流式传感器测量电路：（：（1）阻抗分压式调幅电路（）阻抗分压式调幅电路（2）调频电路）调频电路分压式调幅电路分压式调幅电路：原理见：原理见图图3-16，图，图3-17是其谐振曲线及输出特性。传感器是其谐振曲线及输出特性。传感器线圈线圈 L 和电容和电容 C 组成并联谐振回路，其谐振频率为组成并联谐振回路，其谐振频率为（3-18）电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，输电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，输出电压出电压 u 最大。工作时线
24、圈阻抗随最大。工作时线圈阻抗随 改变，改变，LC 回路失谐，输出信号回路失谐，输出信号 u(t)频频率虽然仍为工作频率，但幅值随率虽然仍为工作频率，但幅值随 而变化，它相当于一个调谐波。此调谐而变化，它相当于一个调谐波。此调谐波经放大、检波、滤波后即可得到气隙波经放大、检波、滤波后即可得到气隙 的动态化信息。的动态化信息。21你现在浏览的是第二十一页，共108页调调频频电电路路：调调频频电电路路的的工工作作原原理理如如图图3-18所所示示。与与调调幅幅法法不不同同之之处处是是以以回回路路的的谐谐振振频频率率作作为为输输出出量量。当当发发生生变变化化时时，引引起起线线圈圈电电感感L 变变化化，使
25、使震震荡荡器器的的震震荡荡频频率率f发发生生变变化化，再再通通过过鉴鉴频频器器进进行行频频率率电电压压转转换换，即即得得与与 成成比比例例的的输输出出电电压压。目目前前此此种种传传感感器器应应用用广广泛泛，测测量量范范围围为为 110mm，分分辨辨力力为为1 m 的的非接触式测量。非接触式测量。C图图3-18调频电路工作原理调频电路工作原理ffu0 0LL L高频振高频振荡荡器器鉴频器鉴频器22你现在浏览的是第二十二页，共108页23你现在浏览的是第二十三页，共108页二互感式二互感式差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器工作原理见图工作原理见图3-19，当线圈，当线圈W1输入交流电流输
26、入交流电流 i1时，线圈时，线圈 W2产产生感应电动势生感应电动势 e12，其大小与电流，其大小与电流 i1的变成正比，即的变成正比，即（3-19）式中式中M比例系数（称为互感比例系数（称为互感H），其大小与两线圈相对位置及周），其大小与两线圈相对位置及周围介质导磁能力有关。围介质导磁能力有关。图图3-19互感现象互感现象e12i1W2W124你现在浏览的是第二十四页，共108页差动式工作原理：见图差动式工作原理：见图3-20a)，初级线圈，初级线圈 W 次级线圈次级线圈 W1,W2反极性串联。反极性串联。当当W上加上交流电时，上加上交流电时，W1,W2分别产生感应电势分别产生感应电势e1和和
27、e2，其大小与铁心，其大小与铁心位置有关。位置有关。（1）当贴心在中心时，）当贴心在中心时，e1=e2e=0（2）当贴心向上运动时，）当贴心向上运动时，e1e2（3）当贴心向下运动时，）当贴心向下运动时，e1C+Cf上式简化为上式简化为（3-33）式（式（3-33）表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与传感器电荷量成正比，）表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与传感器电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。因此可长距离测量，灵敏度无明显变化，但其电路复并且与电缆对地电容无关。因此可长距离测量，灵敏度无明显变化，但其电路复杂，价格昂贵。杂，价格昂贵。46你现在浏览的是第四十六页，共108页五压
28、电式传感器的应用五压电式传感器的应用1应用范围应用范围测力、压力、振动、加速度、超声发射等测力、压力、振动、加速度、超声发射等2测力范围测力范围10-3N104kN，动态范围，动态范围DR一般为一般为60dB，单方向，或多方向。，单方向，或多方向。3传感器形式传感器形式利用膜片式弹性元件利用膜片式弹性元件力力膜片膜片凸台凸台压电片压电片电荷量电荷量利用活塞乘压面受力利用活塞乘压面受力力力活塞乘压面活塞乘压面活塞杆活塞杆压电片上压电片上电荷量电荷量压电式加速度计可做成不同灵敏度、不同量程和不同大小系列产品。压电式加速度计可做成不同灵敏度、不同量程和不同大小系列产品。4工作频率范围工作频率范围数十
29、赫数十赫兆赫，范围宽。兆赫，范围宽。5此此传传感感器器一一般般常常用用纵纵向向效效应应（测测轴轴向向力力），横横向向效效应应实实为为干干扰扰和和测测量量误误差差，一一个个压压电电式式传传感感器器各各横横向向灵灵敏敏度度不不一一样样。为为减减少少影影响响和和干干扰扰，应应力力求求最最小小横向灵敏度与最大横向干扰力方向重合。横向灵敏度与最大横向干扰力方向重合。6校校准准环环境境湿湿度度、温温度度变变化化和和压压电电材材料料本本身身时时效效，都都会会引引起起压压电电常常数数变变化化，经经常常校校准准是必要的。是必要的。7工工作作原原理理的的可可逆逆性性施施加加电电压压于于压压电电晶晶片片，压压电电片
30、片便便产产生生伸伸缩缩，可可用用作作“驱驱动动器器”如作振动源、超声发声器、扬声器及精密驱动装置如作振动源、超声发声器、扬声器及精密驱动装置。47你现在浏览的是第四十七页，共108页定义定义：把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。：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）（又称电磁感应式或电动力式）原理：由电工学知，一个匝数为原理：由电工学知，一个匝数为W的线圈，当穿过该线圈的线圈，当穿过该线圈的磁通的磁通 发生变化时，其感应电发生变化时，其感应电动势动势 e e 为为 （3-343-34）可见线圈磁感应电动势可见线圈磁感应电动势大小，取决于匝数和穿大小，取决
31、于匝数和穿过线圈的磁通变化率。过线圈的磁通变化率。而通变化率与磁场强度、而通变化率与磁场强度、磁路磁阻和线圈运动速磁路磁阻和线圈运动速度有关。度有关。按结构分类按结构分类动圈式动圈式线速度型线速度型角速度型角速度型磁阻式磁阻式第七节第七节磁电式传感器磁电式传感器48你现在浏览的是第四十八页，共108页一动圈式一动圈式1线速度型线速度型（图图3-35a）在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动线圈，当线圈在磁场中运动时，它所产生的感应电动势线圈，当线圈在磁场中运动时，它所产生的感应电动势e为为（3-35）式中式中B 磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度 v线圈
32、与磁场的相对运动速度线圈与磁场的相对运动速度l 单匝线圈有效长度单匝线圈有效长度 线圈运动方向与磁场方向夹角线圈运动方向与磁场方向夹角W 线圈匝数线圈匝数当当=90=900 0时式（时式（3-353-35）可写成）可写成（3-36）此式说明，当此式说明，当 B、W、l 均为常数时，感应电动势大小与线圈运动线均为常数时，感应电动势大小与线圈运动线速度成正比。这也是一般常见惯性式速度计的工作原理。速度成正比。这也是一般常见惯性式速度计的工作原理。2角速度型角速度型（图图3-35b）是传感器工作原理，先前在磁场中转动时产生的是传感器工作原理，先前在磁场中转动时产生的感应电动势为感应电动势为（3-37
33、）式中式中角速度角速度A单匝线圈的截面积单匝线圈的截面积k与结构有关的系数与结构有关的系数(kZ0时，则放大器输入电压为时，则放大器输入电压为感感应应电电势势经经放放大大，检检波波后后，可可推推动动指指示示仪仪表表。如如果果通通过过微微积积分分网网络络，可可得得到到加加速速度度和和位位移移。磁磁电电式式传传感感器器的的工工作作原原理理也也是是可可逆逆的的。作作为为测测振振传传感感器器，它它工工作作于于发发电电机机状状态态。若若在在先先前前上上加加上上交交变变激激励励电电压压，则则线圈就在磁场中振动，成为一个激振器（电动机状态）。线圈就在磁场中振动，成为一个激振器（电动机状态）。50你现在浏览的
34、是第五十页，共108页二磁阻式二磁阻式原理：磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体原理：磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻，而引起磁力线增加和减弱，使线圈产（导磁材料）来改变磁路的磁阻，而引起磁力线增加和减弱，使线圈产生感应电动势。其工作原理见图生感应电动势。其工作原理见图3-37所示。所示。特点：磁阻式传感器使用简便，结构简单，不同场合用来测量转速、偏特点：磁阻式传感器使用简便，结构简单，不同场合用来测量转速、偏心量、振动等。心量、振动等。a)nSNb)nSNc)SNd)vmSN图图3-37磁阻式传感器工作原理及应用例磁阻式
35、传感器工作原理及应用例a)测频数测频数b)测转速测转速c)偏心测量偏心测量d)振动测量振动测量51你现在浏览的是第五十一页，共108页三热电式传感器三热电式传感器1、热电偶工作原理、热电偶工作原理当热电偶材料一定时，它所当热电偶材料一定时，它所产生的总热电势产生的总热电势EAB(T,T0)成成为温度为温度T和和T0的函数差的函数差(3-40)如冷端温度固定，总热电势就只与温度如冷端温度固定，总热电势就只与温度T成单值关系成单值关系(3-41)52你现在浏览的是第五十二页，共108页热电偶回路的特点：热电偶回路的特点：1）若若回回路路的的两两种种导导体体相相同同，则则无无论论两两节节点点温温度度
36、如如何何，热热电电偶偶回回路路中中的的总总热电动势为零；热电动势为零；2）若若两两接接点点温温度度相相同同，则则尽尽管管导导体体材材料料不不同同，热热电电偶偶回回路路中中的的总总热热电电动动势也为零；势也为零；3）热热电电偶偶的的热热电电动动势势与与导导体体材材料料的的中中间间温温度度无无关关，而而只只与与接接点点温度有关；温度有关；4）热热电电偶偶在在接接点点温温度度T1、T3时时的的热热电电动动势势，等等于于热热电电偶偶在在接接点点温温度度为为T1、T2和和T2、T3时的热电动势总和；时的热电动势总和；5）在在热热电电偶偶回回路路中中接接入入第第三三种种材材料料的的导导线线，只只要要第第三
37、三种种导导线线的的两两端端温温度度相相同同，第第三三种种导导线线的的引引入入不不会会影影响响热热电电偶偶的的热热电电动动势势，中间导体定律中间导体定律;6)当当温温度度为为T1、T2时时，用用导导体体A、B组组成成的的热热电电偶偶的的热热电电动动势势等等于于AC热电偶和热电偶和CB热电偶的热电动势的和，即热电偶的热电动势的和，即EAB（T1,T2）=EAC（T1,T2）+ECB（T1,T2）（3-41）标准电极定律标准电极定律5353你现在浏览的是第五十三页，共108页54你现在浏览的是第五十四页，共108页热电偶的分类：热电偶的分类：(1)铂铑铂铑铂热电偶铂热电偶(WRLB)(2)镍铬镍铬镍
38、硅镍硅(镍铬镍铬镍铝镍铝)热热电偶电偶(WREU)(3)镍铬镍铬考铜热电偶考铜热电偶(WREA)(4)铂铑铂铑10铂铑铂铑6热电偶热电偶(WRLL)55你现在浏览的是第五十五页，共108页1）铂铑）铂铑铂热电偶（铂热电偶（WRLB）组成组成：铂铑丝为正极（铂：铂铑丝为正极（铂90%，铑，铑10%），纯铂丝为负极；直径均为），纯铂丝为负极；直径均为0.5mm。特特点点：在在1300下下可可长长时时间间使使用用，较较易易得得到到高高纯纯度度铂铂和和铂铂铑铑，复复制制精精度度和和测测量量精精度较高，可用于精密温度测量和做基准热电偶。度较高，可用于精密温度测量和做基准热电偶。缺缺点点：热热电电动动势势
39、较较弱弱；在在高高温温时时易易变变质质，引引起起热热电电偶偶特特性性变变化化，失失去去测测量量准确性；成本高。准确性；成本高。2）镍铬）镍铬镍硅（镍铬镍硅（镍铬镍铝）热电偶（镍铝）热电偶（WREU）组成组成：镍铬为正极，镍硅为负极；直径约为：镍铬为正极，镍硅为负极；直径约为1.22.5mm。特特点点：化化学学稳稳定定性性高高，在在氧氧化化性性或或中中性性介介质质中中可可长长时时间间测测量量900以以下下温温度度，短短期期测测量量1200；还还原原性性介介质质中中，易易受受腐腐蚀蚀，只只能能测测量量500以以下下。复复制制性性好好，产产生生热热电电动动势势大大，线线性性好好，价价格格便便宜宜。是
40、是工工业业测测量量中中最最常常用用的的热热电电偶偶之之一。一。缺点缺点：测量精度偏低。：测量精度偏低。5656你现在浏览的是第五十六页，共108页4）铂铑）铂铑30铂铑铂铑6热电偶（热电偶（WRLL）组组成成：铂铂铑铑30丝丝（铂铂70%，铑铑30%）为为正正极极，铂铂铑铑6丝丝（铂铂94%，铑铑6%）为为负极。负极。特特点点：可可长长期期测测量量1600的的高高温温，短短期期测测量量可可达达1800。性性能能稳稳定定，精精度度高高，适于在氧化性或中性介质中使用。适于在氧化性或中性介质中使用。缺点缺点：产生的热电动势小，价格昂贵。：产生的热电动势小，价格昂贵。3）镍铬）镍铬考铜热电偶（考铜热电
41、偶（WREA）组成组成：镍铬丝为正极，考铜（镍、铜合金）为负极；直径约为：镍铬丝为正极，考铜（镍、铜合金）为负极；直径约为1.22.0mm。特特点点：适适宜宜于于还还原原性性或或中中性性介介质质，长长期期使使用用温温度度在在600以以下下，短短期期测测量量800.热电灵敏度高、价格便宜。热电灵敏度高、价格便宜。缺点缺点：测温范围低且窄，考铜合金易受氧化而变质。：测温范围低且窄，考铜合金易受氧化而变质。575）特殊热电偶）特殊热电偶超超高高温温热热电电偶偶（2000，精精度度1%），低低温温热热电电偶偶（2273K低低温温，灵灵敏敏度度为为10m mV/），快快速速测测量量壁壁面面温温度度的的薄
42、薄膜膜热热电电偶偶（测测量量厚厚度度为为0.010.1mm），非金属材料热电偶。），非金属材料热电偶。57你现在浏览的是第五十七页，共108页2、热电阻传感器、热电阻传感器热热电电阻阻传传感感器器利利用用电电阻阻随随温温度度变变化化的的特特点点制制成成的的传传感感器器。主主要要用用于于对温度和与温度有关的参数测定。对温度和与温度有关的参数测定。按热电阻的性质分类：按热电阻的性质分类：金属热电阻（热电阻）；半导体热电阻（热敏电阻）金属热电阻（热电阻）；半导体热电阻（热敏电阻）热电阻的组成：热电阻的组成：电阻体电阻体、绝缘套管、接线盒等。、绝缘套管、接线盒等。1.铂电阻铂电阻58特特点点：精精度度
43、高高，稳稳定定性性好好，性性能能可可靠靠，在在氧氧化化性性介介质质中中物物理理化化学学性性质质非非常常稳稳定定，但但在在还还原原性性介介质质中中，容容易易受受污污染染，使使材材料料变变脆脆，并并改改变变其其电电阻与温度间的关系，制作成本高。阻与温度间的关系，制作成本高。根据经验公式，铂电阻的温度关系为根据经验公式，铂电阻的温度关系为（3-42）式中：式中：Rt/R0为温度为为温度为t/0时的电阻值；时的电阻值；A为常数，为常数，；B为常数，为常数，（）58你现在浏览的是第五十八页，共108页(1)铂电阻铂电阻电阻随温度变化特点制成的传感器。电阻随温度变化特点制成的传感器。特点：精度高、稳定性好
44、、性能可靠。特点：精度高、稳定性好、性能可靠。分度号：分度号：BA1、BA2，其中，其中R100/R0=1.39159你现在浏览的是第五十九页，共108页(2)铜电阻铜电阻一般用于精度要求不高，温度范围较低。一般用于精度要求不高，温度范围较低。优点：测量范围优点：测量范围-50150、线性度好、价格便宜。、线性度好、价格便宜。缺点：电阻率小，温度超过缺点：电阻率小，温度超过100时，铜容易氧化。时，铜容易氧化。60你现在浏览的是第六十页，共108页(3)其它电阻其它电阻1)铟电阻铟电阻一种高精度低温热电阻，在一种高精度低温热电阻，在4.215K温度范围内灵温度范围内灵敏度比铂高敏度比铂高10倍
45、。倍。2)锰电阻锰电阻在在216K温度范围内电阻率随温度平方变化，温度范围内电阻率随温度平方变化，缺点是脆性大，难以拉制成丝。缺点是脆性大，难以拉制成丝。3)碳电阻碳电阻在低温下灵敏度高、热容量小，对磁场不在低温下灵敏度高、热容量小，对磁场不敏感、价格便宜、操作方便、稳定性差。敏感、价格便宜、操作方便、稳定性差。61你现在浏览的是第六十一页，共108页半导体材料重要特性是对光、热、力、磁、气体、温度等理化量的敏感半导体材料重要特性是对光、热、力、磁、气体、温度等理化量的敏感性。近代半导体技术利用这些特性，作为非电量电测的转换元件。性。近代半导体技术利用这些特性，作为非电量电测的转换元件。特点特
46、点：（：（1）是一些物性型传感器；（）是一些物性型传感器；（2）结构简单，体积小，重量轻；）结构简单，体积小，重量轻；（3）功耗低，安全可靠，寿命长；（）功耗低，安全可靠，寿命长；（4）对被测量敏感，响应快；）对被测量敏感，响应快；（5）易于实现集成化；（）易于实现集成化；（6）输出一般为非线性，常采用线性化电路；）输出一般为非线性，常采用线性化电路；（7）温度影响大，需要温度补偿措施；（）温度影响大，需要温度补偿措施；（8）性能参数分散性较大。）性能参数分散性较大。一磁敏传感器一磁敏传感器分类：（分类：（1）霍尔元件）霍尔元件 （2）磁阻元件）磁阻元件 （3）磁敏管）磁敏管（一）霍尔元件（一
47、）霍尔元件霍尔元件霍尔元件种半导体磁电转换元件。一般由锗（种半导体磁电转换元件。一般由锗（Ge）、锑化铟（）、锑化铟（InSb）、）、砷化铟（砷化铟（InAs）等半导体材料制成。它利用霍尔效应进行工作。如图）等半导体材料制成。它利用霍尔效应进行工作。如图3-38所所示，将霍尔元件置于磁场示，将霍尔元件置于磁场 B 中，如果在中，如果在 a,b端通以电流端通以电流 i 在在 c,d 两端两端就会出现电位差，称为霍尔电势就会出现电位差，称为霍尔电势 VH，此现象叫霍尔效应。，此现象叫霍尔效应。第八节第八节半导体传感器半导体传感器62你现在浏览的是第六十二页，共108页BiiadcbiVHa)Bdb
48、caiN型型vFEFL电子受电子受力方向力方向b)图图3-38霍尔元件及霍尔效应原理霍尔元件及霍尔效应原理a)霍尔元件霍尔元件b)霍尔效应原理霍尔效应原理假定把假定把N型半导体薄片放在磁场中，通固定电流型半导体薄片放在磁场中，通固定电流i，半导体中载流子（电子），半导体中载流子（电子）将沿着与电流方向相反方向运动。从物理学知，任何带电质点在磁场中沿着将沿着与电流方向相反方向运动。从物理学知，任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时，要受到洛伦兹力和磁力线垂直的方向运动时，要受到洛伦兹力 FL作用，向一边偏移，并形成作用，向一边偏移，并形成电子积累，而另一边积累正电荷，于是形成电场。该电
49、场将阻止运动电子继电子积累，而另一边积累正电荷，于是形成电场。该电场将阻止运动电子继续偏移，当电场力续偏移，当电场力 FE与与 FL相等时，电子积累达到动态平衡，这时元件相等时，电子积累达到动态平衡，这时元件 c,d两端之间建立的电场叫霍尔电场，相应电势叫霍尔电势两端之间建立的电场叫霍尔电场，相应电势叫霍尔电势 VH。63你现在浏览的是第六十三页，共108页（3-39）式中式中 kH霍尔常数，取决于材质、温度、元件尺寸霍尔常数，取决于材质、温度、元件尺寸i电流电流B磁感应强度磁感应强度电流与磁场方向的夹角电流与磁场方向的夹角根据此式，如果改变根据此式，如果改变 B 或或 i，或者两者同时改变，
50、就可改变，或者两者同时改变，就可改变 VH，值，运用此特性，把被测参量转化为电压值的变化。，值，运用此特性，把被测参量转化为电压值的变化。霍尔电势霍尔电势 VH，其大小为，其大小为图图3-39表表示示用用霍霍尔尔元元件件测测量量位位移移的的实实例例。将将霍霍尔尔元元件件置置于于两两个个方方向向相相反反的的磁磁场场中中，由由于于每每点点磁磁感感应应强强度度不不同同，当当元元件件沿沿x方方向向移移动动时时，由由霍霍尔尔电电势势的的变变化化反反映映出出位位移移量量。将将微微小小位位移移测测量量为为基基础础，霍霍尔尔元元件件还还可可应应用用于于微微压压、压压差差、高高度度、加加速速度度和和振振动动的的