1、機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院測試系統(tǒng)的基本特性測試系統(tǒng)的基本特性模擬信號處理模擬信號處理數字信號處理數字信號處理計算機與虛擬儀器測試技術計算機與虛擬儀器測試技術常用傳感器常用傳感器緒論緒論測試信號的描述與分析測試信號的描述與分析機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院 主要內容主要內容1.1.傳感器的基本概念傳感器的基本概念 2.2.電阻式傳感器電阻式傳感器 3.3.電感式傳感器電感式傳感器 4.4.電容式傳感器電容式傳感器5.5.壓電式傳感器壓電式傳感器 6.6.磁電式傳感器磁電式傳感

2、器7.7.霍爾式傳感器霍爾式傳感器 8.8.傳感器的選用原則傳感器的選用原則機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.1 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念一一. . 傳感器的作用和分類傳感器的作用和分類1 1、定義：定義：傳感器是借助檢測元件將一種形式的信號轉換傳感器是借助檢測元件將一種形式的信號轉換成另一種形式的信號的裝置。成另一種形式的信號的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把被測的物理量轉換為電信號的裝置。義上講，傳感器是把被測

3、的物理量轉換為電信號的裝置。第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院2. 2. 傳感器的構成傳感器的構成4.1 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念 圖 1-1 傳感器組成框圖轉 換轉 換元元 件件敏 感敏 感元元 件件輔 助輔 助元元 件件 輔助電源輔助電源被測量被測量第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院1)1)按傳感器的檢測用途分類按傳感器的檢測用途分類可分為位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器、濕可分為位移傳感器、力傳感器

4、、溫度傳感器、濕度傳感器、流量傳感器、化學成分傳感器、生物度傳感器、流量傳感器、化學成分傳感器、生物信息傳感器等。這種分類方法，對使用者十分方信息傳感器等。這種分類方法，對使用者十分方便，但由于把用途相同而變換原理不同的傳感器便，但由于把用途相同而變換原理不同的傳感器分為一類，如可用于加速度測量的傳感器，可利分為一類，如可用于加速度測量的傳感器，可利用不同變換原理的傳感器元件組成，這樣分類對用不同變換原理的傳感器元件組成，這樣分類對學習和研究很不方便。學習和研究很不方便。4.1 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念3 3、傳感器的分類、傳感器的分類第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程

5、測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院2)2)按傳感器的傳感原理分類按傳感器的傳感原理分類 4.1 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念 有電阻式傳感器，電容式傳感器、電感式傳感器、壓有電阻式傳感器，電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器等。這種分類電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器等。這種分類方法，對每一類傳感器可具有相同的傳感原理，基于一種方法，對每一類傳感器可具有相同的傳感原理，基于一種傳感原理可研究出多種傳感器，如利用電阻傳感原理可以傳感原理可研究出多種傳感器，如利用電阻傳感原理可以研制出電阻式位移傳感、壓

6、力傳感器、加速度傳感器、濕研制出電阻式位移傳感、壓力傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器等，而且其后接的調理電路也基本相同，便于學度傳感器等，而且其后接的調理電路也基本相同，便于學習和研究。習和研究。第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院 能量轉換型和能量控制型能量轉換型和能量控制型3)3)按傳感器能量轉換關系分類按傳感器能量轉換關系分類 能量轉換型能量轉換型: :能量轉換型傳感器直接將被測對象輸入的能量能量轉換型傳感器直接將被測對象輸入的能量轉換為電能而不需要外加能源。機械工程測試中常用的能量轉換為電能而不需要外

7、加能源。機械工程測試中常用的能量轉換型傳感器有：電動式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳轉換型傳感器有：電動式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器、磁電式傳感器等。感器、光電式傳感器、磁電式傳感器等。 能量控制型能量控制型: :能量控制型傳感器是借助輔助能源將被測的物能量控制型傳感器是借助輔助能源將被測的物理參數轉換成電信號輸出的，這里被測物理參數起著控制外理參數轉換成電信號輸出的，這里被測物理參數起著控制外加能源的作用。機械工程測試中常用的能量控制型傳感器有：加能源的作用。機械工程測試中常用的能量控制型傳感器有：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器等。電阻式傳感器、電容式傳感器、

8、電感式傳感器等。4.1 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4)4)按敏感元件與被測對象之間的機理分類按敏感元件與被測對象之間的機理分類結構型結構型:結構型傳感器是依靠傳感器結構參數的變化而實現信結構型傳感器是依靠傳感器結構參數的變化而實現信 號轉換。如電阻式、電感式、電容式等號轉換。如電阻式、電感式、電容式等；物性型物性型: :物性型傳感器是利用敏

9、感元件材料本身物理性質的變物性型傳感器是利用敏感元件材料本身物理性質的變 化來實現信號變換。如水銀溫度計，壓電式加速度機等化來實現信號變換。如水銀溫度計，壓電式加速度機等 4.1 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.1 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念n按其工作的物理性質可分為 機械式、電氣式、光學式、流體式等（見表4-1）按其信號輸出的特征可分為 模擬式和數字式等等， 此處不一一贅述。無論何種傳感器，作為信號測試系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，通常都必須具有快速、準確、可

10、靠而又經濟地實現信息轉換的基本功能。n表4-1匯總了機械工程中常用傳感器的基本類型n本章主要介紹以電信號輸出的各種傳感器第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院二、傳感器的基本結構類型二、傳感器的基本結構類型4.1 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念組成傳感器基本結構的類型有三種：直接變換型、差動型和平衡型。直接變換型結構（幾個串聯環(huán)節(jié)組成的開環(huán)系統(tǒng)） 差動型（并聯系統(tǒng)）平衡型（反饋系統(tǒng)）312123SSSSSSyy12S -S02Syyx01231234S SS S1 SS S Syx第四章第四章 常用傳

11、感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院三、三、 傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的發(fā)展趨勢4.1 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念（一）傳感器的集成化和多功能化趨勢（一）傳感器的集成化和多功能化趨勢 傳感器正隨著半導體微電子技術的發(fā)展而以單個元件向傳感器正隨著半導體微電子技術的發(fā)展而以單個元件向多個元件和多種電路集成在一個芯片上多個元件和多種電路集成在一個芯片上的方向發(fā)展，例如集的方向發(fā)展，例如集成壓力傳感器，集成磁敏傳感器等。由于集成度的提高，出成壓力傳感器，集成磁敏傳感器等。由于集成度的提高，出現了具有多種參數檢測功能的傳感器，

12、如多功能氣體檢測傳現了具有多種參數檢測功能的傳感器，如多功能氣體檢測傳感器，溫濕敏傳感器等等，這就是多功能化的發(fā)展趨向。如感器，溫濕敏傳感器等等，這就是多功能化的發(fā)展趨向。如手指感覺溫度、濕度、粗糙度等手指感覺溫度、濕度、粗糙度等第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院（二）傳感器的智能化趨勢（二）傳感器的智能化趨勢智能傳感器是一種帶有微處理器的傳感器智能傳感器是一種帶有微處理器的傳感器，它將信號檢測、，它將信號檢測、信號處理和信號驅動等功能電路全部集成到一塊基片上，并信號處理和信號驅動等功能電路全部集成到一塊基

13、片上，并且使它具有診斷、自動調整量程、處理數據和信息遠距離通且使它具有診斷、自動調整量程、處理數據和信息遠距離通信等功能，這樣的智能化傳感器將成為傳感器發(fā)展的方向。信等功能，這樣的智能化傳感器將成為傳感器發(fā)展的方向。（三）傳感器的圖像化趨勢（三）傳感器的圖像化趨勢近代科學技術的發(fā)展，要求傳感器不僅僅局限于對一個點近代科學技術的發(fā)展，要求傳感器不僅僅局限于對一個點的物理量可進行測量，而是能夠的物理量可進行測量，而是能夠進行一維、二維以至三維進行一維、二維以至三維空間的測量，感受的是空間的測量，感受的是“象象”的信息。的信息。例如紅外遙感技術，例如紅外遙感技術，它能敏感熱象圖。要求傳感器由單件向組

14、合陣列發(fā)展。它能敏感熱象圖。要求傳感器由單件向組合陣列發(fā)展。第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的發(fā)展趨勢4.1 4.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念新型片式汽車尾氣傳感器新型片式汽車尾氣傳感器第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.2 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器是將被測物理理（如位移、應變、力、加電阻式傳感器是將被測物理理（如位移、應變、力、加速度等）轉換成電阻值變化的一種傳感

15、器。速度等）轉換成電阻值變化的一種傳感器。通過調理電通過調理電路把其輸出的電阻變化量變換為電壓或電流，便可進行路把其輸出的電阻變化量變換為電壓或電流，便可進行測量、記錄、達到信息檢測之目的測量、記錄、達到信息檢測之目的。 按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :電阻應變式、熱敏電阻式、氣敏電阻應變式、熱敏電阻式、氣敏電阻式、光敏電阻式等。電阻式、光敏電阻式等。 本節(jié)主要介紹應變片式的電阻傳感器本節(jié)主要介紹應變片式的電阻傳感器 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.2 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器應變片

16、式電阻傳感器應變片式電阻傳感器 應變片式電阻傳感器可以用于測量應變、力、位移、加速應變片式電阻傳感器可以用于測量應變、力、位移、加速度、扭矩等參數。具有體積小、動態(tài)響應快、測量精度高、度、扭矩等參數。具有體積小、動態(tài)響應快、測量精度高、使用簡便等優(yōu)點。故在航空、船舶、機械、建筑等行業(yè)得使用簡便等優(yōu)點。故在航空、船舶、機械、建筑等行業(yè)得到廣泛應用。到廣泛應用。 應變片式電阻傳感器是以應變片式電阻傳感器是以應變效應應變效應為機理的電阻傳感器。為機理的電阻傳感器。所謂所謂應變效應是指金屬導體在發(fā)生機械變形時，其電阻值應變效應是指金屬導體在發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化的物理現象。發(fā)生變化的物理現象

17、。 應變片基本結構如圖示應變片基本結構如圖示第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院 4.2 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器n當導體發(fā)生機械變形時，導體長度 、截面積A和電阻率 都要發(fā)生變化，于是電阻值的改變量 可由電阻定律 的全微分得到ld R/Rl A2dddddddRRRllRlAlAlAAAAddddRlARlA2Arddd rd2RlRlr第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.2 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器/

18、dl l/rdr rr dE E21 2REER 0RKR012KE E0KRRdS第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院1 1 金屬電阻應變片金屬電阻應變片 電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形受機械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發(fā)生變化象。的變化而發(fā)生變化象。 4.2 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器)21(RdR第四章第四章 常

19、用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院金屬應變計金屬應變計4.2 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院dRdRE優(yōu)點：靈敏度大優(yōu)點：靈敏度大; ;體積小體積小; ; 缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。4.2 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器2 2 半導體應變片半導體應變片第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學

20、院杭州電子科技大學機械工程學院4.2 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器電阻應變式傳感器的應用電阻應變式傳感器的應用1-質量塊；2-彈性梁；3-硅油阻尼液；4-應變片（兩片）；5-溫度補償電阻；6-接線板；7-接線柱；8-外殼圖4-6 測力傳感器第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院圖4-7 加速度傳感器1-密封圈；2-通氣孔；3-彈性膜片；4-電阻應變片5-輸出接線1-密封圈；2-通氣孔；3-彈性膜片；4-電阻應變片5-輸出接線圖4-8 應變片式壓力傳感器第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工

21、程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.2 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器案例：沖床生產記數案例：沖床生產記數 和生產過程監(jiān)測和生產過程監(jiān)測第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院電阻應變片使用中常需了解以下主要特性參數：電阻應變片使用中常需了解以下主要特性參數：第四章第四章 常用傳感器常用傳感器電阻值電阻值是指應變片沒有粘貼，也不受力時，室溫下測是指應變片沒有粘貼，也不受力時，室溫下測定的電阻值。其規(guī)格有定的電阻值。其規(guī)格有60、120、200、300、600、1000等多種。等

22、多種。靈敏度靈敏度在一批產品中抽樣一定百分比的產品，將各的在一批產品中抽樣一定百分比的產品，將各的平均值作為該批產品的平均值作為該批產品的“標稱靈敏度標稱靈敏度”。應變極根應變極根應變片所能測量的最大應變范圍。一般規(guī)定，應變片所能測量的最大應變范圍。一般規(guī)定，在室溫下指示應變值與真實應變值的比例偏差超過在室溫下指示應變值與真實應變值的比例偏差超過10%時，時，所對應的真實應變?yōu)閼儤O限。所對應的真實應變?yōu)閼儤O限。絕緣電阻絕緣電阻應變片引線與試件之間的電阻稱絕緣電阻，應變片引線與試件之間的電阻稱絕緣電阻，一般要求在一般要求在(50100)M以上。以上。機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科

23、技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院最大工作電流最大工作電流應變片正常工作范圍內允許通過的最應變片正常工作范圍內允許通過的最大電流值，通常在靜態(tài)測量時允許電流取大電流值，通常在靜態(tài)測量時允許電流取25mA左右。左右。動態(tài)響應動態(tài)響應分析表明，應變片對正弦應變的響應誤差分析表明，應變片對正弦應變的響應誤差隨柵長和應變頻率的增加而增大；其柵長與應變波波長之隨柵長和應變頻率的增加而增大；其柵長與應變波波長之比愈小，測量誤差也愈小。比愈小，測量誤差也愈小。零漂和蠕變零漂和蠕變在一定溫度下，已裝好的應變片不加載在一定溫度下，已裝好的應變片不加載時，其阻值隨時間增加而逐漸變化的現象稱為零漂。施加

24、時，其阻值隨時間增加而逐漸變化的現象稱為零漂。施加恒定應變時，其阻值隨時間增加而變化的現象稱為蠕變。恒定應變時，其阻值隨時間增加而變化的現象稱為蠕變。疲勞壽命疲勞壽命反映應變片在動態(tài)載荷作用下耐受能力的反映應變片在動態(tài)載荷作用下耐受能力的特性參數，通常用幅值恒定的交變應力作用下連續(xù)工作而特性參數，通常用幅值恒定的交變應力作用下連續(xù)工作而不發(fā)生疲勞破壞的循環(huán)次數作為疲勞壽命值。不發(fā)生疲勞破壞的循環(huán)次數作為疲勞壽命值。第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院例例1 有一拉力傳感器，用鋼柱作為敏感元件，其上貼一有一拉力

25、傳感器，用鋼柱作為敏感元件，其上貼一電阻應變片。已知鋼柱的截面積電阻應變片。已知鋼柱的截面積A=1cm2，彈性模量，彈性模量Pa，應變片的靈敏度應變片的靈敏度=2。若測量電路對應變片電阻相對變化。若測量電路對應變片電阻相對變化量的分辨力為量的分辨力為10-7，試計算該傳感器能測出的最小拉力。，試計算該傳感器能測出的最小拉力。解解 應變片的靈敏度為應變片的靈敏度為從而從而由此得應變片對鋼柱應變的分辨力由此得應變片對鋼柱應變的分辨力拉力拉力 、應力、應力 和應變和應變 間關系為間關系為所以，該傳感器對力的分辨力，即能測到的最小拉力為所以，該傳感器對力的分辨力，即能測到的最小拉力為d/R RSd/R

26、RS78minmin(/ )105 102dR RS FEA8104minmin5 1020 101 101FEANN F第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是利用電磁感應原理，把被測的非電電感式傳感器是利用電磁感應原理，把被測的非電量，如位移、壓力等，轉換為電感量變化的一種裝置。量，如位移、壓力等，轉換為電感量變化的一種裝置。 按照變換方式按照變換方式 自感式自感式 互感式互感式 按照結構不同按照結構不同 氣隙型氣隙型 螺管型螺管型 分類第四章第四章 常

27、用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器一一. .自感式傳感器自感式傳感器變氣隙型變氣隙型第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器l銜鐵式中式中l(wèi)為磁路長度，為磁路長度，為磁路的磁導率，為磁路的磁導率，A A為鐵芯面積，為鐵芯面積，磁通量磁通量與線圈參數有如與線圈參數有如下關系：下關系：mmW iR2mWLR120120011222mmmmllRRRRAAA002mRA

28、2002WAL( )LfmWLi 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器0/1 0()LfA200dd2WLSA0200001LL20002002LWALS0/0.1 00LL L 12200000000012()2WAWALL 200001LL 測量范圍允許在0.001mm1mm之間。l銜鐵第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器二二. .差動式電感

29、傳感器差動式電感傳感器12 120LLL120L L L 101LLL202LLL1212LLLLL 24000021LL 002LL 002LLS圖4-12 變氣隙差動式電感傳感器第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器上式中不存在偶次項，顯然差動式自感傳感器的非線性誤差上式中不存在偶次項，顯然差動式自感傳感器的非線性誤差在在工作范圍內要比單個自感傳感器的小得多。工作范圍內要比單個自感傳感器的小得多。靈敏度靈敏度提提高一倍高一倍 ！ 變面積型變氣隙型變氣隙型第四章第四章

30、常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器三、差動變壓器式電感傳感器三、差動變壓器式電感傳感器差動變壓器的兩個次級線圈通常是反相串聯連接的，如果兩線圈的互感系數為 和 1M2M當鐵心處于中間平衡位置時 120MMM輸出電壓 20U當鐵心偏離中心時， 2122112()MUURL1020,MMM MMM第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器 由上所述，差動變壓器式傳感器

31、輸出電壓的大小與互由上所述，差動變壓器式傳感器輸出電壓的大小與互感的變化量感的變化量 成正比，在鐵心上下偏移量相等時，輸出電壓成正比，在鐵心上下偏移量相等時，輸出電壓大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。 為了獲得較好的線性范圍，一般要求鐵心的位移范圍為為了獲得較好的線性范圍，一般要求鐵心的位移范圍為線圈骨架長度的線圈骨架長度的1/101/4為宜為宜。 差動變壓器式傳感器輸出的電壓信息中既包含了輸入差動變壓器式傳感器輸出的電壓信息中既包含了輸入位移的大小，也包含了輸入位移的方向，為了提取這兩種位移的大小，也包含了輸入位移的方向，為了提取這兩種信息，需在其測量電路中采用相敏檢波器，這部分內容將

32、信息，需在其測量電路中采用相敏檢波器，這部分內容將在第五章中介紹。在第五章中介紹。第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器四、渦電流式傳感器四、渦電流式傳感器 渦電流式傳感器是利用金屬導體在交變磁場中的渦電流式傳感器是利用金屬導體在交變磁場中的渦電流渦電流效應效應設計出的一種互感式傳感器。設計出的一種互感式傳感器。 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感

33、器線圈的等效阻抗線圈的等效阻抗Z Z可表示為可表示為,Zfh I 四、渦電流式傳感器四、渦電流式傳感器第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器四、渦電流式傳感器四、渦電流式傳感器 由上式可知，只要改變函數中任一參數，都可使線由上式可知，只要改變函數中任一參數，都可使線圈阻抗發(fā)生變化，達到不同的變換目的。圈阻抗發(fā)生變化，達到不同的變換目的。 線圈的等效電阻 ，等效電感 及等效品質因數 分別為RLQ22122222221222222212222222122222()()()()

34、MRRRRLMLLLRLMLLRLQMRRRL當線圈接近金屬導體時，電路參數 、 、 等均為互感系數 的函數。所以凡是能引起渦電流變化的非電量，如金屬的電阻率、磁導率、幾何形狀以及線圈與導體的距離等參量均可通過測量線圈的等效電阻、等效電感、等效阻抗及等效品質因數來得到。RLQ第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器四、渦電流式傳感器應用四、渦電流式傳感器應用第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程

35、學院4.4 4.4 電容式傳感電容式傳感器器變換原理變換原理: :電容式傳感器是將被測量的變化轉換成電容量變化電容式傳感器是將被測量的變化轉換成電容量變化的一種裝置。實際上，它就是一個可變參量的電容器。的一種裝置。實際上，它就是一個可變參量的電容器。 兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,它的電容量為它的電容量為: :+ A 、A A或或發(fā)生變發(fā)生變化時，都會引起化時，都會引起電容的變化。電容的變化。0(F)rAAC 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器一、

36、變極距型電容傳感器一、變極距型電容傳感器+AC0+第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器一、變極距型電容傳感器（非差動結構）一、變極距型電容傳感器（非差動結構）000AACC C 000/1 (/)C 0200CCAS00AC0AC0/0.1 2ddACS一般取極距變化范圍為。亦可對式（4-28）求導得230000CC0/1 230000CC極距減小當極距增加第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械

37、工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器一、變極距型電容傳感器（差動結構）一、變極距型電容傳感器（差動結構）實際應用中，常把電容傳感器作成差動結構，如圖4-18所示。24000021CC002CC002CCS10則上半部間隙變?yōu)?下半部間隙變?yōu)?20 相應地電容變化為 101CCC202CCC總的電容變化量1212CCCCC 12CC 差動結構的電容傳感器靈敏度提高一倍，而非線性度顯著降低。第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器二、變面積型電容傳感器二、變面積型電

38、容傳感器1.1.角位移型角位移型由于覆蓋面積 所以電容量靈敏度212Ar22rC2dd2CrS常數 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器二、變面積型電容傳感器二、變面積型電容傳感器AC02.2.平板位移型平板位移型由于電容量 bxC靈敏度ddCbSx常數 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器二、變面積型電容傳感器二、變面積型電容傳感器3.3.圓柱

39、體線位移型圓柱體線位移型AC02In/xCD d電容量 當覆蓋長度 變化時，電容量 發(fā)生變化， 其靈敏度xC2In/dCSdxD d常數 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器二、變面積型電容傳感器二、變面積型電容傳感器產品產品陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力液體壓力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片產生膜片產生 位移。位移。壓力變送壓力變送器器第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭

40、州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器三、變介電常數型電容傳感器三、變介電常數型電容傳感器AC0 若在電容傳感器的兩極板之間充以不同的介質，使若在電容傳感器的兩極板之間充以不同的介質，使介電常數發(fā)生變化，電容量也會隨之改變。應用這一原理介電常數發(fā)生變化，電容量也會隨之改變。應用這一原理制成的電容傳感器就是變介質型的。制成的電容傳感器就是變介質型的。 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器三、變介電常數型電容傳感器三、變介電常數型電容傳感器產品產

41、品. .第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器三、變介電常數型電容傳感器三、變介電常數型電容傳感器電容式接近開關電容式接近開關振蕩電路振蕩電路被測物體被測物體感應電極感應電極被測電容被測電容測量頭構成電容器的一個極板，測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發(fā)生變化，使得和關的介電常數發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化

42、生變化. .接近開關的檢測物體，接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器三、變介電常數型電容傳感器（電容式液位計）三、變介電常數型電容傳感器（電容式液位計） 電容器總電容 等于氣體介質中的電容 與液體介質中的電容 之和。C1C2C211222112()21n1nhxxCCCRRRR212221122 ()In1nhxRRRR 其靈敏度12212 ()dd1nC

43、SRxR 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器( (應用）應用）第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器一、壓電效應一、壓電效應壓電式傳感器的工作原理是以某些物質的壓電效應為基礎壓電式傳感器的工作原理是以某些物質的壓電效應為基礎的。這些物質在機械力作用下發(fā)生變形時，內部產生極化的。這些物質在機械力作用下發(fā)生變形時，內部產生極化現象，在其表面上生成極性

44、相反的電荷，形成電場。當外現象，在其表面上生成極性相反的電荷，形成電場。當外力撤消時，電荷立即消失，重新恢復到原來的狀態(tài)，這種力撤消時，電荷立即消失，重新恢復到原來的狀態(tài)，這種現象稱為壓電效應。二、壓電材料：具有壓電效應的物質現象稱為壓電效應。二、壓電材料：具有壓電效應的物質很多，常見的大致可分三類：石英晶體很多，常見的大致可分三類：石英晶體 、酒石酸鉀、酒石酸鉀鈉鈉( )等壓電單晶體；鈦酸鋇等壓電單晶體；鈦酸鋇 、鋯、鋯鈦酸鉛鈦酸鉛(PZT)等多晶壓電陶瓷和高分子壓電薄膜，如聚偏等多晶壓電陶瓷和高分子壓電薄膜，如聚偏二氟乙烯（二氟乙烯（PVDF）等。下面以石英晶體為例來說明其壓電）等。下面以

45、石英晶體為例來說明其壓電特性。特性。)(2SiO44624aKN C H OH O)(3BaTiO第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院( )a石英晶體 ( )b光軸、電軸和機械軸 晶片電荷極性與受力方向關系第四章第四章 常用傳感器常用傳感器一、壓電效應一、壓電效應機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院三、壓電式傳感器及其特性三、壓電式傳感器及其特性+并聯并聯+串聯串聯qDF0aaqDUFCC第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州

46、電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院 壓電式傳感器突出的特點是固有頻率高，可測頻帶寬，壓電式傳感器突出的特點是固有頻率高，可測頻帶寬，此外，還具有體積小、重量輕、精確度與靈敏度高等優(yōu)點。此外，還具有體積小、重量輕、精確度與靈敏度高等優(yōu)點。在測量加速度和動態(tài)力等方面得到了廣泛地應用。在用作加在測量加速度和動態(tài)力等方面得到了廣泛地應用。在用作加速度和力傳感器時，可測頻率范圍從速度和力傳感器時，可測頻率范圍從0.1Hz20kHz，可測，可測振動加速度值達（振動加速度值達（10-2105）ms-2。 壓電式傳感器多與電荷放大器配套使用，形成專用測量壓電式傳感器多與電荷放大器配套使用，形

47、成專用測量系統(tǒng)。系統(tǒng)。第四章第四章 常用傳感器常用傳感器三、壓電式傳感器及其特性三、壓電式傳感器及其特性機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器的應用實例原理圖壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器的應用實例原理圖22122ddddddyyymckymttt 01yyy2,2nkcmkm222122ddd2dddnnyyyyattt 22221 /()12nannyAaFG yqDFDGy22221 /12nnnD G a/1n2nD Gqa第四章第四章 常用傳感器常用傳感器三、壓電式傳感器及其特性三、壓電式傳感器及

48、其特性機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院第四章第四章 常用傳感器常用傳感器三、壓電式傳感器及其特性三、壓電式傳感器及其特性機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院產品產品壓力變送器壓力變送器加速度計加速度計力傳感器力傳感器 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院圖4-28 阻抗頭1-壓電晶片；2-質量塊；3-安裝平面；4-鈦質殼體；5-加速度輸出口；6-壓電晶片；7-激振

49、平臺；8-橡皮；9-力輸出口第四章第四章 常用傳感器常用傳感器壓電式傳感器應用實例壓電式傳感器應用實例 機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.6 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器根據電磁感應定律，對于一個匝數為根據電磁感應定律，對于一個匝數為 的線圈，當穿過該線的線圈，當穿過該線圈的磁通圈的磁通 發(fā)生變化時，其感應電動勢發(fā)生變化時，其感應電動勢1.1.變換原理變換原理: :電磁感應原理電磁感應原理 磁電式傳感器是把被測的物理量轉換為感應電動勢的一磁電式傳感器是把被測的物理量轉換為感應電動勢的一種傳感器。種傳感器。磁通變化率與磁場強度、磁阻、

50、線圈運動速度有關，改變磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。其中一個因素，都會改變感應電動勢。 ddeWt W),(ddvRBtm第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.6 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器2 2 分類分類 磁磁電電式式動圈式動圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角速度型N第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院一、動圈式磁電傳感器（速度拾振器）一、動圈式磁電傳感

51、器（速度拾振器）dsinsindxeWBlWBlvtW Belv90角速度型傳感器感應電動勢線速度型傳感器感應電動勢ekW BA第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.6 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器角速度型角速度型測速電機測速電機第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.6 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 將傳感器中線圈產生的感應電勢通過電纜與電壓放大器聯接時，其等效電路如圖4-30所示。 是發(fā)電線圈的感應電勢； 是線

52、圈電阻； 是負載電阻（放大器輸入電阻）； 是電纜導線的分布電容； 是電纜導線的電阻。 0e0RLRcCcR一、動圈式磁電傳感器（速度拾振器）一、動圈式磁電傳感器（速度拾振器）00011jLcLeeRR CR第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院 通常傳感器輸出的電壓是很微弱的通常傳感器輸出的電壓是很微弱的(毫伏級毫伏級)，因此，因此，感應電動勢須經放大檢波后方可推動指示儀表。如果經感應電動勢須經放大檢波后方可推動指示儀表。如果經過微積分電路，可以得到加速度和位移過微積分電路，可以得到加速度和位移第四章第四章 常

53、用傳感器常用傳感器4.6 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.6 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器二、磁阻式磁電傳感器二、磁阻式磁電傳感器磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.6 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器二、磁阻式磁電傳感器二、磁阻式磁電傳感器 上述動圈式傳感器的工作原理也可看作是線圈在磁場中上述動圈式傳感器的工作原理也可看作是線圈在磁場中運動時切割磁力線而產生感應電動勢。磁阻式傳

54、感器則是線運動時切割磁力線而產生感應電動勢。磁阻式傳感器則是線圈與磁鐵不動，由運動的物體（導磁材料）改變磁路的磁阻，圈與磁鐵不動，由運動的物體（導磁材料）改變磁路的磁阻，引起磁力線增強或減弱，使線圈產生感應電動勢。引起磁力線增強或減弱，使線圈產生感應電動勢。 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.6 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器二、磁阻式磁電傳感器二、磁阻式磁電傳感器 在沒有被測物體時，永久磁鐵的磁路經由鐵芯和工作在沒有被測物體時，永久磁鐵的磁路經由鐵芯和工作氣隙閉合，當將其放置在被測物體旋轉齒輪附近時

55、，工作氣隙閉合，當將其放置在被測物體旋轉齒輪附近時，工作氣隙隨齒頂和齒谷的交替出現而使磁通氣隙隨齒頂和齒谷的交替出現而使磁通 隨磁阻的改變作周隨磁阻的改變作周期性變化，從而在線圈上感應出頻率和幅值均與齒輪轉速期性變化，從而在線圈上感應出頻率和幅值均與齒輪轉速成比例的交流電動勢，表達式為成比例的交流電動勢，表達式為第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院60nfZ 為轉速（為轉速（ ）；）； 為齒輪齒數；為齒輪齒數； 為感應電動為感應電動勢頻率（勢頻率（ ）。）。nr/minZfHz 用頻率計記下頻率數，即可求得被

56、測轉軸的轉速。測速用頻率計記下頻率數，即可求得被測轉軸的轉速。測速發(fā)電機就是最普通的應用實例。發(fā)電機就是最普通的應用實例。 磁阻式傳感器使用方便、結構簡單，常被用來測量轉速、磁阻式傳感器使用方便、結構簡單，常被用來測量轉速、偏心量、振動等參數。偏心量、振動等參數。第四章第四章 常用傳感器常用傳感器4.6 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.7 4.7 霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾式傳感器是一種基于霍爾效應的磁電轉換器，其轉換霍爾式傳感器是一種基于霍爾效應的磁電轉換器，其轉換元件是霍爾元件，一般由鍺（元件是霍爾

57、元件，一般由鍺（Ge）、銻化銦（）、銻化銦（InSb）、砷化）、砷化銦（銦（InAs）等半導體材料制成。）等半導體材料制成。霍爾效應的產生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結果霍爾效應的產生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結果 第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.7 4.7 霍爾傳感器霍爾傳感器 當電場作用在運動電子上的力當電場作用在運動電子上的力 與洛倫茲力與洛倫茲力 相等時，相等時，電子的積累便達到動態(tài)平衡。這時在元件電子的積累便達到動態(tài)平衡。這時在元件c 、d 兩端之間建兩端之間建立的電場稱為

58、霍爾電場，相應的電勢稱為霍爾電勢立的電場稱為霍爾電場，相應的電勢稱為霍爾電勢 ，其，其大小大小EFLFHVsinsinHHIBVk IBned第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院4.7 4.7 霍爾傳感器霍爾傳感器圖圖4-34表示用霍爾元件測量表示用霍爾元件測量位移的實例。將霍爾元件置于位移的實例。將霍爾元件置于兩個相鄰而方向相反的磁場內，兩個相鄰而方向相反的磁場內，由于每點磁感應強度由于每點磁感應強度 值不同，值不同，當元件沿當元件沿 方向移動時，可由方向移動時，可由霍爾電勢的變化反映出位移量霍爾電勢的變化

59、反映出位移量大小。大小。BxIB第四章第四章 常用傳感器常用傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院 霍爾元件具有結構簡單可靠，體積小，噪聲低，壽命長，霍爾元件具有結構簡單可靠，體積小，噪聲低，壽命長，動態(tài)范圍大（輸出電壓變化范圍可達動態(tài)范圍大（輸出電壓變化范圍可達1000：1），頻率范圍），頻率范圍寬（從直流到微波頻段）等特點。它不僅可用于測量位移和寬（從直流到微波頻段）等特點。它不僅可用于測量位移和可轉化為位移的力、加速度等參量，還可以通過改變電流可轉化為位移的力、加速度等參量，還可以通過改變電流 和磁感應強度和磁感應強度 的方法，作為

60、運算和調制器件。的方法，作為運算和調制器件。第四章第四章 常用傳感器常用傳感器4.7 4.7 霍爾傳感器霍爾傳感器機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院第四章第四章 常用傳感器常用傳感器 如何根據測試的目的和實際工作條件，合理地選用傳感器，如何根據測試的目的和實際工作條件，合理地選用傳感器，是經常會遇到的問題。傳感器的選用合理與否不僅影響測試精是經常會遇到的問題。傳感器的選用合理與否不僅影響測試精度，而且還將影響測試成本度，而且還將影響測試成本.4.12 4.12 傳感器的選用原則傳感器的選用原則機械工程測試技術機械工程測試技術杭州電子科技大學