華中科大學(xué)工程08 工程測試技術(shù) 第三章 第三講

1、華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院1工程測試技術(shù)工程測試技術(shù)主講教師：史鐵林教授胡友民教授實驗教師：黃弢高級工程師移動電話：1308653140,子郵件： 辦公地址：新樓B309 Tel.:87556835 新樓B317 Tel.:87557415華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院2上講小結(jié)上講小結(jié)電阻式傳感器應(yīng)變式熱電阻式光敏電阻磁敏電阻氣敏電阻變阻器式電感式傳感器渦流式互感式可變磁阻式電容式傳感器金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片熱電阻熱敏電阻面積變化型介質(zhì)變化型極距變化型第第3章章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院

2、3半導(dǎo)體式傳感器光電池光敏管PSD光傳感器霍爾元件數(shù)字式傳感器光柵傳感器固態(tài)圖像傳感器光電開關(guān)其他傳感器磁柵傳感器感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)變壓器脈沖編碼器熱電偶光纖傳感器IP傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器第第3章章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院4第第3章章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)本講內(nèi)容本講內(nèi)容3.5 壓電式傳感器3.6 磁電式傳感器動圈式磁阻式3.7 半導(dǎo)體傳感器（磁感應(yīng)式）霍爾元件磁阻元件3.8 熱敏傳感器雙金屬溫度計熱電偶熱敏電阻華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院5第第3章章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)3.5

3、、壓電式傳感器、壓電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: :壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)+并聯(lián)并聯(lián)+串聯(lián)串聯(lián) 某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。F+q=DF華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院6第第3章章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)1880年，法國兩位科學(xué)家居里兄弟，在研究石英品體的物理性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)了一種特殊的現(xiàn)象：若按某種方位從

4、石英晶體上切割下一塊薄晶片，在其表面敷上電極，當(dāng)沿著晶片的某些方向施加作用力而使晶片產(chǎn)生形變后，會在兩個電極表面上出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷。電荷的面密度與施加的作用力的大小成正比。當(dāng)作用力撤除后，電荷也就消失了。這種由于機械力的作用而使石英晶體表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)。利用該效應(yīng)制作傳感器。 壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 1881年，李普曼在理論上預(yù)言，由居里兄弟在實驗上證實了另一種物理現(xiàn)象：如果將一塊壓電晶體置于外電場中，由于電場的作用，會使壓電晶體發(fā)生形變，而形變的大小與外電場的大小成正比，當(dāng)電場撤除后，形變也消失了。這種由于電場的作用而使壓電晶 體產(chǎn)生形變的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)。利

5、用該效應(yīng)制作執(zhí)行器。華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院7第第3章章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)連接方式連接方式在壓電式傳感器中，壓電材料一般不僅用一片，而常常采用兩片（或是兩片以上）粘結(jié)在一起，由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。串聯(lián)方式：輸出的總電荷等于單片電荷，而輸出電壓為單片電壓的兩倍，總電容為單片電容的一半。并聯(lián)方式：輸出電容為單片電容的兩倍，但輸出電壓等于單片電壓，極板上的電荷量為單片電荷量的兩倍。串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號、并且測量電路輸入阻抗很高的地方。并聯(lián)接法輸出電荷大、本身電容大、時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并

6、且以電荷作為輸出量的地方。+并聯(lián)并聯(lián)+串聯(lián)串聯(lián)F+q=DF華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院83.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 2、測量電路、測量電路 壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。 關(guān)鍵是高阻抗的前置放大器！華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院93.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 前置放大器前置放大器的兩個作用：1. 把壓電式傳感器的微弱信號放大；2. 把傳感器的高阻抗

7、輸出變換為低阻抗輸出。前置放大器電路的兩種形式：1. 用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；2. 帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單、價格使宜，但電纜分布電容對傳感器測量精度影響很大，故而在某些場合限制了其應(yīng)用。電荷放大器電路較復(fù)雜，但電纜長度變化的影響幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器的應(yīng)用日益增多華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院103.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 電荷放大器上式表明：在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電

8、纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時，即使成正比，并且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時，即使連接電纜長度達(dá)百米以上時，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大連接電纜長度達(dá)百米以上時，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器突出的優(yōu)點。器突出的優(yōu)點。(1)yfKqeCaCcCiK C當(dāng)（當(dāng)（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci），放大器的輸出電壓為），放大器的輸出電壓為yfqeC 華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院113.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品加速度計加速度計力傳感器力傳感器 華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院12案例：飛機模態(tài)分析案例：飛機模態(tài)分析3.5 壓電式傳感器

9、壓電式傳感器 華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院13案例：熱軋設(shè)備診斷案例：熱軋設(shè)備診斷3.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院14第第3章章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)3.6、磁電式傳感器、磁電式傳感器 1. 變換原理變換原理: 感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢 磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。dtdWe感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e e為為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改

10、變感應(yīng)電動勢。關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。 ),(vRBmdtd華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院152. 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N3.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 ),(vRBmdtd華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院16 動圈式傳感器動圈式傳感器 線速度型線速度型3.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 sinWBlve 華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院17角速度型動圈式傳感器角速度型動圈式傳感器 測速電機測速電機3.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院18磁阻式傳感器磁阻式

11、傳感器 磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器3.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 由運動著的物體（導(dǎo)磁材料）改變磁路的磁阻Rm，引起磁通變化，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院19N NS S案例：鼠籠電機轉(zhuǎn)子斷細(xì)條檢測案例：鼠籠電機轉(zhuǎn)子斷細(xì)條檢測3.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院20第第3章章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)3.7、半導(dǎo)體傳感器、半導(dǎo)體傳感器 sinIBKVHH 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)

12、生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 1. 霍爾元件霍爾元件 華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院21霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成。 3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院223.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院23測轉(zhuǎn)角：測轉(zhuǎn)角：3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院24電流傳感器電流傳感器 當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，

13、這一磁場磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測。測。 3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院25鐵磁材料裂紋檢測鐵磁材料裂紋檢測 NS3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院26葉片和齒輪位置傳感器葉片和齒輪位置傳感器應(yīng)用應(yīng)用 3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院27案例：案例：汽車速度測量汽車速度測量:3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院282. 磁阻元件磁阻元

14、件3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器工作原理：利用半導(dǎo)體材料（磁阻元件）的磁阻效應(yīng)（高斯效應(yīng)），即改變磁場的強弱，將使磁阻元件沿著電流方向的電阻值發(fā)生改變。磁阻元件可用作位移、力、加速度等參數(shù)的改變?；魻栃?yīng)是指垂直于電流方向產(chǎn)生橫向電壓！磁阻效應(yīng)是指沿電流方向發(fā)生電阻值的改變！華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院29特點特點 電阻的增量與磁場的平方成正比；電阻的增量與磁場的平方成正比； 與磁場的正負(fù)無關(guān)；與磁場的正負(fù)無關(guān)； 溫度系數(shù)影響大；溫度系數(shù)影響大； 磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。應(yīng)用應(yīng)用 接近開關(guān)和無觸點開關(guān)。接近開關(guān)和無觸點開關(guān)。3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳

15、感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院303. 磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類霍爾元件霍爾元件磁阻元件磁阻元件磁敏二極管磁敏二極管磁晶體管磁晶體管磁半導(dǎo)體開關(guān)磁半導(dǎo)體開關(guān)3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器檢測磁場的變化！華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院31產(chǎn)品產(chǎn)品3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院32案例：轉(zhuǎn)速測量案例：轉(zhuǎn)速測量3.7 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院333.8、熱敏傳感器、熱敏傳感器 1. 雙金屬溫度計雙金屬溫度計 把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接

16、在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機械量變化。化轉(zhuǎn)換成機械量變化。優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單牢固牢固可靠可靠防爆防爆 第第3章章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院34 3.8 熱敏傳感器熱敏傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院35熒光燈啟輝器熒光燈啟輝器3.8 熱敏傳感器熱敏傳感器啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成。輝光放電管內(nèi)有一個U形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻璃管內(nèi)充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中

17、科技大學(xué)機械學(xué)院36熒光燈工作原理熒光燈工作原理3.8 熱敏傳感器熱敏傳感器高壓電極燈絲啟輝器鎮(zhèn)流器燈管啟動后，感應(yīng)電勢消失，是靠電源電壓與鎮(zhèn)流器維持燈管的正常工作(20W燈管的工作電流為0.37A, 40W為0.43A)。啟輝器在電路中只起控制燈管預(yù)熱電流的時間和斷開電路時使鎮(zhèn)流器產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的作用。在熒光燈正常工作時，啟輝器是停止工作的。當(dāng)電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導(dǎo)電（輝光放電過程），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經(jīng)過雙金屬片與靜觸板流通，惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經(jīng)過18秒的時間，雙金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。在

18、此瞬間，電路中電流突然中斷，使鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個比電源電壓高得多的感應(yīng)電動勢，同時與電源電壓疊加在燈管兩端，使燈管兩端電極之間形成一個強電場。燈絲陰極發(fā)射的電子，在強電場的作用下，引起管內(nèi)汞蒸氣電離而形成弧光放電，同時產(chǎn)生大量的紫外線激發(fā)管壁的熒光粉而發(fā)出可見光。華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院372. 熱電溫度計熱電溫度計(熱電偶熱電偶) 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體將兩種不同材料的導(dǎo)體A A和和B B串接成一個閉合串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱

19、電效應(yīng)熱電效應(yīng)。3.8 熱敏傳感器熱敏傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院38BAABNNekTTEln)(ABTT0kk玻耳茲曼常數(shù)，玻耳茲曼常數(shù)，ee電子電荷量，電子電荷量，TT接觸處的溫度接觸處的溫度N NA A，N NB B分別為導(dǎo)體分別為導(dǎo)體A A和和B B的自由電子密度。的自由電子密度。BAABNNekTTEln)(00接觸電動勢接觸電動勢 溫差電動勢溫差電動勢 3.8 熱敏傳感器熱敏傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院39熱電偶測溫基本定律熱電偶測溫基本定律1)1)均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論

20、導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。生熱電動勢。TT02)中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V3.8 熱敏傳感器熱敏傳感器華中科技大學(xué)機械學(xué)院華中科技大學(xué)機械學(xué)院403)3)參考電極定律參考電極定律 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體A,BA,B分別與參考電極分別與參考電極C C組成熱電偶，如組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A A和和B B兩極配對后兩極配對后的熱電動