第三章 常用傳感器與敏感元件

1、測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 第三章第三章 常用傳感器常用傳感器3.1 概概 述述 3.2 機(jī)械傳感器機(jī)械傳感器3.3 電阻傳感器電阻傳感器 3.4 電容傳感器電容傳感器 3.5 電感傳感器電感傳感器 3.6 磁電傳感器磁電傳感器 3.7 壓電傳感器壓電傳感器 3.8 磁敏傳感器磁敏傳感器 3.9 傳感器選用原則傳感器選用原則測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 3.1 概概 述述1. 傳感器傳感器(Sensor)定義定義傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換傳感器是能感受規(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

2、。通常由成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件組組成成(GB766-87)。 狹義上，狹義上，非電信號非電信號 電信號電信號。在非電量電測系統(tǒng)中的作用在非電量電測系統(tǒng)中的作用:敏感作用敏感作用:感受并拾取被測對象的信號感受并拾取被測對象的信號變換作用變換作用:被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 2. 傳感器的分類傳感器的分類(1)(1)按被測物理量分類按被測物理量分類位移傳感器位移傳感器, ,力傳感器力傳感器, ,溫度傳感器等溫度傳感器等. .(2)(2)按傳感器的工

3、作原理分類按傳感器的工作原理分類機(jī)械式機(jī)械式, ,電氣式電氣式, ,光學(xué)式光學(xué)式, ,流體式等流體式等. .(3)(3)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系 能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: :直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,壓電式加速度計壓電式加速度計. . 能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化. . 例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片. .測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 工作范圍或

4、量程應(yīng)足夠大，具有一定的過載能力工作范圍或量程應(yīng)足夠大，具有一定的過載能力 與檢測系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高與檢測系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高 精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高 反應(yīng)速度快，工作可靠性高反應(yīng)速度快，工作可靠性高 適應(yīng)性和適用性強(qiáng)適應(yīng)性和適用性強(qiáng)(4)(4)按信號變換特征分類按信號變換特征分類物性型物性型: :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. . 如如: :水銀溫度計水銀溫度計. .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器

5、電容式和電感式傳感器. .3. 傳感器的性能要求傳感器的性能要求測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 4. 常見的被測物理量常見的被測物理量機(jī)械量機(jī)械量: 長度，厚度，位移，速度，加速度，旋轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)數(shù)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，流速，流量；質(zhì)量，重量，力，壓力，真空度，力矩，流速，流量；聲聲: 聲壓，噪聲；聲壓，噪聲；磁磁: 磁通，磁場；磁通，磁場；溫度溫度: 溫度，熱量，比熱；溫度，熱量，比熱；光：光： 亮度，色彩亮度，色彩 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 機(jī)械式傳感器機(jī)械式傳感器 一類

6、傳感器的統(tǒng)稱，指只含有機(jī)械的轉(zhuǎn)換方一類傳感器的統(tǒng)稱，指只含有機(jī)械的轉(zhuǎn)換方式。式。把機(jī)械量轉(zhuǎn)換為另一種機(jī)械量的傳感把機(jī)械量轉(zhuǎn)換為另一種機(jī)械量的傳感器。（常常以彈性體作為傳感器的敏感元器。（常常以彈性體作為傳感器的敏感元件）件）優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉。缺點：固有頻率低，可測頻帶窄，適用于測量緩慢變化或者缺點：固有頻率低，可測頻帶窄，適用于測量緩慢變化或者靜態(tài)被測量。（為了提高頻帶，常與其它形式的傳感器聯(lián)合靜態(tài)被測量。（為了提高頻帶，常與其它形式的傳感器聯(lián)合運(yùn)用）運(yùn)用）3.2 機(jī)械式傳感器機(jī)械式傳感器測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用

7、傳感器 電阻式傳感器電阻式傳感器 是把被測量轉(zhuǎn)換為是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化電阻變化的一種傳的一種傳感器。感器。按工作的原理可分為按工作的原理可分為: : 變阻器式變阻器式 電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式 熱敏式熱敏式 光敏式光敏式 濕敏式濕敏式 AlR 3.3 電阻式傳感器電阻式傳感器測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 1EERRxLx R總電阻總電阻; Rx 電刷電阻電刷電阻;AlR 1. 變阻器式傳感器變阻器式傳感器測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 2.應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片 AlR 半導(dǎo)體應(yīng)變片半

8、導(dǎo)體應(yīng)變片金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片 絲式、箔式絲式、箔式半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 比例關(guān)系比例關(guān)系 AlR 應(yīng)變片受力應(yīng)變片受力 應(yīng)變應(yīng)變 比例關(guān)系比例關(guān)系 應(yīng)變片電阻的變化應(yīng)變片電阻的變化 (1)應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形機(jī)械變形而引起導(dǎo)體或半而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為的物理現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)。傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測試件的傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測試件的應(yīng)變量應(yīng)變量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成成電阻變化量電阻變化量的傳感元件。的傳

9、感元件。測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 AlR (2)工作原理工作原理式中，式中， 導(dǎo)線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)導(dǎo)線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)金屬導(dǎo)線的金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)應(yīng)變電阻效應(yīng)： 當(dāng)金屬絲由于受到軸向力當(dāng)金屬絲由于受到軸向力P而伸長時，長度增長，截而伸長時，長度增長，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細(xì)絲因受壓力而面積減小，其電阻值就增大；反之，如細(xì)絲因受壓力而縮短，即長度變短，截面積變粗時，則電阻就減小?？s短，即長度變短，截面積變粗時，則電阻就減小。測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 應(yīng)變片受力后，電阻的變化應(yīng)變片受力后，電阻的變

10、化dR AARRllRRdddd AlR 則則AAlAllARdddd2 兩邊同除以兩邊同除以R，同時同時R= l/A，則則AAllRRdddd dl/l = e e 金屬導(dǎo)線長度的相對變化，稱金屬導(dǎo)線長度的相對變化，稱縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變。 d / 導(dǎo)線電阻率的相對變化。導(dǎo)線電阻率的相對變化。 dA/A 導(dǎo)線截面積的相對變化，稱為導(dǎo)線截面積的相對變化，稱為橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變。 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 對于圓形截面積的導(dǎo)線，若半徑為對于圓形截面積的導(dǎo)線，若半徑為r，則，則 rrrddAd2)(2 )d(2d22rrrrrAdA 橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變dr/r和縱向應(yīng)變和

11、縱向應(yīng)變dl/l之比稱為泊之比稱為泊松松比，即比，即 llrrdd故故 llAAd2d 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 AAllRRdddd e e E dE為導(dǎo)線材料的彈性模量，為導(dǎo)線材料的彈性模量， 為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)。為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)。則則 llAAd2d 已知已知當(dāng)導(dǎo)體材料確定后，當(dāng)導(dǎo)體材料確定后， 、 、E均為常數(shù)，則均為常數(shù)，則(1+2 + E)為為常數(shù)。常數(shù)。 e e )21(d2dddEllllRR 靈敏度為：靈敏度為： ES 21應(yīng)變片電阻的相對變化率應(yīng)變片電阻的相對變化率dR/R與應(yīng)變與應(yīng)變e e之間是線形關(guān)系之間是線形關(guān)系測試技術(shù)基礎(chǔ)

12、測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 e e )21(d2dddEllllRR e e SRdRES 21S由兩部分組成：由兩部分組成： 前一部分前一部分(1+2 )單由金屬導(dǎo)線的幾何尺寸變化引起的；單由金屬導(dǎo)線的幾何尺寸變化引起的；后一部分后一部分 E是電阻率隨應(yīng)變而引起變化的部分，它除與是電阻率隨應(yīng)變而引起變化的部分，它除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。 返回返回 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 金屬應(yīng)變片（金屬應(yīng)變片（ 不變）不變）金屬應(yīng)變計金屬應(yīng)變計 半導(dǎo)體應(yīng)變片（半導(dǎo)體應(yīng)變片（ 變

13、化）變化）半導(dǎo)體應(yīng)變計半導(dǎo)體應(yīng)變計6 . 37 . 1)21( gSRdRe e 7060 gSERdRe e e ee e SERdR)21(測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 (3)應(yīng)變片的主要參數(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù)1) 幾何參數(shù)：表距幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度和絲柵寬度b，制造廠常用，制造廠常用bL 表示。表示。 2) 電阻值：應(yīng)變計的原始電阻值。電阻值：應(yīng)變計的原始電阻值。 3) 靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。 4) 其它表示應(yīng)變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、其它表示應(yīng)變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及

14、疲勞壽命、橫向靈敏度等）。蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 (4)金屬應(yīng)變計金屬應(yīng)變計 金屬應(yīng)變計有金屬應(yīng)變計有: 1、絲式絲式 2、箔式箔式 優(yōu)點優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特穩(wěn)定性和溫度特性好性好. 缺點缺點:靈敏度系數(shù)小靈敏度系數(shù)小.測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 體型體型薄膜型薄膜型擴(kuò)散型擴(kuò)散型(5)半導(dǎo)體應(yīng)變計半導(dǎo)體應(yīng)變計 優(yōu)點：優(yōu)點：應(yīng)變靈敏度大應(yīng)變靈敏度大; ;體積小體積小; ;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件件. . 缺點：缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如

15、金屬應(yīng)變片不如金屬應(yīng)變片。測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 立柱應(yīng)力立柱應(yīng)力 橋梁應(yīng)力橋梁應(yīng)力 德國德國HBMHBM電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 (6).應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 壓力傳感器壓力傳感器 質(zhì)量傳感器質(zhì)量傳感器 位移傳感器位移傳感器 加速度計加速度計 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 壓力傳感器壓力傳感器 扭矩傳感器扭矩傳感器 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測和生產(chǎn)過程監(jiān)

16、測測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 溫度溫度(熱量熱量)的變化的變化電阻的變化電阻的變化 溫度檢測溫度檢測 :-200+500 3.其他電阻傳感器其他電阻傳感器(1).熱電阻傳感器熱電阻傳感器 利用導(dǎo)電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的利用導(dǎo)電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 圓形熱敏電阻圓形熱敏電阻 柱形熱敏電阻柱形熱敏電阻 珠形熱敏電阻珠形熱敏電阻 熱敏電阻在電路中的符號熱敏電阻在電路中的符號 (2).熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器非線性元件非線性元件: :它

17、的溫度它的溫度- -電阻關(guān)系是指數(shù)關(guān)系電阻關(guān)系是指數(shù)關(guān)系 溫度為溫度為-50-50350350測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 (3)光敏電阻傳感器光敏電阻傳感器 (4)濕敏電阻傳感器濕敏電阻傳感器 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 變換原理變換原理將被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。將被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。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: :當(dāng)被測量當(dāng)被測量d d、A或或 e e 發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個

18、參數(shù)，如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。+ + + d A e d de ee eAC0 3.4 電容式傳感器電容式傳感器測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 2. 分類分類 c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型a) 極距變化型極距變化型+ b)面積變化型面積變化型:平面線位移型平面線位移型,角位移型角位移型, 柱面線位移型柱面線位移型d de ee eAC0 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 3. 靈敏度靈敏度 a) 極距變化型極距變化型d de ee eA

19、C0 d dd de ee edd20AC 傳感器的靈敏度近似為：傳感器的靈敏度近似為：d dd de ee ed dCACS 20dd平板電容器平板電容器 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 000AACC Ceeddd 000/1 (/)Cd dd d 0200CCASeddd00ACed0ACedd0/0.1d d一般取極距變化范圍為230000CCdddddd0/1d d230000CCdddddd極距減小d當(dāng)極距增加d測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 變極距型電容傳感器（差動結(jié)構(gòu)）變極距型電容傳感器（差動結(jié)構(gòu)）實際應(yīng)用中，常把電容傳感

20、器作成差動結(jié)構(gòu)，如圖所示。24000021CCdddddd002CCdd002CCSdd10ddd則上半部間隙變?yōu)?下半部間隙變?yōu)?20ddd 相應(yīng)地電容變化為 101CCC202CCC總的電容變化量1212CCCCC 12CC 差動結(jié)構(gòu)的電容傳感器靈敏度提高一倍，而非線性度顯著降低。測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 振動測量振動測量 旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測量旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測量 變極距型電容傳感器的應(yīng)用變極距型電容傳感器的應(yīng)用測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 傳感器靈敏度傳感器靈敏度b

21、)面積變化型面積變化型a)a)直線位移型直線位移型 d de ee ebxC0 常常數(shù)數(shù) d de ee ebxCS0dd直線位移型直線位移型b)b)角位移型角位移型 d d e ee e220rC 傳感器靈敏度傳感器靈敏度 常常數(shù)數(shù) d de ee e 2dd20rCS角位移型角位移型測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 deeAC02In/xCD de電容量 當(dāng)覆蓋長度 變化時，電容量 發(fā)生變化，其靈敏度xC2In/dCSdxD de常數(shù) 圓柱體線位移型圓柱體線位移型測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器介質(zhì)常數(shù)變化型電

22、容式傳感器c)介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型 大多用于測量電介質(zhì)的厚大多用于測量電介質(zhì)的厚度度(圖圖a)、位移、位移(圖圖b)、液位、液位(圖圖c) 根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、而改變來測量溫度、濕度、容量容量(圖圖d)等。等。測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 變介電常數(shù)型電容傳感器（電容式液位計）變介電常數(shù)型電容傳感器（電容式液位計） 電容器總電容 等于氣體介質(zhì)中的電容 與液體介質(zhì)中的電容 之和。C1C2C211222112()21n1nhxxCCCRRRRee212221122 ()In1n

23、hxRRRRe ee其靈敏度12212 ()dd1nCSRxR ee測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型 可變磁阻型可變磁阻型 渦流式渦流式互感型互感型3.5 電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器是基于電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)原理，它是把原理，它是把被測量被測量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為電感量變化電感量變化的一種裝置。的一種裝置。分類分類: :測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 1. 可變磁阻式可變磁阻式(自感型自感型)002AAlRm d d 原理原理: :電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)W：線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)； l：軟鐵長度；

24、軟鐵長度； ：軟鐵磁導(dǎo)率；：軟鐵磁導(dǎo)率； 0：空氣磁導(dǎo)率：空氣磁導(dǎo)率 A：鐵芯導(dǎo)磁截面：鐵芯導(dǎo)磁截面 A0：空氣導(dǎo)磁截面：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理可變磁阻式傳感器基本原理1.線圈線圈 2.鐵芯鐵芯 3.銜鐵銜鐵mRWL2 d d 2002AWL 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 d d 2002AWL (1).間隙變化型間隙變化型20022WAdLLSd d dd dd d 間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu) 當(dāng)當(dāng) 0 、A0固定不變，改變固定不變，改變d d 時，時，L與與d d 呈非線形（雙曲線）關(guān)系呈非線形（雙曲線）關(guān)系.

25、L L與與d d 的雙曲線關(guān)系的雙曲線關(guān)系 傳感器靈敏度：傳感器靈敏度： d dL 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 0/1d d0ddd200001LLdddddd20002002LWALSddd0/0.1d d0ddd0LL L 12200000000012()2WAWALLddddddd 200001LLdddddd 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測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 差動式電感傳感器差動式電感傳感器12d d120LLL120L L L d101LLL202LLL1212L

26、LLLL 24000021LLdddddd 002LLdd 002LLSdd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測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 d d 2002AWL (2).面積變化型面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu) 當(dāng)當(dāng) 0 、d d 固定不變，改變固定不變，改變A0時，時，L與與A0呈線形關(guān)系呈線形關(guān)系. 傳感器靈敏度傳感器靈敏度 2002WdLSdA d dL與與A0的線形關(guān)系的線形關(guān)系= =常數(shù)常數(shù)測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 (3).螺線管型螺線管型 當(dāng)其

27、它參數(shù)不變，僅改變當(dāng)其它參數(shù)不變，僅改變l，使使Rm變化，從而產(chǎn)生電感的變化。變化，從而產(chǎn)生電感的變化。 002AAlRm d d mRWL2 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 當(dāng)金屬板置于變化磁場中或者在磁場中運(yùn)動時，在金屬板中當(dāng)金屬板置于變化磁場中或者在磁場中運(yùn)動時，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為渦流渦流。 渦流的大小與金屬板的渦流的大小與金屬板的電阻率電阻率 、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 、厚度厚度t，以及金，以及金屬板與線圈屬板與線圈距離距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。

28、渦流式電感傳感器可分為渦流式電感傳感器可分為 1）高頻反射式高頻反射式 2）低頻透射式低頻透射式2. 渦流式電感傳感器渦流式電感傳感器測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z變化：變化：),( d dZZ (1).高頻反射式（集膚效應(yīng)）高頻反射式（集膚效應(yīng)） 高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器 )(d dfZ 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 (2).低頻透射式（互感原理）低頻透射式（互感原理）低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器 e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律隨材料厚度增加變化的規(guī)律 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)

29、基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 3.渦流式傳感器的應(yīng)用渦流式傳感器的應(yīng)用案例：位移、振幅、軸心軌跡的測量案例：位移、振幅、軸心軌跡的測量徑向振動的測量徑向振動的測量 構(gòu)件振幅的測量構(gòu)件振幅的測量 構(gòu)件振型的測量構(gòu)件振型的測量 軸心軌跡的測量軸心軌跡的測量 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 60fnz其中，其中，n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率；為脈沖頻率；z為轉(zhuǎn)軸上的槽數(shù)或齒數(shù)。為轉(zhuǎn)軸上的槽數(shù)或齒數(shù)。案例案例: :轉(zhuǎn)速的測量轉(zhuǎn)速的測量測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 案例：案例： 測厚測厚案例：案例： 零件計數(shù)零件計數(shù)測試技

30、術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 案例：無損探傷案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。 火車輪檢測火車輪檢測油管檢測油管檢測測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 3. 變壓器式變壓器式-差動變壓器差動變壓器工作原理：工作原理：互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象.測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 應(yīng)用應(yīng)用: : 厚度厚度, ,角度角度, ,表面粗糙度表面粗糙度; ;拉伸拉伸, ,壓縮壓縮, ,垂直度垂直度; ; 壓力壓力, ,流量流量, ,液位液位; ;張力張力, ,重力重力, ,負(fù)荷量負(fù)荷量; ;扭矩扭矩, , 應(yīng)力應(yīng)力, ,動力動力;

31、 ;氣壓氣壓, ,溫度溫度; ;振動振動, ,速度速度, ,加速度加速度; ;等等. . 案例：案例：板的厚度測量板的厚度測量 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 3.6 磁電傳感器磁電傳感器 1. 變換原理變換原理 磁電式傳感器是把被測量的磁電式傳感器是把被測量的物理量物理量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動感應(yīng)電動勢勢的一種轉(zhuǎn)換器。的一種轉(zhuǎn)換器。),(,cos,mdtdRBdtdSBNU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(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。改變其中

32、一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。 ddeWt 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 2. 分類分類 磁電式 動圈式 磁阻式 線速度型角速度型 N ),(,cosmRBdtdSBddeWt 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 3. 動圈式傳感器動圈式傳感器 kNBAeNBlvesinl:每匝線圈的平均長度；每匝線圈的平均長度；B:線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度； A:每匝線圈的截面積；每匝線圈的截面積； :線圈運(yùn)動方向與磁場方向的夾角；線圈運(yùn)動方向與磁場方向的夾角； k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)；傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)； :角速度。角速度。

33、 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 4. 磁阻式傳感器磁阻式傳感器 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 5. 磁電傳感器的應(yīng)用磁電傳感器的應(yīng)用 測速電機(jī)測速電機(jī) 磁電式測速傳感器磁電式測速傳感器 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 測頻數(shù)測頻數(shù) 測轉(zhuǎn)速測轉(zhuǎn)速 偏心測量偏心測量 振動測量振動測量 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 3.7 壓電傳感器壓電傳感器 1. 變換原理變換原理 某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時，不僅幾何受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部尺寸

34、會發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)式中，式中，q為電荷為電荷量量；D為為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；方向有關(guān)；F為作用力。為作用力。 q=DF晶片電荷極性與受力方向關(guān)系測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 aaqeCea：開路電壓；開路電壓； q:壓電晶片表面上的電荷；壓電晶片表面上的電荷； Ca 為壓電晶片的電容。為壓電晶片

35、的電容。 2. 測量電路測量電路 等效電荷源等效電荷源 Cc:分布電容；分布電容； Ri:輸入電阻；輸入電阻； Ra:漏電阻；漏電阻； Ci:輸入電容輸入電容測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 壓電式傳感器突出的特點是固有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。在測量加速度和動態(tài)力等體積小、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(yīng)用。在用作加速度和力傳感器時，可測頻率范圍從方面得到了廣泛地應(yīng)用。在用作加速度和力傳感器時，可測頻率范圍從0.1Hz20

36、kHz，可測振動加速度值達(dá)（，可測振動加速度值達(dá)（10-2105）ms-2。壓電式傳感器。壓電式傳感器輸出電荷輸出電荷q很少，內(nèi)阻很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號很弱小，因此要進(jìn)行處理：很大，輸出信號很弱小，因此要進(jìn)行處理： 放大放大微弱的壓電信號微弱的壓電信號 電壓放大器電壓放大器 電荷放大器電荷放大器 (1).(1).主要作用主要作用測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 放大器的輸入電壓：放大器的輸入電壓： icaiCCCqe系統(tǒng)的輸出電壓為：系統(tǒng)的輸出電壓為： 系統(tǒng)的靈敏度為：系統(tǒng)的靈敏度為： icaCCCASicaiyCCCqAeAe當(dāng)電纜長度變化當(dāng)電纜長度變化時，時

37、，Cc變化，變化， ei變化，系統(tǒng)的靈變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，敏度發(fā)生變化，此時測試比較困此時測試比較困難難 (2).(2).電壓放大器電壓放大器測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 當(dāng)略去傳感器的漏電阻當(dāng)略去傳感器的漏電阻Ra時時 qtei(Ca+Cc+Ci) 當(dāng)略去電荷放大器的輸入電阻當(dāng)略去電荷放大器的輸入電阻Ri的影響時的影響時qf(ei-ey)Cf 則整個電路中的電荷為：則整個電路中的電荷為： qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf 式中，式中，ei為放大器的輸入端電壓；為放大器的輸入端電壓；ey為放大器輸

38、出端電壓；為放大器輸出端電壓；Cf為電荷放大為電荷放大器的反饋電容。器的反饋電容。 (3).(3).電荷放大器電荷放大器測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 ey=-Kei 其中，其中，K K為放大器的開環(huán)放大倍數(shù)為放大器的開環(huán)放大倍數(shù) qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf ffyKCCCKqe)(所以所以 ffCCKCfyCqe開環(huán)增益開環(huán)增益K足夠大足夠大系統(tǒng)的靈敏度為：系統(tǒng)的靈敏度為： fCS1在一定條件下，電荷放在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電的電荷量成正

39、比，而與電纜的分布電容無關(guān)；纜的分布電容無關(guān)； 系統(tǒng)輸出靈敏度取決系統(tǒng)輸出靈敏度取決于反饋電容，所以可以于反饋電容，所以可以通過調(diào)節(jié)反饋電容通過調(diào)節(jié)反饋電容 ei=(q+eyCf)/(C+Cf)返回返回 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 3. 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用壓力變送器壓力變送器加速度計，力傳感器加速度計，力傳感器 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 壓電式壓力傳感壓電式壓力傳感 壓電式壓力傳感器特性壓電式壓力傳感器特性 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 阻抗頭的結(jié)構(gòu)原理圖阻抗頭的結(jié)構(gòu)原理圖 阻抗頭的安

40、裝結(jié)構(gòu)阻抗頭的安裝結(jié)構(gòu) 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 3.8 磁敏傳感器磁敏傳感器 1.半導(dǎo)體霍爾元件半導(dǎo)體霍爾元件霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體中流過一個電流時，若在與該電流垂直的方當(dāng)半導(dǎo)體中流過一個電流時，若在與該電流垂直的方向上外加一個磁場，則在與電流及磁場分別成直角的方向向上外加一個磁場，則在與電流及磁場分別成直角的方向上會產(chǎn)生一個電壓。這種現(xiàn)象也稱為霍爾效應(yīng)上會產(chǎn)生一個電壓。這種現(xiàn)象也稱為霍爾效應(yīng) 。 霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 半導(dǎo)體霍爾元件的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體霍爾元件的結(jié)構(gòu) 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 半導(dǎo)體磁敏電阻半導(dǎo)體磁敏電阻 半導(dǎo)體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)( (蛇形元件蛇形元件) ) 利用磁場造成的電利用磁場造成的電流偏轉(zhuǎn)使元件阻抗增加流偏轉(zhuǎn)使元件阻抗增加這種特點制成的雙端磁這種特點制成的雙端磁敏傳感器。敏傳感器。 測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ) 第三章常用傳感器第三章常用傳感器 磁性體磁敏電阻磁性體