第三章常用傳感器與敏感元件

1、太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件第三章第三章 常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件u常用傳感器分類常用傳感器分類u機(jī)械式傳感器及儀器機(jī)械式傳感器及儀器u電阻、電容與電感式傳感器電阻、電容與電感式傳感器u磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器u光電傳感器光電傳感器u光纖傳感器光纖傳感器u半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器u傳感器的選用原則傳感器的選用原則太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件1 1、傳感器定義、傳感器定義 傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息

2、的裝置。換成另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件 2 2、傳感器的構(gòu)成、傳感器的構(gòu)成 傳感器由傳感器由敏感器件敏感器件與與輔助器件輔助器件組成。敏感器件組成。敏感器件的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、輔助器件則是

3、對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 dV太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件敏感元件：被測(cè)非電量敏感元件：被測(cè)非電量其他形式信號(hào)其他形式信號(hào) （易于轉(zhuǎn)換成電量（易于轉(zhuǎn)換成電量: :形變）形變）變換元件：非電量變換元件：非電量電量（電阻、電感、電容等電量（電阻、電感、電容等) )輔助元件：信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換等。輔助元件：信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換等。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件3、傳感器的作用、傳感器的作用變換作用：將非電量變換成電量。變換作用：將非電量變換成電量。傳

4、感器是測(cè)試系統(tǒng)中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它具有兩個(gè)作用：傳感器是測(cè)試系統(tǒng)中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它具有兩個(gè)作用：敏感作用：感受物理量的變化，以完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的拾取。敏感作用：感受物理量的變化，以完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的拾取。對(duì)應(yīng)這兩個(gè)作用，傳感器一般由兩部分對(duì)應(yīng)這兩個(gè)作用，傳感器一般由兩部分組成，即敏感元件與變換元件，二者有組成，即敏感元件與變換元件，二者有時(shí)很容易分開，有時(shí)合二為一。時(shí)很容易分開，有時(shí)合二為一。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件1)1)按被測(cè)物理量分類按被測(cè)物理量分類常見的被測(cè)物理量常

5、見的被測(cè)物理量機(jī)械量機(jī)械量: :長(zhǎng)度長(zhǎng)度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, ,旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角, , 轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,重量重量, ,力力, ,壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, , 風(fēng)速風(fēng)速, ,流速流速, ,流量流量; ;聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲; ;磁磁: : 磁通磁通, ,磁場(chǎng)磁場(chǎng); ;溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱比熱; ;光：光： 亮度，色彩亮度，色彩太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件傳感器按被測(cè)量分類傳感器按被測(cè)量分類被測(cè)量類別被測(cè)量類別被被測(cè)測(cè)量量熱工量熱工量溫度、熱

6、量、比熱容；壓力、壓差、真空度；流量、流速、風(fēng)速溫度、熱量、比熱容；壓力、壓差、真空度；流量、流速、風(fēng)速機(jī)械量機(jī)械量位移位移(線位移、角位移線位移、角位移)、尺寸、形狀；力、重量、力矩、應(yīng)力；質(zhì)量；轉(zhuǎn)速、尺寸、形狀；力、重量、力矩、應(yīng)力；質(zhì)量；轉(zhuǎn)速、線速度；振動(dòng)幅值、頻率、加速度、噪聲線速度；振動(dòng)幅值、頻率、加速度、噪聲物性和成分量物性和成分量氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分；酸堿度氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分；酸堿度(pH值值)、鹽度、濃度、黏度、密度、相、鹽度、濃度、黏度、密度、相對(duì)密度對(duì)密度狀態(tài)量狀態(tài)量顏色、透明度、磨損量、材料內(nèi)部裂紋或缺陷、氣體漏泄、表面質(zhì)量顏色、透明度、磨損量、材料內(nèi)部裂紋

7、或缺陷、氣體漏泄、表面質(zhì)量 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件機(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. .2)2)按工作原理分類按工作原理分類: :太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件3)3)按信號(hào)變換特征分類按信號(hào)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)的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換. .如如: :水銀溫度計(jì)、壓電測(cè)力計(jì)水銀溫度計(jì)、壓電測(cè)力計(jì). .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(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)

8、的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件4)4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測(cè)對(duì)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(cè)對(duì)象輸入能量使其工作直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì), ,壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì). .能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片. .太原理工大學(xué)機(jī)械工

9、程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件(5) (5) 按輸出信號(hào)分類按輸出信號(hào)分類 模擬式傳感器：模擬式傳感器：輸出量為連續(xù)變化的模擬量輸出量為連續(xù)變化的模擬量 （I(t)I(t)，V(t)V(t)） 數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器：輸出量為數(shù)字量輸出量為數(shù)字量 （數(shù)字量，頻率量）（數(shù)字量，頻率量）太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件以以作為傳感器的敏感元件作為傳感器的敏感元件輸入量：力、壓力、溫度等輸入量：力、壓力、溫度等輸出量：彈性元件的彈性變形（或應(yīng)變）輸出量：彈性元件的彈性變形（或應(yīng)變）儀表指針的偏轉(zhuǎn)儀表指針的偏轉(zhuǎn)放大放大太原理工

10、大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件溫度計(jì)溫度計(jì)壓力計(jì)（用于測(cè)量流體壓力壓力計(jì)（用于測(cè)量流體壓力:波紋膜片、波紋管）波紋膜片、波紋管）測(cè)力計(jì)（用于測(cè)力或稱重測(cè)力計(jì)（用于測(cè)力或稱重:環(huán)形測(cè)力計(jì)、彈簧秤）環(huán)形測(cè)力計(jì)、彈簧秤）典型機(jī)械式傳感器典型機(jī)械式傳感器太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件u結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直 觀等。觀等。u彈性變形不宜大彈性變形不宜大，以減小線性誤差。，以減小線性誤差。u由于放大指示環(huán)節(jié)多為機(jī)械傳動(dòng)，不僅受間隙影由于放大指示環(huán)節(jié)多為機(jī)械傳動(dòng)，

11、不僅受間隙影 響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測(cè)緩檢測(cè)緩 變和靜態(tài)被測(cè)量變和靜態(tài)被測(cè)量。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件u提高測(cè)量的頻率范圍，可采用：提高測(cè)量的頻率范圍，可采用：u應(yīng)用彈性元件時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、應(yīng)用彈性元件時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、處理工藝等方面采取措施，減小蠕變、彈性后效處理工藝等方面采取措施，減小蠕變、彈性后效等現(xiàn)象對(duì)輸入輸出線性關(guān)系的影響。等現(xiàn)象對(duì)輸入輸出線性關(guān)系的影響。被測(cè)量被測(cè)量位移位移電信號(hào)輸出電信號(hào)輸出彈性元件彈性元件其他形式傳感器其他形式傳感器如電阻、電容、電渦流等

12、如電阻、電容、電渦流等太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器器, ,按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :變阻器式、電阻應(yīng)變式。變阻器式、電阻應(yīng)變式。1 1 、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器 (1) (1) 工作原理工作原理根據(jù)導(dǎo)體的電阻根據(jù)導(dǎo)體的電阻R R與其電阻率與其電阻率及長(zhǎng)度及長(zhǎng)度l成正比、與截面積成正比、與截面積A成反比成反比的關(guān)系，即的關(guān)系，即由被測(cè)物理量由被測(cè)物理量( (如壓力、溫度、流量等如壓力、溫度、流量等)

13、)引起式中引起式中 ，l l，A A中任一中任一個(gè)或幾個(gè)的變化來使電阻個(gè)或幾個(gè)的變化來使電阻R R改變的原理構(gòu)成。改變的原理構(gòu)成。 lRA 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件若移動(dòng)若移動(dòng)x x，B B點(diǎn)和點(diǎn)和A A點(diǎn)間的電阻值點(diǎn)間的電阻值靈敏度靈敏度 單位長(zhǎng)度的電阻值單位長(zhǎng)度的電阻值lRk xldRSkdxlk若電刷轉(zhuǎn)角若電刷轉(zhuǎn)角，C C點(diǎn)和點(diǎn)和A A點(diǎn)間的電阻值點(diǎn)間的電阻值靈敏度靈敏度 單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值 Rk dRSkd k太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件0,LPypyuRRuxxu

14、x當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí)與與位位移移 成成線線性性關(guān)關(guān)系系：電阻分壓電路電阻分壓電路01()()epPLPuuxRxxRx太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件變阻器式傳感器變阻器式傳感器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠，但精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠，但精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。且由于磨損與塵埃等，引起接觸電阻變化，引入噪聲。由于磨損與塵埃等，引起接觸電阻變化，引入噪聲。適合于適合于測(cè)量變化較緩慢的量。測(cè)量變化較緩慢的量。 ：可用來測(cè)線位移、角位移及可變成位移的物理量。可用來測(cè)線位移、角位移及可變成位移的物理量。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第

15、三章 常用傳感器與敏感元件2 2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片應(yīng)變片工作原理：工作原理： 基于金屬導(dǎo)體的基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)，即金，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形其電阻值隨著所受機(jī)械變形( (伸長(zhǎng)或縮伸長(zhǎng)或縮短短) )的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 電阻應(yīng)變片的種類：電阻應(yīng)變片的種類： 1 1） 金屬電阻應(yīng)變片（金屬電阻應(yīng)變片（基于金屬導(dǎo)體的基于金屬導(dǎo)體的“電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)”）有絲式、箔式及薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。有絲式、箔式及薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。 2 2） 半導(dǎo)體應(yīng)變片（半導(dǎo)體應(yīng)變片（基

16、于半導(dǎo)體材料的基于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)”） 半導(dǎo)體應(yīng)變片分為體型、薄膜型和擴(kuò)散型三大類。半導(dǎo)體應(yīng)變片分為體型、薄膜型和擴(kuò)散型三大類。 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件(a) (a) 絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片 (b) (b) 箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片1）金屬電阻應(yīng)變片 電阻絲應(yīng)變片是用直徑為電阻絲應(yīng)變片是用直徑為0.025mm0.025mm具有高電阻率的電阻絲具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵狀，稱為敏制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基底上。電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵，并粘貼在絕緣

17、的基底上。電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護(hù)作用的覆蓋層。感柵上面粘貼有保護(hù)作用的覆蓋層。引出線引出線 電阻絲（敏感柵）電阻絲（敏感柵） 引出線引出線 金屬箔金屬箔覆蓋絕緣層覆蓋絕緣層基片及覆蓋絕緣層基片及覆蓋絕緣層基片基片太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件l l 稱為柵長(zhǎng)稱為柵長(zhǎng)( (標(biāo)距標(biāo)距) )， b b稱為柵寬稱為柵寬( (基寬基寬) )， b bl l稱為應(yīng)變片的使用面稱為應(yīng)變片的使用面積。積。 應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用面積和電阻值表示，如面積和電阻值表示，如3 320mm20mm2 2，120120。多柵組合應(yīng)變

18、片又稱作多柵組合應(yīng)變片又稱作應(yīng)應(yīng)變花變花太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件工作原理工作原理上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化, ,求導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)數(shù)金屬應(yīng)變片的電阻為金屬應(yīng)變片的電阻為AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdR太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件：電阻絲材料的泊電阻絲材料的泊松比松比dAdAldlRdR有：有：金屬絲：金屬絲：2rAdrdrldlRdR2金屬絲體積不變：金屬絲體積不變：橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變ldlrdr太原理

19、工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件有：有：dRdR2對(duì)金屬材料，電阻應(yīng)變效應(yīng)是主要的。對(duì)金屬材料，電阻應(yīng)變效應(yīng)是主要的。由于壓阻系數(shù)很小，電阻率的變化可以由于壓阻系數(shù)很小，電阻率的變化可以忽略不計(jì)忽略不計(jì))21(RdR金屬絲應(yīng)變片：金屬絲應(yīng)變片：電阻相對(duì)變化率電阻相對(duì)變化率與應(yīng)變成正比與應(yīng)變成正比電阻應(yīng)變片的靈敏度電阻應(yīng)變片的靈敏度(其物理意義是單位應(yīng)變所其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化引起的電阻相對(duì)變化 )21ldlRdRSg幾何尺寸改變引起幾何尺寸改變引起電阻率改變引起電阻率改變引起太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感

20、器與敏感元件2）半導(dǎo)體應(yīng)變片）半導(dǎo)體應(yīng)變片對(duì)于半導(dǎo)體材料來說，其壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)大于其應(yīng)變效應(yīng)對(duì)于半導(dǎo)體材料來說，其壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)大于其應(yīng)變效應(yīng)dRdRE半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度ERdRSg單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型、薄膜型和擴(kuò)散型三種半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型、薄膜型和擴(kuò)散型三種(a) (a) 體型體型 (b) (b) 薄膜型薄膜型 (c) (c) 擴(kuò)散型擴(kuò)散型太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件u金屬絲金屬絲電阻應(yīng)變片與

21、半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別：前者利用導(dǎo)體形變引起電阻變化前者利用導(dǎo)體形變引起電阻變化后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻變化后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻變化u和金屬電阻應(yīng)變片相比，半導(dǎo)體應(yīng)變片具有和金屬電阻應(yīng)變片相比，半導(dǎo)體應(yīng)變片具有等優(yōu)點(diǎn)，但是，半導(dǎo)體應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但是，半導(dǎo)體應(yīng)變片多數(shù)用薄硅片制成，變片多數(shù)用薄硅片制成，其測(cè)試時(shí)的可測(cè)應(yīng)變范，其測(cè)試時(shí)的可測(cè)應(yīng)變范圍通常限制在圍通常限制在30003000左右，而金屬電阻應(yīng)變片的可測(cè)應(yīng)變左右，而金屬電阻應(yīng)變片的可測(cè)應(yīng)變值達(dá)值達(dá)4000040000。另外，半導(dǎo)體應(yīng)變片的。另外，半導(dǎo)體應(yīng)變片的，所以其應(yīng)用仍然受到一定的限制

22、。，所以其應(yīng)用仍然受到一定的限制。 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù) 1.1.目測(cè)電阻應(yīng)變片有無折痕、斷絲等目測(cè)電阻應(yīng)變片有無折痕、斷絲等 缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.2.用數(shù)字萬用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值大用數(shù)字萬用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值大 小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5歐姆。歐姆。3.3.試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球

23、無黑跡為止。酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.4.應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片粘貼: :在應(yīng)變片基底上擠一小滴在應(yīng)變片基底上擠一小滴502502膠水，膠水， 輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件5.5.焊線焊線: :用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng) 大于大于500M500M歐。歐。7.7.應(yīng)變片保護(hù)：用應(yīng)變片保護(hù)：用704704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防

24、止硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止 受潮。受潮。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用1 1）將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)變）將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些和應(yīng)力。例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形情況，可利用形狀不同的構(gòu)件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形情況，可利用形狀不同的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測(cè)部位，可測(cè)得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測(cè)部位，可測(cè)得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力

25、校核或構(gòu)件破力、扭矩或彎矩等，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力校核或構(gòu)件破壞的預(yù)測(cè)等提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。壞的預(yù)測(cè)等提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 (a) (a) 立柱應(yīng)力立柱應(yīng)力(b) (b) 橋梁應(yīng)力橋梁應(yīng)力 構(gòu)件應(yīng)力測(cè)定構(gòu)件應(yīng)力測(cè)定 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件2 2）將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成）將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳應(yīng)變式傳感器感器。這種傳感器常用來測(cè)量力、位移、加速度等物理參數(shù)。這種傳感器常用來測(cè)量力、位移、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測(cè)量成正比的應(yīng)變，再在這種情況下，彈性元件將得到與被測(cè)量成正

26、比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻變化的輸出。通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻變化的輸出。加速度傳感器由懸臂梁、質(zhì)量塊、基座組成。測(cè)量時(shí)，基座固定振動(dòng)體加速度傳感器由懸臂梁、質(zhì)量塊、基座組成。測(cè)量時(shí)，基座固定振動(dòng)體上，振動(dòng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當(dāng)于慣性系統(tǒng)的上，振動(dòng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當(dāng)于慣性系統(tǒng)的“彈彈簧簧”，在慣性力作用下產(chǎn)生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變?cè)谝欢ǖ念l率范，在慣性力作用下產(chǎn)生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變?cè)谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)與振動(dòng)體的加速度成正比。圍內(nèi)與振動(dòng)體的加速度成正比。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件案例：案例：電子稱電子稱

27、原理原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。量輸出。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件應(yīng)變片的測(cè)量電路應(yīng)變片的測(cè)量電路應(yīng)變是相當(dāng)微小的變應(yīng)變是相當(dāng)微小的變化，所產(chǎn)生的電阻變化，所產(chǎn)生的電阻變化是極其微小的?；菢O其微小的。例如計(jì)算例如計(jì)算的應(yīng)變產(chǎn)生的的應(yīng)變產(chǎn)生的120電阻變化：電阻變化：61000 106120 2 1000 10/R 6120 2 1000 10024.R 024 120 02/./.

28、 %R R-惠斯通電橋惠斯通電橋太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件二、電容式傳感器二、電容式傳感器變換原理變換原理: :將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測(cè)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: :AC0、A A或或發(fā)生變化發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。的變化。+ ：極板間距離：極板間距離A A：極板面積：極板面積 ：介質(zhì)的

29、相對(duì)介電：介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)系數(shù) 0：真空的介電常數(shù)真空的介電常數(shù)8.85410-12F/m； 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件分類分類 a)a)極距變化型極距變化型+c)c)介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型AC0b)b)面積變化型面積變化型: :角位移型角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型柱面線位移型. .+太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件a)a)極距極距變化型變化型+AC0+太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件兩極板相互覆蓋面積兩極板相互覆蓋面積A A及極

30、間介質(zhì)及極間介質(zhì)不變，則當(dāng)兩極板在不變，則當(dāng)兩極板在被測(cè)對(duì)象作用下發(fā)生位移變化被測(cè)對(duì)象作用下發(fā)生位移變化d d時(shí)所引起的電容量變化時(shí)所引起的電容量變化dAdC201201AddCS太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件u靈敏度靈敏度S S與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距減小受電容極板間擊穿電壓的限制。一般但極距減小受電容極板間擊穿電壓的限制。一般0 00.10.11mm1mm左右。左右。u電容量電容量C C與極距與極距呈非線性關(guān)系，為了減小非線性誤差，呈非線性關(guān)系，為了減小非線性誤差，通常極距變化范

31、圍通常極距變化范圍/0 00.010.010.10.1。u此類電容傳感器僅適于微小位移的測(cè)量（此類電容傳感器僅適于微小位移的測(cè)量（0.01m0.01m數(shù)數(shù)百微米）；非接觸測(cè)量百微米）；非接觸測(cè)量太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件（如電增大線性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對(duì)測(cè)量精度源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對(duì)測(cè)量精度的影響，常常采用的影響，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器差動(dòng)型電容式傳感器。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程

32、學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件b)b)面積變化型面積變化型常數(shù)靈敏度220220rddCSCr角位移型角位移型覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角 r r極板半徑極板半徑太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件柱面線位移型柱面線位移型. .常數(shù)靈敏度)ln(20)ln(02dDdxdCSCdDxD D圓筒孔徑圓筒孔徑d d圓柱外徑圓柱外徑太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件平面線位移型平面線位移型常數(shù)靈敏度bdxdCSCbx00b b極板寬度極板寬度太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感

33、器與敏感元件c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型AC0常用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間常用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測(cè)量溫介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測(cè)量溫度、濕度、容量等。度、濕度、容量等。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件測(cè)量電路測(cè)量電路目前較常采用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路、運(yùn)目前較常采用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大電路、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路等。算放大電路、差

34、動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路等。1 1、電橋電路、電橋電路 電容傳感器為電橋的一部分。通常采用電阻、電容或電感、電容傳感器為電橋的一部分。通常采用電阻、電容或電感、電容組成交流電橋，該圖所示為一種電感、電容組成的電電容組成交流電橋，該圖所示為一種電感、電容組成的電橋。由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，經(jīng)放大、相敏檢橋。由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，再推動(dòng)顯示、記錄儀器。波、濾波后，再推動(dòng)顯示、記錄儀器。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件2、諧振電路電容傳感器的電容電容傳感器的電容CxCx作為諧振回作為諧振回路路(L2(L2、C2C2、C

35、x)Cx)調(diào)諧電容的一部調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感耦合，從分。諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時(shí)，使得當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時(shí)，使得諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過放被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過放大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。為了獲得較好的線性關(guān)系，一般為了獲得較好的線性關(guān)系，一般諧振電路的工作點(diǎn)選在諧振曲線諧振電路的工作點(diǎn)選在諧振曲線的線性區(qū)域內(nèi)，最大振幅的線性區(qū)域內(nèi)，最大振幅70%70%附近附近的地方，且工作范圍選在的地方，且工作范圍選

36、在BCBC段內(nèi)。段內(nèi)。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件3、調(diào)頻電路傳感器的電容器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量傳感器的電容器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量使電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化，頻使電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)過鑒頻器轉(zhuǎn)換為電壓的變化，經(jīng)過放大處理后率的變化經(jīng)過鑒頻器轉(zhuǎn)換為電壓的變化，經(jīng)過放大處理后輸入顯示或記錄等儀器。輸入顯示或記錄等儀器。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件4 4、 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 采用比例運(yùn)算放大器電路，可以使

37、輸出電壓與位移的關(guān)系采用比例運(yùn)算放大器電路，可以使輸出電壓與位移的關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系。反饋回路中的轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系。反饋回路中的C Cx x為極距變化型電容式傳為極距變化型電容式傳感器，輸入電路采用固定電容感器，輸入電路采用固定電容C C0 0，u u0 0為穩(wěn)定的工作電壓。為穩(wěn)定的工作電壓。由于放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運(yùn)算關(guān)由于放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運(yùn)算關(guān)系為系為 代入代入 ，得，得 xxyccuucjcju000011太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：(1)(1)輸入能量小而靈

38、敏度高。輸入能量小而靈敏度高。(2)(2)精度高達(dá)精度高達(dá)0.01%0.01%。 (3)(3)動(dòng)態(tài)特性好，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)。動(dòng)態(tài)特性好，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)。(4)(4)能量損耗小。能量損耗小。(5)(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）。電容式傳感器的缺點(diǎn)：電容式傳感器的缺點(diǎn)： 電纜分布電容影響大。電纜分布電容影響大。集成電路、雙屏蔽傳輸電纜等集成電路、雙屏蔽傳輸電纜等降低分布電容的影響降低分布電容的影響太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位

39、計(jì)）料位計(jì)）太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)振蕩電路振蕩電路被測(cè)物體被測(cè)物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測(cè)電容被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的距離發(fā)生變化，使得和測(cè)量關(guān)的距離發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化化. .接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。液體或粉

40、狀物體。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件C C1 1、C C2 2工作極板與帶材工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容之間形成兩個(gè)電容， 其其總電容為總電容為C= CC= C1 1+C+C2 2 。當(dāng)當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化。通過檢測(cè)容量的變化。通過檢測(cè)電路可以反映這個(gè)變化，電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。厚度。測(cè)量金屬帶材在軋制過程中厚度測(cè)量金屬帶材在軋制過程中厚度太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，

41、電容量發(fā)當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，通過測(cè)量生周期性變化，通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為速大小。設(shè)齒數(shù)為z z, ,頻率頻率為為f f, ,則轉(zhuǎn)速為則轉(zhuǎn)速為: : 電容式轉(zhuǎn)速傳感器電容式轉(zhuǎn)速傳感器太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件三、電感式傳感器三、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，它是把被測(cè)量原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類分類: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

42、流式渦流式互感型（互感型（差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式）太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件1.1.自感式傳感器自感式傳感器 可變磁阻式可變磁阻式 線圈的自感與磁路的磁阻有關(guān)。線圈的自感與磁路的磁阻有關(guān)。N N線圈匝數(shù)，線圈匝數(shù)，R Rm m磁路磁阻磁路磁阻 , ,與磁路各段的性質(zhì)有關(guān)，與磁路各段的性質(zhì)有關(guān)，磁路通常由鐵芯及鐵芯間的空氣隙組成。磁路通常由鐵芯及鐵芯間的空氣隙組成。, ,0 0分別為鐵芯和空氣隙的磁導(dǎo)率。分別為鐵芯和空氣隙的磁導(dǎo)率。A,AA,A0 0為鐵芯及空氣隙的截面積。為鐵芯及空氣隙的截面積。l l和和分別為鐵芯導(dǎo)磁長(zhǎng)度和氣隙長(zhǎng)度。分別為鐵

43、芯導(dǎo)磁長(zhǎng)度和氣隙長(zhǎng)度。mRNL2002AAlRm太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件R Rm m主要由空氣的磁阻構(gòu)成。主要由空氣的磁阻構(gòu)成。2200200ANLARm自感自感L L與氣隙與氣隙成反成反比，而與氣隙導(dǎo)磁比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積截面積A A0 0成正比。成正比。靈敏度靈敏度20022ANS靈敏度靈敏度S S與氣隙與氣隙的的平方成反比，平方成反比，越小，越小，靈敏度越高。靈敏度越高。為保證傳感器的線性度，限制非線性誤差，這種傳感器多為保證傳感器的線性度，限制非線性誤差，這種傳感器多用于用于微小位移測(cè)量微小位移測(cè)量。實(shí)際應(yīng)用中，一般取。實(shí)際應(yīng)用中，

44、一般取 ，位，位移測(cè)量范圍為移測(cè)量范圍為0.001mm0.001mmlmmlmm。1 . 00太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件a)可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型b）差動(dòng)型）差動(dòng)型c）單螺管線圈型）單螺管線圈型d）雙螺管線圈差動(dòng)）雙螺管線圈差動(dòng)幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件 雙螺管線圈差動(dòng)型，較之單螺管線圈型有雙螺管線圈差動(dòng)型，較之單螺管線圈型有，被用于電感測(cè)微計(jì)上，其測(cè)量范圍為，被用于電感測(cè)微計(jì)上，其測(cè)量范圍為0 0300m300m，最小分

45、辨力為最小分辨力為0.5m0.5m。將傳感器兩線圈接于電橋的相鄰橋?qū)鞲衅鲀删€圈接于電橋的相鄰橋臂時(shí)，其輸出靈敏度可提高一倍，并改善了非線性特性，臂時(shí)，其輸出靈敏度可提高一倍，并改善了非線性特性，補(bǔ)償干擾影響。補(bǔ)償干擾影響。 因此，使用因此，使用，如差動(dòng)變氣隙，如差動(dòng)變氣隙，差動(dòng)變面積，差動(dòng)螺管式。通常接入電橋進(jìn)行測(cè)量，用來差動(dòng)變面積，差動(dòng)螺管式。通常接入電橋進(jìn)行測(cè)量，用來測(cè)量位移量。測(cè)量位移量。 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件渦流式渦流式 線圈的自感與磁路的磁阻有關(guān)。線圈的自感與磁路的磁阻有關(guān)。原理：利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的原理：利用金屬導(dǎo)體在

46、交流磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)。金屬板置于一只線圈的附近，間距為金屬板置于一只線圈的附近，間距為，當(dāng)線圈輸入一交變電流，當(dāng)線圈輸入一交變電流i i時(shí)，便時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量產(chǎn)生交變磁通量，金屬板在此交變，金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i i1 1，這種電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦電流渦電流”或或“渦流渦流”。渦流的大小。渦流的大小與金屬板的電阻率與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚、厚度度h h，金屬板與線圈的距離，金屬板與線圈的距離，激勵(lì)，激勵(lì)電流角頻率電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。若改變其等參數(shù)有關(guān)。若改變其中某個(gè)參數(shù)，而

47、固定其他參數(shù)不變，中某個(gè)參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù)。就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù)。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(ZZ 改變其中某一因素，即可達(dá)到不同的變換目的。如：改變其中某一因素，即可達(dá)到不同的變換目的。如：改變改變，可作位移、振動(dòng)測(cè)量，可作位移、振動(dòng)測(cè)量 改變改變或或，可作材質(zhì)鑒別和探傷，可作材質(zhì)鑒別和探傷太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件發(fā)射線圈發(fā)射線圈1 1 和接收線圈和接收線圈2 2分別放在分別放在被測(cè)材料被測(cè)材料

48、G G的上下的上下, ,低頻低頻( (音頻范圍音頻范圍) )電電壓壓e e1 1 加到線圈加到線圈1 1 的兩端后，在周圍的兩端后，在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)空間產(chǎn)生一交變磁場(chǎng), ,并在被測(cè)材料并在被測(cè)材料G G中產(chǎn)生渦流，此渦流損耗了部分能量，中產(chǎn)生渦流，此渦流損耗了部分能量，使貫穿使貫穿2 2的磁力線減少，從而使的磁力線減少，從而使2 2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e e2 2 減小。減小。e e2 2 的大小與的大小與G G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)與理論證明，的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)與理論證明，e e2 2 隨材料厚度隨材料厚度h h增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小。增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小。太原理工

49、大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件測(cè)量電路：測(cè)量電路： 傳感器線圈傳感器線圈L L與電容與電容C C共同組成并聯(lián)諧振回路，諧振頻率共同組成并聯(lián)諧振回路，諧振頻率LCf21線圈等效電感改變，必然導(dǎo)致回路阻抗或諧振頻率變化，線圈等效電感改變，必然導(dǎo)致回路阻抗或諧振頻率變化，從而可間接測(cè)量被測(cè)參數(shù)，對(duì)應(yīng)測(cè)量電路：從而可間接測(cè)量被測(cè)參數(shù)，對(duì)應(yīng)測(cè)量電路：太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件調(diào)幅電路調(diào)幅電路傳感器由振蕩器提供高頻電源，當(dāng)傳感器諧振頻率與電傳感器由振蕩器提供高頻電源，當(dāng)傳感器諧振頻率與電源頻率相同時(shí)，輸出電壓源頻率相同

50、時(shí)，輸出電壓u u最大。最大。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件測(cè)量時(shí)，傳感器等效電感隨測(cè)量時(shí)，傳感器等效電感隨x x而改變，而改變，LCLC回路失諧，輸出信回路失諧，輸出信號(hào)頻率雖仍為電源頻率，但幅值隨號(hào)頻率雖仍為電源頻率，但幅值隨x x變化，即變化，即x x對(duì)輸出信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)存在調(diào)幅作用。存在調(diào)幅作用。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件調(diào)頻電路調(diào)頻電路 以以LCLC振蕩回路的諧振頻率作為輸出量。振蕩回路的諧振頻率作為輸出量。鑒頻器：將調(diào)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。鑒頻器：將調(diào)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。太原理

51、工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件非接觸測(cè)量，抗干擾能力強(qiáng)非接觸測(cè)量，抗干擾能力強(qiáng)靈敏度高靈敏度高分辨力高，位移檢測(cè)范圍：分辨力高，位移檢測(cè)范圍：1mm1mm10mm10mm，最高分辨率可達(dá)最高分辨率可達(dá)0.1%0.1%。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，不受油液等介質(zhì)影響結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，不受油液等介質(zhì)影響太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)測(cè)量位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)測(cè)量太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件渦流式傳感器檢測(cè)振幅渦流式傳感器檢測(cè)振

52、幅 渦流傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速渦流傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速 (a) (a) 測(cè)轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng)測(cè)轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng) (b) (b) 測(cè)片狀機(jī)件的振幅測(cè)片狀機(jī)件的振幅 (c) (c) 測(cè)構(gòu)件的振幅測(cè)構(gòu)件的振幅 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件2.2.互感式傳感器互感式傳感器工作原理工作原理: :利用電磁感應(yīng)中的利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象，將被測(cè)，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。這種傳感器一般都做成這種傳感器一般都做成差動(dòng)式差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，所以稱為差動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器。實(shí)際變壓器式電感傳感器。實(shí)際使用中的差動(dòng)變壓器多是螺使用中的差動(dòng)變

53、壓器多是螺線管式的。線管式的。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件線圈包括一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)反接的次級(jí)線圈，當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)線圈包括一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)反接的次級(jí)線圈，當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級(jí)線圈將產(chǎn)生感壓電動(dòng)勢(shì)電壓時(shí)，次級(jí)線圈將產(chǎn)生感壓電動(dòng)勢(shì)e e1 1和和e e2 2。由于兩個(gè)次級(jí)線圈極性反接，。由于兩個(gè)次級(jí)線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即e ey y=e=e1 1-e-e2 2。活動(dòng)銜鐵能改變線圈之間的耦合程度?；顒?dòng)銜鐵能改變線圈之間的耦合程度。e ey y的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而

54、變。的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。 活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，即活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，即e e1 1=e=e2 2，e ey y=0=0； 向上移時(shí)，即向上移時(shí)，即e e1 1ee2 2，e ey y0;0; 向下移時(shí)，即向下移時(shí)，即e e1 1ee2 2，e ey y0ZZ0 0時(shí)，放大器輸入電壓時(shí)，放大器輸入電壓u uL Lee0 0。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大、檢波后，即可推動(dòng)指示儀表。使用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大、檢波后，即可推動(dòng)指示儀表。使用動(dòng)圈式磁電傳感器，如果測(cè)量電路中接有微分網(wǎng)絡(luò)或積動(dòng)圈式磁電傳感器，如果測(cè)量電路中接有微分網(wǎng)絡(luò)或積分網(wǎng)絡(luò)，則可以得到分網(wǎng)絡(luò)，則可以得到加速度或位移加速度或位移。 太原理工

55、大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件磁阻式傳感器磁阻式傳感器 工作原理：工作原理：工作時(shí)線圈與磁鋼都不動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)著的物體工作時(shí)線圈與磁鋼都不動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)著的物體( (導(dǎo)磁材料導(dǎo)磁材料) )改變磁路的磁阻，引起通過線圈的磁力線增改變磁路的磁阻，引起通過線圈的磁力線增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。 由永久磁鋼及纏繞其上的線圈組成。由永久磁鋼及纏繞其上的線圈組成。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件線圈線圈3 3和磁鐵和磁鐵5 5靜止不動(dòng)，靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪測(cè)量齒輪1 1（導(dǎo)磁材料制成）（導(dǎo)磁材料制成

56、）每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈路磁阻變化一次，線圈3 3產(chǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等于測(cè)量齒輪率等于測(cè)量齒輪1 1上齒輪的上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在-150-1509090的溫度下工作，不影響測(cè)量精度，也能在油、水霧、灰塵的溫度下工作，不影響測(cè)量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz50Hz，上，上限可達(dá)限可達(dá)100Hz100Hz。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工

57、大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件磁阻式磁電傳感器工作原理及應(yīng)用磁阻式磁電傳感器工作原理及應(yīng)用(a) (a) 測(cè)頻數(shù)測(cè)頻數(shù) (b) (b) 測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)轉(zhuǎn)速(c) (c) 偏心測(cè)量偏心測(cè)量 (d) (d) 振動(dòng)測(cè)量振動(dòng)測(cè)量太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件二、壓電式傳感器（發(fā)電型傳感器）二、壓電式傳感器（發(fā)電型傳感器） 1 1工作原理工作原理某些材料如石英晶體和鈦酸鋇陶瓷，在某一方向受力時(shí)，某些材料如石英晶體和鈦酸鋇陶瓷，在某一方向受力時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會(huì)被極化，表面會(huì)不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會(huì)被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷

58、；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為。與壓電效應(yīng)相反，如果將具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)置于電場(chǎng)中，與壓電效應(yīng)相反，如果將具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物體機(jī)其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物體機(jī)械變形現(xiàn)象稱為械變形現(xiàn)象稱為。是一種可逆型換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，又能將電是一種可逆型換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，又能將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳

59、感器與敏感元件不同的材料雖然壓電機(jī)理不同，但最終產(chǎn)生的效應(yīng)是等同的。不同的材料雖然壓電機(jī)理不同，但最終產(chǎn)生的效應(yīng)是等同的。表面產(chǎn)生的電荷，電荷量的改變與受力情況有關(guān)，即表面產(chǎn)生的電荷，電荷量的改變與受力情況有關(guān)，即QDFD D ：壓電系數(shù)；：壓電系數(shù)；F F ：施加力的大?。菏┘恿Φ拇笮√砉ご髮W(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)理想形狀：六棱柱，兩端為對(duì)理想形狀：六棱柱，兩端為對(duì)稱的棱錐，共稱的棱錐，共3030個(gè)晶面。個(gè)晶面?？v軸縱軸z-zz-z稱作稱作，通過六棱，通過六棱柱棱線而垂直于光軸的軸線柱棱線而垂直于光軸的軸線x-

60、xx-x稱作稱作，垂直于棱面的，垂直于棱面的軸線軸線y-yy-y稱作稱作太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件通常從晶體上沿三軸線切下一個(gè)平行六面體切片，即其晶面通常從晶體上沿三軸線切下一個(gè)平行六面體切片，即其晶面分別平行于分別平行于z-zz-z、y-yy-y、x-xx-x軸線軸線 。切片在受到沿不同方向的。切片在受到沿不同方向的作用力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的極化作用，主要的壓電效應(yīng)有作用力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的極化作用，主要的壓電效應(yīng)有三種。三種。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件：沿電軸：沿電軸(x(x軸軸) )施加作用力，