工程測(cè)試技術(shù)(第三章)

1、第三章 工程中常用的傳感器 3.1 概述 傳感器是人類(lèi)感官的擴(kuò)展和延伸。 自動(dòng)控制領(lǐng)域中不能沒(méi)有傳感器。 傳感器可分為兩大類(lèi)：工程中常用傳感器（或傳統(tǒng)傳感器）、智能化傳感器。后者包括智能傳感器和模糊傳感器。3.2 工程中常用傳感器及其分類(lèi) 傳感器定義：能把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的裝置。傳感器的組成：敏感器件與其它輔助器件。分類(lèi)：(1)按被測(cè)物理量分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。 (2)按工作原理分：機(jī)械式、電氣式、輻射式、流體式等。 （3）按信號(hào)變換特征分：物性型、結(jié)構(gòu)型。 （4）按傳感器與被測(cè)量之間關(guān)系分：能量轉(zhuǎn)換型、能量控制型。 傳統(tǒng)傳感器的選

2、用原則： （1）靈敏度。靈敏度應(yīng)適應(yīng)于使用要求。 （2）響應(yīng)特性。指在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，保持不失真。 （3）線性范圍。 （4）穩(wěn)定性。 （5）精確性。傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。 （6）測(cè)量方式。接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量；破壞性測(cè)量與非破壞性測(cè)量；在線測(cè)量與離線測(cè)量。 3.3 電阻式傳感器 是根據(jù)電阻定律來(lái)設(shè)計(jì)的傳感器，它將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化輸出。 3.3.1 電位計(jì)式(變阻器式)傳感器 3.3.2 電阻應(yīng)變式傳感器 是通過(guò)電阻應(yīng)變片將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。 金屬應(yīng)變片 包括絲式、箔式兩種。靈敏度S=1+2=1.73.6其中為電阻絲材料的泊松比。 （2）半導(dǎo)體應(yīng)變片

3、其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)：指單晶半導(dǎo)體材料沿軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。其靈敏度比金屬應(yīng)變片的大5070倍。 （3）應(yīng)變片的應(yīng)用 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分析 ；用于制成力、位移、壓力、力矩和加速度等測(cè)量傳感器。 粘貼應(yīng)變片的力和力矩傳感器（a）拉力桿 （b）壓力桿（c）彎曲懸臂 （d）扭矩軸 3.4 電容式傳感器 3.4.1 電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)其中，為介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，空氣的1；0=8.85x10-12(F/m)為真空的介質(zhì)常數(shù)；為兩極板間的距離(m)；A為兩極板間的有效覆蓋面積（m2）。 （1）變極距型電容式傳感器 （2）變面積型電容式傳感器 （3）

4、變介電常數(shù)型電容式傳感器 3.4.2 電容式傳感器常用轉(zhuǎn)換電路（1）諧振電路 （2）調(diào)頻電路 （3）運(yùn)算放大器電路 3.4.3 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 3.5 電感式傳感器 3.5.1 自感式電感傳感器 （1）可變磁阻式電感傳感器 （2）渦流式傳感器 電渦流傳感器與被測(cè)物體的等效電路 ：圖中金屬導(dǎo)體被抽象為一短路線圈，它與傳感器線圈磁性耦合，兩者之間定義一互感系數(shù)M，表示耦合程度，它隨間距的增大而減小。 電渦流傳感器分類(lèi)：高頻反射式；低頻透射式。 用途：測(cè)量位移、振動(dòng)等物理量。 電渦流傳感器與被測(cè)物體的等效電路 渦流傳感器的測(cè)量電路一般有阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。 圖3.21 渦流測(cè)振儀分

5、壓調(diào)幅電路 圖3.23 調(diào)頻電路工作原理 渦流式電感傳感器的應(yīng)用： 電渦流式傳感器應(yīng)用例 3.5.2 互感型差動(dòng)變壓器式電感傳感器 3.5.3 電感式傳感器的應(yīng)用舉例 3.6 磁電式傳感器 基于電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e= -Wd/dt其中，W為線圈匝數(shù)，d/dt為感應(yīng)線圈中磁通量的變化率。 3.6.1動(dòng)圈式磁電傳感器 3.6.2 磁阻式磁電傳感器 工作原理：線圈與磁鐵固定不動(dòng)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)著的被測(cè)物體（導(dǎo)磁材料）改變磁路的磁阻，從而引起磁力線的增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 3.7 壓電式傳感器 壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)（物體），如石英、鈦酸鋇等，當(dāng)受

6、到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。 X軸電軸，y軸機(jī)械軸，z光軸 應(yīng)用： 3.8 熱敏傳感器 3.8.1 熱電偶 工作原理：熱電效應(yīng)將兩種不同材料的金屬導(dǎo)體（或半導(dǎo)體），連接成閉合回路，把兩個(gè)結(jié)點(diǎn)分別置于不同溫度的熱源中，回路中就有電流產(chǎn)生的現(xiàn)象。 熱電勢(shì)的組成兩個(gè)接觸電勢(shì) 兩個(gè)單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)閉合回路產(chǎn)生熱電勢(shì)必須具備的兩個(gè)條件： (1)閉合回路必須用兩種不同的金屬材料構(gòu)成； (2)閉合回路的兩結(jié)點(diǎn)必須具備不同的溫度。 熱電偶的基本定律：（1）中間導(dǎo)體定律當(dāng)熱電偶回路的一個(gè)或兩個(gè)結(jié)點(diǎn)被斷開(kāi)，接入一

7、種或多種金屬材料的中間導(dǎo)體后，如果全部新結(jié)點(diǎn)處的溫度和原來(lái)結(jié)點(diǎn)的溫度相同，那么合成電勢(shì)不變。 （2）參考電極定律 標(biāo)準(zhǔn)電極C常為物理性能和化學(xué)性能較穩(wěn)定的鉑絲。 （3）中間溫度定律 3.8.2 金屬熱電阻 鉑、銅、鎳等金屬絲材料，在一定溫度范圍內(nèi)，它們的電阻值隨溫度的升高而增加。此性質(zhì)可用來(lái)測(cè)量溫度變化。 3.8.3 半導(dǎo)體熱敏電阻 是一種由錳、鎳、銅、鈷、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。優(yōu)點(diǎn)： (1) 靈敏度高，可測(cè)出0.0010.005的溫度變化。 (2) 體積小，響應(yīng)快。直徑可小到0.5mm，響應(yīng)時(shí)間可縮短到毫秒級(jí)。 (3) 元

8、件本身電阻可達(dá)3700歐姆，遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)可不考慮導(dǎo)線電阻影響。 (4) 在50350范圍內(nèi)，具有較好的溫度性。 3.9 超聲波傳感器 3.9.1 聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) （1）聲波及其分類(lèi)次聲波：低于16Hz.聲波：162x104Hz超聲波：高于2x104Hz微波：3x1083x1011Hz （2）聲壓與聲強(qiáng)介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無(wú)聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)之差稱(chēng)為聲壓。單位Pa（N/m2）聲強(qiáng)指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波強(qiáng)度。單位W/m2（3）物質(zhì)的聲學(xué)特性聲速：除水外，大部分液體中的聲速隨溫度升高而減小，而水中的聲速則隨溫度的升高而增加。液體中的聲速隨壓力的增加而增加。聲阻抗特性：直接表征介質(zhì)的聲學(xué)性能，其有效值等于傳聲介質(zhì)的密度與聲速c之積。記作Z = c（4）聲的吸收 介質(zhì)對(duì)聲波會(huì)吸收。均勻介質(zhì)對(duì)超聲波吸收不明顯，而介質(zhì)不均勻時(shí)，對(duì)聲波的吸收會(huì)很明顯。 3.9.2 超聲波波型及其物理性質(zhì) （1）超聲波波型縱波、橫波、表面波表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加迅速減弱。（2）超聲波的物理性質(zhì)振動(dòng)頻率高、波長(zhǎng)短，穿透能力強(qiáng)。例如，在鋼材中可穿透10米以上。在