第5章 機(jī)械常用傳感器課件

第五章常用機(jī)械量測量的傳感器學(xué)習(xí)要求

了解傳感器的選用原則；

掌握機(jī)械工程測試中常用各種傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)及其適用范圍。第5章機(jī)械常用傳感器傳感器的基本組成

敏感元件：直接感受被測量，輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量。

轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出作為轉(zhuǎn)換元件的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。

轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參量轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號。第5章機(jī)械常用傳感器一、常用傳感器分類1、按被測物理量分類機(jī)械量: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,

風(fēng)速,流速,流量；聲:

聲壓,噪聲；磁:

磁通,磁場；溫度:

溫度,熱量,比熱；光：亮度，色彩。常見的被測物理量2、按傳感器工作原理分類機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等。第5章機(jī)械常用傳感器3、按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型(無源傳感器）:

直接由被測對象輸入能量使其工作。

例如:熱電偶溫度計,磁電式加速度計。能量控制型（有源傳感器）:

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:電阻應(yīng)變片。V第5章機(jī)械常用傳感器4、按信號變換特征物性型傳感器:

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。例如:水銀溫度計。結(jié)構(gòu)型傳感器:

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:電容式和電感式傳感器。第5章機(jī)械常用傳感器二、機(jī)械式傳感器及儀器測力計

機(jī)械式傳感器以彈性體作為敏感元件，輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。

彈性變形經(jīng)放大后可轉(zhuǎn)化為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示被測量的大小。

應(yīng)用實例：測力計、壓力計和溫度計。第5章機(jī)械常用傳感器壓力計溫度計彈性膜片波紋管波登管第5章機(jī)械常用傳感器特點

機(jī)械式指示儀表結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低、讀數(shù)直觀；彈性變形不宜大，以減小線性誤差；慣性大、固有頻率低，只宜測緩變或靜態(tài)被測量。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象，影響輸出與輸入的線性關(guān)系。解釋

蠕變：固體材料在保持應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時間緩慢增長的現(xiàn)象。

彈性后效：指載荷在停止變化之后，彈性元件在一段時間之內(nèi)還會繼續(xù)產(chǎn)生類似蠕動的位移。第5章機(jī)械常用傳感器三、渦流式傳感器利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。高頻反射式渦流傳感器工作原理

渦流產(chǎn)生：當(dāng)線圈中通以一交變高頻電流i時，會引起一交變磁通Ф。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應(yīng)電流i1，該電流i1即為渦流。

抵抗作用：根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁通Ф1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即Ф1將抵抗Ф的變化。變換原理第5章機(jī)械常用傳感器原線圈的等效阻抗Z（equivalentimpedance）的變化金屬板電阻率磁導(dǎo)率線圈激磁圓頻率

改變δ可作為位移、振動測量；改變ρ,μ可作為材質(zhì)鑒別或探傷。第5章機(jī)械常用傳感器徑向振動測量

軸心軌跡測量工程應(yīng)用實例

渦流式傳感器可用于動態(tài)非接觸測量。近年來渦流式位移和振動測量儀、測厚儀和無損檢測探傷儀等在機(jī)械、冶金等部門中日益得到廣泛應(yīng)用。第5章機(jī)械常用傳感器轉(zhuǎn)速測量

零件計數(shù)器

表面裂紋測量

穿透式測厚

第5章機(jī)械常用傳感器

安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺“軟x光”掃描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法可合成完整的光學(xué)圖像。

電渦流式通道安全檢查門第5章機(jī)械常用傳感器手持式裂紋測量儀

電渦流表面探傷油管探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。第5章機(jī)械常用傳感器+++

A

四、電容式傳感器工作原理

采用電容器作為敏感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。

平板電容器的電容量

—極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，空氣中—真空中介電常數(shù)，—極板間距離A

—極板面積第5章機(jī)械常用傳感器（1）極距變化型

極距有一微小變化量dδ時，引起電容變化量

靈敏度分類

由于靈敏度隨極距變化，引起非線性誤差，規(guī)定在較小的間隙范圍內(nèi)工作，一般取第5章機(jī)械常用傳感器指紋識別第5章機(jī)械常用傳感器指紋識別

優(yōu)點：體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。

指紋識別目前常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。右圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖第5章機(jī)械常用傳感器（2）面積變化型特點

輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度低，適于較大直線位移及角位移測量。第5章機(jī)械常用傳感器油量表可用于飛機(jī)油箱（3）介質(zhì)變化型

用于測量電介質(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量溫度、濕度、容量等。第5章機(jī)械常用傳感器測量電路

電容式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電容量的變化后再由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。（1）電橋型電路

電容傳感器作為電橋的一部分，電容變化轉(zhuǎn)換為電橋電壓輸出。圖示為電感、電容組成的交流電橋。電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后輸出。第5章機(jī)械常用傳感器（2）調(diào)頻電路

電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩器的諧振頻率振蕩回路電感

當(dāng)被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓俜糯蠛笥捎涗浧骰蝻@示儀表指示。第5章機(jī)械常用傳感器（1）電容式測厚儀:測量金屬帶材在軋制過程中厚度

C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個電容，當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映此變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。

應(yīng)用實例

電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測試中。精度和穩(wěn)定性日益提高，高精度達(dá)0.01%，精度可達(dá)5μm。第5章機(jī)械常用傳感器

當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。（2）電容式轉(zhuǎn)速傳感器

設(shè)齒數(shù)為z，頻率為f，則轉(zhuǎn)速第5章機(jī)械常用傳感器

一個電容測微儀其傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始間隙δ=0.3mm，問：1）工作時，如果傳感器與工件的間隙變化量Δδ=±1μm時，電容變化量是多少？2）如果測量電路的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在Δδ=±1μm時，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？

例解：極距變化型電容傳感器電容的變化量儀表的指示值變化為

靈敏度？第5章機(jī)械常用傳感器五、磁電式傳感器

一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的裝置，又稱電磁感應(yīng)式或電動式傳感器。

由電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過線圈的磁通Φ發(fā)生變化時，線圈中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢

磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都可改變線圈的感應(yīng)電動勢。第5章機(jī)械常用傳感器分類1、動圈式

線速度型

在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場內(nèi)，線圈在磁場中作直線運動，切割磁力線，因此所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢說明

當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（B，l，N）選定，則感應(yīng)電動勢e的大小使正比于線圈的運動速度v。

將測得的速度經(jīng)微分和積分運算又可得加速度和位移，因此速度傳感器又可用來測量運動物體的位移和加速度。第5章機(jī)械常用傳感器

可測量物體轉(zhuǎn)速。

角速度型

線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢說明

當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（N，B，

A）選定時，感應(yīng)電動勢e與線圈相對于磁場的轉(zhuǎn)動角速度成正比。第5章機(jī)械常用傳感器動圈磁電式傳感器等效電路導(dǎo)線電阻負(fù)載電阻線圈阻抗

等效電路輸出電壓導(dǎo)線分布電容第5章機(jī)械常用傳感器六、壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型換能器。

機(jī)械能電能：用來測量力、壓力、加速度等；

電能機(jī)械能：用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚聲器。優(yōu)點

體積??；重量小；固有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍0.1~20kHz)；靈敏度高（加速度傳感器可測10-2～105m·s-2、力傳感器分辨力達(dá)10-3N）。第5章機(jī)械常用傳感器形式電軸機(jī)械軸光軸

縱向壓電效應(yīng)：沿電軸X-X方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。

橫向壓電效應(yīng)：將沿機(jī)械軸Y-Y方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。

切向效應(yīng)：沿相對兩平面加力。

當(dāng)沿光軸Z-Z方向作用有力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第5章機(jī)械常用傳感器實驗證明：壓電效應(yīng)呈線性。

晶體表面出現(xiàn)的電荷的多少和形變的大小成正比，形變改變符號時，電荷也改變符號。說明

石英晶體切片受x向壓力，產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，與切片的幾何尺寸無關(guān)；

石英晶體切片受y向壓力，產(chǎn)生的電荷量與切片的幾何尺寸有關(guān)，且電荷的極性與沿x軸施加壓力時產(chǎn)生的電荷極性相反。第5章機(jī)械常用傳感器天然形成的石英晶體外形2、壓電材料主要有壓電單晶、壓電陶瓷和有機(jī)壓電薄膜三類。第5章機(jī)械常用傳感器石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝第5章機(jī)械常用傳感器壓電陶瓷未極化正極化極化后

極化過程常用的有鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。利用強(qiáng)電場使陶瓷電疇規(guī)則排列，呈現(xiàn)壓電性。極化電場去除后，電疇取向保持不變，常溫下呈壓電性。第5章機(jī)械常用傳感器高分子壓電薄膜第5章機(jī)械常用傳感器測量電路前置放大器電路作用

將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；

放大傳感器輸出的微弱電信號。

前置放大器電路的兩種形式

用電阻反饋的電壓放大器，輸出受連接電纜對地電容的影響。

帶電容反饋的電荷放大器。第5章機(jī)械常用傳感器粘貼位置工程應(yīng)用實例

玻璃打碎報警裝置

將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。第5章機(jī)械常用傳感器七、電阻應(yīng)變式傳感器可測參數(shù)：應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等?？煞譃榻饘匐娮钁?yīng)變片式和半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類。（1）金屬電阻應(yīng)變片工作原理

常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式兩種。當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值發(fā)生變化。位移、力、力矩、加速度、壓力彈性敏感元件

應(yīng)變

第5章機(jī)械常用傳感器金屬絲電阻應(yīng)變片

金屬絲式應(yīng)變片是用0.01～0.05mm的金屬絲繞成敏感柵，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路上。第5章機(jī)械常用傳感器金屬箔式應(yīng)變片

優(yōu)點：可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準(zhǔn)確的敏感柵；散熱條件好；生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

金屬箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻技術(shù)，將厚約為0.003～0.01mm的金屬箔片制成敏感柵。第5章機(jī)械常用傳感器實際中的金屬應(yīng)變片

優(yōu)點：穩(wěn)定性和溫度特性好缺點：靈敏度系數(shù)小第5章機(jī)械常用傳感器應(yīng)變片的使用

將應(yīng)變片粘貼于彈性元件或被測構(gòu)件預(yù)定部位的表面。外力作用下，金屬絲隨物體一同變形，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)

目測電阻應(yīng)變片有無缺陷；用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大??；試件表面處理；應(yīng)變片粘貼；焊線；用兆歐表檢查應(yīng)變片的引線與試件之間的絕緣阻值，應(yīng)大于50M歐；應(yīng)變片保護(hù)。第5章機(jī)械常用傳感器

金屬電阻應(yīng)變片電阻值

電阻增量

電阻的相對變化縱向應(yīng)變橫向應(yīng)變幾何尺寸變形電阻率變化第5章機(jī)械常用傳感器

金屬電阻應(yīng)變片電阻值由電阻絲幾何尺寸改變引起電阻的變化。說明

Sg為應(yīng)變片系數(shù)或靈敏度，金屬電阻絲的靈敏度常在1.7-3.6，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、或鐵鎳合金等。

電阻絲應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)阻值有60、120、350、600和1000Ω。其中120Ω最為常用。靈敏度第5章機(jī)械常用傳感器（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理

單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。靈敏度特點

靈敏度高，分辨率高，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小、體積??；

溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。第5章機(jī)械常用傳感器應(yīng)用實例

將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。齒輪彎矩機(jī)身應(yīng)力立柱應(yīng)力橋梁應(yīng)力第5章機(jī)械常用傳感器

應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。

彈性元件將得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。第5章機(jī)械常用傳感器4、典型動態(tài)電阻應(yīng)變儀動態(tài)電阻應(yīng)變儀電路原理框圖

第5章機(jī)械常用傳感器

有一電阻應(yīng)變片靈敏度Sg=2，R=120Ω，設(shè)工作時電壓1.5V，其應(yīng)變?yōu)?000με，問ΔR=？試求：1）無應(yīng)變時電流表示值；2）有應(yīng)變時電流表示值。

例解：（1）無應(yīng)變時（2）有應(yīng)變時第5章機(jī)械常用傳感器八、熱電式傳感器

溫度：反映了物體冷熱的程度，與自然界中的各種物理和化學(xué)過程相聯(lián)系。

溫度測量：以熱平衡為基礎(chǔ)。

溫度最本質(zhì)特性：當(dāng)兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導(dǎo)熱、換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。

測量方式：接觸式和非接觸式。模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！第5章機(jī)械常用傳感器CPU散熱風(fēng)扇低溫時顯示藍(lán)色溫度升高后變?yōu)榧t色溫度測量方法

變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用第5章機(jī)械常用傳感器氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比

體積熱膨脹式不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。第5章機(jī)械常用傳感器熱電式傳感器定義

把被測量（溫度）轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應(yīng)。分類

熱電偶傳感器熱電阻傳感器1、熱電偶傳感器

屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；

測溫范圍廣：下限可達(dá)-270

C，上限可達(dá)1800

C以上；

各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標(biāo)準(zhǔn)。（1）優(yōu)點第5章機(jī)械常用傳感器鎧裝型熱電偶可長達(dá)上百米普通裝配型熱電偶的外形柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)第5章機(jī)械常用傳感器2、熱電阻傳感器

利用電阻隨溫度變化的特點制