第三章 常用传感器和敏感元件
常用传感器与敏感元件
第三章常用传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理;它是把被测量转 化为电感量变化的一种装置;
分类:
电感式传感器
自感型
可变磁阻型
互感型
涡流式
测试技术基础
1 可变磁阻式自感型
原理:电磁感应
LW 2 Rm
l 2d
Rm
A
0A0
W：线圈匝数；
l：软铁长度；
：软铁磁导率；
0：空气磁导率
A：铁芯导磁截面
A0：空气导磁截面
L
面积变化型可变磁阻式传感器结构
传感器灵敏度
0 L与A0的线形关系
A0
S dL W 20 dA 2d0
=常数
l
测试技术基础
3 螺线管型
LW 2 Rm
l 2d
Rm
A
0A0
当其它参数不变;仅改变l;使Rm 变化;从而产生电感的变化;
第三章常用传感器
L
x
测试技术基础
2 涡流式电感传感器
第三章常用传感器
1 热电阻传感器
利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的
温度电阻效应制成的传感器;
温度热量的变化电阻的变化 温度检测 :200℃～+500℃
测试技术基础
2 热敏电阻传感器
第三章常用传感器
圆形热敏电阻 柱形热敏电阻 珠形热敏电阻 热敏电阻在电路中的符号
非线性元件:它的温度电阻关系是指数关系 温度为50℃～＋350℃
一般取极距变化范围为 d/d0 0.1
第三章常用传感器
C
C
d
d
测试技术基础
第三章常用传感器
变极距型电容传感器差动结构
实际应用中;常把电容传感器作成差动结构;如图所示;
1常用传感器及敏感元件
第三章常用传感器与敏感元件 本章学习要求传达感觉的一种器件、人的眼睛传感器是一种获取信息的装置，是测 试系统的首要环节。
完成本章内容的学习 后应能作到：1.掌握常用传感器的工作原理与工业应用情况 总了解传感器的分类•了解传感器的测量电路1、定义 传感器：直接作用于被测量，并按一定的规律将其转换成同种或别独量值输出的装置。
传感^ -------- sensor, transducer3. 1常用传感器分类物理量 生物量获取的信息图&5・5b 电容式传声器的电路原理 敏感元件的输出就是转换元件 的输入，它把输入转换成电量参 量O把转换元件输出的电最信号转 换为便于处理、显示、记录或 控制的有用的电信号的电路。
直接感受被测量，输出与被测量成确定关系。
J ［被测量3分类物性型与结构性所谓物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变 化来实现信号的检测。
例如，用水银温度计测温。
是利用了水银 的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身 的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应 等。
所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来 实现信号转换的。
例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生 变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位 移引起自感或互感的变化等。
位移传感器⑴按被测物理量来分警更理督警温度传感器 (2)按传感器工作的物理原理来分 式式式式︙械气射体 机电辐流 (3)按信号变换特征来分 -物性型〔结构型(4)按传感器的能量转换 情况来分r 能量转换型I 能量控制型能量转换型与能量控制型能最转换型传感器（或称无海传SB）＞是直接由被测对象输入能量使其工作的。
例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。
能量控制型传感器（或称有源传感器），是从外部供给辅助能量使传感器工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化。
例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而又被测两变化所引起的电阻变化去控制电桥输出。
机械工程测试技术_课后习题及答案
第三章 常用传感器与敏感元件3-1 在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么？可举例说明。
解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。
3-2 试举出你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。
解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。
3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况来选用？解答：电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主要利用压阻效应。
电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。
半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散度大、非线性大。
选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。
3-4 有一电阻应变片（见图3-84），其灵敏度S g ＝2，R ＝120。
设工作时其应变为1000，问R ＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？解：根据应变效应表达式R /R =S g 得 R =S g R =2100010-6120= 1）I 1=R =120=0.0125A=2）I 2=(R +R )=(120+0.012475A= 3）=(I 2-I 1)/I 1100%=%4）电流变化量太小，很难从电流表中读出。
如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量的电流；如果采用毫安表，无法分辨的电流变化。
一般需要电桥来测量，将无应变时的灵位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。
3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取这些措施会带来什么样后果？解答：以气隙变化式为例进行分析。
20022N A dLS d μδδ==- 又因为线圈阻抗Z =L ，所以灵敏度又可写成20022N A dZ S d μωδδ==-图3-84 题3-4图由上式可见，灵敏度与磁路横截面积A 0、线圈匝数N 、电源角频率、铁芯磁导率0，气隙等有关。
《机械工程测试技术》第三章PPT课件
. 机械工程测试技术基础
1
第一节 传感器的分类
1、按被测量分类
位
力
温
湿
移
传
度
度
传
感
传
传
感
器
感
感
器
器
器
2020年10月19日星期
. 机械工程测试技术基础
2
机械式
3、按信号变换特征
2、
按
电气式
物性型
结构型
工
作
光学式
4、按能量关系
原
流体式
理
能量转换
能量控制
型(无源)
型(有源)
5、按输出信号：数字式、模拟式
8
第三节 电阻式传感器
电阻式传感器—一种把被测量转换为电阻变化的传感器。 分类— （一）变阻器式； （二）电阻应变式 一．变阻器式传感器（电位差计式） 定义：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的
变化。 根据电阻公式电阻R 为
R l
A
（3-1）
式中：ρ—电阻率；l—电阻丝长度； A—电阻丝截面积
从式中看出当电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线
长度而变化。
分类：（1）直线位移型 （2）角位移型 （3）非线性型
如图3-5 所示
2020年10月19日星期
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9
R
Δα
α
Δx C x
A
C
B a)
A B
C b)
x
A
B
c)
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图3-5 变阻器式传感器
a) 直线位移型 b) 角位移型
C
c)非线性型
. 机械工程测试技术基础
机械工程测试基础 第三章 传感器
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
第三章常用传感器与敏感元件
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§3-3 电阻式传感器
高电阻率的金属丝绕成栅形
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§3-3 电阻式传感器
栅状金属箔片用光刻成型，线 条均匀，尺寸准确，阻值一致 性好，散热好，粘接好。
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第二章 测试装置的基本特性 小结
基本特性： 静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰特性；
特性是统一的，各种特性之间是相互关联的； 要求掌握：
1）基本特性的评价方法； 2）不失真测试的条件； 3）一阶、二阶系统动态特性及其测定方法。
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本次课内容
第三章 常用的传感器与敏感元件 传感器定义 §3-1 传感器的分类 §3-2 机械式传感器 §3-3 电阻式传感器 金属电阻应变片 半导体应变片 §3-3 电容式传感器
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第三章 常用的传感器与敏感元件
第一节 传感器的分类 第二节 机械式传感器及仪器 第三节 电阻、电容与电感式传感器 第四节 磁电、压电与热电式传感器 第五节 光电传感器 第六节 光纤传感器 第七节 半导体传感器 第八节 红外测试系统 第九节 激光测试系统 第十节 传感器的选用原则
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§3-3 电阻式传感器
变阻器式传感器的后接电路，一般采用如下电阻分压电路：
u0 直流激励电压 uy传感器输出电压 xp变阻器总长度 Rp变阻器总电阻 RL测量电路输入电阻
DATE: 2019/11/26
PAGu0作用下，传感器输 入量x与输出量 uy之间 的关系：
第3章_常用传感器与敏感元件_第5-10节
半反射半透射镜 光电传感器
聚焦投镜 光源
反射带
光电耦合器 透射式转速计
反射式转速计
光电编码器
将位移转换成脉冲信号或数字信号输出的传感器称为
编码器。可用于位移和速度检测。有直线编码器和旋 转编码器。分为增量式和绝对式（数字式）编码器。
0000
1111
零位信号窗口 主信号窗口 编码盘
一、光纤传感器的类型
功能型（又叫传感型或全
光纤型）：光纤作为敏感 元件，利用光纤的传光特 光纤 性随着被测量（如应变、 压力、温度、电场、射线 光敏元件 等）而变化，从而使光纤 功能型光纤传感器示意图 内传输的光的特征参量 （强度、相位、频率、偏 振态、波长等）发生变化。非功能型（又叫传光型 或混合型）：光纤只是 只要检测出这些变化即可 传输光的导体，还需利 确定被测量的大小。光纤 用其它敏感元件（如光 既传光又传感。
1. 光电管(Phototube)
利用外光电效应，有真空光电管和充气光电管。
基本工作过程： 真空光电管：一定波长的光线→光电阴极发射电子 →被阳极吸收→形成光电流。 充气光电管（充有惰性气体）：阴极发射的电子撞 击惰性气体，使其电离，从而使阳极电流急剧增加， 提高了灵敏度。
光电阴极：由 光电材料涂敷 光电阴极 在玻璃泡内壁 阳极 或半圆筒形的 金属片上构成。
S F N 霍尔元件
N S 力的测量
霍尔元件 磁铁 磁铁随刀架一起转动 数控车床自动换刀控制
被测零件
非金属板
N 霍尔传感器 S 磁钢 计数装置
霍尔传感器产品
霍尔开关传感器 各种霍尔传感器
霍尔电流传感器
二、热敏电阻传感器
工作原理：利用半导体材料本身的电阻率随温度 而变化的特性。 特点：灵敏度高（电阻温度系数大，比一般金属 电阻大10～100倍）；结构简单，体积小，可进行 点测；热容量小，响应快，适宜动态测量；线性 差；稳定性和互换性较差。 类型：PTC、NTC和CTR。 结构： 直热式：圆柱形、圆片形、珠粒状、薄膜形、垫圈 形、扁形、杆形、管形、松叶状等。珠粒状体积小， 热时间常数小，适合制造点、表面温度计，如电子 体温计几乎100%都采用这种形式（NTC）。 旁热式：带有金属丝加热器。
3 常用传感器与敏感元件
(a)
(b)
1、3－分别是电容器的两个极板；2－不导电的液体介质
1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度 2.位移，移动，位置，膨胀 3.挠度，变形，波动，倾斜 4.尺寸，公差，分选，零件识别 5.冲击，应变，轴向振动 6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心
3.3.3 电感式传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量 转化为电感量的一种装置。 分类:
获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变 化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水 位、压力等）。
• 传感器在非电量电测系统中的作用： 一是 敏感作用：
感受并拾取被测对象的信号 二是变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理的电 信号
2. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类: 位移传感器,流量传感器,温度传感器等. (2)按传感器元件的变换原理分类:
Z Z ( , , , ) Z f ( x)
a)高频反射式：（集肤效应）
b)低频透射式：（互感原理）
案例： 连续油管的椭圆度测量
原理：
Eddy
Sensor
Reference Circle
பைடு நூலகம்
Coiled Tube
案例： 无损探伤 火车轮检测
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
油管检测
2 0 r Ec ln(D / d )
变间距式
C
0 r A
d
1 K d
变介质式
2L 0 r1 2 ( L0 L) 0 2 0 L0 C C1 R R R ln ln ln r r r 2 0 ( r1 1) Ec R ln r
C1 Ec L 2L0 0 2 0 ( r1 1)
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第三章 常用传感器和敏感元件
几何参数： 栅长L和栅宽b， 制造厂常用b×L 表示。
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
箔式：线条均匀，尺寸准确，粘结情况好， 传递试件应变性能好
工作原理：
R l
A A r2
dR
R l
dl
R A
dA
R
d
dR
r2
dl
2
l r3
dr
l r
2
d
dl
第三章 常用传感器
被测机械量—转—化—为—与之相应的易于传输、识别、处 理的电信号的装置
第一节 传感器的分类
位移传感器 按被 力传感器 测量 温度传感器
机械式 按工作 电气式
原理 光学式 流体式
按信号 物性型：例：压电式 变换特征 结构型：例：电容式
第三章 常用传感器和敏感元件
按敏感组件与被测对象之间的能量关系 能量转换型：直接由被测对象输入能量， 如：热电偶温度计 能量控制型：从外部供给辅助能量， 如：电阻应变计中电阻接于电桥上 模拟式
dR
R
灵敏度：
SgdR/R
较金属丝电阻应变片大50—70倍
第三章 常用传感器和敏感元件
金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：
前者利用导体形变引起阻值的变化， 后者利用半导体电阻率变化引起阻值的变化。 半导体应变片优点： 灵敏度高，机械滞后小，
横向效应小，体积小 缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大（晶向、杂质
l
纵向应变
R(
dl l
2
dr r
d
)
R (1 2 E)
drdl 电阻丝泊松比
r
l
压阻系数
d
E
弹性模量
与材质有关
第三章 常用传感器和敏感元件
dR(12E)
R
(12) ：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的
E ：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的
对于电阻丝： dR(12)
R
灵敏度： S gd/R Rd d//R lR12常
Sg=1.7—3.6 • 金属应变片有： 丝式、箔式 • 优点： 稳定性和温度特性好 • 缺点： 灵敏度系数小
第三章 常用传感器和敏感元件
（二）半导体应变片 工作原理：半导体材料的压阻效应
压阻效应：单晶半导体材料在 沿某一轴向受到外力作用时，
其电阻率 发生较大变化
dR(12)
R
对半导体：(12)
很小，可略去
按输出信号 数字式
第三章 常用传感器和敏感元件
第二节 机械式传感器
敏感元件：直接感受被测物理量
敏感组件： 弹性体 输入：力，压力，温度等
输出： 弹性组件本身的变形 特点： 简单、可靠、使用方便，价低， 读 数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜： 检测缓变或静态被测量
蠕变：固体材料在保持应力不变的 弹性后效是指载荷在停止变化之后， 情况下，应变随时间缓慢增长的现象 弹性元件在一段时间之内还会继续
产生类似蠕动的位移
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
微型探测开关
可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等
第三章 常用传感器和敏感元件
第三节 电阻式传感器 被测量 转—化—为-- 电阻变化
直线位移型传感器 变阻器式 角位移型传感器
非线性型
电阻传感器
电阻应变式
ห้องสมุดไป่ตู้
金属电阻应变片
丝式 箔式
比较 设定值
第三章 常用传感器和敏感元件
二．电阻应变式传感器
应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等
特点：体积小、动态响应快、精度高、使用方便
（一）金属电阻应变片传感器
丝式 箔式
工作原理：应变片发生机械变形时——引起电阻值变化 应变片工作时：粘固在被测物表面上或弹性体上
丝式： 康铜或镍铬合金 直径0.025mm
第三章 常用传感器和敏感元件
第四节 电感式传感器
自感型(L): 可变磁阻式
x RL
xp
RLRP时
uy
u0 xp
x
变阻器式传感器的优点：
简单、性能稳定、使2用0方m便
缺点：分辨力低，<20微米， 噪音较大 应用：测线位移，角位移
第三章 常用传感器和敏感元件
电阻式传感器
应用 案例1：重量的自动检测--配料设备
原理
原材料
用弹簧将力转换为位移;再 用变阻器将位移转换为电 阻的变化
惯性机构m
dR
R
注意：1）应变片的粘接
2）温度的影响，温度补偿
3）用于动态测量时，要注意应变
片的上限测量频率
第三章 常用传感器和敏感元件
原理：在桥中设置一三角形障碍物，
应用
利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激
励，再通过应变片测量桥梁动态变
案例1：桥梁固有频率测量
形，得到桥梁固有频率。
第三章 常用传感器和敏感元件
等因素影响），非线性误差大
（三）电阻应变式传感器的应用 1.直接测结构的应变或应力
2.将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等
弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由 转变为 R
的变化 ，再由后续电路转变为电压的变化
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
f (x) kx2
为使输出的阻值：
R(x)cf(x)ck2x
骨架当触点在x处时：
R(x) xr(x)dxkc2x 0 r ( x) ：任一位置微小区间内的电阻 r(x)2kcxK x
所以:骨架形状应为三角形
第三章 常用传感器和敏感元件
后接电路：电阻分压电路
uy
xp
u0 ( RP )(1
x)
半导体应变片
一、变阻器式传感器 位移———电阻变化
R l
A
第三章 常用传感器和敏感元件
直线位移型 灵敏度：
s ddRxkl 常
输入：x(位移)
输出：R(电阻) 测：直线位移
角位移型 sddRk 常 输入：角位移 输出：阻值R 测：角位移
第三章 常用传感器和敏感元件
非线性型 骨架按要求定
若被测量：f ( x) 要求：
案例2：电子称
原理
将物品重量通过悬臂梁转 化结构变形再通过应变片 转化为电量输出。
第三章 常用传感器和敏感元件
应变片有如下的优点：
①.测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、 可靠，可测1～2με，误差小于1％。②.应变 片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测 量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力 分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可 用于动态测量③.测量范围大。既可测量弹性 变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1 ％～2％。④.适应性强。可在高温、超低温、 高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下 使用。⑤.便于多点测量、远距离测量和遥测。 ⑥.价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选 择和使用，可以测量各种物理量。