测试技术基础_第五章 常.ppt

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1、武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器1第五章第五章 常用传感器常用传感器5.1 概概 述述5.2 电阻传感器电阻传感器 5.3 电容传感器电容传感器5.4 电感传感器电感传感器5.5 磁电传感器磁电传感器5.6 压电传感器压电传感器5.7 磁敏传感器磁敏传感器5.8 传感器选用原则传感器选用原则武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器25.1

2、 概概 述述1.传感器传感器(Sensor)定义定义 传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成组成(GB766-87)(GB766-87)。狭义上，狭义上，非电信号非电信号 电信号电信号。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器3将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。将物理量变换成电信号的变化（水位、压

3、力等）。获得传感器信号的两种方法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）；直接获得电信号的变化（开关传感器）；在非电量电测系统中的作用在非电量电测系统中的作用F 敏感作用敏感作用：感受并拾取被测对象的信号感受并拾取被测对象的信号F变换作用变换作用：被测信号转换成易于检测和处理被测信号转换成易于检测和处理 的电信号的电信号武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器42.传感器的分类传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类(2)(2)按传感器

4、元件的变换原理分类按传感器元件的变换原理分类位移传感器位移传感器,流量传感器流量传感器,温度传感器等温度传感器等.电阻式电阻式,电容式电容式,电感式电感式,压电式压电式,光电式等光电式等.能量转换型能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作.例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计.能量控制型能量控制型: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.例如例如:电阻应变片电阻应变片.能量传递型能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现

5、 敏感检测敏感检测.例如例如:超声波发生器和接受器超声波发生器和接受器.(3)(3)按传感器的能量传递方式分类按传感器的能量传递方式分类武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器53.传感器的性能要求传感器的性能要求工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力与检测系统匹配性好，转换灵敏度高与检测系统匹配性好，转换灵敏度高精度适当，稳定性高精度适当，稳定性高反应速度快，工作可靠性高反应速度快，工作可靠性高适应性和适用性强适应性和适用

6、性强武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器64.常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量:长度长度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋转角旋转角,转数转数,质量质量,重量重量,力力,压力压力,真空度真空度,力矩力矩,风速风速,流速流速,流量流量;声声:声压声压,噪声噪声.磁磁:磁通磁通,磁场磁场.温度温度:温度温度,热量热量,比热比热.光：光：亮度，色彩亮度，色彩武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of T

7、echnology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器7电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为是把被测量转换为电阻变化电阻变化的一种传感器。的一种传感器。按工作的原理可分为按工作的原理可分为:F热敏式热敏式F电阻应变式电阻应变式F变阻器式变阻器式F光敏式光敏式F湿敏式湿敏式5.2 电阻式传感器电阻式传感器武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器81.可调电位器可调电位器 为输出电压为输出电压(V)(V)；为外加固定电压为外加固定电压(V);(V)

8、;为材料的总电阻为材料的总电阻();为固定端至滑块的电阻为固定端至滑块的电阻()()武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器92.应变式电阻传感器应变式电阻传感器丝式应变片丝式应变片 箔式应变片箔式应变片 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器10(1).(1).应变效应应变效应导体或半导体在外力作用下产生导体或半导体在外力作用下产生机械变形机

9、械变形而引起导体或半而引起导体或半导体的导体的电阻值发生变化电阻值发生变化的物理现象称为的物理现象称为应变效应应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量应变量转换成转换成电阻变化量电阻变化量的传感元件。的传感元件。应变片受力应变片受力 应变应变 比例关系比例关系 比例关系比例关系 应变片电阻的变化应变片电阻的变化 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器11(2).(2).工作原理工作原理式中，式中，导线的电阻率

10、，又称为电阻系数导线的电阻率，又称为电阻系数 金属导线的金属导线的应变电阻效应应变电阻效应：当金属丝由于受到轴向力当金属丝由于受到轴向力P P而伸长时，长度增长，截面积减而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器12S S由两部分组成：由两部分组成：前一部分前一部分(1+

11、2)(1+2)是由金属导线的是由金属导线的几何变形几何变形引起的；引起的；后一部分后一部分EE除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。本身的特性有关。：泊松系数，泊松系数，E:E:弹性模量，弹性模量，:纵向应变，纵向应变，:压阻系数压阻系数 推导推导武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器13 金属应变片（金属应变片（不变）不变）金属应变计金属应变计 半导体应变片（半导体应变片（变化）变化）半导体应变计半导体应变计武汉理工

12、大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器14(3).(3).应变片的主要参数应变片的主要参数 1)几何参数：表距几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用制造厂常用 bL 表示。表示。2)电阻值：应变计的原始电阻值。电阻值：应变计的原始电阻值。3)灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4)其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳

13、寿命、横向灵敏度等）。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器15(4).(4).金属电阻应变片金属电阻应变片金属电阻应变片有金属电阻应变片有:1、丝式丝式 2、箔式箔式 3、薄膜式薄膜式优点优点:稳定性和温度稳定性和温度特性好特性好.缺点缺点:灵敏度系数小灵敏度系数小.应变计武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器16(5).(5).半导体应变

14、片半导体应变片优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大;体积小体积小;能能制成具有一定应变电阻的元件制成具有一定应变电阻的元件.缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不温度稳定性和可重复性不如金属应变片如金属应变片。应变计体型体型薄膜型薄膜型扩散型扩散型武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器17立柱应力立柱应力 桥梁应力桥梁应力(6).(6).应变式电阻传感器的应用应变式电阻传感器的应用 德国德国HBMHBM电阻应变式传感器电阻应变式传感器 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学

15、机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器18质量传感器质量传感器 位移传感器位移传感器 加速度计加速度计 压力传感器压力传感器 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器19压力传感器压力传感器 转矩传感器转矩传感器 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器2

16、0 3.其他电阻传感器其他电阻传感器(1).(1).热电阻传感器热电阻传感器 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。阻效应制成的传感器。温度(热量)的变化电阻的变化 温度检测温度检测:-200+500武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器21(2).(2).热敏电阻传感器热敏电阻传感器 圆形热敏电阻圆形热敏电阻 柱形热敏电阻柱形热敏电阻 珠形热敏电阻珠形热敏电阻 热敏电阻在电路中的符号热敏电阻在

17、电路中的符号 非线性元件非线性元件:它的温度它的温度-电阻关系是指数关系电阻关系是指数关系 温度为温度为-50-50350350 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器22(3).(3).光敏电阻传感器光敏电阻传感器(4).(4).湿敏电阻传感器湿敏电阻传感器 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器235.3 电容式传感器电容式传感器 1.变

18、换原理变换原理 将被测物理量的变化转化为电容量变化。将被测物理量的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器,它的电容量为它的电容量为:+A 当当被被测测量量、A或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电电容容的的变变化化。如如果果保保持持其其中中的的两两个个参参数数不不变变，而而仅仅改改变变另另一一个个参参数数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器242.

19、分类分类 a)a)极距变化型极距变化型+c)c)介质变化型介质变化型b)b)面积变化型面积变化型:平面线位移型平面线位移型,角位移型角位移型,柱面线位移型柱面线位移型武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器253.灵敏度灵敏度 a)a)极距变化型极距变化型传感器的灵敏度近似为：传感器的灵敏度近似为：变极距电容传感器变极距电容传感器 平板电容器平板电容器 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基

20、础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器26传感器灵敏度传感器灵敏度b)b)面积变化型面积变化型a)a)直线位移型直线位移型 直线位移型直线位移型b)b)角位移型角位移型 传感器传感器灵敏度灵敏度 角位移型角位移型武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器27c)c)介质变化型介质变化型介质常数变化型电容式传感器介质常数变化型电容式传感器大多用于测量电介质的厚度大多用于测量电介质的厚度(图图a)a)、位移、位移(图图b)b)、液位、液位(图图c)c)根据极板介质的

21、介电常数随根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量来测量温度、湿度、容量(图图d)d)等等 。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器284.电容式传感器的应用电容式传感器的应用振动测量振动测量 旋转轴的偏心量的测量旋转轴的偏心量的测量 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器29电容式氢

22、液高度传感器电容式氢液高度传感器 纱条均匀度测试仪纱条均匀度测试仪 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器305.4 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应电磁感应原理，它是把原理，它是把被测量被测量转转化为化为电感量电感量的一种装置。的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technol

23、ogy测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器311.可变磁阻式可变磁阻式(自感型自感型)原理原理:电磁感应电磁感应 W:W:线圈匝数；线圈匝数；L L1 1:软铁长度；软铁长度；1 1：软铁磁导率；软铁磁导率；0 0：空气磁导率：空气磁导率A A1 1：铁芯导磁截面：铁芯导磁截面A A0 0：空气导磁截面：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理可变磁阻式传感器基本原理 1 1线圈线圈 2.2.铁芯铁芯 3.3.衔铁衔铁 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常

24、用传感器32(1).(1).间隙变化型间隙变化型间隙变化型可变磁阻式传感器结构间隙变化型可变磁阻式传感器结构 当当0、A0固定不变，改变固定不变，改变时，时，L与与呈非线形（双曲线）关系，呈非线形（双曲线）关系，L L与与的双曲线关系的双曲线关系 传感器灵敏度：传感器灵敏度：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器33(2).(2).面积变化型面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构面积变化型可变磁阻式传感器结构 当当0、固定不变，改变固定不变，改变A0时，时，L与与A

25、0呈线形关系，呈线形关系，传感器灵敏度传感器灵敏度 L L与与A A0 0的的线形关系线形关系=常数常数武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器34(3).(3).螺线管型螺线管型 当其它参数不变，仅改变当其它参数不变，仅改变L L1 1，使，使R Rm m变化，从而变化，从而产生电感的变化。产生电感的变化。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感

26、器35(4).(4).差动型差动型变间隙型差动变压器变间隙型差动变压器 输出特性输出特性传感器灵敏度传感器灵敏度 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器362.涡流式电感传感器涡流式电感传感器 当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流涡流。涡流的大小与金属板的电阻率涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、磁导率、厚

27、度、厚度t，以及，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。涡流式电感传感器可分涡流式电感传感器可分为为 1）高频反射式高频反射式 2）低频投射式低频投射式 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器37原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：(1).(1).高频反射式（高频反射式（集肤效应）集肤效应）高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan Uni

28、versity of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器38(2).(2).低频透射式（互感原理）低频透射式（互感原理）低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 e e2 2随材料厚度增加变化的规律随材料厚度增加变化的规律 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器394.4.涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量径向振动的测量径向振动的测量 构件振幅的测量构件振幅的

29、测量 构件振型的测量构件振型的测量 轴心轨迹的测量轴心轨迹的测量 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器40其中，其中，n为转轴的转速；为转轴的转速；f为脉冲频率；为脉冲频率；z为转轴上的槽数或为转轴上的槽数或齿数。齿数。案例案例:转速的测量转速的测量武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器41案例：案例：测厚测厚案例：案例：零件计数零件计数武

30、汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器42案例：案例：连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器43案例：案例：无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测武汉理工大学机电工程学院

31、武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器443.变压器式变压器式-差动变压器差动变压器工作原理工作原理:互感现象互感现象.武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器45应用应用:厚度厚度,角度角度,表面粗糙度表面粗糙度;拉伸拉伸,压缩压缩,垂直度垂直度;压力压力,流量流量,液位液位;张力张力,重力重力,负荷量负荷量;扭矩扭矩,应力应力,动力动力;气压气压,温度温度;振动振

32、动,速度速度,加速度加速度;等等.案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器465.5 磁电传感器磁电传感器 1.变换原理变换原理 磁电式传感器是把被测量的磁电式传感器是把被测量的物理量物理量转换为转换为感应电动感应电动势势的一种转换器。的一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因

33、素，都会改变线圈的感应电动势。改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器472.分类分类 磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器483.动圈式传感器动圈式传感器 W:W:线圈的匝数线圈的匝数;l:每匝线圈的有效长度；每匝线圈的有效长度；B:B:线圈所在磁场的磁感应强度

34、；线圈所在磁场的磁感应强度；A:A:每匝线圈的截面积；每匝线圈的截面积；:线圈运动方向与磁场方向的夹角；线圈运动方向与磁场方向的夹角；k:k:传感器的结构系数。传感器的结构系数。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器494.磁阻式传感器磁阻式传感器 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器505.磁电传感器的应用磁电传感器的应用 测速测速电机电

35、机磁电式测速传感器磁电式测速传感器武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器51测频数测频数 测转速测转速 偏心测量偏心测量 振动测量振动测量 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器525.6 压电传感器压电传感器 1.变换原理变换原理 某些物质，如石英，当某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内

36、部尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为原来的状态，这种现象称为压电效应压电效应。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器53压电效应压电效应式中，式中，q为电荷为电荷量量；D为压电常数，与材质及切为压电常数，与材质及切片方向有关；片方向有关；F为作用力。为作用力。q=DF武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Tec

37、hnology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器54ea：开路电压；开路电压；q:压电晶片表面上的电荷；压电晶片表面上的电荷；Ca 为压电晶片的电容。为压电晶片的电容。2.测量电路测量电路 等效电荷源等效电荷源 Cc:分布电容；分布电容；Ri:输入电阻；输入电阻；Ra:漏电阻；漏电阻；Ci:输入电容输入电容武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器55其中，其中，Cc:分布电容；分布电容；Ri:输入电阻；输入电阻；Ra:漏电阻；漏电阻；Ci:输入电

38、容；输入电容；D为压电为压电常数。常数。(1)足够高时，才可能测试不失真；足够高时，才可能测试不失真；(2)足够高时，输出不受足够高时，输出不受Ri的影响；的影响；武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器56压电式传感器输出电荷压电式传感器输出电荷q很少，内阻很少，内阻Ra很大，输出信号很很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：弱小，因此要进行处理：(1)放大放大微弱的压电信号微弱的压电信号(2)进行进行阻抗匹配阻抗匹配 电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器(1).

39、(1).主要作用主要作用武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器57放大器的输入电压：放大器的输入电压：系统的输出电压为：系统的输出电压为：系统的灵敏度为：系统的灵敏度为：当电缆长度变化当电缆长度变化时，时，Cc变化，变化，ei变化，系统的灵变化，系统的灵敏度发生变化，敏度发生变化，此时测试比较困此时测试比较困难难(2).(2).电压放大器电压放大器武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测

40、试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器58qqt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推导推导(3).(3).电荷放大器电荷放大器武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器593.压电传感器的应用压电传感器的应用压力变送器压力变送器加速度计，力传感器加速度计，力传感器 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础

41、测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器60压电式压力传感压电式压力传感 压电式压力传感器特性压电式压力传感器特性 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器61阻抗头的结构原理图阻抗头的结构原理图 阻抗头的安装结构阻抗头的安装结构 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器62武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan Uni

42、versity of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器635.7 磁敏传感器磁敏传感器1.半导体霍尔元件半导体霍尔元件霍尔效应霍尔效应 当半导体中流过一个电流时，若在与该电流垂直的方向当半导体中流过一个电流时，若在与该电流垂直的方向上外加一个磁场，则在与电流及磁场分别成直角的方向上上外加一个磁场，则在与电流及磁场分别成直角的方向上会产生一个电压。这种现象也称为霍尔效应会产生一个电压。这种现象也称为霍尔效应。霍尔效应原理图霍尔效应原理图 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技

43、术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器64半导体霍尔元件的结构半导体霍尔元件的结构 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器65半导体磁敏电阻半导体磁敏电阻 半导体磁敏电阻的结构半导体磁敏电阻的结构(蛇形元件蛇形元件)利用磁场造成的电利用磁场造成的电流偏转使元件阻抗增加流偏转使元件阻抗增加这种特点制成的双端磁这种特点制成的双端磁敏传感器。敏传感器。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测

44、试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器66磁性体磁敏电阻磁性体磁敏电阻 利用强磁材料利用强磁材料的磁场异向性制成的磁场异向性制成的磁敏元件。的磁敏元件。磁性体磁敏电阻的结构磁性体磁敏电阻的结构 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器67电磁感应型磁敏传感器电磁感应型磁敏传感器 原理：原理：范围：范围：法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 只能检测交流磁只能检测交流磁场，不能检测直流场，不能检测直流磁场磁场 电磁感应型磁敏传感器电磁感应型磁敏传感器 武

45、汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器682.磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用 电流计 磁感应开关 磁敏电位器 霍尔电动机 纸币及预付卡识别设 卡形电流计的结构卡形电流计的结构 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器69霍尔电动机的结构示意图霍尔电动机的结构示意图 霍尔电动机等效电路霍尔电动机等效电路 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工

46、程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器705.8 传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1.灵敏度灵敏度 一一般般说说来来，传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高越越好好，但但在在确确定定灵灵敏敏度时，要考虑以下几个问题。度时，要考虑以下几个问题。a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题；b)b)量程范围。量程范围。武汉理工大学机电

47、工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器713 3 响应特性响应特性 传传感感器器的的响响应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，保保持持不不失真失真的测量条件。的测量条件。实实际际上上传传感感器器的的响响应应总总不不可可避避免免地地有有一一定定延延迟迟，但但总希望延迟的时间越短越好。总希望延迟的时间越短越好。2 2 线性范围线性范围 任任何何传传感感器器都都有有一一定定的的线线性性工工作作范范围围。在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系，线线性

48、性范范围围愈愈宽宽，则则表表明明传传感感器器的的工工作作量量程程愈愈大大。传传感感器器工工作作在在线线性性区区域域内内，是是保保证证测量精度的基本条件。测量精度的基本条件。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器724 4 稳定性稳定性 稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期使使用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能。影影响响传传感感器器稳稳定定性性的的因因素素是是时时间间与环境。与环境。5 5 精确度精确度 传传感感器器的的精

49、精确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测测量量的的对对应程度。应程度。6 6 测量方式测量方式 传传感感器器工工作作方方式式，也也是是选选择择传传感感器器时时应应考考虑虑的的重重要要因因素素。例例如如，接接触触与与非非接接触触测测量量、破破坏坏与与非非破破坏坏性性测测量量、在线与非在线测量等。在线与非在线测量等。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器73应变片受力后，电阻的变化应变片受力后，电阻的变化dRdR 则则两边同除以两边同除以R，同时，同时R=

50、L/A，则，则dL/L=金属导线长度的相对变化，称金属导线长度的相对变化，称纵向应变纵向应变。d/导线电阻率的相对变化。导线电阻率的相对变化。dA/A导线截面积的相对变化，称为导线截面积的相对变化，称为称横向应变称横向应变。(2).(2).工作原理工作原理武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology测试技术基础测试技术基础第五章第五章 常用传感器常用传感器74对于圆形截面积的导线，若其半径为对于圆形截面积的导线，若其半径为r，则，则 横向应变横向应变dr/r和纵向应变和纵向应变dL/L之比称为泊桑比，即之比称为泊桑比，即 故故 武