機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章課件

1、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,1,第三章 常用的傳感器,Sensor, transducer, Resolution,threshold value,null,excitation,output Repeatability of measurement,hysteresis,drift Sensitivity,linearity,least-squares line, natural frequency Calibration,response,span,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,2,3-1 傳感器的分類,按被測(cè)量分類： 位移傳感器 力傳感器 溫度傳感器 按工作原理分類： 機(jī)械

2、式 電氣式 光電式 流體式,按信號(hào)變換特征分類： 物性型、結(jié)構(gòu)型 按敏感元件與被測(cè)對(duì)象間能量關(guān)系： 能量轉(zhuǎn)換型、能量控制型 按輸出信號(hào)分類： 模擬式、數(shù)字式,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,3,名詞,物性型傳感器： 依靠敏感元件材料本身物理化學(xué)性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換。如：水銀溫度計(jì)，壓電測(cè)力計(jì) 結(jié)構(gòu)型傳感器： 依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化而 實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。 如：電容式傳感器，電感式傳感器,能量轉(zhuǎn)換型傳感器：無源傳感器，直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。如熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì) 能量控制型傳感器：有源傳感器，從外部供給輔助能量使傳感器工作，并由被測(cè)量來控制外部供給能量的變化。 如：電阻應(yīng)變計(jì)

3、,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,4,3-2 機(jī)械式傳感器,以彈性體作為傳感器的敏感元件，又稱為彈性敏感元件。 輸入量：力、壓力、溫度 輸出：彈性元件本身的變形 轉(zhuǎn)變?yōu)閮x表指針的偏轉(zhuǎn)。 如：測(cè)力計(jì)、彈簧秤；波紋膜片；雙金屬片 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀。 缺點(diǎn)：放大和指示環(huán)節(jié)存在間隙，慣性大，固有頻率低。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,5,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,6,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,7,3-3 電阻式傳感器,機(jī)械量電阻變化 分類：變阻式大電阻式 應(yīng)變式小電阻式,一、變阻器式傳感器（電位計(jì)式）,電阻率，L長(zhǎng)度，A截面積,機(jī)械工程測(cè)

4、試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,8,單位長(zhǎng)度的電阻（常數(shù)）,輸入量：觸點(diǎn)C移動(dòng)量位移,C點(diǎn)與A點(diǎn)之間電阻輸出量,傳感器靈敏度,對(duì)于圖a:,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,9,當(dāng)：RL時(shí)，則：,在u0作用下，傳感器輸入量x與輸出量 uy之間的關(guān)系：,u0 直流激勵(lì)電壓 uy 傳感器輸出電壓 xp變阻器總長(zhǎng)度 Rp變阻器總電阻 RL后續(xù)測(cè)量電路的輸入電阻,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,10,優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便 缺點(diǎn)：分辨率低（低于20m），電噪聲大（uyx曲線為階梯形狀） 應(yīng)用于：線位移、角位移測(cè)量，測(cè)量?jī)x中電子電位差計(jì)等。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,11,

5、二、電阻應(yīng)變式傳感器,1 金屬電阻應(yīng)變片 金屬絲式應(yīng)變片（電阻絲式應(yīng)變片）、金屬箔式應(yīng)變片,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,12,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,13,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,14,應(yīng)變計(jì),金屬應(yīng)變計(jì),機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,15,由：,得到：,電阻的相對(duì)變化：,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,16,電阻絲軸向相對(duì)變形，縱向應(yīng)變,電阻絲徑向相對(duì)變形，橫向應(yīng)變,電阻絲材料泊松比,彈性模量,壓阻系數(shù),應(yīng)變系數(shù)或靈敏度,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,17,2 半導(dǎo)體應(yīng)變片,應(yīng)用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。 壓阻效應(yīng)：?jiǎn)尉О雽?dǎo)體材料在沿某一軸向受到外

6、力作用時(shí)，能使其電阻率發(fā)生很大變化的現(xiàn)象。,一般比金屬絲電阻應(yīng)變片大5070倍,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,18,優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高，機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小、體積小。 缺點(diǎn)： 溫度穩(wěn)定性能差，靈敏度分散大，在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,19,3 應(yīng)用,直接用來測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,20,將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度的傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,21,案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè),機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,22,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,23,機(jī)械

7、工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,24,案例：電子稱,原理 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)化為電量輸出。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,25,案例：橋梁固有頻率測(cè)量,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,26,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,27,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,28,案例：振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器,適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,29,案例：機(jī)器人握力測(cè)量,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,30,注意的問題： 應(yīng)變片測(cè)出的是應(yīng)變，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換 粘貼工藝很重要 用于動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，

8、應(yīng)考慮應(yīng)變片本身的動(dòng)態(tài)特性（激勵(lì)電源頻率、基片的長(zhǎng)度） 溫度變化引起阻值變化，需考慮溫度補(bǔ)償,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,31,3-4 電感傳感器,被測(cè)機(jī)械量電感量（互感量） 分類：自感型（可變磁阻式、電渦流式) 互感型（差動(dòng)變壓器式） 變換原理：基于電磁感應(yīng),機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,32,一、可變磁阻式電感傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,33,工作原理 ： 由電工學(xué)知，線圈自感量L為,W線圈匝數(shù) Rm 磁路總磁阻,如果空氣隙較小，而且不考慮磁路的鐵損時(shí)，總磁阻,l鐵心導(dǎo)磁長(zhǎng)度；鐵心導(dǎo)磁率；A鐵心導(dǎo)磁截面積，A=ab; 氣隙長(zhǎng)度；0空氣導(dǎo)磁率，0=410-7；A

9、0空氣隙導(dǎo)磁橫截面積。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,34,鐵心磁阻與空氣隙的磁阻相比很小，可忽略，則電感量：,可構(gòu)成、0 、A0 及W變化型傳感器 鐵心導(dǎo)磁率； A鐵心導(dǎo)磁截面積 氣隙長(zhǎng)度 W線圈匝數(shù),機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,35,在氣隙變化型中，L與是呈非線性關(guān)系（雙曲線）,靈敏度,由于S不是常數(shù)，會(huì)出現(xiàn)線性誤差，一般規(guī)定在較小間隙范圍內(nèi)工作，工作范圍00+，一般取/010%，這種傳感器使用于小位移的測(cè)量，一般為0.0011mm。 特點(diǎn)：靈敏度高。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,36,圖3-22 幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu),機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章

10、,37,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,38,電渦流式電感傳感器,工作原理：電渦流現(xiàn)象： 金屬板置于一只線圈附近，相互距離為。當(dāng)線圈中有一高頻交變電流I通過時(shí)，便產(chǎn)生磁通1。此交變磁通通過鄰近的金屬板，金屬板上便產(chǎn)生感應(yīng)電流i1。這種渦電流也將產(chǎn)生交變磁通1。根據(jù)楞次定律，渦電流的交變磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)變化方向相反，1總是抵抗的變化。由于渦流磁場(chǎng)的作用使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化，變化程度與距離有關(guān)。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,39,例如：ST-1-03型非接觸電渦流傳感器，測(cè)頭直徑：8，線性度：1.1%，測(cè)量范圍：2mm，穩(wěn)定度：0.05%/,靈敏度：8mv/m,分辨率：0.12

11、5m 其它、0 、A0 及W變化型，S為常數(shù)，但S比較低。 自感式傳感器，還有差動(dòng)式、單螺管、雙螺管差動(dòng)式。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,40,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,41,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,42,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,43,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,44,產(chǎn)品：,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,45,案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,46,案例：無損探傷,原理 裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。,火車輪檢測(cè),油管檢測(cè),機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,47,互感型-差動(dòng)變壓器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張

12、軍）第三章,48,工作原理： 利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象（與變壓器的原理相同）,M比例系數(shù)，稱為互感（H），其大小與兩線圈相對(duì)位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，它表明兩線圈之間的耦合程度。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,49,螺旋管式差動(dòng)變壓器式傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,50,傳感器線圈為原邊，R1、L1為線圈電阻、電感，渦流回路為付邊，R2、L2為等效電阻、電感，等效回路方程：,傳感器的線圈等效阻抗Z1,實(shí)部：線圈的等效電阻，虛部：線圈的等效電感 測(cè)得線圈等效電阻或等效電感變化就測(cè)得間隙的變化。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,51,變壓器由初級(jí)線圈W和兩個(gè)參數(shù)完

13、全相同的次級(jí)線圈W1、W2組成。線圈中心插入圓柱形鐵心P，次級(jí)線圈W1及W2 反極性串聯(lián)。 當(dāng)初級(jí)線圈W加上交流電壓時(shí)，次級(jí)線圈W1及W2分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e1和e2，其大小與鐵心位置有關(guān)。 當(dāng)鐵心在中間位置時(shí)，e1=e2，輸出電壓e0=0， 鐵心向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，e1e2 向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，e1e2。隨著鐵心偏離中心位置，e0逐漸增大，其輸出特性如圖所示,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,52,自感型的單螺管傳感器加上初級(jí)線圈W，都可以變成變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)式變壓器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,53,特點(diǎn)： 線性測(cè)量范圍大，可達(dá)100mm 精度高，分辨率可達(dá)0.1m， 穩(wěn)定性好（變壓器隔離

14、作用，支流去除）， 頻率響應(yīng)：0200Hz（頻率響應(yīng)低）,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,54,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,55,案例：板的厚度測(cè)量,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,56,案例：張力測(cè)量,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,57,3-5 電容式傳感器,被測(cè)量電容量變化,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,58,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,59,變化原理,平行極電容器,極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，在空氣中=1； 0真空中介電常數(shù)， 0=8.8510-12F/m； 極板間距離； A極板面積 當(dāng)、A、變化，都會(huì)引起電容的變化，對(duì)應(yīng)極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化

15、型。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,60,極距變化型，c 與之間關(guān)系呈非線性。,一般取/0 10%，S近似為常數(shù)，在此范圍內(nèi)，近似為線性。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,61,面積變化型,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,62,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,63,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,64,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,65,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,66,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,67,電容式接近開關(guān),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)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)

16、也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,68,測(cè)量電路,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,69,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,70,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,71,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,72,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,73,3-6 壓電式傳感器,被測(cè)機(jī)械量壓電敏感元件的電荷輸出,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,74,一、壓電材料與壓電效應(yīng),壓電效應(yīng),正壓電效應(yīng)：某些晶體在其表面施加力，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，在其表面出現(xiàn)電荷，形成電場(chǎng)；當(dāng)外力消失時(shí)，材料重

17、新回復(fù)到原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象成為正壓電效應(yīng)。 逆壓電效應(yīng)：將這些晶體置于電場(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)致物質(zhì)的機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮效應(yīng)。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,75,壓電材料,1壓電單晶石英、鈮酸鋰，穩(wěn)定性好，靈敏度低 壓電多晶壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛，穩(wěn)定性差，靈敏度高 壓電半導(dǎo)體有壓電半導(dǎo)體兩特性 有機(jī)壓電薄膜聚丙二氟乙烯（PVPF），靈敏度低，用于微壓、擬人觸覺，大面積生產(chǎn)，柔軟不易碎。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,76,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,77,二、石英晶體的正壓電效應(yīng),石英晶體成分SiO2，其基本結(jié)構(gòu)為六棱柱

18、體，石英晶體的直角坐標(biāo)： X-X壓電軸, Y-Y機(jī)械軸, Z-Z光軸,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,78,在石英晶體中切出一個(gè)平行六面體，其對(duì)表面分別垂直于X、Y、Z軸。,a)縱向效應(yīng),b)橫向效應(yīng),c)切向效應(yīng),機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,79,縱向壓電效應(yīng) 沿X方向施加Fx力，將在垂直于X軸表面出現(xiàn)電荷qx qx=d11Fx d11=2.3110-12C/N,橫向壓電效應(yīng) 沿Y方向施加Fy力，將在垂直于X軸表面出現(xiàn)電荷qx qx=-d11Fy,切向壓電效應(yīng) 在垂直于Z軸兩個(gè)石英表面上施加切向力Fy切，則在垂直于XX軸的表面產(chǎn)生電荷qx qx=d14Fy切 d14=0.7310

19、-12C/N,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,80,！沿Z軸表面施加Fz作用力，其表面不產(chǎn)生電荷。,三、石英晶體壓電效應(yīng)的物理解釋,組成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于Z軸平面上的投影可以等效為正六邊形的頂點(diǎn)排列。 當(dāng)不受力時(shí)，硅、氧離子的正、負(fù)電荷的等效作用中心重合，對(duì)外不顯電性。 縱向壓電效應(yīng) 在Fx力的作用下，石英晶體變形，硅、氧離子的正、負(fù)電荷的等效作用中心沿X軸方向分離，因此在垂直于X軸的晶體表面將吸附電荷（形成偶極子電場(chǎng)，與外力電場(chǎng)平衡。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,81,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,82,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,83,機(jī)械工程測(cè)試

20、技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,84,四、壓電傳感器及等效電路,單向石英壓電測(cè)力傳感器,若R0時(shí),石英=4.5 鋯鈦酸鉛=1200,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,85,傳感器輸出電壓u與C0、R0的關(guān)系,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,86,其穩(wěn)態(tài)解為,電容上的電壓值為,在C一定時(shí) 當(dāng)R00時(shí)，u=0，當(dāng)R0時(shí)，u=q0/Csin(wt+),因此，提高測(cè)量精度，即減小電荷漏失，要R0盡量大，理想,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,87,五、測(cè)量電路,電壓放大器、電荷放大器,設(shè)R0，其中電纜對(duì)地電容CC比Ca和CI都大，故整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜對(duì)地電容的變化非常敏感，從而使儀器的靈敏度發(fā)生變化。

21、,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,88,設(shè)R0，uI放大器輸入電壓,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,89,uy放大器輸出電壓 A電荷放大器開環(huán)增益 Cf電荷放大器反饋電容,電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，與電纜對(duì)地電容無關(guān)。但電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,90,六、應(yīng)用,正壓電效應(yīng)測(cè)力（加速度、扭矩） 逆壓電效應(yīng)振動(dòng)送料器、執(zhí)行器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,91,加速度計(jì),力傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,92,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,93,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,94,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第

22、三章,95,YDS-78型石英壓電傳感器 測(cè)力范圍：5000N 分辨率：0.01N 線性誤差：51013 固有頻率：50KHz 工作溫度：-60+140 重量：10克 尺寸：18mm7mm 獲省科技成果一等獎(jiǎng),機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,96,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,97,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,98,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,99,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,100,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,101,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,102,3-7 磁電式傳感器,磁電式傳感器是把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器，又稱電磁感應(yīng)

23、式或電動(dòng)力式傳感器。,感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為,磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,103,2 分類,磁電式,動(dòng)圈式,磁阻式,線速度型,角速度型,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,104,一、 動(dòng)圈式,動(dòng)圈式傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,105,測(cè)速電機(jī),機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,106,動(dòng)圈磁電式傳感器等效電路,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,107,二、 磁阻式,磁阻式傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例 a)測(cè)頻數(shù) b)測(cè)轉(zhuǎn)速 c)偏心測(cè)量 d)振動(dòng)測(cè)量,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第

24、三章,108,磁阻式傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,109,1.雙金屬溫度計(jì),把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計(jì)，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械量變化。,優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 牢固 可靠 防爆,3.8 熱敏傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,110,2. 熱電溫度計(jì)(熱電偶),熱電效應(yīng),將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,111,k玻耳茲曼常數(shù)， e電子電荷量， T接觸處的溫度 NA，NB分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。,機(jī)械工程

25、測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,112,熱電偶測(cè)溫基本定律,1)均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。,2)中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,113,3)參考電極定律 兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，A和B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得：,由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,114,3.熱電阻傳感器,（1）鉑電阻,鉑電

26、阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。,WZB型鉑電阻體,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,115,（2）銅電阻,銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價(jià)格便宜的等優(yōu)點(diǎn)。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,116,3-9 半導(dǎo)體傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,117,1 磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類,霍爾元件,磁電阻元件,磁敏二極管,磁晶體管,磁半導(dǎo)體開關(guān),一、磁敏傳感器,利用半導(dǎo)體材料的磁敏特性來工作的：霍爾元件、磁阻元件、磁敏管。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,118,2 磁電阻元件,磁阻效應(yīng),特點(diǎn) 電阻的增量與磁場(chǎng)的平方成正比； 與磁場(chǎng)的正負(fù)無關(guān)； 溫度系數(shù)影響大； 磁感應(yīng)

27、的范圍比霍爾元件大。,應(yīng)用 磁頭；接近開關(guān)和無觸點(diǎn)開關(guān)。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,119,案例：轉(zhuǎn)速測(cè)量,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,120,3 霍爾元件,霍爾元件及霍爾效應(yīng)原理,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,121,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,122,霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,123,測(cè)轉(zhuǎn)角：,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,124,電流傳感器,當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章

28、,125,鐵磁材料裂紋檢測(cè),機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,126,葉片和齒輪位置傳感器,應(yīng)用,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,127,案例：汽車速度測(cè)量:,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,128,光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。,內(nèi)光電效應(yīng),半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),使其導(dǎo)電性能增強(qiáng),光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應(yīng) 。,光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管,二、光敏傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,129,光敏電阻是一種光電導(dǎo)元件，其工作

29、原理是基于半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)，既當(dāng)半導(dǎo)體受到光照射時(shí)，其電阻值減小的現(xiàn)象。,光敏電阻阻值與光的波長(zhǎng)有關(guān)。 受溫度影響大。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,130,照相機(jī)自動(dòng)測(cè)光 光控?zé)?工業(yè)控制,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,131,光電池,光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。,一般常用光電池有硒、硅、銻化鉻、硫化鉻。 硅光電池：光譜范圍0.11.1m,靈敏度68nAmm2lx-1;響應(yīng)時(shí)間微妙。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,132,應(yīng)用,光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收

30、式、遮光式、反射式、四種基本形式。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,133,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,134,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,135,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,136,案例：光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來 測(cè)量位移。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,137,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,138,相機(jī)測(cè)距反射式光電傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,139,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,140,（三）光敏二極管和光敏三極管,和光電池、光敏二極管比較，光敏三極管具有輸出信號(hào)大，產(chǎn)生光電流部分與放大部分集中在一起，具有良好

31、的抗噪聲能力，響應(yīng)速度慢些。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,141,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,142,利用光電傳感器進(jìn)行邊緣位置檢測(cè)的裝置。 用于帶鋼冷軋過程中控制帶鋼的移動(dòng)位置糾偏。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,143,三、固態(tài)圖象傳感器,從功能上說，是能把受光面的光像分成許多小單元（像元），并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后順序地輸送出去的器件。從結(jié)構(gòu)上，是小型固態(tài)集成單元，核心部分多是電荷耦合器件（Charge Coupled Device 簡(jiǎn)稱CCD）。CCD由陣列式排列在襯底上的金屬-氧化物-硅(Metal Oxide Semi-Conductor,簡(jiǎn)稱MOS)電容器

32、組成，具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,144,固態(tài)圖象傳感器具有：小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命高和以光為媒介可以到達(dá)危險(xiǎn)地點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。 用途： 物位、尺寸、形狀、工件損傷等測(cè)量 作為光學(xué)信息處理的輸入環(huán)節(jié)，如電視攝像、傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)和圖象識(shí)別技術(shù)中的輸入環(huán)節(jié)。 自動(dòng)生產(chǎn)過程的控制敏感元件,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,145,四、熱敏電阻,由金屬氧化物的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降,與金屬絲電阻比較優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高 可制成片狀、柱狀，熱慣性小，響應(yīng)速度快，時(shí)間常數(shù)可到毫秒

33、級(jí) 元件本身電阻值可在3700k選擇，導(dǎo)線電阻影響小 -50350溫度范圍穩(wěn)定性好。,缺點(diǎn)：非線性大，對(duì)環(huán)境溫度敏感性大,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,146,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,147,產(chǎn)品,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,148,溫控器,應(yīng)用,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器,水溫感應(yīng)塞,還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,149,五、氣敏傳感器,六、濕敏傳感器,煙霧報(bào)警器,酒精傳感器,二氧化碳傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,150,3-10 光纖傳感器,一、分類,光纖傳感器以光學(xué)量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，以光信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體利用光導(dǎo)纖

34、維輸送信號(hào)。,把光波隨被測(cè)量的變化而變化，稱為對(duì)光的調(diào)制。分為：強(qiáng)度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制。,光纖作用：功能型和傳光型,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,151,物性型光纖傳感器是利用光纖對(duì)環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號(hào)。,1）物性型光纖傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,152,光纖流速傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,153,結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測(cè)元件與光纖傳輸回路及測(cè)量電路所組成的測(cè)量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。,2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,154,二、光纖導(dǎo)光

35、原理,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,155,三、光纖傳感器的應(yīng)用,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,156,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,157,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,158,四、光纖傳感器的特點(diǎn),1)采用光波傳遞信息,不受電磁干擾,電氣絕緣性能好,可在強(qiáng)電磁干擾下完成傳統(tǒng)傳感器難以完成的某些參量的測(cè)量,特別是電流、電壓測(cè)量。 2)光波傳輸無電能和電火花,不會(huì)引起被測(cè)介質(zhì)的燃燒、爆炸;光纖耐高壓、耐腐蝕;因而能在易燃、易爆和強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境中安全工作。 3)某些光纖傳感器的工作性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器,如加速度計(jì)、磁場(chǎng)計(jì)、水聽器等。 4)重量輕、體積小、可撓性好,利于在狹窄

36、空間使用。 5)光纖傳感器有良好的幾何形狀適應(yīng)性,可做成任意形狀的傳感器和傳感器陣列。 6)頻帶寬,動(dòng)態(tài)范圍大,對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響,有利于提高測(cè)量精確度。 7)利用現(xiàn)有光通訊技術(shù),易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)控。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,159,3-10 傳感器的選用原則,一、靈敏度,靈敏度高好/低好？ 傳感器靈敏度越高越好, 靈敏度越高, 傳感器所能感知的變化量越小,被測(cè)量稍有一微小變化時(shí),傳感器就有較大的輸出。 當(dāng)靈敏度愈高時(shí),與測(cè)量信號(hào)無關(guān)的外界干擾也愈容易混入,并被放大裝置所放大。 必須考慮既要檢測(cè)微小量值,又要干擾小。要求信噪比愈大愈好,既要求傳感器本身噪聲小,且不易從外界引人干擾

37、。 當(dāng)被測(cè)量是向量時(shí), 在該方向靈敏度愈高愈好,而橫向靈敏度愈小愈好。在測(cè)量多維向量時(shí), 要求交叉靈敏度愈小愈好。 測(cè)量范圍與靈敏度緊密相關(guān)。 除非有專門的非線性校正措施,最大輸入量不應(yīng)使傳感器進(jìn)入非線性區(qū)域,更不能進(jìn)入飽和區(qū)域。 在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行測(cè)試，輸入量包括被測(cè)量,及干擾量;兩者之和不能進(jìn)入非線性區(qū)。過高的靈敏度會(huì)縮小其適用的測(cè)量范圍。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,160,二、響應(yīng)特性,在所測(cè)頻率范圍內(nèi),傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真測(cè)量條件。 實(shí)際傳感器響應(yīng)總有一定遲延,但總希望遲延時(shí)間愈短愈好。 利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等物性型傳感器,響應(yīng)較快,可工作頻率范圍寬。 結(jié)構(gòu)型

38、,如電感、電容、磁電式傳感器等,往往由于結(jié)構(gòu)中的機(jī)械系統(tǒng)慣性的限制,其固有頻率低,可工作頻率較低。 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中,傳感器的響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響,在選用時(shí),應(yīng)充分考慮到被測(cè)物理量的變化特點(diǎn)(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等)。,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)（張軍）第三章,161,三、線性范圍,傳感器都有一定的線性范圍,在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍愈寬,則表明傳感器的工作量程愈大。 傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi),是保證測(cè)量精確度的基本條件。 例如,機(jī)械式傳感器中的測(cè)力彈性元件,其材料的彈性限是決定測(cè)力量程的基本因素。當(dāng)超過彈性限時(shí),將產(chǎn)生線性誤差。 任何傳感器都不容易保證其絕對(duì)線性,在許可限度內(nèi),可以在其近似線性區(qū)域應(yīng)用。 例如,變間隙型的電容、電感傳感器,均采用在初始間隙附近的