工程測試技術(第三章)

1、第三章 工程中常用的傳感器 3.1 概述 傳感器是人類感官的擴展和延伸。 自動控制領域中不能沒有傳感器。 傳感器可分為兩大類：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 傳感器定義：能把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的裝置。傳感器的組成：敏感器件與其它輔助器件。分類：(1)按被測物理量分：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：機械式、電氣式、輻射式、流體式等。 （3）按信號變換特征分：物性型、結構型。 （4）按傳感器與被測量之間關系分：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。靈敏度應適應于使用要求。 （2）響應特性。指在所測頻率范圍內(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量的對應程度。 （6）測量方式。接觸測量與非接觸測量；破壞性測量與非破壞性測量；在線測量與離線測量。 3.3 電阻式傳感器 是根據(jù)電阻定律來設計的傳感器，它將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化輸出。 3.3.1 電位計式(變阻器式)傳感器 3.3.2 電阻應變式傳感器 是通過電阻應變片將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。 金屬應變片 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）半導體應變片

3、其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。壓阻效應：指單晶半導體材料沿軸向受外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。其靈敏度比金屬應變片的大5070倍。 （3）應變片的應用 結構的應力和應變分析 ；用于制成力、位移、壓力、力矩和加速度等測量傳感器。 粘貼應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其中，為介質(zhì)的相對介電系數(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）運算放大器電路 3.4.3 電容式傳感器的應用舉例 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物體的等效電路 ：圖中金屬導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：高頻反射式；低頻透射式。 用途：測量位移、振動等物理量。 電渦流傳感器與被測物體的等效電路 渦流傳感器的測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用： 電渦流式傳感器應用例 3.5.2 互感型差動變壓器式電感傳感器 3.5.3 電感式傳感器的應用舉例 3.6 磁電式傳感器 基于電磁感應原理，把被測物理量轉(zhuǎn)換成感應電動勢輸出的一種傳感器。感應電動勢e= -Wd/dt其中，W為線圈匝數(shù)，d/dt為感應線圈中磁通量的變化率。 3.6.1動圈式磁電傳感器 3.6.2 磁阻式磁電傳感器 工作原理：線圈與磁鐵固定不動，通過運動著的被測物體（導磁材料）改變磁路的磁阻，從而引起磁力線的增強或減弱，使線圈產(chǎn)生感應電動勢。 3.7 壓電式傳感器 壓電效應：某些物質(zhì)（物體），如石英、鈦酸鋇等，當受

6、到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面上會產(chǎn)生電荷；當外力去掉后，又回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。 X軸電軸，y軸機械軸，z光軸 應用： 3.8 熱敏傳感器 3.8.1 熱電偶 工作原理：熱電效應將兩種不同材料的金屬導體（或半導體），連接成閉合回路，把兩個結點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。 熱電勢的組成兩個接觸電勢 兩個單一導體的溫差電勢閉合回路產(chǎn)生熱電勢必須具備的兩個條件： (1)閉合回路必須用兩種不同的金屬材料構成； (2)閉合回路的兩結點必須具備不同的溫度。 熱電偶的基本定律：（1）中間導體定律當熱電偶回路的一個或兩個結點被斷開，接入一

7、種或多種金屬材料的中間導體后，如果全部新結點處的溫度和原來結點的溫度相同，那么合成電勢不變。 （2）參考電極定律 標準電極C常為物理性能和化學性能較穩(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)可用來測量溫度變化。 3.8.3 半導體熱敏電阻 是一種由錳、鎳、銅、鈷、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體。它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。優(yōu)點： (1) 靈敏度高，可測出0.0010.005的溫度變化。 (2) 體積小，響應快。直徑可小到0.5mm，響應時間可縮短到毫秒級。 (3) 元

8、件本身電阻可達3700歐姆，遠距離測量時可不考慮導線電阻影響。 (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 聲學基礎知識 （1）聲波及其分類次聲波：低于16Hz.聲波：162x104Hz超聲波：高于2x104Hz微波：3x1083x1011Hz （2）聲壓與聲強介質(zhì)中有聲波傳播時的壓強與無聲波傳播時的靜壓強之差稱為聲壓。單位Pa（N/m2）聲強指單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波強度。單位W/m2（3）物質(zhì)的聲學特性聲速：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)對聲波會吸收。均勻介質(zhì)對超聲波吸收不明顯，而介質(zhì)不均勻時，對聲波的吸收會很明顯。 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)點振動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)振動頻率高、波長短，穿透能力強。例如，在鋼材中可穿透10米以上。在