机械工程测试技术基础第四章-常用传感器与敏感元件课件

中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件1当我象嗡嗡作响的陀螺一样高速旋转的时候，就自然排除了外界各种因素的干扰，抵抗着外界的压力。皮埃尔皮埃尔居里居里Pierre Curie法国法国 物理学家物理学家1859185919061906中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件2第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件4.1 概概 述述4.2 机械式传感器机械式传感器4.3 电阻传感器电阻传感器 4.4 电容传感器电容传感器4.5 电感传感器电感传感器4.6 磁电传感器磁电传感器4.7 压电传感器压电传感器4.8 传感器选用原则传感器选用原则中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件3 电子脉冲电子脉冲地面激光接受装置地面激光接受装置 热射线热射线电子感受器电子感受器调制解调希腊奥运圣火希腊奥运圣火加拿大蒙特利尔加拿大蒙特利尔中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件4.水水列车自动供水系统列车自动供水系统中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件54.1 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，并按照一定的规律转换成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。通常由可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件敏感元件、转换元件、测转换元件、测量电路量电路和和辅助电源辅助电源组成组成(GB/T 7665-1987)。狭义上，狭义上，非电信号非电信号 电信号电信号。传感器的组成框图传感器的组成框图中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件6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 转换作用转换作用：被测信号转换成易于传输、检测和处理被测信号转换成易于传输、检测和处理的的 电信号电信号。被测被测被测被测对象对象对象对象观察观察观察观察者者者者传传感感器器 非电量非电量信信号号调调理理电量电量信信号号处处理理电量电量显显示示记记录录电量电量/数字量数字量中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件7 将物理量（水位、压力等）间接变换成将物理量（水位、压力等）间接变换成电信号电信号的变化。的变化。获取传感器信号的两种方法获取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）；开关量开关量输出的传感器输出的传感器模拟量模拟量输出的传感器输出的传感器中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件82.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。能量能量转换转换型：型：直接由被测对象输入能量使其工作，不需要外加电源。直接由被测对象输入能量使其工作，不需要外加电源。(无源传感器）例如:热电偶温度计 压电式加速度计能量能量控制控制型：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。(有源传感器）例如:电阻应变片能量能量传递传递型：型：从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏 感检测。感检测。例如: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中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件9(4)(4)按信号的变换特征分类按信号的变换特征分类物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化实现信号变换。依靠敏感元件材料本身物理性质的变化实现信号变换。例如:水银温度计，压力测力计等。结构型结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。例如:电容式和电感式传感器。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件103.常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量声声:声压,噪声磁磁:磁通,磁场温度温度:温度,热量,比热光光：亮度,色彩中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件114.对传感器的性能要求对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；与检测系统匹配性好，转换灵敏度高；精度适当，稳定性高；（静态特性）反应速度快，工作可靠性高；（动态特性）适应性和适用性强。作为检测系统的首要环节，必须具有快速、准确、可靠而又能经济地实现信号转换的性能。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件125.传感器的发展趋势传感器的发展趋势传感器的固态化（物性型传感器）；传感器的智能化（传感器+计算机的某些功能）；自补偿、自诊断、自校正、数据存储、分析、处理、通信研究生物感官，开发仿生传感器；传感器的集成化和多功能化。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件13（1 1）机器人中的传感器信息融合）机器人中的传感器信息融合 控制和信控制和信息融合计息融合计算机算机自主移动装配机器人自主移动装配机器人装配机械手装配机械手力觉传感器力觉传感器触觉传感器触觉传感器视觉传感器视觉传感器超声波传感器超声波传感器激光测距传感器激光测距传感器 多传感器信息融合自主移动装配机器人多传感器信息融合自主移动装配机器人中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件14（2 2）舰船上的传感器信息融合）舰船上的传感器信息融合 行扫描行扫描处理器处理器红外探测器红外探测器 直流偏直流偏压压AGC搜索器万向支架搜索器万向支架惯性导惯性导航系统航系统图像摄像机图像摄像机万向支架万向支架图像图像处理处理共享共享存储器存储器数据融合数据融合处理器处理器环境控制环境控制显示显示记录记录人机人机界面界面图像摄像机图像摄像机传感器传感器 海军舰船传感器信息融合系统海军舰船传感器信息融合系统中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件154.2 机械式传感器机械式传感器1.组成组成敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件（弹性体弹性体）机械放大机械放大指示系统指示系统输入量输入量输出量输出量弹性变形弹性变形输出输出力力压力压力温度温度.机械式机械式指针仪表指针仪表2.弹性敏感元件弹性敏感元件 弹性敏感元件在传感器中因为直接参与信号变换和测量，弹性敏感元件在传感器中因为直接参与信号变换和测量，所以对其材料有一定的要求。所以对其材料有一定的要求。1）弹性蠕变和弹性后效要小；2）弹性模数的温度系数要小；中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件163）线膨胀系数要小且稳定；）线膨胀系数要小且稳定；4）弹性极限和强度极限要高；）弹性极限和强度极限要高；5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性；）具有良好的稳定性和耐腐蚀性；6）具有良好的机械加工性和热处理性。）具有良好的机械加工性和热处理性。3.典型应用典型应用中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件174.机械式传感器的特点机械式传感器的特点 结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低，机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低，故多用于故多用于静态量静态量或或低频变化量低频变化量的测量。的测量。元件的弹性元件的弹性蠕变和后效现象影响输入与输出的线性关系。蠕变和后效现象影响输入与输出的线性关系。5.改进改进 为提高测量的频率范围为提高测量的频率范围,常把机械传感器与其它传感器结合常把机械传感器与其它传感器结合起来。先用弹性元件把被测量转换成位移量起来。先用弹性元件把被测量转换成位移量,再用其它类型的传再用其它类型的传感器感器(电阻、电容等）把位移转换成电信号输出。电阻、电容等）把位移转换成电信号输出。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件18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。按工作原理可分为按工作原理可分为:F热敏式热敏式F电阻应变式电阻应变式F变阻器（电位器）式变阻器（电位器）式F光敏式光敏式F湿敏式湿敏式4.3 电阻式传感器电阻式传感器中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件19一一.变阻器式传感器变阻器式传感器 变阻器式传感器变阻器式传感器也称为电位计式传感器，通过改变电位器也称为电位计式传感器，通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻触头位置，实现将位移转换为电阻R的变化。的变化。有有直线位移直线位移型、型、角位移角位移型和型和非线性非线性型三种。型三种。1.工作原理工作原理 R=f(,A,l)。当电阻丝的。当电阻丝的截面积截面积A与与电阻率电阻率一定时，一定时，R=f(l)是单值函数关系。是单值函数关系。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件202.直线位移型变阻器式传感器直线位移型变阻器式传感器设电位计触头移动设电位计触头移动 x，A点与点与b点间电阻值变化点间电阻值变化 R，则：，则：中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件213.角位移型变阻器式传感器角位移型变阻器式传感器4.非线性电位计非线性电位计中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件225.电压分压电路电压分压电路中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件236.特点特点 结构简单，性能稳定，使用方便。结构简单，性能稳定，使用方便。分辨力低。分辨力低。电阻丝的直径受到限制。电阻丝的直径受到限制。有较大的噪声。有较大的噪声。电刷在滑动中与电阻的不断接触。电刷在滑动中与电阻的不断接触。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件24例例1：材料重量的自动检测材料重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定重量设定 原材料原材料原理原理原理原理：弹簧：弹簧-力力-位移位移-电位器电位器-电阻电阻反馈反馈中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件25例例2：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝 原理原理原理原理：钢丝：钢丝-收线圈数收线圈数-电位器电位器-电阻电阻特点：特点：（1）测量量程大；）测量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件26例例3：玩具机器人（广州中鸣数码）玩具机器人（广州中鸣数码）原理原理原理原理：电机：电机-转角转角-电位器电位器-电阻电阻刀削面机器人刀削面机器人中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件27二二.电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。器之一。电阻应变片简称电阻片或应变片，是一种将电阻应变片简称电阻片或应变片，是一种将应变应变应变应变变换成变换成电电电电阻阻阻阻变化的转换元件。将变化的转换元件。将应变片应变片应变片应变片粘贴在被测构件表面上，接入测粘贴在被测构件表面上，接入测量电路，随着构件受力变形，应变片量电路，随着构件受力变形，应变片敏感栅敏感栅敏感栅敏感栅也相应变形，从而也相应变形，从而使其电阻发生变化。使其电阻发生变化。电阻变化与构件表面的应变成比例电阻变化与构件表面的应变成比例。应用应用：应力、应变、扭矩、压强、位移、温度等。：应力、应变、扭矩、压强、位移、温度等。优点优点：体积小、动态响应快、测量精度高、使用方便。：体积小、动态响应快、测量精度高、使用方便。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件281.工作原理工作原理式中：导线的电阻率，又称为电阻系数。金属电阻应变片式：导体的金属电阻应变片式：导体的应变效应应变效应 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，截面积减小，而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如金属丝因受压力而缩短，即长度变短，其电阻值就增大；反之，如金属丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变大时，则电阻值就减小。截面积变大时，则电阻值就减小。电阻应变式传感器分为：电阻应变式传感器分为：金属电阻应变片式金属电阻应变片式和和半导体应变片式半导体应变片式。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件29中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件30 从半导体的物理性质可知，半导体在压力、温度及光辐射作从半导体的物理性质可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，均能使其电阻率用下，均能使其电阻率 发生很大的变化。发生很大的变化。压阻效应压阻效应指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率其电阻率 发生变化的现象。发生变化的现象。半导体应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘帖在半导体应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘帖在被测物体上，随被测试件的应变变化其电阻发生相应变化。被测物体上，随被测试件的应变变化其电阻发生相应变化。半导体应变片式：材料的半导体应变片式：材料的压阻效应压阻效应 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件312.金属电阻应变片金属电阻应变片金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类:（1）丝式丝式 （2）箔式箔式 （3）薄膜式薄膜式电阻值：电阻值：60、120 、200 、350 等规格。等规格。应变片的规格以使用面积和电阻应变片的规格以使用面积和电阻值表示，如值表示，如320mm2，120 。优点优点:稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好。缺点缺点:灵敏度系数小灵敏度系数小。应变计丝式丝式应变片应变片 箔式箔式应变片应变片 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件323.半导体应变片半导体应变片优点优点：灵敏度大;体积小;固有频率高，响应快，结构简单，能制成具有一定应变电阻的元件。缺点缺点：温度误差大，其稳定性和可重复性不如金属应变片，故需温度补偿温度补偿。应变计体型体型薄膜型薄膜型扩散型扩散型中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件33：泊松系数，：泊松系数，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 金属应变片（金属应变片（不变）不变）半导体应变片（半导体应变片（变化）变化）4.电阻的相对变化量（变化率）电阻的相对变化量（变化率）中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件34几种常用半导体材料特性几种常用半导体材料特性中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件355.应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4惠斯登电桥电路惠斯登电桥电路中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件36令：令：金属电阻应变片：金属电阻应变片：V与应变与应变 成线性关系，可以用电桥电压测量应变。成线性关系，可以用电桥电压测量应变。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件37目测电阻应变片有无折痕、断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。用万用表测量应变片的电阻。同一电桥中各应变片之间的阻值相差不得大于0.5欧。试件表面处理。贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。应变片粘贴。在应变片基底上挤一滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。6.应变片的选择、粘贴技术应变片的选择、粘贴技术用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。应变片保护。用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件38应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件39应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件40荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传荷重传感器上的应变感器上的应变片在重力作用片在重力作用下产生变形。下产生变形。轴向变短，径轴向变短，径向变长。向变长。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件417.电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用 位移传感器位移传感器 加速度传感器加速度传感器 筒式压力传感器筒式压力传感器中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件42 立柱应力立柱应力 桥梁应力桥梁应力 柱式测力传感器柱式测力传感器中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件43中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件44例例4 4：桥梁桥梁固有频率固有频率测量测量测量原理测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车过碍过碍障物障物时的冲击对桥梁进行激励，再时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁的固有频率。梁的固有频率。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件45例例5：电子称：电子称测量原理测量原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形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。再通过应变片转化为电量输出。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件46例例6：冲床生产记数和生产过程监测：冲床生产记数和生产过程监测 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件47例例7：振动式地音入侵探测器：振动式地音入侵探测器 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件48例例8：应变式数显扭矩扳手：应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转换、峰值英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。保持、自动断电等功能。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件49本连接法兰处螺栓断裂胜利采油厂中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件50例例9：呼吸、透析和注射泵设备中用的小型压阻式固态：呼吸、透析和注射泵设备中用的小型压阻式固态压力传感器压力传感器p1进气管进气管p2进气管进气管固态压力传感器固态压力传感器中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件51例例10：斜拉桥上的斜拉绳应变测试：斜拉桥上的斜拉绳应变测试中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件52 三三.其他电阻式传感器其他电阻式传感器 1.1.热电阻传感器热电阻传感器 利用导体利用导体电阻率电阻率随随本身温度本身温度变化而变化的变化而变化的温度电阻效应温度电阻效应温度电阻效应温度电阻效应制成的传感器。制成的传感器。制造热电阻的金属材料应满足以下要求制造热电阻的金属材料应满足以下要求：电阻温度系数大，电阻随温度变化保持单值并且最好呈线性关系；热容量小；电阻率尽量大，保证在同样灵敏度下使元件尺寸做得小一些；在工作范围内，物理和化学性能稳定；容易获得较纯物质，材料复制性好，价格便宜。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件53（1）铂热电阻）铂热电阻 在0630.74 范围内，铂电阻值与温度变化之间的关系为：（2）铜热电阻）铜热电阻 在-50150 范围内，铜电阻值与温度变化之间的关系为：热电阻的结构中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件54 取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件552.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电路中的符号 非线性元件：它的温度非线性元件：它的温度-电阻关系是指数关系：电阻关系是指数关系：用于液体、气体、固体以及海洋、高空、冰川等领域的温度测量；测量的温度范围一般为10400；温度电阻系数大、灵敏度高、形小体轻、结构简单、价格经济。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件56半导体热敏电阻与金属丝电阻比较，具有以下优点：半导体热敏电阻与金属丝电阻比较，具有以下优点：灵敏度高，可测0.001 0.005微小温度的变化；热敏电阻元件可制成片状、柱状，直径可达0.5mm。体积小，热惯性小，响应速度快，时间常数可小到毫秒级；元件本身的电阻值可达2k700k，当远距离测量时导线电阻的影响可以忽略不计；在-50350温度范围内具有较好的稳定性；非线性大，对环境温度敏感性大，测量时易受干扰。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件57热敏电阻体温表热敏电阻体温表热敏电阻用于热敏电阻用于CPU的温度测量的温度测量中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件58热敏电阻用于电热水器的温度控制热敏电阻用于电热水器的温度控制中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件593.气敏电阻传感器气敏电阻传感器 可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。气敏电阻传感器主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。其它可燃性气体传感器其它可燃性气体传感器酒精传感器酒精传感器中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件60呼气管呼气管酒精测试仪酒精测试仪中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件614.湿敏电阻传感器湿敏电阻传感器 能将湿度的变化转换成电阻的变化。有些氧化物，主要是金属氧化物（如氧化锂），当湿度变化时，会引起其电阻的变化。5.光敏电阻传感器光敏电阻传感器 有些半导体材料（如硫化镉），在黑暗的环境下其电阻非常高。但当受到光照射时，其电阻值就显著下降。灵敏度高、体积小、价格低。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件624.4 电容式传感器电容式传感器 1.变换原理变换原理 将被测物理量的变化转化为将被测物理量的变化转化为电容量电容量电容量电容量的的的的变化。变化。两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器,其电容量为其电容量为:+A 0真空介电常数，真空介电常数，08.8510-12F/m；极板间介质的介电常数，当介质为空气时，极板间介质的介电常数，当介质为空气时，1；A极板面积，极板面积，m2;两极板间的距离，两极板间的距离，m。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件632.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,柱体线位移型柱体线位移型中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件643.灵敏度灵敏度 a)极距变化型极距变化型 传感器的灵敏度为传感器的灵敏度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 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件65 差动式差动式中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件66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 平面线位移型平面线位移型b)b)角位移型角位移型 传感器传感器灵敏度灵敏度 角位移型角位移型中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件67c)c)介质变化型介质变化型介质常数变化型电容式传感器 用于测量电介质的厚度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)等能导致极等能导致极板间介电常数变化的物理量。板间介电常数变化的物理量。根据被测参数使介电常数变化而根据被测参数使介电常数变化而引起传感器电容量的变化来测量温引起传感器电容量的变化来测量温度、湿度、容量度、湿度、容量(图图d)d)等。等。电容串联电容串联电容并联电容并联 若忽略边缘效应，则单组式平板若忽略边缘效应，则单组式平板型厚度传感器的电容：型厚度传感器的电容：x厚度传感器中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件684.测量电路测量电路a)电桥电路电桥电路 b)直流极化电路直流极化电路 电桥电路中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件69c)谐振电路谐振电路补充补充 d)调频电路调频电路e)运算放大器电路运算放大器电路 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件70优点优点：温度稳定性好，结构简单，灵敏度高，分辨力高，：温度稳定性好，结构简单，灵敏度高，分辨力高，动态响应好，可作非接触式测量。动态响应好，可作非接触式测量。变极距型变极距型：小位移测量，高精度。：小位移测量，高精度。变面积型变面积型：大位移测量。：大位移测量。变介电常数型变介电常数型：位移测量，温度测量。：位移测量，温度测量。5.电容式传感器的特点电容式传感器的特点缺点缺点：输出阻抗高，负载能力差；寄生电容大；极距变化型：输出阻抗高，负载能力差；寄生电容大；极距变化型传感器输出的非线性。传感器输出的非线性。应用应用中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件716.电容式传感器的应用电容式传感器的应用振动位移测量振动位移测量 旋转轴偏心量测量旋转轴偏心量测量 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件72装有传感器的装有传感器的假人假人气囊气囊加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 硅微加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件73电容式氢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 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件744.5 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器的敏感元件是电感线圈电感线圈，是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量的一种装置。特征是具有线圈绕组。分类分类:按变换方式不同按变换方式不同电感式传感器电感式传感器 自感型自感型自感型自感型 可变磁阻型可变磁阻型 涡流式涡流式互感型互感型互感型互感型差动变压器式差动变压器式 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件75电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示结论：气隙变小，电感变大，电流变小。结论：气隙变小，电感变大，电流变小。中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件761.可变磁阻式可变磁阻式(自感型自感型)原理原理:电磁感应效应电磁感应效应N:线圈匝数；l:铁芯导磁长度；：铁芯磁导率；0：空气磁导率；A：铁芯导磁截面积；A0：空气导磁截面积；Rm：磁路总磁阻。可变磁阻式传感器结构原理可变磁阻式传感器结构原理 1.1.线圈线圈 2.2.铁芯铁芯 3.3.衔铁衔铁 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件77(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 呈双曲线关系。呈双曲线关系。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：中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件78(2)(2)差动型差动型输出特性输出特性传感器灵敏度：传感器灵敏度：变间隙型差动变压器变间隙型差动变压器 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件79(3)(3)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A0呈线性关系。呈线性关系。传感器灵敏度：传感器灵敏度：L与与A0的线性关系的线性关系=常数常数中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件80(4)(4)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，使，使Rm变化，从而产生线圈变化，从而产生线圈电感的变化。结构简单，适用于较大位移测量。电感的变化。结构简单，适用于较大位移测量。铁心铁心中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件81中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件822.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、磁导率、厚度h和金属板与线圈距离、激励电流、线圈激磁角频率等参数有关。根据激励频率高低可分为根据激励频率高低可分为 1）高频反射式高频反射式 2）低频透射式低频透射式 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件83原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z发生变化：发生变化：(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 中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huadong)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件84(2)低频透射式（低频透射式（互感原理互感原理）低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 e2随材料厚度增加变化的规律随材料厚度增加变化的规律 发射线圈发射线圈接收线圈接收线圈中国石油大学（华东）机电工程学院中国石油大学（华东）机电工程学院China university of petroleum(Huad