机械工程测试技术第三章.ppt

第三章 常用传感器与敏感元件,本章学习要求：1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,传感器：工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。,作 用：类似人的感觉器官。它把被测量如力、位移、温度等转换为易测信号，传给测量系统的信号调理环节。,2023年10月6日星期五,1,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,2,1、按被测量分类,位移传感器,力传感器,温度传感器,湿度传感器,第一节 传感器的分类,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,3,3、按信号变换特征,2、按工作原理,机械式,电气式,光学式,流体式,物性型,结构型,4、按能量关系,能量转换型(无源),能量控制型(有源),5、按输出信号：数字式、模拟式,机械工程测试技术基础,4,物性型传感器:依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换。如水银温度计；石英晶体压电效应。,结构型传感器:是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。如电容、电感、应变式传感器。,能量转换型（无源）传感器:是直接由被测对象输入能量使其工作的，如热电偶温度计，弹性压力计。,能量控制型（有源）传感器:从外部供给辅助能量使传感器工作。如把电阻应变计接于由外部供电的电阻电桥上，被测量变化引起的电阻变化去控制电桥输出。,参见书中 表3-1，机械工厂中常用传感器。,另外，传感器可能只有一个，也可能几个换能元件组合而成一个小型装置。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,5,2023年10月6日星期五,图 3-2 伺服式加速度计框图,输入,输出,图 3-1 能量控制型传感器工作原理,测量对象,传感器,辅助能源,机械工程测试技术基础,6,测力计,压力计,温度计,第二节 机械式传感器,以弹性体为敏感元件，将被测量转换为弹性变形（或应变）的传感器,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,7,2023年10月6日星期五,图3-4 微型探测开关1-工件2-电磁铁 3-导槽4-簧片开关5-电极6-惰性气体7-簧片,机械工程测试技术基础,8,优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。,2023年10月6日星期五,弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取有效措施来改善这些现象产生的影响。,一般，与其他传感器配套使用，先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后用其他形式的传感器（如电阻、电容、电涡流式等）将位移量转换成电信号输出。,缺点：弹性变形不能过大；受结构间隙影响大，惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。,机械工程测试技术基础,9,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,（3-1）,式中：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,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,10,图3-5 变阻器式传感器直线位移型 b)角位移型 c)非线性型,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,11,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,12,4变阻器式传感器后接电路,Rp-变阻器总电阻；xp-变阻器总长度；Rl-后接电路输入电阻。,（3-3）,为减小后接电路影响，应使 Rl Rp（减小负载效应）。优点：(1)结构简单；(2)性能稳定；(3)使用方便。缺点：(1)分辨力不高；(2)躁声较大。应用：线位移、角位移测量，用于伺服记录仪器或电子电位差计等。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,13,二电阻应变式传感器,应用范围：测量力、应变、位移、加速度、扭矩等分类：（1）金属应变片式;（2）半导体应变式;特点：（1）体积小；（2）动态响应快；（3）测量准确度高；（4）使用方便；（一）金属电阻应变片 工作原理：应变片用特制胶水粘固在弹性元件或要测量变形的物体表面上，在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其阻值发生相应变化。由此，将被测量的变化转换为电阻变化。种类：常用的有丝式和箔式，其工作原理一样。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,14,图3-7 电阻丝应变片1-电阻丝 2-基片 3-覆盖层 4-引出线,（1）丝式把直径为0.025mm的康铜或镍铬合金丝，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,15,图3-8 箔式应变片a)单轴b)测扭矩c)多轴d)平行轴多栅e)同轴多栅,（2）箔式用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光刻技术制造，其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片约厚110 m。散热好，粘接情况好，传递性能好。,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,16,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,17,变换原理,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,18,电阻相对变化,纵向应变,横向应变,常数sg,(1+2)项是电阻丝几何尺寸改变所引起，同一电阻材料是常数。E项是电阻丝的电阻率随应变而引起的，一般对金属丝很小可忽略。,机械工程测试技术基础,19,电阻丝轴向相对应变（或称纵向应变）,电阻丝径向相对应变（或称横向应变）,电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝所受正应力有关。压阻系数，与材质有关；E电阻丝材料的弹性模量；,材料泊松比,式中,2023年10月6日星期五,制造中 Sg在1.73.6之间，一般市场上电阻应变片标准为 60，120，350，600，1000 等。几种常用电阻丝材料物理性能见表3-2。,机械工程测试技术基础,20,表3-2 常用电阻丝材料物理性能,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,21,（二）半导体应变片,这一数值比金属丝式大5070倍。,2023年10月6日星期五,工作原理：半导体材料的压阻效应,单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化,几何尺寸变化0,电阻率变化,机械工程测试技术基础,22,表3-3 几种常用半导体材料特性,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,23,优点：灵敏度高。缺点：（1）温度稳定性差。（2）灵敏度分散度大(由于晶向杂质等因数）。（3）非线性大。小结：（1）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。（2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,24,1直接用来测定结构的应变或应力。例如：研究机械、桥梁等某些构件在工作状态下的受力、变形情况。,2023年10月6日星期五,2将应变片贴在弹性体上，测量力、位移、加速度等物理参数。,各种传感器从本质上讲均为：受力 产生弹性变形 电阻应变片阻值发生变化 经二次仪表转换为电压（或电流）信号输出。示例见图3-11。,（三）电阻应变片传感器应用方式,机械工程测试技术基础,25,电阻 应变片,图3-11 动态电阻应变仪框图,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,26,（四）电阻应变片传感器应用注意事项（1）由应变片测出的是构件或弹性体上某处的应变，通过换算（或标定）才能得到应力、力或位移。标定（2）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺（胶、贴前处理、固化处理、防潮等）至关重要。贴片工艺（3）动态测量时，应考虑弹性元件和应变片的动态特性。动态特性（4）温度对电阻值的变化影响不容忽略，考虑温度补偿。温度补偿,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,27,第四节 电感式传感器,原理：把被测量转换为电感量变化的一种装置。(基于电磁感应原理)分类：,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,28,一、自感式 a)可变磁阻式,线圈自感量：,W：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻H-1,如果空气隙较小，不考虑磁路的铁损时，则总磁阻为,l铁心导磁长度 铁心磁导率A铁心导磁截面积 气隙长度0空气磁导率(410-7)A0空气隙导磁横截面积,因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比很小，可以忽略，故：,（3-15）,机械工程测试技术基础,29,代入式（3-13）得,（3-16）,式（3-16）表明：自感 L 与气隙 成反比，与气隙导磁截面积 A0 成正比。当固定 A0 变化 时，L与 呈非线性关系，此时传感器灵敏度 S 为,（3-17）,灵敏度S与气隙长度平方成反比，越小，S 越高。如果 S 不是常数会出现非线性误差。为了减小这一误差，通常规定在较小间隙范围内工作。设间隙变化为(0,0+)，一般应用中取/0.1。此种传感器适合于较小位移的测量，一般设为 0.0011 mm。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,30,图3-13 可变磁阻式传感器典型结构,L与A0成线性关系灵敏度较低。,0+,0-,将两线圈接于电桥相邻两臂，灵敏度提高 1 倍，并改善了非线性。,结构简单，易制造，但灵敏度低，适用大位移测量。,有较高灵敏度及线性，常用于电感测微仪上，其测量范围为 0300 m，最小分辨力为0.5m。,2023年10月6日星期五,x,机械工程测试技术基础,31,双螺旋管圈差动型传感器常接于电桥两个桥臂上，线圈电感 L1、L2随铁心位移而变化，其输出特性如图(3-14)所示。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,32,一、自感式（b）涡电流式,原理：利用金属导体在交变磁场中的涡流效应。,图3-15 高频反射式 涡流传感器原理,i,i1,1,金属板,当线圈通过一高频交变电流i时，产生磁通。此交变磁场在邻近金属板上感应电流 i1。此电流在金属体内是闭合的，称之为“涡流”。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场作用，使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离 有关。,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,33,电涡流传感器实物图,2023年10月6日星期五,34,电涡流式传感器的结构电涡流式传感器结构比较简单，主要由一个安置在探头壳体的扁平圆形线圈构成。,机械工程测试技术基础,35,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,36,分压式调幅电路：,（3-18）,b),2,0,u2,u1,u,a),u2,u1,u,u,u,0,f,f0,图3-17 分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性 a)谐振曲线 b)输出特性,振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，输出电压 u 最大。工作时线圈阻抗随 改变，LC 回路失谐，输出信号 u(t)频率虽然仍为工作频率，但幅值随 而变化，它相当于一个调谐波。此调谐波经放大、检波、滤波后即可得到气隙 的动态化信息。,谐振频率,2023年10月6日星期五,f2,f1,1,f0,机械工程测试技术基础,37,调频电路：调频电路的工作原理如图 3-18 所示。与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量。当发生变化时，引起线圈电感 L 变化，使震荡器的震荡频率 f 发生变化，再通过鉴频器进行频率电压转换，即得与 成比例的输出电压。目前此种传感器应用广泛，测量范围为 110 mm，分辨力为 1 m 的 非接触式测量。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,38,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,39,a)径向振动测量,b)轴心轨迹测量,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,40,c)转速测量,d)穿透式测厚,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,41,e)零件计数器,f)表面裂纹测量,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,42,电磁炉工作示意图,电磁炉内部励磁线圈,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,43,电涡流探雷器,电涡流探雷器的实物图,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,44,电涡流式接近开关 接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体接近到设定距离时，就可发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。这种接近开关只能检测金属。,电感式接近开关的原理框图,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,45,电涡流接近开关实物,机械工程测试技术基础,46,二互感式差动变压器式电感传感器,工作原理见图3-19，当线圈 W1 输入交流电流 i1 时，线圈W2 产生感应电动势 e12，其大小与电流 i1 的变成正比，即,（3-19）,式中 M比例系数（称为互感H），其大小与两线圈相对位置及周围介质导磁能力有关。,图3-19 互感现象,e12,i1,W2,W1,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,47,差动式工作原理：见图3-20 b)，初级线圈 W 次级线圈 W1,W2反极性串联。当W上加上交流电时，W1,W2分别产生感应电势e1 和e2，其大小与铁芯位置有关。（1）当铁芯在中心时，e1=e2 e=0（2）当铁芯向上运动时，e1 e2（3）当铁芯向下运动时，e1 e2，其输出特性见 c),2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,48,问题：交流电压输出存在零点残余电压和输出值不能反映铁芯位移的极性问题。解决办法：采用如图3-21所示的差动相敏检波电路和差动整流电路在没有输入信号时，铁芯处中间位置，调节R使零点残余电压减小，当铁芯上下移动时，输入信号经放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。优点：精度高（0.1m级）线性范围大（100mm），稳定度好，使用方便，广泛用于直线位移测量。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,49,定义：把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。（又称电磁感应式或电动力式）原理：由电工学知，一个匝数为W的线圈，当穿过该线圈的磁通 发生变化时，其感应电动势 e 为,（3-34）,可见线圈磁感应电动势大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。而磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻和线圈运动速度有关。,第七节 磁电式传感器,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,50,一动圈式（恒磁通式）1线速度型 在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动线圈，当线圈在磁场中运动时，它所产生的感应电动势e为:,（3-35）,（3-36）,2023年10月6日星期五,W线圈匝数B磁场的磁感应强度l单匝线圈有效长度v线圈与磁场的相对运动速度线圈运动方向与磁场方向夹角当=900时式（3-35）可写成,机械工程测试技术基础,51,这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,52,2角速度型：线圈在磁场中转动时产生的感应电动势为,（3-37）,2023年10月6日星期五,角速度A单匝线圈的截面积k与结构有关的系数(k1),当传感器结构一定时，W、B、A 均为常数，感应电动势 e 与线圈相对磁场的角速度成正比，这种传感器被用于转速测量。,机械工程测试技术基础,e：发电线圈感应电势；Z0：线圈阻抗；CC 是电缆导线分布电容；RC 是电缆导线的电阻(可忽略)RL 是负载电阻(含放大器输入电阻)；,53,3等效电路,（3-38）,如果使用线不长CC可忽略，且RL Z0时，则放大器输入电压为,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,54,二磁阻式（变磁通式）原理：磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻，而引起磁力线增加和减弱，使线圈产生感应电动势。其工作原理见图3-37所示。特点：磁阻式传感器使用简便，结构简单，不同场合用来测量转速、偏心量、振动等。,图3-37 磁阻式传感器工作原理及应用例,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,55,磁电式扭距传感器,2023年10月6日星期五,56,磁电式振动传感器的特点：磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上，适合作机械振动测量、转速测量。传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但传感器尺寸大、重，频率响应低，通常在10100Hz。输出阻抗低几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小。航空航天发动机等设备的振动实验；兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。,机械工程测试技术基础,57,第五节 电容式传感器,2023年10月6日星期五,根据电容器变化的参数可分为：（1）极距变化型；（2）面积变化型；（3）介质变化型,极板间介质相对介电常数，在空气中=1,极板面积,极板间距离,一变换原理电容式传感器将被测物理量转换为电容量变化的装置。,0真空中介电常数，8.810-12F/m,（3-20）,机械工程测试技术基础,58,（一）极距变化型,两边取微分,传感器灵敏度S为,(3-21),灵敏度S与极距平方成反比。为了减小非线性误差，通常在较小间隙变化范围内工作，一般取变化范围,优点：灵敏度高;可进行动态非接触式测量;适用小位移(0.01m数百微米)测量。缺点：有非线性误差;杂散电容对灵敏度和测量精度有影响；配套用电子线路复杂。,（3-20）,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,59,（二）面积变化型分类：（1）角位移型（2）线位移型（3）圆柱体线位移型,a）角位移型,式中：覆盖面积对应中心角（弧度）；r极板半径,（3-22）,灵敏度为,=常数（线性关系）（3-23）,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,60,b）平面线位移型,电容量C 为,（3-24）,灵敏度S 为,常数（线性关系）（3-25）,c）圆柱体线位移型,电容量C 为,（3-26）,灵敏度S 为,常数（线性关系）（3-27）,特点：（1）优点是输出与输入成线性关系。（2）灵敏度较低。（3）适用较大直线及角位移测量。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,61,（三）介质变化型此种传感器利用介质介电常数变化将被测量转换为电量。可用来测量电介质液位或某些材料的厚度、温度和湿度等，见图3-24。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,62,二测量电路（一）电桥型电路把电容传感器作为电桥一部分，将电容变化转化为电桥电压输出，见图3-25。形式：（1）电阻、电容（2）电感、电容电桥输出为一调幅波，经放大、相敏检波、滤波后输出，推动仪表。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,63,（二）直流极化电路 此电路多用于电容传声器或压力传感器中。如图3-26 所示，弹性膜片在外力(气压、液位)作用下发生位移，使电容量发生变化。电容的变化由高阻值电阻R转换为电压变化。分析表明，输出电压 uy和膜片移动速度近似成一阶系统的关系。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,64,（三）谐振电路电路原理及工作特性见图3-27。电容传感器的电容Cx作为谐振电路(L2、C2/Cx)调谐电容的一部分，由电压耦合从稳定高频振荡器获得振荡电压。当Cx变化时，谐振回路阻抗相应变化，并被转换成电压或电流输出，经放大、检波输出。一般工作点选在准线性区域内。特点：（1）灵敏；（2）工作点不易选好；（3）变化范围窄；（4）连线杂散电容影响也较大。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,65,（四）调频电路见图3-28,当输入量使传感器电容变化时,振荡器振荡频率发生变化,频率的变化经鉴频变为电压变化再经放大输出。特点：（1）抗干扰性强；（2）灵敏度高（0.01m）；（3）电缆电容影响大，使用中麻烦。,输出,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,66,（五）运算放大器电路如图3-29所示，输入阻抗采用固定电容 C0，反馈阻抗采用电容传感器 Cx。,根据比例器运算关系，有,(u0-激励电压）,考虑，有,（3-28）,由式（3-28）可知，输出电压uy与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路常用于位移测量。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,如前所述极距变化型传感器中，极距变化与电容变化量成非线性关系，使用中受到制约。而采用比例运算放大器电路输出电压 uy 和位移量是线性变化，正好克服上述缺点。,67,另外，一方面，Cx 很小（几十到几百pF）测量时变化更小（常在1pF以下）；另一方面传感器与周围元件及连接电缆存在寄生电容，其电容大且不稳定，影响测量精度。,解决方法：（1）缩短传感器与测量电路之间电缆，甚至做成一体。（2）采用双层屏蔽电缆，见图3-30,当放大器增益为 1 和相移为零时，内屏蔽线和芯等电位，可见两者之间的容性漏电流为零。从而消除两者之间的寄生电容影响。当放大器增益不为 1或相移非零时，芯线和内屏蔽线电位有差别。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,68,第六节 压电式传感器,2023年10月6日星期五,灵敏度高,固有频率高,信噪比高,结构简单,体积小，重量轻,工作可靠,优点,无静态输出,缺点,很高的输出阻抗,需要低电容、低噪声电缆,精确度高,压电式传感器是一种可逆型换能器（机械能电能），广泛应用于力、压力、加速度测量。也用于超声波发射和接受装置。,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,69,一压电效应,1压电效应某些物质如石英、钛酸钡、锆钛酸铅（PZT）等，在外力作用下，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化表面有电荷出现形成电场；当外力消失时，材料重新恢复到原来形态，这种现象称为压电效应。相反将这些物质置于电场中，几何尺寸也发生变化，此现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。,机械工程测试技术基础,70,2晶体结构石英晶体结晶形状为六角形晶体，两端为一对称棱锥。六棱锥是基本组织。纵轴线z-z称为光轴，过六角棱线垂直于光轴的轴线x-x称为电轴，垂直于棱面的轴线 y-y 称为机械轴。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,71,3纵、横向效应,2023年10月6日星期五,当施加外力时，将沿 x-x 方向形成电场，其电荷分布在垂直于 x-x 轴的平面上。a）沿 x 轴加力产生纵向效应；b）沿 y 轴加力产生横向效应；c）沿相对两平面加力产生切向效应。,天然石英,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,72,4力与电荷量关系,实验证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。如 沿x-x轴加力，则有 式中：q-荷量dc-压电常数，与材质和切片方向有关 F-作用力,（3-29）,机械工程测试技术基础,73,二压电材料,压电单晶（单晶体）,常用压电材料分类,石英,铌酸锂,钽酸锂,压电陶瓷（多晶体）,钛酸钡,镐钛酸铅,有机电薄膜,1石英应用广泛，具有较好的机械强度和时间及温度稳定性。2压电陶瓷在现代声学和传感技术中普遍应用。制造方便，成本低，压电常数比单晶高。最早的压电陶瓷钛酸钡，其居里点约350，压电常数70590 pC/N3高分子压电薄膜压电特性不太好，但它可以大量生产，具有面积大，柔软不宜破等优点，可用于微压测量。,压电陶瓷,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,74,三 压电式传感器及其等效电路,1电容量,压电材料相对介电常数；石英晶体-4.5；压电陶瓷-1200;0真空中介电常数;A晶片面积；,2023年10月6日星期五,在压电晶体的两个工作面上进行蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当晶片受力时，两个极板上积聚数量相等，极性相反的电荷，形成了电场。因此，该传感器即可看作是电荷发生器，它又是一个电容器。,如果施加外力不变，积聚在极板上电荷无泄露，外电路负载无穷大，外力作用期间电荷量保持不变，直到外力终止，电荷消失。如果负载不是无穷大，电路按指数规律放电，造成测量误差。因此测量时采用极高阻抗负载，比较适应动态测量。,其电容量为：,机械工程测试技术基础,75,压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。电容器上开路电压 u0 与电荷量 q 和电容 Ca 存在下列关系：,（3-31）,R0,CC,Ca,q,图3-33 d）等效电荷源,当接入测量电路时，寄生电容 Cc 接入，后续电路输入阻抗和漏电阻形成泄漏电阻 R0，当负载平衡时：,式中 q压电元件产生电荷量，当受外力 f=F0sint 时，dc压电常数；C电容(C=Ca+Cc+Ci)其中Ci为外接电路输入端电容；u 电容上建立的电压；i 泄漏电流(i=u/R0),2023年10月6日星期五,2等效电路,机械工程测试技术基础,76,式(3-31)可写为,或,其稳态过程为,电容上电压为,（3-32）,3说明 式（3-32）表明压电元件的电压输出还受到回路时间常数R0C 影响。在动态测试时为了有一定不失真输出，测量电路必须：（1）提高输入阻抗，并在输入端并联一定电容Ci（2）加大时间常数 R0C。但并联电容不宜过大，否则会使输出电压降低，灵敏度降低。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,77,4并联：实际中往往用并接（图3-33b）。并接时（1）输出电荷量大；（2）时间常数大宜于测缓慢信号，适宜以电荷量输出的场合。5串联：串接时（图3-33c），（1）传感器电容小；（2）输出电压大；（3）适宜以电压作为输出信号。,图3-33 b)压电晶片并联,图3-33 c)压电晶片串联,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,78,四测量电路1前置放大 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，本身存在内阻，给后接电路带来一定困难。为此先把信号输入到高阻抗的前置放大器，方可进行一般放大、检波、输出指示仪。前置放大器的作用：（1）将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出;（2）放大信号。2前置放大器的形式（1）电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压成正比。（2）电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。3电压放大器 电压放大器中，输入电压如式（3-32）所示。由于总电容C中电缆对地电容 Cc 比其它电容都大，故测量系统对Cc的变化非常敏感，电缆的长度及形状变化影响输出电压和灵敏度。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,4电荷放大器电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。当略去传感器漏电阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如图3-34。放大器输出端电压uy=-A ui，如果放大器开环增益A足够大，则 A Cf C+Cf式（3-33）表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与传感器电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。因此可长距离测量，灵敏度无明显变化，但其电路复杂，价格昂贵。,79,（3-33）,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,80,五压电式传感器的应用1应用范围测力、压力、振动、加速度、超声发射等。2测力范围10-3N104kN，动态范围DR一般为60dB，单方向，或多方向。3传感器形式利用膜片式弹性元件 力膜片凸台压电片电荷量；利用活塞乘压面受力 力活塞乘压面活塞杆压电片上电荷量；压电式加速度计可做成不同灵敏度、不同量程和不同大小的系列产品。4工作频率范围数十赫兆赫，范围宽。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,81,5误差此传感器一般常用纵向效应（测轴向力），横向效应实为干扰和测量误差，一个压电式传感器各横向灵敏度不一样。为减少影响和干扰，应力求最小横向灵敏度与最大横向干扰力方向重合。6校准环境湿度、温度变化和压电材料本身失效，都会引起压电常数变化，经常校准是必要的。7工作原理的可逆性施加电压于压电晶片，压电片便产生伸缩，可用作“驱动器”，如作振动源、超声发声器、扬声器及精密驱动装置。,机械工程测试技术基础,82,1、热电偶工作原理将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，当两个结合点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，相应的电动势称为热电势。,第八节 热电式传感器,一、热电偶传感器,图3-39 热电偶回路,2023年10月6日星期五,原理：基于金属的热电效应把被测量（主要是温度）转换为电量变化。分为热电偶与热电阻传感器。,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,83,两种不同材料导体的组合称为热电偶。导体A、B 称为热电极。两个接点中，一个接点称为热端，也称为测量端或工作端，测温时它被置于被测介质(温度场)中；另一个接点称为冷端，又称参考端或自由端。,热电效应产生的条件：两种不同材料的导体。接成闭合回路。两个接点处温度不同。,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,84,2、热电偶基本定律,由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的尺寸大小、形状及沿电极各处的温度分布（导体材料的中间温度）无关。如果构成热电偶的两种材料相同，则无论两节点温度如何，不会产生热电动势，即热电偶回路中的总热电动势为零。,1）均质导体定律,利用该定律，可以检查两种热电极材料是否相同，或一种热电极材料是否均匀。,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,85,2）中间导体定律,在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同，第三种导线的引入不会影响热电偶的热电动势，即回路总热电动势不变。,该定律说明在冷端接入放大电路，不会影响结果。,测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,86,3）中间温度定律,根据该定律，热电偶本身的导线如果不够长，可以用同样性质（同样热电特性）的补偿导线加以延长。延长后的热电动势与延长线的中间温度无关，只与延长后的两端温度有关。,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,87,当温度为T0、T时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的和，即：,4）标准电极定律,如果已知两种导体分别对第三种导体的热电势，则前两种导体之间的热电动势可求。,（3-41）,机械工程测试技术基础,88,2023年10月6日星期五,3、热电偶的分类：（自学P96,P97）,(1)铂铑铂热电偶(WRLB)(2)镍铬镍硅(镍铬镍铝)热电偶(WREU)(3)镍铬考铜热电偶(WREA)(4)铂铑10铂铑6热电偶(WRLL),机械工程测试技术基础,89,1）铂铑铂热电偶（WRLB）组成：铂铑丝为正极（铂90%，铑10%），纯铂丝为负极；直径均为 0.5mm。特点：在1300下可长时间使用，较易得到高纯度铂和铂铑，复制精度和测量精度较高，可用于精密温度测量和做基准热电偶。缺点：热电动势较弱；在高温时易变质，引起热电偶特性变化，失去测量准确性；成本高。,2）镍铬镍硅（镍铬镍铝）热电偶（WREU）组成：镍铬为正极，镍硅为负极；直径约为1.22.5mm。特点：化学稳定性高，在氧化性或中性介质中可长时间测量900以下温度，短期测量1200；还原性介质中，易受腐蚀，只能测量500以下。复制性好，产生热电动势大，线性好，价格便宜。是工业测量中最常用的热电偶之一。缺点：测量精度偏低。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,90,4）铂铑30铂铑6热电偶（WRLL）组成：铂铑30丝（铂70%，铑30%）为正极，铂铑6丝（铂94%，铑6%）为负极。特点：可长期测量1600的高温，短期测量可达1800。性能稳定，精度高，适于在氧化性或中性介质中使用。缺点：产生的热电动势小，价格昂贵。,3）镍铬考铜热电偶（WREA）组成：镍铬丝为正极，考铜（镍、铜合金）为负极；直径约为 1.22.0mm。特点：适宜于还原性或中性介质，长期使用温度在600以下，短期测量800.热电灵敏度高、价格便宜。缺点：测温范围低且窄，考铜合金易受氧化而变质。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,91,5）特殊热电偶超高温热电偶（2000，精度1%），低温热电偶（2273K低温，灵敏度为10 V/），快速测量壁面温度的薄膜热电偶（测量厚度为0.010.1mm），非金属材料热电偶。,2023年10月6日星期五,铠装型热电偶可 长达上百米,机械工程测试技术基础,92,二、热电阻传感器热电阻传感器:利用电阻随温度变化的特点制成的传感器。主要用于对温度和与温度有关的参数测定。按热电阻的性质分类：金属热电阻（热电阻）半导体热电阻（热敏电阻）热电阻的组成：电阻体绝缘套管接线盒等,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,93,1、铂电阻特点：精度高，稳定性好，性能可靠，在氧化性介质中物理化学性质非常稳定，但在还原性介质中，容易受污染，使材料变脆，并改变其电阻与温度间的关系，制作成本高。根据经验公式，铂电阻的温度关系为：式中：Rt/R0为温度为t/0时的电阻值；A-常数，B-常数，铂的纯度表示：R100/R0；分度号：BA1、BA2，R100/R0=1.391,（3-42）,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,94,2、铜电阻一般用于精度要求不高，温度范围较低。优点：测量范围-50150、线性度好、价格便宜。缺点：电阻率小，温度超过100 时，铜容易氧化。3、其它电阻铟电阻一种高精度低温热电阻，在4.215K温度范围内灵敏度比铂高10倍。锰电阻在216K温度范围内电阻率随温度平方变化，缺点是脆性大，难以拉制成丝。碳电阻在低温下灵敏度高、热容量小，对磁场不敏感、价格便宜、操作方便、稳定性差。,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,95,2023年10月6日星期五,热电阻 VS.热电偶,机械工程测试技术基础,96,半导体材料重要特性是对光、热、力、磁、气体、温度等理化量的敏感性。近代半导体技术利用这些特性，作为非电量电测的转换元件。特点：（1）物性型传感器；（2）结构简单，体积小，重量轻；（3）功耗低，安全可靠，寿命长；（4）对被测量敏感，响应快；（5）易于实现集成化；（6）输出一般为非线性，常采用线性化电路；（7）温度影响大，需要温度补偿措施；（8）性能参数分散性较大。,第九节 半导体传感器,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,97,（1）霍尔元件一种半导体磁电转换元件。一般由锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料制成。它利用霍尔效应进行工作。将霍尔元件置于磁场 B 中，如果在 a,b 端通以电流 i 在 c,d 两端就会出现电位差，称为霍尔电势 VH，此现象叫霍尔效应。,图3-38 霍尔元件及霍尔效应原理,2023年10月6日星期五,一磁敏传感器分类：（1）霍尔元件（2）磁阻元件（3）磁敏管,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,98,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片C、D方向的端面之间建立起霍尔电势EH。kH霍尔常数，取决于材质、温度、元件尺寸；i电流；B磁感应强度；电流与磁场方向的夹角；,（2）霍尔元件的结构及工作原理,（3-39）,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,99,C,A,B,霍尔效应演示,D,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,100,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,101,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍尔IC,EH=SH IB,I,I,霍尔钳形 电流表演示,2023年10月6日星期五,102,霍尔钳形 电流表演示,钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过,70.9A,机械工程测试技术基础,2023年10月6日星期五,机械工程测试技术基础,103,霍尔式位移传感器原理示意图,霍尔式位移传感器,104,霍尔式压力传感器结构原理图及磁钢外形,霍尔式压力传感器,2023年