机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第二章 测试装置的基本特性1.ppt

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1、DATE: 2019/7/1,PAGE: 1,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第二章 测试装置的基本特性 小结,基本特性： 静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰特性； 特性是统一的，各种特性之间是相互关联的； 要求掌握： 1）基本特性的评价方法； 2）不失真测试的条件； 3）一阶、二阶系统动态特性及其测定方法。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 2,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第三章 常用传感器与敏感元件,第一节 传感器的分类 第二节 机械式传感器及仪器 第三节 电阻、电容与电感式传感器 第四节 磁电、压电与热电式传感

2、器 第五节 光电传感器 第六节 光纤传感器 第七节 半导体传感器 第八节 红外测试系统 第九节 激光测试系统 第十节 传感器的选用原则,DATE: 2019/7/1,PAGE: 3,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第三章 常用传感器与敏感元件 传感器定义 3-1 传感器的分类 3-2 机械式传感器 3-3 电阻式传感器 金属电阻应变片 半导体应变片 3-3 电容式传感器,本次课内容,DATE: 2019/7/1,PAGE: 4,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第三章 常用传感器与敏感元件,传感器（sensor or transdu

3、cer)定义,传感器是借助敏感元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电量转换成电信号的装置。,感受+转换,DATE: 2019/7/1,PAGE: 5,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第三章 常用传感器与敏感元件,传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,辅助器件,敏感器件,DATE: 2019/7/1,PAGE: 6,DALIAN UNIVERS

4、ITY OF TECHNOLOGY,第一节 传感器的分类,按被测物理量分类： 位移传感器； 力传感器； 温度传感器。,按工作原理分类： 机械式； 电气式； 光电式； 流体式。,按输出信号分类： 模拟式； 数字式。,按外界信息和变换效应分类： 物理传感器； 化学传感器； 生物传感器。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 7,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第一节 传感器的分类,按信号变换特征分类：,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信 号变换。如:水银温度计，压电测力计。 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。 如:电容式和电感式传感器

5、。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 8,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第一节 传感器的分类,按敏感元件与被测对象间能量关系：,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作。 例如:热电偶温度计，压电式加速度计。 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。例如:电阻应变片。 转换型为无源传感器，控制型为有源传感器。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 9,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第二节 机械式传感器及仪器,以弹性体作为传感器的敏感元件，又称为弹性敏感元件； 输入量：力、压力、温度等； 输出

6、：弹性元件本身的变形 转变为仪表指针的偏转。 例如：测力计、弹簧秤；波纹膜片；双金属片 特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观。 缺点：放大和指示环节存在间隙，惯性大，固有频率低。,将被测机械量转化为弹性变形输出的传感器,弹性敏 感元件,输入,输出,力、压力、温度,弹性变形（应变）,DATE: 2019/7/1,PAGE: 10,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第二节 机械式传感器及仪器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 11,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第二节 机械式传感器及仪器,探测物体有无、位置、尺寸

7、、运动状态等,DATE: 2019/7/1,PAGE: 12,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,第二节 机械式传感器及仪器,因此，在非电量电测传感器中，常将被测量转化为弹性变形，然后再将位移转化为电量输出。,注意： 弹性元件有蠕变、弹性滞后效应，影响输入、输出的线性关系！ 从结构设计、材料选择、工艺方法等方面加以克服。,例如：动态测力环,F,DATE: 2019/7/1,PAGE: 13,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,将被测量变化转化为电阻变化 分类：变阻器式大电阻式 ，测量线位移、角位移 电阻应变式应变、力

8、、位移、加速度、扭矩,一、变阻器式传感器（电位计式）,电阻率，L电阻丝长度，A电阻丝截面积,电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线的长度而变化。,通过改变电位器触头位置，实现将位移转化为电阻的变化。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 14,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,f(x)=kx3,抛物线骨架,f(x)=kx2,直角三角形骨架,DATE: 2019/7/1,PAGE: 15,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,单位长度的电阻（常数）,输入量：触点C移动量位移,C点与A点之间电阻输

9、出量,传感器灵敏度,图a:,图b:,图c:,DATE: 2019/7/1,PAGE: 16,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,u0 直流激励电压 uy传感器输出电压 xp变阻器总长度 Rp变阻器总电阻 RL测量电路输入电阻,变阻器式传感器的后接电路，一般采用如下电阻分压电路：,DATE: 2019/7/1,PAGE: 17,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,在u0作用下，传感器输入量x与输出量 uy之间的关系：,当：RL时，则：,优缺点： 优点：结构简单，性能稳定，使用方便； 缺点：分辨率低

10、（很难高于20m），电噪声大（uyx曲线为阶梯形状）； 应用于：线位移、角位移测量，测量仪中电子电位差计等。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 18,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,主要产品,超精密度导电塑料基片以及铂金电刷组装而成的直线位移传感器（俗称电子尺，电阻尺），量程75-1000mm,线性度达到0.05% ，重复精度0.013mm。寿命一亿次。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 19,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力

11、-位移 -电位器-电阻,DATE: 2019/7/1,PAGE: 20,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,DATE: 2019/7/1,PAGE: 21,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,案例：机器人,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,DATE: 2019/7/1,PAGE: 22,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,二、电阻应变式传感器,1 金属电阻应变片 金属丝电阻应变片（电

12、阻丝式应变片）、金属箔式应变片两种。 工作原理：基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。,测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数； 具有体积小、动响快、精度高、使用简便等优点； 分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 23,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,高电阻率的金属丝绕成栅形,DATE: 2019/7/1,PAGE: 24,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,栅状金属箔片用光刻成型，线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好，散热好，粘接好。,DA

13、TE: 2019/7/1,PAGE: 25,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 26,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化，由此将被测量的变化转变为电阻变化。,由,得到：,DATE: 2019/7/1,PAGE: 27,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,电阻的相对变化：,电阻丝轴向相对变

14、形，纵向应变,电阻丝径向相对变形，横向应变,电阻丝电阻率的相对变化,DATE: 2019/7/1,PAGE: 28,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,电阻丝材料泊松比,弹性模量,压阻系数,应变系数或灵敏度,电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者关系：,电阻相对变化率 与应变成正比,轴向正应力,DATE: 2019/7/1,PAGE: 29,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,2 半导体应变片应用半导体材料的压阻效应。,压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，能使其电阻率发生很大变化

15、的现象。 半导体在压力、温度及辐射作用下，能使其电阻率发生很大变化。,E远大于 1+2v,一般比金属丝电阻应变片大5070倍,DATE: 2019/7/1,PAGE: 30,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小。 缺点：温度稳定性能差，灵敏度分散大，在较大应变作用下，非线性误差大。,电阻丝式应变片、半导体应变片主要区别： 电阻丝：外力作用引起导体变形电阻变化，基于应变效应，温度稳定性好，灵敏度差，S一致性好，成本低，应用广。 半导体：外力作用，电阻率变化引起电阻变化，基于压阻效 应，S大，滞后小，可

16、集成，温度稳定性差，灵敏度(S)分散大。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 31,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,3 应用实例,两种应用方式,1）直接用来测定结构的应变或应力,DATE: 2019/7/1,PAGE: 32,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度的传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 33,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,案例：桥梁固有频率测量,D

17、ATE: 2019/7/1,PAGE: 34,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,案例：电子称,原理 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。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 35,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,DATE: 2019/7/1,PAGE: 36,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏

18、行为均可及时发现。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 37,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电阻式传感器,注意的问题： 应变片测出的是应变，必须经过转换 微应变不是单位，表示长度相对变化量 1 粘贴工艺很重要 用于动态测量时，应考虑应变片本身的动态特性（激励电源频率、基片的长度） 温度变化引起阻值变化，需考虑温度补偿,DATE: 2019/7/1,PAGE: 38,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,电阻式传感器类型,3-3 电阻式传感器,压阻效应 电阻率变化,应变效应 电阻值变化,固态压阻式 传感器,DATE: 20

19、19/7/1,PAGE: 39,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,本次课内容,3-3 电容式传感器,工作原理,：将被测量转化为电容量变化。,1.极距变化型（变）；,2.面积变化型（变A）；,3.介质变化型（变）。,测量电路,3-3 电感式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 40,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,一、工作原理,平行极板电容器,极板间介质的相对介电常数，在空气中=1； 0真空中介电常数， 0=8.8510-12F/m； 极板间距离； A极板面积 。 当、A、变化，都会引起电容的变化，对

20、应极距变化型、面积变化型和介质变化型。,将被测量转化为电容量变化。,实质：一个具有可变参数的电容量。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 41,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,极距变化型，C 与之间关系呈非线性。,灵敏度与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高。 为了减少非线性误差，工作范围/0 10%，S近似为常数，在此范围内，近似为线性。 量程范围：0.01m数百m。 可采用差动形式，S一倍。,1.极距变化型（变）：,DATE: 2019/7/1,PAGE: 42,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-

21、3 电容式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 43,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,例如：DWY2电容式振动位移测量仪（变） o1.32mm, 可测位移量：0.05100m 频率范围： 10kHZ 测头面积： 14.2mm,DATE: 2019/7/1,PAGE: 44,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,极距变化型,DATE: 2019/7/1,PAGE: 45,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,驻极体电容传声器,它采用聚四

22、氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 46,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,2.面积变化型（变A）：,DATE: 2019/7/1,PAGE: 47,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,2.面积变化型（变A）：,DATE: 2019/7/1,PAGE: 48,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式

23、传感器,线性度好，但灵敏度低，适合大位移的测量,DATE: 2019/7/1,PAGE: 49,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 50,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 51,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,3.介质变化型（变）：,用于测量电介质液位，某些材料厚度、温度、湿度等。

24、,DATE: 2019/7/1,PAGE: 52,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 53,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 54,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,电容式液位传感器（液位计/料位计）,DATE: 2019/7/1,PAGE: 55,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,电容式接近开关,测量头构成

25、电容器的一个极板，另一个极板是物体本身。当物体（金属或非金属）移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使浮动电极产生的电场变化，高频振荡器产生振荡，振荡器的振荡和停振这两个信号，由整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”，“关”的控制作用。接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 56,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,(1)电桥型电路,二、测量电路,有电感、电容组成的桥路，电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，再驱动显示仪表。,电容变化

26、-电桥电压输出,DATE: 2019/7/1,PAGE: 57,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,(2)直流极化电路,静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。,输出电压与膜片位移速度成正比，可以测量气流或液流的振动速度，进而得压力。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 58,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,(3)谐振电路,电容传感器的电容Cx作为谐振电路调谐电容的一部分。,当Cx变化时，谐振回路的阻抗发生相应变化并被转化成电压或电流输出，经放大、检波，即可得到输出。,工作点

27、应选择在谐振曲线一边的线性区域内。这种电路比较灵敏，但工作点不易选好、变化范围窄，连接电缆分布电容影响大。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 59,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电容式传感器,(4)调频电路,传感器电容Cx是振荡器谐振回路的一部分，当Cx变化时，振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经过放大后由记录器或显示仪表指示。,抗干扰性强、灵敏度高等优点，可测0.01um变化。电缆部分电容的影响大。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 60,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-

28、3 电容式传感器,(5)运算放大器电路,输出电压与电容极距变化成线性关系,DATE: 2019/7/1,PAGE: 61,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量变化的一种装置。,分类:,电感式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 62,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,一、可变磁阻式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 63,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,工作原理

29、： 线圈自感量L为,N线圈匝数 Rm 磁路总磁阻H-1,如果空气隙较小，而且不考虑磁路的铁损时，总磁阻,l铁心导磁长度；铁心导磁率；A铁心导磁截面积； 气隙长度；0空气导磁率，0=410-7 H/m；A0空气隙导磁横截面积（m2 ）。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 64,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,铁心磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略。 则总磁阻：,可构成、 o、 A0 及N变化型传感器,则电感量：,气隙长度；0空气导磁率； A0空气隙导磁横截面积；N线圈匝数。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 65,DALIAN

30、 UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,间隙变化型（气隙长度） L与是呈非线性关系 电感量,灵敏度,S 与2成反比，愈小，S越大。S不是常数，会出现线性误差。当/010%，（变化范围很小时），S近似为常数。 一般规定在较小间隙范围内工作，工作范围00+，一般取这种传感器使用于小位移的测量，一般为0.0011mm。 特点：灵敏度高。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 66,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,2. 面积变化型（Ao空气隙导磁横截面积）,灵敏度,3. 介质变化型（o-空气导磁率）,DATE:

31、 2019/7/1,PAGE: 67,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 68,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,电感测微计上，构成两个桥臂,常用测量范围0-300um，分辨力0.5um,DATE: 2019/7/1,PAGE: 69,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,电感式接近传感器（金属）,DATE: 2019/7/1,PAGE: 70,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOG

32、Y,3-3 电感式传感器,二、电涡流式电感传感器,工作原理：电涡流现象 金属板置于一只线圈附近，相互距离为。当线圈中有一高频交变电流i通过时，便产生磁通。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流i1。这种涡电流也将产生交变磁通1。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，1总是抵抗的变化。 由于涡流磁场的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。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 71,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,原理:涡流效应,DATE: 2019/7/1,PAGE: 72,DALIAN U

33、NIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 73,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,Z（线圈与金属板距离 金属板电阻率 磁导率 线圈激磁频率） 应用：变化, 测位移、振动 变化或 ，材质鉴别或探伤,原线圈的等效阻抗Z变化：,涡流测振仪一般采用如下分压调幅电路：,DATE: 2019/7/1,PAGE: 74,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与电源频率相同时，输出电压u0最大。,变化，

34、LC回路失谐，输出信号的频率仍为振荡器的工作频率f，但幅值随而变化，它相当于被调制的调幅波。 -放大检波滤波,得到变化信息,DATE: 2019/7/1,PAGE: 75,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,把传感器线圈接入LC振荡回路，取回路的谐振频率作为输出量。当变化时引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率f发生变化，再通过鉴频器进行频率电压的转化，即可得到与成比例的输出电压。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 76,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,应用实例,径向振摆测量,轴心

35、轨迹测量,转速测量,表面裂纹测量,零件计数器,穿透式测厚,DATE: 2019/7/1,PAGE: 77,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 78,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,案例：无损探伤,火车轮检测,油管检测,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 79,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,当线圈W1输入交流电流时，线圈W2产生感应电势e12，其大小与电流

36、i1的变化率成正比：,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的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的耦合程度。,三、差动变压器式电感传感器（互感）,工作原理： 利用电磁感应中的互感现象（与变压器的原理相同）,DATE: 2019/7/1,PAGE: 80,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,铁心,一次侧线圈,二次侧线圈,1.中间位置 2.向上运动 3.向下运动,DATE: 2019/7/1,PAGE: 81,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,螺旋管式差动变压器式传感器,D

37、ATE: 2019/7/1,PAGE: 82,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 83,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,变压器由初级线圈W和两个参数完全相同的次级线圈W1、W2组成。线圈中心插入圆柱形铁心P，次级线圈W1及W2 反极性串联。 当初级线圈W加上交流电压时，次级线圈W1及W2分别产生感应电势e1和e2，其大小与铁心位置有关。 当铁心P在中间位置时，e1=e2，输出电压e0=0， 铁心P向上运动时，e1e2 铁心P向下运动时，e1e2。 随

38、着铁心偏离中心位置，e0逐渐增大，其输出特性如图所示,DATE: 2019/7/1,PAGE: 84,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比； 输出电压若用交流电表指示只能反映铁心位移的大小，不能反映方向； 交流电压输出存在零点残余电压。 主要有两个二次侧线圈结构不对称，以及一次侧线圈铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电容等原因。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 85,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节

39、电阻R使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心上下移动，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。表头指示位移大小和方向。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 86,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,差动变压器式电感式传感器特点： 线性测量范围大，可达100mm 精度高，分辨率可达0.1m， 稳定性好,使用方便， 频率响应：0200Hz（频率响应低）,由eo的绝对值大小可知x的值（位置） 由eo的极性可知x相对中间位置的方向（方向）,应用：电感式位移传感器 测力（借助弹性元件将压力、重量位移）,DATE: 2019/7/1,P

40、AGE: 87,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,案例：板的厚度测量,DATE: 2019/7/1,PAGE: 88,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-3 电感式传感器,案例：张力测量,DATE: 2019/7/1,PAGE: 89,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 磁电式传感器,一、变换原理,磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种转换器。（电磁感应式或电动力式）,感应线圈的感应电动势为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感

41、应电动势。,e取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率,DATE: 2019/7/1,PAGE: 90,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 磁电式传感器,二、分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,DATE: 2019/7/1,PAGE: 91,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 磁电式传感器,三、动圈式（线圈以v 或运动，产生e）,B磁感应强度 L单匝线圈的有效长度 v线圈与磁场的相对运动速度,线圈运动方向与磁场方向的夹角 A单匝线圈的截面积 K与结构有关的系数,DATE: 2019/7/1,PAGE: 92,DALI

42、AN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 磁电式传感器,e-发电线圈的感应电势；Z0是线圈阻抗；RL是负载电阻；Cc是电缆导线的分布电容；Rc是电缆导线的电阻；Cc、Rc可忽略。高输入阻抗时UL=e。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 93,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 磁电式传感器,4.磁电式传感器的工作原理是可逆的。 作为测振传感器，它工作于发电机状态。,若线圈上加上交变激励电压，线圈在磁场中振动，成为一个激振器（电动机状态）。,注意： 1.当N、B、L均为常数时，感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比惯性式速度计的工

43、作原理。 2.速度是指线圈与磁场的相对速度；而不是壳体的绝对速度。 3.如果经过微分或积分网络，可以得到加速度或位移。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 94,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,DATE: 2019/7/1,PAGE: 95,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 磁电式传感器,角速度型,测速电机,DATE: 2019/7/1,PAGE: 96,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 磁电式传感器,四、磁阻式（线圈、磁铁不动，运动物

44、体改变磁阻）,DATE: 2019/7/1,PAGE: 97,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 磁电式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 98,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 压电式传感器,一、压电效应与压电材料,压电效应,正压电效应：某些晶体在其表面施加力，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，在其表面出现电荷，形成电场；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力大小成正比，此现象称为正压电效应。 逆压电效应：将这些晶体置于电场中，其

45、几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。 压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 99,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 压电式传感器,压电材料 晶体具有压电性，压电晶体,压电单晶石英、铌酸锂，稳定性好，灵敏度低 压电多晶压电陶瓷、锆钛酸铅，稳定性差，灵敏度高 压电半导体有压电、半导体两特性 有机压电薄膜聚丙二氟乙烯（PVdF），灵敏度低，用于微压、拟人触觉，大批量生产，面积大，柔软，不易碎。,DATE: 20

46、19/7/1,PAGE: 100,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 压电式传感器,二、石英晶体的正压电效应,石英晶体成份SiO2，其基本结构为六棱柱体，石英晶体的直角坐标： X-X压电轴, Y-Y机械轴, Z-Z光轴,DATE: 2019/7/1,PAGE: 101,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 压电式传感器,在石英晶体中切出一个平行六面体，其对表面分别垂直于X、Y、Z轴。,a)纵向效应,b)横向效应,c)切向效应,DATE: 2019/7/1,PAGE: 102,DALIAN UNIVERSITY OF TECH

47、NOLOGY,3-4 压电式传感器,纵向压电效应 沿X方向施加Fx力，将在垂直于X轴表面出现电荷qx qx=d11Fx d11=2.3110-12C/N,横向压电效应 沿Y方向施加Fy力，将在垂直于X轴表面出现电荷qx qx=-d11Fy,切向压电效应 施加切向力Fy切，则在垂直于XX轴的表面产生电荷qx qx=d14Fy切 d14=0.7310-12C/N,纵向压电常数,！沿Z轴表面施加Fz作用力，其表面不产生电荷。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 103,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 压电式传感器,三、石英晶体压电效应的物理解释,组成石英

48、晶体的硅离子和氧离子，在垂直于Z轴平面上的投影可以等效为正六边形的顶点排列。 当不受力时，硅、氧离子的正、负电荷的等效作用中心重合，对外不显电性。 纵向压电效应 在F力的作用下，石英晶体变形，硅、氧离子的正、负电荷的等效作用中心沿X轴方向分离，因此在垂直于X轴的晶体表面将吸附电荷（形成偶极子电场，与外力电场平衡）。,DATE: 2019/7/1,PAGE: 104,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 压电式传感器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 105,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 压电式传感器,四、压电传感器及等效电路,单向石英压电测力传感器，具有一定电容的电荷源。,电荷发生器 电容器,DATE: 2019/7/1,PAGE: 106,DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,3-4 压电式传感器,五、测量电路,前置放大器用途：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输