第三章 常用传感器

R 1 2 E x R
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 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.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp

被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。 一般把信号调理与转换电路归为辅助器件
例：
V
智能传感器 ——具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、 环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判 断的功能。
四、常用传感器的分类
位移传感器 按被测量 力传感器
温度传感器
机械式
按工作原理
电气式 光学式
流体式
模拟式 按输出信号 数字式
2. 测量电路：注意：零点残余电压的补偿； 位移正负的判断：相敏检波
3. 特点：精度高，可达0.1 m 线性范围大: 达 100 m
(3) 发展智能型传感器。
第二节 机械式传感器及仪器
敏感元件：直接感受被测物理量
敏感组件： 弹性体 输入：力，压力，温度等
输出： 弹性组件本身的变形 特点： 简单、可靠、使用方便，价低， 读 数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜： 检测缓变或静态被测量
蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随 时间缓慢增长的现象
u0 xp
x
变阻器式传感器的优点：
简单、性能稳定、使2用0方m便
缺点：分辨力低，<20微米， 噪音较大 应用：测线位移，角位移
电阻式传感器应用
案例1：重量的自动检测--配料设备
原材料
比较 设定值
原理：用弹簧将力转换为 位移;再用变阻器将位移转 换为电阻的变化
二．电阻应变式传感器
应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等
变化过程： 机械量—— 变— L 变
此传感器适： 测较小位移，约为 0.001—1 mm 其它几种常用的可变磁阻式传感器：
1.面积变化型 机械量 x A0 L L W 20 A0 2

1.自感型
自感量
N2 L Rm
Rm—磁路总磁阻 N —匝数
1.自感型
自感量
ld lF R m = R F + Rd = + mF S F m dSd
其中RF—导磁体总磁阻， Rδ—气隙总磁阻，l、μ、 S分别是磁路的长度、磁 导率和等效截面积。
Rm 2 0 A0
1.自感型
通常Rδ>>RF，
2）电涡流式传感器的结构
高频反射式
（测位移） （测厚）
电涡流传感器
低频透射式
（1）高频反射式涡流传感器
高频(>lMHz)激励电流， 产生的高频磁场作用于金 属板的表面，在金属板表 面将形成涡电流。与此同 时，该涡流产生的交变磁 场又反作用于线圈，引起 线圈自感L或阻抗ZL的变 化，其变化与距离、金属 板的电阻率ρ、磁导率μ、 激励电流i，及角频率ω等 有关。
（2）低频透射式涡流传感器
低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚 度。实验证明，e2随材料厚度h增加按负 指数规律减小。因而按e2的变化便可测得 材料的厚度。
3）电涡流式传感器的应用
径向振动测量
轴心轨迹测量
3）电涡流式传感器的应用
转速测量
穿透式测厚
3）电涡流式传感器的应用
零件计数器
3.3.3 电感式传感器
电感式传感器建立在电磁感应的基础上， 利用线圈自感或互感的变化实现测量的 。
分类:
电感式传感器 自感型 互感型
涡流式
1.自感型
自感:当线圈中有电流通过 时，线圈的周围就会产生磁 场。当线圈中电流发生变化 时，其周围的磁场也产生相 应的变化，此变化的磁场可 使线圈自身产生感应电动势， 此感应电势相当于一个“新 电源”。电感线圈中的自感 电动势总是阻碍线圈中的电 流变化。

输出脉冲信号或数字信号（编码器）。
半反射半透射镜 光电传感器
聚焦投镜 光源
反射带
光电耦合器 透射式转速计
反射式转速计
光电编码器
将位移转换成脉冲信号或数字信号输出的传感器称为
编码器。可用于位移和速度检测。有直线编码器和旋 转编码器。分为增量式和绝对式（数字式）编码器。
0000
1111
零位信号窗口 主信号窗口 编码盘
一、光纤传感器的类型
功能型（又叫传感型或全
光纤型）：光纤作为敏感 元件，利用光纤的传光特 光纤 性随着被测量（如应变、 压力、温度、电场、射线 光敏元件 等）而变化，从而使光纤 功能型光纤传感器示意图 内传输的光的特征参量 （强度、相位、频率、偏 振态、波长等）发生变化。非功能型（又叫传光型 或混合型）：光纤只是 只要检测出这些变化即可 传输光的导体，还需利 确定被测量的大小。光纤 用其它敏感元件（如光 既传光又传感。
1. 光电管(Phototube)
利用外光电效应，有真空光电管和充气光电管。
基本工作过程： 真空光电管：一定波长的光线→光电阴极发射电子 →被阳极吸收→形成光电流。 充气光电管（充有惰性气体）：阴极发射的电子撞 击惰性气体，使其电离，从而使阳极电流急剧增加， 提高了灵敏度。
光电阴极：由 光电材料涂敷 光电阴极 在玻璃泡内壁 阳极 或半圆筒形的 金属片上构成。
S F N 霍尔元件
N S 力的测量
霍尔元件 磁铁 磁铁随刀架一起转动 数控车床自动换刀控制
被测零件
非金属板
N 霍尔传感器 S 磁钢 计数装置
霍尔传感器产品
霍尔开关传感器 各种霍尔传感器
霍尔电流传感器
二、热敏电阻传感器
工作原理：利用半导体材料本身的电阻率随温度 而变化的特性。 特点：灵敏度高（电阻温度系数大，比一般金属 电阻大10～100倍）；结构简单，体积小，可进行 点测；热容量小，响应快，适宜动态测量；线性 差；稳定性和互换性较差。 类型：PTC、NTC和CTR。 结构： 直热式：圆柱形、圆片形、珠粒状、薄膜形、垫圈 形、扁形、杆形、管形、松叶状等。珠粒状体积小， 热时间常数小，适合制造点、表面温度计，如电子 体温计几乎100%都采用这种形式（NTC）。 旁热式：带有金属丝加热器。