《机械工程测试技术》课程授课教案（讲稿）第3章 传感器（3/3）

机械工程测试技术第3章传感器3.7磁电式传感器磁电式传感器也称为电动力式传感器或电磁感应式传感器，其工作利用的是电磁感应原理。磁电式传感器一般是将速度转换成感应电动势输出，属于发电型传感器。根据物理学中的法拉第电磁感应定律，线圈在磁场中切割磁力线时所感应电动势为e=-ndbdt式中e一一线圈上感应出的电动势：N一一线圈的匝数；Φ一一穿过线圈的磁通。据此，可以制成动圈式、动铁式和磁阻变化式三种磁电式传感器。3.7.1动图式磁电传感器动圈式磁电传感器常用作速度计，有线速度型和角速度型两种型式。■线速度型e=WBlvsine式中e一一感应电动势：W线圈的匝数：B一一磁场的磁感应强度：1一一单匝线圈的平均长度：-一线圈相对于磁场的运动速度（惯性速度）；一线圈运动方向与磁场方向的夹角。惯性速度片黄磁铁磁铁A一线圈极掌磁轭线圈磁铁S57ab)动圈式磁电速度计a）线速度型b）角速度型■角速度型e=kWBAo式中A为线圈的平均环绕面积，k(<1)为由线圈、磁场结构所决定的系数。3.7.2动铁式磁电传感器传感器的壳体固定在被测速度的物体上，磁铁的惯性速度在大小上等于运动物体的速《机械工程测试技术》第09讲1/6

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 09 讲 1 / 6 第 3 章 传感器 3.7 磁电式传感器 磁电式传感器也称为电动力式传感器或电磁感应式传感器，其工作利用的是电磁感应原 理。磁电式传感器一般是将速度转换成感应电动势输出，属于发电型传感器。 根据物理学中的法拉第电磁感应定律，线圈在磁场中切割磁力线时所感应电动势为 dt d e N  = − 式中 e ——线圈上感应出的电动势； N ——线圈的匝数；  ——穿过线圈的磁通。 据此，可以制成动圈式、动铁式和磁阻变化式三种磁电式传感器。 3.7.1 动圈式磁电传感器 动圈式磁电传感器常用作速度计，有线速度型和角速度型两种型式。 ■ 线速度型 e =WBlv sin 式中 e ——感应电动势； W ——线圈的匝数； B ——磁场的磁感应强度； l ——单匝线圈 的平均长度； v ——线圈相对于磁场的运动速度（惯性速度）；  ——线圈运动方向与磁场 方向的夹角。 动圈式磁电速度计 a) 线速度型 b) 角速度型 ■ 角速度型 e = kWBA 式中 A 为线圈的平均环绕面积， k(1) 为由线圈、磁场结构所决定的系数。 3.7.2 动铁式磁电传感器 传感器的壳体固定在被测速度的物体上，磁铁的惯性速度在大小上等于运动物体的速

机械工程测试技术度，因此传感器的输出与被测速度成正比。U盛动铁式磁电速度计3.7.3磁阻变化式磁电传感器SN6a)MNTTSNOOd)c)磁阻变化式磁电传感器a)频数或齿数测量b)转速测量c)偏心测量d)振动测量3.8 热电偶热电偶是基于热电效应工作的一种测温传感器，它是一个由两种不同材料的导体组成的闭合回路。3.8.1热电效应热电效应：由两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势（称为热电动势）。热端冷端（参比端）（工作端）EA(t,to)EAB(0)PEAB(tO)Ep(t,to)热电偶效应2/6《机械工程测试技术》第09讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 09 讲 2 / 6 度，因此传感器的输出与被测速度成正比。 动铁式磁电速度计 3.7.3 磁阻变化式磁电传感器 磁阻变化式磁电传感器 a) 频数或齿数测量 b) 转速测量 c) 偏心测量 d) 振动测量 3.8 热电偶 热电偶是基于热电效应工作的一种测温传感器，它是一个由两种不同材料的导体组成 的闭合回路。 3.8.1 热电效应 热电效应：由两种不同材料的导体 A 和 B 组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时， 回路中将产生电动势（称为热电动势）。 热电偶效应

机械工程测试技术3.8.2热电偶的工作原理热电偶所产生的热电动势包括两部分：温差电动势和接触电动势。温差电动势：因同一导体两端温度不同而产生的电动势，如图中的E(t,t）和Es(t,to).接触电动势：由于两导体内的电子密度不同、电子从密度大的导体扩散到密度小的导体而在两导体接触点处产生的电势，如图中的Exs(t)和Eas(to)。热电偶所产生的总的热电动势EA(t,t）为Ea(t,to)=Eab(t)-Ean(to)-E(t,to)+Eg(t,to)当热电偶的材料等因素确定后，Eas（t,t。）的大小只取决于热端温度1和冷端温度t，即Eas(t,to)= f(t)-g(to)若使冷端温度t。恒定，则g（t.）=C为一常数，热电偶输出的总电动势就只是热端（被测）温度t的单一函数，即EAB(t,to)=f(t)-C3.8.3热电偶基本定律1.中间导体定律若在热电偶回路中插人中间导体C，只要中间导体C两端温度相同，则对热电偶输出的总热电动势无影响。foCB中间导体定律2.中间温度定律热电偶在两结点温度（t，t）时的热电动势等于该热电偶在结点温度为（t，t，）和（1，，t。）时的相应热电动势的代数和。EAn(t,t0)=Eab(t,t,)+EAn(ta,f0)3.参考电极定律若热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为（t，t。）时的热电动势分别为Eac(t,to）、EBc(t,to），则A、B配对组成的热电偶在（t，t）时的热电动势Eas(t,to）为《机械工程测试技术》第09讲3/ 6

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 09 讲 3 / 6 3.8.2 热电偶的工作原理 热电偶所产生的热电动势包括两部分：温差电动势和接触电动势。 温差电动势：因同一导体两端温度不同而产生的电动势，如图中的 ( , ) 0 E t t A 和 ( , ) 0 E t t B 。 接触电动势：由于两导体内的电子密度不同、电子从密度大的导体扩散到密度小的导 体而在两导体接触点处产生的电势，如图中的 E (t) AB 和 ( ) 0 E t AB 。 热电偶所产生的总的热电动势 ( , ) 0 E t t AB 为 ( , ) ( ) ( ) ( , ) ( , ) 0 0 0 0 E t t E t E t E t t E t t AB = AB − AB − A + B 当热电偶的材料等因素确定后， ( , ) 0 E t t AB 的大小只取决于热端温度 t 和冷端温度 0 t ，即 ( , ) ( ) ( ) 0 0 E t t f t g t AB = − 若使冷端温度 0 t 恒定，则 g(t 0 ) = C 为一常数，热电偶输出的总电动势就只是热端（被 测）温度 t 的单一函数，即 EAB (t,t 0 ) = f (t) − C 3.8.3 热电偶基本定律 1. 中间导体定律 若在热电偶回路中插人中间导体 C，只要中间导体 C 两端温度相同，则对热电偶输出 的总热电动势无影响。 中间导体定律 2. 中间温度定律 热电偶在两结点温度（ t ， 0 t ）时的热电动势等于该热电偶在结点温度为（ t ， n t ）和 （ n t ， 0 t ）时的相应热电动势的代数和。 ( , ) ( , ) ( , ) 0 0 E t t E t t E t t AB = AB n + AB n 3. 参考电极定律 若热电极 A、B 与参考电极 C 组成的热电偶在结点温度为（ t ， 0 t ）时的热电动势分别 为 ( , ) 0 E t t AC 、 ( , ) 0 E t t BC ，则 A、B 配对组成的热电偶在（ t ， 0 t ）时的热电动势 ( , ) 0 E t t AB 为

机械工程测试技术EAn(t,to)=Eac(t,to)EBc(t,to)3.8.4带用热电偶及型式（见课件3.9其他传感器（一般了解）3.9.1爱尔式传意器3.9.2 半导体敏感元件3.9.3 光机传感器3.9.4角编码器3.9.5光纤传惠器3.9.6 超声波传感器3.9.7红外传感器3.9.8现代传感术的发展方向两大总的发展思路：1.开发基础研究，发现新现象，采用新原理，开发新的功能材料，采用新的制造工艺2.扩大传感器的功能和应用范围，提高传感器的性能。■发现并利用新现象■开发利用新的功能材料■采用新的制造工艺■开发多功能集成传感器■开发智能传感器■开发仿生传感器3.10传感器的选用原则选择传感器主要考虑传感器的类型、灵敏度、频率响应特性、线性范围、可靠性与稳定性、精度、工作方式等几个方面的因素。1.传感器类型为实现对某一参数的测试，可供选用的传感器类型可能会有很多。不同类型的传感器在原理、测量方式、信号输出方式、精度、动态特性等诸多方面有着很大的差异。例如，测试4/6《机械工程测试技术》第09讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 09 讲 4 / 6 ( , ) ( , ) ( , ) 0 0 0 E t t E t t E t t AB = AC BC 3.8.4 常用热电偶及型式（见课件） 3.9 其他传感器（一般了解） 3.9.1 霍尔式传感器 3.9.2 半导体敏感元件 3.9.3 光栅传感器 3.9.4 角编码器 3.9.5 光纤传感器 3.9.6 超声波传感器 3.9.7 红外传感器 3.9.8 现代传感技术的发展方向 两大总的发展思路： 1. 开发基础研究，发现新现象，采用新原理，开发新的功能材料，采用新的制造工艺； 2. 扩大传感器的功能和应用范围，提高传感器的性能。 ■ 发现并利用新现象 ■ 开发利用新的功能材料 ■ 采用新的制造工艺 ■ 开发多功能集成传感器 ■ 开发智能传感器 ■ 开发仿生传感器 3.10 传感器的选用原则 选择传感器主要考虑传感器的类型、灵敏度、频率响应特性、线性范围、可靠性与稳定 性、精度、工作方式等几个方面的因素。 1. 传感器类型 为实现对某一参数的测试，可供选用的传感器类型可能会有很多。不同类型的传感器在 原理、测量方式、信号输出方式、精度、动态特性等诸多方面有着很大的差异。例如，测试

机械工程测试技术机床主轴的振动时，可以选用电容式位移传感器，而用电感式位移传感器则无法满足要求。2.灵敏度一般来说，传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度高的传感器所能感受的最小被测参数变化小，当被测参数发生变化时，传感器将会产生较大的输出变化。但应注意：■灵敏度越高，外部干扰、噪声越容易混入。■一般来说，灵敏度越高测量（线性）范围越小。■如果被测参数为二维或三维向量，则各测量方向上的单向灵敏度越高越好、交叉灵敏度越低越好。3.频率响应特性在被测参数的频带内，所选传感器应能实现近似的不失真测试：与幅频特性对应的灵敏度应尽可能高些，与相频特性对应的响应时间越短越好。物性型传感器的频响特性比结构型传感器要好：非接触式传感器的频响特性比接触式传感器要好。4.线性范围任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测试精度的基本条件。线性范围一般与灵敏度相互矛盾。5.可靠性与稳定性可靠性是指仪器、装置及其它产品在规定的条件下、规定的时间内实现指定功能的能力。传感器的可靠性主要取决手设计、制造及使用时的工作环境条件等因素，特别是受后者的影响很大。稳定性指的是测试装置在长时间工作后或工作条件发生变化后保持其性能不变的能力。稳定性主要有时间稳定性和温度稳定性。稳定性是传感器可靠工作的条件和保证。6.精度传感器的精度表示其输出与输入的被测量值的一致程度。传感器是测试系统最前沿的环节，其输出能否真实准确地反映输入的被测量值，将直接影响整个系统的使用性能。选用传感器时，要综合考虑精度的使用要求与经济性。一般在满足精度使用要求的前提下，尽可能选用价廉的传感器。7.工作方式■接触测量与非接触测量■破坏性检验与非破坏性检验■在线测试与非在线测试8.其它5 / 6《机械工程测试技术》第09讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 09 讲 5 / 6 机床主轴的振动时，可以选用电容式位移传感器，而用电感式位移传感器则无法满足要求。 2. 灵敏度 一般来说，传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度高的传感器所能感受的最小被测参数 变化小，当被测参数发生变化时，传感器将会产生较大的输出变化。但应注意： ■ 灵敏度越高，外部干扰、噪声越容易混入。 ■ 一般来说，灵敏度越高测量（线性）范围越小。 ■ 如果被测参数为二维或三维向量，则各测量方向上的单向灵敏度越高越好、交叉灵 敏度越低越好。 3. 频率响应特性 在被测参数的频带内，所选传感器应能实现近似的不失真测试；与幅频特性对应的灵敏 度应尽可能高些，与相频特性对应的响应时间越短越好。 物性型传感器的频响特性比结构型传感器要好；非接触式传感器的频响特性比接触式传 感器要好。 4. 线性范围 任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈 宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测试精度的基本条件。 线性范围一般与灵敏度相互矛盾。 5. 可靠性与稳定性 可靠性是指仪器、装置及其它产品在规定的条件下、规定的时间内实现指定功能的能力。 传感器的可靠性主要取决于设计、制造及使用时的工作环境条件等因素，特别是受后者的影 响很大。 稳定性指的是测试装置在长时间工作后或工作条件发生变化后保持其性能不变的能力。 稳定性主要有时间稳定性和温度稳定性。稳定性是传感器可靠工作的条件和保证。 6. 精度 传感器的精度表示其输出与输入的被测量值的一致程度。传感器是测试系统最前沿的环 节，其输出能否真实准确地反映输入的被测量值，将直接影响整个系统的使用性能。 选用传感器时，要综合考虑精度的使用要求与经济性。一般在满足精度使用要求的前提 下，尽可能选用价廉的传感器。 7. 工作方式 ■ 接触测量与非接触测量 ■ 破坏性检验与非破坏性检验 ■ 在线测试与非在线测试 8. 其它

机械工程测试技术选用传感器时还要兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维护等因素。本章小结传感器用来感受被测量并将其转换成对应的电量或电参数，主要由敏感元件和转换元件两部分组成。按信号转换特征，传感器可分为结构型和物性型两大类，随着材料科学的发展，物性型传感器将发挥越来越重要的作用。电阻应变式、电感式、电容式、压电式传感器是测试工作中使用最多的传感器，它们的工作原理简单，测量转换电路也基本固定，应用技术比较成熟，学习时应注意与相应的信号调理电路结合起来。选用传感器时，要综合考虑精度、线性范围、频率响应特性、成本、工作条件等各种因素，做到经济地满足测试要求。6/6《机械工程测试技术》第09讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 09 讲 6 / 6 选用传感器时还要兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维护等因素。 本章小结 传感器用来感受被测量并将其转换成对应的电量或电参数，主要由敏感元件和转换元件 两部分组成。按信号转换特征，传感器可分为结构型和物性型两大类，随着材料科学的发展， 物性型传感器将发挥越来越重要的作用。电阻应变式、电感式、电容式、压电式传感器是测 试工作中使用最多的传感器，它们的工作原理简单，测量转换电路也基本固定，应用技术比 较成熟，学习时应注意与相应的信号调理电路结合起来。选用传感器时，要综合考虑精度、 线性范围、频率响应特性、成本、工作条件等各种因素，做到经济地满足测试要求