《机械工程测试技术》课程授课教案（讲稿）第3章 传感器（1/3）

机械工程测试技术第3章传感器学习目标了解传感器的分类及特点，了解各种传感器的基本应用场合。重点掌握电阻应变式、电感式、电容式、压电式传感器的工作原理、输入/输出特性及它们的测量转换电路。掌握传感器的选用原则，会根据测试任务及各种测试要求选用适当的传感器。学习重点与难点重点：电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器和压电式传感器的工作原理及测量电路。难点：压电式传感器及其测量电路。3.1传感器及其分类3.1.1传感器的定义及其组成1.传感器的定义（GB7665-87）能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。2.传感器的组成●敏感元件：如压电式加速度计中的质量块、应变式力传感器中的弹性元件等。●转换元件：如压电式加速度计中的压电晶片、应变式力传感器中的应变片等。●其他元件：壳体、引线等。3.1.2传感器的分类●按被测量的属性分：位移、速度、加速度、力、压力、流量、温度等传感器。按传感器的工作原理分：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、光电式等。●按信号转换特征分：结构型传感器、物性型传感器。●按传感器输出参量的状态分：模拟传感器、数字传感器。?按工作时是否需要外部能源分：参量型传感器、发电型传感器。3.2机械式传感器以某些结构形式的弹性体作为传感器的敏感元件（称为弹性敏感元件）。1 / 10《机械工程测试技术》第07讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 1 / 10 第 3 章 传感器 学习目标 了解传感器的分类及特点，了解各种传感器的基本应用场合。重点掌握电阻应变式、电 感式、电容式、压电式传感器的工作原理、输入/输出特性及它们的测量转换电路。掌握传 感器的选用原则，会根据测试任务及各种测试要求选用适当的传感器。 学习重点与难点 重点：电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器和压电式传感器的工作原理及测量 电路。 难点：压电式传感器及其测量电路。 3.1 传感器及其分类 3.1.1 传感器的定义及其组成 1. 传感器的定义（GB7665-87） 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 2. 传感器的组成 ● 敏感元件：如压电式加速度计中的质量块、应变式力传感器中的弹性元件等。 ● 转换元件：如压电式加速度计中的压电晶片、应变式力传感器中的应变片等。 ● 其他元件：壳体、引线等。 3.1.2 传感器的分类 ● 按被测量的属性分：位移、速度、加速度、力、压力、流量、温度等传感器。 ● 按传感器的工作原理分：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、光电式等。 ● 按信号转换特征分：结构型传感器、物性型传感器。 ● 按传感器输出参量的状态分：模拟传感器、数字传感器。 ● 按工作时是否需要外部能源分：参量型传感器、发电型传感器。 3.2 机械式传感器 以某些结构形式的弹性体作为传感器的敏感元件（称为弹性敏感元件）

机械工程测试技术弹性元件的输入（被测量）一般为力、压力、温度等物理量，一次变换输出为元件的弹性变形。这种变形可以通过某些放大装置直接带动仪表指针产生偏移，也可以再做测量变换转换成其他形式的输出（例如在弹性元件上粘贴应变片，把变形或应变的变化转换成应变片电阻的变化）。几种常用的机械式传感器：a）测力计：扁型测力环、圆型测力环、测力弹簧；b）压力计：波纹膜片压力计、波纹管压力计、波登管压力计：c）温度计：（测温）双金属片、波登温度计。生五Oc机械式传感器的性能特点：●优点：结构简单、使用方便、价格低廉、读数直观。缺点：机械传动系统的惯性大、固有频率低，故多用于静态量或变化较慢的动态量的测量；存在蠕变、弹性后效，从而影响输出与输入之间的线性关系。●为提高动态测试范围，通常先用弹性元件将被测量转换成弹性变形（位移），然后再用其他传感器（如电阻、电容、电感传感器等）将之进一步转换成电信号输出。此时的弹性元件称为一次敏感元件，所组成的仪表称为二次仪表、三次仪表等。3.3电阻式传感器将被测量的变化转换成电阻变化的传感器。分为：●变阻器式●电阻应变式2 / 10《机械工程测试技术》第07讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 2 / 10 弹性元件的输入（被测量）一般为力、压力、温度等物理量，一次变换输出为元件的 弹性变形。这种变形可以通过某些放大装置直接带动仪表指针产生偏移，也可以再做测量变 换转换成其他形式的输出（例如在弹性元件上粘贴应变片，把变形或应变的变化转换成应变 片电阻的变化）。 几种常用的机械式传感器： a) 测力计：扁型测力环、圆型测力环、测力弹簧； b) 压力计：波纹膜片压力计、波纹管压力计、波登管压力计； c) 温度计：（测温）双金属片、波登温度计。 机械式传感器的性能特点： ● 优点：结构简单、使用方便、价格低廉、读数直观。 ● 缺点：机械传动系统的惯性大、固有频率低，故多用于静态量或变化较慢的动态量 的测量；存在蠕变、弹性后效，从而影响输出与输入之间的线性关系。 ● 为提高动态测试范围，通常先用弹性元件将被测量转换成弹性变形（位移），然后再 用其他传感器（如电阻、电容、电感传感器等）将之进一步转换成电信号输出。此时的弹性 元件称为一次敏感元件，所组成的仪表称为二次仪表、三次仪表等。 3.3 电阻式传感器 将被测量的变化转换成电阻变化的传感器。分为： ● 变阻器式 ● 电阻应变式

机械工程测试技术@敏感电阻式（热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻等）3.3.1变阻器式传感器1.工作原理RpXpRLIRo2b)变阻器式传感器a)工作原理b)分压式测量线路R。=R,=SxXpdR。=P=const.(常数)S=dxA变阻器式传感器的静态灵敏度理论上为常数，输出电阻R。的变化与输入位移x的变化成线性比例关系一一零阶系统。变阻器式传感器一般后接分压式测量电路，输出e。与输入位移x的关系为：1e。=亚(-二)xRX负载特性：由于测量电路后面还要连接各种信号调理电路，即连接一定的负载，使得输出电压e。与输入位移x之间实际上是非线性关系。（强调：增大输入阻抗容易引入干扰！）阶梯特性：对于线绕式变阻器式传感器，在触点移动一个电阻丝直径d的范围内不会使输出电压e.产生变化，因此，变阻器式传感器的位移分辨力i≥d。2.结构线位移型、角位移型、函数型等。3.特点结构简单，性能稳定，受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响小，输出信号大，成本低，精度较高（可优于0.1%）：存在摩擦和磨损，噪声大，抗冲击、振动性能差，易受灰尘等因素的影响，要求大能量输入，动态特性差。3.3.2电阻应变式传感器《机械工程测试技术》第07讲3/10

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 3 / 10 ● 敏感电阻式（热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻等） 3.3.1 变阻器式传感器 1. 工作原理 变阻器式传感器 a) 工作原理 b) 分压式测量线路 R Sx x x R p p o = = const（常数） . dx A dR S o = = =  变阻器式传感器的静态灵敏度理论上为常数，输出电阻 Ro 的变化与输入位移 x 的变化 成线性比例关系——零阶系统。 变阻器式传感器一般后接分压式测量电路，输出 o e 与输入位移 x 的关系为： s L p p p o e x x R R x x e (1 ) 1 + − = 负载特性：由于测量电路后面还要连接各种信号调理电路，即连接一定的负载，使得输 出电压 o e 与输入位移 x 之间实际上是非线性关系。（强调：增大输入阻抗容易引入干扰！） 阶梯特性：对于线绕式变阻器式传感器，在触点移动一个电阻丝直径 d 的范围内不会使 输出电压 o e 产生变化，因此，变阻器式传感器的位移分辨力 i  d 。 2. 结构 线位移型、角位移型、函数型等。 3. 特点 结构简单，性能稳定，受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响小，输出信号大，成 本低，精度较高（可优于 0.1%）；存在摩擦和磨损，噪声大，抗冲击、振动性能差，易受灰 尘等因素的影响，要求大能量输入，动态特性差。 3.3.2 电阻应变式传感器

机械工程测试技术1.工作原理长度为L、截面积为A、电阻率为p的金属导体的电阻R为R=pLAdR_dL_dadpRLAP若金属导体是截面半径为r的金属丝，则有：dLdrdLdpA=m,dA=2mrdr,=，==6,-,-pLLpr其中：8-所承受的应变；α-轴向正应力：H材料的泊松比：元一一材料的压阻系数；E一一材料的弹性模量。故dRd=(I+2μ + E)=(1+2μ+E)RL应变片的灵敏度SdR/RdR/RS==(1+2μ)+2EdL/L6dR=Se则R金属应变片：电阻变化主要由应变效应引起，1+2μ>>E，S=1+2μ（多在1.7~3.6之间)；半导体应变片：电阻变化主要由压阻效应引起，E>>1+2μ，S~E（多在60~150之间)。特点：金属电阻应变片的录敏度较低，但温度稳定性好、非线性误差小：半导体应变片的灵敏度较高，横向效应和机械滞后小，其缺点是温度稳定性差，非线性误差大。2.结构(1)金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的敏感元件为栅形的金属敏感栅，有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。anub)al金属电阻应变片的结构a)丝式b)箔式(2)半导体应变片4/10《机械工程测试技术》第07讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 4 / 10 1. 工作原理 长度为 L 、截面积为 A 、电阻率为  的金属导体的电阻 R 为 A L R =   d A dA L dL R dR = − + 若金属导体是截面半径为 r 的金属丝，则有： 2 A = r ， dA = 2rdr ， =  L dL ， = − = − L dL r dr ，    = d ， = E ， 其中：  ——所承受的应变；  ——轴向正应力；  ——材料的泊松比；  ——材料的压阻 系数； E ——材料的弹性模量。故 (1 2  ) (1 2 E) L dL E R dR = + + = + + 应变片的灵敏度 S E dR R dL L dR R S    = = = (1+ 2 ) + 则 S R dR = 金属应变片：电阻变化主要由应变效应引起， 1+ 2  E ， S 1+ 2 （多在 1.7~3.6 之间）； 半导体应变片：电阻变化主要由压阻效应引起， E 1+ 2 ，S  E （多在 60~150 之间）。 特点：金属电阻应变片的灵敏度较低，但温度稳定性好、非线性误差小；半导体应变 片的灵敏度较高，横向效应和机械滞后小，其缺点是温度稳定性差，非线性误差大。 2. 结构 ⑴ 金属电阻应变片的结构 金属电阻应变片的敏感元件为栅形的金属敏感栅，有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。 金属电阻应变片的结构 a) 丝式 b) 箔式 ⑵ 半导体应变片

机械工程测试技术半导体应变片主要有体型、薄膜型、扩散型三种类型。体型半导体应变片的结构1一引线2一半导体片3一基片薄膜型半导体应变片的结构扩散型半导体应变片的结构1一锗膜2一绝缘层3一金属箔基底4一引线1一N型硅2一P型硅扩散层3一二氧化硅绝缘层4一铝电极5一引线3.应用（1）直接用来测定构件的应变或应力。Xb)c)d)a)电阻应变片测量示例(2）与弹性元件一起构成各种电阻应变式传感器，用来测量力、位移、压力、加速度等工程参数。质块a6集流环应变片回转轴e)d)几种电阻应变式传感器的原理示意图5/10《机械工程测试技术》第07讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 5 / 10 半导体应变片主要有体型、薄膜型、扩散型三种类型。 体型半导体应变片的结构 1—引线 2—半导体片 3—基片 薄膜型半导体应变片的结构 扩散型半导体应变片的结构 1—锗膜 2—绝缘层 3—金属箔基底 4—引线 1—N 型硅 2—P 型硅扩散层 3—二氧化硅绝缘层 4—铝电极 5—引线 3. 应用 ⑴ 直接用来测定构件的应变或应力。 电阻应变片测量示例 ⑵ 与弹性元件一起构成各种电阻应变式传感器，用来测量力、位移、压力、加速度等 工程参数。 几种电阻应变式传感器的原理示意图

机械工程测试技术3.4电感式传感器电感式传感器是一种把被测量的变化转换成线圈电感参数（自感系数、互感系数、等效阻抗）变化的传感器，其工作原理是基于电磁感应。按变换方式的不同，电感式传感器可分为自感式、互感式和涡流式）三种。3.4.1自撼传感器1.工作原理自感传感器将被测量的变化转换成线圈本身自感系数的变化L4一铁心线图舒铁则杆ob)a)自感传感器原理a)工作原理b)输入输出特性1-W2RmRa =Ru# + Rar = Rr = 20HoA式中A一一磁路的导磁截面积；μo—一空气的磁导率，g=4元×10-7Hm。传感器线圈的自感L为NμAL=28传感器的灵敏度S为-_NMoAS=dlds282当传感器工作在初始气隙8。附近较小的范围±A内时，灵敏度NμoANμANμA248S=-(1-2(8, +8)228228200为使输入输出近似保持线性关系，通常△s/8。≤0.1差动式自感传感器：6 /10《机械工程测试技术》第07讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 6 / 10 3.4 电感式传感器 电感式传感器是一种把被测量的变化转换成线圈电感参数（自感系数、互感系数、等效 阻抗）变化的传感器，其工作原理是基于电磁感应。按变换方式的不同，电感式传感器可分 为自感式、互感式和涡流式）三种。 3.4.1 自感传感器 1. 工作原理 自感传感器将被测量的变化转换成线圈本身自感系数的变化。 自感传感器原理 a) 工作原理 b) 输入输出特性 Rm W L 2 = A Rm R m R m R m 0 2   = 铁 + 气  气 = 式中 A ——磁路的导磁截面积；  0 ——空气的磁导率， 4π 10 H/m 7 0 −  =  。 传感器线圈的自感 L 为   2 0 2 N A L = 传感器的灵敏度 S 为 2 0 2 2   N A d dL S = = − 当传感器工作在初始气隙  0 附近较小的范围  内时，灵敏度 (1 2 ) 2 2( ) 2 0 2 0 0 2 2 0 0 2 2 0 2            − − +  = − = − N A N A N A S ） 为使输入输出近似保持线性关系，通常  /  0  0.1 差动式自感传感器：

机械工程测试技术NμoANμoANμANμoAAL= L, L28,2822(88)2(8+)NMoA.AS8.8。2.测量电路把两个线圈分别接在交流电桥相邻的两个桥臂上，电桥的输出与输入x基本保持线性关系。b)a)c)变气隙式差动自感传感器a)工作原理b)转换电路c)特性曲线差动传感器的特点：?灵敏度比单圈式提高了一倍：大大改善了传感器的非线性：●实现了对某些误差的补偿（如环境条件变化、铁心材料的磁特性不均匀等）。其他形式的自感传感器：b)c)a)其他形式的自感传感器a)变面积型b）单螺线管型c）差动螺线管型3.结构与应用3.4.2涡流传感器1.工作原理涡流式传感器是基于电磁学中的涡流效应工作的。涡流效应：把一个扁平线圈置于一金属板附近，当线圈中通以高频交变电流i时，线圈中便产生交变磁通Φ。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便会感应出电流i。。所感应出的电流在金属内呈体分布而且是环状闭合的，故称为涡电流或涡流。根据楞次定律，所7 / 10《机械工程测试技术》第07讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 7 / 10 2 2 2( ) 2( ) 0 0 2 0 0 2 2 0 2 1 0 2 1 2           + − −  = − = − = N A N A N A N A L L L 0 0 0 2        N A 2. 测量电路 把两个线圈分别接在交流电桥相邻的两个桥臂上，电桥的输出与输入 x 基本保持线性关 系。 变气隙式差动自感传感器 a) 工作原理 b) 转换电路 c) 特性曲线 差动传感器的特点： ● 灵敏度比单圈式提高了一倍； ● 大大改善了传感器的非线性； ● 实现了对某些误差的补偿（如环境条件变化、铁心材料的磁特性不均匀等）。 其他形式的自感传感器： 其他形式的自感传感器 a) 变面积型 b) 单螺线管型 c) 差动螺线管型 3. 结构与应用 3.4.2 涡流传感器 1. 工作原理 涡流式传感器是基于电磁学中的涡流效应工作的。 涡流效应：把一个扁平线圈置于一金属板附近，当线圈中通以高频交变电流 i 时，线圈 中便产生交变磁通  m1 。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便会感应出电流 e i 。所感 应出的电流在金属内呈体分布而且是环状闭合的，故称为涡电流或涡流。根据楞次定律，所

机械工程测试技术感应出的涡流也产生一磁通Φm，其方向总是与Φ，相反，即抵抗原磁通Φ的变化，这种现象称为涡流效应。线圈的等效阻抗可近似用下面的函数表示：Pm2金属板（u,p涡流效应Z= f(o,o,I,R,N,μ,p)式中8-一线圈到金属板的距离；-激励电流的频率；0激励电流的强度；I:R-一线圈半径；N线圈匝数：金属板的磁导率；A金属板的电阻率。D2.测量电路涡流传感器的转换电路主要有交流电桥、分压式调幅电路及调频电路等。tea(0)振荡器e0(0)We(0)4A滤波放大检波输出eb(0)ec(0)48(0)-金属板分压式调幅电路E4E!550fofoiJo2a)b)分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性3.结构与应用涡流传感器主要用于动态非接触测量，测量范围视传感器的结构尺寸、线圈匝数、激8 / 10《机械工程测试技术》第07讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 8 / 10 感应出的涡流也产生一磁通 m2 ，其方向总是与  m1 相反，即抵抗原磁通  m1 的变化，这种 现象称为涡流效应。线圈的等效阻抗可近似用下面的函数表示： 涡流效应 Z = f (,,I, R, N,, ) 式中  ——线圈到金属板的距离；  ——激励电流的频率； I ——激励电流的强度； R ——线圈半径； N ——线圈匝数；  ——金属板的磁导率；  ——金属板的电阻率。 2. 测量电路 涡流传感器的转换电路主要有交流电桥、分压式调幅电路及调频电路等。 分压式调幅电路 分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性 3. 结构与应用 涡流传感器主要用于动态非接触测量，测量范围视传感器的结构尺寸、线圈匝数、激

机械工程测试技术励电源频率等因素而定，一般从±1mm到+10mm不等，最高分辨力可达lum。此外，这种传感器还具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等特点。因此，涡流式位移测量仪、涡流式测振仪、涡流式无损探伤仪、涡流式测厚仪等在机械、治金等行业得到了日益广泛的应用。涡流传感器的结构1一线圈2一框架3一框架衬套4一固定螺母5一电缆3.4.3互撼传感器1.工作原理互感传感器是根据电磁感应中的互感原理工作的。互感原理：当某一线圈中通以交变的电流时，在其周围产生交变的磁通，因而在其邻近的线圈上感应出感生电动势。感生电动势e的大小为-Mdie12=dte12NNVN互感现象互感传感器原理传感器一般设计成开磁路，此时互感M为：M=f(N,,N2,Ho,u,o,S)式中N,N,——一、二次线圈的匝数；o,μ一一真空（空气）的磁导率；8一一空气隙的长度：S——导磁截面积。互感传感器有很多种型式，其中最常用的是差动变压器式位移传感器。9 / 10《机械工程测试技术》第07讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 9 / 10 励电源频率等因素而定，一般从±1mm 到±10mm 不等，最高分辨力可达 1μm。此外，这种 传感器还具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等特点。因此，涡流式位移测量 仪、涡流式测振仪、涡流式无损探伤仪、涡流式测厚仪等在机械、冶金等行业得到了日益广 泛的应用。 涡流传感器的结构 1—线圈 2—框架 3—框架衬套 4—固定螺母 5—电缆 3.4.3 互感传感器 1. 工作原理 互感传感器是根据电磁感应中的互感原理工作的。 互感原理：当某一线圈中通以交变的电流时，在其周围产生交变的磁通，因而在其邻 近的线圈上感应出感生电动势。感生电动势 12 e 的大小为 dt di e M 1 12 = − 互感现象 互感传感器原理 传感器一般设计成开磁路，此时互感 M 为： ( , , , , , ) M = f N1 N2  0   S 式中 1 2 N , N ——一、二次线圈的匝数；  0 ,  ——真空（空气）的磁导率；  ——空气隙的长度； S ——导磁截面积。 互感传感器有很多种型式，其中最常用的是差动变压器式位移传感器

机械工程测试技术0-04i1o+AxNS-eNN12=10-4xOK差动变压器式传感器工作原理示意图反串连接M,αct?M,act?从而e, =kt?e =kt,2.测量电路差动变压器的测量电路主要是反串连接电路。反串连接后的输出电压e。为e。=e, -ez =k(t? -t3)=k[(t。+ Ar)2 -(t。- Ax)’]=2kto-Ar=S.Ar.=e-e0Ar差动变压器的输入输出特性曲线差动变压器式传感器的零点残余电压。3.结构与应用《机械工程测试技术》第07讲10 / 10

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 10 / 10 差动变压器式传感器工作原理示意图 反串连接 2 1 1 M t 2 2 2 M  t 从而 2 1 1 e = kt 2 2 2 e = kt 2. 测量电路 差动变压器的测量电路主要是反串连接电路。 反串连接后的输出电压 o e 为 ( ) 2 2 2 1 2 1 e e e k t t o = − = − [( ) ( ) ] 2 0 2 0 = k t + x − t − x = kt  x = S  x 2 0 x 1e 2 e 1 2 e e e o = − o 0 e 差动变压器的输入输出特性曲线 差动变压器式传感器的零点残余电压。 3. 结构与应用