1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1工程测试技术工程测试技术主讲教师：来五星博士、副教授李锡文博士、教授实验教师：黄弢高级工程师办公电话： 87557415 87559004移动电话：13349831325, 18971072799电子邮件： 办公地址：新大楼东楼B305 新大楼东楼C306华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2工程测试技术工程测试技术课件资料下载：课件资料下载：邮箱地址：邮箱地址： “机械工程测试机械工程测试”每个字拼音的第一个字母每个字拼音的第一个字母 密码：密码：111111注意下载时不要删除原始文件注意下载时不要删除原始文件 华中科技大学机械学院华中科技大学机
2、械学院3上讲小结上讲小结应变式热电阻式光敏电阻磁敏电阻气敏电阻变阻器式涡流式互感式可变磁阻式金属应变片半导体应变片面积变化型介质变化型极距变化型第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础3.2 电阻式传感器3.4 电感式传感器3.3 电容式传感器热电阻 半导体 双金属 (热电偶)华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院43.7 半导体式传感器光电池光敏管PSD光传感器霍尔元件霍尔元件3.5 压电式传感器3.6 磁电式传感器第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础磁阻式磁阻式动圈式动圈式磁阻元件磁阻元件本讲内容本讲内容华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5第第3章章 传
3、感器原理及应用基础传感器原理及应用基础3.5、压电式传感器、压电式传感器 1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应+并联并联+串联串联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。种现象称为压电效应。F+q=DF华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础1880年，法国两位科学家居里兄弟，在研究石英品体的物理
4、性质时，发现了一种特殊的现象：若按某种方位从石英晶体上切割下一块薄晶片，在其表面敷上电极，当沿着晶片的某些方向施加作用力而使晶片产生形变后，会在两个电极表面上出现等量的正、负电荷。电荷的面密度与施加的作用力的大小成正比。当作用力撤除后，电荷也就消失了。这种由于机械力的作用而使石英晶体表面出现电荷的现象，称为正压电效应。利用该效应制作传感器。 压电效应的发现压电效应的发现 1881年，李普曼在理论上预言，由居里兄弟在实验上证实了另一种物理现象：如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场的作用，会使压电晶体发生形变，而形变的大小与外电场的大小成正比，当电场撤除后，形变也消失了。这种由于电场的作用而使
5、压电晶 体产生形变的现象，称为逆压电效应。利用该效应制作执行器。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院7第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础连接方式连接方式在压电式传感器中，压电材料一般不仅用一片，而常常采用两片（或是两片以上）粘结在一起，由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。串联方式：输出的总电荷等于单片电荷，而输出电压为单片电压的两倍，总电容为单片电容的一半。并联方式：输出电容为单片电容的两倍，但输出电压等于单片电压，极板上的电荷量为单片电荷量的两倍。串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号、并且测量电路输入阻抗很高的地方。并联接法输出电荷大、本
6、身电容大、时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。+并联并联+串联串联F+q=DF华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院83.5 压电式传感器压电式传感器 2、测量电路、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。 关键是高阻抗的前置放大器！华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院93.5 压电式传感器压电式传感器 前置放大器前置放大器的两个作用：1. 把压电式
7、传感器的微弱信号放大；2. 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。前置放大器电路的两种形式：1. 用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；2. 带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单、价格使宜，但电缆分布电容对传感器测量精度影响很大，故而在某些场合限制了其应用。电荷放大器电路较复杂，但电缆长度变化的影响几乎可以忽略不计，故而电荷放大器的应用日益增多华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院103.5 压电式传感器压电式传感器 电荷放大器上式表明：在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量在一定条件下，电荷放大
8、器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点。器突出的优点。(1)yfKqeCaCcCiK C当（当（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci），放大器的输出电压为），放大器的输出电压为yfqeC 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院113.5 压电式传感器压电式传感器 产品产品加速度计加速度计力传感器力传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院12案例：飞机模
9、态分析案例：飞机模态分析3.5 压电式传感器压电式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院13案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊断3.5 压电式传感器压电式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院14第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础3.6、磁电式传感器、磁电式传感器 1. 变换原理变换原理: 感应电动势感应电动势 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。应电动势的一种转换器。dtdWe感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有磁通变化率与磁场强度、磁阻
10、、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 ),(vRBmdtd华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院152. 分类分类 磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N3.6 磁电式传感器磁电式传感器 ),(vRBmdtd华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院16动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型3.6 磁电式传感器磁电式传感器 sinWBlve 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院17角速度型动圈式传感器角速度型动圈式传感器 测速电机测速电机3.6 磁电式传感器磁电式传感器 华中科技大学机械学院
11、华中科技大学机械学院18磁阻式传感器磁阻式传感器 磁电式车速传感器磁电式车速传感器3.6 磁电式传感器磁电式传感器 由运动着的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻Rm，引起磁通变化，进而产生感应电动势华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院19N NS S案例：鼠笼电机转子断细条检测案例：鼠笼电机转子断细条检测3.6 磁电式传感器磁电式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院20第第3章章 传感器原理及应用基础传感器原理及应用基础3.7、半导体传感器、半导体传感器 sinIBKVHH 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将
12、产生流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 1. 霍尔元件霍尔元件 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。 3.7 半导体传感器半导体传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院223.7 半导体传感器半导体传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院23测转角：测转角：3.7 半导体传感器半导体传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院24电流传感器电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，当电流流过导线时，将在导线周围产生
13、磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。测。 3.7 半导体传感器半导体传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院25铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS3.7 半导体传感器半导体传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院26叶片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器应用应用 3.7 半导体传感器半导体传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院27案例：案例：汽车速度测量汽车速度测量:3.7 半导体传感器半导体传感器华中科技大学机械学院华
14、中科技大学机械学院282. 磁阻元件磁阻元件3.7 半导体传感器半导体传感器工作原理：利用半导体材料（磁阻元件）的磁阻效应（高斯效应），即改变磁场的强弱，将使磁阻元件沿着电流方向的电阻值发生改变。磁阻元件可用作位移、力、加速度等参数的改变。霍尔效应是指垂直于电流方向产生横向电压！磁阻效应是指沿电流方向发生电阻值的改变！华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院29特点特点 电阻的增量与磁场的平方成正比；电阻的增量与磁场的平方成正比； 与磁场的正负无关；与磁场的正负无关； 温度系数影响大；温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。磁感应的范围比霍尔元件大。应用应用 接近开关和无触点开关。接近开关和无触点开关。3.7 半导体传感器半导体传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院303. 磁感应半导体元件分类磁感应半导体元件分类霍尔元件霍尔元件磁阻元件磁阻元件磁敏二极管磁敏二极管磁晶体管磁晶体管磁半导体开关磁半导体开关3.7 半导体传感器半导体传感器检测磁场的变化！华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院31产品产品3.7 半导体传感器半导体传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院32案例：转速测量案例：转速测量3.7 半导体传感器半导体传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院33作业：年月日上交 P187 第第3章第章第30题题
