1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院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械学
2、院21:133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本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌握常用传感器原理掌握常用传感器原理3.3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路工程测试技术工程测试技术华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:134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上讲小结上讲小结1. 1. 传感器定义：信息转换装置传感器定义：信息转换装置 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大
3、多为电信号。因目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置换成电信号的装置。如：温度、压力、位移等。如：温度、压力、位移等华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1352. 2. 传感器的构成传感器的构成 传感器由传感器由敏感器件敏感器件与与辅助器件辅助器件组成。组成。敏感器件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。的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件辅助器件包括对敏感器件输出的电信号进行放大、包括对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以及壳体、导线等。
4、阻抗匹配，以及壳体、导线等。 一体化传感器一体化传感器dV上讲小结上讲小结华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1363. 3. 传感器的分类传感器的分类1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量 机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度; ;声声: :声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: :磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: :温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光光：亮度，色彩：亮度，色彩机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .2)2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: :上讲小结上讲小结华中科技大学
5、机械学院华中科技大学机械学院21:137能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .上讲小结上讲小结华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1384)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象
6、之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .上讲小结上讲小结华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:139上讲小结上讲小结3.2 电阻式传感器应变式热电阻式光敏电阻磁敏电阻气敏电阻变阻器式金属应变片半导体应变片热电阻 半导体 双金属 (热电偶)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华中科技
7、大学机械学院华中科技大学机械学院21:1310本讲内容本讲内容3.4 电感式传感器涡流式互感式可变磁阻式3.3 电容式传感器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华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1311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3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化将被测量的变化转化为转化为电容量变化电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为：它的电容量为：0 0为真空中介电常数，为真空中介电常数，为极板间介质的相对介电为极板间介质的相对介电
8、常数常数 AC0 + A 、A A或或发生变化时，发生变化时，都会引起电容的变化。都会引起电容的变化。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:13123.3 电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+AC0+华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1313电容量电容量C C与极距与极距呈非线性关系呈非线性关系3.3 电容式传感器电容式传感器 201 AddCS 传感器灵敏度：传感器灵敏度：传感器优点：传感器优点：可进行动态非接触式测量，对被测系可进行动态非接触式测量，对被测系统影响小，适用于较小位移的测量统影响小，适用于较小位移的测量(0.01(0.01m-m-数百数
9、百mm) )传感器缺点：传感器缺点：非线性特性，杂散电容对灵敏度和测非线性特性，杂散电容对灵敏度和测量精确度有影响，后级处理电路较复杂，使用范围量精确度有影响，后级处理电路较复杂，使用范围受限。受限。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1314驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四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。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。特点是体积小、性能优越
10、、使用方便。 3.3 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1315b)b)面积变化型面积变化型AC03.3 电容式传感器电容式传感器 角位移型角位移型+ 220rC 为覆盖角为覆盖角 r r为极板半径为极板半径华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1316平面线位移型平面线位移型 b b为极板宽度为极板宽度 3.3 电容式传感器电容式传感器 bxC0 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1317柱面线位移型柱面线位移型. .)/ln(20dDxC 3.3 电容式传感器电容式传感器 面积变化型电容传面积变化型电容传感器优点：感器优点：输入与输
11、入与输出成线性关系，输出成线性关系，与极距变化型相比，与极距变化型相比，灵敏度较低。灵敏度较低。适用适用于较大直线位于较大直线位移和角位移测量。移和角位移测量。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1318产品产品. .陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。 压力变送器压力变送器3.3 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1319c) c) 介质变化型介质变化型AC03.3 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:13203.
12、 4 电容式传感器电容式传感器 c) c) 介质变化型应用举例介质变化型应用举例 介质温度湿度计介质温度湿度计 液位计液位计 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:13213.3 电容式传感器电容式传感器 c) c) 介质变化型应用举例介质变化型应用举例- -电容测厚仪电容测厚仪 C= C1+C2电容的变化反映电容的变化反映带材的厚度变化带材的厚度变化华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:13223.3 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1323产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）3.3 电容
13、式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1324电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变得和测量头相连的电路状态也随之发生变化化. .接近开关的检测物体，并不限于金属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。导体，也可以是绝缘的液体或粉状物
14、体。3.3 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:13253 3 测量电路测量电路a)a)电桥电路电桥电路 3.3 电容式传感器电容式传感器 相敏检波又称相敏整流。其特点是相敏检波的解调输出既能反映调制信号电压的幅值,又能反映调制信号电压的极性。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1326b) b) 谐振电路谐振电路 LCf2103.3 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1327d) d) 运算放大器电路运算放大器电路 3.3 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1328动手做
15、：动手做：观察你计算机上使用的麦观察你计算机上使用的麦克风，并用它测量你自己克风，并用它测量你自己的声音，绘出频谱。的声音，绘出频谱。3.3 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1329第第3章、传感器原理及应用基础章、传感器原理及应用基础3.4 3.4 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:133
16、03.4 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式2002ANL原理原理: :电磁感应电磁感应为气隙；为气隙； 0 0为空气为空气磁导率；磁导率；A A0 0为气隙导为气隙导磁截面积磁截面积 。L L与与呈呈非线性关系非线性关系，适用于较小，适用于较小位移的测量位移的测量0.001-1mm0.001-1mm。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:13313.4 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型2002ANL原理原理: :电磁感应电磁感应为气隙；为气隙； 0 0为空气磁为空气磁导率；导率；
17、A A0 0为气隙导磁截面为气隙导磁截面积积 。L L与与A A0 0成线性关系，灵敏成线性关系，灵敏度较低度较低 。衔铁移动，衔铁移动，变化，灵敏度提变化，灵敏度提高了一倍高了一倍 ，改变了线性特性。改变了线性特性。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:13323.4 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式2002ANL原理原理: :电磁感应电磁感应为气隙；为气隙； 0 0为空气磁为空气磁导率；导率；A0A0为气隙导磁截为气隙导磁截面积面积 。单螺管线圈型单螺管线圈型 铁心运动铁心运动, ,改变磁改变磁阻阻,L,L变化。变化。结构简单，制造容易，灵敏度低，
18、结构简单，制造容易，灵敏度低，适于较大位移适于较大位移( (数毫米数毫米) )测量测量双螺管线圈型双螺管线圈型 铁心运动铁心运动,改变磁阻改变磁阻,L变化。变化。灵敏度较高，适于电感测微计，常用灵敏度较高，适于电感测微计，常用测量范围测量范围 2mm，分辨力0.5 m华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1333电感式接近传感器（电感式接近传感器（金属金属）3.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1334教学用低成本四线制无二次仪表传感器教学用低成本四线制无二次仪表传感器3.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:
19、13352 2 涡流式涡流式原理原理: :涡流效应涡流效应线圈高频交变电流，产线圈高频交变电流，产生磁通，金属板产生感生磁通，金属板产生感应电流应电流( (涡电流涡电流) )3.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1336原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 3.4 电感式传感器电感式传感器线圈与金属板间距离，线圈与金属板间距离， 金属板的电阻率，金属板的电阻率， 磁导率磁导率 线圈激磁圆频率线圈激磁圆频率华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1337原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 3.4 电感
20、式传感器电感式传感器线圈与金属板间距离，线圈与金属板间距离， 金属板的电阻率，金属板的电阻率， 磁导率磁导率 线圈激磁圆频率线圈激磁圆频率适用：适用：可用于动态非接触测量，测量范围可用于动态非接触测量，测量范围 1mm - 1mm - 10mm,10mm,与传感器结构尺寸，线圈匝数和激磁频率有与传感器结构尺寸，线圈匝数和激磁频率有关关, ,可到可到1 1 m.m.优点优点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。响。涡流式位移、振动测量仪，无损探伤仪等。涡流式位移、振动测量仪，无损探伤仪等。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:13383.4
21、电感式传感器电感式传感器例：例：P58 P58 电涡流转速传感器电涡流转速传感器例：电涡流传感器厚度测量例：电涡流传感器厚度测量华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:13393.4 电感式传感器电感式传感器例：电涡流传感器零件计数例：电涡流传感器零件计数华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1340产品：产品：3.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1341案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle3.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中
22、科技大学机械学院21:1342案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测3.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:13432 2 互感型互感型-差动变压器差动变压器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感现象互感现象.EwEout3.4 电感式传感器电感式传感器dtdiMEout1 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1344单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型传感器测量电路传感器测量电路3.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1345差动变压器差动变压器测量电路测量电路3.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1346差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器3.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1347案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 3.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21:1348案例：案例：张力测量张力测量3.4 电感式传感器电感式传感器
