机工社熊诗波《机械工程测试技术》第三章.ppt

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机械工程测试技术，机工社，熊诗波、黄长艺版，最新版，机工社熊诗波机械工程测试技术，机工社，熊诗波、黄长艺版，最新版,3,第一节常用传感器分类,传感器有很多分类的方法。

按被测物理量的不同，可以分为移位传感器、力传感器、温度传感器等；按传感器的工作原理的不同，可分为机械传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等；按信号变换特征也可以概括分为物性传感器与结构型传感器；根敏感元件与被测对象之间的能量关系，也可分为能量转换型传感器与能量控制型传感器；按输出信号分类，可分为模拟式传感器和数字型传感器等。

能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给能量使传感器工作的（见图3-1），并且由被测量来控制外部供给能量的变化。

图3-1,4,第一节常用传感器分类,电容型伺服式加速度计，实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统，如图3-2所示。

图3-2,5,被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。

第二节机械式传感器及仪器,仪表典型机械式传感器如图3-3所示。

图3-3,6,微型探测开关亦被看作机械式传感器。

微型探测开关如图3-4所示。

第二节机械式传感器及仪器,图3-4,7,1.变阻器式传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阴式传感器,常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如图3-5所示。

图3-5,8,1.变阻器式传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阴式传感器,图3-5b为回转型变阻式传感器，其电阻值随电刷转角而变化。

图3-5c是一种非线性变阻式传感器。

图3-5,9,1.变阻器式传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阴式传感器,变阻式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路，如图3-6所示。

图3-6,10,2.电阻应变式传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阴式传感器,常用的金属电阻应变片有丝式、箔式两种。

电阻丝应变片如图3-7所示。

（1）金属电阻应变片,图3-7,11,2.电阻应变式传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阴式传感器,箔式应变片如图3-8所示。

（1）金属电阻应变片,图3-8,12,2.电阻应变式传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阴式传感器,半导体应变片最简单的典型结构如图3-9所示。

（2）半导体应变片,图3-9,13,2.电阻应变式传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阴式传感器,1）直接用来测定结构的应变或应力,（3）电阻应变式传感器的应用实例,14,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阴式传感器,几种实用例子如图3-10所示。

图3-10,15,2.电阻应变式传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阴式传感器,2）将应变片贴于弹性元件上，作为：

测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。

（3）电阻应变式传感器的应用实例,3.固态压阻式传感器,固态压阻式传感器的工作原理与半导体应变片相同：

都是利用半导体材料的电阻效应。

16,4.典型动态电阻应变仪,第三节电阻、电容与电感式传感器,一、电阴式传感器,图3-11动态电阻应变仪框图,17,1.变换原理,第三节电阻、电容与电感式传感器,二、电容式传感器,极距变化型电容传感器及输出特性如下所示。

（1）极距变化型,18,1.变换原理,第三节电阻、电容与电感式传感器,二、电容式传感器,面积变化型电容传感器如图3-13所示。

（2）面积变化型,图3-13,19,1.变换原理,第三节电阻、电容与电感式传感器,二、电容式传感器,利用介质介电常数变化将被测量转换为电量的一种传感器。

（2）介质变化型,图3-14介质变化型电容传感器应用实例,20,2.测量原理,第三节电阻、电容与电感式传感器,二、电容式传感器,将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出。

（1）电桥型电路,通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥，如上图所示。

21,2.测量原理,第三节电阻、电容与电感式传感器,二、电容式传感器,此电路又称为静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器，如图3-16所示。

（2）直流极化电路,图3-16,22,2.测量原理,第三节电阻、电容与电感式传感器,二、电容式传感器,图3-17为谐振电路原理及其工作特性。

（3）谐振电路,图3-17,23,2.测量原理,第三节电阻、电容与电感式传感器,二、电容式传感器,调频电路的工作原理如图3-18所示。

（4）调频电路,图3-18,24,2.测量原理,第三节电阻、电容与电感式传感器,二、电容式传感器,这种电路用于位移测量传感器。

运算放大器电路如图3-19所示。

（5）运算放大器电路,图3-19,25,3.电容集成压力传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,二、电容式传感器,运用集成电路工艺可以把电容敏感元件电路制作在一起：

构成电容集成压力传感器。

图3-20b是一个检出电容变化并把它转换成电压输出的激光压力传感器的电路原理图。

图3-20,26,1.自感型,第三节电阻、电容与电感式传感器,三、电感式传感器,

（1）可变阻式,图3-21可变磁阻式电感传感器结构原理,27,1.自感型,第三节电阻、电容与电感式传感器,三、电感式传感器,

（1）可变阻式,图3-22几种常用可变磁阻式传感器的典型结构,28,1.自感型,第三节电阻、电容与电感式传感器,三、电感式传感器,

（1）涡流式,涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡流效应，如图3-24所示。

图3-24,29,1.自感型,第三节电阻、电容与电感式传感器,三、电感式传感器,

（1）涡流式,图3-25是用于涡流测振仪上的分压式调幅电路原理。

图3-25,30,1.自感型,第三节电阻、电容与电感式传感器,三、电感式传感器,

（1）涡流式,图3-26是谐振曲线及输出特性。

图3-26,31,1.自感型,第三节电阻、电容与电感式传感器,三、电感式传感器,

（1）涡流式,调频电路的工作原理如图3-27所示。

图3-27,32,1.自感型,第三节电阻、电容与电感式传感器,三、电感式传感器,

（1）涡流式,下图表示的是涡流式传感器的工程应用实例。

33,2.互感型差动变压器式电感传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,三、电感式传感器,这种传感器利用了电磁感应中的互感现象。

如下图所示。

34,2.互感型差动变压器式电感传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,三、电感式传感器,实际应用较多的是螺管形差动变压器，其工作原理如图3-30a、b所示。

图3-30,35,2.互感型差动变压器式电感传感器,第三节电阻、电容与电感式传感器,三、电感式传感器,图3-31是一种利用小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。

图3-31,36,1.动圈式,第四节磁电、压电与热电式传感器,一、磁电式传感器,动圈式又可分为线速度与角速度型。

图3-32a表示线速度型传感器工作原理。

图3-32b是角速度型传感器工作原理，线圈在磁场中转动时产生的感应电动势。

图3-32,37,1.动圈式,第四节磁电、压电与热电式传感器,一、磁电式传感器,动圈磁电式传感等效电路如图3-33所示。

图3-33,38,1.磁阻式,第四节磁电、压电与热电式传感器,一、磁电式传感器,磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动。

由运动着的物体改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。

39,1.压电效应,第四节磁电、压电与热电式传感器,二、压电式传感器,某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等晶体，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，某些表面上出现电荷。

晶体的这一性质称为压电性，具有压电效应的晶体称为压电晶体。

40,1.压电效应,第四节磁电、压电与热电式传感器,二、压电式传感器,压电效应模型如图3-36所示。

图3-36,41,2.压电材料,第四节磁电、压电与热电式传感器,二、压电式传感器,常用的压电材料可分为三类：

压电晶体、压电陶瓷和有机压电薄膜。

42,3.压电式传感器及其等效电路,第四节磁电、压电与热电式传感器,二、压电式传感器,在压电晶体片的两个工作面上进行金属蒸镀，如图3-37所示。

图3-37,43,4.测量电路,第四节磁电、压电与热电式传感器,二、压电式传感器,电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。

略去传感器漏电阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如图3-38所示。

图3-38,44,5.压电式传感器的应用,第四节磁电、压电与热电式传感器,二、压电式传感器,压电式传感器常用来测量应力压力、振动的加速度。

压电式传感器也用于声、超声和声发射等测量。

45,1.热电偶传感器,第四节磁电、压电与热电式传感器,三、电热式传感器,

（1）热电偶工作原理,把两种不同的导体或半导体连接成图3-39所示的闭合回路。

图3-39,46,1.热电偶传感器,第四节磁电、压电与热电式传感器,三、电热式传感器,

（1）热电偶工作原理,如果将它们的两个节点分别置于温度为T及T0的热源中：

则在该回路内就会产生热电动势。

在图3-39所示的热电偶回路中，所产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。

图3-39,47,1.热电偶传感器,第四节磁电、压电与热电式传感器,三、电热式传感器,

（1）热电偶工作原理,在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同：

第三种导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为中间导体定律。

应用这一定律可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行稳定度测量如图3-40所示。

图3-40,48,1.热电偶传感器,第四节磁电、压电与热电式传感器,三、电热式传感器,

（2）热电偶分类,1）铂铑铂热电阻2）镍铬镍硅热电偶3）镍铬考铜热电偶4）铂铑30铂铑6热电偶,49,2.热电阻传感器,第四节磁电、压电与热电式传感器,三、电热式传感器,

（1）铂电阻,铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。

图3-42WZB型铂电阻体,50,2.热电阻传感器,第四节磁电、压电与热电式传感器,三、电热式传感器,

（2）铜电阻,铜电阻具有线性度好、电阻温度系数高以及价格便宜的等优点。

图3-43铜电阻体,51,2.热电阻传感器,第四节磁电、压电与热电式传感器,三、电热式传感器,（3）其他电阻体,1）铟电阻一种高精度低温热电阻。

缺点是材料很软，复制性差。

2）锰电阻电阻随温度变化很大，灵敏度高；受磁场的影响小，且有规律。

锰电阻的缺点是脆性大，难以拉制成丝。

3）碳电阻适合作液氦温阈温度计。

其缺点是热稳定性差。

52,1.外光电效应,第五节光电传感器,一、光电测量原理,在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应。

2.内光电效应在光照作用下，物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应。

3.光生伏打效应在光线照射下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏打效应。

基于光生伏打效应的器件有光电池、可见光电池等。

53,常见的硅光电池结构如图3-44所示。

第五节光电传感器,一、光电测量原理,图3-44,54,1.真空光电管或光电管,第五节光电传感器,二、光电元件,光电管主要有两种结构形式如图3-45。

图3-45,55,1.真空光电管或光电管,第五节光电传感器,二、光电元件,真空光电管的特性如图3-46所示。

图3-46,56,2.光电倍增管,第五节光电传感器,二、光电元件,光电倍增管的结构及电路如图3-47所示。

图3-47,57,3.光敏电阻,第五节光电传感器,二、光电元件,光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽。

可从紫外一直到红外，且体积小，性能稳定、广泛应用于测试技术。

4.光敏晶体管光敏晶体管分光敏二极管和光敏晶体管。

58,光敏二极管，其结构原理如图3-48。

第五节光电传感器,二、光电元件,图3-48,59,光敏晶体管，其结构原图3-49所示。

第五节光电传感器,二、光电元件,图3-49,60,1.模拟亮光电传感器,第五节光电传感器,三、光电传感器的应用,

（1）光源本身是被测物如图3-50a,

（2）恒光源所辐射的光穿过被测物，部分被吸收，而后到达光电元件上。

（3）恒光源所辐射的光照到被测物，如图3-50c。

（4）恒光源所辐射的光遇到被测物，部分被遮挡，而后到达光电元件上，如图3-50d。

61,1.模拟亮光电传感器,第五节光电传感器,三、光电传感器的应用,图3-50,62,2.开关亮光电传感器,第五节光电传感器,三、光电传感器的应用,按工作原理分，可分为脉冲盘式和码盘式两种。

（1）脉冲盘式角度数字编码器,脉冲盘式角度-数字编码器的结构如图3-51所示。

图3-51,63,2.开关亮光电传感器,第五节光电传感器,三、光电传感器的应用,若采用两套光电转换装置：

使其相对位置有一定的关系，以保证它们产生的信号在相位上相差1/4周期，这样可以判断轴的旋转方向。

图3-52辨向环节的逻辑电路图,64,2.开关亮光电传感器,第五节光电传感器,三、光电传感器的应用,

（2）码盘式角度-数字编码器,图3-53编码盘结构,65,2.开关亮光电传感器,第五节光电传感器,三、光电传感器的应用,（3）光电式角度数字编码器。

结构如图3-54所示。

图3-54,66,1.冷轧钢带跑偏监测,第五节光电传感器,四、应用实例,图3-55为一种利用光电传感器进行边缘位置检测的装置。

用于带钢冷轧过程中控制带钢的移动位置纠偏。

图3-55,67,2.光电转速计,第五节光电传感器,四、应用实例,采用光电元件也可以做成光电转速计。

68,按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种，如图3-56。

第六节光纤传感器,一、分类,图3-56,69,光波沿光纤的传播是以全反射方式进行的。

光的折射过程如图3-57所示。

第六节光纤传感器,二、光纤导光原理,图3-57,70,光线在光纤中的传播如图3-58所示。

第六节光纤传感器,二、光纤导光原理,图3-58,71,下面介绍几种光纤位移传感器。

第六节光纤传感器,三、光纤传感器的应用,图3-59一种最简单的光纤位移传感器。

72,下面介绍几种光纤位移传感器。

第六节光纤传感器,三、光纤传感器的应用,图3-60一种反射式光纤位移传感器。

73,图3-61所示的液位光纤传感器的端部，有一个全反射棱镜。

第六节光纤传感器,三、光纤传感器的应用,图3-61,74,

（1）不受电磁干扰，电气绝缘性能好。

（2）光波传输无电能和电火花。

（3）工作性能优于传统传感器。

（4）重量轻，体积小。

（5）具有良好的几何形状适应性。

（6）频带宽、动态范围大。

（7）易于实现远距离测控。

第六节光纤传感器,四、光纤传感器的特点,75,1.霍尔元件,第七节半导体传感器,一、磁敏传感器,霍尔元件是一种半导体材料的磁电转换元件。

它们利用霍尔效应进行工作。

图3-62霍尔元件及霍尔效应原理,76,1.霍尔元件,第七节半导体传感器,一、磁敏传感器,图3-63霍尔元件用于测量的各种实例。

77,1.霍尔元件,第七节半导体传感器,一、磁敏传感器,图3-64表示一种利用霍尔元件调测MTC钢丝绳的工作原理。

图3-64,78,2.磁阻元件,第七节半导体传感器,一、磁敏传感器,磁电元件是利用半导体材料的磁阻效应来工作的。

图3-65一种测量位移的磁阻效应传感器。

79,3.磁敏管,第七节半导体传感器,一、磁敏传感器,磁敏二极管和磁敏三极管是20世纪70年代发展出来的新型磁敏传感器。

这种元件检测磁场变化的灵敏度很高。

80,第七节半导体传感器,二、热敏传感器,热敏电阻是一种半导体温度传感器：

由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结而成。

图3-66热敏电阻具有很大的负温度系数，且其特性曲线为非线性的,81,第七节半导体传感器,二、热敏传感器,热敏电阻是一种半导体温度传感器：

由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结而成。

图3-67热敏电阻元件可制作成珠状、杆状和片状,82,第七节半导体传感器,三、气敏传感器,半导体气敏传感器的工作原理是：

当气敏元件吸附了被测气体时，其导电率发生了变化。

当半导体气敏元件表面吸附气体分子时，由于二者相互接收电子的能力不同，产生了正离子或负离子吸附，引起表面能带弯曲，导致导电率变化。

83,第七节半导体传感器,四、湿敏传感器,金属氧化物湿敏传感器的基本结构如图3-68所示。

图3-68,84,第七节半导体传感器,五、固态图像传感器,固体图像传感器从功能上说，他是一个能把接收到的光像分成许多小单元，并将它们转换成电信号。

它的核心部分是电荷耦合器件，简称CCD。

图3-69线性CCD图像传感器,85,第七节半导体传感器,五、固态图像传感器,固体图像传感器从功能上说，他是一个能把接收到的光像分成许多小单元，并将它们转换成电信号。

它的核心部分是电荷耦合器件，简称CCD。

图3-70表示用于热轧铝板宽度检测的实例。

86,第七节半导体传感器,六、集成传感器,集成传感器一般具有以下几方面的能力。

（1）条件调节和温度补偿能力

（2）通信能力（3）自诊断能力（4）逻辑判断能力,87,第八节红外测试系统,一、红外辐射,红外辐射是指太阳光中波长比红光长的那部分可见光。

现实世界所辐射的各种电磁波波谱很宽。

如图3-71所示。

图3-71,88,第八节红外测试系统,一、红外辐射,普朗克定律揭示了不同温度下黑体辐射通量按波长分布的规律，图3-72所示。

图3-72,89,第八节红外测试系统,二、红外探测器,1.热探测器,

（1）热电偶型，如图3-73所示。

图3-73,90,第八节红外测试系统,二、红外探测器,1.热探测器,

（2）气动型。

其结构原理如图3-74所示。

图3-74,91,第八节红外测试系统,二、红外探测器,1.热探测器,（3）热释电型,热释电探测器的工作原理是基于物质的热释电效应。

2.光子探测器,光子探测器的工作原理是：

基于半导体材料的光电效应。

92,第八节红外测试系统,三、红外测试应用,1.辐射温度计,运用斯蒂芬玻尔兹曼定律可进行辐射温度测量。

图3-75为一辐射温度设计原理图。

图3-75,93,第八节红外测试系统,三、红外测试应用,2.红外测温仪,图3-76为红外测温装置原理框图。

图3-76,94,第八节红外测试系统,三、红外测试应用,3.红外热像仪,红外热像仪的作用是:

将人的肉眼看不见的红外热图形转换成可见光进行处理和显示，这种技术称为红外热成像技术。

图3-77红外热像仪的工作原理,95,1.激光测长仪,第九节激光测试传感器,一、激光干涉式测量仪器,常用的激光测长仪是以激光为光源的迈克尔逊干涉仪。

其工作原理是通过测定检测光与参考光的相位差所形成的干涉条纹数目而测得物体的长度。

图3-78激光干涉测长仪原理,96,2.激光测振仪,第九节激光测试传感器,一、激光干涉式测量仪器,激光干涉仪法测振仍然是以迈克尔逊干涉仪为基础。

通过计算干涉条纹数的变化来测量振幅。

GZ-1型激光干涉测振仪原理。

97,2.激光测振仪,第九节激光测试传感器,一、激光干涉式测量仪器,图3-80为利用激光的多普勒效应进行测振的系统示意图。

98,1.激光全息原理,第九节激光测试传感器,二、激光全息测量仪器,图3-81是全息成像记录过程的原理图。

图3-81,99,2.激光全息成像的特点,第九节激光测试传感器,二、激光全息测量仪器,

（1）影像需要在激光条件下进行再现，方可看到被摄物的像。

（2）再现的像是立体像。

（3）全息相片具有可分割性。

（4）一张干板可同时记录多个影像。

100,图3-82为一叠层结构，前壁板之间局部脱胶。

第九节激光测试传感器,二、激光全息测量仪器,图3-82,101,图3-83为激光轮廓测量技术的工作原理。

第九节激光测试传感器,二、激光全息测量仪器,图3-83,102,灵敏度：

传感器灵敏度越高越好。

第十节传感器的选用原则,选用原则,精确度：

应从实际出发尤其应从测试目的出发来选择。

可靠性：

产品的性能参数均处在规定的误差范围内。

线性范围：

在线性范围内输入与输出成比例关系。

响应特性：

影响特性必须满足不失真测量条件。

选用传感器除了充分考虑以上因素外：

还应兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。