1、15.1 测试系统的基本构成测试系统的基本构成机械系统机械系统测量系统测量系统信号采集处理系统信号采集处理系统 显示记录系统显示记录系统被测物理量被测物理量数据采集卡数据采集卡中间转换器中间转换器传感器传感器测试软件测试软件机械系统机械系统为保证试验进行所需的各种机械结构根据不同的机械参量，选用不同的传感器和相应的后接仪器所组成的测量系统。将测量装置输出的信号采集和处理后排除干扰和噪声污染，并估计测量数据的可靠程度。测试系统的输出环节，把试验过程中的数据记录下来，并显示出来。第第5 5章章 传感器测量原理传感器测量原理23 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另传感器是借助检测元件将一种
2、形式的信息转换成另一种信息的装置。一种信息的装置。物理量物理量电量电量传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。4dV传感器传感器敏感器件敏感器件辅助器件辅助器件感受被测物理量，并对信号进行转换输出感受被测物理量，并对信号进行转换输出对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配 以便于后续仪表接入以便于后续仪表接入565.3 5.3 传感器种类名目繁多，分类方法也不完全同，从选用传感器种类名目繁多，分类方法也不
3、完全同，从选用角度看一般是按被测参量和工作原理的不同来划分。角度看一般是按被测参量和工作原理的不同来划分。一一.按被测参量分类按被测参量分类 被测参量多种多样，通常可划分为几大类，如机械量、被测参量多种多样，通常可划分为几大类，如机械量、热工量、物理化学量及生物医学量等。热工量、物理化学量及生物医学量等。7机械量机械量机械信号力、力矩、应力传感器力、力矩、应力传感器 位移、速度位移、速度(角速度与线速角速度与线速度度)、加速度传感器、加速度传感器 几何尺寸几何尺寸(长度、厚度、角度、长度、厚度、角度、圆度圆度)传感器传感器8(热量、比热、热流热量、比热、热流)传感器传感器 压力压力(压差、真空
4、度压差、真空度)传感器；传感器；流量、流速传感器；流量、流速传感器；物位物位(液位液位)传感器传感器热工量热工量9 气体或液体的密度、湿度气体或液体的密度、湿度传感器；传感器；粘度、浓度、盐度传器粘度、浓度、盐度传器 化学成分传感器化学成分传感器物理化学量物理化学量10血压、眼压、脑压传感器血压、眼压、脑压传感器哦流体信号体温传感器体温传感器心电、心音、心搏数传感器心电、心音、心搏数传感器生物医学量生物医学量11：被测量使传感器本身的电参量被测量使传感器本身的电参量R、L、C改改 变，这种传感器工作时必须有外加电源。变，这种传感器工作时必须有外加电源。被测量使传感器产生电动势、电流、被测量使传
5、感器产生电动势、电流、电荷，可直接接入放大器或记录仪器。电荷，可直接接入放大器或记录仪器。121314工作原理：把被测变化参量转换为工作原理：把被测变化参量转换为电阻变化电阻变化的一种传感器的一种传感器5.4 5.4 常用常用15按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式、压阻式、电阻应变式变阻器式、压阻式、电阻应变式.(1).(1).变阻器式（电位器式）传感器变阻器式（电位器式）传感器16 它是用电阻系数很大的金属导线绕在绝缘骨架上而制成，滑动触头它是用电阻系数很大的金属导线绕在绝缘骨架上而制成，滑动触头(电刷电刷)的位移的位移使输出电阻或电压发生变化，其简单原理电路如图所示。使输出电阻
6、或电压发生变化，其简单原理电路如图所示。1 1电位器电位器 2 2电刷电刷L R U21L0 R0 U0AB O0000UUURLRL 17 电位器式位移传感器电位器式位移传感器 电位器式压力传感器电位器式压力传感器 1-1-测量轴测量轴 2-2-滑动电阻滑动电阻 3-3-电刷电刷 4-4-精密电阻精密电阻 1-1-膜盒膜盒 2-2-杠杆杠杆 3-3-电位器电位器 5-5-导轨导轨 6-6-弹簧弹簧 7-7-壳体壳体18(2).压阻式传感器压阻式传感器 压阻式传感器是以压阻式传感器是以单晶硅膜片单晶硅膜片作为敏感元件，在该膜片上采用集成电路工作为敏感元件，在该膜片上采用集成电路工艺制作四个电阻
7、并组成惠斯登电桥，当膜片受力后，由于半导体的压阻效艺制作四个电阻并组成惠斯登电桥，当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电阻阻值发生变化，使电桥有输出。应，电阻阻值发生变化，使电桥有输出。llttRR 纵向压阻系数和横向压阻系数；纵向应力和横向应力(切向应力)lt和lt和19(3).(3).电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片半导体应变式金属电阻应变片20电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力21应用：应用：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量22应用：应用：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。23应用：冲床生产记数应用：冲床生产记
8、数 和生产过程监测和生产过程监测242.2.电感式传感器电感式传感器工作原理：工作原理：利用电磁感应原理将被测物理量变化转换成线圈自感利用电磁感应原理将被测物理量变化转换成线圈自感 量量L L或互感量或互感量M M的变化的变化,再由测量电路转换为电压或电再由测量电路转换为电压或电 流的变化量输出。流的变化量输出。M.Faraday 电磁感应定律(1831年)：当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的磁通也随之变化，因而在线圈本身产生感应电势，这种现象称之为自感自感。25常用电感式传感器常用电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电 感 粗 糙 度 仪接近式传感器26铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或
9、坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。27只要改变气隙厚 就可以改变电感。自感式传感器的特性公式：自感式传感器的特性公式：N N 线圈匝数线圈匝数 ；S 气隙的截面积；气隙的截面积；气隙厚度；气隙厚度；o 导磁率（真空、空气）导磁率（真空、空气）202SNL 变气隙式变面积式螺管式28自感式传感器特点：自感式传感器特点：001K灵敏度为29单螺管式自感传感器它由平均半径为r的螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。随着
10、衔铁插入深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。30自感传感器的测量电路自感传感器的测量电路输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。1.交流电桥测量电路交流电桥测量电路2 变压器式交流电桥测量电路变压器式交流电桥测量电路31线圈铁芯衔铁膜盒PUA变隙电感式压力传感器结构图 321K2K差动型差动型定义：定义：把被测非电量变化转换成为线圈互感把被测非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器量的变化的传感器33差动变隙式自感传感器结论:差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。差动式的线性度得到明显改善两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。
11、34互感型互感型-差动变压器工作原理差动变压器工作原理WW1W2Esx-xEwEout次次 级级次次 级级骨架骨架初初 级级衔衔 铁铁次次 级级次次 级级初初 级级结构：中间初级，两边次级铁芯在骨架中间可上下移动 35采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。36差动变压器式传感器的结构示意图 （a）、（b）变隙式差动变压器iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)37差动变压器式传感器的结构示意图 （e）、（f）变面积式差动变压器 2U1U01U2U(e)(f
12、)38差动变压器式传感器的结构示意图 （c）、（d）螺线管式差动变压器(c)1U2U2U1U(d)39差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器40应用应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.41线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁输出P变隙式差动电感压力传感器 42 1可动铁心；2测杆；3被测物 可变气隙式电感测厚度带相敏检波的交流电桥4311B2Ax(t)1悬臂梁；2差动变压器差动变压器式加速度传感器原理图 444546电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用1.1.测位移测位移电涡流式
13、传感器的主要用途之一是可用来测量金属件的静态或动态位移，最大量程达数百毫米，分辨率为0.1%。目前电涡流位移传感器的分辨力最高已做到0.05m(量程015m)。凡是可转换为位移量的参数，都可用电涡流式传感器测量，如机器转轴的轴向窜动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。液位监控系统电涡流传感器测位移，由于测量范围宽、反应速度快、可实现非接触测量，常用于在线检测。472.测厚度测厚度测金属板厚度示意图483.测温度测温度）（0101t-ta1式中 1、0分别为温度t1与t0时的电阻率，a在给定温度范围内的电阻温度系数测温用涡流式传感器1-补偿线圈；2-管架；3-测量线圈；4-隔
14、热衬垫；5-温度敏感元件优点：(1)不受金属表面涂料、油、水等介质影响；(2)可实现非接触测量；(3)反应快。49除此以外：(1)利用多个传感器沿转轴轴向排布，可测得各测点转轴的瞬时振幅值，从而作出转轴振型图；(2)利用两个传感器沿转轴径向垂直安装，可测得转轴轴心轨迹；(3)在被测金属旋转体上开槽或作成齿轮状，利用电涡流传感器可测出该旋转体的旋转频率或转速；(4)电涡流传感器还可用作接近开关，金属零件计数，尺寸或表面粗糙度检测等。案例：案例：零件计数零件计数50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 Circle51
15、案例：无损探伤案例：无损探伤裂纹检测，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52案例：案例：无损探伤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5354S S 极板面积，极板面积，变面积型传感器变面积型传感器 极板距离，极板距离，变极距型传感器变极距型传感器 介电常数，介电常数，变介质型传感器变介质型传感器 真空介电常数真空介电常数 相对介电常数，相对介电常数，无介质时空气介质无介质时空气介质 =1=1工作原理：工作原理：将被测非电参量变化转换成电容量的变化。将被测非电参量变化转换成电容量的变化。0rSSCr0r55一般结构灵敏度一般结构灵敏度(
16、1).(1).变极距型传感器变极距型传感器2SK 差动电容结构灵敏度差动电容结构灵敏度SK256(2).(2).变面积型传感器变面积型传感器直线位移式灵敏度直线位移式灵敏度角位移式灵敏度角位移式灵敏度bK2rK 57(3).(3).变介质型传感器变介质型传感器5859电容式传感器特点：电容式传感器特点：60电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器常用的电容式传感器常用的电容式传感器61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）621.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2.位移，移动，位置，膨胀3.挠度，变形，波动，倾斜4
17、.尺寸，公差，分选，零件识别5.冲击，应变，轴向振动6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心电电容容式式传传感感器器 63磁电式传感器机械量机械量电电 量量64磁电式磁电式磁感应电式传感器磁感应电式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器磁阻效应传感器磁阻效应传感器65B-磁感应强度磁感应强度S-线圈平均截面积线圈平均截面积-线圈运动方向与磁场方向夹角线圈运动方向与磁场方向夹角sinNBSe 当线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，则线圈上的感应电动势：当线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，则线圈上的感应电动势：旋转运动的相对角速度旋转运动的相对角速度N-线圈匝数线圈匝数工作原理：工作原理：把被测非电参量变化转换成
18、感应电动势，把被测非电参量变化转换成感应电动势，是一种机电能量变换传感器。是一种机电能量变换传感器。66磁感应磁感应电式电式恒定磁通式恒定磁通式变磁通式变磁通式动圈式动圈式动铁式动铁式运动部件是线圈运动部件是线圈运动部件是磁铁运动部件是磁铁又称变磁阻式、变气隙式磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。线速度型角速度型67恒磁通式恒磁通式动铁型动铁型动圈型动圈型a.恒定磁通式恒定磁通式68动圈式传感器的结构原理图动圈式传感器的结构原理图:线速度型线速度型69角速度型角速度型测速电机测速电机70动铁式传感器结构原理图动铁式传感器结构原理图:
19、71b.变磁通式变磁通式（又称变磁阻式、变气隙式又称变磁阻式、变气隙式）常用来测量旋转物体的角速度，探头的磁极与振动物体间有一气隙，当振动物体振动时，气隙变化引起磁路磁阻改变，线圈磁通发生变化，输出电动势与振幅成比例。变磁阻式工作原理变磁阻式工作原理：一般通过改变传感器到被测对象一般通过改变传感器到被测对象间的气隙厚度等方法来改变磁路磁阻。间的气隙厚度等方法来改变磁路磁阻。72结构原理图（结构原理图（开路变磁通式传感器开路变磁通式传感器）1-被测旋转体；2-测量齿轮；3-线圈；4-软铁；5-永久磁铁线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮的齿数和转速的乘积7374磁电感应式转速传感器原理图
20、磁电感应式转速传感器原理图75优点：优点：u 无需外加电源无需外加电源u电路简单电路简单u性能稳定性能稳定u输出阻抗小输出阻抗小u具有一定的频率响应范围具有一定的频率响应范围（101000HZ）缺点：缺点：尺寸重量大尺寸重量大u常用于动态测量常用于动态测量76 77 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，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产生电动势，这种物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。理现象称为霍尔效应。a a 霍尔效应霍尔效应 78cosIBKVHH式中：式中：K KH H霍尔元件的灵敏度系数，与霍尔片的厚度霍尔
21、元件的灵敏度系数，与霍尔片的厚度和反映材料霍尔效应强弱的霍尔系数有关。霍尔片的和反映材料霍尔效应强弱的霍尔系数有关。霍尔片的厚度越小、霍尔系数越大，灵敏度系数厚度越小、霍尔系数越大，灵敏度系数K KH H越大。越大。I I控制电流控制电流 B B垂直于霍尔片平面的磁感应强度垂直于霍尔片平面的磁感应强度 磁场与霍尔元件平面的法线方向的夹角磁场与霍尔元件平面的法线方向的夹角 79元件外形元件外形a a，b b控制电流端引线控制电流端引线c c，d d霍尔引出线霍尔引出线80霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。81霍尔传感器的应用霍尔传感器的应
22、用 a.a.测量位移、压力、流量测量位移、压力、流量 特点：测量范围特点：测量范围1 1mmmm，惯性小、响应速度快。，惯性小、响应速度快。82 b.b.测量转速测量转速霍尔开关集成电路霍尔开关集成电路83测转角：测转角：84铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS85例：例：汽车速度测量汽车速度测量:865.5.压电式传感器压电式传感器以某些物质的压电效应为基础以某些物质的压电效应为基础某些物质受到外力时，表面产生电荷，当外力去某些物质受到外力时，表面产生电荷，当外力去 掉时，又重新回到原来的状态。掉时，又重新回到原来的状态。+串联串联+并联并联F+电容小，输出电压大，适于输出为电压的场合电容
23、大电荷量小，时间常数大，适于测缓慢信号，输出为电荷的场合87压电材料压电材料压电晶体压电晶体压电陶瓷压电陶瓷如石英如石英 具有很好的温度稳定性，压电效应，机械强度高，绝缘性能好稳定性不如石英，但压电系数约为石英的50倍88在在x方向作用一力方向作用一力F，t发生变化，发生变化，y-z晶面产生正负电荷，晶面产生正负电荷，当作用力的方向相反时，产生电荷极性相反当作用力的方向相反时，产生电荷极性相反89表面电荷量表面电荷量 ：Q=d Fd-压电常数压电常数F-作用在表面上的力（表征压电性能强弱）作用在表面上的力（表征压电性能强弱）90压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 9192PV
24、F2 压电膜压电膜硬币硬币 铜柱铜柱 投币计数传感器投币计数传感器93压电膜话筒结构示意图压电膜话筒结构示意图 PVF2 压电膜压电膜 絮状絮状 材料垫材料垫声压声压 话筒中，压电膜以一定的支撑形式保持膜内一定张力。话筒中，压电膜以一定的支撑形式保持膜内一定张力。在外来声压作用下，在外来声压作用下，膜面的曲率发生变化，使膜内应力改变，产生相应的压电信号。膜面的曲率发生变化，使膜内应力改变，产生相应的压电信号。94应用应用b)压力变送器压力变送器a)加速度计，力传感器加速度计，力传感器 压压电电式式传传感感器器95工作原理工作原理:将被测量的变化转换成光量的变化，再通将被测量的变化转换成光量的变
25、化，再通 过光电元件把光量变化转换成电信号。过光电元件把光量变化转换成电信号。光生伏特效应光生伏特效应光电导效应光电导效应 外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应光敏器件主要利用各种光电效应光信号光信号光电传感器光电传感器电信号电信号96光栅光栅光纤光纤光电管光电管光敏电阻光敏电阻977 7 传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。的问题。1 1、灵敏度、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，
26、在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题；b)b)量程范围。量程范围。c)c)交叉灵敏度问题。交叉灵敏度问题。982 2 响应特性响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。延迟，但总希望延迟的时间越短越好。3 3 线性范围线性范围 任何传感器都有一定线性工作范围。在线任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出
27、与输入成比例关系，线性范围愈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，是保证测量精度的基本条件。作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。994 4 稳定性稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。定性的因素是时间与环境。5 5 精确度精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。测量的对应程度。1006 6 测量方式测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理
