机械工程测试技术-第三章

各种传感器从本质上讲均为：
受力
产生弹性变形
电阻应变片阻值发
生变化
经二次仪表转换为电压（或电流）信
号输出。示例见图3-11。
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电阻 应变片
图3-11 动态电阻应变仪框图
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（四）电阻应变片传感器应用注意事项
（1）由应变片测出的是构件或弹性体上某处的应变，通过 换算（或标定）才能得到应力、力或位移。
5-外引线
dR E
R
Sg
dR/
R
E
这一数值比金属丝式大50~70 倍。
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表3-3 几种常用半导体材料特性
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优点：灵敏度高。
缺点：（1）温度稳定性差。
（2）灵敏度分散度大(由于晶向杂质等因数）。
（3）非线性大 。
a)
x
A
B
c)
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Δα α
A
A
C
B
B C
b)
图3-5 变阻器式传感器
a) 直线位移型 b) 角位移型
C
c)非线性型
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1．直线位移型（见图3-5a）
C点与A点之间的电阻值为 R kl x
两边取微分 dRkldx 则
S
dR dx
kl
（3-2）
可见导线分布均匀时，传感器输出(电阻)与输入(位移)成
是常数会出现非线性误差。为了减小这一误差，通常规定在
较小间隙范围内工作。设间隙变化为(δ0,δ0+Δδ)，一般 应用中取Δδ/δ≤0.1。此种传感器适合于较小位移的测量，
一般设为 0.001~1 mm。
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L与A0成线性关系灵敏度较低。 将两线圈接于电桥相邻两臂，灵敏 度提高 1 倍，并改善了非线性。
传感器工作。如把电阻应变计接于由外部供电的电阻电 桥上，被测量变化引起的电阻变化去控制电桥输出。
参见书中 表3-1，机械工厂中常用传感器。
另外，传感器可能只有一个，也可能几个换能元件组 合而成一个小型装置。
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输入
测量对象
输出
传感器
辅助能源 图 3-1 能量控制型传感器工作原理
线性关系。
2．角位移型（见图3-5b）
其电阻值随转角而变化，灵敏度 S 为
dR
S d k
式中 α—转角（rad）;kα—单位弧度对应的电阻值。
3．非线性型（见图3-5c）
其骨架形状根据所要求的输出f (x) 来确定。
例如：
（1）输出 f (x)= kx2 ; R(x) 与 f (x) 成线性关系 → 三角形骨架
图 3-2 伺服式加速度计框图
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第二节 机械式传感器
以弹性体为敏感元件，将被测量转换为弹性变形（或应变） 的传感器
测力计
压力计
温度计
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图3-4 微型探测开关 1-工件 2-电磁铁 3-导槽 4-簧片开关 5-电极 6-惰性气体 7-簧片
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分压式调幅电路：
谐振频率 f 1 （3-18）
2 LC
振荡器提供稳定的高频 信号。 当谐振频率等于电源频
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双螺旋管圈差动型传感器常接于电桥两个桥臂上， 线圈电感 L1、L2随铁心位移而变化，其输出特性 如图(3-14)所示。
● ●
x
L1
~
●
L2 u
L、u L2 L1
u
0
x
a)
b)
图3-14 双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性
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一、自感式 （b）涡电流式
原理：利用金属导体在交变磁场中的涡流效应。
δ Ф1
金属板
i
Ф
i1
图3-15 高频反射式 涡流传感器原理
当线圈通过一高频交变电流i
时，产生磁通Φ 。
此交变磁场在邻近金属板上感 应电流 i1。
此电流在金属体内是闭合的， 称之为“涡流”。
根据楞次定律，涡电流的交变 磁场与线圈的磁场变化方向相 反。
l—铁心导磁长度 μ—铁长度
μ0—空气磁导率(4πⅹ10-7)
3
x
A0—空气隙导磁横截面积 因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比很
图3-12 可变磁阻式
小，可以忽略，故：
传感器基本原理 1—线圈 2—铁心 3—衔铁
Rm
2 0 A0
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优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数 直观等。
缺点：弹性变形不能过大；受结构间隙影响大，惯性 大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。
一般，与其他传感器配套使用，先用弹性元件将被测 量转换成位移量，然后用其他形式的传感器（如电阻、 电容、电涡流式等）将位移量转换成电信号输出。
横向应变
dr dl
r
l
d E
dR 2 E
R
(12 E) （3-8）
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常数sg
dR (12)
R
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式中
dl l
—电阻丝轴向相对应变（或称纵 向应变）
dr dl
r
l
—电阻丝径向相对应变（或称横 向应变）
—材料泊松比
d E
—电阻丝电阻率相对变化，与电
δδ
δ0+Δδ 0 0 δ0-Δδ
~
x
~
x
~
a) 可变磁阻面积型
结构简单，易制造，但灵敏度 低，适用大位移测量。
b) 差动型
有较高灵敏度及线性，常用于电感 测微仪上，其测量范围为 0~300
μm，最小分辨力为0.5μm。
~
x
~
~
~
x
c) 单螺管线圈型
d) 双螺旋管圈差动型
图3-13 可变磁阻式传感器典型结构
2.4
铁 余量
1.33
-10~10
13.3
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（二）半导体应变片
工作原理：半导体材料的 压阻效应
单晶半导体材料在沿某一 轴向受到外力作用时，其 电阻率发生变化
dR(12)E
R
几何尺寸变 电阻率变化 化≈0
1
2
3
4
5
图3-9 半导体应变片 1-胶膜衬低 2-P-Si 3-内引线 4-焊接线
应用范围：测量力、应变、位移、加速度、扭矩等 分类：（1）金属应变片式 ;（2）半导体应变式; 特点：（1）体积小；（2）动态响应快；
（3）测量准确度高；（4）使用方便； （一）金属电阻应变片 工作原理：应变片用特制胶水粘固在弹性元件或要测 量变形的物体表面上，在外力作用下，电阻丝随该物 体一起变形，其阻值发生相应变化。由此，将被测量 的变化转换为电阻变化。 种类：常用的有丝式和箔式，其工作原理一样。
小结：（1）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻 变化。
（2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而 引起电阻的变化。
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（三）电阻应变片传感器应用方式
1．直接用来测定结构的应变或应力。 例如：研究机械、桥梁等某些构件在工作状态下的 受力、变形情况。
2．将应变片贴在弹性体上，测量力、位移、加速度等 物理参数。
（3-15）
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代入式（3-13）得
L
L W 20 A0 （3-16） 2
式（3-16）表明：自感 L 与气隙δ 成
反比，与气隙导磁截面积 A0 成正比。
当固定 A0 变化δ 时，L与δ 呈非线
性关系，此时传感器灵敏度 S 为
0
δ
S
W20 A0 2 2
（3-17）
灵敏度S与气隙长度平方成反比，δ越小，S 越高。如果 S 不
性好。箔片约厚1~10 μm。散热好，粘接情况好，
传递性能好。
图3-8 箔式应变片
a)单轴 b)测扭矩 c)多轴 d)平行轴多栅
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e)同轴多栅
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变换原理
Rl/ A
dRR l dl R AdA R d
A r2
变化。
根据电阻公式电阻R 为 R l
A
（3-1）
式中：ρ—电阻率；l—电阻丝长度； A—电阻丝截面积
从式中看出当电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线
长度而变化。
分类：（1）直线位移型 （2）角位移型 （3）非线性型
如图3-5 所示
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R Δx C x
xp
图3-6 电阻分压电路
为减小后接电路影响，应使 Rl >> Rp （减小负载效应）。
优点：(1)结构简单；(2)性能稳定；(3)使用方便。
缺点：(1)分辨力不高；(2)躁声较大。
应用：线位移、角位移测量，用于伺服记录仪器或电子电
位差计等。
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二．电阻应变式传感器
阻丝所受正应力σ有关。λ—
压阻系数，与材质有关；E—
电阻丝材料的弹性模量；
制造中 Sg在1.7~3.6之间，一般市场上电阻应变片标准 为 60，120，350，600，1000 Ω等。几种常用电阻丝
材料物理性能见表3-2。
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表3-2 常用电阻丝材料物理性能
d R r2d l 2 r l3d r r l2d R (d ll 2 d rr d )
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(1+2ν)ε项是电d阻R丝几d何l尺寸2改dr变所d引起，同一电阻
材料是常数。
R
l
r
λE电ε项阻是相电阻丝的电阻率随应变而引起的，一般对金
属对丝变很化小可忽略。纵向应变ε
弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，应从结构设计、
材料选择和处理工艺等方面采取有效措施来改善这些
现象产生的影响。
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第三节 电阻式传感器
电阻式传感器—一种把被测量转换为电阻变化的传感器。 分类— （一）变阻器式； （二）电阻应变式 一．变阻器式传感器（电位差计式） 定义：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的
标定
（2）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘 贴工艺（胶、贴前处理、固化处理、防潮等）至关重 要。
贴片工艺
（3）动态测量时，应考虑弹性元件和应变片的动态特性。
动态特性
（4）温度对电阻值的变化影响不容忽略，考虑温度补偿。
温度补偿
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第四节 电感式传感器
材料 名称
成分
灵敏度 电阻率
电阻温 度系数
膨胀 系数
元素 %
Sg
Ω.mm2/m X10-6/℃ X10-6/℃
康铜
Cu Ni
57 43
1.7~2.1
0.49
-20~20
14.9
镍铬 合金
Ni Cr
80 20
2.1~2.5 0.9~1.1 110~150
14.0
镍铬铝 Ni 73
合金
Cr Al
20 3~4
原理：把被测量转换为电感量变化的一种装置。 (基于电磁感应原理)
分类：
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一、自感式 a) 可变磁阻式
线圈自感量：L W 2 Rm
i~ 1
W：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻[H-1] 如果空气隙δ较小，不考虑磁路的 铁损时，则总磁阻为
l 2
2
Rm
A 0A0
由于涡流磁场作用，使原线圈 的等效阻抗Z发生变化，变化 程度与距离δ 有关。
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电涡流传感器实物图
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电涡流式传感器的结构
➢ 电涡流式传感器结构比较简单，主要由一个安置 在探头壳体的扁平圆形线圈构成。
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（2）输出 f (x)= kx3 R(x) 与 f (x) 成线性关系 → 抛物线形骨架
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4．变阻器式传感器后接电路
u0 xp
Rp-变阻器总电阻；xp-变阻 器总长度；Rl-后接电路输 入电阻。
x Rl
uy
uy
xp
u0 (Rp )(1
x
（3-3）
)
x Rl
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（1）丝式——把直径为0.025mm的康铜或镍铬合金丝， 粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线 接于电路上。
图3-7 电阻丝应变片
1-电阻丝 2-基片 3-覆盖层 4-引出线
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（2）箔式——用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光 刻技术制造，其线条均匀，尺寸准确，阻值一致
物性型传感器: 依靠敏感元件材料本身物理化学性质
的变化来实现信号的变换。如水银温度计；石英晶体
压电效应。
结构型传感器: 是依靠传感器结构参数的变化而实现
信号转换的。如电容、电感、应变式传感器。
能量转换型（无源）传感器: 是直接由被测对象输入
能量使其工作的，如热电偶温度计，弹性压力计。
能量控制型（有源）传感器: 从外部供给辅助能量使