《机械工程测试技术》第三章PPT课件

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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
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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第一节 传感器的分类
1、按被测量分类
位
力
温
湿
移
传来自百度文库
度
度
传
感
传
传
感
器
感
感
器
器
器
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机械式
3、按信号变换特征
2、
按
电气式
物性型
结构型
工
作
光学式
4、按能量关系
原
流体式
理
能量转换
能量控制
型(无源)
型(有源)
5、按输出信号：数字式、模拟式
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
（2）输出 f (x)= kx3 R(x) 与 f (x) 成线性关系 → 抛物线形骨架
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。
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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。
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
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;
能量控制型（有源）传感器: 从外部供给辅助能量使
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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（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
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
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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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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。
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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
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
第三章 常用传感器与敏感元件
本章学习要求：1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路
传感器：工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将
其转换成同种或别种量值输出的器件。
作 用：类似人的感觉器官。它把被测量如力、位移、温度
等转换为易测信号，传给测量系统的信号调理环节。
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4．变阻器式传感器后接电路
u0 xp
x Rl
Rp-变阻器总电阻；xp-变阻 器总长度；Rl-后接电路输
入电阻。
uy
uy
xp
u0 (Rp )(1
x
（3-3）
)
x Rl
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）。
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
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
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
Δα
α
Δx C x
A
C
B a)
A B
C b)
x
A
B
c)
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图3-5 变阻器式传感器
a) 直线位移型 b) 角位移型
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。
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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