机械工程测试技术基础(张军)第三章

δ—— 气 隙 长 度 ； μ0—— 空 气 导 磁 率 ， μ0=4π×10-7；
A0——空气隙导磁横截面积. 。
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铁心磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略，则电感量：
L W 20 A0 2
可构成δ、μ0 、A0 及W变化型传感器 μ——铁心导磁率；
A——铁心导磁截面积
δ——气隙长度
W——线圈匝数
dR dl 2 dr d
R
l
r
2 E
(1 2 E )
E
.
dR
Sg
R E
一般比金属 丝电阻应变 片大50~70倍
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优点： 灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小。 缺点： 温度稳定性能差，灵敏度分散大，在较大应变 作用下，非线性误差大。
Байду номын сангаас
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3 应用
直接用来测定结构的应变或应力
数直观。 缺点：放大和指示环节存在间隙，惯性大，固有频 率低。
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4
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5
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6
§3-3 电阻式传感器
机械量——电阻变化
分类：变阻式——大电阻式 应变式——小电阻式 一、变阻器式传感器（电位计式）
R L ρ——电阻率，L——长度，A——截面积
A
.
7
对于图a:
RCAkex
C点与A点之间 电阻输出量
Calibration,response,span
.
1
§3-1 传感器的分类
• 按被测量分类：
– 位移传感器 – 力传感器 – 温度传感器
• 按工作原理分类：
– 机械式 – 电气式 – 光电式 – 流体式
• 按信号变换特征分类：
物性型、结构型
• 按敏感元件与被测对象间 能量关系：
能量转换型、能量控制型
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在气隙δ变化型中，L与δ是呈非线性关系（双曲线）
灵
敏 度
Sd dL W 2 2 0 2A 0 L
由于S不是常数，会出现线性误差，一般规定在较 小间隙范围内工作，工作范围δ0～δ0+Δδ，一般取 Δδ/δ0≤10%，这种传感器使用于小位移的测量，一 般为0.001～1mm。
特点：灵敏度高。
r
压阻系
d
数
E
弹性模量
dr dl
r
l
dR dl 2 dr d
R
l
r
2 E
(1 2 E )
(1 2 )
.
dR
Sg
R dl
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常数
l
应变系数
或灵敏度
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2 半导体应变片
应用半导体材料的压阻效应。
压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用
时，能使其电阻率发生很大变化的现象。
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将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、 压力、加速度的传感器
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20
案例：冲床生产记数 和生产过程监测
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22
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23
案例：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。
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24
案例：桥梁固有频率测量
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27
案例：振动式地音入侵探测器
适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。
x)
x RL
xp
当：RL→∞时，则：
uy
u0 xp
.
x
u0 • x xp
9
优缺点：
优点：结构简单，性能稳定，使用方便
缺点：分辨率低（低于20μm），电噪声大（uy—x曲线为阶 梯形状）
应用于：线位移、角位移测量，测量仪中电子电位差计等。
.
10
二、电阻应变式传感器
1 金属电阻应变片 金属丝式应变片（电阻丝式应变片）、金属箔式应变片
互感型——（差动变压器式） ➢变换原理：基于电磁感应
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一、可变磁阻式电感传感器
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工作原理 ：
由电工学知，线圈自感量L为
LW 2 Rm
W——线圈匝数 Rm ——磁路总磁阻
如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的铁损时，总磁阻
Rm
l 2 A 0A0
l——铁心导磁长度；μ——铁心导磁率；A——铁心导 磁截面积，A=a×b;
单位长度的电阻 （常数）
输入量：触点C 移动量位移
传感器灵敏度 SddR x R x ke
.
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u0 ——直流激励电压 uy—— 传感器输出电压 xp——变阻器总长度 Rp——变阻器总电阻 RL——后续测量电路的输 入电阻
在u0作用下，传感器输入量x 与输出量 uy之间的关系：
uy
xp
u0 Rp (1
第三章 常用的传感器
Sensor, transducer,
Resolution,threshold value,null,excitation,output
Repeatability of measurement,hysteresis,drift
Sensitivity,linearity,least-squares line, natural frequency
• 按输出信号分类：
模拟式、数字式
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2
名词
• 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，压电测力计 • 结构型传感器： 依靠传感器结构参量的变化而 实现信号转换。 如：电容式传感器，电感式传感器
• 能量转换型传感器：无源传感器，直接由被测对象输入 能量使其工作。如热电偶温度计、弹性压力计
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12
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13
应变计
金属应变计
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由： R l
A
Ar2
得到：dR R dl R dA R d
l
A
r 2
dl
2 r3
dr
l
r 2
d
R
dl l
2 dr r
d
电阻的相 对变化：
d Rd l2d Rl r
rd
.
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dl 电阻丝轴向相对变形，纵向应变
l
电阻丝材 料泊松比
dr 电阻丝径向相对变形，横向应变
• 能量控制型传感器：有源传感器，从外部供给辅助能量 使传感器工作，并由被测量来控制外部供给能量的变化。
如：电阻应变计
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3
§3-2 机械式传感器
• 以弹性体作为传感器的敏感元件，又称为弹性敏感 元件。
• 输入量：力、压力、温度 • 输出：弹性元件本身的变形 → 转变为仪表指针的
偏转。 • 如：测力计、弹簧秤；波纹膜片；双金属片 • 特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读
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案例：机器人握力测量
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注意的问题： 1 应变片测出的是应变，必须经过转换 2 粘贴工艺很重要 3 用于动态测量时，应考虑应变片本身的动态特性
（激励电源频率、基片的长度） 4 温度变化引起阻值变化，需考虑温度补偿
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§3-4 电感传感器
➢被测机械量——电感量（互感量） ➢分类：自感型——（可变磁阻式、电涡流式)
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图3-22 几种常用可变磁阻式传感器的典型结构
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