机械常用传感器

? —极板间距离
?
A —极板面积
分类
（1）极距变化型
极距有一微小变化量 dδ时，引起电容变化量
dC
?
? ??0
1
A? 2
d?
? 灵敏度
Байду номын сангаас
S
?
dC
d?
?
?
? 0?A ?2
? 由于灵敏度随极距变化， 引起非线性误差 ，规定在较 小的间隙范围内工作，一般 取 ? ? / ? 0 ? 0.1
指纹识别
指纹识别
指纹识别目前常用的是电容式传感器，也被称为第二 代指纹识别系统。
? 优点：体积小、成本低， 成像精度高，而且耗电量 很小，因此非常适合在消 费类电子产品中使用。
右图为指纹经过处理后 的成像图
（2）面积变化型
? C ? ?0? A ? ?0? b? x
?
?
S ? dC ? ?0?b ? 常数 dx ?
应用实例
电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等 的测试中。精度和稳定性日益提高，高精度达 0.01%，精 度可达5μm。
（1）电容式测厚仪: 测量金属带材在轧制过程中厚度
C1、C2工作极板与带材 之间形成两个电容， 当金 属带材在轧制中厚度发生变 化时，将引起电容量的变化。 通过检测电路可以反映此变 化，并转换和显示出带材的 厚度。
（1）电桥型电路 电容传感器作为电桥的一部分，电容变化转换为电桥
电压输出。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的 输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。
（2）调频电路
电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡 器的谐振频率
f? 1
振荡回路电感
2? LC
当被测量使电容值发生变化时，则 振荡器频率也发生 变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记 录器或显示仪表指示。
特点
输出与输入成线性关系，灵敏度低，适于 较大直线位移及角位移测量。
（3）介质变化型 用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间
介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、 湿度、容量等。
油量表可用于飞机油箱
测量电路
电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续 电路转换成电压、电流或频率等输出量。
工程应用实例
涡流式传感器可用于动态非接触测量。近年来涡流式 位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、 冶金等部门中日益得到广泛应用。
径向振动测量
轴心轨迹测量
转速测量
零件计数器
表面裂纹测量
穿透式测厚
? 电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物
体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会 在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相 位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软 x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法可 合成完整的光学图像。
? 电涡流表面探伤
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
手持式裂纹 测量仪
油管探伤
四、电容式传感器
工作原理
采用电容器作为敏感元件，将不同物理量的变化转换 为电容量的变化。
平板电容器的电容量
C ? ?0? A ?
?
+
A ? —极板间介质的相对介电系数，
+
空气中 ? ? 1
+
?0 —真空中介电常数，?0 ? 8.85 ? 10?12 F / m
物性型传感器: 依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。 例如:水银温度计。
结构型传感器: 依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。 例如:电容式和电感式传感器。
二、机械式传感器及仪器
? 机械式传感器以弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、 压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。
? 转换电路：把转换元件输出的电路参量转换为便于处理、 显示、记录或控制的有用的电信号。
一、 常用传感器分类
1、按被测物理量分类
常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角，
转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩, 风速,流速,流量； 声: 声压,噪声； 磁: 磁通,磁场； 温度: 温度,热量,比热； 光： 亮度，色彩。
? 抵抗作用：根据楞次定 律，由该涡电流产生的交 变磁通Ф1将与线圈产生的 磁场方向相反，亦即Ф1将 抵抗Ф的变化。
原线圈的等效阻抗Z（equivalent impedance ）的变化
磁导率
Z ? Z ?? , ? , ? , ? ?
金属板电阻率
线圈激磁圆频率
? 改变δ 可作为位移、振动测量； ? 改变ρ,μ 可作为材质鉴别或探伤。
? 弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指 示被测量的大小。 ? 应用实例：测力计、压力计和温度计。
测力计
弹性膜片
压力计
波纹管
波登管
温度计
特点
? 机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读 数直观；
? 弹性变形不宜大，以减小线性误差； ? 惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量。 ? 弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，影响输出与输入的
（2）电容式转速传感器 当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过
测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代 表转速大小。
第五章 常用机械量测量的传感器
学习要求
? 了解传感器的选用原则； ? 掌握机械工程测试中常用各种传感器的基本原理、
结构及性能参数及其适用范围。
传感器的基本组成
? 敏感元件：直接感受被测量，输出与被测量成确定关系 的某一物理量。
? 转换元件：敏感元件的输出作为转换元件的输入，它把 输入转换成电路参量。
线性关系。
解释 ? 蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间缓
慢增长的现象。
? 弹性后效：指载荷在停止变化之后，弹性元件在一段时间 之内还会继续产生类似蠕动的位移。
三、涡流式传感器
变换原理 利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应。
高频反射式涡流传感器工作原理 ? 涡流产生：当线圈中通以一交变高频电流i时，会引起一 交变磁通Ф。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流 i1， 该电流i1即为涡流。
2、按传感器工作原理分类
机械式,电气式,光学式,流体式等。
3、按敏感元件与被测对象之间的能量关系
能量转换型(无源传感器）: 直接由被测对象输入能量使其工作。 例如:热电偶温度计,磁电式加速度计。
能量控制型（有源传感器） : 从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的
变化。例如:电阻应变片。
V
4、按信号变换特征