测试技术5.常用传感器(完整版)

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传感器作用及分类
5.1.2 传感器的分类
1. 按输出信号是模拟量还是数字量，可分成模拟传感器与数字传感器。 （I(t)，V(t)，数字量，频率量）。
2. 按变换原理，可分为参量型与发电型。 参量型：被测量使传感器本身的电参量R、L、C改变，这种传感器
工作时必须有外加电源，故又称为无源型，通常将其接入电桥，谐振电 路等信号调节器中，再变换成电压或电流量。
2. 电动式传感器的构成及其应用
① 振动测量 • 动圈式相对速度传感器：由两部分组成，一部分安装在被测物体上，通
常是磁铁与壳体，另一部分是线圈，固定在参照物体上；当两个物体产 生相对运动时，便产生电压量输出。（ 图a） • 动圈式绝对速度传感器：传感器壳体固定在被测振动物体上，当壳体以 大于某一频率点的频率振动时，线圈芯轴系统（质量大，惯性力大）相 对于大地是静止的，因此壳体磁钢与线圈之间的相对速度就是被测物体 的绝对速度，线圈以这一速度切割磁力线，产生的电动势的大小即反应 了被测对象的运动速度。 （ 图b） • 变磁阻式电动式传感器：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。 （ 图c） 【演示】
发电型：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可直接接入放 大器或记录仪器，所以又称为有源型，一般不需外加电源，如热电偶、 压电型传感器等。但由于能量有限，通常还要接放大器。
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发电型
参量型
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传感器作用及分类
5.1.3 传感器工作原理与标定
任何一种传感器其工作原理都是基于某一种物理现象或化学现象。这 种现象抽象成若干个物理量（其中有一个电量）按一定规律相互影响，可 用一个数学公式来表示（建立一个数学模型），即：
e wBlv
其中，w－线圈匝数，B－磁感应 强度，l－单匝线圈有效长度，v －线圈与磁场的相对速度。
b. 线圈在磁场中作旋转运动
e kWBA
其中，k－与结构有关的系数 （＜１），A－线圈的截面积， ω－角速度。
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发电型传感器
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发电型传感器
②变磁阻式工作原理：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。
dt
dt
dt R
两边进行拉普拉斯变换有：
SQ(s) CSV (s) 1 V (s) R
1 H (s) V (s) RS C
Q(s) RCS 1 1 1 RSC
H ( j) 1/ C
1
1
jcR
当输入 F(t) F0 sin0t 时
Байду номын сангаас
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Q(t) DF0 sin0t Q0 sin0t
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发电型传感器
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•（ 图a）
•（ 图b）
•（ 图c）
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发电型传感器
② 转速传感器及转速测量
测速发电机：工作原理与发电机原理相同。
e kWBA
开磁路转速传感器（如图所示）： 齿轮旋转时，探头与齿轮间气隙发 生变化，引起磁阻改变。线圈中的 感应电动势的频率与转速的关系式 为
不同的材料虽然压电机理不同，但最终产生的效应是等同的。
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2．压电变换元件的应用特性： 压电变换元件相当于电荷源，其等效电路为：
C C0 Ci
R R0 // Ri
电路方程： Q(t) Cv i.dt
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发电型传感器
dQ(t) C dv i C dv v
输出： u(t) Q0 | H ( j0 ) | sin[0t (0 )]
其幅值： V0
Q0 / C
1 (CR10 )2
DF0 / C
1 (CR10 )2
可见，若想使输出信号保持一定的幅值，ω有一个范围，或者说
RC ? 1 时
通常为电量的 y=f(x1,x2,……,xn) （通常为非电量） 如： R=ρL/A 就描述了四个物理量间的关系。
如果我们能够让被测量影响某一个参数，而通过该参数与另一个电参数 的变化来反映被测量的大小，那么一个传感器就制造出来了。所以一种传 感器的设计、研制都要基于某种物理效应，在此基础上再设计出敏感部分 的结构以及变换部分的结构。我们在下面介绍的各种传感器都是从某一基 本的物理概念或原理出发，根据物理量间的关系来分析相应的传感器结构 及特点。
e w d
dt
电动势与磁通变化量有关。导致磁通变化的原因有多种，当线圈的匝 数及磁感应强度不变时，磁通的变化率与磁路的磁阻及线圈在磁场中的运 动速度有关。根据利用被测量改变线圈速度或磁阻的方式，可将电动式传 感器分成动圈式和变磁阻式。
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① 动圈式工作原理
a. 线圈在磁场中作直线运动
传感器在使用之前一般要进行标定，即确定输入与输出的关系，通常 由于制作误差和原理的理想化，使输入输出不能严格满足理想的物理公式。 所以，只有给定已知输入，确定输入、输出二者间关系后才能使用。
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发电型传感器
5.2 发电型传感器简介 5.2.1 电动式传感器（磁电式传感器）
1. 工作原理：根据电磁感应定理，一个匝数为w的线圈，当穿过该线圈的 磁通Φ发生变化时，其感应电动势的大小为：
f＝Ｎ×ｎ
其中，f：感应电势频率 N：齿数 n：转速【演示】
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发电型传感器
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发电型传感器
5.2.2 压电式传感器
1．工作原理 压电效应，某些材料，如石英晶体和钛酸钡陶瓷，在某一方向受 力时，其表面产生电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即
Q DF D：压电系数；F：施加力的大小
测试技术基础
机械工程及自动化学院
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检测技术 第五章 常用传感器
5.1 传感器作用及分类 5.2 发电型传感器 5.3 参量型传感器
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传感器作用及分类
5.1 传感器的作用与分类 5.1.1 传感器的作用
传感器是控制系统中的第一个环节，它具有两个作用： 1. 敏感作用：感受物理量的变化，以完成对被测信号的拾取。 2. 变换作用：将非电量变换成电量。 对应这两个作用，传感器一般由两部分 组成，即敏感元件与变换元件，二者有 时很容易分开，有时合二为一。