第2章常用传感器原理.doc

第2章常用传感器原理传感器是测试系统的首要环节,是获取测试系统信号的重要器件。机械运行状态可以通过很多类型的信号检测和分析获得, 如应力、振动、噪声等信号,这些机械信号需要通过传感器获得定量描述。传感器就是直接感受被测信号,并按一定的规律转换为与另外一种(或同种)之有确定对应关系的、便于传输和应用的物理量(或信号) 的输出器件或装置。在机械测试中,传感器常将被测机械量(如力、位移、振动等)转换为容易测量的电信号(如电阻、电压等),以便使用中间变换电路进行显示、记录和处理。本章将介绍机械测试常用传感器的工作原理、结构及其特性等。 传感器的分类传感器的种类繁多,其工作原理和应用场合也各不相同,只有正确选择传感器,才能满足测试系统的各种要求,真实、准确地获取要测量的信息。在机械测试中,往往一种被测量可用多种类型的传感器来测量。为了便于传感器的选择和应用,有必要对其进行合理科学的分类。目前传感器的分类方法很多,机械测试中主要有下面几种分类方法。 1. 按传感器的被测量分类根据传感器的被测量,可分为力传感器、位移传感器、速度传感器、温度传感器等。这种分类方法便于实际选用传感器。 2. 按传感器工作的物理原理分类根据传感器工作的物理原理,可分为机械式传感器、电磁及电子式传感器、辐射式传感器、流体式传感器等。 3. 按传感器的信号变换特征分类根据传感器信号的变换特征,可分为物性型传感器与结构型传感器两大类。物性型传感器是利用敏感元件材料本身的物理化学性质变化实现信号的测量。例如, 水银温度计测温是利用水银热胀冷缩的原理。结构型传感器则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如,电容式传感器是通过极板间距离变化引起电容量的变化来实现测量。 4. 按传感器的能量变换分类根据传感器的能量转换情况,可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。能量控制型传感器,在信号变换中,其能量需要辅助电源供给。如电阻式、电感式、电容式等传感器都属于这一类。能量转换型传感器,直接对被测量输入能量使其工作,不需要外电源。如基于压电效应的传感器等。机械工程中常用的传感器基本类型归纳见表 2-1 所示。表 2-1 机械工程中常用的传感器 电阻式传感器电阻式传感器种类繁多,应用广泛,常用来测量力、位移、应变、扭矩、加速度等, 其基本原理是将被测信号的变化转换成传感元件电阻值的变化,再经过转换电路变成电压信号输出。下面介绍电位器式、电阻应变式和压阻式三种常用的电阻式传感器。 电位器式传感器传感器类型名称被测量变换量应用举例机械式弹性转换元件力、压力、温度位移弹簧秤、压力表、温度计电磁及电子式电阻式传感器位移电阻直线电位计电阻丝应变片力、位移、应变电阻应变仪半导体应变片力、加速度电阻应变仪电感式传感器力、位移自感电感测微仪电涡流传感器位移、测厚自感涡流式测振仪差动变压器力、位移互感电感比较仪电容式传感器力、位移电容电容测微仪压电元件力、加速度电荷测力计、加速度计磁电传感器速度电势磁电式速度计霍尔元件位移电势位移传感器压磁元件力、扭矩磁导率测力计光敏电阻电阻光电池电压硒光电池光敏晶体管转速、位移电流光敏转速仪 1. 结构电位器式传感器的结构如图 2-1 所示。它由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动,因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器,除可以测量线位移或角位移外,还可以测量一切可以转换为位移的其他物理量参数,如压力、加速度等。 a)b)c) 1- 电阻元件 2- 电刷图 2-1 电位器式传感器的工作原理 a )直线型 b )角位移型 c )非线性型 2. 工作原理与特点当电阻元件的导线材质与其截面积一定时,其阻值随导线长度而发生线性变化。电位器式传感器就是根据这种原理制成的。图 2-1a 所示为直线位移型电位器式传感器,当被测位移变化时,触点 C 沿电位器移动。假设移动距离为 x ,则 C 点与 A 点之间的电阻 ACR 为xKxL RR L AC??( 2-1 ) 式中, LK 为导线单位长度的电阻,当导线材质分布均匀时, LK 为常数。可见,这种传感器的输出与输入呈线性关系。传感器的灵敏度为 L ACK dx dR S??( 2-2 ) 图 2-1b 所示为回转型电位器式传感器,其电阻值随转角而变化,故称为角位移型。这种传感器的灵敏度可表示为?? Kd dR S AC??( 2-3 ) 式中, ?K 为单位弧度对应的电阻值,当导线材质分布均匀时, ?K 为常数; ?为转角。图 2-1c 所示是一种非线性电位器式传感器,其输出电阻与滑动触头位移之间呈现非线性函数关系。它可以实现指数函数、三角函数、对数