机械工程测试技术-传感器知识总结

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器

• 选用传感器的原则
  • 灵敏性
    • 越高越好
  • 响应特性
    • 必须满足不失真条件
  • 必须保证传感器工作在线性范围
  • 可靠性
    • 传感器性能指标处于误差允许范围之内
  • 精确度
    • 在经济的前提下，精确度越高越好
• 设计仪器
  • 1.设计一个检测钢丝绳断丝的仪器
    • 霍尔传感器
  • 2.检测涡轮机叶片是否有裂纹
    • 涡流传感器
  • 3.轧钢机测量钢板厚度
    • 涡流传感器
  • 4.转速测量
    • 1.涡流传感器
    • 2.磁阻式传感器
    • 3.霍尔传感器
  • 5.零件计数
    • 涡流传感器
• 传感器分类
  • 根据输入物理量
    • 位移传感器
    • 压力传感器
    • 速度传感器
    • 温度传感器
    • 气敏传感器
  • 根据工作原理
    • 电阻式
    • 电感式
    • 电容式
  • 根据输出信号的性质
    • 模拟式传感器
      • 模拟信号：幅值、时间均连续
    • 数字式传感器
      • 数字信号：幅值、时间均离散
  • 根据能量转换原理
    • 有源传感器（能量控制型）
      • 需要外部供电
        • 应变式传感器
        • 电阻式传感器
        • 电容式传感器
        • 电感式传感器
        • 电涡流式传感器
        • 霍尔传感器
    • 无源传感器（能量转换型）
      • 不需要外部供电
        • 压电传感器
        • 磁电传感器
        • 光电传感器
        • 热电偶
  • 物性与结构
    • 物性型传感器
      • 根据材料物理性能变化实现测量
        • 压电传感器（压电效应）
        • 霍尔式传感器（霍尔效应）
        • 光电传感器（光电效应）
        • 热敏传感器（热敏效应）
    • 结构型传感器
      • 以结构为基础，利用某些物理规律来感受测量
        • 应变电阻式传感器（应变片尺寸变化）
        • 电感式传感器（变间隙/变面积）
        • 电容式传感器（变间隙/变面积）
        • 磁电式传感器
• 典型传感器
  • 电阻式传感器
    • 分类
      • 变阻器式传感器
        • 特点：
          • 优点：结构简单，性能稳定，适用方便
          • 缺点：分辨率不高，噪声大，绕制困难
        • 适于：直线位移、角位移、（非线性）
      • 电阻应变片式传感器
        • 分类
          • 金属电阻应变片
            • 工作原理：
              • 金属导体的应变效应：金属导体在外力作用下发生变形时，尺寸变化引起电阻变化
              • 电阻率不变
            • 特点
              • 优点：精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响效果好，能在恶劣环境下使用，易实现小型化、整体化、品种多样化
              • 缺点：对于大应变有较大的非线性，输出信号较弱
          • 半导体应变片
            • 工作原理：
              • 压阻效应：电阻率变化引起电阻变化
            • 特点
              • 优点：体积小，灵敏度高（比金属电阻应变片大十倍），频响范围大
              • 缺点：灵敏度受温度影响太大，大应变下非线性，安装不方便，适用范围受限
  • 电容式传感器
    • 工作原理：
      • 将被测物理量转化成电容量变化
    • 特点
      • 优点
        • 输入能量小 而 灵敏度高
        • 电参量相对变化大
        • 动态特性好
        • 能量损失小
        • 结构简单，适应性好
      • 缺点
        • 非线性大
        • 电缆分布电容影响大
    • 分类
      • 变极距式（非线性）
        • 特点：
          • 优点：适于测微小位移，灵敏度高
          • 缺点：非线性误差大
        • 实际应用：差动式电容传感器（提高灵敏度，增大线性工作范围）
      • 变面积式（线性）
      • 变介质式
    • 计算
  • 电感式传感器
    • 工作原理：
      • 电磁感应原理：将被测的非电量（压力、位移、振动）转换成电感量变化
    • 分类
      • 自感式
        • 分类
          • 可变磁阻式
            • 特点
              • 灵敏度随间隙的减小而增大
              • 存在非线性误差
                • 可采用差动结构消除非线性误差
          • 涡流式
            • 工作原理：
              • 电涡流效应：电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的漩涡感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流现象
            • 适用场合
              • 厚度测量、位移测量、振幅、转速测量、涡流探伤
            • 分类
              • 高频反射式
              • 低频透射式
      • 互感式
        • 工作原理
          • 利用互感的变化反应测量的变化
    • 常见问题
      • 1.何为电涡流效应，如何用电涡流效应测位移？
        • 电涡流效应：电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的漩涡感应电流称为电涡流
        • 让其他因素保持不变，只改变线圈与导体之间的距离，测出传感器线圈的阻抗变化，从而反应被测物体的位移变化
      • 2.在利用电涡流效应测量物体位移过程中，物体由塑料制成是否可行，若不行，应采用什么措施？
        • 不可行，电涡流必须在金属体内产生
        • 应在塑料外镀一层金属，使之在变化的磁场中运动时，表层产生感应电流并闭合形成涡流
      • 3.差动电压器式互感器工作原理
  • 磁阻式磁电传感器
    • 测齿轮转速：n=60f/z
      • f：感应电动势频率
      • z：齿轮齿数
      • n：被测轴转速
  • 压电式传感器
    • 工作原理：
      • 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在他的两个相对表面上会出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应
        • ps：逆压电效应：施加电场变形，去掉电场恢复
    • 常用压电材料
      • 压电陶瓷、压电晶体、无机压电材料
      • 石英晶体
        • x轴称为电轴，产生纵向压电效应
        • y轴称为机械轴，产生横向压电效应
        • z轴称为光轴，不产生压电效应
    • 等效
      • 电压源与电容串联
      • 电荷源与电容并联
    • 问题
      • 1.为什么压电传感器不能测量静态量只能用于动态测量？
        • 当作用在压电元件上的力是静态力时，前置放大器的输入电压为0。这是因为静态力产生的电荷会立即通过前置放大器的输入电阻和传感器本身而漏掉
      • 2.压电传感器需要前置放大器的原因，前置放大器分类及特点
        • 1.压电传感器输出电阻很大，电荷量很小；普通放大器输入电阻较小，不能直接放大
        • 2.分类
          • 电荷放大器
            • 输入阻抗高，输出电压与压电式传感器电荷成正比、与反馈电容成反比，与电缆分布电容无关
          • 电压放大器
            • 电路简单，成本低，压电传感器必须与电缆配套使用
  • 霍尔传感器
    • 工作原理
      • 霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场方向电动势的物理现象
  • 光电传感器
    • 外光电效应
    • 内光电效应
    • 光生伏特效应
  • 热电偶
    • 工作原理：
      • 热电效应：当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势。两结点温差越大，产生电动势越大，测量电动势即可测量温度
    • 热电动势存在原因：
      • 导体不同：存在接触电势
      • 温度不同：存在温差
    • 热电偶基本定律
      • 均匀导体定律
      • 中间导体定律
      • 中间温度定律
      • 参考电极定律
    • 热电偶冷端补偿方法
      • 冰浴法
      • 冷端温度校正法
      • 补偿电桥法
      • 补偿导线法
• 测试系统
  • 传感器
    • 将非电量转化成电量
    • 组成
      • 敏感元件
      • 转换元件
      • 转换电路
  • 中间变换装置
    • 信号调理
  • 显示记录装置
    • 信号输出