发动机测试技术 第四章传感器基本类型及其工作原理

2020年7月8日12时58分1第四章传感器的基本类型及其工作原理学习要求了解常见的传感器的分类。熟悉常见的传感器（电阻式，电感式，电容式,压电式，磁电式，热电式，霍耳传感器等）的组成、工作原理和用途等。2020年7月8日12时58分24.1传感器概述1.传感器的定义热能与动力机械测试技术发展的特点与趋向，是普遍采用电测仪表测定非测量。非电量电测系统一般由传感器、测量电路、记录和显示或处理装三部分组成。如图:4-1-1传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的输出，满足信息的传输、存储、显示、记录和控制要求。2020年7月8日12时58分34.1传感器概述1.传感器的定义目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。物理量电量2020年7月8日12时58分42.传感器的构成传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。dV2020年7月8日12时58分53传感器分类按被测物理量分类:位移,力,温度等按工作的物理基础分类:机械式,电气式,光学式,流体式等.按信号变换特征:物性型,结构型.按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型和能量控制型2020年7月8日12时58分63传感器分类A物性型与结构型传感器物性型: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,压电测力计.结构型: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.B能量转换型和能量控制型传感器能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型: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.2020年7月8日12时58分74.1传感器概述3传感器分类常用传感器根据其作用原理的不同，可以分为两大类。“能量型”：这类传感器可以输出电信号，故称能量型传感器，也称发电型传感器。包括磁电式(电动式、感应式)、压电式、热电式、光电式、霍耳效应式、电涡流式等传感器。“参数型”：这类传感器工作中只能相应改变其物性参数，所以称参数型。包括电阻式、电感式、电容式等传感。2020年7月8日12时58分8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,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,声强；磁:磁通,磁场；温度:温度,热量,比热；光：亮度，色彩2020年7月8日12时58分94.1传感器概述3传感器分类传感器通常根据其类型以及所测参数的含义来命名，如电容式压力计，压力式加速度计，磁电式测振计，光电式转速表。因为传感器的种类过于繁多，后续章节只是针多热能动力方面用得多的传感器作介绍。2020年7月8日12时58分104.1传感器概述4.传感器特性传感器的特性主要包括以下两种。静态特性静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力等。2020年7月8日12时58分114.1传感器概述3.传感器特性传感器的特性主要包括以下两种。静态特性动态特性是指传感器在输入动态参数时，它的输出特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。测定动态特性最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种。2020年7月8日12时58分124.2电阻式传感器1.电阻式传感器工作原理我们知道导体的电阻与导体的材料性能(电阻率ρ)，导体的尺寸(如长度，横截面积S)，形状以及导体的温度有关。其关系式如下：从式中可以看出，在匀质导体中，电阻R与其长度成正比。那么长度变化的测量就可以转换成电阻的测量，根据这个原理，可制成以下传感器：电位计式、应变式等传感器。SlRll2020年7月8日12时58分134.2电阻式传感器2.电位计式传感器常用电位器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，可作为角位移和线位移测量的电阻式传感器。其工作原理如4-2-1所示。123132直线型旋转型2020年7月8日12时58分144.2电阻式传感器2.电位计式传感器优点：结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；可以实现输出-输入间任意函数关系；输出信号大，一般不需放大。缺点：因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。2020年7月8日12时58分15应用案例：重量的自动检测--配料设备重量设定原材料比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化2020年7月8日12时58分164.3应变式传感器1.应变式传感器原理金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。对于大多数作为应变片的金属来说,其电阻丝电阻变化率ΔR/R在弹性范围内存在以下关系：式中：k为常数，称为灵敏系数；为线应变；这就是电阻应变片测量应变的理论基础。kllkRRll/2020年7月8日12时58分174.3应变式传感器2.应变式传感器的结构电阻应变式传感器简称电阻应变计，它是用高电阻率的细金属丝，绕成如下图所示的栅状敏感元件1，用粘结剂牢固地粘在基底2、4之间，敏感元件两端焊上较粗的引线3。可测得应力、变形、扭矩等机械参数。2020年7月8日12时58分184.3应变式传感器2.应变式传感器的结构2020年7月8日12时58分194.3应变式传感器3.应变片的温度补偿由于半导体应变片的温度稳定性差，使用时必须采取温度补偿措施，以消除由温度引起的零漂或虚假信号。在实际工作中，温度补偿的方法有桥路补偿和应变片自补偿两类。1)桥路补偿两片具有相同特性的应变片，将其轴线相互垂直地粘在同一弹性件表面上，如图4-4。2020年7月8日12时58分204.3应变式传感器3.应变片的温度补偿2020年7月8日12时58分214.3应变式传感器3.应变片的温度补偿应变片的纵轴x-x方向与受力方向一致的为工作片，另一片为补偿片，两片所处的温度可认为相同。将两片接入电桥相邻两臂，当电桥平衡时，即有固定电阻R1，R2的阻值相等。当环境温度变化时，两个应变片上引起的电阻的增量ΔRa,ΔRb不仅符号相同，而且数值相等，因此仍能使电桥平衡，消除了温度影响。这种补偿方法简单，在常温下补偿效果好。但当试件的温度梯度较大时，补偿效果会受影响。12RRRRba2020年7月8日12时58分224.3应变式传感器3.应变片的温度补偿2)应变片自补偿这类方法是利用粘贴在试件表面上的一种特定的应变片，温度变化时，其电阻增量等于零或相互抵消，从而不因虚假应变而产生虚假输出而影响真实应变的测量读数。①选择特定的应变片来进行自补偿使应变片实现温度自补偿的最直接的设想，就是当环境温度变化时应变片不产生电阻变化，即：于是有这样就可以选择应变片的电阻丝栅材料，使它的电阻温度系数和线胀系数满足上式的要求，从而实现自补偿。0lnlgtkRRlnlgk2020年7月8日12时58分234.3应变式传感器3.应变片的温度补偿②双金属敏感栅电阻温度补偿双金属敏感栅电阻温度补偿利用两种不同电阻丝栅材料构成一个应变片，并组成电桥相邻的两臂以实现温度补偿。采用两种材料的丝栅，要求当温度发生变化时分别成为电桥相邻两臂的Rg和Rr的电阻丝栅发生相同的变化，使两者互相抵消，电桥没有输出，从而达到温度补偿的目的。2020年7月8日12时58分244.3应变式传感器4.电阻应变式传感器应用1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况。2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。2020年7月8日12时58分254.3应变式传感器4.电阻应变式传感器应用应变片的典型应用见下图4-2-2。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。应变片原理2020年7月8日12时58分26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。2020年7月8日12时58分274.4电感式传感器1.电感式传感器电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。电感式传感器互感式传感器自感式传感器螺管式变截面式变气隙式2020年7月8日12时58分284.4电感式传感器2.可变磁阻式电感传感器的原理由电磁感应原理可知，线圈中的电感L计算式为：式中：S为气隙面积；δ为气隙厚度；w为线圈匝数；为空气导磁率；如图4-4-1所示，当衔铁产生位移时，气隙厚度δ或气隙面积S产生变化，因而使线圈中的电感L和线路中的电流发生变化，线路中的电流发生变化则由电流表或示波器记录。202SL02020年7月8日12时58分294.4电感式传感器3.可变磁阻式传感器的分类常用可变磁阻式传感器的典型结构有:可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图4-4-2所示。2020年7月8日12时58分304.5电容式传感器1.电容式传感器原理已知电容两极板间电感量公式:式中:S为极板相互遮盖的面积；d为两极板间的距离；为极板间介质的介电常数由此可知，如果改变公式中任意一个变量(如下图中改变极板相互遮盖的面积S)，都可以引起电容C的变化.那么将要测的量转化成以上三个中的任意一个量,那么就可以做成三种电容式传感器.下图为改变极板间距离做所的传感器。4-5-1dSC2020年7月8日12时58分314.5电容式传感器2.电容式传感器的分类按照电容式传感器的转换原理的不同，可以分为极距变化型电容式传感器：两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则当两极板在被测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化的传感器。变介电常数型电容传感器：这种传感器大多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。面积变化型电容传感器：改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。图4-5-2所示为差动式电容传感器。2020年7月8日12时58分324.5电容式传感器2.电容式传感器的分类a)极距变化型;+++c)介质变化型AC0b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++2020年7月8日12时58分334.6压电式传感器1.压电效应压电传感器的工件原理是基于某些物质的压电效应。压电效应：是指某些结晶物质沿它的某个结晶轴受到力的作用时，其内部有极化现象出