机械测试技术+第三章传感器1

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1、第三章、传感器本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握传感器的性能指标和选用原则3.掌握常用传感器原理4.了解传感器应用机械测试3.1概述3.1.1.传感器定义传感器是将被测的某一物理量（或信号）按一定规律转换为另一种（或同种）与之有确定对应关系的、便于应用的物理量（或信号）输出的装置。物理量电量目前，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。GB7665—1987:能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的组成：敏感元件：传感器中直接感受或响应

2、被测量（输入量）的部分；转换元件：将敏感元件感受到的或响应的被测量转换成适于传输或处理的电信号。3.1.2.传感器的分类按被测量分类位移、力、温度、压力、流量、速度传感器等。按传感器的工作机理分类物理型、化学型和生物型。按传感器的构成原理分类物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。如水银温度计、压电式传感器等。结构型：依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。如电容式传感器、电感式传感器等。按传感器的能量转换情况分类能量转换型：能量转换型传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。

3、能量控制型：能量控制型传感器是从外部供给辅助能量使其工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化。按传感器的物理原理分：压电式传感器磁电式传感器光电式传感器气电式传感器热电式传感器射线式传感器电参量式传感器波式传感器半导体式传感器其他原理传感器按传感器的输出量分：模拟式数字式按转换过程是否可逆分：双向传感器单向传感器3.1.3.传感器的性能要求灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；滞后、漂移误差小；动态特性良好；在接入测量系统时，对被测量不产生影响；功耗小，复现性好，有互换性；防水及抗腐蚀等性

4、能好，能长期使用；结构简单，容易维修和校正；低成本、通用性强。选用传感器时应注意的问题：1）必须在工作频率范围内满足不失真测试的条件。2）传感器应有适当的灵敏度或分辨力。注意：灵敏度越高越容易受噪声干扰，测量范围越窄。因此同一种传感器常做成一个系列。常用压电式加速度传感器的参数：型号量程灵敏度分辨力重量应用及特点350B045000g0.5mv/g0.02g4.5g爆破、撞击393C5g1v/g0.0001g1000g超低频地震传感器3.1.4传感器选用原则3）足够的精确度注意：精确度越高，价格越高，对测量环境要求也越高。4）高度的

5、可靠性注意了解工作环境对传感器的影响。5）对被测对象影响小在传感器与被测对象建立连接关系时，尽可能减小对被测对象运行状态以及特性参数的影响，如质量和体积要尽可能小，或选择非接触传感器。3.2压电式传感器3.2.1原理:压电效应+串联+并联某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。F+逆压电效应如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆

6、压电效应，或称之为电致伸缩效应。压电材料：明显呈现压电效应的敏感功能材料压电单晶体：石英多晶压电陶瓷3.2.2压电式传感器及其等效电路当压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，而两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，因此就构成一个电容器。测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，且输出阻抗较高，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续仪表。前置放大器分为电压放大器和电荷放大器。电压放大器：输出电压与输入电压成正比特点：结构简单、元件少、造价低廉、使用可靠，但整个系统对电缆电容的变化（即加速度传

7、感器和前置放大器之间电缆长度的变化）非常敏感；且低频频率响应较差。电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比优点：电缆长度变化可忽略，且低频响应较好。加速度计力传感器3.2.3压电式传感器的应用压电传感器的特点：结构简单、体积小、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。　　（1）力测量：压电式传感器主要利用石英晶体的纵向和剪切的压电效应，因为石英晶体刚度大、滞后小，灵敏度高、线性好，工作频率宽。（2）压力测量：压电式压力传感器主要利用弹性元件（膜片、活塞等）收集压力变成作用于晶体片上

8、的力，因为弹性元件所用材料的性能对传感器的特性有很大影响。　　（3）加速度测量：压电式加速度传感器是利用质量块m由预紧力压在晶体片上，如被测加速度a作用时，晶体处会受到惯性力F=ma,由此产生压电效应，因此质量块的质量决定了传感器的