工程测试技术第三章

1、第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器第五节第五节 光电传感器光电传感器第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器第六节第六节 光纤传感器光纤传感器第七节第七节 半导体传感器半导体传感器第八节第八节 红外测试系统红外测试系统第九节第九节 激光测试传感器激光测试传感器第十节第十节 传感器的选用原则传感器的选用原则第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类传感器有很多分类的方法。按被测物理量的不同，可以分为移位传感器、力传感器、温度传感器等；按传感器的工作原理的不

2、同，可分为机械传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等；按信号变换特征也可以概括分为物性传感器与结构型传感器；根敏感元件与被测对象之间的能量关系，也可分为能量转换型传感器与能量控制型传感器；按输出信号分类，可分为模拟式传感器和数字型传感器等。能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给能量使传感器工作的（见图3-1），并且由被测量来控制外部供给能量的变化。图图3-1第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类电容型伺服式加速度计，实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统，如图3-2所示。图图3-2被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。第二节第二节 机械式传感器及

3、仪器机械式传感器及仪器仪表典型机械式传感器如图3-3所示。图图3-3微型探测开关亦被看作机械式传感器。微型探测开关如图3-4所示。第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器图图3-41.变阻器式传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、一、电阴式传感器电阴式传感器常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如图3-5所示。图图3-51.变阻器式传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、一、电阴式传感器电阴式传感器图3-5b为回转型变阻式传感器，其电阻值随电刷转角而变化。图3-5c是一种非线性变阻式传感器。图图3-51

4、.变阻器式传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、一、电阴式传感器电阴式传感器变阻式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路，如图3-6所示。图图3-62.电阻应变式传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、一、电阴式传感器电阴式传感器常用的金属电阻应变片有丝式、箔式两种。电阻丝应变片如图3-7所示。（1） 金属电阻应变片图图3-72.电阻应变式传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、一、电阴式传感器电阴式传感器箔式应变片如图3-8所示。（1） 金属电阻应变片图图3-82.电阻应变式传感器第三节第三节

5、电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、一、电阴式传感器电阴式传感器半导体应变片最简单的典型结构如图3-9所示。（2）半导体应变片图图3-92.电阻应变式传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、一、电阴式传感器电阴式传感器1） 直接用来测定结构的应变或应力（3）电阻应变式传感器的应用实例第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、一、电阴式传感器电阴式传感器几种实用例子如图3-10所示。图图3-102.电阻应变式传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、一、电阴式传感器电阴式传感器2） 将应变片贴于

6、弹性元件上，作为：测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。 （3）电阻应变式传感器的应用实例3. 固态压阻式传感器固态压阻式传感器的工作原理与半导体应变片相同：都是利用半导体材料的电阻效应。4.典型动态电阻应变仪第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、一、电阴式传感器电阴式传感器图图3-11动态电阻应变仪框图动态电阻应变仪框图1.变换原理第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器极距变化型电容传感器及输出特性如下所示。（1）极距变化型1.变换原理第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器二、

7、电容式传感器二、电容式传感器面积变化型电容传感器如图3-13所示。（2）面积变化型图图3-131.变换原理第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器利用介质介电常数变化将被测量转换为电量的一种传感器。（2）介质变化型图图3-14介质变化型电容传感器应用实例介质变化型电容传感器应用实例2.测量原理第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出。（1）电桥型电路通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥，如上图所示。通常采用电阻、电容或电

8、感、电容组成的交流电桥，如上图所示。2.测量原理第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器此电路又称为静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器，如图3-16所示。（2）直流极化电路图图3-162.测量原理第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器图3-17为谐振电路原理及其工作特性。（3）谐振电路图图3-172.测量原理第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器调频电路的工作原理如图3-18所示。（4）调频电路图图3-182.测量原

9、理第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器这种电路用于位移测量传感器。运算放大器电路如图3-19所示。（5）运算放大器电路图图3-193.电容集成压力传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器二、电容式传感器二、电容式传感器运用集成电路工艺可以把电容敏感元件电路制作在一起：构成电容集成压力传感器。图图3-20b是一个检出电容变化并把它转换成电压输出的激光压力传感器的电路原理图。是一个检出电容变化并把它转换成电压输出的激光压力传感器的电路原理图。图图3-201.自感型第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与

10、电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器 （1） 可变阻式图图3-21 可变磁阻式电感传感器结构原理可变磁阻式电感传感器结构原理1.自感型第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器 （1） 可变阻式图图3-22 几种常用可变磁阻式传感器的典型结构几种常用可变磁阻式传感器的典型结构1.自感型第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器 （1）涡流式涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡流效应，如图3-24所示。图图3-241.自感型第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电

11、容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器 （1）涡流式 图3-25是用于涡流测振仪上的分压式调幅电路原理。图图3-251.自感型第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器（1）涡流式图3-26是谐振曲线及输出特性。图图3-261.自感型第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器（1）涡流式调频电路的工作原理如图3-27所示。图图3-271.自感型第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器（1）涡流式下图表示的是涡流式传感器的工程应用

12、实例。2.互感型差动变压器式电感传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器这种传感器利用了电磁感应中的互感现象。如下图所示。2.互感型差动变压器式电感传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器实际应用较多的是螺管形差动变压器，其工作原理如图3-30a、b所示。图图3-302.互感型差动变压器式电感传感器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器三、电感式传感器三、电感式传感器图3-31是一种利用小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。图图3-311.动圈式第四

13、节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器动圈式又可分为线速度与角速度型。 图3-32a表示线速度型传感器工作原理。 图3-32b是角速度型传感器工作原理，线圈在磁场中转动时产生的感应电动势。图图3-321.动圈式第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器 动圈磁电式传感等效电路如图3-33所示。图图3-331.磁阻式第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动。由运动着的物体改变磁路的磁阻，而引起磁力线增

14、强或减弱，使线圈产生感应电动势。1.压电效应第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等晶体，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，某些表面上出现电荷。晶体的这一性质称为压电性，具有压电效应的晶体称为压电晶体。1.压电效应第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器压电效应模型如图3-36所示。图图3-362.压电材料第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器常用的压电材料可分为三类：压电晶体

15、、压电陶瓷和有机压电薄膜。3.压电式传感器及其等效电路第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器在压电晶体片的两个工作面上进行金属蒸镀，如图3-37所示。图图3-374.测量电路第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。略去传感器漏电阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如图3-38所示。图图3-385.压电式传感器的应用第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器二、压电式传感器二、压电式传感器压电式传感器常用来测量应力压力、

16、振动的加速度。压电式传感器也用于声、超声和声发射等测量。1.热电偶传感器第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（1） 热电偶工作原理把两种不同的导体或半导体连接成图3-39所示的闭合回路。图图3-391.热电偶传感器第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（1） 热电偶工作原理如果将它们的两个节点分别置于温度为T及T0的热源中：则在该回路内就会产生热电动势。在图3-39所示的热电偶回路中，所产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。图图3-391.热电偶传感器第四节第四节 磁电

17、、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（1） 热电偶工作原理在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同：第三种导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为中间导体定律。应用这一定律可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行稳定度测量如图3-40所示。图图3-401.热电偶传感器第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（2） 热电偶分类1） 铂铑铂热电阻2） 镍铬镍硅热电偶3） 镍铬考铜热电偶4） 铂铑30铂铑6热电偶2.热电阻传感器第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压

18、电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（1）铂电阻铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。图图3-42WZB型铂电阻体型铂电阻体2.热电阻传感器第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（2）铜电阻铜电阻具有线性度好、电阻温度系数高以及价格便宜的等优点。图图3-43 铜电阻体铜电阻体2.热电阻传感器第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器三、电热式传感器三、电热式传感器（3）其他电阻体1） 铟电阻一种高精度低温热电阻。缺点是材料很软，复制性差。2） 锰电阻电阻随温度变化很大，灵敏度高；受磁场的影响小，且有规律

19、。锰电阻的缺点是脆性大，难以拉制成丝。3） 碳电阻适合作液氦温阈温度计。其缺点是热稳定性差。1.外光电效应第五节第五节 光电传感器光电传感器一、光电测量原理一、光电测量原理在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应。2.内光电效应在光照作用下，物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应。3.光生伏打效应在光线照射下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏打效应。基于光生伏打效应的器件有光电池、可见光电池等。常见的硅光电池结构如图3-44所示。第五节第五节 光电传感器光电传感器一、光电测量原理一、光电测量原理图图3-441.真空光电管或光电管第五节第五节 光电传感器

20、光电传感器二、光电元件二、光电元件光电管主要有两种结构形式如图3-45。图图3-451.真空光电管或光电管第五节第五节 光电传感器光电传感器二、光电元件二、光电元件真空光电管的特性如图3-46所示。图图3-462.光电倍增管第五节第五节 光电传感器光电传感器二、光电元件二、光电元件光电倍增管的结构及电路如图3-47所示。图图3-473.光敏电阻第五节第五节 光电传感器光电传感器二、光电元件二、光电元件光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽。可从紫外一直到红外，且体积小，性能稳定、广泛应用于测试技术。4.光敏晶体管光敏晶体管分光敏二极管和光敏晶体管。光敏二极管，其结构原理如图3-48。第五节第

21、五节 光电传感器光电传感器二、光电元件二、光电元件图图3-48光敏晶体管，其结构原图3-49所示。第五节第五节 光电传感器光电传感器二、光电元件二、光电元件图图3-491.模拟亮光电传感器第五节第五节 光电传感器光电传感器三、光电传感器的应用三、光电传感器的应用（1） 光源本身是被测物如图3-50a（2） 恒光源所辐射的光穿过被测物，部分被吸收，而后到达光电元件上。（3） 恒光源所辐射的光照到被测物，如图3-50c。（4） 恒光源所辐射的光遇到被测物，部分被遮挡，而后到达光电元件上，如图3-50d。1.模拟亮光电传感器第五节第五节 光电传感器光电传感器三、光电传感器的应用三、光电传感器的应用图

22、图3-502.开关亮光电传感器第五节第五节 光电传感器光电传感器三、光电传感器的应用三、光电传感器的应用按工作原理分，可分为脉冲盘式和码盘式两种。（1） 脉冲盘式角度数字编码器脉冲盘式角度-数字编码器的结构如图3-51所示。图图3-512.开关亮光电传感器第五节第五节 光电传感器光电传感器三、光电传感器的应用三、光电传感器的应用若采用两套光电转换装置：使其相对位置有一定的关系，以保证它们产生的信号在相位上相差1/4周期，这样可以判断轴的旋转方向。图图3-52 辨向环节的逻辑电路图辨向环节的逻辑电路图2.开关亮光电传感器第五节第五节 光电传感器光电传感器三、光电传感器的应用三、光电传感器的应用（

23、2） 码盘式角度-数字编码器图图3-53 编码盘结构编码盘结构2.开关亮光电传感器第五节第五节 光电传感器光电传感器三、光电传感器的应用三、光电传感器的应用（3）光电式角度数字编码器。结构如图3-54所示。图图3-541.冷轧钢带跑偏监测第五节第五节 光电传感器光电传感器四、应用实例四、应用实例图3-55为一种利用光电传感器进行边缘位置检测的装置。用于带钢冷轧过程中控制带钢的移动位置纠偏。图图3-552.光电转速计第五节第五节 光电传感器光电传感器四、应用实例四、应用实例采用光电元件也可以做成光电转速计。按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种，如图3-56。第六节第六节 光纤传感器光

24、纤传感器一、分类一、分类图图3-56光波沿光纤的传播是以全反射方式进行的。光的折射过程如图3-57所示。第六节第六节 光纤传感器光纤传感器二、光纤导光原理二、光纤导光原理图图3-57光线在光纤中的传播如图3-58所示。第六节第六节 光纤传感器光纤传感器二、光纤导光原理二、光纤导光原理图图3-58下面介绍几种光纤位移传感器。第六节第六节 光纤传感器光纤传感器三、光纤传感器的应用三、光纤传感器的应用图图3-59 一种最简单的光纤位移传感器。一种最简单的光纤位移传感器。下面介绍几种光纤位移传感器。第六节第六节 光纤传感器光纤传感器三、光纤传感器的应用三、光纤传感器的应用图图3-60 一种反射式光纤位

25、移传感器。一种反射式光纤位移传感器。图3-61所示的液位光纤传感器的端部，有一个全反射棱镜。 第六节第六节 光纤传感器光纤传感器三、光纤传感器的应用三、光纤传感器的应用图图3-61（1） 不受电磁干扰，电气绝缘性能好。（2） 光波传输无电能和电火花。（3） 工作性能优于传统传感器。（4） 重量轻，体积小。（5） 具有良好的几何形状适应性。（6） 频带宽、动态范围大。 （7） 易于实现远距离测控。第六节第六节 光纤传感器光纤传感器四、光纤传感器的特点四、光纤传感器的特点1.霍尔元件第七节第七节 半导体传感器半导体传感器一、磁敏传感器一、磁敏传感器霍尔元件是一种半导体材料的磁电转换元件。它们利用霍

26、尔效应进行工作。图图3-62霍尔元件及霍尔效应原理霍尔元件及霍尔效应原理1.霍尔元件第七节第七节 半导体传感器半导体传感器一、磁敏传感器一、磁敏传感器图图3-63 霍尔元件用于测量的各种实例。霍尔元件用于测量的各种实例。1.霍尔元件第七节第七节 半导体传感器半导体传感器一、磁敏传感器一、磁敏传感器图3-64表示一种利用霍尔元件调测MTC钢丝绳的工作原理。图图3-642.磁阻元件第七节第七节 半导体传感器半导体传感器一、磁敏传感器一、磁敏传感器磁电元件是利用半导体材料的磁阻效应来工作的。图图3-65 一种测量位移的磁阻效应传感器。一种测量位移的磁阻效应传感器。3.磁敏管第七节第七节 半导体传感器

27、半导体传感器一、磁敏传感器一、磁敏传感器磁敏二极管和磁敏三极管是20世纪70年代发展出来的新型磁敏传感器。这种元件检测磁场变化的灵敏度很高。第七节第七节 半导体传感器半导体传感器二、热敏传感器二、热敏传感器热敏电阻是一种半导体温度传感器：由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结而成。图图3-66 热敏电阻具有很大的负温度系数，且其特性曲线为非线性的热敏电阻具有很大的负温度系数，且其特性曲线为非线性的第七节第七节 半导体传感器半导体传感器二、热敏传感器二、热敏传感器热敏电阻是一种半导体温度传感器：由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结而成。图图3-67 热敏电阻元件可制作成珠状、杆状和片状热敏电阻元件

28、可制作成珠状、杆状和片状第七节第七节 半导体传感器半导体传感器三、气敏传感器三、气敏传感器半导体气敏传感器的工作原理是：当气敏元件吸附了被测气体时，其导电率发生了变化。当半导体气敏元件表面吸附气体分子时，由于二者相互接收电子的能力不同，产生了正离子或负离子吸附，引起表面能带弯曲，导致导电率变化。第七节第七节 半导体传感器半导体传感器四、湿敏传感器四、湿敏传感器金属氧化物湿敏传感器的基本结构如图3-68所示。图图3-68第七节第七节 半导体传感器半导体传感器五、固态图像传感器五、固态图像传感器固体图像传感器从功能上说，他是一个能把接收到的光像分成许多小单元，并将它们转换成电信号。它的核心部分是电

29、荷耦合器件，简称CCD。图图3-69 线性线性CCD图像传感器图像传感器第七节第七节 半导体传感器半导体传感器五、固态图像传感器五、固态图像传感器固体图像传感器从功能上说，他是一个能把接收到的光像分成许多小单元，并将它们转换成电信号。它的核心部分是电荷耦合器件，简称CCD。图图3-70表示用于热轧铝板宽度检测的实例。表示用于热轧铝板宽度检测的实例。第七节第七节 半导体传感器半导体传感器六、集成传感器六、集成传感器集成传感器一般具有以下几方面的能力。（1） 条件调节和温度补偿能力（2） 通信能力（3） 自诊断能力（4） 逻辑判断能力第八节第八节 红外测试系统红外测试系统一、红外辐射一、红外辐射红

30、外辐射是指太阳光中波长比红光长的那部分可见光。 现实世界所辐射的各种电磁波波谱很宽。如图3-71所示。图图3-71第八节第八节 红外测试系统红外测试系统一、红外辐射一、红外辐射普朗克定律揭示了不同温度下黑体辐射通量按波长分布的规律，图3-72所示。图图3-72第八节第八节 红外测试系统红外测试系统二、红外探测器二、红外探测器1.热探测器（1） 热电偶型，如图3-73所示。图图3-73第八节第八节 红外测试系统红外测试系统二、红外探测器二、红外探测器1.热探测器（2） 气动型。其结构原理如图3-74所示。图图3-74第八节第八节 红外测试系统红外测试系统二、红外探测器二、红外探测器1.热探测器（3） 热释电型热释电探测器的工作原理是基于物质的热释电效应。2.光子探测器光子探测器的工作原理是：基于半导体材料的光电效应。第八节第八节 红外测试系统红外测试系统三、红外测试应用三、红外测试应用1.辐射温度计运用斯蒂芬玻尔兹曼定律可进行辐射温度测量。图3-75为一辐射温度设计原理图。图图3-75第八节第八节 红外测试系统红外测试系统三、红外测试应用三、红外测试应用2.红外测温仪图3-76