测试技术第五章

1、第第5 5章章 常用传感器常用传感器21. 传感器传感器(Sensor)定义定义 传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成组成(GB766-87)(GB766-87)。 狭义上，狭义上，非电信号非电信号 电信号电信号。在非电量电测系统中的作用在非电量电测系统中的作用F 敏感作用：感受并拾取被测对象的信号F变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理 的电信号3将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。将物理量变换成电信号的变化（水位、

2、压力等）。获得传感器信号的两种方法获得传感器信号的两种方法直接获得电信号的变化（开关传感器）；直接获得电信号的变化（开关传感器）；42. 传感器的构成传感器的构成 传感器由传感器由敏感器件敏感器件与与辅助器件辅助器件组成。组成。 敏感器件敏感器件的作用是的作用是感受被测物理量感受被测物理量，并对信号进行转换，并对信号进行转换输出。输出。 辅助器件辅助器件则是对敏感器件输出的电信号则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗进行放大、阻抗匹配匹配，以便于后续仪表接入。，以便于后续仪表接入。 dV53.3.传感器的分类传感器的分类1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量

3、机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩6机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等。流体式等。2)2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: :7能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型

4、. .3)3)按能量转换情况按能量转换情况: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .84)4)按构成原理按构成原理: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信 号变换号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依

5、靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .9双向传感器双向传感器单向传感器单向传感器4)4)按输出量形式按输出量形式: :5)5)按转换过程是否可逆按转换过程是否可逆: :模拟式传感器模拟式传感器数字式传感器数字式传感器104. 4. 传感器的性能要求传感器的性能要求 工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力 与检测系统匹配性好，转换灵敏度高与检测系统匹配性好，转换灵敏度高 精度适当，稳定性高精度适当，稳定性高 反应速度快，工作可靠性高反应速度快，工作可靠

6、性高 适应性和适用性强适应性和适用性强115 5 传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 1. 灵敏度灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。度时，要考虑以下几个问题。 a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题； b)b)量程范围。量程范围。 123 响应特性响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。 2 线性范围线性

7、范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。 134 稳定性稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5 精确度精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。 6 测量方式测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。14电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为是把被测量转换为电阻变化电阻变化的一种传感器。的一种传感器

8、。按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :F热敏式热敏式F电阻应变式电阻应变式F变阻器式变阻器式F光敏式光敏式F湿敏式湿敏式AlR151.可调电位器可调电位器等效电路分析等效电路分析: :L- -变阻器总长变阻器总长; ;x- -电刷移动量电刷移动量. .R- -总电阻总电阻; ; Rx电刷电阻电刷电阻; ;xLxKxLRRLx常数LKdxdRS16输出电阻(或电压)与电刷位移(包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器 17182.应变式电阻传感器应变式电阻传感器丝式应变片丝式应变片 箔式应变片箔式应变片 AlR19(1).(1).应变效应应变效应AlR导体或半导体在外力作用下

9、产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。 传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。 应变片受力应变片受力 应变应变 比例关系比例关系 比例关系比例关系 应变片电阻的变化应变片电阻的变化 20(2).(2).工作原理工作原理AlR式中，式中，导线的电阻率，又称为电阻系数导线的电阻率，又称为电阻系数 金属导线的金属导线的应变电阻效应应变电阻效应： 当金属丝由于受到轴向力当金属丝由于受到轴向力P P而伸长时，长度增长，截面积减而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即小，其电阻值就增大；反之，如细丝

10、因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。 21SERdR)21 (S S由两部分组成：由两部分组成： 前一部分前一部分(1+2)(1+2)是由金属导线的是由金属导线的几何变形几何变形引起的；引起的； 后一部分后一部分EE除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。本身的特性有关。 ：泊松系数，泊松系数，E:E:弹性模量，弹性模量，: :纵向应变，纵向应变，:压阻系数压阻系数 推导推导AlR22 金属应变片（金属应变片（ 不变）不变）金属应变计金属应变计 半导体应变片（半导体应变片（ 变化）变化）半

11、导体应变计半导体应变计(12 )1.7 4.6dRRS 7060SERdRSERdR)21 (23(3). (3). 应变片的主要参数应变片的主要参数 1) 几何参数：表距几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用 bL 表示。表示。 2) 电阻值：应变计的原始电阻值。电阻值：应变计的原始电阻值。 3) 灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4) 其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 24(4).(4)

12、.金属应变计金属应变计 金属应变计有金属应变计有: : 1 1、丝式丝式 2 2、箔式箔式 3 3、薄膜式薄膜式 优点优点: :精度高，测量范围广；精度高，测量范围广；使用寿命长稳定性和温度使用寿命长稳定性和温度特性好；体积小，重量轻，特性好；体积小，重量轻，价格便宜；频率响应好，价格便宜；频率响应好，可用于动态和静态测试。可用于动态和静态测试。 缺点缺点: :灵灵敏度系数小敏度系数小.应变计25(5).(5).半导体应变计半导体应变计应变计体型体型薄膜型薄膜型扩散型扩散型受到应力作用时，电阻率发生变化优点：应变灵敏度高，分辨率高，频率响应高;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳

13、定性和可重复性不如金属应变片。26立柱应力立柱应力 桥梁应力桥梁应力 (7).(7).应变式电阻传感器的应用应变式电阻传感器的应用 德国德国HBMHBM电阻应变式传感器电阻应变式传感器 2728质量传感器质量传感器 位移传感器位移传感器 加速度计加速度计 F柱式测力传感器柱式测力传感器29冲床生产记数冲床生产记数F柱式测力传感器柱式测力传感器应变片受应变片受力变形力变形30机器人握力测量机器人握力测量31 3.其他电阻传感器其他电阻传感器 (1).(1).热电阻传感器热电阻传感器 利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成

14、的传感器。传感器。 温度(热量)的变化电阻的变化 32(3).(3).光敏电阻传感器光敏电阻传感器 (4).(4).湿敏电阻传感器湿敏电阻传感器 (5).(5).气敏电阻传感器气敏电阻传感器 334.电阻图片电阻图片345.电阻应用的典型电路电阻应用的典型电路69放大器电阻调零电路放大器电阻调零电路金属膜多圈电位器金属膜多圈电位器3569交流放大器中各电阻作用交流放大器中各电阻作用3678光控调光台灯光控调光台灯3783暗激发开关控制暗激发开关控制3882结露报警控制电路结露报警控制电路湿敏电阻湿敏电阻391. 变换原理变换原理 结构简单、轻巧、灵敏度高、动态响应好，能在高低温结构简单、轻巧、

15、灵敏度高、动态响应好，能在高低温和强辐射环境中工作。和强辐射环境中工作。两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :+A 当被测量当被测量、A或或发生发生变化时，都会引起电容的变化。如果变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为变化变换为单一电容量的变化。单一电容量的变化。AC0 介质的相对介电常数，空气介质的相对介电常数，空气 1。 0 真空的介电常数，真空的介电常数， 0=8.85 10-12F/m。 极板间距。极板间距。A 极板面积。极板

16、面积。将被测物理量的变化转化为电容量变化40+2. 分类分类 AC0a) a) 极距变化型极距变化型41b)b)面积变化型面积变化型: :平面线位移型平面线位移型, ,角位移型角位移型, , 柱面线位移型柱面线位移型42AC0平面线位移型平面线位移型43柱面线位移型柱面线位移型. .AC044c) c) 介质变化型介质变化型AC0453. 灵敏度灵敏度 a) a) 极距变化型极距变化型0AC 02AdCd 传感器的灵敏度近似为：传感器的灵敏度近似为：02dCACSd 变极距电容传感器变极距电容传感器 平板电容器平板电容器 46传感器灵敏度传感器灵敏度b)b)面积变化型面积变化型a)a)直线位移

17、型直线位移型 0bxC 0bdCSdx 常数直线位移型直线位移型b)b)角位移型角位移型 202rC 传感器传感器灵敏度灵敏度 202rdCSd 常数角位移型角位移型47c)c)介质变化型介质变化型介质常数变化型电容式传感器介质常数变化型电容式传感器大多用于测量电介质的厚度大多用于测量电介质的厚度( (图图a)a)、位移、位移( (图图b)b)、液位、液位( (图图c) c) 根据极板介质的介电常数随根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量来测量温度、湿度、容量( (图图d)d)等等 。48 可实现非接触测量；可实现非接触测量； 4.特

18、点与应用特点与应用 输入能量小（极板间静电引力小），灵敏度、高输入能量小（极板间静电引力小），灵敏度、高动态特性好（可动质量小，固有频率高）；动态特性好（可动质量小，固有频率高）；（1）特点）特点 非线性大；非线性大； 电缆分布电容影响大。电缆分布电容影响大。 49振动测量振动测量 旋转轴的偏心量的测量旋转轴的偏心量的测量 （2）应用）应用50电容式氢液高度传感器电容式氢液高度传感器 轧辊轧辊工作极板工作极板被测带材被测带材电容式测厚电容式测厚51zfn60电容式转速传感器电容式转速传感器当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z

19、,频率为f,则转速为:52535.电容应用的典型电路电容应用的典型电路173滤波电路滤波电路54180退耦电路退耦电路55194储能放电电路储能放电电路56210电容复位电路电容复位电路57 电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应电磁感应原理，它是把原理，它是把被测量被测量转转化为化为电感量电感量的一种装置。的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型581. 1. 可变磁阻式可变磁阻式( (自感型自感型) )001112AALmR原理原理: :电磁感应电磁感应W:W:线圈匝数；线圈匝数；L L1 1: :铁芯长度；铁芯长度；1

20、1：铁芯磁导率；铁芯磁导率；0 0：空气磁导率：空气磁导率A A1 1：铁芯导磁截面：铁芯导磁截面A A0 0：空气导磁截面：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理可变磁阻式传感器基本原理 1 1线圈线圈 2. 2. 铁芯铁芯 3. 3. 衔铁衔铁 mRWL22002WAL592002AWL (1).(1).间隙变化型间隙变化型20022WAdLLSd 间隙变化型可变磁阻式传感器结构 当当0 、A0固定不变，改变固定不变，改变时，时，L与与呈非线形（双曲线）关系呈非线形（双曲线）关系 L L与与的双曲线关系的双曲线关系 传感器灵敏度：传感器灵敏度： L602002AWL (2).(2).面积变化

21、型面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构 当当0 、 固定不变，改变固定不变，改变A0时，时，L与与A0呈线形关系呈线形关系 传感器灵敏度传感器灵敏度 2002WdLSdAL与A0的线形关系=常数常数61(3).(3).螺线管型螺线管型 当其它参数不变，仅改变当其它参数不变，仅改变l l，使，使R Rm m变化，从而产变化，从而产生电感的变化。生电感的变化。 1 1002lmAARmRWL262(4).(4).双螺旋管差动型双螺旋管差动型传感器灵敏度传感器灵敏度 LddLS2632. 2. 涡流式电感传感器涡流式电感传感器 当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板当金属板置于变化磁

22、场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流涡流。 涡流的大小与金属板的电阻率涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、磁导率、厚度、厚度t，以及金，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。 涡流式电感传感器可分为涡流式电感传感器可分为 1）高频反射式高频反射式 2）低频透射式低频透射式 64原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ (1).(1).高频反射式（集肤效应）高频反射式（集肤效应）( )Zf x高频反射式涡流传感器高频反射式涡流

23、传感器 65(2).(2).低频透射式（互感原理）低频透射式（互感原理）低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 e e2 2随材料厚度增加变化的规律随材料厚度增加变化的规律 664.4.涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量径向振动的测量径向振动的测量 构件振幅的测量构件振幅的测量 构件振型的测量构件振型的测量 轴心轨迹的测量轴心轨迹的测量 6760fnz其中，其中，n为转轴的转速；为转轴的转速；f为脉冲频率；为脉冲频率；z为转轴上的槽数或为转轴上的槽数或齿数。齿数。案例案例: :转速的测量转速的测量68案例：案例： 测厚测厚案例

24、：案例： 零件计数零件计数693. 3. 变压器式变压器式- -差动变压器差动变压器工作原理工作原理:互感现象互感现象.70应用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量, 液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,温度; 振动,速度,加速度;案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量7172低通滤波低通滤波46473公路传感器公路传感器47574电感位移传感器电感位移传感器47675电源串、共模抵制滤波电路电源串、共模抵制滤波电路484761. 1. 变换原理变换原理 磁电式传感器是把被测量的磁电式传感器是把被测量的物理量物理量转换为转换为感

25、应电动势感应电动势的的一种转换器。一种转换器。),(,cos,mdtddtdRBSBNU感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 ddeNt 772. 2. 分类分类 磁感应电式恒定磁通式变磁通式线速度型角速度型N783. 3. 动圈式传感器动圈式传感器 kNBAeNBlvesinl:l:每匝线圈的平均长度；每匝线圈的平均长度；B:B:线圈所在磁场的磁感应强度；线圈所在磁场的磁感应强度；A:A:每匝线圈的截面积；每匝线圈的截面积； :线圈运动方向与磁场方向的夹角；线圈运动方向与磁场方向的夹角；

26、k:k:传感器的结构系数。传感器的结构系数。 794. 4. 磁阻式传感器磁阻式传感器 805. 5. 磁电传感器的应用磁电传感器的应用 测速电机测速电机磁电式测速传感器磁电式测速传感器81测频数测频数 测转速测转速 振动测量振动测量 821. 1. 变换原理变换原理 某些物质，如石英，当某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为原来的状态，这种现象称为压电效应压电效应。83压电效应压电效应式中，式中，

27、q为电荷为电荷量量；D为为压电常数，与材质及切片压电常数，与材质及切片方向有关；方向有关；F为作用力。为作用力。 q=DF84aaqeCea：开路电压；开路电压；q:压电晶片表面上的电荷；压电晶片表面上的电荷；Ca 为压电晶片的电容。为压电晶片的电容。2. 2. 测量电路测量电路 等效电荷源等效电荷源 Cc:分布电容；分布电容；Ri:输入电阻；输入电阻；Ra:漏电阻；漏电阻；Ci:输入电容输入电容85压电式传感器输出电荷压电式传感器输出电荷q很少，内阻很少，内阻Ra很大，输出信号很很大，输出信号很 弱小，因此要进行处理：弱小，因此要进行处理： (1) 放大放大微弱的压电信号微弱的压电信号 (2

28、) 进行进行阻抗匹配阻抗匹配 电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器 (1).(1).主要作用主要作用86放大器的输入电压：放大器的输入电压： icaiCCCqe系统的输出电压为：系统的输出电压为： 系统的灵敏度为：系统的灵敏度为： icaCCCASicaiyCCCqAeAe当电缆长度变化时，当电缆长度变化时，Cc变化，变化， ei变化，变化，系统的灵敏度发生系统的灵敏度发生变化，此时测试比变化，此时测试比较困难较困难 (2).(2).电压放大器电压放大器87fCS1qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf ffyKCCCKqe)(fyf

29、fCqethenCCKCIf )( ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推导推导(3).(3).电荷放大器电荷放大器883. 压电传感器的应用压电传感器的应用压力变送器压力变送器加速度计，力传感器加速度计，力传感器 89压电式压力传感压电式压力传感 压电式压力传感器特性压电式压力传感器特性 90传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 1. 灵敏度灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)灵敏度过高引起的干扰问题； b)量程范围。 913 响应特性响应特性 传感器的响应特性是

30、指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。 2 线性范围线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。924 稳定性稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5 精确度精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。 6 测量方式测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。93 应变片受力后，电阻的变化dR dAARdRdLLRdRALR则则dAALdALdLAdR2两边同除以R，同时R=L/A，则AdAdLdLRdRdL/L=金属导线长度的相对变化，称金属导线长度的相对变化，称纵向应变。纵向应变。d/导线电阻率的相对变化。导线电阻率的相对变化。 dA/A导线截面积的相对变化，称为称导线截面积的相对变化，称为称横向应变。横向应变。 (2).(2).工作原理工作原理94 对于圆形截面积的导线，若其半径为对于圆形截面积的导线，若其半径为r，则，则 rdrrddA2)(2)(222rdrr