第三章 测试技术基础

1、第三章第三章 常用传感器常用传感器 传感器：工程上通常把直接作用于被测量能按一定规律将传感器：工程上通常把直接作用于被测量能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。其转换成同种或别种量值输出的器件。 传感器作用：类似人的感觉器官。它把被测量如力、位移、传感器作用：类似人的感觉器官。它把被测量如力、位移、温度等转换为易测信号，传给测量系统的信号调理环节。温度等转换为易测信号，传给测量系统的信号调理环节。 第一节第一节 传感器的分类传感器的分类 按被测量分类：按被测量分类：位移传感器位移传感器 力传感器力传感器温度传感器温度传感器 按工作原理分类：按工作原理分类： 机械式机械式 电气式电气式

2、光学式光学式流体式流体式 按信号变换特征：按信号变换特征： 物性型物性型结构型结构型 按敏感元件与被测对象之间的能量关系分按敏感元件与被测对象之间的能量关系分: : 能量转换型能量转换型能量控制型能量控制型 按输出信号分类：按输出信号分类： 模拟式模拟式数字式数字式 1 物性型传感器物性型传感器: : 依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换。如水银温度计；石英晶体压电效应。化来实现信号的变换。如水银温度计；石英晶体压电效应。 结构型传感器结构型传感器: : 是依靠传感器结构参数的变化而实现信是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。如电容、

3、电感、应变式传感器。号转换的。如电容、电感、应变式传感器。 能量转换型（无源）传感器能量转换型（无源）传感器: : 是直接由被测对象输入能是直接由被测对象输入能量使其工作的，如热电偶温度计，弹性压力计。量使其工作的，如热电偶温度计，弹性压力计。 能量控制型（有源）传感器能量控制型（有源）传感器: : 从外部供给辅助能量使传从外部供给辅助能量使传感器工作。如把电阻应变计接于由外部供电的电阻电桥感器工作。如把电阻应变计接于由外部供电的电阻电桥上，被测量变化引起的电阻变化去控制电桥输出。上，被测量变化引起的电阻变化去控制电桥输出。 参见书中参见书中 表表3-1，机械工厂中常用传感器。，机械工厂中常用

4、传感器。 另外，传感器可能只一个，也可能几个换能元件组合而另外，传感器可能只一个，也可能几个换能元件组合而成一个小型装置。成一个小型装置。 2 第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。 分类：（分类：（1）变阻器式）变阻器式 （2）电阻应变式）电阻应变式 一变阻器式传感器（电位差计式）一变阻器式传感器（电位差计式） 定义：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。定义：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。 根据电阻公式电阻根据电阻公式电阻R 为为 AlR（3-1） 式中：式中：

5、电阻率；电阻率； l电阻丝长度；电阻丝长度； A电阻丝截面积电阻丝截面积 从式中看出当电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线长从式中看出当电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线长度而变化。度而变化。 分类：（分类：（1）直线位移型）直线位移型 （2）角位移型）角位移型 （3）非线性型）非线性型 如图如图3-5 所示所示3 1直线位移型（见图直线位移型（见图3-53-5a） C点与点与A点之间的电阻值为点之间的电阻值为 xkRl两边取微分两边取微分 dxkdRllkdxdRS（3-2） 可见导线分布均匀时，传感器输出可见导线分布均匀时，传感器输出( (电阻电阻) )与输入与输入( (位移位移) )成

6、线性关系。成线性关系。 2角位移型（见图角位移型（见图3-53-5b） 其电阻值随转角而变化，灵敏度其电阻值随转角而变化，灵敏度 S 为为 kddRS式中式中 转角（转角（rad）;k单位弧度对应的电阻值。单位弧度对应的电阻值。 3非线性型（见图非线性型（见图3-53-5c） 其骨架形状根据所要求的输出其骨架形状根据所要求的输出f (x) 来确定。来确定。 则则例如：（例如：（1）输出）输出 f (x)= kx2 ; R(x) 与与 f (x) 成线性关系成线性关系 三角形骨架三角形骨架 （2）输出）输出 f (x)= kx3 R(x) 与与 f (x) 成线性关系成线性关系 抛物线形骨架抛物

7、线形骨架 4 4变阻器式传感器后接电路变阻器式传感器后接电路 见见图图3-6，设，设Rp-变阻器总电阻；变阻器总电阻；xp-变阻器总长度；变阻器总长度；Rl- -后接电路输入电阻。后接电路输入电阻。由于直线位移型电阻与位移的由于直线位移型电阻与位移的线性关系，传感器的输入电压线性关系，传感器的输入电压 uy 可用下式计算可用下式计算（3-3） 为减小后接电路影响，应使为减小后接电路影响，应使 Rl Rp （减小负载效应）减小负载效应） 优点：（优点：（1）结构简单）结构简单 （2）性能稳定）性能稳定 （3）使用方便）使用方便缺点：（缺点：（1）分辨力不高）分辨力不高 （2）躁声较大）躁声较大5

8、 )1)(0plppyxxRRxxuu二电阻应变式传感器二电阻应变式传感器 应用范围：测量力、应变、位移、加速度、扭矩等应用范围：测量力、应变、位移、加速度、扭矩等分类：（分类：（1）金属应变片式）金属应变片式 （2）半导体应变式）半导体应变式特点：（特点：（1）体积小（）体积小（2）动态响应快（）动态响应快（3）测量准确高（）测量准确高（4）使用方便）使用方便 （一）金属电阻应变片（一）金属电阻应变片 常用的有丝式和箔式，其工作原理一样。常用的有丝式和箔式，其工作原理一样。（1）把直径为）把直径为0.025mm的康铜或镍铬合金丝，粘贴在绝缘的基片和覆的康铜或镍铬合金丝，粘贴在绝缘的基片和覆盖

9、层之间，由引出导线接于电路上。盖层之间，由引出导线接于电路上。（2）用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光刻技术制造，其线条均匀，）用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光刻技术制造，其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片约厚尺寸准确，阻值一致性好。箔片约厚110 m。 工作原理：应变片用特制胶水粘固在弹性元件或要测量变形的物体表面上，工作原理：应变片用特制胶水粘固在弹性元件或要测量变形的物体表面上，在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其阻值发生相应变化。在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其阻值发生相应变化。 6 由于电阻值由于电阻值 AlR对上式求微分对上式求微分 dRdAARdllRdR（3

10、-4） 式中式中 2rAdrlrdrrldlrdR22222)(drldrrldlrdR2322)2(drdrldlRdRdrdrldlRdR2（3-5） 式中式中 电阻丝轴向相对应变（或称纵向应变）电阻丝轴向相对应变（或称纵向应变） ldl电阻丝径向相对应变（或称横向应变）电阻丝径向相对应变（或称横向应变） ldlrdr电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝所手正应力电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝所手正应力有关。有关。 d材料泊松比材料泊松比 7 （3-6） Ed（3-7） 式中式中 E电阻丝材料的弹性模量；电阻丝材料的弹性模量；压阻系数，与材质有关压阻系数，与材质有关 将式（将式（3-6）（）（3

11、-7）代入式（）代入式（3-5），则有），则有 )21 (2EERdR（3-8） (1+2)项是电阻丝几何尺寸改变所引起，同一电阻材料是常数项是电阻丝几何尺寸改变所引起，同一电阻材料是常数E项是电阻丝的电阻率随应变而引起的，一般对金属丝很小可忽略。项是电阻丝的电阻率随应变而引起的，一般对金属丝很小可忽略。 式（式（3-8）可简化为）可简化为 )21 ( RdR（3-9） 表明电阻相对变化率与应变成正比。比值表明电阻相对变化率与应变成正比。比值 Sg称为应变系数或灵敏度。称为应变系数或灵敏度。 21ldlRdRSg常数常数 （3-10） 制造中制造中 Sg在在1.73.6之间，几种常用电阻丝材料

12、物理性能见之间，几种常用电阻丝材料物理性能见 表表3-2，一般市场上电阻应变片标准为一般市场上电阻应变片标准为 60，120，350，600，1000 等。等。 8 （二）半导体应变片（二）半导体应变片 典型结构见典型结构见 图图3-9 工作原理：基于半导体材料的压阻效应工作原理：基于半导体材料的压阻效应单晶半导体材料在外力作单晶半导体材料在外力作用下，其电阻率用下，其电阻率变化。根据式（变化。根据式（3-8），），(1+2)项是由几何尺寸项是由几何尺寸变化引起的，变化引起的，E是由电阻率变化引起的，就半导体而言，后者影是由电阻率变化引起的，就半导体而言，后者影响大于前者，故式（响大于前者，故

13、式（3-8）可简化为）可简化为 ERdR（3-11） 灵敏度为灵敏度为 EldlRdRSg（3-12） 这一数值比金属丝式大这一数值比金属丝式大5070倍，倍，几种常用的半导体材料特性见几种常用的半导体材料特性见表表3-3 优点：优点： 灵敏度高灵敏度高缺点：（缺点：（1）温度稳定性差（）温度稳定性差（2）灵敏度分散度大）灵敏度分散度大( (由于晶向杂质等因数）由于晶向杂质等因数） （3）非线性大）非线性大 小结：（小结：（1）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。 （2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。）半导体应变片是利用半

14、导体电阻率变化而引起电阻的变化。 9 （三）电阻应变片传感器应用实例（三）电阻应变片传感器应用实例 1直接用来测定结构的应变或应力直接用来测定结构的应变或应力 例如：研究机械、桥梁等某些构件在工作状态下的受力、变形情况。例如：研究机械、桥梁等某些构件在工作状态下的受力、变形情况。2将应变片贴在弹性体上将应变片贴在弹性体上,作为测量力、位移、加速度等物理参数。作为测量力、位移、加速度等物理参数。示例见图示例见图3-11。各种传感器从本质上讲均为受力，产生弹性变形，导致电各种传感器从本质上讲均为受力，产生弹性变形，导致电阻应变片阻值发生变化，再经二次仪表转换为电压（或电流）信号输出。阻应变片阻值发

15、生变化，再经二次仪表转换为电压（或电流）信号输出。 （1）由应变片测出的是构件或弹性体上某出的应变，通过换算（或标定）由应变片测出的是构件或弹性体上某出的应变，通过换算（或标定）才能得到应力、力或位移。才能得到应力、力或位移。 标定标定 （2）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺（胶、）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺（胶、贴前处理、固化处理、防潮等）至关重要。贴前处理、固化处理、防潮等）至关重要。 贴片工艺贴片工艺 （3）动态测量时，应考虑弹性元件和应变片的动态特性。）动态测量时，应考虑弹性元件和应变片的动态特性。 动态特性动态特性（4）温度对电阻值的变化

16、影响不容忽略，考虑温度补偿。）温度对电阻值的变化影响不容忽略，考虑温度补偿。 温度补偿温度补偿10 说明说明:第四节第四节 电感式传感器电感式传感器 原理：把被测量转换为电感量变化的一种装置。原理：把被测量转换为电感量变化的一种装置。(基于电磁感应原理基于电磁感应原理)分类：（分类：（1）自感式）自感式 (a) 可变磁阻可变磁阻 (b) 涡流式涡流式 （2）互感式）互感式差动变压器式差动变压器式一自感式一自感式(一一) 可变磁阻可变磁阻 构造原理见构造原理见图图3-12, 由电工学线圈自感量由电工学线圈自感量L为为 mRWL2（3-13） 式中式中 W线圈匝数线圈匝数 Rm磁路总磁阻磁路总磁阻

17、H-1(亨亨) 如果空气隙如果空气隙较小，不考虑磁路的铁损时，则总磁阻为较小，不考虑磁路的铁损时，则总磁阻为 002AAlRm（3-14） 式中式中铁心磁导率铁心磁导率 0 0空气磁导率空气磁导率(410-7) l铁心导磁长度铁心导磁长度 气隙长度气隙长度 A铁心导磁截面积铁心导磁截面积 A = ab b A0空气隙导磁横截面积空气隙导磁横截面积 11 因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比很小，可以忽略，故因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比很小，可以忽略，故 002ARm（3-15） 代入式（代入式（3-13）得）得 2002AWL （3-16） 式（式（3-16）表明：自感）表明：自感 L 与气隙与气隙

18、成反比，与气隙导磁截面积成反比，与气隙导磁截面积 A0 成正比。当固定成正比。当固定 A0 变化变化 时，时，L与与 呈非线性关系，此时传感器呈非线性关系，此时传感器灵敏度灵敏度 S 为为 （3-17） 从式从式(3-17)看出，灵敏度看出，灵敏度S与气隙长度平方成反比，与气隙长度平方成反比，越小，越小，S 越高。越高。如果如果 S 不是常数会出现非线性误差。为了减小这一误差，通常规定不是常数会出现非线性误差。为了减小这一误差，通常规定在较小间隙范围内工作。在较小间隙范围内工作。设间隙变化为设间隙变化为(0 0, ,0 0+) )，一般应用中，一般应用中取取/ /0.10.1。此种传感器适合于

19、较小位移的测量，一般设为。此种传感器适合于较小位移的测量，一般设为 0.0011 mm。 12 20022AWS图图( (3-13）中列出四种常用可变磁阻式传感器的典型结构。中列出四种常用可变磁阻式传感器的典型结构。 （3）单螺管线圈型）单螺管线圈型 铁心在线圈中运动时，将改变磁阻使铁心在线圈中运动时，将改变磁阻使自感发生变化。结构简单，易制造，但灵敏度低，使用大位自感发生变化。结构简单，易制造，但灵敏度低，使用大位移测量。移测量。 （1）可边导磁面积型）可边导磁面积型 L与与A0成线性关系，灵敏度较低。成线性关系，灵敏度较低。（2）差动型）差动型 两个线圈的间隙按两个线圈的间隙按0 0+和和

20、0 0-变化，变化，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减少，将两线圈接于电一个线圈自感增加，另一个线圈自感减少，将两线圈接于电桥相邻两臂时，其灵敏度提高桥相邻两臂时，其灵敏度提高 1 倍，并改善了非线性。倍，并改善了非线性。（4）双螺管线圈差动型）双螺管线圈差动型与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及线性，常用于电感测微仪上，其测量范围为线性，常用于电感测微仪上，其测量范围为 0300 m,最小分最小分辨力为辨力为 0.5m。这种传感器常接于电桥两个桥臂上，线圈电。这种传感器常接于电桥两个桥臂上，线圈电感感 L1、L2随铁心位移而变化，其输出特性如随铁心位移而变化，其输

21、出特性如图图( (3-14)所示。所示。 13 （二）涡电流式（二）涡电流式 原理原理：利用金属体在交变磁场中：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。见图（的涡流效应。见图（3-15）金属）金属板位于一线线圈附近，距离为板位于一线线圈附近，距离为，当线圈通过一高频交变电流时，当线圈通过一高频交变电流时，产生磁通产生磁通 此交变磁场在邻近金此交变磁场在邻近金属板上感应电流属板上感应电流 i1, 此电流在金属此电流在金属体内是闭合的，称之为体内是闭合的，称之为“涡流涡流”。根据楞次定律，涡电流的交变磁根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场作用，

22、使原线圈的由于涡流磁场作用，使原线圈的等级阻抗等级阻抗Z发生变化，变化程度与发生变化，变化程度与距离距离 有关。有关。 图图3-15 高频反射式高频反射式 涡流传感器原理涡流传感器原理ii11金属板金属板14 高频线圈阻抗高频线圈阻抗 Z 影响因数影响因数：（：（1）值；（值；（2）金属板电极率）金属板电极率； （3）磁导率）磁导率；（；（4）线圈激励圆频率）线圈激励圆频率 等变化。等变化。可作为位移、振动测量，变化可作为位移、振动测量，变化和和可作为材质鉴别和探伤。可作为材质鉴别和探伤。涡电流式传感器测量电路涡电流式传感器测量电路：（：（1）阻抗分压式调幅电路（）阻抗分压式调幅电路（2）调频

23、电路）调频电路 分压式调幅电路分压式调幅电路：原理见：原理见图图3-16，图，图3-17是其谐振曲线及输出特性。是其谐振曲线及输出特性。传感器线圈传感器线圈 L 和电容和电容 C 组成并联谐振回路，其谐振频率为组成并联谐振回路，其谐振频率为 LCf21（3-18） 电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，输出电压输出电压 u 最大。工作时线圈阻抗随最大。工作时线圈阻抗随 改变，改变，LC 回路失谐，输出信号回路失谐，输出信号 u (t) 频率虽然仍为工作频率，但幅值随频率虽然仍为工作频率，但幅值随 而变化，它相当于

24、一个调谐波。而变化，它相当于一个调谐波。此调谐波经放大、检波、滤波后即可得到气隙此调谐波经放大、检波、滤波后即可得到气隙 的动态化信息。的动态化信息。 15 调频电路调频电路：调频电路的工作原理如图：调频电路的工作原理如图 3-18 所示。与调幅所示。与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量。当法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量。当发生变发生变化时，引起线圈电感化时，引起线圈电感 L 变化，使震荡器的震荡频率变化，使震荡器的震荡频率 f 发生发生变化，再通过鉴频器进行频率变化，再通过鉴频器进行频率电压转换，即得与电压转换，即得与 成比成比例的输出电压。例的输出电压。目前此种传感器应用广

25、泛，测量范围为目前此种传感器应用广泛，测量范围为 110 mm，分辨力为，分辨力为 1 m 的的 非接触式测量。非接触式测量。 C图图3-18 调频电路工作原理调频电路工作原理ffu0 0L L L高频振高频振荡荡 器器鉴频器鉴频器16 二互感式二互感式差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器 工作原理见图工作原理见图3-19，当线圈，当线圈 W1 输入交流电流输入交流电流 i1 时，线圈时，线圈 W2 产生感应电动势产生感应电动势 e12，其大小与电流，其大小与电流 i1 的变成正比，即的变成正比，即 dtdiMe112（3-19） 式中式中 M比例系数（称为互感比例系数（称为互感H），

26、其大小与两线圈相对位置及），其大小与两线圈相对位置及周围介质导磁能力有关。周围介质导磁能力有关。 图图3-19 互感现象互感现象e12i1W2W117 差动式工作原理：见图差动式工作原理：见图3-20 a)，初级线圈，初级线圈 W 次级线圈次级线圈 W1, W2反极性反极性串联。当串联。当W上加上交流电时，上加上交流电时，W1, W2分别产生感应电势分别产生感应电势e1 和和e2，其大小，其大小与铁心位置有关。与铁心位置有关。 （1）当贴心在中心时，）当贴心在中心时，e1 = e2 e = 0 （2）当贴心向上运动时，）当贴心向上运动时，e1 e2（3）当贴心向下运动时，）当贴心向下运动时，e

27、1 C+ Cf 上式简化为上式简化为 fyCqu（3-33） 式（式（3-33）表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与传感器电荷）表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与传感器电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。因此可长距离测量，灵敏度无量成正比，并且与电缆对地电容无关。因此可长距离测量，灵敏度无明显变化，但其电路复杂，价格昂贵。明显变化，但其电路复杂，价格昂贵。 39五压电式传感器的应用五压电式传感器的应用1应用范围应用范围 测力、压力、振动、加速度、超声发射等测力、压力、振动、加速度、超声发射等2测力范围测力范围10-3N104kN，动态范围，动态范围DR一般为一般为60dB，单方向，

28、或多方向。，单方向，或多方向。3传感器形式传感器形式 利用膜片式弹性元件利用膜片式弹性元件 力力膜片膜片凸台凸台压电片压电片电荷量电荷量 利用活塞乘压面受力利用活塞乘压面受力 力力活塞乘压面活塞乘压面活塞杆活塞杆压电片上压电片上电荷量电荷量 压电式加速度计可做成不同灵敏度、不同量程和不同大小系列产品。压电式加速度计可做成不同灵敏度、不同量程和不同大小系列产品。4工作频率范围工作频率范围 数十赫数十赫兆赫，范围宽。兆赫，范围宽。5此传感器一般常用纵向效应（测轴向力），横向效应实为干扰和测量误此传感器一般常用纵向效应（测轴向力），横向效应实为干扰和测量误 差，一个压电式传感器各横向灵敏度不一样。为

29、减少影响和干扰，应力求差，一个压电式传感器各横向灵敏度不一样。为减少影响和干扰，应力求最小横向灵敏度与最大横向干扰力方向重合。最小横向灵敏度与最大横向干扰力方向重合。6校准校准 环境湿度、温度变化和压电材料本身时效，都会引起压电常数变环境湿度、温度变化和压电材料本身时效，都会引起压电常数变化，经常校准是必要的。化，经常校准是必要的。7工作原理的可逆性工作原理的可逆性 施加电压于压电晶片，压电片便产生伸缩，可用作施加电压于压电晶片，压电片便产生伸缩，可用作“驱动器驱动器” 如作振动源、超声发声器、扬声器及精密驱动装置如作振动源、超声发声器、扬声器及精密驱动装置。40第七节第七节 磁电式传感器磁电

30、式传感器定义：把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。定义：把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。（又称电磁感应式或电动力式）（又称电磁感应式或电动力式）原理：由电工学知，一个匝数为原理：由电工学知，一个匝数为W的线圈，当穿过该线圈的线圈，当穿过该线圈的磁通的磁通 发生变化时，其感应电发生变化时，其感应电动势动势 e e 为为 dtdWe（3-343-34） 可见线圈磁感应电动可见线圈磁感应电动势大小，取决于匝数势大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变和穿过线圈的磁通变化率。而通变化率与化率。而通变化率与磁场强度、磁路磁阻磁场强度、磁路磁阻和线圈运动速度有关。和线圈运动速度有关。 按结构分类

31、按结构分类动圈式动圈式线速度型线速度型角速度型角速度型磁阻式磁阻式41一动圈式一动圈式1线速度型（线速度型（图图3-35a）在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动线圈，当线圈在磁场中运动时，它所产生的感应电动势线圈，当线圈在磁场中运动时，它所产生的感应电动势e为为 sinWBlve （3-35） 式中式中 B 磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度 v 线圈与磁场的相对运动速度线圈与磁场的相对运动速度 l 单匝线圈有效长度单匝线圈有效长度 线圈运动方向与磁场方向夹角线圈运动方向与磁场方向夹角 W 线圈匝数线圈匝数 当当=90=900 0时式（时式（3-353

32、-35）可写成）可写成 WBlve （3-36） 此式说明，当此式说明，当 B、W、l 均为常数时，感应电动势大小与线圈运动线均为常数时，感应电动势大小与线圈运动线速度成正比。这也是一般常见惯性式速度计的工作原理。速度成正比。这也是一般常见惯性式速度计的工作原理。 2角速度型（角速度型（图图3-35b）是传感器工作原理，先前在磁场中转动时是传感器工作原理，先前在磁场中转动时产生的感应电动势为产生的感应电动势为 kWBAe （3-37） 式中式中 角速度角速度 A单匝线圈的截面积单匝线圈的截面积 k与结构有关的系数与结构有关的系数(k Z0时，则放大器输入电压为时，则放大器输入电压为 euL感应

33、电势经放大，检波后，可推动指示仪表。如果通过微积分网络，感应电势经放大，检波后，可推动指示仪表。如果通过微积分网络，可得到加速度和位移。可得到加速度和位移。磁电式传感器的工作原理也是可逆的。作为测磁电式传感器的工作原理也是可逆的。作为测振传感器，它工作于发电机状态。若在先前上加上交变激励电压，则振传感器，它工作于发电机状态。若在先前上加上交变激励电压，则线圈就在磁场中振动，成为一个激振器（电动机状态）。线圈就在磁场中振动，成为一个激振器（电动机状态）。 43二磁阻式二磁阻式原理：磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体原理：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

34、体 （导磁材料）来改变磁路的磁阻，而引起磁力线增加和减弱，使线圈产（导磁材料）来改变磁路的磁阻，而引起磁力线增加和减弱，使线圈产生感应电动势。其工作原理见图生感应电动势。其工作原理见图3-37所示。所示。特点：磁阻式传感器使用简便，结构简单，不同场合用来测量转速、偏特点：磁阻式传感器使用简便，结构简单，不同场合用来测量转速、偏心量、振动等。心量、振动等。 a)nSNb)nSNc)SNd)vmSN 图图337 磁阻式传感器工作原理及应用例磁阻式传感器工作原理及应用例a)测频数测频数 b)测转速测转速 c)偏心测量偏心测量 d)振动测量振动测量44第八节第八节 半导体传感器半导体传感器半导体材料重

35、要特性是对光、热、力、磁、气体、温度等理化量的敏感半导体材料重要特性是对光、热、力、磁、气体、温度等理化量的敏感性。近代半导体技术利用这些特性，作为非电量电测的转换元件。性。近代半导体技术利用这些特性，作为非电量电测的转换元件。特点：（特点：（1）是一些物性型传感器；（）是一些物性型传感器；（2）结构简单，体积小，重量轻；）结构简单，体积小，重量轻； （3）功耗低，安全可靠，寿命长；（）功耗低，安全可靠，寿命长；（4）对被测量敏感，响应快；）对被测量敏感，响应快；（5）易于实现集成化；（）易于实现集成化；（6）输出一般为非线性，常采用线性化电路；）输出一般为非线性，常采用线性化电路；（7）温度

36、影响大，需要温度补偿措施；（）温度影响大，需要温度补偿措施；（8）性能参数分散性较大。）性能参数分散性较大。一磁敏传感器一磁敏传感器分类：（分类：（1）霍尔元件）霍尔元件 （2）磁阻元件）磁阻元件 （3）磁敏管）磁敏管 （一）霍尔元件（一）霍尔元件霍尔元件霍尔元件种半导体磁电转换元件。一般由锗（种半导体磁电转换元件。一般由锗（Ge）、锑化铟）、锑化铟（InSb）、砷化铟（）、砷化铟（InAs）等半导体材料制成。它利用霍尔效应进）等半导体材料制成。它利用霍尔效应进行工作。如图行工作。如图3-38所示，将霍尔元件置于磁场所示，将霍尔元件置于磁场 B 中，如果在中，如果在 a, b 端通以电流端通以

37、电流 i 在在 c, d 两端就会出现电位差，称为霍尔电势两端就会出现电位差，称为霍尔电势 VH，此，此现象叫霍尔效应。现象叫霍尔效应。 45BiiadcbiVHa)BdbcaiN型型vFEFL电子受电子受力方向力方向b)图图338 霍尔元件及霍尔效应原理霍尔元件及霍尔效应原理 a) 霍尔元件霍尔元件 b) 霍尔效应原理霍尔效应原理假定把假定把N型半导体薄片放在磁场中，通固定电流型半导体薄片放在磁场中，通固定电流i ，半导体中载流子（电子），半导体中载流子（电子）将沿着与电流方向相反方向运动。从物理学知，任何带电质点在磁场中沿着将沿着与电流方向相反方向运动。从物理学知，任何带电质点在磁场中沿着

38、和磁力线垂直的方向运动时，要受到洛伦兹力和磁力线垂直的方向运动时，要受到洛伦兹力 FL作用，向一边偏移，并形成作用，向一边偏移，并形成电子积累，而另一边积累正电荷，于是形成电场。该电场将阻止运动电子继电子积累，而另一边积累正电荷，于是形成电场。该电场将阻止运动电子继续偏移，当电场力续偏移，当电场力 FE与与 FL相等时，电子积累达到动态平衡，这时元件相等时，电子积累达到动态平衡，这时元件 c, d两端之间建立的电场叫霍尔电场，相应电势叫霍尔电势两端之间建立的电场叫霍尔电场，相应电势叫霍尔电势 VH。46siniBKVHH（3-39） 式中式中 kH霍尔常数，取决于材质、温度、元件尺寸霍尔常数，

39、取决于材质、温度、元件尺寸 i电流电流 B磁感应强度磁感应强度 电流与磁场方向的夹角电流与磁场方向的夹角根据此式，如果改变根据此式，如果改变 B 或或 i，或者两者同时改变，就可改变，或者两者同时改变，就可改变 VH，值，运用此特性，把被测参量转化为电压值的变化。，值，运用此特性，把被测参量转化为电压值的变化。 图图3-39表示用霍尔元件测量位移的实例。将霍尔元件置于两个方表示用霍尔元件测量位移的实例。将霍尔元件置于两个方向相反的磁场中，由于每点磁感应强度不同，当元件沿向相反的磁场中，由于每点磁感应强度不同，当元件沿x方向移方向移动时，由霍尔电势的变化反映出位移量。将微小位移测量为基础，动时，

40、由霍尔电势的变化反映出位移量。将微小位移测量为基础，霍尔元件还可应用于微压、压差、高度、加速度和振动的测量。霍尔元件还可应用于微压、压差、高度、加速度和振动的测量。图图3-40表示一种利用霍尔元件探测钢丝绳断丝的工作原理。表示一种利用霍尔元件探测钢丝绳断丝的工作原理。 霍尔电势霍尔电势 VH，其大小为，其大小为47二光敏传感器二光敏传感器（一）光敏电阻（一）光敏电阻光电效应光电效应：光敏电阻是一种光电导元件。其工作原理是基于半导体：光敏电阻是一种光电导元件。其工作原理是基于半导体材料的内光电效应。当半导体受到光照射时，其内阻值减小的现象。材料的内光电效应。当半导体受到光照射时，其内阻值减小的现

41、象。阻性偏压阻性偏压：光敏电阻是一种电阻器件，使用时对它加一定偏压，无：光敏电阻是一种电阻器件，使用时对它加一定偏压，无光照射时，其阻值很大，电路中电流很小。当受到光照时，其阻值光照射时，其阻值很大，电路中电流很小。当受到光照时，其阻值急剧下降，电路电流迅速增加。急剧下降，电路电流迅速增加。材料光谱材料光谱：光敏电阻阻值的变：光敏电阻阻值的变化与光的波长有关，不同材料化与光的波长有关，不同材料的光谱特性不同，见图的光谱特性不同，见图3-41，应根据入射光应根据入射光 波波长选择材料。波波长选择材料。温度影响温度影响：光敏电阻受温度的：光敏电阻受温度的影响甚大，温度升高时，它的影响甚大，温度升高

42、时，它的暗电阻值、灵敏度下降，使用暗电阻值、灵敏度下降，使用时注意。时注意。 ZnS CdS Si Ge PbS PbTePbSe相相对对灵灵敏敏度度%0 0.3 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0100 80 60 40 20入射波长（入射波长（m）图图3-41 光敏电阻材料的光谱特性光敏电阻材料的光谱特性48（二）光电池（二）光电池光生电能光生电能：半导体光电池直接将光能转换成电能。受光照射时，可直：半导体光电池直接将光能转换成电能。受光照射时，可直接将光能转换成电源。接将光能转换成电源。工作原理工作原理：图：图3-42表示具有表示具有PN结的光电池工作原理。当用光照射结的光电池工作

43、原理。当用光照射时，在时，在PN结附近，由于吸收了光子能量而产生电子和空穴，称之为结附近，由于吸收了光子能量而产生电子和空穴，称之为光生载流子光生载流子。它们在。它们在PN 结电场作用下，产生漂移运动，电子被推向结电场作用下，产生漂移运动，电子被推向 N 区，而空穴被推进区，而空穴被推进 P 区，使区，使P 型区带正电，而型区带正电，而 N 型区带负电，型区带负电， 二者之间产生了电位差，用导线联接电路中就有电流通过。二者之间产生了电位差，用导线联接电路中就有电流通过。材料特性材料特性：一般常用光电池有一般常用光电池有硒、硅、锑化镉、硫化镉等光硒、硅、锑化镉、硫化镉等光电池，其中使用最广泛的是

44、硅电池，其中使用最广泛的是硅电池，其光谱范围为电池，其光谱范围为0.41.1m，灵敏度为灵敏度为68nAmm-2/x-1；响应；响应时间为数微秒至数十微秒。时间为数微秒至数十微秒。 PN图图3-42 光电池工作原理光电池工作原理49（三）光敏二极管和光敏三极管（三）光敏二极管和光敏三极管光敏二极管光敏二极管：光敏二极管是一种既有一个：光敏二极管是一种既有一个PN结又有光电转换功能的晶结又有光电转换功能的晶体二极管。体二极管。PN结位于管的顶部，以使接受光照。光敏二极管在电路中结位于管的顶部，以使接受光照。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。在内有光照射时，处于截止状态，反向电阻通常处于反向

45、偏置状态。在内有光照射时，处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。当光照射时，很大，反向电流很小。当光照射时，PN结附近受光子轰击产生电子和结附近受光子轰击产生电子和空穴，少数载流子浓度大大加强，使通过空穴，少数载流子浓度大大加强，使通过PN结的反向电流大大增加，结的反向电流大大增加，形成光电流。光照度变化使光电流变化，这样事项把光信号转换成点形成光电流。光照度变化使光电流变化，这样事项把光信号转换成点信号的功能。基本电路见图信号的功能。基本电路见图3-43。Rf图图3-43 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路50光敏三极管光敏三极管：若把普通晶体管的基极：若把普通晶体管的基极集电极制成光

46、敏二极管，则成为光敏三集电极制成光敏二极管，则成为光敏三极管。由于光敏三极管的基极电流由其极管。由于光敏三极管的基极电流由其基极基极集电极结的光电流供给，许多光集电极结的光电流供给，许多光敏三极管不再设基极引线。图敏三极管不再设基极引线。图3-44为其为其基本电路。基本电路。ce图图3-44 光敏三极管基本电路光敏三极管基本电路光电转换元件具有高灵敏度、体积小、光电转换元件具有高灵敏度、体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜等优点，重量轻、性能稳定、价格便宜等优点，应用广泛。应用广泛。图图3-45是一种检查零件表面是一种检查零件表面缺陷的光电传感器，缺陷的光电传感器，图图3-46是光电转速是光电转

47、速计的工作原理。计的工作原理。特点特点：光敏三极管具有输出信号大，抗：光敏三极管具有输出信号大，抗噪声能力强等优点，响应速度略慢些。噪声能力强等优点，响应速度略慢些。51三固态图像传感器三固态图像传感器功能上功能上：图像传感器是一个能把受光面的光像分成许多小单元（称：图像传感器是一个能把受光面的光像分成许多小单元（称为像元），并将它们转换成电信号，然后顺序输送出处的器件。为像元），并将它们转换成电信号，然后顺序输送出处的器件。构造上构造上：图像传感器是一种小型固态集成元件，它的核心上电荷耦：图像传感器是一种小型固态集成元件，它的核心上电荷耦合器件（合器件（CCD）。）。CCD由阵列式排列在衬底

48、上金属氧化物由阵列式排列在衬底上金属氧化物硅硅（MOS）电容器组成，它具有光生电荷、积蓄和转移电荷功能。）电容器组成，它具有光生电荷、积蓄和转移电荷功能。 在控制脉冲电压作用下，在控制脉冲电压作用下，CCD中依次排列相邻的中依次排列相邻的MOS电容中的信号电容中的信号电荷，将有次序地转换到下一个电容中，实现电荷并行构成。光敏电荷，将有次序地转换到下一个电容中，实现电荷并行构成。光敏元元1和和CCD2之间有一转换控制删之间有一转换控制删3（见图（见图3-47），其中），其中CCD作为读出作为读出移位寄存器。移位寄存器。 123图图3-47 线型线型CCD图像传感器图像传感器52光敏元光敏元MOS

49、电容（正对着电容（正对着CCD上一个电容）上一个电容）电荷（与光照度、积电荷（与光照度、积蓄时间成正比）蓄时间成正比）转移光栅打开转移光栅打开光敏光电荷并行移到光敏光电荷并行移到CCD关闭光关闭光栅栅上一次一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转换并在输出端串行输出。上一次一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转换并在输出端串行输出。 特点特点：小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好、寿命长。：小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好、寿命长。用途用途：（：（1）物位、尺寸、形状、工件损伤等测量。）物位、尺寸、形状、工件损伤等测量。 （2）光学信息处理的输入环节，如电视摄像、仿真技术、文字）光学信息处理的输入环

50、节，如电视摄像、仿真技术、文字识别、图像识别。识别、图像识别。 （3）自动生产过程的）自动生产过程的 控制敏感元件。控制敏感元件。类型类型：（：（1）线型）线型 1024，1728，2048，4096像素像素 （2）面型）面型 32 x 32,100 x100,320 x244,490 x400,以及以及2838万像素万像素图图3-48 表示用于热轧铝板宽度检测的实例。准确度可达板宽表示用于热轧铝板宽度检测的实例。准确度可达板宽0.025%。 53四热敏电阻四热敏电阻热敏电阻是由金属氧化物（热敏电阻是由金属氧化物（NiO,MnO2,CuO,TiO2等）的等）的粉末按一定比例混合烧结而成的半导体

51、。它具有负的电阻粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。它具有负的电阻温度系数，温度上升而阻值下降。温度系数，温度上升而阻值下降。半导体热敏电阻与金属丝电阻比较，具有以下优点：半导体热敏电阻与金属丝电阻比较，具有以下优点：（1）灵敏度高，可测）灵敏度高，可测0.0010.005微小温度变化微小温度变化（2）可制成片状、柱状，直径小到）可制成片状、柱状，直径小到0.2mm；体积小，热；体积小，热惯性小，响应快，时间常数可小到毫秒级惯性小，响应快，时间常数可小到毫秒级（3）电阻值范围宽）电阻值范围宽3700k（4）非线性大，对环境温度敏感性大。）非线性大，对环境温度敏感性大。图图3-49表示热敏电阻元

52、件温度自动控制自动检测装置中。表示热敏电阻元件温度自动控制自动检测装置中。 54五气敏传感器五气敏传感器在工农业生产中，环境保护，安全防灾，医疗和日常在工农业生产中，环境保护，安全防灾，医疗和日常生活中，对气体分析、检测或报警的需求日益增多，生活中，对气体分析、检测或报警的需求日益增多，使用的气体检测传感器也是多种多样。其中半导体气使用的气体检测传感器也是多种多样。其中半导体气敏传感器是发展最快，使用最方便的一种。敏传感器是发展最快，使用最方便的一种。优点优点：（：（1）灵敏度袄（）灵敏度袄（2）响应快（）响应快（3）制造使用保养）制造使用保养简便，价格便宜等优点。简便，价格便宜等优点。缺点缺

53、点：（：（1）气体选择性差（）气体选择性差（2）元件性能阐述分散）元件性能阐述分散（3）时间稳定性欠佳）时间稳定性欠佳电阻式半导体气敏传感器是一种电阻式半导体气敏传感器是一种应用较多的一种。主要用语检测一氧化碳、乙醇、甲应用较多的一种。主要用语检测一氧化碳、乙醇、甲烷、异丁烷和氢。烷、异丁烷和氢。 55六湿敏传感器六湿敏传感器湿度湿度空气中含有水蒸气量。空气中含有水蒸气量。湿度对产品质量和人类生活有重大影响，近年来湿度对产品质量和人类生活有重大影响，近年来对此测量和控制要求越来越严格。对此测量和控制要求越来越严格。制造湿度传感器材料制造湿度传感器材料：四氧化二铁、铬酸镁：四氧化二铁、铬酸镁二二

54、氧化钛等氧化钛等金属陶瓷湿敏原理：当水分子附在半导金属陶瓷湿敏原理：当水分子附在半导体陶瓷上，使陶瓷表面层电阻值明显下降。表面体陶瓷上，使陶瓷表面层电阻值明显下降。表面电阻下降到一定程度上，体内电阻已大于表层电电阻下降到一定程度上，体内电阻已大于表层电阻，电流主要从表层通过，体内电阻的作用可忽略。阻，电流主要从表层通过，体内电阻的作用可忽略。 56七集成传感器七集成传感器优先集成电路有优先集成电路有（1）各种调节和补偿电路（如电压稳定电）各种调节和补偿电路（如电压稳定电路；温度补偿电路和线性化电路）（路；温度补偿电路和线性化电路）（2）信号放大和阻抗变）信号放大和阻抗变换电路（换电路（3）信号

55、数字化和信号处理电路（）信号数字化和信号处理电路（4）信号发送和接）信号发送和接受电路（受电路（5）多传感器集成）多传感器集成特点特点：体积小，重量减轻，功能增多，改善性能。如温度补：体积小，重量减轻，功能增多，改善性能。如温度补偿电路和传感元件集成在一起偿电路和传感元件集成在一起“智能智能”，出现了，出现了“灵巧传感灵巧传感器器”（Smart Senser），）， “智能传感器智能传感器”（Intelligent Senser）此类传感器具有如下能力此类传感器具有如下能力：（：（1）条件调节和环境补偿能力）条件调节和环境补偿能力（2）通讯能力（）通讯能力（3）自诊断能力（）自诊断能力（4）逻

56、辑和判断能力）逻辑和判断能力已经应用的灵巧传感器种类很多有已经应用的灵巧传感器种类很多有：位置，有：位置，有无，距离，无，距离，厚度，状态和目标识别。厚度，状态和目标识别。 57第九节第九节 光纤传感器光纤传感器传统传感器传统传感器以机以机-电量转换为基础，以电信号为变换和传输电量转换为基础，以电信号为变换和传输的载体，利用导线输送信号。的载体，利用导线输送信号。光纤传感器光纤传感器则以光学量为基础，以光信号为变换和传输的则以光学量为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送信号。载体，利用光导纤维输送信号。光纤传感器利用光波四个参数：强度、频率、相位和偏振光纤传感器利用光波四个参数：

57、强度、频率、相位和偏振态的变化态的变化 而使光波变化。而使光波变化。光波调制光波调制把光波随被测量的变化而变化称之为光波调制。把光波随被测量的变化而变化称之为光波调制。 一分类一分类按调制方式按调制方式：（：（1）强度调制）强度调制(简单常用简单常用)；（；（2）频率调制；）频率调制； （3）相位调制；（）相位调制；（4）偏振调制。）偏振调制。按光纤作用按光纤作用：（：（1）功能型光纤传感器；）功能型光纤传感器； （2）传光型光纤传感器。）传光型光纤传感器。 58传光型光纤传感器传光型光纤传感器：光纤仅起着：光纤仅起着传输光波的作用，对光波的调制传输光波的作用，对光波的调制用其它元件来实现。用

58、其它元件来实现。分两种情况：分两种情况：（1）传输途中，由敏感元件对光）传输途中，由敏感元件对光波调制（波调制（2）先调制好再发出。）先调制好再发出。 功能型光纤传感器：功能型光纤传感器：光纤不仅起着光纤不仅起着传输光波的作用，还起着敏感元件传输光波的作用，还起着敏感元件的作用，对光波进行调治，即传光的作用，对光波进行调治，即传光又传感。又传感。 一般来说，传光型较简单，应用一般来说，传光型较简单，应用较多。功能型构思巧妙，工作原较多。功能型构思巧妙，工作原理复杂，灵敏度较高，解决棘手理复杂，灵敏度较高，解决棘手问题，问题，表表3-4列出部分光纤传感器列出部分光纤传感器测量对象、种类及调制方式

59、。测量对象、种类及调制方式。 34125a)125b)34652346+7c) 图图350 光纤传感器种类光纤传感器种类1光源；光源；2光源元件；光源元件；3光纤；光纤；4被被测对象；测对象；5电输出；电输出；6敏感元件；敏感元件； 7发光元件发光元件59测量对象测量对象种种 类类调制方式调制方式测量对象测量对象种类种类调制方式调制方式电电 流流磁磁 场场功能型功能型 偏振态偏振态放射线放射线功能型功能型光光 强强相相 位位 温温 度度 功能型功能型 相相 位位光光 强强传光型传光型偏振态偏振态压电场压电场 功能型功能型 偏振态偏振态偏振态偏振态相相 位位传光型传光型 光量有无光量有无传光型传

60、光型偏振态偏振态光光 强强压力振压力振动声压动声压功能型功能型 频频 率率 速速 度度 功能型功能型 相相 位位相相 位位频频 率率光光 强强传光型传光型光量有无光量有无传光型传光型光光 强强光量有无光量有无光光 强强图图 像像功能型功能型光光 强强表表3-4 光纤传感器的测量对象及调制方式光纤传感器的测量对象及调制方式 60二光纤导光原理二光纤导光原理1入、折射角入、折射角由物理学知，当光由大折射率由物理学知，当光由大折射率n1 的介的介质射入小折射率质射入小折射率n2 的介质时的介质时(图图3-51a)，折射角折射角r大于入射角大于入射角i且且ir。 2临界角临界角 当当=900 时所对应