测试技术(第三章)2

1、工程测试技术郭世伟第三章第三章 常用传感器原理及信号调理方法（二）常用传感器原理及信号调理方法（二）三、常用传感器三、常用传感器（一）电阻应变片式传感器 电阻应变片是目前应用最广泛的传感器之一，可用以测量应变、力、力矩、位移、压力等。 1、工作原理 电阻应变片的敏感元件是电阻丝，工作原理是其电阻应变效应。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。 22(12)(12 )llRArRRRdRdldrdlrdRdldrdERlr 对于金属丝来说，灵敏度S=1+22(12)dRdldrdEERlr 对于半导体材料来说，其压阻系数很大。在力的作用下

2、，半导体应变片因电阻率变化引起的阻值变化项远远大于几何尺寸变化项，故SE则灵敏度 这比金属丝电阻应变片的灵敏度大几十倍。2、应变片的种类丝式金属应变计箔式半导体应变计各自特点介绍 压阻式传感器即为半导体应变计，利用的是半导体材料的压阻效应，即半导体材料的电阻率随所受压力的变化而变化，而金属电阻应变计电阻的变化主要是由于金属丝几何尺寸变化引起的。 与金属电阻应变计相比，半导体应变计的灵敏度很大，分辨率高，易于实现小型化、集成化，但温度稳定性差，灵敏度分散度大，大应变时的非线性误差大。a)为绝对压力传感器b)为表压力传感器c)为测压力差d)为外形图半导体应变计半导体应变计金属应变计金属应变计3、电

3、阻应变片式传感器及其应用举例原理将物品重量通过悬臂梁转化为结构变形再通过应变片转化为电量输出。桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。4、应变片式传感器的测量电路差动输入（二）电容式传感器（二）电容式传感器 1.变换原理变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化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: :AC0+A 当被测量当被测量、A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不

4、变，而仅改变另一个参数，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。2 分类分类 a) a) 极距变化型极距变化型; ;AC0021dCSAd 灵敏度 极距变化式的传感器灵敏度高，但有线性误差，适于小位移的测量，也可采用差动式减小非线性误差。b)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. .灵敏度为常数，一般不会产生非线性误差。,bxbCS对于上图的线位移型传感器 22,22rrCS 对于上图的角位移型传感器 c) c) 介质变化型介质变化

5、型3、电容式传感器的测量电路（1）电桥型电路（2） 谐振电路谐振电路 （4）运算放大器电路）运算放大器电路可改善非线性关系可改善非线性关系（3）调频电路4、应用、应用测介质厚度例例: :液面高度测量液面高度测量例：例：电容传声器电容传声器 （三）电感式传感器 电磁感应为其理论基础。利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量测量。 按照变换方式的不同，电感式传感器又分为可变磁阻式、涡流式、差动变压器式。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 1、可变磁阻式传感器 以图b）结构为例说明原理： 自感系数 。气隙厚度很小，且忽略掉铁心和衔铁的磁阻，有

6、2mWLR002mRA2002AWL,那么 可见改变气隙厚度、气隙截面积和磁路材料磁导率均可改变自感值。 气隙厚度变化式的传感器灵敏度高，有线性误差，适于小位移的测量。气隙截面积变化式传感器线性度好，但灵敏度小。 上图c)也称为单螺管线圈型传感器。 d)和下面的双螺管线圈连接方式均为差动方式，连接于电桥的相邻桥臂上。 差动连接方式的优点说明。2、电涡流式电感传感器 （1）原理 以涡流效应为变换原理，涡流的交变磁通与线圈磁通相互作用，使线圈等效阻抗Z发生变化（主要是自感的变化），且有),(ZZ 优点优点：可用于动态非接触测量，接构简单，使用方便，不：可用于动态非接触测量，接构简单，使用方便，不受

7、油污、介质影响。受油污、介质影响。应用应用：位移、力、振动位移测量，测厚：位移、力、振动位移测量，测厚,材质判别材质判别（2 2）应用举例：）应用举例： 例例 连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：该类传感器的特点例：例： 无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测例：例： 测厚测厚例：例： 零件计数零件计数为接近开关的用法为接近开关的用法（3）测量电路 即是后续的自感测量电路。一般有阻抗分压式调幅电路和调频电路。3、差动变压器式电感传感器 （1）原理 该类传感

8、器实为一个变压器，它的次级是两个参数完全相同，反极性串联的两线圈。120120120000eeeeeeeee铁心居中时，铁心下移时，铁心上移时，可见，输出电压与位移成对应关系。（2）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;等.例：例：板的厚度测量板的厚度测量 例：例：张力测量张力测量可变铁心式电感测微计可变铁心式电感测微计（四）压电晶体传感器（四）压电晶体传感器 1、 利用压电材料的压电效应利用压电材料的压电效应某些物质如石英单晶体、多某些物质如石英单晶体、多晶压电陶瓷，当受到外力作用时，不仅几何

9、尺寸会发生变化，而晶压电陶瓷，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷，形成电场；当外力去掉时，且内部也会被极化，表面会产生电荷，形成电场；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。还有逆压电效又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。还有逆压电效应（电致伸缩效应）。压电式传感器为一种可逆型换能器。应（电致伸缩效应）。压电式传感器为一种可逆型换能器。 利用逆压电效应可将高频电振动转换成高频机械振动，产生利用逆压电效应可将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声波，以此作为超声波的发射器。

10、而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。 测试技测试技术中广泛利用其正压电效应进行力、压力、加速度的测量。术中广泛利用其正压电效应进行力、压力、加速度的测量。 以石英晶体为例，切片使用时应注意方向，有纵向压电效应、以石英晶体为例，切片使用时应注意方向，有纵向压电效应、横向压电效应、切向压电效应。横向压电效应、切向压电效应。 外力作用于晶片表面时，可看作是电荷发生器，又是一个电容器，是一个具有一定电容的电荷源。它产生的电荷与作用力成正比关系。AqCqD FuC电容量，电荷，开路电压实际应用中有串联和并联连接方法：压电

11、式传感器适宜于动态测量。2、测量电路、测量电路 压电式传感器内阻很高，电荷信号又很微弱，故需经过放大和阻抗变换，才可再进行后续处理。 目前均用电荷放大器作为前置放大器。电荷放大器为一个高增益带电容反馈的运算放大器，略去电路中的电阻量后的等效电路为下图所示。()()()iaciiyfiiyfqe CCCee CeCee C-iyyiaciacifeeek ekCCCCCCCC放大器输入端电压放大器输出端电压，放大器开环增益压电晶片电容连接电缆的等效电容放大器输入等效电容电荷放大器的反馈电容yffyyfkqeCCkCqkeeqCC整理得：足够大时得： 与 成正比，而与 无关。3、应用、应用b) 压

12、力变送器压力变送器a) 加速度计，力传感器加速度计，力传感器 例：例：飞机模态分析飞机模态分析 频率曲线的共振频率决定了加速度计的使用上限频率，且频率曲线的共振频率决定了加速度计的使用上限频率，且与加速度计的固定状况有很大关系。与加速度计的固定状况有很大关系。（五）磁电式传感器（五）磁电式传感器1、变换原理、变换原理: 电磁感应原理电磁感应原理 磁感应电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传磁感应电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。感器。磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。它势的一种转换器。它是一种机是一种机-电能量

13、变换型传感器，不需电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，适要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，适用于振动、转速、扭矩等测量。用于振动、转速、扭矩等测量。 ),(,cos,mdtddtdRBABWe匝数为匝数为W的感应线圈的感应电动势为的感应线圈的感应电动势为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，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。改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 只适用于动态测量。只适用于动态测量。 2、分类、分类 按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通按工作原理不

14、同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。 磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N动圈式传感器动圈式传感器 WBLve kWBAe 磁阻式传感器磁阻式传感器 磁阻式传感器又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用磁阻式传感器又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。左图为开路变磁通式传感器，线圈和磁来测量旋转物体的角速度。左图为开路变磁通式传感器，线圈和磁铁静止不动，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随铁静止不动，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿

15、，传感器磁路磁阻变化一次，进行测速。之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，进行测速。 右图为闭合磁路变磁通式传感器，被测转轴带动椭圆形测量齿右图为闭合磁路变磁通式传感器，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率动势，其频率f与测量齿轮转速与测量齿轮转速n成正比。成正比。3、应用、应用b) 测速电机测速电机a)磁电式车速传感器磁电式车速传感器（六）霍尔效应传感

16、器（六）霍尔效应传感器 半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。是因磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。是因为运动的电荷受磁场的洛伦兹力的作用结果。为运动的电荷受磁场的洛伦兹力的作用结果。 以以N型半导体为例说明。型半导体为例说明。siniBKVHH1、霍尔元件、霍尔元件霍尔元件为一种半导体磁电转换元件。工作原理是霍尔效应。霍尔元件为一种半导体磁电转换元件。工作原理是霍尔效应。产生的霍尔电场的产生的霍尔电场的电势为：电势为： 改变改变B、i 即可改变即可改变电势值

17、，电势值，B为位移函数为位移函数时可测位移值时可测位移值2、霍尔传感器结构和应用、霍尔传感器结构和应用霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。 案例：案例：电流传感器电流传感器案例：案例：管道裂纹检测管道裂纹检测原理磁场强度变化检测 由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。 例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微

18、积分等运算的运算器等。 3、 磁感应半导体元件分类磁感应半导体元件分类磁感磁感应半应半导体导体元件元件体元件体元件霍尔霍尔IC结型元件结型元件霍尔元件霍尔元件磁电阻元件磁电阻元件磁敏二极管磁敏二极管磁晶体管磁晶体管磁半导体开关磁半导体开关其它其它开关开关线性线性4、 磁电阻元件磁电阻元件磁阻效应磁阻效应)1 ()1 (cos/2202020BRRRR- -+ +lwx特点特点 电阻的增量与磁电阻的增量与磁 场的平方成正比；场的平方成正比； 与磁场的正负无关；与磁场的正负无关； 温度系数影响大；温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。磁感应的范围比霍尔元件大。 R-5 -4 -3 -2 -1

19、 0 1 2 3 4 5应用应用 磁头；接近开关；无触点开关。磁头；接近开关；无触点开关。（七）（七）光电转换元件光电转换元件 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。电效应。 1、光敏电阻、光敏晶体管、光敏电阻、光敏晶体管 光电导效应是指半导体材光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子料受到光照时会产生电子-空空穴对穴对,使其导电性能增强使其导电性能增强,光线光线愈强愈强,阻值愈低阻值愈低,这种光照

20、后电这种光照后电阻率发生变化的现象阻率发生变化的现象,称为光称为光电导效应。基于这种效应的光电导效应。基于这种效应的光电器件有电器件有光敏电阻、光敏二极光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。管、光敏三极管。 2 、光电池、光电池 光生伏特效应指半导体材料光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。是常用的光生伏特型器件。+-PN3 、应用、应用 光敏二极管、光敏三极管均为近红外接收管，用于红外光敏二极管、光敏三极管均为近红外接收管，用于红外线遥控器（用于电视机、录象

21、机等的遥控），光纤通讯，光线遥控器（用于电视机、录象机等的遥控），光纤通讯，光电转换器，光电耦合器，光电传感器（光电开关），光电读电转换器，光电耦合器，光电传感器（光电开关），光电读出装置（条形码读出器、自动评阅机等）。出装置（条形码读出器、自动评阅机等）。 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。反射式、辐射式四种基本形式。 例：例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。与光敏晶体管组合来测量位移。例：例：亮度传感器：亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，通过检测周围环境的亮度，再与

22、内部设定值相比较，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到有效利用自然光线，达到节约电能的目的。节约电能的目的。（八）（八） 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它铁等金属氧化物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，随温度上升而阻值下降。具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。 典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。构及温度特性

23、如图所示。 应用应用 温控器温控器热敏电阻热敏电阻（九）气敏电阻传感器（九）气敏电阻传感器 气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。件温度相应增高，电阻发生变化。 气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、或有毒气体报警，也可用

24、于对大气污染监测、CO气体气体测量、酒精浓度探测等方面。测量、酒精浓度探测等方面。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器（十）（十） CCD固态图象传感器固态图象传感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构是在光敏元的结构是在半导体半导体(P型硅型硅)基片上形成一种氧化物基片上形成一种氧化物(如二氧化硅如二氧化硅)，在氧，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物氧化物-半导体结构元半导体结构元 (MOS)。 在半导体硅片上按线阵或面阵排列在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS

25、单元，如果照射单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。01111100光敏管阵光敏管阵列列并联串联转换器运算电路显示电路结束信号驱动脉冲CCD 特点特点:(1) 非接触检测;(2) 响应快;(3) 可靠性高,为修简便;(4) 测量精度高;(5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接(6) 对被测物体需要强光照射;(7) 受被测物体以外的光的影响. 应用应用:(1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.（十一

26、）热辐射检测传感器（十一）热辐射检测传感器 绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体的温绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体的温度度(K)，在此仅考虑黑体也称全辐射体的辐射能和波长的关，在此仅考虑黑体也称全辐射体的辐射能和波长的关系。根据普朗克辐射定律有以下表达式：系。根据普朗克辐射定律有以下表达式：应用：应用： 冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。态温度场的检测问题。（十二）超声波检测传感器（十二）超声波检测传感器 1、声波及其分类、声波及其分类(1)次声波，振动频率低于次声波，振动频率低于l6H

27、z的机械波。的机械波。(2)声波声波:振动频率在振动频率在16Hz20KHz之间的机械波。之间的机械波。(3)超声波超声波:高于高于20KHz的机械波。的机械波。2、超声波的物理性质、超声波的物理性质 超声波与一般声波比较，振动频率高，波长短，因超声波与一般声波比较，振动频率高，波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并具有很高的穿透能力。远大于振幅相同的一般声波，并具有很高的穿透能力。 超声波在介质中传播时存在反射、折射、扩散、散超声波在介质中传播时存在反射、折射、扩散、散射等物理性质。射等物理性质。

28、 3、 超声波传感器及应用超声波传感器及应用 (1)超声波传感器对超声波传感器对(2)超声波探伤超声波探伤超声波的发射与接受超声波的发射与接受案例：案例：输油管检测检测机器人4、声发射检测传感器、声发射检测传感器 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称无声发射。各种材料声发性波形式释放出应变能的现象称无声发射。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，但多数金射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，但多数金属属(如钢、铁等如钢、铁等)的声发射频带，均在超声范围内。的声发射频带，均在超声范围内。 声发

29、射分声发射分:1）连续发射）连续发射;2）突发发射。由于结构和传感）突发发射。由于结构和传感器的谐振，检测到的发射信号像衰减的正弦波，检测到的器的谐振，检测到的发射信号像衰减的正弦波，检测到的两类信号如图所示。两类信号如图所示。案例：案例： 材料断裂等结构监测。材料断裂等结构监测。 （十三）光纤传感器简介（十三）光纤传感器简介 光导纤维由纤芯和包层构成，以全反射为工作原理，光线传光导纤维由纤芯和包层构成，以全反射为工作原理，光线传播路线为锯齿形。光纤传感器有物性型和结构型。播路线为锯齿形。光纤传感器有物性型和结构型。 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。入物理量变换为调制的光信号。 如应变、磁场、电场、温度、如应变、磁场、电场、温度、放射性和化学等作用可能会改变光传播的强度或相位。放射性和化学等作用可能会改变光传播的强度或相位。1、物性型光纤传感器、物性型光纤传感器光纤流速传感器光纤流速传感器 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及结构型光纤传感器是由光检测