工程测试技术-第三章传感器课件

第3章传感器测量原理本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路工程测试技术基础1第3章传感器测量原理3.1.1传感器定义传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置物理量电量

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。3.1概述2

传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。3.1概述dV3.1.2传感器的构成33.1概述机械式,电气式,光学式,流体式等。2)按工作的物理基础分类:53.1概述3)按信号变换特征: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。如:水银温度计。结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。例如:电容式和电感式传感器.73.1概述能量转换型和能量控制型.能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作。

例如:热电偶温度计,压电式加速度计。能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。例如:电阻应变片。64)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: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。3.17.3线性范围

任何传感器都有一定线性工作范围。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。3.17传感器选用原则3.17.2响应特性12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。3.17.5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。3.17传感器选用原则3.17.4稳定性13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。3.17传感器选用原则3.17.6测量方式14等效电路分析:xL3.2电阻式传感器L-变阻器总长;x-电刷移动量.R-总电阻;RL电刷电阻;R=K*ll=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1/E93.2电阻式传感器x=L*E1/E=K*E10LEE1x103.2电阻式传感器EE1VRmRxR-Rx1EE1=xLRmR+Lx()-113.2电阻式传感器12(2)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;(3)变阻器式传感器的分类3.2电阻式传感器按测量类型：单圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器133.2电阻式传感器按制作方式：线绕电位器导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉14案例：重量的自动检测--配料设备

比较重量设定原材料3.2电阻式传感器原理：弹簧->力->位移->电位器->电阻16案例：煤气包储量检测煤气包钢丝3.2电阻式传感器原理：钢丝->收线圈数->电位器->电阻17案例：玩具机器人（广州中鸣数码）3.2电阻式传感器原理：电机->转角->电位器->电阻18电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。3.2电阻式传感器3.2.2电阻应变式传感器--应变片11)工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数3.2电阻式传感器金属应变片的电阻R为代入23.2电阻式传感器有：金属丝：金属丝体积不变：3应变计3.2电阻式传感器金属应变计53.2电阻式传感器半导体应变计简化为：优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。63)应变片的主要参数

4）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）。

3.2电阻式传感器1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2）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。73.2电阻式传感器4)应变片测量电路VER1R2R3R483.2电阻式传感器令：金属丝应变片：V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变93.2电阻式传感器电阻应变片的选择、粘贴技术

1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆。3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。103.2电阻式传感器5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。113.2电阻式传感器电阻应变式传感器的应用：测力123.2电阻式传感器12标准产品案例：桥梁固有频率测量3.2电阻式传感器14案例：冲床生产记数和生产过程监测3.2电阻式传感器163.2电阻式传感器16案例：机器人握力测量3.2电阻式传感器16案例：振动式地音入侵探测器

适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。3.2电阻式传感器16电子称制作3.2电阻式传感器15E3.2电阻式传感器15xxpRLe0ey1、在什么条件下变阻器式传感器的输出量与输入量之间有较好的线性关系？

2、简述应变式电阻传感器的工作原理，其测量电路如何实现？第3章传感器测量原理变换原理: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,它的电容量为:+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。3.3电容式传感器13.3电容式传感器

a)极距δ变化型++++++2驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。3.3电容式传感器

3b)面积变化型角位移型+++3.3电容式传感器

4平面线位移型3.3电容式传感器

5柱面线位移型3.3电容式传感器

6产品.陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。

压力变送器3.3电容式传感器

7c)介质变化型3.3电容式传感器

8产品电容式液位传感器（液位计/料位计）3.3电容式传感器

9电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。3.3电容式传感器

103.3电容式传感器

11a)电桥电路

3.3电容式传感器

3.3.3测量电路12b)谐振电路

3.3电容式传感器

13d)运算放大器电路

3.3电容式传感器

14动手做：观察你计算机上使用的麦克风，并用它测量你自己的声音，绘出频谱。3.3电容式传感器

153.3电容式传感器

15第3章传感器测量原理电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型3.4电感式传感器13.4电感式传感器可变导磁面积型差动型原理:电磁感应3.4.1自感型--可变磁阻式2电感式接近传感器（金属）3.4电感式传感器3教学用低成本四线制无二次仪表传感器3.4电感式传感器4原理:涡流效应3.4电感式传感器3.4.2涡流式5原线圈的等效阻抗Z变化：3.4电感式传感器63.4电感式传感器7案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle3.4电感式传感器9案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测3.4电感式传感器10实验：轴心轨迹测量3.4电感式传感器8实验：轴心轨迹测量3.4电感式传感器8图5轴心轨迹测量WW1W2Esx-x工作原理:互感现象.EwEout3.4电感式传感器3.4.3互感型--差动变压器11单螺管线圈型螺管线圈差动双螺管线圈差动型传感器测量电路~3.4电感式传感器12差动变压器测量电路3.4电感式传感器13差动变压器位移传感器3.4电感式传感器14案例：板的厚度测量~3.4电感式传感器15案例：张力测量3.4电感式传感器163.4电感式传感器161、电容式传感器的工作原理是什么？

2、电感式传感器可分为几类？3、何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？

4、请设计几种测量物体位移的方法，描述其基本原理，各种方法的特点，局限性。

习题：第3章传感器测量原理3.5.1变换原理

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。感应线圈的感应电动势e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，都会改变感应电动势。

3.5磁电式传感器1磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.5磁电式传感器

3.5.2分类2动圈式传感器线速度型3.5磁电式传感器

3角速度型测速电机3.5磁电式传感器

43.5磁电式传感器

4实验：用微型发电机制作机械式转速表

100K1K磁阻式传感器

磁电式车速传感器3.5磁电式传感器

5案例：鼠笼电机转子断细条检测3.5磁电式传感器

6NS第3章传感器测量原理3.6.1变换原理: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+q=DF3.6压电式传感器73.6压电式传感器

压电式传感器输出电信号很微弱，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，方可输入到后续显示仪表中。

3.6.2测量电路8产品压力变送器加速度计力传感器3.6压电式传感器

9案例：飞机模态分析3.6压电式传感器

10案例：热轧设备诊断3.6压电式传感器

11实验：转子实验台底座振动测量实验3.7磁敏元件传感器13压电式加速度传感器磁电式速度传感器a=——dtdV第3章传感器测量原理

金属或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。

3.7.1霍尔元件

3.7磁敏元件传感器1霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。3.7磁敏元件传感器23.7磁敏元件传感器3测转角：3.7磁敏元件传感器4电流传感器

当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。3.7磁敏元件传感器5铁磁材料裂纹检测

NS3.7磁敏元件传感器6叶片和齿轮位置传感器应用3.7磁敏元件传感器7案例：汽车速度测量:3.7磁敏元件传感器8磁阻效应--++lwx3.7磁敏元件传感器3.7.2磁电阻元件9特点电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；温度系数影响大；磁感应的范围比霍尔元件大。应用磁头；接近开关和无触点开关。3.7磁敏元件传感器10霍尔元件磁电阻元件磁敏二极管磁晶体管磁半导体开关3.7磁敏元件传感器3.7.3磁感应半导体元件分类11产品3.7磁敏元件传感器12案例：轧机转速测量3.7磁敏元件传感器13轧机转速测量，原来用反光式传感器，可靠性低实验：钢管无损检测实验模块3.7磁敏元件传感器13NSNS本模块采用磁性检测原理来探测钢管缺陷。探头由磁铁和可检测磁场强度的霍尔传感器组成。磁铁与被测的铁磁材料工件间形成磁路，若工件上有缺陷，则磁路的磁阻增大，霍尔传感器附近的磁场强度变弱。当探头在试件表面移动时，正常情况下磁场强度是不变的，当试件表面有缺陷的时候，会产生一个磁场的跳变，通过监测磁场的跳变即可进行试件的探伤。

3.8热敏传感器3.8.1双金属温度计

把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。优点结构简单牢固可靠防爆

3.8热敏传感器

1

3.8热敏传感器23.8热敏传感器荧光灯启辉器零线火线当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。电路中电流突然中断，使镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电动势，在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光放电。33.8热敏传感器荧光灯启辉器启辉器由玻璃管制成的辉光放电管与小电容器并联而成辉光放电管内有一个U形双金属片，一个固定静止触极电板，称为静触板或静触极，玻璃管内充有氖气或氩气，或氖氩混合的惰性气体。当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电过程），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。此时电流直接经过双金属片与静触板流通，惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过1～8秒的时间，双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。4热电效应

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。3.8热敏传感器3.8.2热电温度计(热电偶)5ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。3.8热敏传感器6热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V3.8热敏传感器73)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。3.8热敏传感器84)中间温度定理

热电偶在节点（T，T0）产生的电动势等于其在（T，Tn）和（Tn，T0）产生的电动势的代数和一般热电偶的分度表（输出特性）是在冷端为0℃时给出的，若测量时冷端不为0℃，则可据此修正。3.8热敏传感器93.8热敏传感器10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，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。3.8热敏传感器RT3.8.3热敏电阻传感器113.8热敏传感器123.8热敏传感器133.8热敏传感器产品14温控器3.8热敏传感器应用汽车发动机传感器水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等153.8热敏传感器15用热敏电阻制作温度传感器

VCC10KVout热敏电阻图6、自制温度传感器DRVI测量实验环境2、试比较热电偶测温与热电阻测温有什么不同（从原理、测温系统组成和应用场合三方面考虑）。

习题：1、磁电式传感器可分为几类？3、请利用压电式传感器设计一个测力装置。

4、请列出几种用磁场传感器实现的测控应用装置。

3.9气敏电阻传感器气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。如生活环境中一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器3.9气敏电阻传感器13.9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、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。23.9气敏电阻传感器33.9气敏电阻传感器

43.9气敏电阻传感器实验室中的传感器53.9气敏电阻传感器燃气报警器烟雾报警器

6酒精传感器3.9气敏电阻传感器7

3.10超声波检测传感器8实验：室内环境监测模块

室内环境监测实验模块由温度传感器、湿度传感器、光传感器、声传感器、二氧化碳传感器、酒精传感器、烟雾传感器等构成，可完成室内环境参量的测量。

3.10超声波检测传感器1)声波及其分类(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。(2)声波:振动频率在16Hz―20KHz之间的机械波。(3)超声波:高于20KHz的机械波。2）超声波的物理性质超声波与声波比，振动频率高，波长短，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声波，并具有很高的穿透能力。3.10超声波检测传感器13.10超声波检测传感器声压所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值，单位为Pa，1Pa=1N/m2。声强声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能量，单位为W/m2。声功率声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能量，单位是W。2超声波传感器原理超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。

3.10超声波检测传感器3超声波传感器对3.10超声波检测传感器4超声波传感器应用

超声波探伤/测距/测物tA3.10超声波检测传感器5案例：输油管检测检测机器人3.10超声波检测传感器6倒车雷达3.10超声波检测传感器

7

鱼群探测器

3.10超声波检测传感器8

3.10超声波检测传感器8实验：超声波传感器测量物体距离

实验用超声波传感器的发射波频率40KHz，它由单片机控制发射探头发射一组5个超声波脉冲后，输出电平由高电平转为低电平；等到接收探头接收到足够强度的反射超声波信号时，输出信号由低电平转为高电平。在实验过程中，可以观察到随着反射物体到探头的距离变化，传感器输出波形的“矩形脉冲”宽度也会对应的发生变化，测试距离越远，脉冲的宽度越宽。3.11光电传感器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电效应。内光电效应

半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管3.11光电传感器13.11光电传感器23.11光电传感器照相机自动测光光控灯工业控制33.11光电传感器光电池光生伏特效应指半导体材料P-N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是常用的光生伏特型器件。+++---PN

43.11光电传感器应用光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。53.11光电传感器63.11光电传感器73.11光电传感器83.11光电传感器案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。93.11光电传感器亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。103.11光电传感器相机测距反射式光电传感器113.11光电传感器123.8热敏传感器15用光敏电阻制作光传感器VCC10KVout图9灯、电视机、监视器的闪烁测量光敏电阻3.8热敏传感器15用光敏三极管制作心脏跳动测量传感器红外对管1、用光电式传感器可以测量哪些物理量，简述其工作原理？

习题：2、超声波测距原理，其应用场合与电感、电容传感器测距有何区别？

3、请列出几种常见的气体测量传感器？

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。1）物性型光纤传感器3.12光纤传感器3.12光纤传感器

1光纤流速传感器3.12光纤传感器2结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。2）结构型光纤传感器3.12光纤传感器3光纤检测型光电传感器作业件检测颜色检测3.12光纤传感器4MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元(MOS)。3.13CCD固态图象传感器3.13CCD固态图象传感器5在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。3.13CCD固态图象传感器6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:(1)宽度测量;(2)外径测量;(3)主轴径向跳动测量.3.13CCD固态图象传感器