第三章常用传感器02

第三章常用传感器1机械工程测试技术基础§3.1概述一、什么叫传感器

传感器是获取信息的工具。

传感器（Transducer或Sensor），俗称探头，有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器。指那些对某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。第三章常用传感器2机械工程测试技术基础§3.1概述物理量电量

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。

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。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。狭义上，非电信号电信号。物理量电量第三章常用传感器3机械工程测试技术基础§3.1概述密封型压力变送器

压阻式压力传感器电容式差压变送器第三章常用传感器4机械工程测试技术基础§3.1概述旋转差动变压器电涡流传感器电感式接近开关第三章常用传感器5机械工程测试技术基础§3.1概述热电偶热敏电阻光敏电阻第三章常用传感器6机械工程测试技术基础§3.1概述光敏三极管压电加速度传感器第三章常用传感器7机械工程测试技术基础§3.1概述激光位移传感器霍尔电压传感器温度传感器8机械工程测试技术基础§3.1概述二、传感器的构成

并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如：压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。

敏感元件转换元件信号调理电路辅助电路被测量非电量其它量非电量电量电信号标准信号电量

传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电路组成。9机械工程测试技术基础§3.1概述二、传感器的构成

例如应变式力传感器。10机械工程测试技术基础§3.1概述三、传感器的分类

1按被测物理量分类常见的被测物理量有------如位移，速度，加速度，旋转角，转速，力，压力，力矩，温度，声压，声强等11机械工程测试技术基础§3.1概述三、传感器的分类

2按工作的物理基础分类如机械式,电气式,光学式,流体式等。车削测力仪12机械工程测试技术基础§3.1概述三、传感器的分类

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。3按信号变换特征分类物性型与结构性所谓物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温。是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应等。

所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。4按敏感元件与被测对象之间的能量关系14机械工程测试技术基础§3.1概述三、传感器的分类

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。能量转换型与能量控制型能量转换型传感器(或称无源传感器)，是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。

能量控制型传感器(或称有源传感器)，是从外部供给辅助能量使传感器工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由被测量的变化所引起的电阻变化去控制电桥输出。

机械式传感器是以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力，压力、温度等物理量，输出则是弹性元件本身的弹性变形。3.2机械式传感器

机械式传感器做成的机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。但弹性变形不宜大,以减小线性误差。此外,由于放大和指示环节多为机械传动，不仅受间隙影响,而且惯性大,固有频率低,只宜用于检测缓变或静态被测量。典型机械式传感器

微型探测开关

19机械工程测试技术基础电阻式传感器能把被测量转换为电阻变化的一种传感器。§3.3.1电阻式传感器§3.3

电阻、电容、电感传感器按工作的原理可分为:

变阻器式（大电阻式）、电阻应变式（微电阻式）20机械工程测试技术基础一、变阻器式传感器电阻式传感器第三章常用传感器1类型21机械工程测试技术基础电阻式传感器一、变阻器式传感器2结构和工作原理

线绕电位器的结构主要由电阻丝、电刷和骨架三部分组成。电阻丝：康铜、镍铬、卡玛（Karma）丝以及铂铱、金银。电刷：一般选用贵金属。骨架：塑料、胶木、金属（经绝缘处理）。22机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器3后接电路xPxueuo1ueuo=xxPRLRp+xPx()-VRL负载效应23机械工程测试技术基础电阻式传感器一、变阻器式传感器负载效应0xuo24机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器当电刷在变阻器线圈上移动时，电位器的阻值随电刷从一圈移动到另一圈是不连续变化的，故输出电压Uo也不连续变化，而是阶跃式地变化。电刷每移动一匝线圈使输出电压产生一次跳动，移动n匝，则使输出电压产生n次电压跳动（阶跃）。阶梯特性25机械工程测试技术基础电阻式传感器一、变阻器式传感器阶梯特性26机械工程测试技术基础电阻式传感器一、变阻器式传感器阶梯特性实际27机械工程测试技术基础电阻式传感器一、变阻器式传感器非线性变阻器28机械工程测试技术基础§3.2电阻式传感器一、变阻器式传感器电位器拉线式位移传感器

工作原理：被测物体移动时通过钢丝绳带动传感器的拉线盘使电位器旋转，电位器接在高精密的信号源上，其滑动头上的电位变化通过V/I变换器变换成4~20mA

输出。

主要特色：电位器为高精密线绕式多圈电位器，其线绕电阻丝为合金丝，精密可靠耐用，尤其适用于频繁动作的场合。变送器为高精密的V/I变换器模块，其变换精度可高达十万分之五。

适用范围：水轮机调速器的接力器和闸门行程，以及计算机监控系统中的位移测量。

29机械工程测试技术基础电阻式传感器案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理：电机->转角->电位器->电阻30机械工程测试技术基础电阻式传感器二电阻应变式传感器--应变片1工作原理导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。外力→变形→应力→应变→电阻值变化→电压变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求偏微分金属应变片的电阻R为§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片311工作原理代入电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片321工作原理电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片331工作原理金属丝径向相对变形：§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片341工作原理电阻率相对变化：对金属材料，主要考虑其几何变形引起电阻变化：2金属电阻应变片电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片35被称为灵敏度，其值为1.7~3.6之间。电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片36基本结构

1－基底2－敏感栅3－覆盖层4－引线，用以和外接导线连接L－敏感栅长度b－敏感栅的宽度

电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片37基本结构

3半导体应变片电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片38对半导体材料，主要考虑其电阻率变化引起电阻变化。3半导体应变片§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片391–应变片2–半导体敏感条3–外引线4–引线连接片5–内引线优点：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。4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）。

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。电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片405电阻应变片的选择、粘贴技术

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。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.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。§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片41焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片425电阻应变片的选择、粘贴技术

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，立即放在试件贴片位置。6电阻应变式传感器的应用电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器43案例：冲床生产记数和生产过程监测电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器446电阻应变式传感器的应用§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器45轮辐式力传感器特点：

刚性比较大，同时利用它的对称性，能够比较好地防止横向力的影响。6电阻应变式传感器的应用电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器46特点：

在外力作用下，各点的应力差别较大。薄壁圆环式力传感器标准产品6电阻应变式传感器的应用电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器476电阻应变式传感器的应用电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器48

轴剪切力传感器（应变片式扭矩传感器）6电阻应变式传感器的应用§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器49

轴剪切力传感器（应变片式扭矩传感器）6电阻应变式传感器的应用电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器50弹性元件为一具有盲孔的圆筒，当被测流体压力P作用于筒体内壁时，圆筒部分发生变形，沿圆筒周向粘贴的应变片产生正应变。用于管道及枪（炮）管内压力测量。筒式压力传感器案例：桥梁固有频率测量§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器51案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器52案例：机器人握力测量§3.2电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器--应变片53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。电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器54电阻式传感器机械工程测试技术基础二电阻应变式传感器553.3.2电容式传感器

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。一、变极距型机械工程测试技术基础电容式传感器57+++二、变面积型机械工程测试技术基础电容式传感器58平面线位移型59二、变面积型机械工程测试技术基础电容式传感器柱面线位移型二、变面积型机械工程测试技术基础电容式传感器60三、介质变化型机械工程测试技术基础电容式传感器61(一)电桥型电路将电容传感器作为电桥的一部分,由电容变化转换为电桥的电压输出。通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。

二、测量电路电桥型电路~(二)谐振电路

电容传感器的电容Cx作为谐振电路调谐电容的一部分。此谐振回路通过电压藕合,从稳定的高频振荡器获得振荡电压。当传感电容Cx发生变化,谐振回路的阻抗发生相应变化,并被转换成电压或电流输出,经过放大、检波即可得到输出。

(三)调频电路

传感器电容是振荡器谐振回路的一部分。当输入量使传感器电容量发生变化时,振荡器的振荡频率发生变化。频率的变化经过鉴频器变为电压变化,再经过放大后由记录器记录或显示仪表指示。

传感器电容固定电容(四)运算放大器电路

极距变化型电容传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系,这一缺点使电容传感器的应用受到一定限制。采用比例运算放大器电路可得到输出电压uy和位移量的线性关系。

五、电容传感器应用机械工程测试技术基础电容式传感器671、转速测量1—齿轮（动极板）2—定极3—电容传感器4—频率计机械工程测试技术基础电容式传感器682、电容测厚仪电容传感器在板材轧制装置中的应用69机械工程测试技术基础3.3.3电感式传感器

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一、自感型1.可变磁阻式70机械工程测试技术基础电感式传感器式中：N—线圈匝数Rm—磁路的总磁阻衔铁线圈铁芯71机械工程测试技术基础电感式传感器磁路的总磁阻Rm为：l——铁芯导磁长度(m)A——铁芯横截面积(m2)μ——铁芯磁导率(H／m)

δ

——气隙厚度(m)

A0——气隙导磁横截面积(m2)μ0——空气的导磁率(4π×10-7H／m)衔铁线圈铁芯72机械工程测试技术基础电感式传感器衔铁线圈铁芯可变磁阻式电感传感器典型结构73机械工程测试技术基础电感式传感器a)是可变导磁面积型；b)差动型；c)单螺管线圈型；d)双螺管线圈型双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性74机械工程测试技术基础电感式传感器应用：电感式圆度仪75机械工程测试技术基础电感式传感器1－被测工件；2－精密主轴；3－传感器；4－工作台76机械工程测试技术基础电感式传感器一、自感型原理:涡流效应2.涡流式高频反射式高频交流电i交变磁通量Φ涡流i1交变磁通量Φ1Φ1总是抵抗Φ的变化，从而导致原线圈等效阻抗Z发生变化：3.3.3电感式传感器低频透射式e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。3.3.3电感式传感器79分压式调幅电路涡流式传感器的测量电路电路中由振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电源频率相同时,输出电压U最大。测量时，传感器线圈阻抗随δ而改,LC回路失谐,输出信号U(t)频率虽然仍为振荡器的工作频率,但幅值随δ而变化。它相当于一个调幅波。此调幅波经放大、检波、滤波后即可以得到气隙δ的动态变化的信息。

803.3.3电感式传感器a)谐振曲线b)输出特性调频电路工作原理把传感器线圈接入LC振荡回路,当金属板至传感器之间的距离δ发生变化时,将引起线圈电感变化,从而使振荡器的振荡频率f发生变化,再通过鉴频器进行频率一电压转换,即可得到与δ成比例的输出电压。

82机械工程测试技术基础§3.3电感式传感器涡流式传感器应用案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测83机械工程测试技术基础§3.3电感式传感器一、自感型——涡流式油管检测案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。84机械工程测试技术基础§3.3电感式传感器一、自感型——涡流式案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。85机械工程测试技术基础§3.3电感式传感器一、自感型——涡流式二、互感型——差动变压器式传感器i1

原理：利用电磁感应中的互感现象，当线圈W1输入交流电流i1时,线圈W2产生感应电动势e12,其大小与电流i1的变化率成正比,即

互感型传感器就是利用这一原理，将被测位移量转换为线圈互感的变化，互感变化引起副线圈输出电压产生相应变化。因常常将两个次级线圈组成差动式，又称为差动变压器式传感器。二、互感型--差动变压器88机械工程测试技术基础§3.3电感式传感器后接电路：.

右图(

差动变压器式力传感器)所示差动变压器式力传感器的弹性元件是簿壁圆筒，在外力作用下，变形使差动变压器的铁芯介质微位移，变压器次级产生相应电信号。

差动变压器式测力传感器§3.4.1磁电式传感器

一、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。

90机械工程测试技术基础§3.4磁电、压电、与热电传感器磁电式动圈式二、分类机械工程测试技术基础磁电式传感器91线速度型角速度型磁阻式1.线速度型传感器工作原理。在永久磁铁产生的直流磁场内,放置一个可动线圈,当线圈在磁场中作直线运动时,它所产生的感应电动势为B——磁场的磁感应强度;l——单匝线圈有效长度;W——线圈匝数;v——线圈与磁场的相对运动速度;——线圈运动方向与磁场方向的夹角。2.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ω——角速度;A——单匝线圈的截面积;k——与结构有关的系数二、磁阻式

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(导磁材料)来改变磁路的磁阻,而引起磁力线增强或减弱,使线圈产生感应电动势。nnma)测频数b)测转速c)偏心测量d)振动测量压电式传感器是一种可逆型换能器,既可以将机械能转换为电能,又可以将电能转换为机械能。被广泛用于力、压力、加速度测量,也被用于超声波发射与接收装置。压电式传感器的工作原理是利用某些物质的压电效应。3.4.2压电传感器

一、压电效应压电效应正压电效应逆压电效应正压电效应 某些电介质受外力作用时，在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态的现象。FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－2/5/202399逆压电效应当在某些电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形的现象。E正压电效应逆压电效应101二、压电材料——石英晶体常见压电材料石英晶体压电陶瓷石英晶体化学式：SiO2形状：六角形晶柱，两端为一对称棱锥。三个垂直轴：z轴：光轴x轴：电轴（经过任一棱线）y轴：机械轴（垂直于棱面）压电效应模型2/5/2023传感器原理与应用103厚度纵向压电效应沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应。横向压电效应沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应。电荷量y方向受力的压电系数，d12=-d11作用力长度x方向受力的压电系数

在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀,形成金属膜,构成两个电极。当晶片受到外力作用时,在两个极板上积聚数量相等、而极性相反的电荷,形成了电场。因此压电传感器可以看作是电荷发生器,它又是一个电容器。三、压电传感器及等效电路其电容量为：ε——压电材料的相对介电常数,石英晶体ε=4.5;钛酸钡ε=1200;

——极板间距,即晶片厚度;A——压电晶片工作面的面积。并联，适宜于以电荷作为输出的场合。串联，适宜于以电压作为输出的场合。实际压电传感器中，往往用两个和两个以上的串接和并接。等效电路

压电式传感器是具有一定电容的电荷源Ca:传感器电容Ci:外界电路输入电容Cc:电缆分布电容Ra:传感器漏电阻Ri:输入阻抗考虑负载影响3.4.2压电式传感器简化等效电路压电传感器的输出电压当外力为正弦力F0sint时,ω为外力的圆频率，根据电荷平衡建立的方程式为:由于3.4.2压电式传感器其稳态解为：

上式表明：压电元件的输出电压受回路的时间常数R0C的影响。在测试动态量时，为了建立一定的输出电压并实现不失真测量，压电传感器的测量电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电容Ci以加大时间常数R0C.但并联电容过大也会使输出电压降低过多，降低了测量电路的灵敏度。四、测量电路1、测量电路概述1）压电传感器对测量电路的要求：压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显示和记录，而需经过二次仪表进行阻抗变换和信号放大。压电传感器需后接高输入阻抗的前置放大器。2）前置放大器的作用：阻抗变换（高输出阻抗低输出阻抗）放大微弱信号3）前置放大器的形式：电压放大器：电荷放大器：电阻反馈；输出电压与输入电压成正比。带电容负反馈的高增益运放；输出电压与输入电荷成正比。2、使用电压放大器使用电压放大器时，放大器输入电压为由于电容包含了、和，其中比都大，故整个测量系统对电缆对地的电容的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态的变化，都会导致传感器输出电压的变化。

3、电荷放大器等效电路

电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器，当略去传感器的漏电阻及电荷放大器的输入电阻时，其等效电路如下图所示。由于电压放大器输出电压与输入电压（传感器的输出）成正比，所以电压放大器的输出电压也会受到连接电缆的影响，其长度和形态的变化，都会导致传感器输出电压的变化。

Ca

qCc

Ci

-Aui

uy

Cf

由电荷平衡建立方程式：如果放大倍数足够大,则有上式简化为:输出电压与传感器的电荷量近似正比，且只与反馈电容有关，不受电缆电容的影响。五、压电式传感器的应用

压电式传感器常用来测量力、压力、振动的加速度,也用于声学(包括超声)和声发射等测量。压电效应是一种力一电荷变换,可直接用作力的测量。产品压力变送器加速度计力传感器3.4.2压电式传感器§3.4.3热电式传感器

概述

115机械工程测试技术基础第三章常用传感器热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它利用某种材料或元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。例如将温度转化为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由这些电参数的变化来表达所测温度的变化。在各种热电式传感器中，以把温度变化转换为电阻和电势变化的方法最为普遍。将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶。116机械工程测试技术基础热电偶热电式传感器

1823年，塞贝克（Seebeck）发现，把两种不同的金属A和B组成一个闭合回路。如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温T0中，则在回路中就有电流产生。如果在回路中接入电流计M，就可以看到电流计的指针偏转，这一现象称为热电动势效应（热电效应）。产生电流的电动势叫做热电势（也称塞贝克电势），用EAB（T，T0）来表示。

通常把两种不同的金属的这种组合称为热电偶，A和B称为热电极，温度高的接点称为测量端（也称为工作端或热端），而温度低的接点称为参考端（也称为自由端或冷端）。利用热电偶把被测温度信号转变为热电势信号，用电测仪表测出电势大小，就可间接求得被测温度值。两端温差越大，热电偶的热电势也越大。热电偶的基本工作原理是基于“热电动势效应”。工作原理117机械工程测试技术基础热电偶热电式传感器

接触电势

热电效应产生的热电势EAB（T，T0）是由接触电势（珀尔帖Peltier效应）和温差电势（汤姆森Thomson效应）两部分组成。

在不同的金属中自由电子的浓度不同，因此当两种不同金属A和B接触时，在接触处便发生电子的扩散。若金属A的自由电子浓度大于金属B的浓度，则在同一瞬间由金属A扩散到金属B中去的电子将比由金属B扩散到A中去的电子多，因而金属A对于金属B因失去电子而带正电荷，金属B获得电子而带负电荷。由于正、负电荷的存在，在接触处便产生电场。该电场将阻碍扩散作用的进一步发生，同时引起反方向的电子转移。扩散和反扩散形成矛盾运动，直至扩散作用和阻碍其扩散的作用的效果相同时，也即由金属A扩散到金属B的自由电子与金属B扩散到金属A的自由电子相等时，该过程便处于动态平衡。在这种动态平衡状态下，A和B两金属之间在接触处产生的电势称为接触电势（又称为珀尔帖电势）。118机械工程测试技术基础3热电偶§3.4.3热电式传感器

接触电势该电势为k

——波尔兹曼常数（k0＝1.38×10-23J/K）

T——接触点的绝对温度；

nA，nB——材料A，B的自由电子密度；

e——电子电荷电量（e=1.6×10-19C）。

接触电势的数值取决于两种金属的性质和接触点的温度，而与金属的形状及尺寸无关。

如果A、B

为同一种材料，接触电势为零。（nA

=nB）

119机械工程测试技术基础热电偶热电式传感器

温差电势对于任何一个金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同。温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此，高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端失去电子而带正电，而低温端得到电子而带负电，形成了电场，这个电场要阻碍电子的扩散，最后同样要达到动态平衡，从而在两端形成的电势称为温差电势，（又称为汤姆森电势）。设导体为均质导体，两端的温度为T、T0，A、B导体的温差电势σ——汤姆森系数（与材料和两端平均温度有关）。

温差电势的数值取决于金属的性质和两端的温度，而与金属的形状、尺寸和温度分布无关。

如果导体两端的温度相同，则温差电势为零。（T=T0）120机械工程测试技术基础热电偶热电式传感器

总热电势在由两种不同金属（nA

>

nB）组成的闭合回路中，当两端点的温度不同（T>T0）时，整个闭合回路内总的热电势EAB（T，T0）为如果热电偶两电极材料相同（nA＝nB，A＝

B），两接点温度不同，不会产生热电势；如果两电极材料不同，但两接点温度相同（T=T0），也不会产生热电势；热电偶工作的基本条件：两电极材料不同，两接点温度不同。

热电势的大小只与材料的性质及两端点的温度有关，而与热电极的几何形状和尺寸无关。121机械工程测试技术基础热电偶热电式传感器

测温原理当两热电极材料不同，且A、B固定（即

nA、

nB、A、

B皆为常数），热电势便为两接点温度（T，T0）的函数，若保持T0不变，则E（T0）为常数这就是热电偶测温原理。热电极的极性：热端失去电子的热电极为正极，获得电子的为负极，且有应该指出的是，在金属中自由电子数目很多，以致温度不能显著地改变它的自由电子浓度，所以在同一种金属内的温差电势极小，可以忽略。因此，在一个热电偶回路中起决定作用的是两个接点处产生的与材料性质和该点所处温度有关的接触电势。122机械工程测试技术基础热电偶热电式传感器

基本定律（2）中间导体定律：在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相等，对热电偶的总热电势没有影响。

（1）均质导体定律

两种均质金属组成的热电偶，其热电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。要求热电极材质均匀，克服因热电极上各点温度不同时造成附加误差。中间导体定律具有特别重要的实际意义。因为利用热电偶来测量温度时，必须在热电偶回路中接入电气测量仪表，也就相当于接入第三种材料。123机械工程测试技术基础热电偶热电式传感器

基本定律如果热电偶回路各接点温度相同，其总的热电势为0。于是假设当接点1、2和3的温度都为T0时，其回路总的热电势必为0，

其结果与两种金属时完全相同。

右图是将热电偶的一个接点分开，接入第三种材料C。设接点2和接点3的温度相同（T0），则这时热电偶回路的总的热电势为124机械工程测试技术基础热电偶热电式传感器

基本定律热电偶回路总的热电势，绝不会因为在其电路中的任意部分接入第三种两端温度相同的材料而有所改变。热电偶的这一特性，不但可以允许在其回路中接入电气测量仪表，而且也允许采用任意的焊接方法来焊接热电偶。这就是中间导体定律的实际意义。如果按右图的方式接入第三种材料，则回路总热电势为

由于

所以

其结果与两种金属时完全相同。

但是，如果接入第三种材料的两端温度不等，热电偶回路的总热电势将会发生变化。其变化大小，取决于材料的性质和接点的温度。对于上图来说，其改变值相当于B与C组成的附加热电偶的热电势。因此，接入第三种材料不宜采用与热电极的热电性质相差很远的材料；否则，一旦温度发生变化，热电偶的电势变化将会很大，从而影响测量精度。125机械工程测试技术基础热电式传感器

若导体A、B分别与连线导线A、B相接，其结点温度分别为T、Tn、T0，回路的总电势为

此式是连接导线（导体）定律的数学模型，即回路的总电势等于热电偶热电势EAB（T,Tn）与连接导线热电势EA

B（Tn,T0）的代数和。此定律是工业运用补偿导线进行温度测量的理论基础。当导体A与A及B与B材料分别相同时，上式可写为

此式是中间温度定律的数学模型，即回路的总电势等于EAB（T,Tn）,EAB（Tn,T0）的代数和。Tn称为中间温度。此定律为制定分度表奠定了理论基础，只要求得参考端温度为0℃时的“热电势－温度关系”，就可以根据此式求出参考温度不等于0℃时的电势。

（3）连接导体定律与中间温度定律：

126机械工程测试技术基础热电式传感器

（4）标准电极定律

如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则此两种导体组成热电偶的热电势就已知。

AC、AB

和BC三个热电偶，其接点温度一端都为T，另一端都为T0，若

由此可知，当任一电极B，C，D，…与一标准电极A组成热电偶产生热电势为已知时，就可以利用上式求出这些热电极彼此任意组成热电偶时的热电势。通常采用铂作为标准电极。

127机械工程测试技术基础热电式传感器

热电偶实物装配式热电偶热电阻铠装式热电偶热电阻热套式热电偶热电阻隔爆热电偶、热电阻128机械工程测试技术基础§3.4.3热电式传感器

热电偶常用热电偶1）铂铑－铂热电偶（WRLB型）属于贵金属热电偶。能长时间在0~1200℃中工作，短时间可以测到1600℃。它的物理化学稳定性好，因此一般用于较为精密的测温中。2）镍铬－镍铝热电偶（WREU型）是非贵重金属热电偶中性能最稳定的一种，因此应用最广。可长时间工作在1000℃，短时间可到1300℃。与铂铑－铂热电偶相比具有接近直线的分度曲线。在相同温差下，它的热电势要比铂铑－铂的热电势大4~5倍。缺点是热电极不易做得均匀，但由于它的热电势较大，还是可以保证有足够的精度，其误差一般在6~8℃范围内。因属于普通金属，价格较为便宜，故它的电极制作得比较粗（3mm），这样便带来很多优点，如使用寿命长、强度高等。129机械工程测试技术基础热电式传感器

热电偶常用热电偶

3）镍铬－考铜热电偶（WREA型）的正极是镍铬合金，而负极是考铜。短时间可以测量到800℃的温度。在标准分度的热电偶中它的热电势最大（例如在600℃时有66.4mV）。它也有较为接近线性的分度曲线，因此其测量精度比较高，应用较为广泛。其主要缺点是测量温度上限不高，电极材料成分含量不容易保证，因此复制性差。

4）铜－康铜热电偶是非标准分度热电偶中应用较多的一种，尤其在低温下使用更为普通。铜－康铜热电偶一般多用于实验和科研中，可以用来测量－200~＋200℃的温度。测量低温时，由于工作端的温度低于自由端，所以正负极要发生变化。在测量0℃以上温度时，铜为正极，康铜（成分为铜60％，镍40％）为负极。目前在0~100℃范围内铜－康铜热电偶已被定为三级标准热电偶，用以检定低温测量仪表的精度。它的误差不超过±0.1℃。130机械工程测试技术基础热电式传感器

热电偶

冷端补偿

因为热电势的大小只与热电极的材料性质及两端点的温度有关，而在测量中热电极材料是一定的，所以必须使一端温度（一般是冷端）保持不变，其热电势才是另一端温度（一般是热端）的单值函数。另外。热电偶的标准分度表是在其冷端处于0℃的条件下测得的电势值，只有冷端处于0℃时才能直接应用分度表或分度曲线。所以在温度测量中，热电偶电路中最大的问题是冷端的处理和补偿问题，即如何选择测温的参考点。131机械工程测试技术基础热电式传感器

热电偶

冷端补偿1）延长导线法利用延长导线（补偿导线）使冷端远离热端，引到温度较稳定的T0端测试。（在实际使用的时候，可把补偿导线一直延伸到配用仪表的接线端子，这时冷端温度即为仪表接线端子所处的环境温度）。

要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性。如图A、B为热电偶电极，C、D为补偿导线，冷端温度为T0，E为铜导线，M为所配用的毫伏计（或数字仪表，此时需加放大、数模转换等电路）。这时回路中总热电势为EAB（T，T0），流过测温毫伏计的电流为132机械工程测试技术基础热电式传感器

热电偶

冷端补偿式中RZ

，RC

，RM

分别为热电偶、导线（包括铜线、补偿导线和平衡电阻）和仪表的内阻（包含负载电阻RL

）。如图A、B为热电偶电极，C、D为补偿导线，冷端温度为T0，E为铜导线，M为所配用的毫伏计（或数字仪表，此时需加放大、数模转换等电路）。这时回路中总热电势为EAB（T，T0），流过测温毫伏计的电流为1）延长导线法

133机械工程测试技术基础热电式传感器

热电偶

冷端补偿2）0℃恒温法将热电偶冷端置于冰水混合物的0℃恒温器（或电恒温器）内，使其工作与分度状态达到一致。此方法只适用于实验室。134机械工程测试技术基础热电式传感器

热电偶

冷端补偿3）冷端温度修正法对于冷端温度不等于0℃，但能保持恒定不变（恒温器）或能用普通方法测出（室温）的情况，可采用修正法。（1）热电势修正法冷端温度不为0℃而是某一温度Tn，实际测得的热电势为EAB(T,Tn)，无法直接利用分度表，可利用中间温度定律进行修正。设Tn为室温21℃，用铂铑10—铂热电偶测量温度T，测得热电势为EAB(T,21)＝0.465mV，查分度表知EAB(21,0)＝0.119mV。则用0.584mV查分度表知T＝92℃，即实测温度T为92℃。135机械工程测试技术基础热电式传感器

3热电偶

冷端补偿3）冷端温度修正法对于冷端温度不等于0℃，但能保持恒定不变（恒温器）或能用普通方法测出（室温）的情况，可采用修正法。（2）温度修正法由实测热电势EAB（T，Tn）直接查分度表表，得T，此温度不是真实温度T，

T＝T＋kTnk为热电偶修正系数，决定于热电偶种类和被测温度范围。例如上例，用铂铑10—铂热电偶测量温度T，测得热电势为EAB(T,21)＝0.465mV，直接查分度表得T＝75℃。查k值表得k=0.82，则T＝75＋0.82×21＝92.2℃与热电势修正法所得结果一致。将光信号转换为电信号的传感器。用这种传感器测量其他非电量时，只需将这些非电量的变化先转换为光信号的变化。优点：响应快，可靠性高结构简单，使用方便可以实现非接触式测量工作的物理基础是光电效应。3.5光电传感器光电效应：外光电效应内光电效应光电效应分两大类型：外光电效应和内光电效应金属金属氧化物光照

电子逸出物体表面外光电效应光照半导体

电子在物体内部运动内光电效应外光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。光子的能量：光的频率普朗克常数逸出功初始动能光照射物体：说明：光子能量必须超过逸出功，才能产生光电子。光电子逸出后具有初始动能，因此，不加阳极电压也会有光电流产生。欲使电流为零，需加负的截止电压。内光电效应在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。分为：光电导效应光生伏特效应光电导效应：若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发电子-空穴对，使导电性增加。应用：光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管光生伏特效应在光线的作用下，能够使物体产生一定方向的电动势的现象。应用：光电池3、光敏电阻（1）光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管；几乎都是用半导体材料制成；没有极性，可加直流或交流电压；无光照时，电阻较大；有光照时，电阻急剧变小。（2）光敏电阻的主要参数暗电阻：

不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时的电流称为暗电流。亮电阻：

受光照射时的阻值称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。光电流：

亮电流与暗电流之差称为光电流。4、光敏二极管和光敏三级管光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的，其差别只是光照在半导体结上而已。

NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路光敏二极管结构简图、符号和接线图5、光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。实质上是一个大面积的PN结。工作原理是基于“光生伏特效应”。种类较多：硒光电池硅光电池+++---PN6、光电耦合器件

由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件组成。分为：实现电隔离的光电耦合器检测有无物体的光电开关光电耦合器组合形式光电传感器的应用

按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。1.）模拟式光电传感器

被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。

恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。

被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。

被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。

表面缺陷检测光电转速计工作原理

如图所示为直射式光电转速传感器的结构原理。它是由装在输入轴上的开孔盘、光源、光敏元件以及缝隙板所组成，输入轴与被测轴相连接。从光源发射的光，通过开孔盘和缝隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光。开孔盘上开有一定数量的小孔，当开孔盘转动一周，光敏元件感光的次数与盘的开孔数相等，因此产生相应数量的电脉冲信号。

2.）

脉冲式光电传感器

脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。

3.6光纤传感器

光纤传感器以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，是利用光导纤维输送光信号的传感器。优点不受电磁干扰；体积小、重量轻；灵敏度高、耐腐蚀；集传感与传输于一体；应用领域广温度、压力、应变外界因素光纤传输光波量光纤传感器外界因素光纤传输光波量光纤传感器外界因素：压力、温度、电场、磁场。光波量：光强、相位、频率、偏振态。光纤结构及传光原理光纤结构及传光原理光纤结构154光纤的基本结构n1略大于n2光纤传光原理