测试技术(第五章)课件

工程测试技术——郭世伟第五章常用传感器及其原理一、前言1、概述

传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污染信况等等。在自动控制领域中，自动化程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大，因此，传感器对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。传感器是测量变换器，它是测控系统的关键部件。现代信息技术的三大基础是：信息采集（传感器），通讯技术（含网络），计算机技术。它们分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，如果“感官”除出了毛病，不能对被测信号进行准确可靠地捕捉和转换，再聪明的“大脑”也无能为力。

传感器完成非电量的电量转换，这里的电量有电能量（如电压、电流、电场强度和电功率等）和电参量（如电阻、电容、电感、电频率和相位等）之分，后者在测试过程中还需进一步转换为电能量。 传感器在非电量电测系统中的两个作用是：敏感作用，转换作用。对应地，传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。完成非电量的电量转换，该变换称为一次变换（对应为“一次仪表”）。如应变式压力传感器的弹性膜片是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的形变，并将弹性膜片的形变转换为电阻的变化而输出。一般把信号调理与转换电路归为辅助器件，对转换成的电参量的进一步“加工处理”称为二次变换，由测量电路（调理电路）实现（对应为“二次仪表”）。变换有微弱信号放大、滤波处理、调制解调等，它们把敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。

2、传感器的发展高性能、新型传感器的研制开发和应用，对科研、生产过程的自动化、智能化，对人类认识研究改造自然事物的深度和广度都具有重要的现实意义。当今，传感器技术的主要发展动向有两个方向：（1）开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。例如，利用某些材料的化学反应制成的能识别气体的“电子鼻”；利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。（2）实现传感器的集成化、智能化。随着集成电路制造技术的发展，现在已经能把一些处理电路和传感器集成在一起，构成集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成一种新型的“智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。这种集成化、智能化的发展，无疑对现代工业技术的发展将发挥重要的作用。

3、工程测试中的传感器本章主要从实际应用的角度介绍机械工程测量中常用的传感器。一般的传感器是指把被测的非电量转化为与之对应的、易于处理的电参量。这里的非电量一般有：力矩、应变、位移、速度、加速度、转速、温度、压力、流量、液位等。电参量主要有：电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。对于进行测控系统设计的用户来说，主要了解其工作原理，使用中的注意事项，关心其动态特性、测量精度、灵敏度等性能参数，测量电路、接口电路的设计等。往往一种被测量可应用多种类型的传感器来检测，需要根据工作原理、实际测试等情况选用。4、传感器的分类 按传感器的应用——用于哪种被测物理量的测量分类； 按传感器的工作原理分； 按传感器的构造原理分； 按信号的转换效应分； 按敏感元件的材料分； 按能量观点分，能量转换型（无源型）、能量控制型（有源型）等； 按输出信号类型分，等。

5、传感器的性能要求对于半导体材料来说，其压阻系数很大。在力的作用下，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2、应变片的种类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3、电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。（二）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:电感式传感器自感型可变磁阻型反射、透射涡流式互感型差动变压器式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），且有优点：可用于动态非接触测量，接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。应用：位移、力、振动位移测量，测厚,材质判别（2）应用举例：

例连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：该类传感器的特点例：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）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。（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：板的厚度测量~例：张力测量可变铁心式电感测微计（三）电容式传感器1.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:+++A

当被测量δ、A或ε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。2分类

a)极距变化型;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)面积变化型:平面线位移型,角位移型,柱面线位移型.灵敏度为常数，一般不会产生非线性误差。c)介质变化型3、电容式传感器的测量电路（1）电桥型电路（2）谐振电路

（4）运算放大器电路可改善非线性关系（3）调频电路4、应用测介质厚度例:液面高度测量例：电容传声器

（四）压电晶体传感器1、利用压电材料的压电效应——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，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。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振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。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。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。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。实际应用中有串联和并联连接方法：压电式传感器适宜于动态测量。2、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。3、应用b)压力变送器a)加速度计，力传感器

例：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，且与加速度计的固定状况有很大关系。（五）磁电式传感器1、变换原理:

电磁感应原理磁感应电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。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。它是一种机-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，适用于振动、转速、扭矩等测量。

匝数为W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，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。2、分类按工作原理不同，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。

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N动圈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动势，其频率f与测量齿轮转速n成正比。3、应用b)测速电机a)磁电式车速传感器（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。以N型半导体为例说明。1、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。产生的霍尔电场的电势为：改变B、i即可改变电势值，B为位移函数时可测位移值2、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。案例：电流传感器案例：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体元件霍尔IC结型元件霍尔元件磁电阻元件磁敏二极管磁晶体管磁半导体开关其它开关线性4、磁电阻元件磁阻效应--++lwx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。

R-5-4-3-2-1012345应用磁头；接近开关；无触点开关。（七）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，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。1、光敏电阻、光敏晶体管

光电导效应是指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,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。

2、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。+++---PN3、应用

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、反射式、辐射式四种基本形式。例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。例：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。（八）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、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。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。

应用温控器热敏电阻（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、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测量、酒精浓度探测等方面。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器（十）CCD固态图象传感器MOS(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)。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。01111100光敏管阵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:(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.（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度(K)，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：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态温度场的检测问题。（十二）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、散射等物理性质。

3、超声波传感器及应用

(1)超声波传感器对(2)超声波探伤tA超声波的发射与接受案例：输油管检测检测机器人4、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，但多数金属(如钢、铁等)的声发射频带，均在超声范围内。声发射分:1）连续发射;2）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，检测到的两类信号如图所示。案例：材料断裂等结构监测。（十三）光纤