测试技术学习课件第3章

测试技术学习课件第3章第一页，共60页。传感器3.1概述3.2传感器的分类3.3机械式传感器3.4电阻式传感器3.6电感式传感器3.5电容式传感器本章主要内容3.8压电式传感器3.7磁电式传感器3.9热电式传感器3.10光电传感器3.11半导体传感器3.12传感器的选用原则第二页，共60页。概述3.1概述3.1.1传感器(Sensor)定义

传感器是个器件或装置，能感受被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号。通常由敏感元件和转换元件组成。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器件或装置。返回第三页，共60页。概述3.1.2传感器在非电量电测系统中的作用1）敏感作用：感受并拾取被测对象的信号2）变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号返回第四页，共60页。传感器的分类3.2传感器的分类1.按照被测量分类，分为位移、力、温度传感器等2.按照传感器的工作原理，分为机械式、电气式、光学式、流体式等3.按照信号变换特征，分为物性型和结构型

a.物性型传感器：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，利用水银的热胀冷缩现象，压电测力计是利用石英晶体的压电效应等。第五页，共60页。传感器的分类b.结构型传感器：是依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换的。如电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化。4.按照敏感元件与被测对象之间的能量关系，分为能量转换型与能量控制型

a.能量转换型传感器：被测对象输入能量使其工作,如压电式传感器

b.能量控制型传感器：从外部供给辅助能量使传感器工作，并由被测量来控制外部供给能量的变化。5.按照输出信号不同，分为模拟式和数字式返回第六页，共60页。机械式传感器3.3机械式传感器

把被测量转换成弹性变形，如弹簧秤等输入量：力、压力、温度等物理量输出量：弹性元件本身的弹性变形返回第七页，共60页。电阻式传感器3.4电阻式传感器

电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器3.4.1

变阻器式传感器1）原理：通过改变电位器触点位置，把触点的位移转换为电阻值的变化：电阻率2）灵敏度：电阻丝长度与电阻值成线性比电阻值：第八页，共60页。电阻式传感器3.4.2

电阻应变式传感器1）原理：电阻丝沿轴向伸缩应变，截面积和电阻率也随着改变，从而将应变（应力）转换为电阻值的变化。第九页，共60页。电阻式传感器2）灵敏度第十页，共60页。电阻式传感器径向应变与轴向应变的关系式：：电阻丝材料的泊桑比：电阻丝轴向相对变形，也称纵向应变电阻率的变化率与轴向正应力的关系：：压阻系数，与材质有关E：电阻丝材料的弹性模量第十一页，共60页。电阻式传感器有：其中：项由几何尺寸变化引起项由电阻率变化引起3）金属电阻应变片第十二页，共60页。电阻式传感器a.金属电阻应变片的电阻变化与应变的关系金属电阻丝的很小，可忽略，有：即：电阻丝的电阻相对变化率与应变成正比Sg为常数灵敏度：b.使用方式把应变片用特制胶水固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝随同该物体一起变形。第十三页，共60页。电阻式传感器2）半导体应变片a.电阻变化与应变的关系灵敏度：远大于金属电阻丝应变片的灵敏度第十四页，共60页。电阻式传感器返回金属应变片与半导体应变片的比较：a.金属应变片的稳定性和温度特性较好b.半导体应变片的灵敏度较高应变片粘合剂和粘合技术对测量结果有直接的影响第十五页，共60页。电容式传感器3.5电容式传感器将被测量的变化转化为电容量变化电容值公式：+++A式中ε：极板件介质的相对介电系数ε0：真空中的介电常数

A：极板面积

δ：极板间距离第十六页，共60页。电容式传感器3.5.1电容传感器类型1）极距变化型原理：以两极板间隙感知到位移信号，并转换为电容的变化灵敏度：δ即为变量问题：C与δ不成线性关系，S不是一个常数，这种传感器不能使用。第十七页，共60页。电容式传感器解决办法：只有当被测量变化范围（即Δδ）很小的时候，灵敏度S才近似为一个常数。

结论：极距变化型电容传感器只能测量较小的间距变化量。第十八页，共60页。电容式传感器例1：Δδ较大，则误差大若δ=1mm时电容值为C，δ=0.75mm时电容值为C1，δ=0.5mm时电容值为C2，则：第十九页，共60页。电容式传感器例2：Δδ较小，则误差小若δ=1mm时电容值为C，δ=0.95mm时电容值为C1，δ=0.9mm时电容值为C2，则：第二十页，共60页。电容式传感器2）面积变化型b.电容变化与位移成正比a.电容变化与角度成正比3）介质变化型第二十一页，共60页。电容式传感器3.5.2电容式传感器测量电路即电容传感器的后续电路。电容传感器将被测量（如位移）转换为电容量的变化，后续电路将电容量的变化转换为电压、电流或频率信号。1）电桥型电路教材P81图3-152）谐振电路教材P82图3-17第二十二页，共60页。电容式传感器返回3）调频电路教材P82图3-184）运算放大器电路教材P83图3-19第二十三页，共60页。电阻式传感器3.6电感式传感器

电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的一种装置第二十四页，共60页。电阻式传感器3.5.1自感型1)可变磁阻式线圈自感量：W：线圈匝数Rm：磁路总磁阻，包括铁心磁阻与气隙磁阻a.变间隙型其中：气隙磁阻：铁心磁阻第二十五页，共60页。电感式传感器因为气隙磁阻远大于铁心磁阻，所以：气隙长度：空气磁导率：气隙导磁横截面积

则：a.1原理用气隙长度δ感知被测量（位移），并将被测量转换为电感的变化。第二十六页，共60页。电感式传感器a.2灵敏度：由灵敏度表示式可看出：由于S不是常数，所以会出现线性误差，为使S近似为常数，一般实际应用中

因此，可变磁阻式传感器适用于较小位移（0.001~1mm）的测量。

例如：若第二十七页，共60页。电感式传感器b.差动型衔铁第二十八页，共60页。电感式传感器2)涡电流式线圈通高频交流电——产生交流磁场——金属板产生感应电流（涡流）——涡流磁场使线圈的阻抗发生变化，变化量与距离

、金属板电阻率等有关。因此，涡电流传感器可作位移、振动测量，也可做材质鉴别。优点：非接触，不受油污影响。第二十九页，共60页。电感式传感器3）互感式--差动变压器工作原理输出特性改变互感值，随着铁心偏离中心位置，输出e0逐渐增大第三十页，共60页。电感式传感器电感式传感器应用案例：板厚测量张力测量返回涡流式传感器的分压式调幅测量电路：P86图3-25可变磁阻式差动型第三十一页，共60页。磁电式传感器3.7磁电式传感器3.7.1

原理：把被测物理量转换为感应电动势感应线圈的感应电动势为：磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.7.2分类Φ：磁通N：线圈匝数第三十二页，共60页。磁电式传感器a)动圈式B：磁场的磁感应强度l：单匝线圈有效长度v：线圈与磁场相对运动速度θ：线圈运动方向与磁场方向夹角B：磁场的磁感应强度A：单匝线圈截面积ω：线圈与磁场相对运动速度k：系数，与结构有关第三十三页，共60页。磁电式传感器b）磁阻式1）线圈与磁铁不做相对运动2）运动着的物体（导磁材料）改变磁路磁阻，引起磁力线变化，使线圈产生感应电动势磁电式传感器应用案例：磁电式车速传感器返回1-2班第三十四页，共60页。压电式传感器3.8压电式传感器工作原理：利用某些物质（如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等）的压电效应3.8.1相关概念1）压电效应石英等物质受外力作用时，内部极化，表面有电荷出现，形成电场，当外力消失时，材料重新回复到原来形状。第三十五页，共60页。压电式传感器2）光轴，电轴，机械轴光轴：z-z电轴：x-x机械轴：y-y3）压电纵向效应、横向效应、切向效应（P91图3-36）利用纵向效应测量，但横向效应会产生噪声干扰，所以，选用横向效应小的压电材料较好。3-4班第三十六页，共60页。压电式传感器3.8.2压电材料压电单晶（如石英）、压电陶瓷（如钛酸钡）3.8.3压电式传感器及其等效电路压电式传感器相当于一个电容压电电荷：(q相当于电流)由于有放电，极板上的电荷无法保存，造成测量误差，因此适用于动态测量（变化快，漏电量相对小）第三十七页，共60页。等效电路：Ca：压电传感器电容Cc：连接电路、后续电路的电容Ra：传感器中的漏电阻Ri：后续电路的输入阻抗等效电容C=Ca+Cc等效电阻R0=Ra+Ri因Ra很大，R0≈RiqCicR0iui电荷平衡方程式：压电式传感器qCaCcRiuiRa第三十八页，共60页。压电式传感器第三十九页，共60页。若R0大，则i小，ui大，因此后续电路的阻抗大更好压电式传感器若R0很大，则：qCaCcCiui传感器电缆等效电路：第四十页，共60页。3.8.4测量电路（放大器）通常把传感器信号先输入到前置放大器，才能用一般的放大、检波。压电式传感器1）前置放大器的作用

a.将高阻抗输出变换为低阻抗输出

b.将压电式传感器的微弱信号放大第四十一页，共60页。压电式传感器2）前置放大器类型a.电压放大器（用电阻反馈）结论：若电缆长，则电缆电容的影响大CiqCaCcuyuiRf传感器电缆放大器第四十二页，共60页。qCaCcuyCiuiCf传感器电缆放大器b.电荷放大器（用电容反馈）压电式传感器等效电容C=Ca+Cc+Ci第四十三页，共60页。qCicuyuiCfif（k为放大器的放大倍数）将代入得：压电式传感器第四十四页，共60页。3.8.5压电传感器的应用用于测力、振动加速度、声发射返回压电式传感器若则因此，电荷放大器的输出电压与q成正比，与电缆的电容无关

第四十五页，共60页。热电式传感器3.9热电式传感器把温度转换为电量变化热电效应：热电元件受温度作用，电子活性改变，生成电量或阻值降低。3.9.1热电偶原理：把两种不同的导体两端相接形成回路，两个接点分别置于不同的温度下，在同一个导体内，由于于热电效应，两端产生电动势，两个导体产生的电动势不同，因而两个导体之间有电动势差。若一端温度衡定，则该电势差仅与另一端温度相关。第四十六页，共60页。热电式传感器铂铑—铂热电偶常用热电偶1）铂铹—铂热电偶：可测1300度2）镍鉻—镍硅热电偶：可测900度3）镍鉻—考铜热电偶：可测600度4）铂铹—铂铹热电偶：可测1600度第四十七页，共60页。热电式传感器3.9.2热电阻简易铂热电阻引线铂常用热电阻1）铂电阻：可测650度2）铜电阻：可测-50度~150度返回第四十八页，共60页。热电式传感器3.10光电传感器先将被测量的非电量变化转化为光信号的变化，再用光电传感器将光信号变化转化为电信号变化3.10.1光电测量原理每个光子具有的能量：其中：h为普朗克常数光电效应：光子与物体能量交换过程产生的电效应为光的频率第四十九页，共60页。热电式传感器1）外光电效应（光电子发射效应）在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出其中A为电子逸出功逸出条件：其中：c为光速

λ0为入射光波长第五十页，共60页。电感式传感器2）内光电效应（光导效应）电子吸收光子能量，活性增强，电阻率降低内光电效应器件：光敏电阻（光导管）3）光生伏打效应：光照使物体产生电动势。光电池光强（光电子数）与能否产生逸出电子无关。当达到逸出阈值时，光强与逸出电子数相关。外光电效应器件：光电管、光电倍增管第五十一页，共60页。电感式传感器3.10.2光电元件1）光电管在光的照射下，阴极材料产生外光电效应，电子逸出到阳极。阴极材料特性参数：频谱灵敏度、红限、逸出功常用光电管阴极材料：银氧銫（Ag-Cs20）(铯：音se)第五十二页，共60页。电感式传感器2）光电倍增管3）光敏电阻内光电效应光敏电阻材料：硫化镉、氧化锌、硫化铅等暗电流：未受光照条件下通过的电流光电流：受光照条件下通过的电流阴极与阳极间有倍增极，使产生更多电子，灵敏度高，用于弱光第五十三页，共60页。电感式传感器4）光敏晶体管