测试技术-4-常用传感器

上节课回顾1

测试系统及其主要性质定义：借助专门设备—测试装置(系统)，设计相应的实验,采用合适的方法和必要的数学处理方法求得感兴趣的信息。h(t)H(s)系统输入输出x(t)X(s)Y(s)y(t)1.1测试系统的基本要求

输入输出存在单值确定的对应关系，其中线性关系为最佳。理想的测试装置1.2

线性系统及其主要性质1.2.1时不变（定常）线性系统：其中，ai

(i=0,1,…,n)、bj

(j=0,1,

…,m)为常数，n≥m。1.2.2线性系统的主要性质叠加性、齐次性、微分特性、积分特性、频率保持性2

测试系统的静态特性

是指静态测量情况下描述实际测试装置与理想定常线性系统的接近程度。测试系统的静态特性：（1）

静态方程测试装置处于静态测量时，输入量x和输出量y不随时间而变化，各阶微分等于0。（2）

定度曲线实际测量装置一般为非理想定常线性系统：1.非线性度非线性度、定度曲线（通常不是直线）、非线性误差拟合直线的确定方法：端基直线、独立直线等0BAx测量范围端基直线校准曲线0BAx测量范围拟合曲线校准曲线2.灵敏度定义为输出量的变化

y与引起该变化的输入量的变化

x之比理想情况下，实际应用：总是用定度曲线的拟合直线的斜率作为该装置的灵敏度放大倍数：定义为当输入输出量纲相同时的灵敏度。3分辨力

是指测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。定义：注意：一个测试系统的分辨力越高，表示它所能检测出的输入量的最小变化量越小。4.回程误差回程误差是指输入量由小到大与由大到小变化时，测试装置对同一输入量所得输出量不一致的程度回程误差5.漂移

是指测试系统在输入不变的条件下，输出随时间变化的趋势。点漂（相同输入，不同输出）；零漂：最低量程的点漂漂移3

测试系统的动态特性

1.传递函数传递函数

是指零初始条件下，定常线性系统输出量的拉普拉斯变换与引起该输出的输入量拉普拉斯变换之比。

H(s)与输入x(t)及系统的初始状态无关；H(s)只反映系统传输特性，而和系统具体物理结构无关。输入与输出间的量纲变换关系ai和bj的量纲由具体物理系统决定。H(s)的分母取决于系统的结构频率响应函数2.频率响应函数是指零初始条件下，定常线性系统稳态输出量的傅里叶变换与引起该输出的输入量傅里叶变换之比。（1）频率响应函数的概念（2）频率特性幅频特性、相频特性、频率特性、实频特性、虚频特性（3）频率响应函数的求法（4）幅、相频率特性的图像描述3.脉冲响应函数4.环节的串联和并联h(t)称为系统的脉冲响应函数或权函数。y(t)=L-1[H(s)]=h(t)H(s)=H1(s)H2(s)···

Hn(s)H(s)=H1(s)+H2(s)+

+Hn(s)串联并联幅频特性、相频特性。。。5.一阶和二阶系统的特性4

测试系统在典型输入下的响应4.1系统对任意输入的响应任何输入信号x(t)都可用众多相邻接的、持续时间为

的矩形波信号来逼近。系统的响应y(t)即为这些脉冲依次作用的结果。4.2测试系统在单位阶跃输入的响应一阶系统单位阶跃响应的特点：输出无震荡，y(

)=1，无稳态误差。。。二阶系统单位阶跃响应的特点：输出震荡，y(

)=1，无稳态误差。。。第4章常用传感器Transducer4.1传感器概述(Introduction)4.2

传感器选用原则(PrincipleofTransducerSelection)4.3

电阻式传感器(ResistanceTransducer)4.4

电感传感器(InductanceTransducer)4.5电容传感器(CapacitanceTransducer)返回4.1

传感器概述

(Introduction)1.传感器概念

是指直接作用于被测量，并能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。传感器传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。2.传感器分类

按被测量分类位移、力、温度、压力、流量、速度传感器等。

按工作机理分类机械式、电气式、光学式、化学型等。传感器概述(2/5)

按构成原理分类物性型

依靠敏感元件本身的物理化学性质的变化实现信号变换。如水银温度计、压电式传感器等。结构型依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。

如电容式、电感式传感器等。

按能量变换关系分类能量转换型(无源型、发电型或主动传感器）直接由被测对象输入能量使其工作。

如热电偶温度计、弹性压力计、压电式传感器。能量转换型传感器存在负载效应。能量控制型(有源型、能量调节型或被动传感器)由外部辅助能量使其工作，并由被测量控制外部供给能量的变化。如电桥式电阻应变计等。传感器的换能元件可能不止一个（如电容式压力传感器），甚至是一个小型装置（如力反馈式加速度计）。注意：传感器概述(3/5)3.传感器的性能要求（9）低成本、通用性强。（1）灵敏度高，输入和输出之间有较好的线性关系；（2）噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；（3）滞后、漂移误差小；（4）动态特性良好；（5）在接入测量系统中，对被测量不产生影响；（6）功耗小，复现性好，有互换性；（7）防水及耐腐蚀等性能好，能长期使用；（8）结构简单，容易维修和校正；传感器概述(4/5)传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其他指标量程指标:量程范围、过载能力等灵敏度指标:灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等精度有关指标:精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性等动态性能指标:固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间、过冲量、稳态误差等温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标:允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差等其他环境参数:抗潮湿、耐介质腐蚀能力、抗电磁干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标:供电方式(直流、交流、频率及波形等)及功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等结构方面指标:外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装连接方面指标:安装方式、馈线电缆等传感器概述(5/5)4.传感器的发展趋势（6）研究生物感官，开发仿生传感器。（1）采用新原理、开发新型传感器；（2）大力开发物性型传感器；（3）传感器的集成化；（4）传感器的多功能化；（5）传感器的智能化(smartsensor)；4.2

传感器选用原则

(PrincipleofTransducerSelection)1.灵敏度传感器的灵敏度越高，可以感知的变化量越小。

传感器往往要求有较大的信噪比。传感器的量程范围与灵敏度密切相关。

过高的灵敏度会影响其适用的范围。在测量过程中，传感器在被测量方向上的灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好；

对于二维或三维矢量的测量，传感器的交叉灵敏度愈小愈好。2.线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围越宽，传感器的工作量程越大。传感器选用原则(2/2)3.响应特性传感器响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。实际传感器的响应总有一定的延迟，但延迟时间越短越好。4.稳定性稳定性是指经过长期使用后，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和环境。5.精确度精确度表示传感器输出与被测量的对应程度。传感器的精确度并非越高越好，选择时应从实际出发。6.其他选用原则如实际测试条件下的工作方式等因素。4.3

电阻式传感器

(ResistanceTransducer)

电阻式传感器将被测量转换成电阻变化量，再通过中间变换电路将电阻变化变换为电压或电流进行测量。电阻式传感器按工作原理可分为：（5）气敏电阻式（6）光敏电阻式等（1）变阻器（电位器）式（2）应变片式（弹性电阻式）（3）热敏电阻（4）磁敏电阻式电阻式传感器(2/22)1.电阻应变式传感器（1）应变式传感器工作原理1）金属的电阻应变效应

是指导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随所受机械变形（应变）的变化而发生变化的现象。电阻应变效应设金属丝长度为l，截面积为A，电阻率为

，则其阻值为金属丝变形时，

、l、A将同时发生变化，从而导致R改变。若

、l、A的变化量为d

、dl、dA，则电阻式传感器(3/22)即：对半径为r的金属电阻丝有：，：电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。：电阻丝径向相对变形，或称横向应变。横向应变与纵向应变间的关系为式中为泊松比。负号表示两者变化相反。：电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力

有关。电阻式传感器(4/22)E为电阻丝材料的弹性模量；

为压阻系数，与材质有关。受力后电阻丝几何尺寸变化所引起，对于同一材料（1+2v）为常数。受力后电阻率的改变引起，对金属材料，

E很小。

在电阻丝拉伸比例范围内，电阻相对变化与其所受的轴向应变成正比。电阻式传感器(5/22)电阻应变片的应变系数或灵敏度S0定义为通常，S0=1.7~3.6。2）应变片的基本结构及测量原理典型结构：将一根高电阻率金属丝（康铜、镍铬、卡玛合金等，直径0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路中。测量原理：将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴在被测件上，被测物变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅—

阻值变化—

转换电路转换为电压或电流信号。电阻式传感器(6/22)如果把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，可以构成各种不同的传感器。（2）电阻应变片的分类及材料金属电阻应变片分为丝式、箔式和膜式。1）丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式两种。回线式短接式电阻式传感器(7/22)丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大。短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。安全电流：10~50mA，电阻：50~1000

（典型120

）。2）箔式应变片箔式应变片由厚度为3~10

m

的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔片。

大批量生产，可制成多种复杂形状。

散热好，允许电流大。

横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。

柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。电阻式传感器(8/22)3）膜式应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。

应变灵敏度大。

允许电流密度大。

工作范围广，可达-197～317℃。（3）电阻应变片的应用

测量结构的应变或应力。

将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。电阻式传感器(9/22)齿轮轮齿弯矩x位移传感器m质块加速度传感器F柱式测力传感器电阻式传感器(10/22)注意事项应变极限：机械滞后：零漂和蠕变：零漂：恒定温度，无机械应变时，应变片阻值随时间变化的特性。蠕变：恒定温度、恒定应变时，应变片阻值随时间变化的特性。

应变大—输出非线性大。误差为10%时对应的应变作为应变片的应变极限。

敏感栅、底基及胶粘层承受机械应变后，一般都会存在残余变形，造成应变片的机械滞后。电阻式传感器(11/22)动态响应特性应变片栅长/mm0.20.51235101520最高工作频率/kHz125050025012583.3502516.612.5温度影响：温度变化导致应变片电阻变化与由应变引起的电阻变化往往具有同等数量级，须用适当电路进行温度补偿。（4）电阻应变片的特点

性能稳定、精度高，综合误差在1.0%~0.1%，高精度力传感器已能达到0.03%~0.01%。

测量范围广压力：104~109Pa；力：0.1~107N。

能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强。电阻式传感器(12/22)2.压阻式传感器（1）基本工作原理

是指半导体材料受到应力作用时，其电阻率发生变化的现象。压阻效应单晶半导体在外力作用下的电阻变化量仍为对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化

E远远大于形变引起的电阻变化(1+2v)

，则

实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。电阻式传感器(13/22)灵敏度：由半导体理论E——半导体材料的弹性模量。

L——沿某晶向L的压阻系数；

——沿某晶向L的应力；半导体电阻材料的灵敏度比金属丝要高50～70倍。例：对于半导体硅，

L=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011Pa,则S0=

LE＝50～100。电阻式传感器(14/22)（2）压阻式传感器类型与特点

压阻式传感器有两种类型1）利用半导体材料的体电阻制成粘贴式的应变片，其使用方法与电阻应变片类似。2）在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，测量压力和加速度等物理量。

压阻式传感器的优点缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。1）灵敏度非常高。2）分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压。3）测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高。4）可测量低频加速度和直线加速度。电阻式传感器(15/22)3.变阻器式传感器（1）变阻器式传感器的结构和原理变阻器式传感器实际是精密线绕电位器，通过改变电位器触头位置将位移转换为电阻变化。导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。变阻器式传感器除可以测量线位移和角位移，还可以测量任何可以转换为位移的物理参数，如压力、加速度等。1）直线位移型

xCxABCR改变触点C的位置时，AC间电阻值为KL：单位长度内的电阻值，

/m。电阻式传感器(16/22)传感器灵敏度：当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。2）角位移型

—角位移；K

—单位弧度电阻值,

/rad

。传感器灵敏度：ACB电阻式传感器(17/22)3）非线性型（2）变阻器式传感器的特性变阻器式传感器具有阶梯特性和负载效应。xACB电阻式传感器(18/22)阶梯输出特性

是指电位器触点的最小位移为线圈的一匝，每当触点移动一个节距，输出电阻产生一匝电阻值的跳跃，即输出电阻值不是位移的连续函数，而是阶梯形折线。理想电位器每个阶梯大小均相同，通过每个阶梯中点的直线即为理论特性曲线。xR01）阶梯输出特性电阻式传感器(19/22)阶梯误差是指理想阶梯特性线对理论直线的最大偏差。

阶梯误差式中：n为总匝数。显然，减小ej必须增加n，当骨架长度不变时，只有减小线径。

分辨率（力）定义为电位器总匝数的倒数。分辨率例：1000匝直线型线绕电位器，分辨率为0.1%，即该电位器仅能检测到它的总量程1/1000以上的位移量。电阻式传感器(20/22)

线性度线性度

是指由于电阻丝本身的不均匀性或间隔的不均匀导致阶梯特性非理想阶梯，增加了传感器的非线性。2）负载特性u0xpxRLuy对于后接电阻分压电路的变阻器式传感器：式中：R0

—变阻器总电阻；

Rx

—x段的电阻。电阻式传感器(21/22)令，对直线位移型变阻器，于是，式中：空载时，由此可见，接入负载电阻RL后，输出uy与r不再保持线性关系。负载误差由负载特性引起的非线性误差。01102030405060m=5m=2m=1m=0.5m=0.1m=0reL若整个行程内误差不超过1%~3%，必须有RL

>(10~20)R0。电阻式传感器(22/22)因触点与绕线间存在摩擦，动态响应较差。分辨力低，一般小于20

m。噪声大。主要应用于线位移、角位移测量。或作为伺服记录仪或电子电位差计。（3）变阻器式传感器特点优点：结构简单，性能稳定，使用方便，输出信号大，受外界条件影响小。缺点：（4）变阻器式传感器的应用4.4

电感式传感器

(InductanceTransducer)

将被测量，如位移或能转换成位移的机械量，转换为电感量的变化。电感式传感器

互感型（差动变压器式）按照变换方式的不同可分为：

自感型（包括可变磁阻式与涡流式）1.自感型传感器（1）可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器由线圈、铁心和衔铁组成，在铁心与衔铁之间存在气隙

。电感式传感器(2/20)由电工学可知，线圈自感量：i—线圈中流过的电流。

—通过线圈的磁通量。

Rm

—磁路的总磁阻（H-1），Rm=

RF

+

R

，其中RF为

铁心与衔铁的磁阻；R

为空气隙磁阻。ix123L01—线圈；2—铁心；3—衔铁式中：W—线圈匝数；电感式传感器(3/20)式中：l1、l2

—铁心和衔铁的导磁长度；

1、

2

—铁心和衔铁的磁导率；

A1、A2

—铁心和衔铁的导磁截面积；

—气隙长度；

0

—空气磁导率，

0=410-7H·m-1

；

A0

—空气隙导磁截面积。若不考虑磁路的铁损，且空气隙

较小时：一般，

1和

2远远大于

0，即：RF

<<R

，因此，电感式传感器(4/20)

自感L与气隙

成反比，与气隙导磁截面积A0成正比。结论：当固定A0，变化

时，L与

成非线性关系，传感器灵敏度为了减小非线性误差，

/

0≤0.1。变气隙长度式传感器适用于微小位移的测量，范围为0.001~1mm。传感器灵敏度与气隙长度的平方成反比。结论：电感式传感器(5/20)1）可变磁阻式传感器典型结构

可变导磁面积型特点：线性，灵敏度低。

差动变气隙型特点：提高灵敏度，改善线性特性。~x~x电感式传感器(6/20)特点：结构简单，易制造，灵敏度低，适于较大位移（数毫米）测量。

单螺管线圈型

双螺管差动型特点：提高灵敏度，改善线性特性。x~x~电感式传感器(7/20)2）差动变气隙传感器工作原理对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按

0

、

0+

变化，即一个线圈自感增加，另一个减小。当

/

<<1时：~x电感式传感器(8/20)差动方式时，

灵敏度，为原来的两倍。

L无偶次非线性项，降低了非线性特性。非差动方式时，结论：电感式传感器(9/20)（2）涡流式传感器当金属板置于变化磁场中或在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属板体内是闭合的，称为涡流。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。1）高频反射式涡流传感器涡流式传感器分为高频反射式涡流传感器和低频透射式传感器。金属板ii1电感式传感器(10/20)金属板置于线圈附近，相互间距为

。高频交变电流i-磁通

—（趋肤效应）“旋涡状”闭合感应电流i1

（涡电流或涡流）—

交变磁通

1—

反作用于线圈。根据楞次定律，涡流的交变磁场变化方向与线圈磁场变化方向相反，

1总是抵抗

的变化，从而导致原线圈等效阻抗发生变化。工作原理通常线圈尺寸、激励电流i及其频率

一定，若金属板材料一定，变化

可以用来测量位移、振动等参量。若

一定，变化

或

可实现材质鉴别或无损探伤。等效阻抗的变化程度与线圈尺寸、距离

、金属板电阻率

和磁导率

、线圈激励电流i

及其频率

有关。

电感式传感器(11/20)2）低频透射式涡流传感器L1和L2分别为发射线圈和接收线圈。

L1通低频（音频）交流电流。在L2中产生感应电压u2。金属板产生的涡流消耗了一部分磁场能量，使u2有所降低，板越厚，u2越低。工作原理高频反射式涡流传感器等效电路如下图，M为线圈与金属板中涡流回路的互感系数。ML2L1usu2l电感式传感器(12/20)RCLL1R1ii1M等效阻抗：金属板增加了传感器线圈的等效电阻，降低了线圈的品质因素，同时改变了线圈的等效电感。传感器线圈L

与电容C

共同组成并联谐振回路，谐振频率为线圈等效电感改变，必然导致谐振频率变化。结论：电感式传感器(13/20)3）影响涡流传感器灵敏度的因素

被测物材质

被测物形状和大小

电涡流产生的涡流环的直径也一定。因此对板状被测物的最小尺寸有要求。

电导率越高，灵敏度越大；磁性材料涡流损耗大，导致灵敏度降低。

在传感器周围磁场范围内，不应有非被测对象的金属物体，否则，会产生干扰，导致灵敏度下降和线性范围减小。实测表明，非被测金属离传感器线圈的距离必须大于线圈的直径。一般要求，被测金属的最小尺寸大于传感器线圈直径的1.8倍；被测物为圆柱体时，其直径要求大于线圈直径的3.5倍。

安装位置电感式传感器(14/20)4）涡流传感器的特点

非接触测量。

灵敏度高。

分辨力高，检测范围0~2mm，最高分辨力可达满量程的0.1%。

结构简单，使用方便，不受油液等介质影响。5）涡流传感器的应用

回转轴振动测试。

回转轴误差测量。

厚度测量。

零件计数。

接近开关。

表面裂纹或缺陷检测。

材质判别。电感式传感器(15/20)表面裂缝检