传感与测试技术(04常用的测量方法器具及其传感器)

1.传感器(Sensor)定义

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。在非电量电测系统中的作用

敏感作用：感受并拾取被测对象的信号变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号1概述传感器的作用与地位人类器官的延伸测量仪器与被测量之间的接口当今科技发展的关键性因素之一广泛的工程应用一种物理量可用多种类型的传感器来测量同一种传感器也可用于测量多种物理量繁多的种类：机械、电气、光学、气动、半导体、红外声发射，……1概述传感器的分类按被测物理量分类：位移传感器,流量传感器,温度传感器等按传感器元件的变换原理分类:电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等按信号变换特征分类：物性型传感器：依赖敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。如：水银温度计，……结构型传感器：依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。如：电容式传感器，……1概述传感器的分类按敏感元件与被测对象之间的能量关系分类：能量转换型传感器：直接由被测对象输入能量使其工作的。如：热电偶温度计，……能量控制型传感器：从外部供给能量使传感器工作的，而由被测量来控制外部供给能量的变化。如：桥路中的应变计，电容式测振仪，……按输出信号分类：

模拟式传感器

数字式传感器1概述常用传感器机械式测力环、弹簧、双金属片、微型开关，……电磁及光电子式电阻丝应变片、电涡流、霍尔元件，压电元件，……辐射线红外、激光（长度）、x射线、γ射线，……超声、激光（加速度）、β射线，……2普通机械、电气式传感器及仪器电阻传感器——把被测量转换为电阻的变化

变阻器式传感器原理：改变电位器触头位置，实现位移转换为电阻。特点：结构简单、性能稳定、使用方便，但分辨力不高、噪声大，等。分类：直线位移、角位移和非线性。2普通机械、电气式传感器及仪器电阻应变式传感器作用：能把材料的应变转换为电阻的相对变化。特点：体积小、动态响应快、测量精度高、使用简单，等。分类：金属电阻应变片式和半导体应变片式。金属电阻应变片在发生机械变形时，其电阻值发生变化。丝式：栅形、康铜或镍铬合金（高电阻率），直径约0.025mm。箔式：栅状金属箔片、光刻、厚度1~10μm。应变花：多栅组合片。金属电阻应变片工作原理用胶水粘固在需要测量变形的物体表面上。在外力的作用下，电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应的变化，由此将被测量的变化转换为电阻变化。2普通机械、电气式传感器及仪器应变效应导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。应变片受力

应变

比例关系

比例关系

应变片电阻的变化

(2).工作原理式中，ρ——导线的电阻率，又称为电阻系数金属导线的应变电阻效应：当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。电阻应变片灵敏度Sg计算设：长度l、截面积A、截面积半径r、电阻R、电阻率ρ。根据欧姆定律：R=ρl/A,可得：忽略电阻率的变化，得：2普通机械、电气式传感器及仪器电阻丝材料的泊松比电阻应变片灵敏度系数：2普通机械、电气式传感器及仪器电阻相对变化率与应变成正比，它们之间成线性关系无量纲因子应变片的主要参数

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。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）。

电阻应变式传感器的应用直接用来测定结构的应变或应力。将应变片帖于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等参量。列举应用电阻应变式传感器时应该注意机械滞后蠕变零漂绝缘电阻……2普通机械、电气式传感器及仪器压电式传感器（可逆型换能器）压电效应某些物质，如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场。当外力去除后，又重新恢复到原来状态。逆压电效应（电致伸缩效应）由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，即：如果将这些物质（如石英、钛酸钡等）置于电场中，其几何尺寸也发生变化。工作原理利用某些物质的压电效应将机械能转换为电能，或将电能转化为机械能。2普通机械、电气式传感器及仪器压电材料的分类与压电效应的产生压电材料：具有压电效应的材料。分类：压电单晶体和多晶压电陶瓷↓↓如石英，酒石酸钾钠等；如钛酸钡、锆钛酸铅等压电效应的产生(原理）沿x轴（电轴）方向加力产生纵向压电效应沿y轴（机械轴）加力产生横向压电效应沿相对两平面加力产生切向压电效应2普通机械、电气式传感器及仪器压电式传感器及其等效电路在极板上积聚的电荷量q与反作用力F成正比，即：

q=DF式中：D—压电常数，与材质及切片方向有关。压电传感器适宜作动态测量压电晶片等效电荷源2普通机械、电气式传感器及仪器金属膜压电式传感器及其等效电路2普通机械、电气式传感器及仪器前置放大器的用途：将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出和放大传感器输出的微弱电信号。压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：(1)放大微弱的压电信号(2)进行阻抗匹配

电压放大器电荷放大器ICP调理器

压电传感器接放大器的等效电路

（a）放大器电路;（b）等效电路1.电压放大器（阻抗变换器）R=RaRi/(Ra+Ri)电容C=Cc+Ciua=q/Ca，通常A=104~108，因此,当满足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时，上式可表示为：传感器电缆运算放大器电压放大电路特点：（1）对外接电缆要求高；（2）电路简单；（3）造价低。电荷放大电路特点：（1）与电缆无关，接线可任选；（2）电路复杂；（3）价格昂贵。压电晶片的连接方式在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。(a)并联++－－－+串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。(b)串联+－－+在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。如何合理选用传感器？灵敏度越高越好，但过高的灵敏度会缩小其适用的测量范围。响应特性在所测频率范围内满足不失真测量条件。（举列）线性范围线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精确度的基本条件。可靠性指仪器、装置等产品在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力。它是传感器和一切测量装置的生命。7传感器的选用原则精确度传感器的输出与被测量真值一致的程度。它对整个测试系统具有直接影响。在实际应用中应该结合其经济性来综合选用传感器。测量方式在实际条件下的工作方式。它是选用传感器时应考虑的重要因素。工作方式不同对传感器的要求也不同。其它结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换。……7传感器的选用原则7传感器标定举例17传感器标定举例27传感器标定举例37传感器标定举例17传感器标定举例27传感器标定举例3电容式

传感器丝式

电阻应变片箔式

电阻应变片欧姆定律

全微分方程应变式传感器举例压电效应的产生机理当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图（a）所示。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=0当晶体受到沿x方向的压力（Fx<0）作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x

方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0

(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--当晶体受到沿x方向的拉力（Fx

＞0）作用时，其变化情况如图（c）所示。电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为

(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。(c)Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx

作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。晶体在y轴方向受力F