测试技术学习课件第3章

1、第三章第三章 常用的传感器常用的传感器传传感感器器3.1 概述概述3.2 传感器的分类传感器的分类3.3 机械式传感器机械式传感器3.4 电阻式传感器电阻式传感器3.6 电感式传感器电感式传感器3.5 电容式传感器电容式传感器本章主要内容本章主要内容3.8 压电式传感器压电式传感器3.7 磁电式传感器磁电式传感器3.9 热电式传感器热电式传感器3.10 光电传感器光电传感器3.11 半导体传感器半导体传感器3.12 传感器的选用原则传感器的选用原则概概述述3.1 概述概述3.1.1 传感器传感器(Sensor)定义定义 传感器是个器件或装置，能感受被测量、并按传感器是个器件或装置，能感受被测量

2、、并按照一定的规律转换成可用输出信号。通常由照一定的规律转换成可用输出信号。通常由敏感元敏感元件件和和转换元件转换元件组成。组成。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因目前，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。换成电信号的器件或装置。返回概概述述3.1.2 传感器在非电量电测系统中的作用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）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）变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号电

3、信号返回传传感感器器的的分分类类3.2 传感器的分类传感器的分类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、流体式等学式、流体式等3. 按照信号变换特征，分为物性型和结构型按照信号变换特征，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水银的热胀冷缩现

4、象，压电测力计是利用石英晶体的压电效应等。压电效应等。传传感感器器的的分分类类b. 结构型传感器：是依靠传感器结构参量的变化而实结构型传感器：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。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

5、使传感能量控制型传感器：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。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按照输出信号不同，分为模拟式和数字式返回机机械械式式传传感感器器3.3 机械式传感器机械式传感器 把被测量转换成弹性变形，如弹簧秤等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输出量：弹性元件本身的弹性变形返回电电阻阻式式传传感感器器3.4 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器电阻式传感器是把被测量转换

6、为电阻变化的一种传感器3.4.1 变阻器式传感器变阻器式传感器1）原理：通过改变电位器触点位置，把触点的位移转）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换为电阻值的变化 AlR：电阻率：电阻率 2）灵敏度：电阻丝长度与电阻值成线性比）灵敏度：电阻丝长度与电阻值成线性比AlRS 电阻值：电阻值：电电阻阻式式传传感感器器3.4.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器1）原理：电阻丝沿轴向伸缩应变，截面积和电阻）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）转换为电阻值率也随着改变，从而将应变（应力）转换为电阻值的变化。的变化。电电阻阻式式传传感感器器Al

7、RdAldAAldlAdR22rA dAldrrlr2dlAdR42 )d1drr2dll1(R d1drr2dll1RdR2）灵敏度）灵敏度电电阻阻式式传传感感器器径向应变与轴向应变的关系式：径向应变与轴向应变的关系式：ldlrdr：电阻丝材料的泊桑比：电阻丝材料的泊桑比 ：电阻丝轴向相对变形，：电阻丝轴向相对变形， 也称纵向应变也称纵向应变 电阻率的变化率与轴向正应力电阻率的变化率与轴向正应力 的关系：的关系： Ed：压阻系数，与材质有关：压阻系数，与材质有关 E：电阻丝材料的弹性模量：电阻丝材料的弹性模量 电电阻阻式式传传感感器器有：有： EERdR)21 (2其中：其中： )21 (

8、项由几何尺寸变化引起项由几何尺寸变化引起 E项由电阻率变化引起项由电阻率变化引起 3）金属电阻应变片）金属电阻应变片电电阻阻式式传传感感器器a. 金属电阻应变片的电阻变化与应变的关系金属电阻应变片的电阻变化与应变的关系 金属电阻丝的金属电阻丝的 E很小，可忽略，有：很小，可忽略，有： )21 ( RdR即：电阻丝的电阻相对变化率与应变成正比即：电阻丝的电阻相对变化率与应变成正比21/ldlRdRSgSg为常数为常数灵敏度：灵敏度：b. 使用方式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，电阻丝随同该物体的物体表面上

9、。在外力作用下，电阻丝随同该物体一起变形。一起变形。 电电阻阻式式传传感感器器2）半导体应变片）半导体应变片a. 电阻变化与应变的关系电阻变化与应变的关系)21 ( EERdR灵敏度：灵敏度： ESg远大于金属电阻丝应变片的灵敏度远大于金属电阻丝应变片的灵敏度 电电阻阻式式传传感感器器返回金属应变片与半导体应变片的比较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应变片粘合剂和粘合技术对测量结果有直接的影响 电电容容式式传传感感器器3.5 电

10、容式传感器电容式传感器将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化电容值公式：电容值公式： AC0+A式中式中 ：极板件介质的相对介电系数：极板件介质的相对介电系数 0：真空中的介电常数：真空中的介电常数 A：极板面积：极板面积 ：极板间距离：极板间距离电电容容式式传传感感器器3.5.1 电容传感器类型电容传感器类型1）极距变化型）极距变化型原理：以两极板间隙原理：以两极板间隙 感知到位移信号，感知到位移信号， 并转换为电容的变化并转换为电容的变化灵敏度：灵敏度： 20ACS即即为变量为变量AC0问题问题：C与与不成线性关系，不成线性关系，S不是一个常数，这种传不是一个常数，这

11、种传感器不能使用。感器不能使用。电电容容式式传传感感器器解决办法：解决办法：只有当被测量变化范围（即只有当被测量变化范围（即 ）很小的时候，灵很小的时候，灵敏度敏度S才近似为一个常数。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结论：极距变化型电容传感器只能测量较小的间距变化量。变化量。电电容容式式传传感感器器例例1： 较大，则误差大较大，则误差大221122115 . 0133. 075. 01CCCCCCCCCC；，；，若若=1mm时电容值为时电容值为C，=0.75mm时电容值为时电容值为C1，=0.5mm时电容值为时电容值为C2，则：，则：AC0电电容容式式传传感感器

12、器例例2 ： 较小，则误差小较小，则误差小若若=1mm时电容值为时电容值为C，=0.95mm时电容值为时电容值为C1，=0.9mm时电容值为时电容值为C2，则：，则：CCC05. 195. 011CCC11. 19 . 012CCC05. 005. 011CCC1 . 11 . 011. 022CCC2211AC0电电容容式式传传感感器器2）面积变化型）面积变化型b. 电容变化与位移成正比电容变化与位移成正比a. 电容变化与角度成正比电容变化与角度成正比3）介质变化型）介质变化型电电容容式式传传感感器器3.5.2 电容式传感器测量电路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

13、量（如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。化转换为电压、电流或频率信号。 1）电桥型电路）电桥型电路教材教材P81 图图3-152）谐振电路）谐振电路教材教材P82 图图3-17电电容容式式传传感感器器返回3）调频电路）调频电路教材教材P82 图图3-184）运算放大器电路）运算放大器电路教材教材P83 图图3-19xgCuCu00ACuCCuuxg00000电电阻阻式式传传感感器器3.6 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是把被测量转换为电感量变化电感式传感

14、器是把被测量转换为电感量变化的一种装置的一种装置电电阻阻式式传传感感器器3.5.1 自感型自感型1) 可变磁阻式可变磁阻式线圈自感量：线圈自感量： mRWL2W：线圈匝数：线圈匝数 Rm：磁路总磁阻，：磁路总磁阻， 包括铁心磁阻与气隙磁阻包括铁心磁阻与气隙磁阻 a. 变间隙型变间隙型002AAlRm其中其中 002A：气隙磁阻：气隙磁阻 Al：铁心磁阻：铁心磁阻电电感感式式传传感感器器因为气隙磁阻远大于铁心磁阻，所以因为气隙磁阻远大于铁心磁阻，所以 002ARm：气隙长度：气隙长度 0：空气磁导率：空气磁导率 0A：气隙导磁横截面积：气隙导磁横截面积 则：则：2002AWL a.1 原理原理

15、用气隙长度用气隙长度感知感知被测量（位移），并将被测量转被测量（位移），并将被测量转换为电感的变化。换为电感的变化。电电感感式式传传感感器器a.2 灵敏度：灵敏度： 20022AWLS由灵敏度表示式可看出：由灵敏度表示式可看出：由于由于S不是常数，所以会出现线性误差，不是常数，所以会出现线性误差，为使为使S近似为常数，一般实际应用中近似为常数，一般实际应用中 1 . 0因此，可变磁阻式传感器适用于较小位移因此，可变磁阻式传感器适用于较小位移（0.0011mm）的测量。）的测量。 例如：若例如：若，mmmmmm5 . 025. 0121121222115 . 0133. 075. 01LLLLL

16、LLLLL；，；，则电电感感式式传传感感器器b. 差动型差动型衔铁衔铁电电感感式式传传感感器器2) 涡电流式涡电流式线圈通高频交流电线圈通高频交流电产生交流磁场产生交流磁场金属板金属板产生感应电流（涡流）产生感应电流（涡流）涡流磁场使线圈的阻抗涡流磁场使线圈的阻抗发生变化，变化量与距离发生变化，变化量与距离 、金属板电阻率、金属板电阻率 等有关。因此，涡电流传感器可等有关。因此，涡电流传感器可作位移、振动测量，也可做材质鉴别。作位移、振动测量，也可做材质鉴别。优点：优点：非接触非接触，不受油污影响。，不受油污影响。电电感感式式传传感感器器3）互感式）互感式-差动变压器差动变压器1e2e210e

17、ee0e1e2e工作原理工作原理输出特性输出特性改变互感值，随着铁心偏离中心位置，输出改变互感值，随着铁心偏离中心位置，输出e0逐逐渐增大渐增大电电感感式式传传感感器器电感式传感器应用案例电感式传感器应用案例：板厚测量板厚测量张力测量张力测量返回涡流式传感器的分压式调幅测量电路：涡流式传感器的分压式调幅测量电路：P86 图图3-25可变磁阻式差动型可变磁阻式差动型磁磁电电式式传传感感器器3.7 磁电式传感器磁电式传感器3.7.1 原理：原理：把被测物理量转换为感应电动势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：感应线圈的感应电动势为：dtdNe磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速

18、度型线速度型角速度型角速度型N3.7.2 分类分类：磁通：磁通 N：线圈匝数：线圈匝数磁磁电电式式传传感感器器 a) 动圈式动圈式 sinNBlve B：磁场的磁感应强度：磁场的磁感应强度l：单匝线圈有效长度：单匝线圈有效长度v：线圈与磁场相对运动速度：线圈与磁场相对运动速度：线圈运动方向与磁场方向夹角：线圈运动方向与磁场方向夹角kNBAe B：磁场的磁感应强度：磁场的磁感应强度A：单匝线圈截面积：单匝线圈截面积：线圈与磁场相对运动速度：线圈与磁场相对运动速度k：系数，与结构有关：系数，与结构有关磁磁电电式式传传感感器器b）磁阻式）磁阻式1）线圈与磁铁不做相对运动）线圈与磁铁不做相对运动2）运

19、动着的物体（导磁材料）改变磁路磁阻，引起）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传感器应用案例：磁电式车磁电式车速传感器速传感器返回1-2班压压电电式式传传感感器器3.8 压电式传感器压电式传感器 工作原理工作原理：利用某些物质（如石英、钛酸钡、锆钛：利用某些物质（如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等）的压电效应酸铅等）的压电效应3.8.1 相关概念相关概念1）压电效应压电效应石英等物质受外力作用时，石英等物质受外力作用时，内部极化，表面有电荷出现，内部极化，表面有电荷出现，形成电场，当外力消失时，形成电场，当

20、外力消失时，材料重新回复到原来形状。材料重新回复到原来形状。 压压电电式式传传感感器器2）光轴，电轴，机械轴）光轴，电轴，机械轴光轴：光轴：z-z电轴：电轴：x-x机械轴：机械轴：y-y3）压电纵向效应、横向效应、）压电纵向效应、横向效应、切向效应切向效应 （P91 图图3-36）利用纵向效应测量，但横向利用纵向效应测量，但横向效应会产生噪声干扰，所以，效应会产生噪声干扰，所以，选用横向效应小的压电材料选用横向效应小的压电材料较好较好。3-4班压压电电式式传传感感器器3.8.2 压电材料压电材料压电单晶（如石英）、压电陶瓷（如钛酸钡）压电单晶（如石英）、压电陶瓷（如钛酸钡）3.8.3 压电式传

21、感器及其等效电路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式传感器相当于一个电容 压电电荷：压电电荷： Cuq (q相当于电流相当于电流) 由于有放电，极板上的电荷无法保存，造成测量由于有放电，极板上的电荷无法保存，造成测量误差，因此误差，因此适用于动态测量适用于动态测量（变化快，漏电量相（变化快，漏电量相对小）对小）等效电路：等效电路：Ca：压电传感器电容：压电传感器电容Cc：连接电路、后续电：连接电路、后续电路的电容路的电容Ra：传感器中的漏电阻：传感器中的漏电阻Ri：后续电路的输入阻抗后续电路的输入阻抗等效电容等效电容C=Ca+Cc等效电阻等效电阻 R0=Ra+Ri因因Ra很

22、大，很大，R0RiqCicR0iui电荷平衡方程式：电荷平衡方程式： idtdtiqcidtCui0Ruii压压电电式式传传感感器器qCaCcRiuiRaidtdtiqcidtCu0Ruii压压电电式式传传感感器器tqq00sintqidtiCR000sintqidtdiCR0000cos0CR20)(11)(CRA)()(0CRarctg若若R0大，则大，则i小，小，ui大，因此大，因此后续电路的阻抗大更好后续电路的阻抗大更好压压电电式式传传感感器器)(cos1110020000tCRCqiRui若若R0很大，则：很大，则：Cqui0qCaCcCiui传感器传感器电缆电缆等效电路：等效电路：

23、3.8.4 测量电路（放大器）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。一般的放大、检波。压压电电式式传传感感器器1）前置放大器的作用）前置放大器的作用 a. 将高阻抗输出变换为低阻抗输出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将压电式传感器的微弱信号放大压压电电式式传传感感器器2）前置放大器类型）前置放大器类型a. 电压放大器（用电阻反馈）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结论：若电缆长，则电缆电容的影响大CiqCaCcuyuiRf传感器传感器电缆电缆放大器放大器ic

24、aiCCCqCqu00qCaCcuyCiuiCf传感器传感器电缆电缆放大器放大器b. 电荷放大器电荷放大器（用电容反馈）（用电容反馈）压压电电式式传传感感器器等效电容等效电容C=Ca+Cc+CiqCicuyuiCfiftit iqfcfyiiCuuCu)(iykuu（k为放大器的放大倍数）为放大器的放大倍数） 将将 kuuyi代入得：代入得： ffykCCCkqu压压电电式式传传感感器器3.8.5 压电传感器的应用压电传感器的应用 用于测力、振动加速度、声发射用于测力、振动加速度、声发射返回压压电电式式传传感感器器若若ffCCkC则则 fyCqu因此，因此，电荷放大器的输出电压与电荷放大器的输

25、出电压与q成正比，与电成正比，与电缆的电容无关缆的电容无关 热热电电式式传传感感器器3.9 热电式传感器热电式传感器把温度转换为电量变化把温度转换为电量变化热电效应热电效应：热电元件受温度作用，电子活性改变，生：热电元件受温度作用，电子活性改变，生成电量或阻值降低。成电量或阻值降低。3.9.1 热电偶热电偶原理：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

26、之间有电动势差的电动势不同，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。若一端温度衡定，则该电势差仅与另一端温 度相关。度相关。热热电电式式传传感感器器铂铑铂铑铂热电偶铂热电偶常用热电偶常用热电偶1）铂铹）铂铹铂热电偶：可测铂热电偶：可测1300度度2）镍鉻）镍鉻镍硅热电偶：可测镍硅热电偶：可测900度度3）镍鉻）镍鉻考铜热电偶：可测考铜热电偶：可测600度度4）铂铹）铂铹铂铹热电偶：可测铂铹热电偶：可测1600度度热热电电式式传传感感器器3.9.2 热电阻热电阻简易铂热电阻简易铂热电阻引线铂常用热电阻常用热电阻1）铂电阻：可测）铂电阻：可测650度度2）铜电阻：可测

27、）铜电阻：可测-50度度150度度返回热热电电式式传传感感器器3.10 光电传感器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，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再用光电传感器将光信号变化转化为电信号变化化3.10.1 光电测量原理光电测量原理每个光子具有的能量：每个光子具有的能量：h其中：其中：h为普朗克常数为普朗克常数光电效应光电效应：光子与物体能量交换过程产生的电效应：光子与物体能量交换过程产生的电效应为光的频率为光的频率热热电电式式传传感感器器1）外光电效应）外光电效应（光电子发射效应）（光电子发射效应） 在光照作用下，物体内的电子

28、从物体表面逸出在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出Amv21h2 其中其中A为电子逸出功为电子逸出功逸出条件：逸出条件：AhAhc0Ahc0其中：其中：c为光速为光速 0为入射光波长为入射光波长电电感感式式传传感感器器2）内光电效应）内光电效应（光导效应）（光导效应）电子吸收光子能量，活性增强，电阻率降低电子吸收光子能量，活性增强，电阻率降低内光电效应器件：内光电效应器件：光敏电阻光敏电阻（光导管）（光导管）3）光生伏打效应）光生伏打效应：光照使物体产生电动势。：光照使物体产生电动势。光电池光电池光强（光电子数）与能否产生逸出电子无关。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。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：外光电效应器件：光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管电电感感式式传传感感器器3.10.2 光电元件光电元件1）光电管）光电管在光的照射下，阴极材料产生外光电效应，电子逸在光的照射下，阴极材料产生外光电效应，电子逸出到阳极。出到阳极。阴极材料特性参数：频谱灵敏度、红限、逸出功阴极材料特性参数：频谱灵敏度、红限、逸出功常用光电管阴极材料：银氧銫（常用光电管阴极材料：银氧銫（Ag-Cs20）(铯：音铯：音se)电电感感式式传传感感器器2）光电倍增管）光电倍增管3）