《测试系统及传感器》

5.1测试系统的基本构成机械系统测量系统信号采集处理系统显示记录系统被测物理量数据采集卡中间转换器传感器测试软件机械系统为保证试验进行所需的各种机械结构根据不同的机械参量，选用不同的传感器和相应的后接仪器所组成的测量系统。将测量装置输出的信号采集和处理后排除干扰和噪声污染，并估计测量数据的可靠程度。测试系统的输出环节，把试验过程中的数据记录下来，并显示出来。第5章传感器测量原理1整理课件2整理课件

传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。

物理量电量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装置。5.2传感器概述1.传感器定义3整理课件dV2.传感器的构成传感器敏感器件辅助器件感受被测物理量，并对信号进行转换输出对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配

以便于后续仪表接入4整理课件5整理课件5.3传感器的分类传感器种类名目繁多，分类方法也不完全同，从选用角度看一般是按被测参量和工作原理的不同来划分。一.按被测参量分类

被测参量多种多样，通常可划分为几大类，如机械量、热工量、物理化学量及生物医学量等。6整理课件机械量机械信号力、力矩、应力传感器位移、速度(角速度与线速度)、加速度传感器几何尺寸(长度、厚度、角度、圆度)传感器7整理课件(热量、比热、热流)传感器

压力(压差、真空度)传感器；流量、流速传感器；物位(液位)传感器热工量8整理课件

气体或液体的密度、湿度传感器；

粘度、浓度、盐度传器

化学成分传感器物理化学量9整理课件血压、眼压、脑压传感器哦流体信号体温传感器心电、心音、心搏数传感器生物医学量10整理课件二、按传感器的能源分类

有源传感器：被测量使传感器本身的电参量R、L、C改变，这种传感器工作时必须有外加电源。无源传感器：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可直接接入放大器或记录仪器。11整理课件模拟传感器数字传感器三、按传感器的输出信号分类12整理课件电阻式传感器电感式传感器电容式传感器磁电式传感器压电式传感器光电式传感器四、按传感器的转换原理分类13整理课件1.电阻式传感器工作原理：把被测变化参量转换为电阻变化的一种传感器5.4常用传感器原理14整理课件按工作的原理可分为:

变阻器式、压阻式、电阻应变式.(1).变阻器式（电位器式）传感器15整理课件

它是用电阻系数很大的金属导线绕在绝缘骨架上而制成，滑动触头(电刷)的位移使输出电阻或电压发生变化，其简单原理电路如图所示。

1—电位器2—电刷L．RU21L0．R0U0ABO16整理课件

电位器式位移传感器电位器式压力传感器

1-测量轴2-滑动电阻3-电刷4-精密电阻1-膜盒2-杠杆3-电位器

5-导轨6-弹簧7-壳体

17整理课件(2).压阻式传感器

压阻式传感器是以单晶硅膜片作为敏感元件，在该膜片上采用集成电路工艺制作四个电阻并组成惠斯登电桥，当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电阻阻值发生变化，使电桥有输出。

—纵向压阻系数和横向压阻系数；—纵向应力和横向应力(切向应力)18整理课件(3).电阻应变式传感器--应变片19整理课件电阻应变式传感器的应用：测力20整理课件应用：桥梁固有频率测量21整理课件应用：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。22整理课件应用：冲床生产记数和生产过程监测23整理课件2.电感式传感器工作原理：利用电磁感应原理将被测物理量变化转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。分为：自感式、差动变压器式（互感式）、电涡流式应用：测量位移、压力、流量、振动等信号M.Faraday电磁感应定律(1831年)：当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的磁通Φ也随之变化，因而在线圈本身产生感应电势，这种现象称之为自感。24整理课件常用电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器25整理课件(1).自感式传感器铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。26整理课件只要改变气隙厚

就可以改变电感。结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为σ

自感式传感器的特性公式：

N线圈匝数；

S气隙的截面积；气隙厚度；μo导磁率（真空、空气）线圈的电感量：变气隙式变面积式螺管式27整理课件1.改变气隙长度和截面积都能改变电感量；2.电感量与气隙长度成反比，与截面积成正比；3.电感量与与气隙长度不是线性关系；4.气隙长度越小，灵敏度越高；自感式传感器特点：灵敏度为5.变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的；6.为了减小非线性误差，差动变隙式电感传感器28整理课件单螺管式自感传感器它由平均半径为r的螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。29整理课件自感传感器的测量电路输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。1.交流电桥测量电路2变压器式交流电桥测量电路30整理课件自感式传感器的应用变隙电感式压力传感器结构图

应用示例131整理课件简单式灵敏度差动式灵敏度差动型(2).差动变压器式传感器定义：把被测非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器32整理课件差动变隙式自感传感器结论:①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。②差动式的线性度得到明显改善两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。33整理课件互感型--差动变压器工作原理WW1W2Esx-xEwEout次级次级骨架初级衔铁次级次级初级结构：中间初级，两边次级铁芯在骨架中间可上下移动34整理课件差动式自感传感器的输出特性采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。35整理课件差动变压器式传感器的结构示意图

（a）、（b）变隙式差动变压器36整理课件差动变压器式传感器的结构示意图

（e）、（f）变面积式差动变压器37整理课件差动变压器式传感器的结构示意图（c）、（d）螺线管式差动变压器38整理课件差动变压器位移传感器39整理课件应用: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.~应用示例1应用示例240整理课件应用示例3变隙式差动电感压力传感器

41整理课件应用示例31—可动铁心；2—测杆；3—被测物可变气隙式电感测厚度带相敏检波的交流电桥42整理课件差动变压器式加速度传感器原理图

应用示例43整理课件差动变压器传感器特点：●结构简单、工作可靠；●灵敏度高、分辨力大；●频率响应低，不宜测高频动态参量；●测量精度高；非线性误差为0.1％●常用于测量位移量。如位移变化的参量：力、速度、加速度、厚度44整理课件(3).电涡流式传感器原理：利用线圈在金属导体附近会产生电涡流线圈产生得交变磁场向下，电涡流产生的交变磁场向上。线圈接通电源45整理课件电涡流式传感器的应用1.测位移电涡流式传感器的主要用途之一是可用来测量金属件的静态或动态位移，最大量程达数百毫米，分辨率为0.1%。目前电涡流位移传感器的分辨力最高已做到0.05μm(量程0～15μm)。凡是可转换为位移量的参数，都可用电涡流式传感器测量，如机器转轴的轴向窜动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。液位监控系统电涡流传感器测位移，由于测量范围宽、反应速度快、可实现非接触测量，常用于在线检测。46整理课件2.测厚度

测金属板厚度示意图47整理课件3.测温度式中ρ1、ρ0——分别为温度t1与t0时的电阻率，a——在给定温度范围内的电阻温度系数测温用涡流式传感器1-补偿线圈；2-管架；3-测量线圈；4-隔热衬垫；5-温度敏感元件优点：(1)不受金属表面涂料、油、水等介质影响；(2)可实现非接触测量；(3)反应快。48整理课件除此以外：(1)利用多个传感器沿转轴轴向排布，可测得各测点转轴的瞬时振幅值，从而作出转轴振型图；(2)利用两个传感器沿转轴径向垂直安装，可测得转轴轴心轨迹；(3)在被测金属旋转体上开槽或作成齿轮状，利用电涡流传感器可测出该旋转体的旋转频率或转速；(4)电涡流传感器还可用作接近开关，金属零件计数，尺寸或表面粗糙度检测等。案例：零件计数49整理课件案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle50整理课件案例：无损探伤裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测51整理课件案例：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52整理课件电涡流式传感器特点：●结构简单；●灵敏度高；●抗干扰能力强；●测量范围大；●具有非接触测量；●常用于测量位移、振幅、零件几何尺寸、表面粗糙度、裂纹等53整理课件S—极板面积，变面积型传感器

—极板距离，变极距型传感器

—介电常数，变介质型传感器

—真空介电常数—相对介电常数，无介质时空气介质=1工作原理：将被测非电参量变化转换成电容量的变化。3.电容式传感器54整理课件一般结构灵敏度(1).变极距型传感器●间隙越小，灵敏度越高；●间隙小受极板间击穿电压的限制●差动式灵敏度提高1倍，非线性大大减少差动电容结构灵敏度特点：55整理课件(2).变面积型传感器直线位移式灵敏度角位移式灵敏度●电容与位移呈线性关系；●输出特性是线性的；●灵敏度为一常数。特点：56整理课件(3).变介质型传感器●用两个同心圆柱状电极●输出电容与液面高度成线性关系57整理课件58整理课件电容式传感器特点：●输入能量小，灵敏度高；可测量很小的力、加速度●动态特性好；质量小、频率高，常用于动态参数测量●能量损耗小；电容本身不产生热量，不会引起零点漂移●结构简单、适应性好；可工作在恶劣环境中、温度变化大、液体中都能工作●电缆分布电容影响大；两极板电容很小，但传感器与仪器间有较大电容，降低灵敏度●非线性大；输出和输入存在非线性59整理课件电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器常用的电容式传感器60整理课件电容式液位传感器（液位计/料位计）61整理课件1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2.位移，移动，位置，膨胀3.挠度，变形，波动，倾斜4.尺寸，公差，分选，零件识别5.冲击，应变，轴向振动6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心电容式传感器

62整理课件4.磁电式传感器（电动式传感器）

工作原理:利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。

磁电式传感器机械量电量63整理课件磁电式磁感应电式传感器霍尔式传感器磁阻效应传感器2.分类

64整理课件B-磁感应强度S-线圈平均截面积-线圈运动方向与磁场方向夹角当线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，则线圈上的感应电动势：－旋转运动的相对角速度N-线圈匝数（1）磁感应电式传感器（感应式传感器、电动势传感器）工作原理：把被测非电参量变化转换成感应电动势，是一种机电能量变换传感器。65整理课件磁感应电式恒定磁通式变磁通式动圈式动铁式运动部件是线圈运动部件是磁铁又称变磁阻式、变气隙式磁感应电式传感器可分为：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。线速度型角速度型66整理课件恒磁通式动铁型动圈型a.恒定磁通式67整理课件动圈式传感器的结构原理图:线速度型68整理课件角速度型测速电机69整理课件动铁式传感器结构原理图:70整理课件b.变磁通式（又称变磁阻式、变气隙式）常用来测量旋转物体的角速度，探头的磁极与振动物体间有一气隙，当振动物体振动时，气隙变化引起磁路磁阻改变，线圈磁通发生变化，输出电动势与振幅成比例。变磁阻式工作原理：一般通过改变传感器到被测对象间的气隙厚度等方法来改变磁路磁阻。

71整理课件结构原理图（开路变磁通式传感器）1-被测旋转体；2-测量齿轮；3-线圈；4-软铁；5-永久磁铁线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮的齿数和转速的乘积72整理课件73整理课件磁电感应式转速传感器原理图74整理课件优点：无需外加电源电路简单性能稳定输出阻抗小具有一定的频率响应范围（10~1000HZ）缺点：尺寸重量大磁感应电式传感器特点

常用于动态测量75整理课件(2).霍尔式传感器霍尔式传感器原理:利用霍尔元件基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器特点:在静止状态下具有感受磁场的能力优点:

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，寿命长等。76整理课件

金属或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。

a霍尔效应

77整理课件式中：KH——霍尔元件的灵敏度系数，与霍尔片的厚度和反映材料霍尔效应强弱的霍尔系数有关。霍尔片的厚度越小、霍尔系数越大，灵敏度系数KH越大。I——控制电流B——垂直于霍尔片平面的磁感应强度——磁场与霍尔元件平面的法线方向的夹角

78整理课件b.霍尔元件－－基于霍尔效应工作的半导体器件，多采用N型半导体测量。元件外形a，b控制电流端引线c，d霍尔引出线霍尔元件越薄，灵敏度系数越大，一般只有1um79整理课件霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。

80整理课件霍尔传感器的应用

a.测量位移、压力、流量特点：测量范围1～２mm，惯性小、响应速度快。81整理课件b.测量转速霍尔开关集成电路82整理课件测转角：83整理课件铁磁材料裂纹检测

NS84整理课件例：汽车速度测量:85整理课件5.压电式传感器工作原理:以某些物质的压电效应为基础压电效应：某些物质受到外力时，表面产生电荷，当外力去掉时，又重新回到原来的状态。+串联+并联F+电容小，输出电压大，适于输出为电压的场合电容大电荷量小，时间常数大，适于测缓慢信号，输出为电荷的场合86整理课件压电材料压电材料压电晶体压电陶瓷如石英具有很好的温度稳定性，压电效应，机械强度高，绝缘性能好稳定性不如石英，但压电系数约为石英的50倍87整理课件在x方向作用一力Fx时，t发生变化，y-z晶面产生正负电荷，当作用力的方向相反时，产生电荷极性相反纵向压电效应88整理课件横向压电效应表面电荷量：Q=dFd-压电常数F-作用在表面上的力（表征压电性能强弱）89整理课件压力变送器

加速度计力传感器

常见的压电式传感器90整理课件压电式传感器的应用压电式玻璃破碎报警器91整理课件PVF2压电膜硬币

铜柱

投币计数传感器92整理课件压电膜话筒结构示意图PVF2压电膜

絮状材料垫声压

话筒中，压电膜以一定的支撑形式保持膜内一定张力。在外来声压作用下，膜面的曲率发生变化，使膜内应力改变，产生相应的压电信