机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第二章 测试装置的基本特性1

第二章测试装置的基本特性小结基本特性：静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰特性；特性是统一的，各种特性之间是相互关联的；要求掌握：1）基本特性的评价方法；2）不失真测试的条件；3）一阶、二阶系统动态特性及其测定方法。DATE:2026/4/301ifmelectronicgmbh第三章常用传感器与敏感元件第一节传感器的分类第二节机械式传感器及仪器第三节电阻、电容与电感式传感器第四节磁电、压电与热电式传感器第五节光电传感器第六节光纤传感器第七节半导体传感器第八节红外测试系统第九节激光测试系统第十节传感器的选用原则DATE:2026/4/302ifmelectronicgmbh第三章常用传感器与敏感元件

传感器定义§3-1传感器的分类

§3-2机械式传感器

§3-3电阻式传感器金属电阻应变片半导体应变片

§3-3电容式传感器

本次课内容DATE:2026/4/303ifmelectronicgmbh第三章常用传感器与敏感元件

传感器（sensorortransducer)定义传感器是借助敏感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

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量转换成电信号的装置。感受+转换DATE:2026/4/304ifmelectronicgmbh第三章常用传感器与敏感元件

传感器的构成

传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是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。dV辅助器件敏感器件DATE:2026/4/305ifmelectronicgmbh第一节传感器的分类

按被测物理量分类：位移传感器；力传感器；温度传感器。按工作原理分类：机械式；电气式；光电式；流体式。按输出信号分类：模拟式；数字式。按外界信息和变换效应分类：物理传感器；化学传感器；生物传感器。DATE:2026/4/306ifmelectronicgmbh第一节传感器的分类

按信号变换特征分类：物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。如:水银温度计，压电测力计。结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。

如:电容式和电感式传感器。DATE:2026/4/307ifmelectronicgmbh第一节传感器的分类

按敏感元件与被测对象间能量关系：能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作。

例如:热电偶温度计，压电式加速度计。能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。例如:电阻应变片。转换型为无源传感器，控制型为有源传感器。DATE:2026/4/308ifmelectronicgmbh第二节

机械式传感器及仪器

以弹性体作为传感器的敏感元件，又称为弹性敏感元件；输入量：力、压力、温度等；输出：弹性元件本身的变形→转变为仪表指针的偏转。例如：测力计、弹簧秤；波纹膜片；双金属片特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观。缺点：放大和指示环节存在间隙，惯性大，固有频率低。将被测机械量转化为弹性变形输出的传感器弹性敏感元件输入

输出

力、压力、温度弹性变形（应变）

DATE:2026/4/309ifmelectronicgmbh第二节机械式传感器及仪器

DATE:2026/4/3010ifmelectronicgmbh第二节机械式传感器及仪器探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等DATE:2026/4/3011ifmelectronicgmbh第二节机械式传感器及仪器

因此，在非电量电测传感器中，常将被测量转化为弹性变形，然后再将位移转化为电量输出。注意：

弹性元件有蠕变、弹性滞后效应，影响输入、输出的线性关系！从结构设计、材料选择、工艺方法等方面加以克服。例如：动态测力环FDATE:2026/4/3012ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

将被测量变化转化为电阻变化分类：变阻器式——大电阻式，测量线位移、角位移

电阻应变式——应变、力、位移、加速度、扭矩一、变阻器式传感器（电位计式）

ρ—电阻率，L—电阻丝长度，A—电阻丝截面积

电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线的长度而变化。通过改变电位器触头位置，实现将位移转化为电阻的变化。

DATE:2026/4/3013ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器f(x)=kx3抛物线骨架f(x)=kx2直角三角形骨架DATE:2026/4/3014ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器单位长度的电阻（常数）

输入量：触点C移动量位移C点与A点之间电阻输出量传感器灵敏度

图a:图b:图c:DATE:2026/4/3015ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

u0

直流激励电压uy传感器输出电压xp变阻器总长度Rp变阻器总电阻RL测量电路输入电阻变阻器式传感器的后接电路，一般采用如下电阻分压电路：

DATE:2026/4/3016ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

在u0作用下，传感器输入量x与输出量

uy之间的关系：

当：RL→∞时，则：

优缺点：优点：结构简单，性能稳定，使用方便；缺点：分辨率低（很难高于20μm），电噪声大（uy—x曲线为阶梯形状）；应用于：线位移、角位移测量，测量仪中电子电位差计等。DATE:2026/4/3017ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

主要产品超精密度导电塑料基片以及铂金电刷组装而成的直线位移传感器（俗称电子尺，电阻尺），量程75-1000mm,线性度达到0.05%，重复精度0.013mm。寿命一亿次。DATE:2026/4/3018ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

案例：重量的自动检测--配料设备

比较重量设定原材料原理：弹簧->力->位移

->电位器->电阻DATE:2026/4/3019ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

案例：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝->收线圈数

->电位器

->电阻DATE:2026/4/3020ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

案例：机器人原理：电机->转角

->电位器

->电阻DATE:2026/4/3021ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

二、电阻应变式传感器1金属电阻应变片金属丝电阻应变片（电阻丝式应变片）、金属箔式应变片两种。工作原理：基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数；具有体积小、动响快、精度高、使用简便等优点；分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。DATE:2026/4/3022ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

高电阻率的金属丝绕成栅形DATE:2026/4/3023ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

栅状金属箔片用光刻成型，线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好，散热好，粘接好。DATE:2026/4/3024ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

DATE:2026/4/3025ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器把应变片用特制胶水粘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，电阻丝随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化，由此将被测量的变化转变为电阻变化。由得到：DATE:2026/4/3026ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

电阻的相对变化：电阻丝轴向相对变形，纵向应变电阻丝径向相对变形，横向应变电阻丝电阻率的相对变化DATE:2026/4/3027ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

电阻丝材料泊松比弹性模量压阻系数应变系数或灵敏度电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者关系：电阻相对变化率与应变成正比轴向正应力DATE:2026/4/3028ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

2半导体应变片应用半导体材料的压阻效应。压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，能使其电阻率发生很大变化的现象。半导体在压力、温度及辐射作用下，能使其电阻率发生很大变化。λE远大于1+2v一般比金属丝电阻应变片大50~70倍DATE:2026/4/3029ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小。缺点：温度稳定性能差，灵敏度分散大，在较大应变作用下，非线性误差大。电阻丝式应变片、半导体应变片主要区别：电阻丝：外力作用引起导体变形电阻变化，基于应变效应，温度稳定性好，灵敏度差，S一致性好，成本低，应用广。半导体：外力作用，电阻率变化引起电阻变化，基于压阻效应，S大，滞后小，可集成，温度稳定性差，灵敏度(S)分散大。DATE:2026/4/3030ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

3应用实例两种应用方式1）直接用来测定结构的应变或应力DATE:2026/4/3031ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度的传感器DATE:2026/4/3032ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

案例：桥梁固有频率测量DATE:2026/4/3033ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

案例：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。DATE:2026/4/3034ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

案例：冲床生产记数和生产过程监测DATE:2026/4/3035ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

案例：振动式地音入侵探测器

适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。DATE:2026/4/3036ifmelectronicgmbh§3-3电阻式传感器

注意的问题：应变片测出的是应变，必须经过转换微应变不是单位，表示长度相对变化量1粘贴工艺很重要用于动态测量时，应考虑应变片本身的动态特性（激励电源频率、基片的长度）温度变化引起阻值变化，需考虑温度补偿DATE:2026/4/3037ifmelectronicgmbh

电阻式传感器类型§3-3电阻式传感器电阻式传感器变阻器式丝式电阻应变片式金属电阻应变片半导体应变片箔式压阻效应电阻率变化应变效应电阻值变化固态压阻式传感器DATE:2026/4/3038ifmelectronicgmbh

本次课内容§3-3电容式传感器工作原理

：将被测量转化为电容量变化。1.极距变化型（变δ）；2.面积变化型（变A）；3.介质变化型（变ε）。测量电路电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型差动变压器式§3-3电感式传感器DATE:2026/4/3039ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

一、工作原理

平行极板电容器

ε—极板间介质的相对介电常数，在空气中ε=1；ε0—真空中介电常数，ε0=8.85×10-12F/m；δ—极板间距离；A—极板面积。当δ、A、ε变化，都会引起电容的变化，对应极距变化型、面积变化型和介质变化型。+++

A

将被测量转化为电容量变化。实质：一个具有可变参数的电容量。DATE:2026/4/3040ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

极距δ变化型，C与δ之间关系呈非线性。灵敏度与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高。为了减少非线性误差，工作范围△δ/δ0≈10%，S近似为常数，在此范围内，近似为线性。量程范围：0.01μm～数百μm。可采用差动形式，S↑一倍。1.极距变化型（变δ）：DATE:2026/4/3041ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

DATE:2026/4/3042ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

例如：DWY－2电容式振动位移测量仪（变δ）δo＝1.32mm,可测位移量：±0.05~±100μm频率范围：10kHZ测头面积：Φ14.2mmDATE:2026/4/3043ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

极距δ变化型++++++DATE:2026/4/3044ifmelectronicgmbh§3-3

电容式传感器

驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。DATE:2026/4/3045ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

2.面积变化型（变A）：DATE:2026/4/3046ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

2.面积变化型（变A）：+++DATE:2026/4/3047ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

线性度好，但灵敏度低，适合大位移的测量DATE:2026/4/3048ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

DATE:2026/4/3049ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

产品.陶瓷电容压力传感器

液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。DATE:2026/4/3050ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

3.介质变化型（变ε）：用于测量电介质液位，某些材料厚度、温度、湿度等。DATE:2026/4/3051ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

DATE:2026/4/3052ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

DATE:2026/4/3053ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

电容式液位传感器（液位计/料位计）DATE:2026/4/3054ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身。当物体（金属或非金属）移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使浮动电极产生的电场变化，高频振荡器产生振荡，振荡器的振荡和停振这两个信号，由整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”，“关”的控制作用。接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。DATE:2026/4/3055ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

(1)电桥型电路二、测量电路有电感、电容组成的桥路，电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，再驱动显示仪表。电容变化---电桥电压输出DATE:2026/4/3056ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

(2)直流极化电路

静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。输出电压与膜片位移速度成正比，可以测量气流或液流的振动速度，进而得压力。DATE:2026/4/3057ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

(3)谐振电路电容传感器的电容Cx作为谐振电路调谐电容的一部分。当Cx变化时，谐振回路的阻抗发生相应变化并被转化成电压或电流输出，经放大、检波，即可得到输出。工作点应选择在谐振曲线一边的线性区域内。这种电路比较灵敏，但工作点不易选好、变化范围窄，连接电缆分布电容影响大。DATE:2026/4/3058ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

(4)调频电路传感器电容Cx是振荡器谐振回路的一部分，当Cx变化时，振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经过放大后由记录器或显示仪表指示。抗干扰性强、灵敏度高等优点，可测0.01um变化。电缆部分电容的影响大。DATE:2026/4/3059ifmelectronicgmbh§3-3电容式传感器

(5)运算放大器电路输出电压与电容极距变化成线性关系DATE:2026/4/3060ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量变化的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型差动变压器式DATE:2026/4/3061ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

一、可变磁阻式传感器

DATE:2026/4/3062ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

工作原理：

线圈自感量L为

N——线圈匝数

Rm——磁路总磁阻[H-1]

如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的铁损时，总磁阻

l——铁心导磁长度；μ——铁心导磁率；A——铁心导磁截面积；δ——气隙长度；μ0——空气导磁率，μ0=4π×10-7H/m；A0——空气隙导磁横截面积（m2）。DATE:2026/4/3063ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器铁心磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略。则总磁阻：可构成δ、μo、

A0及N变化型传感器则电感量：δ——气隙长度；μ0——空气导磁率；A0——空气隙导磁横截面积；N——线圈匝数。DATE:2026/4/3064ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

间隙变化型（δ——气隙长度）

L与δ是呈非线性关系电感量灵敏度S与δ2成反比，δ愈小，S越大。S不是常数，会出现线性误差。当Δδ/δ0≤10%，（δ变化范围很小时），S近似为常数。一般规定在较小间隙范围内工作，工作范围δ0～δ0+Δδ，一般取这种传感器使用于小位移的测量，一般为0.001～1mm。

特点：灵敏度高。DATE:2026/4/3065ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

2.面积变化型（Ao—空气隙导磁横截面积）灵敏度3.介质变化型（μo---空气导磁率）可变导磁面积型差动型DATE:2026/4/3066ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

DATE:2026/4/3067ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

电感测微计上，构成两个桥臂常用测量范围0-300um，分辨力0.5umDATE:2026/4/3068ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

电感式接近传感器（金属）DATE:2026/4/3069ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

二、电涡流式电感传感器

工作原理：电涡流现象金属板置于一只线圈附近，相互距离为δ。当线圈中有一高频交变电流i通过时，便产生磁通φ。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流i1。这种涡电流也将产生交变磁通φ1。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，φ1总是抵抗φ的变化。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离δ有关。

DATE:2026/4/3070ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

原理:涡流效应DATE:2026/4/3071ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

DATE:2026/4/3072ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

Z～（线圈与金属板距离δ

金属板电阻率ρ

磁导率μ

线圈激磁频率ω）

应用：变化δ,测位移、振动

变化ρ或

μ，材质鉴别或探伤原线圈的等效阻抗Z变化：涡流测振仪一般采用如下分压调幅电路：DATE:2026/4/3073ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与电源频率相同时，输出电压u0最大。

δ变化，LC回路失谐，输出信号的频率仍为振荡器的工作频率f，但幅值随δ而变化，它相当于被δ调制的调幅波。---放大—检波—滤波

得到δ变化信息DATE:2026/4/3074ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

把传感器线圈接入LC振荡回路，取回路的谐振频率作为输出量。当δ变化时引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率f发生变化，再通过鉴频器进行频率——电压的转化，即可得到与δ成比例的输出电压。DATE:2026/4/3075ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

应用实例径向振摆测量轴心轨迹测量转速测量表面裂纹测量零件计数器穿透式测厚DATE:2026/4/3076ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

DATE:2026/4/3077ifmelectronicgmbh

§3-3电感式传感器案例：无损探伤火车轮检测油管检测原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。DATE:2026/4/3078ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

当线圈W1输入交流电流时，线圈W2产生感应电势e12，其大小与电流i1的变化率成正比：M——比例系数，称为互感（H），其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的耦合程度。

三、差动变压器式电感传感器（互感）工作原理：利用电磁感应中的互感现象（与变压器的原理相同）

DATE:2026/4/3079ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

铁心一次侧线圈二次侧线圈1.中间位置2.向上运动3.向下运动DATE:2026/4/3080ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

螺旋管式差动变压器式传感器DATE:2026/4/3081ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

DATE:2026/4/3082ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

变压器由初级线圈W和两个参数完全相同的次级线圈W1、W2组成。线圈中心插入圆柱形铁心P，次级线圈W1及W2

反极性串联。当初级线圈W加上交流电压时，次级线圈W1及W2分别产生感应电势e1和e2，其大小与铁心位置有关。当铁心P在中间位置时，e1=e2，输出电压e0=0，铁心P向上运动时，e1>e2铁心P向下运动时，e1<e2。随着铁心偏离中心位置，e0逐渐增大，其输出特性如图所示DATE:2026/4/3083ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比；输出电压若用交流电表指示只能反映铁心位移的大小，不能反映方向；交流电压输出存在零点残余电压。主要有两个二次侧线圈结构不对称，以及一次侧线圈铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电容等原因。DATE:2026/4/3084ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心上下移动，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。表头指示位移大小和方向。DATE:2026/4/3085ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

差动变压器式电感式传感器特点：线性测量范围大，可达±100mm精度高，分辨率可达0.1μm，稳定性好,使用方便，频率响应：0～200Hz（频率响应低）

由eo的绝对值大小可知x的值（位置）由eo的极性可知x相对中间位置的方向（方向）应用：电感式位移传感器测力（借助弹性元件将压力、重量

位移）DATE:2026/4/3086ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

案例：板的厚度测量

~DATE:2026/4/3087ifmelectronicgmbh§3-3电感式传感器

案例：张力测量DATE:2026/4/3088ifmelectronicgmbh§3-4磁电式传感器

一、变换原理

磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种转换器。（电磁感应式或电动力式）感应线圈的感应电动势为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。

e取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率DATE:2026/4/3089ifmelectronicgmbh§3-4磁电式传感器

二、分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型DATE:2026/4/3090ifmelectronicgmbh§3-4磁电式传感器

三、动圈式（线圈以v或ω运动，产生e）B磁感应强度L单匝线圈的有效长度v线圈与磁场的相对运动速度线圈运动方向与磁场方向的夹角A单匝线圈的截面积K与结构有关的系数DATE:2026/4/3091ifmelectronicgmbh§3-4磁电式传感器

e-发电线圈的感应电势；Z0是线圈阻抗；RL是负载电阻；Cc是电缆导线的分布电容；Rc是电缆导线的电阻；Cc、Rc可忽略。高输入阻抗时UL=e。DATE:2026/4/3092ifmelectronicgmbh§3-4磁电式传感器

4.磁电式传感器的工作原理是可逆的。作为测振传感器，它工作于发电机状态。若线圈上加上交变激励电压，线圈在磁场中振动，成为一个激振器（电动机状态）。注意：

1.当N、B、L均为常数时，感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比——惯性式速度计的工作原理。

2.速度是指线圈与磁场的相对速度；而不是壳体的绝对速度。

3.如果经过微分或积分网络，可以得到加速度或位移。DATE:2026/4/3093ifmelectronicgmbh§3-4磁电式传感器

动圈式传感器线速度型

DATE:2026/4/3094ifmelectronicgmbh§3-4磁电式传感器

角速度型测速电机DATE:2026/4/3095ifmelectronicgmbh§3-4磁电式传感器

四、磁阻式（线圈、磁铁不动，运动物体改变磁阻）DATE:2026/4/3096ifmelectronicgmbh§3-4磁电式传感器

磁电式车速传感器DATE:2026/4/3097ifmelectronicgmbh§3-4压电式传感器

一、压电效应与压电材料压电效应

正压电效应：某些晶体在其表面施加力，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，在其表面出现电荷，形成电场；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力大小成正比，此现象称为正压电效应。逆压电效应：将这些晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。DATE:2026/4/3098ifmelectronicgmbh§3-4压电式传感器

压电材料

晶体具有压电性，压电晶体①压电单晶——石英、铌酸锂，稳定性好，灵敏度低②压电多晶——压电陶瓷、锆钛酸铅，稳定性差，灵敏度高③压电半导体——有压电、半导体两特性④有机压电薄膜——聚丙二氟乙烯（PVdF），灵敏度低，用于微压、拟人触觉，大批量生产，面积大，柔软，不易碎。DATE:2026/4/3099ifmelectronicgmbh§3-4压电式传感器

二、石英晶体的正压电效应石英晶体成份SiO2，其基本结构为六棱柱体，石英晶体的直角坐标：X-X——压电轴,Y-Y——机械轴,Z-Z——光轴DATE:2026/4/30100ifmelectronicgmbh§3-4压电式传感器

在石英晶体中切出一个平行六面体，其对表面分别垂直于X、Y、Z轴。

a)纵向效应b)横向效应c)切向效应DATE:2026/4/30101ifmelectronicgmbh§3-4压电式传感器

纵向压电效应沿X方向施加Fx力，将在垂直于X轴表面出现电荷qx

qx=d11Fxd11=2.31×10-12C/N

横向压电效应沿Y方向施加Fy力，将在垂直于X轴表面出现电荷qx

qx=-d11Fy

切向压电效应施加切向力Fy切，则在垂直于X——X轴的表面产生电荷qx

qx=d14Fy切d14=0.73×10-12C/N

纵向压电常数！沿Z轴表面施加Fz作用力，其表面不产生电荷。

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三、石英晶体压电效应的物理解释组成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于Z轴平面上的投影可以等效为正六边形的顶点排列。①当不受力时，硅、氧离子的正、负电荷的等效作用中心重合，对外不显电性。②纵向压电效应在F力的作用下，石英晶体变形，硅、氧离子的正、负电荷的等效作用中心沿X轴方向分离，因此在垂直于X轴的晶体表面将吸附电荷（形成偶极子电场，与外力电场平衡）。DATE:2026/4/30103ifmelectronicgmbh§3-4压电式传感器

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四、压电传感器及等效电路

单向石英压电测力传感器，具有一定电容的电荷源。电荷发生器电容器DATE:2026/4/30105ifmelectronicgmbh§3-4压电式传感器

五、测量电路前置放大器用途：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，二是放大输出的微弱电信号；前置放大器有电压放大器（输出电压与输入电压成正比）、电荷放大器（输出电压与输入电荷成正比，与分布电容无关）两种。

由于压电式传感器的输出信号是很微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚弱，这给后接电路带来一定困难，为此通常把传感器信号先输到高阻抗的前置放大器，经阻抗变换后再输出。DATE:2026/4/30106ifmelectronicgmbh§3-4压电式传感器

六、应用

正压电效应测力（加速度、扭矩）逆压电效应（振动送料器、执行器）产品压力变送器加速度计力传感器DATE:2026/4/30107ifmelectronicgmbh§3-4压电式传感器

YDS-78Ⅰ型石英压电传感器测力范围：5000N分辨率：0.01N线性误差：<±1%电荷灵敏度：3.8～4.2pc/N绝缘电阻：>5×1013Ω固有频率：50KHz工作温度：-60～+140℃重量：10克尺寸：ф18mm×7mm获省科技成果一等奖

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案例：热轧设备诊断DATE:2026/4/30115ifmelectronicgmbh§3-4热电式传感器

热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置，即把被测量——温度转换为电量变化。基于金属的热电效应。分为热电偶和热电阻两种：将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器；将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器。DATE:2026/4/30116ifmelectronicgmbh§3-4热电式传感器

热电效应：将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。一、热电偶DATE:2026/4/30117ifmelectronicgmbh§3-4热电式传感器

回路热电势EAB(t,t0):与材料A、B有关，与t-t0有关（“热”端、“冷”端温差）。由测得EAB(t,t0)和t0来获得t。标准化热电偶：标准化热电偶指已大量生产和使用，工艺稳定，性能符合专业标准或国家标准，具有统一分度表的热电偶。DATE:2026/4/30118ifmelectronicgmbh§3-4热电式传感器

8种标准化热电偶标志材料使用温度℃S铂铑10—铂-50～1768R铂铑13—铂-50～1768B铂铑30—铂铑60～1820K镍铬—镍硅-270～1372N镍铬硅—镍硅-270～1300E镍铬—铜镍合金（康铜）-270～1000J铁—铜镍合金（康铜）-210～1200T铜—铜镍合金（康铜）-270～400DATE:2026/4/30119ifmelectronicgmbh§3-4热电式传感器

热电偶测温基本定律1)均质导体定律

由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V3)中间温度定律：热电偶A、B在接点温度t,t0时的热电势等于该热电偶在接点温度t,t1与t1,t0时的热电势之和。即：EAB(t,t0)=EAB(t,t1)+EAB(t1,t0)DATE:2026/4/30120ifmelectronicgmbh§3-4热电式传感器

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二、热电阻热电阻分为金属热电阻（热电阻）和半导体热电阻（热敏电阻）。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而变化这一特性来进行温度测量的。DATE:2026/4/30123ifmelectronicgmbh§3-4热电式传感器

物理解释：温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484

。DATE:2026/4/30124ifmelectronicgmbh§3-4热电式传感器

热电阻分类：1.铂电阻铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出－输入特性接近线性。铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出－输入特性接近线性，价格低廉。当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。2.铜电阻DATE:2026/4/30125ifmelectronicgmbh§3-4热电式传感器

镍电阻使用温度范围是-50～100℃和-50～150℃。但目前应用较少：镍非线性严重，材料提取也困难。但灵敏度都较高，稳定性好，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多。（我国定为标准化热电阻）铟电阻适宜在-269～-258℃温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。锰电阻适宜在-271～-210℃温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。碳电阻适宜在-273～-268.5℃温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。3.其他热电阻DATE:2026/4/30126ifmelectronicgmbh本次课内容

第五节光电传感器第六节光纤传感器第七节半导体传感器第八节红外测试系统第九节激光测试传感器第十节传感器的选用原则DATE:2026/4/30127ifmelectronicgmbh§3-5光电传感器将光信号转换为电信号的传感器；若用这种传感器测量非电量时，只需将非电量的变化转换为光信号的变化；优点：结构简单、可靠性高、精度高、非接触、反映快等；光电传感器的工作基础是光电效应；用光照射某一物体时，即为光子与物体的能量交换过程，这一过程中产生的电效应称为光电效应；光电效应按作用原理分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。DATE:2026/4/30128ifmelectronicgmbh§3-5光电传感器

外光电效应:

（电子发射效应）

在光照作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管。内光电效应:（光导效应）

在光照作用下能使物体导电性能如电阻率发生改变的现象，如光敏电阻，阻值的大小随光照的增强而降低，光照停止时电阻恢复原来值。光生伏特效应:

在光照作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池（太阳能电池），光敏晶体管。一、光电测量原理DATE:2026/4/30129ifmelectronicgmbh§3-5光电传感器

模拟式光电传感器把被测量转换为连续变化的光电流，呈单值对应关系：光源本身是被测物，如光电比色高温计，光辐射强度是被测温度的函数；被测量吸收光能量，如透明度、混浊度光电比色计；被测量反射光能量，如表面粗糙度检测仪；被测物阻档光能量，检测尺寸或振动。开关量光电传感器把被测量转换为断续变化的光电流，输出开关量或数字电信号。用于测量精确角度的光电式编码器：脉冲盘式和码盘式；光电转速计：转轴上涂黑白二色，反光与不反光交替出现。二、光电传感器应用DATE:2026/4/30130ifmelectronicgmbh§3-5光电传感器

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照相机自动测光光控灯工业控制DATE:2026/4/30132ifmelectronicgmbh§3-5光电传感器

案例：机械式光电鼠标是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。DATE:2026/4/30133ifmelectronicgmbh§3-5光电传感器

亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。DATE:2026/4/30134ifmelectronicgmbh§3-6

光纤传感器

定义：将被测量的变化转换为光波变化的传感器。光波变化包括：光波强度、频率、相位、偏振光纤传感器是与传统传感器有重大差别的新型传感器：传统传感器：以机—电转换为基础，以电信号为变换和传输载体，利用导线传输电信号；光纤传感器：以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输载体，利用光导纤维输送信号。DATE:2026/4/30135ifmelectronicgmbh§3-6光纤传感器

把光波随被测量的变化而变化，称为对光的调制。分为：强度调制、频率调制、相位调制和偏振调制。一、分类光纤传感器：功能型（既传光又传感）传光型（仅传光）DATE:2026/4/30136ifmelectronicgmbh§3-6光纤传感器

功能型（物性型）光纤传感器利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。DATE:2026/4/30137ifmelectronicgmbh§3-6光纤传感器

光纤流速传感器DATE:2026/4/30138ifmelectronicgmbh§3-6光纤传感器

传光型（结构型）光纤传感器由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。DATE:2026/4/30139ifmelectronicgmbh§3-6光纤传感器

二、光纤导光原理光由大折射率n1的介质射入小折射率n2的介质，折射角大于入射角DATE:2026/4/30140ifmelectronicgmbh§3-6光纤传感器

三、光纤传感器的应用接受的光强与位移X有关声压、水压的探测DATE:2026/4/30141ifmelectronicgmbh§3-6光纤传感器

DATE:2026/4/30142ifmelectronicgmbh§3-6光纤传感器

DATE:2026/4/30143ifmelectronicgmbh§3-6光纤传感器

光纤检测型光电传感器颜色检测DATE:2026/4/30144ifmelectronicgmbh§3-6光纤传感器

四、光纤传感器的特点采用光波传递信息，不受电磁干扰，电气绝缘性能好，可在强电磁干扰下完成传统传感器难以完成的某些参量的测量，特别是电流、电压测量。光波传输无电能和电火花，不会引起被测介质的燃烧、爆炸，光纤耐高压、耐腐蚀，因而能在易燃、易爆和强腐蚀性的环境中安全工作。某些光纤传感器的工作性能优于传统传感器，如加速度计、磁场计、水听器等。重量轻、体积小、可挠性好，利于在狭窄空间使用。光纤传感器有良好的几何形状适应性，可做成任意形状的传感器和传感器阵列。频带宽，动态范围大，对被测对象不产生影响，有利于提高测量精确度。利用现有光通讯技术，易于实现远距离测控。DATE:2026/4/30145ifmelectronicgmbh§3-7半导体传感器

物性型

半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等量具有敏感性，使其成为非电量电测的转换元件。特点：结构简单、体积小、重量轻；功耗低、安全可靠、寿命长；灵敏度高、效应快；易于集成。输出特性的非线性；温度影响大；性能参数分散性大。DATE:2026/4/30146ifmelectronicgmbh§3-7半导体传感器一、磁敏传感器利用半导体材料的磁敏特性来工作的：霍尔元件、磁阻元件、磁敏管。（一）霍尔Hall元件半导体磁电转换元件，利用霍尔效应工作。将霍尔元件置于磁场中，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（霍尔电动势），这种物理现象称为霍尔效应。

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霍尔常数（材质、温度、元件尺寸）磁感应强度电流与磁场方向夹角改变B或i或同时改变，测VH用于测量：微位移、微压、压差、高度、加速度、振动霍尔电动势DATE:2026/4/30149ifmelectronicgmbh§3-7半导体传感器

霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。

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测转角：DATE:2026/4/30154ifmelectronicgmbh§3-7半导体传感器

二、光敏传感器光敏传感器是将光量转换为电量的器件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。（一）光敏电阻一种光电半导体元件，工作原理是基于半导体材料的内光电效应。当半导体受到光照射时，其电阻值减小的现象。光敏电阻阻值与光的波长有关。受温度影响大。DATE:2026/4/30155ifmelectronicgmbh§3-7半导体传感器

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（二）光电池直接将光能转换成电能；半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。一般常用光电池有硒、硅、砷化镓、硫化铊等。硅光电池：光谱范围0.4~1.1μm,灵敏度6~8;响应时间微秒级。+++---PNDATE:2026/4/30157ifmelectronicgmbh§3-7半导体传感器

（三）光敏二极管和光敏三极管和光电池、光敏二极管比较，光敏三极管具有输出信号大，产生光电流部分与放大部分集中在一起，具有良好的抗噪声能力，响应速度慢些。DATE:2026/4/30158ifmelectronicgmbh§3-7半导体传感器

DATE:2026/4/30159ifmelectronicgmbh§3-7半导体传感器

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三、固态图像传感器从功能上说，是能把接受的光像分成许多小单元（像元），并将它们转换成电信号，然后顺序地输送出去的器件。从结构上，是小型固态集成单元，核心部分是电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice简称CCD）。CCD由阵列式排列在衬底上的金属-氧化物-硅电容器（MOS)组成，具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。DATE:2026/4/30161ifmelectronicgmbh§3-7半导体传感器

固态图像传感器具有：小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好、寿命高和以光为媒介可以到达危险地点的优点。用途：物位、尺寸、形状、工件损伤等测量；作为光学信息处理的输入环节，如电视摄像、传真技术、光学文字识别技术和图象识别技术中的输入环节；自动生产过程的控制敏感元件。三、固态图像传感器DATE:2026/4/30162ifmelectronicgmbh§3-7半导体传感器(1)宽度测量;(2)外径测量;(3)主轴径向跳动测量.DATE:2026/4/30163ifmelectronicgmbh§3-7