华北理工机械工程测试技术A课件第3章 传感器

Transducer(Sensor)第3章传感器学习目标学习重点与难点

了解传感器的分类及特点，了解各种传感器的基本应用场合。重点掌握电阻应变式、电感式、电容式、压电式传感器的工作原理、输入/输出特性及它们的测量转换电路。掌握传感器的选用原则，会根据测试任务及各种测试要求选用适当的传感器。电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器和压电式传感器的工作原理及测量电路。重点难点压电式传感器及其测量电路。3.1概述3.2机械式传感器3.3电阻式传感器3.4电感式传感器3.5电容式传感器主要学习内容3.6压电式传感器3.7磁电式传感器3.8热电偶3.9其他传感器3.10传感器的选用原则

能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。1.传感器的定义（GB7665-87）2.传感器的组成●敏感元件●转换元件●其他元件3.1传感器及其分类TransducerandItsClassification3.1.1传感器的定义及其组成1.按被测量的属性分

位移、速度、加速度、力、压力、流量等传感器。2.按传感器的工作原理分3.按信号转换特征分

电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、光电式等。

结构型传感器、物性型传感器。3.1.2传感器的分类物性型传感器是未来传感器的发展方向。4.按传感器输出信号的状态分5.按工作时是否需要外部能源分

模拟传感器、数字传感器。

参量型传感器、发电型传感器。3.2机械式传感器MechanicalTypeTransducer机械式传感器通常是以某些结构形式的弹性体作为传感器的敏感元件（称为弹性敏感元件）。弹性元件的输入（被测量）一般为力、压力、温度等物理量，一次变换输出为元件的弹性变形。这种变形可以通过某些放大装置直接带动仪表指针产生偏移，也可再做测量变换转换成其他形式的输出（例如在弹性元件上粘贴应变片，把变形或应变的变化转换成应变片电阻的变化）。各类弹性敏感元件3.3电阻式传感器ResistanceTypeTransducer电阻式传感器是将被测量的变化转换成电阻变化的传感器。电阻式传感器大致可分为三类：变阻器式、电阻应变式、敏感电阻式（热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻等）。本节仅讨论前两类。1.工作原理3.3.1变阻器式传感器2.结构型式3.特点●静态灵敏度理论上为常数——零阶系统●负载特性

●阶梯特性

●结构简单，性能稳定，受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响小，输出信号大，成本低，精度较高●存在摩擦和磨损，噪声大，抗冲击、振动性能差，易受灰尘等因素的影响，要求大能量输入，动态特性差

为克服上述缺点，人们研究出了金属膜、合成膜、导电塑料（橡胶）等非线绕式变阻器式传感器导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉1.工作原理应变片的灵敏度3.3.2电阻应变式传感器设则此外——泊松比——压阻系数■金属应变片——应变效应为主

（多在1.7~3.6之间）■半导体应变片（多在60~150之间）

半导体应变片的灵敏度高、体积小，但温度稳定性和重复性不如金属应变片，非线性误差大。——压阻效应为主2.结构金属电阻应变片的敏感元件为栅形的金属敏感栅，有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。金属电阻应变片的结构丝式箔式半导体应变片的结构半导体应变片主要有体型、薄膜型、扩散型三种类型。体型薄膜型扩散型3.特点●金属电阻应变片的灵敏度较低，但温度稳定性好、非线性误差小；半导体应变片的灵敏度较高，横向效应和机械滞后小，其缺点是温度稳定性差，非线性误差大。使用应变片时通常要采取温度补偿和非线性误差补偿等措施。●电阻应变式传感器具有体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便等优点，可用来测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。●电阻应变片的转换电路——应变电桥4.应用电阻应变仪电子秤3.4电感式传感器InductanceTypeTransducer

电感式传感器是一种把被测量的变化转换成线圈电感参数（自感系数、互感系数、等效阻抗）变化的传感器，其工作原理是基于电磁感应。电感式传感器可分为:

●自感传感器●涡流传感器●互感传感器1.工作原理单圈式自感传感器3.4.1自感传感器差动式自感传感器差动连接的优点：●提高了灵敏度●改善了非线性●实现了某些补偿3.结构2.测量电路4.应用1.工作原理线圈的等效阻抗——线圈到金属板的距离

——激励电流的频率

——激励电流的强度

——线圈半径

——金属板的磁导率

——金属板的电阻率

——线圈匝数——涡流效应3.4.2涡流传感器高频反射式低频透射式2.测量电路分压式调幅电路3.结构4.应用当有金属物体穿越安检门时报警1.工作原理开磁路闭磁路

——一、二次线圈的匝数

——真空（空气）的磁导率——空气隙的长度

——导磁截面积互感系数3.4.3互感传感器差动变压器2.测量电路反串连接3.结构

电容式传感器是将被测量的变化转换成传感器电容量变化的传感装置。其原理是基于平板电容器。据此，电容式传感器可分为：

●极距变化型

●面积变化型

●介质变化型3.5电容式传感器CapacitanceTypeTransducer普通式3.5.1极距变化型电容传感器通常差动式特点：优点——灵敏度高、精度高缺点——量程小、线性差3.5.2面积变化型电容传感器特点：优点——量程大、线性好缺点——灵敏度低3.5.3介质变化型电容传感器测量电路交流电桥调频电路运算式电路结构

压电式传感器是一种发电型的可逆换能器，它利用了某些晶体材料所具有的压电效应，既可以把机械能（力、压力等）转换成电能（电荷、电压等），也可以把电能转换成机械能。

压电式传感器是基于某些压电材料的压电效应工作的。3.6压电式传感器PiezoelectricTransducer3.6.1压电效应

某些材料，如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅其几何尺寸发生变化，而且其内部还出现极化现象，某些表面上出现电荷，形成电场。当外力去掉时，又回到原来的状态，材料的这种性质称为压电效应。相反，如果将这类材料置于电场下，其几何尺寸也会发生变化，即这类材料在外电场的作用下会产生机械变形，称为逆压电效应或电致伸缩效应。压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（如天然石英晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。天然石英晶体压电陶瓷高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆轴（电轴）：产生压电电荷的方向轴（光轴）：光线沿此方向入射时不产生双折射现象，沿此方向加力也不产生压电电荷

轴（机械轴）：沿此方向受力时变形最小，强度最大压电晶片●

纵向压电效应——沿方向施力，在平面上产生电荷●

横向压电效应——沿方向施力，在平面上产生电荷●

切向压电效应——沿平面或平面施加剪切力，在

平面上产生电荷●

逆压电效应——把晶片置于电场中，晶片沿方向产生变形压电效应的种类开路时：1.压电传感器3.6.2压电传感器及其等效电路、灵敏度2.压电传感器的等效电路●

电荷灵敏度——单位作用力所产生的电荷●

电压灵敏度

——单位作用力所形成的电压两种灵敏度之间的关系：或压电晶片的串、并联：串联：电压灵敏度提高一倍并联：电荷灵敏度提高一倍3.压电传感器的灵敏度时，传感器上的电荷响应传感器上的电压响应压电传感器的放电时间常数越大越好。

压电传感器因等效电容和等效电阻的存在而存在放电效应（放电时间常数），使其输出电压对不同频率的输入（力）有着不同的响应特性。当作用力3.6.3压电传感器的频率特性作用：●阻抗匹配●对传感器的输出进行转换放大1.电压放大器当时，，当时，，当作用在单压电晶片上的作用力为时，3.6.4压电传感器的测量电路不适合于静态或低频信号的测量适合于高频信号的测量2.电荷放大器

采用了负反馈技术增大放电时间常数，使电路的输出与传感器上的电荷（被测量）成正比。

由于负反馈的存在，使放电时间常数中的变成了。由于很大，因此

适用于低频乃至静态信号的测量电荷放大器压电传感器的结构压电传感器用于动态切削力、振动的测量高分子压电电缆用于汽车车速、载重量测量机械设备故障诊断磁电式传感器也称为电动力式传感器或电磁感应式传感器，其工作利用的是电磁感应原理——线圈在磁场中切割磁力线产生感应电动势。磁电式传感器一般是将速度转换成感应电动势输出，属于发电型传感器。●动圈式●动铁式●磁阻变化式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，就会改变感应电动势。3.7磁电式传感器MagnetoelectricTransducer线速度型

3.7.1动圈式磁电传感器角速度型3.7.2动铁式磁电传感器3.7.3磁阻变化式磁电传感器磁阻变化式车速传感器

热电偶是基于热电效应工作的一种测温传感器，它是一个由两种不同材料的导体组成的闭合回路。3.8热电偶Thermocouple1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转；如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。3.8.1热电效应热电效应：由两种不同材料的导体所组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。热电极A自由端（参考端、冷端）测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB■温差电动势——因同一导体两端温度不同（自由电子所具有的动能不同）而产生的电动势，如、。

■接触电动势——由于两导体内的电子密度不同、电子从密度大的导体扩散到密度小的导体而在两导体接触点处产生的电动势，如、。

3.8.2热电偶的工作原理热电偶所产生的总电动势=温差电动势+接触电动势

当热电偶的材料等因素确定后，的大小只取决于热端温度和冷端温度

若使冷端温度恒定，热电偶输出的总电动势就只是热端（被测）温度的单一函数此即热电偶测温的原理。1.中间导体定律2.中间温度定律3.参考电极定律

若热电偶回路中插人的中间导体C两端温度相同，则对热电偶输出的总热电动势无影响。3.8.3热电偶的基本定律名称分度号测温范围/℃100℃时的热电动势/mV1000℃时的热电动势/mV特点铂铑30—铂铑6B50~18200.0334.834测温上限高，性能稳定，精度高，价昂，热电动势小，线性差，适用于高温的测量铂铑10—铂S-50~17680.6469.587性能稳定，抗氧化性强，适用于在氧化性或惰性气体介质中工作，精度高，价昂镍铬—镍硅K-270~13704.09641.276测温范围大，热电动势大，线性好，稳定性好，价廉，稳定性差镍铬—康铜E-270~8006.319—热电动势大，线性好，耐高湿度，价廉，适用于在氧化性或惰性气体介质中工作铁—康铜J-210~7605.269—价廉，热电动势较大，在还原性气体中较稳定，但纯铁易被腐蚀和氧化铜—康铜T-270~4004.279—价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好．精度高，但但铜在高温时易被氧化．测温上限低，多用于低温测量铂铑13—铂R-50~17680.64710.506使用上限较高，精度高，性能稳定，复现性好；但热电动势较小，价昂；多用于高温精密测量3.8.4常用热电偶及型式普通装配型热电偶（螺纹安装、法兰安装）接线盒引出线套管

固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

铠装型热电偶法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料隔爆型热电偶厚壁保护管压铸的接线盒其他类型的热电偶3.9其他传感器OtherTypesofTransducer

前面介绍的几类传感器属于应用历史比较长的传统传感器。随着科学技术特别是新材料、新工艺的发展，陆续出现了一些近代新型传感器（多属于物性型）。特别是近年来，多（功能）传感器、集成传感器、智能传感器、微传感器等的出现又使传感器技术进入了一个新的时代。本节将对上述传感器做简要介绍。

将一金属或半导体薄片置于磁场中并在相对的两个控制电极之间通入电流时，由于运动的电子在磁场中受到洛伦兹力的作用而在另两个电极的位置产生电子堆积，从而在这两个电极上形成电动势——霍尔电势。1.霍尔效应

霍尔式传感器是一种磁电转换元件，它利用某些材料所具有的霍尔效应来实现对某些参数的测量。3.9.1霍尔式传感器（Hall’sTypeTransducer）cdab2.霍尔元件

霍尔元件通常由霍尔片、四根引线和壳体组成。3.集成霍尔传感器

线性集成霍尔传感器是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。■线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器■开关型集成霍尔传感器开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。4.霍尔传感器的应用a)线位移测量b)角位移测量c)信号相乘运算d)零件计数e)转速测量f)压力测量车速检测电流传感器漏电流传感器1.光敏元件光敏元件的转换原理是基于半导体材料的光电效应。●内光电效应（光导效应）：在光线作用下，半导体材料的电阻率发生变化。（光电阻等）●外光电效应：光照射在某些半导体材料上时，其表面上的电子脱离材料的表面进入外界空间，从而改变了材料的导电性能。（光电管、光电倍增管等）●光生伏特效应：某些半导体材料会因光的照射而产生电动势。（光电池、光敏晶体管、PSD等）3.9.2半导体敏感元件（SemiconductorSensingElements）■光敏电阻■光电池■光敏管光敏二极管光敏三极管■位置敏感元件PSD（光点位置坐标x仅与、的比值有关，与入射光点的强度无关）

非均匀半导体”横向光电效应”尺寸测量位移测量■固态图像传感器CCD

图像传感器是一种固态集成器件，它的敏感元件可以是电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）、电荷注入器件CID、戽链式器件BBD、金属氧化物半导体器件等，其中以电荷耦合器件CCD应用最为广泛，因此人们也把这类传感器简称为CCD。面阵CCD线阵CCD●零件尺寸、形状、以及物位等的检测●作为自动控制、检测系统中的敏感器件●作为光学信息处理装置的传感元件●作为机器人的视觉CCD传感器的主要应用零件尺寸检测热轧铝板宽度检测（精度±0.025%）摄像头数码相机2.热敏元件电阻温度系数热电阻热敏元件一般指的是热敏电阻。

热敏电阻的结构形式3.磁敏元件

磁敏元件将磁场的变化转换为电量或电参数的变化，它们的工作原理基于磁电转换的霍尔效应和磁阻效应。磁阻效应：当一载流导体置于外磁场中时，其电阻将随磁场的变化而变化。■磁敏电阻磁敏元件主要包括磁敏电阻、磁敏晶体管和霍尔元件等（前已述）。

磁敏电阻的工作原理是基于磁阻效应。磁敏电阻器的种类有锑化铟单晶、共晶磁敏电阻器。后一种是由锑化铟、锑化镍共晶材料制成的，其灵敏度和阻值较高。

磁敏电阻主要应用于测定磁场强度，测量频率、功率等测量技术、运算技术、自动控制技术、信息处理技术；并可用于制成无触点开关、可变的无接触电阻器等。■磁敏管

磁敏管可用来测量交、直流磁场，且特别适合于测量弱磁场；可用来对高压线的电流进行不断线、非接触测量；可用作无触点开关、无触点电位计、计数装置、接近开关等。线性磁阻位置传感器电子警察便携式小型探矿仪4.气敏元件

当气敏半导体材料吸收了某些气体（主要是可燃性气体，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯、天然气、沼气等）时，会发生还原反应，放出热量，使其温度发生相应变化，从而导致电阻值发生变化。用这类半导体材料制成的气敏元件，可以将气体的浓度、成分的变化转换成电信号的变化。燃气报警器酒精测试仪烟雾报警器5.湿敏元件

湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示；相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。

湿敏元件主要是指湿敏电阻，它们的电阻率随被测湿度的变化而变化。主要有：

●氯化锂湿敏电阻

●半导体陶瓷湿敏电阻湿敏元件●透射光栅与反射光栅●长光栅与圆光栅1.光栅传感器的组成、种类3.9.3光栅传感器（GratingTransducer）透射式长光栅透射式圆光栅反射式光栅2.莫尔条纹的形成原理及特点●对应关系——一个栅距变化对应一个莫尔条纹变化●平均作用特点：●放大作用——光栅尺光栅读数头3.结构尺身尺身安装孔反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆防尘保护罩的内部为长光栅扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆数控机床上的光栅尺数控机床上的光栅尺防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部1.脉冲式编码器3.9.4角编码器（Encoder）2.绝对式光电编码器4个电刷

4位二进制码盘

+5V输入公共码道

最小分辨角度为α=360°/2n10码道光电绝对式码盘3.增量式光电编码器转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC3.9.5光纤传感器（OpticalFiberTransducer）全反射光纤原理物性型光纤传感器测量压力1.物性型光纤传感器2.结构型（传光型）光纤传感器传光型光纤传感器测量位移激光多普勒测速（传光型）光纤液位传感器

光纤温度传感器

光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型超声波的特点：●频率高、波长短、能量大、穿透力强●方向性好，遵循几何光学的基本规律●在固体、液体介质中传播时的衰减小3.9.6超声波传感器1.超声波的发生与接收超声波探头超声波探头2.超声波传感器的应用穿透法探伤反射法探伤超声波探伤仪超声波测厚仪超声波测厚超声波测液位超声波液位计超声波流量计超声波测距（倒车雷达）

红外检测利用的是物体的热辐射性质。物体的辐射能量与物体的温度、性质及表面状态有关，若测得物体的辐射能量，就可确定物体的温度或鉴别物体的性质。据此制成的传感器称为红外传感器或红外探测器。电磁波谱图3.9.7红外传感器1.红外探测器透射式红外探测器的光学系统反射式红外探测器的光学系统

2.红外传感器的应用■红外无损检测

●焊接缺陷的检测

●铸件内部缺陷的检测●疲劳裂纹的检测红外热像仪■红外测温以锻件温度红外检测为核心的锻造自动线红外测温仪●发现并利用新现象●开发利用新的功能材料●采用新的制造工艺●开发多功能集成传感器●

开发智能传感器●

开发仿生传感器3.9.8现代传感技术的发展方向直滑式导电塑料电位器精密导电塑料电位器扩散硅压力变送器溅射薄膜压力传感器三维力传感器六维力传感器智能传感器（SmartSensor）智能RS232倾角传感器智能电涡流传感器智能转子流量计智能椭圆齿轮流量计智能压力变送器智能涡轮流量计振动网络传感器IC总线数字温度传感器智能压力网络传感器

选择传感器主要考虑传感器的类型、灵敏度、频率响应特性、线性范围、可靠性与稳定性、精度、工作方式等几个方面的因素。3.10传感器的选用原则CriterionForTransducerSelection1.传感器类型

为实现对某一参数的测试，可供选用的传感器类型可能会有很多。不同类型的传感器在原理、测量方式、信号输出方式、精度、动态特性等诸多方面有着很大的差异。例如，测试机床主轴的振动时，可以选用电容式位移传感器，而用电感式位移传感器则无法满足上述测试要求。2.灵敏度

一般来说，传感器的灵敏度越高越好。但应注意：●灵敏度越高，外部干扰、噪声越容易混入。●一般来说，灵敏度越高测量（线性）范围越小。●如果被测参数为二维或三维向量，则各测量方向上的单向灵敏度越高越好、交叉灵敏度越低越好。3.频率响