測試技術(shù)基礎(chǔ)課件：傳感器 -

常用傳感器主要內(nèi)容4.1概述4.2電阻傳感器

4.3電容傳感器4.4電感傳感器4.5磁電傳感器4.6壓電傳感器4.7磁敏傳感器4.8新型傳感器4.9傳感器選用原則本章重點傳感器的概念和分類重點掌握常用傳感器（電阻，電容，電感，壓電）工作原理和應(yīng)用傳感器選用原則了解磁電和磁粉傳感器的原理單片機傳感器應(yīng)用介紹傳感器應(yīng)用討論4.1概述1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。狹義上，非電信號電信號。將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。獲得傳感器信號的兩種方法直接獲得電信號的變化（開關(guān)傳感器）；在非電量電測系統(tǒng)中的作用

敏感作用：感受并拾取被測對象的信號變換作用：被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。獲得傳感器信號的兩種方法直接獲得電信號的變化（開關(guān)傳感器）；傳感器在微型計算機測控系統(tǒng)中的應(yīng)用2.傳感器的分類(1)按被測物理量分類(2)按傳感器元件的變換原理分類位移傳感器,流量傳感器,溫度傳感器等.電阻式,電容式,電感式,壓電式,光電式等.能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.

例如:電阻應(yīng)變片.能量傳遞型:從某種能量發(fā)生器與接受器進行能量傳遞過程中實現(xiàn)敏感檢測.

例如:超聲波發(fā)生器和接受器.(3)按傳感器的能量傳遞方式分類3.傳感器的性能要求工作范圍或量程應(yīng)足夠大，具有一定的過載能力與檢測系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高反應(yīng)速度快，工作可靠性高適應(yīng)性和適用性強4.常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),

質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,

流量;聲:

聲壓,噪聲.磁:

磁通,磁場.溫度:

溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩▲電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。按工作的原理可分為:熱敏式電阻應(yīng)變式變阻器式光敏式濕敏式4.2電阻式傳感器1.可調(diào)電位器

為輸出電壓(V)；為外加固定電壓(V);

為材料的總電阻();為固定端至滑塊的電阻()2.應(yīng)變式電阻傳感器絲式應(yīng)變片

箔式應(yīng)變片

(1).應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機械變形而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。應(yīng)變片受力

應(yīng)變

比例關(guān)系

比例關(guān)系

應(yīng)變片電阻的變化

(2).工作原理式中，ρ——導(dǎo)線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)：當(dāng)金屬絲由于受到軸向力P而伸長時，長度增長，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細絲因受壓力而縮短，即長度變短，截面積變粗時，則電阻就減小。S由兩部分組成：前一部分(1+2μ)是由金屬導(dǎo)線的幾何變形引起的；后一部分λE除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。μ：泊松系數(shù)，E:彈性模量，ε:縱向應(yīng)變，λ:壓阻系數(shù)推導(dǎo)<1>金屬應(yīng)變片（不變）金屬應(yīng)變計<2>

半導(dǎo)體應(yīng)變片（變化）半導(dǎo)體應(yīng)變計(3).應(yīng)變片的主要參數(shù)

1)幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用

b×L表示。2)電阻值：應(yīng)變計的原始電阻值。

3)靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。4)其它表示應(yīng)變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

(4).金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片有:

1、絲式

2、箔式

3、薄膜式優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點:靈敏度系數(shù)小.應(yīng)變計(5).半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理：壓阻效應(yīng)（受力->電阻率變化）優(yōu)點：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。應(yīng)變計體型薄膜型擴散型立柱應(yīng)力

橋梁應(yīng)力

(6).應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用

質(zhì)量傳感器

位移傳感器

加速度計

壓力傳感器

壓力傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器

3.其他電阻傳感器

(1).熱電阻傳感器

利用導(dǎo)電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。溫度(熱量)的變化

電阻的變化溫度檢測

:-200℃～+500℃(2).熱敏電阻傳感器

圓形熱敏電阻柱形熱敏電阻珠形熱敏電阻熱敏電阻在電路中的符號非線性元件:它的溫度-電阻關(guān)系是指數(shù)關(guān)系

溫度為-50℃～＋350℃

(3).光敏電阻傳感器

(4).濕敏電阻傳感器

▲優(yōu)點：高靈敏度;光譜響應(yīng)范圍大;體積??；性能穩(wěn)定；價格低廉.缺點：輸出/輸入線形度差，不宜做測試元件，用作開關(guān)元件。例1

有一拉力傳感器，用鋼柱作為敏感元件，其上貼電阻應(yīng)變片。已知鋼柱的截面積Ａ＝１ｃｍ２彈性模量E=2.0*1011Pa,應(yīng)變片的靈敏系數(shù)S=2。若測量電路對應(yīng)變片電阻相對變化量dR/R的分辨率為10－7,試計算該傳感器能測量的最小拉力Fmin。4.3電容式傳感器

1.變換原理

將被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++

A

當(dāng)被測量δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。2.分類

a)極距變化型+++2.分類

c)介質(zhì)變化型b)面積變化型:平面線位移型,角位移型,柱面線位移型3.靈敏度

a)極距變化型傳感器的靈敏度近似為：變極距電容傳感器

平板電容器傳感器靈敏度b)面積變化型a)直線位移型

直線位移型b)角位移型

傳感器靈敏度角位移型c)介質(zhì)變化型介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖d)等。4.電容式傳感器的應(yīng)用振動測量

旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測量

電容式氫液高度傳感器

紗條均勻度測試儀

▲優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；靈敏度高；動態(tài)特性好.缺點：初始電容較小，受引線電容，寄生電容的干擾影響較大。4.4電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型1.可變磁阻式(自感型)原理:電磁感應(yīng)W:線圈匝數(shù)；

L1:軟鐵長度；μ1：軟鐵磁導(dǎo)率；μ0：空氣磁導(dǎo)率A1：鐵芯導(dǎo)磁截面A0：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵(1).間隙變化型間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)μ0

、A0固定不變，改變δ時，L與δ呈非線形（雙曲線）關(guān)系，L與δ的雙曲線關(guān)系

傳感器靈敏度：多用于微小位移測量，位移測量范圍0.001-1mm。(2).面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)μ0

、δ

固定不變，改變A0時，L與A0呈線形關(guān)系，傳感器靈敏度L與A0的線形關(guān)系=常數(shù)(3).螺線管型

當(dāng)其它參數(shù)不變，僅改變L1，使Rm變化，從而產(chǎn)生電感的變化。螺旋管可以做得較長，適合于測量較大的位移量（數(shù)毫米）(4).差動型變間隙型差動變壓器輸出特性傳感器靈敏度2.渦流式電感傳感器

當(dāng)金屬板置于變化磁場中或者在磁場中運動時，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t，以及金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。渦流式電感傳感器可分為1）高頻反射式2）低頻投射式原線圈的等效阻抗Z變化(1).高頻反射式（集膚效應(yīng)）高頻反射式渦流傳感器電感線圈通以高頻激勵電流－>高頻磁場。不能穿透，作用表面－>渦流渦流產(chǎn)生變磁通－>線圈阻抗發(fā)生變化(2).低頻透射式（互感原理）低頻透射式渦流傳感器e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律低頻電壓W1－>交變磁場－>金屬板渦流－〉損失能量-〉e2減小。h越大，e2越小4.渦流式傳感器的應(yīng)用案例：位移、振幅、軸心軌跡的測量徑向振動的測量構(gòu)件振幅的測量構(gòu)件振型的測量軸心軌跡的測量其中，n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率；z為轉(zhuǎn)軸上的槽數(shù)或齒數(shù)。案例:轉(zhuǎn)速的測量距離發(fā)生周期性的改變，則輸出也周期性發(fā)生變化案例：軸心軌跡測量案例：測厚案例：零件計數(shù)案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測3.變壓器式--差動變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.初級接入電源后，次級線圈中感應(yīng)出電壓改變鐵心與它們之間位置，改變了初，次級線圈之間的互感量，輸出電壓改變應(yīng)用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;

壓力,流量,液位;張力,重力,負荷量;扭矩,

應(yīng)力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.案例：板的厚度測量~案例：張力測量▲4.5磁電傳感器（自學(xué)）

1.變換原理

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e為

磁通變化率與磁場強度B、磁阻l、線圈運動速度dx/dt,a為線圈運動方向與磁場方向的夾角有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。

2.分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N線圈和磁力線做相對運動線圈和磁鋼固定，銜鐵運動3.動圈式傳感器

W:線圈的匝數(shù);

l:每匝線圈的有效長度；B:線圈所在磁場的磁感應(yīng)強度；A:每匝線圈的截面積；θ:線圈運動方向與磁場方向的夾角；k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)。4.磁阻式傳感器

由永久磁鋼（磁鐵）及纏繞的線圈組成，工作時磁鐵及線圈不動，運動的物體改變磁路的磁阻，引起線圈的磁力線變化，產(chǎn)生電動勢。4.磁電傳感器的應(yīng)用

測速電機磁電式測速傳感器測頻數(shù)測轉(zhuǎn)速偏心測量振動測量▲4.6壓電傳感器

1.變換原理

某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)式中，q為電荷[量]；D為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；F為作用力。q=DFea：壓電晶片受力后呈現(xiàn)的電壓；q:壓電晶片表面上的電荷；Ca

為壓電晶片的電容。2.測量電路

等效電荷源

Cc:連接電纜的分布電容；Ri:輸入電阻；Ra:傳感器的漏電阻；Ci:輸入電容其中，Cc:分布電容；Ri:輸入電阻；Ra:漏電阻；Ci:輸入電容；D為壓電常數(shù)。(1)ω足夠高時，才可能測試不失真；(2)ω足夠高時，輸出不受Ri的影響；問題：壓電傳感器是否適合測量靜態(tài)信號或者緩變信號？結(jié)論：壓電傳感器適合動態(tài)信號測量壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號很弱小，因此要進行處理：(1)放大微弱的壓電信號(2)進行阻抗轉(zhuǎn)換

電壓放大器電荷放大器(1).放大器主要作用阻抗轉(zhuǎn)換：將高輸入阻抗轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出，才能接入統(tǒng)一的放大，檢波及顯示記錄儀表。放大器的輸入電壓：系統(tǒng)的輸出電壓為：

系統(tǒng)的靈敏度為：當(dāng)電纜長度變化時，Cc變化，ei變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，此時測試比較困難(2).電壓放大器q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推導(dǎo)(3).電荷放大器3.壓電傳感器的應(yīng)用壓力變送器加速度計，力傳感器

阻抗頭的結(jié)構(gòu)原理圖

阻抗頭的安裝結(jié)構(gòu)

壓電式壓力傳感

壓電式壓力傳感器特性

▲4.7磁敏傳感器（自學(xué)）1.半導(dǎo)體霍爾元件霍爾效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體中流過一個電流時，若在與該電流垂直的方向上外加一個磁場，則在與電流及磁場分別成直角的方向上會產(chǎn)生一個電壓。這種現(xiàn)象也稱為霍爾效應(yīng)

?；魻栃?yīng)原理圖

半導(dǎo)體霍爾元件的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體磁敏電阻

半導(dǎo)體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)(蛇形元件)

利用磁場造成的電流偏轉(zhuǎn)使元件阻抗增加這種特點制成的雙端磁敏傳感器。磁性體磁敏電阻

利用強磁材料的磁場異向性制成的磁敏元件。磁性體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)電磁感應(yīng)型磁敏傳感器原理：范圍：法拉第電磁感應(yīng)定律

只能檢測交流磁場，不能檢測直流磁場

電磁感應(yīng)型磁敏傳感器

2.磁敏傳感器的應(yīng)用

電流計磁感應(yīng)開關(guān)磁敏電位器霍爾電動機紙幣及預(yù)付卡識別設(shè)卡形電流計的結(jié)構(gòu)

霍爾電動機的結(jié)構(gòu)示意圖

霍爾電動機等效電路

▲紅外傳感器激光傳感器紫外線傳感器超聲波傳感器智能傳感器數(shù)字傳感器光纖傳感器4.8新型傳感器光纖傳感器4.8新型傳感器光纖傳感器4.8新型傳感器光纖傳感器具有靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、頻帶寬、動態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕以及耗能少等優(yōu)點。（a）光纖的截面圖（b）光纖的外觀圖圖

光纖的結(jié)構(gòu)1—纖芯；2—包層；3—緩沖層；4—加強層；5—PVC護套1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖傳感器4.8新型傳感器光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理（a）傳統(tǒng)傳感器（b）光纖傳感器光纖傳感器4.8新型傳感器光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理（b）光纖傳感器光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。光纖傳感器優(yōu)點光纖傳感器靈敏度高由于光是波長非常短的電磁波，因此通過光的相位獲得光學(xué)長度。以光纖干涉儀為例，由于所用光纖的直徑較小，光纖的光學(xué)長度由于小的機械外力或溫度變化而改變，從而引起較大的相變。4.8新型傳感器光纖傳感器優(yōu)點抗電磁干擾、電氣絕緣、耐腐蝕性由于光纖傳感器采用光波傳輸信息，光纖采用電絕緣的、耐腐蝕傳輸介質(zhì)，安全可靠，使其易于有效地用于各種大型機電、石化、地雷和其他強電磁干擾，易于在諸如燃燒和爆炸等惡劣環(huán)境中使用。4.8新型傳感器光纖傳感器優(yōu)點光纖傳感器測量速度快

光以最快的速度傳播并傳輸二維信息，因此可用于高速測量。發(fā)信號到雷達該分析需要非常高的檢測率，這很難通過電子方法實現(xiàn)，并且可以通過光的衍射現(xiàn)象的高速光譜分析來解決。4.8新型傳感器光纖傳感器優(yōu)點光纖傳感器信息容量大要測量的信號由光波承載，并且光的頻率非常高，并且所容納的頻帶寬，并且相同的光纖可以傳輸多個信號。4.8新型傳感器光纖傳感器應(yīng)用

應(yīng)用于高溫電纜溫度和應(yīng)變測量。目前，國外已經(jīng)開發(fā)出使用激光拉曼光譜的分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品光纖傳感器可用于制造適用于油氣勘探的井下光譜儀，分布式溫度傳感器和光纖壓力傳感器

橋梁監(jiān)測….4.8新型傳感器光纖傳感器應(yīng)用4.8新型傳感器4.9傳感器選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、線性范圍、響應(yīng)特性、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。

1.靈敏度

一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。

a)靈敏度過高引起的干擾問題；

b)量程范圍。

3響應(yīng)特性

傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。實際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。2線性范圍

任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。4穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。5精確度

傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。6測量方式

傳感器工作方式，也是選擇傳感器時應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等?！鴳?yīng)變片受力后，電阻的變化dR則兩邊同除以R，同時R=ρL/A，則dL/L=ε——金屬導(dǎo)線長度的相對變化，稱縱向應(yīng)變。dρ/ρ——導(dǎo)線