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测试测试技术技术第三章第三章 常用传感器常用传感器主要研究内容：主要研究内容：1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.常用传感器测量原理常用传感器测量原理3.传感器选用传感器选用测测试试技技术术基基础础 测试测试技术技术一、传感器的作用一、传感器的作用传感器传感器 - 被测信息按照一定的规律转换成某种可用信号输出器件被测信息按照一定的规律转换成某种可用信号输出器件/装置装置信号检出信号检出信号处理信号处理信号显示信号显示信号监控信号监控传感器传感器 （重要、关键）（重要、关键）检测系统：检测系统：物理量、化学量、生物量物理量、化学量、生物量/其他其他便于处理和传输的信号便于处理和传输的信号人的五官：人的五官：眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌头舌头 皮肤皮肤视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉测试测试技术技术测试测试技术技术二、传感器的分类二、传感器的分类分类法分类法型式型式说说 明明按基本效应分类按基本效应分类物理型物理型化学型化学型生物型生物型采用物理效应进行转换采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换采用生物效应进行转换按构成原理分类按构成原理分类结构型结构型物性型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类按能量关系分类能量转换型能量转换型能量控制型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分按工作原理分电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式压电式压电式磁电式磁电式热电式热电式光电式光电式光纤式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类按输入量分类长度、角度、振动、长度、角度、振动、位移、压力、温度、位移、压力、温度、流量、距离、速度等流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类按输出量分类模拟式模拟式数字式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、输出量为模拟信号（电压、电流、）输出量为数字信号（脉冲、编码、输出量为数字信号（脉冲、编码、）测试测试技术技术3.1 概概 述述1. 传感器传感器(Sensor)定义定义 传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成组成(GB766-87)。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从目前，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换成电信狭义上讲，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。号的器件或装置。第第三三章章常常用用传传感感器器测试测试技术技术 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：F一是一是 敏感作用：敏感作用： 感受并拾取被测对象的信号感受并拾取被测对象的信号F二是变换作用：二是变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理的电被测信号转换成易于检测和处理的电信号信号概概述述 获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。位、压力等）。测试测试技术技术2. 传感器的分类传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类: :(2)(2)按传感器元件的变换原理分类按传感器元件的变换原理分类: :位移传感器位移传感器, ,流量传感器流量传感器, ,温度传感器等温度传感器等. .电阻式电阻式, ,电容式电容式, ,电感式电感式, ,压电式、光电式等压电式、光电式等. .物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. . 例如例如: :水银温度计水银温度计, ,压电测力计压电测力计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .概概述述测试测试技术技术能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. .（无源（无源传感器）传感器） 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部供给能从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化量的变化. . （有源传感器）有源传感器）例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .能量传递型能量传递型: :从某种能量发生器与接受器进行能量传递过从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测程中实现敏感检测. . 例如例如: :超声波发生器和接受器超声波发生器和接受器. .(3)(3)按传感器的能量传递方式分类按传感器的能量传递方式分类: :概概述述测试测试技术技术(4)(4)按输出信号分类按输出信号分类: :概概述述模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器和数字式传感器。 需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个，也可能有需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个，也可能有几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式位移传感器几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式位移传感器是位移一电容变化的能量控制型传感器，可以直接测量位移。而电是位移一电容变化的能量控制型传感器，可以直接测量位移。而电容式压力传感器，则经过压力一膜片弹性变形容式压力传感器，则经过压力一膜片弹性变形( (位移位移) )一电容变化的一电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量一机械量的换能件，由它实现转换过程。此时膜片是一个由机械量一机械量的换能件，由它实现第一次变换；同时它又与另第一次变换；同时它又与另极板构成电容器，用来完成第二次转极板构成电容器，用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速度计换。再如电容型伺服式加速度计( (也称力反馈式加速度计也称力反馈式加速度计) )，实际上，实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统，如图是一个具有闭环回路的小型测量系统，如图3-23-2所示。这种传感器所示。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。测试测试技术技术概概述述测试测试技术技术3. 传感器的性能要求传感器的性能要求 足够的容量足够的容量 匹配性好，转换灵敏度高匹配性好，转换灵敏度高 精度适当，稳定性高精度适当，稳定性高 反应速度快，工作可靠性高反应速度快，工作可靠性高 适应性和适用性强适应性和适用性强概概述述测试测试技术技术 机械式传感器应用很广。在测试技术中，常常以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形(或应变)。这种变形可转变成其他形式的变量。例如被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。3.2 机械式传感器机械式传感器第第三三章章常常用用传传感感器器测试测试技术技术第第三三章章常常用用传传感感器器测试测试技术技术 1）、机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观价格低廉、读数直观等优点。但弹性变形不宜大，以减小线性误差。 2）、由于放大和指示环节多为机械传动，不仅受间隙影响，而且、惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓缓变或静态被测量变或静态被测量。（为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后用其他形式的传感器(如电阻、电容、电涡流式等)将位移量转换成电信号输出。） 3）、弹性元件弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象。材料的蠕变与承载时间、载荷大小、环境温度等因素有关。而弹性后效则与材料应力-松驰和内阻尼等因素有关。都会影响到输出与输入的线性关系影响到输出与输入的线性关系。因此，应用弹性元件时，应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取有效措施来改善上述诸现象产生的影响。第第三三章章常常用用传传感感器器测试测试技术技术第第三三章章常常用用传传感感器器测试测试技术技术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是把被测量转换为电阻变化的一种传感器按工作的原理可分为按工作的原理可分为:F热敏式热敏式F电阻应变式电阻应变式F变阻器式变阻器式F光敏式光敏式F电敏式电敏式AlR3.3 电阻式传感器电阻式传感器第第三三章章常常用用传传感感器器F固态压阻式固态压阻式测试测试技术技术 1、电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变应变效应效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变的变化而发生变化的现象。化的现象。 电电阻阻式式传传感感器器测试测试技术技术1) 工作原理工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R为为AlR2ddRdldrRlr电电阻阻式式传传感感器器RRRlAdRdlddA22ArdArdr,ddrlrlE (12)dRRE测试测试技术技术(1)(1) 金属应变片（金属应变片（ 不变）不变）(12 )1.73.6dRRS 金属应变计金属应变计(2) (2) 半导体应变片（半导体应变片（ 变化）变化）60170dRERS 半导体应变计半导体应变计电电阻阻式式传传感感器器 压阻效应压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使其电阻率P发生很大变化。测试测试技术技术2) 金属应变计金属应变计金属应变计有金属应变计有:丝式和箔式丝式和箔式优点优点:稳定性和温稳定性和温度特性好度特性好.缺点缺点:灵敏度系数灵敏度系数小小.应变计电电阻阻式式传传感感器器测试测试技术技术3) 半导体应变计半导体应变计优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大;体积小体积小;能制成具有一定应变电阻的能制成具有一定应变电阻的元件元件.缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 应变计电电阻阻式式传传感感器器 体型体型 薄膜型薄膜型 扩散型扩散型 测试测试技术技术案例：案例：4) 应用应用电电阻阻式式传传感感器器测试测试技术技术案例：案例：电子称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。德国HBM电阻应变式传感器 电电阻阻式式传传感感器器测试测试技术技术 2、变阻式传感器变阻式传感器电电阻阻式式传传感感器器 变阻器式传感器亦称为电位计式传感器，它通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻R的变化。常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。函数电位器函数电位器测试测试技术技术电电阻阻式式传传感感器器变阻器式传感器的变阻器式传感器的后接电路，一般采后接电路，一般采用电阻分压电路用电阻分压电路测试测试技术技术 变阻器式传感器的优点是结构简单、性能稳定、结构简单、性能稳定、使用方便。使用方便。 缺点是分辨力不高分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。提高分辨力需使用更细的电阻丝，其绕制较困难。 由于结构上的特点，这种传感器还有较大的噪声还有较大的噪声，电刷和电阻元件之间接触面变动和磨损、尘埃附着等，都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化，从而产生噪声。 变阻器式传感器被用于线位移、角位移测量在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。电电阻阻式式传传感感器器测试测试技术技术电电阻阻式式传传感感器器3 3、固态压阻式传感器固态压阻式传感器 固态压阻式传感器的工作原理是利用半导体材料的电阻效应电阻效应。固态压阻式传感器中的敏感元件则是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，所以亦可称为扩散型半导体应变片。这种元件是以单晶硅为基底材料，按一定晶向将P型杂质扩散到N型硅底层上，此P型层就相当于半导体应变片中的电阻条，连接引线后就构成了扩散型半导体应变片。 由于互相渗透，结合紧密，所以基本上为一体。在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形状。这时基底就是弹性元件，导电层就是敏感元件。当有机械力作用时，硅片产生应变，使导电层发生电阻变化。一般这种元件做成全桥形式，在外力作用下，电桥产生相应的不平衡输出。测试测试技术技术电电阻阻式式传传感感器器测试测试技术技术 在设计传感器硅膜片时，为了使传感器有较好的线性输出，硅膜片的应变不宜；立大，对半导体应变片和硅杯扩散电阻，一般不超过500pc为宜。如图455所示结构的硅膜片， 其应变分布如图所示。202143hrEpr电电阻阻式式传传感感器器测试测试技术技术 固态压阻式传感器主要用于测量压力与固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。加速度。 由于固态压阻传感器是用集成电路工艺由于固态压阻传感器是用集成电路工艺制成的，测量压力时，有效面积可做得很小，制成的，测量压力时，有效面积可做得很小，因此这种传感器频响高，可用来测量几十千因此这种传感器频响高，可用来测量几十千赫的脉动压力。赫的脉动压力。 测量加速度的压阻式传感器，如恰当地选测量加速度的压阻式传感器，如恰当地选择尺寸与阻尼系数，可用来测量低频加速度择尺寸与阻尼系数，可用来测量低频加速度与直线加速度。与直线加速度。 由于半导体材料的温度敏感性，因此，由于半导体材料的温度敏感性，因此，压阻式传感器的温度误差较大，使用时应有压阻式传感器的温度误差较大，使用时应有温度补偿措施。温度补偿措施。电电阻阻式式传传感感器器测试测试技术技术 4、典型动态电阻应变仪电电阻阻式式传传感感器器测试测试技术技术3.3 电容式传感器电容式传感器 1.变换原理变换原理: 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两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :0AC+A 当被测量当被测量、A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。第第三三章章常常用用传传感感器器测试测试技术技术2 分类分类 a) a) 极距变化型极距变化型; ;+0021SA 电电容容式式传传感感器器 测试测试技术技术电电容容式式传传感感器器 b)b)面积变化型面积变化型: :角位移型角位移型, ,平面线位移型平面线位移型, ,柱面线位移型柱面线位移型. .角位移型角位移型测试测试技术技术电电容容式式传传感感器器 平面线位移型平面线位移型柱面线位移型柱面线位移型测试测试技术技术c) c) 介质变化型介质变化型电电容容式式传传感感器器 测试测试技术技术3 应用应用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，偏心电电容容式式传传感感器器 测试测试技术技术电容式传感器的特点电容式传感器的特点输入能量小，灵敏度高；输入能量小，灵敏度高；动态特性好；动态特性好；能耗小；能耗小；结构简单，适应性好；结构简单，适应性好；非线性较大；非线性较大；电缆分布电容影响大。电缆分布电容影响大。电电容容式式传传感感器器 测试测试技术技术3.4 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。转化为电感量的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型第第三三章章常常用用传传感感器器测试测试技术技术1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式22000000222ANmmRNLAAAlR原理原理:电磁感应电磁感应电电感感式式传传感感器器测试测试技术技术a)变间隙型20022NAdLLSd 测试测试技术技术b)变面积型c）螺线管型电电感感式式传传感感器器2002NdLSdA测试测试技术技术d)差动电感型电电感感式式传传感感器器iULRLU222测试测试技术技术2 涡流式涡流式原理原理:涡流效应涡流效应电电感感式式传传感感器器原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：),(ZZ 测试测试技术技术电电感感式式传传感感器器电涡流传感器的测量电路电涡流传感器的测量电路并联谐振电路并联谐振电路测试测试技术技术 发生谐振时回路的电流和电压同相，此时电路等发生谐振时回路的电流和电压同相，此时电路等效阻抗最大且具有纯电阻性，电路中的总电流很小。效阻抗最大且具有纯电阻性，电路中的总电流很小。电电感感式式传传感感器器UfcfLRfLjfLRRI22222222测试测试技术技术调幅测量法调幅测量法调频测量法调频测量法测试测试技术技术电电感感式式传传感感器器a)高频反射式：（高频反射式：（集肤效应）集肤效应）( )Zf x测试测试技术技术电电感感式式传传感感器器b)低频透射式：（互感原理）低频透射式：（互感原理）测试测试技术技术案例：案例： 连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：电电感感式式传传感感器器测试测试技术技术案例：案例： 无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测电电感感式式传传感感器器测试测试技术技术案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数电电感感式式传传感感器器测试测试技术技术3 变压器式变压器式-差动变压器差动变压器工作原理工作原理:互感现象互感现象.电电感感式式传传感感器器测试测试技术技术电电感感式式传传感感器器差动相敏检波电路差动相敏检波电路测试测试技术技术应用应用: 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.案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量电电感感式式传传感感器器测试测试技术技术电电感感式式传传感感器器电感式传感器的特点电感式传感器的特点 简单电感、差动电感和差动变压器式传感器具有以下特点 结构简单、工作可靠结构简单、工作可靠； 灵敏度高、分辨力较大灵敏度高、分辨力较大； 测量精度较高，非线性误差小测量精度较高，非线性误差小； 频率响应较低，不宜测高频动态参量频率响应较低，不宜测高频动态参量。测试测试技术技术3.5 磁电式传感器磁电式传感器 1.变换原理变换原理: 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。势的一种转换器。),(,cos,mdtddtdRBSBNU感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势U U为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，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，都会改变线圈的感应电动势。改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 第第三三章章常常用用传传感感器器测试测试技术技术2 分类分类 磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N磁磁电电式式传传感感器器测试测试技术技术3 动圈式传感器动圈式传感器 磁磁电电式式传传感感器器sinNBlvU kNBAU 测试测试技术技术磁磁电电式式传传感感器器 线圈产生的感应电势通过电缆与电线圈产生的感应电势通过电缆与电压放大器联接时，其等效电路如下压放大器联接时，其等效电路如下测试测试技术技术4 磁阻式传感器磁阻式传感器 磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体(导磁材料)改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强增强或减弱，使线圈产生感应电动势。磁磁电电式式传传感感器器测试测试技术技术磁磁电电式式传传感感器器测试测试技术技术5 应用应用b) 测速电机测速电机a)磁电式车速传感器磁电式车速传感器磁磁电电式式传传感感器器测试测试技术技术3.6压电式传感器压电式传感器 1.变换原理变换原理: 压电效应（可逆）压电效应（可逆） 某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。第第三三章章常常用用传传感感器器测试测试技术技术压电效应压电效应q=DF压压电电式式传传感感器器acqu0 压电式传感器压电式传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联的电电荷等效电路荷等效电路，也可以等效为电压源与一个电容串联的电压等电压等效电路效电路。测试测试技术技术压压电电式式传传感感器器测试测试技术技术压压电电式式传传感感器器测试测试技术技术压压电电式式传传感感器器 在受到沿不同方向的作用力时会产生不同的极化作用，如图所示。x轴方向加力产生纵向压电效应纵向压电效应，沿y轴加力产生横向压电效应横向压电效应，沿相对两平面加力产生剪切压电效应剪切压电效应。压电效应和逆压电效应都是线性的。即晶体表面出现的电荷的多少和形变的大小成正比，当形变改变符号时，电荷也改变符号；在外电场作用下，晶体形变的大小与电场强度成正比，当电场反向时，形变改变符号。常用的压电材料大致可分为三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。测试测试技术技术压压电电式式传传感感器器测试测试技术技术F+2、测量电路、测量电路 a)a)电压放大器电压放大器压压电电式式传传感感器器测试测试技术技术压压电电式式传传感感器器传感器电缆不是规定的长度时，应重新调整灵敏度。传感器电缆不是规定的长度时，应重新调整灵敏度。测试测试技术技术20110122211/1121RFdUcccRcccRtgcccRRFdUmimicaicaicamim压压电电式式传传感感器器 压电式传感器高频响应很好，增大压电式传感器的时间常数可提高低频响应性能。测试测试技术技术 b)b)电荷放大器电荷放大器F+压压电电式式传传感感器器ficaCACCCC)1 ()(测试测试技术技术压压电电式式传传感感器器ficafficaificaicUccccAcAcccAqAUUcAcccqUq1A1100足够大时， 由上可知，放大起的输出电压与电缆电容无关，电缆长度不会带来明显的测量误差，但太长会带来噪声。为防止直流开路，造成较大的零点漂移，因此并联一个大电阻，提供直流反馈并改善低频响应。测试测试技术技术1、压电式传感器属发电类传感器发电类传感器，无需外界供电。2、固有频率高，而且频带很宽。因此，压电式传感器主要用于测量动态参量测量动态参量。 传感器本身常因绝缘阻抗不够高而存在漏电现象，而影响低频特性，因此压电传感器不适于测静态参量。 压电式传感器要求有很高的绝缘电阻，对传感器零件间和引出线插座及电缆都要采取严格的绝缘措施，使用绝缘性能良好的材料等。 在保持内部零件纯净、燥的条件下，在净化室内组装，并进行严格的密封和焊封，这样绝缘电阻可达到。3、压电传感器还具有灵敏度高，信噪比大，工作可灵敏度高，信噪比大，工作可靠，体积小，重量轻靠，体积小，重量轻等优点。压电式传感器的特点压电式传感器的特点测试测试技术技术3 应用应用b) 压力变送器压力变送器a) 加速度计，力传感器加速度计，力传感器 压压电电式式传传感感器器测试测试技术技术案例：案例：飞机模态分析飞机模态分析压压电电式式传传感感器器测试测试技术技术3.7 热电式传感器热电式传感器 热热电电式式传传感感器器1、热电偶工作原理 把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度为T及To(假定TTo)的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称为热电效应热电效应。所产生的热电动势由接触接触电动势电动势和温差电动势温差电动势两部分组成。测试测试技术技术热热电电式式传传感感器器 热电偶回路有以下特点：热电偶回路有以下特点：1) 若组成热电偶的回路的两种导体相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路中的总热电动势为零；2) 若热电偶两接点温度相同，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路中的总热电动势也为零；3) 热电偶AB的热电动势与导体材料A、B的中间温度无关，而只与接点温度有关；4) 热电偶朋在接点温度r2、r3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总合；5) 当温度为T1、T2时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的和，导体C称为标准电极(一般由铂制成)，故把这一性质称为标准电极定律标准电极定律。测试测试技术技术热热电电式式传传感感器器6） 在热电偶回路中接人第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同，第三种导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为中间导体定律中间导体定律；测试测试技术技术热热电电式式传传感感器器2 2、热电阻传感器、热电阻传感器 利用电阻随温度变化的特点制成的传感器叫热电阻传感器，它主要用于对温度和与温度有关的参数测定。 按热电阻的性质来分，可分为金属热电阻金属热电阻和半导半导体热电阻体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻(见本章第七节)。 热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成，其中，电阻体是热电阻的最主要部分。测试测试技术技术光光电电式式传传感感器器3.8 光电式传感器光电式传感器 1、工作原理1）外光电效应 在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象。02021AhvmvEk测试测试技术技术2、内光电效应 受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。1)光电导效应 半导体材料受到光照时会产生电子空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。光光电电式式传传感感器器测试测试技术技术光光电电式式传传感感器器2)光生伏特效应 光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。 光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。右图表示硅光电池构造原理和图示符号。硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。因此凡是不能铺设电缆的地方都可采用太阳能电池，尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。测试测试技术技术光光纤纤式式传传感感器器3.9 光纤式传感器光纤式传感器 光纤传感器光纤传感器以光学测量为基础，因此光纤传感器首先要解决的问题是如何将被测量的变化转换成光波的变化。 实际上，只要使光波的强度、频率、相位和偏振四个参数之一随被测量变化，则此问题即被解决。 通常，把光波随被测量的变化而变化，称为对光波进行调制。相应的，按照调制方式，光纤传感器可分为强度调制、频率调制、相位调制强度调制、频率调制、相位调制和偏振调制偏振调制等四种形式。其中以强度调制型较为简单和常用。测试测试技术技术光光纤纤式式传传感感器器1 1、光纤传感器分类、光纤传感器分类 按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种。1）功能型光纤传感器 功能型光纤传感器的光纤不仅起着传输光波的作用，还起着敏感元件的作用，由它进行光波调制；它既传光又传感。2）传光型光纤传感器 传光型光纤传感器的光纤仅仅起着传输光波的作用，对光波的调制则需要依靠其他元件来实现。从图中可以看到，实际上传光型光纤传感器也有两种情况。一种是在光波传输中，由光敏元件对光波实行调制，另一种则是由敏感元件和发光元件发出已调制的光波。测试测试技术技术光光纤纤式式传传感感器器2、光导纤维结构与传输原理光导纤维结构与传输原理 光导纤维是很细的玻璃丝，它由两层组成，内层为光芯，外层为包层，这两层虽然都是玻璃，但它们的折射率略有不同，光芯的折射率n1，稍大于包层的折射率n2。光导纤维结构如图所示。测试测试技术技术 光在真空中是直线传播的，但经过不同介质的介面时，就会发生折射和反射。光光纤纤式式传传感感器器根据光的折射反射定律(斯奈尔定律)可得112211sinsinaaanan测试测试技术技术光光纤纤式式传传感感器器 当n1n2时，由折射定律可知，a1W 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 (2) 光栅传感器分类与结构原理光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分：按运动形式分： 直线型直线型-主光栅为直尺形主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型旋转型-主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形旋转运动旋转运动按光学形式分：按光学形式分： 透射式透射式-光源与光电元件在两侧光源与光电元件在两侧透射光透射光 反射式反射式-光源与光电元件同一侧光源与光电元件同一侧反射光反射光测试测试技术技术测试测试技术技术(3) 光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角，测角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式光栅尺长（米），反射式-几十米几十米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高：电路复杂成本高：电路复杂 测试测试技术技术红红外外探探测测器器3.12 红外探测器红外探测器 1、热探测器热探测器 热探测器是利用红外辐射引起探测元件的温度变化，进而测定所吸收的红外辐射量。通常有热电偶型、热敏电阻型、气动型、热释电型等。(1)热电偶型热电偶型 将热电偶置于环境温度下，将结点涂上黑层置于辐射中，可根据产生的热电动势来测量入射辐射功率的大小。这种热电偶多用半导体测量。(2)气动型气动型 气动型探测器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高、体积增大的特性来反映红外辐射的强弱。(3)热释电型热释电型 某些晶体是具有极化现象的铁电体，在适当外电场作用下，这种晶体可以转变为均匀极化单畴。在红外辐射下，由于温度升高，引起极化强度下降，即表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，此现象被称为热释电效应。 红外探测器是将辐射能转换成电能的一种传感器。 按其工作原理可分为热探测器和光子探测器。测试测试技术技术红红外外探探测测器器2 2、光子探测器、光子探测器 光子探测器的工作原理是基于半导体材料的光电效应。一般有光电、光电导及光生伏打等探测器。 由于光子探测器是利用入射光子直接与束缚电子相互作用，所以灵敏度高、响应速度快。又因为光子能量与波长有关，所以光子探测器只对具有足够能量的光子有响应，存在着对光谱响应的选择性。光子探测器通常在低温条件下工作，因此需要制冷设备。测试测试技术技术红红外外探探测测器器3 3、红外探测器的应用、红外探测器的应用测试测试技术技术激激光光测测试试传传感感器器3.12 激光测试传感器激光测试传感器1 1、激光干涉式测量仪器、激光干涉式测量仪器 常用的激光测长仪是以激光为光源的迈克尔逊常用的激光测长仪是以激光为光源的迈克尔逊干涉仪，其工作原理是通过测定检测光与参考光的干涉仪，其工作原理是通过测定检测光与参考光的相位差所形成的干涉条纹数目而测得物体长度的。相位差所形成的干涉条纹数目而测得物体长度的。测试测试技术技术激光干涉测量系统激光干涉测量系统1) 单频激光干涉系统单频激光干涉系统测试测试技术技术双频激光干涉系统双频激光干涉系统- 信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（200m以上）以上）测试测试技术技术双频激光干涉测量系统双频激光干涉测量系统测试测试技术技术激光测距系统激光测距系统2/ctd 3）激光三角法）激光三角法- 大范围远距离测距（几千大范围远距离测距（几千/几十千米）几十千米）1）脉冲测距法）脉冲测距法2）相位差测距法）相位差测距法激光短脉冲信号（激光器激光短脉冲信号（激光器 被测目标）被测目标）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）远距离远距离 - 固体固体/二氧化碳；近距离二氧化碳；近距离 - 半导体半导体巨脉冲激光器巨脉冲激光器 - 地球地球月球距离（分辨力：月球距离（分辨力：1m）激光束调制激光束调制 - 相位差相位差 - 时间时间 - 距离距离距离距离特点：测量精度高、分辨力强特点：测量精度高、分辨力强0042fccD测试测试技术技术原理原理： y = f ( x) x y测试测试技术技术Keyence 激光测距传感器激光测距传感器测试测试技术技术特点：特点： 非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、 抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征径大小以及被测物体的表面特征测试测试技术技术应用：应用：测试测试技术技术测试测试技术技术厚度测量：厚度测量：(a) 参考表面：两传感器同向参考表面：两传感器同向 - 减小偏心误差减小偏心误差(b) 相对测量：两传感器反向，无参考表面相对测量：两传感器反向，无参考表面 - 克服钢板本身克服钢板本身上下起伏造成的误差上下起伏造成的误差测试测试技术技术测量范围：测量范围：16mm左右；相对测量精度：左右；相对测量精度： 0.1% 0.2% 适用：在线测量钢板适用：在线测量钢板/铝板等板材厚度铝板等板材厚度 特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感不能测量镜面不能测量镜面 - 漫反射原理漫反射原理测试测试技术技术激激光光测测试试传传感感器器2 2、激光全息测量仪器、激光全息测量仪器 下图是全息成像记录过程的原理图。当激光从激光器发射出来，经过分光镜被分成两束光。一束由分光镜反射，经过反射镜达到扩束镜，将直径为几个毫米的激光扩大照射整个物体的表面，再由物体表面漫反射到干板上，这束光称为物光；另一束透过分光镜后，被另一个扩束镜扩大，再经另一个反射镜直接照射到干板上，这束光称为参考光。当这两束光在干板上叠加后，形成干涉图案，正是这些干涉条纹记录了物体光波的振幅和相位信息。测试测试技术技术3.7传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 1、灵敏度、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。度时，要考虑以下几个问题。 a)灵敏