《测试技术》课件第三章.ppt

第三章第三章常用的传感器与敏感元件常用的传感器与敏感元件第一节第一节常用传感器分类常用传感器分类第二节第二节机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器第三节第三节电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器第四节第四节磁电、压电和热电式传感器磁电、压电和热电式传感器第五节第五节光电传感器光电传感器第六节第六节光纤传感器光纤传感器第七节第七节半导体传感器半导体传感器第八节第八节红外测试系统红外测试系统第九节第九节激光测试传感器激光测试传感器第十节第十节传感器的选用原则传感器的选用原则一、定义一、定义传感器传感器直接作用于被测量，能按一定直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。件。测量环节、测量装置、测量系统测量环节、测量装置、测量系统二、组成二、组成敏感元件、辅助装置（部分）敏感元件、辅助装置（部分）敏感元件敏感元件直接感受被测量的部分，核直接感受被测量的部分，核心。心。辅助装置（部分）辅助装置（部分）传感器的重要组成传感器的重要组成部分，必不可少部分。部分，必不可少部分。三、传感器的作用三、传感器的作用作用：作用：“电五官电五官”，是人们认识事物的一个有利工，是人们认识事物的一个有利工具；具；对测试系统来讲，是输入的首个环节、重对测试系统来讲，是输入的首个环节、重要环节，其特性的好坏直接影响到整个测要环节，其特性的好坏直接影响到整个测试系统的性能。试系统的性能。四、传感器的发展状况四、传感器的发展状况历史长、还在发展历史长、还在发展从结构型从结构型物性型物性型智能型智能型智能型：传感器技术与微电子技术结合，智能型：传感器技术与微电子技术结合，构成了校正、变化、统计处理、反馈等多构成了校正、变化、统计处理、反馈等多种功能，具有思维、辨别能力的智能传感种功能，具有思维、辨别能力的智能传感器。能在复杂的环境中准确而有效地提取器。能在复杂的环境中准确而有效地提取信息。信息。第一节常用传感器分类第一节常用传感器分类按工作原理分：按工作原理分：电气式传感器、机械式传感器、光电式传感电气式传感器、机械式传感器、光电式传感器等器等按被测量分：按被测量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、应力传感器、温度传感器等应力传感器、温度传感器等（1）按信号变换特征分：）按信号变换特征分：结构型传感器、物性型传感器结构型传感器、物性型传感器结构型传感器结构型传感器依靠传感器的结构参量依靠传感器的结构参量随被测量的变化而变化来实现信号转换随被测量的变化而变化来实现信号转换例如：磁电式传感器、电感式、电容式例如：磁电式传感器、电感式、电容式物性型传感器物性型传感器依靠敏感元件材料本身物理化依靠敏感元件材料本身物理化学性质随被测量的变化而变化来实现信号转换学性质随被测量的变化而变化来实现信号转换例如：水银温度计、压电式传感器例如：水银温度计、压电式传感器2）按能量关系分：）按能量关系分：能量转换型传感器、能量控制型传感器能量转换型传感器、能量控制型传感器能量转换型传感器能量转换型传感器利用其输出与被测量输入的能量的利用其输出与被测量输入的能量的关系来实现信号的转换测量。关系来实现信号的转换测量。特点：直接由被测对象输入能量使其工作的，又称无源传特点：直接由被测对象输入能量使其工作的，又称无源传感器。感器。例如：热电偶温度计、压电式传感器、磁电式速度计例如：热电偶温度计、压电式传感器、磁电式速度计产生负载效应，影响被测对象的状态产生负载效应，影响被测对象的状态产生测量误差产生测量误差（失真）（失真）能量控制型传感器能量控制型传感器从外部供给能量使传感器从外部供给能量使传感器工作，并由被测量来控制外部能量的变化，由称工作，并由被测量来控制外部能量的变化，由称有源传感器。有源传感器。例如：电阻应变计接于电桥中、电感测微仪例如：电阻应变计接于电桥中、电感测微仪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，则经过压力膜片弹性变形(位移)电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量机械量的换能件，由它实现第一次变换；同时它又与另一极板构成电容器，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)，实际上是一个，实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统，如图具有闭环回路的小型测量系统，如图3-2所示。这种传感器较一般开所示。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。环式传感器具有更高的精确度和稳定性。表-1机械工程中常用传感器第三节第三节电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器一、电阻式传感器定义定义电阻式传感器电阻式传感器将被测量转化为电阻值将被测量转化为电阻值变化的传感器。变化的传感器。1、变阻器式电阻传感器、变阻器式电阻传感器2、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器1 1、变阻器式变阻器式电阻传感器电阻传感器 变阻器使用日益减少，电阻应变式传感器具有体积小、动态响应快、测量精度高使用方便等优点，而得到广泛运用。变阻器式电阻传感器的测量电路变阻器式电阻传感器的测量电路特点及应用特点及应用1、特点、特点优点：结构简单、性能稳定、使用方便。优点：结构简单、性能稳定、使用方便。缺点：分辨力不高，有较大的噪声。缺点：分辨力不高，有较大的噪声。2、应用、应用用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪用于线位移、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。器或电子电位差计等。1.金属电阻应变片(结构型)丝式电阻应变片多为康铜或镍铬合金制成，直径约0.025mm，片基可有多种。依据基本公式 ，电阻相对变化率为：经简化可得：金属电阻应变片的工作原理，是基于金属导体的应变效应，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(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为，其未受力时的电阻为R。其物理意义是:单位应变所引起的电阻相对变化。由式(3.2-7)可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响:一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即项。对于金属材料项比项小得多。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数 Sg=1+2=常数通常金属电阻丝的Sg=1.63.6之间。应变片的主要参数：（1）几何参数：基厂长和基宽，制造厂常用bL表示。（2）电阻值：应变计的原始电阻值。（60、120、350、600、1000等）（3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。（4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等。2.半导体应变片（物性型）基本公式：E半导体材料的弹性模量；半导体材料的压阻系数。半导体应变片的灵敏度为 原理：压阻效应优点：体积小、横向效应小、滞后小、灵敏度高缺点：温度稳定性差、灵敏度分散度大（晶向、杂质）、大应变下非线性误差大。、应用、应用电阻应变传感器有很多优点，因此广泛应用于机械工程的电阻应变传感器有很多优点，因此广泛应用于机械工程的测试中（测试中（40%到到50%）优点：优点：（1）分辨率高）分辨率高（2）误差小）误差小（3）尺寸小、重量轻）尺寸小、重量轻（4）测量范围大）测量范围大（5）频响特性好）频响特性好:限制应变片上限测量频率是：限制应变片上限测量频率是：电桥的激励电源频率电桥的激励电源频率(1/51/10)电源频率电源频率应变片的基长应变片的基长基长越短，上限测量频率越高基长越短，上限测量频率越高例例基长为基长为10mm时，上限测量频率可高达时，上限测量频率可高达25kHz（6）应用于恶劣环境）应用于恶劣环境（7）价格低）价格低(1)直接用来测定结构的应变或应力直接用来测定结构的应变或应力（）.将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等参量的传感器4.固态压阻式传感器 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。压阻式传感器有两种类型：半导体应变式传感器、固态压阻式传感器压阻式传感器的优点是:灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，例如测量压力时可测出1020Pa的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度和直线加速度。无须粘贴，便于传感器的集成化最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。5.典型动态电阻应变仪 三、电桥测量电路 电桥电路是将电阻、电容、电感的参量的变化转变为电压或电流信号输出的一种常用电路。由于电路简单，精度和灵敏度都较高而得到广泛运用。电桥一般按其电源种类而分成直流电桥和交流电桥两种。1.直流电桥直流电桥为常见电桥，假定电桥四个桥臂电阻分别为R1、R2、R3、R4，输入直流电压为u0，输出电压信号为uy，则输出为 如y=0,称电桥的平衡状态直流电桥的平衡条件：相对桥臂的阻值乘积相等 如果各桥臂的电阻变化分别为：R1、R2、R3、R4，同时R1=R2=R3=R4=R则当为电阻同型号的应变片时，上式可写成：结论：结论：1、电桥输出电压与电源电压和电阻应变片的灵敏、电桥输出电压与电源电压和电阻应变片的灵敏度系数、电阻的相对变化率之和、应变之和成正度系数、电阻的相对变化率之和、应变之和成正比。比。2、电桥有和差、电桥有和差(加减加减)特性，应正确选择接桥方特性，应正确选择接桥方法，使输出增大，干扰减小。法，使输出增大，干扰减小。具体：具体：对需要测量的有用信息：对需要测量的有用信息：同极性同极性相对桥臂相对桥臂反极性反极性相邻桥臂相邻桥臂对不需要测量的干扰信息：对不需要测量的干扰信息：同极性同极性相邻桥臂相邻桥臂反极性反极性相对桥臂相对桥臂例：一段材料受拉力例：一段材料受拉力P及弯矩及弯矩W的共同作用，应怎样接桥的共同作用，应怎样接桥？悬臂梁测力悬臂梁测力柱形梁测力柱形梁测力在测试中，根据电阻参与变化的桥臂数可把电桥分为：在测试中，根据电阻参与变化的桥臂数可把电桥分为：全桥式联接、半桥单臂式联接、半桥双臂式全桥式联接、半桥单臂式联接、半桥双臂式各种电桥的输出和贴片见下表：各种电桥的输出和贴片见下表：2.温度补偿问题温度补偿问题受温度影响，影响测量的精确度；受温度影响，影响测量的精确度；补偿方法补偿方法（1）桥路补偿）桥路补偿（2）温度自补偿片）温度自补偿片直流电桥特点：直流电桥特点：优点：电源易获得、对导线要求低、易平衡优点：电源易获得、对导线要求低、易平衡缺点：后接放大电路困难、直流放大器易受零漂影响缺点：后接放大电路困难、直流放大器易受零漂影响2.交流电桥交流电桥的平衡条件 交流电桥的一般形式与直流电桥相似,但但Z Z1、Z Z2、Z Z3、Z Z4为复阻抗，U U为交流电压源，开路输出电压为U U0。其电压输出为 平衡条件为 或 交流电桥平衡条件交流电桥平衡条件交流电桥的输出：电容电桥电容电桥电感电桥电感电桥交流电阻桥及平衡交流电阻桥及平衡交流电桥的特点交流电桥的特点1、供桥电源要求高、供桥电源要求高2、电桥平衡困难、电桥平衡困难3、后续处理容易、后续处理容易测量误差：测量误差：例如例如电桥中元件之间的互感影响电桥中元件之间的互感影响无感电阻的残余电抗无感电阻的残余电抗邻近交流电路对电桥的感应作用邻近交流电路对电桥的感应作用泄漏电阻以及元件之间泄漏电阻以及元件之间元件与地之间的分布电容等元件与地之间的分布电容等三、带感应偶合臂的电桥三、带感应偶合臂的电桥以上两种电桥中的感应耦合臂可代以差动式三绕组电感传感器，通过以上两种电桥中的感应耦合臂可代以差动式三绕组电感传感器，通过它的敏感元件它的敏感元件铁心，将被测位移量转换为绕组间互感变化，再通铁心，将被测位移量转换为绕组间互感变化，再通过电桥转换为电压或电流的输出。过电桥转换为电压或电流的输出。带感应耦合臂的电桥与一般电桥比较，具有较高的精确度、灵敏度带感应耦合臂的电桥与一般电桥比较，具有较高的精确度、灵敏度以及性能稳定等优点。以及性能稳定等优点。二、电容式传感器二、电容式传感器1、定义、定义电容式传感器电容式传感器将被测物理量转换为电容量变化的装置，将被测物理量转换为电容量变化的装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。它实质上是一个具有可变参数的电容器。2、变换原理、变换原理从物理学已知，由两个平行极板组成的电容器，其电容量从物理学已知，由两个平行极板组成的电容器，其电容量式中式中:极板间介质的相对介电系数，在空气中极板间介质的相对介电系数，在空气中=10真空中介电常数真空中介电常数(Fm)，0=8.8510-12Fm极板间距离极板间距离(m)A极板面积极板面积(m2)如果保持其中两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可如果保持其中两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换成电容量的变化。把该参数的变化变换成电容量的变化。根据电容器变化的参数，可分为根据电容器变化的参数，可分为:极距变化型、面积变化型和介质变化型极距变化型、面积变化型和介质变化型（1）极距变化型）极距变化型可见：可见：灵敏度灵敏度S与与成成反比，极距越小反比，极距越小，灵敏度越高；，灵敏度越高；灵敏度随极距灵敏度随极距而变化，引起了而变化，引起了非线性误差。非线性误差。（2）面积变化型）面积变化型面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。角位移测量。（3）介质变化型）介质变化型测量：测量：电介质的液位、某些材电介质的液位、某些材料的温度、湿度和厚度料的温度、湿度和厚度等。等。图图3-14a是在两固定极板是在两固定极板间有一个介质层间有一个介质层(如纸张、如纸张、电影胶片等电影胶片等)通过。当介通过。当介质层的厚度、温度或湿质层的厚度、温度或湿度发生变化时，其介电度发生变化时，其介电常数发生变化，引起电常数发生变化，引起电极之间的电容量变化。极之间的电容量变化。图图3-14b是一种电容式液是一种电容式液位计，当被测液面位置位计，当被测液面位置发生变化时，两电极浸发生变化时，两电极浸入高度也发生变化，引入高度也发生变化，引起电容量的变化。起电容量的变化。2、测量电路、测量电路电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后，由后电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后，由后续电路转换为电压、电流或频续电路转换为电压、电流或频率信号。率信号。常用的电路有：常用的电路有：电桥型电路、直流极化电路、谐振电路、调频电路和运算电桥型电路、直流极化电路、谐振电路、调频电路和运算放大电路放大电路（1）电桥型电路）电桥型电路将电容传感器作为将电容传感器作为桥路的一部分，由电桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的容变化转换为电桥的电压输出，通常采用电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。电容组成的交流电桥。图图3-15是一种电感、是一种电感、电容组成的电容组成的桥路，桥路，电桥的输出为一调幅电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，调、滤波后获得输出，再推动显示仪表。再推动显示仪表。（2）直流极化电路）直流极化电路又称为静压电容传感器电路，又称为静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感多用于电容传声器或压力传感器。器。输出电压与膜片位移速度成正输出电压与膜片位移速度成正比，因此这种传感器可以测量比，因此这种传感器可以测量气流气流(或液流或液流)的振动速度，进的振动速度，进而得到压力。而得到压力。（3）谐振电路）谐振电路为了获得较好的线性，一般工作点应选择在谐振曲线一边的为了获得较好的线性，一般工作点应选择在谐振曲线一边的线性区域内。线性区域内。特点：比较灵敏，但缺点是工作点不易选好，变化范围也较特点：比较灵敏，但缺点是工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的分布电容影响也较大。窄，传感器连接电缆的分布电容影响也较大。（4）调频电路）调频电路特点：特点：具有抗干扰性强、灵具有抗干扰性强、灵敏度高等敏度高等可测可测0.01um的位移变化的位移变化量量电缆分布电容的影响电缆分布电容的影响较大，使用中有一些较大，使用中有一些麻烦。麻烦。（5）运算放大电路）运算放大电路可知，输出电压与电容传感器间隙可知，输出电压与电容传感器间隙成线性关系成线性关系这种电路用于位移测量传感器这种电路用于位移测量传感器三、电感传感器三、电感传感器定义定义电感传感器电感传感器把被测物理量转换为电感量变化的传感器。把被测物理量转换为电感量变化的传感器。分类：分类：1、自感型电感传感器自感型电感传感器可变磁阻式、涡流式可变磁阻式、涡流式2、互感型电感传感器、互感型电感传感器(差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器)1、自感型电感传感器、自感型电感传感器1）可变磁阻型）可变磁阻型式中：l铁心导磁长度；u铁心磁导率；A铁心磁导截面积；气隙长度；u0空气磁导率；A0空气气隙导磁截面积（m2）可见有三种型式的可变磁阻式电感传感器：可见有三种型式的可变磁阻式电感传感器：变气隙型、变面积型及变磁导率型变气隙型、变面积型及变磁导率型a)变气隙型变气隙型可见可见L与与之间的关系为双曲线关系，是非线性关系，测量会产生线性误之间的关系为双曲线关系，是非线性关系，测量会产生线性误差。差。灵敏度为：灵敏度为：为减少测量误差，须采取措施：为减少测量误差，须采取措施：（）限制测量范围（）限制测量范围（0，0+）一般一般/00.1应用应用:测量小位移测量小位移0.0011mm.（）采用差动式）采用差动式衔铁移动时一个衔铁移动时一个0,另一个另一个0使得一个使得一个L,另一个另一个L,将两个线圈接入电桥将两个线圈接入电桥的相邻桥臂的相邻桥臂,利用电桥的利用电桥的加减特性达到减小测量非加减特性达到减小测量非线性误差的目的线性误差的目的.特点：灵敏高、非线性误特点：灵敏高、非线性误差大差大b)面积变化型面积变化型L与与A0为线性关系为线性关系,测测量线性误差小量线性误差小,但与变但与变气隙型传感器相比灵气隙型传感器相比灵敏度较低敏度较低.特点：灵敏低、非线特点：灵敏低、非线性误差小；性误差小；c)螺管线圈型（变磁导率）螺管线圈型（变磁导率）传感器结构简单、制造容易，但传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移灵敏度低，适用于较大位移(数毫米数毫米)测量测量双螺管线圈差动型，较之单螺管双螺管线圈差动型，较之单螺管型有较高灵敏度及线性，被用型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，常用测量范于电感测微计上，常用测量范围为围为0300um，最小分辨力，最小分辨力为为0.5um这种传感器的线圈接于电桥上这种传感器的线圈接于电桥上(见图见图3-23a)，构成两个桥臂，构成两个桥臂，线圈电感线圈电感L1、L2：随铁心位：随铁心位移而变化，其输出特性如图移而变化，其输出特性如图3-23b所示。所示。（2）涡流式）涡流式变换原理变换原理金属金属导体在交流磁场导体在交流磁场中的涡流电效应中的涡流电效应（涡流效应）（涡流效应）即即交流磁场中的导交流磁场中的导体由于集肤效应，体由于集肤效应，在金属体内产生在金属体内产生闭和的感应电流闭和的感应电流（涡电流）。（涡电流）。Z=f(,r,I,)应用：应用：变变：测位移、厚度、振幅、转速、计数等；：测位移、厚度、振幅、转速、计数等；变变：金属的：金属的、硬度、热处理的性能、合金成分等；、硬度、热处理的性能、合金成分等；变变：无损探伤、残余应力、材质检测等。：无损探伤、残余应力、材质检测等。优点：灵敏度高、结构简单、抗干扰性强、不受油优点：灵敏度高、结构简单、抗干扰性强、不受油污尘埃等介质的影响、非接触测污尘埃等介质的影响、非接触测量。测量电路测量电路调频电路调频电路特点及应用特点及应用特点：特点：涡流式传感器可用于动态非接触测量，测量范围视传感器涡流式传感器可用于动态非接触测量，测量范围视传感器结构尺寸、线圈匝数和励磁频率而定，一般从结构尺寸、线圈匝数和励磁频率而定，一般从(110)mm不等，最高分辨力可达不等，最高分辨力可达0.1um。具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等优点。具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等优点。因此，近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检因此，近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用。实测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用。实际上，这种传感器在径向振摆、回转轴误差运动、转速和际上，这种传感器在径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都有应用。有应用。应用实例应用实例2、互感型、互感型差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器原理：电磁感应中的互感现象原理：电磁感应中的互感现象M互感，大小与两线圈互感，大小与两线圈相对位置及周围介质的导相对位置及周围介质的导磁能力等有关，表明两线磁能力等有关，表明两线圈之间的偶合程度。圈之间的偶合程度。图331是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。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，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。上图是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路。在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻及，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。差动变压器式电感传感器具有精确度高差动变压器式电感传感器具有精确度高(最高分辨力可达最高分辨力可达0.1um)、线性、线性范围大范围大(可扩展到土可扩展到土100mm)、稳定性好和使用方便的特点，被广泛用、稳定性好和使用方便的特点，被广泛用于直线位移测定。但其实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。于直线位移测定。但其实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。借助于弹性元件可以将压力、重量等物理量转换为位移的变化，故也借助于弹性元件可以将压力、重量等物理量转换为位移的变化，故也将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。第四节第四节磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器把被测物理量转换为感应电动势的一种把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。从电工学已知，对于一个线圈，当穿过该线圈的磁通发生从电工学已知，对于一个线圈，当穿过该线圈的磁通发生变化时，其感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的变化时，其感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按照结构方式不同，磁电式传感器可分：按照结构方式不同，磁电式传感器可分：动圈式、磁阻式动圈式、磁阻式1、动圈式、动圈式B磁场的磁感应强度；l单匝线圈有效长度；N线圈匝数；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。当=900时e=NBlv角速度型传感器e=kNBA磁阻式传感器使用简便、结构简单，在不同场合下可用来测磁阻式传感器使用简便、结构简单，在不同场合下可用来测量转速、偏心量、振动等。量转速、偏心量、振动等。2、磁阻式二、压电式传感器二、压电式传感器定义定义把被测量转换为电荷量的传感器。把被测量转换为电荷量的传感器。压电效应压电效应某些物质，如石英、钛酸钡等，当受到外力某些物质，如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场。当外力去除后，又重新恢复到原有电荷出现，形成电场。当外力去除后，又重新恢复到原来状态。来状态。逆压电效应（电致伸缩效应）逆压电效应（电致伸缩效应）如果将这些物质置于电如果将这些物质置于电场中，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。物质的机械变形的现象。压电材料压电材料具有压电效应的材料，压电单单晶体、压电具有压电效应的材料，压电单单晶体、压电多晶体。多晶体。压电单晶体：如石英、酒石酸钾钠等；压电单晶体：如石英、酒石酸钾钠等；压电多晶体：如钛酸钡、锆钛酸铅等压电多晶体：如钛酸钡、锆钛酸铅等;压电薄膜：聚偏二乙烯（压电薄膜：聚偏二乙烯（PVdF）两端为一对称的棱锥，六棱两端为一对称的棱锥，六棱柱是它的基本组织，纵轴柱是它的基本组织，纵轴Z-Z称为光轴，通过六角棱线称为光轴，通过六角棱线而垂直于光轴的轴线而垂直于光轴的轴线x-X称称作电轴，垂直于棱面的轴线作电轴，垂直于棱面的轴线y-y称作机械轴，如图称作机械轴，如图335b。纵向压电效应、横向压电效应、切纵向压电效应、横向压电效应、切向压电效应向压电效应3、压电式传感器及等效电路、压电式传感器及等效电路实验证明，在极板上积聚的电荷量实验证明，在极板上积聚的电荷量q与作用力与作用力F成正比，即：成正比，即：q=DF式中式中:D压电常数，与材质及切片方向有关。压电常数，与材质及切片方向有关。实际压电传感器往往用两个或两个以上并接或串接的晶片。实际压电传感器往往用两个或两个以上并接或串接的晶片。（）并接时）并接时(图图337b)电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号，电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号，宜用于以电荷量输出的场合。宜用于以电荷量输出的场合。（）串接时）串接时(图图3-37c)传感器本身电容量小，输出电压大，适用于以电压作为输出传感器本身电容量小，输出电压大，适用于以电压作为输出信号。信号。式式(3-38)表明：表明：压电元件的电压输出还受回路的时间常数的影响。压电元件的电压输出还受回路的时间常数的影响。在测试动态量时，为了建立一定的输出电压并实现不失真在测试动态量时，为了建立一定的输出电压并实现不失真测量，压电式传感器的测量电路必须有高输入阻抗并在输测量，压电式传感器的测量电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电容入端并联一定的电容Ci以加大时间常数以加大时间常数R0C。但并联电容过大也会使输出电压降低过多，降低了测量装但并联电容过大也会使输出电压降低过多，降低了测量装置的灵敏度。置的灵敏度。4、测量电路、测量电路压电式传感器输出信号：压电式传感器输出信号：（1）输出电信号是很微弱的电荷；）输出电信号是很微弱的电荷；（2）传感器本身有很大内阻；）传感器本身有很大内阻；故输出能量甚微，给后接电路带来困难。故输出能量甚微，给后接电路带来困难。前置放大器的作用：前置放大器的作用：（1）放大）放大（2）阻抗变换（高输入阻抗）阻抗变换（高输入阻抗低输出阻抗）低输出阻抗）然后用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录然后用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。器。前置放大器电路有两种形式：前置放大器电路有两种形式：（1）用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压）用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即即传感器的输出传感器的输出)成正比；成正比；（2）另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输）另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。入电荷成正比。(1)电压放大器(2)电荷放大器上式表明：上式表明：在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明器时，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点。但与电压放大器相显变化，这是电荷放大器突出的优点。但与电压放大器相比，其电路复杂，价格昂贵。比，其电路复杂，价格昂贵。5、压电式传感器的应用、压电式传感器的应用特性特性：频率范围宽：频率范围宽：0Hz到数十兆赫到数十兆赫低端：由于有电荷泄漏，难精确测量常值量（力）；低端：由于有电荷泄漏，难精确测量常值量（力）；低频时，压电式传感器振动角频率小，灵敏度小，输出信低频时，压电式传感器振动角频率小，灵敏度小，输出信号微弱，信噪比小。号微弱，信噪比小。高端：取决于结构的联接刚度；高端：取决于结构的联接刚度；测量力、压力、振动加速度、也用于声学（包括超声）和测量力、压力、振动加速度、也用于声学（包括超声）和声发射等；声发射等；压电式传感器常用来测量应力、压力、振动的加速度，也用于声、超压电式传感器常用来测量应力、压力、振动的加速度，也用于声、超声和声发射等测量。声和声发射等测量。压电效应是一种力一电荷变换，可直接用作力的测量。压电效应是一种力一电荷变换，可直接用作力的测量。现在已形成系列的压电式力传感器，测量范围从微小力值现在已形成系列的压电式力传感器，测量范围从微小力值10-3N到到104kN，动态范围一般为，动态范围一般为60dB；测量方向有单方向的，也有多方向的。；测量方向有单方向的，也有多方向的。压电式力传感器有两种形式：压电式力传感器有两种形式：一种是利用膜片式弹性元件，通过膜片承压面积将压力转换为力。膜一种是利用膜片式弹性元件，通过膜片承压面积将压力转换为力。膜片中间有凸台，凸台背面放置压电片。力通过凸台作用于压电片上，片中间有凸台，凸台背面放置压电片。力通过凸台作用于压电片上，使之产生相应的电荷量。使之产生相应的电荷量。另一种是利用活塞的承压面承受压力，并使活塞所受的力通过在活塞另一种是利用活塞的承压面承受压力，并使活塞所受的力通过在活塞另一端的顶杆作用在压电片上。测得此作用力便可推算出活塞所受的另一端的顶杆作用在压电片上。测得此作用力便可推算出活塞所受的压力。压力。现在广泛采用压电式传感器来测量加速度。现在广泛采用压电式传感器来测量加速度。此种传感器的压电片处于其壳体和一质量块之间，用强弹此种传感器的压电片处于其壳体和一质量块之间，用强弹簧簧(或预紧螺栓或预紧螺栓)将质量块、压电片紧压在壳体上。运动时，将质量块、压电片紧压在壳体上。运动时，传感器壳体推动压电片和质量块一起运动。在加速时，压传感器壳体推动压电片和质量块一起运动。在加速时，压电片承受由质量块加速而产生的惯性力。电片承受由质量块加速而产生的惯性力。压电式传感器按不同需要做成不同灵敏度、不同量程和不压电式传感器按不同需要做成不同灵敏度、不同量程和不同大小，形成系列产品。大型高灵敏度加速度计灵敏阈可同大小，形成系列产品。大型高灵敏度加速度计灵敏阈可达达10-6gn。(gn标准重力加速度，作为一个加速度单位，标准重力加速度，作为一个加速度单位，其值为其值为1gn=9.80665m/s2)，但其测量上限也很小，只能，但其测量上限也很小，只能测量微弱振动。而小型的加速度计仅重测量微弱振动。而小型的加速度计仅重0.14g，灵敏度虽，灵敏度虽低，但可测量上千低，但可测量上千g的强振动。的强振动。压电式传感器的工作频率范围广，理论上其低端从直流开压电式传感器的工作频率范围广，理论上其低端从直流开始，高端截止频率取决于结构的连接刚度，一般为数十赫始，高端截止频率取决于结构的连接刚度，一般为数十赫到兆赫的量级，这使它广泛用于各领域的测量。压电式传到兆赫的量级，这使它广泛用于各领域的测量。压电式传感器内阻很高，产生的电荷量很小，易受传输电缆分布电感器内阻很高，产生的电荷量很小，易受传输电缆分布电容的影响，必须采用前面已谈到的阻抗变换器或电荷放大容的影响，必须采用前面已谈到的阻抗变换器或电荷放大器。已有将阻抗变换器和传感器集成在一起的集成传感器，器。已有将阻抗变换器和传感器集成在一起的集成传感器，其输出阻抗很低。其输出阻抗很低。由于电荷的泄漏，使压电式传感器实际上低端工作频率无由于电荷的泄漏，使压电式传感器实际上低端工作频率无法达到直流，难以精确测量常值力。在低频振动时，压电法达到直流，难以精确测量常值力。在低频振动时，压电式加速度计振动圆频率小，受灵敏度限制，其输出信号很式加速度计振动圆频率小，受灵敏度限制，其输出信号很弱，信噪比差。弱，信噪比差。尤其在需要通过积分网络来获取振动的速度和加速度值的尤其在需要通过积分网络来获取振动的速度和加速度值的情况下，网络中运算放大器的漂移及低频噪声的影响，使情况下，网络中运算放大器的漂移及低频噪声的影响，使得难于在小于得难于在小于1Hz的低频段中应用压电式加速度计。的低频段中应用压电式加速度计。压电式传感器一般用来测量沿其轴向的作用力，该力对压压电式传感器一般用来测量沿其轴向的作用力，该力对压电片产生纵向效应并产生相应的电荷，形成传感器通常的电片产生纵向效应并产生相应的电荷，形成传感器通常的输出。输出。然而，垂直于轴向的作用力，也会使压电片产生横向效应然而，垂直于轴向的作用力，也会使压电片产生横向效应和相应的输出，称为横向输出。与此相应的灵敏度，称为和相应的输出，称为横向输出。与此相应的灵敏度，称为横向灵敏度。横向灵敏度。对于传感器而言，横向输出是一种干扰和产生测量误差的对于传感器而言，横向输出是一种干扰和产生测量误差的原因。原因。使用时，应该选用横向灵敏度小的传感器。一个压电式传使用时，应该选用横向灵敏度小的传感器。一个压电式传感器各方向的横向灵敏度是不同的。为了减少横向输出的感器各方向的横向灵敏度是不同的。为了减少横向输出的影响，在安装使用时，应力求使最小横向灵敏度方向与最影响，在安装使用时，应力求使最小横向灵敏度方向与最大横向干扰力方向重合。显然，关于横向干扰的讨论，同大横向干扰力方向重合。显然，关于横向干扰的讨论，同样适用于压电式加速度计。样适用于压电式加速度计。环境温度、湿度的变化和压电材料本身的时效，都会引起环境温度、湿度的变化和压电材料本身的时效，都会引起压电常数的变化，导致传感器灵敏度的变化。因此，经常压电常数的变化，导致传感器灵敏度的变化。因此，经常校准压电式传感器是十分必要的。校准压电式传感器是十分必要的。压电式传感器的工作原理是可逆的，施加电压于压电晶片，压电式传感器的工作原理是可逆的，施加电压于压电晶片，压电片便产生伸缩。所以压电片可以反过来做压电片便产生伸缩。所以压电片可以反过来做“驱动器驱动器”。例如对压电晶片施加交变电压，则压电片可作为振动源，例如对压电晶片施加交变电压，则压电片可作为振动源，可用于高频振动台、超声发生器、扬声器以及精密的微动可用于高频振动台、超声发生器、扬声器以及精密的微动装置。装置。三、热电式传感器三、热电式传感器热电式传感器热电式传感器把被测量把被测量(主要是温度主要是温度)转换为电量变化的转换为电量变化的一种装置，其变换是基于金属的热电效应。一种装置，其变换是基于金属的热电效应。热电效应热电效应把两种不同的导体或半导体连接成图把两种不同的导体或半导体连接成图3-39所示所示的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度为的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度为T及及T0(假定假定T