1、第三章 常用的傳感器與敏感元件 第一節(jié) 常用傳感器分類 第二節(jié) 機械式傳感器及儀器 第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器 第四節(jié) 磁電、壓電和熱電式傳感器 第五節(jié) 光電傳感器 第六節(jié) 光纖傳感器 第七節(jié) 半導體傳感器 第八節(jié) 紅外測試系統(tǒng) 第九節(jié) 激光測試傳感器 第十節(jié) 傳感器的選用原則,一、定義 傳感器直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。 測量環(huán)節(jié)、測量裝置、測量系統(tǒng),二、組成 敏感元件、輔助裝置（部分） 敏感元件直接感受被測量的部分，核心。 輔助裝置（部分）傳感器的重要組成部分，必不可少部分。,三、傳感器的作用 作用： “電五官”，是人們認識事物的一個有利工具；

2、對測試系統(tǒng)來講，是輸入的首個環(huán)節(jié)、重要環(huán)節(jié)，其特性的好壞直接影響到整個測試系統(tǒng)的性能。,四、傳感器的發(fā)展狀況 歷史長、還在發(fā)展 從結構型物性型智能型 智能型：傳感器技術與微電子技術結合，構成了校正、變化、統(tǒng)計處理、反饋等多種功能，具有思維、辨別能力的智能傳感器。能在復雜的環(huán)境中準確而有效地提取信息。,第一節(jié)常用傳感器分類 按工作原理分： 電氣式傳感器、機械式傳感器、光電式傳感器等 按被測量分： 位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、應力傳感器、溫度傳感器等,（1）按信號變換特征分： 結構型傳感器、物性型傳感器 結構型傳感器依靠傳感器的結構參量隨被測量的變化而變化來實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換 例如：磁電式傳感

3、器、電感式、電容式,物性型傳感器依靠敏感元件材料本身物理化學性質(zhì)隨被測量的變化而變化來實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換 例如：水銀溫度計、壓電式傳感器,2）按能量關系分： 能量轉(zhuǎn)換型傳感器、能量控制型傳感器 能量轉(zhuǎn)換型傳感器利用其輸出與被測量輸入的能量的關系來實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換測量。 特點：直接由被測對象輸入能量使其工作的，又稱無源傳感器。 例如：熱電偶溫度計、壓電式傳感器、磁電式速度計 產(chǎn)生負載效應，影響被測對象的狀態(tài)產(chǎn)生測量誤差（失真）,能量控制型傳感器從外部供給能量使傳感器工作，并由被測量來控制外部能量的變化，由稱有源傳感器。 例如：電阻應變計接于電橋中、電感測微儀,傳感器可能只有一個，也可能有幾個換能元件，也

4、可能是一個小型裝置。例如，電容式位移傳感器是位移一電容變化的能量控制型傳感器，可以直接測量位移。,而電容式壓力傳感器，則經(jīng)過壓力膜片彈性變形(位移)電容變化的轉(zhuǎn)換過程。此時膜片是一個由機械量機械量的換能件，由它實現(xiàn)第一次變換；同時它又與另一極板構成電容器，用來完成第二次轉(zhuǎn)換。,再如電容型伺服式加速度計(也稱力反饋式加速度計)，實際上是一個具有閉環(huán)回路的小型測量系統(tǒng)，如圖3-2所示。這種傳感器較一般開環(huán)式傳感器具有更高的精確度和穩(wěn)定性。,表-1 機械工程中常用傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器 一、電阻式傳感器 定義 電阻式傳感器將被測量轉(zhuǎn)化為電阻值變化的傳感器。 1、變阻器式電阻傳感器

5、2、電阻應變式傳感器,1、變阻器式電阻傳感器,變阻器使用日益減少，電阻應變式傳感器具有體積小、動態(tài)響應快、測量精度高使用方便等優(yōu)點，而得到廣泛運用。,變阻器式電阻傳感器的測量電路,特點及應用,1、特點 優(yōu)點：結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。 缺點：分辨力不高，有較大的噪聲。 2、應用 用于線位移、角位移測量，在測量儀器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計等。,1. 金屬電阻應變片(結構型),金屬電阻應變片的工作原理，是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。若金屬絲的長度為L，截面積為S，電阻率為，其未受力時的電阻

6、為R。 其物理意義是:單位應變所引起的電阻相對變化。由式(3.2-7)可以明顯看出，金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個因素影響:一個是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即項；另一個是受力后材料的電阻率變化所引起的，即項。對于金屬材料項比項小得多。大量實驗表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對變化與其所受的軸向應變是成正比的，即K0為常數(shù) Sg=1+2=常數(shù)通常金屬電阻絲的Sg=1.63.6之間。,應變片的主要參數(shù)：（1）幾何參數(shù)：基廠長和基寬，制造廠常用bL表示。（2）電阻值：應變計的原始電阻值。（60、120、350、600、1000等）（3）靈敏系數(shù)：表示應變計變換性能的重要參數(shù)。（4）其它表

7、示應變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等。,2. 半導體應變片（物性型）,基本公式：,E 半導體材料的彈性模量； 半導體材料的壓阻系數(shù)。,半導體應變片的靈敏度為,原理：壓阻效應 優(yōu)點：體積小、橫向效應小、滯后小、靈敏度高 缺點：溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散度大（晶向、雜質(zhì)）、大應變下非線性誤差大。,、應用 電阻應變傳感器有很多優(yōu)點，因此廣泛應用于機械工程的測試中（40%到50%） 優(yōu)點： （1）分辨率高 （2）誤差小 （3）尺寸小、重量輕 （4）測量范圍大 （5）頻響特性好:限制應變片上限測量頻率是： 電橋的激勵電源頻率 (1/51/10)電源頻率 應變片的基長 基

8、長越短，上限測量頻率越高 例 基長為10mm時，上限測量頻率可高達25kHz （6）應用于惡劣環(huán)境 （7）價格低,(1)直接用來測定結構的應變或應力,（）.將應變片貼于彈性元件上， 作為測量力、位移、壓力、加速度等參量的傳感器,4. 固態(tài)壓阻式傳感器,壓阻式傳感器是根據(jù)半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產(chǎn)生相應的不平衡輸出。 用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以

9、測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應用最為普遍。,壓阻式傳感器有兩種類型：半導體應變式傳感器、固態(tài)壓阻式傳感器,壓阻式傳感器的優(yōu)點是: 靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量； 分辨率高，例如測量壓力時可測出1020Pa的微壓； 測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應高； 可測量低頻加速度和直線加速度。 無須粘貼，便于傳感器的集成化 最大的缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。,5. 典型動態(tài)電阻應變儀,三、電橋測量電路 電橋電路是將電阻、電容、電感的參量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏餍盘栞敵龅囊环N常用電路。由于電路簡單，精度和靈敏度都較高而得到廣泛運用。電橋一般按其電源種類而

10、分成直流電橋和交流電橋兩種。,1. 直流電橋,直流電橋為常見電橋，假定電橋四個橋臂電阻分別為R1、R2、R3、R4，輸入直流電壓為u0，輸出電壓信號為uy，則輸出為 如y=0,稱電橋的平衡狀態(tài) 直流電橋的平衡條件： 相對橋臂的阻值乘積相等,如果各橋臂的電阻變化分別為：R1、R2、R3、R4，同時 R1=R2=R3=R4=R 則 當為電阻同型號的應變片時，上式可寫成：,結論： 1、電橋輸出電壓與電源電壓和電阻應變片的靈敏度系數(shù)、電阻的相對變化率之和、應變之和成正比。 2、電橋有和差 (加減)特性，應正確選擇接橋方法，使輸出增大，干擾減小。,具體： 對需要測量的有用信息： 同極性相對橋臂 反極性相

11、鄰橋臂 對不需要測量的干擾信息： 同極性相鄰橋臂 反極性相對橋臂,例：一段材料受拉力P及彎矩W的共同作用，應怎樣接橋？,懸臂梁測力,柱形梁測力,在測試中，根據(jù)電阻參與變化的橋臂數(shù)可把電橋分為： 全橋式聯(lián)接、半橋單臂式聯(lián)接、半橋雙臂式,各種電橋的輸出和貼片見下表：,2. 溫度補償問題 受溫度影響，影響測量的精確度； 補償方法 （1）橋路補償 （2）溫度自補償片,直流電橋特點： 優(yōu)點：電源易獲得、對導線要求低、易平衡 缺點：后接放大電路困難、直流放大器易受零漂影響,2. 交流電橋,交流電橋的平衡條件 交流電橋的一般形式與直流電橋相似,但Z1、Z2、Z3、Z4為復阻抗，U為交流電壓源，開路輸出電壓為

12、U0。其電壓輸出為 平衡條件為 或,交流電橋平衡條件,交流電橋的輸出：,電容電橋,電感電橋,交流電阻橋及平衡,交流電橋的特點,1、供橋電源要求高 2、電橋平衡困難 3、后續(xù)處理容易 測量誤差： 例如 電橋中元件之間的互感影響 無感電阻的殘余電抗 鄰近交流電路對電橋的感應作用 泄漏電阻以及元件之間 元件與地之間的分布電容等,三、帶感應偶合臂的電橋,以上兩種電橋中的感應耦合臂可代以差動式三繞組電感傳感器，通過它的敏感元件鐵心，將被測位移量轉(zhuǎn)換為繞組間互感變化，再通過電橋轉(zhuǎn)換為電壓或電流的輸出。 帶感應耦合臂的電橋與一般電橋比較，具有較高的精確度、靈敏度以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點。,二、電容式傳感器 1、定

13、義 電容式傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置，它實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。 2、變換原理 從物理學已知，由兩個平行極板組成的電容器，其電容量,式中 : 極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，在空氣中=1 0真空中介電常數(shù)(Fm)， 0 =8.8510-12Fm 極板間距離(m) A極板面積(m2) 如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。 根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可分為: 極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型,（1）極距變化型 可見： 靈敏度S與成反比，極距越小，靈敏度越高； 靈敏度隨極距而變化，引起了非線性誤差。,（2）面積變化型,面積變化型電容傳感

14、器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關系，但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測量。,（3）介質(zhì)變化型,測量： 電介質(zhì)的液位、某些材料的溫度、濕度和厚度等。 圖3-14a是在兩固定極板間有一個介質(zhì)層(如紙張、電影膠片等)通過。當介質(zhì)層的厚度、溫度或濕度發(fā)生變化時，其介電常數(shù)發(fā)生變化，引起電極之間的電容量變化。 圖3-14b是一種電容式液位計，當被測液面位置發(fā)生變化時，兩電極浸入高度也發(fā)生變化，引起電容量的變化。,2、測量電路,電容傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量的變化以后，由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻 率信號。 常用的電路有： 電橋型電路、直流極化電路、諧振電路、調(diào)頻電路和運算放大

15、電路,（1）電橋型電路,將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋。 圖3-15是一種電感、電容組成的 橋路，電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后獲得輸出，再推動顯示儀表。,（2）直流極化電路,又稱為靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器。 輸出電壓與膜片位移速度成正比，因此這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動速度，進而得到壓力。,（3）諧振電路,為了獲得較好的線性，一般工作點應選擇在諧振曲線一邊的線性區(qū)域內(nèi)。 特點：比較靈敏，但缺點是工作點不易選好，變化范圍也較窄，傳感器連接電纜的分布電容影響也較大。,（4

16、）調(diào)頻電路,特點： 具有抗干擾性強、靈敏度高等 可測0.01um的位移變化量 電纜分布電容的影響較大，使用中有一些麻煩。,（5）運算放大電路,可知，輸出電壓與電容傳感器間隙成線性關系 這種電路用于位移測量傳感器,三、電感傳感器,定義 電感傳感器把被測物理量轉(zhuǎn)換為電感量變化的傳感器。 分類： 1、 自感型電感傳感器 可變磁阻式、渦流式 2、互感型電感傳感器(差動變壓器式電感傳感器),1、自感型電感傳感器,1）可變磁阻型,式中：l鐵心導磁長度； u鐵心磁導率； A鐵心磁導截面積； 氣隙長度； u0空氣磁導率； A0空氣氣隙導磁截面積（m2）,可見有三種型式的可變磁阻式電感傳感器： 變氣隙型、變面積

17、型及變磁導率型 a)變氣隙型 可見L與之間的關系為雙曲線關系，是非線性關系，測量會產(chǎn)生線性誤差。 靈敏度為： 為減少測量誤差，須采取措施： （）限制測量范圍（0，0+） 一般/00.1 應用:測量小位移0.0011mm.,（）采用差動式 銜鐵移動時一個0,另一個0使得一個L,另一個L,將兩個線圈接入電橋的相鄰橋臂,利用電橋的加減特性達到減小測量非線性誤差的目的. 特點：靈敏高、非線性誤差大,b)面積變化型,L與A0為線性關系,測量線性誤差小,但與變氣隙型傳感器相比靈敏度較低. 特點：靈敏低、非線性誤差?。?c)螺管線圈型（變磁導率）,傳感器結構簡單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米

18、)測量 雙螺管線圈差動型，較之單螺管型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計上，常用測量范圍為0300um，最小分辨力為0.5um 這種傳感器的線圈接于電橋上(見圖3-23a)，構成兩個橋臂，線圈電感L1、L2：隨鐵心位移而變化，其輸出特性如圖3-23b所示。,（2）渦流式,變換原理金屬導體在交流磁場中的渦流電效應（渦流效應） 即 交流磁場中的導體由于集膚效應，在金屬體內(nèi)產(chǎn)生閉和的感應電流（渦電流）。,Z=f(,r,I,) 應用： 變：測位移、厚度、振幅、轉(zhuǎn)速、計數(shù)等； 變：金屬的、硬度、熱處理的性能、合金成分等； 變：無損探傷、殘余應力、材質(zhì)檢測等。 優(yōu)點：靈敏度高、結構簡單、抗干擾性強、不受油污塵埃等介質(zhì)的影響、非接觸測量。,測量電路,調(diào)頻電路,特點及應用,特點： 渦流式傳感器可用于動態(tài)非接觸測量，測量范圍視傳感器結構尺寸、線圈匝數(shù)和勵磁頻率而定，一般從(110)mm不等，最高分辨力可達0.1um。 具有結構簡單、使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等優(yōu)點。 因此，近年來渦流式位移和振動測量儀、測厚儀和無損檢測探傷儀等在機械、冶金等部門中日益得到廣泛應用。實際上，這種傳感器在徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運動、轉(zhuǎn)速和厚度測量，以及在零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量中都 有應用。,應用實例,2、互感型差動變壓器式電感傳感器,原理