测试与传感技术（测试与传感技术（ 22 ））

孙裕晶孙裕晶2012.10.222012.10.22

被测量 信号调理传感器 信号处理 显示记录

激励装置

传感器原理与应用 性质

测试系统

测试系统应用实例应变片电测技术 振动的测量 过称量检测 虚拟仪器与集成检测技术

测试系统结构 常用传感器原理与应用 信号的变换与处理

回 顾回 顾测试信号分析方法测试系统特性分析

第第 22 章 常用传感器原理与应章 常用传感器原理与应用 用

分 类• 用途：位移传感器、压力传感器、温度传感器、…

• 工作原理：电阻应变式、电感式、电容式、压电式、…

• 被测量的转换特征：结构型和物性型

• 能量传递方式：能量控制型传感器和能量转换型传感器

主要内容主要内容• 电位器式式传感器 • 电阻应变式传感器 • 电感式传感器 • 电容式传感器 • 压电式传感器 • 磁敏传感器 • 光电式传感器 • 集成传感器

6.1 6.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器

• 原理：利用电阻应变片将应变转换为 电阻变化

• 功能：测量应变、力、扭矩、位移、加速度等

• 特点：灵敏度高、测量精确、动态响应快、技术成熟

电阻应变片 金属电阻应变片半导体应变片

一、电阻应变片式传感器一、电阻应变片式传感器• 结构

1- 敏感栅 2- 基片 3- 覆盖层 4- 引线l—— 应变片的基长， b—— 基宽

• 材料 直径为 0.025mm 左右的康铜 (wCu 为 57 ％、 wNi 为 43

％ ) 或镍铬合金丝 (wNi 为 80 ％、 wCr 为 20 ％ ) 阻值系列： 60Ω 、 120Ω 、 350Ω 、 600Ω 、 1000Ω ，以 120Ω 为最常用。

电阻应变片式传感器工作原理电阻应变片式传感器工作原理• 电阻应变效应 当金属丝在外力作用下产生机械变形时，

其电阻值发生变化。

L

dL

r

dr

A

LR

d

A

LdA

A

LdL

AdR

2微分

电阻相对变化 d

A

dA

L

dL

R

dR

d

r

2dr

L

dL

R

dR整理

2rA

纵向应变

rdr2dA

d

)21(R

dR

L

Ld

610

电阻应变片式传感器工作原理电阻应变片式传感器工作原理

d

)21(R

dR

/d

)21(R/dR

K 应变系数或灵敏度

KR

dR

常数

21R/dR

dL/L

R/dRK

金属电阻丝的灵敏度一般在 1.7 ～ 3.6 左右。

金属电阻应变系数

应变片产品应变片产品

二、半导体应变片 二、半导体应变片 • 压阻效应 半导体单晶材料在沿某一

方向受到外力作用时，电阻率会发生相应变化的现象称为压阻效应。

1- 基片 2- 半导体 3- 导线 4- 接线片 5- 引出线

d

)21(R

dR

Ed

R

dR

(1+2μ)ε 很小

ER/dR

K

灵敏度 优点：灵敏度高，比金属应变片要高 50 ～ 70 倍， P 型硅的灵敏度可达 175 。 还有横向效应和机械滞后小、体积小等特点。

• 类型 体型半导体应变片 薄膜型半导体应变片

扩散型半导体应变片

λ 压阻系数

半导体应变片半导体应变片

• 电阻值温度稳定性差 因附加变形产生的电阻变化大• 灵敏系数温度稳定性差• 受拉应变和压应变时的 K 不一致 • 输出量较大时，非线性严重 600-1000με 时非线性开始明显； 1000με 以上时非线性

较大。• 半导体应变片灵敏度系数离散度大 3%-5%

局限性

应变片的主要参数和工作特性 应变片的主要参数和工作特性 • 应变片尺寸

• 阻值

• 灵敏度系数K

丝式： 3-5mm 箔式： 0.2-0.5mm最小尺寸：选片原则： 试件测量部位大小； 应变梯度；

动态测试中 擅长应不大于振动波长的 201

101 ~

tionvibrsound fv a/

特定条件：单向应力；轴线应力；材料一定， μ 不变

应变片的主要参数和工作特性 应变片的主要参数和工作特性

• 零点飘移

• 热输出

对已安装的应变片，在环境温度恒定，但无机械应变条件下，应变片指示应变随时间的变化。

安装在线膨胀系数试件上，试件可以自由膨胀并不受外力作用，缓慢升（或降）温的均匀温度场内，温度变化引起的应变片指示应变。

• 蠕变

• 机械滞后

• 应变极限• 横向效应系数• 绝缘电阻• 疲劳寿命• 最大工作电流

应变片的主要参数和工作特性应变片的主要参数和工作特性 标准：应变片承受应变为 1000με 时，经一小时应变片指示应变的变化量。

对已安装的应变片，在环境温度恒定，加载和减载过程中同一载荷下应变片指示应变量大差值。

应变片及其附属元件应变片及其附属元件

• 位移传感器 电阻应变片式传感器应用电阻应变片式传感器应用

悬臂梁式位移传感器 应变片式位移传感器1- 测量头 2-悬臂梁 3-弹簧 4- 外壳 5- 测量杆 6- 调整螺母 7-

应变片

电阻应变片式传感器应用电阻应变片式传感器应用

• 直接把应变片贴在试件上 机器人

适用于电子汽车衡、轨道衡和测力系统 安装方便适用于电子吊秤配料秤．机改电等悬挂称重系统

电阻应变片式传感器应用电阻应变片式传感器应用

三、电位器式位移测量传感器 三、电位器式位移测量传感器

线绕电位器的阶梯输出特性 光电式电位器结构图1- 光电导体 2- 基体 3- 电阻薄膜 4-窄光束 5-导电带

第第 11次实验：应变片的粘贴工艺次实验：应变片的粘贴工艺• 表面清理• 划线• 应变片粘贴• 粘接层固化• 粘贴质量检验 测量通断 应变片和实践通断 引线和试件间的绝缘电阻• 安装连接线 连接端子、连接线• 检查 • 应变片防护

直流电阻电桥万用表兆欧表

502胶无水乙醇

如何评价应变片粘贴工艺如何评价应变片粘贴工艺• 对粘接剂要求 强度 固化过程变形小 固化后不吸潮 绝缘阻值高 蠕变和滞后小 工艺性 能长期储存• 粘贴质量要求 粘贴牢固 胶层薄而均匀 绝缘性好 蠕变小

A great lesson of life is don’t like to do what you likebut like to do what you have to do.

电感式传感器 电感式传感器 • 自感式• 差动变压器式• 电涡流式

一、自感式传感器

m

2

R

NL

00m A

2

A

lR

自感式传感器结构原理a) 变气隙式 b) 变面积式 c)螺旋管

式1-铁心 2- 线圈 3-衔铁

2

ANL 00

2

磁阻

线圈自感量

二、差动变压器式传感器 二、差动变压器式传感器

差动变压器示意图1- 一次绕组 2 、 3- 二次绕组 4-衔

铁

a) 变气隙型 b) 变面积型 c)螺管型

优点：不存在机械过载问题，因为铁心完全能与变压器的其他部件分开； 对高温、低温和温度变化也不敏感； 能提供比较高的输出，常常用于中间无需放大的场合； 可反复使用，价格合理。

差动变压器式位移传感器的应用 差动变压器式位移传感器的应用

• 灵敏度： 0.1 ～ 5V/mm 或 100mA/mm • 螺管型差动变压器线性范围： ±2μm ～ ±500mm ，线性可

达 0.1 ％～ 0.5 ％。

三、电涡流式传感器 三、电涡流式传感器

将金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，像水中的漩涡一样，故称为电涡流或涡流。

δ—— 位移、振动； ρ 或 μ—— 材质鉴别或探伤

电涡流式传感器应用电涡流式传感器应用

• 反射式电涡流式位移传感器

b) 差动式

a) 单线圈式

变间隙型 变面积型 结构简单、体积小、抗干扰能力强、不受介质污染等影响、可进行非接触测量、灵敏度高等特点；适合高速旋转或振动位移的测量，除测量位移外，还可用于测量厚度尺寸、物体表面粗糙度、无损探伤等。可测位移量程： 0 ～ 80mm 。

电涡流式传感器应用电涡流式传感器应用

• 透射式电涡流式位移传感器

fl<f2<f3

L0— 发射线圈

L2— 接收线圈

被测金属板

4.3 4.3 电容式传感器 电容式传感器

• ε

• A

• δ

A

C

极距变化型 量程范围在 0.01μm 到数百 μm 。

a) 直线位移型 b) 角位移

面积变化型电容传感器

主要参数

介电常数 120 1085.8

极板覆盖面积极板距离

2

1A

d

dCK

电容式传感器应用电容式传感器应用

)r/R(ln

l2C 3

液位测量示意图

差动电容传感器

变面积型电容位移传感器的结构图1 、 3- 开槽弹簧 2-活动电极

5 、 6-固定电极 7- 调节螺母 8- 测杆4- 测力弹簧

线位移： 0.01μm ～0.1mm

灵敏度高，

实现非接触测量

4.4 4.4 压电式传感器压电式传感器• 压电效应

某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力或拉力而使之变形时，它们的表面上会产生电荷，当将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种观象就称为“压电效应”。

压电单晶压电陶瓷

新型压电材料

石英晶体z-z: 光轴 y-y: 电轴x-x: 机械轴

压电常数大、灵敏度高、价格低廉

柔软、不易破碎、面积大 阵列传感器机器人触觉传感器

逆压电效应（电致伸缩效应）

有机压电薄膜

压电半导体 硫化锌 (ZnS) 、氧化锌 (ZnO) 、硫化钙 (CaS) 等

• 压电材料

压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路• 压电晶片相当于一只平行极板介质电容器

a) 压电晶体 b) 并联 c)串联 d) 等效电路

A

Ca

• 压电元件可以等效为一个具有一定电容的电荷源

a0 C

qU

4.5 4.5 磁敏传感器 磁敏传感器

• 霍尔元件• 磁敏电阻• 磁敏管 霍尔效应 将导电体薄片置于磁场 B 中，如果在 a 、 b端通以电流 I ，则在c 、 d端就会出现电位差，这一现象称为霍尔效应。电位差称为霍尔电势。 霍尔效应原理图

b

霍尔电势 IBsinKU HH

霍尔元件可以用来测量磁场强度、位移、力、角度等。

KH——霍尔常数； B—— 磁感应强度；α—— 电流与磁场方向的夹角。

一、基本元件

二、磁栅式位移测量系统 二、磁栅式位移测量系统 • 磁栅

磁栅是一种测量位移的数字传感器，它是在非磁性体的平整表面上镀一层磁性薄膜，并用录制磁头沿长度方向按一定的节距 λ 录上磁性刻度线而构成的，因此又把磁栅称为磁尺。

磁栅主要用于大型机床和精密机床的位置或位移量的检测元件。

单面型直线磁栅同轴型直线磁栅旋转型磁栅

磁栅式位移传感器的结构示意图1- 输出绕组 2- 铁心 3- 激励绕组 4- 磁头 5-磁尺

最高工作速度为 12m/min系统的精度可达 0.0lmm/m最小指示值为 0.001mm使用范围为 0 ～ 40 ℃

• 感应同步器 （略）

4.6 4.6 光电式传感器 光电式传感器 基本概念• 光电效应

外光电效应 在光的照射下，金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的现象称为外光电效应。

内光电效应半导体材料受光的照射后，其电导率发生变化的现象称为光导效应，而受光后产生电势的现象称为光生伏特效应。二者统称为内光电效应。

光电管 光电倍增管

基于光导效应的光电器件有光敏电阻，基于光生伏特效应的有光电池、光敏晶体管等。

光电管

光电池

光敏晶体管

二、固体图像传感器二、固体图像传感器• 电荷耦合器件 (Charge Coupled Device ， CCD)

CCD 基本单元的结构

具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。

金属一氧化物一半导体结构元 (MOS)

读出移位寄存器的结构原理

• 读出移位寄存器

遮光层 每个像素由三个 (也有二个、四个的 ) 电极组成一个耦合单元

结构形式结构形式• 线阵结构

• 面阵CCD

CCDCCD 应用举例应用举例• 尺寸自动检测

• 缺陷检测工件尺寸测量系统

光学系统放大率： 1:M L=(Nd±2d)M L—— 工件尺寸； N—— 覆盖的光敏单元数； d—— 相邻光敏元中心距

离。

最大误差： ±2d （图像末端两个光敏单元）。

验钞机结构原理图 两列信号比较

4.7 4.7 光纤位移测量系统 光纤位移测量系统 • 元件型

• 反射型

反射型光纤位移传感器工作原理1- 光纤接受端头 2- 光纤发送接受端头 3- 光纤发送端头 4-反射镜面 5- 电源

微弯光纤传感器 位移分辨力为 0.01μm

光纤生物传感器 光纤生物传感器

①轻、细长、小，光纤探针可应用于生物体内研究；②抗电磁干扰强，在强电磁干扰、高温高压、易燃易爆和强放射性等恶

劣环境中应用，便于遥测；③应用范围广，成本低，且操作方便；④应用于多波长和时间分辨测量技术，改进分析结果的重现性。

4.8 4.8 轴角编码器 轴角编码器

• 绝对式编码器

• 增量式编码器

轴角编码器又称码盘，是测量轴角位置和位移的一种数字式传感器。

敏感元件：光电式的、磁电式的或电刷接触式。 数控机床、机器人位置控制、机床进给系统控制、角度测量、通信和自动化控制

• 增量编码器（脉冲盘式）

增量码道与辨向码道

Radar II Ground Speed SensorRadar II Ground Speed Sensor

Velocity Range0.53 to 107km/hr(0.33 to 67MPH)

4.9 4.9 智能传感器 智能传感器 • 向微型化发展；• 应用新机理（物理现象、化学反应、生物效应）；

• 使用新型材料；• 向微功耗及无源化发展；• 采用新加工技术 (如化学微腐技术、微机械加工技术 ) ；

• 高可靠性、宽温度范围发展。

以智能传感器技术为检测头的呼吸医疗监视仪 , 能研究各种情感和呼吸之间的联系，并且用来真实纪录一个人的呼吸状况及其变化 .

呼吸医疗监视仪