測試技術(shù)學(xué)習(xí)課件第3章

測試技術(shù)學(xué)習(xí)課件第3章第一頁，共60頁。傳感器3.1概述3.2傳感器的分類3.3機(jī)械式傳感器3.4電阻式傳感器3.6電感式傳感器3.5電容式傳感器本章主要內(nèi)容3.8壓電式傳感器3.7磁電式傳感器3.9熱電式傳感器3.10光電傳感器3.11半導(dǎo)體傳感器3.12傳感器的選用原則第二頁，共60頁。概述3.1概述3.1.1傳感器(Sensor)定義

傳感器是個器件或裝置，能感受被測量、并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件或裝置。返回第三頁，共60頁。概述3.1.2傳感器在非電量電測系統(tǒng)中的作用1）敏感作用：感受并拾取被測對象的信號2）變換作用：被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號返回第四頁，共60頁。傳感器的分類3.2傳感器的分類1.按照被測量分類，分為位移、力、溫度傳感器等2.按照傳感器的工作原理，分為機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、流體式等3.按照信號變換特征，分為物性型和結(jié)構(gòu)型

a.物性型傳感器：依靠敏感元件材料本身物理化學(xué)性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號的變換。如水銀溫度計(jì)，利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象，壓電測力計(jì)是利用石英晶體的壓電效應(yīng)等。第五頁，共60頁。傳感器的分類b.結(jié)構(gòu)型傳感器：是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化而實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的。如電容式傳感器依靠極板間距離變化引起電容量的變化。4.按照敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系，分為能量轉(zhuǎn)換型與能量控制型

a.能量轉(zhuǎn)換型傳感器：被測對象輸入能量使其工作,如壓電式傳感器

b.能量控制型傳感器：從外部供給輔助能量使傳感器工作，并由被測量來控制外部供給能量的變化。5.按照輸出信號不同，分為模擬式和數(shù)字式返回第六頁，共60頁。機(jī)械式傳感器3.3機(jī)械式傳感器

把被測量轉(zhuǎn)換成彈性變形，如彈簧秤等輸入量：力、壓力、溫度等物理量輸出量：彈性元件本身的彈性變形返回第七頁，共60頁。電阻式傳感器3.4電阻式傳感器

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3.4.1

變阻器式傳感器1）原理：通過改變電位器觸點(diǎn)位置，把觸點(diǎn)的位移轉(zhuǎn)換為電阻值的變化：電阻率2）靈敏度：電阻絲長度與電阻值成線性比電阻值：第八頁，共60頁。電阻式傳感器3.4.2

電阻應(yīng)變式傳感器1）原理：電阻絲沿軸向伸縮應(yīng)變，截面積和電阻率也隨著改變，從而將應(yīng)變（應(yīng)力）轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。第九頁，共60頁。電阻式傳感器2）靈敏度第十頁，共60頁。電阻式傳感器徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系式：：電阻絲材料的泊桑比：電阻絲軸向相對變形，也稱縱向應(yīng)變電阻率的變化率與軸向正應(yīng)力的關(guān)系：：壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)E：電阻絲材料的彈性模量第十一頁，共60頁。電阻式傳感器有：其中：項(xiàng)由幾何尺寸變化引起項(xiàng)由電阻率變化引起3）金屬電阻應(yīng)變片第十二頁，共60頁。電阻式傳感器a.金屬電阻應(yīng)變片的電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系金屬電阻絲的很小，可忽略，有：即：電阻絲的電阻相對變化率與應(yīng)變成正比Sg為常數(shù)靈敏度：b.使用方式把應(yīng)變片用特制膠水固在彈性元件或需要測量變形的物體表面上。在外力作用下，電阻絲隨同該物體一起變形。第十三頁，共60頁。電阻式傳感器2）半導(dǎo)體應(yīng)變片a.電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系靈敏度：遠(yuǎn)大于金屬電阻絲應(yīng)變片的靈敏度第十四頁，共60頁。電阻式傳感器返回金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的比較：a.金屬應(yīng)變片的穩(wěn)定性和溫度特性較好b.半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度較高應(yīng)變片粘合劑和粘合技術(shù)對測量結(jié)果有直接的影響第十五頁，共60頁。電容式傳感器3.5電容式傳感器將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化電容值公式：+++A式中ε：極板件介質(zhì)的相對介電系數(shù)ε0：真空中的介電常數(shù)

A：極板面積

δ：極板間距離第十六頁，共60頁。電容式傳感器3.5.1電容傳感器類型1）極距變化型原理：以兩極板間隙感知到位移信號，并轉(zhuǎn)換為電容的變化靈敏度：δ即為變量問題：C與δ不成線性關(guān)系，S不是一個常數(shù)，這種傳感器不能使用。第十七頁，共60頁。電容式傳感器解決辦法：只有當(dāng)被測量變化范圍（即Δδ）很小的時候，靈敏度S才近似為一個常數(shù)。

結(jié)論：極距變化型電容傳感器只能測量較小的間距變化量。第十八頁，共60頁。電容式傳感器例1：Δδ較大，則誤差大若δ=1mm時電容值為C，δ=0.75mm時電容值為C1，δ=0.5mm時電容值為C2，則：第十九頁，共60頁。電容式傳感器例2：Δδ較小，則誤差小若δ=1mm時電容值為C，δ=0.95mm時電容值為C1，δ=0.9mm時電容值為C2，則：第二十頁，共60頁。電容式傳感器2）面積變化型b.電容變化與位移成正比a.電容變化與角度成正比3）介質(zhì)變化型第二十一頁，共60頁。電容式傳感器3.5.2電容式傳感器測量電路即電容傳感器的后續(xù)電路。電容傳感器將被測量（如位移）轉(zhuǎn)換為電容量的變化，后續(xù)電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。1）電橋型電路教材P81圖3-152）諧振電路教材P82圖3-17第二十二頁，共60頁。電容式傳感器返回3）調(diào)頻電路教材P82圖3-184）運(yùn)算放大器電路教材P83圖3-19第二十三頁，共60頁。電阻式傳感器3.6電感式傳感器

電感式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置第二十四頁，共60頁。電阻式傳感器3.5.1自感型1)可變磁阻式線圈自感量：W：線圈匝數(shù)Rm：磁路總磁阻，包括鐵心磁阻與氣隙磁阻a.變間隙型其中：氣隙磁阻：鐵心磁阻第二十五頁，共60頁。電感式傳感器因?yàn)闅庀洞抛柽h(yuǎn)大于鐵心磁阻，所以：氣隙長度：空氣磁導(dǎo)率：氣隙導(dǎo)磁橫截面積

則：a.1原理用氣隙長度δ感知被測量（位移），并將被測量轉(zhuǎn)換為電感的變化。第二十六頁，共60頁。電感式傳感器a.2靈敏度：由靈敏度表示式可看出：由于S不是常數(shù)，所以會出現(xiàn)線性誤差，為使S近似為常數(shù)，一般實(shí)際應(yīng)用中

因此，可變磁阻式傳感器適用于較小位移（0.001~1mm）的測量。

例如：若第二十七頁，共60頁。電感式傳感器b.差動型銜鐵第二十八頁，共60頁。電感式傳感器2)渦電流式線圈通高頻交流電——產(chǎn)生交流磁場——金屬板產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）——渦流磁場使線圈的阻抗發(fā)生變化，變化量與距離

、金屬板電阻率等有關(guān)。因此，渦電流傳感器可作位移、振動測量，也可做材質(zhì)鑒別。優(yōu)點(diǎn)：非接觸，不受油污影響。第二十九頁，共60頁。電感式傳感器3）互感式--差動變壓器工作原理輸出特性改變互感值，隨著鐵心偏離中心位置，輸出e0逐漸增大第三十頁，共60頁。電感式傳感器電感式傳感器應(yīng)用案例：板厚測量張力測量返回渦流式傳感器的分壓式調(diào)幅測量電路：P86圖3-25可變磁阻式差動型第三十一頁，共60頁。磁電式傳感器3.7磁電式傳感器3.7.1

原理：把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢為：磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N3.7.2分類Φ：磁通N：線圈匝數(shù)第三十二頁，共60頁。磁電式傳感器a)動圈式B：磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度l：單匝線圈有效長度v：線圈與磁場相對運(yùn)動速度θ：線圈運(yùn)動方向與磁場方向夾角B：磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度A：單匝線圈截面積ω：線圈與磁場相對運(yùn)動速度k：系數(shù)，與結(jié)構(gòu)有關(guān)第三十三頁，共60頁。磁電式傳感器b）磁阻式1）線圈與磁鐵不做相對運(yùn)動2）運(yùn)動著的物體（導(dǎo)磁材料）改變磁路磁阻，引起磁力線變化，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢磁電式傳感器應(yīng)用案例：磁電式車速傳感器返回1-2班第三十四頁，共60頁。壓電式傳感器3.8壓電式傳感器工作原理：利用某些物質(zhì)（如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等）的壓電效應(yīng)3.8.1相關(guān)概念1）壓電效應(yīng)石英等物質(zhì)受外力作用時，內(nèi)部極化，表面有電荷出現(xiàn)，形成電場，當(dāng)外力消失時，材料重新回復(fù)到原來形狀。第三十五頁，共60頁。壓電式傳感器2）光軸，電軸，機(jī)械軸光軸：z-z電軸：x-x機(jī)械軸：y-y3）壓電縱向效應(yīng)、橫向效應(yīng)、切向效應(yīng)（P91圖3-36）利用縱向效應(yīng)測量，但橫向效應(yīng)會產(chǎn)生噪聲干擾，所以，選用橫向效應(yīng)小的壓電材料較好。3-4班第三十六頁，共60頁。壓電式傳感器3.8.2壓電材料壓電單晶（如石英）、壓電陶瓷（如鈦酸鋇）3.8.3壓電式傳感器及其等效電路壓電式傳感器相當(dāng)于一個電容壓電電荷：(q相當(dāng)于電流)由于有放電，極板上的電荷無法保存，造成測量誤差，因此適用于動態(tài)測量（變化快，漏電量相對?。┑谌唔摚?0頁。等效電路：Ca：壓電傳感器電容Cc：連接電路、后續(xù)電路的電容Ra：傳感器中的漏電阻Ri：后續(xù)電路的輸入阻抗等效電容C=Ca+Cc等效電阻R0=Ra+Ri因Ra很大，R0≈RiqCicR0iui電荷平衡方程式：壓電式傳感器qCaCcRiuiRa第三十八頁，共60頁。壓電式傳感器第三十九頁，共60頁。若R0大，則i小，ui大，因此后續(xù)電路的阻抗大更好壓電式傳感器若R0很大，則：qCaCcCiui傳感器電纜等效電路：第四十頁，共60頁。3.8.4測量電路（放大器）通常把傳感器信號先輸入到前置放大器，才能用一般的放大、檢波。壓電式傳感器1）前置放大器的作用

a.將高阻抗輸出變換為低阻抗輸出

b.將壓電式傳感器的微弱信號放大第四十一頁，共60頁。壓電式傳感器2）前置放大器類型a.電壓放大器（用電阻反饋）結(jié)論：若電纜長，則電纜電容的影響大CiqCaCcuyuiRf傳感器電纜放大器第四十二頁，共60頁。qCaCcuyCiuiCf傳感器電纜放大器b.電荷放大器（用電容反饋）壓電式傳感器等效電容C=Ca+Cc+Ci第四十三頁，共60頁。qCicuyuiCfif（k為放大器的放大倍數(shù)）將代入得：壓電式傳感器第四十四頁，共60頁。3.8.5壓電傳感器的應(yīng)用用于測力、振動加速度、聲發(fā)射返回壓電式傳感器若則因此，電荷放大器的輸出電壓與q成正比，與電纜的電容無關(guān)

第四十五頁，共60頁。熱電式傳感器3.9熱電式傳感器把溫度轉(zhuǎn)換為電量變化熱電效應(yīng)：熱電元件受溫度作用，電子活性改變，生成電量或阻值降低。3.9.1熱電偶原理：把兩種不同的導(dǎo)體兩端相接形成回路，兩個接點(diǎn)分別置于不同的溫度下，在同一個導(dǎo)體內(nèi)，由于于熱電效應(yīng)，兩端產(chǎn)生電動勢，兩個導(dǎo)體產(chǎn)生的電動勢不同，因而兩個導(dǎo)體之間有電動勢差。若一端溫度衡定，則該電勢差僅與另一端溫度相關(guān)。第四十六頁，共60頁。熱電式傳感器鉑銠—鉑熱電偶常用熱電偶1）鉑鐒—鉑熱電偶：可測1300度2）鎳鉻—鎳硅熱電偶：可測900度3）鎳鉻—考銅熱電偶：可測600度4）鉑鐒—鉑鐒熱電偶：可測1600度第四十七頁，共60頁。熱電式傳感器3.9.2熱電阻簡易鉑熱電阻引線鉑常用熱電阻1）鉑電阻：可測650度2）銅電阻：可測-50度~150度返回第四十八頁，共60頁。熱電式傳感器3.10光電傳感器先將被測量的非電量變化轉(zhuǎn)化為光信號的變化，再用光電傳感器將光信號變化轉(zhuǎn)化為電信號變化3.10.1光電測量原理每個光子具有的能量：其中：h為普朗克常數(shù)光電效應(yīng)：光子與物體能量交換過程產(chǎn)生的電效應(yīng)為光的頻率第四十九頁，共60頁。熱電式傳感器1）外光電效應(yīng)（光電子發(fā)射效應(yīng)）在光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出其中A為電子逸出功逸出條件：其中：c為光速

λ0為入射光波長第五十頁，共60頁。電感式傳感器2）內(nèi)光電效應(yīng)（光導(dǎo)效應(yīng)）電子吸收光子能量，活性增強(qiáng)，電阻率降低內(nèi)光電效應(yīng)器件：光敏電阻（光導(dǎo)管）3）光生伏打效應(yīng)：光照使物體產(chǎn)生電動勢。光電池光強(qiáng)（光電子數(shù)）與能否產(chǎn)生逸出電子無關(guān)。當(dāng)達(dá)到逸出閾值時，光強(qiáng)與逸出電子數(shù)相關(guān)。外光電效應(yīng)器件：光電管、光電倍增管第五十一頁，共60頁。電感式傳感器3.10.2光電元件1）光電管在光的照射下，陰極材料產(chǎn)生外光電效應(yīng)，電子逸出到陽極。陰極材料特性參數(shù)：頻譜靈敏度、紅限、逸出功常用光電管陰極材料：銀氧銫（Ag-Cs20）(銫：音se)第五十二頁，共60頁。電感式傳感器2）光電倍增管3）光敏電阻內(nèi)光電效應(yīng)光敏電阻材料：硫化鎘、氧化鋅、硫化鉛等暗電流：未受光照條件下通過的電流光電流：受光照條件下通過的電流陰極與陽極間有倍增極，使產(chǎn)生更多電子，靈敏度高，用于弱光第五十三頁，共60頁。電感式傳感器4）光敏晶體管