傳感與測試技術(04常用的測量方法器具及其傳感器)

1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。狹義上，非電信號電信號。在非電量電測系統(tǒng)中的作用

敏感作用：感受并拾取被測對象的信號變換作用：被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號1概述傳感器的作用與地位人類器官的延伸測量儀器與被測量之間的接口當今科技發(fā)展的關鍵性因素之一廣泛的工程應用一種物理量可用多種類型的傳感器來測量同一種傳感器也可用于測量多種物理量繁多的種類：機械、電氣、光學、氣動、半導體、紅外聲發(fā)射，……1概述傳感器的分類按被測物理量分類：位移傳感器,流量傳感器,溫度傳感器等按傳感器元件的變換原理分類:電阻式,電容式,電感式,壓電式,光電式等按信號變換特征分類：物性型傳感器：依賴敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換的。如：水銀溫度計，……結(jié)構型傳感器：依靠傳感器結(jié)構參數(shù)的變化而實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變的。如：電容式傳感器，……1概述傳感器的分類按敏感元件與被測對象之間的能量關系分類：能量轉(zhuǎn)換型傳感器：直接由被測對象輸入能量使其工作的。如：熱電偶溫度計，……能量控制型傳感器：從外部供給能量使傳感器工作的，而由被測量來控制外部供給能量的變化。如：橋路中的應變計，電容式測振儀，……按輸出信號分類：

模擬式傳感器

數(shù)字式傳感器1概述常用傳感器機械式測力環(huán)、彈簧、雙金屬片、微型開關，……電磁及光電子式電阻絲應變片、電渦流、霍爾元件，壓電元件，……輻射線紅外、激光（長度）、x射線、γ射線，……超聲、激光（加速度）、β射線，……2普通機械、電氣式傳感器及儀器電阻傳感器——把被測量轉(zhuǎn)換為電阻的變化

變阻器式傳感器原理：改變電位器觸頭位置，實現(xiàn)位移轉(zhuǎn)換為電阻。特點：結(jié)構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便，但分辨力不高、噪聲大，等。分類：直線位移、角位移和非線性。2普通機械、電氣式傳感器及儀器電阻應變式傳感器作用：能把材料的應變轉(zhuǎn)換為電阻的相對變化。特點：體積小、動態(tài)響應快、測量精度高、使用簡單，等。分類：金屬電阻應變片式和半導體應變片式。金屬電阻應變片在發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。絲式：柵形、康銅或鎳鉻合金（高電阻率），直徑約0.025mm。箔式：柵狀金屬箔片、光刻、厚度1~10μm。應變花：多柵組合片。金屬電阻應變片工作原理用膠水粘固在需要測量變形的物體表面上。在外力的作用下，電阻絲即隨同物體一起變形，其電阻值發(fā)生相應的變化，由此將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。2普通機械、電氣式傳感器及儀器應變效應導體或半導體在外力作用下產(chǎn)生機械變形而引起導體或半導體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為應變效應。傳感元件：電阻應變片，它是一種把被測試件的應變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。應變片受力

應變

比例關系

比例關系

應變片電阻的變化

(2).工作原理式中，ρ——導線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)金屬導線的應變電阻效應：當金屬絲由于受到軸向力P而伸長時，長度增長，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細絲因受壓力而縮短，即長度變短，截面積變粗時，則電阻就減小。電阻應變片靈敏度Sg計算設：長度l、截面積A、截面積半徑r、電阻R、電阻率ρ。根據(jù)歐姆定律：R=ρl/A,可得：忽略電阻率的變化，得：2普通機械、電氣式傳感器及儀器電阻絲材料的泊松比電阻應變片靈敏度系數(shù)：2普通機械、電氣式傳感器及儀器電阻相對變化率與應變成正比，它們之間成線性關系無量綱因子應變片的主要參數(shù)

1)幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用

b×L表示。2)電阻值：應變計的原始電阻值。

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）。

電阻應變式傳感器的應用直接用來測定結(jié)構的應變或應力。將應變片帖于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等參量。列舉應用電阻應變式傳感器時應該注意機械滯后蠕變零漂絕緣電阻……2普通機械、電氣式傳感器及儀器壓電式傳感器（可逆型換能器）壓電效應某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇等，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場。當外力去除后，又重新恢復到原來狀態(tài)。逆壓電效應（電致伸縮效應）由于外電場作用導致物質(zhì)的機械變形的現(xiàn)象，即：如果將這些物質(zhì)（如石英、鈦酸鋇等）置于電場中，其幾何尺寸也發(fā)生變化。工作原理利用某些物質(zhì)的壓電效應將機械能轉(zhuǎn)換為電能，或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機械能。2普通機械、電氣式傳感器及儀器壓電材料的分類與壓電效應的產(chǎn)生壓電材料：具有壓電效應的材料。分類：壓電單晶體和多晶壓電陶瓷↓↓如石英，酒石酸鉀鈉等；如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等壓電效應的產(chǎn)生(原理）沿x軸（電軸）方向加力產(chǎn)生縱向壓電效應沿y軸（機械軸）加力產(chǎn)生橫向壓電效應沿相對兩平面加力產(chǎn)生切向壓電效應2普通機械、電氣式傳感器及儀器壓電式傳感器及其等效電路在極板上積聚的電荷量q與反作用力F成正比，即：

q=DF式中：D—壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關。壓電傳感器適宜作動態(tài)測量壓電晶片等效電荷源2普通機械、電氣式傳感器及儀器金屬膜壓電式傳感器及其等效電路2普通機械、電氣式傳感器及儀器前置放大器的用途：將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出和放大傳感器輸出的微弱電信號。壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號很弱小，因此要進行處理：(1)放大微弱的壓電信號(2)進行阻抗匹配

電壓放大器電荷放大器ICP調(diào)理器

壓電傳感器接放大器的等效電路

（a）放大器電路;（b）等效電路1.電壓放大器（阻抗變換器）R=RaRi/(Ra+Ri)電容C=Cc+Ciua=q/Ca，通常A=104~108，因此,當滿足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci時，上式可表示為：傳感器電纜運算放大器電壓放大電路特點：（1）對外接電纜要求高；（2）電路簡單；（3）造價低。電荷放大電路特點：（1）與電纜無關，接線可任選；（2）電路復雜；（3）價格昂貴。壓電晶片的連接方式在實際應用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號。(a)并聯(lián)++－－－+串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。(b)串聯(lián)+－－+在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。如何合理選用傳感器？靈敏度越高越好，但過高的靈敏度會縮小其適用的測量范圍。響應特性在所測頻率范圍內(nèi)滿足不失真測量條件。（舉列）線性范圍線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精確度的基本條件。可靠性指儀器、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它是傳感器和一切測量裝置的生命。7傳感器的選用原則精確度傳感器的輸出與被測量真值一致的程度。它對整個測試系統(tǒng)具有直接影響。在實際應用中應該結(jié)合其經(jīng)濟性來綜合選用傳感器。測量方式在實際條件下的工作方式。它是選用傳感器時應考慮的重要因素。工作方式不同對傳感器的要求也不同。其它結(jié)構簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修、易于更換?！?傳感器的選用原則7傳感器標定舉例17傳感器標定舉例27傳感器標定舉例37傳感器標定舉例17傳感器標定舉例27傳感器標定舉例3電容式

傳感器絲式

電阻應變片箔式

電阻應變片歐姆定律

全微分方程應變式傳感器舉例壓電效應的產(chǎn)生機理當石英晶體未受外力作用時，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。如圖（a）所示。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因為P=qL（q為電荷量，L為正負電荷之間的距離），此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。在y、z方向上的分量為:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=0當晶體受到沿x方向的壓力（Fx<0）作用時，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負離子的相對位置隨之發(fā)生變化，如圖（b）所示。此時正、負電荷中心不再重合，電偶極矩P1減小，P2、P3增大，它們在x

方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0

(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--當晶體受到沿x方向的拉力（Fx

＞0）作用時，其變化情況如圖（c）所示。電偶極矩P1增大，P2、P3減小，此時它們在x、y、z三個方向上的分量為

(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x軸的正向出現(xiàn)負電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。(c)Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----可見，當晶體受到沿x(電軸)方向的力Fx

作用時，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應。晶體在y軸方向受力F