合工大《測試技術》課件第三章

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 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,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信號轉換 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隨被測量的變化而變化來實現信號轉換 例如：水銀溫度計、壓電式傳感器,2）按能量關系分： 能量轉換型傳感器、能量控制型傳感器 能量轉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信號的轉換測量。 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 產生負載效應，影響被測對象的狀態(tài)產生測量誤差（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，則經過壓力膜片彈性變形(位移)電容變化的轉換過程。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，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，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 Sg=1+2=常數通常金屬電阻絲的Sg=1.63.6之間。,應變片的主要參數：（1）幾何參數：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：表示應變計變換性能的重要參數。（4）其它表

7、示應變計性能的參數（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。,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）、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半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。當基片受到外力作用而產生形變時，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產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、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，根據電阻參與變化的橋臂數可把電橋分為： 全橋式聯接、半橋單臂式聯接、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，將被測位移量轉換為繞組間互感變化，再通過電橋轉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換為電容量變化的裝置，它實質上是一個具有可變參數的電容器。 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 : 極板間介質的相對介電系數，在空氣中=1 0真空中介電常數(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不變，而僅改變另一個參數，就可把該參數的變化變換成電容量的變化。 根據電容器變化的參數，可分為: 極距變化型、面積變化型和介質變化型,（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）介質變化型,測量： 電介質的液位、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層(如紙張、電影膠片等)通過。當介質層的厚度、溫度或濕度發(fā)生變化時，其介電常數發(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換為電容量的變化以后，由后續(xù)電路轉換為電壓、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，電橋的輸出為一調幅波，經放大、相敏解調、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。 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，在金屬體內產生閉和的感應電流（渦電流）。,Z=f(,r,I,) 應用： 變：測位移、厚度、振幅、轉速、計數等； 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、材質檢測等。 優(yōu)點：靈敏度高、結構簡單、抗干擾性強、不受

19、油污塵埃等介質的影響、非接觸測量。,測量電路,調頻電路,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、回轉軸誤差運動、轉速和厚度測量，以及在零件計數、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：電磁感應中的互感現象 M互感，大小與兩線圈相對位置及周圍介質的導磁能力等

20、有關，表明兩線圈之間的偶合程度。,圖331是一種用于小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理圖。在沒有輸入信號時，鐵心處于中間位置，調節(jié)電阻R，使零點殘余電壓減??；當有輸入信號時，鐵心移上或移下，其輸出電壓經交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小 和方向。,上圖是一種用于小位移測量的差動相敏檢波電路。在沒有輸入信號時，鐵心處于中間位置，調節(jié)電阻及，使零點殘余電壓減小；當有輸入信號時，鐵心移上或移下，其輸出電壓經交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小和方向。,差動變壓器式電感傳感器具有精確度高(最高分辨力可達0.1um)、線性范圍大(可擴展到土10

21、0mm)、穩(wěn)定性好和使用方便的特點，被廣泛用于直線位移測定。但其實際測量頻率上限受到傳感器機械結構的限制。 借助于彈性元件可以將壓力、重量等物理量轉換為位移的變化，故也將這類傳感器用于壓力、重量等物理量的測量。,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,一、磁電式傳感器 磁電式傳感器把被測物理量轉換為感應電動勢的一種傳感器，又稱電磁感應式或電動力式傳感器。 從電工學已知，對于一個線圈，當穿過該線圈的磁通發(fā)生變化時，其感應電動勢的大小，取決于匝數和穿過線圈的磁通變化率。 磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關，故若改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。 按照結構方式不同，磁電式傳感器可

22、分： 動圈式、磁阻式,1、動圈式,B磁場的磁感應強度； l單匝線圈有效長度； N 線圈匝數； V線圈與磁場的相對運動速度； 線圈運動方向與磁場方向的夾角。,當=900時 e=NBlv,角速度型傳感器 e=kNBA,磁阻式傳感器使用簡便、結構簡單，在不同場合下可用來測量轉速、偏心量、振動等。,2、磁阻式,二、壓電式傳感器,定義把被測量轉換為電荷量的傳感器。 壓電效應某些物質，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，而且內部極化，表面上有電荷出現，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）如果將這些物質置于電場中，其幾何尺寸也發(fā)生變化。這種由于外電

23、場作用導致物質的機械變形的現象。 壓電材料具有壓電效應的材料，壓電單單晶體、壓電多晶體。 壓電單晶體：如石英、酒石酸鉀鈉等； 壓電多晶體：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等; 壓電薄膜：聚偏二乙烯（PVdF）,兩端為一對稱的棱錐，六棱柱是它的基本組織，縱軸Z-Z稱為光軸，通過六角棱線而垂直于光軸的軸線x-X稱作電軸，垂直于棱面的軸線y-y稱作機械軸，如圖335b。,縱向壓電效應、橫向壓電效應、切向壓電效應,3、壓電式傳感器及等效電路,實驗證明，在極板上積聚的電荷量q與作用力F成正比，即： q=DF 式中: D壓電常數，與材質及切片方向有關。,實際壓電傳感器往往用兩個或兩個以上并接或串接的晶片。 （）并接時(

24、圖337b) 電容量大，輸出電荷量大，時間常數大，宜于測量緩變信號，宜用于以電荷量輸出的場合。 （）串接時(圖3-37c) 傳感器本身電容量小，輸出電壓大，適用于以電壓作為輸出信號。,式(3-38)表明： 壓電元件的電壓輸出還受回路的時間常數的影響。 在測試動態(tài)量時，為了建立一定的輸出電壓并實現不失真測量，壓電式傳感器的測量電路必須有高輸入阻抗并在輸入端并聯一定的電容Ci以加大時間常數R0C。 但并聯電容過大也會使輸出電壓降低過多，降低了測量裝置的靈敏度。,4、測量電路,壓電式傳感器輸出信號： （1）輸出電信號是很微弱的電荷； （2）傳感器本身有很大內阻； 故輸出能量甚微，給后接電路帶來困難。

25、 前置放大器的作用： （1）放大 （2）阻抗變換（高輸入阻抗低輸出阻抗） 然后用一般的放大、檢波電路將信號輸給指示儀表或記錄器。,前置放大器電路有兩種形式： （1）用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比； （2）另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。,(1)電壓放大器,(2)電荷放大器,上式表明： 在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜分布電容無關。因此，采用電荷放大器時，即使連接電纜長度達百米以上時，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器突出的優(yōu)點。但與電壓放大器相比，其電路復雜，價格昂貴。,5、壓電式傳感器的應

26、用,特性： 頻率范圍寬：0Hz到數十兆赫 低端：由于有電荷泄漏，難精確測量常值量（力）； 低頻時，壓電式傳感器振動角頻率小，靈敏度小，輸出信號微弱，信噪比小。 高端：取決于結構的聯接剛度； 測量力、壓力、振動加速度、也用于聲學（包括超聲）和聲發(fā)射等；,壓電式傳感器常用來測量應力、壓力、振動的加速度，也用于聲、超聲和聲發(fā)射等測量。 壓電效應是一種力一電荷變換，可直接用作力的測量。 現在已形成系列的壓電式力傳感器，測量范圍從微小力值10-3N到104kN，動態(tài)范圍一般為60dB；測量方向有單方向的，也有多方向的。 壓電式力傳感器有兩種形式： 一種是利用膜片式彈性元件，通過膜片承壓面積將壓力轉換為力

27、。膜片中間有凸臺，凸臺背面放置壓電片。力通過凸臺作用于壓電片上，使之產生相應的電荷量。 另一種是利用活塞的承壓面承受壓力，并使活塞所受的力通過在活塞另一端的頂桿作用在壓電片上。測得此作用力便可推算出活塞所受的壓力。,現在廣泛采用壓電式傳感器來測量加速度。 此種傳感器的壓電片處于其殼體和一質量塊之間，用強彈簧(或預緊螺栓)將質量塊、壓電片緊壓在殼體上。運動時，傳感器殼體推動壓電片和質量塊一起運動。在加速時，壓電片承受由質量塊加速而產生的慣性力。 壓電式傳感器按不同需要做成不同靈敏度、不同量程和不同大小，形成系列產品。大型高靈敏度加速度計靈敏閾可達10-6gn。(gn標準重力加速度，作為一個加速度

28、單位，其值為1gn=9.80665m/s2)，但其測量上限也很小，只能測量微弱振動。而小型的加速度計僅重0.14g，靈敏度雖低，但可測量上千g的強振動。,壓電式傳感器的工作頻率范圍廣，理論上其低端從直流開始，高端截止頻率取決于結構的連接剛度，一般為數十赫到兆赫的量級，這使它廣泛用于各領域的測量。壓電式傳感器內阻很高，產生的電荷量很小，易受傳輸電纜分布電容的影響，必須采用前面已談到的阻抗變換器或電荷放大器。已有將阻抗變換器和傳感器集成在一起的集成傳感器，其輸出阻抗很低。 由于電荷的泄漏，使壓電式傳感器實際上低端工作頻率無法達到直流，難以精確測量常值力。在低頻振動時，壓電式加速度計振動圓頻率小，受

29、靈敏度限制，其輸出信號很弱，信噪比差。 尤其在需要通過積分網絡來獲取振動的速度和加速度值的情況下，網絡中運算放大器的漂移及低頻噪聲的影響，使得難于在小于1Hz的低頻段中應用壓電式加速度計。,壓電式傳感器一般用來測量沿其軸向的作用力，該力對壓電片產生縱向效應并產生相應的電荷，形成傳感器通常的輸出。 然而，垂直于軸向的作用力，也會使壓電片產生橫向效應 和相應的輸出，稱為橫向輸出。與此相應的靈敏度，稱為橫向靈敏度。 對于傳感器而言，橫向輸出是一種干擾和產生測量誤差的原因。 使用時，應該選用橫向靈敏度小的傳感器。一個壓電式傳感器各方向的橫向靈敏度是不同的。為了減少橫向輸出的影響，在安裝使用時，應力求使

30、最小橫向靈敏度方向與最大橫向干擾力方向重合。顯然，關于橫向干擾的討論，同樣適用于壓電式加速度計。,環(huán)境溫度、濕度的變化和壓電材料本身的時效，都會引起壓電常數的變化，導致傳感器靈敏度的變化。因此，經常校準壓電式傳感器是十分必要的。 壓電式傳感器的工作原理是可逆的，施加電壓于壓電晶片，壓電片便產生伸縮。所以壓電片可以反過來做“驅動器”。 例如對壓電晶片施加交變電壓，則壓電片可作為振動源，可用于高頻振動臺、超聲發(fā)生器、揚聲器以及精密的微動裝置。,三、熱電式傳感器,熱電式傳感器把被測量(主要是溫度)轉換為電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應。 熱電效應把兩種不同的導體或半導體連接成圖3-39

31、所示 的閉合回路，如果將它們的兩個接點分別置于溫度為T及T0(假定T T0)的熱源中，則在該回路內就會產生熱電勢。 按照變換方式的不同，可分為： 熱電偶 熱電阻傳感器。,（1）熱電偶工作原理,熱電勢由接觸電動勢和溫差電動勢組成,溫差電動勢在同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電動勢。 由于高溫端(T)的電子能量比低溫端的電子能量大，故由高溫端運動到低溫端的電子數較由低溫端運動到高溫端的電子數多，使得高溫端帶正電，而低溫端帶負電，從而在導體兩端形成一個電勢差，即溫差電動勢(關于熱電偶的工作原理詳見：常健生檢測與轉換技術M北京：機械工業(yè)出版社1996)。,所以，當熱電偶材料一定時，熱電偶的總熱

32、電動勢EAB(T，T0)成為溫度T和T0的函數差。即 如果使冷端溫度T0固定，則對一定材料的熱電偶，其總熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系 式中 C由固定溫度T0決定的常數。 這一關系式可通過實驗方法獲得，它在實際測溫中是很有用處。,關于熱電偶回路有以下特點：,1)若組成熱電偶的回路的兩種導體相同，則無論兩接點溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動勢為零； 2)若熱電偶兩接點溫度相同，則盡管導體A、B的材料不同，熱電偶回路中的總熱電動勢也為零； 3)熱電偶AB的熱電動勢與導體材料A、B的中間溫度無關，而只與接點溫度有關；,4)熱電偶AB在接點溫度T2、T3時的熱電動勢，等于熱電偶在接點溫度為T1、T

33、2和T2、T3時的熱電動勢總和； 5)在熱電偶回路中接入第三種材料的導線，只要第三種導線的兩端溫度相同，第三種導線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢，這一性質稱為中間導體定律；,從實用觀點來看，中間導體定律很重要。利用這個性質，我們才可以在回路中引入各種儀表、連接導線等，而不必擔心會對熱電動勢有影響，而且也允許采用任意的焊接方法來焊制熱電偶。 同時應用這一性質還可以采用開路熱電偶對液態(tài)金屬和金屬壁面進行溫度測量(見圖3-40)，只要保證兩熱電極A、B接入處溫度一致，則不會影響整個回路的總熱電動勢。,6)當溫度為T1、T2時，用導體A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的和

34、，即 導體C稱為標準電極(一般由鉑制成)，故把這一性質稱為標準電極定律。,（2）熱電偶的分類,分成： 鉑銠鉑熱電偶(WRLB) 鎳鉻一鎳硅(鎳鉻鎳鋁)熱電偶(WREU) 鎳鉻一考銅熱電偶(WREA) 鉑銠30一鉑銠6(WRLL)熱電偶 超高溫熱電偶(測溫可達2000 ，精度1) 低溫熱電偶(可在2273K低溫范圍內使用，靈敏度為10uV ) 快速測量壁面溫度的薄膜熱電偶(測量厚度0.010.1mm) 非金屬材料熱電偶。,1)鉑銠鉑熱電偶(WRLB) 由0.5mm的純鉑絲和同直徑的鉑銠絲(鉑質量分數為90，銠質量分數為10)制成，用符號LB表示。括號中符號WR指熱電偶。 在LB熱電偶中，鉑銠絲為

35、正極，純鉑絲為負極。此種熱電偶在300以下范圍可長時間使用，在良好的使用環(huán)境下可短期測量1600高溫。 由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故LB熱電偶的復制精度和測量精度較高，可用于精密溫度測量和作基準熱電偶。LB熱電偶在氧化性或中性介質中具有較高的物理化學穩(wěn)定性。 其主要缺點是熱電動勢較弱；在高溫時易受還原性氣體所發(fā)出的蒸汽和金屬蒸汽的侵害而變質；鉑銠絲中的銠分子在長期使用后因受高溫作用而產生揮發(fā)現象，使鉑絲受到污染而變質，從而引起熱電偶特性變化，失去測量準確性； LB熱電偶的材料系貴重金屬，成本較高。,2)鎳鉻一鎳硅(鎳鉻鎳鋁)熱電偶(WREU) 由鎳鉻與鎳硅制成，用符號EU表示。 熱電偶絲直

36、徑約0.22.5mm。鎳鉻為正極，鎳硅為負極。 EU熱電偶化學穩(wěn)定性較高，可在氧化性或中性介質中長時間地測量900以下的溫度，短期測量可達1200； 如果用于還原性介質中，則會很快受到腐蝕，在此情況下只能用于測量500以下溫度。 EU熱電偶具有復制性好，產生熱電動勢大，線性好，價格便宜等優(yōu)點。 雖然測量精度偏低，但能滿足大多數工業(yè)測量的要求，是工業(yè)測量中最常用的熱電偶之一。,3)鎳鉻一考銅熱電偶(WREA) 由鎳鉻材料與鎳、銅合金材料組成，用符號EA表示。 熱偶絲直徑一般為1.22.0mm。鎳鉻為正極，考銅為負極。 適宜于還原性或中性介質，長期使用溫度在600以下，短期測量可達800。 EA熱

37、電偶的特點是熱電靈敏度高、價格便宜，但測溫范圍低且窄，考銅合金易受氧化而變質。,4)鉑銠30一鉑銠6(WRLL)熱電偶 這種熱電偶以鉑銠30絲(鉑質量分數70，銠質量分數30)為正極，鉑銠6絲(鉑質量分數94，銠質量分數6)為負極。 可長期測量1600 的高溫，短期測量可達1800 。LL熱電偶性能穩(wěn)定、精度高，適于在氧化性或中性介質中使用。但它產生的熱電動勢小，且價格昂貴。 LL熱電偶由于在低溫時熱電動勢極小，因此冷端在40 以下時，對熱電動勢可不必修正。,超高溫熱電偶(測溫可達2000 ，精度1)、 低溫熱電偶(可在2273K低溫范圍內使用，靈敏度為10uV )、 快速測量壁面溫度的薄膜熱

38、電偶(測量厚度0.010.1mm) 非金屬材料熱電偶。 利用石墨和難熔化合物作為高溫熱電偶材料可以解決金屬熱電偶材料無法解決的問題。 這些非金屬材料熔點高，而且在2000 以上的高溫下也很穩(wěn)定。 綜上所述，各種熱電偶都具有不同的優(yōu)缺點，因此在選用時應根據測溫范圍、測溫狀態(tài)和介質情況綜合考慮。 在測量時，為使熱電偶與被測溫度間呈單值函數關系，需要一些特定的處理手段或補償使熱電偶冷端的溫度保持恒定。,2、熱電阻傳感器,利用電阻隨溫度變化的特點制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對溫度和與溫度有關的參數測定。 按熱電阻的性質來分，可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類，前者通 常簡稱為熱電阻，后者稱

39、為熱敏電阻(見本章第七節(jié))。 熱電阻由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部件組成 電阻體是熱電阻的最主要部分（敏感元件）。,(1)鉑電阻 鉑電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。鉑在氧化性介質中，特別是在高溫下的物理、化學性質都非常穩(wěn)定。但是，在還原性介質中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所污染，會使鉑絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關系。,通常可用經驗公式描述鉑電阻的溫度關系 Rt 溫度為t0C時的電阻值； R0 溫度為00C時的電阻值； A 常數， B常數， 鉑的純度常以 來表示，根據1968年國際溫標規(guī)定，其值不得小于1.3925。,鉑電阻體是用很細的鉑絲繞在云母、石英或陶瓷

40、支架上做成的。常用的WZB型鉑電阻體是由直徑為0.030.07mm的鉑絲繞在云母片制成的平板型支架上(見圖3-42所示)，鉑絲繞組的出線端與銀絲引出線相焊，并穿上瓷套管加以絕緣和保護。,(2)銅電阻,鉑是貴重金屬，在一些測量精度要求不高且溫度范圍較低的場合，一般采用銅電阻，其測量范圍為-501500C。銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數高以及價格便宜等優(yōu)點。,銅熱電阻的缺點：電阻率小，所以制成一定阻值的電阻時，與鉑材料相比，銅電阻絲要細，導致機械強度不高；或者增加電阻絲的長度，使得電阻體積較大。另外，當溫度超過1000C時，銅容易氧化，因此它只能在低溫和沒有浸蝕性介質中工作。銅電阻體是一個銅絲繞

41、組(包括錳銅補償部分)，它是由直徑約為0.1mm的絕緣銅絲雙繞在圓形塑料支架上。,(3)其他熱電阻,近年來，伴隨著低溫技術的發(fā)展，一些新型熱電阻得到應用。 1）銦電阻 一種高精度低溫熱電阻。銦的熔點約為429K，在4.2-15K溫度范圍內靈敏度比鉑高10倍，故可用于鉑電阻不能使用的低溫范圍。用99.999高純度銦絲制成的熱電阻，在4.2K到室溫的整個范圍內，測量精度可達土0.001K。其缺點是材料很軟，復制性很差。,2)錳電阻 在2-63K的低溫范圍內，電阻隨溫度變化很大，靈敏度高，在216K的溫度范圍內電阻率隨溫度平方變化，摻以錳，這個平分關系可以擴展到21K；磁場對錳電阻影響不大，且有規(guī)律

42、。錳電阻的缺點是脆性大，難以拉制成絲。 3)碳電阻 在低溫下靈敏度高、熱容量小，適合作液氦溫閾的溫度計。碳電阻對磁場 不敏感、價格便宜、操作方便。其缺點是熱穩(wěn)定性較差。,第十節(jié) 傳感器的選用原則,如何根據測試目的和實際條件，合理地選用傳感器，是經常會遇到的問題。因此，本節(jié)在常用傳感器的初步知識的基礎上，就合理選用傳感器的一些注意事項，作一概略介紹。 以不失真測試條件為原則，靜動態(tài)特性綜合考慮，以動態(tài)特性為主的方法進行選用。,一、靜態(tài)特性 1靈敏度 傳感器靈敏度越高越好、信噪比越大越好、交叉靈敏度越小越好 一般講，傳感器靈敏度越高越好，因為靈敏度越高，意味著傳感器所能感知的變化量越小，被測量稍有

43、一微小變化時，傳感器就有較大的輸出。 當然也應考慮到，當靈敏度越高時，與測量信號無關的外界干擾也越容易混入，并被放大裝置所放大。這時必須考慮既要檢測微小量值，又要干擾小。 為保證此點，往往要求信噪比越大越好，既要求傳感器本身噪聲小，且不易從外界引入干擾。,當被測量是個向量時，那么要求傳感器在該方向靈敏度越高越好，而橫向靈敏度越小越好。 在測量多維向量時，還應要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 此外，和靈敏度緊密相關的是測量范圍。除非有專門的非線性校正措施，最大輸入量不應使傳感器進入非線性區(qū)域，更不能進入飽和區(qū)域。 某些測試工作要在較強的噪聲干擾下進行。這時對傳感器來講，其輸入量不僅包括被測量，也

44、包括干擾量；兩者之和不能進入非線性區(qū)。 過高的靈敏度會縮小其適用的測量范圍。 希望回程誤差小一些,二、響應特性(動態(tài)特性) 在所測頻率范圍內，傳感器的響應特性必須滿足不失真測量條件。 此外，實際傳感器的響應總有一定遲延，但總希望遲延時間愈短愈好。 一般講，利用光電效應、壓電效應等物性型傳感器，響應較快，可工作頻率范圍寬。 而結構型，如電感、電容、磁電式傳感器等，往往由于結構中的機械系統慣性的限制，其固有頻率低，可工作頻率較低。,在動態(tài)測量中，傳感器的響應特性對測試結果有直接影響，在選用時，應充分考慮到被測物理量的變化特點(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機等)。 任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內輸出

45、與輸入成比例關系。 線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 傳感器工作在線性區(qū)域內，是保證測量精確度的基本條件。 例如：測力彈性元件，其材料的彈性限是決定測力量程的基本因素。當超過彈性限時，將產生線性誤差。然而任何傳感器都不容易保證其絕對線性，在許可限度內，可以在其近似線性區(qū)域應用。,3線性范圍 例如：變間隙型的電容、電感傳感器，均采用在初始間隙附近的近似線性區(qū)內工作。選用時必須考慮被測物理量的變化范圍，令其線性誤差在允許范圍以內。,4可靠性 可靠性指儀器、裝置等產品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內可完成規(guī)定功能的能力。 只有產品的性能參數(特別是主要性能參數)均處于規(guī)定的誤差范圍內，方能視

46、為可完成規(guī)定的功能。 須選用設計、制造良好，使用條件適宜的傳感器； 使用過程中，應嚴格保持規(guī)定的使用條件，盡量減輕使用條件的不良影響。,例如 電阻應變式傳感器，濕度會影響其絕緣性；溫度會影響其零漂；長期使用會產生蠕變現象。 對于變間隙型的電容傳感器，環(huán)境濕度或浸入間隙的油劑，會改變介質的介電常數。 光電傳感器的感光表面有塵?；蛩麜r，會改變光通量、偏振性或光譜成份。 磁電式傳感器或霍爾效應元件等，當在電場、磁場中工作時，亦會帶來測量誤差。 滑線電阻式傳感器表面有塵埃時，將引入噪聲等。 在機械工程中，有些機械系統或自動化加工過程，往往要求傳感器能長期地使用而不需經常更換或校準。而其工作環(huán)境又比較

47、惡劣，塵埃、油劑、溫度、振動等干擾嚴重。 例如：熱軋機系統控制鋼板厚度的丫射線檢測裝置，用于自適應磨削過程的測力系統或零件尺寸的自動檢測裝置等，在這種情況下應對傳感器可靠性有嚴格的要求。,5精確度 傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量真值一致的程度 也并非要求傳感器的精確度愈高愈好，因為還應考慮到經濟性。 傳感器精確度愈高，價格越昂貴。 因此應從實際出發(fā)，尤其應從測試目的出發(fā)來選擇。首先應了解測試目的，判定是定性分析還是定量分析。 如果是屬于相對比較的定性試驗研究，只須獲得相對比較值即可，無需要求絕對量值，那么應要求傳感器的精密度高。 如果是定量分析，必須獲得精確量值，因而要求傳感器有足夠高

48、精確度。 例如 為研究超精密切削機床運動部件的定位精確度、主軸回轉運動誤差、振動及熱變形等，往往要求測量精確度在0.10.01um范圍內，欲測得這樣量值，必須采用高精確度的傳感器。,6.測量方式 傳感器在實際條件下的工作方式 例如：接觸與非接觸測量、在線與非在線測量 在機械系統中，運動部件的被測量(例如回轉軸的誤差運動、振動、扭力矩)，往往需要非接觸測量。 對部件的接觸式測量不僅造成對被測系統的影響，且有許多實際困難 如測量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動，信號的采集都不易妥善解決，也易于造成測量誤差。 采用電容式、渦電流式等非接觸式傳感器，會有很大方便。 若選用電阻應變片時，則需配以遙測應變儀，或其

49、他裝置。,在線測試是與實際情況更接近一致的測試方式 特別是自動化過程的控制與檢測系統，必須在現場實時條件下進行檢測。 實現在線檢測是比較困難的，對傳感器及測試系統都有一定特殊要求。 例如，在加工過程中，若要實現表面粗糙度的檢測，以往的光切法、干涉法、觸針式輪廓檢測法等都不能運用，而代之的是激光檢測法。 實現在線檢測的新型傳感器的研制，也是當前測試技術發(fā)展的一個方面。,7其它 除了以上選用傳感器時應充分考慮的一些因素外，還應盡可能兼顧結構簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修、易于更換等條件。,思考題 1、什么是傳感器？傳感器由那幾部分組成？ 2、什么是結構型傳感器？什么是物性型傳感器？什么是

50、能量轉換型傳感器？什么是能量控制型傳感器？各舉一例說明。 3、在測試中怎樣選擇合適的傳感器？ 4、金屬電阻應變片和半導體電阻應變片有什么區(qū)別？ 5、電阻應變片在機械工程測試中有那兩種應用方法？ 6、直流電橋和交流電橋的平衡條件各是什么？兩種電橋各有什么特點？對一個具體的測試應如何接橋？ 7、電感傳感器有那幾種？各有什么特點？怎樣使用？ 8、電容傳感器有幾種？ 9、壓電式傳感器為什么需要前置放大器？有那兩種形式？ 10、各傳感器的原理分別是什么？ 11、熱電式傳感器有哪兩種？什么是熱電效應？,2.互感型,這種傳感器利用電磁感應中的互感現象。當線圈W1(圖4-15)輸入交流電流i1時，線圈W2產生

51、感應電勢e12，其大小與電流i1變化率成正比，比例系數M稱為互感量。它描述兩線圈之間的耦合程度，其大小與兩線圈相對位置及周圍介質導磁能力等因素有關。,差動變壓器輸出交流電壓，其幅值與鐵心位移成正比，只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動的極性。其次，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓。零點殘余電壓是由于兩個次級線圈結構不對稱，以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質不均勻、線圈間分布電容等形成。 所以，即使鐵心處于中間位置時，輸出也不為零。為此，差動變壓器式傳感器的后接電路，需要采用既能反映鐵心位移極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。 由差動變壓器式電感傳感器構成的位移測量儀，最高分辨力可達01

52、m，測量范圍可擴展到100mm，結構簡單，使用方便，穩(wěn)定性好，被廣泛用于直線位移，或可轉換為位移變化的壓力、重力等參數的測量。,五、電容式傳感器 1 工作原理,最簡單的平行極板電容器。在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量為 : 0 真空的介電常數， ( 0 =8.854 10 -12 F/m ）； A 極板的遮蓋面積； 極板間介質的相對介電系數，空氣 = 1 ； 兩平行極板間的距離。 兩平行極板間的距離。 當被測量 、 S 或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。,2 分類 ：,根據電容器參數變化的特性，可分為,極距變化型 介質變化型 面積變化型,其中極距變化型和面積變化型應用較廣,3 測量電

53、路,第七節(jié) 傳感器的選用原則 如何根據測試目的和實際條件，合理地選用傳感器，是經常會遇到的問題。因此，本節(jié)在常用傳感器的初步知識的基礎上，就合理選用傳感器的一些注意事項，作一概略介紹。1靈敏度 一般講，傳感器靈敏度越高越好，因為靈敏度越高，意味著傳感器所能感知的變化量越小，被測量稍有一微小變化時，傳感器就有較大的輸出。 當然也應考慮到，當靈敏度越高時，與測量信號無關的外界干擾也越容易混入，并被放大裝置所放大。這時必須考慮既要檢測微小量值，又要于擾小。為保證此點，往往要求信噪比越大越好，既要求傳感器本身噪聲小，且不易從外界引入干擾。 當被測量是個向量時，那么要求傳感器在該方向靈敏度越高越好，而橫

54、向靈敏度越小越好。在測量多維向量時，還應要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。,此外，和靈敏度緊密相關的是測量范圍。除非有專門的非線性校正措施，最大輸入量不應使傳感器進入非線性區(qū)域，更不能進入飽和區(qū)域。某些測試工作要在較強的噪聲干擾下進行。這時對傳感器來講，其輸入量不僅包括被測量，也包括干擾量；兩者之和不能進入非線性區(qū)。過高的靈敏度會縮小其適用的測量范圍。,2響應特性 在所測頻率范圍內，傳感器的響應特性必須滿足不失真測量條件。此外，實際傳感器的響應總有一定遲延，但總希望遲延時間愈短愈好。 一般講，利用光電效應、壓電效應等物性型傳感器，響應較快，可工作頻率范圍寬。而結構型，如電感、電容、磁電式傳感器等

55、，往往由于結構中的機械系統慣性的限制，其固有頻率低，可工作頻率較低。 在動態(tài)測量中，傳感器的響應特性對測試結果有直接影響，在選用時，應充分考慮到被測物理量的變化特點(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機等)。,3線性范圍 任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內輸出與輸入成比例關系。線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 傳感器工作在線性區(qū)域內，是保證測量精確度的基本條件。例如，測力彈性元件，其材料的彈性限是決定測力量程的基本因素。當超過彈性限時，將產生線性誤差。 然而任何傳感器都不容易保證其絕對線性，在許可限度內，可以在其近似線性區(qū)域應用。例如，變間隙型的電容、電感傳感器，均采用在初始間隙附近的近似線性

56、區(qū)內工作。選用時必須考慮被測物理量的變化范圍，令其線性誤差在允許范圍以內。,4可靠性 可靠性是傳感器和一切測量裝置的生命?？煽啃允侵竷x器、裝置等產品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內可完成規(guī)定功能的能力。只有產品的性能參數(特別是主要性能參數)均處于規(guī)定的誤差范圍內，方能視為可完成規(guī)定的功能。,在機械工程中，有些機械系統或自動化加工過程，往往要求傳感器能長期地使用而不需經常更換或校準。而其工作環(huán)境又比較惡劣，塵埃、油劑、溫度、振動等干擾嚴重，例如，熱軋機系統控制鋼板厚度的射線檢測裝置，用于自適應磨削過程的測，力系統或零件尺寸的自動檢測裝置等，在這種情況下應對傳感器可靠性有嚴格的要求。,5精確度 傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量真值一致的程度。傳感器處于測試系統的輸入端，因此，傳感器能否真實地反映被測量值，對整個測試系統具有直接影響。然而，也并非要求傳感器的精確度愈高愈好，因為還應考慮到經濟性。傳感器精確度愈高，價格越昂貴。因此應從實際出發(fā)，尤其應從測試目的出發(fā)來選擇。,首先應了解測試目的，判定是定性分析還是定量分析。如果是屬于相對比較的定性試驗研究，只須獲得相對比較值即可，無需要求絕對量值，那么應要求傳感器的精密度高。如果是定量分析，必須獲得精確量值，因而要求傳感