常用传感器与敏感元件课件.ppt

1、测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 常用传感器常用传感器3.1 概概 述述 3.2 机械传感器机械传感器3.3 电阻传感器电阻传感器 3.4 电容传感器电容传感器 3.5 电感传感器电感传感器 3.6 磁电传感器磁电传感器 3.7 压电传感器压电传感器 3.8 磁敏传感器磁敏传感器 3.9 传感器选用原则传感器选用原则测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3.1 概概 述述1.传感器传感器(Sensor)定义定义传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由成可用输出信号的器件或装置。通常

2、由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组组成成(GB766-87)。狭义上，狭义上，非电信号非电信号 电信号电信号。在非电量电测系统中的作用在非电量电测系统中的作用:敏感作用敏感作用:感受并拾取被测对象的信号感受并拾取被测对象的信号变换作用变换作用:被测信号转换成易于检测和处理的电信号被测信号转换成易于检测和处理的电信号测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 2.传感器的分类传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类位移传感器位移传感器,力传感器力传感器,温度传感器等温度传感器等.(2)(2)按传感器的工作原理分类按传感器的工作原理分类机械式机械式,电气式电气式,光学式光

3、学式,流体式等流体式等.(3)(3)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系 能量转换型能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作.例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计.能量控制型能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力 与检测系统匹配性好，转换灵敏度高与检测系统匹配性好，转换灵敏度

4、高 精度适当，稳定性高精度适当，稳定性高 反应速度快，工作可靠性高反应速度快，工作可靠性高 适应性和适用性强适应性和适用性强(4)(4)按信号变换特征分类按信号变换特征分类物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如如:水银温度计水银温度计.结构型结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如例如:电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器.3.传感器的性能要求传感器的性能要求测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 4.常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量:长度，厚度，位

5、移，速度，加速度，旋转角，转数长度，厚度，位移，速度，加速度，旋转角，转数,质量，重量，力，压力，真空度，力矩，流速，流量；质量，重量，力，压力，真空度，力矩，流速，流量；声声:声压，噪声；声压，噪声；磁磁:磁通，磁场；磁通，磁场；温度温度:温度，热量，比热；温度，热量，比热；光：光：亮度，色彩亮度，色彩 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 机械式传感器机械式传感器 一类传感器的统称，指只含有机械的转换方一类传感器的统称，指只含有机械的转换方式。式。把机械量转换为另一种机械量的传感把机械量转换为另一种机械量的传感器。（常常以弹性体作为传感器的敏感元器。（常常以弹性体作为传感器的敏感

6、元件）件）优点：结构简单，使用方便，价格低廉。优点：结构简单，使用方便，价格低廉。缺点：固有频率低，可测频带窄，适用于测量缓慢变化或者缺点：固有频率低，可测频带窄，适用于测量缓慢变化或者静态被测量。（为了提高频带，常与其它形式的传感器联合静态被测量。（为了提高频带，常与其它形式的传感器联合运用）运用）3.2 机械式传感器机械式传感器测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 电阻式传感器电阻式传感器 是把被测量转换为是把被测量转换为电阻变化电阻变化的一种传的一种传感器。感器。按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式变阻器式 电阻应变式电阻应变式 热敏式热敏式 光敏式光敏式 湿敏式湿敏

7、式 AlR 3.3 电阻式传感器电阻式传感器测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 1EERRxLx R总电阻总电阻;Rx 电刷电阻电刷电阻;AlR 1.变阻器式传感器变阻器式传感器测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 2.应变式电阻传感器应变式电阻传感器丝式应变片丝式应变片 箔式应变片箔式应变片 AlR 半导体应变片半导体应变片金属应变片金属应变片 丝式、箔式丝式、箔式半导体应变片半导体应变片测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 比例关系比例关系 AlR 应变片受力应变片受力 应变应变 比例关系比例关系 应变片电阻的变化应变片电阻的变化(1)应变效应应变效应 导体

8、或半导体在外力作用下产生导体或半导体在外力作用下产生机械变形机械变形而引起导体或半而引起导体或半导体的导体的电阻值发生变化电阻值发生变化的物理现象称为的物理现象称为应变效应应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量应变量转换转换成成电阻变化量电阻变化量的传感元件。的传感元件。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 AlR (2)工作原理工作原理式中，式中，导线的电阻率，又称为电阻系数导线的电阻率，又称为电阻系数金属导线的金属导线的应变电阻效应应变电阻效应：当金属丝由于受到轴向力当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截而伸长

9、时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 应变片受力后，电阻的变化应变片受力后，电阻的变化dR AARRllRRdddd AlR 则则AAlAllARdddd2 两边同除以两边同除以R，同时同时R=l/A，则则AAllRRdddd dl/l=e e 金属导线长度的相对变化，称金属导线长度的相对变化，称纵向应变纵向应变。d/导线电阻率的相对变化。导线电阻率的相对变化。dA/A 导线截面积的

10、相对变化，称为导线截面积的相对变化，称为横向应变横向应变。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 对于圆形截面积的导线，若半径为对于圆形截面积的导线，若半径为r，则，则 rrrddAd2)(2 )d(2d22rrrrrAdA 横向应变横向应变dr/r和纵向应变和纵向应变dl/l之比称为泊松比，即之比称为泊松比，即 llrrdd故故 llAAd2d 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 AAllRRdddd e e E dE为导线材料的弹性模量，为导线材料的弹性模量，为压阻系数，与材料有关。为压阻系数，与材料有关。则则 llAAd2d 已知已知当导体材料确定后，当导体材料确定后

11、，、E均为常数，则均为常数，则(1+2 +E)为为常数。常数。e e )21(d2dddEllllRR 灵敏度为：灵敏度为：ES 21应变片电阻的相对变化率应变片电阻的相对变化率dR/R与应变与应变e e之间是线形关系之间是线形关系测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 e e )21(d2dddEllllRR e e SRdRES 21S由两部分组成：由两部分组成：前一部分前一部分(1+2)单由金属导线的几何尺寸变化引起的；单由金属导线的几何尺寸变化引起的；后一部分后一部分 E是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属

12、本身的特性有关。金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。返回返回 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 金属应变片（金属应变片（不变）不变）金属应变计金属应变计 半导体应变片（半导体应变片（变化）变化）半导体应变计半导体应变计6.37.1)21(gSRdRe e 7060 gSERdRe e e ee e SERdR)21(测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器(3)应变片的主要参数应变片的主要参数1)几何参数：表距几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用bL 表示。表示。2)电阻值：应变计的原始电阻值。电阻值：应变计的原始电阻值。3)灵敏系数：

13、表示应变计变换性能的重要参数。灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4)其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器(4)金属应变计金属应变计 金属应变计有金属应变计有:1、丝式丝式 2、箔式箔式 优点优点:稳定性和温度特稳定性和温度特性好性好.缺点缺点:灵敏度系数小灵敏度系数小.测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 体型体型薄膜型薄膜型扩散型扩散型(5)半导体应变计半导体应变计 优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大;

14、体积小体积小;能制成具有一定应变电阻的元能制成具有一定应变电阻的元件件.缺点：缺点：温度稳定性和可重复性温度稳定性和可重复性不如金属应变片不如金属应变片。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 立柱应力立柱应力 桥梁应力桥梁应力 德国德国HBMHBM电阻应变式传感器电阻应变式传感器(6).应变式电阻传感器的应用应变式电阻传感器的应用测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 压力传感器压力传感器 质量传感器质量传感器 位移传感器位移传感器 加速度计加速度计 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 压力传感器压力传感器 扭矩传感器扭矩传感器 测试技术基础测试技术基础 常用传感

15、器常用传感器 案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 温度温度(热量热量)的变化的变化电阻的变化电阻的变化 温度检测温度检测:-200+500 3.其他电阻传感器其他电阻传感器(1).热电阻传感器热电阻传感器 利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。温度电阻效应制成的传感器。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 圆形热敏电阻圆形热敏电阻 柱形热敏电阻柱形热敏电阻 珠形热敏电阻珠形热敏电阻 热敏电阻在电路中的符号热敏电阻在电路中的符号 (2).热敏

16、电阻传感器热敏电阻传感器非线性元件非线性元件:它的温度它的温度-电阻关系是指数关系电阻关系是指数关系 温度为温度为-50-50350350测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 (3)光敏电阻传感器光敏电阻传感器(4)湿敏电阻传感器湿敏电阻传感器 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 1.变换原理变换原理将被测物理量的变化转化为电容量变化。将被测物理量的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器,它的电容量为它的电容量为:当被测量当被测量d d、A或或 e e 发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，

17、而仅改变另一个参数，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。+d A e d de ee eAC0 3.4 电容式传感器电容式传感器测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 2.分类分类 c)介质变化型介质变化型a)极距变化型极距变化型+b)面积变化型面积变化型:平面线位移型平面线位移型,角位移型角位移型,柱面线位移型柱面线位移型d de ee eAC0 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3.灵敏度灵敏度 a)极距变化型极距变化型d de ee eAC0 d dd de ee edd

18、20AC 传感器的灵敏度近似为：传感器的灵敏度近似为：d dd de ee ed dCACS 20dd平板电容器平板电容器 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 000AACC Ceeddd 000/1(/)Cd dd d 0200CCASeddd00ACed0ACedd0/0.1d d一般取极距变化范围为230000CCdddddd0/1d d230000CCdddddd极距减小d当极距增加d测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 变极距型电容传感器（差动结构）变极距型电容传感器（差动结构）实际应用中，常把电容传感器作成差动结构，如图所示。24000021CCdddddd0

19、02CCdd002CCSdd10ddd则上半部间隙变为 下半部间隙变为 20ddd 相应地电容变化为 101CCC202CCC总的电容变化量1212CCCCC 12CC 差动结构的电容传感器灵敏度提高一倍，而非线性度显著降低。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 振动测量振动测量 旋转轴的偏心量的测量旋转轴的偏心量的测量 变极距型电容传感器的应用变极距型电容传感器的应用测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 传感器灵敏度传感器灵敏度b)面积变化型面积变化型a)a)直线位移型直线位移型 d de ee ebxC0 常常数数 d d

20、e ee ebxCS0dd直线位移型直线位移型b)b)角位移型角位移型 d d e ee e220rC 传感器灵敏度传感器灵敏度 常数常数 d de ee e 2dd20rCS角位移型角位移型测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 deeAC02In/xCD de电容量 当覆盖长度 变化时，电容量 发生变化，其灵敏度xC2In/dCSdxD de常数 圆柱体线位移型圆柱体线位移型测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 介质常数变化型电容式传感器介质常数变化型电容式传感器c)介质变化型介质变化型 大多用于测量电介质的厚大多用于测量电介质的厚度度(图图a)、位移、位移(图图b)、液

21、位、液位(图图c)根据极板介质的介电常数根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、而改变来测量温度、湿度、容量容量(图图d)等。等。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 变介电常数型电容传感器（电容式液位计）变介电常数型电容传感器（电容式液位计）电容器总电容 等于气体介质中的电容 与液体介质中的电容 之和。C1C2C211222112()21n1nhxxCCCRRRRee212221122()In1nhxRRRRe ee其灵敏度12212()dd1nCSRxR ee测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 电感式传感器电感式传感器

22、自感型自感型 可变磁阻型可变磁阻型 涡流式涡流式互感型互感型3.5 电感式传感器电感式传感器电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应电磁感应原理，它是把原理，它是把被测量被测量转化为转化为电感量变化电感量变化的一种装置。的一种装置。分类分类:测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 1.可变磁阻式可变磁阻式(自感型自感型)002AAlRm d d 原理原理:电磁感应电磁感应W：线圈匝数；线圈匝数；l：软铁长度；软铁长度；：软铁磁导率；：软铁磁导率；0：空气磁导率：空气磁导率 A：铁芯导磁截面：铁芯导磁截面 A0：空气导磁截面：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理可变磁阻式传感器基本原

23、理1.线圈线圈 2.铁芯铁芯 3.衔铁衔铁mRWL2 d d 2002AWL 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 d d 2002AWL (1).间隙变化型间隙变化型20022WAdLLSd d dd dd d 间隙变化型可变磁阻式传感器结构间隙变化型可变磁阻式传感器结构 当当 0、A0固定不变，改变固定不变，改变d d 时，时，L与与d d 呈非线形（双曲线）关系呈非线形（双曲线）关系.L L与与d d 的双曲线关系的双曲线关系 传感器灵敏度：传感器灵敏度：d dL 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 0/1d d0ddd200001LLdddddd20002002L

24、WALSddd0/0.1d d0ddd0LL L 12200000000012()2WAWALLddddddd 200001LLdddddd 测量范围允许在0.001mm1mm之间。l衔铁第四章第四章 常用传感器常用传感器测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 差动式电感传感器差动式电感传感器12d d120LLL120L L L d101LLL202LLL1212LLLLL 24000021LLdddddd 002LLdd 002LLSdd图4-12 变气隙差动式电感传感器第四章第四章 常用传感器常用传感器测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 d d 2002AWL (2)

25、.面积变化型面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构面积变化型可变磁阻式传感器结构 当当 0、d d 固定不变，改变固定不变，改变A0时，时，L与与A0呈线形关系呈线形关系.传感器灵敏度传感器灵敏度 2002WdLSdA d dL与与A0的线形关系的线形关系=常数常数测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器(3).螺线管型螺线管型 当其它参数不变，仅改变当其它参数不变，仅改变l，使使Rm变化，从而产生电感的变化。变化，从而产生电感的变化。002AAlRm d d mRWL2 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中当金属板置于变

26、化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流涡流。涡流的大小与金属板的涡流的大小与金属板的电阻率电阻率、磁导率磁导率、厚度厚度t，以及金，以及金属板与线圈属板与线圈距离距离、激励电流、角频率等参数有关。、激励电流、角频率等参数有关。涡流式电感传感器可分为涡流式电感传感器可分为 1）高频反射式高频反射式 2）低频透射式低频透射式2.涡流式电感传感器涡流式电感传感器测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：),(d dZZ (1).高频反射式（集肤效应）高频

27、反射式（集肤效应）高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 )(d dfZ 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器(2).低频透射式（互感原理）低频透射式（互感原理）低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 e2随材料厚度增加变化的规律随材料厚度增加变化的规律 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3.涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量径向振动的测量径向振动的测量 构件振幅的测量构件振幅的测量 构件振型的测量构件振型的测量 轴心轨迹的测量轴心轨迹的测量 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 60fnz

28、其中，其中，n为转轴的转速；为转轴的转速；f为脉冲频率；为脉冲频率；z为转轴上的槽数或齿数。为转轴上的槽数或齿数。案例案例:转速的测量转速的测量测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 案例：案例：测厚测厚案例：案例：零件计数零件计数测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3.变压器式变压器式-差动变压器差动变压器工作原理：工作原理：互感现象互感现象.测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 应用应用:厚度厚度,角度角度,表面粗糙度

29、表面粗糙度;拉伸拉伸,压缩压缩,垂直度垂直度;压力压力,流量流量,液位液位;张力张力,重力重力,负荷量负荷量;扭矩扭矩,应力应力,动力动力;气压气压,温度温度;振动振动,速度速度,加速度加速度;等等.案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3.6 磁电传感器磁电传感器 1.变换原理变换原理 磁电式传感器是把被测量的磁电式传感器是把被测量的物理量物理量转换为转换为感应电动感应电动势势的一种转换器。的一种转换器。),(,cos,mdtdRBdtdSBNU感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，磁

30、通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。ddeWt 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 2.分类分类 磁电式 动圈式 磁阻式 线速度型角速度型 N),(,cosmRBdtdSBddeWt 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3.动圈式传感器动圈式传感器 kNBAeNBlvesinl:每匝线圈的平均长度；每匝线圈的平均长度；B:线圈所在磁场的磁感应强度；线圈所在磁场的磁感应强度；A:每匝线圈的截面积；每匝线圈的截面积；:线圈运动方向与磁场方向的夹角；线圈运动方向与磁场方向的夹角；k

31、:传感器的结构系数；传感器的结构系数；:角速度。角速度。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 4.磁阻式传感器磁阻式传感器 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 5.磁电传感器的应用磁电传感器的应用 测速电机测速电机 磁电式测速传感器磁电式测速传感器 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 测频数测频数 测转速测转速 偏心测量偏心测量 振动测量振动测量 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3.7 压电传感器压电传感器 1.变换原理变换原理 某些物质，如石英，当某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部尺寸

32、会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为原来的状态，这种现象称为压电效应压电效应。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 压电效应压电效应式中，式中，q为电荷为电荷量量；D为为压电常数，与材质及切片压电常数，与材质及切片方向有关；方向有关；F为作用力。为作用力。q=DF晶片电荷极性与受力方向关系测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 aaqeCea：开路电压；开路电压；q:压电晶片表面上的电荷；压电晶片表面上的电荷；Ca 为压电晶片的电容。为压电晶片的电容。2.测量电路测量电路

33、等效电荷源等效电荷源 Cc:分布电容；分布电容；Ri:输入电阻；输入电阻；Ra:漏电阻；漏电阻；Ci:输入电容输入电容测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 压电式传感器突出的特点是固有压电式传感器突出的特点是固有频率高，可测频带宽，此外，还具有频率高，可测频带宽，此外，还具有体积小、重量轻、精确度与灵敏度高等优点。在测量加速度和动态力等体积小、重量轻、精确度与灵敏度高等优点。在测量加速度和动态力等方面得到了广泛地应用。在用作加速度和力传感器时，可测频率范围从方面得到了广泛地应用。在用作加速度和力传感器时，可测频率范围从0.1Hz20kHz，可测振动加速度值达（，可测振动加速度值达（1

34、0-2105）ms-2。压电式传感器。压电式传感器输出电荷输出电荷q很少，内阻很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：放大放大微弱的压电信号微弱的压电信号 电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器(1).(1).主要作用主要作用测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 放大器的输入电压：放大器的输入电压：icaiCCCqe系统的输出电压为：系统的输出电压为：系统的灵敏度为：系统的灵敏度为：icaCCCASicaiyCCCqAeAe当电缆长度变化当电缆长度变化时，时，Cc变化，变化，ei变化，系统的灵变化，系统的灵敏度发生变化，敏度发生变

35、化，此时测试比较困此时测试比较困难难(2).(2).电压放大器电压放大器测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 当略去传感器的漏电阻当略去传感器的漏电阻Ra时时 qtei(Ca+Cc+Ci)当略去电荷放大器的输入电阻当略去电荷放大器的输入电阻Ri的影响时的影响时qf(ei-ey)Cf 则整个电路中的电荷为：则整个电路中的电荷为：qqt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf 式中，式中，ei为放大器的输入端电压；为放大器的输入端电压；ey为放大器输出端电压；为放大器输出端电压；Cf为电荷放大为电荷放大器的反馈电容。器的反馈电容。(3).(3).电

36、荷放大器电荷放大器测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 ey=-Kei 其中，其中，K K为放大器的开环放大倍数为放大器的开环放大倍数 qqt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf ffyKCCCKqe)(所以所以 ffCCKCfyCqe开环增益开环增益K足够大足够大系统的灵敏度为：系统的灵敏度为：fCS1在一定条件下，电荷放在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关；缆的分布电容无关；系统输出灵敏度取决系统输出灵敏度取决于反馈电容，所以可以于反馈电容，所以可以

37、通过调节反馈电容通过调节反馈电容 ei=(q+eyCf)/(C+Cf)返回返回 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3.压电传感器的应用压电传感器的应用压力变送器压力变送器加速度计，力传感器加速度计，力传感器 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 压电式压力传感压电式压力传感 压电式压力传感器特性压电式压力传感器特性 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 阻抗头的结构原理图阻抗头的结构原理图 阻抗头的安装结构阻抗头的安装结构 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3.8 磁敏传感器磁敏传感器 1.半导体霍尔元件半导体霍尔元件霍尔效应霍尔效应 当半导体中

38、流过一个电流时，若在与该电流垂直的方当半导体中流过一个电流时，若在与该电流垂直的方向上外加一个磁场，则在与电流及磁场分别成直角的方向向上外加一个磁场，则在与电流及磁场分别成直角的方向上会产生一个电压。这种现象也称为霍尔效应上会产生一个电压。这种现象也称为霍尔效应。霍尔效应原理图霍尔效应原理图 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 半导体霍尔元件的结构半导体霍尔元件的结构 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 半导体磁敏电阻半导体磁敏电阻 半导体磁敏电阻的结构半导体磁敏电阻的结构(蛇形元件蛇形元件)利用磁场造成的电利用磁场造成的电流偏转使元件阻抗增加流偏转使元件阻抗增加这种特

39、点制成的双端磁这种特点制成的双端磁敏传感器。敏传感器。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 磁性体磁敏电阻磁性体磁敏电阻 利用强磁材料利用强磁材料的磁场异向性制成的磁场异向性制成的磁敏元件。的磁敏元件。磁性体磁敏电阻的结构磁性体磁敏电阻的结构 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 电磁感应型磁敏传感器电磁感应型磁敏传感器 原理：原理：范围：范围：法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 只能检测交流磁只能检测交流磁场，不能检测直流场，不能检测直流磁场磁场 电磁感应型磁敏传感器电磁感应型磁敏传感器 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 2.磁敏传感器的应用磁敏传感器的应

40、用 电流计 磁感应开关 磁敏电位器 霍尔电动机 纸币及预付卡识别设 卡形电流计的结构卡形电流计的结构 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 霍尔电动机的结构示意图霍尔电动机的结构示意图 霍尔电动机等效电路霍尔电动机等效电路 测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3.9 传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1.灵敏度灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵

41、敏度时，要考虑以下几个问题。度时，要考虑以下几个问题。a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题；b)b)量程范围。量程范围。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 3 3 响应特性响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不不失真失真的测量条件。的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。总希望延迟的时间越短越好。2 2 线性范围线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围在线性范围内输出与输

42、入成比例关系内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。测量精度的基本条件。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器 4 4 稳定性稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。与环境。5 5 精确度精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。应程度。6 6 测量方式测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。在线与非在线测量等。测试技术基础测试技术基础 常用传感器常用传感器