12-常用传感器
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测试技术
A 物性型与结构型传感器 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. 例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.
B 能量转换型和能量控制型传感器 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.也称无源传感器 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 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. 例如:电阻应变片.
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测试技术
b)低频透射式：（互感原理）
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测试技术
案例： 测厚
案例： 零件计数
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测试技术
案例： 无损探伤 火车轮检测
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
油管检测
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测试技术
优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。
隙，一个放置工作线圈， 另一个放置阻尼器。传感器输出的感应 三、磁电式振动速度传感器 电势通过引线输出到测量电路。
100-1000HZ频率范围内的振动速度测量（10—几百HZ）
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测试技术
图3.67 绝对式速度传感器的动态特性 （a）幅频特性 （b）相频特性
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测试技术
2.热敏电阻 热敏电阻是用电阻值随电 阻体温度变化而显著变化的半 导体电阻制成的。热敏电阻采 用重金属氧化物锰、钛、钴等 材料， 在高温下烧结混合成 特殊电子元件。 分类 按其温度特性通常分为三类： 负温度系数热敏电阻NTC、 正 温度系数热敏电阻PTC和临界 温度系数热敏电阻CTR
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测试技术
电荷放大器
电荷放大器原理图
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测试技术
3 应用 a) 加速度计，力传感器
b) 压力变送器
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5.3 测试技术 温度信号传感器
一、热电式温度传感器 热电效应 将两种不同材料的导体一个闭合回路，若两端结点温度不 同，则回路中就会产生电势，同时在回路中产生电流，这 种由温度不同而产生电势的现象称为热电效应。相应的输 出电势称作热电势，回路中产生的电流则称作热电流，导 体称为热电极，不同导体组成的转换元件叫作热电偶。测 温时，置于被测温度场中的结点，称为测量端(又称工作 端或热端)，一般处在某一恒定温度的结点，称为参考端 (又称自由端或冷端)。
A C0 0
当动极板向上运动Δ δ 时，极板间的距离δ =δ 0-Δ δ ，电容的 增量
A / C C0 0 0 1 / 0
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A
测试技术
当Δ δ <<δ 0时，
2 / 0 C C0 C0 1 1 / 0 0
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测试技术 四、压电式传感器
1.变换原理: 压电效应
某些物质，如石英（钛酸钡等），当受到外力作用时，不仅 几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷； 当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。
F
+
+
串联
来自百度文库
q=DF
+
并联
分类： 单晶压电晶体，如石英、 罗歇尔盐（四水酒石酸 钾钠）、硫酸锂、磷酸 二氢铵等； 多晶压电陶瓷，如极化 的铁电陶瓷（钛酸钡）、 锆钛酸铅等； 某些高分子压电薄膜。
测试技术
二、电阻温度传感器
金属热电阻 大多数金属材料的电阻随温度的升高而增加，但作为热 电阻的金属材料，其电阻温度系数α值要高且保持常值，电阻 率ρ要高，以减小热惯性（元件尺寸小），在使用温度范围内， 材料的物理化学性能稳定，工艺性好。常用的金属热电阻材 料有铂、铜、镍、铟、锰、铁等
1）金属热电阻的基本特性参数 （1） 标称电阻（R0）: 是指金属热电阻在0℃时的电阻值， 用R0表示。 （2）分度表与分度号: 分度表是指以表格形式表示热电阻的电阻 －温度对照表；分度号是指分度表的代号，一般用热电阻金属材 料的化学符号和0℃时的电阻值表示，例如Pt100， 表示金属材料 华北电力大学机械工程学院 为铂，标称电阻为100 Ω。
测试技术
2 分类 a) 极距变化型;
+ + +
C
0A
b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.
+ + +
+
+ +
c) 介质变化型
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测试技术
案例：电容传声器 案例:液面高度测量
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测试技术
(1) 变极距式。当动极板因被测量变化而向上下移动时， 改变了两极板之间的间距δ ，从而引起电容量变化。 若极板覆盖面积为A，初始间隙为δ 0， 介电常数为ε ， 则初始电容量
可以看出，当Δ δ <<δ 0时，略去展开式的非线性项(高次项)，
则电容的变化量Δ C与被测位移Δ δ 近似成正比关系， 即
C C0
0
(2.23)
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其灵敏度（课本不准确）
若要提高灵敏度，应减小初始间隙δ0 （1mm以 下） 。但δ0过小容易引起电容器击穿 (2) 变面积式。 直线位移平板电容器，当动极板移动Δx后，
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4. 常见的被测物理量
• • • • • • • 机械量: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,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩
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第五 章
本章学习要求：
传感器
1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理(电阻式、压电 、电涡 流 、磁电式 ) 3.了解传感器测量电路
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测试技术
课堂讨论题：
1．什么是传感器？如何分类？ 2．电阻应变式（金属电阻应变片、半导体应变片）传 感器工作原理特点、可测量量为？ 3．压阻效应、压电效应 、涡流效应、压磁效应、应变 效应 4．电涡流传感器的工作原理、测量量、测量范围、频 响范围、特点？ 5．电涡流传感器如何测量转速？ 6．压电式加速度传感器的工作原理？频响范围？放大 电路的分类及特点？ 7．压电式可测量？ 华北电力大学机械工程学院
测试技术
压电传感器实际的等效电路
若将压电传感器接入测量电路，则必须考虑电缆电容CC、 后续电路的输入阻抗Ri、输入电容Ci、以及压电传感器的 漏电阻Ra，此时压电传感器的等效电路如图所示。
压电传感器实际的等效电路 （a）电荷源 （b）电压源 华北电力大学机械工程学院
测试技术
2、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输 入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到 后续显示仪表中。 电阻反馈的电压放大器：输出电压与输入电压成正比---电路简 单，价格低，电缆电容影响大。 电容反馈的电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比---电路复 杂，电缆长度影响小。 电压放大器
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测试技术 压电传感器可视为一个电荷发生器，也是一 个电容器，其形成的电容量 A
c
0
压电传感器可被视为一个电荷源：
等效电路中电容器上的开路电压ea、电容量q以及电容 Ca三者间的关系有 q
ea
压电传感器可被视为一个电压源。
Ca
华北电力大学机械工程学院 压电传感器的等效电路（a）电荷源 （b）电压源
测试技术
5.1 概述
1. 传感器定义
国标(GB7665-87)传感器:能感受规定的被测量, 并按一定 的规律转换成可输出信号的装置。
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从 狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信 号的装置。
物理量
电量
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测试技术 2. 传感器的构成
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高频反射式测试技术 如图，如果把一扁平线圈置于金属板的附近并通以高频电 流i，交变磁场通过附近的金属板产生电涡流， 由于涡流效应，
线圈的等效阻抗Z将发生变化，阻抗Z与被测材料的电阻率ρ、
磁导率μ、激励频率f以及涡流传感器(即扁平线圈)与金属板之 间的距离x有关， 可用函数式表示如下：
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测试技术
接触电势是由于互相接触的两种金属导体内自由电子的密度不 同造成的。当两种不同的金属A、B接触在一起时，在金属A、 B的接触处将会发生电子扩散 在组成热电偶的每种材料中，若同一材料两端温度不同， 则 高温端自由电子就会向低温端扩散，高温端因失去电子而带 正电，而低温端因得到电子而带负电，从而形成了温差电势 华北电力大学机械工程学院
0A C 当被测量δ、S或ε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，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。
+ + +
A
特点：动态范围大、灵敏度高、响应快、稳定性好； 可对振动非接触测量 华北电力大学机械工程学院 缺点：抗污染能力差
传感器一般由敏感器件与转换元件组成。敏感器件是 传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信 号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号 进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。
d V
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测试技术
变送器:凡能输出标准信号的传感器
4-20mA 0-5V 20-100kPa(气动仪表)
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2.
3.
4.
测试技术
5.
6. 7.
当测量频率大于谐振频率时，若输入与输出信号 的各频率成分相移值近似为180°时，亦即此时传 感器对输入信号起着一个倒相器的作用，则可认 为测量结果是不失真的。 为近似获取倒相特性，应使ω>(7~8)ωn。 速度传感器的固有频率ωn是一个重要的参数，它 决定了传感器所测量的频率下限。为扩展传感器 的工作频率范围，设计中应使做得尽可能低。
Z f ( , x, , f )
当f、ρ 、μ 为恒定时， 阻抗Z与x成单值函数关系，可写成
Z=f(x)
因而可以进行位移的非接触测量。
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测试技术
电涡流传感器与被测 物体的等效电路 ： 图中金属导体被抽象 为一短路线圈，它与 传感器线圈磁性耦合， 两者之间定义一互感 系数M，表示耦合程度， 它随间距δ的增大而减 小。
C 1 A K C0 2 0 0
覆盖面积发生变化， 由此产生的电容变化量
C
b( x x) bx bx
灵敏度
C b K x
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恒磁通动圈式磁电传感器，其可动部分通过弹簧片与传感器外壳
连接。圆柱形永久磁铁用铝架固定在外壳内。磁系统有两个空气 测试技术
5.2 测试技术 机械振动传感器
一、电 涡流式传感器
涡流效应 根据电磁感应原理，当线圈通以高频交流电 流的线圈靠近金属导体时，其交变磁通由于 集肤效应会在金属导体表面产生自行闭合的 感应电流，称之为涡流。此涡流又将产生一 个反作用于线圈的交变磁场，从而使线圈的 阻抗发生变化，这种现象称作涡流效应。 电涡流传感器分类： 高频反射式：位移、振动 低频透射式：多用于测量材 料的厚度
讨论： 4．电涡流传感器的工作原理（涡流效应）、测量量 （位移、测厚）、测量范围（0-1500um，分辨力 1um）、频响范围（0-5KHZ（国产），0-100KHZ （德国某品牌））、特点（非接触）？ 5．电涡流传感器如何测量转速？
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测试技术 二、 电容式传感器
1.变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器,它的电容量为:
测试技术
1.
结论：
为实现不失真测量，幅频特性应为常值。当 ω/ωn>1以后，幅频特性曲线随的增加而趋向于1， 这一区域便是传感器的使用频率范围。 当ς=0.707时，该趋于常值的速度最快，因此一般采 用ς=0.6~0.7的阻尼比，从而可有效地压低使用频率 的下限。 如要求测量误差≤5%，则测量的频率范围约为 ω/ωn ≥1.7。 引进阻尼虽然改善了谐振频率附近接收灵敏度曲线 的平坦度，但阻尼也增加了相移。
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测试技术
3. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类:
位移,力,温度等. (2)按工作的物理基础分类(工作原理): 机械式,电气式,光学式,流体式等. (3)按信号变换特征: 物性型,结构型. (4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 能量转换型(无源)和能量控制型(有源).
测试技术
A 物性型与结构型传感器 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. 例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.
B 能量转换型和能量控制型传感器 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.也称无源传感器 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 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. 例如:电阻应变片.
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b)低频透射式：（互感原理）
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案例： 测厚
案例： 零件计数
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案例： 无损探伤 火车轮检测
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
油管检测
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优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。
隙，一个放置工作线圈， 另一个放置阻尼器。传感器输出的感应 三、磁电式振动速度传感器 电势通过引线输出到测量电路。
100-1000HZ频率范围内的振动速度测量（10—几百HZ）
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图3.67 绝对式速度传感器的动态特性 （a）幅频特性 （b）相频特性
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2.热敏电阻 热敏电阻是用电阻值随电 阻体温度变化而显著变化的半 导体电阻制成的。热敏电阻采 用重金属氧化物锰、钛、钴等 材料， 在高温下烧结混合成 特殊电子元件。 分类 按其温度特性通常分为三类： 负温度系数热敏电阻NTC、 正 温度系数热敏电阻PTC和临界 温度系数热敏电阻CTR
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电荷放大器
电荷放大器原理图
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3 应用 a) 加速度计，力传感器
b) 压力变送器
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5.3 测试技术 温度信号传感器
一、热电式温度传感器 热电效应 将两种不同材料的导体一个闭合回路，若两端结点温度不 同，则回路中就会产生电势，同时在回路中产生电流，这 种由温度不同而产生电势的现象称为热电效应。相应的输 出电势称作热电势，回路中产生的电流则称作热电流，导 体称为热电极，不同导体组成的转换元件叫作热电偶。测 温时，置于被测温度场中的结点，称为测量端(又称工作 端或热端)，一般处在某一恒定温度的结点，称为参考端 (又称自由端或冷端)。
A C0 0
当动极板向上运动Δ δ 时，极板间的距离δ =δ 0-Δ δ ，电容的 增量
A / C C0 0 0 1 / 0
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A
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当Δ δ <<δ 0时，
2 / 0 C C0 C0 1 1 / 0 0
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测试技术 四、压电式传感器
1.变换原理: 压电效应
某些物质，如石英（钛酸钡等），当受到外力作用时，不仅 几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷； 当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。
F
+
+
串联
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q=DF
+
并联
分类： 单晶压电晶体，如石英、 罗歇尔盐（四水酒石酸 钾钠）、硫酸锂、磷酸 二氢铵等； 多晶压电陶瓷，如极化 的铁电陶瓷（钛酸钡）、 锆钛酸铅等； 某些高分子压电薄膜。
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二、电阻温度传感器
金属热电阻 大多数金属材料的电阻随温度的升高而增加，但作为热 电阻的金属材料，其电阻温度系数α值要高且保持常值，电阻 率ρ要高，以减小热惯性（元件尺寸小），在使用温度范围内， 材料的物理化学性能稳定，工艺性好。常用的金属热电阻材 料有铂、铜、镍、铟、锰、铁等
1）金属热电阻的基本特性参数 （1） 标称电阻（R0）: 是指金属热电阻在0℃时的电阻值， 用R0表示。 （2）分度表与分度号: 分度表是指以表格形式表示热电阻的电阻 －温度对照表；分度号是指分度表的代号，一般用热电阻金属材 料的化学符号和0℃时的电阻值表示，例如Pt100， 表示金属材料 华北电力大学机械工程学院 为铂，标称电阻为100 Ω。
测试技术
2 分类 a) 极距变化型;
+ + +
C
0A
b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.
+ + +
+
+ +
c) 介质变化型
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案例：电容传声器 案例:液面高度测量
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(1) 变极距式。当动极板因被测量变化而向上下移动时， 改变了两极板之间的间距δ ，从而引起电容量变化。 若极板覆盖面积为A，初始间隙为δ 0， 介电常数为ε ， 则初始电容量
可以看出，当Δ δ <<δ 0时，略去展开式的非线性项(高次项)，
则电容的变化量Δ C与被测位移Δ δ 近似成正比关系， 即
C C0
0
(2.23)
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其灵敏度（课本不准确）
若要提高灵敏度，应减小初始间隙δ0 （1mm以 下） 。但δ0过小容易引起电容器击穿 (2) 变面积式。 直线位移平板电容器，当动极板移动Δx后，
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4. 常见的被测物理量
• • • • • • • 机械量: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,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩
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第五 章
本章学习要求：
传感器
1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理(电阻式、压电 、电涡 流 、磁电式 ) 3.了解传感器测量电路
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课堂讨论题：
1．什么是传感器？如何分类？ 2．电阻应变式（金属电阻应变片、半导体应变片）传 感器工作原理特点、可测量量为？ 3．压阻效应、压电效应 、涡流效应、压磁效应、应变 效应 4．电涡流传感器的工作原理、测量量、测量范围、频 响范围、特点？ 5．电涡流传感器如何测量转速？ 6．压电式加速度传感器的工作原理？频响范围？放大 电路的分类及特点？ 7．压电式可测量？ 华北电力大学机械工程学院
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压电传感器实际的等效电路
若将压电传感器接入测量电路，则必须考虑电缆电容CC、 后续电路的输入阻抗Ri、输入电容Ci、以及压电传感器的 漏电阻Ra，此时压电传感器的等效电路如图所示。
压电传感器实际的等效电路 （a）电荷源 （b）电压源 华北电力大学机械工程学院
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2、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输 入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到 后续显示仪表中。 电阻反馈的电压放大器：输出电压与输入电压成正比---电路简 单，价格低，电缆电容影响大。 电容反馈的电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比---电路复 杂，电缆长度影响小。 电压放大器
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测试技术 压电传感器可视为一个电荷发生器，也是一 个电容器，其形成的电容量 A
c
0
压电传感器可被视为一个电荷源：
等效电路中电容器上的开路电压ea、电容量q以及电容 Ca三者间的关系有 q
ea
压电传感器可被视为一个电压源。
Ca
华北电力大学机械工程学院 压电传感器的等效电路（a）电荷源 （b）电压源
测试技术
5.1 概述
1. 传感器定义
国标(GB7665-87)传感器:能感受规定的被测量, 并按一定 的规律转换成可输出信号的装置。
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从 狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信 号的装置。
物理量
电量
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测试技术 2. 传感器的构成
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高频反射式测试技术 如图，如果把一扁平线圈置于金属板的附近并通以高频电 流i，交变磁场通过附近的金属板产生电涡流， 由于涡流效应，
线圈的等效阻抗Z将发生变化，阻抗Z与被测材料的电阻率ρ、
磁导率μ、激励频率f以及涡流传感器(即扁平线圈)与金属板之 间的距离x有关， 可用函数式表示如下：
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接触电势是由于互相接触的两种金属导体内自由电子的密度不 同造成的。当两种不同的金属A、B接触在一起时，在金属A、 B的接触处将会发生电子扩散 在组成热电偶的每种材料中，若同一材料两端温度不同， 则 高温端自由电子就会向低温端扩散，高温端因失去电子而带 正电，而低温端因得到电子而带负电，从而形成了温差电势 华北电力大学机械工程学院
0A C 当被测量δ、S或ε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，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。
+ + +
A
特点：动态范围大、灵敏度高、响应快、稳定性好； 可对振动非接触测量 华北电力大学机械工程学院 缺点：抗污染能力差
传感器一般由敏感器件与转换元件组成。敏感器件是 传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信 号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号 进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。
d V
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变送器:凡能输出标准信号的传感器
4-20mA 0-5V 20-100kPa(气动仪表)
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2.
3.
4.
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5.
6. 7.
当测量频率大于谐振频率时，若输入与输出信号 的各频率成分相移值近似为180°时，亦即此时传 感器对输入信号起着一个倒相器的作用，则可认 为测量结果是不失真的。 为近似获取倒相特性，应使ω>(7~8)ωn。 速度传感器的固有频率ωn是一个重要的参数，它 决定了传感器所测量的频率下限。为扩展传感器 的工作频率范围，设计中应使做得尽可能低。
Z f ( , x, , f )
当f、ρ 、μ 为恒定时， 阻抗Z与x成单值函数关系，可写成
Z=f(x)
因而可以进行位移的非接触测量。
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电涡流传感器与被测 物体的等效电路 ： 图中金属导体被抽象 为一短路线圈，它与 传感器线圈磁性耦合， 两者之间定义一互感 系数M，表示耦合程度， 它随间距δ的增大而减 小。
C 1 A K C0 2 0 0
覆盖面积发生变化， 由此产生的电容变化量
C
b( x x) bx bx
灵敏度
C b K x
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恒磁通动圈式磁电传感器，其可动部分通过弹簧片与传感器外壳
连接。圆柱形永久磁铁用铝架固定在外壳内。磁系统有两个空气 测试技术
5.2 测试技术 机械振动传感器
一、电 涡流式传感器
涡流效应 根据电磁感应原理，当线圈通以高频交流电 流的线圈靠近金属导体时，其交变磁通由于 集肤效应会在金属导体表面产生自行闭合的 感应电流，称之为涡流。此涡流又将产生一 个反作用于线圈的交变磁场，从而使线圈的 阻抗发生变化，这种现象称作涡流效应。 电涡流传感器分类： 高频反射式：位移、振动 低频透射式：多用于测量材 料的厚度
讨论： 4．电涡流传感器的工作原理（涡流效应）、测量量 （位移、测厚）、测量范围（0-1500um，分辨力 1um）、频响范围（0-5KHZ（国产），0-100KHZ （德国某品牌））、特点（非接触）？ 5．电涡流传感器如何测量转速？
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测试技术 二、 电容式传感器
1.变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器,它的电容量为:
测试技术
1.
结论：
为实现不失真测量，幅频特性应为常值。当 ω/ωn>1以后，幅频特性曲线随的增加而趋向于1， 这一区域便是传感器的使用频率范围。 当ς=0.707时，该趋于常值的速度最快，因此一般采 用ς=0.6~0.7的阻尼比，从而可有效地压低使用频率 的下限。 如要求测量误差≤5%，则测量的频率范围约为 ω/ωn ≥1.7。 引进阻尼虽然改善了谐振频率附近接收灵敏度曲线 的平坦度，但阻尼也增加了相移。
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3. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类:
位移,力,温度等. (2)按工作的物理基础分类(工作原理): 机械式,电气式,光学式,流体式等. (3)按信号变换特征: 物性型,结构型. (4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 能量转换型(无源)和能量控制型(有源).