测试技术第三章

象。
Sg
dR

R E
（三）二者区别 金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形弯引起电阻的变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。 二、电容式传感器
C
（一）极距变化型 灵敏度
0 A
S
dC 1 0 A0 2 d
（二）面积变化型 在变换极板面积的电容传感器中，一般常用的有角位移型和线位移型两种。
hv
1 2 mv A 2 式中：m 电子质量 v 电子逸出速度 A 物体的逸出功
（二）内光电效应 在光照射下，物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应。 内光电效应器主要为光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管。 （三）光生伏打效应 在光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏打效应。 基于光生伏打 效应的器件有光电池。 第六节 光纤传感器 光纤传感器则以光学量转换为基础， 以光信号为变换和传输的载体， 利用光导纤维输送 光信号。
e12 M
di1 dt
第四节 磁电、压电与热电式传感器 一、磁电式传感器 磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器， 又称电磁感应式或电动力式 传感器。 按照结构方式不同，磁电式传感器可分为动圈式与磁阻式。
e N
d dt
（一）动圈式 动圈式传感器的工作原理可视为线圈在磁场中运动时切割磁力线而产生电动势
dR 2 E R 1 2 E
dR 1 2 R
Sg
(二) 半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
dR / R 1 2 常数 dl / l
压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率 P 发生变化的现
何尺发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料重新回 复到原来状态，这种现象称为压电效应。
逆压电效应：相反，如果将这些物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电
场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。
C
0 A
三、热电式传感器 热电式传感器是把被测量（主要是温度）转换为电量变化的一种装置，其变换是基于金 属的热电效应。 按照变换方式的不同，可分为热电偶与热电阻传感器。 （一）热电偶 把两种不同的导体或半导体连接成图所示的闭合回路， 如果将它们的两个 热电效应： 接点分别置于温度为 T 及 T0（假定 T＞T0）的热源中，则在该回路内就 会产生热电动势， 这种现象称为热电效应。 （二）热电阻传感器 利用电阻随温度变化的特点制成的传感器叫热电阻传感器， 它主要用于对温度和与温度 有关的参数测定。 按热电阻的性质来分， 可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类， 前者通常简称为热电 阻，后者称为热敏电阻（见本章第七节） 。 第五节 光电传感器 光敏传感器是将光量转换为电量的器件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。 （一）外光电效应 在光照作用下， 物体内的电子从物体表面逸出的现象称外光电效应， 亦称光电子发射效 应。 外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。
降。表层电阻下降到一定程度上，半导体体内的电阻已远大于表层电阻，电流主要从表层通 过，体内电阻的作用可以忽略，而由湿度引起下降了的表层电阻起着主导作用。随着湿度的 增加，此类半导体陶瓷的阻值可下降三至四个数量级。 第十节 传感器的选用原则 一、灵敏度 一般讲，传感器灵敏度越高越好。但是，在放大信号的同时，干扰也愈容易混入，并被放大。 为此，信噪比愈大愈好，既要求传感器本身噪声小，且不易从外界引入干扰。 二、响应特性 实际传感器的响应总有一定迟延，但总希望迟延时间愈短愈好。 一般讲，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，响应较快，可工作频率范围宽。 而结构型，如电感、电容、磁电式传感器等，往往由于结构中的机械系统惯性的限制，其固 有频率低，可工作频率较低。 三、线性范围 任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。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，是保证测量精确度的基本条件。 然而任何传感器都不容易保证其绝对线形，在许可限度内，可以在其近似线性区域应用。 四、可靠性 可靠性是指仪器、装置等产品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。 只 有产品的性能参数(特别是主要性能参数)均处于规定的误差范围内，方能视为可完成规定的 功能。 五、精确度 传感器的精确度表示传感器的输出与被测量真值一致的程度。 然而， 也并非要求传感器的精确度愈高愈好， 因为还应考虑到经济性。 传感器精确度角高， 价格越昂贵。因此应从实际出发尤其应从测试目的出发来选择。 六、测量方式 传感器在实际条件下的工作方式，例如，接触与非接触测量、在线与非在线测量等，也是 选用传感器时应考虑的重要因素。工作方式不同对传感器要求亦不同。 七、其它
sin ic
1 2 2 n1 n2 n0
第七节 半导体传感器 一、磁敏传感器 利用半导体材料的磁敏特性来工作的传感器有霍尔元件、磁阻元件、磁敏管等。 （一）霍尔元件
霍尔效应：将霍尔元件置于磁场 B 中，如果在 a，b 端通以电流 i，在 c，d 端就会出现电
位差，称为霍尔电势，这种现象称为霍尔效应。 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。 （板厚一般远小于板宽和板 长）
带电质点在磁场中沿和磁力线垂直的方向运动时，都要受到 磁场力即洛伦兹力Fm的作用： Fm e0 vB 式中：e0 带电粒子的电荷，e0 1.602 10 19 C B 磁感应强度，T v 电子运动速度，m / s
（二）磁阻元件 磁阻元件是利用半导体材料的磁阻效应来工作的。 磁阻效应将使通有电流 i 的金属或半导体片的 ab 两端之间的电阻随外磁场 B 而变化。 （三）磁敏管 二、热敏传感器 热敏电阻是由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结向成的半导体。 它具有负的电阻温度系 数，随温度上升而阻值下降。 三、气敏传感器 被测气体一旦与这种传感器的敏感材料接触并被吸附后，传感器的电阻值随气体浓度而改 变。 其敏感材料广泛采用热稳定度较好的金属氧化物， 主要用于检测一氧化碳、 乙醇、 甲烷、 异丁烷和氢。 四、湿敏传感器 所谓湿度，就是空气中含有的水蒸气。 金属陶瓷的湿敏原理大致是， 当水分子附着在半导体陶瓷上， 使陶瓷表面层的电阻值明显下
线圈中的感应电动势： e W 线速度型： e＝WBlv sin 角速度型： e kWBA
d dt
（二）磁阻式 磁阻式传感器则是使线圈与磁铁固定不动， 由运动物体运动来影响磁路的磁阻， 从而引 起磁场的强弱变化，使线圈中产生感应电势。 二、压电式传感器
压电效应：某些物质，如石英、钛酸钡，锆钛酸铅(PZT)等，当受到外力作用时，不仅几
0r 2 a )角位移型C 2
dC 0r 2 常数 d 2 bx b)平面线位移型C 0 S dC 0b S 常数 dx 2 0x c)圆柱体线位移型C ln( D / d ) 2 0x dC S 常数 dx ln( D / d )
第三节 电阻、电容与电感式传感器 一、电阻式传感器
R
(一) 金属电阻应变片 常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。 其工作原理都是基于应变片发生机械变形 时，其电阻值发生变化。
l A
dR
dR
R R R dl dA d l A
l l dl 2 3 dr 2 d 2 r r r dl 2dr d R l r 线圈自感量 L 为：

W2 L Rm Rm l 2 A 0 A0
W 2 0 A0 L 2 W 2 0 A0 S 2 2
（2）涡电流式 涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。
涡电流效：应金属板置于一只线圈的附近，相互间距为。当线圈中有一高频交变电 流 i 通过时，便产生磁通。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流。这种 电流在金属体内是闭合的，称之为“涡电流”或“涡流” 。 （二）互感型——差动变压器式电感传感器