机械工程测试技术基础第三章方案

阻 亦可称为扩散型半导体应变片。这种元件是以单晶硅为
式 基底材料，按一定晶向将P型杂质扩散到N型硅底层上，
传
此P型层就相当于半导体应变片中的电阻条，连接引线后 就构成了扩散型半导体应变片。
感
由于互相渗透，结合紧密，所以基本上为一体。
器 在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形状。这时
基底就是弹性元件，导电层就是敏感元件。当有机械力
测试 技术
第三章 常用传感器
测
试 技
主要研究内容： 1.了解传感器的分类 2.常用传感器测量原理
术 3.传感器选用
基
础
测试 技术
检测系统： 信号检出
信号处理
信号显示
信号监控
传感器（重要、关键）
一、传感器的作用
传感器 --- 被测信息按照一定的规律转换成某种可用信号输出器件/装置
物理量、化学量、生物量/其他
作用时，硅片产生应变，使导电层发生电阻变化。一般
这种元件做成全桥形式，在外力作用下，电桥产生相应
的不平衡输出。
测试 技术
电 阻 式 传 感 器
测试 技术
在设计传感器硅膜片时，为了使传感器有较好的 线性输出，硅膜片的应变不宜；立大，对半导体应变 片和硅杯扩散电阻，一般不超过500pc为宜。如图4— 55所示结构的硅膜片， 其应变分布如图所示。
测试 技术
电容式传感器的特点
电 容
输入能量小，灵敏度高；
式
动态特性好；
传
能耗小；
感
结构简单，适应性好；
器
非线性较大；
电缆分布电容影响大。
测试
技术 3.4 电感式传感器
第
三
电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量 转化为电感量的一种装置。
章
分类:
常
电感式传感器
用
传
感
器
自感型 互感型
可变磁阻型 涡流式
章
2）、由于放大和指示环节多为机械传动，不仅受间 隙影响，而且、惯性大，固有频率低，只宜用于检测
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缓变或静态被测量。（为了提高测量的频率范围，可
先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后用其他形式
常
的传感器(如电阻、电容、电涡流式等)将位移量转换成 电信号输出。）
用
3）、弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象。材料的 蠕变与承载时间、载荷大小、环境温度等因素有关。而
位、压力等）。
概
• 传感器在非电量电测系统中的作用：
一是 敏感作用：
述
感受并拾取被测对象的信号
二是变换作用：
被测信号转换成易于检测和处理的电 信号
测试 技术
2. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类:
概
位移传感器,流量传感器,温度传感器等.
(2)按传感器元件的变换原理分类:
述
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.
常
本身的弹性变形(或应变)。这种变形可转变成其他
用
形式的变量。例如被测量可放大而成为仪表指针的 偏转，借助刻度指示出被测量的大小。
传
感
器
测试 技术
第 三 章
常 用 传 感 器
测试 技术
第 1）、机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、
三
价格低廉、读数直观等优点。但弹性变形不宜大，以 减小线性误差。
测试 技术
概
述
测试 技术
3. 传感器的性能要求
概 • 足够的容量
• 匹配性好，转换灵敏度高 • 精度适当，稳定性高
述 • 反应速度快，工作可靠性高
• 适应性和适用性强
测试 技术
3.2 机械式传感器
第
三
章
机械式传感器应用很广。在测试技术中，常常
以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以
是力、压力、温度等物理量，而输出则为弹性元件
式 电刷和电阻元件之间接触面变动和磨损、尘埃附着等，
传
都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化，
感
从而产生噪声。 变阻器式传感器被用于线位移、角位移测量在测
器 量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。
测试 技术
3、固态压阻式传感器
固态压阻式传感器的工作原理是利用半导体材料的
电
电阻效应。固态压阻式传感器中的敏感元件则是在半导 体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，所以
电 常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性 阻 型等。 式 传 感 器
函数电位器
测试 技术
电
变阻器式传感器的 后接电路，一般采
阻
用电阻分压电路
式
传
感
器
测试 技术
变阻器式传感器的优点是结构简单、性能稳定、
使用方便。
电
缺点是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。
阻
提高分辨力需使用更细的电阻丝，其绕制较困难。 由于结构上的特点，这种传感器还有较大的噪声，
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.
电阻式,电容式,电感式,压电式、光电式等.
测试 技术
(3)按传感器的能量传递方式分类:
概
能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.（无源 传感器） 例如:热电偶温度计,压电式加速度计.
述 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能
测试 技术
1 自感型--可变磁阻式
原理:电磁感应
电
感 式 传 感
Rm

l
A
2 0 A0

2 0 A0
器
L
N2 Rm

N 20 A0 2
测试 技术
a)变间隙型
S

dL
d


N 20 A0 2 2

L

测试
技术 b)变面积型
电 感 式 传 感 器
c）螺线管型
S dL N 20 dA 20
述 容式压力传感器，则经过压力一膜片弹性变形(位移)一电容变化的 转换过程。此时膜片是一个由机械量一机械量的换能件，由它实现 第一次变换；同时它又与另—极板构成电容器，用来完成第二次转 换。再如电容型伺服式加速度计(也称力反馈式加速度计)，实际上 是一个具有闭环回路的小型测量系统，如图3-2所示。这种传感器 较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。
便于处理和传输的信号
人的五官：眼睛 耳朵 鼻子 舌头 皮肤
视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉
测试 技术
二测试、传感器的分类
技术
分类法
型式
按基本效应分类 按构成原理分类
物理型 化学型 生物型
结构型 物性型
按能量关系分类
能量转换型 能量控制型
说明
采用物理效应进行转换 采用化学效应进行转换 采用生物效应进行转换
E )
测试
技术 (1) 金属应变片（不变）
dR (1 2)
R
电
S 1.7 3.6
阻
式 (2) 半导体应变片（变化）
传
感
dR E
器
R
S 60 170
金属应变计
半导体应变计 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，其电阻率发 生变化的现象。从半导体 物理可知，半导体在压力、 温度及光辐射作用下，能 使其电阻率P发生很大变 化。
测试 技术
4) 应用
案例：
电 阻 式 传 感 器
测试
技术
案例：电子称
德国HBM电阻应变式传感器
电 阻 式 传 感 器
原理
将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
测试 技术
2、变阻式传感器
变阻器式传感器亦称为电位计式传感器，它通过改 变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻R的变化。
电 阻 式 传 感 器
r

3p 4E
1 2
r0 h
2

测试 技术
固态压阻式传感器主要用于测量压力与
电
加速度。 由于固态压阻传感器是用集成电路工艺
阻
制成的，测量压力时，有效面积可做得很小，
式
因此这种传感器频响高，可用来测量几十千
传
赫的脉动压力。 测量加速度的压阻式传感器，如恰当地选
测试 技术
应变计
2) 金属应变计
电
阻
• 金属应变计有: • 丝式和箔式
式 • 优点:稳定性和温
传
度特性好. • 缺点:灵敏度系数
感
小.
器
测试 技术
应变计
3) 半导体应变计
• 体型
电
阻
• 薄膜型
式
传 • 扩散型
感
• 优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的
器
元件.
• 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
测试
技术
d)差动电感型
电 感 式 传 感 器
L
U 2
R2 L2 Ui
测试 技术
2 涡流式
原理:涡流效应
电 感 式 传 感 器
原线圈的等效阻抗Z变化： Z Z ( , , ,)
测试 技术
电涡流传感器的测量电路——并联谐振电路
电 感 式 传 感 器
测试 技术
电

I
三 章
R l
A
•按工作的原理可分为:
常
电阻应变式
热敏式
用
传
变阻器式
光敏式
感 器
固态压阻式
电敏式
测试 技术
1、电阻应变式传感器--应变片
金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变
电 效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电
阻
阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变 化的现象。

常
C

0 A
用
+A
+ +
传

感
当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。
器 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。
测试
技术 2 分类
+
a) 极距变化型;
电
+ +
容
式
传
感 器
S

0 A0
1
2
测试 技术
b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.
感
择尺寸与阻尼系数，可用来测量低频加速度
器
与直线加速度。
由于半导体材料的温度敏感性，因此，
压阻式传感器的温度误差较大，使用时应有
温度补偿措施。
测试
技术
4、典型动态电阻应变仪
电 阻 式 传 感 器
测试 技术
3.3 电容式传感器
第 三 1.变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化 章 两平行极板组成的电容器,它的电容量为:
量的变化. （有源传感器）例如:电阻应变片.
能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过 程中实现敏感检测. 例如:超声波发生器和接受器.
测试 技术
(4)按输出信号分类:
模拟式传感器和数字式传感器。
概
需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个，也可能有 几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式位移传感器 是位移一电容变化的能量控制型传感器，可以直接测量位移。而电
转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和
转换元件组成(GB766-87)。
常
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从
用 狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信
传 号的器件或装置。
感
器
测试 技术
获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变
化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水



R
2
R
2fL2

j
R2
2f L
2fL2

2fcU
感
发生谐振时回路的电流和电压同相，此时电路等 效阻抗最大且具有纯电阻性，电路中的总电流很小。
式
传
感
器
测试 技术
调幅测量法
调频测量法
测试
技术 a)高频反射式：（集肤效应）
传
弹性后效则与材料应力-松驰和内阻尼等因素有关。都 会影响到输出与输入的线性关系。因此，应用弹性元
感 件时，应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取
器 有效措施来改善上述诸现象产生的影响。
测试 技术
第 三 章
常 用 传 感 器
测试 技术
3.3 电阻式传感器
第 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器
以转换元件结构参数变化实现信号转换 以转换元件物理特性变化实现信号转换
传感器输出量直接由被测量能量转换而来 传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制
按工作原理分
电阻式 电容式 电感式 压电式 磁电式 热电式 光电式 光纤式
利用电阻参数变化实现信号转换 利用电容参数变化实现信号转换 利用电感参数变化实现信号转换 利用压电效应实现信号转换 利用电磁感应原理实现信号转换 利用热电效应实现信号转换 利用光电效应实现信号转换 利用光纤特性参数变化实现信号转换
长度、角度、振动、 按输入量分类 位移、压力、温度、
流量、距离、速度等
以被测量命名（即按用途分类）
按输出量分类
模拟式 数字式
输出量为模拟信号（电压、电流、……） 输出量为数字信号（脉冲、编码、……）
测试
技术 3.1 概 述
第 三
1. 传感器(Sensor)定义
章
传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律
式
传
感
器
测试
技术 1) 工作原理
R 金属应变片的电阻R为
l
A
电 阻
dR

R l
dl

R

d

R A
dA
式
A r2 dA 2 rdr
传 感
dR R

dl l

d
2
dr r
器
dr r


l l

,
d



E
dR R

(1
2

电
容
式
传
角位移型
感
器
测试 技术
电 平面线位移型 容 式 传 感 器
柱面线位移型
测试 技术
c) 介质变化型
电 容 式 传 感 器
测试
技术 3 应用
电 容 式 传 感 器
1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度 2.位移，移动，位置，膨胀 3.挠度，变形，波动，倾斜 4.尺寸，公差，分选，零件识别 5.冲击，应变，轴向振动 6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心