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工程测试技术 工程测试技术第三章 传感器原理及应用 本章学习要求： 了解传感器的分类； 掌握常用传感器测量原理； 了解测量电路； 了解智能传感器的概念； 了解典型传感器的应用。 本章目录 3.1 概述（4学时） 3.2 电阻式传感器 3.3 电感式传感器（2学时） 3.4 电容式传感器 3.5 磁电式传感器 3.6 压电式传感器 3.7 热电式传感器（2学时） 3.8 光电式传感器（2学时） 3.9 其它类型的传感器 3.10 传感器的应用 3.1 概述 人类通过五种感官获取信息，在人的一生中发挥着传递信息和指导人类活动的重要作用 眼——视觉，83% 耳——听觉，11% 鼻——嗅觉，3.5% 舌——味觉，1% 手——触觉，1.5% 人类感官获取信息的局限性 感官生理机能的限制 视觉：0.38～0.78μm 听觉：20Hz～20KHz 神经脉冲的速度：250Km/h 受限于不同个体的思维和理解能力 机械师听声识故障 中医切脉、CT图像、超声图像 对音乐的感受 信号的频谱分析 人类感官的延伸—传感系统 传感器的作用类似于人的感觉器官。它把被测量如力、位移、温度等，换为易测信号，传送给测量系统的信号调理环节。传感器也可以认为是人类感官的延伸，因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物，例如，用热电偶可以测得炽热物体的温度；用超声波探测器可以测量海水深度；用红外遥感器可从高空探测地面上的植被和污染情况，等等。因此，可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。 传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。 随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素，被视为关键技术之一受到了普遍重视。深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中自动测量和自动控制的发展，以及人类观测研究自然界的深度和广度都具有重要的实际意义。 1. 传感器的定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。 国标GB/T 7665-2005对传感器的定义 “能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存 储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 2. 传感器的构成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，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。 3. 传感器的分类 按被测物理量分类 按工作机理分类 按信号变换特征 按敏感元件与被测对象之间的能量关系 1) 按被测物理量分类 2) 按工作机理分类 3) 按敏感元件与被测对象之间的能量关系 4) 按信号变换特征 按工作机理分类 3.2 电阻式传感器 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。 电阻式传感器的传感元件是电阻元件，根据欧姆定律工作。 按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、磁敏式、气敏式。 3.2.1 变阻器式传感器 变阻器式传感器类似于电位器，当改变触点位置时，导体的相对长度发生变化，从而测量电阻发生改变，因而可用于位移（包括角位移）的测量。 1. 变阻器式传感器等效电路分析 L-变阻器总长； x-电刷移动量； R-总电阻； Rx-电刷电阻。 x=L*Ex/ E= K*Ex 2. 变阻器式传感器的性能参数 线性(或曲线的一致性)； 分辨率； 整个电阻值的偏差； 移动或旋转角度范围； 电阻温度系数； 寿命。 3. 变阻器式传感器的分类 按测量类型： 按制作方式： 线绕电位器 4. 变阻器式传感器产品 案例一：自动称量装置--配料设备 原理：弹簧→力→位移→电位器→电阻 案例二：煤气包储量检测 原理：钢丝→收线圈数 →电位器→电阻 3.2.2 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器的核心是电阻应变片。 电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。 电阻应变片(strain gage)工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。 1. 工作原理 根据欧姆定律应变片的电阻R为： 有： 电阻变化率与应力之间的关系 a. 对金属应变片 分析式上式，1+2ν项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。在相同条件下1+2ν是常