测试技术第2章1-6节

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第二章 常用的传感器传感器的定义：直接作用于被测量、能按一定规律将其转换成 同种或别种量值输出的器件，叫做传感器。 通常传感器的工作情况如下图所示： 物理量 化学量 生物量 电压(V)

传感器

电流(mA)

频率(Hz) 被检测的物理量：力、位移、加速度、温度等； 被检测的化学量：气体的化学成分、液体中的某种成分的含量等；

被检测的生物量：酶、抗菌素等。传感器将其它类型的被测量转换成电量的好处是： 易于测量、易于传输、易于处理、易于转换

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第二章的主要内容第一节 机械式传感器 第二节 电阻式传感器 第三节 电感式传感器 第四节 压电式传感器

第五节 光敏传感器第六节 其它常用传感器 第七节 传感器的分类 第八节 传感器的性能指标

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第一节 机械式传感器机械式传感器通常以弹性体作为传感器的敏感元件。 力 压力 机械式 传感器 弹性变形

温度一、环形测力计

环形测力计一般用来测力或 称重。应用时，用百分表测量环 形测力计受力后的弹性变形量， 换算成环形测力计的受力值。

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环形测力计携带方便，不需要电源，经常用于现场的称重传 感器或力传感器的校准(通常用千斤顶作为力源)。 环形测力计的测力精度一般为 0.3 %。

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二、波登管式温度计 波登管式温度计测温的原理 是：封闭在感温筒内的酒精的体 积随温度变化，造成波登管的弹 性变形，带动指针转动，指示温 度的数值。 工程中应用的许多温度表就 是这种温度计。 这种温度计的特点：

★结构简单、价格便宜，不需要电源；★读数不精确，惯性大，响应慢，只适于 静态测量。

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三、波纹膜片式压力计 波纹膜片式压力计用于流体 的压力计量。在计量时，流体的 压力作用在膜片上，造成膜片的 弹性变形，带动指针转动，指示 压力的数值。 工程中应用的许多压力表就 是这种压力计。 这种压力计的特点：

★结构简单、价格便宜，不需要电源；★读数不精确，惯性大，响应慢，只适于 静态测量。

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第二节 电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻阻值变化的传感器。 位移 转角 应变 电阻式 传感器 阻值变化

电阻式传感器按照工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两 类。 一、变阻器式传感器

变阻器式传感器也称为电位差式传感器，它通过改变电位器 触头的位置，把位移或转角的变化转换为电阻的变化。

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左图为测量直线位移的变阻器式传感器。 中间图为测量角位移的变阻器式传感器。 右图为测量直线位移的非线性输出变阻器式传感器。 这种传感器价格便宜，但长期使用会因磨损影响性能，并且 其分辨力不高

(一般很难优于20 μm)。

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二、电阻应变式传感器

电阻应变式传感器可用于测量力、扭矩、位移、加速度等。电阻应变式传感器的测量方法是： 把电阻应变片粘贴在弹性体上，通过测量弹性体上(贴片部 位)的应变造成的电阻应变片的阻值变化，间接测量力、扭矩、 位移、加速度等。 (重要概念)

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第三节 电感式传感器电感式传感器是一种把被测量(位移)变换为电感量变化的 传感器，其变换基于电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分 为自感型和互感型。一、自感型--涡电流(电涡流)式传感器 电涡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。

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由于涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗Z(等效电感 L 等)都发生变化，其变化程度与距离 有关。 距离

电涡流 传感器

电感 L

电涡流传感器的检测电路有多种形式，其中调频电路的工作 原理比较简单。

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电涡流传感器可用于动态非接触测量。其结构简单，能防水 和油污，主要性能指标如下： 测量间隙的范围：0~(1~10)mm 最高分辨力： 1 m

电涡流传感器的主要用途： (重要概念) ★在被测金属材质不变的条件下，用于测量与金属之间的间 隙，可测量位移、振动。(这种用途最广！) ★在间隙不变的条件下，用于测量金属的电阻率 和磁导率 的变化，可以作为材质鉴别和无损探伤。

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电涡流传感器的典型应用电涡流 传感器

回转轴的径向摆动和振动测量

钢板厚度测量

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二、互感型--差动变压器式传感器

这种传感器是利用电磁感应中的互感现象(即变压器的原 理),把被测量(位移)变换成感应电势的变化。

由于在应用中常常采用两个次级线圈组成差动式传感器，故 一般又被称为差动变压器式传感器。

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差动变压器式传感器的主要性能为： 测量范围：0~100 mm 测量精度： 0.1 m 有些轧钢机的辊缝仪采用这种传感器进行压下螺丝行程测量。 通常，传感器采用差动结构形式的目的：(重要概念) (1)提高传感器的灵敏度；

(2)增大传感器输出的线性段范围。

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可以应用差动变压器的原理， 通过测量弹性体的微小变形，测 量作用力 F。 这种传感器的主要缺点是有 残余电压。

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第四节 压电式传感器压电式传感器的原理是利用某些物质的压电效应检测作用力。 一、压电效应 外力

压电 材料

表面出现电荷

当外力消失后，材料恢复到原来的状态(电荷消失)。在外 力保持不变时，电荷会泄漏。 因此，压电式传感器不适合测量静 力。 (重要概念)

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二、压电材料

常用的压电材料分为三类：压电单晶、压电陶瓷、有机压电

薄膜 目前使用最多的是压电陶瓷(PZT 锆钛酸铅)。 三、压电式传感器的应用 膜片 压电 材料 质量块

壳体压力传感器 加速度传感器

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压电效应是可逆的：

压电晶片可以做驱动器。对压电晶片施加交变电压，可作为 振动源，做超声波发生器。 四、测量电路

压电式传感器输出信号是很微弱的电荷，而且本身内阻很大， 输出能量很小，给后接电路带来困难。压电式传感器在应用时，一般需要将其输出信号先输入到一 个高阻抗的前置放大器。