测试技术第三章常用的传感器

第三章常用的传感器

1. 传感器：

广义上，传感器是在特定条件下将感受到的物理量，按照一定规律变换为与之相应的、易于检测、便于传输、处理或显示的另一种物理量的测量装置或元件。

狭义上，传感器就是将非电量转换成电量的装置或元件。因为电信号易于检测、远距离传输、存储、显示、再现和运算处理，所以通常是将被测量转化为电量。

2. 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，转换为易测信号，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。

在工程上也把提供与输入量有给定关系的输出量的器件，称为测量变换器。传感器就是输入量为被测量的测量变换器。

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。

传感器技术是当今信息工程的三大重要支柱之一。传感器技术（信息的采集和转换）、通讯技术（信息的传递）、计算机技术（信息的处理）。

第一节传感器的分类

传感器分类方法很多。

1.按被测量分类

可分为位移传感器、力传感器、温度传感器等；

2. 按传感器工作原理分类

可分为机械式、电气式、光学式、流体式等；

3. 按信号变换特征

可概括分为物性型和结构型。

物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换的。仍如用水银温度计测量，是利用水银的热胀冷缩现象；压电测力计是利用石英晶体的压电效应等。

结构型传感器则是依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化等。

4. 按输出信号分类

可分为模拟式和数字式。

5. 按能量变换关系

根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，可分为能量转换型与能量控制型。

能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等；在这种情况下，传感器由被测对象吸取能量，产生负载效应，导致被测对象状态的变化和测量误差。

能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给辅助能量使传感器工作的(图3-1)，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由被测量变化所引起的电阻变化去控制电桥输出。

第二节机械式传感器

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，故又称之为弹性敏感元件。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本身的弹性变形。这种变形经放大后可成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。这种传感器的典型应用实例有：用于测力或称重的环形测力计、弹簧秤等；用于测量流体压力的波纹膜片、波纹管等；用于温度测量的双金属片等，如图3-3所示。

机械式传感器做成的机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、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。此外，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，然后用其他型式的传感器(如电阻、电容、电涡流式等)将位移量转换成电信号输出。

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。而弹性后效则与材料应力—松弛和内阻尼等因素有关。这些现象最终都会影响到输出与输入的线性关系。因此，应用弹性元件时，应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取有效措施。

第三节电阻式传感器

导体的电阻值计算公式为：

电阻式传感器是利用外界条件来改变公式中的ρ、l、A三个参数中的一个或几个把被测量如力、位移等转换为电阻值的变化，然后通过对电阻值的测量来达到测量被测量的目的。

有些导体或半导体还具有热敏效应、光敏效应可制成热敏电阻和光敏电阻。

电阻式传感器是按其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计式传感器，它通过改变电位器触头位置，把位移转换为与之对应的两者有一定函数关系的电阻或电压输出。所以，只要是能转换为位移的量，均可用这种传感器来检测，如力就可转换成位移。

常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如图3-5所示。

1.线位移变阻器式（电位计式）传感器的计算及结构

图3-5a 为直线位移型。当被测位移变动时，触点C 沿变阻器移动。若移动x ，则C 点与A 点之间电阻值 R=k l x 传感器灵敏度l k dx

dR S == 式中k l ——单位长度内的电阻值。

当导线分布均匀时，k l 为一常数。这时传感器的输出(电阻)与输入(位移)成线性关系。

图3-5b 为回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化。 其灵敏度a k d dR S ==α

式中α——转角[rad)；

k a ——单位弧度对应的电阻值。

当要检测的量为力时，力P 与位移x 成某种函数关系下x ＝g(P),即P=g -1(x)=f(x)希望由位移而引起的阻值的变化ΔR 与被测量P 成直线关系，这样利于标定，即要求：R ＝SP

S--传感器灵敏度

由于力的作用，使滑线变阻器上的触点C 移动的距离Δx 和与之相应的电阻值的变化ΔR 成了非线性关系，所以只有采用非线性的骨架，才能获得力与电阻之间的直线关系。

设变阻器上各点的电阻分布率为r (x )=k 1y 为所求。

k 1---系数； y---C 点的高度

所以AC 间的电阻为ξξd r x R x

?=0)()( 我们希望： R (x )=S ?P =S ?f (x )

所以 )()()(0x f S d r x R x

?==?ξξ 可得 dx

x f S d x r )]([)(?=

因此，只要已知f(x)就可求出r(x),即变阻器的骨架形状。

图3-5c 是一种非线性变阻器式传感器，其骨架形状需根据所要求的输出f (x )来确定。 例如，输出f (x )＝kx 2，其中x 为输入位移，为要得到输出电阻值：R (x )与f (x )成线性关系，变阻器骨架应做成直角三角形。如果输出要求为f (x )＝kx 3，则应采用抛物线形骨架。 2. 测量电路

变阻器式传感器的后接电路，一般采用电

阻分压电路。在直流激励电压u 0作用下，将传

感器敏感元件的输出—电阻的变化变成输出

电压的变化。如图3－6所示。

当电刷移动x 距离后，传感器的输出电压