传感器原理及其在测试中的应用

张鹏涛

（凯迈（洛阳）测控有限公司，河南 洛阳 471000）

1 传感器简介

传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，是测量系统中的一种前置部件，能将输入变量转换成可供测量的信号。传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件，而传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器。传感器是传感器系统的组成部分，是被测量信号输入的第一道关口[1]。

2 传感器的主要特性

2.1 稳定性

稳定性是指在整个工作时间段传感器对基本响应的稳定性，是传感器的一个重要指标。传感器的稳定性主要取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是在没有目标信号时，传感器在整个工作时间内的输出响应。区间漂移是传感器在连续目标信号时，输出响应信号的变化，表现为输出信号在整个时间段内强度的变化。

2.2 灵敏度

灵敏度是指输出信号和输入信号的比值，取决于传感器自身的性能。多数传感器的设计原理都物理、化学及光学结构。传感器的选择要保证其对测量信号有足够的灵敏度。

3 测试设备中常用传感器分析

3.1 光电开关

光电开关通过探测发射端和接收端之间的光的强弱变换，将光的变化转化为电流的变换，从而实现探测的目的。由于光电开关的输入和输出回路之间是隔离的，所用可以应用到很多场合[2]。

3.1.1 工作原理

光电开关利用检测物体对光束的遮挡或反射，产生电信号的选通，实现对检测物体的有无或位置信息的测量。光电开关的检测物体不仅局限于金属，所有可对光线进行反射或遮挡的物体均可被检测。

在光电开关的1脚和2脚加一个电压（5 V），发光二极管产生光源。光电二极管接收到光线后，3脚和4脚导通。导通的阻抗受接收的光源强弱决定，若光电开关被遮挡，光电二极管无法接受光源，则光电开关3脚和4脚截至。

反射型光电开关与其原理相似，只是发光二极管发出的光源需经过反射后才能被光电二极管接收。其光电二极管两端是否导通，同样受接收光源强弱决定。

3.1.2 在测试设备中的使用

由于光电开关具有安装方便、使用简单及性能稳定等特点，所以被广泛应用于测试设备。特别是一些到位信号的检测方面，通过简单结构件对光路进行遮挡，即可实现光电二极管两端信号的变化，从而产生到位信号。

对于光电开关在测试设备中的故障排除可以从如下几个方面进行测试。

（1）光电开关中发光二极管两端（1脚和2脚）是否存在电势差（一般为5 V，由光电开关的型号及在实际中的应用决定）。

（2）在发光二极管两端存在电势差和光路未被遮挡的情况下，测量光电二极管两端电势应相同。在光路被遮挡的情况下，光电二极管两端应截至。

（3）光电二极管及发光二极管符合二极管的特性，可以用万用表进行二极管测试。

（4）光电开关管脚焊接位置容易受力，导致接触问题，应重点检查。（可采用“菲利普接头”的形式消除受力问题）

光电开关在普通光照环境下能稳定工作，但使用时还应回避将传感器光轴正对强光源。

3.2 热电偶

3.2.1 热电偶的简介

热电阻主要利用金属的电阻值随温度变化而变化的特性来对温度及温度的变化量进行测量。目前，较为广泛使用的热电阻材料为镍、铜及铂等，它们具有性能稳定、温度范围宽、温度系数大、线性度好及加工容易等特点。

3.2.2 热电偶的工作原理

当金属两端处于不同温度时，自由电子便会从高温区向低温区扩散，从而产生从高温区到低温区的热电流。热电偶使用不同的两金属连结成回路，由于不同金属的电子扩散速度存在差异，扩散电流大小也会不同，因此在连结回路中将存在微小的静电流。电流的大小取决于金属两端的温度差，也取决于金属之间的材质差异，其原理如图1所示。

图1 热电偶原理示意图

3.2.3 热电偶的使用

（1）通过查询分度表测得被测件温度

实际使用中，热电偶的工作端与被测件接触，自由端悬空与仪表相连。对自由端的电势差进行测量，查询其热电偶对应的分度表，得出被测件（接触点）的温度。这种状态下要求自由端处于恒定的零度状态。

但在很多情况下，冷端的温度并不是0 ℃，而是某一个温度“Tn”。因此，测试时，必须对测量到的电势进行修正：

热偶电动势=仪表测量值+室温修正值，即测量冷端温度换算出电压值，与热电偶的电压值相加，根据分度表换算出实际温度。

（2）通过专用温度仪表进行温度测试

如果使用专用的温度仪对温度进行测量，只需将热电偶的测量端与被测温度点相连，自由端与温度仪的输入相连。温度仪会自动根据室温对自由端进行电势的温度补偿，同时将所测得的电势转化为温度显示出来。

用专用温度仪表进行温度测试时，需注意热电偶的型号要与仪表的设置型号一致，否则测量端的温度值将不能正常显示。

3.3 电阻应变片

3.3.1 电阻应变片简介

电阻应变片简称应变片，是用于测量应变（受力变形）的元件。通过将应变片粘贴结构件上，能够将结构件上的应变的变化转换为应变片电阻的变换，从而实现结构件应变的测量。

电阻应变片通常是由金属材料绕成栅状，夹在两层绝缘薄片中制成，用导线与金属材料相连，作为应变片的引线，如图2所示。

3.3.2 电阻应变片的工作原理

金属丝的电阻值除了与材料的性质有关外，还与金属丝的长度、横截面积有关。将应变片粘贴在结构件上，当结构件受力变形时，金属丝的长度及横截面积也随着一起变化，进而导致电阻的变化。金属丝在产生应变效应时，应变与电阻变化率dR/R成线性关系：

其中，Ks为材料的灵敏系数，其值与金属丝的材料有关，是金属材料的电阻应变效果是否显著的标志。ε为该点的应变。

图2 电阻应变片结构示意图

需注意，电阻应变片的应变量受应变的作用力是否与应变片的受力截面一致有关。应变的作用力与应变片的截面一致，则应变片的应变量最大，否则相反。

3.3.3 电阻应变片在测试设备中的应用

测试设备中，电阻应变片主要用于结构件所受应力量的测量。通过把应变片粘贴在结构件上，把结构件所受应力的大小转换为电阻的变化，从而产生电压信号，对其放大后进行测试。

3.4 电桥电路

3.4.1 电桥简介

电桥可以实现对电阻变量的测量，具有结构简单、线性好、精度高、测量范围宽及灵敏度高等特点，被广泛应用于测试设备。

一个电源及4个连接在一起的电阻可以组成一个简单的电桥电路，如图3所示。

图3 电桥组成示意图

图3中，E为电源，U为电桥B、D两端的电势差。依据电阻的分压原理可以得出：

如果R1R3=R2R4，则U=0，此时电桥处于平衡状态，电桥两端没有电压信号输出。当某个电阻的阻值发生变化时，电桥将会出现不平衡，使电桥BD两端之间产生电势差。

3.4.2 电桥在电阻应变片测试系统中的应用

将电阻应变片粘贴在结构件上组成电桥电路。把结构件所受应力的大小转换为电阻的变化，从而产生电压信号。对产生的电压信号进行放大后，可以实现对结构件所受应力大小的测量。为提高灵敏度，结构件所受应力的测量通常使用四臂电桥。

3.4.3 应变片在电桥电路中的三种连接方式

图3中电桥的四个桥臂的电阻分别记为R1、R2、R3和 R4。

（1）若4个电阻均为电阻应变片，则为全桥接法。

（2）若其中两个桥臂为电阻应变片，另外两个为无感电阻，则为半桥接法。

（3）若其中一个桥臂为电阻应变片，而另外三个无感电阻，则为单臂接法。

3.4.4 电桥电路中的三种连接方式灵敏度的比较

使用全桥进行测量，当被测件发生受力而产生变形时，贴在其上的应变片R1、R2、R3和R4将产生应变分别记为 ε1、ε2、ε3及 ε4。应变片的电阻值将发生响应的变化，分别记为ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4。依据电阻的分压原理，可求得此时电桥的输出电压为：

当粘贴在结构件上的应变片产生相应的应变时，通过电桥可以将这种应变线性地转变为电压的变化。使用时只要对这个电压进行测量，就可以通过仪器对结构件的应变进行测量。

处于电桥的相对位置的应变应相加，相邻桥臂的应变应相减。电桥的这一特性被称为加减特性。为了让电桥有高灵敏度，设两两相邻桥臂是差动关系且可得到全桥的灵敏度比半桥高，半桥的灵敏度比单臂桥高。

4 结 论

传感器的使用早已渗透到人们生活的方方面面，特别是工业生产、资源调查、海洋探测、医学诊断及生物工程等领域。作为人们快速获取、分析及利用信息的基础，传感器必将获得快速的发展。