第二章基本传感器3ppt课件

1、第六节光电传感器把光能可见光或不可见光的变化转化为电量电阻、电流、电压等变化的器件称为光电器件如光电池、光三极管等。用一个或几个光电器件把欲测量的物理量长度、宽度等转换成电量的装置称为光电传感器。光子效应和光热效应光电管与光电倍增管光敏电阻结型光电器件光电传感光子效应，是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为，光子能量是h，h是普朗克常数，是光波频率，所以光子效应就对光波颠率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的储况下，其响应速度一般比较快。光电传感光热效应。探测元件

2、吸收光辐射能量后，是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度比较慢，而且容易受环境温度变化助影响。光电传感热释电：材料自发的极化电荷量与温度有关。在居里温度以下，才有热释电现象。当强度变化的光照射热电体时，热电体的温度发生变化，Pj亦发生变化，面电荷从原来的平衡值跟着发生变化。热释电体表面附近的自由电荷对面

3、电荷的中和作用比较缓慢，一般在1一l000秒量级。好的热电体，这个过程很慢。在来不及中和之前，热电体表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化。把热电体放进一个电容器极板之间，把一个电流表与电容两端相接，流过电流表的称为短路热释电流。光电传感光子效应和光热效应光电传感光电效应光电传感器的作用是：光源产生光通量，光通量的参数受被测对象控制，然后由光电器件接收再转变为电参量的变化进行测量。而光电器件的基础是光电效应。由光的粒子学说知道光可以被看成是由一定能量的粒子组成。而每个光子所具有的能量E的粒子轰击在物体上。光电效应就是由于物体吸收了能量为E的光子后产生的电效应。光电传感从变换器的角度看光电效应应

4、分为三类。外光电效应是指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管与光电倍增管均属于这一类。它们的光电发射极光阴极就是用这种特性的材料制成的。内光电效应是指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。由于这里没有电子自物质向外发射，仅改变物质内部电阻，称之为内光电效应。光电传感除金属外，大多数绝缘体和半导体都在这种现象，其中以半导体较显著，一般用半导体材料制成光电导管或光电导器件，这类器件又称为光敏电阻。有PN结、PIN结、肖特基结以及异质结阻挡层势垒的光电器件半导体PN结或有阻挡层的器件受光照时，吸收光子的能量产生载流子，使PN结阻挡层产生电动势，或使PN结的光电流增加，称这种现象为PN

5、结的光电效应。利用光电效应制成的光电器件有光伏电池、光敏二极管和光敏三极管。光电传感光电管的示意及其连接光电传感光电管与光电倍增管在抽成真空的玻璃泡内，放置两个电极光阳极和光阴极图a,b）,这种装置称为光电管。阳极是用一细长金属丝弯成圆形或矩形，放在玻璃泡中央，引线至管脚。阴极是在玻璃泡上涂上阴极材料，或放入一定形状的涂有涂料的金属板。图C给出了光电管的符号及联接线路。光电管阳极A通过电阻Rb接电源正极，阳极K接电源负极，因此光电管内建立了一个阳极为正，阴极为负的电场。光电传感光电管的示意及其连接阴极受到光线照射时，产生光电效应而发射电子，电子在电场的作用下被阳极收集形成光电流i。当光线强度改

6、变时，光电流i及负载电阻Rb上的电压随之发生变化，光信号就转变为对应的电信号了。除真空光电管外，有充气光电管，后者玻璃泡内充有惰性气体如氩、氖等。当电子流向阳极的过程中，运动着的电子轰击惰性气体，使其电离，产生更多的电子，提高光电变换灵敏度。通常充气光电管的灵敏度比真空光电管高510倍，但是充气光电管的非线性也增加很多。一般精密测量不用充气光电管。光电传感光电管特性光电特性，光通量、光电流和阳极电压光电特性，光通量、光电流和阳极电压关系。光电特性成线性关系。阳极电压关系。光电特性成线性关系。阳极电压越大，阳极吸引电子能力越强，因此光越大，阳极吸引电子能力越强，因此光电变换灵敏度越高。（图电变换

7、灵敏度越高。（图a）。）。光谱特性，入射光的光谱与变换灵敏度光谱特性，入射光的光谱与变换灵敏度的关系。特性与阴极材料有关，普通光的关系。特性与阴极材料有关，普通光电管最大灵敏度在近红外，而且红外光电管最大灵敏度在近红外，而且红外光谱范围内也有较大的灵敏度图谱范围内也有较大的灵敏度图b中曲线中曲线1）；）；光电管特性（a光电特性（b光谱特性锑铯阴极光电管的最大灵敏度在紫蓝光谱范围图b中曲线2）；含有多种成分如锑、钾、钠和铯等的光阴极，在较宽的可见光谱范围内有较高的灵敏度图b中曲线3）。从图b可看出,不同的光阴极,对应于最大灵敏度波长不同。选择光电器件时,应使其最大灵敏度在需要测定的光谱范围内。频

8、率特性：灵敏度与光强频率的关系。真空光电管工作在频率1兆赫以上仍能保持很高的灵敏度。而充气光电管的放电需要一定时间,故工作频率只能低于1千赫。光电倍增管的结构与原理利用二次电子发射现象,使光电转换灵敏度大大增加。在玻璃管内除装光电阴极和阳极外,装有若干倍增极。倍增极上涂以在电子轰击下可发射更多次级电子的材料,当有光落到光阴极K上,阴极发射的电子移向倍增极D1,这些电子在D1表面上打出更多的二次电子。这些二次电子再移向D2,再由D2表面打出电子,依次下去,直到阳极。光电倍增管构造原理光电倍增管的主要参数:倍增系数，倍增系数， 如果每极的倍增率为如果每极的倍增率为,有有n极极,则倍增系数则倍增系数

9、M=Cn ,其中其中C为收集为收集系数系数,它反映倍增极收集电子的效率它反映倍增极收集电子的效率.一一般光电倍增管的般光电倍增管的M值可在值可在105-107之间。之间。稳定性为稳定性为1%。暗电流，暗电流， 当光电倍增管用来测量微弱当光电倍增管用来测量微弱光强时光强时,暗电流影响较大。一般光电管暗电流影响较大。一般光电管可忽略暗电流可忽略暗电流,而倍增管中暗电流在微而倍增管中暗电流在微安数量级安数量级,其值随温度与加速电压有关。其值随温度与加速电压有关。光电特性，光电特性， 在光通量不很大的范围在光通量不很大的范围内内,光电特性的线性很好光电特性的线性很好,光电灵敏光电灵敏度高达每毫流明几毫

10、安。因此光通度高达每毫流明几毫安。因此光通量稍大一点就会出现量稍大一点就会出现饱和饱和现象现象,而且会使电极迅速进入疲劳状态或而且会使电极迅速进入疲劳状态或损坏。必须注意损坏。必须注意,在工作时不能有强在工作时不能有强光照射倍增管的阴极。光照射倍增管的阴极。工作范围，工作范围， 10-510-16lm。10-9lm以下微弱光，可见一个一个的以下微弱光，可见一个一个的光电子脉冲序列。光电子脉冲序列。光敏电阻结构与原理光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成,是纯电阻元件,其阻值随光照度增加而减小。光敏电阻是在半导体材料上蒸镀上金属电极,形成交错排列成梳状电极如图a。这种几何排列使得间距很近的电极

11、间,具有较大的光敏面积。从而获得高的灵敏度。光敏电阻的符号和联接见图b,使用时可加直流电压或交流电压。当光敏电阻RG的阻值随光照强度而变，通过负载电阻RL的电流及其两端的电压亦随之改变。光敏电阻（a光敏电阻的结构（b光敏电阻的符号和连接光敏电阻的特性 暗电阻、亮电阻及光电流暗电阻、亮电阻及光电流光敏电阻在黑暗时的电阻值一般大于光敏电阻在黑暗时的电阻值一般大于10M,此时电阻值称为暗电阻；若它被此时电阻值称为暗电阻；若它被光线照射光线照射,电阻值显著降低电阻值显著降低,称为亮阻称为亮阻,其阻其阻值为值为K数量级。暗阻与亮阻之比在数量级。暗阻与亮阻之比在102-106之间之间,这一比值越大这一比值

12、越大,光敏电阻越灵敏。光敏电阻越灵敏。在固定电压下在固定电压下,光敏电阻在全暗和光照射两光敏电阻在全暗和光照射两种条件下种条件下,电流值的变化量称为光电流电流值的变化量称为光电流,此此值愈大愈好。值愈大愈好。 光谱特性：光敏电阻的光谱特性与所用的光谱特性：光敏电阻的光谱特性与所用的材料有关。例如硫化镉的光谱响应峰值材料有关。例如硫化镉的光谱响应峰值落在可见光区落在可见光区,硫化铝的光谱响应峰值落硫化铝的光谱响应峰值落在近红外区。在近红外区。有下列优点有下列优点: 体积小体积小,重量轻重量轻,结构简单牢固结构简单牢固,允许光电流大允许光电流大,工作寿命长。工作寿命长。其缺点是其缺点是: 型号相同

13、的光敏电阻的参数也型号相同的光敏电阻的参数也参差不齐参差不齐, 光照特性非线性光照特性非线性,工作频率不高。工作频率不高。有些光敏电阻对红外敏感有些光敏电阻对红外敏感, 是红外探测中是红外探测中很重要的一类光电器件。很重要的一类光电器件。结型光电器件基本原理从晶体管原理可知,当把N型半导体和P型半导体结合在一起,N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴就会相应扩散,结果在PN交界面附近形成一个很薄的空间电荷区,方向为N区指向P区。图是结型光电器件在不同照度下的伏安特性曲线。曲线1是没有光照射下的曲线,与普通二极管伏安特性曲线完全一样，当有光照射时PN结产生的光电流迭加在曲线1上,形成按照强度等距

14、离增加的曲线族。曲线2、3就是照度成比例增加的伏安曲线。结型光电器件原理结型光电器件伏安特性曲线族结型光电器件工作于伏安特性曲线的第四象限时,称为光伏电池或光电池。第四象限的电压为正,电流为负,意味着发生功率或产生电流。若在外电路接一电阻做为光电池的负载,就把光能变成了电能。结型光电器件工作与第三象限称为光敏二极管。第三象限的电流、电压都为负值,表明光敏二极管工作在反向偏置条件下,它的工作原理与一般晶体三极管相似。光电池光谱特性光谱特性 典型的光谱特性示于下图典型的光谱特性示于下图a中中.光照特性光照特性 光电池在不同光照下光生电动势不同光电池在不同光照下光生电动势不同,下图下图b给出了硅光电

15、池的开路电压及短路给出了硅光电池的开路电压及短路电流与光照度的关系曲线。可见短路电电流与光照度的关系曲线。可见短路电流与光照度成线性关系，而开路电压与流与光照度成线性关系，而开路电压与照度则成非线性关系照度则成非线性关系(实际上是对数关系实际上是对数关系)。因此光电池作为测量元件使用时因此光电池作为测量元件使用时,应尽量应尽量使其工作在接近短路状态。使其工作在接近短路状态。a)不加外电源b)加反向外电源c)2DU环极接法光电池特性（a光谱特性（b光照特性红外摄象新型光电传感高灵敏雪崩管PIN管带宽可达100GHz，足目前响应速度最快的一种光电二极3.7 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器

16、 应用应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式式( (直射式直射式) )、吸收式、遮光式、反射式、四种、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。基本形式。 3.7 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 3.7 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 3.7 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 色敏传感光电开关与光电耦合器光电开关与光电耦合器 为用于气体成份分析的FabryPerot干涉仪，白光由多模光纤经自聚焦透镜进入FP腔，腔体两端镀有高反射膜，且是一个气体通道，光束在两反射膜之间产生多次反射以形成多光束干涉，再经自聚焦透镜会聚进入输出光纤，

17、又经探测器探测，当气体成分、浓度不同会引起干涉条纹的变化，相应得到其测量值。利用多相流体中各相介质折射率不同而调制光纤探针中光的强度，得出相应的参数。分辨率高，响应速度快，可广泛应用于多相流体份额、比例的测定、空泡率、流线轨迹以及液体折射率测定，并且可两个探针联合使用相关测定流量。光学传感技术光纤传感技术激光衍射法激光扫描法全息法莫尔法散斑法激光测距激光多普勒测速技术第七节常用物理量的检测本节是在已讨论过基本传感器的基础上，从应用的角度出发，讨论如何用基本传感器组成各种物理量的检测系统。实际的工程实践和科学研究中所需的物理量很多，但通过物理量检测的分析可对物理量测试的基本思路有一明晰的概念。线

18、或角位移、速度和加速度检测力测量粉、块状物料流量测量线或角位移、速度和加速度检测位移和加速度的检测是最基本的物理量检测，许多参量都可转换成这些运动参数。运动参数可以分解为长度和时间两个基本量，因此只要测得位移和时间关系可以得到速度和加速度。几乎每一类传感器都可用于位移量的检测参表2.3），可根据使用要求来选择。一般精度高，速度不大的场合采用差动变压比较合适；而一般高频振动及高速位移的场合则首先应考虑非接触量，如涡流传感器和电容传感器。此外还需考虑被测对象的输出能量，应远远大于传感过程中传感器从被测对象吸取的能量，即保证传感器的工作又不影响被测对象自身的运动。例如，考虑测量天平称盘位移检测选用传

19、感器。首先对外力作用十分敏感，因此传感器对称盘的作用力应极小；此外天平位移测量应精确，稳定性好，零点漂移小。考虑到天平称量运动缓慢，对动态特性不做要求。综合上述因素，可以选择差动变压器作为天平称盘的位移传感器。位移测量实际测量中应用各种传感器测量位移的方法很多，举例如下。检测物品的尺寸上图所示的例子，是检测送料槽中流动着的产品尺寸的设计。圆柱形的产品沿槽流动，经过测量头时，其位移由差动变压器读出，换算成直径。差动变压器的精度按实际需要选用。如果产品不能进行接触测量；例如产品机械强度不够，（如陶瓷产品的瓷胚等），产品温度高速度快如拉丝机拉出的金属丝等轧钢机轧出的钢材应考虑采用非接触测量，如上图的

20、方式。由于遮光面积不同，反映出直径的变化。下图所示是一种检测角度和倾斜的水平仪式的装置。其原理是气泡在气泡中遮断光线时光电传感器就给出相应的信号。这种测量装置的主要由气泡管决定。检测角位移的方法(a)水平的检测；转角测量原理A固定传感器脉冲；B转动传感器初始脉冲；C转动传感器同向转动脉冲；Km1360转角测量检测齿定速转动，轮齿通过电磁感应传感器时，传感器输出固频率的脉冲号下图a）。若转动传感器的初始位置是两输出脉冲信号相位相同，转动传感器向齿轮旋转方向转动角度就会引起输出脉冲滞后原脉冲相位；反之则会使输出脉冲超前相位。设齿轮有K个齿，以角速度旋转。则脉冲频率f=K。两个脉冲间的相位差为360

21、0。相当转动角m=3600/K，则两传感器相位差相当传感器B的转角：转速的测量测量装置稍改变一下可测量齿轮的转速。因为齿轮的转速对应的是传感器输出脉冲的频率，但是使用一个传感器是不能分辨出转动的方向，需同时用二个传感器。初始A、B传感器定位使输出有相位差。当齿轮正向旋转，即相当下图a中展开图V方向运动时，B传感器信号滞后A相位参图b中B脉冲）；若以相反方向运动，则B将超前A，B的相位差可以判别出运动方向，从A或B的脉冲频率得到齿轮转速，从而获得完整的转速测量信息。转速的测量运动速度的测量运动速度的测量包含直线速度与角速度。运动速度测量分为直接测量和间接测量。直接使用磁电式等速度传感器测量测出运

22、动速度；间接测量可采用实时测量距离值进行微分计算的方法获得速度。一般说来，直接测量可获得瞬时速度，间接测量获得某时间间隔内的平均速度。直接速度测量最常见的方法是使用磁电式传感器，直接获得与速度成比例的电压。这种传感器与其他结构组合，可形成相对速度传感器和绝对速度传感器。1)将磁电式传感器的线圈连在一待测物体上，磁钢部分放在另一相对运动物体上，当两物体相对运动时，就测出运动速度图）。2)而绝对速度传感器就复杂一些图）。它有一个质量块m，弹簧K以及阻尼器C组成一个弹簧振子，质量块与壳体间有一相对速度传感器。壳体装在待测物体上。当待测物体按图X1方向运动时，质量块按X01方向运动。此时列出运动方程：

23、相对速度传感器绝对速度传感器1相对运动部件1；2相对运动部件2；Z(t)=x01(t)-x1(t)式中x1(t)是待测物体相对地面的位移；x0(t)是质量块相对地面的运动，所以Z(t)实际是质量块相对与壳体的运动，即图中速度传感器的电压信号反映的是Z(t)。整理上式，写成标准形式方程：dttdzctkzdtxdm)()(201222222)(1)()(2)(1dttXdtZdttdZdttZdnnn式中：称为固有圆频率；称为阻尼比。令：Vx=X1(t);Vz=Z(t);设被测对象做正弦运动X1(t)=Aejwt,则可求出：kMC222222)(4)(1 )(nnnXZVVmkn物体运动的频率是

24、速度传感器系统固频率的1.7倍以上，且阻尼比=0.7，那么:即传感器系统质量块的运动速度近似等于被测物体运动速度值，此时速度传感器输出电压就反映了被测物体的绝对运动速度。1XZVV1XZVV固 有 频 率 约 为1015HZ。从减小幅度值误差和相位误差来考虑。要求使用频率大于78倍的固有频率，此时相位差约为1800。上述测速法是接触式。接触式很早就以实用化，作为其共同的缺点是：(1)、测定装置是被测定物体的负载，有时会使被测定的动态特性发生变化；(2)、耐环境的性能要求高，因为传感器必须与被测体处于同一环境。为克服这些缺点而发展起来的是非接触速度测定。1)从通过固定区间的移动时间求速度的通过时

25、间法；2)利用超声波，微波或激光的多普勒频移法；3)利用对于被测对象表面的“色度不均匀现象作为检测手段的空间滤光法。通过时间法测速:被测对象尺寸达到足以遮断检测光源。滤光接收元件利用对于被测对象表面的“色度不均匀现象作为检测手段的空间滤光法微波雷达测量汽车超速。多普勒频移法中激光多普勒法因光源波束集中，波长短，适于微小区域中测速，故适于测微小粒子运动速度。超声波和微波因波束较分散，波长较长，适于大范围测平均速度，而且测量精度不高。空间滤光法也是测量大块物体的方法。它利用对象表面色度不均产生的亮度不均的反射光，投影在特殊的空间滤光检测器上图上，A、B两电极信号差中含有接近正弦波的窄频率随机信号，

26、该信号的中心频率与物体移动速度成比例。因此要求被测物体面积要大一些。而且测的是平均速度，即使有振动也不受影响，能在造纸，钢铁生产线中使用，作为传送速度和长度的测定。压电式加速度计压电元件分为压电晶体与压电陶瓷两类，应用都很广泛。丹麦BK公司的4378型压电速度计谐振频率13KHZ，测量频率范围误差5%以内时为0.22800HZ。电荷灵敏度约310PC/g，电压灵敏度260mv/g，承受最大冲击500g。可见压电加速度传感器的测量范围大，灵敏度高的特点。加速度的检测加速度可直接从位移，速度微分获得，也可直接测量。直接测量的方法都是利用弹簧、质量块和阻尼器组成的弹簧振子系统，此时壳体与被测物体一起

27、运动，质量块与壳体故相对运动，利用应变或压电效应将质量块的惯性力转变成电信号。将加速度传感器抽象成如图速度传感器类似的力学模型，可导出加速度传感器的输入记做被测加速度X1和输出质量块相对壳体的位移X01之间的幅频特性。在小阻尼时=0.1），由图可见，若被测物体运动频率远低于传感器系统固有频率n,则传感器所测出的微变形完全能反映被测物体的运动加速度。加速度传感器幅频特性如下)(2)(1 1)(22101nnnXXA加速度测量传感器中的测量元件现在大多数都使用压电片。压电元件在受到外力作用产生微变形时产生极化电荷，其电荷量与微变形成正比，因此上式可用来描述压电式加速度传感器的输出、输入特性。当n时

28、，A()1/N2为一常量，压电元件的电荷就反映了被测物体的加速度。图给出了一种典型的压电式加速度传感器。可以看出，压电加速度传感器结构简单，刚性大，传感器的固有 频 率 高 ， 一 般10KHZ以上。压电加速度传感器产生一个与被测物体加速度成正比的电荷量，但这个电荷量很微弱，而压电元件本身的内阻很大，故压电传感器的输出功率极微小，准确测量这一微弱电荷要求后续电路具有非常高的输入阻抗1012欧以上），以使电荷不漏失。压电传感器的后续电路一般为电压放大器与电荷放大器。采用电压放大器的输出电压与传感器，放大器之间联接电缆的电容有关，所以连接电缆的长度，形状和位置都影响输出值，给使用造成困难。采用电荷

29、放大器可以克服连接电缆的影响，但工作频率特性比电压放大器差。现在将超小型阻抗变换器放入传感器内来解决引线电缆的问题。力测量力的定义是F=ma，它取决于质量加速度。力测量的广义含义还包括力矩以力和长度确定），轴功率以力矩和角速度确定）、压力以力和面积确定等项目的测量。力的测量扭矩测量第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理3.63.6压电式传感器压电式传感器 1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应 +串联串联+并联并联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重

30、新回到原来的而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。状态，这种现象称为压电效应。F+q=DF3.6压电式传感器压电式传感器 2 2、测量电路、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。可输入到后续显示仪表中。 产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 3.6压电式传感器压电式传感器 案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析3.6压电式传感器

31、压电式传感器 案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊断3.6压电式传感器压电式传感器 力测量的基本方法有下列几部：平衡比较法将所测力与标准质量所受重力相比较图a）；或与一线圈在磁场中所受的力作平衡比较图b）。(a)(b)测量未知力作用于已知质量上的加速度图c）。将被测力转化成一流体压力，然后在测量压力图d）。将被测力作用在一些特殊元件上，以产生一些可测量的物理效应。最常用的是机械弹性元件将被测力转化成位移下图e）；压电晶体受力后表面产生电荷；压磁元件受力后磁阻发生变化；张紧的金属丝在轴向受力后固有频率会发生变化；某些透明有机材料受力后产生特殊光学图形等均可用来测量未知力。力的测量弹性元件应变式力传

32、感器这是一种将被测力作用于弹性元件的应变，然后再用应变片及后续电路将此转化为电压输出，最后由显示或记录设备读出对应的力的数值。它是目前最为广泛的形式。这种传感器常用的形式有柱型、环型和梁型等类。见下图柱式通常用于测量大的压力，如称重设备，火箭推力等，最大量程可达107N。在载荷较小103105时，为增大柱的曲率半径，便于粘贴应变片，以及抵抗由于载荷偏心或侧向分力引起的变曲影响，往往采用空心柱结构。环式一般亦用以测量500N以上的大载荷，与柱式相比，它的特点是应力分布变化大，且有正有负，便于换成差动电桥。梁式结构的灵敏度较高，适于测量小的载荷，范围约1103N左右。弹性元件差动变压器式力传感器这

33、种方法是用弹性元件将被测力转为位移，再由位移检测传感器转换成电压输出，其结构如图所示。图中a是具有简状空心截面的弹性元件，在受轴向力时应力分布均匀。若长径比较小，横向偏心分力影响较小，筒子的长度就随轴向力F线性变化弹性范围内），用差动变压器测出轴向位移变化。所以它的精度、线性度等技术指标主要取决于弹性元件与差动变压器的性能了。其动态性能取决于传感器的可动部分的频率特性，一般可将活动系统简化为质量弹簧阻尼系统加以分析。差动变压器式传感器1上部；2变形部；3下部；4铁芯；5差动变压器线圈这种传感器近几年来有较快的发展，在机械制造中用它来监视切削力的变化；在控制系统中用它做反馈检测元件；在航天工业中

34、用它测量火箭发动机巨大推力的动态特性；在流体力学研究中用它测量流体脉动压力等。压电效应的原理已在压电式加速度计中论述。压电力传感器刚度好，灵敏度高，频率响应范围宽，稳定性好，特别适于瞬态力与交变力的测量。压电式力传感器三维压电式力传感器三维压电式力传感器。三维压电式力传感器由三对石英晶片组成，三对石英晶片是沿晶体不同方向切割的压电材料片，这样就可利用不同方向的压电效应而使各石英晶体只感受空间互成900的某一方向的力。所以当任何方向的力作用在传感器上时，便能从三对晶体片上自动地测出该力的三个互相垂直的分力。例如车床上车削力就可用这类测力传感器来测出三个方向的切削力。压电传感器因测量原理上的原因不

35、能测静态力，其后续处理电路与压电式加速度传感器相似。扭矩测量扭矩测量主要指转矩测量与力测量类似之处在于需要用弹性元件将转矩转变成应变或角位移，再用基本传感器转变成电讯号，其不同之处是被测对象往往是在旋转之中。因此转矩测量比力测量困难的多，一般只用于特别需要的场合。应变式扭矩测量相对位移式扭矩测量扭矩测量一般采用转轴作为弹性元件，在弹性范围内，转轴表面的应变与扭矩成正比，转轴的扭转角也与扭矩成正比。根据材料力学的理论，轴体在扭矩作用下，其表面沿轴线成450和1350倾角方向产生主应力，它们大小相等，符号相反。因此在这两方向上粘贴上应变片可组成差动电桥。下图给出了应变片扭矩测量的全系统。四个应变片

36、在与轴线夹角450方向粘贴，组成全桥回路。应变式扭矩测量电阻应变式扭矩传感器钻床切削转矩的测定1集流环；2应变片；3轴；4振荡器；5放大器；6显示记录器；这种接法可以消除轴向力和弯曲干扰。为了将转动着的轴体上的电信号与固定的测量系统连接，采用了集流环。集流环有电刷滑环式，水银式和感应式几类。图中四个集流环中，两个用于接入应变桥激励电压，两个用于输出信号。集流环的质量对测量的影响很大，高质量的集流环是提高扭矩测量精度的关键。实际测量系统中避免采用集流环可降低系统复杂性，提高测量精度。上图是避免使用集流环的例子。图中测量的是转床切削扭矩，工作时转头旋转，工件不转。因此采用测量工件上的扭矩代替测量转

37、床上的力矩，避免使用集流环。图中在浮动式卡盘的外围安装有贴有应变片的检测杆即力传感器），代替了转轴，简化了系统。相对位移式扭矩测量这种方法可以不用集流环，又可以直接获得数字信号，还是一种非接触测量，是最方便的方法。这种装置的原理示意图如下。在扭杆隔一定距离的两个面上，制作出等分的黑白相间的反射环，它所反射的光束由光电管2、3分别接受，各产生一组连续方波脉冲信号A、B。当扭杆未受扭矩时，使此二组脉冲信号相位差为零，信号是在电路4中预置计数脉冲为零。光电式相位位移法扭矩计1扭杆；2光电管A；3光电管；4逻辑电路；5同步脉冲源；6数字计数器；当扭杆受扭矩M作用时，两反射环之间有一扭角，脉冲A、B之间

38、有了相位差，通过电路4产生与相位差成比例的计数脉冲送入计数器。因与成比例，所以计数器上的脉冲数就与扭角成比例，也就与扭矩成比例。实际上由光电管产生的脉冲，也可用其他形式的传感器来产生。例如反光环用齿轮代替，传感器用磁电式或涡流式均可产生相应的信号。由于这种方法采用非接触式，发挥了电子技术的能力，适用与各种转速下扭矩测量，是一种有发展潜力的测量方式。粉、块状物料流量测量粉块状物料流量是硅酸盐工业生产和科研中经常遇到的。通常采用的方法是用电子皮带称，螺旋称俗称铰力称和链板称等。电子皮带称主要用来测量粉块、状物料流量，螺旋称主要用于粉状物料流量计量，链板称主要用于高温块状物料流量测量。这里主要介绍最

39、常用的电子皮带称。流量指的是单位时间内流过某一截面的流体量，或在某一段时间内，流过某一截面的流体量。前者称为瞬时流量，后者称为累积流量。此外流量还分为体积流量和重量流量或质量流量）。从测量者的观点看，通常质量流量是其测量目的，不过物料的质量受到环境各种因素的影响，不易准确测量，被迫转向易测的体积流量和重量流量。电子皮带称等都是在输送过程中测量重量流量。直接的重量流量是很困难的，如果在输送过程中测出皮带称皮带单位长度上的物料重量荷重率Dg/dL和皮带运行速度dJ/dt，那么：式中：G0t时间内的累积流量；Qt某一时刻的瞬时流量。实际上测定某一长度L上的物料重量G，只要G相对于总量G是微小的；而且G的物料通过长度L的时间t相对整个t是微小的，皮带输送机瞬时流量为：dtdGdtdLdLdGQtdtQGtt0ttVLGtLLGQ上式就是皮带称的理论公式。实际中在定长度L上的称量和皮带速度Vt测量分别进行，然后相乘。由此原理组成的皮带称框图见