第三章常用传感器与敏感元件

1、DATE: 2022-3-1PAGE: 1 第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 小结小结4基本特性：基本特性： 静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰特性；静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰特性；4特性是统一的，各种特性之间是相互关联的；特性是统一的，各种特性之间是相互关联的；4要求掌握：要求掌握： 1）基本特性的评价方法；）基本特性的评价方法； 2）不失真测试的条件；）不失真测试的条件； 3）一阶、二阶系统动态特性及其测定方法。）一阶、二阶系统动态特性及其测定方法。DATE: 2022-3-1PAGE: 2 第三章第三章 常用的传感器与敏感元件常用的传感器与敏感元件 传感器定

2、义传感器定义 3-1 3-1 传感器的分类传感器的分类 3-2 3-2 机械式传感器机械式传感器 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 金属电阻应变片金属电阻应变片 半导体应变片半导体应变片 3-3 3-3 电电容容式传感器式传感器 本次课内容本次课内容DATE: 2022-3-1PAGE: 3 第三章第三章 常用的传感器与敏感元件常用的传感器与敏感元件4 第一节第一节 传感器的分类传感器的分类4 第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器4 第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器4 第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器4 第五节第

3、五节 光电传感器光电传感器4 第六节第六节 光纤传感器光纤传感器4 第七节第七节 半导体传感器半导体传感器4 第八节第八节 红外测试系统红外测试系统4 第九节第九节 激光测试系统激光测试系统4 第十节第十节 传感器的选用原则传感器的选用原则DATE: 2022-3-1PAGE: 4 第三章第三章 常用的传感器与敏感元件常用的传感器与敏感元件 传感器定义传感器定义 传感器是借助敏感元件将一种形式的信息转传感器是借助敏感元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲

4、，传感器是把外界输入的非电量因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电量转换成电信号的装置。转换成电信号的装置。感受感受+转换转换DATE: 2022-3-1PAGE: 5 第三章第三章 常用的传感器与敏感元件常用的传感器与敏感元件 传感器的构成传感器的构成 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。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、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。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 dV辅助器件辅助器件

5、敏感器件敏感器件DATE: 2022-3-1PAGE: 6 第一节第一节 传感器的分类传感器的分类 4按被测物理量分类：按被测物理量分类：n 位移传感器；位移传感器；n 力传感器；力传感器；n 温度传感器。温度传感器。4按工作原理分类：按工作原理分类：n 机械式；机械式；n 电气式；电气式；n 光电式；光电式；n 流体式。流体式。4按输出信号分类：按输出信号分类：n 模拟式；模拟式；n 数字式。数字式。DATE: 2022-3-1PAGE: 7 第一节第一节 传感器的分类传感器的分类 4按信号变换特征分类：按信号变换特征分类：物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信依靠敏感

6、元件材料本身物理性质的变化来实现信 号变换。如号变换。如: :水银温度计，压电测力计。水银温度计，压电测力计。结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。 如如: :电容式和电感式传感器。电容式和电感式传感器。DATE: 2022-3-1PAGE: 8 第一节第一节 传感器的分类传感器的分类 4按敏感元件与被测对象间能量关系：按敏感元件与被测对象间能量关系：能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作。直接由被测对象输入能量使其工作。 例如例如: :热电偶温度计，压电式加速度计。热电偶温度计，压电式加速度计。能量控制型能量控制型:

7、:从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化。例如供给能量的变化。例如: :电阻应变片。电阻应变片。转换型为无源传感器，控制型为有源传感器。转换型为无源传感器，控制型为有源传感器。DATE: 2022-3-1PAGE: 9 第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器4 u以弹性体作为传感器的敏感元件，又称为弹性敏感元件；以弹性体作为传感器的敏感元件，又称为弹性敏感元件；u输入量：力、压力、温度等；输入量：力、压力、温度等；u输出：弹性元件本身的变形输出：弹性元件本身的变形 转变为仪表指针的偏转。转变为仪表指针的偏转。u例如：测力计、弹簧秤；波纹膜片

8、；双金属片例如：测力计、弹簧秤；波纹膜片；双金属片u特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观。特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观。u缺点：放大和指示环节存在间隙，惯性大，固有频率低。缺点：放大和指示环节存在间隙，惯性大，固有频率低。将被测机械量转化为弹性变形输出的传感器将被测机械量转化为弹性变形输出的传感器弹性敏感元件输入 输出 力、压力、温度力、压力、温度弹性变形（应变）弹性变形（应变） DATE: 2022-3-1PAGE: 10 第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器4 DATE: 2022-3-1PAGE: 11 第二节第二节 机械式传感器及仪器机

9、械式传感器及仪器探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等DATE: 2022-3-1PAGE: 12 第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器 因此，在非电量电测传感器中，常将被测量转化为弹性变形，然后再将位移转化为电量输出。注意： 弹性元件有蠕变、弹性滞后效应，影响输入、输出的线性关系！ 从结构设计、材料选择、工艺方法等方面加以克服。例如：动态测力环FDATE: 2022-3-1PAGE: 13 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 将被测量变化转化为电阻变化将被测量变化转化为电阻变化分类：分类：变阻器式变阻器式大电阻式大电阻式 ，测量线位移、角

10、位移，测量线位移、角位移 电阻应变式电阻应变式应变、力、位移、加速度、扭矩应变、力、位移、加速度、扭矩一、变阻器式传感器（电位计式）一、变阻器式传感器（电位计式） ALR电阻率，L电阻丝长度，A电阻丝截面积 电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线的长度而变化。 通过改变电位器触头位置，实现将位移转化为电阻的变化。 DATE: 2022-3-1PAGE: 14 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器f(x)=kf(x)=kx x3 3抛物线骨架抛物线骨架f(x)=kf(x)=kx x2 2直角三角形骨架直角三角形骨架DATE: 2022-3-1PAGE: 15 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式

11、传感器CAeRkx单位长度的电阻（常数） 输入量：触点C移动量位移C点与A点之间电阻输出量 传感器灵敏度 ekxRdxdRS图a:图b:dRSkd2R kx图c:DATE: 2022-3-1PAGE: 16 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 u0 直流激励电压uy传感器输出电压xp变阻器总长度Rp变阻器总电阻RL测量电路输入电阻变阻器式传感器的后接电路，一般采用如下电阻分压电路：变阻器式传感器的后接电路，一般采用如下电阻分压电路： DATE: 2022-3-1PAGE: 17 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 在u0作用下，传感器输入量x与输出量 uy之间的关系： 当：RL时，

12、则： 优缺点：优点：结构简单，性能稳定，使用方便；缺点：分辨率低（很难低于20m），电噪声大（uyx曲线为阶梯形状）；应用于：线位移、角位移测量，测量仪中电子电位差计等。DATE: 2022-3-1PAGE: 18 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器4 主要产品主要产品超精密度导电塑料基片以及铂金电刷组装而成的直线位超精密度导电塑料基片以及铂金电刷组装而成的直线位移传感器（俗称电子尺，电阻尺），量程移传感器（俗称电子尺，电阻尺），量程75-1000mm,75-1000mm,线线性度达到性度达到0.05% 0.05% ，重复精度，重复精度0.013mm0.013mm。寿命一亿次。寿命一亿次

13、。DATE: 2022-3-1PAGE: 19 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻DATE: 2022-3-1PAGE: 20 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻DATE: 2022-3-1PAGE: 21 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 案例：案例：机器人机器人原理：电机原理：电机-转角转角 -

14、电位器电位器 -电阻电阻DATE: 2022-3-1PAGE: 22 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器1 金属电阻应变片 金属丝电阻应变片（电阻丝式应变片）、金属箔式应变片两种。 工作原理：基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数；具有体积小、动响快、精度高、使用简便等优点；分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。DATE: 2022-3-1PAGE: 23 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 高电阻率的金属丝绕成栅形高电阻率的金属丝绕成栅形DATE: 2022-3-1PAGE: 24 3-3

15、3-3 电阻式传感器电阻式传感器4 栅状金属箔片用光刻成型，线栅状金属箔片用光刻成型，线条均匀，尺寸准确，阻值一致条均匀，尺寸准确，阻值一致性好，散热好，粘接好。性好，散热好，粘接好。DATE: 2022-3-1PAGE: 25 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 DATE: 2022-3-1PAGE: 26 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器4把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝随同变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化，由此将物体一起变形，其电阻值发生相应

16、变化，由此将被测量的变化转变为电阻变化。被测量的变化转变为电阻变化。由drdrldlRdrldrrdlrdRdAARdllRdR22232得到：DATE: 2022-3-1PAGE: 27 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 电阻的相对变化：2d Rd ld rdRlr电阻丝轴向相对变形，纵向应变电阻丝径向相对变形，横向应变/d 电阻丝电阻率的相对变化DATE: 2022-3-1PAGE: 28 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 )21()21(22EEdrdrldlRdR.d rd lrl 电阻丝材料泊松比Ed弹性模量压阻系数常数21ldlRdRSg应变系数或灵敏度 电阻丝沿轴

17、向伸长时，必沿径向缩小，两者关系：电阻相对变化率与应变成正比轴向正应力DATE: 2022-3-1PAGE: 29 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 2 2 半导体应变片半导体应变片应用半导体材料的压阻效应。应用半导体材料的压阻效应。压阻效应：压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，能使其电阻率发生很大变化的现象。半导体在压力、温度及辐射作用下，能使其电阻率发生很大变化。22(12)d Rd ld rdRlrEEE ERdRSgE远大于1+2v一般比金属丝电阻应变片大5070倍DATE: 2022-3-1PAGE: 30 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 优点：优点

18、：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小。缺点：缺点：温度稳定性能差，灵敏度分散大，在较大应变作用下，非线性误差大。电阻丝式应变片、半导体应变片电阻丝式应变片、半导体应变片主要区别：主要区别：电阻丝：外力作用，导体变形引起电阻变化，基于应变效应温度稳定性好，灵敏度差，S一致性好，成本低，应用广半导体：外力作用，电阻率变化引起电阻变化，基于压阻效 应S大，滞后小，可集成，温度稳定性差，灵敏度(S)分散大DATE: 2022-3-1PAGE: 31 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 3 3 应用实例应用实例 两种应用方式1）直接用来测定结构的应变或应力DATE: 2022-3-1PAGE

19、: 32 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器 2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度的传感器DATE: 2022-3-1PAGE: 33 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器4 案例：案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。DATE: 2022-3-1PAGE: 34 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器4 案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测DATE: 2022-3-1PAGE: 35 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器4 案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合

20、于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。DATE: 2022-3-1PAGE: 36 3-3 3-3 电阻式传感器电阻式传感器4 注意的问题：应变片测出的是应变，必须经过转换应变片测出的是应变，必须经过转换粘贴工艺很重要粘贴工艺很重要用于动态测量时，应考虑应变片本身的动态特性（激励电用于动态测量时，应考虑应变片本身的动态特性（激励电源频率、基片的长度）源频率、基片的长度）1温度变化引起阻值变化，需考虑温度补偿温度变化引起阻值变化，需考虑温度补偿DATE: 2022-3-1PAGE: 37 本次课

21、内容本次课内容3-3 电容式传感器电容式传感器工作原理工作原理 ：将被测量转化为电容量变化：将被测量转化为电容量变化 。1.极距变化型（变）；2.面积变化型（变A）；3.介质变化型（变）。测量电路测量电路电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型差动变压器式差动变压器式3-3 电感式传感器电感式传感器DATE: 2022-3-1PAGE: 38 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 一、工作原理一、工作原理 平行极板电容器平行极板电容器 AC0极板间介质的相对介电常数，在空气中=1；0真空中介电常数， 0=8.8510-12F/m；极板间距离； A极板

22、面积 。 当、A、变化，都会引起电容的变化，对应极距变化型、面积变化型和介质变化型。 + A 将被测量转化为电容量变化。将被测量转化为电容量变化。DATE: 2022-3-1PAGE: 39 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 极距变化型，C 与之间关系呈非线性。021dCSAd 灵敏度与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高。为了减少非线性误差，工作范围/0 10%，S近似为常数，在此范围内，近似为线性。量程范围：0.01m数百m。可采用差动形式，S一倍。 1.1.极距变化型（变极距变化型（变）：）：DATE: 2022-3-1PAGE: 40 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器

23、DATE: 2022-3-1PAGE: 41 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 例如：DWY2电容式振动位移测量仪（变）o1.32mm, 可测位移量：0.05100m频率范围： 10kHZ测头面积： 14.2mmDATE: 2022-3-1PAGE: 42 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 极距极距变化型变化型+AC0+DATE: 2022-3-1PAGE: 43 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电

24、容传声殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。优越、使用方便。 DATE: 2022-3-1PAGE: 44 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 2.2.面积变化型（变面积变化型（变A A）：）：DATE: 2022-3-1PAGE: 45 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 2.2.面积变化型（变面积变化型（变A A）：）：+DATE: 2022-3-1PAGE: 46 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 22rA220rC 常数220r

25、ddCSbxC0常数bdxdCS002ln(/ )xCD d 常数)/ln(20dDdxdCS常数0dAdCS线性度好，但灵敏度低，适合大位移的测量DATE: 2022-3-1PAGE: 47 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 DATE: 2022-3-1PAGE: 48 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 产品产品. .陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。DATE: 2022-3-1PAGE: 49 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 常数AddCS03.介质变化型

26、（变介质变化型（变）：）： 用于测量电介质液位，某些材料厚度、温度、湿度等。0AC DATE: 2022-3-1PAGE: 50 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 DATE: 2022-3-1PAGE: 51 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 DATE: 2022-3-1PAGE: 52 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）DATE: 2022-3-1PAGE: 53 DATE: 2022-3-1PAGE: 54 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 4 电容式接近开关电容式接近开关振荡

27、电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容 测量头构成电容器的一个极测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当板，另一个极板是物体本身，当物体（金属或非金属）移向接近物体（金属或非金属）移向接近开关时，物体和接近开关的介电开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使浮动电极产生常数发生变化，使浮动电极产生的电场变化，高频振荡器产生振的电场变化，高频振荡器产生振荡，振荡器的振荡和停振这两个荡，振荡器的振荡和停振这两个信号，由整形放大器转换成二进信号，由整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到制的开关信号，从而起到“开开”，“关关”的控制作用。接近开关的的控制作用。

28、接近开关的检测物体，并不限于金属导体，检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。也可以是绝缘的液体或粉状物体。DATE: 2022-3-1PAGE: 55 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 (1)电桥型电路电桥型电路二、测量电路二、测量电路 有电感、电容组成的桥路，电桥的输出为一调有电感、电容组成的桥路，电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，再驱幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，再驱动显示仪表。动显示仪表。电容变化电容变化-电桥电压输出电桥电压输出DATE: 2022-3-1PAGE: 56 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 (2)直流极

29、化电路直流极化电路 静压电容传感器静压电容传感器电路，多用于电容传电路，多用于电容传声器或压力传感器。声器或压力传感器。 输出电压与膜片位移速输出电压与膜片位移速度成正比，可以测量气流或度成正比，可以测量气流或液流的振动速度，进而得压液流的振动速度，进而得压力。力。DATE: 2022-3-1PAGE: 57 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 (3)谐振电路谐振电路 电容传感器的电容电容传感器的电容Cx作为谐振电路作为谐振电路调谐电容的一部分。调谐电容的一部分。 当当Cx变化时，谐变化时，谐振回路的阻抗发生相振回路的阻抗发生相应变化并被转化成电应变化并被转化成电压或电流输出，经放压或电

30、流输出，经放大、检波，即可得到大、检波，即可得到输出。输出。 工作点应选择在工作点应选择在谐振曲线一边的线性谐振曲线一边的线性区域内。这种电路比区域内。这种电路比较灵敏，但工作点不较灵敏，但工作点不易选好、变化范围窄，易选好、变化范围窄，连接电缆分布电容影连接电缆分布电容影响大。响大。DATE: 2022-3-1PAGE: 58 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 (4)调频电路调频电路 传感器电容Cx是振荡器谐振回路的一部分，当Cx变化时，振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经过放大后由记录器或显示仪表指示。 抗干扰性强、灵敏度高等优点，可测0.01um变化。

31、电缆部分电容的影响大。DATE: 2022-3-1PAGE: 59 3-3 3-3 电容式传感器电容式传感器 (5)运算放大器电路运算放大器电路00gxCuuC 000000gCuuACuA 输出电压与电容极距变化成线性关系输出电压与电容极距变化成线性关系DATE: 2022-3-1PAGE: 60 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量变化的一种装置。量转化为电感量变化的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型差动变压器式差动变压器式D

32、ATE: 2022-3-1PAGE: 61 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 一、可变磁阻式传感器一、可变磁阻式传感器 DATE: 2022-3-1PAGE: 62 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 工作原理工作原理 ： 线圈自感量线圈自感量L为为 2mNLRN线圈匝数 Rm 磁路总磁阻H-1 如果空气隙较小，而且不考虑磁路的铁损时，总磁阻 002AAlRm l铁心导磁长度；铁心导磁率；A铁心导磁截面积； 气隙长度；0空气导磁率，0=410-7 H/m；A0空气隙导磁横截面积（m2 ）。DATE: 2022-3-1PAGE: 63 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器铁心磁

33、阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略。铁心磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略。则总磁阻：则总磁阻：可构成、 o、 A0 及N变化型传感器2002NAL2mNLR000022mlRAAA则电感量则电感量：气隙长度；0空气导磁率；A0空气隙导磁横截面积；N线圈匝数。DATE: 2022-3-1PAGE: 64 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 间隙变化型（间隙变化型（气隙长度）气隙长度） L L与与是呈非线性关系是呈非线性关系 电感量电感量20022NAd LLSd 灵敏度灵敏度 S S 与与2 2成反比，成反比，愈小，愈小，S S越大。越大。S S不是常数，会出不是常数，会出现线性误差。当现

34、线性误差。当/0 010%10%，（变化范围很小时），变化范围很小时），S S近似为常数。近似为常数。 一般规定在较小间隙范围内工作，工作范围一般规定在较小间隙范围内工作，工作范围0 00 0+，一般取这种传感器使用于小位移的测量，一般一般取这种传感器使用于小位移的测量，一般为为0.0010.0011 1mmmm。 特点：灵敏度高。特点：灵敏度高。DATE: 2022-3-1PAGE: 65 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 2. 面积变化型（面积变化型（Ao空气隙导磁横截面积）空气隙导磁横截面积）202NS灵敏度灵敏度3. 介质变化型（介质变化型（o-空气导磁率）空气导磁率）可变导磁

35、面积型可变导磁面积型差动型差动型2002NALDATE: 2022-3-1PAGE: 66 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 DATE: 2022-3-1PAGE: 67 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 电感测微计上，构成两个桥臂电感测微计上，构成两个桥臂常用测量范围常用测量范围0-300um0-300um，分辨力，分辨力0.5um0.5umDATE: 2022-3-1PAGE: 68 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）DATE: 2022-3-1PAGE: 69 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 二、电涡流

36、式电感传感器二、电涡流式电感传感器 工作原理：工作原理：电涡流现象 金属板置于一只线圈附近，相互距离为。当线圈中有一高频交变电流i通过时，便产生磁通。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流i1。这种涡电流也将产生交变磁通1。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，1总是抵抗的变化。 由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离有关。 DATE: 2022-3-1PAGE: 70 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 原理原理: :涡流效应涡流效应DATE: 2022-3-1PAGE: 71 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 DATE

37、: 2022-3-1PAGE: 72 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 Z Z（线圈与金属板距离（线圈与金属板距离 金属板电阻率金属板电阻率 磁导率磁导率 线圈激磁频率线圈激磁频率）应用：变化应用：变化, , 测位移、振动测位移、振动 变化变化或或 ，材质鉴别或探伤，材质鉴别或探伤原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 涡流测振仪一般采用如下分压调幅电路：涡流测振仪一般采用如下分压调幅电路：DATE: 2022-3-1PAGE: 73 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 振荡器提供稳定的高频信号振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与电源频率电源。当谐振

38、频率与电源频率相同时，输出电压相同时，输出电压u u0 0最大。最大。 变化，变化，LC回路失谐，回路失谐，输出信号的频率仍为振输出信号的频率仍为振荡器的工作频率荡器的工作频率f，但，但幅值随幅值随而变化，它相而变化，它相当于被当于被调制的调幅波。调制的调幅波。-放大放大检波检波滤波滤波 得到得到变化信息变化信息DATE: 2022-3-1PAGE: 74 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 把传感器线圈接入把传感器线圈接入LCLC振荡回路，取回路的谐振振荡回路，取回路的谐振频率作为输出量。当频率作为输出量。当变化时引起线圈电感变化，变化时引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率从而使振

39、荡器的振荡频率f发生变化，发生变化，再再通过鉴频通过鉴频器进行频率器进行频率电压的转化电压的转化，即可得到与即可得到与成比例成比例的输出电压。的输出电压。DATE: 2022-3-1PAGE: 75 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 应用实例应用实例径向振摆测量径向振摆测量轴心轨迹测量轴心轨迹测量转速测量转速测量表面裂纹测量表面裂纹测量零件计数器零件计数器穿透式测厚穿透式测厚DATE: 2022-3-1PAGE: 76 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 DATE: 2022-3-1PAGE: 77 4 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器案例：无损探伤案例：无损探伤火车

40、轮检测火车轮检测油管检测油管检测原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。DATE: 2022-3-1PAGE: 78 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 当线圈W1输入交流电流时，线圈W2产生感应电势e12，其大小与电流i1的变化率成正比：M比例系数，称为互感（H），其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的耦合程度。 三、差动变压器式电感传感器（互感）三、差动变压器式电感传感器（互感）工作原理：工作原理： 利用电磁感应中的互感现象（与变压器的原理相同） dtdiMe112DATE: 2022-3-1PAGE: 79 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 铁心

41、一次侧线圈二次侧线圈1.中间位置2.向上运动3.向下运动DATE: 2022-3-1PAGE: 80 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 螺旋管式差动变压器式传感器螺旋管式差动变压器式传感器 DATE: 2022-3-1PAGE: 81 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 DATE: 2022-3-1PAGE: 82 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器 变压器由初级线圈变压器由初级线圈W和两个参数完全相同的次级线圈和两个参数完全相同的次级线圈W1、W2组成。线圈中心插入圆柱形铁心组成。线圈中心插入圆柱形铁心P，次级线圈次级线圈W1及及W2 反反极性串联。极性串联。当初级线圈当

42、初级线圈W加上交流电压时，次级线圈加上交流电压时，次级线圈W1及及W2分别产分别产生感应电势生感应电势e1和和e2，其大小与铁心位置有关。其大小与铁心位置有关。当铁心当铁心P在中间位置时，在中间位置时，e1=e2，输出电压输出电压e0=0，铁心铁心P向上运动时，向上运动时，e1e2铁心铁心P向下运动时，向下运动时，e1e2。随着铁心偏离中心位置，随着铁心偏离中心位置，e0逐渐增大，其输出特性如图所示逐渐增大，其输出特性如图所示 DATE: 2022-3-1PAGE: 83 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比；输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成

43、正比；输出电压若用交流电表指示只能反映铁心位移的大小，不能反映方向；输出电压若用交流电表指示只能反映铁心位移的大小，不能反映方向；交流电压输出存在零点残余电压。交流电压输出存在零点残余电压。 主要有两个二次侧线圈结构不对称，主要有两个二次侧线圈结构不对称，以及一次侧线圈铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电容等原因。以及一次侧线圈铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电容等原因。DATE: 2022-3-1PAGE: 84 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R R使零点残余电使零点残余电压减小；

44、当有输入信号时，铁心上下移动，其输出电压经交流放大、压减小；当有输入信号时，铁心上下移动，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。表头指示位移大小和方向。相敏检波、滤波后得到直流输出。表头指示位移大小和方向。DATE: 2022-3-1PAGE: 85 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 差动变压器式电感式传感器特点：线性测量范围大，可达100mm精度高，分辨率可达0.1m，稳定性好,使用方便，频率响应：0200Hz（频率响应低） 由eo的绝对值大小可知x的值（位置）由eo的极性可知x相对中间位置的方向（方向）应用：电感式位移传感器 测力（借助弹性元件将压力、重量位移）DA

45、TE: 2022-3-1PAGE: 86 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 DATE: 2022-3-1PAGE: 87 3-3 3-3 电感式传感器电感式传感器4 案例：案例：张力测量张力测量DATE: 2022-3-1PAGE: 88 3-4 3-4 磁电式传感器磁电式传感器 一、变换原理一、变换原理 磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种转换器。（电磁感应式或电动力式）动势的一种转换器。（电磁感应式或电动力式）ddteN 感应线圈的感应电动势为感应线圈的感应电动势为磁通变化率与磁场强度、磁阻、

46、线圈运动速度有磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 ),(mdtdRBe e取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率DATE: 2022-3-1PAGE: 89 3-4 3-4 磁电式传感器磁电式传感器 二、分类二、分类 磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型DATE: 2022-3-1PAGE: 90 3-4 3-4 磁电式传感器磁电式传感器 sineNBlv三、动圈式三、动圈式（线圈以（线圈以v 或或运动，产生运动，产生e）ekNBAB磁感应强度磁

47、感应强度L单匝线圈的有效长度单匝线圈的有效长度v线圈与磁场的相对运动速度线圈与磁场的相对运动速度线圈运动方向与磁场方向的夹角线圈运动方向与磁场方向的夹角A单匝线圈的截面积单匝线圈的截面积K与结构有关的系数与结构有关的系数90DATE: 2022-3-1PAGE: 91 3-4 3-4 磁电式传感器磁电式传感器 4 e- e-发电线圈的感应电势；发电线圈的感应电势；Z0Z0是线圈阻抗；是线圈阻抗；R RL L是是负载电阻；负载电阻；CcCc是电缆导线的分布电容；是电缆导线的分布电容；RcRc是电缆导是电缆导线的电阻；线的电阻；CcCc、RcRc可忽略。高输入阻抗时可忽略。高输入阻抗时U UL L

48、=e=e。DATE: 2022-3-1PAGE: 92 3-4 3-4 磁电式传感器磁电式传感器 4. .磁电式传感器的工作原理是磁电式传感器的工作原理是可逆的可逆的。n作为测振传感器，它工作于发电状态。作为测振传感器，它工作于发电状态。n若线圈上加上交变激励电压，线圈在磁场中振动，成若线圈上加上交变激励电压，线圈在磁场中振动，成为一个激振器（电动机状态）。为一个激振器（电动机状态）。 注意：注意： 1. .当当N N、B B、L L均为常数时，感应电动势大小与线圈运动均为常数时，感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比的线速度成正比惯性式速度计的工作原理。惯性式速度计的工作原理。 2. .速度

49、是指线圈与磁场的相对速度；而不是壳体的绝对速度是指线圈与磁场的相对速度；而不是壳体的绝对速度。速度。 3. .如果经过微分或积分网络，可以得到加速度或位移。如果经过微分或积分网络，可以得到加速度或位移。DATE: 2022-3-1PAGE: 93 3-4 3-4 磁电式传感器磁电式传感器 4 动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型 DATE: 2022-3-1PAGE: 94 3-4 3-4 磁电式传感器磁电式传感器 4 角速度型角速度型测速电机测速电机DATE: 2022-3-1PAGE: 95 3-4 3-4 磁电式传感器磁电式传感器 四、磁阻式四、磁阻式（线圈、磁铁不动，运动物体改变

50、磁阻）（线圈、磁铁不动，运动物体改变磁阻）DATE: 2022-3-1PAGE: 96 3-4 3-4 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式车速传感器磁电式车速传感器DATE: 2022-3-1PAGE: 97 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 一、压电效应与压电材料一、压电效应与压电材料压电效应压电效应 正压电效应正压电效应：某些晶体在其表面施加力，不仅几何尺寸：某些晶体在其表面施加力，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，在其表面出现电荷，形成电场；发生变化，而且内部极化，在其表面出现电荷，形成电场；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态

51、；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力大小成正比，此现象称为正压电效应。电荷量与外力大小成正比，此现象称为正压电效应。逆压电效应逆压电效应：将这些晶体置于电场中，其几何尺寸也发：将这些晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应电致伸缩效应。压电式传感器是一种压电式传感器是一种可逆型换能器可逆型换能器，既可以将机械能转换，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为

52、机械能。为电能，又可以将电能转换为机械能。 DATE: 2022-3-1PAGE: 98 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 压电材料 晶体具有压电性，压电晶体压电单晶石英、铌酸锂，稳定性好，灵敏度低压电多晶压电陶瓷、锆钛酸铅，稳定性差，灵敏度高压电半导体有压电、半导体两特性有机压电薄膜聚丙二氟乙烯（PVdF），灵敏度低，用于微压、拟人触觉，大批量生产，面积大，柔软，不易碎。DATE: 2022-3-1PAGE: 99 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 二、石英晶体的正压电效应二、石英晶体的正压电效应 石英晶体成份石英晶体成份SiOSiO2 2，其基本结构为六棱其基本结构为六棱柱

53、体，石英晶体的柱体，石英晶体的直角坐标：直角坐标：X-XX-X压电轴压电轴, ,Y-YY-Y机械轴机械轴, ,Z-ZZ-Z光轴光轴DATE: 2022-3-1PAGE: 100 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 4 在石英晶体中切出一个平行六面体，其对表面分别在石英晶体中切出一个平行六面体，其对表面分别垂直于垂直于X X、Y Y、Z Z轴。轴。 a)纵向效应b)横向效应c)切向效应DATE: 2022-3-1PAGE: 101 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 纵向压电效应沿X方向施加Fx力，将在垂直于X轴表面出现电荷qx qx=d11Fx d11=2.3110-12C/N 横

54、向压电效应沿Y方向施加Fy力，将在垂直于X轴表面出现电荷qx qx=-d11Fy 切向压电效应施加切向力Fy切，则在垂直于XX轴的表面产生电荷qx qx=d14Fy切 d14=0.7310-12C/N 纵向压电常数纵向压电常数DATE: 2022-3-1PAGE: 102 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 4 ！沿Z轴表面施加Fz作用力，其表面不产生电荷。 三、石英晶体压电效应的物理解释三、石英晶体压电效应的物理解释 组成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于Z轴平面上的投影可以等效为正六边形的顶点排列。 当不受力时，硅、氧离子的正、负电荷的等效作用中心重合，对外不显电性。 纵向压电效应

55、在F力的作用下，石英晶体变形，硅、氧离子的正、负电荷的等效作用中心沿X轴方向分离，因此在垂直于X轴的晶体表面将吸附电荷（形成偶极子电场，与外力电场平衡）。DATE: 2022-3-1PAGE: 103 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 4 DATE: 2022-3-1PAGE: 104 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 四、压电传感器及等效电路四、压电传感器及等效电路 单向石英压电测力传感器，单向石英压电测力传感器，具有一定具有一定电容的电荷源。电容的电荷源。aaCquAC00,电荷发生器 电容器DATE: 2022-3-1PAGE: 105 3-4 3-4 压电式传感器压电式

56、传感器 五、测量电路五、测量电路 前置放大器用途：前置放大器用途：一是将传感器的高阻抗输出变一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，二是放大输出的微弱电信号；换为低阻抗输出，二是放大输出的微弱电信号；前置放大器有前置放大器有电压放大器电压放大器（输出电压与输入电压（输出电压与输入电压成正比）、成正比）、电荷放大器电荷放大器（输出电压与输入电荷成（输出电压与输入电荷成正比，与分布电容无关）两种。正比，与分布电容无关）两种。 由于压电式传感器的输出信号是由于压电式传感器的输出信号是很微弱的电荷，而且传感器本身有很很微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚弱，这给后接大内阻，故输出能量甚

57、弱，这给后接电路带来一定困难，为此通常把传感电路带来一定困难，为此通常把传感器信号先输到高阻抗的前置放大器，器信号先输到高阻抗的前置放大器，经阻抗变换后再输出。经阻抗变换后再输出。DATE: 2022-3-1PAGE: 106 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 六、应用六、应用 正压电效应测力（加速度、扭矩）正压电效应测力（加速度、扭矩）逆压电效应（振动送料器、执行器）逆压电效应（振动送料器、执行器）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 压电式力传感器压电式力传感器DATE: 2022-3-1PAGE: 107 DATE: 2022-3-1PAGE: 108 压

58、电式力传感器压电式力传感器4 YDS-78YDS-78型石英压电传感器型石英压电传感器测力范围：测力范围：50005000N N分辨率：分辨率：0.010.01N N线性误差：线性误差： 5510101313固有频率：固有频率：5050KHzKHz工作温度：工作温度：-60-60+140+140重量：重量：1010克克尺寸：尺寸：18mm18mm7mm7mm压电式加速度计压电式加速度计DATE: 2022-3-1PAGE: 109 灵敏度（205）20 pC/g测量范围（峰值）2000 g最大横向灵敏度5 频率响应（5%）1 12,000 Hz安装谐振频率40,000 Hz工作温度范围-20+

59、120 温度响应见温度曲线瞬态温度0.5 g/(0.3Hz)磁灵敏度2 g/T基座应变0.6 g/基座隔离109 电容700 pF安装M5敏感材料压电陶瓷结构设计中心压缩壳体材料不锈钢重量14 g输出方式侧端L5配套件传感器合格证标定参数、频响曲线M5、M5/M8螺栓、保护帽各一只双头L5 STYV-1（2米）一根主要技术指标：主要技术指标：DATE: 2022-3-1PAGE: 110 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 4 DATE: 2022-3-1PAGE: 111 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 4 DATE: 2022-3-1PAGE: 112 3-4 3-4 压电

60、式传感器压电式传感器 4 DATE: 2022-3-1PAGE: 113 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 4 DATE: 2022-3-1PAGE: 114 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 4 DATE: 2022-3-1PAGE: 115 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 4 DATE: 2022-3-1PAGE: 116 3-4 3-4 压电式传感器压电式传感器 4 案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊断DATE: 2022-3-1PAGE: 117 3-4 3-4 热电式传感器热电式传感器 n热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变热电式传感器是利用转换元件电