测试技术第3章1

1、第3章 常用传感器技术n本章要求：n1、熟悉机械工程测试中常用传感器的工作原理、测量电路及典型应用。n2、根据不同测试对象，能够按不失真测试条件，合理选择传感器。n3、通过实验了解传感器的标定方法及测试系统的组成。n3.13.1 传感器的基本概念传感器的基本概念n3.23.2 电阻式传感器电阻式传感器n3.33.3 电容式传感器电容式传感器n3.43.4 电感式传感器电感式传感器n3.53.5 压电式传感器压电式传感器n3.63.6 磁电与热电式传感器磁电与热电式传感器n3.73.7 光电式传感器光电式传感器n3.83.8 光纤传感器光纤传感器n3.93.9 半导体传感器半导体传感器n3.10

2、3.10 其他类型传感器其他类型传感器n传感器的作用传感器的作用n用于捕捉和认识信息，是人之感官的延伸。对认识和改造客观世界，对经济的发展，对推动科技的进步都起着相当重要的作用。n应用领域：测量、控制n例如：阿波罗10号宇宙飞船共用各种传感器3295个，其中运载火箭部分用于检测加速度、温度、压力、振动、流量、应变等参数的传感器2077个，宇宙飞船部分共用各种传感器1218个。n一架飞机需要3600只传感器及其配套监测仪表；一辆汽车需要30100只，一个电站需要5000只，n一个钢厂需要20000只，大型发电机组需要3000只，大型石油化工厂需要6000只等。n从家庭到航天航空等尖端领域都在大量

3、使用传感器。众所周知，计算机的发展相当迅速，但若无各种先进的传感器，其功能就不能得到充分的利用。（实际上计算机中的磁头、激光读出头等都属于传感器）。3.1 传感器的基本概念n3.1.1 3.1.1 传感器的定义与组成传感器的定义与组成n根据GB7665-2005 传感器的定义传感器的定义 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。n英文名：Transducer/Sensor。n本课程重点研究能将非电量转换成电量的传感器。图3-1 传感器基本组成图图3-2 3-2 热电偶热电偶图图3-3 3-3 气体压力传感器气体压力传感器11壳体壳体 22

4、膜盒膜盒 33线圈线圈44磁芯磁芯 55电路电路n3.1.2 3.1.2 传感器的分类传感器的分类n1 1、按、按被测物理量被测物理量的不同分类的不同分类n（1 1）机械量）机械量 包括位移、力、速度、加包括位移、力、速度、加速度等。速度等。n（2 2）热工量）热工量 包括温度、热量、流量、包括温度、热量、流量、流速、压力、液位等。流速、压力、液位等。n（3 3）物性参量）物性参量 包括浓度、粘度、比重、包括浓度、粘度、比重、 酸碱度等。酸碱度等。n（4 4）状态参量）状态参量 包括裂纹、缺陷、包括裂纹、缺陷、泄漏、泄漏、磨损等。磨损等。n2 2、按传感器、按传感器工作原理工作原理的不同分类的

5、不同分类n机械式传感器机械式传感器n电气式传感器电气式传感器n光学式传感器光学式传感器n流体式传感器等。流体式传感器等。n3 3、按、按信号变换特征信号变换特征的不同分类的不同分类n结构型传感器结构型传感器n物性型传感器物性型传感器n4 4、按传感器的、按传感器的能量关系能量关系不同分类不同分类n能量转换型传感器（无源传感器）能量转换型传感器（无源传感器）n能量控制型传感器（有源传感器）。能量控制型传感器（有源传感器）。n5 5、按传感器的、按传感器的输出量不同输出量不同分类分类n模拟式传感器模拟式传感器n数字式传感器数字式传感器图图3-4 典型机械式传感器典型机械式传感器 测力计测力计弹性膜

6、片弹性膜片波纹管波纹管波登管波登管压力计压力计温度计温度计n常用的机械式传感器：称重用的弹簧秤、常用的机械式传感器：称重用的弹簧秤、压力计、温度计等。压力计、温度计等。n机械式传感器特点：机械式传感器特点：结构简单、价格低廉、结构简单、价格低廉、使用方便。使用方便。n缺点：缺点：存在较大的机械惯性、固有频率低、存在较大的机械惯性、固有频率低、动态特性差，只适合检测缓变或静态被测动态特性差，只适合检测缓变或静态被测量。量。3.2 电阻式传感器n电阻式传感器的基本工作原理是将被被测量测量的变化转换为传感器电阻值的变电阻值的变化化，再经一定的测量电路实现对测量结果的输出。n按其工作原理不同可分为变阻

7、器式传变阻器式传感器感器和电阻应变式传感器电阻应变式传感器两类。n3.2.1 变阻器式传感器变阻器式传感器n又称电位器式传感器又称电位器式传感器n工作原理：利用加激励的电位器上可动触点位置的变化，将被测量的变化转换为电压比变化的传感器。ueuo 图图3-5 3-5 变阻器式传感器变阻器式传感器a a）直线位移型）直线位移型 b b）角位移型）角位移型 c c）非线性型）非线性型 电阻率lA 电阻丝长度 电阻丝截面积AlRxkR11kdxdRS电阻值：单位长度的1k工作原理工作原理：直线位移型：直线位移型：kddRSkR 角位移型：角位移型：的电阻值：单位弧度所对应k)(rad：电刷转角pLpp

8、exxRRxxuu10 变阻器的总电阻 变阻器的总长度 后接电路的输入电阻PRPxLR图图3-6 3-6 电阻分压电路电阻分压电路n变阻器式传感器的特点变阻器式传感器的特点n优点优点：结构简单、性能稳定、使用方便。n缺点缺点：存在滑动磨损、尘埃附着等，使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化，从而产生噪声。n分辨力受线径、线距的限制。n变阻器式传感器的应用变阻器式传感器的应用n用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。n3.2.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器n1、电阻应变式传感器的工作原理、电阻应变式传感器的工作原理n原理原理：将弹性敏感元件的应变变化转换成电

9、阻的变化。n应用：应用：测量应变、力、位移、加速度等参数。n组成：组成：敏感元件、电阻应变片、转换电路等n敏感元件：敏感元件：一般由金属合金材料、半导体材料等。图图3-7 圆柱式电阻应变秤重传感器圆柱式电阻应变秤重传感器物理基础：AlRdRdAARdllRdRdrdrldlRdR2图图3-8 金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片1敏感栅敏感栅 2基底基底3覆盖层覆盖层 4引出线引出线工作原理：工作原理：ldl电阻丝轴向相对变形，或称电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变纵向应变；Ed 电阻率的相对变化电阻率的相对变化；E 电阻丝材料的弹性模量电阻丝材料的弹性模量； 压阻系数，与材质有关压阻系数，与材质有

10、关； 电阻丝径向相对变形，或称电阻丝径向相对变形，或称横向应变；横向应变；ldlrdrddRdR)21 (2对于对于金属材料金属材料对于对于半导体材料半导体材料)21 ( 电阻应变效应（几何尺寸变化引起）电阻应变效应（几何尺寸变化引起）d 压阻效应（电阻率变化引起）压阻效应（电阻率变化引起）EdRdR)21 ( RdRn电阻应变片的灵敏度：电阻应变片的灵敏度： n常用材料性能见表常用材料性能见表3-13-1和表和表3-23-2。RdRldlRdRS0S=1.83.6n2 2、电阻应变片的种类、电阻应变片的种类n金属电阻应变片金属电阻应变片和半导体应变片半导体应变片。n（1 1）金属电阻应变片）

11、金属电阻应变片 n有丝式和箔式等结构形式。n用光刻、腐蚀等工艺方法制成，与丝式相比箔式表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过较大电流，可做成任意形状，适于大批量生产。箔式使用范围广泛，有逐渐取代丝式应变片的趋势。n（2 2）半导体应变片）半导体应变片 n优点优点是灵敏度高，横向效应和机械滞后小。缺点缺点是温度稳定性差，测量较大应变时，非线性误差大，必须采取补偿措施。 图图3-9 金属电阻应变片金属电阻应变片n工作时将工作时将应变片应变片粘贴于弹性元件或被测构件粘贴于弹性元件或被测构件预定预定部位部位的表面上。的表面上。n电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 n1、目测电阻应

12、变片有无缺陷n2、用数字万用表测量应变片电阻值大小n3、试件表面处理n4、应变片粘贴n5、焊线n6、用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，应大于50M欧n7、应变片保护 图图3-10 半导体应变片结构半导体应变片结构 1半导体敏感条半导体敏感条 2 基底基底 3引出线引出线n3 3、电阻应变式传感器的应用、电阻应变式传感器的应用 图图3-11 3-11 构件应力测定的应用实例构件应力测定的应用实例a a）齿轮轮齿弯矩测量）齿轮轮齿弯矩测量 b b）飞机机身应力测量）飞机机身应力测量c c）立柱应力测量）立柱应力测量 d d）桥梁应力测量）桥梁应力测量图3-13 圆柱面展开及电桥a)圆柱

13、面展开图 b)桥路连接图图3-14 膜片式压力传感器a)应力变化 b)应变片粘贴位置 图图3-15 3-15 应变式加速度传感器应变式加速度传感器11质量块质量块 22悬臂梁悬臂梁 33硅油硅油44限位块限位块 55应变片应变片 66壳体壳体 测量时，基座固定在振动体上。振动加速度使质测量时，基座固定在振动体上。振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产生弯曲变形。在惯性力的作用下产生弯曲变形。 因此，因此，梁的应变梁的应变在一定的频率范围内在一定的频率范围内与振动体的与振动体的加速度成正比。加速度成正比。

14、n电阻应变式称重传感器图3 剪切梁受力情况和应变片布置图图7 传感器测量电路图n例：有一拉力传感器，用钢柱作为敏感元件，其上贴一电阻应变片。已知钢柱的截面积 ，弹性模量为 ，应变片灵敏度 。若测量电路对应变片电阻相对变化量 的分辨率为 ，试计算传感器能测出的最小拉力 。21cmA PaE11100 . 22SRdR710minF3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器n3.3.1 工作原理及类型工作原理及类型ACr00r 极板间介质的相对 介电系数，在空气中 ；1r真空中介电常数，AmF /1085. 8120 极板间距离（m）； 极板面积（ ）；2m图图3-16 3-16 平板电容器平板电容

15、器LM317 LM337 三端固定式集成稳压器正负直流稳压电源n根据电容器变化的参数，可分为（1 1）极距变化型）极距变化型极距变化型：极距变化型：一般用于小位移测量面积变化型：面积变化型：适用于较大直线位移及角位移测量介质变化型：介质变化型：适用于物位、湿度、密度、厚度的测量dAdCr201201AddCSr0=0.11mm=(0.010.1)0图图3-17 极距变化型电容传感器及输出特性极距变化型电容传感器及输出特性 a）极距变化）极距变化 b）输出特性）输出特性小结：小结：灵敏度与极矩的平方呈反比灵敏度与极矩的平方呈反比，极矩越小灵敏度越高。，极矩越小灵敏度越高。为防止非线性误差，一般取

16、为防止非线性误差，一般取 。实际应用时为提高。实际应用时为提高灵敏度，扩大线性范围，灵敏度，扩大线性范围，常采用差动式常采用差动式。1 . 0 图图3-18 差动式电容传感器差动式电容传感器n极距变化型电容传感器极距变化型电容传感器n优点：优点：灵敏度高，可进行非接触测量，对被测系统影响小，适于测量微小位移。n测量范围：0.01um数百微米。n缺点：缺点：有非线性误差；传感器的杂散电容对灵敏度及测量精度也有影响；转换电路较为复杂。n（2 2）面积变化型）面积变化型n有角位移型与线位移型两种。图图3-15 面积变化型电容传感器面积变化型电容传感器a）角位移型）角位移型 b）平面线位移型）平面线位

17、移型 c）圆柱体线位移型）圆柱体线位移型1动板动板 2定板定板22rA220rCr常数220rddCSr对于角位移型：对于角位移型：n对于平面线位移型：对于平面线位移型：n对于圆柱体线位移型：对于圆柱体线位移型：bxCr0常数bdxdCSr0b极板宽度。)ln(20dDxCr常数)ln(20dDdxdCSrD圆筒孔径；d圆柱外径。n面积变化型面积变化型电容传感器n优点优点是输出与输入成线性关系输出与输入成线性关系，但与极距变化型电容传感器相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移的测量。n（3 3）介质变化型）介质变化型n原理：利用利用介质介电常数的变化介质介电常数的变化将被测量转换为电量的

18、一种传感器。n多用来测量电介质的液位或某些材料的厚度、温度和湿度等。 图图3-20 介质变化型电容传感器应用实例介质变化型电容传感器应用实例a）介质液位计）介质液位计 b）介质厚度、温度、湿度计）介质厚度、温度、湿度计n3.3.2 测量电路测量电路n1、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥图图3-21 变压器式交流电桥测量电路变压器式交流电桥测量电路返回68页图图3-22 直流极化电路直流极化电路dtdAREdtdCREurg20002、直流极化电路、直流极化电路又称又称静压电容传感器电路静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传多用于电容传声器或压力传感器。感器。 组成：组成：弹性膜片、电容

19、器、弹性膜片、电容器、直流极化电压直流极化电压E0、高阻值电、高阻值电阻阻R。输出电压：输出电压： 被测量：被测量：气流（或液流）振动速度，进而测其压力。气流（或液流）振动速度，进而测其压力。图图3-23 3-23 调频电路工作原理调频电路工作原理 3、调频电路、调频电路4、运算放大器电路运算放大器电路图图3-24 3-24 运算放大器电路运算放大器电路xgCCuu00输出电压与位移量的关系：ACuurg000u0激励电压激励电压ug运放输出电压运放输出电压c0固定电容固定电容cx传感器等效电容传感器等效电容输出电压输出电压u ug g与电容传感器间隙呈正比。与电容传感器间隙呈正比。n3.3.

20、3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用n电容式传感器广泛应用在位移、压力、位移、压力、流量、液位流量、液位等的测试中。其精度和稳定性也日益提高，精度高达0.01%的电容式传感器目前已有商品出现，例如：一种量程为250mm的电容式位移传感器，其精度可达5um。电容式测厚仪电容式测厚仪：工作原理：工作原理：C1、C2工作极板与带材之间形成两个电工作极板与带材之间形成两个电容，容， 其总电容为其总电容为C= C1+C2 。当金属带材在轧制中。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。路

21、可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。 电容式转速传感器工作原理：当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，工作原理：当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为代表转速大小。设齿数为z，频率为，频率为f，转速为，转速为n。 min)/(60rzfn 图图3-25 3-25 电容式传声器电容式传声器11减压孔减压孔 22内腔内腔 33固定极板固定极板 44膜片膜片55阻尼孔阻尼孔 66绝缘支架绝缘支架 77外壳外壳图图3-26 3-26 电容式振动位移传感器电容式振动位移传感器 11测端电

22、极测端电极 22绝缘衬套绝缘衬套 33壳体壳体 44弹簧卡圈弹簧卡圈 55电极座电极座 66盘形弹簧盘形弹簧 77螺母螺母 88被测物被测物 99电容式传感器电容式传感器结构结构应用应用图图3-27 差动式电容加速度传感器差动式电容加速度传感器1下固定极板下固定极板 2绝缘垫绝缘垫 3壳体壳体 4弹簧弹簧 5上固定极板上固定极板 6质量块质量块例：已知两极板电容传感器，其极板面积为A，两极板间介质为空气，极板间距1mm，当极距减少0.1mm时，其电容变化量和传感器的灵敏度为多少？若参数不变，将其改为差动结构，当极距变化0.1mm时，求其电容变化量和传感器的灵敏度，并说明差动传感器为什么能提高灵

23、敏度和减少线形误差。3.4 电感式传感器n电感式传感器是利用电磁感应原理利用电磁感应原理把被测量，如力、位移等，转换成线圈自感或互感变化转换成线圈自感或互感变化的一种装置。n按工作原理不同可分为自感式自感式、互感式互感式和电电涡流式涡流式三种。n3.4.1 3.4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器n常用的有常用的有变气隙型变气隙型、变面积型变面积型和和螺管型螺管型。图图3-28 自感式电感传感器（变气隙型）自感式电感传感器（变气隙型）a）结构）结构 b）特性曲线）特性曲线 1衔铁衔铁 2线圈线圈 3铁心铁心n线圈自感L为mRNL2N线圈匝数；Rm磁路总磁阻（H-1）002AAlRm不考虑磁

24、路的铁损时，总磁阻为：002ARm)mH/m104207-00空气气隙导磁截面积（；空气磁导率，气隙长度；铁心磁导截面积；铁心磁导率；铁心和衔铁的导磁长度AAl则：20022ANRNLm20022ANS1 . 00一般取：测量范围0.0011mm图图3-29 差动式自感传感器差动式自感传感器 变面积型自感传感器变面积型自感传感器在工作时气隙长度在工作时气隙长度保保持不变，使气隙导磁截面积持不变，使气隙导磁截面积A0随被测量变随被测量变化，自感化，自感L与与A0呈线性关系。呈线性关系。 图图3-30 变面积型自感传感器变面积型自感传感器图图3-31 差动式螺管型自感传感器差动式螺管型自感传感器

25、1线圈线圈 2铁心铁心n双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型较单螺管线圈型较单螺管线圈型有较高灵有较高灵敏度及线性。敏度及线性。n该结构用于该结构用于电感测微计电感测微计上，测量范围可达上，测量范围可达0300um，最小分辨力为最小分辨力为0.5um。n传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其测随铁芯位移而变化，其测量电路可采用图量电路可采用图3-21所示的变压器式交流电所示的变压器式交流电桥，只需将电桥中的差动电容换为差动电感桥，只需将电桥中的差动电容换为差动电感线圈即可。线圈即可。n图图3-21电动轮廓仪原理框图

26、电动轮廓仪原理框图传感器结构原理图传感器结构原理图n3.4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器n利用电磁感应中的互感现象工作。图图3-32 互感现象互感现象电流。流过初级线圈的激励间的互感系数；初级线圈与次级线圈之1112iMdtdMein实际应用时实际应用时：图图3-33 螺管型差动变压器螺管型差动变压器 a）结构原理）结构原理 b）等效电路）等效电路 c）输出特性）输出特性n差动变压器后续电路形式：差动变压器后续电路形式：n差动变压器式传感器的输出电压是交流量，若用差动变压器式传感器的输出电压是交流量，若用交流电压表指示，输出值只能反应铁芯位移的大交流电压表指示，输出值只能反应铁芯位移的

27、大小，而小，而不能反应移动的方向性；不能反应移动的方向性；n同时，交流电压输出存在一定的同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。n差动变压器的后接电路需采用既能反应铁芯位移差动变压器的后接电路需采用既能反应铁芯位移方向，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电方向，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。路。n图图3-34 差动相敏检波电路差动相敏检波电路图图3-34 3-34 差动相敏检波电路工作原理差动相敏检波电路工作原理差动变压器式传感器差动变压器式传感器的优点是精确度高（最高分辨力的优点是精确度

28、高（最高分辨力可达可达0.1um)0.1um)、线形范围大，可达、线形范围大，可达100mm100mm、稳定性好，、稳定性好，使用方便。广泛用于直线位移的测量。借助于弹性敏使用方便。广泛用于直线位移的测量。借助于弹性敏感元件可将压力、重量等物理量转换为位移的变化。感元件可将压力、重量等物理量转换为位移的变化。故也可用于压力、重量的测量。故也可用于压力、重量的测量。n3.4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器n利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应电涡流效应。图图3-35 电涡流式传感器的结构原理电涡流式传感器的结构原理1传感器激励线圈传感器激励线圈2被测金属导体被测金属导体 如图所示，如图所示，高

29、频高频(1MHz)激励电流激励电流产生的高产生的高频磁场作用于金属板的表面，频磁场作用于金属板的表面，由电磁感应定律，在金属板由电磁感应定律，在金属板表面将形成涡电流。与此同表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场时，该涡流产生的交变磁场又又反作用反作用于线圈，引起线圈于线圈，引起线圈等效阻抗发生等效阻抗发生变化变化。阻抗的。阻抗的变化与金属板的变化与金属板的电阻率电阻率、磁导率磁导率、激励电流激励电流i及及角频角频率率及及线圈与金属导体之间线圈与金属导体之间的距离的距离等有关。等有关。 若若只改变距离只改变距离而保持而保持其它参数不变，则可作为其它参数不变，则可作为位位移、振动移、振

30、动的测量；变化的测量；变化或或则可作为则可作为材质鉴别或探伤材质鉴别或探伤等等。率。线圈中激励电流的频的距离；线圈与金属导体之间率；被测金属导体的磁导率；被测金属导体的电阻xxfZ),(n等效阻抗Z为：n电涡流传感器的测量电路一般有阻抗分压分压式调幅电路式调幅电路及调频电路调频电路。率。线圈中激励电流的频的距离；线圈与金属导体之间率；被测金属导体的磁导率；被测金属导体的电阻xxfZ),(图图3-36 分压式调幅电路原理分压式调幅电路原理LCf21谐振频率：图图3-37 3-37 分压调幅电路谐振曲线和特性曲线分压调幅电路谐振曲线和特性曲线 a a）谐振曲线）谐振曲线 b b）特性曲线）特性曲线

31、LCf21图图3-38 3-38 调频电路的工作原理调频电路的工作原理输出电压与位移成比例关系输出电压与位移成比例关系。n电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用n可用于可用于动态非接触测量动态非接触测量，其测量范围视传，其测量范围视传感器结构尺寸、线圈匝数和激励频率而定。感器结构尺寸、线圈匝数和激励频率而定。一般从一般从（110）mm不等，最高分辨力不等，最高分辨力可达可达0.1um。这种传感器具有结构简单、。这种传感器具有结构简单、使用方便、不受油污等介质影响等优点。使用方便、不受油污等介质影响等优点。n主要用于主要用于转速、厚度、径向振摆、零件计转速、厚度、径向振摆、零件计数、表面裂纹测

32、量。数、表面裂纹测量。径向振动测量径向振动测量轴心轨迹测量轴心轨迹测量转速测量转速测量 零件计数器零件计数器 表面裂纹测量表面裂纹测量 穿透式测厚穿透式测厚 3.5 3.5 压电式传感器压电式传感器n压电式传感器是一种可逆型换能器。压电式传感器是一种可逆型换能器。n机械能转换成电能：可测压力、加速度、振动等。n电能转换成机械能：高频振动台、超声发射与接受等。n主要优点：主要优点：n体积小；重量轻；n工作频带宽（如：加速度传感器，可测频率范围0.120KHz）；n灵敏度高（如：力传感器，分辨力达10-3N）。n3.5.1 3.5.1 压电效应压电效应n定义：定义：某些物质，如石英、钛酸钡（某些物

33、质，如石英、钛酸钡（BaTiO3BaTiO3） 、锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZTPZT）等晶体，当受到外力作用时，不）等晶体，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部会产生极化作仅几何尺寸发生变化，而且其内部会产生极化作用，从而会在晶体的相应表面产生电荷，形成电用，从而会在晶体的相应表面产生电荷，形成电场。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，晶场。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，晶体的这一性质称为体的这一性质称为正压电效应正压电效应。n当压电晶体置于外电场，其几何尺寸也会发生变当压电晶体置于外电场，其几何尺寸也会发生变化，当电场撤去时，这些变形也随之消失，这种化，当电场撤去时，这些变

34、形也随之消失，这种物理现象称为物理现象称为逆压电效应逆压电效应。n具有压电效应的晶体称之为压电晶体压电晶体n天然压电晶体天然压电晶体例如：石英、电气石、闪锌矿等。价格昂贵且不易获得。石英晶体是常用的压电材料之一。n人造晶体人造晶体，如：酒石酸钾钠（罗谢耳盐）、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、酒石酸乙二钾、硫酸锂等。n以石英晶体为例，介绍压电效应nz轴轴称为称为光轴光轴，沿该方向受力不会产生压电效应。，沿该方向受力不会产生压电效应。nx轴轴是经过六面体的棱线并垂直于是经过六面体的棱线并垂直于z轴的轴线，称为轴的轴线，称为电轴电轴又又称称 “纵向压电效应纵向压电效应”。ny轴轴是与是与x、z轴垂直的轴线，

35、称为轴垂直的轴线，称为机械轴机械轴，又称，又称 “横向压横向压电效应电效应”。 图图3-41 3-41 石英晶体石英晶体a a）晶体外形）晶体外形 b b）轴定义）轴定义 c c）切割晶片）切割晶片n沿沿x轴方向施加作用力，将在轴方向施加作用力，将在yz平面上产生电荷，其大小为平面上产生电荷，其大小为n沿沿y轴方向施加作用力，仍然在轴方向施加作用力，仍然在yz平面产生电荷，但极性方平面产生电荷，但极性方向相反，其大小为向相反，其大小为n沿沿z轴方向施加作用力，不会产生压电效应，无电荷产生。轴方向施加作用力，不会产生压电效应，无电荷产生。轴方向作用力。方向受力的压电系数；xFxdFdqxxx11

36、11方向作用力。切片厚度；切片长度；方向受力的压电系数；yFbaddydFbadFbadqyyyy;1112121112图图3-42 3-42 电荷符号与受力方向的关系电荷符号与受力方向的关系a a）x x轴向受压力轴向受压力 b b）x x轴向受拉力轴向受拉力 c c）y y轴向受压力轴向受压力 d d）y y轴向受拉力轴向受拉力 n3.5.2 3.5.2 压电材料压电材料n压电单晶压电单晶 如石英、铌酸锂、钽酸锂等；如石英、铌酸锂、钽酸锂等；n特点特点: :石英压电常数不高石英压电常数不高，但具有较好的机械强度，但具有较好的机械强度和温度、时间稳定性，居里点：和温度、时间稳定性，居里点：5

37、75575度。度。n压电陶瓷压电陶瓷 如钛酸钡、锆钛酸铅（如钛酸钡、锆钛酸铅（PZTPZT）等；）等；n压电陶瓷为多晶体，它由许多压电陶瓷为多晶体，它由许多铁电体微晶铁电体微晶组成，微组成，微晶再细分为晶再细分为电畴电畴，在一定的温度下进行极化处理，在一定的温度下进行极化处理（1 14MV/m），使电筹规则排列，呈现压电性。，使电筹规则排列，呈现压电性。压电陶瓷可视为压电陶瓷可视为多畴晶体多畴晶体。其制作方便，成本低，。其制作方便，成本低，使用广泛。使用广泛。压电常数比石英高数百倍压电常数比石英高数百倍。n有机压电薄膜有机压电薄膜 如聚偏二氟乙烯（如聚偏二氟乙烯（PVDFPVDF）。）。n居里

38、点：居里点：材料温度达到该点，将失去压电特性。n钛酸钡钛酸钡是使用最早的压电陶瓷。其居里温度低，约为120。现在使用最多的是锆钛酸锆钛酸铅（铅（PZT）系列压电陶瓷。）系列压电陶瓷。PZT是一材料系列，随配方和掺杂的变化可获得不同的材料性能。它具有较高的居里点，约为180350 和很高的压电常数（10002100）。利用强电场（1-4MV/m）使电畴规则排列图3-43 极化处理示意图a）极化前 b）极化 c）极化后n高分子压电薄膜高分子压电薄膜n聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDFPVDF）是使用较多的高分子压电是使用较多的高分子压电薄膜，其压电特性并不太好（压电常数小，居里薄膜，其压电特性并

39、不太好（压电常数小，居里点低），但易于大批量生产，且具有点低），但易于大批量生产，且具有面积大、柔面积大、柔软不易破碎软不易破碎等优点。可用于等优点。可用于微压测量微压测量和和机器人的机器人的触觉触觉。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成复合材料末，制成复合材料(PVdFPZT)(PVdFPZT)。n应用应用 ：nPVDFPVDF血压传感器：使用方便，与上腕部动脉沟吻血压传感器：使用方便，与上腕部动脉沟吻合。合。n机器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电机器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电效应，薄膜柔软，适于做成大面积传感阵列器件。效应，薄

40、膜柔软，适于做成大面积传感阵列器件。n对压电材料性能的要求：对压电材料性能的要求：n转换性能。转换性能。要求具有较大的压电常数。要求具有较大的压电常数。n机械性能。机械性能。压电元件作为受力元件，希望压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以获得宽的线性它的机械强度高、刚度大，以获得宽的线性范围和高的固有振动频率。范围和高的固有振动频率。n电性能。电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。频特性。n环境适应性强。环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，温度和湿度稳定性要好，要求具

41、有较高的居里点，获得较宽的工作温要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。度范围。n时间稳定性。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。要求压电性能不随时间变化。n3.5.3 3.5.3 等效电路等效电路n当有外力作用时，在压电晶片的两个极板上产生当有外力作用时，在压电晶片的两个极板上产生数量相等、极性相反的电荷数量相等、极性相反的电荷Q Q，其开路电压，其开路电压U U为：为：图3-44 压电晶片积。压电晶片工作面的面厚度；极板间距，即晶片的；钛酸钡石英晶体常数；压电材料的相对介电AACrrrra12004.50aCQU 图图3-45 3-45 压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路a

42、a）电荷等效电路）电荷等效电路 b b）电压等效电路）电压等效电路图图3-46 3-46 压电元件连接方式压电元件连接方式 a a）并联）并联 b b）串联）串联电荷大，电电荷大，电容大。适合容大。适合电荷输出场电荷输出场合。合。电压大，电电压大，电容小。适合容小。适合电压输出场电压输出场合。合。n使用时注意：使用时注意：n负载不是无穷大时，会有漏电现象。因此，静态测量时，必须采用极高阻抗负载；负载不是无穷大，电路将按指数规律放电，极板上电荷无法保持不变，从而造成测量误差。n动态测量时，因外力不断变化，电荷可以不断得到补充，漏电量相对较少，故压电式传感器适宜动态动态测量测量。n实际应用时压电元

43、件常采用实际应用时压电元件常采用串接或并接串接或并接。n并接：并接：电容量大，输出电荷量大，宜于测缓变信号，适宜电荷量输出场合适宜电荷量输出场合；n串接：串接：电容小，输出电压大，适宜于电压输出的适宜于电压输出的场合。场合。n3.5.4 3.5.4 测量电路测量电路n前置放大器的主要作用前置放大器的主要作用有两点：一是将传感器的高有两点：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是将传感器输出的阻抗输出变换为低阻抗输出；二是将传感器输出的微弱电信号放大。微弱电信号放大。n前置放大器有前置放大器有两种形式两种形式。其一是用电阻反馈的。其一是用电阻反馈的n电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电

44、压（传感器输出），其输出电压与输入电压（传感器输出）成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。出电压与输入电荷成正比。n电荷放大器电荷放大器是一个带有反馈电容是一个带有反馈电容C Cf f的高增益运算放的高增益运算放大器。当略去传感器的漏电阻及电荷放大器的输入大器。当略去传感器的漏电阻及电荷放大器的输入电阻时，其等效电路如图电阻时，其等效电路如图3-473-47所示。所示。图3-47 压电式传感器与电荷放大器连接的等效电路 foiifoiicaiCUUCUCUUCCCUQ电荷放大器反馈电容大倍数；为电荷放大器的开环放放大器输

45、出电压，放大器输入电压；fiiCKKUUUU,00当放大器的开环放大倍数K足够大，n结论：结论：在一定的条件下，在一定的条件下，电荷放大器的电荷放大器的输输出电压与出电压与压电传感器产生的压电传感器产生的电荷量成正比，电荷量成正比，且且与电缆分布电容无关与电缆分布电容无关。因此，采用电荷。因此，采用电荷放大器，即使连接电缆长度数百米，其灵放大器，即使连接电缆长度数百米，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。出优点。 ffoKCCCKQU)(foCQUffCCKC则：n3.5.5 压电式传感器的应用n压电式传感器常用来测量力、压力、振动的加速压电式传

46、感器常用来测量力、压力、振动的加速度，也用于声学和声发射等的测量度，也用于声学和声发射等的测量。n压电效应是一种压电效应是一种力力 电荷电荷变换，可直接用作力的变换，可直接用作力的测量。现已形成测量。现已形成系列的压电式力传感器系列的压电式力传感器，测量范，测量范围从围从10-3N104KN，动态范围一般为动态范围一般为60dB。n压电式压力传感器有两种形式：一种是利用压电式压力传感器有两种形式：一种是利用膜片膜片式弹性元件，式弹性元件，通过膜片承压面积将压力转化为力。通过膜片承压面积将压力转化为力。n另一种是利用另一种是利用活塞的承压面承受压力，活塞的承压面承受压力，并使活塞并使活塞所受的力

47、通过在活塞另一端的顶杆作用在压电元所受的力通过在活塞另一端的顶杆作用在压电元件上，测得此作用力便可推算出活塞所受压力。件上，测得此作用力便可推算出活塞所受压力。图图3-48 3-48 压电式单向测力传感器的结构压电式单向测力传感器的结构11绝缘套绝缘套 22电极电极 33基座基座 44上盖上盖 55石英晶片石英晶片 66电子束焊接电子束焊接该测力传感器的测量范围是该测力传感器的测量范围是0 050N50N，最小分辨力，最小分辨力0.01N0.01N，可，可用于机床切削力的测量。用于机床切削力的测量。上盖为传力元件上盖为传力元件图图3-49 3-49 压电式加速度传感器的结构压电式加速度传感器的

48、结构11电极夹层电极夹层 22晶片晶片 33外壳外壳 44质量块质量块 55晶片晶片 66引线引线 77底层底层质量块产生一个质量块产生一个与加速度成正比与加速度成正比的的惯性力惯性力F F作用作用于压电晶片于压电晶片，因，因压电效应在压电压电效应在压电晶片表面产生电晶片表面产生电荷，该荷，该电荷与被电荷与被测加速度成正比测加速度成正比。压电式脉搏计压电式脉搏计 产品采用产品采用压电薄膜压电薄膜作为换能材料，作为换能材料，是一种高性能、低成本的动态微压是一种高性能、低成本的动态微压传感器。传感器。动态压力信号通过薄膜变动态压力信号通过薄膜变成电荷量，成电荷量，再经传感器内部放大电再经传感器内部

49、放大电路转换成电压输出。该传感器具有路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、安全防卫等领域。于医疗、安全防卫等领域。典型应用：典型应用：脉搏计数；脉搏计数；按键键盘，触摸键盘；按键键盘，触摸键盘；振动、冲击、碰撞报警；振动、冲击、碰撞报警；振动加速度测量；振动加速度测量；管道压力波动；管道压力波动；其它机电转换、动态力检测等。其它机电转换、动态力检测等。流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计压

50、电式流量计工作原理工作原理：利用超声波在顺流利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发设置两个相隔一定距离的收发两用两用压电超声换能器压电超声换能器，每隔一，每隔一段时间段时间(如如1/100s)，发射和接收，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情互换一次。在顺流和逆流的情况下，况下，发射和接收的相位差与发射和接收的相位差与流速成正比。流速成正比。据这个关系，可据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。截面积的乘积等于流量。此流量计可测量各种液体的

51、流此流量计可测量各种液体的流速及中压和低压气体的流速。速及中压和低压气体的流速。同时不受流体的导电率、粘度、同时不受流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达其准确度可达0.5%。n压电式传感器总结：压电式传感器总结：n1 1）压电传感器已形成系列化产品。压电传感器已形成系列化产品。如大型加速度计灵敏如大型加速度计灵敏阈可达阈可达10106 6g g，能够测量微弱的振动。小型加速度计，能够测量微弱的振动。小型加速度计0.14g,0.14g,灵敏低，但能测量上千克强振动。灵敏低，但能测量上千克强振动。n2 2）有电荷泄漏难以精确测量常值力，有电荷泄漏

52、难以精确测量常值力，低频振动受灵敏度低频振动受灵敏度限制，输出信号弱，信噪比差。限制，输出信号弱，信噪比差。n3 3）压电传感器一般用来测量沿其轴向的作用力，产生纵）压电传感器一般用来测量沿其轴向的作用力，产生纵向效应和相应的输出，但在垂直轴向（向效应和相应的输出，但在垂直轴向（y y轴）的作用力，轴）的作用力，产生横向效应和相应的输出，横向输出是一种干扰和产生产生横向效应和相应的输出，横向输出是一种干扰和产生误差的原因，故误差的原因，故要减少横向输出要减少横向输出。n4 4）环境温度、湿度的变化、）环境温度、湿度的变化、压电材料本身的时效压电材料本身的时效，都会，都会引起压电常数的变化，使压

53、电传感器灵敏度变化，引起压电常数的变化，使压电传感器灵敏度变化，故要经故要经常校准常校准压电传感器。压电传感器。n5 5）压电传感器）压电传感器具有可逆性具有可逆性。施加电压于压电晶片，压电。施加电压于压电晶片，压电片便伸缩。所以可做片便伸缩。所以可做“驱动器驱动器”。3.6 磁电与热电式传感器n3.6.1 磁电式传感器n定义：利用电磁感应电磁感应的原理，将被测物理量被测物理量转换为感应电动势感应电动势的装置，又称电磁感应式或电动力式传感器。n是一种机械能转换为电能的传感器，不需供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，频响范围为101000Hz，适于振动、转速、转矩等测量。 n由电磁感应定律

54、电磁感应定律可知，当穿过一个线圈的磁通发生变化时，线圈中所产生感应电动势的大小取决于匝数匝数和穿过线圈的磁通变化率磁通变化率。n磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度的运动速度有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应电动势。n根据工作原理，磁电式传感器可分为根据工作原理，磁电式传感器可分为恒定恒定磁通式磁通式和和变磁通式变磁通式两类。两类。dtdNen1 1、恒定磁通式（动圈式）、恒定磁通式（动圈式）能量转换型（无源型）传感器能量转换型（无源型）传感器n对线速度型磁电式传感器，产生的感应电动势为对线速度型磁电式传感器，产生的感应电动势为sinNBlve 向的夹

55、角。线圈运动方向与磁场方速度；线圈与磁场的相对运动线圈匝数；单匝线圈有效长度；磁场的磁感应强度；vNlBNBlve90惯性速度计工作原理，惯性速度计工作原理，经微分、积分可得到经微分、积分可得到加速度及位移。加速度及位移。单匝线圈的截面积。；与结构有关的系数，-A1kkkNBAe2 2、变磁通式（磁阻式）、变磁通式（磁阻式）n又称变磁阻式磁电传感器，常用来测量旋转体的又称变磁阻式磁电传感器，常用来测量旋转体的角速度。角速度。图3-51 变磁通式磁电传感器的结构1被测旋转体 2测量齿轮 3铁心 4永久磁铁 5线圈测量齿轮的齿数。；测量齿轮的转速zrnnzf)min.(601感应电动势变化的频率：

56、感应电动势变化的频率：磁电式传感器只适用于动态测量磁电式传感器只适用于动态测量。n磁电式传感器与电感式传感器异同：n同：电磁感应定律。n异：磁电式传感器是通过磁电作用磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器（能量转换型）；电感式传感器是利用线圈自感或互感自感或互感的变化来测量的一种装置（能量控制型）；磁电式传感器磁电式传感器具有频响宽，动态范围大动态范围大的特点；而电感式传感器电感式传感器存在交流零位信号，不宜用于高频动态信号检测不宜用于高频动态信号检测，其响应速度较慢，也不宜做快速动态测量。n电感式传感器常用来测量位移、振动、压力、加速度等物理量。磁电式传感器可用于振动、转速、转矩等测量。n

57、例：已知恒磁通磁电式速度传感器的固有频率为10Hz，质量块重2.08N，气隙磁感应强度为1T，单匝线圈长度为4mm，线圈中匝数1500匝，试求弹簧刚度K值和电压灵敏度 值 。uS)/(smmV n3.6.2 3.6.2 热电式传感器热电式传感器n工作原理：将工作原理：将温度变化转换为电量变化温度变化转换为电量变化的元件。的元件。n热电偶：将热电偶：将温度变化温度变化转换为转换为电动势变化电动势变化的测温元件。的测温元件。n热电阻：将热电阻：将温度变化温度变化转换为转换为电阻值变化电阻值变化的测温元件。的测温元件。n1 1、热电偶、热电偶n（1 1）热电偶工作原理）热电偶工作原理图3-52 热电

58、偶回路n热电动势组成（接触电动势与温差电动势）热电动势组成（接触电动势与温差电动势）n接触电动势：接触电动势： A A、B B 接触面处形成的稳定电位差接触面处形成的稳定电位差称为接触电动势。称为接触电动势。n温差电动势：温差电动势：高温与低温端之间形成稳定的电位高温与低温端之间形成稳定的电位差称为温差电动势。差称为温差电动势。n热电偶的总热电动势为热电偶的总热电动势为n若使冷端温度若使冷端温度T T0 0固定，则固定，则)()(),(00TfTfTTEAB决定的常数。由固定温度00T)()(),(CTCTfTTEABn热电偶回路的热电偶回路的特点：特点：n如果热电偶的两个热电极材料相同，两结

59、点如果热电偶的两个热电极材料相同，两结点的温度虽然不同，但总的热电势仍为零。因的温度虽然不同，但总的热电势仍为零。因此，此，热电偶必须由两种不同的材料构成；热电偶必须由两种不同的材料构成；n如果热电偶两个接点的温度相同，即使两个如果热电偶两个接点的温度相同，即使两个热电极热电极 A A、B B 的材料不同，回路中热电势仍的材料不同，回路中热电势仍然为零，因此要产生热电势不但要求两个电然为零，因此要产生热电势不但要求两个电极材料不同，而且极材料不同，而且两个接点必须有温度差；两个接点必须有温度差；n热电动势与导体材料热电动势与导体材料A A、B B的中间温度无关，的中间温度无关，仅与两个接点的温

60、度有关。仅与两个接点的温度有关。n（2 2）热电偶的基本定律）热电偶的基本定律n中间导体定律：中间导体定律：在热电偶回路中接入第三在热电偶回路中接入第三种导体，只要其两端温度相同，则第三种种导体，只要其两端温度相同，则第三种导体的引入不会影响热电偶的热电动势。导体的引入不会影响热电偶的热电动势。图图3-53 3-53 开路热电偶测量金属壁面温度开路热电偶测量金属壁面温度 1 1仪表连线仪表连线 22金属壁面金属壁面n参考电极定律：参考电极定律：导体导体C C接在接在A A、B B之间，当热电偶两之间，当热电偶两个接点温度为个接点温度为T T、T0T0时，用导体时，用导体A A、B B组成的热电