第四章(blue)改.

1、l第一节第一节 概述概述l第二节第二节 机械式传感器机械式传感器l第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器l第四节第四节 电感式传感器电感式传感器l第五节第五节 电容式传感器电容式传感器l第六节第六节 压电式传感器压电式传感器l第七节第七节 磁电式传感器磁电式传感器l第八节第八节 光电式传感器光电式传感器l什么是传感器？什么是传感器？ 将被测物理量转换为与之相对应的，容易检测、将被测物理量转换为与之相对应的，容易检测、传输或处理的信号的装置。传输或处理的信号的装置。l目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换

2、成狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。电信号的装置。物理量物理量电量电量l传感器组成传感器组成 传感器一般由敏感器件与辅助器件组成传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器。敏感器件是传感器的核心，类似人的感觉器官。它的作用件是传感器的核心，类似人的感觉器官。它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。是直接感受被测物理量，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。dVl分类：方法很多分类：方法很多l按被测物理量分：位移、速度、加速度、力

3、传按被测物理量分：位移、速度、加速度、力传感器等感器等；l按测量原理分：变电阻、变电容、变磁阻、变按测量原理分：变电阻、变电容、变磁阻、变谐振频率等；谐振频率等；l按工作的物理基础分：机械式、电气式、光学按工作的物理基础分：机械式、电气式、光学式、流体式等；式、流体式等；l按信号变换特征：物性型、结构型；按信号变换特征：物性型、结构型；传感器传感器是依靠敏感元件材料本身物理是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号的变换的。如：水银性质的变化来实现信号的变换的。如：水银温度计测温，利用水银的热胀冷缩现象；压温度计测温，利用水银的热胀冷缩现象；压电测力计利用石英晶体的压电效应等。电测力计利用

4、石英晶体的压电效应等。传感器传感器依靠传感器结构参数的变化实依靠传感器结构参数的变化实现信号的转换。如：电容式传感器依靠极板现信号的转换。如：电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量变化；电感式传感器间距离变化引起电容量变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感变化。依靠衔铁位移引起自感或互感变化。l按敏感元件与被测量间能量关系：能量控制型、能量按敏感元件与被测量间能量关系：能量控制型、能量转换型；转换型；传感器是直接由被测对象输入能量使其工传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的，如：热电偶温度计、压电式等。由于被测对象作的，如：热电偶温度计、压电式等。由于被测对象与传感器之间的能量传输，

5、必然导致被测对象状态的与传感器之间的能量传输，必然导致被测对象状态的变化，造成测量误差。变化，造成测量误差。传感器是从外部供给辅助能量使传感器工传感器是从外部供给辅助能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外来供给能量的变化。如：作的，并且由被测量来控制外来供给能量的变化。如：电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由于被测量变化所引起的电阻变化控制电桥供给，而由于被测量变化所引起的电阻变化控制电桥失衡程度。此外，电阻温度计、电感式测微仪、电容失衡程度。此外，电阻温度计、电感式测微仪、电容式测振仪均属此类。式测振仪均属此类。l 1） 灵

6、敏度高，输入和输出之间应具有较好的灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；线性关系； 2） 噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； 3） 滞后、漂移误差小；滞后、漂移误差小； 4） 动态特性良好；动态特性良好； 5） 接入测量系统时对被测量产生影响小；接入测量系统时对被测量产生影响小； 6） 功耗小，复现性好，有互换性；功耗小，复现性好，有互换性； 7） 防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用； 8） 结构简单，容易维修和校正；结构简单，容易维修和校正； 9） 低成本，通用性能。低成本，通用性能。 l被测量转换为弹性变形被测量转换

7、为弹性变形l典型应用有：用于测力或称重的环形测力计、典型应用有：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、波弹簧秤等；用于测量流体压力的波纹膜片、波纹管等；用于测量温度的双金属片等。纹管等；用于测量温度的双金属片等。 结构简单、使用方结构简单、使用方便、价格低廉、读数直便、价格低廉、读数直观；但由于放大和指示观；但由于放大和指示系统多为机械传动，惯系统多为机械传动，惯性大、固有频率低，故性大、固有频率低，故多用于静态量或低频变多用于静态量或低频变化量的测量。化量的测量。c)温度计见课本232页l近年来在自动检测、自动控制技术中广近年来在自动检测、自动控制技术中广泛采用的

8、微型探测开关也被认为是另一泛采用的微型探测开关也被认为是另一种形式的机械传感器。种形式的机械传感器。l将将 物体的运动、位置或尺寸的变化，物体的运动、位置或尺寸的变化，通过弹性簧片开关转换为接通、断开信通过弹性簧片开关转换为接通、断开信号，再经过分析处理而判断出物体的有号，再经过分析处理而判断出物体的有无、位置、运动状态、形状尺寸等。无、位置、运动状态、形状尺寸等。l在常态下，簧片开关处于断开状态，当与磁块在常态下，簧片开关处于断开状态，当与磁块（钢制工件）接近时，簧片被磁化而接合，成（钢制工件）接近时，簧片被磁化而接合，成为接通状态，所传达信号表明物体的存在。为接通状态，所传达信号表明物体的

9、存在。l当用于自动线上时，可检测物体的位置和有无，当用于自动线上时，可检测物体的位置和有无，也可用于自动记数。也可用于自动记数。l被测量转换为电阻变化的传感器被测量转换为电阻变化的传感器l按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式、电阻变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式应变式、热敏式、光敏式、电敏式.l本节介绍：本节介绍： 一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器 二、二、电阻应变式传感器电阻应变式传感器l也称为电位器式传感器。l根据欧姆定律：)(AlR电阻丝截面积电阻丝长度电阻率All常用变阻器式传感器有直线位移型、角常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型如图位移型如图4-24-

10、2所示。所示。调节动触点调节动触点C的位置，的位置，可将被测位移等变换可将被测位移等变换为电阻的变化。为电阻的变化。xkRxxkdxdRS灵敏度kR kddRS灵敏度l当被测量与变阻器触点位移当被测量与变阻器触点位移x x成某种函成某种函数关系时，若要获得与被测量成线性关数关系时，若要获得与被测量成线性关系的输出，则要应用非线性型的变阻器系的输出，则要应用非线性型的变阻器式传感器。式传感器。l传感器的骨架形状应根据所要求的输出传感器的骨架形状应根据所要求的输出函数确定。函数确定。l如被测量如被测量2)(kxxf为线性关系与才能使输出电阻三角形，则变阻器骨架应为直角)()(xfxRl考虑负载效应

11、后，传感器的输出为考虑负载效应后，传感器的输出为4)-(4 10pLppyxxRRxxeepLRR 4)-(4 0 xxeepyl优点：结构简单，性能稳定，使用方便。优点：结构简单，性能稳定，使用方便。l缺点：受电阻丝直径的制约，分辨力很难缺点：受电阻丝直径的制约，分辨力很难优于优于2020mm；触点和电阻丝接触表面磨损、触点和电阻丝接触表面磨损、尘埃附着等使触点在移动中产生噪声。尘埃附着等使触点在移动中产生噪声。l采用导电塑料制成的变阻器性能有所改善，采用导电塑料制成的变阻器性能有所改善，多用于数控系统中多用于数控系统中( (例如：精密膜电位例如：精密膜电位器）器）。 应用应用案例：案例：

12、重量的自动检测重量的自动检测-配料设备（定量控制）配料设备（定量控制）重量设定重量设定原材料原材料 比较比较原理原理用弹簧将力转换为位移用弹簧将力转换为位移; ;再用变再用变阻器将位移转换为电阻的变化阻器将位移转换为电阻的变化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原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化煤气包煤气包钢丝钢丝特点：特点：（1）测量量程大；）测量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低。 电阻式传感器电阻式传感器案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理原理直接将关节驱动电机的转动角度变

13、直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化化转换为电阻器阻值变化 电阻式传感器电阻式传感器l金属电阻应变片金属电阻应变片l半导体应变片半导体应变片l有丝式、箔式两种。有丝式、箔式两种。l工作原理都是基于在发生机械变形时，工作原理都是基于在发生机械变形时，电阻值发生变化。电阻值发生变化。l金属箔式应变片的箔栅采用光刻金属箔式应变片的箔栅采用光刻技术，大量生产。线条均匀，尺技术，大量生产。线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。其粘贴寸准确，阻值一致性好。其粘贴性能、散热性能均优于丝栅，允性能、散热性能均优于丝栅，允许通过较大电流。目前应用广泛。许通过较大电流。目前应用广泛。l当敏感栅在工作当

14、敏感栅在工作中产生变形时，中产生变形时，其电阻值发生相其电阻值发生相应的变化。应的变化。)(AlR电阻丝截面积电阻丝长度电阻率Al5)-(4 dRdAARdllRdR2rA式中，6)-(4 2drdrldlRdR当每一可变因素分别有一增量时，所引起的电阻增量为：6)-(4 2drdrldlRdRrdrldl式中，。为电阻丝材料的泊桑比Ed力为电阻丝轴向所受正应为弹性模量为压阻系数E9)-(4 )21 (ERdR10)-(4 )2(1RdR常数其灵敏度为应变成正比，应变片电阻相对变化与21ldlRdRS很小，则应很弱，即金属电阻材料的压阻效El其工作原理是基于半导体材料的压阻效其工作原理是基于半

15、导体材料的压阻效应，即受力变形时电阻率应，即受力变形时电阻率发生变化。发生变化。l单晶半导体受力变形时，原子点阵排列单晶半导体受力变形时，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子浓度和迁移规律发生变化，导致载流子浓度和迁移率改变，引起电阻率变化。率改变，引起电阻率变化。)(AlRl对半导体材料而言对半导体材料而言ERdR其灵敏度为其灵敏度为ERdRS9)-(4 )21 (ERdRl优点：灵敏度高，比金属电阻应变片数优点：灵敏度高，比金属电阻应变片数值大值大50705070倍，机械滞后小，横向效应小，倍，机械滞后小，横向效应小，测量范围大，频响范围宽。测量范围大，频响范围宽。l缺点：温度稳定性差，灵

16、敏度分散性较缺点：温度稳定性差，灵敏度分散性较大，在较大应变作用下，非线性误差大。大，在较大应变作用下，非线性误差大。案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理原理在桥中设置一三角形障碍物，利在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车通过障碍物时的冲击对桥用汽车通过障碍物时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。率。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应用应用案例：案例：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片化结构变形再通过应变片转化为电量输出。转化为电量输出。

17、电阻应变式传感器电阻应变式传感器齿轮轮齿弯矩飞机机身应力立柱应力桥梁应力位移传感器加速度传感器柱式测力传感器扭力矩传感器筒式压力传感器位移传感器加速度传感器柱式测力传感器扭力矩传感器筒式压力传感器l以电磁感应为基础，把被测量转换为电以电磁感应为基础，把被测量转换为电感量变化。感量变化。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l原理如图原理如图4-94-9所示所示，由线圈、铁芯和衔，由线圈、铁芯和衔铁组成，铁芯和衔铁之间有气隙铁组成，铁芯和衔铁之间有气隙。l当线圈中通以电流i时，由此产生的磁通m，其大小与电流成正比，即14

18、)-(4 LiWm线圈自感。线圈匝数；LWl根据磁路欧姆定律根据磁路欧姆定律15)-(4 mmRWi磁阻。磁动势；mRWi将式将式（4-154-15）代入式（）代入式（4-144-14）中，得中，得16)-(4 2mRWL 14)-(4 LiWml若不计磁路损耗，且气隙若不计磁路损耗，且气隙很小，则磁很小，则磁路磁阻为路磁阻为17)-(4 200AAlRm与空气隙磁阻相比，铁芯磁阻一般很小，计算时可忽略与空气隙磁阻相比，铁芯磁阻一般很小，计算时可忽略，则，则18)-(4 200ARml代入式代入式（4-164-16）中，则）中，则此式表明，自感此式表明，自感L L与气隙长度与气隙长度成反比，与

19、气隙导成反比，与气隙导磁截面积磁截面积A A0 0成正比。当成正比。当A A0 0固定，固定，改变改变时，时， L L与与成非线性关系成非线性关系。16)-(4 2mRWL 18)-(4 200ARm19)-(4 2002AWL （思考传感器的制作）（思考传感器的制作）当当A A0 0固定，固定，改变改变时，时， L L与与成非线性关系成非线性关系。此时传感器的灵敏度为此时传感器的灵敏度为19)-(4 2002AWL 20)-(4 22002AWS灵敏度灵敏度S S与气隙长度的平方与气隙长度的平方2 2成反比，且气隙成反比，且气隙越小，传感器的灵敏度越高。但灵敏度越小，传感器的灵敏度越高。但灵

20、敏度S S不是常不是常数，传感器的非线性严重。数，传感器的非线性严重。为减小非线性误差，通常规定在较小的气隙变为减小非线性误差，通常规定在较小的气隙变化范围内工作。设气隙变化范围为（化范围内工作。设气隙变化范围为（ 0 0，0 0+），），则灵敏度为则灵敏度为 2-12202000220002AW-AWS当当 0 0时，灵敏度为时，灵敏度为 220002AW-S 灵敏度为灵敏度为S S趋于定值，传感器的输出与输入近似趋于定值，传感器的输出与输入近似成线性关系。成线性关系。在实际应用时，常取在实际应用时，常取/ / 0 0=0.1=0.1这种变气隙型传感器适用于小位移的测量。这种变气隙型传感器适

21、用于小位移的测量。16)-(4 2mRWL 19)-(4 2002AWL 18)-(4 200ARm可变导磁面积型差动变气隙型单螺管线圈型双螺管线圈差动型16)-(4 2mRWL 19)-(4 2002AWL 18)-(4 200ARm可变导磁面积型差动变气隙型单螺管线圈型双螺管线圈差动型l涡流式传感器有高频反射式和低频透射式两种类型，高频反射式应用较涡流式传感器有高频反射式和低频透射式两种类型，高频反射式应用较为广泛。这里主要介绍高频反射式涡流式传感器的工作原理和特点。为广泛。这里主要介绍高频反射式涡流式传感器的工作原理和特点。l 高频反射式涡流传感器工作原理高频（数高频反射式涡流传感器工作

22、原理高频（数MHz以上）激励电流以上）激励电流 施施加于邻近金属板一侧的线圈，由线圈产生的高频电磁场作用于金属板的加于邻近金属板一侧的线圈，由线圈产生的高频电磁场作用于金属板的表面。在金属板表面薄层内产生涡流表面。在金属板表面薄层内产生涡流 ，涡流，涡流 又产生反向的磁场，反又产生反向的磁场，反作用于线圈上，由此引起线圈自感作用于线圈上，由此引起线圈自感L或线圈阻抗或线圈阻抗 的变化。的变化。 的变化程的变化程度取决于线圈至金属板之间的距离度取决于线圈至金属板之间的距离 、金属板的电阻率、金属板的电阻率 、磁导率、磁导率 以以及激励电流及激励电流 的幅值与角频率的幅值与角频率 等。等。 l 当

23、被测位移量发生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导当被测位移量发生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻抗致线圈阻抗 的变化，通过测量电路转化为电压输出。高频反射式涡流的变化，通过测量电路转化为电压输出。高频反射式涡流式传感器常用于位移测量。式传感器常用于位移测量。l图图4-114-11为涡流传感器的两种典型结构。涡流传感器实际上是一个固定在为涡流传感器的两种典型结构。涡流传感器实际上是一个固定在框架内的扁平线圈（见课本）。框架内的扁平线圈（见课本）。l其其工作原理工作原理是是基于金属导体在交流磁场中的涡电流效应基于金属导体在交流磁场中的涡电流效应 。l低频透射式涡流传感

24、器多用于测定材料厚度。发射线圈 和接收线圈 分别放在被测材料G的上下，低频(音频范围)电压 加到线圈 的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料G中产生涡流 ，此涡流损耗了部分能量，使贯穿 的磁力线减少，从而使 产生的感应电势 减小。 的大小与G的厚度及材料性质有关，实验与理论证明， 随材料厚度h增加按负指数规律减小。因而按 的变化便可测得材料的厚度。l涡流传感器的线圈通入高频电流涡流传感器的线圈通入高频电流i i时，便产时，便产生一高频交变磁场，磁通为生一高频交变磁场，磁通为，如图如图4-124-12。磁通在距线圈端面的间距为磁通在距线圈端面的间距为的金属板表的金属板表层产生感应电流。

25、这种电流在金属板内是层产生感应电流。这种电流在金属板内是闭合的涡电流，或称闭合的涡电流，或称涡流涡流。l涡流涡流i i1 1的磁通为的磁通为1 1。根据根据楞次定律楞次定律，涡流磁，涡流磁场与电流场与电流i i产生的磁场变化方向相反。涡流磁产生的磁场变化方向相反。涡流磁场的作用使线圈自感场的作用使线圈自感L L或线圈阻抗或线圈阻抗Z Z发生变化。发生变化。其变化程度取决于线圈与金属板之间的距离其变化程度取决于线圈与金属板之间的距离、金属板的电阻率金属板的电阻率、磁导率磁导率以及激励以及激励电流电流i i的频率等。的频率等。l改变其中的某个因素，即可达到一定的变换改变其中的某个因素，即可达到一定

26、的变换目的。目的。l如：当如：当距离距离改变，可用于位移、振动测量；改变，可用于位移、振动测量；当当电阻率电阻率或磁导率或磁导率改变，可作为材质的改变，可作为材质的鉴别与探伤。鉴别与探伤。l分析表明：当金属板材材料和激磁电流频分析表明：当金属板材材料和激磁电流频率一定时，线圈等效阻抗率一定时，线圈等效阻抗Z Z将是距离的单值将是距离的单值函数函数 fZL通过适当的中间变换器，可以达到把位移转换为通过适当的中间变换器，可以达到把位移转换为电量的目的。电量的目的。l涡流式传感器的测量电路有分压式调幅电涡流式传感器的测量电路有分压式调幅电路和调频电路。图路和调频电路。图4-144-14为涡流式测振仪

27、用为涡流式测振仪用的分压式调幅电路原理。的分压式调幅电路原理。高频振荡器并联谐振网络载波 二、涡流式电感传感器二、涡流式电感传感器（6 6）优点：结构简单，使用方便，不受油污、介质影响。优点：结构简单，使用方便，不受油污、介质影响。应用：位移、力、振动测量，测厚应用：位移、力、振动测量，测厚,材质判别材质判别应用实例：应用实例：1）镀层厚度测量。）镀层厚度测量。案例：案例： 2）连续油管的椭圆度测量）连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理原理： 二、涡流式电感传感器二、涡流式电感传感器（6 6）案例：案例： 无损探伤无损探伤原理原

28、理裂纹检测，缺陷造成涡流变化裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测 二、涡流式电感传感器二、涡流式电感传感器（6 6）案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数回转轴振动测量回转轴误差运动的测试转速测量金属材料厚度的测量零件记数探伤l差动变压器式电感传感器又简称差动变压器。差动变压器式电感传感器又简称差动变压器。这种传感器利用电磁感应中的互感现象来进行这种传感器利用电磁感应中的互感现象来进行信号转换。信号转换。27)-(4 112dtdiMe互感 的大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等有关只能测大小，不能测方向只能测大小，不能测方向WW1W2WiEou

29、tEsx-x增加相敏检波判断方向差动电桥可以得到线性输出，灵敏度比单臂电桥提高一倍差动电桥可以得到线性输出，灵敏度比单臂电桥提高一倍注意注意: 1. 交流电压表只能测大小，不能测方向交流电压表只能测大小，不能测方向. 2. 零点残余电压零点残余电压增加相敏检波判断方向消除零点残余电压消除零点残余电压l差动变压器式电感传感器稳定性好，差动变压器式电感传感器稳定性好，使用方便，线性范围大，广泛用于大使用方便，线性范围大，广泛用于大位移的测量。但测量频率上限受其机位移的测量。但测量频率上限受其机械部分固有频率的限制。械部分固有频率的限制。电感式传感器电感式传感器应用应用: 厚度厚度, ,角度角度,

30、,表面粗糙度表面粗糙度; ;拉伸拉伸, ,压缩压缩, ,垂直度垂直度; ; 压力压力, ,流量流量, ,液位液位; ;张力张力, ,重力重力, ,负荷量负荷量; ;扭矩扭矩, , 应力应力, ,动力动力; ;气压气压, ,温度温度; ;振动振动, ,速度速度, ,加速度加速度; ;等等. .案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量l把被测量的变化转换为电容量的变化。把被测量的变化转换为电容量的变化。实际上是一个可变参数的电容器。实际上是一个可变参数的电容器。l由中间充满均匀介质的两个平行板构成的电由中间充满均匀介质的两个平行板构成的电容器的电容量，在忽略边缘效应的情况

31、下，容器的电容量，在忽略边缘效应的情况下，可表示为：可表示为：28)-(4 )(0FAC+A 当被测量当被测量、S或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。 分类分类 电容式传感器电容式传感器 a) a) 极距变化型极距变化型; ;+c) c) 介质变化型介质变化型AC0b)b)面积变化型面积变化型: :角位移型角位移型, ,平面线位移型平面线位移型, ,柱面线位移型柱面线位移型. .l如果

32、两极板相互覆盖面积与极板间介质如果两极板相互覆盖面积与极板间介质不变，则电容量不变，则电容量C C与极距与极距成非线性关系。成非线性关系。当极距有一微小变化时，电容量的变化当极距有一微小变化时，电容量的变化为为28)-(4 )(0FAC29)-(4 20dAdC30)-(4 20AddCS灵敏度为+l灵敏度灵敏度S S不是常数不是常数，与极距，与极距的平方成反的平方成反比，极距越小灵敏度越高。比，极距越小灵敏度越高。l非线性误差影响其实际应用。非线性误差影响其实际应用。l为减小该误差，一般规定极距变化型电为减小该误差，一般规定极距变化型电容传感器在极小的范围内工作。容传感器在极小的范围内工作。

33、31)-(4 - 1 20020200200AAASl实际应用时，为了提高传感器的灵敏度和线性实际应用时，为了提高传感器的灵敏度和线性度，消除外界条件的干扰，常采用差动式。度，消除外界条件的干扰，常采用差动式。l极距变化型电容传感器特点：极距变化型电容传感器特点：l优点：灵敏度高，动态响应快，进行非接触式优点：灵敏度高，动态响应快，进行非接触式测量测量( (被测物体为一个极被测物体为一个极) )，测量力可忽略。，测量力可忽略。l缺点：传感器和电缆电容影响较大，需处置适缺点：传感器和电缆电容影响较大，需处置适当。当。l改变极板相互覆盖的面积，从而改变电改变极板相互覆盖的面积，从而改变电容量的大小

34、。容量的大小。l角位移式角位移式l平面线位移式平面线位移式l圆柱线位移式圆柱线位移式l覆盖面积为覆盖面积为32)-(4 22rA则传感器电容量为则传感器电容量为33)-(4 )(220FrC34)-(4 220常数灵敏度为rddCSl当动极板沿当动极板沿x x方向移动时，覆盖面积变方向移动时，覆盖面积变化，引起电容量的变化。化，引起电容量的变化。35)-(4 0bxC36)-(4 0常数bdxdCSl圆柱体线位移型电容传感器的电容量为圆柱体线位移型电容传感器的电容量为37)-(4 /ln20dDxC38)-(4 /ln20常数dDdxdCSl优点：输出与输入成线性关系，适于优点：输出与输入成线

35、性关系，适于做较大直线位移及角位移的测量。做较大直线位移及角位移的测量。l缺点：与极距变化型相比，灵敏度较缺点：与极距变化型相比，灵敏度较低。低。l电容器极板固定，极距和覆盖面积不变，电容器极板固定，极距和覆盖面积不变，两极板间介质的改变，使得其电容量发两极板间介质的改变，使得其电容量发生变化。生变化。AC00，若极板间介质为空气时39)-(4 000ddAddACd，则的介质，其厚度为数为极板间插入相对介电系l差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路详细讲解原理)474(45)-(4 1012121UUUCCCCUUUscBpApsc输出电压与极矩变化成线性关系输出电压与极矩变化成线性关系l运算放大

36、器式电路运算放大器式电路iiiiCjeeeiCjefiffoaaiii11l如果放大器增益非常如果放大器增益非常高，则与其最大线性高，则与其最大线性输出相对应的输入电输出相对应的输入电压非常小，可认为压非常小，可认为如果放大器输入阻抗也非常高，如果放大器输入阻抗也非常高，则其输入电流近似为零，即则其输入电流近似为零，即52)-(4 fiioCCee53)-(4 0ACeeiioiiiiCjeeeiCjefiffoaaiii110i0ael此种传感器电容量一般很小，而由被测此种传感器电容量一般很小，而由被测量引起的电容量的变化就量引起的电容量的变化就更小更小，输出阻，输出阻抗非常高。与其配接的电

37、缆电容较大，抗非常高。与其配接的电缆电容较大，且当电缆弯曲、抖动或受环境影响而产且当电缆弯曲、抖动或受环境影响而产生的生的电缆电容变化可能大于传感器电容电缆电容变化可能大于传感器电容的变化。的变化。l为解决此问题，可采用以下措施：为解决此问题，可采用以下措施：l集成化集成化l改善屏蔽，采用改善屏蔽，采用“驱动电缆驱动电缆”或双层屏或双层屏蔽等电位传输技术。蔽等电位传输技术。应用应用 电容式传感器应用电容式传感器应用1 案例案例: :液面高度测量液面高度测量应用应用 （2）电容式测厚仪）电容式测厚仪: 测量金属带材在轧制过程中厚度测量金属带材在轧制过程中厚度 C1、C2工作极板与带材工作极板与带

38、材之间形成两个电容，之间形成两个电容， 其其总电容为总电容为C= C1+C2 。当。当金属带材在轧制中厚度发金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。和显示出带材的厚度。 应用应用 （3）电容式转速传感器）电容式转速传感器 当齿轮转动时，电当齿轮转动时，电容量发生周期性变容量发生周期性变化，通过测量电路化，通过测量电路转换为脉冲信号，转换为脉冲信号，则频率计显示的频则频率计显示的频率代表转速大小。率代表转速大小。设齿数为设齿数为z,频率为频率为f,则转速为则转速为

39、:l压电式传感器的工作原理是基于压电材压电式传感器的工作原理是基于压电材料的料的压电效应压电效应。l一、压电效应一、压电效应l二、压电式传感器及其等效电路二、压电式传感器及其等效电路l三、测量电路三、测量电路l石英、钛酸钡等晶体，当受到外力作用石英、钛酸钡等晶体，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，一些表面出现电荷，极化，一些表面出现电荷，形成电场形成电场。当外力去掉时，表面又重新回到原来不当外力去掉时，表面又重新回到原来不带电的状态，这种现象称为带电的状态，这种现象称为。l具有压电效应的材料叫做具有压电效应的材料叫做。l如果把压电材料置于电

40、场中，其几何尺如果把压电材料置于电场中，其几何尺寸发生变化，这种外电场作用导致压电寸发生变化，这种外电场作用导致压电材料机械变形的现象称为材料机械变形的现象称为或或。l石英是一种单石英是一种单晶压电材料。晶压电材料。形状为六角形形状为六角形晶柱。其基本晶柱。其基本组织为六棱柱组织为六棱柱体，有几种轴体，有几种轴线。线。光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴纵压电效应横压电效应切向压电效应压电材料l在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀处理，在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀处理，形成金属膜用作电极，如图形成金属膜用作电极，如图4-284-28所示。所示。AC0l实验证明，压电晶片上所受作用力与由实验证明

41、，压电晶片上所受作用力与由此产生的电荷量成正比。若沿单一晶轴此产生的电荷量成正比。若沿单一晶轴x-xx-x施加外力施加外力f f，则在垂直于则在垂直于x-xx-x轴的晶片轴的晶片表面上积聚的电荷量为表面上积聚的电荷量为dfq l压电晶片受多方向的力压电晶片受多方向的力,各个表面都会积各个表面都会积聚电荷，有交叉耦合现象。电聚电荷，有交叉耦合现象。电荷量为荷量为DFQ l传感器不从信号源吸取能量的原则在这传感器不从信号源吸取能量的原则在这里的体现是：里的体现是：l测量方法不应消耗极板上积聚的电荷测量方法不应消耗极板上积聚的电荷。l用压电式传感器作静态测量或准静态测用压电式传感器作静态测量或准静态

42、测量时，必须采取措施，使电荷的损失减量时，必须采取措施，使电荷的损失减小到最低。小到最低。l在动态测量时，由于电荷可以不断补充，在动态测量时，由于电荷可以不断补充，对此要求不高。对此要求不高。l压电式传感器多用两个或两个以上的晶片进行压电式传感器多用两个或两个以上的晶片进行串接或并接。串接或并接。l并接时输出电荷量大，适用于以电荷为输出的并接时输出电荷量大，适用于以电荷为输出的场合。但不适于做频率较高的信号的测量。场合。但不适于做频率较高的信号的测量。l串接时，电压输出大，电容比并接时小串接时，电压输出大，电容比并接时小。l压电式传感器结构如图压电式传感器结构如图4-294-29，4-304-

43、30。l压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。输出开路时，开路电压输出开路时，开路电压e ea a与电荷与电荷q q、电容电容C Ca a之间之间的关系为的关系为aaCqe 当传感器接入测量电路时，其等效电路如图当传感器接入测量电路时，其等效电路如图4-4-2828d d所示。所示。idtCeq考虑负载影响后负载效应对输出电负载效应对输出电荷（或电压）很微荷（或电压）很微弱、输出阻抗很高弱、输出阻抗很高的压电式传感器影的压电式传感器影响很大。响很大。l压电式传感器输出信号比较微弱，输出压电式传感器输出信号比较微弱，输出阻抗极高。为了减小电荷泄漏，实现阻

44、阻抗极高。为了减小电荷泄漏，实现阻抗匹配，后续电路的输入阻抗必须极高，抗匹配，后续电路的输入阻抗必须极高，匹配的电缆电容要很小且噪声要很低，匹配的电缆电容要很小且噪声要很低，电缆电容不能任意变动。通常把传感器电缆电容不能任意变动。通常把传感器信号首先输入前置放大器信号首先输入前置放大器。l前置放大器的作用主要有两点：前置放大器的作用主要有两点：l一是将传感器的高输出阻抗变换为前置一是将传感器的高输出阻抗变换为前置放大器的低阻抗输出，实现与一般测试放大器的低阻抗输出，实现与一般测试装置或中间变换器的阻抗匹配；装置或中间变换器的阻抗匹配；l二是对传感器的微弱输出信号进行预放二是对传感器的微弱输出信

45、号进行预放大。大。l1. 电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）第一级采用MOS型场效应管构成源级输出器，其输入阻抗较高第二级采用普通晶体管射级输出器作电压放大器的输出级，同时对第一级形成负反馈，使第一级的输入阻抗进一步提高。电压放大器的主要作用是阻抗变换，放大作用是次要的，所以称作阻抗变换器。l电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）l特点：电路简单，体积小，价格低。但连接电特点：电路简单，体积小，价格低。但连接电缆必须专用，不能任意更换；电缆不能很长，缆必须专用，不能任意更换；电缆不能很长，电缆电容不得很大，否则传感器的灵敏度改变，电缆电容不得很大，否则传感器的灵敏度改变

46、，引起测量误差。引起测量误差。l2. 电荷放大器电荷放大器CKCKqefo) 1(foCqeK很大时，当电荷放大器输出电压与电缆电容、长度无关。电荷放大器输出电压与电缆电容、长度无关。目前，大多采用电荷放大器作压电式力传感器、目前，大多采用电荷放大器作压电式力传感器、加速度传感器的前置放大器。加速度传感器的前置放大器。4 4 电荷放大器电荷放大器fyiicaiCeeCCCeq)()(ffyKCCCKqe)(fyffCqethenCCKCIf )( F+应用应用压电式传感器压电式传感器 加速度计，力传感器加速度计，力传感器 l把被测物理量转换为感应电动势的变化。又称把被测物理量转换为感应电动势的

47、变化。又称电动式传感器。电动式传感器。l一个匝数为一个匝数为W W的线圈，当穿过该线圈的磁通的线圈，当穿过该线圈的磁通发发生变化时，线圈内的感应电动势为生变化时，线圈内的感应电动势为61)-(4 dtdWe磁通变化率受磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速磁通变化率受磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度等因素影响。度等因素影响。磁电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N磁电式传感器磁电式传感器 线圈在磁场中作直线线圈在磁场中作直线 运动时，所产生的运动时，所产生的感应电动势为感应电动势为62)-(4 )(sinVWBlve63)-(4 90WBlve 则一、动圈式磁电传感器一、动圈式

48、磁电传感器 线圈在磁场中转动时产生的感应电动势为线圈在磁场中转动时产生的感应电动势为64)-(4 )(VWBAe2 2、角速度型磁电式传感器、角速度型磁电式传感器一、动圈式磁电传感器一、动圈式磁电传感器 补充补充: 动铁式结构类型的磁电感应式传感器动铁式结构类型的磁电感应式传感器l传感器固定不动，被测物体（导磁材料）传感器固定不动，被测物体（导磁材料）的运动使磁路磁阻改变，从而在线圈中产的运动使磁路磁阻改变，从而在线圈中产生感应电动势。生感应电动势。l感应电动势的大小不仅与传感器和被测体感应电动势的大小不仅与传感器和被测体之间相对运动速度有关，还与传感器工作之间相对运动速度有关，还与传感器工作

49、表面与被测体之间的距离有关。表面与被测体之间的距离有关。),(xvfe 线圈线圈3和磁铁和磁铁5静止不动，测量静止不动，测量齿轮齿轮1（导磁材料制成）每转过（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈一次，线圈3产生的感应电动势产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮的变化频率等于测量齿轮1上齿上齿轮的齿数和转速的乘积。轮的齿数和转速的乘积。 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作

50、频率下限较高，约为件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达，上限可达100Hz。 测频测转速测偏心振动测量应用应用b) 测速电机测速电机a)磁电式车速传感器磁电式车速传感器磁电式传感器磁电式传感器 l被测量转换为光量，然后再由光敏元件被测量转换为光量，然后再由光敏元件转换为电信号。转换为电信号。l一、光敏元件一、光敏元件l二、光电式传感器二、光电式传感器l1.光敏电阻光敏电阻l某些半导体材料，在光照射下，吸收一部分光某些半导体材料，在光照射下，吸收一部分光能，使其内部的载流子数目增多，从而使材料能，使其内部的载流子数目增多，从而使材料的电导率增大，电阻减小，这种现象称为内光的电

51、导率增大，电阻减小，这种现象称为内光电效应或光导效应电效应或光导效应。光敏电阻l1.光敏电阻光敏电阻l。光敏电阻阻值变化与光波波长有关，不同光敏电阻阻值变化与光波波长有关，不同的材料有不同的光谱特性。的材料有不同的光谱特性。l例如：例如：l可见光域；紫外线域；红外线域。可见光域；紫外线域；红外线域。 l应根据光波波长合理选择光敏电阻的材料。应根据光波波长合理选择光敏电阻的材料。l当半导体与金属或半导体当半导体与金属或半导体p-np-n结接合面受到光的结接合面受到光的照射，发生电子与空穴的分离现象，从而在接触照射，发生电子与空穴的分离现象，从而在接触面两端产生电势，这种现象称为面两端产生电势，这

52、种现象称为。 P P型型半导体内有过剩的空穴，半导体内有过剩的空穴， n n型型半导体内有过半导体内有过剩的电子。剩的电子。2. 光电池与光敏晶体管+-PN阻挡层阻挡层载流子扩散现象电子空穴l如果光照射如果光照射p-np-n结，在结，在p-np-n结附近，由于结附近，由于吸收了光子能量，因而产生空穴与电子。吸收了光子能量，因而产生空穴与电子。这种由于光照射而产生的载流子称谓这种由于光照射而产生的载流子称谓光光生载流子生载流子l光生载流子在光生载流子在p-np-n结电场的作用下，结电场的作用下，产产生与扩散运动相反的生与扩散运动相反的漂移运动漂移运动。电子被。电子被推向推向n n区，空穴被拉进区

53、，空穴被拉进p p区，使区，使p p区带正区带正电，而电，而n n区带负电，产生电位差，即构区带负电，产生电位差，即构成了成了光电池光电池。l光电池受光照射后将在电路中产生电流光电池受光照射后将在电路中产生电流. .l 2. 光电池与光敏晶体管电子空穴l光敏晶体管是利用受光照光敏晶体管是利用受光照射时载流子增加的半导体射时载流子增加的半导体光敏元件。光敏元件。l具有一个具有一个p-np-n结的称为光敏结的称为光敏二极管，具有两个二极管，具有两个p-np-n结的结的称为光敏三极管。称为光敏三极管。l图图4-384-38为光敏三极管及其为光敏三极管及其伏安特性曲线伏安特性曲线。光电池与光敏晶体管光

54、电池与光敏晶体管l光电倍增管是在入射光微弱，要求有较大电光电倍增管是在入射光微弱，要求有较大电流输出时使用的一种光敏元件。如图流输出时使用的一种光敏元件。如图4-394-39。光光电电倍倍增增管管l光栅式传感器光栅式传感器l光电式转速传感器光电式转速传感器l光栅式传感器是一种数字式光电位移传感光栅式传感器是一种数字式光电位移传感器。器。l可分为直线位移型和角位移型。可分为直线位移型和角位移型。l分辨力和精度很高。广泛用于精密测试仪分辨力和精度很高。广泛用于精密测试仪器、加工中心机床、机器人闭环控制系统器、加工中心机床、机器人闭环控制系统和其它闭环数字控制、计算机控制系统。和其它闭环数字控制、计

55、算机控制系统。l光栅是一种在基体上刻制有极其细密刻线光栅是一种在基体上刻制有极其细密刻线的光学元件。的光学元件。l按结构分为长光栅和圆光栅；按结构分为长光栅和圆光栅；l按光路分为反射光栅和透射光栅。按光路分为反射光栅和透射光栅。l图图4-404-40l工作原理：工作原理：如图如图4-414-41所示所示。将指示光栅的线纹相对标将指示光栅的线纹相对标尺光栅线纹倾斜一个小角尺光栅线纹倾斜一个小角度时度时,由遮光和衍射作用由遮光和衍射作用,在在两光栅线纹夹角平分线的两光栅线纹夹角平分线的垂线方向上出现明暗相间垂线方向上出现明暗相间的条纹的条纹,称为莫尔条纹称为莫尔条纹.将两沿刻线垂直方向相对将两沿刻

56、线垂直方向相对位移一个栅距，莫尔条纹位移一个栅距，莫尔条纹也同步一个节距，视场内也同步一个节距，视场内固定点上的光强变化一周。固定点上的光强变化一周。光栅相对移动反向，莫尔光栅相对移动反向，莫尔条纹移动方向也随之改变。条纹移动方向也随之改变。至此，光栅副将位移转变至此，光栅副将位移转变为光强的变化。为光强的变化。光敏元件接受莫尔条纹移莫尔条纹移动时光强变化，将光信号动时光强变化，将光信号换成电信号。当光栅移动换成电信号。当光栅移动一个栅距时，输出电压波一个栅距时，输出电压波形近似带有直流的正弦信形近似带有直流的正弦信号，也变化一周。号，也变化一周。65)-(4 2sin0Wxeeem65)-(

57、4 2sin0Wxeeeml将输出信号消去直流分量，并经过放大、整形变成方波，再经过微分电路变成脉冲电路进行记数。脉冲数与栅距栅距的乘积即为被测量位移量的的乘积即为被测量位移量的数值。数值。光栅光敏元件放大整形微分结构与电路结构与电路莫尔条纹特点：误差平均作用和光学放大莫尔条纹特点：误差平均作用和光学放大作用。作用。误差平均作用：测量精度高误差平均作用：测量精度高光学放大作用：光学放大作用：66)-(4 2sin2WWBHl为使光栅传感器能分辨小于光栅栅距的位移，为使光栅传感器能分辨小于光栅栅距的位移，必须对莫尔条纹信号进行细分。目的是在莫必须对莫尔条纹信号进行细分。目的是在莫尔条纹信号变化一

58、个周期时，传感器输出信尔条纹信号变化一个周期时，传感器输出信号产生的不再是一个脉冲，而是若干个脉冲，号产生的不再是一个脉冲，而是若干个脉冲，减小了脉冲当量。减小了脉冲当量。l细分方法很多，在此以四分频细分为例介绍。细分方法很多，在此以四分频细分为例介绍。l四分频细分要求在莫尔条纹的节距四分频细分要求在莫尔条纹的节距BH内，安内，安置置4个相距个相距BH/4的光电元件，或用一个四极光的光电元件，或用一个四极光电池代替。电池代替。l在莫尔条纹移动的一个周期内，可得到相位在莫尔条纹移动的一个周期内，可得到相位为为0、90、180、270的的4个正弦信号，个正弦信号，然后经放大、整形得到四个脉冲。即当

59、莫尔然后经放大、整形得到四个脉冲。即当莫尔条纹每移动一个条纹每移动一个BH/4，就有一个脉冲输出。就有一个脉冲输出。l脉冲当量由脉冲当量由W变为变为W/4，传感器的分辨率是原传感器的分辨率是原来的来的4倍。倍。l应用相位差应用相位差90的两个正弦信号的两个正弦信号e1、e2的相位的相位与位移方向的关系，可做位移方向的辨别。与位移方向的关系，可做位移方向的辨别。l若光栅沿一个方向运动，若光栅沿一个方向运动，e2超前超前e1 ；光栅反向；光栅反向运动时，莫尔条纹也相应地向相反方向移动，运动时，莫尔条纹也相应地向相反方向移动，则则e1 超前超前e2 。调整装置使标尺光栅调整装置使标尺光栅1与指示光栅

60、与指示光栅2之间保之间保持一定的间隙持一定的间隙d。白白炽灯炽灯5与透镜与透镜4等构成等构成的平行光光源使光栅的平行光光源使光栅副受到平行光照射。副受到平行光照射。在标尺光栅刻划面上在标尺光栅刻划面上成象的莫尔条纹由安成象的莫尔条纹由安装在壳体上方的硅光装在壳体上方的硅光电池电池3接收，并转换接收，并转换为电信号。为电信号。应用应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。式、反射式、辐射式四种基本形式。 1) 吸收式 被测物体位于恒定光源被测物体位于恒定光源与光电元件之间与光电元件之间,根据被根据被测物对光的吸收