第四章(white)

1、测量技术与信号处理机械学院机械系机械学院机械系第四章 常用传感器 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 机械式传感器（补充）机械式传感器（补充） 第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器 第四节第四节 电感式传感器电感式传感器 第五节第五节 电容式传感器电容式传感器 第六节第六节 压电式传感器压电式传感器 第七节第七节 磁电式传感器磁电式传感器 第八节第八节 光电式传感器光电式传感器 第九节第九节 其他类型的传感器其他类型的传感器第一节第一节 概述概述（1 1） 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，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。容易检测

2、、传输或处理的信号的装置。 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，传感器是把外界输入的非因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。电信号转换成电信号的装置。物理量物理量电量电量第一节第一节 概述概述（1 1） 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。敏感器件是传感传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，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。辅助器件则是对敏感器物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是

3、对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。入。dV第一节 概述（2） 分类：分类：方法很多方法很多 按被测物理量分：位移、速度、加速度、按被测物理量分：位移、速度、加速度、力传感器；力传感器； 按测量原理分：变电阻、变电容、变磁按测量原理分：变电阻、变电容、变磁阻、变谐振频率等；阻、变谐振频率等； 按工作的物理基础分：机械式、电气式、按工作的物理基础分：机械式、电气式、光学式、流体式等；光学式、流体式等；第一节 概述（3） 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；传感器是依靠敏感元件材料本身物传感器是

4、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：理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水银温度计测温，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象；压电测力计利用石英晶体的压电效应等。等。传感器依靠传感器结构参数的变化传感器依靠传感器结构参数的变化实现信号的转换。如：电容式传感器依靠实现信号的转换。如：电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量变化；电感式极板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。传感器依靠衔铁位移引起自感或互感变化。第一节 概述（4） 按敏感元件与被测量间能量关系：能量控制型、按敏感元件与

5、被测量间能量关系：能量控制型、能量转换型；能量转换型；传感器是直接由被测对象输入能量使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、弹性压力计等。其工作的，如：热电偶温度计、弹性压力计等。由于被测对象与传感器之间的能量传输，必然导由于被测对象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。致被测对象状态的变化，造成测量误差。传感器是从外部供给辅助能量使传感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器工作的，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，电桥变化。如：电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由

6、外部供给，而由于被测量变化所引起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失衡程度。此外，电阻温度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、电容式测振仪均属此类。计、电感式测微仪、电容式测振仪均属此类。 1） 灵敏度高，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

7、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。 对传感器要求第二节第二节 机械式传感器机械式传感器（1 1） 被测量转换为弹性变形被测量转换为弹性变形 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、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波纹管等；用于测量温度的双金属片等。第二节第二节 机械式传感器机械式传感器（1 1）结构简

8、单、使用方便、结构简单、使用方便、价格低廉、读数直观；价格低廉、读数直观；但由于放大和指示系统但由于放大和指示系统多为机械传动，惯性大、多为机械传动，惯性大、固有频率低，故多用于固有频率低，故多用于静态量或低频变化量静态量或低频变化量的测量。的测量。波登管波纹膜片波纹管弹簧扁环圆环扁环波登管压力式温度计感温筒第二节 机械式传感器（2） 近年来在自动检测、自动控制技术中广泛采用近年来在自动检测、自动控制技术中广泛采用的微型探测开关也被认为是另一种形式的机械的微型探测开关也被认为是另一种形式的机械传感器。传感器。 将将 物体的运动、位置或尺寸的变化，通过弹性物体的运动、位置或尺寸的变化，通过弹性簧

9、片开关转换为接通、断开信号，再经过分析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无、位置、运动状态、处理而判断出物体的有无、位置、运动状态、形状尺寸等。形状尺寸等。第二节第二节 机械式传感器机械式传感器（3 3） 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存在。 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。第三节 电

10、阻式传感器 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 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. 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一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器（1 1） 也称为电位器式传感器。也称为电位器式传感器。 根据欧姆定律：根据欧姆定律：)(AlR电阻丝截面积电阻丝长度电阻率Al一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器（2 2） 常用变阻器式传感器有直线位移型、常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型如图角位移型如图

11、4-24-2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。xkRllkdxdRS灵敏度kR kddRS灵敏度一、变阻器式传感器（3） 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。 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。 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

12、直角)()(xfxReoei一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器（4 4） 考虑负载效应后，传考虑负载效应后，传感器的输出为感器的输出为ipoexxe 4)-(4 1pLppioxxRRxxeepLRR (4-4)iopeexx一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器（7 7） 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。 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。 采用导电塑料制成的变阻器性能有所改

13、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。 应用应用案例：案例： 重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备（定量控制）（定量控制）重量设定原材料 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：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度变化转换为电阻器阻值变化 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

14、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二、电阻应变式传感器 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金属电阻应变片金属电阻应变片（1 1） 有丝式、箔式两种。有丝式、箔式两种。 工作原理都是基于在发生机械变形时，电阻值发工作原理都是基于在发生机械变形时，电阻值发生变化。生变化。金属电阻应变片（2） 金属箔式应变片的金属箔式应变片的箔栅采用光刻技术，箔栅采用光刻技术，大量生产。线条均大量生产。线条均匀，尺寸准确，阻匀，尺寸准确，阻值一致性

15、好。其粘值一致性好。其粘贴性能、散热性能贴性能、散热性能均优于丝栅，允许均优于丝栅，允许通过较大电流。目通过较大电流。目前应用广泛。前应用广泛。金属电阻应变片（2） 当敏感栅在工作当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Al金属电阻应变片金属电阻应变片（3 3）5)-(4 dRdAARdllRdR2rA式中，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E金属电阻应变片金属电阻应变片（4 4）9)-(4 )21 (ERdR10)-(4

16、 )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E半导体应变片（1） 其工作原理是基于半导体材料的其工作原理是基于半导体材料的压阻效压阻效应，应，即受力变形时电阻率即受力变形时电阻率发生变化。发生变化。 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。半导体应变片（2） 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 (ERdR半导体应变片（3） 优

17、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。 缺点：温度稳定性差，灵敏度分散性较缺点：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，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。变形，得到桥梁固有频

18、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：电子电子秤秤原理原理将物品重量通过悬臂梁转化结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构变形再通过应变片转化为电量输出。量输出。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器案例：案例：称重传感器称重传感器原理原理将物品重量通过悬臂梁转化结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构变形再通过应变片转化为电量输出。量输出。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器波纹管称重传感器（悬臂梁式称重传感器）波纹管称重传感器（悬臂梁式称重传感器）案例：案例：电子皮带电子皮带秤秤 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变式传感器电阻应变式传

19、感器技术指标技术指标 额定载荷额定载荷 kg 5/10/20/30/50/100/200/250/300/350/500 精度精度 C2 C3 A5SA5MB10SB10M 认证认证 OIML R60 C3 III 5000多只多只 III L10000多只 最大检定分度数最大检定分度数 n max 2000 3000 5000 5000 10000 10000 最小检定分度值最小检定分度值 v min Emax/5000 Emax/10000 Emax/15000 Emax/15000 Emax/10000 Emax/10000 综合误差综合误差 (%FS) 0.030 0.020 0.01

20、80.026 0.0350.050 蠕变蠕变 (%FS/30min) 0.0240.016 0.0120.017 0.030 0.040 温度对输出灵敏温度对输出灵敏度的影响度的影响 (%FS/10) 0.017 0.011 0.0090.013 0.030 0.040 温度对零点输出温度对零点输出的影响的影响 (%FS/10) 0.0230.0150.0100.014 0.030 0.020 输出灵敏度输出灵敏度 (mv/v) 2.00.02 输入阻抗输入阻抗 () 46050 输出阻抗输出阻抗 () 3512 绝缘阻抗绝缘阻抗 (M) 5000(50VDC) 零点输出零点输出 (%FS)

21、1.5温度补偿范围温度补偿范围 () -10+40 允许使用温度范允许使用温度范围围 () -35+70 推荐激励电压推荐激励电压 (V) 512(DC) 最大激励电压最大激励电压 (V) 18(DC) 安全过载范围安全过载范围 (%FS) 150 极限过载范围极限过载范围 (%FS) 300 齿轮轮齿弯矩齿轮轮齿弯矩飞机机身应力飞机机身应力立柱应力立柱应力桥梁应力桥梁应力力传感器力传感器加速度传感器加速度传感器柱式测力传感器柱式测力传感器扭力矩传感器扭力矩传感器筒式压力传感器筒式压力传感器第四节第四节 电感式传感器电感式传感器 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

22、为电感量变化。感量变化。 可变磁阻式电感传感器可变磁阻式电感传感器 涡流式电感传感器涡流式电感传感器 差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器分类分类: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一、可变磁阻式电感传感器（1） 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。一、可变磁阻式电感传感器一、可变磁阻式电感传感器（2 2） 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)-(4 LiWm线圈自感。线圈匝数；LW一、可变磁

23、阻式电感传感器一、可变磁阻式电感传感器（3 3） 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 LiWm一、可变磁阻式电感传感器（4） 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 200ARm一、可变磁阻式电感传感器一、可变磁阻式电感传感器（5 5） 代入式代入式（4

24、-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，与气隙导磁截面积成反比，与气隙导磁截面积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。此成非线性关系。此时传感器的灵敏度为时传感器的灵敏度为16)-(4 2mRWL 18)-(4 200ARm19)-(4 2002AWL 2002 (4-20)2WAdLSd 一、可变磁阻式电感传感器（6）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，且成反比，且气隙气隙越小，传感器的灵敏度越高。但灵越小，传感器的灵敏度越高。但灵敏度敏度S S不是常数

25、，传感器的非线性严重。不是常数，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（隙变化范围内工作。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一、可变磁阻式电感传感器（7）当当 0 0时，灵敏度为时，灵敏度为 220002AW-S 灵敏度灵敏度S S趋于定值，传感器的输出与输入近趋于定值，传感器的输出与输入近似成线性关系。似成线性关系。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这种变气隙型传感器。 2-122

26、02000220002AW-AWS可变磁阻式面积型传感器可变磁阻式面积型传感器19)-(4 2002AWL 一、可变磁阻式电感传感器（8）18)-(4 200ARm16)-(4 2mRWL 灵敏度低灵敏度低与与C相比，灵敏度高，相比，灵敏度高，线性区扩大线性区扩大线性区扩大线性区扩大适于大位移、适于大位移、但灵敏度低但灵敏度低19)-(4 2002AWL 当铁心进入线圈时，当铁心进入线圈时，铁心中的极化作用，铁心中的极化作用，使得被其覆盖的那使得被其覆盖的那部分线圈局部电感部分线圈局部电感增大，磁阻减小增大，磁阻减小二、涡流式电感传感器（1） 涡流式传感器有涡流式传感器有高频反射式高频反射式和

27、和低频透射式低频透射式两两种类型，高频反射式应用较为广泛。这里主种类型，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要介绍高频反射式涡流式传感器的工作原理和特点。和特点。低频透射式低频透射式低频透射式：若将激励频率减低，涡流的贯穿深度将低频透射式：若将激励频率减低，涡流的贯穿深度将加厚加厚。高频反射式高频反射式高频反射式：涡流的反磁场高频反射式：涡流的反磁场“反射反射”回去，改变激励线圈阻抗。回去，改变激励线圈阻抗。为了使反射效果好，则为了使反射效果好，则激励频率要高，贯穿深度较小激励频率要高，贯穿深度较小。二、涡流式电感传感器（1） 图图4-114-11为涡流传感器的

28、两种典型结构。涡流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传感器实际上是一个固定在框架内的扁平线圈。圈。 其工作原理是基于金属导体在交流磁场中的其工作原理是基于金属导体在交流磁场中的涡电流效应涡电流效应 。二、涡流式电感传感器（2） 涡流传感器的线圈涡流传感器的线圈 通入高频电流通入高频电流i i时，便时，便产生一高频交变磁场，磁通为产生一高频交变磁场，磁通为，如图如图4-4-1212。磁通在距线圈。磁通在距线圈 端面的间距为端面的间距为的金属的金属板表层产生感应电流。这种电流在金属板板表层产生感应电流。这种电流在金属板内是闭合的涡电流，或称内是闭合的涡电流，或称

29、涡流涡流。二、涡流式电感传感器二、涡流式电感传感器（3 3） 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场的作用使线圈自感自感L L或或线圈阻抗线圈阻抗Z Z发生变化。发生变化。 自感自感L L或或线圈阻抗线圈阻抗Z Z变化程度取决于线圈与金变化程度取决于线圈与金属板之间的距离属板之间的距离、金属板的电阻率金属板的电阻率、磁磁导率导率以及激励电流以及激励电流i i的频率等的频率等。 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，即可达到一定的变换

30、目的。目的。 如：当如：当改变，可用于位移、振动测量；当改变，可用于位移、振动测量；当或或改变，可作为材质的鉴别与探伤。改变，可作为材质的鉴别与探伤。二、涡流式电感传感器二、涡流式电感传感器（5 5） 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。LCf21 二、涡流式电感传感器二、涡流式电感传感器（6 6）优点：优点：结构简单，使用方便，不受油污、结构简单，使用方便，不受油污、 介质影响。介质影响。应用：应用：位移、力、振动测量，测厚位移、力、

31、振动测量，测厚,材质判材质判别别 二、涡流式电感传感器（6）案例：案例： 无损探伤无损探伤原理原理裂纹检测，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（6）案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数H=h0-(h1+h2)二、涡流式电感传感器（6）H=h0-(h1+h2)三、差动变压器式电感传感器 差动变压器式电感传感器又简称差动变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压器。这种传感器利用电磁感应中的互感现象来进行信号转换。感现象来进行信号转换。i1互感互感M的数值与两线圈相对位置及周围介质的导

32、磁能力等的数值与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等有关，表示两线圈之间的耦合程度。有关，表示两线圈之间的耦合程度。27)-(4 112dtdiMe三、差动变压器式电感传感器M的数值与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等的数值与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等有关，表示两线圈之间的耦合程度。差动变压器就有关，表示两线圈之间的耦合程度。差动变压器就是利用这一原理，将位移转换成线圈互感的变化。是利用这一原理，将位移转换成线圈互感的变化。WW1W2EwEoutEoutx-x三、差动变压器式电感传感三、差动变压器式电感传感器器输出电压如果用交流电压表指示，输出电压如果用交流电压表指示，只能反映衔铁

33、位移大小，不能反映方向只能反映衔铁位移大小，不能反映方向消除零点残余电压消除零点残余电压三、差动变压器式电感传感器三、差动变压器式电感传感器 差动变压器式电感传感器稳定性好，使差动变压器式电感传感器稳定性好，使用方便，线性范围大，广泛用于大位移用方便，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械部分的测量。但测量频率上限受其机械部分固有频率的限制。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, ,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;

34、 ;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：张力测量张力测量第五节第五节 电容式传感器电容式传感器 把被测量的变化转换为电容量的变化。实际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。上是一个可变参数的电容器。 由中间充满均匀介质的两个平行板构成的电容器的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下，可表示为：电容量，在忽略边缘效应的情况下，可表示为：28)-(4 )(0FAC+A 当被测量当被测量、A或或发生

35、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. .一、极距变化型电容传感器 如果两极板相互覆盖面积与极板间介质不如果两极板相互覆盖面积与极板间介质不变，则电容量变，则电容量C C

36、与极距与极距成非线性关系。当成非线性关系。当极距有一微小变化时，电容量的变化为极距有一微小变化时，电容量的变化为28)-(4 )(0FAC29)-(4 20dAdC30)-(4 20AddCS灵敏度为+一、极距变化型电容传感器一、极距变化型电容传感器 灵敏度灵敏度S S不是常数不是常数，与极距，与极距的平方成反比，极距的平方成反比，极距越小灵敏度越高。越小灵敏度越高。 非线性误差影响其实际应用。非线性误差影响其实际应用。 为减小该误差，一般规定极距变化型电容传感器为减小该误差，一般规定极距变化型电容传感器在极小的范围内工作。在极小的范围内工作。31)-(4 - 1 20020200200AAA

37、S一、极距变化型电容传感器 实际应用时，为了提高传感器的灵敏度和线实际应用时，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。性度，消除外界条件的干扰，常采用差动式。 优点：灵敏度高，动态响应快，进行非接触优点：灵敏度高，动态响应快，进行非接触式测量，测量力可忽略。式测量，测量力可忽略。 缺点：传感器和电缆电容影响较大，需处置缺点：传感器和电缆电容影响较大，需处置适当。适当。二、面积变化型电容传感器 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。容量的大小。 角位移式角位移式 平面线位移式平面线位移式 圆柱线位移式圆柱线位移式角位移式 覆盖面

38、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rddCS平面线位移式 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 0bxC 36)-(4 0常数bdxdCS圆柱线位移式 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dDdxdCS面积变化型电容传感器 优点：输出与输入成线性关系，适于优点：输出与输入成线性关系，适于做较大直线位移及角位移的测量。做较

39、大直线位移及角位移的测量。 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。三、介质变化型电容传感器 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四、两种测量电路 差动脉冲调宽电路原理001AC002AC)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四、两种测量电路四、

40、两种测量电路 运算放大器式电路运算放大器式电路iiieiCjeeiCjefiaffoaiii11aiiifieiciK0eoacfai0ifieiciK0eoacf四、两种测量电路 如果放大器增益非常高，则与其最大线性如果放大器增益非常高，则与其最大线性输出相对应的输入电压非常小，可认为输出相对应的输入电压非常小，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0i 0aeai0ifieiciK0eoacf四、两种测量电路fiffoiiiiiiCjeiCje1152)-(4 fiioCCee53)-(4 0ACeeiio电容式传感器

41、 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。 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： 集成化集成化 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 电容式传感器电容式传感器 案例：案例：电容传声器电容传

42、声器 案例案例: :液面高度测量液面高度测量应用应用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 两工作极板之间形成两个两工作极板之间形成两个电容，电容， 其总电容为其总电容为C= C1+C2 。当金属带材在轧制中厚度当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。换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

43、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:第六节第六节 压电式传感器压电式传感器 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。 一、压电效应一、压电效应 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 三、测量电路三、测量电路一、压电效应一、压电效应 石英、钛酸钡等晶体，当受到外力作用时，不石英、钛酸钡等晶体，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，一些表仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，一些表面出现电荷，面

44、出现电荷，形成电场形成电场。当外力去掉时，表面。当外力去掉时，表面又重新回到原来不带电的状态，这种现象称为又重新回到原来不带电的状态，这种现象称为。 具有压电效应的材料叫做具有压电效应的材料叫做。 如果把压电材料置于电场中，其几何尺寸发生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材料机械变形变化，这种外电场作用导致压电材料机械变形的现象称为的现象称为或或。 例如：微位移驱动加工平台；蠕动式机器人；例如：微位移驱动加工平台；蠕动式机器人； 牙科用洗牙器具（超声波振动）；牙科用洗牙器具（超声波振动）； 深孔振动钻削（可断屑）深孔振动钻削（可断屑） 超声波探头；超声波探头；

45、一、压电效应一、压电效应 石英是一种单晶压电材料。形状为六角形晶柱。其基本组织为六棱柱体，有几种轴线。光轴或中性轴电轴机械轴平行于相邻棱柱面内夹角的等分线，垂直于此轴的棱面压电效应最强垂直于六边形对边的轴线，在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显Z轴方向没有压电效应，此轴可用光学方法确定一、压电效应一、压电效应纵压电效应横压电效应切向压电效应二、压电式传感器及其等效电路 在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸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，如图镀处理，形成金属膜用作电极，如图4-4-2828所示。所示。AC0二、压电式传感器及其等效电路 实验证明，压电晶片上所受作用

46、力与由实验证明，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 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 若压电晶片受多方向力，其内部产生一若压电晶片受多方向力，其内部产生一个复杂的应力场。各个表面都会积聚电个复杂的应力场。各个表面都会积聚电荷，有交叉耦合现象。电荷，有交叉耦合现象。电荷量为荷量为DFQ 二、压电式传感器及其等效电路 传感器不应从信号源吸取能量，即传感器不应从信号源吸取能量，即测量测量方法

47、上不应消耗极板上积聚的电荷方法上不应消耗极板上积聚的电荷。 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。 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。二、压电式传感器及其等效电路 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。 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

48、号的测量。 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。二、压电式传感器及其等效电路 压电式传感器结构如图压电式传感器结构如图4-294-29，4-304-30。压电式加速度传感器又压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变固有频率时，则力的变化与被测加速

49、度成正比化与被测加速度成正比二、压电式传感器及其等效电路 压电式力传感器结构如图压电式力传感器结构如图4-294-29，4-304-30。二、压电式传感器及其等效电路 压电式传感器是一个具有压电式传感器是一个具有 一定电容的电荷源。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与与 电荷电荷q q、电容电容C Ca a之间的关系为之间的关系为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4-284-28d d所示所示。idtCeq考虑负载影响后二、压电式传感器及其等效电路aC=CciciqCeidtCCCCa考虑负载影响后其中

50、C 传感器电容，电缆电容， 电荷放大器输入电容负载效应对输出电荷（或电负载效应对输出电荷（或电压）很微弱、输出阻抗很高压）很微弱、输出阻抗很高的压电式传感器影响很大。的压电式传感器影响很大。三、测量电路 压电式传感器输出信号比较微弱，输出阻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，实现阻抗匹抗极高。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，匹配配，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，电缆电的电缆电容要很小且噪声要很低，电缆电容不能任意变动。容不能任意变动。通常把传感器信号首先通常把传感器信号首先输入前置放大器输入前置放大器。三、测

51、量电路 前置放大器前置放大器的作用主要有两点：的作用主要有两点： 一是将传感器的高输出阻抗变换为前置放大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，实现与一般测试装置或中器的低阻抗输出，实现与一般测试装置或中间变换器的阻抗匹配；间变换器的阻抗匹配； 二是对传感器的微弱输出信号进行预放大。二是对传感器的微弱输出信号进行预放大。 1. 电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）第一级采用第一级采用MOS型场效应型场效应管构成源级输出器，其输管构成源级输出器，其输入阻抗较高入阻抗较高第二级采用普通晶体管射第二级采用普通晶体管射级输出器作电压放大器的级输出器作电压放大器的输出级，同时对

52、第一级形输出级，同时对第一级形成负反馈，使第一级的输成负反馈，使第一级的输入阻抗进一步提高。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，所以称作以称作阻抗变换器阻抗变换器。三、测量电路 电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器） 特点：电路简单，体积小，价格低。但连特点：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；电缆不接电缆必须专用，不能任意更换；电缆不能很长，电缆电容不得很大，否则传感器能很长，电缆电容不得很大，否则传感器的灵敏度改变，引起测量误差。的灵敏度改变，引起测量误差。三、测量电路 电

53、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。eo压电式压电式加速度加速度传感器传感器 压电式压电式加速度计应用：加速度计应用：手提电脑的硬盘抗摔保护，数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面。 左图左图( 压电式传声器压电式传声器)为为压电式传声器的原理图。压电式传声器的原理图。图中金属膜片与双压电图中金属膜片与双压电晶体弯曲梁相连，膜片晶体弯曲梁相连，膜片

54、受到声压作用而变形时，受到声压作用而变形时，双压电元件也产生变形，双压电元件也产生变形，在压电元件梁端面产生在压电元件梁端面产生电荷。通过变换电路可电荷。通过变换电路可以输出电信号。以输出电信号。 第七节 磁电式传感器 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变化。又称电动式传感器。电动式传感器。 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

55、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运动时，所产生的感线圈在磁场中作直线运动时，所产生的感应电动势为应电动势为sin (4-62)eWBlv90 (4-63)eWBlv一般则一、动圈式磁电传感器一、动圈式磁电传感器 1 1、线速度型磁电式传感器、线速度型磁电式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 (4-64)eWBA2 2、角速度型磁电式传感器、角速度型磁电式传感器动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器 补充补充: 动铁式结构类动铁式结构类型的磁电感应式传感型的磁电感应式传感器器

56、二、磁阻式传感器 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。二、磁阻式传感器 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

57、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。 二、磁阻式传感器二、磁阻式传感器测频测频测转速测转速测偏心测偏心振动测量振动测量应用应用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

58、式传感器磁电式传感器 第八节 光电式传感器 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。 一、光敏元件一、光敏元件 二、光电式传感器二、光电式传感器一、光敏元件一、光敏元件 1.光敏电阻光敏电阻 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。光敏电阻一、光敏元件一、光敏元件 1.光敏电阻光敏电阻 光敏电阻阻值变化与光波

59、波长有关，不同的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。材料有不同的光谱特性。 例如：例如： 可见光域；紫外线域；红外线域。可见光域；紫外线域；红外线域。 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。 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，面两端产生电势，这种现象称为这种现象称为。 P P型半导体内有过剩的空穴，型半导体内有过剩的空穴， n n型半导体内有过型半导体内有过剩的电子。剩的电子。2.

60、 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 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 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，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