常用传感器课程课件

序言

工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。传感器的作用类似于人的感觉器官。它把被测量，如力、位移、温度等，转换为易测信号，传送给测量系统的信号调理环节。传感器也可以认为是人类感官的延伸，因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物，例如，用热电偶可以测得炽热物体的温度；用超声波探测器可以测量海水深度；用红外遥感器可从高空探测地面上的植被和污染情况，等等。因此，可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。在工程上也把提供与输入量有给定关系的输出量的器件，称为测量变换器。传感器就是输入量为被测量的测量变换器。传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素，被视为90年代的关键技术之一受到了普遍重视。11/30/20221第三章常用传感器基本概念传感器的定义

把直接作用于被测量，能按一定规律将其转变成同种或别种量值输出的器件传感器的作用

把被测量转换为易测信号，传送给测量系统的信号调理环节测量变换器

提供与输入量有给定关系的输出量的器件传感器就是输入量为被测量的测量变换器；位于测试装置的输入端11/30/20222第三章常用传感器按被测量分类

位移、速度、加速度、力、温度按传感器工作原理分类

机械、电器、光学、流体式按信号变换特征分类

物性型、结构型根据敏感元件与被测对象之间的能量关系分类

能量转换（无源传感器）、能量控制型（有源传感器）按输出信号分类模拟式、数字式

第一节传感器的分类11/30/20223第三章常用传感器物性型传感器是依靠敏感元件材料本身的物理化学性质的变化来实现信号的变换的。水银温度计：水银的热胀冷缩现象压力测力计：石英晶体的压电效应结构型传感器是依靠传感器结构参数变化而实现信号转换的。电容式传感器：极板距离电容变化电感式传感器：衔铁位移自感或互感变化第一节传感器的分类11/30/20224第三章常用传感器能量转换型（无源）传感器：直接由被测对象输入能量使其工作；热电偶温度计、弹性压力计等能量转换型（有源）传感器：由外部供给能量使传感器工作，并且由被测量来控制外部供给能量的变化；电阻应变计+电桥第一节传感器的分类11/30/20225第三章常用传感器第一节传感器的分类

需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个、也可能有几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式位移传感器是位移电容变化的能量控制型传感器，可以直接测量位移。而电容式压力传感器，则经过压力膜片弹性变形（位移）电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量一机械量的换能件，由它实现第一次变换；它同时与另一极板构成电容器，用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速度计（也称为力反馈式加速度计），实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统，如图所示。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。测量对象传感器辅助能源输入输出图3-1能源控制型传感器工作方式加速度质量弹性件电容传感器电路力发生器电流－力变换器力位移电容电流输出R+-图3-2伺服式加速度计11/30/20226第三章常用传感器第一节传感器的分类类型名称变换量被测量应用举例性能指标（一般参考)机械式测力环弹簧波纹管

波登管

波纹膜片双金属片

微型开关力－位移力－位移压力－位移

压力－位移压力－位移温度－位移力－位移力力压力

压力压力温度物体尺寸、位位置、有无三等标准测力仪弹簧秤压力表压力表压力表温度计测量范围10～105N，示值误差(0.3～0.5)%500Pa～0.5MPa0.5MPa～1000MPa测量范围<500Pa0~300C位置精度可达数微米电磁及电子式电位计电阻丝应变片、半导体应变电容电涡流电感差动变压器压电元件热电偶霍耳元件热敏电阻气敏电阻光敏电阻光电池光敏晶体管位移－电阻形变－电阻位移－电容位移－自感

位移－自感位移－互感力－电荷温度－电势位移－电势温度－电阻气体浓度－温度光－电阻光－电压光-电流位移力、位移、应变、加速度力、位移、声位移、厚度位移、力位移、力力加速度温度位移温度可燃气体开、关量转速、位移直线电位计应变仪电容测微仪

涡流式测微移电感测微仪电感比较仪测力计加速度计热电温度计位移传感器半导体温度计气敏检测仪硒光电池光电转速仪分辨力0.025～0.05mm,线性误差0.05～0.1％最小应变1～2最小测力(0.1~1)N分辨力0.025m测量范围0～15mm，分辨力1m分辨力0.5m分辨力0.5m分辨力0.01N、频率(0.1~20k)Hz10-2~105ms-20~1600C0~2mm，线性误差1％-10~300C灵敏度500A/1m最大截止频率50kHz11/30/20227第三章常用传感器第一节传感器的分类类型名称变换量被测量应用举例性能指标（一般参考)幅射式红外X射线射线激光超声射线热－电散射、干涉对物质穿透

光波干涉超声波反射、穿透穿透作用温度、物体有无厚度、探伤、应力厚度、探伤

长度、位移、转角厚度、探伤厚度、成分分析红外测温仪X射线应力仪射线测厚仪激光测长仪超声波测厚仪测量范围-10~1300C

测距2m，分辨力0.2m测量范围4～40mm,0.25mm流体式气动气动液体液体尺寸－压力间隙－压力流量－压力差流量－转子平衡位置尺寸、物体大小距离流量流量气动量仪气动量仪节流式流量计转子式流量计可测最小直径0.05～0.076mm测量间隙6mm,分辨力0.025mm11/30/20228第三章常用传感器第二节机械式传感器机械式传感器应用很广。在测试技术中，常常以弹性体作为传感器的敏感元件，故又称之为弹性敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形。这种变形经放大后可成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。这种传感器的典型应用例有：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、波纹管等；用于温度测量的双金属片等，如图所示。机械式传感器做成的机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。但弹性变形不宜大，以减小线性误差。此外，由于放大和指示环节多为机械传动，不仅受间隙影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后用其他型式的传感器（如电阻、电容、电涡流式等）将位移量转换成电信号输出。弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象。材料的蠕变与承载时间、载荷大小、环境温度等因素有关。11/30/20229第三章常用传感器第二节机械式传感器近年来，在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型探测开关亦被看作机械传感器。这种开关能把物体的运动、位置或尺寸变化转换为接通、断开信号。图示是这种开关中的一种。它由两个簧片组成，在常态下处于断开状态。当它与磁性块接近时，簧片被磁化而接合，成为接通状态。图中，只有当钢制工件通过簧片和电磁铁之间时，簧片才会被磁化而接合，从而表达了有一件工件通过。这类开关可用于探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等。11/30/202210第三章常用传感器第三节电电阻式传传感器电阻式传感感器是一种种把被测量量转换为电电阻变化的的传感器。。按其工作作原理可分分为变阻器式和电阻应变式式两类。一、变阻器器式传感器器变阻器式传传感器也称称为电位差差计式传感感器，它通通过改变电电位器触头头位置，把把位移转换换为电阻的的变化。根根据下式：：R=l/A。图a)为直线位移型型。触点C沿变阻器移移动移动x，则C点与A点之间电阻阻值R＝klx。传感器灵敏敏度：S=dR/dx=kl。式中kl—单位长度内内的电阻值值。图b)为回转型变变阻器式传传感器，其其电阻值随随转角而变变化。其灵灵敏度S=dR/d=k。式中—转角[rad]；k—单位弧度对对应的电阻阻值。图c是一种非线线性变阻器器式传感器器，其骨架架形状需根根据所要求求的输出f(x)来确定。例例如，输出出f(x)=kx2，其中x为输入位移移，为要得得到输出电电阻值R(x)与f(x)成线性关系系，变阻器器骨架应做做成直角三三角形。11/26/202211第三章常常用传感感器第三节电电阻式传传感器变阻器式传传感器的后后接电路，，一般采用用电阻分压压电路，如如图所示。。在直流激激励电压u0作用下，这这种传感器器将位移变变成输出电电压的变化化。当电刷刷移动x距离后,传感器的输输出电压uy可用下式计计算式中Rp—变阻器的总总电阻；xp—变阻器的总总长度；RL—后接电路的的输入电阻阻。上式表明，，为减小后后接电路的的影响，应应使RL>>Rp。11/26/202212第三章常常用传感感器变阻式传感感器的特点点应用特点：优点是结构构简单，性性能稳定，，使用方便便。缺点是是分辨力不不高，因为为受到电阻阻丝直径的的限制。提提高分辨力力需使用更更细的电阻阻丝，其绕绕制较困难难。所以变变阻器式传传感器的分分辨力很难难优于20μm。由于结构构上的特点点，这种传传感器还有有较大的噪噪声。应用：被用于线位位移、角位位移测量，，在测量仪仪器中用于于伺服记录录仪器或电电子电位差差计等。第三节电电阻式传传感器11/26/202213第三章常常用传感感器第三节电电阻式传传感器二、电阻应应变式传感感器电阻应变式式传感器可可以用于测量应变、、力、位移移、加速度度、扭矩等参数。具具有体积小小、动态响响应快、测测量精确度度高、使用用简便等优优点。在航航空、船舶舶、机械、、建筑等行行业里获得得广泛应用用。电阻应变式式传感器可可分为金属电阻应应变片式与半导体应变变片式两类。（一）金属属电阻应变变片常用的金属属电阻应变变片有丝式和箔式两种。其工工作原理都都是基于应应变片发生生机械变形形时，其电电阻值发生生变化。金属丝电阻阻应变片（（又称电阻阻丝应变片片）出现得得较早，现现仍在广泛泛采用。其其典型结构构如图所示示。把一根根具有高电电阻率的金金属丝（康康铜或镍铬铬合金等，，直径0.025mm左右）绕成成栅形，粘粘贴在绝缘缘的基片和和覆盖层之之间，由引引出导线接接于电路上上。金属箔式应应变片则是是用栅状金金属筒片代代替栅状金金属丝。金金属箔栅系系用光刻技技术制造，，适于大批批量生产。。其线条均均匀，尺寸寸准确，阻阻值一致性性好。箔片片厚约1~10m，散热好，粘粘结情况好好，传递试试件应变性性能好。因因此目前使使用的多系系金属箔式式应变片，，如图所示示。11/26/202214第三章常常用传感感器第三节电电阻式传传感器把应变片用用特制胶水水粘固在弹弹性元件或或需要测量量变形的物物体表面上上。在外力力作用下，，电阻丝即即随同该物物体一起变变形，其电电阻值发生生相应变化化。由此，，将被测量量转换为电电阻变化。。由于电阻阻值R=l/A，其中长度l、截面积A、电阻率均将随电阻阻丝的变形形而变化。。11/26/202215第三章常常用传感感器第三节电电阻式传传感器当每一可变变因素分别别有一增量量dl，dA，d时，所引起起的电阻增增量为：式中，A=r2，r为电阻丝半半径，则有有：电阻的相对对变化：－轴向应应变；/－径向应变变；－泊泊桑比；d/电阻率相对对变化，与与电阻丝轴轴向所受正正应力有关；－－压阻系数数。由此可得电电阻的相对对变化：电阻应变片片的应变系系数或灵敏敏度：用于制造电电阻应变片片的电阻丝丝的灵敏度度Sg多在1.7－3.6之间。11/26/202216第三章常常用传感感器第三节电电阻式传传感器常用电阻丝丝物理性能能参数材料名称成分灵敏度电阻率电阻温度系数线涨系数元素％Sgmm2/m×10-6/ºC×10-6/ºC康铜CuNi57431.7～2.10.49-20～2014.9镍铬合金NiCr80202.1～2.50.9～1.1110～15014.0镍铬铝合金NiCrAlFe73203~4余量2.41.33-10～1013.3一般市售电电阻应变片片的标准阻阻值有60、120、350、600、1000等。其中以以120为最常用。。应变片的的尺寸可根根据使用要要求来选定定。11/26/202217第三章常常用传感感器第三节电电阻式传传感器（二）半导导体应变片片半导体应变变片最简单单的典型结结构如图所所示。半导导体应变片片的使用方方法与金属属电阻应变变片相同，，即粘贴在在弹性元件件或被测物物体上，其其电阻值随随被测试件件的应变而而变化。半导体应变变片的工作作原理是基基于半导体体材料的压压阻效应。。所谓压阻效应是指单晶半半导体材料料在沿某一一轴向受到到外力作用用时，其电电阻率发生变化的的现象。从半导体物物理可知，，半导体在在压力、温温度及光辐辐射作用下下，能使其其电阻率发生很大变变化。分分析表明，，单晶半导导体在外力力作用下，，原子点阵阵排列规律律发生变化化，导致载载流子迁移移率及载流流子浓度的的变化，从从而引起电电阻率的变变化。金属丝电阻阻应变片与与半导体应应变片的主主要区别在在于：前者者利用导体体形变引起起电阻的变变化，后者者利用半导导体电阻率率变化引起起电阻的变变化。半导导体应变片片灵敏度这这一数值比比金属丝电电阻应变片片大50～70倍。半导体应变片1－胶膜衬底2-P-Si3-内引线4-焊接板5-外引线半导体应变变片最突出出的优点是是灵敏度高高，其最大大缺点是温温度稳定性性能差、灵灵敏度分散散度大（由由于晶向、、杂质等因因素的影响响）以及在在较大应变变作用下，，非线性误误差大等，，这些缺点点也给使用用带来一定定困难。目目前国产的的半导体应应变片大都都采用P型硅单晶制制作。随着着集成电路路技术和薄薄膜技术的的发展，出出现了扩散散型、外延延型、薄膜膜型半导体体应变片。。它们对实实现小型化化，改善应应变片的特特性等方面面有良好的的作用。近来，已研研制出在同同一硅片上上制作扩散散型应变片片和集成电电路放大器器等，即集集成应变组组件。这对对于自动控控制与检测测技术将会会有一定推推动作用。。11/26/202218第三章常常用传感器第三节电电阻式传感器器（三）电阻应应变式传感器器的应用实例例l）直接用来测定定结构的应变变或应力。2）将应变片贴贴于弹性元件件上，作为测测量力、位移移、压力、加加速度等物理理参数的传感感器。构件应力测定定典型应变式传传感器a)位移传感器；；b)加速度传感器器；c)柱式测力传感感器；d)扭矩传感器；；e)筒式压力传感感器11/26/202219第三章常常用传感器第三节电电阻式传感器器（四）典型动动态电阻应变变仪11/26/202220第三章常常用传感器第四节电电容式传感器器一、变换原理理电容式传感器器是将被测物物理量转换为为电容量变化化的装置。它它实质上是一一个具有可变变参数的电容容器。从物理学可知知，由两个平平行极板组成成的电容器其其电容量［F］：C=0A/式中，—极板间介质的的相对介电常常数，在空气气中＝1；0－真空介电常数数，0＝8.85×10-12F/m；－极板间距；A－极板面积。（一）极距变变化型电容变化量：：灵敏度：可以看出，灵灵敏度与极距平方成成反比，极距距越小灵敏度度越高。显然然，由于灵敏敏度随极距而而变化，这将将引起线性误误差。为了减减小这一误差差，通常规定定在较小的间间隙变化范围围内工作，以以便获得近似似线性关系。。一般取极距距变化范围约约为/00.l。在实际应用中中，为了提高高传感器的灵灵敏度、线性性度以及克服服某些外界条条件（如电源源电压。环境境温度等）的的变化对测量量精确度的影影响，常常采采用差动式。。11/26/202221第三章常常用传感器极距变化型电电容传感器优点：是可进行动态态非接触式测测量，对被测测系统的影响响小；灵敏度度高，适用于于较小位移（（0.01m~数百微米）的测量。缺点：这种传感器有有线性误差、、传感器的杂杂散电容也对对灵敏度和测测量精确度有有影响，与传传感器配合使使用的电子线线路也比较复复杂。因此使使用范围受到到一定限制。。第四节电电容式传感器器11/26/202222第三章常常用传感器第四节电电容式传感器器（二）面积变变化型在变换极板面面积的电容传传感器中，一一般常用的有有角位移型和和线位移型两两种。图3-23a为角位移型。。电容：灵敏度：图3-23b为平面线位移移型电容传感感器：电容：灵敏度：图3-23C为圆柱体线位位移型电容传传感器：电容：灵敏度：图3-23面积变化型电电容传感器：：1-动板；2-定板11/26/202223第三章常常用传感器面积变化型电容容式传感器特点：输出与输入入成线性关系系。但与极距距变化型相比比，灵敏度较较低，适用于于较大直线位位移及角位移移的测量。第四节电电容式传感器器11/26/202224第三章章常常用用传感感器第四节节电电容容式传传感器器（三））介质质变化化型这是一一种利利用介介质介介电常常数的的变化化将被被测量量转换换为电电量的的传感感器。。可用用来测测量电电介质质的液液位或或某些些材料料的厚厚度、、温度度和湿湿度等等，也也可用用来测测量空空气的的湿度度。图图3－24是这种种传感感器的的典型型实例例。图图中3－24a是在两两固定定极板板间有有一介介质层层（如如纸张张、电电影胶胶片等等）通通过。。当介介质层层的厚厚度、、温度度或湿湿度发发生变变化时时，其其介电电常数数发生生变化化，引引起电电容量量的变变化。。图3－24b是一种种电容容式液液面计计。当当液面面位置置发生生变化化时，，两电电极的的浸入入高度度也发发生变变化，，引起起电容容量的的变化化。11/26/202225第三章章常常用用传感感器二、电容式式传感感器测测量电电路电容式式传感感器将将被测测量转转换成成电容容量的的变化化之后后，由由后续续电路路转换换为电电压、、电流流或频频率信信号。。常用用的电电路有有下列列几种种。（一））电桥桥型电电路将电容容传感感器作作为电电桥的的一部部分，，由电电容变变化转转换为为电桥桥的电电压输输出。。通常常采用用电阻阻、电电容或或电感感、电电容组组成的的交流流电桥桥。图图3-25是一种种电感感、电电容组组成的的桥路路。电电桥的的输出出为一一调幅幅波，，经放放大、、相敏敏解调调、滤滤波后后获得得输出出，再再推动动显示示仪表表。第四节节电电容容式传传感器器11/26/202226第三章章常常用用传感感器第四节节电电容容式传传感器器（二））直流流极化化电路路这一电电路，，多用用于电电容传传声器器或压压力传传感器器中。。如图图3-26所示，，弹性性膜片片在外外力（（气压压、液液压等等）作作用下下发生生位移移，使使电容容量发发生变变化。。电容容器接接于具具有直直流极极化电电压马马的电电路中中，电电容的的变化化由高高阻值值电阻阻B转换为为电压压变化化。分分析表表明，，输出出电压压uy和膜片片移动动速度度近似似成一一阶系系统的的关系系。图3-26直流极极化电电路11/26/202227第三章章常常用用传感感器（三））谐振振电路路此电路路的原原理和和工作作特性性见图图3－27。电容容传感感器的的电容容Cx作为谐谐振电电路（（L2、C2//Cx或C2+Cx）调谐电电容的的一部部分。。此谐谐振回回路通通过电电压耦耦合，，从稳稳定的的高频频振荡荡器获获得振振荡电电压。。当传传感电电容C发生变变化，，谐振振回路路的阻阻抗发发生相相应变变化，，并被被转换换成电电压或或电流流输出出，经经过放放大、、检波波即可可得到到输出出。为为了获获得较较好的的线性性，一一般工工作点点应选选择在在谐振振曲线线一边边的准准线性性区域域内。。这种种电路路比较较灵敏敏，但但工作作点不不易选选好，，变化化范围围也较较窄，，传感感器连连接电电缆的的杂散散电容容影响响也较较大。。第四节节电电容容式传传感器器11/26/202228第三章章常常用用传感感器第四节节电电容容式传传感器器(四）调调频电电路如图3－28所示，，传感感器电电容是是振荡荡器谐谐振回回路的的一部部分。。当输输入量量使传传感器器电容容量发发生变变化时时，振振荡器器的振振荡频频率发发生变变化。。频率率的变变化经经过鉴鉴频器器变为为电压压变化化，再再经过过放大大后由由记录录器记记录或或显示示仪表表指示示。这这种电电路具具有抗抗干扰扰性强强、灵灵敏度度高等等点，，可测测0.01m的位移移量。。但缺缺点是是电缆缆电容容的影影响较较大，，使用用中有有些麻麻烦。。图3-28调频电电路工工作原原理11/26/202229第三章章常常用用传感感器（五）运运算放大大器电路路如前所述述，极距距变化型型电容传传感器的的极距变变化与电电容变化化量成非非线性关关系，这这一缺点点使电容容传感器器的应用用受到一一定限制制。采用用比例运运算放大大器电路路可得到到输出电电压uy和位移量量的线性性关系。。如图3－29所示，输输入阻抗抗采用固固定电容容C0，反馈阻抗抗采用电电容传感感器Cx，根据比例例器的运运算关系系，有：：第四节电电容容式传感感器由上式可可知，输输出电压压uy与电容传传感器间间隙成线性关关系。这这种电路路被用于于位移测量量传感器器。u0-激励电压压图3-29运算放大大器电路路11/26/202230第三章常常用用传感器器第四节电电容容式传感感器值得注意意：一方面，，电容传传感器的的电容量量很小，，一般只只有几十十或几百百pF，测量时电电容量的的变化更更小，常常在1pF以下；另另一方面面传感器器板极与与周围元元件之间间以及连连接电缆缆都存在在着寄生生电容，，其电容容值甚大大且不稳稳定。这这就使测测量精确确度受到到严重影影响，甚甚至无法法工作。。为此必必须采取取适当的的技术措措施来减减小或消消除寄生生电容的的影响。。常用的措措施有：：缩短传感感器和测测量电路路之间的的电缆，，甚至将将测量电电路的一一部分和和传感器器做成一一体或采采用专用用的驱动动电缆。。图3－30为驱动电电缆的工工作原理理。它采采用双层层屏蔽电电缆。其其中用一一个增益益为1的放大器器，放大大器输入入端接于于芯线，，输出端端接于内内屏蔽线线，用芯芯线的电电位来驱驱动内屏屏蔽线的的电位。。当放大大器严格格保持增增益为1和相移为为零时，，内屏蔽蔽线和芯芯线等电电位，可可以免除除芯线和和内屏蔽蔽线之间间的容性性漏电流流，从而而消除了了两者之之间寄生生电容的的影响。。若放大大器增益益非1或相移非非零，芯芯线和内内屏蔽线线的电位位仍有差差别。11/26/202231第三章常常用用传感器器第五节电电感感式传感感器电感式传传感器是是把被测测量，如如位移等等，转换换为电感感量变化化的一种种装置。。其变换换是基于于电磁感感应原理理。一、自感感型（一）可可变磁阻阻式可变磁阻阻式传感感器的构构造原理理如图示示。它由由线圈、、铁心和和衔铁组组成。在在铁心和和衔铁之之间有气气隙。由电工工学得知知，线圈圈自感量量L=W2/Rm。其中，W－线圈匝数数；Rm—磁路总磁磁阻［H－1］。如果空气气隙较小，而而且不考考虑磁路路的铁损损时，则则总磁阻阻：式中l—铁心导磁磁长度；；—铁心磁导导率；A—铁心导磁磁截面积积，A＝a×b；—气隙长度度；0－空气磁导导率，0＝410-7；A0—空气隙导导磁横截截面积。。则：灵敏度：：一般实际际应用中中，取西西／00.1。这种传感感器适用用于较小小位移的的测量，，一般约约为0.001～lmm。11/26/202232第三章常常用用传感器器第五节电电感感式传感感器图中列出出了几种种常用可可变磁阻阻式传感感器的典典型结构构方案。。图3－13a是可变导导磁面积积型，其自感感L与A0成线性关关系，这这种传感感器灵敏敏度较低低。图3－13b是差动型型，衔铁位位移时，，可以使使两个线线圈的间间隙按0+、0-变化。一一个线圈圈自感增增加，另另一个线线圈自感感减小。。将两线线圈接于于电桥的的相邻桥桥臂时，，其输出出灵敏度度可提高高一倍，，并改善善了线性性特性。。图3－13c是单螺管管线圈型型，当铁心心在线圈圈中运动动时，将将改变磁磁阻，使使线圈自自感发生生变化。。这种传传感器结结构简单单、制造造容易，，但灵敏敏度低，，适用于于较大位位移（数数毫米））测量。。图3－13d是双螺管管线圈差差动型，较之单单螺管线线圈型有有较高灵灵敏度及及线性，，被用于于电感测测微计上上，其测测量范围围为0~300m，最小分分辨力为为0.5m。11/26/202233第三章常常用用传感器器这种传感感器的线线圈接于于电桥上上（图3－14a），构成成两个桥桥臂，线线圈电感感L1、L2随铁心位位移而变变化，其其输出特特性如图图3－14b所示。第五节电电感感式传感感器11/26/202234第三章常常用用传感器器第五节电电感感式传感感器（二）涡涡电流式式涡电流式式传感器器的变换换原理是是利用金金属体在在交变磁磁场中的的涡电流流效应。。如图3-15所示的是是一个高高频反射射式涡电电流传感感器的工工作原理理。涡电流式式传感器器的测量量电路一一般有阻阻抗分压压式调幅幅电路及及调频电电路。图图3－16是用于涡涡流测振振仪上的的分压式式调幅电电路原理理。图3－17是其谐振振曲线和和输出特特性。传传感器线线圈L和电容C组成并联联谐振回回路，其其谐振频频率为图3-1511/26/202235第三章常常用传感器第五节电电感式传感器器调频电路的工工作原理如图图3－18所示。这种方方法也是把传传感器线圈接接入LC振荡回路，与与调幅法不同同之处是以回回路的谐振频频率作为输出出量。当金属属板至传感器器之间的距离离发生变化时，，将引起线圈圈电感变化，，从而使振荡荡器的振荡频频率f发生变化，再再通过鉴频器器进行频率--电压转换，即即可得到与成比例的输出出电压。图3-18调频电路工作作原理涡电流式传感感器可用于动动态非接触测测量，测量范范围随传感器器结构尺寸、、线圈匝数和和激磁频率而而异，从lmm到10mm不等，最高分分辨力可达1m。此外，这种传传感器还具有有结构简单、、使用方便、、不受油液等等介质影响等等优点。因此，近几年年来涡电流式式位移和振动动测量仪、测测厚仪和无损损探伤仪等在在机械、冶金金工业中日益益得到广泛应应用。实际上上，这种传感感器在径向振振摆、回转轴轴误差运动、、转速和厚度度测量，以及及在零件计数数、表面裂纹纹和缺陷测量量中都可应用用。11/26/202236第三章常常用传感器涡电流式传感感器应用用于动态非接接触式测量，，测量范围±1mm~10mm,最高分辨力达达0.1μm在径向摆动、、回转轴误差差运动、转速速和厚度测量量，以及在零零件计数、表表面裂纹和缺缺陷测量中都都可应用。第五节电电感式传感器器11/26/202237第三章常常用传感器第五节电电感式传感器器11/26/202238第三章常常用传感器第五节电电感式传感器器二、互感型—差动变压器式式电感传感器器这种传感器是是利用电磁感感应中的互感感现象，如图图3－19所示。当线圈圈W1输入交流电流流il时，线圈W2产生感应电动动势el2，其大小与电流流il的变化率成正正比，即el2＝－Mdi1/dt。式中M—比例系数，称称为互感（H），其大小与两线线圈相对位置置及周围介质质的导磁能力力等因素有关关，它表明两两线圈之间的的耦合程度。。互感型传感感器就是利利用这一原原理，将被被测位移量量转换成线线圈互感的的变化。这这种传感器器实质上就就是一个变变压器，其其初级线圈圈接入稳定定交流电源源，次级线线圈感应产产生一输出出电压。当当被测参数数使互感M变化时，副副线圈输出出电压也产产生相应变变化。由于于常常采用用两个次级级线圈组成成差动式，，故又称为为差动变压压器式传感感器。11/26/202239第三章常常用传感感器第五节电电感式传传感器11/26/202240第三章常常用传感感器第五节电电感式传传感器差动变压器器的输出电电压是交流流量，其幅幅值与铁心心位移成正正比，其输输出电压如如用交流电电压表指示示，输出值值只能反映映铁心位移移的大小，，不能反映映移动的方方向性。其其次，交流流电压输出出存在一定定的零点残残余电压。。零点残余余电压是由由于两个次次级线圈结结构不对称称，以及初初级线圈铜铜损电阻、、铁磁材质质不均匀、、线圈间分分布电容等等原因所形形成。所以以，即使铁铁心处于中中间位置时时，输出也也不为零。。为此，差差动变压器器式传感器器的后接电电路形式，，需要采用用既能反映映铁心位移移方向性，，又能补偿偿零点残余余电压的差差动直流输输出电路。。图3-21是一种用于于小位移测测量的差动动相敏检波波电路工作作原理。在在没有输入入信号时，，铁心处于于中间位置置，调节电电阻R，使零点残余余电压减小小；当有输输入信号时时，铁心移移上或移下下，其输出出电压经交交流放大、、相敏检波波、滤波后后得到直流流输出，由由表头指示示输入位移移量大小和和方向。差动变压器器式电感传传感器具有有精确度高高（高到0.1m数量级），，线性范围围大（可扩扩大到100mm），稳定度好和和使用方便便的特点，，被广泛应应用于直线线位移的测测量。但其其实际测量量频率上限限受制于传传感器中所所包含的机机械结构。。借助弹性性元件可以以将压力、、重量等物物理量转换换成位移的的变化，故故也将这类类传感器用用于压力、、重量等物物理量的测测量。图3-21差动相敏检检波电路工工作原理11/26/202241第三章常常用传感感器差动变压器器式传感器器注意事项项输出电压是是交流量，其幅值与与铁心位移移成正比，，其输出电电压如用交交流电压表表指示，输输出值只能能反映铁心心位移的大大小，不能能反映移动动的方向性性。交流电压输输出存在一一定的零点点残余电压压。零点残余余电压是由由于两个次次级线圈结结构不对称称，以及初初级线圈电电阻、铁磁磁材质不均均匀、线圈圈间分布电电容等原因因所形成。。所以，即即使铁心处处于中间位位置输出也也不为零。。为此，差差动变压器器式传感器器的后接电路形形式，需要采用用既能反映映铁心位移移方向性，，又能补偿偿零点残余余电压的差动直流输输出电路。第五节电电感式传传感器11/26/202242第三章常常用传感感器差动变压器器式传感器器

特点和和应用特点：具有精确度度高(高到0.1μm数量级)，线性范围围大(可扩大到±100mm)，稳定度好和和使用方便便；但其实实际测量频频率上限受受制于传感感器中所包包含的机械械结构应用：广泛应用于于直线位移移的测量；；借助于弹弹性元件可可用于压力力、重量的的测量第五节电电感式传传感器11/26/202243第三章常常用传感感器第六节磁磁电式传传感器磁电式传感感器是把被被测物理量量转换为感感应电动势势的一种传传感器，又又称电磁感感应式或电电动力式传传感器。从从电工学学已知，对对于一个匝匝数为W的线圈，当当穿过该线线圈的磁通通自发生变变化时，其其感应电动动势：按照结构方方式不同，，磁电式传传感器可分分为动圈式与磁阻式。一、动圈式式动圈式又可可分为线速速度型与角角速度型。。图3－35a表示示线线速速度度型型传传感感器器工工作作原原理理。。在在永永久久磁磁铁铁产产生生的的直直流流磁磁场场内内，，放放置置一一个个可可动动线线圈圈，，当当线线圈圈在在磁磁场场中中作作直直线线运运动动时时，，它它所所产产生生的的感感应应电电动动势势：：图图3-35b是角角速速度度型型传传感感器器工工作作原原理理。。11/26/202244第三章常常用传感器第六节磁磁电式传感器器e=WBlsin.式中，B—磁场的磁感应应强度；l—单匝线圈有效效长度；W－线圈匝数；；—线圈与磁场的的相对运动速速度；—线圈运动方向向与磁场方向向的夹角。此式说明，当当W、B、l均为常数时，，感应电动势势大小与线圈圈运动的线速速度成正比，，这就是一般般常见的惯性性式速度计的的工作原理。。e=kWBA.式中，－角速度；A—单匝线圈的截截面积；k—与结构有关的的系数，k＜1。此式表明，当当传感器结构构一定时，W、B、A均为常数，感感应电动势e与线圈相对磁磁场的角速度度成正比，这这种传感器被被用于转速测测量11/26/202245第三章常常用传感器第六节磁磁电式传感器器图3-36动圈磁电式传传感器等效电电路将传感器中线线圈产生的感感应电势通过过电缆与电压压放大器联接接时，其等效效电路如图3－36所示。图中，，e是发电线圈的的感应电势；；Z0是线圈阻抗；；R0是负载电阻（（含放大器输输入电阻）；；Cc是电缆导线的的分布电容；；Rc是电缆导线的的电阻。Re甚小可忽略，，故等效电路路中的输出电电压11/26/202246第三章常常用传感器第六节磁磁电式传感器器二、磁阻式磁阻式传感器器的线圈与磁磁铁彼此不作作相对运动，，由运动着的的物体（导磁磁材料）来改改变磁路的磁磁阻，而引起起磁力线增强强或减弱，使使线圈产生感感应电动势。。其工作原理理及应用例如如图3－37所示。此种传传感器是由永永久磁铁及缠缠绕其上的线线圈组成。例例如图3－37a可测旋转体频频数，当齿轮轮旋转时，齿齿的凸凹引起起磁阻变化，，使磁通量变变化，在线圈圈中感应出交交流电动势，，其频率等于于齿轮的齿数数和转速的乘乘积。磁阻式传感器器使用简便、、结构筒单，，在不同场合合下可用来测测量:转速、偏心量量、振动等。11/26/202247第三章常常用传感器第六节磁磁电式传感器器11/26/202248第三章常常用传感器第七节压压电式传感器器压电式传感器器是一种可逆逆型换能器，，既可以将机机械能转换为为电能，又可可以将电能转转换为机械能能。这种性质质使它被广泛泛用于力、压力、加加速度测量，，也被用于超超声波发射与与接收装置。这种传感器具具有体积小、、重量轻，精精确度及灵敏敏度高等优点点。现在与其其配套的后续续仪器，如电电荷放大器等等的技术性能能日益提高，，使这种传感感器的应用越越来越广泛。。压电式传感器器的工作原理理是利用某些些物质的压电电效应。一、压电效应应某些物质，如如石英、钛酸酸钡，铬钛酸酸铅（PZT）等，当受到外外力作用时，，不仅几何尺尺寸发生变化化，而且内部部极化，表面面上有电荷出出现，形成电电场；当外力力消失时，材材料重新回复复到原来状态态，这种现象象称为压电效应。相反，如果果将这些物质质置于电场中中，其几何尺尺寸也发生变变化，这种由由于外电场作作用导致物质质的机械变形形的现象，称称为逆压电效应，或称为电致致伸缩效应。。具有压电效应应的材料称之之为压电材料料，石英是常常用的一种压压电材料。11/26/202249第三章常常用用传感器器第七节压压电电式传感感器石英（SIO2）晶体结结晶形状状为六角角形晶柱柱（图3－3la），两端端为一对对称的棱棱锥。六六棱柱是是它的基基本组织织。纵轴线z-z称为光轴，通过六角角棱线而而垂直于于光轴的的轴线x－x称作电轴，垂直于棱棱面的轴轴线y－y称作机械轴，如图3－31b所示。光轴电轴机械轴11/26/202250第三章常常用用传感器器第七节压压电电式传感感器实验证明明压电体体表面积积聚的电电荷与作作用力成成正比。。若沿单单一晶轴轴x-x方向加力力F，则在垂直直于x-x方向的压压电体表表面上积积聚的电电荷量为为q。q=dcF若压电体体受到多多方向的的力，压压电体各各表面都都会积聚聚电荷。。每个表表面上的的电荷量量不仅与与作用于于该面上上的垂直直力有关关，而且且还与压压电体其其它面上上所受的的力有关关。纵向效应应横横向向效应切切向效效应如果从晶晶体中切切下一个个平行六六面体，，并使其其晶面分分别平行行于z-z、y-y、x-x轴线，这这个晶片片在正常常状态下下不呈现现电性。。当施加加外力时时，将沿沿x-x方向形成成电场，，其电荷荷分布在在垂直于于x-x轴的平面面上。沿沿x轴加力产产生纵向向效应；；沿y轴加力产产生横向向效应；；沿相对对两平面面加力产产生切向向效应（（图3－32）。11/26/202251第三章常常用用传感器器第七节压压电电式传感感器二、压电电材料常用的压压电材料料大致可可分为三三类：压压电单晶晶、压电电陶瓷和和有机压压电薄膜膜。压电电单晶为为单晶体体，常用用的有石石英晶体体（SiO2）、铌酸锂（（LiNbO3）、钽酸钾（（LiTaO3）等。压电电陶瓷为为多晶体体，常用用的有钛钛酸钡（（BaTiO3）、锆钛酸铅铅（PZT）等。石英是压压电单晶晶中最有有代表性性的，应应用广泛泛。除天天然石英英外，大大量应用用人造石石英。石石英的压压电常数数不高，，但具有有较好的的机械强强度和时时间和温温度稳定定度。其其它压电电单晶的的压电常常数为石石英的2.5～3.5倍，但价价格较贵贵。水溶溶性压电电晶体，，如酒石石酸钾钠钠NaKO4H4O5·4H2O）压电常数数较高，，但易受受潮，机机械强度度低，电电阻率低低，性能能不稳定定。现在声学学和传感感技术中中最普遍遍应用的的是压电电陶瓷。。近年来来压电半半导体也也已开发发成功。。它具有有压电和和半导体体两种特特性，很很易发展展成新型型的集成成传感器器。11/26/202252第三章常常用用传感器器三、压电电式传感感器及其其等效电电路在压电晶晶片的两两个工作作面上进进行金属属蒸镀，，形成金金属膜，，构成两两个电极极，如图图3－33所示。当当晶片受受到外力力作用时时，在两两个极板板上积聚聚数量相相等、而而极性相相反的电电荷，形形成了电电场。因因此压电电传感器器可以看看作是谢谢超迫置置，它又又是一个个电容器器。其电电容量按按下式计计算，即即C=0A/式中，—压电材料料的相对对介电常常数，石石英晶体体＝4.5；钛酸钡钡＝1200压电式传传感器是是一个具具有一定定电容的的电荷源源。电容容器上的的开路电电压u0与电荷q、电容Ca存在下列列关系：：u0＝q/Ca第七节压压电电式传感感器11/26/202253第三章常常用用传感器器第七节压压电电式传感感器当压电式式传感器器接入测测量电路路，连接接电缆的的寄生电电容就形形成传感感器的并并联寄生生电容Cc，后续电路路的输入入阻抗和和传感器器中的漏漏电阻就就形成泄泄漏电阻阻R。，如图3－33d所示。当当考虑负负载影响响时，根根据电荷荷平衡建建立的方方程式为为：图3-33压电晶片片及等效效电路a)压电晶片片；b)并接；c)串接；d)等效电荷荷源电容值上上的电压压：11/26/202254第三章常常用传感器第七节压压电式传感器器四、测量电路路由于压电式传传感器的输出出电信号是很很微弱的电荷荷，而且传感感器本身有很很大内阻，故故输出能量甚甚微，这给后后接电路带来来一定困难。。为此，通常常把传感器信信号先输到高高输入阻抗的的前置放大器器。经过阻抗抗变换以后，，方可用一般般的放大、检检波电路将信信号输给指示示仪表或记录录器。前置放大器的的主要作用有有两点：一是是将传感器的的高阻抗输出出变换为低阻阻抗输出；其其次是放大传传感器输出的的微弱电信号号。前置放大器电电路有两种形形式：其一是是用电阻反馈馈的电压放大大器，其输出出电压与输入入电压（即传传感器的输出出）成正比；；另一种是带带电容反馈的的电荷放大器器，其输出电电压与输入电电荷成正比。。上式表明，在在一定条件下下，电荷放大大器的输出电电压与传感器器的电荷量成成正比，并且且与电缆对地地电容无关。。因此，采用用电荷放大器器时，即使连连接电缆长达达百米以上，，其灵敏度也也无明显变化化，这是电荷荷放大器突出出的优点。但但与电压放大大器比较，其其电路复杂，，价格昂贵。。11/26/202255第三章常常用传感器第七节压压电式传感器器五、压电式传传感器的应用用压电式传感器器常用来测量力、压力力、振动的加加速度，也用用于声学（包包括超声）和和声发射等测量。压电效应是一一种力一电荷荷变换，可直直接用作力的的测量。现在在已形成系列列的压电式力力传感器，测测量范围从微微小力值10-3N到104kN，动态范围一般般为60dB；测量方向有单单方向的，也也有多方向的的。压电式压力传传感器有两种种形式：一种种是利用膜片片式弹性元件件，通过膜片片承压面积将将压力转化为力。膜片中可看看凸台，凸台台背面放置压压电片。力通通过凸台作用用于压电片上上，使之产生生相应的电荷荷量。另一种种是利用活塞塞的承压面承承受压力，并并使活塞所受受的力通过在在活塞另一端端的顶杆作用用在压电片上上。测得此作作用力便可推推算出活塞所所受的压力。现在广泛采用用压电式传感感器来测量加加速度。此种种传感器的压压电片处于其其壳体和一质质量块之间，，用强弹簧（（或预紧螺栓栓）将质量块块、压电片紧紧压在壳体上上。运动时，，传感器壳体体推动压电片片和质量块一一起运动。在在加速时，压压电片承受由由质量加速而而产生的惯性性力。在第七七章中将会进进一步讨论加加速度计的有有关问题。压电式传感器器的工作原理理是可逆的，，施加电压于于压电晶片，，压电片便产产生伸缩。所所以压电片可可以反过来做做“驱动器””。例如对压压电晶片施加加交变电压则则压电片可作作为振动源，，可用于高频振动台、、超声发生器器、扬声器以以及精密的微微动装置。11/26/202256第三章常常用传感器热电式传感器器工作原理：把被测量(主要是温度)转换为电量变变化的一种装装置，其变换换是基于金属属的热电效应应。分类（按照变换方方式）：热电偶热电阻传感器器第八节热热电式传感器器11/26/202257第三章常常用传感器热电偶1工作原理：热电偶属于结结构型传感器器；把两两种不同的导导体或半导体体连接成图示示的闭合回路路，如果将它它们的两个接接点分别置于于温度为T和T0(假定T>T0)的热源中，则则在该回路内内就会产生热热电动势，这这种现象称为为热电效应。第八节热热电式传感器器11/26/202258第三章常常用传感器热电偶2温差电动势是在同一导体体的两端因其其温度不同而而产生的一种种热电动势。。第八节热热电式传感器器11/26/202259第三章常常用传感器热电偶回路的的特点1）若组成热电电偶的回路的的两种导体相相同，无论两两接点温度如如何，热电偶偶回路中的总总热电动势为为零；2）若热电偶两两接点温度相相同，则尽管管导体A、B的材料不同，，热电偶回路路中的总热电电动势也为零零；3）热电偶AB的热电动势与与导体材料AB的中间温度无无关，而只与与接点温度有有关；第八节热热电式传感器器11/26/202260第三章常常用传感器热电偶回路的的特点24）热电偶AB在接点温度T1、T3时的热电动势势，等于热电电偶在接点温温度T1、T2和T2、T3时的热电动势势总合；5）在热电偶回回路中接入第第三种材料的的导线，只要要第三种导线线的两端温度度相同，第三三种导线的引引入不会影响响热电偶的热热电动势，这这一性质称中中间导体定律律。6）当温度为T1、T2时，用导体A、B组成的热电偶偶的热电动势势等于AC热电偶和CB热电偶的热电电动势的和。。第八节热热电式传感器器11/26/202261第三章常常用传感器中间导体定律律的应用第八节热热电式传感器器11/26/202262第三章常常用传感器热电偶分类铂铑—铂热电偶镍铬—镍硅(镍铬一镍铝)热电偶镍铬—考铜热电偶铂铑30—铂铑6热电偶选用时需考虑虑：测温范围围、测温状态态和介质情况况。第八节热热电式传感器器11/26/202263第三章章常常用用传感感器热电阻阻传感感器利用电电阻随随温度度变化化的特特点制制成的的传感感器叫叫热电电阻传传感器器，它它主要要用于于对温温度和和与温温度有有关的的参数数测定定。按按热电电阻的的性质质来分分，可可分为为金属属热电电阻和和半导导体热热电阻阻两大大类，，前者者通常常简称称为热电阻阻，后者者称为为热敏电电阻。热电阻阻是由由电阻阻体、、绝缘缘套管管和接接线盒盒等主主要部部件组组成，，其中中，电电阻体体是热热电阻阻的最最主要要部分分。铂铂电阻阻、、铜电电阻等等。热敏电电阻属属于半半导体体传感感器。。第八节节热热电电式传传感器器11/26/202264第三章章常常用用传感感器第九节节光光电电传感感器一、光光电测测量原原理光电传传感器器是将将光信信号转转换为为电信信号的的传感感器。。光电电传感感器的的工作作基础础是光光电效效应。。图3-44硅光电电池的的结构构11/26/202265第三章章常常用用传感感器第九节节光光电电传感感器二、光光电元元件1．真空空光电电管或或光电电管光光电管管主要要两种种结构构形式式（见见图3-45)，图a中光电电管的的光电电阴极极K由半圆圆筒形形金属属片制制成，，用于于在光光照射射下发发射电电子。。阳极极A为位于于阴极极轴心心的一一根金金属丝丝，用用于接接收阴阴极发发射电电子。。阴极极和阳阳极被被封装装于一一个抽抽真空空的玻玻璃罩罩内。。光电电管的的特性性主要要取决决于光光电阴阴极材材料，，不同同的阴阴极材材料对对不同同波长长的光光辐射射有不不同的的灵敏敏度。。图3-45光电管管的结结构形形式a）金属属底层层光电电阴极极光电电管b）光透透明阴阴极光光电管管11/26/202266第三章章常常用用传感感器图3-46真空光光电管管特性性a）光电电特性性1一锑艳艳光电电阴极极的光光电管管b）伏安安特性性2一氧艳艳光电电阴极极的光光电管管第九节节光光电电传感感器11/26/202267第三三章章常常用用传传感感器器第九九节节光光电电传传感感器器图3-47光电电倍倍增增管管的的结结构构及及电电路路a）结结构构b）电电路路l-入射射光光；；2-第一一倍倍增增极极；；3-第三三倍倍增增极极；；4-阳极极A；5-第四四倍倍增增极极；；6-第二二倍倍增增极极；；7-阴极极K2.光电电倍倍增增管管11/26/202268第三三章章常常用用传传感感器器第九九节节光光电电传传感感器器3．光光敏敏电电阻阻某些些半半导导体体材材料料（（如如硫硫化化镉镉等等））受受到到光光照照时时，，若若光光子子能能量量h大于于本本征征半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度，，价价带带中中的的电电子子吸吸收收一一个个光光子子后后便便可可跃跃迁迁到到导导带带，，从从而而激激发发出出电电子子一一空空穴穴对对，，于于是是降降低低了了材材料料的的电电阻阻率率，，增增强强了了导导电电性性能能。。阻阻值值的的大大小小随随光光照照的的增增强强而而降降低低，，且且光光照照停停止止后后，，自自由由电电子子与与空空穴穴重重新新复复合合，，电电阻阻恢恢复复原原来来的的值值。。光光敏敏电电阻阻的的特特点点是是灵灵敏敏度度高高、、光光谱谱响响应应范范围围宽宽，，可可从从紫紫外外一一直直到到红红外外，，且且体体积积小小、、性性能能稳稳定定，，因因