第3章常用传感器课件

第3章常用传感器第1节概述第2节电阻式传感器第3节电感式传感器第4节电容式传感器第5节压电式传感器第6节传感器的选用原则习题第3章常用传感器本章重点：1、传感器的定义、组成和分类。2、电阻式、电感式、电容式和压电式传感器的工作原理。3、常用传感器的选用原则。第3章第1节概述

一、传感器的定义

传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。一般也称为变换器、换能器和探测器。传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。在机械工程的非电量的电测法中，传感器是把被测量的的非电信号转换成电信号的装置。传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。第3章第1节概述

二、传感器的组成

传感器一般由敏感元件与辅助元件组成。

敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。

辅助元件一般指安装、连接、支承敏感元件的一些辅助的装置，如传感器的壳体、引线等。传感器的未来发展是与微处理器相结合，封装在一个检测器中形成一种新型的“智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校正、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别和判断的功能。

第3章第1节概述

三、传感器的分类

1、按被测物理量来分类（适用于使用者）根据被测物理量的种类不同，可分为位移传感器、速度传感器、力传感器、温度传感器等。2.按变换原理来分类（适用于研究者）

参量型：这种传感器在感受到被测量后，输出的不直接是电信号，而是与电量有关的自身参数变化的信号，因而称之为参量型传感器，如电阻式、电感式和电容式传感器。

发电型：这种传感器在感受到被测量后，输出的直接是电信号，因而称之为发电型传感器，如压电式传感器。第3章第2节电阻式传感器

一、电阻式传感器的分类电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成自身电阻值的变化,再经相应的变换电路和装置显示或记录被测量值的变化。电阻式传感器按其工作原理可分为以下两种：

1、变阻器式，又称为电位器式。2、应变片式，又分为金属电阻应变式和半导体应变片式两种。

第3章第2节电阻式传感器

二、变阻器式传感器1、工作原理

变阻器式传感器的工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化，由此再进一步转换为电压等电量的变化。常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如下图所示。

第3章第2节电阻式传感器

二、变阻器式传感器2、特点变阻器式传感器的优点是：(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出—输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需要放大。变阻器式传感器的缺点是：(1)因为存在电刷与线圈或电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；(2)由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量的精度，所以分辨力较低；(3)动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的物理量。

第3章第2节电阻式传感器

二、变阻器式传感器3、应用变阻器式传感器常用于角位移和线位移的测量。

测量线位移的变阻器式传感器结构图如下所示。被测位移使测量轴沿导轨轴移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。第3章第2节电阻式传感器

三、应变片式传感器1、应变片的组成

(1)敏感元件：感受应变并将其转换为自身阻值的变化。一般用康铜、镍铬合金或半导体材料做成。它要用粘合剂牢牢地固定在基片上。

(2)基片：固定和保护敏感元件，并将应变准确的传递给敏感元件。材料可以是纸、胶膜、玻璃纤维布等。

(3)覆盖层：保护敏感元件不受外界环境中灰尘、湿气等的影响。

(4)引线：将敏感元件的阻值变化引入后接电路。第3章第2节电阻式传感器

三、应变片式传感器2、应变片的分类(1)按敏感元件的材料分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片根据敏感元件的形状不同又分为丝式和箔式两种。(2)按用途分为一般应变片、应变花和特殊应变片。第3章第2节电阻式传感器

三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(1)金属电阻应变片

应变效应：金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。

推导：

第3章第2节电阻式传感器

三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(1)金属电阻应变片

推导：

第3章第2节电阻式传感器

三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(1)金属电阻应变片

推导：

第3章第2节电阻式传感器

三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(2)半导体应变片

压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率会发生变化的现象。

推导：

第3章第2节电阻式传感器

三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(2)半导体应变片第3章第2节电阻式传感器

三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(3)两种应变片的比较工作原理不同：金属电阻应变片基于机械变形引起电阻的变化；半导体应变片基于电阻率变化引起电阻的变化。灵敏度不同：金属电阻应变片的灵敏度取决于泊松比的大小；半导体应变片的灵敏度取决于压阻系数和弹性模量的大小。第3章第2节电阻式传感器

三、应变片式传感器4、应变片的应用(1)直接应用将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。第3章第2节电阻式传感器

三、应变片式传感器4、应变片的应用(2)间接应用将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。

第3章第3节电感式传感器

一、电感式传感器的分类电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。按照转换方式的不同可分为以下两大类：

1、自感型：又分为可变磁阻式和涡电流式两种。

2、互感型：常用的是差动变压器式。第3章第3节电感式传感器

二、自感型1、可变磁阻式可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈1、铁芯2及衔铁3组成。第3章第3节电感式传感器

二、自感型1、可变磁阻式第3章第3节电感式传感器

二、自感型1、可变磁阻式第3章第3节电感式传感器

二、自感型1、可变磁阻式常用可变磁阻式传感器的典型结构有:可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。

双螺管线圈差动型测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2

随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。

第3章第3节电感式传感器

二、自感型2、涡电流式涡电流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。将一块金属板置于一直线圈附近，相互间距为δ。当线圈通入交变电流i时，便产生磁通Φ。该磁通在金属板中产生感应电流i1，此电流在金属板内是闭合的，因而称之为“涡电流”或简称为“涡流”。“涡电流”也会产生磁通Φ1，它与Φ的方向相反，从而引起线圈自感量L发生变化。第3章第3节电感式传感器

二、自感型2、涡电流式线圈自感量L的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、金属板与线圈的距离δ、激励电流角频率ω等参数有关。涡电流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量。第3章第3节电感式传感器

三、互感型——差动变压器式互感型电感式传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化，其实质是一个输出电压可变的变压器。

当变压器初级线圈W输入稳定交流电压i后，次级线圈W0便会有感应电压e0输出，该电压随被测量的变化而变化。

M——互感量。

第3章第3节电感式传感器

三、互感型——差动变压器式互感型传感器常用的是差动变压器式，其结构形式多为螺管形，主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即e0=e1-e2。第3章第3节电感式传感器

三、互感型——差动变压器式差动变压器式传感器使用要注意的问题：

(1)差动变压器式传感器输出的电压是交流量，其输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向；

(2)传感器输出电压存在一定的零点残余电压，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零，这是由于两个次级线圈的结构不对称以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所造成的。

解决方法：后接电路应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路。

特点：差动变压器式传感器精度可高达0.lμm，线圈变化范围可扩大到±l00mm，结构简单，稳定性好，被广泛应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量。

第3章第4节电容式传感器

一、电容式传感器变换原理

电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或和被测物）就是一个可变电容器。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。

第3章第4节电容式传感器

二、极距变化型极距变化型电容式传感器是指在两极板相互覆盖面积及极间介质不变的情况下，由两极板在被测对象作用下发生位移变化而引起电容器的电容量发生变化。第3章第4节电容式传感器

二、极距变化型实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。

第3章第4节电容式传感器

三、面积变化型面积变化型是改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。1、角位移型电容式传感器当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。

当覆盖面积对应的中心角为α

、极板半径为r时，覆盖面积为：第3章第4节电容式传感器

三、面积变化型2、线位移型电容式传感器线位移型电容式传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种。对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电容量为：第3章第4节电容式传感器

三、面积变化型2、线位移型电容式传感器对于圆柱线位移型电容式传感器，若外圆筒内半径为r1，内圆筒（或内圆柱）外半径为r2（它们的工作半径）时，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化，其电容为：面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但灵敏度较低，适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量。

第3章第4节电容式传感器

四、介质变化型介质变化型是指变介电常数型电容式传感器，这种传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。

第3章第5节压电式传感器

一、工作原理

压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。

1、压电效应某些物质(物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。

相反，如果将这些物质(物体)置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质(物体）产生机械变形的现象，称为逆压电效应或电致伸缩效应。第3章第5节压电式传感器

一、工作原理

2、压电效应的形式以石英晶体为例，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥，可以将其划分出三根互相垂直的轴如图所示。Z-Z称为光轴X-X轴称为电轴Y-Y轴称为机械轴

第3章第5节压电式传感器

一、工作原理

2、压电效应的形式沿电轴(X轴)方向施加压力产生的压电效应称为“纵向效应”，沿机械轴(Y轴)方向施加压力产生的压电效应称为“横向效应”，沿相对两棱施加剪切力产生的压电效应称为“切向效应”。第3章第5节压电式传感器

一、工作原理

3、压电材料把具有压电效应的物质称为压电材料(或称为压电元件)。常见的压电材料可分为以下三类：（1）压电单晶压电单晶为单晶体，常用的有石英晶体（SiO2），铌酸锂（LiNbO3），钽酸锂（LiTaO2）等。（2）压电陶瓷现在常用的是PZT锆钛酸铅系列压电陶瓷，其具有制作方便，成本低等优点。（3）有机压电薄膜这类压电材料具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉，常用的是二氟乙烯PVdF。

居里点：压电材料失去压电特性的温度点。第3章第5节压电式传感器

二、压电式传感器及其等效电路

1、压电式传感器压电式传感器是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。压电传感器可以看作是一个电荷源，也可以看成是一个电压源。如果施加于压电晶片的外力不变，在极板上积聚的电荷与力的关系为：

第3章第5节压电式传感器

二、压电式传感器及其等效电路

2、等效电路利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，要防止电荷从压电晶片上经测量电路的漏失。而在测动态量时，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。

第3章第5节压电式传感器

二、压电式传感器及其等效电路

2、等效电路在实际应用中，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有并联和串联。

并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，适用于电荷量输出信号。

串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，适用于电压量输出信号。

并联串联第3章第5节压电式传感器

三、测量电路——前置放大器

由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先经过高输入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用有两点：

其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；

其二是放大传感器输出的微弱电信号。

前置放大器电路有两种形式：1、电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比。2、电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。第3章第5节压电式传感器

三、测量电路——前置放大器

1、电阻反馈的电压放大器

采用电压式放大器时，电路如图所示：

输出电压与各种电容有关系，即：电容中的电缆对地电容受电缆Cc的长度和形态影响，会对输出电压造成较大的误差。第3章第5节压电式传感器

三、测量电路——前置放大器

2、电容反馈的电荷放大器

结论：电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，与电缆分布电容无关。

因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。

第3章第5节压电式传感器

四、应用

1、直接应用压电效应是一种力——电荷的转换，因此可直接用作力的测量，测量范围10-3N~104KN。

2、间接应用最典型的是压电式加速度传感器，简称为加速度计。它是借助于一个标准的质量块，将加速度转换为力以后再作用在压电元件上从而得到电量输出。

注意：（1）横向输出和横向灵敏度。（2）及时校准。第3章第6节传感器的选用原则

选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。

一、灵敏度

一般说来，传感器灵敏度越高越好。因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。在确定灵敏度时，主要考虑以下几个问题。

1、当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。

2、与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。3、当被测量有方向性时，要求传感器单向灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好。

第3章第6节传感器的选用原则

二、响应特性（动态特性）

传感器的响应特性频域是指在所测频率范围内，保持不失真测量的条件。在时域是指传感器从输入到输出响应的快慢。一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率范围宽；而结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响和机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄，响应时间较长。

第3章第6节传感器的选用原则

三、线性范围

任何传感器都有一定的线性工作范围，在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测试精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。

但是，对实际使用的传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区域均选在初始间隙附近。而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。

第3章第6节传感器的选用原则

四、稳定性（可靠性）

稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素主要是时间与环境。为了保证传感器的稳定性，在选择传感器时，一般会出现两种情况：1、根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。2、要创造或保持一个良好的环境，在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的要求。

第3章第6节传感器的选用原则

五、精确度

精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器处于测试系统的输入端，其能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。

在实际使用中，传感器精确度的选择主要考虑测试的目的和传感器的经济性。因为传感器的精度越高，其价格就越昂贵，所以应从实际出发来选择传感器。在选择时，根据测试的目的，判断是定性分析还是定量分析。如果是相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么应要求传感器的重复精度高，而不要求测试的绝对量值准确，则传感器的精确度可以低一点。如果是定量分析，通常必须获得精确量值，在这些情况下，要求传感器的精确度愈高愈好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，必须有高精确度的传感器。第3章第6节传感器的选用原则

六、测量方式

传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。在机械系统中，对运动部件的被测参数(例如回转轴的误差、振动、扭力矩)，往往采用非接触测量方式。因为对运动部件采用接触测量时，有许多实际困难，诸如测量头的磨损、接触状态的变动、信号的采集等问题，都不易妥善解决，容易造成测量误差。这种情况下采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器很方便，若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。第3章第6节传感器的选用原则

六、测量方式

在某些条件下，可以运用试件进行模拟实验，这时可进行破坏性检验。然而有时无法用试件模拟，因被测对象本身就是产品或构件，这时宜采用非破坏性检验方法。例如，涡流探伤、超声波探伤、核辐射探伤以及声发射检测等。非破坏性检验可以直接获得经济效益，因此应尽可能选用非破坏性检测方法。

在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。特别是对自动化过程的控制与检测系统，往往要求信号真实与可靠，必须在现场条件下才能达到检测要求。实现在线检测是比较困难的，对传感器与测试系统都有一定的特殊要求。例如，在加工过程中，实现表面粗糙度的检测，以往的光切法、干涉法、触针法等都无法运用，取而代之的是激光、光纤或图像检测法。研制在线检测的新型传感器，也是当前测试技术发展的一个方面。

第3章习题

一、填空题1、金属电阻应变片的工作原理是

。半导体应变片的工作原理是

。2、电感式传感器的工作原理是

，它又可分为

和

两种。3、电容式传感器分为

、

和

。4、对非线性传感器采用

来改善其性能。5、压电式传感器的工作原理是