机械工程测试技术PPT完整版全套教学课件

全套PPT课件信息技术、材料技术和能源技术并列为现代科学技术的3大支柱，这3大支柱是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一，信息技术在3大技术中占有头等重要的地位。测试技术属于信息技术的范畴，是信息技术的主要组成部分之一。信息技术包括传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，因此，传感器技术是信息社会的重要基础技术，传感器是信息获取系统的首要部件。测试是测量与试验的概括，是指通过一定的装置，获取被测对象有关信息的过程。如果被测量不随时间变化，称这样的量为静态量，相应的测试称为静态测试；若被测量随时间变化，则称这样的量为动态量或过程，相应的测试称为动态测试或过程测试。01测量即使用测试装置通过实验来获取被测量的量值。02

试验即在获取被测量量值的基础上，借助人、计算机或一些数据分析与处理系统，从被测量中提取被测对象的有关信息。基本的测试系统由传感器、测量电路、显示记录装置3部分组成，如图所示。

传感器的作用是感受被测量，并对其进行测量变换，将被测量转换成某种易于进一步处理的参数或参量。传感器的种类很多，它们可以用来感受不同的被测量，如位移、速度、加速度、力、压力、温度、流量等，并且具有不同的静态、动态特性。1.3.1传感器经传感器获得的被测量的电信号一般很微弱，不宜直接输出，有时信号中还可能包括干扰等不需要的成分，或者由于各种原因存在一定的非线性误差，此时要通过各种信号测量电路对传感器输出的信号作进一步处理。信号测量电路主要有各种放大电路、测量电桥、调制与解调电路、滤波器、非线性校正装置等。1.3.2测量电路

如图所示的物体是一种简单测力系统的原理图，它的功能是测量质量块

上的作用力，并将其记录下来。1－弹簧；2－阻尼器；3－质量块；4－齿条；5－齿条；6－组合齿轮；7－记录笔；8－记录纸1.3.3显示记录装置系统的全部元件由弹簧1，阻尼器2和质量块3组成的力学系统。由和质量块连接在一起的齿条4、一个包括大小两个齿轮的组合齿轮6以及另一个齿条5组成的传动系统。由记录笔和记录纸以及记录纸行走装置（图中未画出）组成的记录系统，这一部分的功能是测量结果的记录。1231.4.1传感器的发展方向01微型化速度加快

值得特别关注的是近年来随着集成微电子机械加工技术的日趋成熟，传感器制作技术进入了一个崭新阶段。02功能日渐完善传感器功能得到进一步增强和完善，性能进一步提高，更加灵敏、可靠。03生物、化学传感器研究速度加快

21世纪中，全世界范围内对生命科学的研究加速，对人类生存的环境更加重视。04商品化、产业化前景广阔

在新型传感器研究开发的同时，更加注重实用化，从而保证了成果转化和产业化的速度更快。05创新性更加突出新型传感器的研究和开发由于开展时间短，往往尚不成熟，因此蕴藏着更多的创新机会，竞争也很激烈，成果也具有更多的知识产权。06新型传感器的研发这项研发在工业、农业、国防、航空航天、航海、医学、生物工程、交通、家庭服务等各个领域都有巨大的应用前景。1.4.2测试技术的发展方向01

利用新原理制成的各种新型传感器层出不穷，可测试的对象迅速增多。02测试装置中的电路设计得到迅速改进。03出现了多参量测试系统。04信息技术得到了广泛应用。BBAA1掌握常用传感器的种类、结构特点和工作原理，并具备根据实际测试要求选择合适传感器的能力。2熟悉传感器输出信号的常用处理方法及中间变换电路的结构、工作原理、适用特点，具备根据不同种类传感器选用适宜的中间变换电路，进而设计中间变换电路的能力。3了解和掌握各种信号显示与记录装置的结构、工作原理及适用特点，并能根据实际需要选用合理的显示与记录装置。4在掌握测试系统特性的基础上，具备根据实际被测量的特点，将传感器、中间变换电路和显示记录装置正确地组成测试系统的能力。5掌握测试信号的时域、频域描述及分析方法，具备根据测试结果正确解决实际问题的工作能力。把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法就是非电量电测法。实现这种转换技术的器件叫传感器。

3.

2.

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6.

1.可进行微量检测，精度高，反应速度快。可实现无损检测。能连续进行测量、记录及显示。可实现远距离遥测及遥控。测量安全可靠。可采用计算机技术对测量数据进行运算、存储及信息处理。非电量电测法具有以下优点

传感器是能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件及相应的电子线路所组成。2.2.1定义在非电量电测变换技术中，“传感器”一词是和工业测量联系在一起的，实现非电量转换成电量的器件称为传感器；在水声和超声波等技术中强调的是能量的转换，比如压电元件可以起到机—电或电—机能量的转换作用，所以把可以进行能量转换的器件称为换能器；对于硅太阳能电池来说，也是一种换能器件，它可以把光能转换成电能输出，但在这类器件上强调的是转换效率，习惯上把硅太阳能电池叫做转换器。在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件、光敏元件、磁敏元件及气敏元件等。在不同的技术领域中，这些不同的提法只是根据器件用途对同一类型的器件使用了不同的技术术语而已。这些提法虽然含义有些狭窄，但在大多数情况下并不会产生矛盾，如热敏电阻可称为热敏元件，也可称为温度传感器。又如扬声器，当它作为声检测器件时，它是一个声传感器，如果把它当成喇叭使用，也只能认为它是一个换能或转换器件了。1．按照传感器的工作机理分类2.2.2分类基于生物效应的生物传感器。基于化学效应进行工作的化学传感器。基于物理效应进行工作的物理传感器。2．按照传感器的构成原理分类结构型传感器物性型传感器3．按照传感器的能量转换情况分类01能量转换型传感器能量转换型传感器犹如一台微型发电机，能将非电功率转换为电功率，起能量转换的作用，因此又称为发电型传感器。02能量控制型传感器能量控制型传感器是指在信息变化过程中，其变换的能量需要由外部电源供给，而外界的变化（即传感器输入量的变化）只起到控制的作用，所以又称外源型传感器。4．按照传感器的工作原理分类电路参量式传感器

压电式传感器磁电式传感器光电式传感器热电式传感器波式传感器射线式传感器半导体式传感器其他原理的传感器

可把被测的机械量传感器分为位移、速度、流量、力、压力、振动、温度、湿度及黏度、密度传感器等。有时把被测量进一步归类，将物理量分为机械量、热学、电学、光学、声学、磁学、核辐射传感器等；化学量分为气体、离子、湿度传感器等；生物量分为生物、微生物、酶、组织、免疫传感器等。5．按照被测量或输入信号分类按被测量分类的方法体现了传感器的功能和用途，有利于用户有针对性地选择传感器。在许多情况下，往往将按照工作原理分类和按照被测量分类两种方法综合使用，如应变式压力传感器、压电式加速度传感器、光电码盘式转速传感器等。按照传感器使用的敏感材料不同，传感器可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器、智能材料传感器等。6．按照传感器使用的敏感材料分类

按照传感器输出信号不同，传感器可分为模拟量传感器和数字量（开关量）传感器。7．按照传感器输出信号分类8．按照传感器与被测对象的空间关系分类

根据传感器与被测量之间有没有空间间隙，传感器可分为接触式传感器和非接触式传感器。

根据与某种高新技术结合的情况，可按所基于的高新技术命名传感器，如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器、纳米传感器及传感器网络等。上述分类尽管有较大的概括性，但由于传感器是知识密集、技术密集的门类，它是与许多学科交叉的现代科学技术，种类十分繁多，至今又不统一，因此各种分类方法都具有相对的合理性。从学习的角度来看，按传感器的工作原理分类，对理解传感器的工作原理、工作机理很有利；而从使用的角度来看，按被测量（或输入信息）分类，为正确选择传感器提供了方便。在许多情况下往往将两种分类方法综合使用，如应变式压力传感器、压电式加速度传感器等。9．按照与某种高新技术结合的情况分类2.3.1传感器命名方法主题词——传感器第一级修饰语——被测量第二级修饰语——转换原理第三级修饰语——特征描述第四级修饰语——主要技术指标传感器的完整代号应包括以下4部分。主称（传感器）、被测量、转换原理、序号。4部分代号表述格式应如图所示：在被测量、转换原理、序号3部分代号之间须有连字符“-”连接。1．传感器代号的构成2.3.2传感器代号标记方法2．各部分代号的意义1234主称（传感器）被测量转换原理序号3．传感器代号标记示例1．传感器图形符号的组合2.3.3传感器的图形符号尽可能简单、形象和易于辨认。

除特殊规定外，图形符号应尽可能给出传感器的基本特征（又称传感器二要素），即被测（物理）量和转换原理。传感器一般符号的正方形内应写入表示转换原理的限定符号。三角形内应写入表示被测量的限定符号，如图所示。图中的“

x”表示应写入的被测量符号；“*”表示应写入的转换原理。在无须强调具体的转换原理时，传感器图形符号的组合也可以简化形式，如图所示。图中对角线（即斜线分隔符号）表示内在能量转换功能；（A）、（B）分别表示输入、输出信号。2．传感器图形符号表示规则

被测量符号应根据现行国家标准对各种量和单位的规定选择。

转换原理图形符号应根据现行国家标准《电气简图用图形符号》的规定选择。表示被测量的符号应写入三角形顶部，并用斜体字母书写；转换原理的符号应写进正方形中心部位。

对于某些难以用图形符号简单、形象表达的转换原理，也可以用文字符号表示。例如，表示离子选择电极式钠离子传感器，可用图所示的形式表示。标准中还给出了一些具有代表性的传感器（如压力传感器、速度传感器等）的图形符号。传感器所能测量的最大被测量（即输入量）的数值称为测量上限（xmax），最小被测量称为测量下限（xmin）。测量上限和测量下限之间所表示的区间，称为测量范围。测量范围有单向（只有正向或负向）、双向对称、双向不对称和无零值等几种。测量上限和测量下限的代数差称为量程（xFS）。量程的计算公式为1．量程与测量范围2.4.1传感器的静态特性量程xFS＝测量上限xmax－测量下限xmin

由工作特性所决定的最大输出（Ymax）和最小输出（Ymin）的代数差则称为满量程（FS，fullspan/fullscale）输出，或校准满量程输出。满量程输出的计算公式为YFS＝Ymax－Ymin

凡经过传感器输出-输入拟合后而得到的输出值用

表示，而实测的输出值用y表示。对于线性传感器和具有单调特性的非线性传感器，满量程输出可以用式（2-2）计算，而在要求不高的场合，实际满量程输出为yFS＝ymax－ymin。在实际使用时，传感器的量程选择是一个简单但需要特别注意的问题。为提高测量的准确度，一般应接近满量程使用。线性度，又称非线性误差。传感器的输出-输入关系或多或少地存在非线性问题。在不考虑迟滞、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可表示为2．线性度y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

y——输出量；x——输入量；a0——零点输出；a1——理论灵敏度；a2，a3，…，an——非线性项系数。在采用直线拟合线性化时，输出-输入的校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，称为非线性误差或线性度，通常用相对误差γL来表示，即ΔLmax——非线性最大偏差；yFS——满量程输出。拟合直线为通过原点至满量程的理论直线，即传感器的理论特性曲线，它与实际测试值无关。这种方法十分简便，但通常ΔLmax很大。过零旋转拟合，常用于校正曲线过零的传感器。拟合时，使ΔL1=ΔLmax。这种方法也比较简单，非线性误差比前一种小得多。把校正曲线两端点（即零点输出值和满量程输出值）的连线作为拟合直线，又称端点直线拟合。这种方法比较简便，但ΔLmax较大。校正曲线分布于拟合直线的两侧，

。与之前相比，非线性误差减小一半，提高了精度。传感器在正（输入量逐步增大）、反（输入量逐步减小）行程中的输出-输入曲线不重合的程度称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以正反行程中输出的最大偏差量与满量程输出之比的百分数表示，即3．迟滞——正反行程间输出的最大差值；——满量程输出。如图所示为实际输出的校正曲线的重复特性，取正行程的最大重复性偏差和反行程的最大重复性偏差这两个最大偏差之中的较大者

。重复性误差则用

与满量程输出

之比的百分数表示，即4．重复性传感器输出的变化量

与引起此变化量的输入变化量

之比即为其静态灵敏度。由此可见，传感器校准曲线的斜率就是其灵敏度。对于线性传感器，其特性是斜率处处相同，即灵敏度

是一常数。以拟合直线作为其特性的传感器，也认为其灵敏度为一常数，与输入量的大小无关。由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差

用相对误差表示，即5．灵敏度

当传感器的输入从非零的任意值缓慢增加时，只有在超过某一输入增量时，输出才发生可观测的变化。这个能检测到的最小的输入增量，即称为传感器的分辨力。有些传感器当输入量连续变化时，输出量只作阶跃变化，则分辨力就是输出量的每个阶跃高度所代表的输入量的大小。分辨力用绝对值表示。而用绝对值与满量程的百分数表示时，称为分辨率。数字式传感器的分辨力则是指能引起数字输出的末位数发生改变所对应的输入增量。6．分辨力

阈值是指传感器的输入从零开始缓慢增加时，只有在超过某一输入值时，输出才发生可观测的变化。这个使传感器输出端产生可观测变化的最小被测输入量值，称为阈值，即零位附近的分辨力。7．阈值阈值还可称为灵敏度界限（灵敏限）或门槛灵敏度、灵敏阈、失灵区、死区等。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则将死区的大小作为阈值。在更多的情况下，阈值主要取决于传感器的噪声大小，因此，有的传感器只给出噪声电平。稳定性是指传感器在相当长的工作时间内保持其性能的能力。因此，稳定性又称长期稳定性。稳定性通常是在室温条件下，经过一定工作时间间隔后，用传感器的输出与起始标定时的输出之间的差值来表示。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。8．稳定性9．漂移漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移可分为时间漂移和温度漂移，简称时漂和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间有缓慢地变化；温漂是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。

静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出其标准偏差

，即10．静态误差—各测试点的残差；—测试点数。静态误差是评价传感器静态性能的一项综合性指标，常将它称为传感器的精度。它基本上包括了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等，若这几项误差是随机的、独立的、正态分布的，也可以把这几个单项误差综合而得，即1．研究动态特性的方法2.4.2传感器的动态特性01频率响应法02阶跃响应法阶跃响应特性是指输入为阶跃函数时，传感器的输出随时间的变化特性。通常将时间常数、上升时间、响应时间、超调量作为评定指标。阶跃响应特性如图所示。2．传感器的阶跃响应特性4．传感器的频率响应特性通频带BW时间常数τ固有频率ω通频带是指传感器的增益保持在一定值之内的频率范围，对应有上、下截止频率。时间常数用来表征一阶传感器的动态特性，

越小，频带越宽。固有频率w

用来表征二阶传感器的动态特性，

w越大，快速性越好。要进行一项具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小，被测位置对传感器体积的要求，测量方式为接触式还是非接触式，信号的引出方法是有线或是非接触测量，传感器的来源是国产还是进口，价格能否承受，是否自行研制等。1．根据测量对象与测量环境确定传感器的类型2．灵敏度的选择灵敏度越高，外部干扰、噪声越容易混入。传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，混入的干扰、噪声也会与有用信号一样被后面的装置放大，从而可能会使有用信号淹没在这些无用的干扰、噪声之中，影响测量精度。因此，在有较高的灵敏度要求（检测微弱信号）且工作时可能存在干扰、噪声的情况下，应该选用灵敏度高、信噪比也高的传感器。传感器的灵敏度与测量范围密切相关。一般来说，灵敏度越高测量范围越小。如果输入信号过大，则将会使传感器工作在非线性区甚至是饱和区而无法正常工作。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，固有频率低的传感器可测信号的频率较低。3．频率响应特性在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过大的误差。一般来说，利用光电效应、压电效应等制成的各种物性型传感器，它们的响应时间短，工作频带宽；而结构型传感器（电感、电容、磁电式传感器等）由于受到原理、结构上的限制，运动部分的机械惯性质量较大，固有频率低，所以工作频带较窄；非接触式传感器的动态特性比接触式传感器要好。

传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后，首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。4．线性范围传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身的结构特性外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求就更严格，要能够经受住长时间的考验。5．稳定性精度是传感器的一个重要性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格就越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。6．精度7．工作方式03在线测试与非在线测试。02破坏性检验与非破坏性检验。01接触测量与非接触测测量。

选用传感器时还要兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修等因素。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。8．其他电阻应变片无论是金属丝式应变片、箔式应变片还是半导体应变片，其结构基本相同，如图所示。它由覆盖层1、基底2、引线3、敏感栅5经黏合剂黏合而成。使用时，将应变片贴在被测构件或传感器的弹性敏感元件上，使应变片与被测构件或传感器的弹性元件一同发生变形，其电阻值因变形而发生变化，电阻的变化值与应变值有一定的函数关系，从而实现应变——电阻的转换。1．电阻应变片的结构和工作原理3.1.1电阻应变式传感器金属栅应变片的电阻值变化与所感受到的应变值之间的函数关系可以根据物理学的基本原理导出。一根导体的原始阻值为

r

—此导体的电阻率;

L

—电阻丝的长度（m）；

A

—电阻丝的横截面面积(

)。金属栅应变片的工作原理当电阻丝在长度方向变形时，其长度

L，截面积

A和电阻率r

均会发生变化，三者的变化都会引起电阻值

R的变化。设3个因素各有增量

dL、dA

、dr，它们所引起的

dR可由多元函数微分推导得到制造应变电阻丝所用的材料在传统上常用的是金属材料，但在近代兴起的半导体材料制作的应变片也已经进入了实际应用。制作金属应变片的材料有铜镍合金、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及某些贵重金属如铂和铂钨合金等。它们的灵敏度

在1.7～3.6之间。金属栅应变片的结构形式在早期是用金属丝排布粘贴在基底上而成；近代采用了照相光刻工艺而制成金属箔式应变片，如图a所示。这种工艺适合于大批量生产，金属箔与基底的黏结较金属丝可靠，而且适合于做成各种不同的复杂形状，如图b～图d所示为用来测量两个方向、三个方向以至多个方向应变的组合应变片，常称为应变花。半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应制成的一种纯电阻性元件。压阻效应是指沿半导体晶体的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率发生变化的现象。半导体应变片的工作原理半导体应变片的灵敏系数在100～175之间，比金属应变片要大数十倍，这是它的一个突出优点。半导体应变片性能上的一个严重缺陷是应变片灵敏系数随温度变化较大，这一缺点可以用对半导体材料进行适当地掺杂来加以改善。半导体应变片还具有机械滞后小、横向效应小、本身体积小等优点，但也还有灵敏系数的离散性大、大应变下的非线性大等缺点。应变片在使用时需将其粘贴在被测构件上，粘贴的工艺和黏结剂很重要，在购置成品应变片后，使用时的误差、可靠性等完全取决于粘贴的工艺。对被测构件表面的打磨、清洗、胶层涂布、黏结以及胶层固化等各工序均应充分重视，否则会严重影响使用效果，甚至导致测试失败。应变片黏结胶通常有赛璐珞、酚醛树脂、502胶、环氧树脂等。高温情况下使用无机黏结剂如专用陶瓷等，这些材料应根据实际使用条件选择，以保证足够的黏结强度、绝缘性能、抗蠕变性能、温度范围等技术要求以及弱的吸潮性和黏结操作方便等。电阻应变片的使用应变片敏感栅材料的电阻温度系数在温度变化时引起的电阻值变化，可表达为2．电阻应变片的误差及其补偿温度误差—因温度变化而引起的电阻变化数值；—敏感栅材料的电阻温度系数，即单位温度变化引起的电阻值相对变化；—相对于校准温度的温度变化量。敏感栅材料线膨胀系数与被测材料的线膨胀系数不一致，在温度变化时会引起附加应变，这可以从下面分析中得到定量表达。应变丝由于温度变化引起的相对伸长为被测材料连同基底由于温度变化引起的相对伸长为电阻应变片的灵敏度

随温度的变化而变化。温度变化后应变片的灵敏度为ST，这样，同样的被测应变在温度变化后通过应变电阻丝测出来后，折算出的应变值变为考虑上述各主要因素，具有被测应变

在温度变化时应变片所表达出的应变值为应变片黏结在被测构件上所测得的应变，一般认为是应变片中心点的应变。但在测量一个应变非均匀分布的构件应变时，若应变片基长较长，在此基长内的应变是不均匀分布的，即在同一瞬间应变片在基长上的不同点所感受的应变是不同的值。应变片总体反映的应变是长度方向上所感受的不同应变值的平均值，这与设想中的应变片中心点的应变值存在着差异，从而造成了误差。应变非均匀分布时的测量误差非线性误差利用电路特性进行补偿采用并联电阻补偿利用P-N组合型补偿利用预应力补偿利用半导体应变片自身特性补偿将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。典型应用例如图所示。其中，加速度传感器由悬臂梁、质量块和基座组成。测量时，基座固定在振动体上，悬臂梁相当于惯性系统的“弹簧”。工作时，梁的应变与质量块相对于基座的位移成正比。由力学的二阶运动方程式可推导出梁的应变与振动体的加速度成正比。贴在梁上的应变片把应变转换为电阻的变化，再通过电桥转换为电压输出。3．电阻式传感器应用举例典型应变式传感器荷重传感器是皮带秤的关键组成部件，采用半导体力敏应变片作为敏感元件，虽然在同样压力下它的弹性变形较金属箔式应变片小，但其灵敏度却要高得多；这种传感器灵敏度可达7~10mV/kg，额定压力为5kg的荷重传感器可输出50mV左右的电压。电子皮带秤工作原理如图所示。半导体力敏应变片在电子皮带秤上的应用1－电磁振动给料机；2－物料；3－秤架；4－力敏荷重传感器（包括放大器）；5－支点；6－减速电机；7－环形皮带；8－料仓当未给料时，整个皮带秤质量通过调节秤架上的平衡锤使之自重基本作用在支点5上，仅留很小一部分压力作为传感器预压力。当电磁振动机开始给料时，通过皮带运动，使物料平铺在皮带上。此时皮带上物料的质量一部分通过支点传到基座上，另一部分作用于传感器上。当传感器受力后，传感器中的弹性元件将产生变形，因此，粘贴于弹性元件的力敏应变电桥就有电压信号

U

输出，其值为

—应变电桥的电源电压；

—应变片电阻的相对变化。上面两类都是力（集中力和均匀分布力）直接作用在弹性元件上，将力转换为应变。然而加速度是运动参数，所以首先要经过质量弹簧的惯性系统将加速度转换为力

，再将力作用在弹性元件上。加速度传感器的结构如图所示。在等强度梁2端固定惯性质量块l，梁的另一端用螺钉固定在壳体6上，在梁的上下两面粘贴应变片5，梁和惯性块的周围充满阻尼液（硅油）3，用以产生必要的阻尼。测量加速度时，将传感器壳体和被测对象刚性连接。当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚度很大，惯性质量也以同样的加速度运动。其产生的惯性力正比于加速度a的大小，惯性力作用在梁的端部使梁产生变形，限位块4保护传感器在过载时不被破坏。这种传感器在低频振动测量中得到广泛的应用。应变式加速度传感器1－惯性质量块；2－等强度梁；3－阻尼液；4－限位块；5－应变片；6－壳体压阻式固态压力传感器由外壳、硅膜片和引线组成，简单结构如图所示，其核心部分是一块圆形的膜片。在膜片上，利用集成电路的工艺方法设置4个阻值相等的电阻，构成精密全桥测量电路。膜片的四周用一圆环（硅环）固定，膜片的两边有两个压力腔：一个是和被测系统相连接的高压腔；另一个是低压腔，通常和大气相通。当膜片两边存在压力差时，膜片上各点存在应力。4个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡输出相应的电压。电压和膜片两边的压力差成正比。这样，测得不平衡电桥的输出电压，就能求得膜片所受压力差的大小。固态压力传感器线性电位器的理想空载特性曲线应具有严格的线性关系，图中为电位器式位移传感器原理图。1．电位器式传感器的工作原理3.1.2电位器式传感器如果把它作为变阻器使用，且假定全长为

xmax的电位器其总电阻为

Rmax，电阻沿长度方向的分布是均匀的，则当滑臂由A向B移动

x后，A点到滑臂间的电阻为若把它作为分压器使用，且假定加在电位器A，B之间的电压为Umax

，则输出电压为图中为电位器式角度传感器，作为变阻器使用，则电阻与角度的关系为线性线绕电位器的特性稳定，制造精度容易保证。线性线绕电位器的骨架截面应处处相等，并且由材料均匀的导线按相等的节距绕成。线性线绕电位器示意图如图所示。对由线性线绕电位器制成的位移传感器来说，其灵敏度为非性电位器是指在空载时其输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他任意函数，因此可满足控制系统的特殊要求，也可满足传感、检测系统最终获得线性输出的要求。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式4种。由于测量领域的不同，电位器的结构及材料选择会有所不同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。2．电位器式传感器的应用电位器式位移传感器常用于测量几毫米到几十米的位移，或几乎到

的角度。如图3-10所示的推杆式位移传感器可测量5～200mm的位移，可在温度为±50℃，相对湿度为98%（=20℃），频率300Hz以内，以及300m/s2加速度的振动条件下工作，精度为2%，电位器的总电阻为1500。传感器由外壳1，带齿条的推杆2，以及由齿轮3～5组成的齿轮系统，将被测位移转换成旋转运动，旋转运动通过爪牙离合器6传送到线绕电位器的轴8上，电位器轴8上装有电刷9，电刷9因推杆位移而沿电位器绕组11滑动，通过轴套10和焊在轴套上的螺旋弹簧7及电刷9输出电信号，弹簧7还可保证传感器的所有活动系统复位。1－外壳；2－推杆；3～5－齿轮；6－爪牙离合器；7－螺旋弹簧；8－电位器的轴；9－电刷；10－轴套；11－电位器绕组电位器式压力传感器如图所示。弹性敏感元件膜盒的内腔通过被测流体，在流体压力作用下，膜盒的中心产生弹性位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器绕组上滑动，因而输出一个与被测压力成比例的电压信号。

图中为电位器式加速度传感器。惯性质量块在被测加速度的作用下，使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移，从而引起电刷在电位器的电阻元件上滑动，输出一个与加速度成比例的电压信号。电位器式加速度传感器的优点是结构简单、价格低廉、性能稳定、能承受恶劣环境条件、输出信号大，因此在火箭上仍被采用。缺点是精度不高、动态响应较差、不适于测量快速变化量。自感式传感器将被测量的变化转换成线圈本身自感系数的变化。如图为其工作原理示意图。1．自感式传感器3.2.1电感式传感器的工作原理传感器由线圈、铁芯和衔铁组成，在铁芯与衔铁之间有空气隙

d。当线圈中通以交变电流

i时，在线圈中产生磁通

Fm，其大小与激励电流成正比，即根据磁路的欧姆定律，将上面两式合并，可以得到线圈的自感磁路的磁阻由铁芯的磁阻和空气隙的磁阻串联而成。由于铁芯的磁导率远高于空气的磁导率，其磁阻与空气隙的磁阻相比可以忽略不计，因此有传感器线圈的自感

为因此，当铁芯的磁导率

m0、导磁截面积

A及线圈的匝数一定时，空气隙d

的改变将使线圈的自感

发生变化，自感

与空气隙

之间的关系为反比关系，如图所示。据此原理制成的传感器称为变气隙式自感传感器。传感器的灵敏度

S为1－差动线圈；2－铁芯；3－衔铁；4－测杆；5－套筒；6－工件；7－转轴灵敏度

S与空气隙

d的平方成反比，说明传感器在不同的工作气隙下灵敏度不为常数，因此存在理论上的非线性误差。为限制传感器的非线性误差大小，通常是使传感器在初始气隙

d0附近较小的范围

±Dd

内工作，则此时的灵敏度为当

时，灵敏度近似为一常数，输入输出近似保持线性关系。因此，这种传感器的工作范围通常取为

≤0.1。

选取主要与结构制造工艺性及灵敏度要求有关。上述自感传感器只有一个工作线圈（称为单圈式），因此灵敏度较低，线性差，工作范围小，目前已很少使用。图a为差动式自感传感器，当衔铁在平衡位置（

）附近有一个位移

时，两线圈的空气隙一个变为

，另一个变为

，从而使它们的自感

和

也一个增大，一个减小，两个线圈自感的差值

也随之发生变化。根据单圈式自感传感器原理，有这种传感器的测量电路一般是把两个线圈分别接在交流电桥相邻的两个桥臂上，如图b所示，当输入

x（即

）发生变化时，

与x

基本上为一线性关系，电桥的输出

又正比于

，因此电桥的输出也与输入x

基本保持线性关系，如图c所示。将传感器做成差动式，不仅使灵敏度比单圈式提高了一倍，而且大大改善了传感器的非线性，同时还在一定程度上实现了对某些误差的补偿（诸如环境条件变化、铁芯材料的磁特性不均匀等）。目前常用的自感式传感器有以下3种类型：变面积型、变间隙型、螺管插铁型。如图所示。1－差动线圈；2－铁芯；3－衔铁；4－测杆；5－套筒；6－工件；7－转轴互感式传感器是将非电量转换成线圈间互感

的一种磁电机构，是根据电磁感应中的互感原理工作的。互感原理指的是当某一线圈中通以交变的电流时，在其周围产生交变的磁通，因而在其邻近的线圈上感应出感生电动势。如图所示，当初级线圈

通入交流电流

时，次级线圈

上便产生感生电动势

，其大小与

对时间的变化率成正比，即2．互感式传感器在图中，磁路设计成开磁路（磁路中有导磁能力的铁芯相差很大的空气隙），此时互感

M是下面一些参数的函数如图所示为差动变压器式传感器的工作原理示意图。传感器由一个初级线圈

和两个结构参数完全一致的次级线圈

、

组成，

、

构成两个变压器，由于它们的感生电动势

和

采取反串连接（同极性端接在一起，如图所示）构成差动连接而得名。两个变压器的初、次级线圈之间的耦合程度（互感

、

）与磁芯P的位置有关。理论分析表明，当磁芯插入次级线圈的深度为

、

时，有设磁芯处在中间位置时插入两次级线圈的深度为

，当磁芯向上移动

后，磁芯插入

、

的深度分别变为

和

，输出电压

为如图所示为变间隙电感式气体压力传感器示意图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成。衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力作用于膜盒时，膜盒的顶端在压力

的作用下产生与其大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值即反映被测压力的大小。1．变间隙电感式气体压力传感器3.2.2电感式传感器的应用图中为差动变压器式加速度传感器结构示意图和测振电路方框图。用于测定振动物体的频率和振幅时其励磁频率必须是振动频率的10倍以上，这样才可以得到精确的测量结果。可测量的振幅范围为0.1～0.5mm，振动频率一般为0～150Hz。2．差动变压器式加速度传感器图中为微压力传感器的结构示意图，在被测压力为零时，膜片在初始位置状态，此时固接在膜盒中心的衔铁位于差动变压器线圈的中间位置，因而输出为零。当被测压力由接头传入膜盒时，其自由端产生一正比于被测压力的位移，并带动衔铁在变压器线圈中移动，从而使差动变压器输出电压经相敏检波、滤波后其输出电压可反映被测压力的数值。3．微压力传感器图中为电感式油压传感器的结构图。由无定形合金膜片、线圈、铁氧体构成磁路，它们之间的隔垫使无定形合金膜片和铁氧体之间形成气隙。当液压油从入口进入传感器后，无定形合金膜片的中间部分将向下产生变形，它不但使气隙发生变化，而且由此产生的应力还会使无定形合金膜片本身的磁导率发生变化，如图所示，从而使线圈的电感量也发生变化，用检测电路测出这种变化，也测得了油压的大小。4．电感式油压传感器变隙式差动电感式压力传感器的结构如图3所示。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感量发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压和被测压力之间成正比关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。5．变隙式差动电感式压力传感器由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容，如果不考虑边缘效应，其电容应为3.3.1电容式传感器的工作原理和结构当被测参数变化使得式中的

，d或

发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可以转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型3种。如图所示为常用电容式传感器的结构形式，其中图（b）、（c）、（d）、（f）、（g）、（h）为变面积型，图（a）和图（e）为变极距型，而图（i）～图（l）则为变介电常数型。如图所示是空气介质变极距型电容式传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不动，称固定极板，另一极板可左右移动，引起极板间距离

d相应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容变化量

，便可测得极板间距的变化量，即动极板的位移量

，变极距型电容式传感器的初始电容

可由下式表达，即3.3.2变极距型电容式传感器这种处理的结果，使得传感器的相对非线性误差增大，如图所示。为了改善这种状况，可采用差动变极距型电容式传感器，这种传感器的结构如图所示。它有3个极板，其中两个极板固定不动，只有中间极板可以产生移动。当中间活动极板在平衡位置时，即

，则

，如果活动极板向右移动

，则

，采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化，为可以看出，在

较小时，对于同样的

变化所引起的

可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但

过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（如云母、塑料膜等）作介质，如图所示，此时电容C变为图中为变面积型电容式传感器结构原理图。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积

A改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移

时，则电容变化量为3.3.3变面积型电容式传感器图中是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移

时，有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当

=0时和，分别有图中为一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为

，液面高度为

h，变换器总高度为

H，内筒外径为

d，外筒内径为

D，此时变换器电容值为3.3.4变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。图中为一种常用的结构形式。图中，两平行电极固定不动，极距为

，相对介电常数为

的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总容量

C

为若电介质=1，当=0时，传感器初始电容

。当被测介质

进入极板间

深度后，引起电容相对变化量为

图中为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其他气体作阻尼物质。1．电容式加速度传感器3.3.5电容式传感器的应用图中为差动式电容压力传感器的结构图，图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。2．电容式压力传感器差动式电容测厚传感器的测量原理如图所示。音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的一次绕组，变压器的两个绕组作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容

和带材与极板形成的被测电容

（

）组成。电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可用指示电表指示出带材厚度的变化。3．差动式电容测厚传感器图中为电容式荷重传感器的结构示意图。它是在镍铬钼钢块上加工出一排尺寸相同且等距的圆孔，在圆孔内壁上黏结有带绝缘支架的平板式电容器，然后将每个圆孔内的电容器并联。当钢块端面承受载荷

F作用时，圆孔将产生变形，从而使每个电容器的极板间距变小，电容量增大。电容器容量的增值正比于被测载荷F

。4．电容式荷重传感器将一个通以正弦交变电流

，频率为

，外半径为

的扁平线圈置于金属导体附近，则线圈周围空间将产生一个正弦交变磁场

，使金属导体中感应电涡流

，

又产生一个与

方向相反的交变磁场

，如图所示。根据楞次定律，金属导体感生的磁场

必然削弱线圈的磁场

。由于磁场

的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测导体的电阻率

、磁导率

以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中励磁电流频率有关，同时还与线圈与导体间的距离有关。3.4.1电涡流式传感器的工作原理传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗

的函数关系式为当被测物体和传感器探头被确定以后，影响传感器线圈阻抗

的一些参数是不变的，此时只有线圈与被测导体之间的距离

的变化量与阻抗

有关，如果通过检测电路测出阻抗

的变化量，也就实现了对被测导体位移量的检测。以上就是电涡流式位移传感器的基本工作原理。根据线圈等效阻抗的函数表达式，电涡流传感器的其他用途见表。电涡流传感器主要用途

下面就以电涡流强度与距离的关系为例介绍传感器的工作原理。实验证明，当传感器线圈与被测导体的距离

发生变化时，电涡流分布特性并不改变，但电涡流密度将发生相应的变化，即电涡流强度将随距离

的变化而变化，且呈非线性关系，随距离

的增加而迅速减小，如图所示。

另外被测导体的一些特性也会对传感器灵敏度产生影响。被测导体的电阻率

和磁导率

越小，传感器的灵敏度越高。另外被测导体的形状和尺寸大小对传感器的灵敏度也有影响。由于电涡流式位移传感器是高频反射式涡流传感器，因此，被测导体必须达到一定的厚度，才不会产生电涡流的透射损耗，使传感器具有较高的灵敏度。一般要求被测导体的厚度大于2倍的涡流穿透深度。图是被测导体为圆柱形时，被测导体直径与传感器灵敏度的关系曲线。从曲线可知，只有在

大于3.5时，传感器灵敏度才有稳态值。

透射式电涡流厚度传感器的结构原理如图所示。在被测金属板的上方设有发射传感器线圈

，在被测金属板下方设有接收传感器线圈

。当在

上加低频电压

时，

上产生交变磁通

，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至

中，

产生感应电压

。如果将被测金属板放入两线圈之间，则

线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流，并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达

的磁通将减弱为

，从而使产生的感应电压

下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压

就越小。因此，可根据

电压的大小得知被测金属板的厚度。透射式电涡流厚度传感器的检测范围可达1~100mm，分辨率为0.1μm，线性度为1%。1．低频透射式电涡流厚度传感器3.4.2电涡流式传感器的应用

电涡流式转速传感器工作原理如图所示。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面

处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。2．电涡流式转速传感器

图中是应用高频反射式电涡流传感器检测金属带材厚度的原理框图。为了克服带材不够平整或运行过程中上、下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器

和

。

和

与被测带材表面之间的距离分别为

和

。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有“

常数”的关系存在。两传感器的输出电压之和为

，数值不变。3．高频反射式电涡流厚度传感器电涡流位移计是根据高频反射式涡流传感器的基本原理制作的。电涡流位移计可以用来测量各种形状试件的位移量，具体使用如图所示。电涡流位移计测量位移的范围可以从0～1mm至0～30mm，个别产品已达80mm。一般的分辨率为满量程的0.1%，也有达到0.5μm的（其全量程为0～5μm）。例如，CZFI——1000型传感器与BZF-1、ZZF-5310型配套时，有0～1mm、1～3mm、0～5mm等几种主要类型传感器，其分辨率为0.1%。另外，凡是可变成位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量，如钢水液位、纱线张力和液体压力等。4．高频反射式电涡流位移传感器压电传感器大都是利用压电材料的正压电效应制成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可分为几种基本形式，如图所示。但由于晶体的各向异性，并非所有的压电晶体都能同时具有这几种形式的压电效应。例如，石英晶体就没有体积变形（VT）压电效应，但具有良好的厚度变形（TE）和长度变形（LE）压电效应。1．正、逆压电效应3.5.1压电效应和压电材料（a）厚度受压型；（b）长度受压型；（c）体积受压型；（d）厚度切变型；（e）平面切变型石英晶体的化学成分是

，是单晶体结构，理想形状为六角锥体，如图所示。石英晶体是各向异性材料，不同方向具有各异的物理特性，用

x、

y、z

轴来描述。2．石英晶体晶体上产生电荷的极性与受力的方向有关。若在

x轴方向施加作用力，则在加压的两表面上分别出现正、负电荷。若在

y轴上施加压力时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直于

z轴的表面上，只是电荷的极性相反。若将

x、

y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置不变，只是电荷的极性相反，如图所示。压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料。其内部是由无数个细微的单晶体组成的，每个晶体具有一定的极化方向，在无外电场作用下，晶粒杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此压电陶瓷此时呈中性，即原始的压电陶瓷不具有压电性质，如图a所示。3．压电陶瓷（多晶体）

当在陶瓷上施加外电场时，晶粒的极化方向发生转动，趋向按外电场方向排列，从而使材料整体得到极化。外电场越强，极化程度越高，让外电场强度大到使材料的极化达到饱和程度，即所有晶粒的极化方向都与外电场的方向一致，此时，去掉外电场，材料整体的极化方向基本不变，即出现剩余极化，这时的材料就具有了压电特性，如图b所示。可见，压电陶瓷要具有压电效应，必须要有外加电场和压力的共同作用。3.5.2压电式传感器等效电路和灵敏度在压电晶片的两个工作表面（

平面）上进行金属蒸镀，形成金属膜并引出两根引线作为电极，就构成了基本的压电传感器，如图所示。在外力作用下，传感器的两个工作表面上产生极性相反、数量相等的电荷，形成电场。两个金属极板构成一电容器。压电传感器工作表面上所产生的电荷

及传感器的固有电容

为等效电路一。一个电荷源与一个电容器的并联，如图a所示。等效电路二。一个电压源与一个电容器的串联，如图b所示。等效电路三。由于压电传感器并非开路工作，它要通过电缆与后面的前置放大器相连，所以压电传感器完整的等效电路还应包括传感器的固有电阻

、电缆电容

、放大器的输入电阻

、放大器的输入电容

的影响，如图c所示。等效电路四：将所有的电阻及所有的电容合并，得到如图d所示的等效电路。其后接的前置放大器对传感器上产生的电荷或形成的电压作进一步的转换、放大。根据前置放大器的输出与传感器上的电荷、电压之间的关系，压电传感器有两种灵敏度。电荷灵敏度

。单位作用力所产生的电荷，即电压灵敏度

。单位作用力所形成的电压，即由于

，因此不难得到电荷灵敏度与电压灵敏度之间的关系为电荷灵敏度

仅与压电材料有关，传感器制成后其值基本上就保持不变了，由厂家提供所标定出的结果。而电压灵敏度

除与

有关外，还与传感器的内、外电路特性（即

C）有关。例如，如果传感器在使用过程中更换了电缆，则电缆电容

要发生改变，电压灵敏度也要随之发生变化。1．压电式力传感器3.5.3压电式传感器的应用单向力传感器如图所示的单向力传感器用来测量与传感器承载面相垂直的外力——法向力

，即所谓“测力垫圈”。三向力传感器三向力传感器可以对空间任一个或多个力同时进行测量，分解并合成到三个坐标轴上输出。在压电元件上，以一定的预紧力安装一个质量块，质量块上有一弹簧片，这是典型的惯性式传感器，如图a所示，其简化的单自由度力学系统如图3b所示。2．压电式加速度传感器压电式加速度传感器的工作原理压电式加速度传感器质量块的运动规律可用下式表述：压电式加速度传感器的阻尼比非常小，一般为0.04，可以忽略不计。在设计加速度传感器时，要尽量提高加速度传感器的无阻尼谐振频率。在

，即加速度传感器的无阻尼谐振频率远远大于物体的振动频率时，有这就说明，质量块的相对位移

x与物体振动加速度

成正比。压电元件在质量块的惯性力作用下，输出的电荷量对同一个加速度传感器而言，其

，

均为常数。所以传感器输出的电荷

与物体被测振动加速度

成正比，这样就达到了压电式传感器测加速度的目的。压电式加速度传感器的结构和特点基座压缩型如图所示，它主要由基座、压电元件、质量块和预紧件组成。施加预应力的目的在于消除质量块及压电元件间因加工粗糙所造成的非线性等问题。这种结构比较简单，可以得到高灵敏度和高的谐振频率。其缺点是易受外界条件，如基座应变、温度变化及声场等影响，国外20世纪70年代中期已基本淘汰了这种结构。中心压缩型如图所示，它主要由基座、中心螺杆、压电元件、质量块及预紧螺母组成。它的外壳与质量弹簧系统不直接接触，可隔离一部分外界干扰，可用于大数值加速度的测量。倒置中心压缩型如图所示，将中心压缩型倒置在一个特别的隔离基座上，可以进一步消除基座应变引起的干扰。但其结构加工装配困难。对于标准加速度传感器可采用此种形式，如丹麦BK公司的8305型标准加速度传感器即属此种类型。04隔离基座压缩型05隔离基座预载套筒压缩型06环形剪切型07“中空”环形剪切型08平面剪切型101291113三角剪切型圆锥剪切型隔离剪切型弯曲型剪切、压缩复合型图中为可用于中、高压动态测量的活塞式压力传感器结构示意图。这种早期使用的活塞式传感器的特点是结构简单，零件可拆卸更换，但它要求活塞与活塞孔之间有合适的配合精度。为了使气体压力通过活塞杆传递到石英晶片的过程中尽量减小能量损失，要求活塞杆硬度达到50HRC以上，且要求壳体有较高的刚度，否则，气体将会渗入传感器内部使测量无法进行。3．压电式压力传感器

与活塞式相比，膜片式压力传感器具有频响高、使用方便、稳定性好等优点，目前使用比较广泛。图中为膜片式高压传感器的结构示意图。这种传感器灵敏度一般较低，固有频率较高，适用于高频高压力的测量，如火炮膛压。膜片一般为钟罩形膜片或平膜片，钟罩形膜片通常有一个硬中心。如图所示，一块长为l、宽为b、厚为d的半导体，置于磁感应强度为B的外磁场中，当有电流流过时，半导体中电子所受到的洛仑兹力为3.6.1霍尔元件的工作原理在力

的作用下，电子被推向半导体一侧，并在该侧面上形成电子积累，而在另一侧则形成正电荷积累，从而在半导体的两侧面产生静电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力

与

相等时，电子的积累就达到动平衡，即用以产生霍尔效应的载流体，在其相应的侧面上装上电极后即构成霍尔元件。表征霍尔元件特性的参数有传递系数

、霍尔系数

，霍尔元件的灵敏度

；表征载流体特性的载流体的电阻率

与霍尔系数

及载流体迁移率

之间存在如下关系由上式可知，任何载流子迁移率不等于零的材料，在一定条件下都能产生霍尔电势，但并不都是制造霍尔元件的理想材料。3.6.2霍尔元件的结构图中是一种用溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件的结构，它由衬底、十字形霍尔元件、电极引线及磁性体顶端等构成。十字形霍尔元件4个端部的引线，有一对是电流输入端，另一对为霍尔电压输出端。铁磁体顶端是为了集中磁力线和提高元件灵敏度设置的，它的体积越大，元件的输出灵敏度越高。国产YSH-I型霍尔压力变送器转换机构如图所示。霍尔式压力传感器由两部分组成。一部分是弹性敏感元件的膜盒用以感受压力

，并将

转换为弹性元件的位移量

x，即

，其中系数

为常数。另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度磁场，在其工作范围内

，其中斜率

为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是x

。这样，霍尔电势

与被测压力

之间的关系就可表示为

，式中

为霍尔式压力传感器的输出灵敏度。1．YSH-I型霍尔压力变送器3.6.3霍尔传感器的应用图中为霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体上固定均质弹簧片S，片S的中部装一惯性块M，片S的末端固定测量位移的霍尔元件H，H的上下方装上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压

的变化。可从

与加速度的关系曲线上求得加速度。2．霍尔加速度传感器

应用霍尔元件制造的传感器很多，这里介绍霍尔计数装置。由于霍尔开关集成传感器具有较高的灵敏度，它能感受到很小的磁场变化，因而可以对黑色金属零件的有无进行检测。可以利用这一特性制成计数装置，图中就是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。3．霍尔计数装置键盘是电子计算机系统中的一个重要的外部设备，早期的键盘都采用机械接触式，在使用过程中容易产生抖动噪声，系统的可靠性较差。霍尔式无触点开关的每个键上都有两小块永久磁铁，当按钮未按下时，磁铁处于如图a所示位置，通过霍尔传感器的磁力线是由上向下的。当按下按钮时，磁铁处于如图b所示位置，这时通过霍尔传感器的磁力线是由下向上的。霍尔传感器输出不同的状态，将此输出的开关信号直接与后面的逻辑门电路连接使用。这类键盘开关工作十分稳定可靠，功耗很低，动作过程中传感器与机械部件之间没有机械接触，使用寿命特别长。4．无触点开关图中是几种不同结构的霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一小相变的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。5．霍尔式转速传感器两种不同导体A与B串接成一闭合回路，如果两接点1和2出现温差，在回路中就有电流产生。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为热电效应。这两种不同导体的组合称为热电偶。热电效应如图所示。