参量测量传感器机械

现代传感器技术

—面向物联网应用

第三篇参量测量传感器

--机械量传感器

2024/2/2125.机械量传感器概述特点：实际要测的机械量非常多，机械量传感器的品种非常丰富。机械量大多与力相关。力可以使器件的结构尺寸或位置变化，引起电阻、电容等电参量变化，据此可形成结构型传感器；力也可使器件的物理性能或参数变化，如压阻效应、压电效应等，据此可形成物性型传感器。主要种类：机械量传感器的品种虽丰富，但占据市场的主要是位移、加速度、力/扭矩、压力/应力、位置/角度、流速传感器等6类，其中，位移是实现传感的基础参量。学习意义：除学习具体的传感器外，还可了解不同参量传感器的不同构造思路、实现方式以及用不同原理实现同参量传感器时的异同。2024/2/2135.1位移传感器测量位移的意义位移：物体上某点在一定方向上的位置变化，它包括线位移和角位移。通过位移测量，一是可直接获取物体的移动或转动信息，如机床工作台的位置、位移、振幅，物体的变形等信息，以及距离、长度信息；二是可借助位移或微位移测量实现对引起位移的力学量以及非力学量的测量，如力和温度等。用于位移测量的传感原理和方法很多，按工作方式可分接触式和非接触式两类。接触式测量可能影响被测体的运动，但也能反映相关的力作用信息；非接触式基本上不影被测对象。位移测量容易获得较高精度，常用于间接测量其他参量，因而位移传感器是非电量测量中的基础性传感器。2024/2/2145.1位移传感器5.1.1磁阻式线位移传感器特点：非接触式测量，构造简单、抗干扰能力强、适应恶劣环境，适于微型化。1）非接触式大位移霍尔传感器结构原理：非磁性板上等间距安装小磁钢，霍尔元件随被测体运动，每过一个小磁钢，产生一个电脉冲信号。脉冲数n乘磁钢间距d得到被测位移，即：L=nd。霍尔元件固定，小磁钢随被测体运动，也可测位移。多个小磁钢或霍尔元件按圆周等间距安装，可测角位移。分辨力为小磁钢间距，精度取决于小磁钢间的等分精度。1磁钢2安装板3霍尔元件4过渡块2024/2/2155.1位移传感器5.1.1磁阻式线位移传感器2）采用磁阻元件的非接触式位移传感器基本原理：利用作用磁敏电阻的磁场面积变化改变其阻值.

设无磁场时Ra=Rb，磁铁在上(图a),则Ra>Rb,Uo<E/2;磁铁居中(图b)，Ra=Rb，Uo=E/2；磁铁在下(图c)，Ra<Rb,Uo>E/2。右图是基于上述原理的一种磁阻型位移传感器结构。由电桥输出的极性和大小可测出位移大小和方向(左、右)。此方式的特点：差动？量程？2024/2/2165.1位移传感器5.1.1磁阻式线位移传感器3）磁位移/长度集成传感模块（MLS）MSI(精量公司)推出的MLS基于AMR磁阻效应，用4组8片AMR电阻在一个模块里组成两个电桥，分别输出对应位移的1/4周期的正弦和余弦电压信号，将磁尺上的一个磁极节距分解为相位差为90°的两个信号。将这两个信号细分或进行插值计算，可进一步提高测量的分辨力和精度.(a)MLS传感器位移测量原理示意图(b)基于AMR传感器构成原理与双电桥结构

AMR器件与磁尺组合的磁位移/长度传感器模块2024/2/2175.1位移传感器5.1.2光纤小位移传感器毫米级位移称小位移,1mm以下为微小位移,可用传感器较多.1）传光型光纤位移传感器图a，两根相同的光纤初始时端面对准,中间间隙1～2

m，初始位时光通过几乎无损耗。光纤相对位移加大光的损耗，输出光强与两光纤中心重叠面积成正比。图b,可测l

Pa声压的位移式光纤水听器。原理:作用于膜的声波引起光纤上下相对移动，调制传导光强。设光强均布，光纤随声波位移的调制系数为：

a-纤芯半径;ω-声角频率;

-密度;c-声速;

-光出射角。光栅的作用？！2024/2/2185.1位移传感器5.1.2光纤小位移传感器2）光强调制位移传感器原理：被测量使光纤弯曲，改变内芯与包层间光的折射方向,使部分光逸出散射进包层，改变所传光的强度，即强度调制.光电器件收到的光强调制信号解调后可得被测量。如图所示，被测位移或压力使变形器位移，光纤微弯变形引起光纤中模式耦合，有些波导模变成了辐射模。内芯中部分光透射入包层，造成微损耗。微弯器件的位置和压力变化使微弯程度与漏光强度成正比，实现了光强调制。2024/2/2195.1位移传感器5.1.2光纤小位移传感器2）光强调制位移传感器光强与位移之间有确定函数关系，检测输出光强的变化可确定变形器位移及受力大小。设变形器齿距为

(即光纤变形周期)，

与光纤传播模之间传播参数相当的值为:

式中，d为光纤内芯直径；n1为内芯折射率；NA为数值孔径。一般，大NA和小d的光纤导光能力强。为提高灵敏度，应使光纤弯曲严重。位移和光纤包层直径一定时，内芯占比例越大(加大d)，弯曲越大，泄漏光就越多，灵敏度越高。主要性能不足：稳定性不高。应用：可用于位移和压力测量，如转轴的轴向移动和径向振动及等的测量，动态测量需高速光电接口配合使用。2024/2/21105.1位移传感器5.1.3光电式线位移传感器-光学三角位置传感器特点：原理和结构简单，重复性好，速度和精度较高，适用于大多数不透明物体，不受外界强电、磁场环境影响.原理：出射光和物体反射光之间的几何关系决定物体位置。由PSD检出反射光成像点相对初始点的偏移量x，利用三角关系算出被测体(反光靶)相对参考位的偏移，得到被测物到传感器的距离L1为：式中，L0为参考位与传感器之间的距离；

y为反光靶的位置偏移；d为反射光聚光镜与PSD的距离；

为反光靶在参考位置时入射光与反射光的夹角。典型产品：德国米铱optoNCDT系列激光位移传感器

2024/2/21115.1位移传感器

不同原理的非接触式位移传感器特点比较：磁阻：抗恶劣环境能力强，便于微型化、集成化；量程？光电：分辨力高，精度高；量程？2024/2/21125.2物位传感器5.2.1概述物位：各种容器设备中液体介质液面的高低、两种不相溶液体介质分界面的高低和固体粉末物料的堆积高度等的总称。液位：储存在容器中的液体所存积的高度以及自然界中江、河、湖、水库的水表面位置；料位：容器或仓库中堆积的固体物的相对高度或表面位置；界位：同一容器中两种密度不同且互不相溶的液体之间或液、固体之间的分界面位置。被测对象种类繁多，检测条件和环境差别大，应根据具体对象和条件选用相应传感器。物位是相对某一基准面而言的，测物位是测量被测对象与参考基准面之间的距离。测量连续物位的传感器也是测长度、距离的传感器。2024/2/21135.2物位传感器5.2.2超声波物位传感器特点：可测液体，也适应粒状松散并含大量气体的被测材料,如细粒状或粉末状的泡沫塑料、纤维素等,可用于木制或塑料容器，但不适于测含固体材料的液体。形式：一种是通过被测物使声波短路或断路，或使振荡器频率改变、停振而定点发信号的物位计(图a、b)，用于极限位监控，属开关型；另一种是连续发出声波信号,在界面处反射，再由接收器接收。根据已知波速v，通过测量从发出到返回的时间t得到物位h=vt/2，如图c、d所示，用于连续物位测量。缺点：成本较高，需振荡器，还需高频发生器。2024/2/21145.2物位传感器5.2.3电容式物位传感器特点：机械和机电式测量仪无法测黏液和粒状、粉末状材料的物位，电容法可测量粉状食物、谷子、洗衣粉、砂、水泥、石灰和煤粉，以及储料箱中的燃料、油、酸、碱液及其他的黏液介质。电容法测物位要求被测材料介电常数恒定，不能测具有不同介电常数的液、固混合物。测量原理：电容器上部隔着空气(相对介电常数为1)，下部充满液体或其他材料。相对介电常数为

r的被测物位变化x时，电容器的电容增量ΔC与被测物的高度的关系为：

式中，h为电容器的总高度；C0为初始电容值。

2024/2/21155.2物位传感器5.2.3电容式物位传感器原理结构：用电容探头感受物位变化。图a为连续测量的电容探头结构。1-部分或整体绝缘棍电极，3、4-绳电极。容器壁为导体时，只装电极1或3或4，以容器壁为另一极；容器壁为非导体，则使用管式电极2，或为电极1、3、4配反电极5。图b为监控物位极限的电容探头结构。用于不希望探头电容值在整个高度范围内线性变化，而当物位达到极限时电容突变.

不同安装方式的电极用于满足不同功能需求：例如3和4.2024/2/21165.2物位传感器5.2.4磁致伸缩物位传感器主要构成：具有磁致伸缩效应的波导钢丝、内置位置磁铁(磁环)的移动部件、波检测器和电脉冲发射器。工作原理：发射电脉冲->环绕波导丝、随电子波光速移动的磁场->与垂直波导丝轴线的磁环磁力线正交->移动磁场到达磁环位置->复合成瞬态螺旋磁场->波导丝扭曲->以超声速的扭转弹性波->检测器接收转换为电脉冲->发射-接收信号时差->磁铁位置。2024/2/21175.2物位传感器5.2.4磁致伸缩液位传感器性能优点：高精度（国内产品已实现非线性小于0.05%FS，重复性优于0.002%）、超大量程，能同时测多参数，寿命长，耐高温高压，适用于易燃易爆、有腐蚀的场合，易安装和维护，便于自动化、智能化。应用情况：直接将位置磁铁与浮球相连，且在波导钢丝外加保护套，广泛应用于液位、界面的测量，特别是用于数十米高的超大油罐内液面的监测。

2024/2/21185.2物位传感器

不同物位传感器性能与特点比较：超声式-

电容式-

磁致伸缩式-2024/2/21195.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器1）相关概念数字式位移传感器分绝对编码式和计数式两类，其中计数式有分频式和计数（增量）式，计数式有增量码盘式和栅式如光栅等两类。编码器是根据位置的“编码”，把位移转换成“数字代码”。测线位移的称直线编码器，测角位移的称旋转编码器。旋转编码器有绝对码和增量码编码器。绝对码编码器的任意位置都对应固定的编码，不需基准点和计数就可确定角位移及所处位置。增量码编码器输出的是一系列脉冲，对其计数并对照（零位）基准数据实现位移测量。编码器与同样尺寸的模拟式传感器相比，有更高的精度、灵敏度及可靠性。2024/2/21205.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器1）绝对码编码器按变换原理分类：光电式、磁电式等，基于不同的敏感/转换元件,有相似结构但内涵不同的码盘。（1）码盘：一组同心圆环码道，中心孔用于安装。码道数n决定分辨力，二进制码盘第n道的角度分辨力为

/2n-1

rad。敏感元件的几何参数和物理特性决定码道径向尺寸。二进制码盘的2n个扇形网格区对应2n组编码，确定码盘上2n个角位置的对应输出码，输出数字的变化对应角位移量。二进制码盘每个扇形网格对应由里到外

n个“1”或“0”小网格组成的一组数字码。光电式中“l”对应透明码区，光敏管能收到信号光；“0”对应不透明码区，光敏管收不到信号光。磁电式编码器中“0”对应磁化区，“l”对应非磁化区。2024/2/21215.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器1)绝对码编码器(2)元件与电路(a)光电式编码器的电路常用白炽灯或LED作光源，需考虑光谱匹配及其工作温度。光敏元件可用光敏二极管、三极管或硅光电池。上图中，使用硅光电池时，输出为10～20mV，通常接一集成差动高增益运放，作用类似施密特触发器。预置一触发电平

(监控电平，单独用光敏元件扫描一个完全清晰码道即无码码道来获得），并输给所有数据码道的放大器，以克服信号光强和电源引起的输出电平漂移。2024/2/21225.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器1)绝对码编码器(2)元件与电路(b)电磁式的电路磁敏元件为小磁环，每个环上绕两线圈，一个用于询问，通恒频恒幅交流电，另一个用于读出。根据电磁感应原理，小磁环(非接触)对准磁化区“0”时，磁路饱和，读出电压很低；小磁环对准非磁化区“1”时，两绕组构成一变压器，读出绕组输出电压信号。该信号为调制信号，经解调后输出方波.

2024/2/21235.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器1)绝对码编码器(3)提高测量精度的途径影响精度的直接因素：都用光刻法(照相制版)批量制作码道,码盘制作精度及读数误差是主因，最外道(最低位码)网格刻制的准确度影响最大。例：二进制码盘实现1

分辨力需20

21道，若在

400mm圆盘制作20码道，最外道网格节距仅1

m。同时保证同码道节距准确而各码道同扇形网格线对准很困难，易出现误差。对策1：用循环码替代二进制码。(a)循环码:主要特点是相邻两组数码(相邻位置)

之间仅1位变化。图中R6与R5道的明、暗区各占半圆环，但位差90°。二进制码C6道同样分明、暗两半（前图），C5道却分两明区和两暗区；以此类推可知，同码道数，循环码网格节距大一倍，制作容易。2024/2/21245.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器1)绝对码编码器(3)提高测量精度的途径n位二进制码与循环码之间转换关系为：循环码直接译码困难，一般先转二进制再译码，有电路实现，分并行和串行两种，如图所示。串行循环码−二进制码转换器并行循环码−二进制码转换器2024/2/21255.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器1)绝对码编码器(3)提高测量精度的途径(a)扫描法:又称双读数法。图a为刻线不准所致二进制码误读.图b为双读数法-两读数狭缝AA与BB分别对应两组光敏元件。允许透明与不透明码区转接处有一定误差

（小于AA与BB间距）。读取原则：最低位Cl道只读一次AA，其余各道按低一位码道读数决定按AA或BB读取。如Ci-1读“1”(亮区)，则Ci取AA；否则Ci取BB。2024/2/21265.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器1)绝对码编码器（b）码盘组单码盘的绝对码编码器角位移限于0

～360

,将n个码盘由机械传动连成码盘组，利用传动比变化提高绝对编码器分辨率。码盘组可测转速(传动比大于1)和大于360

的角位移(传动比小于1)；传动比起“放大”和“缩小”作用。绝对码编码器的优点：编码位置的数码唯一，不因系统断电、重测而改变；各码道有独立的光敏器件，位置信息是并行全量程位置编码，输出接口或译码简便；抗干扰能力强，可靠性高，上电即可确定编码位置数据，不需自引导过程。2024/2/21275.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器2)增量码编器解决码盘制作精度限制分辨率的矛盾，用累计“脉冲”数确定相对基准点的瞬时角位移。（1）增量码盘码盘设内、外轨道，两者关系如图所示。外道由增量计数轨道(仅1位码道)和方向轨道组成，按分辨率要求设置扇区（相当于最低码道网格）。方向道与增量计数道扇区相同，但位差半个扇区(两扇区为周期，半扇区使两道相差90

)，依据两者的超前或滞后识别顺、逆方向，决定计数器的加或减。内道即基准轨道，提供基准点的是一个单独标志的扇区，其输出使计数器归零。2024/2/21285.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器2）增量码编码器（2）增量码编码器工作原理如上图所示，方向道与增量计数道在1-2-3-4变化过程中，完成一次[0,1]、[1,1]、[1,0]、[0,0]编码，完成一次循环，输给加法器一个计数脉冲。用增量码编码器测角速度，最大测速范围受限于触发器产生的单次脉宽。此脉宽应小于一个扇区（bit）所占时间的一半。如果单次脉冲宽度为4～6

s，其上升时间和恢复时间为200ns，对5000个脉冲/转的增量码编码器，最大测速为2000r/min。2024/2/21295.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器2）增量码编码器(3)磁电式增量码编码器:

磁鼓+磁阻器件+信号处理电路。磁鼓：在铝基非磁性体上镀l0

m的磁材，再刻录等间距小磁极，磁化后装在被测转轴上；MR+信号处理：放置磁鼓下(间隙0.1~0.01mm)，MRl与MR2接成差动，磁鼓转动使MR输出变化，再转换成电压变化（近似正弦波），多个检测脉冲的MR成对加到波形整形电路上，将正弦波输入转换为方波/脉冲输出。2024/2/21305.3数字式位移传感器5.3.2光栅精密线位移传感器光栅传感器是一种技术成熟的高精度数字式位移传感器。基于光线在均匀透明介质中按直线传播的原理，当主、副光栅以很小夹角

重叠时（对栅距W＝0.02mm的粗光栅，两栅之间有约0.1mm间隙），产生莫尔条纹，利用莫尔条纹信息可测两栅的相对位移。莫尔条纹对栅距有放大作用。如图所示，纵向以夹角

交叠的主、副光栅，在横向产生间距为B的莫尔条纹。若光栅l向右移动一个栅距W，莫尔条纹则向下移动一个条纹间距B，使亮区与暗区互换。发源的光透过亮区，在受光器上产生光电信号，即光栅相对位移产生光电（脉冲）输出，对此光电信号计数，可得相对位移。2024/2/21315.3数字式位移传感器5.3.2光栅精密线位移传感器1）光栅传感器的工作原理和特点（1）位移放大作用(高精度的主因)若主栅与指示栅有等栅距W，且夹角

很小，则B≈W/

。放大倍数K=B/W=1/

，若W=0.02mm,

=0.1

，K约为570。可见，莫尔条纹起位移放大作用，且放大倍数很大.（2）误差平均效应莫尔条纹由多条栅线交叠后形成，个别光栅刻划的误差被平均，很大地消除了栅距局部误差和短周期误差影响。（3）光电转换后的莫尔条纹输出信号理想输出应为三角波，如左图。实际输出近似正弦波电压信号，如右图。移动一个栅距，输出电压变化一个周期(2)。2024/2/21325.3数字式位移传感器5.3.2光栅精密线位移传感器2）位移方向识别光栅位移变换成莫尔条纹的移动，再经光电转换成电输出。

在一点观察，无论光栅左移右移，莫尔条纹均明暗交替变

化。若只有一条莫尔条纹，则只能计数。为了辨向，需提供

另一条，使两者相差

/2。通常在相隔1/4条纹间距的位置上安放两光敏元件来实现，如图b所示。方向识别：光栅正向移动时只有加计数脉冲输出；反向移动时只有减计数脉冲输出。电路分析：2024/2/21335.3数字式位移传感器

不同数字是位移传感器性能与特点比较：绝对编码器-

数字编码器-

光栅传感器-2024/2/21345.4速度传感器概述工程实际中，转速和线速度是最常见的运动参量。测速度的传感器原理不同，其结构与特点不同，其中非接触测量方式的传感器不影响被测对象的运动。5.4.1光电式速度传感器1）基于时间与位移计算的测速方法原理：根据速度的定义测速，即测量距离L和通过该距离的时间

t，然后求平均速度v。L越小，则所得速度越接近瞬时速度。由此原理可延伸出多种测速方法，如相关法和空间滤波器法。

2）基于相关测速度法的速度传感器基本原理：利用求随机过程互相关函数极值来测量速度。设平稳随机过程观察的时间为T，则它的互相关函数为：2024/2/21355.4速度传感器5.4.2光电式速度传感器

2）基于相关测速度法的速度传感器如图a所示，当被测体以速度v运动时，其表面总有可测的痕迹变化或标记。在固定距离L上装两个光敏器件A和B用于检测痕迹变化，其转换输出信号x(t)、y(t)波形如图b所示。测量条件基本相同的情况下，x(t)、y(t)两个随机信号只在时间上滞后t0，即：y(t)=x(t－t0)；t0就是物体上某点从A运动到B的时间，测量t0后就可求得物体运动速度v，即v＝L/t0。2024/2/21365.4速度传感器5.4.2光电式速度传感器

2）基于相关测速度法的速度传感器互相关函数极值法求t0:足够长时间T内，x(t)和y(t)互相关函数为

Rx(

−t0)相当于把自相关函数Rx(

)延时t0的值。t=t0时，Rx(

−t0)

有极大值，也即互相关函数Rx(

)有极大值，此时

是所求t0值。将x(t)、y(t)送到模拟相关分析仪中，改变滞后时间，可得到互相关函数随滞后时间

变化时的图形，求得最大值时所对应时间就是t0，即可求得速度v。工程上用这种方法可测量轧钢时板材速度、流体流动速度、汽车车速等。2024/2/21375.4速度传感器5.4.2光电式速度传感器

3）空间滤波器测速传感器

基本原理：用可选一定空间频率段的空间滤波器件与被测物同步运动，在单位空间内测量相应的时间频率，计算出被测速度.空间频率：单位空间线度内物理量周期性变化的次数；如图所示，在长L的栅格板上刻N个等距的透明狭缝，栅格板移动时，光敏器件可感知光的明暗变化，变化的空间频率:

=N/L

若栅格板移动速度为v，移动L所需时间为t，则光敏器件测到的时间频率:f=N/t。由N=

L得时间频率和空间频率的关系：

f=

L/t=

v。可知，速度v可用空间频率描述。2024/2/21385.4速度传感器5.4.2光电式速度传感器

3）空间滤波器测速传感器

工作原理（见图）：点光源以一定速度y向运动，光通过透镜成像在叉指式光电池栅格上，使光电池输出频率为f脉冲串。选择光电池栅格尺寸和形状，使栅格对一定空间频率有选择性，则物体速度转换为时间频率信号。空间滤波器输出信号的中心频率正比于速度，通过测频来测速。实际光源非点光源，是有任意辉度的分布光源。适用于传送带、钢板、车辆等的速度检测，可用于以转动物体为背景的角速度测量；其检测范围为.5～250km/h，精度可达0.5%。2024/2/21395.4速度传感器5.4.3磁电式速度传感器物体运动的速度可利用速度与其他量之间的已知关系来间接测量，如磁电式和电磁式速度传感器。磁电式速度传感器可分三类：动圈式、动磁铁式和磁阻式构成：轭铁、永久磁铁、线圈及支承弹簧等。原理：永久磁铁和轭铁产生一个均匀磁场，根据电磁感应定律，当穿过此磁场中的线圈的磁通量随时间变化时，则线圈两端产生正比于磁通量

减少速率的电压：V=−d

/dt.如果传感器中的线圈垂直于磁场运动，线圈中产生与线圈速度成正比的感应电压，由输出电压可测得速度。此类传感器的测速范围10−4～102m/s

2024/2/21405.4速度传感器5.4.3磁电式速度传感器典型结构1：下图为一种测两试件之间相对(振动)速度的传感器结构。壳体7固定在一试件上，顶杆l顶着另一试件，永磁铁3经壳体7

构成磁回路，两试件间的相对速度通过顶杆1使线圈4在磁场气隙中运动，产生与线圈线速度成正比的感应电势。若顶杠在弹簧片2作用下随振动体一起运动，线圈速度即被测速度。2024/2/21415.4速度传感器5.4.3磁电式速度传感器典型结构2：下图为一种绝对速度传感器的结构。永磁铁2与壳体6形成磁回路，芯轴5上的线圈7和铜制阻尼环3组成磁场中运动的惯性系统的质量块。弹簧1使系统得到可靠的径向支承，并保证很低的轴向固有频率。阻尼环3增加系统质量、降低固有频率，并产生磁阻尼力，减小共振影响，扩大工作频率范围，并有助于衰减干扰引起的自由振动和冲击。速度传感器承受沿其轴向的振动时，线圈产生磁感应电势。当振动频率远高于系统固有频率时，相对速度可看成是壳体的绝对速度。

2024/2/21425.4速度传感器5.4.3磁电式速度传感器典型结构3：如图所示为另一种速度传感器的结构。永久磁铁和运动物体相连，线圈处于固定状态。当永久磁铁从线圈旁经过时，线圈会产生一个感应电势，如果磁铁经过的路径不变，那么此感应脉冲的电压峰值与磁铁运动速度成正比。因此，此脉冲电压的峰值可用来确定永久磁铁的运动速度。将永久磁铁固定在被测体上，可得物体的运动速度。

2024/2/21435.4速度传感器5.4.4多普勒效应测速1）多普勒效应：当发射机与接收机之间距离变化时，发射机发射信号的频率与接收机收到信号频率不同的现象。多普勒效应产生过程(以被测体向检测点接近的情况为例):

如图a所示，发射机发的信号波(电磁或超声)向被测体辐射，被测体以速度v运动，被测体作为接收机收到的信号频率：

f1=f0+v

/

0

式中，f0为发射机发射信号的频率；v为被测物体的运动速度；

0为发射信号波长，

0＝C/f0，C为信号波传播速度。2024/2/21445.4速度传感器5.4.4多普勒效应测速1）多普勒效应如果将f1作为反射波向接收机发射，如上图b所示。接收机接收到的信号波频率为：

f2=f1+v

/

1=f0+v

/

0+v

/

1若被测物的运动速度v远小于信号波的传播速度C，即v

<<C时，可认为

0=

1，所以

f2=f0+2v

/

0

由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即

fd=f2−f0=2v

/

0

可见，只要v

<<C，被测体的运动速度v可用多普勒频率和信号波长描述为：v=

0fd/2。2024/2/21455.4速度传感器5.4.4多普勒效应测速1）多普勒雷达测速多普勒雷达组成:发射机+接收机+混频器+检波放大+处理电路工作原理：当发射信号和收到的回波信号混频后，两者产生差频现象，差频的频率即多普勒频率。多普勒雷达产生的多普勒频率：fd＝(2vcos

)/

0;其中v为被测体线速度；

为探测信号发射方向与被测体的速度方向夹角；

0为信号波长；vcos

为电磁波方向与被测物体的速度分量。已知夹角

和信号波长

0，测多普勒频率fd可得被测速度v。激光或电磁波多普勒雷达广泛应用于车辆行驶速度检测；超声多普勒可测流体的流速，如通过测人体血管内血液流速来检查血液黏度。

2024/2/21465.4速度传感器5.4.5光电式转速传感器

1）直射式光电转速传感器结构组成：开孔圆盘+光源+光敏元件+缝隙板。工作原理：开孔圆盘转轴与被测轴连接，光源发出的光通过开孔圆盘和缝隙板后由光敏元件接收并转换为电信号输出。圆盘转一周，光敏元件输出的电脉冲数等于圆盘的开孔数。因此，通过对光敏元件输出的脉冲频率测量可得被测转速，即：n=f/N；式中，N-圆盘开孔数；

n-转速；f-脉冲频率。2024/2/21475.4速度传感器5.4.5光电式转速传感器

2）反射式光电转速传感器结构组成：红外发射管+红外接收管+光学系统光学系统由透镜及半透镜构成；半透镜使红外光射向转动体，并使得从转动体反射的红外光穿过半透镜射向红外接收管。测转速时需要在被测物体上粘贴一小块具有定向反射作用的红外反射纸。被测物旋转时，粘贴在物体上的反射纸和物体一起旋转，红外接收管随感受的反射光强弱产生相应变化信号，信号经电路处理后可得被测对象的转速。2024/2/21485.4速度传感器5.4.6磁电感应式转速传感器1）变磁阻式转速传感器结构组成：永久磁铁+线圈+磁盘原理：改变永久磁铁的磁路的磁阻（如空气隙），则磁通随之改变。当磁通量发生突变时，磁路中的感应线圈感应出脉冲电势，脉冲电势的频率等于磁阻变化的频率。为改变气隙，在待测轴上装一个软磁材料的调制盘（通常为

60齿的轮盘）。齿盘随待测轴转动，其齿和齿隙交替通过永久磁铁的磁场，不断改变磁路磁阻，使铁芯中的磁通突变，使线圈感应产生频率正比于待测转速的脉冲电势，其频率为：f＝nz/60 式中，n为转速(r/min)；f为频率(Hz)；

z为齿轮的齿数。2024/2/21495.4速度传感器5.5.2磁电感应式转速传感器2）电涡流式转速传感器如图，在软磁材料的输入轴上加工一键槽，距输入轴表面d0处设置传感线圈，输入轴与被测转轴相连。输入轴随被测轴转动，使传感线圈与输入轴的距离变化

d，因电涡流效应导致振荡回路品质因数变化，使传感线圈电感随

d而变化，直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，振荡器输出的信号中包含与转速成正比的脉冲频率信号fn。此类非接触式传感器的最高测量转速可达6

105r/mm。2024/2/21505.4速度传感器5.4.7霍尔式转速传感器结构组成：霍尔开关集成器件+磁性转盘工作原理：磁性转盘的输入轴与被测轴相连，转盘随被测轴转动。转轴转动时，固定在转盘附近的霍尔开关在每个小磁钢通过时产生一个脉冲，检测单位时间的脉冲数可知被测对象的转速。设频率计的频率为f，盘上小磁钢数为Z，转轴转速为:n=60f/Z

下图为不同结构的传感器示意图。磁性转盘上的磁钢数目多少确定传感器的分辨率，数目越多，分辨率越高。2024/2/21515.4速度传感器

不同速度/转速传感器性能与特点比较：速度传感器光电式-

磁电式-

多普勒-

转速传感器光电式-

磁电式-

霍尔式-2024/2/21525.5加速度传感器概述加速度传感器实质上是一种力传感器，利用质量块承受加速度作用的惯性力(F=ma)测得加速度。加速度与运动物体的质量相关，按照加速度引起的作用力对敏感元件的作用形式，加速度传感器可分成压缩型、剪切型和弯曲型。应变片式和压阻式加速度传感器多用弯曲型。不论应变片粘贴在弹性梁上，还是电阻条扩散在膜片上，都是利用弹性元件弯曲变形引起应变片或电阻条的阻值变化来测量。通常，弹性元件采用悬臂梁结构，加速度作用在悬臂梁的质量块上，悬臂梁固定端根部有惯性力作用产生的最大应力，应变片粘贴或电阻条扩散均在此处。根据压电效应，压电元件（如压电陶瓷）厚度变形和剪切变形的压电常数值最大，因此可利用厚度变形制成压缩型加速度传感器，利用剪切变形制成剪切型加速度传感器。2024/2/21535.5加速度传感器5.5.1压电加速度传感器1）压缩型加速度传感器由基座、压电元件和惯性质量块（m）组成，并以一定方式预紧，主要类型见表4-6-1。压电元件由双晶片组成，在电荷聚集表面制作电极。压电元件上放置（或倒置）大密度的金属钨或合金质量块，对压电元件及质量块施加预紧力，静态预载荷应大于传感器在振动或冲击测试中可能承受的最大动态应力，整个组件装在一个刚度较大的底座上。测试时，将基座刚性固定在试件上，振动时质量块承受与基座相同的振动，并受到与加速度(a)方向相反的惯性力作用。质量块有一与加速度成正比的交变力作用在压电元件上，因压电效应，产生交变电荷。当振动频率远低于固有频率时，与作用力成正比的输出电荷（电压）经前置放大器输入信号处理电路，得到与加速度成正比的输出电压。如信号处理电路加入积分电路还可得到振动速度或位移。2024/2/21545.5加速度传感器5.5.1压电加速度传感器1）压缩型加速度传感器如果压电陶瓷受惯性力作用产生表面电荷Q=d33F，因惯性力F=ma，则加速度传感器输出电荷灵敏系数Kq=Q/a=d33m.

可见，灵敏系数与压电常数成正比，与质量m成正比。压电式加速度传感器可简化成质量块m、弹簧k和阻尼器c组成的单自由度二阶力学系统。其数学模型为式中，x为质量块相对于基座的位移（振幅）；a为振动体加速度的振幅；负号表惯性力与加速度方向相反。经拉氏变换，方程写成:(

2s2+2

s+1)x(s)＝−

2a式中，

为时间常数，；

为阻尼比，；固有频率

0＝

-1

。

2024/2/21555.5加速度传感器5.5.1压电加速度传感器1）压缩型加速度传感器解上式得二阶质量−弹簧系统的幅频特性和相频特性表达式：

式中，

为振动频率；

为质量块位移滞后于加速度的相位角x/a是加速度振幅与位移（振幅）比。由于相对位移x是压电元件的变形量，压电元件本身刚度系数为Kx，则作用在压电元件上的惯性力为F＝Kxx，压电元件表面产生电荷Q＝d33F＝d33Kxx，则：2024/2/21565.5加速度传感器5.5.1压电加速度传感器1）压缩型加速度传感器电荷灵敏系数为：上式表示Kq与

/

0（频率比）的关系，称为加速度传感器频率响应特性的数学表达式。在

/

0相当小的范围内，有

Q/a＝d33Kx/

02。可见

0>>

时，Kq近似为常数，基本不随频率变化，为传感器的理想工作频率。加速度传感器与电荷放大器配合使用，低频限可至0.3Hz，可测量接近静态变化的缓变物理量。频率上限取固有频率（可达30kHz）的1/5～1/3左右，即工作在频率响应特性的平直段。2024/2/21575.5加速度传感器5.5.1压电加速度传感器2）剪切型加速度传感器剪切型加速度传感器的底座向上延伸，如同一根圆柱，将圆环式压电元件（极化方向沿圆柱轴线方向）套在圆柱上，再套上惯性质量环。工作时，传感器振动，惯性力作用在压电元件上产生剪切变形，剪切应力作用使压电元件内外环表面产生电荷，电场方向垂直于极化方向。这种结构的传感器由于质量−弹簧系统与外壳隔开，受外界噪声干扰较小。因固有频率高，所以剪切型加速度传感器频率响应范围宽，适合于高频振动的测量，并易实现小型化，其主要类型见表4-6-2。2024/2/21585.5加速度传感器5.5.2电容式加速度传感器结构原理：质量块4由簧片3支撑置于充满空气的壳体2内。测垂向线加速度时，壳体固定在被测振动体上，振动使壳体相对质量块运动，使与壳体固定的两定极板1、5相对质量4运动，导致上定极板5与质量4的A面组成的电容Cxl和下定极板l与质量4的B组成的电容Cx2随之改变，一增，一减，其差值正比于被测加速度。采用空气阻尼，气体黏度的温度系数比液体小得多，因此，这种加速度传感器的精度较高、频率响应范围宽、量程大，可用于较高加速度值的测量。1、5-固定极板2-壳体3-簧片4-质量块6-绝缘体2024/2/21595.5加速度传感器5.5.3电阻应变式、压阻式加速度传感器1）应变式加速度传感器结构：悬臂梁一端固定在壳体的基座上，另一端装有质量块，悬臂梁根部粘贴的应变片连接成差动电桥，可测量垂直方向加速度。2）压阻式加速度传感器结构：直接用单晶硅制作悬臂梁，根部扩散4个电阻组成差动电桥，自由端装惯性质量块。全部结构密封于充硅油的外壳内。可工作在上下或左右振动状态。当悬臂梁自由端的惯性质量受到振动产生加速度时，梁弯曲而产生应力，使4个电阻阻值发生变化。通过测量电阻变化得到应力大小，从而求得加速度a。2024/2/2160四种原理的加速度传感器比较压电式：体积小、频响宽、动态性好电容式：动态性好、高g值、集成化应变式：体积大、压阻式：体积小、灵敏度、集成化2024/2/21615.6力传感器5.6.1应变式力与称重传感器构成：弹性元件+应变片+测量电路1）柱筒式力传感器特点：结构简单、紧凑，可设计成拉、压或拉压式。实心柱式可承受较大负荷。原理：根据材料力学原理，截面积为A、弹性模量为E的柱筒式弹性元件的应变ε与作用力F的关系为：ε=F/(AE)灵敏度：为提高灵敏度，也即在给定力作用下产生较大应变ε，应减小横截面积A（常用筒式结构）。但A的减小受材料的许用应力和对力与应变关系的线性要求的限制。若A允许减小，其抗弯能力也减弱，传感器对横向干扰力敏感。2024/2/21625.6力传感器5.6.1应变式力与称重传感器1）柱筒式力传感器

示例：图a是一种应变式力传感器的典型结构，承力弹性元件用圆柱加工成的方柱，金属应变片粘贴在四个侧面。电路：应变片测动态力常用直流不平衡桥(图b)。实用中视情况采用单桥、半桥和全桥(应变片)桥路。未受力时应变片阻值不变，电桥维持初始平衡(R1R4=R2R3)，输出为零；受力产生ΔR变化，电桥不平衡输出：2024/2/21635.6力传感器5.6.1应变式力与称重传感器1）柱筒式力传感器若第一桥臂接应变片R1，其他为固定电阻，传感头受力使应变片变化ΔR1，电桥有不平衡输出。设R2/R1=n,根据电桥初始平衡条件并忽略微量ΔR1/R1，上式可改写为：可知，输出电压正比于应变片受力产生的电阻变化值ΔR1，且n=1时电桥输出Uout最大。上图c是有温度补偿功能的四应变片全桥接法。若使n=1，即

R1=R2=R3=R4，且ΔR1=ΔR3，ΔR2=ΔR4，ΔR2=−

R1，则电桥输出为：不足:柱筒式力传感器的截面积随载荷而改变导致非线性，但可进行补偿。

2024/2/21645.6力传感器5.6.1应变式力与称重传感器2）梁式力传感器优点：梁式结构可获得较大灵敏度。若结构和粘贴都对称、应变片参数相同，该结构除灵敏度较高外，还便于温度补偿和消除x和y方向力干扰。（1）弹性元件--等截面梁原理：如图所示，悬臂梁长、宽、厚分别为l、b、h。力作用在自由端，固定端截面中的应力最大。在距载荷点l0的上、下表面对称位置，沿l方向分别贴灵敏系数为K的应变片R1、R2和R3、R4，上下两组应变片的应变大小相等、符号相反。将4应变片接成差动全桥，有高灵敏度。贴变处的应变为：

=6Fl0/(bh2E)2024/2/21655.6力传感器5.6.1应变式力与称重传感器2）梁式力传感器（1）弹性元件--等截面梁差动全桥的输出为：Uout=UΔR1/R1=UK

=6UKFl0/(bh2E)图b所示结构是针对上图a所示等截面梁的改进，主要避免力F的作用点偏移引起误差。四个应变片分贴在两个不同截面上，此时若作用力有偏移，如图中虚线所示，则R1、R2处的应变绝对值增大，R3、R4处的应变绝对值减小。应变量的计算方法基本同前。改进：带副梁的等截面梁，因增加副梁和改变应变片的粘贴位置，使l0缩小，弯矩也减小，对载荷点的位置要求降低，中间加载也便于结构设计。2024/2/21665.6力传感器5.6.1应变式力与称重传感器2）梁式力传感器（2）弹性元件--等强度梁结构原理：下图所示是固定端宽度为b的等强度梁结构图。在自由端有力F作用时，在梁表面整个长度方向上产生大小相等的应变。应变大小可由下式计算。

=6Fl/(bh2E)梁自由端所需要的最小宽度

bmin=3F/(2h[

]) 式中，[

]为材料的许用剪应力。优点：对在长度方向上粘贴应变片位置要求不严。另外，梁的自由端挠度不能太大，否则荷重方向与梁的表面不成直角，会产生误差。2024/2/21675.6力传感器5.6.1应变式力与称重传感器2）梁式力传感器(3)弹性元件--双端固定梁结构及布片：如图a所示，被测力F沿梁中心圆柱作用使其对称受力。按图b所示设置坐标系，梁上表的轴向应变近似为：

(L,b,h为梁的等效长,宽,厚)梁中心(x=0)和边缘处(x=±L/2)应变分别为:

x≈±0.231L处，

x=0。同理得梁下表的应变。差动桥路，贴双片增加平均效应。特点:同作用力下,挠度比悬臂梁小,过载易致非线性。

2024/2/21685.6力传感器5.6.2压电式力传感器1）概述相对其他类型力传感器的优点：静态刚性好，固有频率高(几百到几百千赫)，灵敏度高，分辨率高(可达满量程的10−7或更高)；线性、滞后及重复性均好，可测频带宽，动态误差小，适用于动态测力；采用石英晶体因而性能稳定，寿命长，体积小，结构紧凑，安装调整方便；因密封封装而耐腐蚀，耐潮湿；但不适于测量静态力。2）单向力传感器测与传感器承载面垂直的外力—法向力Fz，即所谓“测力垫圈”。采用xy切型晶体，根据压电系数d11实现力/电转换主要特点：体积小、质量轻，固有频率高，便于组合。2024/2/21695.6力传感器5.6.2压电式力传感器2）三向力传感器同时测空间中的任一或多个力，分解并合成到三坐标轴输出几个三向力传感器组合，可对复杂力系进行综合动态测量。工作原理和特性与压电式加速度传感器基本相同。以单向力

Fz作用为例，压缩式压电力传感器的电荷灵敏度幅频特性：

<<

n时，上式变为：Q≈d11Fz

，传感器输出正比于被测力。2024/2/2170两种原理的力传感器特点比较：应变式：结构型、体积大和非线性、但低频性能好。。。压电式：动态性能好、体积小、稳定性好、低频相对差2024/2/21715.6力传感器5.6.3压力传感器1）概述压力分类：相对压力(表压、压差)、绝对压力、负压或真空度相对压力：指绝对压力和大气压力之差，生产中的压力表示值一般为相对压力（表压）；绝对压力：表压和大气压力之和；负压或真空度：低于大气压的被测压力。

2024/2/21725.6力传感器5.6.3压力传感器2）薄膜压力传感器薄膜应变片：为解决应变片粘贴质量问题，改善敏感层与弹性体(基片)间的传递性能，将金属或半导体敏感材料直接用溅射和蒸镀方法与基片制成一体。相对粘贴式的优点：无蠕变、稳定性好、可靠性高。三层结构:基片-金属材料弹性体；中间-绝缘层(如Si3N4薄膜)

表层-敏感膜。在表层敏感膜局部做金属内引线层，用光刻制成敏感栅并连成电桥，用外引线引出，构成传感器件。2024/2/21735.6力传感器5.6.3压力传感器3）E形膜片基本结构：如图所示，在平膜片（硅杯）中心制作一个硬中心，硅杯成“E”字形，称做E形膜片。平膜片因大挠度产生的非线性误差问题：采用E形结构，加大中心部分的刚度，利用硬中心将均布压力转为集中力，在小位移下产生较高应力。相对平膜片，

E形膜片增加了有效面积，在膜片应变式压力传感器中得到了广泛应用。

E形膜片的应力分布：如右图所示，最大弯曲应力σr发生在r=R和r=r0膜片上表层处.2024/2/21745.6力传感器5.6.3压力传感器4）差压传感器特殊性:待测压力/差较小，膜片两侧静压很高，需过压保护组成：力敏器件+中心膜片+主体膜+密封膜片，空间充不可压缩硅油，以传递压力、保护力敏器件和散热。力敏器件：E形或EI形硅杯压感膜片，两侧同时加高静压，如图压力转换部分是核心结构。工作过程：高压p1和低压p2分别作用在两侧密封膜，经硅油将压力传到敏感器件上下两面，压差作用使其输出信号。

过载保护：由中心膜片实现。例如，右侧有超阈值静压p1时，使右侧密封膜贴在主体膜上，部分压力被隔离,

另一部分经硅油使中心膜片左移挤压左侧硅油，将压力传到敏感膜上面，实现力平衡，此隔离和平衡过程在瞬时完成。2024/2/21755.6力传感器5.6.3压力传感器5）压电式压力传感器基本原理与结构与前述压电式加速度和力传感器大同小异。不同点：它必须通过弹性膜、盒等收集压力并转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体做压电元件。按弹性元件分类：活塞式、膜片式(加力方式不同)组成：本体+弹性元件+压电元件，压电元件一般用石英晶体。

性能特点：传感器灵敏度可通过选择叠加的晶片数确定。低、中压力传感器的量程为50MPa；高、超高压力传感器的测量范围为4×103～104MPa。2024/2/21765.6力传感器5.6.3压力传感器5）压电式压力传感器典型产品1：奇士乐(Kistler)公司的系列产品;7031型压力传感器采用压缩式石英晶片组，被测压力通过膜片和预紧筒传递给压电组件。在压电组件和膜片间垫有陶瓷与铁镍铍青铜两种材料制成的温度补偿片，补偿长时间缓变的热干扰对预载的影响。

2024/2/21775.6力传感器5.6.3压力传感器5）压电式压力传感器典型产品：血压计用压电式血压传感器图a产品采用PZT-50H压电陶瓷双晶片悬梁结构。被测动脉压通过上塑料块、振膜、下塑料块传递到压电悬梁的自由端。压电梁弯曲变形产生电荷经电荷放大器输出。图b产品采用掺杂PZT陶瓷的PVF2复合压电材料，其韧性好，易与皮肤吻合，力阻抗与人体匹配，可消除外界脉动干扰。这种传感器结构简单，体积小，耐用，输出再现性好，适用于人体脉压、脉率的检测或脉波再现。

2024/2/21785.6力传感器5.6.3压力传感器5）光纤压力传感器(1)全内反射光纤压力传感器原理：膜片(反射表面)受压弯曲（也可利用固定在膜片上的可动反射体），使反射光通量重新分布。图示传感器基于压力作用破坏全内反射条件。工作过程：膜片1受压弯曲，改变棱镜8顶面与光吸收层2的气隙间隙，使棱镜上全内反射界面局部被破坏，造成光纤内传输光部分离开上界面(顶面)，折射入吸收层被吸收，改变从发射光纤4(左)进入接收光纤4(右)的光强。用桥式光敏器件5测出气隙变化所引起的光强变化，从而反映被测压力大小。

输出光电信号大小由光纤与膜片间距及膜片形状决定。2024/2/21795.6力传感器5.6.3压力传感器5）光纤压力传感器(1)全内反射光纤压力传感器周围固定的小挠度膜片(y0≤0.5h)中心的最大挠度计算式为

y0=3p(1−μ2)r4/(16Eh3)

式中p为压力;

为泊松比;r为膜片有效半径;E为弹性模量;h为厚度。y0≤h/3时,传感器输出的线性度较好;过大将产生明显非线性。测大压力时,若膜片直径一定,需增加膜厚。属动压测量装置，其频率特性是重要参数。膜片固有频率与材料性能及结构尺寸有关。另外，还有压力容腔导管及光敏器件频率特性等影响传感器的频响。优点：频响高，尺寸小，受流体场影响小，灵敏度高，受振动、温度及声波影响较小。

2024/2/21805.6力传感器5.6.3压力传感器5）光纤压力传感器(2)偏振调制压力传感器光弹效应(应力双折射效应)：各向同性的介质材料在外力作用下呈现各向异性的光学特性。这是一种传输光产生线性双折射的偏振效应。若应力垂直加在光传播方向，则应力方向的介质常数增加，从而改变该方向偏振光强大小。原理：(透明)平面物体受力时，其各点都有两个主应力分量，光入射透明时，形成两束线性偏振光，且两个光矢分别沿两个主应力方向，其折射率之差与主应力之差成正比。如图所示，受压力作用的透明光弹薄片

C放在两正交偏振片P1、P2之间，屏幕

M上会产生偏振光干涉条纹，条纹形状由光程差相等(主应力差相等)的光点轨迹决定。2024/2/21815.6.3压力传感器5）光纤压力传感器(2)偏振调制压力传感器如图所示，压力作用于膜片使光弹玻璃产生压应力。根据光弹效应，光源发出的光经起偏器形成两束偏振光，在光弹玻璃处产生线性双折射偏振，检偏器得到偏振光干涉，由接收光纤送入光电器件，不同的主应力差对应不同的光强输出。光弹效应可用于压力和应变的静、动态检测；把膜片改成重物可作为加速度传感器，也可测水声压。最小可测9.5Pa压差，在0～500kPa

内线性良好。相对干涉型光纤传感器，灵敏度偏低，但容易调压、结构简单。2024/2/2182压力传感器比较：薄膜应变片式：稳定性、可靠性好，适应高温环境压电式：压电材料-刚性、柔性光纤式：结构简单、频响好、尺寸小、灵敏度高、受环境振动、温度影响小。2024/2/21835.6力传感器5.6.4扭矩传感器1)概述分类：接触式、非接触式。电阻应变式扭矩传感器是旋转扭矩测量法中最简单可靠且精度高的传感器，但属接触式方式，供电和信号输出不便。若改变其接触式方式，将应变桥路和集成电路固定在转轴上，用无线方式传输测量信号，可成为一种遥测扭矩传感器，但还存在对转轴上的电路的供电不便。非接触式基于两类基本方法：一是利用扭矩与扭转角的关系，通过测角位移测扭矩；二是利用扭矩应力产生磁弹效应，通过测材料磁导率或磁阻变化获得相应的应力大小，从而测得扭矩。改进这两类基本方法，形成了多种非接触式的扭矩传感器。2024/2/21845.6力传感器5.6.4扭矩传感器

2)光栅扭矩传感器原理：表4-9-1的常见扭矩测量法中，光闸光栅式扭矩传感器根据光闸光栅A与B处产生的相对扭转角，改变光栅圆周上的相对位置使光强变化。上图所示传感器基于莫尔条纹原理。旋转轴1上A与B处各固定一片外侧动光栅2。轴套3两端对应外侧动光栅，各固定一片内侧定光栅4，形成两组栅距相同的光栅副。轴1转动时轴套固定，光栅副形成莫尔条纹，输出电路输出正弦波，波形如右图所示。

2024/2/21855.6力传感器5.6.3扭矩传感器2)光栅扭矩传感器转轴1有扭矩作用时，A与B有相对扭转角

，两处的正弦波相位差从零扭矩时的

0变为

0+

。经电路整形和运算处理得到脉冲信号波C，其脉宽与

的大小成正比。从而由测输出脉宽得到对应转矩值。光栅扭矩传感器用于测静态平均转矩(转轴固定，轴套旋转)或动态平均转矩(轴套固定，转轴旋转)，其转矩特性见图(纵坐标为相位差

，代表扭转角

)。相同转矩下，A与B间距越大，

越大，传感器分辨率越高，但使轴的挠度增大，易振动，且系统尺寸变大。扭矩变小时曲线呈线性；扭矩增大，分辨率下降，曲线呈非线性。

2024/2/21865.6力传感器5.6.4扭矩传感器3)磁弹性扭矩传感器压磁效应：力作用下，铁磁材料压应力方向的磁导率下降，垂直压应力方向的增加，拉应力作用则相反。

(1)正交磁头型扭矩传感器结构：磁极E1-E2的铁芯与轴线平行，上绕励磁线圈；磁极D1-D2的铁芯与轴线垂直，上绕检测线圈。两铁芯端面呈圆弧状。铁芯与被测轴表面组成闭合磁路。工作原理：无扭矩时轴表面各向磁同性，磁导率无变化，检测线圈无感应电势；有扭矩时，应力使（磁性材料）轴表面磁导率变化，磁力线扭曲，导致穿过检测线圈的交变磁通量改变，产生感应电势。传感器输出电压U与扭矩M为线性关系：U=aM，其中a为静态灵敏系数。

2024/2/21875.6力传感器5.6.4扭矩传感器3)磁弹性扭矩传感器--正交磁头型扭矩传感器传感器输出U(

)与扭矩M(

)的线性关系对回转角存在角度依赖性，用方程表示为：U(

)=a(

)M(

)+b(

)

式中，a(

)为灵敏系数；b(

)为输出补偿。

(2)薄壁套筒型扭矩传感器以高磁致伸缩系数及高磁导率材料薄壁套筒作扭矩敏感元件,其两端与轴固连。转轴受扭矩作用时，套筒表面应力最大。已知其±45

方向有最大主应力且等于该处截面上的剪应力

(

=

=M/W)。W为几何尺寸确定的定值，主应力

与材料磁导率

呈线性关系。转轴受扭矩作用时，套筒与轴有相同扭转角，套筒扭转变形反映转轴所受扭矩。在材料弹性范围内和一定磁场强度下，存在线性关系：

=Kμ

；式中，

为应力变化量；

为磁导率变化；Kμ为磁弹性系数。2024/2/21885.6力传感器5.6.4扭矩传感器3)磁弹性扭矩传感器--薄壁套筒型扭矩传感器结构：薄壁套筒上铣两组与轴线成±45˚的对称斜槽，承受扭矩引起的最大应力，对应斜槽段放置两差动连接的测量线圈，其外套励磁线圈。转轴无扭矩作用时(M=0)，两测量线圈感生电势相同，方向相反，输出为零；转轴承受扭矩作用时，M≠0，薄壁套筒磁导率变化

，过测量线圈的磁通量改变，引起感应电势变化：

E=kf

H，其中，k为耦合系数；f为励磁电压频率；H为磁场强度。当励磁电压及频率、线圈尺寸及匝数、薄壁套筒材料确定之后，

k、f、H均为定值，输出感应电势ΔE与扭矩M呈线性关系。2024/2/21895.6力传感器5.6.4扭矩传感器3)磁弹性扭矩传感器--薄壁套筒型扭矩传感器产生交变磁通的励磁线圈由高精度的稳频稳幅振荡器、缓冲器及高保真度、低噪声功率电路组成的电路驱动。实验证明，当励磁频率为lkHz时，输出特性有较好线性。利用励磁线圈和测量线圈的耦合，使一个测量线圈的输出电压为拉应力引起，另一测量线圈的输出电压由压应力引起，采用差动全波整流电桥拾取测量线圈输出的扭矩信号，经滤波电路和测量放大器获得0～5V电压信号。不同的非接触式扭矩传感器特点比较：光栅：灵敏度和精度高、电路简单、环境因素影响、磁弹性：环境适应性好、测量电路要求相对高、噪声影响2024/2/21905.7流量传感器5.7.1流量传感器概述

现代工业生产和日常生活中，存在许多流体（气体或液体）的输送计量和控制需求，需测量流体的速度或者流过的流量，这些需要适用于不同流体的流量传感器。瞬时流量：单位时间内流体通过管道某一截面的体积数或质量数。累积流量：在一段时间范围内流体通过管道某一截面的体积数或质量数的总和。流量可分为体积流量和质量流量。2024/2/21915.7流量传感器5.7.1流量传感器概述1）体积流量Qv体积流量分为瞬时体积流量和累积体积流量，分别表示为 ，式中，A为流体流过的管道的某截面面积（m2）；v为流体的速度（m/s）；t为流体流过某截面的时间范围（s）。由于流体有黏性，因此，某一截面上各点的流速并不均匀，上两式中的流体速度v是指流过某一截面流体的平均速度。2）质量流量Qm质量流量分瞬时质量流量Qms和累积质量流量QmT，分别为：

，式中，

为流体的密度（kg/m3）。2024/2/21925.7流量传感器5.7.1流量传感器概述3）流量的测量方法由上可知，只要能测得流体的体积流量Qv或质量流量Qm或者流体的平均速度v和流体流过的某一截面面积A及时间范围t，就能测得流体的流量。根据流体的性质、流体的工作状态、测量流体的工作场合等的不同，有很多不同的流量测量方法。目前应用较多的流量传感器中，常将流量测量问题转换成其他非电量的测量，如转速（速度）、位移、压差、频率、时间等，然后在检测仪表中把这些非电量转化为电量，最后计算出流体的流量。2024/2/21935.7流量传感器5.7.2差压式流量传感器

方式：通过测量流体在管道内流动而产生的差压或力来测得其流量，主要有节流式、靶式、转子式等。

1）节流式流量传感器工作原理构成：如图所示，节流装置+静压差测量装置+测量仪表流体管道中安装一节流装置，当充满管道的流体经过节流装置时，因管道截面突然变小，流体在此形成流束收缩，流体的平均速度加大，使动压力加大、静压力减小，在节流装置前后形成静压差：Δp=pi−po

式中，pi为节流装置前的流体静压（N/m2）；

po为节流装置后的流体静压（N/m2）。2024/2/21945.7流量传感器5.7.2差压式流量传感器

1）工作原理静压差Δp与流过管道的流体体积流量Qv的关系为： （基于能量、动量守恒的伯努利方程）式中，

为实验方法所确定的流量系数；

为流体膨胀校正系数（可压缩流体

<1，不可压缩流体

＝1）；S为节流装置收缩最厉害的截面面积（m2）；

为流体密度（kg/m3）。测得节流装置前后的静压差

p，就可得流体的体积流量Qv。

2）节流式流量传感器的特点结构简单、价格便宜、使用方便，目前工业生产中应用最多的流量传感器，几乎占70%；不足：易受流体密度影响，管道中有压力损失，只适于洁净流体测量，不适合于航空有关领域的流体流量的测量。2024/2/21955.7流量传感器5.7.3涡轮式流量传感器方式：利用转速法测流量的传感器。1）磁电式涡轮流量传感器

结构：如图所示，管道内装自由旋转的涡轮