传感器原理与技术课件：力和压力的检测

同学们，今天我们学习的内容是热电阻传感器的结构和测量电路与运用。Structureandclassificationofstraingauges力和压力的检测同学们，今天我们学习的内容是热电阻传感器的结构和测量电路与运用。Structureandclassificationofstraingauges应变片的结构与分类应变片的结构与分类电阻应变片式传感器具有悠久的历史，也是目前应用比较广泛的传感器之一。电阻应变片式传感器目前应用比较广泛的传感器之一具有悠久历史将电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，加上相应的测量电路后就可以检测位移、加速度、力、力矩等参数变化。粘贴在各种弹性敏感元件上位移加速度力加上相应的测量电路后力矩电阻应变片是电阻应变片式传感器的核心器件。电阻应变片式传感器核心器件结构简单使用方便性能稳定可靠易于自动化多点同步测量远距离测量遥测并且测量的灵敏度，速度都很高，无论是静态测量还是动态测量都很适用。测量的灵敏度，速度都很高静态测量动态测量很适用电阻应变片式传感器机械电力化工建筑医疗航空广泛应用电阻应变计也称应变片，是基于应变效应制成的。基于应变效应制成的电阻应变计应变片11.结构应变片常见的粘贴式结构如图3-1-2所示。应变片的典型结构包括有敏感栅、基底、盖片、引线及黏合剂等。结构应变片中实现电阻转换的元件合金材料的选择制造应变片的性能决定性作用因此对合金材料的选择需考虑的因素有：①较高的灵敏系数并在较大的应变范围内稳定；②有高的和稳定的电阻率；③电阻温度系数小并有足够的热稳定性；④机械强度高、加工和焊接性能良好；⑤抗氧化和抗腐蚀性能强等。①较高的灵敏系数并在较大的应变范围内稳定合金材料的选择需考虑的因素②有高的和稳定的电阻率③电阻温度系数小并有足够的热稳定性④机械强度高、加工和焊接性能良好⑤抗氧化和抗腐蚀性能强工程应用中应根据实际情况综合考虑工程应用中应根据实际情况综合考虑。常用的合金大致有：铜镍合金（康铜）、镍铬合金、铁铬铝合金、镍铬铁合金、铂及铂合金等。铜镍合金（康铜）镍铬合金铁铬铝合金镍铬铁合金铂及铂合金常用的合金（2）基底基底的作用是保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，并使敏感栅与弹性元件相互绝缘。保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置使敏感栅与弹性元件相互绝缘对基底材料的要求是挠性好，具有一定的机械强度，黏合性和绝缘性能好、蠕变和滞后小、不吸潮和热稳定性好等。基底材料的要求挠性好有一定的机械强度黏合性和绝缘性能好蠕变和滞后小不吸潮热稳定性好纸胶膜玻璃纤维布聚酰亚胺是一种综合性能极佳的有高分子材料之一，其胶膜耐高温达400℃以上，长期使用温度范围为-200~300℃，聚酰亚胺综合性能极佳的有高分子材料之一胶膜耐高温达400℃以上长期使用温度范围为-200~300℃高绝缘性成膜性好蠕变小滞后小稳定性好疲劳寿高已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。广泛应用领域玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，玻璃纤维性能优异的无机非金属材料绝缘性好耐热性强抗腐蚀性好机械强度高稳定性高疲劳寿命高适用于高精度传感器上（3）盖片盖片的作用是防潮、防腐、防损、避免机械损伤和高温氧化等。防潮防腐防损避免机械损伤高温氧化也可以用黏合剂作为保护层。作保护层（4）引线它的作用是连接敏感栅与测量电路。连接敏感栅测量电路通常使用低的稳定电阻率及小电阻温度系数的丝状或带状的金属导线。低稳定电阻率小电阻温度系数丝状或带状常温应变片多用镀银紫铜丝或铜带，镀银紫铜丝铜带常温应变片镍铬银铂高温应变片铍青铜高疲劳寿命的应变片引线与敏感栅的连接可以采用钎焊、锡焊、电弧焊或电接触焊等。引线与敏感栅的连接钎焊锡焊电弧焊电接触焊（5）黏合剂生产应变片时，黏合剂的作用是把盖片和敏感栅固定在基底上，使用应变片时，黏合剂的作用是把应变片贴在弹性体被测位置上。生产应变片时使用应变片时把盖片和敏感栅固定在基底上把应变片贴在弹性体被测位置上贴应变片时，因为黏合剂参与弹性体形变到应变片的传递，所以其形成的胶层直接影响应变片的性能。贴应变片时因为黏合剂参与弹性体形变到应变片的传递，所以其形成的胶层直接影响应变片的性能。工程上黏合剂的选择要根据具体要求，有针对性地选择2.分类电阻应变片的分类方法很多，可以按材料、工作温度、用途等进行分类。2分类电阻应变片的分类方法材料工作温度用途金属应变片半导体应变片其中金属应变计可细分为丝式、箔式和薄膜应变计，金属应变片丝式应变计箔式应变计薄膜应变计体型扩散型薄膜型半导体应变片（2）按应变片的基底材料分为纸基底应变片、浸胶基应变片、金属应变片。（2）按应变片的基底材料纸基底应变片浸胶基应变片金属应变片（3）按应变片工作的温区分为低温、常温、中温及高温应变片。（3）按应变片工作的温区低温应变片常温应变片中温应变片高温应变片（4）按应变片的安装方法分为粘贴式、非粘贴式应变片等。（4）按应变片的安装方法粘贴式应变片非粘贴式应变片同学们，本节课我们学习了应变片的结构与分类，大家都掌握了吗？Thankyou谢谢大家谢谢大家Workingprocessofstraingaugeandtemperatureerrorandcompensation应变片的工作过程与温度误差及补偿应变片的工作过程与温度误差及补偿1.工作过程，应变片在使用时，通常是将其用黏合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，将其用黏合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上应变片在使用时1工作过程随着试件受力的变形，应变片的敏感栅也会做同样的变形，由此就会使其电阻值发生改变。试件受力的变形应变片的敏感栅会做同样的变形使其电阻值发生改变后级测试电路测试电压变化电流变化2.检测电路对应变片输出信号的检测，因为金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大，2检测电路对应变片输出信号的检测因为金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。故通常采用电桥检测的方式，具体检测电路如图3-1-4所示。电桥检测的方式贴在测试件上的有效应变片电阻R4为虚设应变片电阻(实际上是一种电桥配平衡电阻)。虚设应变片电阻（电桥配平衡电阻）当R不受力时，将电桥调至平衡状态，使输出电压u=0当R3由于受力变形电阻值发生变化时，电桥就会失会平衡，就将有信号电压u0输出，u0电压的大小就反映了受力的大小。当R3由于受力变形电阻值发生变化时电桥失去平衡，将有信号电压u0输出u0电压的大小反映了受力的大小电阻应变片式传感器在实际使用时，除了应变会导致应变片电阻值发生变化外，温度变化也会使应变片的电阻值发生变化。这种因温度变化而产生的误差称为温度误差。因温度变化而产生的误差——温度误差应变会导致应变片电阻值发生变化温度变化也会使应变片的电阻值发生变化产生的原因主要来自两个方面，一是因温度变化而引起的应变片敏感栅的电阻变化及附加变形；二是因被测物体材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。产生的原因的主要两个方面一、因温度变化而引起的应变片敏感栅的电阻变化及附加变形二、因被测物体材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变检测系统中有必要进行温度补偿减小或消除由此而产生的测量误差常用的温度补偿方法桥路补偿应变片自补偿补偿片测量时应变片是作为平衡桥的一个臂参与测量应变的。图3-1-5中的R1为工作片，R2为补偿片。测量时应变片是作为平衡桥的臂参与测量应变的工作片补偿片R1粘贴在被测物体上需测量应变的位置上R2粘在一块不受应力作用但却与被测物体材料相同的补偿块上，并且处于和被测物体相同的温度环境中当温度发生变化时，工作片R1和补偿片R2的电阻都会发生变化。工作片R1和补偿片R2的电阻都会发生变化当温度发生变化时R1和R2为同类应变片，又粘贴在相同的材料上，由于温度变化而引起应变片的电阻变化量相同R1和R2的变化相同ΔR1=ΔR2由于R1和R2分别接在电桥相邻的两个臂上，如图3-1-5(a)所示。由于R1和R2分别接在电桥相邻的两个臂上因温度变化而引起的电阻变化ΔR1和ΔR2的作用可相互抵消，从而起到温度补偿的作用。桥路补偿法的优点是简单、方便，在常温下补偿效果比较好。优点简单方便在常温下补偿效果比较好缺点温度变化梯度较大时比较难掌握桥路补偿法应变片自补偿法采用特殊应变片粘贴在被测部位上，在温度发生变化时使所产生的附加应变为零或相互抵消。应变片自补偿法特殊应变片粘贴在被测部位上在温度发生变化时使所产生的附加应变零相互抵消选择式自补偿片双金属敏感栅自补偿应变片简单实用效果好Thankyou谢谢大家谢谢大家Applicationsforresistivestraingaugesensors同学们，今天我们要学习的主要内容是电阻应变片式传感器的应用。电阻应变片式传感器的应用第一种应用是应变式测力与荷重传感器。电阻应变式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域。1应变式测力与荷重传感器最大用武之地称重测力应变计弹性元件测量电路根据弹性元件结构形式（柱形、筒形、环形、梁式、轮辐式等）弹性元件结构形式柱形筒形环形梁式轮辐式弹性元件受载性质拉压弯曲剪切常见的应变式测力与荷重传感器有柱式、悬臂梁式、环式等，如图3-1-8所示。常见的应变式测力与荷重传感器柱式悬臂梁式环式(a）应变式荷重传感器外形(b）悬臂梁(c）汽车衡称重(1)柱式力传感器柱式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥连接时考虑减小载荷偏心和弯矩影响。(1)柱式力传感器应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥连接时考虑减小载荷偏心和弯矩影响。横向贴片作温度补偿用，贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图3-1-9所示。横向贴片作温度补偿用贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接柱式力传感器结构简单、紧凑，可承受很大载荷。结构简单、紧凑，可承受很大载荷(a）柱形(b）简形(c）圆柱面展开图(d）桥路连接图用柱式力传感器可制成称重式料位计，如图3-1-10所示。用柱式力传感器可制成称重式料位计(2)梁式力传感器常用的梁式力传感器有等截面梁应变式力传感器、等强度梁应变式力传感器以及一些特殊梁式力传感器(2)梁式力传感器等截面梁应变式力传感器等强度梁应变式力传感器特殊梁式力传感器（如双端固定梁、双孔梁、单孔梁应变式力传感器等）。特殊梁式力传感器双端固定梁双孔梁单孔梁结构较简单用于测量500kg以下的载荷与柱式相比，应力分布变化大，有正有负梁式力传感器可制成称重电子秤如图3-1-11(a）所示，原理图如图3-1-11(b）所示。(a）电子称外形；(b）电子称结构示意图梁式力传感器可制成称重电子秤(a）电子称外形(b）电子称结构示意图上下表面的应变大小相等符号相反上表面产生拉应变下表面产生压应变粘贴在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短，得到正负相间的电阻值的变化，接入桥路后，就能产生输出电压。粘贴在上下表面的应变片随之拉伸和缩短得到正负相间的电阻值的变化接入桥路产生输出电压第二种应用是轧钢机。轧钢机工作过程中，轧制力是一个重要因素，它关系到产品的生产效率、产品质量、生产成本以及轧钢机的使用寿命。2轧钢机轧制力重要因素产品的生产效率产品质量生产成本轧钢机的使用寿命通常还有压磁式和电容式等几种力传感器。国内外测量轧制力压磁式传感器电容式传感器电阻应变式传感器图3-1-12为某圆盘式测力传感器示意图，其额定量为2000t，检测精度为0.15%。目前国内各大钢厂轧制力的测量都使用这种传感器。额定量为2000t检测精度为0.15%圆盘外径：800mm厚度：80mm径向：8个φ16孔孔侧粘贴5片120Ω的应变片，对边同样粘贴5片并串联在一起，与此相隔90°方向对孔同样接法，再将两并联构成一桥臂。其余测量孔同样数量应变片构成另一桥臂。孔侧粘贴5片120Ω的应变片对边同样粘贴5片并串联在一起与此相隔90°方向对孔同样接法将两并联构成一桥臂余测量孔同样数量应变片构成另一桥臂另外两个补偿臂由贴在圆盘侧面的10片120Ω应变片构成每5片为一桥臂，用10~12V直流稳压电源供电外套为不锈钢护罩，抽成真空补充氮气。用此种传感器可以准确、可靠地检测轧钢机的轧制力。外套：不锈钢护罩抽成真空补充氮气准确、可靠地检测轧钢机的轧制力Thankyou谢谢大家谢谢大家Piezoelectriceffect同学们，本节课我们学习的内容是压电效应。我们先看一个有趣的故事，来理解压电效应：压电效应压电效应项目三、力和压力的检测迄今为止，世界上已发现响沙一百多处，响沙我国有鸣沙山甘肃敦煌的鸣沙山沙坡头宁夏中卫的沙坡头银肯响沙湾和内蒙古鄂尔多斯的银肯响沙湾东额其响沙还有内蒙古赤峰市翁牛特旗布力彦的东额其响沙。沙响的原因并不神秘。由于沙粒机械成分一致，都是中粒沙或细粒沙，几乎没有灰尘，石英的含量又高，中粒、细粒沙石英含量高一定压力下产生压缩或延伸eee压电性质压电的晶体收缩和膨胀，便产生响声，挤压的石英沙子产生了电荷，当足够多电荷聚集在地表并上升到空中，引起了电荷的放电声响。响沙的由来压电效应的存在压电效应是某些物质沿某一方向受到外力作用时，物质会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料两个表面产生符号相反的电荷，物质+-会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料两个表面产生符号相反的电荷，物质+-当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，物质当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变，这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。物质当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变正压电效应顺压电效应反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力物质当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变正压电效应顺压电效应物质反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力物质当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，物质逆压电效应电致伸缩效应这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。物质第一，石英晶体的压电效应。石英晶体的压电效应图3-2-2为天然石英晶体的结构外形，在晶体学中用三根互相垂直的轴Z.X、Y来表示它们的坐标。图3-2-2石英晶体的外形图Z轴为光轴，它是晶体的对称轴；图3-2-2石英晶体的外形图晶体的对称轴Z：光轴X轴为电轴，该轴压电效应最为明显，也就是说压电效应产生的电荷一般分布在垂直于X轴的平面上；图3-2-2石英晶体的外形图压电效应最明显X：电轴

Y轴为机械轴，机械变形一般发生在此轴。图3-2-2石英晶体的外形图机械变形一般发生在此轴Y：机械轴石英晶体的压电效应与其内部结构有关。石英晶体的压电效应与其内部结构有关石英晶体的化学式是SiO2。为了直观地了解其压电效应，将一个单元中构成石英晶体的硅粒子和氧离子，在垂直于Z轴的XOY平面投影。石英晶体化学式：SiO₂等效为图3-2-4（a）所示的正六边形排列。图3-2-4石英晶体压电效应示意图图中里面是+，外面是〇，代表si4+；里面是－，外面是〇，代表2O²–。图3-2-4石英晶体压电效应示意图+++

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当石英晶体未受外力作用时，正、负离子（即和）正好分布在正六边形的顶角上，形成三个大小相等互成120°的电偶极矩P1、P2、P3，如图3-2-4(a)所示。+++---图3-2-4石英晶体压电效应示意图P=ql,q为电荷量，l为正、负电荷间的距离。电偶极矩方向为负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于0，即p1+p2+p3=0。图3-2-4石英晶体压电效应示意图P=qlq：电荷量l：正、负电荷间的距离方向：负电荷指向正电荷正、负电荷中心重合电偶极矩的矢量和等于0P1+P2+P3=0此时晶体表面不产生电荷，从整体上说它呈中性晶体表面不产生电荷整体上呈中性当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，如图3-2-4(b）所示。图3-2-4石英晶体压电效应示意图电偶极矩在x轴方向上的分量(p1+p2+p3)＞0，在x轴正方向上的晶体表面上出现正电荷；而在y轴和z轴方向上的分量均为0，所以垂直于y轴和z轴的晶体表面上不出现电荷。图3-2-4石英晶体压电效应示意图P1+P2+P3＞0X轴方向分量P1+P2+P3=0Y、Z轴方向分量X轴：正电荷Y、Z轴：无电荷这种沿x轴施加作用力，而在垂直于x轴的晶体表面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应”。沿X轴施加作用力，在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷纵向压电效应当石英晶体受到沿y轴方向的压力作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，P1+P2+P3＜0X轴方向分量X轴：负电荷P1+P2+P3=0Y、Z轴方向分量Y、Z轴：无电荷沿Y轴施加作用在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷横向压电效应当晶体受到沿z轴方向的作用力（无论压力或拉力），因为晶体在x轴和y轴方向的变形相同，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩在x.y轴方向上的分量等于零。沿光轴方向施加力石英晶体不会产生压电效应需要指出的是，如果当晶体沿x轴和y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效应，只是电荷的极性将随之改变。沿x轴和y轴方向受拉力作用时，同样有压电效应石英晶体上电荷极性与受力方向的关系，如图3-2-5所示。图3-2-5晶体切片上电荷极性与受力方向关系第二，压电陶瓷的压电效应。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的发现和应用时间并不长，直到1947年才发现具有压电性能的陶瓷材料。1947年发现具有压电性能的陶瓷材料压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料无外电场作用时，电畴的极化效应相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零因此，原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质，如图3-2-6(a）所示。图3-2-6陶瓷电容的极化示意图在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。图3-2-6陶瓷电容的极化示意图施加外电场电畴极化方向发生转动材料得到极化外电场越强转动电畴越多极化越饱和即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变。具有压电特性极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化，图3-2-6陶瓷电容的极化示意图当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。图3-2-6陶瓷电容的极化示意图受外力作用电畴偏转剩余极化强度变化极化电荷变化因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象。压电陶瓷的正压电效应电荷量的大小与外力成正比关系：式中d33为压电陶瓷的压电系数；F为作用力。

电荷量的大小与外力成正比关系压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。压电系数灵敏度极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。极化后的压电陶瓷材料剩余极化强度和特性与温度有关最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3)。钛酸钡（BaTiO3)碳酸钡二氧化钛压电系数约为石英的50倍使用温度最高70℃温度稳定性不如石英机械强度不如石英同学们，通过今天的学习，大家对压电效应的知识都掌握了吗？Thankyou谢谢大家谢谢大家项目三、力和压力的检测Applicationofpiezoelectricsensors同学们，本节课我们主要学习压电式传感器的应用。压电式传感器的应用压电式传感器的应用项目三、力和压力的检测压电式力传感器的形式通常有单向力传感器、双向力传感器和三向力传感器，配以适当的放大器测量各种动态或静态力。压电式力传感器的量程很宽，可测量小到几百，大到几万牛顿的动、静态力，而且结构简单、体积小、质量小、固有频率高和分辨率高等优点。量程宽可测几百到几万牛顿的动、静态力结构简单体积小质量小固有频率高分辨率高1.玻璃破碎报警器玻璃破碎报警器玻璃破碎时会发出几千赫兹的振动，玻璃破碎时会发出几千赫兹的振动将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，如图3-2-15所示，玻璃破碎报警器可以感受到这一振动。图3-2-15玻璃破碎报警器高分子压电传感器如图3-2-16所示，图3-2-16高分子压电传感器高分子薄膜约厚0.2mm，用聚偏二氟乙烯（PVDF）制成10～20mm大小的薄膜。图3-2-16高分子压电传感器厚0.2mm大小10～20mm....................................，也可以用热印制工艺制作铝薄膜电极再用超声波焊接上两根柔软的电极引线，并用保护膜覆盖。热印制工艺铝薄膜电极超声波焊接柔软电极..................压电薄膜受到剧烈振动在引脚间产生窄脉冲信号集中报警装置产生报警信号由于感应片很小且透明，不易察觉，所以可安装于贵重物品柜台、展览橱窗等。2.采用压电式传感器的震动测试实例采用压电式传感器的震动测试实例压电式加速度传感器由于体积小、质量轻、测量范围广等优点，所以在振动测量系统中得到广泛应用。体积小质量轻测量范围广在振动测量系统中得到广泛应用常用的振动测量系统由压电式加速度传感器、电荷放大器、动态信号分析仪组成，如图3-2-17所示。体积小质量轻测量范围广在振动测量系统中得到广泛应用压电式加速度传感器电荷放大器动态信号分析仪图3-2-17常用的振动测量系统被测对象的振动加速度信号经传感器，再由传感器电缆将加速度信号送入系统电荷放大器，电荷放大器将信号转换为电压信号并放大，经过数据采集测试仪采样，采集到的信号可以通过显示器实时显示和处理。将信号转换为电压信号并放大实时显示和处理3.振动压路机振动测量实例振动压路机振动测量实例各种建筑工程基础压实中经常使用振动压路机它的振动轮的压实效果受多种因素的影响。通常被压土壤性能影响工作中振动轮的动态性能，另外，为了实现高效压实，振动压路机中各种运行参数也随被压土壤生能自动调整。振动压路机振动轮的压实效果受多种因素的影响被压土壤性能影响振动轮的动态性能压路机运行参数随土壤性能自动调整采用图3-2-18的压路机振动测量系统，选择某样机在施工现场测取系统的主要响应信号图3-2-18压路机振动测量系统加速度计电荷放大器数据采集仪4.压电式报警系统压电式报警系统压电式报警系统（见图3-2-19）图3-2-19压电式报警系统框图可用于重要位置出入口、周界安全防护等。可用于重要位置出入口、周界安全防护将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，起到分布式地下麦克风的作用图3-2-19压电式报警系统框图........................................................................分布式地下麦克风同学们，以上我们学习了压电式传感器的应用，大家都掌握了吗？Thankyou谢谢大家谢谢大家项目三、力和压力的检测Understandingandprincipleofinductivesensor同学们，今天我们主要来学习电感式传感器的认识与原理。电感式传感器的认识与原理电感式传感器的认识与原理项目三、力和压力的检测电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，位移压力流量振动自感系数互感系数电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。自感系数互感系数位移压力流量振动电压或电流的变化量输出电感式传感器具有以下特点:（1）结构简单，传感器无活动触点，因此工作可靠、寿命长。电感式传感器的特点结构简单工作可靠寿命长（2）灵敏度和分辨率高，能测出0.01μm的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。电感式传感器的特点灵敏度和分辨率高传感器的输出信号强（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围(几十微米至数毫米)内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。电感式传感器的特点线性度和重复性较好一定范围内非线性误差可达0.05%~0.1%同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中被广泛采用。电感式传感器的特点能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制但不足的是，它有频率响应较低、不适合快速动态测控等缺点。电感式传感器的缺点频率响应较低不适合快速动态测控接下来，我们来学习一下电感式传感器原理。电感式传感器原理电感式传感器与磁电式传感器都是通过磁阻变化将非电量转化成电量的原理制成的，将其分开是根据改变磁阻方式不同。通过磁阻变化将非电量转化成电量改变磁阻方式不同电感式传感器是利用线圈自感或互感的改变实现能量转变的原理制成的。利用线圈自感或互感的改变实现能量转变电感式传感器具有结构简单、工作可靠、输出功率大、抗干扰能力强、分辨率较高、稳定性好、工作环境要求低等优点，结构简单工作可靠输出功率大抗干扰能力强分辨率较高稳定性好工作环境要求低，但也有其缺点，如频率响应低，不适用于快速动态量的测量。结构简单工作可靠输出功率大抗干扰能力强分辨率较高稳定性好工作环境要求低频率响应低不适用快速动态量测量一般情况下，电感式传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关，示值范围大时分辨力和示值精度都将相应降低。电感式传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关，示值范围大时分辨力和示值精度都将相应降低。1.自感式传感器自感式传感器的工作原理，如图3-3-2所示。图3-3-2自感式传感器的原理图1—线圈；2—铁心；3—衔铁1.自感式传感器设线圈的匝数为N，通入线圈中的电流为I，每匝线圈产生的磁通为Φ，由电感定义有匝数电流磁通1.自感式传感器NIΦ(3-3-1)图3-3-2自感式传感器的原理图1—线圈；2—铁心；3—衔铁设磁路总磁阻为RM，磁通为匝数电流磁通1.自感式传感器NIΦ(3-3-1)总磁阻RM(3-3-2)图3-3-2自感式传感器的原理图1—线圈；2—铁心；3—衔铁由图3-3-2可知磁路的总磁阻RM是由铁心磁阻Rf和空气隙磁阻组成的，即1.自感式传感器图3-3-2自感式传感器的原理图1—线圈；2—铁心；3—衔铁总磁阻RM=铁心磁阻+空气隙磁阻(3-3-3)因为一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的,计算时可以忽略不计1.自感式传感器一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比很小将式(3-3-2)、(3-3-3）代入式(3-3-1)得(3-3-1)(3-3-2)(3-3-3)1.自感式传感器(3-3-4)目前常用的自感式传感器有：变间隙型、变面积型和螺管插铁型三种。变间隙型传感器变面积型传感器螺管插铁型传感器（1）变间隙型电感传感器变间隙型传感器变面积型传感器螺管插铁型传感器变气隙型电感传感器的原理图如图3-3-3所示，其电感可由式(3-3-4)得到。当S、μ为常数时，由式(3-3-4）可知L与δ成反比，如图3-3-3所示。图3-3-3变隙式电压传感器的L--δ特性(3-3-4)当S、μ为常数时L与δ成反比设初始情况下，气隙长度为δ0，电感初值为L0，有图3-3-3变隙式电压传感器的L--δ特性(3-3-5)δ0L0当衔铁随外作用力向上移动Δδ时，气隙减少为δ=δ0-Δδ，则此时的电感量变为，电感的变化量为，电感的相对变化量图3-3-3变隙式电压传感器的L--δ特性(3-3-6)δ0L0δΔ-LΔ+(3-3-7)(3-3-8)当Δδ/δ0＜＜1时，可将上式展开成级数：图3-3-3变隙式电压传感器的L--δ特性(3-3-6)δ0L0δΔ-LΔ+(3-3-7)(3-3-8)当Δδ/δ0＜＜1时(3-3-9)同时，当衔铁随外作用力向下移动时，气隙增大，变为δ=δ0+Δδ。当Δδ/δ0＜＜1时，电感相对变化量展开成级数有图3-3-3变隙式电压传感器的L--δ特性δ0L0δΔ+LΔ-当Δδ/δ0＜＜1时(3-3-10)优缺点：变间隙型传感器的灵敏度最高，但随间隙的增大而降低；但非线性误差大，解决办法是限制量程，一般为间隙的1/5以下，这种传感器的制作装配比较困难。灵敏度最高，但随间隙的增大而降低非线性误差大制作装配比较困难变间隙型传感器（2）变面积型电感传感器变间隙型传感器变面积型传感器螺管插铁型传感器变面积型电感传感器的结构如图3-3-4所示图3-3-4变面积型电感传感器的结构初始磁通截面S=aba：铁心截面长b：铁心截面宽当衔铁随外作用力沿铁心截面长度方向向下移动x时，电感量为当衔铁沿铁心截面长度方向向下移动x时(3-3-11）(3-3-12）常数优缺点：变面积型传感器的灵敏度没变间隙型的小，但理论灵敏度为一常数，因而线性度好、量程较大、使用比较广泛。灵敏度略小线性度好量程较大变面积型传感器使用较广泛（3）螺管插铁型电感传感器变间隙型传感器变面积型传感器螺管插铁型传感器螺旋管型电感传感器的结构如图3-3-5所示。它是在螺旋线圈中放入衔铁形成的。衔铁在外力作用下可以前后运动，使得线圈的电感量发生变化。图3-3-5螺管插铁型电感传感器的结构原理图设线圈内磁场强度是均匀的，螺管线圈全长为l，半径为r，匝数为N，则其电感为图3-3-5螺管插铁型电感传感器的结构原理图..................线圈全长线圈半径线圈匝数lrN(3-3-13)....................................当铁心插入线圈内时，使插入部分的磁阻下降，所以磁感应强度增大，从而使电感值增加，图3-3-5螺管插铁型电感传感器的结构原理图插入部分的磁阻下降磁感应强度增大电感值增加设铁心半径为rc，铁心材料导磁率为μm，铁心插入线圈内长度为lc（lc＜l），那么电感为图3-3-5螺管插铁型电感传感器的结构原理图铁心半径导磁率插入长度rcμmlc(3-3-14)若lc增加Δlc时，电感增加ΔL，有lc增加Δlc电感增加ΔL(3-3-15)(3-3-16)(3-3-17)当线圈参数和衔铁尺寸一定时，电感相对变化量与衔铁插入长度的相对变化量成正比，但由于线圈内磁场强度沿轴向分布并不均匀，因而这种传感器输出特性为非线性。当线圈参数和衔铁尺寸一定时，电感相对变化量与衔铁插入长度的相对变化量成正比，但线圈内磁场强度沿轴向分布并不均匀。输出特性为非线性优缺点：螺管型的灵敏度比变面积型的还低，但它的量程大、线性度较好，制造装配方便，与变面积型相比,批量生产的互换性强，应用也越来越多。灵敏度更小量程大、线性度较好制造装配方便螺管插铁型传感器批量生产的互换性强2.互感式传感器互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器，2.互感式传感器线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器其工作原理类似于变压器，也叫做变压器式传感器。2.互感式传感器=变压器式传感器不同的是，变压器是闭合磁路，而差动变压器为开路；变压器的初、次级间的互感为常数，而差动变压器初、次级间的互感随衔铁移动而变化。闭合磁路互感为常数开放磁路互感随衔铁移动而变化这种传感器多采用差动形式。差动变压器结构形式有变隙式、变面积式和螺线管式等，变隙式差动传感器变面积式差动传感器螺线管式差动传感器如图3-3-6所示。图3-3-6差动变压器式传感器结构示意图图3-3-6（a）是衔铁为圆柱型的螺管式差动传感器，在非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。螺管式差动传感器非电量测量中应用最多可测量1～100mm的机械位移测量精度高灵敏度高结构简单性能可靠图3-3-6（b）衔铁为平板形，灵敏度较高，但测量范围较窄，一般用于测量几微米至几百微米的机械位移。此外，还有衔铁旋转的用来测量几角秒的微小角位移。平板衔铁形差动传感器灵敏度较高测量范围较窄测量几微米至几百微米的机械位移测量几角秒的微小角位移假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如图3-3-6(a)所示，在A、B两个铁心上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联,而两个次级绕组的同名端则反相串联。顺向串联反向串联当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁心的间隙为δao=δb0=δ0，则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压。衔铁与铁心的间隙：δao=δb0=δ0互感：Ma=Mb次级绕组的互感电势：e2a=e2bU0=e2a-e2b=0当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压，衔铁与铁心的间隙：δa≠δb互感：Ma≠Mb次级绕组的互感电势：e2a≠e2bU0=e2a-e2b≠0即差动变压器有电压输出，此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。差动变压器有电压输出电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向当r1a＜＜WL1a，r1b＜＜WL1b时，如果不考虑铁心与衔铁中的磁阻影响，对图3-3-7所示的等效电路进行分析，可得变隙式差动变压器输出电压U0的表达式，即图3-3-7螺线管式差动变压器原理图r1a＜＜wL1ar1b＜＜wL1b不考虑铁心与衔铁中的磁阻影响(3-3-18)当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δc则U=0。图3-3-7螺线管式差动变压器原理图(3-3-18)δa=δb=δcU=0(3-3-19)如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正)时，则有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得图3-3-7螺线管式差动变压器原理图(3-3-18)δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ上式表明:变压器输出电压U。与衔铁位移量Δδ/Δδ0成正比。(3-3-19)图3-3-7螺线管式差动变压器原理图(3-3-18)输出电压U0与衔铁位移量Δδ/Δδ0成正比“-”号的意义：当衔铁向上移动时，Δδ/Δδ0定义为正，变压器输出电压U0与输入电压Ui反相（相位差180°)(3-3-19)图3-3-7螺线管式差动变压器原理图Δδ/Δδ0定义为正输出电压U0与输入电压Ui反相而当衔铁向下移动时,Δδ/Δδ0则为-|

Δδ/Δδ0|，表明U0与Ui同相。(3-3-19)图3-3-7螺线管式差动变压器原理图Δδ/Δδ0定义为负输出电压U0与输入电压Ui同相由式(3-3-19）可得变隙式差动变压器灵敏度K的表达式为(3-3-19)图3-3-7螺线管式差动变压器原理图(3-3-20)由此可见，对这种传感器有如下结论：（1）供电电源必须是稳幅和稳频的。互感式传感器供电电源必须是稳幅和稳频的W1/W2比值越大，灵敏度越高（3）初始气隙不宜过大，否则灵敏度降低。互感式传感器初始气隙过大灵敏度会降低（4）电源的幅值应适当提高，但以铁心不饱和为限，还应考虑传感器散热条件，以保证在允许温升限度内，否则要引进附加误差。电源的幅值应适当提高，但以铁心不饱和为限，还应考虑传感器散热条件，以保证在允许温升限度内，否则要引进附加误差。互感式传感器供电电源频率的选取：一般材料做的传感器一次线圈的供电频率不宜高于8kHz。（6）上述公式都是在不考虑铁损及寄生电容的情况下推导的。当供电频率较高时，或供电频率虽不高，但铁心使用实心整体铁心时，必须考虑铁损造成的影响。互感式传感器当供电频率较高时，或供电频率虽不高，但铁心使用实心整体铁心时，必须考虑铁损造成的影响。(3-3-19)(3-3-18)(3-3-20)上述推导假定副端开路，等于要求二次测量线路中有足够大的输入阻抗。同学们，本节课我们学习了电感式传感器的认识与原理，大家都掌握了吗？Thankyou谢谢大家谢谢大家项目三、力和压力的检测Themeasuringcircuitofaninductivesensor同学们，今天我们学习的主要内容是电感式传感器的测量电路。电感式传感器的测量电路电感式传感器的测量电路项目三、力和压力的检测第一种是自感式传感器的测量电路。自感式传感器的测量电路交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。电感式传感器的主要测量电路线圈电感的变化交流电桥电桥电路的电压或电流输出差分式结构可以提高灵敏度、改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。提高灵敏度交流电桥多采用双臂工作形式差分式结构改善线性通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻也可以是变压器的二次绕组或紧耦合电感线圈。传感器纯电阻二次绕组工作臂平衡臂电感线圈（1）电阻平衡电桥电阻平衡电桥如图3-3-8(a)所示。1.电阻平衡电桥图3-3-8电桥Z1，Z2为传感器阻抗。Z1=Z2=Z=R+jwL，另有R1=R2=R'。....................................Z1=Z2=Z=R+jwLR1=R2=R'由于电桥工作臂是差分形式，则在工作时，Z1=Z+ΔZ和Z2=Z-ΔZ，电桥的输出电压为Z1=Z+ΔZZ2=Z-ΔZ当ωL>>R时，上式可写为由上式可以看出，交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。当ωL>>R时交流电桥的输出电压传感器线圈电感的相对变化量成正比（2）变压器式电桥变压器式电桥如图3-3-2(b)所示。2.变压器式电桥图3-3-8电桥它的平衡臂为变压器的二次绕组，当负载阻抗无穷大时，输