第3章常用傳感器剖析課件

第3章常用傳感器

第1節(jié)概述第2節(jié)電阻式傳感器第3節(jié)電感式傳感器第4節(jié)電容式傳感器第5節(jié)壓電式傳感器第6節(jié)傳感器的選用原則習(xí)題第3章常用傳感器第1節(jié)概述1第3章常用傳感器

本章重點(diǎn)：1、傳感器的定義、組成和分類。2、電阻式、電感式、電容式和壓電式傳感器的工作原理。3、常用傳感器的選用原則。第3章常用傳感器本章重點(diǎn)：2第3章第1節(jié)概述

一、傳感器的定義

傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。一般也稱為變換器、換能器和探測器。傳感器獲取的信息可以為各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也可以有各種形式。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。在機(jī)械工程的非電量的電測法中，傳感器是把被測量的的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。傳感器是人類感官的擴(kuò)展和延伸，借助傳感器，人類可以去探測那些無法直接用感官獲取的信息。第3章第1節(jié)概述一、傳感器的定義3第3章第1節(jié)概述

二、傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件與輔助元件組成。

敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并將信號進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換輸出。

輔助元件一般指安裝、連接、支承敏感元件的一些輔助的裝置，如傳感器的殼體、引線等。傳感器的未來發(fā)展是與微處理器相結(jié)合，封裝在一個(gè)檢測器中形成一種新型的“智能傳感器”。它將具有一定的信號調(diào)理、信號分析、誤差校正、環(huán)境適應(yīng)等能力，甚至具有一定的辨認(rèn)、識別和判斷的功能。

第3章第1節(jié)概述二、傳感器的組成4第3章第1節(jié)概述

三、傳感器的分類

1、按被測物理量來分類（適用于使用者）根據(jù)被測物理量的種類不同，可分為位移傳感器、速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。2.按變換原理來分類（適用于研究者）

參量型：這種傳感器在感受到被測量后，輸出的不直接是電信號，而是與電量有關(guān)的自身參數(shù)變化的信號，因而稱之為參量型傳感器，如電阻式、電感式和電容式傳感器。

發(fā)電型：這種傳感器在感受到被測量后，輸出的直接是電信號，因而稱之為發(fā)電型傳感器，如壓電式傳感器。第3章第1節(jié)概述三、傳感器的分類5第3章第2節(jié)電阻式傳感器

一、電阻式傳感器的分類電阻式傳感器的基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成自身電阻值的變化,再經(jīng)相應(yīng)的變換電路和裝置顯示或記錄被測量值的變化。電阻式傳感器按其工作原理可分為以下兩種：

1、變阻器式，又稱為電位器式。2、應(yīng)變片式，又分為金屬電阻應(yīng)變式和半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩種。

第3章第2節(jié)電阻式傳感器一、電阻式傳感器的分類6第3章第2節(jié)電阻式傳感器

二、變阻器式傳感器1、工作原理

變阻器式傳感器的工作原理是將物體的位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化，由此再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓等電量的變化。常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等，如下圖所示。

第3章第2節(jié)電阻式傳感器二、變阻器式傳感器7第3章第2節(jié)電阻式傳感器

二、變阻器式傳感器2、特點(diǎn)變阻器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：(1)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；(2)受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響??；(3)可以實(shí)現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關(guān)系；(4)輸出信號大，一般不需要放大。變阻器式傳感器的缺點(diǎn)是：(1)因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間的摩擦，因此需要較大的輸入能量；(2)由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測量的精度，所以分辨力較低；(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的物理量。

第3章第2節(jié)電阻式傳感器二、變阻器式傳感器8第3章第2節(jié)電阻式傳感器

二、變阻器式傳感器3、應(yīng)用變阻器式傳感器常用于角位移和線位移的測量。

測量線位移的變阻器式傳感器結(jié)構(gòu)圖如下所示。被測位移使測量軸沿導(dǎo)軌軸移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。第3章第2節(jié)電阻式傳感器二、變阻器式傳感器9第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器1、應(yīng)變片的組成

(1)敏感元件：感受應(yīng)變并將其轉(zhuǎn)換為自身阻值的變化。一般用康銅、鎳鉻合金或半導(dǎo)體材料做成。它要用粘合劑牢牢地固定在基片上。

(2)基片：固定和保護(hù)敏感元件，并將應(yīng)變準(zhǔn)確的傳遞給敏感元件。材料可以是紙、膠膜、玻璃纖維布等。

(3)覆蓋層：保護(hù)敏感元件不受外界環(huán)境中灰塵、濕氣等的影響。

(4)引線：將敏感元件的阻值變化引入后接電路。第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器10第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器2、應(yīng)變片的分類(1)按敏感元件的材料分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。金屬電阻應(yīng)變片根據(jù)敏感元件的形狀不同又分為絲式和箔式兩種。(2)按用途分為一般應(yīng)變片、應(yīng)變花和特殊應(yīng)變片。第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器11第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(1)金屬電阻應(yīng)變片

應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

推導(dǎo)：

第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器12第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(1)金屬電阻應(yīng)變片

推導(dǎo)：

第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器13第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(1)金屬電阻應(yīng)變片

推導(dǎo)：

第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器14第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片

壓阻效應(yīng)：單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。

推導(dǎo)：

第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器15第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器16第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(3)兩種應(yīng)變片的比較工作原理不同：金屬電阻應(yīng)變片基于機(jī)械變形引起電阻的變化；半導(dǎo)體應(yīng)變片基于電阻率變化引起電阻的變化。靈敏度不同：金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度取決于泊松比的大?。话雽?dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度取決于壓阻系數(shù)和彈性模量的大小。第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器工作原17第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器4、應(yīng)變片的應(yīng)用(1)直接應(yīng)用將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器18第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器4、應(yīng)變片的應(yīng)用(2)間接應(yīng)用將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。在這種情況下，彈性元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為成正比變化的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻變化輸出。

第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器19第3章第3節(jié)電感式傳感器

一、電感式傳感器的分類電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為以下兩大類：

1、自感型：又分為可變磁阻式和渦電流式兩種。

2、互感型：常用的是差動(dòng)變壓器式。第3章第3節(jié)電感式傳感器一、電感式傳感器的分類20第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型1、可變磁阻式可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由線圈1、鐵芯2及銜鐵3組成。第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型21第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型1、可變磁阻式第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型22第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型1、可變磁阻式第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型23第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型1、可變磁阻式常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)有:可變導(dǎo)磁面積型、差動(dòng)型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動(dòng)型。

雙螺管線圈差動(dòng)型測量范圍為0～300μm，最小分辨力為0.5μm。這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線圈電感L1、L2

隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所示。

第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型24第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型2、渦電流式渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦電流效應(yīng)。將一塊金屬板置于一直線圈附近，相互間距為δ。當(dāng)線圈通入交變電流i時(shí)，便產(chǎn)生磁通Φ。該磁通在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，此電流在金屬板內(nèi)是閉合的，因而稱之為“渦電流”或簡稱為“渦流”?！皽u電流”也會(huì)產(chǎn)生磁通Φ1，它與Φ的方向相反，從而引起線圈自感量L發(fā)生變化。第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型25第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型2、渦電流式線圈自感量L的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度h、金屬板與線圈的距離δ、激勵(lì)電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。渦電流式電感傳感器主要用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)的測量。第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型26第3章第3節(jié)電感式傳感器

三、互感型——差動(dòng)變壓器式互感型電感式傳感器是利用互感M的變化來反映被測量的變化，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器。

當(dāng)變壓器初級線圈W輸入穩(wěn)定交流電壓i后，次級線圈W0便會(huì)有感應(yīng)電壓e0輸出，該電壓隨被測量的變化而變化。

M——互感量。

第3章第3節(jié)電感式傳感器三、互感型——差動(dòng)變壓器27第3章第3節(jié)電感式傳感器

三、互感型——差動(dòng)變壓器式互感型傳感器常用的是差動(dòng)變壓器式，其結(jié)構(gòu)形式多為螺管形，主要由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三部分組成。線圈包括一個(gè)初級線圈和兩個(gè)反接的次級線圈，當(dāng)初級線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e1和e2。由于兩個(gè)次級線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即e0=e1-e2。第3章第3節(jié)電感式傳感器三、互感型——差動(dòng)變壓器28第3章第3節(jié)電感式傳感器

三、互感型——差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式傳感器使用要注意的問題：

(1)差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，其輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的方向；

(2)傳感器輸出電壓存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，即使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零，這是由于兩個(gè)次級線圈的結(jié)構(gòu)不對稱以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所造成的。

解決方法：后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移方向，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。

特點(diǎn)：差動(dòng)變壓器式傳感器精度可高達(dá)0.lμm，線圈變化范圍可擴(kuò)大到±l00mm，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用于直線位移測量及其它壓力、振動(dòng)等參量的測量。

第3章第3節(jié)電感式傳感器三、互感型——差動(dòng)變壓器29第3章第4節(jié)電容式傳感器

一、電容式傳感器變換原理

電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。實(shí)際上,它本身（或和被測物）就是一個(gè)可變電容器。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。

第3章第4節(jié)電容式傳感器一、電容式傳感器變換原理30第3章第4節(jié)電容式傳感器

二、極距變化型極距變化型電容式傳感器是指在兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變的情況下，由兩極板在被測對象作用下發(fā)生位移變化而引起電容器的電容量發(fā)生變化。第3章第4節(jié)電容式傳感器二、極距變化型31第3章第4節(jié)電容式傳感器

二、極距變化型實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件(如電源電壓、環(huán)境溫度等)的變化對測量精度的影響，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。

第3章第4節(jié)電容式傳感器二、極距變化型32第3章第4節(jié)電容式傳感器

三、面積變化型面積變化型是改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器，常用的有角位移型和線位移型兩種。1、角位移型電容式傳感器當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電容量變化。

當(dāng)覆蓋面積對應(yīng)的中心角為α

、極板半徑為r時(shí)，覆蓋面積為：第3章第4節(jié)電容式傳感器三、面積變化型33第3章第4節(jié)電容式傳感器

三、面積變化型2、線位移型電容式傳感器線位移型電容式傳感器有平面線位移型和圓柱線位移型兩種。對于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為b的動(dòng)板沿箭頭x方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化，電容量為：第3章第4節(jié)電容式傳感器三、面積變化型34第3章第4節(jié)電容式傳感器

三、面積變化型2、線位移型電容式傳感器對于圓柱線位移型電容式傳感器，若外圓筒內(nèi)半徑為r1，內(nèi)圓筒（或內(nèi)圓柱）外半徑為r2（它們的工作半徑）時(shí)，當(dāng)覆蓋長度x變化時(shí)，電容量也隨之變化，其電容為：面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系，但靈敏度較低，適用于較大量程范圍的角位移和直線位移的測量。

第3章第4節(jié)電容式傳感器三、面積變化型35第3章第4節(jié)電容式傳感器

四、介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型是指變介電常數(shù)型電容式傳感器，這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。

第3章第4節(jié)電容式傳感器四、介質(zhì)變化型36第3章第5節(jié)壓電式傳感器

一、工作原理

壓電式傳感器是一種可逆型換能器，它既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。它的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。

1、壓電效應(yīng)某些物質(zhì)(物體)，如石英、鐵酸鋇等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會(huì)被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

相反，如果將這些物質(zhì)(物體)置于電場中，其幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化，這種由外電場作用導(dǎo)致物質(zhì)(物體）產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。第3章第5節(jié)壓電式傳感器一、工作原理37第3章第5節(jié)壓電式傳感器

一、工作原理

2、壓電效應(yīng)的形式以石英晶體為例，其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐，可以將其劃分出三根互相垂直的軸如圖所示。Z-Z稱為光軸X-X軸稱為電軸Y-Y軸稱為機(jī)械軸

第3章第5節(jié)壓電式傳感器一、工作原理38第3章第5節(jié)壓電式傳感器

一、工作原理

2、壓電效應(yīng)的形式沿電軸(X軸)方向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向效應(yīng)”，沿機(jī)械軸(Y軸)方向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向效應(yīng)”，沿相對兩棱施加剪切力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“切向效應(yīng)”。第3章第5節(jié)壓電式傳感器一、工作原理39第3章第5節(jié)壓電式傳感器

一、工作原理

3、壓電材料把具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料(或稱為壓電元件)。常見的壓電材料可分為以下三類：（1）壓電單晶壓電單晶為單晶體，常用的有石英晶體（SiO2），鈮酸鋰（LiNbO3），鉭酸鋰（LiTaO2）等。（2）壓電陶瓷現(xiàn)在常用的是PZT鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷，其具有制作方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)。（3）有機(jī)壓電薄膜這類壓電材料具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，可用于微壓測量和機(jī)器人的觸覺，常用的是二氟乙烯PVdF。

居里點(diǎn)：壓電材料失去壓電特性的溫度點(diǎn)。第3章第5節(jié)壓電式傳感器一、工作原理40第3章第5節(jié)壓電式傳感器

二、壓電式傳感器及其等效電路

1、壓電式傳感器壓電式傳感器是在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力F的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場。壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷源，也可以看成是一個(gè)電壓源。如果施加于壓電晶片的外力不變，在極板上積聚的電荷與力的關(guān)系為：

第3章第5節(jié)壓電式傳感器二、壓電式傳感器及其等效41第3章第5節(jié)壓電式傳感器

二、壓電式傳感器及其等效電路

2、等效電路利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，要防止電荷從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失。而在測動(dòng)態(tài)量時(shí)，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測量。

第3章第5節(jié)壓電式傳感器二、壓電式傳感器及其等效42第3章第5節(jié)壓電式傳感器

二、壓電式傳感器及其等效電路

2、等效電路在實(shí)際應(yīng)用中，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有并聯(lián)和串聯(lián)。

并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，適用于電荷量輸出信號。

串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，適用于電壓量輸出信號。

并聯(lián)串聯(lián)第3章第5節(jié)壓電式傳感器二、壓電式傳感器及其等效43第3章第5節(jié)壓電式傳感器

三、測量電路——前置放大器

由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先經(jīng)過高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用有兩點(diǎn)：

其一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；

其二是放大傳感器輸出的微弱電信號。

前置放大器電路有兩種形式：1、電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比。2、電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。第3章第5節(jié)壓電式傳感器三、測量電路——前置放大44第3章第5節(jié)壓電式傳感器

三、測量電路——前置放大器

1、電阻反饋的電壓放大器

采用電壓式放大器時(shí)，電路如圖所示：

輸出電壓與各種電容有關(guān)系，即：電容中的電纜對地電容受電纜Cc的長度和形態(tài)影響，會(huì)對輸出電壓造成較大的誤差。第3章第5節(jié)壓電式傳感器三、測量電路——前置放大45第3章第5節(jié)壓電式傳感器

三、測量電路——前置放大器

2、電容反饋的電荷放大器

結(jié)論：電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正此，與電纜分布電容無關(guān)。

因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。

第3章第5節(jié)壓電式傳感器三、測量電路——前置放大46第3章第5節(jié)壓電式傳感器

四、應(yīng)用

1、直接應(yīng)用壓電效應(yīng)是一種力——電荷的轉(zhuǎn)換，因此可直接用作力的測量，測量范圍10-3N~104KN。

2、間接應(yīng)用最典型的是壓電式加速度傳感器，簡稱為加速度計(jì)。它是借助于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量塊，將加速度轉(zhuǎn)換為力以后再作用在壓電元件上從而得到電量輸出。

注意：（1）橫向輸出和橫向靈敏度。（2）及時(shí)校準(zhǔn)。第3章第5節(jié)壓電式傳感器四、應(yīng)用47第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個(gè)方面的問題。

一、靈敏度

一般說來，傳感器靈敏度越高越好。因?yàn)殪`敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測量有一微小變化，傳感器就有較大的輸出。在確定靈敏度時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)問題。

1、當(dāng)傳感器的靈敏度很高時(shí)，那些與被測信號無關(guān)的外界噪聲也會(huì)同時(shí)被檢測到，并通過傳感器輸出，從而干擾被測信號。

2、與靈敏度緊密相關(guān)的是量程范圍。當(dāng)傳感器的線性工作范圍一定時(shí)，傳感器的靈敏度越高，干擾噪聲越大，則難以保證傳感器的輸入在線性區(qū)域內(nèi)工作。3、當(dāng)被測量有方向性時(shí)，要求傳感器單向靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好。

第3章第6節(jié)傳感器的選用原則選擇傳48第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

二、響應(yīng)特性（動(dòng)態(tài)特性）

傳感器的響應(yīng)特性頻域是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真測量的條件。在時(shí)域是指傳感器從輸入到輸出響應(yīng)的快慢。一般物性型傳感器(如利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等傳感器)響應(yīng)時(shí)間短，工作頻率范圍寬；而結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響和機(jī)械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，其固有頻率低，工作頻率范圍窄，響應(yīng)時(shí)間較長。

第3章第6節(jié)傳感器的選用原則二、響應(yīng)特性（動(dòng)態(tài)特49第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

三、線性范圍

任何傳感器都有一定的線性工作范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測試精度的基本條件。例如，機(jī)械式傳感器中的測力彈性元件，其材料的彈性極限是決定測力量程的基本因素，當(dāng)超出測力元件允許的彈性范圍時(shí)，將產(chǎn)生非線性誤差。

但是，對實(shí)際使用的傳感器，保證其絕對工作在線性區(qū)域內(nèi)是不容易的。在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以取其近似線性區(qū)域。例如，變間隙型的電容、電感式傳感器，其工作區(qū)域均選在初始間隙附近。而且必須考慮被測量變化范圍，令其非線性誤差在允許限度以內(nèi)。

第3章第6節(jié)傳感器的選用原則三、線性范圍50第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

四、穩(wěn)定性（可靠性）

穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素主要是時(shí)間與環(huán)境。為了保證傳感器的穩(wěn)定性，在選擇傳感器時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)兩種情況：1、根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器。例如，選擇電阻應(yīng)變式傳感器時(shí)，應(yīng)考慮到濕度會(huì)影響其絕緣性，濕度會(huì)產(chǎn)生零漂，長期使用會(huì)產(chǎn)生蠕動(dòng)現(xiàn)象等。又如，對變極距型電容式傳感器，因環(huán)境濕度的影響或油劑浸人間隙時(shí)，會(huì)改變電容器的介質(zhì)。2、要?jiǎng)?chuàng)造或保持一個(gè)良好的環(huán)境，在要求傳感器長期地工作而不需經(jīng)常地更換或校準(zhǔn)的情況下，應(yīng)對傳感器的穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求。

第3章第6節(jié)傳感器的選用原則四、穩(wěn)定性（可靠性）51第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

五、精確度

精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。傳感器處于測試系統(tǒng)的輸入端，其能否真實(shí)地反映被測量，對整個(gè)測試系統(tǒng)具有直接的影響。

在實(shí)際使用中，傳感器精確度的選擇主要考慮測試的目的和傳感器的經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)閭鞲衅鞯木仍礁撸鋬r(jià)格就越昂貴，所以應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來選擇傳感器。在選擇時(shí)，根據(jù)測試的目的，判斷是定性分析還是定量分析。如果是相對比較性的試驗(yàn)研究，只需獲得相對比較值即可，那么應(yīng)要求傳感器的重復(fù)精度高，而不要求測試的絕對量值準(zhǔn)確，則傳感器的精確度可以低一點(diǎn)。如果是定量分析，通常必須獲得精確量值，在這些情況下，要求傳感器的精確度愈高愈好。例如，對現(xiàn)代超精密切削機(jī)床，測量其運(yùn)動(dòng)部件的定位精度，主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差、振動(dòng)及熱形變等時(shí)，必須有高精確度的傳感器。第3章第6節(jié)傳感器的選用原則五、精確度52第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

六、測量方式

傳感器在實(shí)際條件下的工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等，條件不同，對測量方式的要求亦不同。在機(jī)械系統(tǒng)中，對運(yùn)動(dòng)部件的被測參數(shù)(例如回轉(zhuǎn)軸的誤差、振動(dòng)、扭力矩)，往往采用非接觸測量方式。因?yàn)閷\(yùn)動(dòng)部件采用接觸測量時(shí)，有許多實(shí)際困難，諸如測量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動(dòng)、信號的采集等問題，都不易妥善解決，容易造成測量誤差。這種情況下采用電容式、渦流式、光電式等非接觸式傳感器很方便，若選用電阻應(yīng)變片，則需配以遙測應(yīng)變儀。第3章第6節(jié)傳感器的選用原則六、測量方式53第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

六、測量方式

在某些條件下，可以運(yùn)用試件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，這時(shí)可進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)。然而有時(shí)無法用試件模擬，因被測對象本身就是產(chǎn)品或構(gòu)件，這時(shí)宜采用非破壞性檢驗(yàn)方法。例如，渦流探傷、超聲波探傷、核輻射探傷以及聲發(fā)射檢測等。非破壞性檢驗(yàn)可以直接獲得經(jīng)濟(jì)效益，因此應(yīng)盡可能選用非破壞性檢測方法。

在線測試是與實(shí)際情況保持一致的測試方法。特別是對自動(dòng)化過程的控制與檢測系統(tǒng)，往往要求信號真實(shí)與可靠，必須在現(xiàn)場條件下才能達(dá)到檢測要求。實(shí)現(xiàn)在線檢測是比較困難的，對傳感器與測試系統(tǒng)都有一定的特殊要求。例如，在加工過程中，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的檢測，以往的光切法、干涉法、觸針法等都無法運(yùn)用，取而代之的是激光、光纖或圖像檢測法。研制在線檢測的新型傳感器，也是當(dāng)前測試技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方面。

第3章第6節(jié)傳感器的選用原則六、測量方式54第3章習(xí)題

一、填空題1、金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是

。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是

。2、電感式傳感器的工作原理是

，它又可分為

和

兩種。3、電容式傳感器分為

、

和

。4、對非線性傳感器采用

來改善其性能。5、壓電式傳感器的工作原理是

，使用時(shí)要用高阻抗的

，其分為

和

。6、壓電效應(yīng)的三種形式是

、

和

。

應(yīng)變效應(yīng)壓阻效應(yīng)電磁感應(yīng)自感型互感型極距變化型面積變化型介質(zhì)變化型差動(dòng)型壓電效應(yīng)前置放大器電壓式電荷式縱向效應(yīng)橫向效應(yīng)切向效應(yīng)第3章習(xí)題一、填空題1、金屬55第3章習(xí)題

二、選擇題(1)(

)的工作原理是基于壓阻效應(yīng)。

a.金屬應(yīng)變片

b.半導(dǎo)體應(yīng)變片

c.變阻器

(2)壓電式傳感器使用的前置放大器的輸入阻抗(

)。

a.很低

b.較低

c.較高

d.很高

(3)在塵埃、油污、溫度變化較大伴有振動(dòng)等干擾的惡劣環(huán)境下測量時(shí),傳感器的選用必須首先考慮(

)因素。

a.響應(yīng)特性b.靈敏度

c.穩(wěn)定性

d.精確度

(4)壓電式傳感器使用(

)放大器時(shí),輸出電壓幾乎不受聯(lián)接電纜長度變化的影響。

a.電荷放大器

b.調(diào)制放大器

c.電壓放大器

(5)壓電元件并聯(lián)連接時(shí),(

)。

a.輸出電荷小b.輸出電壓大

c.輸出電壓小d.輸出電荷大bdcad第3章習(xí)題二、選擇題bdcad56第3章習(xí)題

三、分析計(jì)算題1、已知電阻應(yīng)變片Sg=2，R0=120Ω。設(shè)其工作時(shí)應(yīng)變?yōu)?000uε，為ΔR=？若將其接入電壓為1.5V的電路中，試求：

①無應(yīng)變時(shí)電流值？②有應(yīng)變時(shí)電流值？③電流值的變化量？④該變化能否從毫安表中讀出？2、有一電容測微儀，如果所用傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始極板間距離δ=0.3mm，介質(zhì)為空氣(ε0=8.85×10-12F/m)。問：①工作時(shí)，如果極板間距離變化量Δδ=±1um，則電容的變化量是多少？

②如果測量電路的靈敏度S1=100mv/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在Δδ=±1um時(shí)，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？第3章習(xí)題三、分析計(jì)算題1、已知電阻應(yīng)變57第3章習(xí)題

四、簡答題1、應(yīng)變片有哪幾部分組成？各有何用？2、金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的區(qū)別有哪些？3、差動(dòng)變壓器電感式傳感器使用時(shí)要注意哪兩個(gè)問題？如何解決？4、常用的壓電材料有哪些？5、前置放大器的作用是什么？有哪兩種類型？各有何特點(diǎn)？6、傳感器選用時(shí)要考慮哪些方面的問題？第3章習(xí)題四、簡答題58第3章結(jié)束第3章結(jié)束59第3章常用傳感器

第1節(jié)概述第2節(jié)電阻式傳感器第3節(jié)電感式傳感器第4節(jié)電容式傳感器第5節(jié)壓電式傳感器第6節(jié)傳感器的選用原則習(xí)題第3章常用傳感器第1節(jié)概述60第3章常用傳感器

本章重點(diǎn)：1、傳感器的定義、組成和分類。2、電阻式、電感式、電容式和壓電式傳感器的工作原理。3、常用傳感器的選用原則。第3章常用傳感器本章重點(diǎn)：61第3章第1節(jié)概述

一、傳感器的定義

傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。一般也稱為變換器、換能器和探測器。傳感器獲取的信息可以為各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也可以有各種形式。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。在機(jī)械工程的非電量的電測法中，傳感器是把被測量的的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。傳感器是人類感官的擴(kuò)展和延伸，借助傳感器，人類可以去探測那些無法直接用感官獲取的信息。第3章第1節(jié)概述一、傳感器的定義62第3章第1節(jié)概述

二、傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件與輔助元件組成。

敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并將信號進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換輸出。

輔助元件一般指安裝、連接、支承敏感元件的一些輔助的裝置，如傳感器的殼體、引線等。傳感器的未來發(fā)展是與微處理器相結(jié)合，封裝在一個(gè)檢測器中形成一種新型的“智能傳感器”。它將具有一定的信號調(diào)理、信號分析、誤差校正、環(huán)境適應(yīng)等能力，甚至具有一定的辨認(rèn)、識別和判斷的功能。

第3章第1節(jié)概述二、傳感器的組成63第3章第1節(jié)概述

三、傳感器的分類

1、按被測物理量來分類（適用于使用者）根據(jù)被測物理量的種類不同，可分為位移傳感器、速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。2.按變換原理來分類（適用于研究者）

參量型：這種傳感器在感受到被測量后，輸出的不直接是電信號，而是與電量有關(guān)的自身參數(shù)變化的信號，因而稱之為參量型傳感器，如電阻式、電感式和電容式傳感器。

發(fā)電型：這種傳感器在感受到被測量后，輸出的直接是電信號，因而稱之為發(fā)電型傳感器，如壓電式傳感器。第3章第1節(jié)概述三、傳感器的分類64第3章第2節(jié)電阻式傳感器

一、電阻式傳感器的分類電阻式傳感器的基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成自身電阻值的變化,再經(jīng)相應(yīng)的變換電路和裝置顯示或記錄被測量值的變化。電阻式傳感器按其工作原理可分為以下兩種：

1、變阻器式，又稱為電位器式。2、應(yīng)變片式，又分為金屬電阻應(yīng)變式和半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩種。

第3章第2節(jié)電阻式傳感器一、電阻式傳感器的分類65第3章第2節(jié)電阻式傳感器

二、變阻器式傳感器1、工作原理

變阻器式傳感器的工作原理是將物體的位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化，由此再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓等電量的變化。常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等，如下圖所示。

第3章第2節(jié)電阻式傳感器二、變阻器式傳感器66第3章第2節(jié)電阻式傳感器

二、變阻器式傳感器2、特點(diǎn)變阻器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：(1)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；(2)受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響??；(3)可以實(shí)現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關(guān)系；(4)輸出信號大，一般不需要放大。變阻器式傳感器的缺點(diǎn)是：(1)因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間的摩擦，因此需要較大的輸入能量；(2)由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測量的精度，所以分辨力較低；(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的物理量。

第3章第2節(jié)電阻式傳感器二、變阻器式傳感器67第3章第2節(jié)電阻式傳感器

二、變阻器式傳感器3、應(yīng)用變阻器式傳感器常用于角位移和線位移的測量。

測量線位移的變阻器式傳感器結(jié)構(gòu)圖如下所示。被測位移使測量軸沿導(dǎo)軌軸移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。第3章第2節(jié)電阻式傳感器二、變阻器式傳感器68第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器1、應(yīng)變片的組成

(1)敏感元件：感受應(yīng)變并將其轉(zhuǎn)換為自身阻值的變化。一般用康銅、鎳鉻合金或半導(dǎo)體材料做成。它要用粘合劑牢牢地固定在基片上。

(2)基片：固定和保護(hù)敏感元件，并將應(yīng)變準(zhǔn)確的傳遞給敏感元件。材料可以是紙、膠膜、玻璃纖維布等。

(3)覆蓋層：保護(hù)敏感元件不受外界環(huán)境中灰塵、濕氣等的影響。

(4)引線：將敏感元件的阻值變化引入后接電路。第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器69第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器2、應(yīng)變片的分類(1)按敏感元件的材料分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。金屬電阻應(yīng)變片根據(jù)敏感元件的形狀不同又分為絲式和箔式兩種。(2)按用途分為一般應(yīng)變片、應(yīng)變花和特殊應(yīng)變片。第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器70第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(1)金屬電阻應(yīng)變片

應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

推導(dǎo)：

第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器71第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(1)金屬電阻應(yīng)變片

推導(dǎo)：

第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器72第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(1)金屬電阻應(yīng)變片

推導(dǎo)：

第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器73第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片

壓阻效應(yīng)：單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。

推導(dǎo)：

第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器74第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器75第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器3、應(yīng)變片的工作原理(3)兩種應(yīng)變片的比較工作原理不同：金屬電阻應(yīng)變片基于機(jī)械變形引起電阻的變化；半導(dǎo)體應(yīng)變片基于電阻率變化引起電阻的變化。靈敏度不同：金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度取決于泊松比的大??；半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度取決于壓阻系數(shù)和彈性模量的大小。第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器工作原76第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器4、應(yīng)變片的應(yīng)用(1)直接應(yīng)用將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器77第3章第2節(jié)電阻式傳感器

三、應(yīng)變片式傳感器4、應(yīng)變片的應(yīng)用(2)間接應(yīng)用將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。在這種情況下，彈性元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為成正比變化的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻變化輸出。

第3章第2節(jié)電阻式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器78第3章第3節(jié)電感式傳感器

一、電感式傳感器的分類電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為以下兩大類：

1、自感型：又分為可變磁阻式和渦電流式兩種。

2、互感型：常用的是差動(dòng)變壓器式。第3章第3節(jié)電感式傳感器一、電感式傳感器的分類79第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型1、可變磁阻式可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由線圈1、鐵芯2及銜鐵3組成。第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型80第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型1、可變磁阻式第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型81第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型1、可變磁阻式第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型82第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型1、可變磁阻式常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)有:可變導(dǎo)磁面積型、差動(dòng)型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動(dòng)型。

雙螺管線圈差動(dòng)型測量范圍為0～300μm，最小分辨力為0.5μm。這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線圈電感L1、L2

隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所示。

第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型83第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型2、渦電流式渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦電流效應(yīng)。將一塊金屬板置于一直線圈附近，相互間距為δ。當(dāng)線圈通入交變電流i時(shí)，便產(chǎn)生磁通Φ。該磁通在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，此電流在金屬板內(nèi)是閉合的，因而稱之為“渦電流”或簡稱為“渦流”?！皽u電流”也會(huì)產(chǎn)生磁通Φ1，它與Φ的方向相反，從而引起線圈自感量L發(fā)生變化。第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型84第3章第3節(jié)電感式傳感器

二、自感型2、渦電流式線圈自感量L的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度h、金屬板與線圈的距離δ、激勵(lì)電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。渦電流式電感傳感器主要用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)的測量。第3章第3節(jié)電感式傳感器二、自感型85第3章第3節(jié)電感式傳感器

三、互感型——差動(dòng)變壓器式互感型電感式傳感器是利用互感M的變化來反映被測量的變化，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器。

當(dāng)變壓器初級線圈W輸入穩(wěn)定交流電壓i后，次級線圈W0便會(huì)有感應(yīng)電壓e0輸出，該電壓隨被測量的變化而變化。

M——互感量。

第3章第3節(jié)電感式傳感器三、互感型——差動(dòng)變壓器86第3章第3節(jié)電感式傳感器

三、互感型——差動(dòng)變壓器式互感型傳感器常用的是差動(dòng)變壓器式，其結(jié)構(gòu)形式多為螺管形，主要由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三部分組成。線圈包括一個(gè)初級線圈和兩個(gè)反接的次級線圈，當(dāng)初級線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e1和e2。由于兩個(gè)次級線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即e0=e1-e2。第3章第3節(jié)電感式傳感器三、互感型——差動(dòng)變壓器87第3章第3節(jié)電感式傳感器

三、互感型——差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式傳感器使用要注意的問題：

(1)差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，其輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的方向；

(2)傳感器輸出電壓存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，即使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零，這是由于兩個(gè)次級線圈的結(jié)構(gòu)不對稱以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所造成的。

解決方法：后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移方向，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。

特點(diǎn)：差動(dòng)變壓器式傳感器精度可高達(dá)0.lμm，線圈變化范圍可擴(kuò)大到±l00mm，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用于直線位移測量及其它壓力、振動(dòng)等參量的測量。

第3章第3節(jié)電感式傳感器三、互感型——差動(dòng)變壓器88第3章第4節(jié)電容式傳感器

一、電容式傳感器變換原理

電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。實(shí)際上,它本身（或和被測物）就是一個(gè)可變電容器。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。

第3章第4節(jié)電容式傳感器一、電容式傳感器變換原理89第3章第4節(jié)電容式傳感器

二、極距變化型極距變化型電容式傳感器是指在兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變的情況下，由兩極板在被測對象作用下發(fā)生位移變化而引起電容器的電容量發(fā)生變化。第3章第4節(jié)電容式傳感器二、極距變化型90第3章第4節(jié)電容式傳感器

二、極距變化型實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件(如電源電壓、環(huán)境溫度等)的變化對測量精度的影響，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。

第3章第4節(jié)電容式傳感器二、極距變化型91第3章第4節(jié)電容式傳感器

三、面積變化型面積變化型是改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器，常用的有角位移型和線位移型兩種。1、角位移型電容式傳感器當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電容量變化。

當(dāng)覆蓋面積對應(yīng)的中心角為α

、極板半徑為r時(shí)，覆蓋面積為：第3章第4節(jié)電容式傳感器三、面積變化型92第3章第4節(jié)電容式傳感器

三、面積變化型2、線位移型電容式傳感器線位移型電容式傳感器有平面線位移型和圓柱線位移型兩種。對于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為b的動(dòng)板沿箭頭x方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化，電容量為：第3章第4節(jié)電容式傳感器三、面積變化型93第3章第4節(jié)電容式傳感器

三、面積變化型2、線位移型電容式傳感器對于圓柱線位移型電容式傳感器，若外圓筒內(nèi)半徑為r1，內(nèi)圓筒（或內(nèi)圓柱）外半徑為r2（它們的工作半徑）時(shí)，當(dāng)覆蓋長度x變化時(shí)，電容量也隨之變化，其電容為：面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系，但靈敏度較低，適用于較大量程范圍的角位移和直線位移的測量。

第3章第4節(jié)電容式傳感器三、面積變化型94第3章第4節(jié)電容式傳感器

四、介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型是指變介電常數(shù)型電容式傳感器，這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。

第3章第4節(jié)電容式傳感器四、介質(zhì)變化型95第3章第5節(jié)壓電式傳感器

一、工作原理

壓電式傳感器是一種可逆型換能器，它既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。它的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。

1、壓電效應(yīng)某些物質(zhì)(物體)，如石英、鐵酸鋇等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會(huì)被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

相反，如果將這些物質(zhì)(物體)置于電場中，其幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化，這種由外電場作用導(dǎo)致物質(zhì)(物體）產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。第3章第5節(jié)壓電式傳感器一、工作原理96第3章第5節(jié)壓電式傳感器

一、工作原理

2、壓電效應(yīng)的形式以石英晶體為例，其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐，可以將其劃分出三根互相垂直的軸如圖所示。Z-Z稱為光軸X-X軸稱為電軸Y-Y軸稱為機(jī)械軸

第3章第5節(jié)壓電式傳感器一、工作原理97第3章第5節(jié)壓電式傳感器

一、工作原理

2、壓電效應(yīng)的形式沿電軸(X軸)方向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向效應(yīng)”，沿機(jī)械軸(Y軸)方向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向效應(yīng)”，沿相對兩棱施加剪切力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“切向效應(yīng)”。第3章第5節(jié)壓電式傳感器一、工作原理98第3章第5節(jié)壓電式傳感器

一、工作原理

3、壓電材料把具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料(或稱為壓電元件)。常見的壓電材料可分為以下三類：（1）壓電單晶壓電單晶為單晶體，常用的有石英晶體（SiO2），鈮酸鋰（LiNbO3），鉭酸鋰（LiTaO2）等。（2）壓電陶瓷現(xiàn)在常用的是PZT鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷，其具有制作方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)。（3）有機(jī)壓電薄膜這類壓電材料具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，可用于微壓測量和機(jī)器人的觸覺，常用的是二氟乙烯PVdF。

居里點(diǎn)：壓電材料失去壓電特性的溫度點(diǎn)。第3章第5節(jié)壓電式傳感器一、工作原理99第3章第5節(jié)壓電式傳感器

二、壓電式傳感器及其等效電路

1、壓電式傳感器壓電式傳感器是在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力F的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場。壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷源，也可以看成是一個(gè)電壓源。如果施加于壓電晶片的外力不變，在極板上積聚的電荷與力的關(guān)系為：

第3章第5節(jié)壓電式傳感器二、壓電式傳感器及其等效100第3章第5節(jié)壓電式傳感器

二、壓電式傳感器及其等效電路

2、等效電路利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，要防止電荷從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失。而在測動(dòng)態(tài)量時(shí)，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測量。

第3章第5節(jié)壓電式傳感器二、壓電式傳感器及其等效101第3章第5節(jié)壓電式傳感器

二、壓電式傳感器及其等效電路

2、等效電路在實(shí)際應(yīng)用中，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有并聯(lián)和串聯(lián)。

并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，適用于電荷量輸出信號。

串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，適用于電壓量輸出信號。

并聯(lián)串聯(lián)第3章第5節(jié)壓電式傳感器二、壓電式傳感器及其等效102第3章第5節(jié)壓電式傳感器

三、測量電路——前置放大器

由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先經(jīng)過高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用有兩點(diǎn)：

其一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；

其二是放大傳感器輸出的微弱電信號。

前置放大器電路有兩種形式：1、電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比。2、電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。第3章第5節(jié)壓電式傳感器三、測量電路——前置放大103第3章第5節(jié)壓電式傳感器

三、測量電路——前置放大器

1、電阻反饋的電壓放大器

采用電壓式放大器時(shí)，電路如圖所示：

輸出電壓與各種電容有關(guān)系，即：電容中的電纜對地電容受電纜Cc的長度和形態(tài)影響，會(huì)對輸出電壓造成較大的誤差。第3章第5節(jié)壓電式傳感器三、測量電路——前置放大104第3章第5節(jié)壓電式傳感器

三、測量電路——前置放大器

2、電容反饋的電荷放大器

結(jié)論：電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正此，與電纜分布電容無關(guān)。

因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。

第3章第5節(jié)壓電式傳感器三、測量電路——前置放大105第3章第5節(jié)壓電式傳感器

四、應(yīng)用

1、直接應(yīng)用壓電效應(yīng)是一種力——電荷的轉(zhuǎn)換，因此可直接用作力的測量，測量范圍10-3N~104KN。

2、間接應(yīng)用最典型的是壓電式加速度傳感器，簡稱為加速度計(jì)。它是借助于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量塊，將加速度轉(zhuǎn)換為力以后再作用在壓電元件上從而得到電量輸出。

注意：（1）橫向輸出和橫向靈敏度。（2）及時(shí)校準(zhǔn)。第3章第5節(jié)壓電式傳感器四、應(yīng)用106第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個(gè)方面的問題。

一、靈敏度

一般說來，傳感器靈敏度越高越好。因?yàn)殪`敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測量有一微小變化，傳感器就有較大的輸出。在確定靈敏度時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)問題。

1、當(dāng)傳感器的靈敏度很高時(shí)，那些與被測信號無關(guān)的外界噪聲也會(huì)同時(shí)被檢測到，并通過傳感器輸出，從而干擾被測信號。

2、與靈敏度緊密相關(guān)的是量程范圍。當(dāng)傳感器的線性工作范圍一定時(shí)，傳感器的靈敏度越高，干擾噪聲越大，則難以保證傳感器的輸入在線性區(qū)域內(nèi)工作。3、當(dāng)被測量有方向性時(shí)，要求傳感器單向靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好。

第3章第6節(jié)傳感器的選用原則選擇傳107第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

二、響應(yīng)特性（動(dòng)態(tài)特性）

傳感器的響應(yīng)特性頻域是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真測量的條件。在時(shí)域是指傳感器從輸入到輸出響應(yīng)的快慢。一般物性型傳感器(如利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等傳感器)響應(yīng)時(shí)間短，工作頻率范圍寬；而結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響和機(jī)械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，其固有頻率低，工作頻率范圍窄，響應(yīng)時(shí)間較長。

第3章第6節(jié)傳感器的選用原則二、響應(yīng)特性（動(dòng)態(tài)特108第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

三、線性范圍

任何傳感器都有一定的線性工作范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測試精度的基本條件。例如，機(jī)械式傳感器中的測力彈性元件，其材料的彈性極限是決定測力量程的基本因素，當(dāng)超出測力元件允許的彈性范圍時(shí)，將產(chǎn)生非線性誤差。

但是，對實(shí)際使用的傳感器，保證其絕對工作在線性區(qū)域內(nèi)是不容易的。在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以取其近似線性區(qū)域。例如，變間隙型的電容、電感式傳感器，其工作區(qū)域均選在初始間隙附近。而且必須考慮被測量變化范圍，令其非線性誤差在允許限度以內(nèi)。

第3章第6節(jié)傳感器的選用原則三、線性范圍109第3章第6節(jié)傳感器的選用原則

四、穩(wěn)定性（可靠性）

穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素主要是時(shí)間與環(huán)境。為了保證傳感器的穩(wěn)定性，在選擇傳感器時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)兩種情況：1、根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器。例如，選擇電阻應(yīng)變式傳感器時(shí)，應(yīng)考慮到濕度會(huì)影響其絕緣性，濕度會(huì)產(chǎn)生零漂，長期使用會(huì)產(chǎn)生蠕動(dòng)現(xiàn)象等。又如，對變極距型電容式傳感器，因環(huán)境濕度的影響或油劑浸人間隙時(shí)，會(huì)改變電容器的介質(zhì)。2、要?jiǎng)?chuàng)造或保持一個(gè)良好的環(huán)境，在要求傳感器長期地工作而不需經(jīng)常地更換或校準(zhǔn)的情況下，應(yīng)對傳感器的穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要