機器人傳感器PPT完整全套教學(xué)課件

《機器人傳感器》第1章傳感器檢測基礎(chǔ)知識與檢測技術(shù)第1章傳感器基礎(chǔ)知識與檢測技術(shù).pptx第2章常用的傳感器.pptx第3章智能傳感器.pptx第4章機器人常用傳感器.pptx第6章移動機器常用傳感器.pptx第7章機器人多傳感器信息融合.pptx全套可編輯PPT課件前言學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握傳感器的誤差與標(biāo)定方法；了解傳感器的定義、作用、組成、分類和基本特點；了解機器人與傳感器的發(fā)展歷史及未來發(fā)展趨勢。1傳感器的定義和特點2傳感器的組成和分類3傳感器的特性分析4傳感器的誤差與標(biāo)定5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢目錄CONTENTS各種傳感器檢測使用場景各種傳感器檢測使用場景各種傳感器檢測使用場景各種傳感器檢測使用場景各種傳感器檢測使用場景各種傳感器檢測使用場景

什么是傳感器？演員在舞臺上演唱時要用傳聲器（話筒），傳聲器就是把聲波（機械波）轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。傳感器是指按照一定的規(guī)律，將夠感受到的規(guī)定被測量，轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。簡而言之，傳感器就是一種將外界信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。具體地說，傳感器是一種檢測裝置，能夠感受諸如位移、速度、力、溫度、濕度、流量、光、化學(xué)成分等非電量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電量，或轉(zhuǎn)換成電路的通斷，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的定義1.1傳感器的定義和特點被測量電量70%

傳感器的特點表現(xiàn)在知識密集程度高、涉及多學(xué)科知識、技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高、功能優(yōu)、性能好、品種繁多、應(yīng)用廣泛等諸多方面。表1-1中列出了部分傳感器的輸入量與輸出量及其轉(zhuǎn)化原理。從表中能夠看到，傳感器就是利用物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)，把被測量的物理量、化學(xué)量、生物量等非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件或裝置。1.1.2傳感器的特點表1-1傳感器的輸入量與輸出量及其轉(zhuǎn)換原理輸入量轉(zhuǎn)換原理輸出量物理量機械量幾何學(xué)量長度、位移、應(yīng)變、厚度、角度、角位移物理定律或物理效應(yīng)電量（電壓或電流）運動學(xué)量速度、角速度、加速度、角加速度、振動、頻率、時間力學(xué)量力、力矩、應(yīng)力、質(zhì)量、荷重流體量壓力、真空度、流速、流量、液位、黏度溫度溫度、熱量、比熱濕度濕度、露點、水分電量電流、電壓、功率、電場、電荷、電阻、電感、電容、電磁波磁場磁通、磁場強度、磁感應(yīng)強度光光度、照度、色、紫外光、紅外光、可見光、光位移放射線X、α、β、γ射線化學(xué)量氣體、液體、固體分析、pH、濃度化學(xué)效應(yīng)生物量酶、微生物、免疫抗原抗體生物效應(yīng)1.2傳感器的組成和分類組成：輸出量為電量的傳感器，一般由敏感元件、傳感元件、測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。其中敏感元件和轉(zhuǎn)換元件可能合二為一，而有的傳感器不需要輔助電源。傳感器組成框圖被測量輸出量輔助電路敏感元件轉(zhuǎn)換元件測量電路另一非電量電信號可用電信號1.2.1傳感器的組成敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn)換元件又稱變換器，能將敏感元件感受到的與被測量成確定關(guān)系的非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件。測量電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號變換成為便于記錄、顯示、處理和控制的有用電信號的電路，又稱“信號調(diào)理電路”。被測量輸出量輔助電路敏感元件轉(zhuǎn)換元件測量電路另一非電量電信號可用電信號1.2.1傳感器的組成物品的重量懸臂梁形變應(yīng)變片形變電阻值變化懸臂梁應(yīng)變片電阻的應(yīng)變效應(yīng)敏感元件是指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測量的部分。在完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換時，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接轉(zhuǎn)換成電量，往往是先變換為另一種易于變成電量的非電量，然后再轉(zhuǎn)換成電量。如傳感器中各種類型的彈性元件，常被稱為彈性敏感元件。轉(zhuǎn)換元件是指能將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件或元件。如光電池將光的變換量轉(zhuǎn)換為電動勢，應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻等。轉(zhuǎn)換電路是指將無源形傳感器輸出的電參數(shù)量轉(zhuǎn)換成電量。常用的轉(zhuǎn)換電路有電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器、脈沖調(diào)寬電路等，它們將電阻、電容、電感等電參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等電量。實際上，有些傳感器的敏感元件可以直接把被測非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出，如壓電晶體、光電池、熱電偶等。通常稱它們?yōu)橛性葱蛡鞲衅?。輔助電源為無源傳感器的轉(zhuǎn)換電路提供電能。1.2.1傳感器的組成1按輸入量分類2按轉(zhuǎn)換原理分類3按輸出信號的形式分類4按輸入和輸出的特征分類5按能量轉(zhuǎn)換的方式分類1.2.2傳感器的分類6按應(yīng)用范圍分類7按新型傳感器分類1.按輸入量分類輸入量即被測對象，按此方法分類，傳感器又可分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類。其中，物理量傳感器又可分為溫度傳感器，壓力傳感器和位移傳感器等。這種分類方法給使用者提供了方便，容易根據(jù)被測對象選擇所需要的傳感器。1.2.2傳感器的分類2.按轉(zhuǎn)換原理分類3.按輸出信號的形式分類從轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化原理來分，通常分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型三大類。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用機械構(gòu)件在動力場或電磁場的作用下產(chǎn)生變形或位移，將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感和電容等物理量，它是利用物理學(xué)運動定律或電磁定律實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學(xué)效應(yīng)（即物質(zhì)定律，如胡克定律、歐姆定律等）實現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換，（是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。復(fù)合型傳感器是由結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器組合而成的，兼有兩者的特征。這種分類方法清楚地指明了傳感器的原理，便于學(xué)習(xí)和研究。例如電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、熱敏、氣敏、濕敏和磁敏等。按輸出信號的形式，傳感器可分為開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。4.按輸入和輸出的特征分類按輸入和輸出特征，傳感器可分為線性和非線性兩類。1.2.2傳感器的分類按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式，傳感器可分為有源型和無源型兩類。有源型也稱能量轉(zhuǎn)換器或發(fā)電型，它將非電量直接變成電壓量、電流量、電荷量等，如磁電式、壓電式、光電池、熱電偶等。無源型也稱能量控制型和參數(shù)型，它將非電量變成電阻、電容、電感等量。按上述后三種分類方法進行分類便于選擇測量電路。按應(yīng)用范圍，傳感器可以分為位置、力、液面、能耗、速度、溫度、流量、加速度、角度、距離、氣敏、味敏、色敏、真空度、生物等。按新型傳感器分類，可以分為激光傳感器、紅外傳感器、智能傳感器、微傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳感器、超聲波傳感器和生物傳感器等。5.按能量轉(zhuǎn)換的方式分類6.按應(yīng)用范圍分類7.按新型傳感器分類分類法型式說明按被測量種類位移、溫度、壓力、流量這種分類便于傳感器的管理按工作原理分類應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、光電式以傳感器對信號轉(zhuǎn)換的原理命名按被測量轉(zhuǎn)換特征（構(gòu)成原理）結(jié)構(gòu)型，如電容式，電阻應(yīng)變片；通過改變傳感器元件的參數(shù)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。物性型，如壓電式，水銀溫度計，雙金屬片依靠敏感元件本身物理性質(zhì)隨被測量變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。按能量傳遞方式能量控制型，如RLC式傳感器輸出能量由外部供給，但受被測量控制。能量轉(zhuǎn)換型，如熱電偶溫度計傳感器輸出量直接由被測量能量轉(zhuǎn)換而得。按輸出量模擬式輸出量為模擬信號數(shù)字式輸出量為數(shù)字信號傳感器的分類及其說明1.2.2傳感器的分類電位器式位移傳感器：物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。編碼式位移傳感器：光電編碼器是角度（角速度）檢測裝置。1.2.3常見傳感器視覺傳感器：利用光學(xué)元件和成像裝置獲取外部環(huán)境圖像信息的儀器。超聲波傳感器：超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他能量信號(通常是電信號)的傳感器。1.2.3常見傳感器壓覺傳感器：利用某些材料的壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)檢測外界壓力。速度傳感器：測速發(fā)電機就是把機械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號，輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比。1.2.3常見傳感器傳感器的特性參數(shù)有很多，而且不同類型的傳感器，其特性參數(shù)的要求和定義也各有差異，但都可以通過其靜態(tài)特性和動態(tài)特性進行全面描述。1.3傳感器的特性分析測量范圍表示為ymin～ymax；量程表示為yF.S=ymax－ymin。如某溫度計的測量范圍是－20～100℃，量程為120℃。傳感器在規(guī)定的測量范圍內(nèi)能夠檢測出的被測量的最小變化量稱為分辨力。區(qū)分：分辨力和分辨率

傳感器的誤差特性包括線性度、遲滯、重復(fù)性、零漂和溫漂等。1.靈敏度2.分辨力項目三4.誤差特性1.3.1傳感器的靜態(tài)特征靜態(tài)特征表示傳感器在被測各量值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入與輸出的關(guān)系。3.測量范圍和量程誤差特性傳感器的誤差特性包括線性度、遲滯、重復(fù)性、零漂和溫漂等。1.3.1傳感器的靜態(tài)特征（1）線性度：傳感器的校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差（ΔLmax）與滿量程值（yF.S）的百分比稱為線性度，用γL表示，即

由此可知非線性誤差是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)算出來的，擬合直線不同，所得線性度也不同。1.3.1傳感器的靜態(tài)特征圖1-2傳感器擬合直線示意圖①端基擬合直線優(yōu)點：簡單直觀，應(yīng)用較廣

缺點：精度很低，尤其對非線性比較明顯的傳感器，擬合精度更差。

②獨立擬合直線方程度也稱最小二乘法線性度。優(yōu)點：擬合精度最高，缺點：計算很復(fù)雜。1.3.1傳感器的靜態(tài)特征（2）遲滯：為對應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程輸出值間的最大偏差ΔHmax與滿量程輸出值的百分比，用γH表示，即或者用其?來表示。圖1-3傳感器的遲滯特性

1.3.1傳感器的靜態(tài)特征

圖1-4傳感器的重復(fù)性（3）重復(fù)性：在數(shù)值上用各測量值正、反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值σ的2倍或3倍與滿量程的百分比表示，記作γK，即式中，c為置信因數(shù)，取2或3。當(dāng)c=2時，置信概率為95%；當(dāng)c=3時，置信概率為99.73%。（4）零漂和溫漂零漂：傳感器無輸入（或某一輸入值不變）時，每隔一定時間，其輸出值偏離原示值的最大偏差與滿量程的百分比溫漂：溫度每上升1℃，傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比1.3.1傳感器的靜態(tài)特征1.3.2傳感器的動態(tài)特征動態(tài)特性是描述傳感器在被測量隨時間變化時的輸出和輸入的關(guān)系。

研究傳感器的動態(tài)特性，需要建立傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。動態(tài)數(shù)學(xué)模型一般采用微分方程和傳遞函數(shù)來描述。絕大多數(shù)傳感器都屬于模擬系統(tǒng)（連續(xù)變化的信號），其動態(tài)數(shù)學(xué)模型用線性常系數(shù)微分方程來表示，即：1.3.2傳感器的動態(tài)特征

下面對傳感器的動態(tài)特性進行分析時，采用最簡單、易實現(xiàn)的階躍信號和正弦信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號。對于階躍輸入信號，傳感器的響應(yīng)稱為階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)；對于正弦輸入信號，傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。1.階躍（瞬態(tài)）響應(yīng)特性傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時間響應(yīng)，這種對傳感器的響應(yīng)和過渡過程進行分析的方法是時域分析法。傳感器對所加激勵信號的響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)。下面以單位階躍響應(yīng)來分析傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。向傳感器輸入一個單位階躍信號：（1-7）1.3.2傳感器的動態(tài)特征圖1-6

階躍輸入與階躍響應(yīng)

當(dāng)輸入為單位階躍信號時，傳感器的響應(yīng)函數(shù)y（t）分為兩個響應(yīng)過程，一個是從初始狀態(tài)到接近終態(tài)之間的過程，即過渡過程，當(dāng)t趨于無窮時，輸出基本穩(wěn)定。稱為穩(wěn)態(tài)過程。1.3.2傳感器的動態(tài)特征2.頻率（穩(wěn)態(tài)）響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號X（t）=Asin（ωt）的響應(yīng)，稱為頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)，研究傳感器的動態(tài)特性的方法。若輸入信號為正弦信號X（t）=Asin（ωt），用復(fù)數(shù)表示為Aejωt，此時輸出信號Y（t）=Bsin（ωt+φ）。用負數(shù)表示為Bej（ωt+φ），經(jīng)拉式變換后有：（1-8）顯然，測量的目的是希望得到被測事物的真實量值——真值。誤差原因：測量系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)量本身精度有限；實驗手段不完善，有些方法在理論上就是近似的；測量者的知識和技術(shù)水平有限；多數(shù)被測量值不可能用一個有限數(shù)字表示出來；被測量是隨時間變化的；外界噪聲的干擾等。1.4傳感器的誤差與標(biāo)定

因此，測量的目的僅在于根據(jù)實際需要得到被測量真值的逼近值。測量值與真值的差異程度稱為誤差，實際計算中用約定真值代替真值。（1）系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差表征測量的精準(zhǔn)度。（2）隨機誤差。通常用精密度表征隨機誤差的大小。通常將精準(zhǔn)度和精密度的綜合稱為精確度，簡稱精度。（3）粗大誤差：明顯偏離約定真值的誤差稱為粗大誤差。1.按誤差的性質(zhì)分類2.按被測量與時間的關(guān)系分類傳感器的誤差類型1.4傳感器的誤差與標(biāo)定（1）靜態(tài)誤差：被測量不隨時間變化時測得的誤差稱為靜態(tài)誤差。（2）動態(tài)誤差：在被測量隨時間變化過程中測得的誤差。動態(tài)誤差值等于動態(tài)測量和靜態(tài)測量所得誤差的誤差。1.絕對誤差

某被測量的指示值A(chǔ)x與其真值A(chǔ)0之間的差值，稱為絕對誤差Δ。即當(dāng)Ax＞A0時，為正誤差；當(dāng)Ax<A0時，為負誤差。在計量工作和實驗室測量中常用修正值C表示真值A(chǔ)0與指示值A(chǔ)x之差，它等于絕對誤差的相反數(shù)（C=－Δ），則絕對誤差和修正值的量綱必須與示值量綱相同。絕對誤差可表示測量值偏離實際值的程度，但不能表示測量的準(zhǔn)確程度。1.4.2誤差的表示方法（1）實際相對誤差：即絕對誤差與約定真值的百分比。用γA表示，即

（2）示值（標(biāo)稱）相對誤差：即絕對誤差與指示值的百分比。用γx表示，即

（3）滿度（引用）相對誤差：即絕對誤差與儀表滿量程值A(chǔ)F.S的百分比。用γn表示，即

式中，AF.S為儀表刻度上限制Amax與下限值A(chǔ)min之差。當(dāng)Δ為最大值Δmax時，稱為最大引用誤差。1.4.2誤差的表示方法2.相對誤差

傳感器的標(biāo)定：就是利用已知的輸入量輸入傳感器，測量傳感器相應(yīng)的輸出量，進而得到傳感器輸入輸出特性的過程。一般來說，對傳感器進行標(biāo)定時，必須以國家和地方計量部門的有關(guān)檢定規(guī)程為依據(jù)，選擇正確的標(biāo)定條件和適當(dāng)?shù)膬x器設(shè)備，并按照一定的程序進行。定義：1.4.3傳感器的標(biāo)定(1)是設(shè)計、制造和使用傳感器的一個重要環(huán)節(jié)。(2)對新研制的傳感器，須進行標(biāo)定試驗。(3)傳感器使用、存儲一段時間后，也必須對其主要技術(shù)指標(biāo)進行復(fù)測，稱為校準(zhǔn)，以確保其性能指標(biāo)達到要求。(4)對出現(xiàn)故障的傳感器，若經(jīng)修理還可繼續(xù)使用，修理后也必須再次進行標(biāo)定試驗，因為它的某些指標(biāo)可能發(fā)生了變化。意義：1.4.3傳感器的標(biāo)定利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備生產(chǎn)將已知的被測量作為待標(biāo)定傳感器的輸入，同時用輸出量測量環(huán)節(jié)將待標(biāo)定傳感器的輸出信號測量并顯示出來；對所獲得的傳感器輸入量和輸出量進行處理和比較，從而得到一系列表征兩者對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，進而得到傳感器的性能指標(biāo)的實測結(jié)果。（一）傳感器標(biāo)定的基本方法1.4.3傳感器的標(biāo)定傳感器標(biāo)定的基本方法（二）傳感器標(biāo)定的分類(1)根據(jù)標(biāo)定時所用的設(shè)備進行分類①絕對標(biāo)定法。被測量是由高精度的設(shè)備產(chǎn)生并測量其大小的。特點：精度較高，但較復(fù)雜。

②相對標(biāo)定法或比對標(biāo)定法。被測量是用根據(jù)絕對標(biāo)定法標(biāo)定好的標(biāo)準(zhǔn)傳感器來測量的。特點：簡單易行，但標(biāo)定精度較低。標(biāo)定裝置標(biāo)準(zhǔn)傳感器待標(biāo)定傳感器輸出量顯示輸出量測量1.4.3傳感器的標(biāo)定傳感器標(biāo)定的基本方法傳感器標(biāo)定的基本方法（二）傳感器標(biāo)定的分類(2)根據(jù)標(biāo)定內(nèi)容進行分類①靜態(tài)標(biāo)定。

目的：是確定傳感器的靜態(tài)指標(biāo)，主要有線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。

②動態(tài)標(biāo)定。

目的：是確定傳感器的動態(tài)指標(biāo)，主要有時間常數(shù)、諧振頻率和阻尼比等。1.4.3傳感器的標(biāo)定傳感器的靜態(tài)標(biāo)定①將傳感器全量程(測量范圍)分成若干等間距點。②根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點地輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄與各輸入值對應(yīng)的輸出值。③將輸入值由大到小一點一點地減下來，同時記錄與各輸入值對應(yīng)的輸出值。靜態(tài)標(biāo)定的過程步驟1.4.3傳感器的標(biāo)定傳感器的靜態(tài)標(biāo)定④按②、③所述過程，對傳感器進行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試(一般為3~10次)，將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或繪成曲線。⑤對測試數(shù)據(jù)進行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果確定傳感器的線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。靜態(tài)標(biāo)定的過程步驟1.4.3傳感器的標(biāo)定傳感器的動態(tài)標(biāo)定傳感器的動態(tài)標(biāo)定主要用于檢驗、測試傳感器(或傳感器系統(tǒng))的動態(tài)特性，如動態(tài)靈敏度、頻率響應(yīng)和固有頻率等。傳感器進行動態(tài)標(biāo)定就是當(dāng)通過動態(tài)標(biāo)定認為傳感器的動態(tài)性能不滿足動態(tài)測試需求時，確定一個動態(tài)補償環(huán)節(jié)模型，以改善傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。對傳感器進行動態(tài)標(biāo)定時，需對它輸入一種標(biāo)準(zhǔn)激勵信號。1.4.3傳感器的標(biāo)定1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢自從1959年世界上誕生第一臺機器人以來，機器人技術(shù)取得了長足的進步和發(fā)展，機器人技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段。1.第一代機器人——示教再現(xiàn)型機器人它不配備任何傳感器，一般采用簡單的開關(guān)控制、示教再現(xiàn)控制和可編程控制，機器人的作用路徑或運動參數(shù)都需要示教或編程給定。在工作過程中，它無法感知環(huán)境的改變而改善自身的性能、品質(zhì)。例如，1962年美國研制成功PUMA通用示教再現(xiàn)型機器人，這種機器人通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣機器人可以重復(fù)地根據(jù)人當(dāng)時示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動作。示教再現(xiàn)型機器人對于外界的環(huán)境沒有感知，這個操作力的大小，這個工件存在不存在，焊接的好與壞，它并不知道。例如，汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作。智能機器人：它不僅具有感覺能力，而且還具有獨立判斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動作。

第一代機器人第二代機器人第三代機器人1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢城關(guān)村在線帶感覺型的第二代機器人豐田發(fā)布的第三代人形機器人有感覺的機器人：它們對外界環(huán)境有一定感知能力，即具有聽覺、視覺、觸覺等功能。屬于示教再現(xiàn)型。因未采用傳感器，第一代機器人不具有感知和反饋能力。傳感器使得機器人初步具有類似于人的感知能力，不同類型的傳感器組合構(gòu)成了機器人的感覺系統(tǒng)。機器人傳感器主要可以分為視覺、聽覺、觸覺、力覺和接近覺五大類。1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢控制器內(nèi)部傳感器外部傳感器機器人人類生理學(xué)觀點來看，人的感覺可分為內(nèi)部感覺和外部感覺，類似的，機器人傳感器也可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢控制器內(nèi)部傳感外部傳感機器人位置傳感器速度傳感器加速度傳感器力和壓力傳感器微動開關(guān)紅外傳感器接觸和視覺傳感器接近覺傳感器超聲波傳感器視覺傳感器語音合成器內(nèi)傳感器用于測量機器人自身狀態(tài)測量與機器人作業(yè)有關(guān)的外部環(huán)境1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢手指關(guān)節(jié)多指多關(guān)節(jié)靈巧機械手角度傳感器電機觸覺傳感器；力和壓力傳感器通過從結(jié)構(gòu)與功能上模仿人手，實現(xiàn)對各種形狀物體的靈巧操作，精確的力控制與運動控制。位置傳感器1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢傳感器及其技術(shù)的發(fā)展趨勢為了實現(xiàn)在復(fù)雜、動態(tài)及不確定性環(huán)境下機器人的自主性；增強對外部環(huán)境變化的適應(yīng)能力；為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機器人與它們之間的關(guān)系。開發(fā)新型傳感器集成化、多功能化、智能化新材料開發(fā)新工藝的采用智能材料多傳感器信息融合技術(shù)1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢多傳感器信息融合技術(shù)傳感器信息融合：又稱數(shù)據(jù)融合，是對多種信息的獲取、表示及其內(nèi)在聯(lián)系進行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)。傳感器信息融合技術(shù)從多信息的視角進行處理及綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，保留正確的和有用的成分，最終實現(xiàn)信息的優(yōu)化。多傳感器信息融合：將經(jīng)過集成處理的多傳感器信息進行合成，形成一種對外部環(huán)境或被測對象某一特征的表達方式。目的：是利用多個傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢，來提高整個傳感器系統(tǒng)的有效性。1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢多傳感器信息融合技術(shù)優(yōu)點：增加了系統(tǒng)的生存能力擴展了空間、時間覆蓋范圍提高了可信度改善了探測性能提高了空間分辨率增加了測量空間的維數(shù)1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢2.第二代機器人——感覺型機器人此種機器人配備了簡單的內(nèi)外部傳感器，能感知自身運行的速度、位置、姿態(tài)等物理量，并以這些信息的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制。在20世紀(jì)70年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫感覺型機器人。這種機器人擁有類似人具有的某種功能的感覺，如力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺等，它能夠通過感覺來感受和識別工件的形狀、大小、顏色。機器人自身的工作狀態(tài)、機器人探測外部工作環(huán)境和對象狀態(tài)等，都需要借助傳感器這一重要部件來實現(xiàn)。同時傳感器還能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號。城關(guān)村在線帶感覺型的第二代機器人1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢3.第三代機器人——智能型機器人20世紀(jì)90年代以來，人們發(fā)明的機器人帶有多種傳感器，可以進行復(fù)雜的邏輯推理、判斷及決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境中，自主決定自身的行為?？梢詫鞲衅鞯墓δ芘c人類的感覺器官相比擬：光敏傳感器→視覺；聲敏傳感器→聽覺；氣敏傳感器→嗅覺；化學(xué)傳感器→味覺；壓敏、溫敏、流體傳感器→觸覺。與常用的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺功能優(yōu)越，例如人類沒有能力感知紫外線或紅外線輻射，感覺不到電磁場、無色無味的氣體等。豐田發(fā)布的第三代人形機器人

傳感器技術(shù)的革新和進步，勢必會為機器人行業(yè)帶來革新和進步。因為機器人很多功能都是依靠傳感器來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)在復(fù)雜、動態(tài)及不確定性環(huán)境下機器人的自主性，或為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機器人與它們之間的關(guān)系，目前各國的科研人員逐漸將視覺、聽覺、壓覺、熱覺、力覺傳感器等多種不同功能的傳感器合理地組合在一起，形成機器人的感知系統(tǒng)，為機器人提供更為詳細的外界環(huán)境信息，進而促使機器人對外界環(huán)境變化做出實時，準(zhǔn)確、靈活的行為響應(yīng)。1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢

不得不承認，即使是目前世界上智能程度最高的機器人，它對外部環(huán)境變化的適應(yīng)能力也非常有限，還遠遠沒有達到人們預(yù)想的目標(biāo)。為了解決這一問題，機器人研究領(lǐng)域的學(xué)者們一方面研發(fā)機器人的各種外部傳感器，研究多信息處理系統(tǒng)，使其具有更高的性能指標(biāo)和更廣的應(yīng)用范圍：另一方面，研究多傳感器信息融合技術(shù)，為機器人的決策提供更準(zhǔn)確、更全面的環(huán)境信息。

1.5機器人與傳感器的發(fā)展趨勢思考與練習(xí)（1）什么叫傳感器？傳感器的組成有哪幾部分？各部分的功能特點是什么？（2）試述傳感器在機器人中的作用。（3）傳感器是如何分類的？都包含哪些種類？（4）我國最早的傳感器是什么？（5）試述機器人通常使用的傳感器有哪些？如何選擇？（6）傳感器的靜態(tài)標(biāo)定與動態(tài)標(biāo)定方法有哪些？（7）傳感器誤差如何表示？（8）機器人傳感器的未來發(fā)展趨勢如何？

謝謝機器人傳感器第2章常用的傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器常用傳感器電阻應(yīng)變式傳感器，電容式傳感器，電感式傳感器，電渦流式傳感器物性型傳感器壓阻式傳感器，壓電式傳感器，光電式傳感器1.電阻應(yīng)變式傳感器

前言學(xué)習(xí)目標(biāo)J掌握結(jié)構(gòu)型傳感器的分類和各自特點；J掌握電阻應(yīng)變式傳感器的定義和工作原理；J掌握電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)、類型及標(biāo)定方法；J

掌握電阻應(yīng)變式傳感器的發(fā)展應(yīng)用。電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，實現(xiàn)電測非電量的傳感器。傳感器由在不同的彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，使電路電量變化，反映被測物理量的大小。應(yīng)變式電阻傳感器是目前在測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)中應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。測力與稱重傳感器壓力傳感器1工作原理2結(jié)構(gòu)與類型3特性4電橋測量電路電阻應(yīng)變式傳感器

目錄Contents1.工作原理在外界力的作用下，引起金屬或半導(dǎo)體材料發(fā)生機械變形，其電阻值將會相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。圖2-1導(dǎo)體受力作用后幾何尺寸發(fā)生變化

電阻絲在外力F作用下將會被拉伸或壓縮，導(dǎo)體的長度L、截面積S及電阻率ρ等均將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致導(dǎo)體電阻的變化。對式(2-1)進行微分。（2-1）（2-2）于是有

令電阻絲的軸向應(yīng)變

，設(shè)導(dǎo)體半徑為r，則由材料力學(xué)可知，

，

μ為電阻絲材料的泊松系數(shù)。因為

，故（2-4）（2-5）（2-3）對式（2-3）經(jīng)過整理可得對于不同的材料，電阻率相對變化的受力效應(yīng)是不同的。下面對于金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料分別進行討論。（1）金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)金屬材料的電阻率相對變化正比于體積的相對變化，即有（2-6）C為由材料及加工方式?jīng)Q定的與金屬導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)相關(guān)的比例系數(shù)。將（2-6）代入（2-5）可有（2-7）式中

為金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，由兩部分組成：前半部分為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致，對一般金屬而言μ≈0.3，1+2μ≈1.6；后半部分為因應(yīng)變而發(fā)生的電阻率相對變化，以康銅為例，C≈1，

。顯然金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以幾何尺寸變化為主。由以上分析可見，金屬材料的電阻相對變化與其線應(yīng)變ε成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。（2）半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料具有壓阻效應(yīng)，即（2-8）σ為作用于材料上的軸向應(yīng)力；π為半導(dǎo)體在受力方向的壓阻系數(shù)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量。將式（2-8）代入式（2-5）

（2-9）式中，

為半導(dǎo)體絲材的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。前半部分為幾何尺寸變化所致，后半部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致，而且

，因而半導(dǎo)體絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以壓阻效應(yīng)為主。對于金屬和半導(dǎo)體材料而言，通常

。由以上分析可知，外力作用而引起的軸向應(yīng)變，將導(dǎo)致電阻絲的電阻成比例地變化，通過轉(zhuǎn)換電路可將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出，這就是應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。1工作原理2結(jié)構(gòu)與類型3特性4電橋測量電路電阻應(yīng)變式傳感器

目錄Contents（1）應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)：

利用金屬或半導(dǎo)體材料電阻絲（又稱應(yīng)變絲）的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可以制成測量試件表面應(yīng)變的敏感元件。為在較小的尺寸范圍內(nèi)感受應(yīng)變，并產(chǎn)生較大的電阻變化，通常把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變敏感元件，即電阻應(yīng)變計，簡稱應(yīng)變計。如左圖所示的是應(yīng)變計的典型結(jié)構(gòu)圖，由敏感柵、基底、蓋片、引線和黏結(jié)劑等組成。應(yīng)變計2.結(jié)構(gòu)與類型箔式應(yīng)變片。

電阻應(yīng)變片構(gòu)造示意圖1—敏感柵；2―基底；3一蓋片；4—引線敏感柵：應(yīng)變計中實現(xiàn)“應(yīng)變-電阻”轉(zhuǎn)換的敏感元件。圖2-2中l(wèi)表示柵長，b表示柵寬。敏感柵的電阻值一般在100Ω以上，它通常由直徑為0.01～0.05mm的金屬絲繞成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀?；祝簽楸３置舾袞殴潭ǖ男螤睢⒊叽绾臀恢?，通常用黏結(jié)劑將它固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。應(yīng)變計工作時，基底起著把試件應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作用，故基底必須很薄，一般為0.02～0.04mm。引線：它起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑為0.1?0.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。蓋片：用紙或膠等制作成的、覆蓋在敏感柵上的保護層，起著防潮、防蝕、防損等作用。

黏結(jié)劑：在生產(chǎn)應(yīng)變計時，用黏結(jié)劑分別把蓋片和敏感柵固結(jié)于基底，使用應(yīng)變計時，則用黏結(jié)劑把應(yīng)變計基底粘貼在試件表面的被測部位。因此在應(yīng)變測試過程中，黏結(jié)劑也起著傳遞應(yīng)變的作用。③

④絲式應(yīng)變片：由電阻絲繞制而成，可分為回線式應(yīng)變片與短接式應(yīng)變片兩種。

箔式應(yīng)變片：利用照相制版或光刻腐蝕方法制成，箔材厚度多在0.001?0.01mm之間，可以制成任意形狀以適應(yīng)不同的測量要求。

半導(dǎo)體應(yīng)變片：基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成，一般呈單根狀，體積小，靈敏度高，機械滯后小，動態(tài)性能好。薄膜應(yīng)變片：采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法將電阻材料在基底上制成各種形式的敏感柵而形成的應(yīng)變片。①②①按加工方法，可以將應(yīng)變片分為以下四種：（2）應(yīng)變計的類型：電阻應(yīng)變片的種類很多，分類方法各異，現(xiàn)從加工方法和材料兩個方面，簡要介紹幾種常見的應(yīng)變片及其特點。。②按敏感柵的材料，可將應(yīng)變計分為金屬應(yīng)變計和半導(dǎo)體應(yīng)變計兩大類，如圖所示大類分類方法應(yīng)變計名稱金屬應(yīng)變計敏感柵結(jié)構(gòu)單軸應(yīng)變計、多軸應(yīng)變計（應(yīng)變花）、裂紋應(yīng)變計等基底材料紙質(zhì)應(yīng)變計、膠基應(yīng)變計、金屬基應(yīng)變計、浸膠基應(yīng)變計制柵工藝絲繞式應(yīng)變計、短接式應(yīng)變計、箔式應(yīng)變計、薄膜式應(yīng)變計使用溫度低溫應(yīng)變計（~30°C以下）、常溫應(yīng)變計（一30?+60C）；中溫應(yīng)變計（+60?+35CTC）、高溫應(yīng)變計（+350C以上）安裝方式粘貼式應(yīng)變計、焊接式應(yīng)變計、噴涂式應(yīng)變計、埋入式應(yīng)變計用途一般用途應(yīng)變計、特殊用途應(yīng)變計（水下、疲勞壽命、抗磁感應(yīng)、裂縫擴展等）半導(dǎo)體應(yīng)變計制造工藝體型半導(dǎo)體應(yīng)變計、擴散（含外延）型半導(dǎo)體應(yīng)變計、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變計、N-P元件半導(dǎo)體型應(yīng)變計

電阻應(yīng)變計分類表靈敏度系數(shù)和電阻率要盡可能高而穩(wěn)定，在很大應(yīng)變范圍內(nèi)K和ρ為常數(shù)

電阻溫度系數(shù)盡可能小，具有良好的線性關(guān)系，重復(fù)性好具有優(yōu)良的機械加工性能，機械強度高，輾壓及焊接性能好，與其他金屬之間接觸熱電勢小抗氧化、耐腐蝕性能強，無明顯機械滯后制作應(yīng)變片敏感柵常用的金屬材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）等，其中康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。除敏感柵以外，對基底材料、黏結(jié)劑、引線的材料方面都有要求，可以根據(jù)應(yīng)用對象的不同進行選擇。（3）電阻應(yīng)變計的材料：為了使應(yīng)變計具有較好的性能，對制造敏感柵的材料應(yīng)有下列要求：（4）電阻應(yīng)變計的選用與粘貼：①應(yīng)變計的型號定義與選擇：應(yīng)變計的型號命名如下圖所示。應(yīng)變片的標(biāo)稱電阻值是指未安裝的應(yīng)變片在不受力的情況下于室溫條件下測定的電阻值，也稱原始阻值。由圖可見，應(yīng)變片的標(biāo)稱電阻值可分為60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω等多種，其中120Ω最常使用。應(yīng)變計的型號命名圖解選用應(yīng)變計時，首先應(yīng)根據(jù)使用的目的、要求、對象及環(huán)境條件等，然后根據(jù)使用溫度、時間、最大應(yīng)變量及精度要求選用合適的敏感柵和基底材料；接著根據(jù)測量線路或儀器選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)阻值；最后還應(yīng)根據(jù)試件表面可貼應(yīng)變片的面積大小選擇合適尺寸的應(yīng)變計。

電阻應(yīng)變片工作時，黏結(jié)劑形成的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將被測應(yīng)變傳遞到敏感柵上去，所以黏結(jié)劑以及粘貼技術(shù)對于測量結(jié)果有著直接的影響。

通常而言，對黏結(jié)劑要求如下：有足夠的粘貼強度，彈性模量大，能準(zhǔn)確地傳遞應(yīng)變，機械滯后小，耐疲勞性能好，長期穩(wěn)定性好，對被測試件（或彈性元件）和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，較好的電絕緣性能，具有較大的使用溫度范圍。

常用的黏結(jié)劑有硝化纖維素、氰基丙烯酸、聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂以及酚醛樹脂等多種。粘貼工藝包括以下幾個方面：試件表面處理、貼片位置確定、涂底膠、貼片、干燥固化、貼片質(zhì)量檢查、引線的焊接與固定、防護與屏蔽等。②應(yīng)變片的粘貼：1工作原理2結(jié)構(gòu)與類型3特性4電橋測量電路電阻應(yīng)變式傳感器

目錄Contents3.主要特性應(yīng)變計的工作特性與其結(jié)構(gòu)、材料、工藝、使用條件等多種因素有關(guān)，電阻應(yīng)變計的特性包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩個方面。（1）靜態(tài)特性：靜態(tài)特性是指應(yīng)變計感受不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)變時的輸出特性，表征靜態(tài)特性的指標(biāo)主要有：靈敏度系數(shù)、橫向效應(yīng)、機械滯后、蠕變、零漂、應(yīng)變極限、絕緣電阻、最大工作電流等。①靈敏度系數(shù)（K）：將具有初始電阻值R的應(yīng)變計安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變計阻值的相對變化與試件表面軸向應(yīng)變之比稱為靈敏度系數(shù)。一般情況下，應(yīng)變計的靈敏度系數(shù)因應(yīng)變傳遞過程產(chǎn)生失真，且柵端圓弧部分存在的橫向效應(yīng)，而小于相應(yīng)長度單根應(yīng)變絲的靈敏度系數(shù)。因此須用試驗方法對應(yīng)變計的靈敏度系數(shù)K進行標(biāo)定。通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下通過實測來確定，因此應(yīng)變計的靈敏度系數(shù)也稱為標(biāo)稱靈敏系數(shù)。上述規(guī)定條件是：J試件材料為泊松系數(shù)

μ=0.285的鋼材；J試件單向受力；J應(yīng)變片軸向與主應(yīng)力方向一致。②橫向效應(yīng)：當(dāng)將圖所示的應(yīng)變片粘貼在被測試件上時，由于其敏感柵是由n條長度為l1的直線段和柵端部的n－1個半徑為r的半圓弧組成，若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變εx，則各直線段的電阻將增加，但在半圓弧段則受到從+εx到－μεx之間變化的應(yīng)變，其電阻的變化將小于沿軸向安放的同樣長度電阻絲電阻的變化。最明顯的是在

的圓弧段處，由于單向拉伸，除了沿此軸的拉應(yīng)變外，按泊松關(guān)系同時在垂直方向產(chǎn)生負的壓應(yīng)變εy=－μεx，此處電阻不僅不會增加，反而會減小。③機械滯后：應(yīng)變計安裝在試件上以后，在一定溫度下，其的加載特性與卸載特性不重合，這種不重合性用機械滯后來表示。加載特性與卸載特性曲線的最大差值稱為機械滯后量。（機械滯后主要是敏感柵、基底和黏結(jié)劑在承受機械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的。為了減小機械滯后，除選用合適的黏結(jié)劑外，最好在正式使用之前預(yù)先加、卸載若干次再正式測量，以減小機械滯后的影響。）由此可見，將直的金屬絲繞成敏感柵后，長度相同，應(yīng)變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)降低了，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。一般采用短接式或直角式橫柵，現(xiàn)在更多的是釆用箔式應(yīng)變片，可有效克服橫向效應(yīng)的影響。④蠕變和零漂：粘貼在試件上的應(yīng)變計，在溫度保持恒定、不承受機械應(yīng)變時，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應(yīng)變計的零漂。在一定溫度下，使其承受恒定的機械應(yīng)變，應(yīng)變計電阻值隨時間而變化的特性，稱為應(yīng)變計的蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變變化的方向相反。

這兩項指標(biāo)都是用來衡量應(yīng)變計對時間的穩(wěn)定性，在長時間測量中其意義更為突出。蠕變值中包含零漂，零漂是不加載情況下的特例。

制作應(yīng)變計時內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和工作中出現(xiàn)的剪應(yīng)力等，是造成零漂和蠕變的主要原因。選用彈性模量較大的黏結(jié)劑和基底材料，有利于蠕變性能的改善。⑤應(yīng)變極限：應(yīng)變計的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持，當(dāng)試件輸入的真實應(yīng)變超過某一極限值時，應(yīng)變計的輸出特性呈現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達到10%時的真實應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限。應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變計測量范圍和過載能力的指標(biāo)，影響應(yīng)變極限的主要因素及改善措施與蠕變基本相同。⑥絕緣電阻和最大工作電流：應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值。通常要求為50～100MΩ以上。不影響應(yīng)變片工作特性的最大電流稱為最大工作電流。工作電流大，輸岀信號就大，靈敏度也就高。但是電流過大時，會使應(yīng)變片發(fā)熱、變形，甚至燒壞，零漂、蠕變也會增加。工作電流在靜態(tài)測量時一般為25mA，在動態(tài)測量時可取75～100mA。如果散熱條件好，則電流可適當(dāng)大一些。（2）動態(tài)特性：電阻應(yīng)變計在測量頻率較高的動態(tài)應(yīng)變時，應(yīng)考慮其動態(tài)響應(yīng)特性。這里以正弦變化的應(yīng)變?yōu)槔?，介紹應(yīng)變計的動態(tài)特性。當(dāng)應(yīng)變按正弦規(guī)律變化時，應(yīng)變片反映出來的是應(yīng)變片敏感柵上各點應(yīng)變量的平均值，波幅將低于真實應(yīng)變波，從而帶來一定的誤差。顯然這種誤差將隨著應(yīng)變片基長的增加而增大。設(shè)有一波長為λ、頻率為f的正弦應(yīng)變波，在試件中以v速度。沿應(yīng)變片柵長方向傳播，應(yīng)變片的基長為l0。圖2-5所示為應(yīng)變片的應(yīng)變波達到最大幅值時的瞬時關(guān)系圖。這時應(yīng)變片兩端的坐標(biāo)為：，，則此時應(yīng)變計輸出的平均應(yīng)變εp達到最大值（2-10）則可求岀應(yīng)變波波幅測量相對誤差為（2-11）由式（2-11）可知，測量誤差與應(yīng)變波波長對基長的比值

有關(guān)，當(dāng)

越大，則誤差越小。一般可取

，這時測量誤差為1.6%?0.4%。因為

且

，則應(yīng)變片可測頻率f、應(yīng)變波波速v以及波長與基長之間的關(guān)系為（2-12）以鋼材為例，v=5000m/s，如取n=20，則利用式（2-12）可算得不同基長時應(yīng)變片的最高工作頻率，見表。應(yīng)變片基長l0/mm1235101520最高工作頻率/kHz25012583.3502516.612.51工作原理2結(jié)構(gòu)與類型3特性4電橋測量電路電阻應(yīng)變式傳感器

目錄Contents（在動態(tài)工作狀態(tài)下，另一個重要特性指標(biāo)是疲勞壽命。疲勞壽命是指粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒幅交變應(yīng)力作用下，連續(xù)工作直至疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)，一般要求為105~107次。）4.電橋測量電路電阻式傳感器可以用直流電橋或交流電橋作為轉(zhuǎn)換電路。在電工測量中，用電橋測量電阻、電容和電感，是在電橋平衡時讀出被測參數(shù)的，稱為平衡電橋。用作傳感器信號轉(zhuǎn)換的點橋，初始狀態(tài)是平衡的，輸出電壓等于0，當(dāng)橋臂參數(shù)變化時才輸出電壓，稱為不平衡電橋，其特性是非線性的。（1）電阻電橋的輸出電壓：直流電阻電橋如圖（a）、（b）和（c）所示，其初始狀態(tài)可通過RP1調(diào)零。若采用交流電源供電，則稱為交流電橋，如圖（d）所示，可通過RP1和RP2調(diào)零。當(dāng)電橋平衡時輸入電壓Uo=0。電橋的平衡條件是對邊臂電阻乘積相等，即（2-13）通常4個電阻不可能剛好滿足平衡條件，因此電橋都設(shè)置有調(diào)零電路。調(diào)零電路由RP1和R5組成。當(dāng)電橋不平衡時，將有電壓輸出。根據(jù)電路原理，其輸出電壓為

（2-14）4個橋臂電阻R1、R2、R3、R4分別發(fā)生ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4的變化量時，式（2-14）分母中將含有變量ΔR項，分子中將含有ΔR2項，因此電橋為非線性特性。在滿足式（2-13）條件下，略去分母中的ΔR項和分子中的ΔR2項，并經(jīng)整理可得（2-15）若4個橋臂電阻都是電阻應(yīng)變片，可將式（2-2）代入式（2-15）得（2-16）式（2-15）和（2-16）為全橋的輸出電壓表達式（2）應(yīng)變電橋的工作方式：對于應(yīng)變式傳感器，其電橋電路可分為全橋、單臂單橋和雙臂電橋工作方式。全臂和雙臂電橋還可構(gòu)成差動工作方式。添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字①半橋單臂工作方式如圖2-6（a）所示，R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻，由式（2-15）和式（2-16）得（2-17）②半橋雙臂工作方式如圖2-6（b）所示，R1、R2均為電阻應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻，同理可得（2-18）③差動電橋式（2-16）中，相鄰橋臂間為相減關(guān)系，相對橋臂間為相加關(guān)系。因此構(gòu)成差動電橋的條件：為相鄰橋臂應(yīng)變片的應(yīng)變方向應(yīng)相反，相對橋臂應(yīng)變片的應(yīng)變方向應(yīng)相同。如果各應(yīng)變片的應(yīng)變量相等，則稱為對稱電橋。則式（2-18）和式（2-15）可改寫為式（2-19）為對稱差動半橋的輸出電壓表達式，式（2-20）為對稱差動全橋的輸出電壓表達式?？梢?，差動電橋可提高電橋的靈敏度。由于消除或減小了分母中的ΔR和分子中的ΔR2項，因此減小了電橋的非線性。同時相鄰橋臂對相同方向的變化有補償（相互抵消）作用，因此還可實現(xiàn)溫度補償。（2-19）（2-20）2.電容式傳感器

前言學(xué)習(xí)目標(biāo)J掌握電容式傳感器的定義、組成、工作原理；J掌握電容式傳感器的類型與基本特點；J

掌握電容式傳感器的發(fā)展應(yīng)用。電容式傳感器將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、易于實現(xiàn)非接觸測量等突出的優(yōu)點，可在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作。其被廣泛應(yīng)用于壓力、壓差、液位、振動、位移、加速度、成分含量等物理量的測量中。電容加速度傳感器溫濕度傳感器電容標(biāo)簽傳感器1工作原理2類型與特性3

電容式傳感器的測量電路電容式傳感器

目錄Contents1.工作原理

由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)的影響，其電容量C與極板間介質(zhì)的介電常數(shù)ε、極板間的有效面積S以及兩極板間的距離d有關(guān)。（2-21）式中：

，ε0為真空介電常數(shù)，

，εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，對于空氣介質(zhì)而言εr≈1。當(dāng)被測參數(shù)的變化使d、εr、S三個參量中任意一個發(fā)生變化時，都會引起電容量的變化。保持其中兩個參數(shù)不變，僅改變其中一個參數(shù)時，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)（變介電常數(shù)）型三種。1工作原理2類型與特性3電容式傳感器的測量電路電容式傳感器

目錄Contents2.類型與特性（1）變極距型電容式傳感器：

圖1傳感器兩極板間的ε和S為常數(shù)，通過電容極板間距離的變化實現(xiàn)對相關(guān)物理量的測量。顯然，C-d并不是線性的關(guān)系，其特性曲線如圖2所示。圖1變極距型電容傳感器原理圖

圖2電容量與極板間距離的特性曲線設(shè)初始極距為d0，則初始電容量C0

=εS/d0。若電容動極板因被測量變化而向上移動Δd時，電容量為極板移動前后電容的變化量ΔC為當(dāng)

（即量程遠小于極板間初始距離）時，可以認為ΔC－Δd的關(guān)系為線性的則其靈敏度K為只在Δd/d0很小時，才有近似線性輸出，其靈敏度K與初始極距的平方成反比，故可通過減小d0來提高靈敏度。變極距型傳感器的分辨力極高，一般用來測量微小變化的量，如對0.01μm~0.9mm位移的測量等。（d0過小可能會引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可釆用高介電常數(shù)的材料，如云母、塑料膜等作為介質(zhì)。）此時電容C變?yōu)椋悍胖媒橘|(zhì)的電容器結(jié)構(gòu)dg、εr2分別為中間介質(zhì)的厚度、相對介電常數(shù)。以云母片為例，相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片等介質(zhì)后，極板初始間距可大大減小。添加變面積型電容傳感器原理圖關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字（2）變面積型電容式傳感器：變面積型傳感器的原理圖如下圖所示。變面積型電容傳感器原理圖

動極板移動時，有效面積發(fā)生變化，引起電容發(fā)生變化。當(dāng)電容兩極板間有效覆蓋面積由S0變?yōu)镾時，電容的變化量為（2-27）（b）角位移式添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字可見ΔC與ΔS呈線性關(guān)系，其靈敏度

為常數(shù)。對于圖（a）線位移式傳感器，設(shè)動極板相對定極板沿長度l0方向平移Δl時，則ΔS=Δl·b0，于是式（2-27）變?yōu)椋?-28）（2-29）對于圖（b）角位移式傳感器，設(shè)θ=0時極板相對有效面積為S0，而轉(zhuǎn)動θ后，極板間相對有效面積為（2-30）于是，電容為

（2-31）添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字由上式可以看出，傳感器的電容量與角位移θ呈線性關(guān)系。電容靈敏度K為（2-32）故增大傳感器的初始面積或減小極板間距d有利于增大傳感器的靈敏度K。（3）變介質(zhì)型電容傳感器：變介質(zhì)電容傳感器的結(jié)構(gòu)形式較多，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度以及液位高低等，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度。圖1中兩平行極板固定不動，極距為d0，相對介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中。傳感器的總電容C相當(dāng)于兩個電容C1和C2的并聯(lián)。圖1變介質(zhì)型電容傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2電容式液位變換器結(jié)構(gòu)圖其中L0，b0為極板的長度和寬度；L為第二種介質(zhì)進入極板間的長度。（2-33）即若電介質(zhì)

εr1

=1，當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)進入極板間的長度0時

；當(dāng)被測介質(zhì)

εr2

進入極板間L深度后，引起電容相對變化量為

（2-34）可見電容量的變化與被測電介質(zhì)的移動量L呈線性關(guān)系。ε為空氣介電常數(shù)；C0為由變換器的基本尺寸決定的初始電容值，即

。由上式可知，此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。上圖2所示的是電容式液位變換器用于測量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，液位高度為h，傳感器變換器高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時變換器電容為（2-35）1工作原理2類型與特性3

電容式傳感器的測量電路電容式傳感器

目錄Contents電容式傳感器具有多個獨特的優(yōu)點：

分辨力很高，能測量低達10－7F的電容值或0.01μm的絕對變化量，或高達100%?200%的相對變化量（ΔC/C），因此適合微信息的檢測動極板質(zhì)量很輕，自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小，可獲得高的靜態(tài)精度，并具有很好的動態(tài)特性結(jié)構(gòu)簡單，不含有機材料或磁性材料，對環(huán)境（除高濕外）的適應(yīng)性強過載能力強，可實現(xiàn)無接觸測量（1）電容式壓力傳感器右圖所示為差動電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中所示膜片為動極板，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，從而構(gòu)成了差動電容傳感器。當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，所形成的兩個電容器中一個電容量增大、另一個減小。該電容量的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化，從而實現(xiàn)了對壓力或壓力差的測量。差動式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖下面簡要介紹幾種典型的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用：（2）電容式加速度傳感器：質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為兩個動極板（與殼體電連接）。當(dāng)傳感器殼體沿垂直方向作加速運動時，質(zhì)量塊相對于殼體作相反方向的運動，此位移使上下兩個電容產(chǎn)生大小相等、符號相反的變化。通過一定的測量電路便可以測量出該加速度的大小。主要特點是頻率響應(yīng)快、量程范圍大，大多釆用空氣或其他氣體作阻尼物質(zhì)。電容式傳感器中電容值以及電容變化都十分微小，這樣變化必須借助于一定的測量電路進行檢測，將其轉(zhuǎn)換成電壓、電流或者頻率信號輸出。1—固定電極2—絕緣墊3—質(zhì)量塊

4—彈簧5—輸出端6殼體差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖陶瓷電容壓力傳感器差動式位移傳感器電容式加速度傳感器3.電感式傳感器

前言學(xué)習(xí)目標(biāo)J掌握電感式傳感器的定義、組成、工作原理；J掌握電感式傳感器的類型與基本特點；J掌握電感式傳感器和電容式傳感器的使用區(qū)別；J

掌握電感式傳感器的發(fā)展應(yīng)用；J

掌握差動式變壓器的結(jié)構(gòu)、原理、特性及相關(guān)應(yīng)用。

利用電磁感應(yīng)原理將被測的非電量，如位移、振動、壓力、流量、比重等參數(shù)，轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、分辨力高、重復(fù)性好等優(yōu)點。缺點：存在著交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量等。種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同，可分為自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可分為氣隙式和螺管式兩種。電感式接近傳感器電感式壓力傳感器電感式傳感器1自感式傳感器2差動變壓器電感式傳感器

目錄Contents1.自感式傳感器自感式傳感器的結(jié)構(gòu)形式分為變氣隙（閉磁路）式和螺管（開磁）路式兩種。（1）變氣隙（閉磁路）式自感式傳感器：它們由鐵心、線圈、銜鐵、測桿及彈簧等組成。其中，鐵心和銜鐵構(gòu)成了閉合磁路，其中有很小的空氣隙。鐵心和銜鐵均為導(dǎo)磁材料，磁阻可忽略不計。

變氣隙式自感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字相比之下空氣隙的磁阻很大。當(dāng)銜鐵發(fā)生位移時，空氣系的長度或截面積發(fā)生變化，線圈的電感量就會發(fā)生變化。根據(jù)電工知識，線圈的自感系數(shù)L與線圈的匝數(shù)N和兩個空氣隙的參數(shù)之間的關(guān)系為（2-36）S0為氣隙的等效截面積；l0為一個空氣系的長度；μ0為空氣的磁導(dǎo)率。其中有兩個變量：空氣系長度l0和等效截面積S0。因此，變氣隙式自感式傳感器可分為變氣隙式長度式和變氣隙截面積式兩種類型。

變氣隙長度式電感式傳感器：變氣隙長度式電感式傳感器的特性曲線線性度差、示值范圍窄、自由行程小、常用于直線小位移的測量，結(jié)合彈性敏感元件可構(gòu)成壓力傳感器、加速度傳感器等。變氣隙截面積式電感式傳感器：變截面式傳感器具有良好的線性度、自由行程大、示值范圍寬，但靈敏度較低，通常用來測量比較大的直線位移和角位移。添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)差動電感式角位移傳感器鍵字

動式結(jié)構(gòu)：為了擴大示值范圍、減小非線性誤差，可采用差動式結(jié)構(gòu)，如上圖（b）所示。另外，如下圖所示，旋轉(zhuǎn)銜鐵可改變氣隙的截面積，可以測量角位移。差動式有兩個線圈L1和L2，將它們接在電橋的相鄰臂，構(gòu)成差動電橋，不僅可使靈敏度提高一倍，還可使非線性誤差大為減小。例如當(dāng)

時，單邊式非線性誤差小于10％，而差動式非線性誤差小于1％。

差動電感式角位移傳感器（2）螺管（開磁路）式自感式傳感器：螺管式自感式傳感器是在螺線管中插入圓柱形銜鐵構(gòu)成的。其磁路開放，氣隙磁路占很長的部分，常采用差動式，兩線圈接成橋式電路，由振蕩電路提供激勵電源。不平衡電橋輸出的調(diào)幅信號經(jīng)交流放大器放大，相敏檢波器檢波后，輸出與銜鐵位移成正比的電壓，送指示器顯示被測位移。使用時，將側(cè)頭接觸被測物表面，可測量位移及物體表面粗糙度等。添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字1—引線2—線圈3—銜鐵4—彈簧5—導(dǎo)桿6—密封罩7—測頭

電感測微儀結(jié)構(gòu)圖及其測量電路框圖常用的電感測微儀為CDH型，其量程分為

±3

μm、±10

μm、±50

μm和±100

μm四檔，各檔相應(yīng)的指示儀表分度值為0.1

μm、0.5

μm、1

μm和5

μm。（3）電感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路：

電感式傳感器常用交流阻抗電橋和諧振電路實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。如圖所示為電感式傳感器場用的

交流阻抗電橋。電感式傳感器電橋電路圖（a）所示為電感電橋，為了便于選擇元件，另外兩臂常采用固定電阻；圖（b）為變壓器電橋，其中兩橋臂為變壓器二次側(cè)的繞組，L1、L2為差動式電感傳感器的線圈。若忽略線圈的電阻變化，則電橋的輸出電壓為（2-37）當(dāng)銜鐵移動方向相反時，輸出的電壓相位將翻轉(zhuǎn)180°。1自感式傳感器2差動變壓器電感式傳感器

目錄Contents2.差動變壓器（1）差動變壓器的結(jié)構(gòu)與原理：如圖所示，在差動螺管式自感式傳感器的兩個線圈中間增加一個線圈，作為一次繞組，原來兩個線圈作為二次繞組，即構(gòu)成差動變壓器。繞組的排列方式有二節(jié)形、三節(jié)形和多節(jié)形幾種。1—一次繞組2—二次繞組3—銜鐵差動變壓器差動變壓器的等效電路如上圖（b）所示。圖中，L1、R1為一次繞組的電感和電阻，L21、L22和R21、R22為兩個二次繞組的電感和電阻。給一次繞組L1加激勵電動勢e1，在兩個二次繞組L21和L22上，分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，e21和e22。兩個二次繞組反極性串聯(lián)，因此疏動輸出電動勢e2=e21－e22由電路原理可以得出（2-38）k與一次繞組的電流變化率有關(guān)，在一定范圍內(nèi)ΔM與銜鐵位置移動成線性關(guān)系，當(dāng)位移x=0時，ΔM

=

0，則e2=0。（2）差動變壓器的特性：J

主要技術(shù)指標(biāo)：WY系列差動變壓器式位移傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有線性量程、精度等級、靈敏度、激勵電壓、電源頻率、動態(tài)頻率、溫度漂移、負載阻抗、工作溫度等。差動變壓器的輸出特性J

輸出特性曲線：差動變壓器的理想輸出特性如上圖（a）所示，在線性范圍內(nèi)，輸出電動勢隨銜鐵正，負位移而線性增大。J

零點殘余電壓：

（由于工藝上的原因，差動變壓器的兩個二次繞組不可能完全對稱，其次由于線圈中的銅損，磁性材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻性，線圈匝間分布電容的存在以及導(dǎo)磁材料磁化特性的非線性引起電流波形畸變而產(chǎn)生的高次諧波，使勵磁電流與所產(chǎn)生的磁通不同向）

當(dāng)位移x為零時輸出電動勢e不等于零，這個不為零的輸出電動勢e0稱為零點殘余電壓，如上圖（b）所示。為了消除零點殘余電壓，除了從設(shè)計和工藝上采取措施外，常采用相敏檢波電路和適當(dāng)?shù)难a償電路。相敏檢波電路不僅可以鑒別銜鐵的移動方向，而且有利于消除零點殘余電壓，其特性如上圖（c）所示。J

靈敏度與激勵電源的關(guān)系：差動變壓器的靈敏度用（mV/mm）/V來表示。e1

越大，靈敏度越高。但e1

過大，會使差動變壓器繞組發(fā)熱而引起輸出信號漂移，e1

常取3~8V；激勵電源頻率過高或過低都會使靈敏度降低，常選4~10kHz。J

靈敏度與二次繞組匝數(shù)的關(guān)系：二次繞組匝數(shù)越多，靈敏度越高，兩者成線性關(guān)系。但是匝數(shù)增加，零點殘余電壓也隨之變大。（3）差動變壓器的差動整流電路：

差動變壓器靈敏度較高，一般滿量程輸出電壓可達幾伏，在要求不高時，可直接接入整流電路。常用的差動整流電路lvdt差動變壓器式位移傳感器rvdt差動變壓器式傳感器差動變壓器式位移傳感器

差動式自感式傳感器相關(guān)應(yīng)用：4.電渦流式傳感器

前言學(xué)習(xí)目標(biāo)J掌握電渦流式傳感器的定義、組成、工作原理；J掌握電渦流式傳感器的基本特點與使用注意事項；J

掌握電渦流式傳感器的發(fā)展應(yīng)用。

電渦流在電加熱方面有著廣泛應(yīng)用。在檢測領(lǐng)域上，電渦流式的傳感器結(jié)構(gòu)簡單，其最大特點是可以實現(xiàn)非接觸測量，例如位移、厚度、振動、速度、流量和硬度等，都可以使用電渦流式傳感器來測量。電渦流式位移傳感器振動速度傳感器1工作原理2結(jié)構(gòu)3轉(zhuǎn)換電路4使用注意事項5電渦流式傳感器測位移電渦流式傳感器目錄CONTENTS

電渦流：成塊的金屬物體置于變化著的磁場中，或者在磁場中運動時，在金屬導(dǎo)體中會感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流。電渦流式傳感器是一個繞在骨架上的導(dǎo)線所構(gòu)成的空心線圈，它與正弦交流電源接通，通過線圈的電流會在線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)導(dǎo)電的金屬靠近這個線圈時，金屬導(dǎo)體中便會產(chǎn)生電渦流，如下頁圖所示。渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度，線圈與金屬導(dǎo)體的距離以及線圈勵磁電流的角頻率等參數(shù)有關(guān)。固定其中某些參數(shù)，就能由電渦流的大小測量出另外一些參數(shù)。

由電渦流所造成的能量損耗將使線圈電阻有分量增加，由電渦流產(chǎn)生反磁場的去磁作用將使線圈電感量減小，從而引起線圈等效阻抗Z及等效品質(zhì)因數(shù)Q值的變化。所以凡是能引起電渦流變化的非電量，均可通過測量線圈的等效電阻R、等效電感L、等效阻抗Z以及等效品質(zhì)因數(shù)Q來測量。電渦流作用原理1工作原理2結(jié)構(gòu)3轉(zhuǎn)換電路4使用注意事項5電渦流式傳感器測位移電渦流式傳感器目錄CONTENTS電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)主要是一個繞制在框架上的線圈，目前使用比較普遍的是矩形截面的扁平線圈。圖中傳感器采用導(dǎo)線繞在框架上的形式，框架采用聚四氟乙烯。1—線圈2—框架3—框架襯套4—支座5—電纜6—插頭CZF-1型電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)圖1工作原理2結(jié)構(gòu)3轉(zhuǎn)換電路4使用注意事項5電渦流式傳感器測位移電渦流式傳感器目錄CONTENTS由電感和電容可構(gòu)成諧振電路，因此電感式、電容式和電渦流式傳感器都可以采用諧振電路來轉(zhuǎn)換。諧振電路的輸出也是調(diào)制波，控制幅值變化的稱調(diào)幅波，控制頻率變化的稱調(diào)頻波。調(diào)幅波要經(jīng)過幅值檢波，調(diào)頻波要經(jīng)過鑒頻才能獲得被測量的電壓。CZF-1型電渦流式傳感器測量電路框圖

晶體振蕩器輸出頻率固定的正弦波，經(jīng)耦合電阻R接電渦流式傳感器線圈與電容器的并聯(lián)電路。當(dāng)LC諧振頻率等于晶振頻率時輸出電壓幅值最大，偏離時輸出電壓幅值隨之減小，是一種調(diào)幅波。該調(diào)幅信號經(jīng)高頻放大、幅值檢波、濾波后輸出與被測量相應(yīng)變化的直流電壓信號。1工作原理2結(jié)構(gòu)3轉(zhuǎn)換電路4使用注意事項5電渦流式傳感器測位移電渦流式傳感器目錄CONTENTS電渦流式傳感器是以改變其與被檢金屬物體之間的磁耦合程度為測試基礎(chǔ)的傳感器。線圈裝置僅為實際測試系統(tǒng)的一部分，另一部分是被測體。在實際使用時須注意以下問題：

電渦流軸向貫穿深度的影響：電渦流的軸向貫穿深度是指渦流密度衰減到等于表面渦流密度的1/e處與導(dǎo)體表面的距離。渦流在金屬導(dǎo)體中的軸向分布是按指數(shù)規(guī)律衰減的，衰減深度t可以表示為（2-39）（ρ

為導(dǎo)體電阻率；f

為勵磁電源的頻率）J

利用電渦流式傳感器測量距離時，應(yīng)使導(dǎo)體的厚度遠大于電渦流的軸向貫穿深度；采用透射法測量厚度時，應(yīng)使導(dǎo)體的厚度小于軸向貫穿深度。J

導(dǎo)體材料確定之后，可以通過改變勵磁電源頻率來改變軸向貫穿深度。電阻率大的材料選用較高的勵磁頻率，電阻率小的材料選用較低的勵磁頻率。為充分利用電渦流以獲得準(zhǔn)確的測量效果，使用時應(yīng)注意：

電渦流的徑向形成范圍：（線圈電流所產(chǎn)生的磁場不能涉及無限大的范圍，電渦流密度也有一定的徑向形成范圍。在線圈軸線附近，電渦流的密度非常小，越靠近線圈的外徑處，電渦流的密度越大，而在等于線圈外徑1.8倍處，電渦流密度將衰減到最大值的5

%。）為了充分利用渦流效應(yīng)，被測金屬導(dǎo)體的橫向尺寸應(yīng)大于線圈外徑的1.8倍；對圓柱形被測物體，其直徑應(yīng)大于線圈外徑的3.5倍。

電渦流強度與距離的關(guān)系：（電渦流強度隨著距離與線圈外徑比值的增加而減小，當(dāng)線圈與導(dǎo)體之間距離大于線圈半徑時，電渦流強度

已很微弱。）為了能夠產(chǎn)生相當(dāng)強度的電渦流效應(yīng)，通常取距離與線圈外徑的比值為0.05~0.15。

非被測金屬物體的影響：任何金屬物體接近高頻交流線圈時都會產(chǎn)生渦流，測量時應(yīng)禁止其他金屬物體接近傳感器線圈。1工作原理2結(jié)構(gòu)3轉(zhuǎn)換電路4使用注意事項5電渦流式傳感器測位移電渦流式傳感器目錄CONTENTS添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字添加關(guān)鍵字使用電渦流式傳感器可以測量各種形狀試件的位移量，如圖所示。測量位移的范圍為0~1

mm或0~30

mm。一般的分辨力為滿量程的0.1

%，其絕對值可達0.05

μm（滿量程為0~5

μm）。凡是可以變成位移變化的非電量，如鋼液液位、紗線張力和流體壓力等，都可使用渦流式傳感器來測量。

位移測量原理型號線性范圍/μm線圈外徑/mm分辨力/μm線性誤差(%)使用溫度范圍/℃CZF-1000100071<1－15~80CZF-30003000153<3－15~80CZF-50005000285<5－15~80CZF-1型傳感器性能見下表。1.壓阻式傳感器第2章常用的傳感器2.2物性型傳感器

前言學(xué)習(xí)目標(biāo)J掌握壓阻式傳感器的定義、組成、工作原理；J掌握壓阻式傳感器的