传感器原理与测量电路课件

第六章

传感器原理与测量电路

第六章传感器原理与测量电路1传感器是将不同物理特性的信号转换为电信号的转换装置。

在机械测试中，传感器一般由转换机构和敏感元件两部分组成，前者将一种机械量转变为另一种机械量，后者则将机械量转换为电量，有些结构简单的传感器则只有敏感元件部分。

传感器输出的电信号分为两类，一类是电压、电荷及电流，另一类是电阻、电感和电感等电参数。通常情况下传感器输出的电信号比较微弱和不适合直接分析处理。因此传感器往往与配套的前置放大器连接或者与其它电子元件组成专用的测量电路，

由于传感器和前置放大器或测量电路的这种不可分性，要求我们在学习传感器的原理的同时必须留意配套的前置放大器或相关测量电路传感器是测量装置与被测量之间的接口，处于测量系统的输入端，其性能直接影响着整个测量系统，对测量精确度起着主要的作用。在选择和使用传感器时还应该注意以下几点：传感器首先必须在它的工作频率范围内满足不失真测试的条件

灵敏度高意味着传感器能检测微小的信号，当被测量稍有变化，传感器就有较大的输出。但高灵敏度的传感器测量范围也较窄，较容易受噪声的干扰。所以同一种传感器常常做成一个序列，有高灵敏度测量范围较小的，也有测量范围宽灵敏度较低的，在使用时要根据被测量的变化范围（动态范围）并留有足够的余量来选择灵敏度适当的传感器。传感器的精确度表示其输出电量与被测量的真值的一致程度。然而精确度越高，其价格也越高，对测量环境的要求也越高。因此应当从实际出发选择能满足测量需要的足够精确度的传感器，不应一味地追求高精度。可靠性是传感器和一切测量仪器的生命，可靠性高的传感器能长期完成它的功能并保持其性能参数。为了保证传感器使用中的高度可靠性，除了选用设计合理，制作精良的产品外，还应该了解工作环境对传感器的影响。在机械工程中，传感器有时是在相当恶劣的的条件下工作，包括灰尘、高温、潮湿、油污、辐射和振动等，这时传感器的稳定性和可靠性就显得特别重要。传感器的工作方式有接触和非接触两种。接触式传感器工作时必须可靠地与被测对象接触或固定在被测对象上，这时要求传感器与被测物之间的相互作用要小，其质量要尽可能的小，以减少传感器对被测对象运行状态的影响。非接触式传感器则无此缺点，特别适用于旋转和往复机件的在线检测。

（1）适当的灵敏度（2）足够的精确度（3）高度的可靠性（4）对被测对象的影响小第一节概述传感器是将不同物理特性的信号转换为电信号的转换装置。2电阻应变式传感器是通过电阻丝或电阻片随被测对象发生的应变而的改变电阻丝或电阻片电阻值的传感器。传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变值的变化，通过转换电路转换成电量输出，则电量变化的大小反映了被测量的大小。

由于应变与被测对象所受的载荷、运动状况（速度、加速度、位移）变形情况密切相关，因此，用这类传感器能够测应变、应力、力、位移、速度、加速度、扭矩等参数，有很广泛的应用。６.２.１金属应变片式传感器

金属应变片式传感器的核心元件是金属电阻应变片，如图所示图6-1金属丝应变片结构电阻丝式敏感栅引线覆盖层基片电阻丝有效长度它能将被测试件的应变变化转换成电阻应变片电阻的变化。

1．工作原理

由物理学可知：电阻丝的电阻：６.２电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是通过电阻丝或电阻片随被测对象发生的应变3当每一可变因素分别有一变化量dL、dA和dρ时，电阻的全增量为：是纵向应变

为横向应变

电阻率相对变化量，其值与材料在轴向所受的应力有关。

πL为材料的压阻系数

E为材料的弹性横量，因此，式（6-1）又可写为电阻的相对全增量为：分析以上公式。可以看出：电阻的相对全增量由两部分构成，一部分是形变效应而引起，另一部分是电阻率发生变化而引起的。对金属来说，电阻变化率较小,可忽略不计，因此：

对于某些半导体材料，受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。电阻变化是率形变效应几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要因素是压阻效应，利用这类半导体材料制成的应变式传感器，称为压阻式应变式传感器，电阻的相对全增量为当每一可变因素分别有一变化量dL、dA和dρ时，电阻的全增量4图6-2半导体应变片123451—胶膜衬底2—P-Si3—内引线4—焊接板5—外引线（一）直流电桥

直流电桥的结构如图

它由连接成菱形的四个桥臂电阻R1、R2、R3和R4组成。其中，A、C两端接入直流电源E，而B、D两端为信号输出端，当输出端接入高阻抗负载时，电桥的输出端可视为开路，其输出电压（2）电桥电压灵敏度

当电桥输出U=0称电桥平衡半桥单臂半桥双臂全桥通常电桥的连接方法有三种如图示：半桥单臂、半桥双臂和全桥取R1=R2=R3=R4=R由此可得应变测量电路（P344）图6-2半导体应变片123451—胶膜衬底2—P-S5供桥电压采用交流电源的电桥称为交流电桥，四个桥臂可以是电阻，电容或电感组成（如图10-9），a).b).c)所示。桥臂不再是直流电桥中的“纯电阻”，而是呈复阻抗特性。分别用Z1

、Z2

、Z3

、Z4表示四个桥臂的电抗，分别代替桥臂电阻R1

、R2

、R3

、R4，则直流电桥的平衡关系式也可适用于交流电桥的平衡关系式。故有：Z1Z3=Z2Z4a)电容电桥b)电感电桥c)电阻电桥Z01·Z03=Z02·Z04

φ1+φ3=φ2+φ4

(10-16)（二）交流电桥供桥电压采用交流电源的电桥称为交流电桥，四个桥臂可以是电阻，66.2.3应变式力传感器应用多数应用是利用应变片构成各种传感器，再组成测试系统完成相应的测试。图6-3所示为柱式、筒式力传感器，U(a)(b)(c)(d)图6-3圆筒（柱）式力传感器U0图6-4所示为环式力传感器结构图及应力分布图图6-5所示为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力P作用下，膜片产生径向应变和切向应变。图6-5膜片式压力传感器（a）（b）图6-7所示是应变片式加速度传感器的结构示意图，图6-7应变式加速度传感器结构图6.2.3应变式力传感器应用多数应用是利用应变片构成各种传7

电感式传感器是将被测量的变化转化成电感量的变化。按照电感的类型，电感传感器可分为自感系数变化型和互感系数变化型两类。一、自感式传感器

图示为自感式电感传感器的示意图：根据电磁感应原理，由一个匝数为W、所载电流I的线圈产生自感L为：

式中：——穿过每匝线圈的磁通。由磁路欧姆定律可得

式中：Rm——磁路的总磁阻，。空气段的磁导率约为铁芯10-12，因此计算磁阻时可略去铁芯的磁阻所以：可见自感与气隙之长度成反比，由此而制作自感传感器称为变气隙型自感传感器第三节电感式传感器电感式传感器是将被测量的变化转化成电感量的变化。按照电感的8变气隙型自感传感器还可以作成螺管型自感传感器如图6.9所示：铁芯螺线管它有两种工作方式：单个工作和差动工作。变气隙型自感传感器还可以作成螺管型自感传感器如图6.9所示9差动变压器实质上是一个变压器，原边线圈Wp加电源激励，副边线圈Ws感应电势输出，输出大小由原、副边的互感M决定，和普通变压器不同的是由于原、副边间耦合磁通路径的铁芯可移动，从而使M可以变化。通常有两个副边线圈WSl、WS2，铁芯移动时使Wp和WS1及Wp和WS2间互感M1、M2向相反方向变化，以WS1、WS2中感应电势之差来输出，由它来反映铁芯的移动，因此常称为差动变压器螺线管式差动变压器结构如图6-12所示，它由初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。U2LU1Er1RL1—活动衔铁；2—导磁外壳；3—骨架；4—匝数为W1的初级绕组；5—匝数为W2a的次级绕组；6—匝数为W2b的次级绕组

6.3.2差动变压器式传感器差动变压器实质上是一个变压器，原边线圈Wp加电源激励10

图6-15为电涡流式传感器的原理图，该图由由传感器线圈和被测导体组成线圈一导体系统。

6.3.3电涡流式传感器

根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率f有关，还与线圈与导体间的距离x有关。因此，传感器线圈受涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：H2HiI1被测金属导体I2（3）．电涡流式传感器的应用测距离（分辩率可达0.1m、鉴别材质、检查裂纹、钢丝断股等测量电路：阻抗分压式调幅电路、LC振荡电路Z=F(ρ,μ,r,f,x)（6-11）式中：r——线圈与被测体的尺寸因子。图6-15为电涡流式传感器的原理图，该图由由传感器线11电容式传感器的结构极为简单，由绝缘介质分开的两个平行金属板作为极板，中间隔以绝缘介质。实际上，它就是一个可变参量的电容器。对于平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：式中：εr

——真空介电常数ε0=8.85×10-12F/m

ε0

——极板间相对介电常数，空气介质εr=1A——两平行极板相互覆盖面积（m2）d——极板间距离（m）

dS电容式传感器类型：极距变化型、面积变化型、介电常数变化型电容式传感器的应用：测相对位移、速度、加速度、测介质、压力等dLXhlXarD0D1图6-19平面线位移型图6-20平面角位移型图6-21圆柱线位移型测量电路：LC振荡电路、电桥型电路、调频电路、运放电路6.4电容式传感器电容式传感器的结构极为简单，由绝缘介质分开的12电桥型电路直流极化型电路电桥型电路直流极化型电路13谐振型电路调频电路谐振型电路调频电路14振荡器R放大器检波滤波金属板振荡器放大器检波滤波15压电式传感器是一种基于某些电介质压电效应的无源传感器。有这样一类物质：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷，这种现象称为压电效应；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式，如图6-28所示。压电元件常用的结构形式：图6-29压电元件常用的结构形式6.5压电式传感器压电式传感器是一种基于某些电介质压电效应的无源传感器16图6-30为电荷放大器电路，略去漏电导等的影响，根据电路中电荷平衡关系可得：当运算放大器的开环增益很大时，即A>>1，有于是，式（6-26）可近似为压电式传感器的应用：压电式传感器的典型应用是压电式加速度传感器压电转换元件m图6-31压电式加速度传感器原理图测量电路：电荷放大器和电压放大器图6-31所示压电式加速度传感器

压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置比重较大的质量块，然后用以硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。

（无电缆电容的影响）图6-30电荷放大器的等效电路-A图6-30为电荷放大器电路，略去漏电导等的影响，根据电176.7霍尔传感器6.8光栅传感器尔传感器6.7霍尔传感器6.8光栅传感器尔传感器18传感器原理与测量电路课件19一、光栅与光栅传感器光栅是在一种基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件。根据制造方法和光学原理的不同，光栅可以分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在一块长方形光学玻璃上均匀地刻上光栅线纹，形成规则排列的明暗线条，光源可以采用垂直入射光直接穿透光栅并透射到光电元件上反射光栅是用不锈钢带经照相腐蚀或直接刻制而成。光栅的线纹是光栅的光学结构，如图6-41中光栅局部放大图所示a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，W为光栅栅距或称为光栅常数。通常情况下，a=b=W/2，有时也采用a:b=1.1:0.9的比例刻制光栅，线纹的密度一般为每毫米200、100、50、25、10线。6.8光栅传感器一、光栅与光栅传感器光栅是在一种基体上刻制有等间距20如图6-41所示为透射光栅传感器。光栅传感器由光路系统、标尺光栅、指示光栅和光电接收元件等组成。6-41所示为透射光栅传感器如图6-41所示为透射光栅传感器。光栅传感器由光路21传感器原理与测量电路课件22二、莫尔条纹

当光栅常数相等的指示光栅与标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，由于遮光积分效应或光的衍射作用，在指示光栅上与两块光栅线纹相交的钝角平分线方向，出现较粗的明暗交替的条纹，二、莫尔条纹当光栅常数相等的指示光栅与标尺光栅的线23如图6-40所示，在a-a上两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这种明暗相间的条纹，在与光栅线纹大致垂直的方向上，故称之为横向莫尔条纹。莫尔条纹之间的距离为式中，BH―莫尔条纹间距

W―光栅栅距

θ―两光栅刻线间的夹角如图6-40所示，在a-a上两光栅的栅线彼此重合，24传感器原理与测量电路课件25可见，莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定，对于给定的光栅，其光栅常数恒定，可以通过调整夹角θ，改变莫尔条纹的间距。可见，莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定，26莫尔条纹具有以下技术特点:

（1）通过调整夹角θ，可以使莫尔条纹具有任意的宽度而起到光栅栅距放大的作用。这样，就把一个微小的移动量的测量转换成一个较大的移动量的测量，可以提高测量的灵敏度和测量的精度。例如，对于光栅常数为0.01的光栅传感器，若调整θ使其为0.001rad，（0.057°）则莫尔条纹间距为10mm，其放大倍数相当于1000倍。

（2）莫尔条纹是由大量的刻线共同作用产生，这对光栅刻线的误差起到了平均的作用，使得刻线的局部误差和周期误差对于测量精度没有直接的影响，可以得到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。

（3）两光栅沿垂直于刻线的方向作相对运动时，莫尔条纹在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹也同步移动一个间距BH，固定点上的光强度变化一周。莫尔条纹的光强度变化近似于正弦变化，因此，可以采用倍频技术将电信号作进一步细分处理，提高测量精度。

当光栅方向移动时，莫尔条纹移动的方向也随之反向，但固定点同样发生光强度的变化，因此无法判定移动的方向。判定方向，必须依靠辨向电路来实现。

莫尔条纹具有以下技术特点:（1）通过调整夹角θ，可以使莫尔27光栅传感器除了进行位移测量外，还可以用径向光栅（圆光栅）测量角位移，径向光栅是在玻璃圆盘上刻有由圆心向外辐射的等角间距的辐射状线纹，如图6-42（a）所示，当两块栅距相同的径向光栅以微小的偏心重叠置放时，因偏心而使两光栅的线纹交叉，由于在整个线纹区各部分线纹的交角不同，因此，形成的莫尔条纹具有不同的曲率半径，如图6-42（b）所示。当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出移动的条纹的数目，即可得到标尺光栅相对于指示光栅转动的角度。光栅传感器除了进行位移测量外，还可以用径向光栅（圆光28三、辨向原理与辨向电路

光栅测量系统，通常由光栅传感器、细分电路、辨向电路和数字记录数字显示装置构成，将光栅传感器的标尺光栅与被测运动对象相连，指示光栅固定于相对静止的部件上，由于两光栅的相对移动，光电接收器将光信号转换为电信号，将此电压信号经过放大、整形变为方波，经微分电路转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可以在显示器件上以数字的形式，实时地显示出位移量的大小。单个光电接收元件在固定点只能接收和判明莫尔条纹明暗的变化而不能判明莫尔条纹移动的方向。

如果能在被测物体正向移动时，将移动的脉冲数累加，而在物体反向移动时，则从已经累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，就能正确的反映物体移动的大小和方向。

三、辨向原理与辨向电路光栅测量系统，通常由光栅传感29完成这种任务的电路就是辨向电路，图6-43所示为辨向电路原理图。完成这种任务的电路就是辨向电路，图6-43所30传感器原理与测量电路课件316.8.4细分技术

通过以上分析可知，运动物体移动一个栅距，对应的计数电路输出一个计数脉冲，因此计数器能够反映的移动距离的最小单位为一个栅距，称为脉冲当量或分辨率。

提高分辨率可以通过提高光栅线纹的刻线密度和栅距测微细分来实现，提高光栅线纹的刻线密度，受到工艺水平的限制而且也不经济，细分方法为常用方法。细分方法有机械细分和电子细分两类。在此介绍较常用的电子四倍频细分法。如果在指示光栅前，每隔BH/4设置一个光电接收元件，则可以获得依次相差π/2的四个正弦交流信号。用鉴零器分别在每个信号由负到正过零点时发出一个计数脉冲，既可实现在一个莫尔条纹周期内，产生四个计数脉冲，达到四细分的目的。也可以用在BH/4间隔上，设置两个光电接收元件来实现。由光电元件可以得到两个相差π/2的正弦交流信号,若将其反相，就可以得到四个依次相差π/2的四个正弦交流信号。从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。

6.8.4细分技术通过以上分析可知，运动物体移32五、光栅传感器的应用光栅式传感器有很高的分辨率和准确度。序号测量系统名称信号周期（或节距）分辨率准确度1光栅传感器20μm0.1μm±2μm2感应同步器2000μm5μm±20μm3磁栅200μm1μm±10μm4容栅50μm10μm±10μm5球栅12.7μm5μm±30μm6激光λ=0.6328μmλ/16

表6-1位置测量系统的检测精度表五、光栅传感器的应用光栅式传感器有很高的分辨率和准确度。33可见，光栅传感器的分辨率和准确度，高于除激光外的其他4种测量系统，而在系统的稳定性、可靠性、经济性方面，又明显优于激光测量系统，从而被广泛地应用于高精度的位置检测和控制环节，20世纪90年代，80％的闭环控制的数控机床、三坐标测量机和数显机床的测量系统都使用光栅传感器测量系统。

图6-70所示是德国海簦汉因生产的用于实时控制的光栅位置检测系统，由栅尺部分和EXE（脉冲放大整形及细分）两大部分构成。栅尺(或径向光栅旋转编码器)检测机床位移，并送出与位移量和位移方向相关的两路信号送入EXE进行放大、整形和电子细分，最后经长线驱动后送入CNC，形成全闭环控制系统。可见，光栅传感器的分辨率和准确度，高于除激光外的其他4种测量34光纤传感器是20世纪70年代发展起来的新型传感器，它以光学量变换为基础，把被测量的状态转换为可测的光信号，如光波的强度、频率、相位、偏振态，实现被测量感知。

使光波的参数随被测量的状态而变化，称为对光波进行调制。根据改变的光参数的不同，光纤传感器有强度调制、频率调制、相位调制和偏振调制四种型式。

一、光导纤维结构与传输原理6.9光纤传感器光纤传感器是20世纪70年代发展起来的新型传感器，它356.9.1光导纤维结构与传输原理光纤是由具有大折射率n1的玻璃纤维芯和较小折射率n2的玻璃包层两个同心圆所构成的双层圆柱形结构，总直径为100～200μm，如图6-71所示。根据光学斯乃尔(Snell’Law)定理，当光由大折射率的介质射入小折射率的介质时，光将发生折射，其折射角大于入射角。随入射角的增大，折射角将随之增大，折射角为90°时对应的入射角称为临界角。此时，光沿界面传播，如果入射角大于临界角，在两种物质的界面上将发生光的全反射现象，光线将不进入小折射率介质。6.9.1光导纤维结构与传输原理光纤是由具有大折射36入射角α大于临界角，光线将在界面产生全反射，且入射角与反射角相等，光线反射到另一侧的界面时，其入射角仍为α，再次产生全反射，如此往复，光线在光纤中以全反射方式传播。

光线自光纤端部射入，其入射角θi必须满足一定的条件才能使光线进入光纤经折射到芯－包层界面C点后，产生全反射。可以证明，若光线自折射率为n0的介质射入光纤，使得光线在玻璃纤维芯以临界入射角射到纤芯－包层界面的C点，则入射角θi=θic有以下关系式显然，只有入射角θi＜θic的那部分光线，才能在进入光纤后以全反射方式向前传播，通常入射光线所在空间为空气，其折射率n0≈1,则上式为入射角α大于临界角，光线将在界面产生全反射，且入射角37纤维光学中，定义为数值孔径NA（NumericalAperture），亦即只有＜arcsin（NA）的入射光可以在光纤以全反射方式向前传播，其余部分光线，进入光纤后都不能传播而将在包层中散失。纤维光学中，定义为数值孔径NA（Numerical38二、光纤传感器及其分类

光纤传感器一般由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，

如图6-73所示，光发送器发出的光，经光纤引导到光调制区，在这里，光的某种性质通过敏感元件作用而随被测量的变化发生改变，形成已调光，然后，经光纤传输送到光接收器，再经过处理系统处理获得测量结果。

图6-73光纤传感器示意图二、光纤传感器及其分类光纤传感器一般由光发送器、敏39根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可以分为功能型光纤传感器、非功能型(传光型)光纤传感器和拾光型光纤传感器三类。

功能型光纤传感器的光纤；一方面作为导光媒质，起着传输光波的作用，另一方面又是光的敏感元件，实现被测量对光的调制；

非功能型光纤传感器：又称为传光型光纤传感器，光纤仅作为光的传播介质，对光波的调制则需要其他的敏感元件来实现，通过光纤传导的光波，照射在非光纤型敏感元件上，由此“感受”被测量的变化而导致的光参数的变化，因此，传感器中光纤是不连续的；

拾光型传感器：以光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光，其典型的例子有辐射式光纤温度传感器、光纤激光多普勒速度计等。

根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可以分为功能型光40表6-2列出部分光纤的种类、调制方式及测量对象。

调制方式光学现象被测对象种类强度调制遮光板遮断光路半导体透射率变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位传光型传光型传光型传光型传光型传光型拾光型偏振调制法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压温度振动、压力、加速度、位移传光型传光型传光型传光型频率调制多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流量、振动、加速度气体浓度温度拾光型传光型传光型相位调制磁致伸缩电致伸缩sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度功能型功能型功能型功能型功能型表6-2列出部分光纤的种类、调制方式及测量对象。调制方式光41三、光纤传感器的应用

图6-74所示为光纤微弯传感器，它是利用光纤的微弯损耗来检测被测物理量的变化。一根多模光纤从机械变形器中间通过，当变形器随被测量发生位移的时候，光纤沿轴线产生微弯曲，从而引起光纤折射率不连续变化，导致传播光的一部分泄漏到包层中。通过检测光纤纤芯中传导的光功率或包层中辐射光的功率变化，就能测量出被测物理量。三、光纤传感器的应用图6-74所示为光纤微弯传42利用半导体材料的光吸收与温度的关系，可以构成透射式光纤温度传感器，如图7-76所示。

图6-76半导体吸光式干球温度传感器测温原理图

图6－77半导体材料的光吸收特性

利用半导体材料的光吸收与温度的关系，可以构成透射式光纤温度传43

反射式光纤位移传感器如图6－78所示，光源发出的光经发送光纤射向被测物体的表面，反射光由接收光纤收集，并传送到光探测器转换成电信号输出，从而测量出物体的位移。图6-78反射式光纤位移传感器原理图

图6-78反射式光纤位移传感器原理图图6-78反射式光纤位移传感器原理图图6-78反射式光44图6-79为激光多普勒测速传感器原理图激光源发出的频率为f0的线偏振光束，被分为两束：一束作为参考光束；另一束经偏振分束器，被一显微物镜聚焦后进入光纤，并经光纤探头插入被测物体运动的管道中，光纤探头与管道中心线夹角为φ，探头端面射出的激光照射到运动液体微粒上，经过微粒散射产生多普勒移频的散射光，在由光纤探头耦合传回。基于光学多普勒效应，当频率为f的光以入射角φ(相对入射运动物体方向)照射到运动物体时，从物体上散射回来的光的频率将发生△f的变化图6-79为激光多普勒测速传感器原理图45式中n—运动物质的折射率；v—微粒运动速度；φ—光的入射角，亦可为光纤插入角；λ—激光的波长。据此，通过检测器拾取f0与(f0＋△f)的混频信号并对其进行频谱分析，确定多普勒频移，从而得到管道内被测物的速度。式中n—运动物质的折射率；据此，通过检测器拾46第六章

传感器原理与测量电路

第六章传感器原理与测量电路47传感器是将不同物理特性的信号转换为电信号的转换装置。

在机械测试中，传感器一般由转换机构和敏感元件两部分组成，前者将一种机械量转变为另一种机械量，后者则将机械量转换为电量，有些结构简单的传感器则只有敏感元件部分。

传感器输出的电信号分为两类，一类是电压、电荷及电流，另一类是电阻、电感和电感等电参数。通常情况下传感器输出的电信号比较微弱和不适合直接分析处理。因此传感器往往与配套的前置放大器连接或者与其它电子元件组成专用的测量电路，

由于传感器和前置放大器或测量电路的这种不可分性，要求我们在学习传感器的原理的同时必须留意配套的前置放大器或相关测量电路传感器是测量装置与被测量之间的接口，处于测量系统的输入端，其性能直接影响着整个测量系统，对测量精确度起着主要的作用。在选择和使用传感器时还应该注意以下几点：传感器首先必须在它的工作频率范围内满足不失真测试的条件

灵敏度高意味着传感器能检测微小的信号，当被测量稍有变化，传感器就有较大的输出。但高灵敏度的传感器测量范围也较窄，较容易受噪声的干扰。所以同一种传感器常常做成一个序列，有高灵敏度测量范围较小的，也有测量范围宽灵敏度较低的，在使用时要根据被测量的变化范围（动态范围）并留有足够的余量来选择灵敏度适当的传感器。传感器的精确度表示其输出电量与被测量的真值的一致程度。然而精确度越高，其价格也越高，对测量环境的要求也越高。因此应当从实际出发选择能满足测量需要的足够精确度的传感器，不应一味地追求高精度。可靠性是传感器和一切测量仪器的生命，可靠性高的传感器能长期完成它的功能并保持其性能参数。为了保证传感器使用中的高度可靠性，除了选用设计合理，制作精良的产品外，还应该了解工作环境对传感器的影响。在机械工程中，传感器有时是在相当恶劣的的条件下工作，包括灰尘、高温、潮湿、油污、辐射和振动等，这时传感器的稳定性和可靠性就显得特别重要。传感器的工作方式有接触和非接触两种。接触式传感器工作时必须可靠地与被测对象接触或固定在被测对象上，这时要求传感器与被测物之间的相互作用要小，其质量要尽可能的小，以减少传感器对被测对象运行状态的影响。非接触式传感器则无此缺点，特别适用于旋转和往复机件的在线检测。

（1）适当的灵敏度（2）足够的精确度（3）高度的可靠性（4）对被测对象的影响小第一节概述传感器是将不同物理特性的信号转换为电信号的转换装置。48电阻应变式传感器是通过电阻丝或电阻片随被测对象发生的应变而的改变电阻丝或电阻片电阻值的传感器。传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变值的变化，通过转换电路转换成电量输出，则电量变化的大小反映了被测量的大小。

由于应变与被测对象所受的载荷、运动状况（速度、加速度、位移）变形情况密切相关，因此，用这类传感器能够测应变、应力、力、位移、速度、加速度、扭矩等参数，有很广泛的应用。６.２.１金属应变片式传感器

金属应变片式传感器的核心元件是金属电阻应变片，如图所示图6-1金属丝应变片结构电阻丝式敏感栅引线覆盖层基片电阻丝有效长度它能将被测试件的应变变化转换成电阻应变片电阻的变化。

1．工作原理

由物理学可知：电阻丝的电阻：６.２电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是通过电阻丝或电阻片随被测对象发生的应变49当每一可变因素分别有一变化量dL、dA和dρ时，电阻的全增量为：是纵向应变

为横向应变

电阻率相对变化量，其值与材料在轴向所受的应力有关。

πL为材料的压阻系数

E为材料的弹性横量，因此，式（6-1）又可写为电阻的相对全增量为：分析以上公式。可以看出：电阻的相对全增量由两部分构成，一部分是形变效应而引起，另一部分是电阻率发生变化而引起的。对金属来说，电阻变化率较小,可忽略不计，因此：

对于某些半导体材料，受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。电阻变化是率形变效应几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要因素是压阻效应，利用这类半导体材料制成的应变式传感器，称为压阻式应变式传感器，电阻的相对全增量为当每一可变因素分别有一变化量dL、dA和dρ时，电阻的全增量50图6-2半导体应变片123451—胶膜衬底2—P-Si3—内引线4—焊接板5—外引线（一）直流电桥

直流电桥的结构如图

它由连接成菱形的四个桥臂电阻R1、R2、R3和R4组成。其中，A、C两端接入直流电源E，而B、D两端为信号输出端，当输出端接入高阻抗负载时，电桥的输出端可视为开路，其输出电压（2）电桥电压灵敏度

当电桥输出U=0称电桥平衡半桥单臂半桥双臂全桥通常电桥的连接方法有三种如图示：半桥单臂、半桥双臂和全桥取R1=R2=R3=R4=R由此可得应变测量电路（P344）图6-2半导体应变片123451—胶膜衬底2—P-S51供桥电压采用交流电源的电桥称为交流电桥，四个桥臂可以是电阻，电容或电感组成（如图10-9），a).b).c)所示。桥臂不再是直流电桥中的“纯电阻”，而是呈复阻抗特性。分别用Z1

、Z2

、Z3

、Z4表示四个桥臂的电抗，分别代替桥臂电阻R1

、R2

、R3

、R4，则直流电桥的平衡关系式也可适用于交流电桥的平衡关系式。故有：Z1Z3=Z2Z4a)电容电桥b)电感电桥c)电阻电桥Z01·Z03=Z02·Z04

φ1+φ3=φ2+φ4

(10-16)（二）交流电桥供桥电压采用交流电源的电桥称为交流电桥，四个桥臂可以是电阻，526.2.3应变式力传感器应用多数应用是利用应变片构成各种传感器，再组成测试系统完成相应的测试。图6-3所示为柱式、筒式力传感器，U(a)(b)(c)(d)图6-3圆筒（柱）式力传感器U0图6-4所示为环式力传感器结构图及应力分布图图6-5所示为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力P作用下，膜片产生径向应变和切向应变。图6-5膜片式压力传感器（a）（b）图6-7所示是应变片式加速度传感器的结构示意图，图6-7应变式加速度传感器结构图6.2.3应变式力传感器应用多数应用是利用应变片构成各种传53

电感式传感器是将被测量的变化转化成电感量的变化。按照电感的类型，电感传感器可分为自感系数变化型和互感系数变化型两类。一、自感式传感器

图示为自感式电感传感器的示意图：根据电磁感应原理，由一个匝数为W、所载电流I的线圈产生自感L为：

式中：——穿过每匝线圈的磁通。由磁路欧姆定律可得

式中：Rm——磁路的总磁阻，。空气段的磁导率约为铁芯10-12，因此计算磁阻时可略去铁芯的磁阻所以：可见自感与气隙之长度成反比，由此而制作自感传感器称为变气隙型自感传感器第三节电感式传感器电感式传感器是将被测量的变化转化成电感量的变化。按照电感的54变气隙型自感传感器还可以作成螺管型自感传感器如图6.9所示：铁芯螺线管它有两种工作方式：单个工作和差动工作。变气隙型自感传感器还可以作成螺管型自感传感器如图6.9所示55差动变压器实质上是一个变压器，原边线圈Wp加电源激励，副边线圈Ws感应电势输出，输出大小由原、副边的互感M决定，和普通变压器不同的是由于原、副边间耦合磁通路径的铁芯可移动，从而使M可以变化。通常有两个副边线圈WSl、WS2，铁芯移动时使Wp和WS1及Wp和WS2间互感M1、M2向相反方向变化，以WS1、WS2中感应电势之差来输出，由它来反映铁芯的移动，因此常称为差动变压器螺线管式差动变压器结构如图6-12所示，它由初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。U2LU1Er1RL1—活动衔铁；2—导磁外壳；3—骨架；4—匝数为W1的初级绕组；5—匝数为W2a的次级绕组；6—匝数为W2b的次级绕组

6.3.2差动变压器式传感器差动变压器实质上是一个变压器，原边线圈Wp加电源激励56

图6-15为电涡流式传感器的原理图，该图由由传感器线圈和被测导体组成线圈一导体系统。

6.3.3电涡流式传感器

根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率f有关，还与线圈与导体间的距离x有关。因此，传感器线圈受涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：H2HiI1被测金属导体I2（3）．电涡流式传感器的应用测距离（分辩率可达0.1m、鉴别材质、检查裂纹、钢丝断股等测量电路：阻抗分压式调幅电路、LC振荡电路Z=F(ρ,μ,r,f,x)（6-11）式中：r——线圈与被测体的尺寸因子。图6-15为电涡流式传感器的原理图，该图由由传感器线57电容式传感器的结构极为简单，由绝缘介质分开的两个平行金属板作为极板，中间隔以绝缘介质。实际上，它就是一个可变参量的电容器。对于平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：式中：εr

——真空介电常数ε0=8.85×10-12F/m

ε0

——极板间相对介电常数，空气介质εr=1A——两平行极板相互覆盖面积（m2）d——极板间距离（m）

dS电容式传感器类型：极距变化型、面积变化型、介电常数变化型电容式传感器的应用：测相对位移、速度、加速度、测介质、压力等dLXhlXarD0D1图6-19平面线位移型图6-20平面角位移型图6-21圆柱线位移型测量电路：LC振荡电路、电桥型电路、调频电路、运放电路6.4电容式传感器电容式传感器的结构极为简单，由绝缘介质分开的58电桥型电路直流极化型电路电桥型电路直流极化型电路59谐振型电路调频电路谐振型电路调频电路60振荡器R放大器检波滤波金属板振荡器放大器检波滤波61压电式传感器是一种基于某些电介质压电效应的无源传感器。有这样一类物质：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷，这种现象称为压电效应；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式，如图6-28所示。压电元件常用的结构形式：图6-29压电元件常用的结构形式6.5压电式传感器压电式传感器是一种基于某些电介质压电效应的无源传感器62图6-30为电荷放大器电路，略去漏电导等的影响，根据电路中电荷平衡关系可得：当运算放大器的开环增益很大时，即A>>1，有于是，式（6-26）可近似为压电式传感器的应用：压电式传感器的典型应用是压电式加速度传感器压电转换元件m图6-31压电式加速度传感器原理图测量电路：电荷放大器和电压放大器图6-31所示压电式加速度传感器

压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置比重较大的质量块，然后用以硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。

（无电缆电容的影响）图6-30电荷放大器的等效电路-A图6-30为电荷放大器电路，略去漏电导等的影响，根据电636.7霍尔传感器6.8光栅传感器尔传感器6.7霍尔传感器6.8光栅传感器尔传感器64传感器原理与测量电路课件65一、光栅与光栅传感器光栅是在一种基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件。根据制造方法和光学原理的不同，光栅可以分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在一块长方形光学玻璃上均匀地刻上光栅线纹，形成规则排列的明暗线条，光源可以采用垂直入射光直接穿透光栅并透射到光电元件上反射光栅是用不锈钢带经照相腐蚀或直接刻制而成。光栅的线纹是光栅的光学结构，如图6-41中光栅局部放大图所示a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，W为光栅栅距或称为光栅常数。通常情况下，a=b=W/2，有时也采用a:b=1.1:0.9的比例刻制光栅，线纹的密度一般为每毫米200、100、50、25、10线。6.8光栅传感器一、光栅与光栅传感器光栅是在一种基体上刻制有等间距66如图6-41所示为透射光栅传感器。光栅传感器由光路系统、标尺光栅、指示光栅和光电接收元件等组成。6-41所示为透射光栅传感器如图6-41所示为透射光栅传感器。光栅传感器由光路67传感器原理与测量电路课件68二、莫尔条纹

当光栅常数相等的指示光栅与标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，由于遮光积分效应或光的衍射作用，在指示光栅上与两块光栅线纹相交的钝角平分线方向，出现较粗的明暗交替的条纹，二、莫尔条纹当光栅常数相等的指示光栅与标尺光栅的线69如图6-40所示，在a-a上两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这种明暗相间的条纹，在与光栅线纹大致垂直的方向上，故称之为横向莫尔条纹。莫尔条纹之间的距离为式中，BH―莫尔条纹间距

W―光栅栅距

θ―两光栅刻线间的夹角如图6-40所示，在a-a上两光栅的栅线彼此重合，70传感器原理与测量电路课件71可见，莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定，对于给定的光栅，其光栅常数恒定，可以通过调整夹角θ，改变莫尔条纹的间距。可见，莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定，72莫尔条纹具有以下技术特点:

（1）通过调整夹角θ，可以使莫尔条纹具有任意的宽度而起到光栅栅距放大的作用。这样，就把一个微小的移动量的测量转换成一个较大的移动量的测量，可以提高测量的灵敏度和测量的精度。例如，对于光栅常数为0.01的光栅传感器，若调整θ使其为0.001rad，（0.057°）则莫尔条纹间距为10mm，其放大倍数相当于1000倍。

（2）莫尔条纹是由大量的刻线共同作用产生，这对光栅刻线的误差起到了平均的作用，使得刻线的局部误差和周期误差对于测量精度没有直接的影响，可以得到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。

（3）两光栅沿垂直于刻线的方向作相对运动时，莫尔条纹在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹也同步移动一个间距BH，固定点上的光强度变化一周。莫尔条纹的光强度变化近似于正弦变化，因此，可以采用倍频技术将电信号作进一步细分处理，提高测量精度。

当光栅方向移动时，莫尔条纹移动的方向也随之反向，但固定点同样发生光强度的变化，因此无法判定移动的方向。判定方向，必须依靠辨向电路来实现。

莫尔条纹具有以下技术特点:（1）通过调整夹角θ，可以使莫尔73光栅传感器除了进行位移测量外，还可以用径向光栅（圆光栅）测量角位移，径向光栅是在玻璃圆盘上刻有由圆心向外辐射的等角间距的辐射状线纹，如图6-42（a）所示，当两块栅距相同的径向光栅以微小的偏心重叠置放时，因偏心而使两光栅的线纹交叉，由于在整个线纹区各部分线纹的交角不同，因此，形成的莫尔条纹具有不同的曲率半径，如图6-42（b）所示。当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出移动的条纹的数目，即可得到标尺光栅相对于指示光栅转动的角度。光栅传感器除了进行位移测量外，还可以用径向光栅（圆光74三、辨向原理与辨向电路

光栅测量系统，通常由光栅传感器、细分电路、辨向电路和数字记录数字显示装置构成，将光栅传感器的标尺光栅与被测运动对象相连，指示光栅固定于相对静止的部件上，由于两光栅的相对移动，光电接收器将光信号转换为电信号，将此电压信号经过放大、整形变为方波，经微分电路转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可以在显示器件上以数字的形式，实时地显示出位移量的大小。单个光电接收元件在固定点只能接收和判明莫尔条纹明暗的变化而不能判明莫尔条纹移动的方向。

如果能在被测物体正向移动时，将移动的脉冲数累加，而在物体反向移动时，则从已经累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，就能正确的反映物体移动的大小和方向。

三、辨向原理与辨向电路光栅测量系统，通常由光栅传感75完成这种任务的电路就是辨向电路，图6-43所示为辨向电路原理图。完成这种任务的电路就是辨向电路，图6-43所76传感器原理与测量电路课件776.8.4细分技术

通过以上分析可知，运动物体移动一个栅距，对应的计数电路输出一个计数脉冲，因此计数器能够反映的移动距离的最小单位为一个栅距，称为脉冲当量或分辨率。

提高分辨率可以通过提高光栅线纹的刻线密度和栅距测微细分来实现，提高光栅线纹的刻线密度，受到工艺水平的限制而且也不经济，细分方法为常用方法。细分方法有机械细分和电子细分两类。在此介绍较常用的电子四倍频细分法。如果在指示光栅前，每隔BH/4设置一个光电接收元件，则可以获得依次相差π/2的四个正弦交流信号。用鉴零器分别在每个信号由负到正过零点时发出一个计数脉冲，既可实现在一个莫尔条纹周期内，产生四个计数脉冲，达到四细分的目的。也可以用在BH/4间隔上，设置两个光电接收元件来实现。由光电元件可以得到两个相差π/2的正弦交流信号,若将其反相，就可以得到四个依次相差π/2的四个正弦交流信号。从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。

6.8.4细分技术通过以上分析可知，运动物体移78五、光栅传感器的应用光栅式传感器有很高的分辨率和准确度。序号测量系统名称信号周期（或节距）分辨率准确度1光栅传感器20μm0.1μm±2μm2感应同步器2000μm5μm±20μm3磁栅200μm1μm±10μm4容栅50μm10μm±10μm5球栅12.7μm5μm±30μm6激光λ=0.6328μmλ/16

表6-1位置测量系统的检测精度表五、光栅传感器的应用光栅式传感器有很高的分辨率和准确度。79可见，光栅传感器的分辨率和准确度，高于除激光外的其他4种测量系统，而在系统的稳定性、可靠性、经济性方面，又明显优于激光测量系统，从而被广泛地应用于高精度的位置检测和控制环节，20世纪90年代，80％的闭环控制的数控机床、三坐标测量机和数显机床的测量系统都使用光栅传感器测量系统。

图6-70所示是德国海簦汉因生产的用于实时控制的光栅位置检测系统，由栅尺部分和EXE（脉冲放大整形及细分）两大部分构成。栅尺(或径向光栅旋转编码器)检测机床位移，并送出与位移量和位移方向相关的两路信号送入EXE进行放大、整形和电子细分，最后经长线驱动后送入CNC，形成全闭环控制系统。可见，光栅传感器的分辨率和准确度，高于除激光外的其他4种测量80光纤传感器是20世纪70年代发展起来的新型传感器，它以光学量变换为基础，把被测量的状态转换为可测的光信号，如光波的强度、频率、相位、偏振态，实现被测量感知。

使光波的参数随被测量的状态而变化，称为对光波进行调制。根据改变的光参数的不同，光纤传感器有强度调制、频率调制、相位调制和偏振调制四种型式。

一、光导纤维结构与传输原理6.9光纤传感器光纤传感器是20世纪70年代发展起来的新型传感器，它816.9.1光导纤维结构与传输原理光纤是由具有大折射率n1的玻璃纤维芯和较小折射率n2的玻璃包层两个同心圆所构成的双层圆柱形结构，总直径为100～200μm，如图6-71所示。根据光学斯乃尔(Snell’Law)定理，当光由大折射率的介质射入小折射率的介质时，光将发生折射，其折射角大于入射角。随入射角的增大，折射角将随之增大，折射角为90°时对应的入射角称为临界角。此时，光沿界面传播，如果入射角大于临界角，在两种物质的界面上将发生光的全反射现象，光线将不进入小折射率介质。6.9.1光导纤维结构与传输原理光纤是由具有大折射82入射角α大于临界角，光线将在界面产生全反射，且入射角与反射角相等，光线反射到另一侧的界面时，其入射角仍为α，再次产生全反射，如此往复，光线在光纤中以全反射方式传