第3章 常用传感器的工作原理( ... (5)..._%285%29.ppt

第3章常用传感器的工作原理,3.1电阻式传感器3.2电容式传感器3.3电感式传感器3.4电涡流式传感器3.5压电式传感器3.6磁电式传感器3.7热电式传感器3.8光电式传感器3.9霍尔传感器3.10光纤传感器,下页,返回,3.11超声波传感器3.12微波传感器3.13红外传感器3.14核辐射传感器3.15化学传感器3.16数字式传感器3.17生物传感器3.18智能式传感器3.19微型传感器3.20模糊传感器3.21网络传感器,3.1电阻式传感器,3.1.1金属电阻应变片3.1.2半导体应变片3.1.3应变片的命名3.1.4电阻式传感器的测量电路3.1.5电阻式传感器的应用,下页,上页,返回,3.2电容式传感器,3.2.1电容式传感器的特点3.2.2电容式传感器工作原理和结构3.2.3电容式传感器的测量电路3.2.4电容式传感器应用举例,下页,上页,返回,3.3电感式传感器,3.3.1自感式传感器3.3.2互感式传感器3.3.3电感式传感器的应用,下页,上页,返回,3.4电涡流式传感器,3.4.1高频反射电涡流式传感器3.4.2低频透射型电涡流传感器3.4.3测量电路3.4.4应用举例,下页,上页,返回,3.5压电式传感器,3.5.1压电效应和压电材料3.5.2压电式传感器等效电路和测量电路3.5.3压电式传感器的合理使用3.5.4压电式传感器应用,下页,上页,返回,3.6磁电式传感器,3.6.1动圈式磁电传感器3.6.2磁组式磁电传感器3.6.3磁电传感器的测量电路,下页,上页,返回,3.7热电式传感器,3.7.1热电偶传感器3.7.2热电阻传感器,下页,上页,返回,3.8光电式传感器,3.8.1光电效应3.8.2光电导器件3.8.3光生伏特器件3.8.4光电耦合件3.8.5电荷耦合器件（CCD）3.8.6光电式传感器的其他应用,下页,上页,返回,3.9霍尔式传感器,3.9.1霍尔元件3.9.2霍尔集成传感器3.9.3霍尔传感器的应用,下页,上页,返回,3.10光纤传感器,3.10.1光纤传感器的组成3.10.2光纤传感器的分类3.10.3光纤传感器的工作原理3.10.4光纤传感器的实际应用,下页,上页,返回,3.11超声波传感器,3.11.1超声检测的物理基础3.11.2超声波传感器原理与结构3.11.3超声波传感器基本应用电路,下页,上页,返回,3.12微波传感器,3.12.1微波的基本知识3.12.2微波传感器及其分类3.12.3微波传感器的优点与存在问题3.12.4微波传感器的应用,下页,上页,返回,3.13红外传感器,3.13.1红外传感器3.13.2红外传感器的应用,下页,上页,返回,3.14核辐射传感器,3.14.1核辐射基本概念3.14.2核辐射传感器原理及组成3.14.3核辐射传感器的应用,下页,上页,返回,3.15化学传感器,3.15.1气敏传感器3.15.2湿敏传感器3.15.3离子敏传感器,下页,上页,返回,3.16数字式传感器,3.16.1数字式传感器的概述3.16.2编码器3.16.3光栅式传感器3.16.4感应同步器3.16.5磁栅式传感器3.16.6容栅式传感器,下页,上页,返回,3.17生物传感器,3.17.1生物传感器原理、特点及分类3.17.2几种生物传感器,下页,上页,返回,3.18智能式传感器,3.18.1智能传感器的特点3.18.2智能传感器的实现3.18.3智能传感器的应用3.18.4智能传感器的设计思想,下页,上页,返回,3.19微型传感器,3.19.1MEMS技术与微型传感器3.19.2压电式微型传感器3.19.3电容式微型传感器3.19.4电容式微型传感器3.19.5热敏电阻微型传感器3.19.6隧道效应式微型传感器,下页,上页,返回,3.20模糊传感器,3.20.1模糊传感器的概念及特点3.20.2模糊传感器结构3.20.3典型模糊传感器举例,下页,上页,返回,3.21网络传感器,3.21.1网络传感器的概念3.21.2网络传感器的类型3.21.3基于IEEE1451标准的网络传感器3.21.4网络传感器所在的体系结构,下页,上页,返回,3.1电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测参量转换为电阻变化的传感器，是目前在非电量检测技术中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一，常用的电阻式传感器有电位器式、电阻应变式、热敏效应式等类型的电阻传感器。应变式电阻传感器是一种利用电阻应变效应，由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。将应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件感受到外力、位移、加速度等参数的作用，弹性敏感元件产生应变，再通过粘贴在上面的电阻应变片将其转换成电阻的变化。通常，它主要是由敏感元件、基底、引线和覆盖层等组成。其核心元件是电阻应变片（敏感元件），它主要作用是敏感元件实现应变电阻的变换。根据敏感元件材料与结构的不同，应变片可分为，金属电阻应变片和半导体式应变片。,下页,上页,返回,3.1.1金属电阻应变片（1）基本结构金属电阻应变片的基本结构如图3.1所示。它由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成。敏感栅可由金属丝、金属箔制成，它是转换元件，被粘贴在基底上。用黏合剂粘贴在传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端引线连接测量导线之用。图3.1应变式电阻传感器的结构原理示意图1敏感栅2基底3引线4盖层5黏合剂,下页,上页,返回,目前，常用的金属电阻应变片主要有：金属丝式应变片、箔式应变片、及金属薄膜应变片等结构形式。金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。金属丝材料为电阻率大而电阻温度系数小的材料。丝式应变片的规格一般以使用面积（Lb）和敏感栅的电阻值来表示。阻值一般在501000范围内，常用的为120。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属薄栅，厚度在0.003-0.010mm。其优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过电流较大，可制成各种需要的形状，便于大批量生产。金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏度高。所谓薄膜指厚度在0.1m以下的金属膜。厚度在25m左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。（2）金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。下面介绍应变片电阻变化与应变的关系。,下页,上页,返回,金属导体的电阻为（3.1）式中：为金属导线电阻率（）；l金属丝长（m）；A金属丝的横截面积（，）；d金属丝直径（m）。如果对电阻丝长度作用均匀应力，则导线电阻的相对变化：（3.2）式中：材料的轴向应变，令为金属丝径向应变，常用单位（）根据材料力学的知识，在弹性范围内，金属丝受拉力，沿轴向伸长时，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为：,下页,上页,返回,式中：为金属材料的泊松系数。根据此关系，故（3.3）式中：为电阻丝几何尺寸改变引起，为形变效应部分；为电阻丝的电阻率随应变的改变所引起，为压阻效应部分；对大多数金属电阻丝而言，其值为常数，通常很小，可以忽略。该式表明材料电阻的变化是应力引起形状的变化和电阻率变化的综合结果。,下页,上页,返回,3.1.2半导体应变片半导体应变片是用半导体材料，采用与丝式应变片相同方法制成的半导体应变片。其结构如图3.2所示。图3.2半导体应变片1基片2半导体敏感条3外引线4引线联接片5内引线半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指，当半导体材料的某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为（3-4）为半导体应变片的电阻率相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应变力之比为一常数，即（3-5）式中:半导体材料的压阻系数。,下页,上页,返回,将式(3-5)代入式中得：（3-6）其中项随几何形状而变化，项为压阻效应，随电阻率而变化。实验证明：比大近百倍，所以可忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：（3-7）半导体应变片最突出的优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围很宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接使用，使测量系统简单；但它具有温度系数大，应变时非线性比较严重的缺点。,下页,上页,返回,3.1.3应变片的命名应变片的命名标准号为GBT13992-92，其内容如下。(1)每种应变片产品命名型号，型号由汉语拼音字母和数字组成共7项。(2)由左至右依次排列，第项字母表示应变片类别。(3)第项字母表示应变片基底材料。(4)第项数字表示标称电阻值，单位为，带括号的规格不推荐采用。(5)第项数字表示应变片栅长，小于lmm时小数点省略。(6)第V项由两个字母组成表示应变片结构形状，表3-1中只列出常用的代表字母。(7)第项数字表示应变片的极限工作温度，对常温应变片此项省略。(8)第项括号内数字表示温度自补偿应变片所适用试件材料的线膨胀系数。,下页,上页,返回,举例：BH3503AA150(16)为单轴箔式环氧基底用于线膨胀系数16106/的材料，最高工作温度150，栅长3mm的温度自补偿应变片。,下页,上页,返回,表3-1型号命名表,3.1.4电阻式传感器的测量电路由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路，常用桥式测量电路。下面具体讨论有关电路和这几项指标。（1）直流电桥平衡条件直流电桥的基本形式如图3.3所示。R1，R2，R3，R4称为电桥的桥臂，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。,下页,上页,返回,当时，电桥的输出电压应为：（3-8）当电桥平衡时，由上式可得到R1R4R2R3或（3-9）式(3-9)称为电桥平衡条件。平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为0。（2）电压灵敏度如果在实际测量中，使第一桥臂R1由应变片来替代，微小应变引起微小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小变化。一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多，所以此时电桥仍视为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为R1，其他桥臂固定不变，则电桥输出电压。,下页,上页,返回,（3-10）设桥臂比，由于,分母中可忽略，并考虑到起始平衡条件，由式（3-10）可得（3-11）电桥电压灵敏度定义为：（3-12）,下页,上页,返回,由式（3-12）可知：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压愈高，电桥电压灵敏度愈高，但是供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制，所以一般供桥电压应适当选择。电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，因此必须恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。下面分析当供桥电压E确定后，n应取何值，电桥电压灵敏度才最高。由来求的最大值，由此得：（3-13）当n=l时，为最大。这就是说，在供桥电压确定后，当R1R2，R3R4时，电桥的电压灵敏度最高。此时，式（3.1-10）、式（3.1-12）、式（3.1-13）分别简化为：,下页,上页,返回,由此可知，当电源电压E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。（3）非线性误差及其补偿的方法减小或消除非线性误差的方法有如下几种：1）提高桥臂比2）采用差动电桥半桥差动电路时全桥差动电路时,下页,上页,返回,下页,上页,返回,3）采用高内阻的恒流源电桥,半桥差动电路,全桥差动电路,恒流源电桥,3.1.5电阻式传感器的应用电阻应变片应用可分为两大类：一种是将应变片粘贴在弹性敏感元件上，由弹性元件在被测物理量(如力、压力、加速度等)的作用下，产生一个与之成正比的应变，然后由应变片作为传感元件将应变转换为电阻变化，通过测量电路检测出被测物理量，这样就可以组成各种专用的应变式传感器，在目前的传感器中，尤其是在称重测力传感器中占有重要的地位；另一种是直接将应变片粘贴在被测构件上，然后将其接到应变仪上就可以直接从应变仪上读到相应的应变值，例如电阻应变仪就是这种应用的一个例子。（1）柱式力传感器柱式力传感器的弹性元件有实心柱与空心柱两种，以实心柱为例。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（2）电阻应变仪电阻应变仪是专门用于测量电阻应变片应变量的仪器。实际测量时，只要将应变片贴于被测点上，然后将其接入应变仪的测量桥路中，这样就可通过应变仪直接求得被测点的应变值。电阻应变仪有静态、动态二大类。如：(1)静态电阻应变仪。静态电阻应变仪能测量频率为015Hz的应变。例如：国产型号有YJ-5，YJB-I，YJS-14等。(2)静动态电阻应变仪。静动态电阻应变仪用于测量静态或几百Hz以下的应变，国产型号有YJD-1，YJD-7等。(3)动态电阻应变仪。它用于测量频率为5kHz以下的应变，如Y4D-l，Y6D-2，YD-15等；(4)超动态电阻应变仪。它可以测量频率从零至几十kHz的动态应变，如Y6C-9等。(5)遥测应变仪。它用于解决无法用有线传输信号时的应变测量，如测量旋转件、运动件等的应变。,3.2电容式传感器电容式传感器是利用将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、物位、压力、成份分析、介质特性等方面的测量。3.2.1电容式传感器的特点（1）受本身发热影响小（2）静态引力小（3）动态响应好（4）结构简单，适应性强（5）可以进行非接触式测量电容传感器有如下不足之处（1）输出阻抗较高、带负载能力差（2）寄生电容影响大,下页,上页,返回,3.2.2基本工作原理和结构以平行板电容为例（如图3.10），如果不考虑其边缘效应，其电容量为（3.26）式中：极板间介质的相对介电常数，空气介质；真空介电常数；二平行极板覆盖面积；极板间距离。,下页,上页,返回,图3.10平板式电容器,显然，电容量是、的函数。如果保持其中两个参数不变，只改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。因此，电容式传感器分为极距变化型，面积变化型，介质变化型三类。,下页,上页,返回,（1）变极距型电容式传感器,下页,上页,返回,当极板面积和介电常数为常数，而平板电容器的极间距为变量的传感器称为变极距型电容式传感器(如图3.10)。由式（3-26）可知，电容量C与极板距离d不是线性关系，而是双曲线关系（如图3.10所示）。若电容器极板距离由初始值l0缩小为,，极板距离分别为,和,，其电容量分别为C0和C1，即,在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服某些外界因素（例如电源电压、环境温度等）对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式（即为变极距差动型电容传感器），其结构原理如图3.11所示。差动电容传感器的输出特性曲线如图3.12所示。在零点位置上设置一个可动的接地中心电极，它离两块极板的距离均为，当中心电极在机械位移的作用下发生位移时，则传感器电容量总的变化为：,下页,上页,返回,电容量的相对变化为：平板型差动电容传感器的灵敏度为：（2）变极板面积型电容传感器当极板间距和介电常数为常数，而平板电容器的面积为变量的传感器称为变面积式电容传感器。变极板面积型电容传感器有线位移和角位移两种。线位移型电容式传感器又分为平面线位移和圆柱线位移两种。图3.14a为平面线位移型传感器，电容量为：,下页,上页,返回,灵敏度为：常数（3.47）图3.14b为圆柱型线位移传感器，电容量为：（3.48）灵敏度为：常数（3.49）图3.14c所示为角位移型传感器，电容量,下页,上页,返回,因为故（3.50）灵敏度为：常数（3.51）,下页,上页,返回,变面积式电容传感器的输出与输入呈线性关系，但灵敏度比变极矩形低，适用于较大为线位移和角位移测量。变面积式电容器通常也采用差动形式，传感器的输出和灵敏度可提高一倍。（3）介质变化型电容传感器图3.15为介质变化型电容传感器，在固定两极板之间加入空气以外的其他被测固体介质，当介质变化时，电容量也随之变化。忽略边界效应，假设空气相对介电常数为，固体介质相对介电常数为，电容量为（3.52）假设两极板间距离为，则，电容量为：（3.53）,下页,上页,返回,由式（3.53）可得，当极板面积和极板间距一定时，电容量大小和被测固体材料的厚度和被测固体材料的介电常数有关。如果已知材料的介电常数，可以制成测厚仪，而已知材料的厚度，可制成介电常数的测量仪。,下页,上页,返回,3.2.3电容式传感器测量电路与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有桥式电路、调频振荡电路、运算放大器式电路和脉冲调宽型电路等几种。（1）调频电路转换信号这种电路是把电容传感器作为振荡器电路的一部分，当被测量变化而使电容量发生变化时，能使振荡频率发生相应的变化。由于振荡器的频率受电容传感器的电容调制故称为调频电路。图3.15所示就是这种测量电路的原理框图。,下页,上页,返回,（2）运算放大器式电路运算放大器的特点可以作为电容传感器的比较理想的测量电路，其电路如图3.16所示,下页,上页,返回,由式可知，运算放大器的输出电压与动极板机械位移,（即极板距离）成线性关系，运算放大器电路解决了单个变极板距离式电容传感器的非线性问题。,（3）脉冲调宽型电路,（3）脉冲调宽型电路图3.17所示为脉冲调宽型电路。脉冲调宽型电路中C1、C2是差动电容传感器的两个变极距d式电容传感器，电路结构可分为比较器，RS触发器，RC充放电回路，低通滤波器。（1）比较器IC1、IC2中，当UU_时，输出高电平；当UU_时，输出低电平；（2）RS触发器。RS触发器的功能如表3-2；（3）R1、D1、C1构成一RC充放电回路；R2、D2、C2构成另一RC充放电回路；当Q为高电平，为低电平时，C1充电回路为：地，C2放电回路为。,下页,上页,返回,当Q为低电平，为高电平时，C1放电回路为：，C2充电回路为地。（4）低通滤波器：电压经低通滤波器后，获得输出电压平均值。,下页,上页,返回,3.2.4电容式传感器的应用（1）电容测厚仪图3.19为电容测厚传感器的系统原理框图。当被轧板材的厚度相对于要求值发生变化时，则发生变化。增大，表示板材厚度变厚；减小，表示板材厚度变薄。的变化经过电桥调节后，由耦合电容输出给运放进行放大，再经过整流滤波和差动放大后，一方面由显示仪表读出板材厚度，一方面通过反馈回路将偏差信号送给压力调节器，使板材厚度控制在规定范围内。,下页,上页,返回,（2）电容式传感器测量电缆的偏心图为测量电缆芯的偏心原理图，在实际应用中是用两对电容传感器，分别测出在x方向和y方向的偏移量，再经计算得出偏心值。（3）石英挠性伺服加速度计石英挠性伺服加速度计是由固有频率很低的电容式加速度计和伺服回路两大部分组成，并形成一个闭环的自动控制系统，具体结构与原理如图所示。,下页,上页,返回,（4）电容式压力传感器图3.21所示为两种电容式压力传感器结构图。图3.21(a)为单只变极距型电容传感器，用于测量流体或气体的压力。流体或气体压力作用于弹性膜片(动极片)，使弹性膜片产生位移，位移导致电容量的变化，从而引起由该电容组成的振荡器的振荡频率变化，频率信号经计数、编码、传输到显示部分，即可指示压力变化量。,下页,上页,返回,图3.21(b)为一种小型差动式电容压力传感器。它由金属弹性膜片与镀金凹型玻璃圆片组成。当被测压力P通过过滤器进入空腔时，由于弹性膜片两侧的压力差，使弹性膜片凸向一侧，产生位移，该位移改变两个镀金玻璃圆片与弹性膜片间的电容量。,下页,上页,返回,3.3电感式传感器,电感式传感器是利用电磁感应的原理将被测非电量转换为线圈的自感系数或互感系数变化的装置。由于电感式传感器是将被测量的变化转化成电感量的变化，所以根据电感的类型不同，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。3.3.1自感式传感器当匝数为N的线圈通以电流I产生磁通链为。磁通链与线圈电流之比称为自感系数，简称电感L（3.69）式中：为穿过每匝线圈的磁通。根据磁路的欧姆定律,下页,上页,返回,（3.70）式中：为磁路的总磁阻。由式（3.69）、式（3.70）可得：（3.71）由此可知，要将被测非电量的变化转化为自感的变化，在线圈形状不变的情况下可以通过改变线圈匝数使得线圈的自感系数产生改变，相应地就可制成线圈匝数变化型自感式传感器。要将被测量的变化转变为使线圈匝数变化是很不方便的，实际极少用。当线圈的匝数一定时，被测量可以通过改变磁路的磁阻的变化来改变自感系数。因此这类传感器又称为可变磁阻型自感式传感器。根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为气隙厚度变化型、气隙面积变化型和螺管型三种类型。,下页,上页,返回,（1）气隙厚度变化型自感传感器典型的气隙变化型自感传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁组成（如图3.23所示）。活动衔铁与被测物相连，并与铁芯保持一定距离。当被测物移动时，气隙发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。设铁芯导磁长度为，导磁率，导磁面积；气隙长度为，导磁率，导磁面积，。如果不考虑磁路的损失，则总的磁阻为：（3.72）因为气隙的磁阻比铁芯的磁阻大得多，铁芯磁阻可忽略不计，故,下页,上页,返回,（3.72）当铁心工作在非饱和状态时第一项可忽略不计。由磁路的基本知识可知，线圈匝数为N匝时，线圈的电感量L为：,下页,上页,返回,（3.73）由此可知，自感与气隙的大小成反比，与气隙导磁面积成正比。如固定，改变，传感器的灵敏度为：（3.74）由于灵敏度不是常数，故会出现非线性误差，为了减小非线性误差，在实际应用中，一般规定传感器在较小间隙的变化范围内工作，或者采用差动接法（如图3.24）。由图可知，由两个传感器构成差动工作方式，衔铁最初居中，两侧初始电感为，当衔铁有位移时，两个线圈的间隙分别为和，表明一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小，,下页,上页,返回,把两线圈接入电桥的相邻臂时，输出灵敏度比单个的提高一倍，并且可以降低非线性误差，消除外界干扰。,下页,上页,返回,（2）气隙面积变化型自感传感器当固定，改变气隙导磁面积，自感与成线性关系。如图3.25所示为气隙面积变化型自感传感器。（3）螺管型自感传感器螺管型自感传感器是在螺管线圈中插入一个活动衔铁，当活动衔铁在线圈中运动时，使磁阻发生变化，从而使自感变化。在实际应用中，该类传感器通常也采用差动的结构（如图3.26所示）。将铁芯置于两个线圈的中间，当铁芯移动时，两个线圈的电感产生相反方向的增减，然后利用电桥将两个电感接入电桥的相邻的桥臂，以获得比单个工作方式更高的灵敏度和更好的线性度。（4）测量电路电感传感器所采用的测量电路一般为交流电桥，其原理已在前面介绍过。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,3.3.2互感型变压器式电感传感器,下页,上页,返回,图3.28差动变压器输出特性图,下页,上页,返回,（1）工作原理互感型变压器式电感传感器是利用被测量变化改变互感系数来实现的，其实质上是一个输出电压可变的变压器，又常采用差动的形式，故又称为差动变压器。其结构形式有多种，应用较为普遍的是螺管型，其结构和工作原理如图3.27（a）（b）所示。传感器主要由线圈（包括一个一次线圈和两个二次反接线圈）、铁芯、活动衔铁三部分组成。理想情况下，差动变压器的等效电路如图3.27（c）所示。差动变压器一次线圈加励磁电压的角频率为；为一次线圈有效电阻；为一次线圈电感：为一次线圈与二次线圈I之间的互感；为一次线圈与二次线圈之间的互感；为二次线圈I中的感应电动势；为二次线圈中的感应电动势；为一次线圈励磁电流；为二次线圈I的电感；为二次线圈I的有效电阻；为二次线圈的电感；为二次线圈的有效电阻；为空载时差动变压器输出电压。由等效电路可得：,下页,上页,返回,测量前，可动衔铁处于中间位置，由于二次线圈的参数相同，则，此时0，变压器无输出。测量时，可动衔铁偏移，两线圈互感量发生变化，设，由于两者为差动，衔铁在一定范围内有，故在输出端开路情况下，输出为：此式表明：当线圈参数和确定后，变压器的输出电压由二次线圈与一次线圈互感量的差值决定。而与螺管内磁场变化有关，而磁场的变化取决于可移动衔铁的位移量。因此，在衔铁位移的一定范围内，与衔铁位移有近似线性关系，输出特性如图3.28所示。,下页,上页,返回,（2）测量电路差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要进行解调。常用解调电路有：差动相敏检波与差动整流电路。采用解调电路还可消除零位电压。1）差动整流电路图3.29所示为实际的全波相敏整流电路，是根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgdche（如图3.29(a)）。反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图3.29(b)。2）相敏检波电路二极管相敏检波电路如图3.30所示。U1为差动变压器输入电压，U2为U1的同频的参考电压，且U2U1，它们作用于相敏检波电路中两个变压器B1和B2。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,下页,上页,返回,3.3.3电感传感器的应用差动变压器式传感器的应用非常广泛。凡是与位移有关的物理量均可经过它转换成电量输出。常用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。（1）微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。图3.32是微压力变送器的结构示意图。,下页,上页,返回,（2）差动式电感测厚仪差动式电感测厚仪由电桥式相敏检波测量电路组成，如图3.33所示。（3）差动式电感液位测量仪图3.34所示为液位测量原理图。当液位不变时，铁芯处中间位置，无输出电压。当液位增加或降低时，铁芯上移或下移，其输出电压经交流放大、相敏检波及相关测量电路处理后，得到液面的高度。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,3.4电涡流式传感器,基于法拉第电磁感应原理，将块状的金属导体置于变化的磁场中或者在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生旋涡的感应电流，该电流叫电涡流，此现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器叫做电涡流传感器。由于该传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高、测量线性范围大（频率响应宽）、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响，并且可以进行无接触测量等优点。所以该类型传感器广泛用于工业生产和科学研究的各个领域，可以用于测量位移、厚度、速度、表面温度、应力、材料损伤等。按照电涡流在导体中的贯穿情况，电涡流传感器可以分成高频反射式和低频透射式两类，其基本工作原理是相似的，为此本节主要以高频反射式电涡流传感器为例介绍其基本原理以及应用。,下页,上页,返回,3.4.1高频反射电涡流传感器（1）高频反射涡流传感器的结构高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。线圈安置在框架上，线圈可以绕成一个扁平圆形粘贴在框架上，也可以在框架上开一个槽，导线绕制在槽内形成一个线圈。由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、形状对整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高强度漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用高温漆包线。图3.35所示为国产CZF-1型涡流传感器结构图。它采用导线绕在框架上的形式，框架采用聚四氟乙烯，电涡流式传感器的线圈外径越大，线性范围也越大，但灵敏度也越低。理论推导和实践都证明，细而长的线圈灵敏度高，线性范围小；扁平线圈则相反。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（2）高频反射涡流传感器的基本原理电涡流式传感器产生涡流的基本结构形式如图3.36所示。当通有一定交变电流（频率为f）的电感线圈L靠近金属导体时，在金属周围产生交变磁场，在金属表面将产生电涡流，根据电磁感应理论电涡流也将形成一个方向相反的磁场。此电涡流的闭合流线的圆心同线圈在金属板上的投影的圆心重合。涡流区和线圈几何尺寸有如下关系：（3-86）式中：2R电涡流区外径；2r电涡流区内径。涡流渗透深度：（3-87）式中：导体电阻率；f交变磁场的频率；相对导磁率。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,3.4.2低频透射型电涡流式传感器图3.37所示为低频透射涡流传感器原理图。图中发射线圈L1和接收线圈L2是两个绕于胶木棒上的线圈，分别位于被测物体的上下方。U2和d关系如图3.38所示。,下页,上页,返回,3.4.3测量电路用于涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。（1）调频式电路图3.39所示为调频式测量电路原理图。,下页,上页,返回,（2）调幅式电路传感器线圈L和电容器C并联组成谐振回路，石英晶体组成石英晶体振荡电路，如图3.40所示。,下页,上页,返回,3.4.4涡流传感器的应用（1）位移测量由电涡流式传感器的工作原理可知，电涡流传感器的等效阻抗Z与被测材料的电阻率、导磁率r、激磁频率f及线圈与被测件间的距离x有关。当，r，f确定后Z只与x有关，通过适当的测量电路，可得到输出电压与距离x的关系，如图3.41所示。在曲线中部呈线性关系，一般其线性范围为扁平线圈外径的，线性误差约为（34）%。根据上述关系，电涡流传感器可以测量位移。如汽轮机主轴的轴向窜动（图3.42（a），,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（2）振幅测量为了非接触式地测量各种振动的振幅，如机床主轴振动形状的测量，可以使用多个涡流传感器安置在被测轴附近，如图3.42(b)所示，再用多通道测量仪或记录器，可测出在机床主轴振动时，瞬时振动分布形状。（3）转速测量在一个旋转金属体上一个有N个齿的齿轮，旁边安装电涡流传感器（图3.42（c），当旋转体转动时，齿轮的齿与传感器的距离变小，电感量变小；距离变大，电感量变大。,当轴转动时，涡流传感器将周期性地改变输出信号，该电压信号经放大、整形后，可以用频率计指示输出频率值。该值与频率和槽数有关，其关系为式中：为频率值；为轴上开的槽数；为被测轴的转速，单位为。（4）涡流膜厚测量利用涡流检测法，能够检测金属表面的氧化膜、漆膜和电镀膜等膜的厚度；但是，金属材料的性质不同，其膜厚检测也有很大的不同。下面介绍金属表面氧化层厚度的测量，它是各种测厚方法中较为有效的一种方法。图3.43所示为氧化层膜厚测定方法。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,（5）电涡流探伤仪涡流探伤仪常用来测试金属材料的表面裂纹、砂眼、气泡、热处理裂痕，以及焊接部的探伤等。检查时，使传感器与被测物体的距离保持不变，如有裂纹出现，将使传感器的阻抗发生变化，从而使测量电路的输出电压改变，这样就达到了探伤的目的。电涡流传感器可以探测地下埋没的管道或金属体，包括探测带金属零件的地雷。如图3.44探雷时，探雷者戴上耳机，平时耳机没有声音。探到金属体时，探雷传感器的L变化，耳机有声音报警。,下页,上页,返回,3.5压电式传感器,压电式传感器是以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传感器，它既可以把机械能转化为电能，也可以把电能转化为机械能。这样的特性使其可用于跟力有关的物理量的测量，如力、压力、加速度、机械冲击和振动等，也被用于超声波的发射与接受装置。压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度和精确度高等特点，而且目前与其配套的后续仪器，如电荷放大器等技术的日益提高，这种传感器在声学、医学、力学、宇航等方面越来越得到广泛的应用。压电式传感器的工作原理是基于某些材料的压电效应。3.5.1压电效应某些物质，当沿着一定方向受到压力或者拉力作用而发生变形，其两个表面上会产生符号相反的电荷；当外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态；当受力方向变化时，电荷的极性也随着变化，我们把现象就称为压电效应。相反，如果把这些物质置于电场,下页,上页,返回,中，其几何尺寸也会发生变化，我们把这种由于电场作用导致物质发生形变的现象称为逆压电效应（也称电致伸缩效应）。这种具有压电效应的物质我们称为压电材料或压电元件，常见的压电材料主要有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。,下页,上页,返回,从石英晶体上沿机械轴（y）方向切下一块如图3.45a所示的晶体片，当在电轴（x轴）方向受到力作用时，在与电轴（x轴）垂直的平面上将产生电荷，如图3.45b所示，其大小为（3.90）式中x轴方向受力的压电系数；x轴方向受到的力。若在同一晶体片上，当在机械轴（y轴）方向受到力作用时，则仍在与电轴（x轴）垂直的平面上将产生电荷，如图3.45c所示，其大小为（3.91）式中y轴方向受力的压电系数，；y轴方向受到的力；，晶体片的长度和厚度。,下页,上页,返回,电荷和的符号由受力是拉力还是压力决定的。同时从式（3.30）和（3.31）可以看出，的大小与晶体片形状尺寸无关，而与晶体片的几何尺寸有关。,下页,上页,返回,3.5.2压电式传感器等效电路和测量电路（1）压电式传感器的等效电路1）自身等效电路当压电晶体片受力作用时，在晶体片的两表面上出现等量的正、负电荷，晶体片的两表面相等于一个电容的两个极板，两极板之间的物质就相等于电容极板间的介质，因而压电晶体片在工作时就等效于一只平行板介质电容，如图3.50所示。其电容量为（3.93）式中压电材料的介电常数；压电晶体片工作面的面积（m2）；极板间距，即晶体片厚度（m）。,下页,上页,返回,如果施加于晶体片上的外力不变时，晶体片两表面上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷数保持不变，而在外力作用消失时，电荷也随之消失。故压电式传感器在工作时可以等效为一与电容并联的电荷源，如图3.50C所示电压、电荷量和电容量三者之间的关系为（3.94）,下页,上页,返回,2）实际等效电路压电式传感器在实际使用时总要与测试仪表或测量电路相连，因而还必须要考虑电缆连接电容Cc，前置放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及压电式传感器绝缘电阻Ra，这样压电式传感器在测量系统中的等效电路就如图3.51所示。,下页,上页,返回,（2）压电式传感器测量电路由于压电式传感器产生的电量非常小，所以要求测量电路输入级的输入电阻非常大以减小测量误差。因此，在压电式传感器的输出端，总是先接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。前置放大器作用是：1）将压电传感器的输出信号放大；2）将高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器的测量电路有电荷型与电压型两种，相应的前置放大器也有电荷型与电压型两种形式。（1）电压放大器图3.52(a)所示为压电式传感器与电压放大器连接后的等效电路，图3.52(b）为进一步简化后的电路图。,下页,上页,返回,（2）电荷放大器电荷放大器实际上是一个高增益放大器，其与压电式传感器连接后的等效电路如图3.53所示。,下页,上页,返回,3.5.3压电式力传感器的合理使用（1）压电元件的串并联在压电传感器中，为了提高灵敏度，通常压电材料采用两片或两片以上组合在一起。由于压电材料是有极性的，因此连接方法有两种，如图3.54所示。在图3.54(a)中，两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上。这种接法称为并联。其输出电容C并为单片电容C的两倍，但输出电压U并等于单片电压U，极板上电荷量q并为单片电荷量q的两倍，即（3-104）,下页,上页,返回,图3.54(b)的接法，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。由图可知，输出的总电荷q串等于单电荷q，而输出电压U串为单片电压U的两倍，总电容C串为单片电容C的一半，即（3-105）（2）压电片预应力压电片在压电传感器中，必须有一定的预应力。（3）压电力传感器的安装压电式力传感器安装时应保证传感器的敏感轴与受力方向一致。安装传感器的上、下接触面要经过精细加工，以保证平行度和平面度。当接触表面粗糙时，对环形压电力传感器，可以加装应力分布环，对并联传感器可加装应力分布块。在接触面不平行时，可加装球形环，应力环、块的弹性模量均不得低于传感器外壳金属材料的弹性模量。为牢固地安装传感器，环形传感器可在中心孔加紧固螺栓。总之，装卡牢固是非常重要的，否则不仅会降低传感器的频响，还将影响测试的结果。,下页,上页,返回,（4）合理选择传感器的量程和频率响应应根据所测力的极限来选择压电力传感器的量程和频响，不要使传感器所测负荷超过额定量程。传感器的工作频带要能够覆盖待测力的频带。（5）合理选用二次仪表测量低频力信号时，因测试系统的频率下限将主要取决于传感器的电荷放大器的时间常数，因此，测准静态力信号一般要求电荷放大器输入阻抗高于1012，低频响应为0.001Hz显示仪表采用直流数字电压表。测量中、高频力信号时，同样对于后接器件，仪表有所要求。但一般情况下，压电力传感器和电荷放大器对中、高频的响应较好，后接显示仪表可用峰值电压表、瞬态记录仪、记忆示波器等。（6）合理选择安装连接电缆压电力传感器与电荷放大器、电荷放大器与显示记录仪表的连接大多数情况下均采用低噪声电缆。在组成测试系统时，要注意将电缆固定，避免因晃动而产生电缆噪声给测试系统带来误差。同时，要注意电缆插头及插座的清洁，以保证测试系统的绝缘电阻。（7）选择纵、横向压电效应在压电传感器中，一般利用压电材料的纵向压电效应较多，这时所使用的压电材料大多做成圆片式，有利于使用其横向压电效应的。,下页,上页,返回,3.5.4压电式传感器应用压电式传感器已广泛地应用在工业、军事和民用等领域。可直接利用压电传感器测量力、压力、加速度、位移等物理量。（1）压电式加速度传感器压电式加速度传感器结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的一种结构。如图3-55所示。,下页,上页,返回,（2）YDS-781型压电式单向力传感器图3.56所示是YDS-78型压电式单向力传感器的结构，它主要用于变化频率中等的动态力的测量。,下页,上页,返回,（3）用压电式传感器测表面粗糙度图3.56中所示为压电式传感器在轮廓仪上应用时的结构示意图。,下页,上页,返回,（4）压电引信(引爆)压电引信结构图如图3.58(a)所示，早期的40火箭筒原理如图3.578(b)所示，平时电路开路，当火箭筒撞击时，内外电极相撞引爆。改进的压电引信原理见图3.58(c)所示，当火箭筒撞击时，压电晶体产生电荷，使电发火管打火，从而引爆。,下页,上页,返回,（5）煤气灶电子点火装置图3.59所示为煤气灶电子点火装置，它是让高压跳火来点燃煤气。当使用者将开关往里压时，把气阀打开；将开关旋转，则使弹簧往左压。此时，弹簧有一很大的力撞击压电晶体，则产生高压放电导致燃烧盘点火。,下页,上页,返回,3.6磁电式传感器,磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、速度等）转换成电信号的一种传感器，也称为电磁感应传感器。根据电磁感应定律，当N匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内会产生感应电动势（3.107）可见，线圈中感应电动势的大小，跟线圈的匝数和穿过线圈的磁通变化率有关。一般情况下，匝数是确定的；而磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故只要改变其中一个参数，都会改变线圈中的感应电动势。根据结构方式的不同，磁电式传感器通常分为动圈式和磁阻式两大类，下面分别对其介绍。,下页,上页,返回,3.6.1动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器又可分为线速度型与角速度型。图3.60表示线速度型传感器工作原理。在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动线圈，当线圈沿磁场方向做直线运动时，线圈相对于磁场的的运动速度为，它所产生的感应电动势为,下页,上页,返回,（3.108）式中磁场的磁感应强度；单匝线圈的有效长度；线圈匝数；线圈相对于磁场方向的运动速度。式（3.108）表明，当、和恒定不变时，便可以根据感应电动势的大小计算出被测线速度的大小。图3.61示出了角速度型传感器的工作原理，线圈在磁场中以角速度旋转时产生的感应电动势为（3.109）式中角速度；单匝线圈的截面积；与结构有关的系数，。,下页,上页,返回,式（3.109）表明，当传感器结构确定后，、和皆恒定不变，便可以根据感应电动势的大小确定被测量。故这种传感器常被用于测量转速。需要注意的是在式（3.108）、式（3.109）中的、指的是线圈与磁铁的相对速度，而不是磁铁的绝对速度。,下页,上页,返回,3.6.2磁阻式磁电传感器磁阻式磁电传感器跟动圈式磁电式传感器不一样，它在工作的时候其线圈与磁铁部分是相对静止的，由与被测量连结的物体（导磁材料）的运动来改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。磁阻式磁电传感器一般常用于测量转速、偏心、振动等，产生感应电动势的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。其工作原理及应用如图3.62所示。如图3.62a可测旋转物体的角频率，在圆轮旋转时，圆轮上的凸处的位置发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而引起贯穿线圈的磁通量发生变化，其产生的交变电势的频率为（3.110）式中感应电势频率（周/秒）；圆轮的角速度；圆轮的转速（转/分）。这样，就可测得运动物体的频率。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,3.6.3磁电式传感器的测量电路磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或角速度，则要配用积分或微分电路。如图3.63为一般测量电路方框图。其中虚线框内整形及微分部分电路仅用于以频率作为输出时。,下页,上页,返回,3.7热电式传感器,热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置，在各种热电式传感器中，以把温度转换成电势和电阻的方法最为普遍。其中最常用的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转换为电势变化，热电阻是把温度变化转换为电阻值的变化。这两种热电式传感器目前已经在工业生产中得到了广泛的应用。3.7.1热电偶传感器（1）热电效应当两种不同材料的金属导体A和B组成闭合回路，且两个结点温度不同时，回路中将产生电动势，这种现象称为热电效应或赛