第3章常用传感器

1、 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 常用传感器常用传感器 第第1 1节节 概述概述 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 第第4节节 电容式传感器电容式传感器 第第5节节 压电式传感器压电式传感器 第第6节节 传感器的选用原则传感器的选用原则 习题习题 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 常用传感器常用传感器 本章重点：本章重点： 1 1、传感器的定义、组成和分类。传感器的定义、组成和分类。 2、电阻式、电感式、电容式和压电、电阻式、电感式、电容式和压电 式传

2、感器的工作原理。式传感器的工作原理。 3、常用传感器的选用原则。、常用传感器的选用原则。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第1 1节节 概述概述 一、传感器的定义一、传感器的定义 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按 一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。一。一 般也称为般也称为变换器、换能器和探测器变换器、换能器和探测器。 传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物 量，而转换后的信

3、息也可以有各种形式。量，而转换后的信息也可以有各种形式。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。在机械工目前，传感器转换后的信号大多为电信号。在机械工 程的程的非电量的电测法非电量的电测法中，传感器是把被测量的的非电信号中，传感器是把被测量的的非电信号 转换成电信号的装置。转换成电信号的装置。 传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类 可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第1 1节节 概述概述 二、传感器的组成二、传

4、感器的组成 传感器一般由传感器一般由敏感元件敏感元件与与辅助元件辅助元件组成。组成。 敏感器件敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测是传感器的核心，它的作用是直接感受被测 物理量，并将信号进行必要的转换输出。物理量，并将信号进行必要的转换输出。 辅助元件辅助元件一般指安装、连接、支承敏感元件的一些辅一般指安装、连接、支承敏感元件的一些辅 助的装置，如传感器的壳体、引线等。助的装置，如传感器的壳体、引线等。 传感器的未来发展是与微处理器相结合，封装在一个传感器的未来发展是与微处理器相结合，封装在一个 检测器中形成一种新型的检测器中形成一种新型的“智能传感器智能传感器”。它将具有一定。它将

5、具有一定 的信号调理、信号分析、误差校正、环境适应等能力，甚的信号调理、信号分析、误差校正、环境适应等能力，甚 至具有一定的辨认、识别和判断的功能。至具有一定的辨认、识别和判断的功能。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第1 1节节 概述概述 三、传感器的分类三、传感器的分类 1 1、按被测物理量来分类（适用于使用者）、按被测物理量来分类（适用于使用者） 根据被测物理量的种类不同，可分为根据被测物理量的种类不同，可分为位移传感器、速位移传感器、速 度传感器、力传感器、温度传感器度传感器、力传感器、温度传感器等。等。 2. 2. 按变换原理来分类按

6、变换原理来分类（适用于研究者）（适用于研究者） 参量型：参量型：这种传感器在感受到被测量后，输出的不直这种传感器在感受到被测量后，输出的不直 接是电信号，而是与电量有关的自身参数变化的信号，因接是电信号，而是与电量有关的自身参数变化的信号，因 而称之为参量型传感器，如而称之为参量型传感器，如电阻式、电感式和电容式电阻式、电感式和电容式传感传感 器。器。 发电型：发电型：这种传感器在感受到被测量后，输出的直接这种传感器在感受到被测量后，输出的直接 是电信号，因而称之为发电型传感器，如是电信号，因而称之为发电型传感器，如压电式压电式传感器。传感器。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试

7、试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 一、电阻式传感器的分类一、电阻式传感器的分类 电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换 成自身电阻值的变化成自身电阻值的变化, ,再经相应的变换电路和装置显示或记再经相应的变换电路和装置显示或记 录被测量值的变化。录被测量值的变化。 电阻式传感器按其工作原理可分为以下两种：电阻式传感器按其工作原理可分为以下两种： 1 1、变阻器式，、变阻器式，又称为电位器式。又称为电位器式。 2 2、应变片式，、应变片式，又分为金属电阻应变式和半导体应变片又分为金属电阻应变式和半导体应

8、变片 式两种。式两种。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 二、变阻器式传感器二、变阻器式传感器 1 1、工作原理、工作原理 变阻器式传感器的工作原理是将物体的位移转换为电变阻器式传感器的工作原理是将物体的位移转换为电 阻的变化，由此再进一步转换为电压等电量的变化。阻的变化，由此再进一步转换为电压等电量的变化。 常用变阻器式传感器有常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线直线位移型、角位移型和非线 性型性型等，如下图所示。等，如下图所示。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术

9、第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 二、变阻器式传感器二、变阻器式传感器 2 2、特点、特点 变阻器式传感器的变阻器式传感器的优点优点是：是：(1)(1)结构简单、尺寸小、重结构简单、尺寸小、重 量轻、价格低廉且性能稳定；量轻、价格低廉且性能稳定；(2)(2)受环境因素受环境因素( (如温度、湿如温度、湿 度、电磁场干扰等度、电磁场干扰等) )影响小；影响小；(3)(3)可以实现输出可以实现输出输入间任输入间任 意函数关系；意函数关系；(4)(4)输出信号大，一般不需要放大。输出信号大，一般不需要放大。 变阻器式传感器的变阻器式传感器的缺点缺点是是：(1)(1)因为存在电

10、刷与线圈或因为存在电刷与线圈或 电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；(2)(2)由于磨由于磨 损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量的精损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量的精 度，所以分辨力较低；度，所以分辨力较低；(3)(3)动态响应较差，适合于测量变化动态响应较差，适合于测量变化 较缓慢的物理量。较缓慢的物理量。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 二、变阻器式传感器二、变阻器式传感器 3 3、应用、应用 变阻器式传感器常用于变阻器式传感

11、器常用于角位移和线位移角位移和线位移的测量。的测量。 测量线位移的变阻器式传感器结构图如下所示。被测测量线位移的变阻器式传感器结构图如下所示。被测 位移使测量轴沿导轨轴移动时，带动电刷在滑线电阻上产位移使测量轴沿导轨轴移动时，带动电刷在滑线电阻上产 生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 1 1、应变片的组成、应变片的组成 (1)(1)敏感元件：敏感元件：感受应变并将其转感受应变并将其转 换为自

12、身阻值的变化。一般用康铜、换为自身阻值的变化。一般用康铜、 镍铬合金或半导体材料做成。它要用镍铬合金或半导体材料做成。它要用 粘合剂牢牢地固定在基片上。粘合剂牢牢地固定在基片上。 (2)(2)基片：基片：固定和保护敏感元件，固定和保护敏感元件， 并将应变准确的传递给敏感元件。材并将应变准确的传递给敏感元件。材 料可以是纸、胶膜、玻璃纤维布等。料可以是纸、胶膜、玻璃纤维布等。 (3)(3)覆盖层：覆盖层：保护敏感元件不受外保护敏感元件不受外 界环境中灰尘、湿气等的影响。界环境中灰尘、湿气等的影响。 (4)(4)引线：引线：将敏感元件的阻值变化将敏感元件的阻值变化 引入后接电路。引入后接电路。 2

13、021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 2 2、应变片的分类、应变片的分类 (1)(1)按敏感元件的材料分为按敏感元件的材料分为 金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体应变半导体应变 片片两大类。两大类。 金属电阻应变片根据敏感金属电阻应变片根据敏感 元件的形状不同又分为元件的形状不同又分为丝式丝式和和 箔式箔式两种。两种。 (2)(2)按用途分为按用途分为一般应变片一般应变片、 应变花应变花和和特殊应变片特殊应变片。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技

14、术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (1)(1)金属电阻应变片金属电阻应变片 应变效应：应变效应：金属导体在外力作用下发生机械变形时，金属导体在外力作用下发生机械变形时， 其电阻值随着它所受机械变形其电阻值随着它所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发生的变化而发生 变化的现象。变化的现象。 推导：推导： d R dA A R dl l R dR A l R 电电阻阻变变化化量量为为：金金属属导导体体发发生生变变形形，则则 则则有有：给给定定金金属属导导体体 , 2021

15、年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (1)(1)金属电阻应变片金属电阻应变片 推导：推导： 是是压压阻阻系系数数。， 电电阻阻率率的的相相对对变变化化 是是泊泊松松比比。， 横横向向应应变变 纵纵向向应应变变 ，则则有有：若若 E d d l dl r dr r dr l dl d r dr l dl RdR rA ) 2 ( 2 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感

16、器电阻式传感器 )21( 21 )21( RdR E ERdR ，则有：，则有：对金属导体，对金属导体， 综合以上各式可得：综合以上各式可得： 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (1)(1)金属电阻应变片金属电阻应变片 推导：推导： 之之间间。，一一般般在在 系系数数。灵灵敏敏度度，又又称称为为应应变变 等等。、标标称称阻阻值值，有有 结结论论： 3.61.721 12060 g g g S S R SRR 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器

17、三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (2)(2)半导体应变片半导体应变片 压阻效应：压阻效应：单晶单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用半导体材料沿某一轴向受到外力作用 时，其电阻率会发生变化的现象。时，其电阻率会发生变化的现象。 推导：推导： ERdR E ERdR ，则则有有：对对半半导导体体， 类类似似可可得得：半半导导体体材材料料与与金金属属导导体体 21 )21( 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工

18、作原理 (2)(2)半导体应变片半导体应变片 倍。倍。，比金属电阻应变片大，比金属电阻应变片大 系数。系数。灵敏度，又称为应变灵敏度，又称为应变 等。等。、标称阻值，有标称阻值，有 结论：结论： 7050 12060 ES S R SRR g g g 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (3)(3)两种应变片的比较两种应变片的比较 工作原理不同：工作原理不同：金属电阻应变片基于机械变形引起金属电阻应变片基于机械变形引起 电阻的变

19、化；半导体应变片基于电电阻的变化；半导体应变片基于电 阻率变化引起电阻的变化。阻率变化引起电阻的变化。 灵敏度不同：灵敏度不同：金属电阻应变片的灵敏度取决于泊松金属电阻应变片的灵敏度取决于泊松 比的大小；半导体应变片的灵敏度取比的大小；半导体应变片的灵敏度取 决于压阻系数和弹性模量的大小。决于压阻系数和弹性模量的大小。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 4 4、应变片的应用、应变片的应用 (1)(1)直接应用直接应用 将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应将应变

20、片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应 变和应力。变和应力。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 4 4、应变片的应用、应变片的应用 (2)(2)间接应用间接应用 将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变 式传感器。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为式传感器。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为 成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。 2021年年

21、6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 一、电感式传感器的分类一、电感式传感器的分类 电感式传感器的工作原理是基于电感式传感器的工作原理是基于电磁感应电磁感应原理，原理， 它是把被测量转化为电感量的一种装置。它是把被测量转化为电感量的一种装置。 按照转换方式的不同可分为以下两大类：按照转换方式的不同可分为以下两大类： 1 1、自感型：、自感型：又分为又分为可变磁阻式可变磁阻式和和涡电流式涡电流式两种。两种。 2 2、互感型：、互感型：常用的是常用的是差动变压器式差动变压器式。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试

22、试 技技 术术 第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 ：磁阻。：磁阻。：线圈匝数，：线圈匝数， m m RW R W L, 2 。空气磁导率，空气磁导率， 所以有：所以有： 因为因为 7 00 00 2 0000 104 2 22 AW L AAA l Rm 二、自感型二、自感型 1 1、可变磁阻式、可变磁阻式 可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由 线圈线圈1 1、铁芯、铁芯2 2及衔铁及衔铁3 3组成。组成。 成正比。成正比。积积成反比，而与导磁截面成反比，而与导磁截面与气隙与气隙结论：自感量结论：自感量 0 AL 2021年年

23、6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 二、自感型二、自感型 1 1、可变磁阻式、可变磁阻式 。一般取一般取 ），），范围是（范围是（ 的变化的变化线性误差，若线性误差，若 不是常数，为了减小不是常数，为了减小 ：此时传感器的灵敏度为此时传感器的灵敏度为 成反比，成反比，与与时，时，变化，变化当固定当固定 0.1 2 )1( 0 00 2 00 2 0 S AW S LA 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 二、自感型二、自感型 1 1、可

24、变磁阻式、可变磁阻式 2 )2( 0 2 00 W S ALA ：此时传感器的灵敏度为此时传感器的灵敏度为 成正比，成正比，与与时，时，变化，变化当固定当固定 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 二、自感型二、自感型 1 1、可变磁阻式、可变磁阻式 常用可变磁阻式传感器的典型结构有常用可变磁阻式传感器的典型结构有: :可变导磁面积型、可变导磁面积型、 差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。 双螺管线圈差动型测量范围为双螺管线圈差动型测量范围为0 0300m300m，最小

25、分辨力，最小分辨力 为为0.5m0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂， 线圈电感线圈电感L L1 1、L L2 2 随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所 示。示。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 二、自感型二、自感型 2 2、涡电流式、涡电流式 涡电流式传感器的变换原理是利用金属导体在涡电流式传感器的变换原理是利用金属导体在 交流磁场中的交流磁场中的涡电流效应涡电流效应。 将一块金属板置于一直线圈附近，相互将一块

26、金属板置于一直线圈附近，相互 间距为间距为。当线圈通入交变电流。当线圈通入交变电流i时，便产生时，便产生 磁通磁通。该磁通在金属板中产生感应电流。该磁通在金属板中产生感应电流i1， 此电流在金属板内是闭合的，因而称之为此电流在金属板内是闭合的，因而称之为“ 涡电流涡电流”或简称为或简称为“涡流涡流”。 “ “涡电流涡电流”也会产生磁通也会产生磁通1，它与，它与的的 方向相反，从而引起线圈自感量方向相反，从而引起线圈自感量L L发生变化。发生变化。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 二、自感型二、自感型 2

27、2、涡电流式、涡电流式 线圈自感量线圈自感量L L的大小与金属板的电阻率的大小与金属板的电阻率、磁导率、磁导率、 厚度厚度h h、金属板与线圈的距离、金属板与线圈的距离、激励电流角频率、激励电流角频率等参数等参数 有关。有关。 涡电流式电感传感器主要用于涡电流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距位移、振动、转速、距 离、厚度离、厚度等参数的测量。等参数的测量。 ),( hfL 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 三、互感型三、互感型差动变压器式差动变压器式 互感型电感式传感器是利用互感互感型电感式传感器是

28、利用互感M的变化来反映被测的变化来反映被测 量的变化，其实质是一个输出电压可变的变压器。量的变化，其实质是一个输出电压可变的变压器。 当变压器初级线圈当变压器初级线圈W 输入稳定交流电压输入稳定交流电压i后，次后，次 级线圈级线圈W0便会有感应电压便会有感应电压 e0输出，该电压随被测量输出，该电压随被测量 的变化而变化。的变化而变化。 dt di Me 0 M互感量。互感量。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 三、互感型三、互感型差动变压器式差动变压器式 互感型传感器常用的是互感型传感器常用的是差动变压器

29、式差动变压器式，其结构形式多，其结构形式多 为螺管形，主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线为螺管形，主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线 圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈 输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和和e2。 由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为 两者之差，即两者之差，即e0=e1-e2 。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第3 3节节 电感

30、式传感器电感式传感器 三、互感型三、互感型差动变压器式差动变压器式 差动变压器式传感器使用要注意的问题：差动变压器式传感器使用要注意的问题： (1)差动变压器式传感器输出的电压是交流量，其输出差动变压器式传感器输出的电压是交流量，其输出 值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向；值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向； (2)传感器输出电压存在一定的零点残余电压，即使活传感器输出电压存在一定的零点残余电压，即使活 动衔铁位于中间位置时，输出也不为零，这是由于两个次动衔铁位于中间位置时，输出也不为零，这是由于两个次 级线圈的结构不对称以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不级线圈的结构不对

31、称以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不 均匀、线圈间分布电容等原因所造成的。均匀、线圈间分布电容等原因所造成的。 解决方法解决方法：后接电路应采用既能反应铁芯位移方向，：后接电路应采用既能反应铁芯位移方向， 又能补偿零点残余电压的又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路差动直流输出电路。 特点特点：差动变压器式传感器精度可高达：差动变压器式传感器精度可高达0.lm，线圈变，线圈变 化范围可扩大到化范围可扩大到l00mm，结构简单，稳定性好，被广泛，结构简单，稳定性好，被广泛 应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量。应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量。 2021年年6月月24日星期

32、四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 一、一、电容式传感器变换原理电容式传感器变换原理 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的 变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上, ,它本身它本身 （或和被测物）就是一个可变电容器。（或和被测物）就是一个可变电容器。 。极板之间的距离极板之间的距离 ；，极板的相互覆盖面积极板的相互覆盖面积 ；空气中，空气中，介质的介电常数，在介质的介电常数，在 ；真空介电常数，真空介电常数，式中：式中： m mA mF A C ,

33、 1 /10854. 8 2 12 00 0 根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极极 距变化型、面积变化型和介质变化型距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化三种，其中极距变化 型和面积变化型应用较广。型和面积变化型应用较广。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 2 0 0 1 A S AC 灵敏度为：灵敏度为： ， 二、极距变化型二、极距变化型 极距变化型电容式传感器是指在两极板相互覆盖面积极距变化型电容式传感器是指在两极板相互覆盖面积 及极间

34、介质不变的情况下，由两极板在被测对象作用下发及极间介质不变的情况下，由两极板在被测对象作用下发 生位移变化而引起电容器的电容量发生变化。生位移变化而引起电容器的电容量发生变化。 。一一般般取取 ），范范围围是是（ 的的变变化化线线性性误误差差，若若 不不是是常常数数，为为了了减减小小 0.1 0 00 S 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 二、极距变化型二、极距变化型 实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线 性工作范围和克服外界条件性工作范围和克服外界条件( (

35、如电源电压、环境温度等如电源电压、环境温度等) )的的 变化对测量精度的影响，常常采用变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器差动型电容式传感器。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 三、面积变化型三、面积变化型 面积变化型是改变极板间覆盖面积的电容式传面积变化型是改变极板间覆盖面积的电容式传 感器，常用的有感器，常用的有角位移型和线位移角位移型和线位移型两种。型两种。 1 1、角位移型电容式传感器、角位移型电容式传感器 当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发当动板有一转角时，与定板之间相互覆

36、盖的面积就发 生变化，因而导致电容量变化。生变化，因而导致电容量变化。 当覆盖面积对应的中心角为当覆盖面积对应的中心角为 、 极板半径为极板半径为r时，时， 覆盖面积为：覆盖面积为： 2 2 r A 2 2 2 0 2 0 r S r C 灵敏度为：灵敏度为： 则：则： 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 三、面积变化型三、面积变化型 2 2、线位移型电容式传感器、线位移型电容式传感器 线位移型电容式传感器有线位移型电容式传感器有平面线位移型平面线位移型和和圆柱线位移圆柱线位移 型型两种。两种。 对于平面线位

37、移型电容式传感器，当宽度为对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿的动板沿 箭头箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电 容量为：容量为： b S x b C 0 0 灵敏度为：灵敏度为： 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 三、面积变化型三、面积变化型 2 2、线位移型电容式传感器、线位移型电容式传感器 对于圆柱线位移型电容式传感器，若对于圆柱线位移型电容式传感器，若外圆筒内半径为外圆筒内半径为 r1，内圆筒（或内圆柱）外半径为，内圆筒（或内

38、圆柱）外半径为r2（它们的工作半径）时，（它们的工作半径）时， 当当覆盖长度覆盖长度x变化时，电容量也随之变化，其电容为：变化时，电容量也随之变化，其电容为： )/ln( 2 )/ln( 2 21 0 21 0 rr S x rr C 灵敏度为：灵敏度为： 面积变化型电容传感器的优点面积变化型电容传感器的优点 是输出与输入成线性关系，但灵敏是输出与输入成线性关系，但灵敏 度较低，适用于较大量程范围的角度较低，适用于较大量程范围的角 位移和直线位移的测量。位移和直线位移的测量。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感

39、器 四、介质变化型四、介质变化型 介质变化型是指变介电常数型电容式传感器，这介质变化型是指变介电常数型电容式传感器，这 种传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可种传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可 根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改 变来测量温度、湿度、容量等。变来测量温度、湿度、容量等。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 一、工作原理一、工作原理 压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将压电式传感器是一种可逆型换能

40、器，它既可以将 机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它 的工作原理是基于某些物质的的工作原理是基于某些物质的压电效应压电效应。 1 1、压电效应、压电效应 某些物质某些物质( (物体物体) )，如石英、铁酸钡等，当受到外力作，如石英、铁酸钡等，当受到外力作 用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化， 表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态， 这种现象称为这种现象称为压电效应压电效应。 相反，如果将这些物质相反，如果将这些

41、物质 ( (物体物体) )置于电场中，其几何尺置于电场中，其几何尺 寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质 ( (物体）产物体）产 生机械变形的现象，称为生机械变形的现象，称为逆压电效应或电致伸缩效应逆压电效应或电致伸缩效应。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 一、工作原理一、工作原理 2 2、压电效应的形式、压电效应的形式 以石英晶体为例，以石英晶体为例，其结构形状为一个六角形晶柱，两其结构形状为一个六角形晶柱，两 端为一对称棱锥，端为一对称棱锥，可以将其划分出三

42、根互相垂直的轴如图可以将其划分出三根互相垂直的轴如图 所示。所示。 Z-Z称为称为光轴光轴 X-X轴称为轴称为电轴电轴 Y-Y轴称为轴称为机械轴机械轴 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 一、工作原理一、工作原理 2 2、压电效应的形式、压电效应的形式 沿电轴沿电轴( (X X轴轴) )方向施加压力产生的压电效应称为方向施加压力产生的压电效应称为“纵向纵向 效应效应”，沿机械轴，沿机械轴( (Y Y轴轴) )方向施加压力产生的压电效应称为方向施加压力产生的压电效应称为 “横向效应横向效应”，沿相对两棱施加剪切

43、力，沿相对两棱施加剪切力产生的压电效应称产生的压电效应称 为为“切向效应切向效应”。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 一、工作原理一、工作原理 3 3、压电材料、压电材料 把具有压电效应的物质称为把具有压电效应的物质称为压电材料压电材料( (或称为压电元或称为压电元 件件) )。常见的压电材料可分为以下三类：。常见的压电材料可分为以下三类： （1 1）压电单晶）压电单晶 压电单晶为单晶体，常用的有石英晶体（压电单晶为单晶体，常用的有石英晶体（SiOSiO2 2），铌），铌 酸锂（酸锂（LiNbOLiNbO

44、3 3），钽酸锂（），钽酸锂（LiTaOLiTaO2 2）等。）等。 （2 2）压电陶瓷）压电陶瓷 现在常用的是现在常用的是PZTPZT锆钛酸铅系列压电陶瓷，其具有制作锆钛酸铅系列压电陶瓷，其具有制作 方便，成本低等优点。方便，成本低等优点。 （3 3）有机压电薄膜）有机压电薄膜 这类压电材料具有面积大、柔软不易破碎等优点，可这类压电材料具有面积大、柔软不易破碎等优点，可 用于微压测量和机器人的触觉，常用的是二氟乙烯用于微压测量和机器人的触觉，常用的是二氟乙烯PVdFPVdF。 居里点居里点：压电材料失去压电特性的温度点。：压电材料失去压电特性的温度点。 2021年年6月月24日星期四日星期四

45、 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 二、压电式传感器及其等效电路二、压电式传感器及其等效电路 1 1、压电式传感器、压电式传感器 压电式传感器是在压电晶片的两个工作面上进行金属压电式传感器是在压电晶片的两个工作面上进行金属 蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F F 的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的 电荷，形成电场。电荷，形成电场。 压电传感器可以看作是一个压电传感器可以看作是一个电荷源，电荷源， 也可以看成是一个也

46、可以看成是一个电压源。电压源。 如果施加于压电晶片的外力不变，如果施加于压电晶片的外力不变， 在极板上积聚的电荷与力的关系为：在极板上积聚的电荷与力的关系为： 。和和压压电电效效应应的的形形式式有有关关 压压电电常常数数，与与材材料料 压压力力；电电荷荷；式式中中： c c d Fq Fdq 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 二、压电式传感器及其等效电路二、压电式传感器及其等效电路 2 2、等效电路、等效电路 利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，要防止利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，要防止 电荷

47、从压电晶片上经测量电路的漏失。而在测动态量时，电荷从压电晶片上经测量电路的漏失。而在测动态量时， 电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流， 故故压电传感器适宜作动态测量。压电传感器适宜作动态测量。 。泄漏电流，泄漏电流， 电容，电容， 电容上的电压；电容上的电压； 电荷；电荷；式中：式中： 0 , R u ii CCCC C u q idtCuq ica 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 二、压电式传感器及其等效电路二、压电式传感器及其等效电路 2

48、 2、等效电路、等效电路 在实际应用中，常常将两片或两片以上的晶片粘结在在实际应用中，常常将两片或两片以上的晶片粘结在 一起。粘结的方法有一起。粘结的方法有并联并联和和串联串联。 并联方法并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上， 正电荷集中在两侧的电极上，适用于正电荷集中在两侧的电极上，适用于电荷量电荷量输出信号。输出信号。 串联方法串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板， 适用于适用于电压量电压量输出信号。输出信号。 并并 联联 串串 联联 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术

49、术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 三、测量电路三、测量电路前置放大器前置放大器 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先 经过高输入阻抗的经过高输入阻抗的前置放大器前置放大器。 前置放大器的作用有两点：前置放大器的作用有两点： 其一其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出； 其二其二是放大传感器输出的微弱电信号。是放大传感器输出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式：前置放大器电路有两种形式： 1 1、电阻反馈的、电阻反馈的电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电压，其输出电压与

50、输入电压 ( (即传感器的输出即传感器的输出) )成正比。成正比。 2 2、电容反馈的、电容反馈的电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成，其输出电压与输入电荷成 正比。正比。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 三、测量电路三、测量电路前置放大器前置放大器 1 1、电阻反馈的电压放大器、电阻反馈的电压放大器 采用电压式放大器时，电路如图所示：采用电压式放大器时，电路如图所示： 输出电压与各种电容有关系，即：输出电压与各种电容有关系，即： 电容中的电缆对地电容受电缆电容中的电缆对地电容受电缆Cc的长度和形

51、态影响，的长度和形态影响， 会对输出电压造成较大的误差。会对输出电压造成较大的误差。 。电容，电容，式中：式中： ica CCCCC C q u 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 三、测量电路三、测量电路前置放大器前置放大器 2 2、电容反馈的电荷放大器、电容反馈的电荷放大器 f a f a o ficaf iofoiicaia C q AC Aq u CCCCAC AuuCuuCCCuq 时，可得：时，可得：当当)( ,)()( 结论：结论：电荷放大器的输出电荷放大器的输出 电压与传感器的电荷量成电压与传

52、感器的电荷量成 正此，与电缆分布电容无关。正此，与电缆分布电容无关。 因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以 上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 四、应用四、应用 1 1、直接应用、直接应用 压电效应是一种力压电效应是一种力电荷的转换，因此可直接用作电荷的转换，因此可直接用作 力的测量，测量范围力的测量，测量范围10-3N104KN。 2 2、间接

53、应用、间接应用 最典型的是压电式加速度传感器，简称为加速度计。最典型的是压电式加速度传感器，简称为加速度计。 它是借助于一个标准的质量块，将加速度转换为力以后再它是借助于一个标准的质量块，将加速度转换为力以后再 作用在压电元件上从而得到电量输出。作用在压电元件上从而得到电量输出。 注意：注意：（1 1）横向输出和横向灵敏度。）横向输出和横向灵敏度。 （2 2）及时校准。）及时校准。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第6 6节节 传感器的选用原则传感器的选用原则 选择传感器主要考虑选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范灵敏度、响应特性、线性范

54、 围、稳定性、精确度、测量方式围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。等六个方面的问题。 一、灵敏度一、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好。因为灵敏度越高，一般说来，传感器灵敏度越高越好。因为灵敏度越高， 就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微 小变化，传感器就有较大的输出。在确定灵敏度时，主要考小变化，传感器就有较大的输出。在确定灵敏度时，主要考 虑以下几个问题。虑以下几个问题。 1 1、当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的、当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的 外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器

55、输出，从而干扰外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰 被测信号。被测信号。 2 2、与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性、与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性 工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则 难以保证传感器的输入在线性区域内工作。难以保证传感器的输入在线性区域内工作。 3 3、当被测量有方向性时，要求传感器单向灵敏度愈高、当被测量有方向性时，要求传感器单向灵敏度愈高 愈好，而横向灵敏度愈小愈好愈好，而横向灵敏度愈小愈好。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3

56、 3章章 第第6 6节节 传感器的选用原则传感器的选用原则 二、响应特性（动态特性）二、响应特性（动态特性） 传感器的响应特性频域是指在所测频率范围内，传感器的响应特性频域是指在所测频率范围内， 保持不失真测量的条件。在时域是指传感器从输入到保持不失真测量的条件。在时域是指传感器从输入到 输出响应的快慢。输出响应的快慢。 一般物性型传感器一般物性型传感器( (如利用光电效应、压电效应如利用光电效应、压电效应 等传感器等传感器) )响应时间短，工作频率范围宽；而结构型响应时间短，工作频率范围宽；而结构型 传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结

57、 构特性的影响和机械系统惯性质量的限制，其固有频构特性的影响和机械系统惯性质量的限制，其固有频 率低，工作频率范围窄，响应时间较长。率低，工作频率范围窄，响应时间较长。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第6 6节节 传感器的选用原则传感器的选用原则 三、线性范围三、线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围，在线性范任何传感器都有一定的线性工作范围，在线性范 围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明 传感器的工作量程愈大。传感器的工作量程愈大。 传感器工作在线性区域内，是保证测试精度的基传感器

58、工作在线性区域内，是保证测试精度的基 本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其 材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出 测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。 但是，对实际使用的传感器，保证其绝对工作在但是，对实际使用的传感器，保证其绝对工作在 线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度 内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电 容、电感式

59、传感器，其工作区域均选在初始间隙附近。容、电感式传感器，其工作区域均选在初始间隙附近。 而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允 许限度以内。许限度以内。 2021年年6月月24日星期四日星期四 测测 试试 技技 术术 第第3 3章章 第第6 6节节 传感器的选用原则传感器的选用原则 四、稳定性（可靠性）四、稳定性（可靠性） 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出 特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素主特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素主 要是时间与环境。要是时间与环境。 为了保

60、证传感器的稳定性，在选择传感器时，一为了保证传感器的稳定性，在选择传感器时，一 般会出现两种情况：般会出现两种情况： 1 1、根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻、根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻 应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿 度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又如，度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又如， 对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂 浸人间隙时，会改变电容器的介质。浸人间隙时，会改变电容器的介质。 2 2、要创造或保持一个良好的环境，在要求传感