测试技术-(4)常用传感器1

1、第3章 常用传感器 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院2学习重点获取被测量的基本方法，传感器的分类及依据的原理；参量型（电阻、电容、电感）传感器的作用原理、测量电路和典型应用；绝对速度、惯性加速度传感器的频率响应特性曲线及其分析，系统特性参数（n，）的求法。*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院33.1传感器的基本概念3 1. 传感器传感器(Sensor)定义定义 传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成

2、组成(GB766-87)(GB766-87)。 狭义上，狭义上，非电信号非电信号 电信号电信号。在非电量电测系统中的作用在非电量电测系统中的作用 敏感作用敏感作用：感受并拾取被测对象的信号感受并拾取被测对象的信号变换作用变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理被测信号转换成易于检测和处理 的电信号的电信号*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院4传感器通常由三部分组成：传感器通常由三部分组成：敏感元件：直接感受被测量敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量输出与被测量成确定关系。成确定关系。 转换元件：转换元件： 敏感元件的输出就是转换元件敏感元件的输出就是转换元件的输入的输入,它把输

3、入转换成电量参量它把输入转换成电量参量 。 转换电路：把转换元件输出的电量信号转转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。用的电信号的电路。*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院55 将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。获得传感器信号的两种方法获得传感器信号的两种方法 直接获得电信号的变化（开关传感器）；直接获得电信号的变化（开关传感器）；*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院6传感器的组成实例*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程

4、学院7传感器例子三座标模拟测量，三座标测量仪工业视频短片，汽车车身测量演示，*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院8传感器处于测试与检测装置的输入端，传感器性能的优劣直接影响整个测试装置的工作特性。 线性传感器：若传感器的输入量及其输出量之间的特性曲线是一条直线，则称该传感器是线性传感器，即y=x0+kx。式中x、y分别为传感器的输入与输出，x0为初始值，常数k 称传感系数、转换比、灵敏度或斜率。 非线性传感器：特性曲线不是一条直线的传感器。*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院9传感器产生误差的原因：n实际特性曲线与设定特性曲线之间存在偏差 ,例子，圆度仪测量过程。n

5、传感器的不可逆变化 。w引起不可逆变化的原因：老化、零件接触点状况变化、热的或机械的过载、以及化学变化等 。消除传感器误差的方法n合理的结构设计。w例如：力传感器的结构设计中设法避免横向敏感力的产生。 n对影响传感器的干扰量进行补偿。 n稳定传感器的工作环境条件、合理传感器的安装方法。n对传感器的定期维护和校准 。*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院103.1.1 传感器的分类按传感器的工作原理或传感过程中信号转换的按传感器的工作原理或传感过程中信号转换的原理分类：原理分类：n结构型传感器：根据传感器的结构变化来实现信结构型传感器：根据传感器的结构变化来实现信号的传感，如电容传感

6、器。号的传感，如电容传感器。n物性型传感器：根据传感器敏感元件材料本身物物性型传感器：根据传感器敏感元件材料本身物理特性的变化来实现信号的转换。如压力加速度理特性的变化来实现信号的转换。如压力加速度计是利用了传感器中石英晶体的压电效应；光敏计是利用了传感器中石英晶体的压电效应；光敏电阻则是利用材料在受光照作用下改变其电阻的电阻则是利用材料在受光照作用下改变其电阻的效应，等等。效应，等等。 按被测物理量进行分类按被测物理量进行分类 ：力传感器、速度传感器、温度传感器等。力传感器、速度传感器、温度传感器等。*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院11常见机械式传感器 测力计*学学大大筑筑

7、建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院12常见机械式传感器压力计*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院13常见机械式传感器温度计 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院14根据传感器与被测对象之间的能量转换根据传感器与被测对象之间的能量转换关系分类：关系分类：n能量转换型传感器（亦称无源传感器）：直能量转换型传感器（亦称无源传感器）：直接由被测对象输入能量来使传感器工作的。接由被测对象输入能量来使传感器工作的。如热电偶温度计、弹性压力计等等。如热电偶温度计、弹性压力计等等。n能量控制型传感器（亦称有源传感器）：依能量控制型传感器（亦称有源传感器）：依靠外部提供辅助能源来工

8、作，由被测量来控靠外部提供辅助能源来工作，由被测量来控制该能量的变化。如电桥电阻应变仪。制该能量的变化。如电桥电阻应变仪。 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院153.1.2传感器的性能要求传感器的性能要求 灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；性关系； 噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； 滞后、漂移误差小；滞后、漂移误差小； 动态特性良好；动态特性良好； 在接入测量系统时，对被测量不产生影响；在接入测量系统时，对被测量不产生影响； 功耗小，复现性好，有互换性；功耗小，复现性好，有互换性； 防水及抗腐

9、蚀等性能好，能长期使用；防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用； 结构简单，容易维修和校正；结构简单，容易维修和校正； 低成本、通用性强；低成本、通用性强；*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院163.1.3 传感器的发展趋势传感器的发展趋势 采用新原理、开发新型传感器；采用新原理、开发新型传感器； 大力开发物性型传感器大力开发物性型传感器(因为靠结构型有因为靠结构型有些满足不了要求些满足不了要求)； 传感器的集成化；传感器的集成化； 传感器的多功能化；传感器的多功能化； 传感器的智能化；传感器的智能化； 研究生物感官，开发仿生传感器。研究生物感官，开发仿生传感器。*学学大大筑筑建建阳阳

10、沈沈机械工程学院机械工程学院173.2 参数式传感器3.2.13.2.1电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变化电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变化的一种传感器。的一种传感器。 一、工作原理：一、工作原理：一个电导体的电阻值：一个电导体的电阻值：式中：式中：R R电阻（电阻（）；）；材料的电阻率（材料的电阻率（mmmm2 2/m/m）；）；l l导体的长度（导体的长度（m m）；）； A A导体的截面积（导体的截面积（mmmm2 2）。）。 改变长度改变长度l l，则可形成滑动触点式变阻器或电位计；，则可形成滑动触点式变阻器或电位计； 改变改变l l、A A和和则可做成电阻应变片；则可做成电阻

11、应变片；改变改变，则可形成热敏电阻、光导性光检测器、压阻应，则可形成热敏电阻、光导性光检测器、压阻应变片、以及电阻式温度检测器。变片、以及电阻式温度检测器。 )(AlR(3.1)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院18 二、电阻应变传感器二、电阻应变传感器 当金属电阻丝受拉或受压时，电阻丝的长度和当金属电阻丝受拉或受压时，电阻丝的长度和横截面积将发生变化，且电阻丝的电阻率也发生横截面积将发生变化，且电阻丝的电阻率也发生变化（这一现象称为压阻效应），因此导线的电变化（这一现象称为压阻效应），因此导线的电阻值发生变化。阻值发生变化。 对式（对式（3.13.1）进行微分可得：）进行微分

12、可得：设设A=A=rr2 2，r r为电阻丝半径，代入上式得为电阻丝半径，代入上式得 2)(AldAlddlAdR(3.2)2(2322rdrdldlRdrrldrldlrdR*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院19式中，式中， dl/l=dl/l=为单位应变；为单位应变； dr/rdr/r为电阻丝径向相对变化，它与为电阻丝径向相对变化，它与dl/ldl/l之之间的关系为间的关系为 式中式中电阻丝材料的泊松比。电阻丝材料的泊松比。 d d/反映了电阻丝的电阻率的相对变化，它与反映了电阻丝的电阻率的相对变化，它与电阻丝纵向所受的应力电阻丝纵向所受的应力有关：有关：式中，式中，1 1

13、纵向压阻系数纵向压阻系数 ；E E材料的弹性模量。材料的弹性模量。 ldlrdr(3.4)Ed11(3.5)(3.3)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院20 将式（将式（3.43.4）和（）和（3.53.5）代入式（）代入式（3.33.3）中，可得）中，可得 分析：分析：影响电阻值变化的因素：影响电阻值变化的因素：n电阻丝长度的变化电阻丝长度的变化 ；n电阻丝面积的变化电阻丝面积的变化 ；n压阻效应的作用压阻效应的作用 。电阻值的相对变化与应变成正比，因此通过测量应电阻值的相对变化与应变成正比，因此通过测量应变变dl/l=dl/l=便可测量电阻变化便可测量电阻变化dR/RdR/

14、R，这便是应变片，这便是应变片的原理。若用无量纲因子的原理。若用无量纲因子S Sg g表征两者的关系，则表征两者的关系，则 S Sg g为应变片系数或灵敏度为应变片系数或灵敏度, ,金属电阻丝的灵敏度常金属电阻丝的灵敏度常在在1.73.61.73.6之中，常用的金属材料有银、铬镍合金、之中，常用的金属材料有银、铬镍合金、或铁镍合金等。或铁镍合金等。 )E21 (1RdR(3.6)EldlRdRSg121(3.7)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院21 应变片的分类：应变片的分类：n非粘贴式非粘贴式 ：几乎都被用于传感器应用。：几乎都被用于传感器应用。 图图3.3示出一种非粘贴式

15、应变仪，它采用一组连接成电示出一种非粘贴式应变仪，它采用一组连接成电桥形式的预加载电阻丝。桥形式的预加载电阻丝。其中电桥的每根电桥臂的电阻值约为其中电桥的每根电桥臂的电阻值约为1201000，最大激励电压为最大激励电压为510V，满量程输出为，满量程输出为2050mV。 图3.3 非粘贴式应变仪 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院22n粘贴式粘贴式 ：w粘贴式金属丝应变片可用于应力分析，也可用作为传粘贴式金属丝应变片可用于应力分析，也可用作为传感器。由于可测的电阻值变化要求导线长度很长，因感器。由于可测的电阻值变化要求导线长度很长，因而要将导线按一定的形状（通常为栅状）曲折地贴

16、在而要将导线按一定的形状（通常为栅状）曲折地贴在由浸渍过绝缘材料地纸衬或合成树脂组成地载体上。由浸渍过绝缘材料地纸衬或合成树脂组成地载体上。 图3.4 金属丝应变片 图3.5 应变片结构纵截面情形 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院23w金属箔式应变片： a）、）、b）、）、c）敏感单方向上的应变）敏感单方向上的应变d）膜片应变片）膜片应变片e）三片式应变花，）三片式应变花，60箔式平面型箔式平面型f）双片式应变花，）双片式应变花，90箔式叠合型箔式叠合型g）三片式应变花，）三片式应变花，45电阻丝式叠合型电阻丝式叠合型h）双片式应变花，）双片式应变花，90剪切式平面型剪切式平

17、面型图3.2 不同的箔式应变片结构形式 金属薄膜应变片金属薄膜应变片 ： 采用汽相淀积法和离子溅射法直接在衬底材料上形采用汽相淀积法和离子溅射法直接在衬底材料上形成，常用作传感器。成，常用作传感器。 薄膜应变片的阻值和应变片系数与粘贴式金属箔应薄膜应变片的阻值和应变片系数与粘贴式金属箔应变片的相似，但其时间和温度稳定性较好。变片的相似，但其时间和温度稳定性较好。 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院2424 金属应变计金属应变计 金属应变计有金属应变计有: 1、丝式丝式 2、箔式箔式 3、薄膜式薄膜式 优点优点:稳定性和温度稳定性和温度特性好特性好. 缺点缺点:灵敏度系数小灵敏度

18、系数小.应变计 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院25 三、压阻式传感器三、压阻式传感器 n工作原理：半导体材料的压阻效应工作原理：半导体材料的压阻效应 。压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率率随之发生变化。从半导体物理可知，单晶半导体在外力作用随之发生变化。从半导体物理可知，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律会发生变化，导致载流子迁移率及载流子下，原子点阵排列规律会发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度产生变化，从而引起电阻率的变化。浓度产生变化，从而引起电阻率的变化。n分类：分类：wP型应变

19、片：在施加有效应变时会增加其电阻值；型应变片：在施加有效应变时会增加其电阻值；wN型应变片：在施加有效应变时会减少其阻值。型应变片：在施加有效应变时会减少其阻值。 n特点：具有很高的应变片系数，一般可高达特点：具有很高的应变片系数，一般可高达150左右。左右。 图3.3 不同类型的半导体应变仪1硅棒 2引线带 3塑料载体 4P型硅 5N型硅 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院26n半导体应变片的电阻半导体应变片的电阻变化主要由公式变化主要由公式（3.6）右边的）右边的 项决定；项决定；n缺点：缺点：w温度灵敏度高；温度灵敏度高；w非线性；非线性；w安装困难。安装困难。 n半导体

20、膜片式绝对压半导体膜片式绝对压力传感器力传感器 ：图3.4 半导体膜片式绝对压力传感器 E1*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院2727 半导体应变计半导体应变计 优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大; ;体积小体积小; ;能能制成具有一定应变电阻的元件制成具有一定应变电阻的元件. . 缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不温度稳定性和可重复性不如金属应变片如金属应变片。 应变计 体型体型薄膜型薄膜型扩散型扩散型*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院28 四、应变片的误差及其补偿四、应变片的误差及其补偿 温度是影响应变片精度的主要因素温度是影响应变片精度的主要因素 n温度

21、变化引起应变片本身电阻的变化温度变化引起应变片本身电阻的变化 式中式中RT温度变化引起的电阻变化值；温度变化引起的电阻变化值； f金属应变片电阻温度系数金属应变片电阻温度系数 ； T温度变化度数。温度变化度数。由该电阻值的变化折算成应变值为由该电阻值的变化折算成应变值为 TRRfTgfgTTSTSRR1(3.8)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院29n金属丝与衬底材料的线膨胀系数不同，从而在金属丝与衬底材料的线膨胀系数不同，从而在温度变化时引起附加的应变。温度变化时引起附加的应变。 金属丝因温度变化引起的应变：金属丝因温度变化引起的应变：衬底材料因温度变化而引起的应变衬底材料因

22、温度变化而引起的应变 式中式中g和和s分别为金属丝和衬底材料的线膨胀分别为金属丝和衬底材料的线膨胀系数。当时系数。当时g s总附加应变则为总附加应变则为 3. 应变片的灵敏度系数随温度变化产生的变化较应变片的灵敏度系数随温度变化产生的变化较小，可以予以忽略。小，可以予以忽略。Tgg(3.9)Tss(3.10)Tsgsg)(3.11)TSTsggfta)(3.12)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院30 补偿途径：补偿途径：n应变片温度补偿应变片温度补偿 （如图（如图3.5所示）；所示）；n采用专门的、具有固有采用专门的、具有固有温度补偿功能的应变片。温度补偿功能的应变片。这种应

23、变片采用特别的这种应变片采用特别的材料，这种材料能使线材料，这种材料能使线膨胀系数和电阻变化造膨胀系数和电阻变化造成的效应差不多相互抵成的效应差不多相互抵消，可得消，可得 gfsgS(3.13)图3.5 应变片温度补偿 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院31应变片测量的另一误差来源则涉及到应应变片测量的另一误差来源则涉及到应变片的大小与被测点的位置关系。变片的大小与被测点的位置关系。 n目前最小的应变片长可做到目前最小的应变片长可做到0.2mm。 n应变片也可被贴到曲面上，对某些应变片来应变片也可被贴到曲面上，对某些应变片来说，曲面的最小安全弯曲半径可小到说，曲面的最小安全弯曲

24、半径可小到1.5mm。 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院32 五、应变片的粘贴五、应变片的粘贴常用的粘接剂：环氧树脂、酚醛树脂等；常用的粘接剂：环氧树脂、酚醛树脂等；高温下：专用陶瓷粉末等无机粘接剂。高温下：专用陶瓷粉末等无机粘接剂。 对粘接剂的要求：保证粘接面有足够的对粘接剂的要求：保证粘接面有足够的强度、绝缘性能、抗蠕变、以及温度变化强度、绝缘性能、抗蠕变、以及温度变化范围等。范围等。使用粘接方法的温度范围：使用粘接方法的温度范围：-249816对超高温度来说，常要采用焊接技术来进对超高温度来说，常要采用焊接技术来进行连接。行连接。 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院

25、机械工程学院33 六、应变片的应用 结构的应力和应变分结构的应力和应变分析析 ；用于制成力、位移、用于制成力、位移、压力、力矩和加速度压力、力矩和加速度等测量传感器。等测量传感器。例子例子1，2，3，4 图图3.6 粘贴应变计的力和力矩传感器粘贴应变计的力和力矩传感器（a）拉力杆）拉力杆 （b）压力杆）压力杆（c）弯曲悬臂）弯曲悬臂 （d）扭矩轴）扭矩轴 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院3434 立柱应力立柱应力 桥梁应力桥梁应力 应变式电阻传感器的应用应变式电阻传感器的应用 德国德国HBMHBM电阻应变式传感器电阻应变式传感器 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程

26、学院3535 质量传感器质量传感器 位移传感器位移传感器 加速度计加速度计 压力传感器压力传感器 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院3636 压力传感器压力传感器 转矩传感器转矩传感器 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院37 七、变阻式传感器七、变阻式传感器 n直线位移型：直线位移型：R=ktxkt为单位长度中的电阻为单位长度中的电阻 。其灵敏度：其灵敏度：n角位移型角位移型 灵敏度：灵敏度：触点转角触点转角(rad)；kr单位弧度对应的电阻值。单位弧度对应的电阻值。 图3.1 变阻器式传感器 tdxdRks(3.15)rkddRs(3.16)(3.14)*学学

27、大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院38 变阻器的分辨率变阻器的分辨率 取决于电阻元件的结构型式。取决于电阻元件的结构型式。为在小范围空间中得到足够高的电阻值，常采为在小范围空间中得到足够高的电阻值，常采用线绕式电阻元件用线绕式电阻元件 。当滑臂触点从一圈导线移动至下一圈时，电阻当滑臂触点从一圈导线移动至下一圈时，电阻值的变化是台阶形的，由此则限制了器件的分值的变化是台阶形的，由此则限制了器件的分辨率。辨率。 实际中能做到绕线间的密度为实际中能做到绕线间的密度为25圈圈/mm，对直，对直线移动式装置来说，分辨率最小为线移动式装置来说，分辨率最小为40m，而，而对一个单线圈对一个单线圈5

28、cm直径的转动式电位计来说，直径的转动式电位计来说，其最好的角分辨率为约其最好的角分辨率为约0.1o。为改善分辨率，也可采用碳膜或导电塑料电阻为改善分辨率，也可采用碳膜或导电塑料电阻元件。元件。 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院393.2.2 电容式传感器定义：电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。 原理：忽略边缘效应，一平板电容器的电容可表达为：式中A极板面积（m2）；0真空介电常数,0=8.8510-1 2(F/m); 极板间介质的介电常数，当介质为空气时=1； 两极板间距离（m）。 FAC0(3.37) 分类：面积变化型、介质变化型和

29、间隙变化型。+ + + A *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院40一、间隙变化型 这种类型的传感器常常固定一块极板（图中极板2）而使另一块极板移动（图中极板1），从而来改变间隙以引起电容的变化。设间隙有一改变量，则(3.37)改写为 将上式按泰勒级数展开为： AC01(3.38) 20200111AAAC(3.39)图3.42 变间隙式电容传感器 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院41当为小值时，在C/C与/之间可近似为一线性关系。如当/ =0.1时，按（3.39）式计算所得的线性偏差为10%，而当/ =0.01时，该偏差降至1%，因此对小的间隙变化，式（3.3

30、9）可进一步舍去二次项，从而可得电容变化量电容传感器的灵敏度 实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构。由此可得灵敏度 201ACCC(3.40)20ACs(3.41)20212ACCC(3.42)202ACs(3.42)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院42二、面积变化型 采用改变电容器极板面积是另一种获取电容传感器输出变化的方法。 图3.44 面积变化型电容传感器 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院43电容传感器*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院44图中(b)为通过线性位移改变电容器极板面积的型式。当动电极在x方向有位移x时，极板面积

31、的改变量将是电容的改变量将是 其灵敏度 可见该灵敏度为一常数，因此输入、输出关系为线性。 xbA(3.44)xbC0(3.45)bxCs0(3.46)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院45图中(a)为转角型结构，当改变两极板间的相对转角时，两极板的相对公共面积发生变化。由图可知，该公共覆盖面积 -公共覆盖面积对应的中心角；r-半圆形极板半径。因此当有转角变化时，电容量改变 同样得这种情况下电容器的灵敏度 22rA(3.47)2221rC(3.48)2221rCs(3.49)该灵敏度为一常数，输入与输出仍为线性关系。 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院46图中（c

32、）为圆柱体线位移型结构，其中圆周为固定，圆柱在其中移动。利用高斯积分可得该电容器的电容量式中D圆周内径；d圆柱外径。两者覆盖长度x的变化为x时，电容变化量 其灵敏度 dDCln20(3.50)xdDCln20(3.51)dDxCsln20(3.52)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院47也可将变面积型传感器做成差动型的。图3.46 中间电极移动式电容传感器（a）板式 （b）柱式 （c）柱式差动型 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院48三、介质变化型 介质变化型传感器的分类n极板上覆盖有介质；n介质可移动。图3.47 介质变化型传感器（a）极板上覆盖有介质 （b）

33、介质可移动 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院49 极板上覆盖有介质如图所示，该电容器具有两不同的电介质，其介电常数分别为r1和r2，其介质厚度分别为a1和a2，且a1+a2=a0。整个装置可视为由两电容器串联而成，其总电容量C由两电容器的电容C1和C2所确定，由此得 22110211111rraaACCC(3.53)极板上覆盖有介质22110rraaAC(3.54)为分析简单起见，设介质1为空气，即r1=1，则(3.54)式变为： 222002210rraaaAaaAC(3.55)此方法可用来对不同材料如纸、塑料膜、合成纤维等的厚度进行测定。 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工

34、程学院机械工程学院50 介质可移动 这种结构相当于将两电容器作并联。此时的总电容由两部分组成：电容C1(介电常数r1，极板面积b0(l0-l)和电容C2(介电常数r2，极板面积b0l)。由此得：设介质1为空气，因此r1 =1，又设介质全部为空气的电容器的电容为C0，则C0=0b0l0/a0。由于介质2的插入所引起的电容C的相对变化C/C0则正比于插入深度l： lllabalballbCCCrrrr10100000200001021(3.56)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院51这一原理常用于对非导电液体和松散物料的液位或堆积高度的测量。 lllllllCCCCCrr02020

35、000011(3.57)图3.48 测量非导电液或松散物料填充高度的电容传感器 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院52电容式传感器所测出的电容及电容变化量均很小，因此必须后接适当的放大电路将它们转换成电压、电流或频率等输出量。 运算放大器电路 将公式（3.37）代入上式可得 式中ei信号源电压；eo运放输出电压；co固定电容；cx传感器等效电容。xiCCee00(3.58)ACeeio00(3.59)图3.50 运算放大器式电路 v输出电压eo与电容传感器间隙成正比关系。 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院53 电桥测量电路 根据电桥平衡公式有：其中实部有：上式

36、可通过调节可调电阻R1来满足，对虚部则有：同样可通过调节可调电容器C1来实现。当电容传感器C2有变化时，则电桥相应地有输出。 111113222211RCjRCjRRCjRCjR242141132132CRRRjRRCRRRjRR1342RRRR1342CRRC(3.60)(3.61)(3.62)(3.63)图3.51 文氏式电容测量电桥 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院54 调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率f为：式中L振荡回路电感。 当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化。其输出经限幅、鉴频和放大后变成电压输出。 LCf21(3

37、.66)图3.53 调频电路工作原理 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院55电容传感器的最大缺点：易受连接电缆线形成的寄生电容的影响。 消除寄生电容的方法：n将后续电路的前级放置在紧靠电容传感器的地方，以尽量减少电缆长度及位置变化带来的影响。 n采用等电位传输（亦称驱动电缆）技术 。 图3.54 驱动电缆工作原理 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院5656 电容式传感器的应用电容式传感器的应用振动测量振动测量 旋转轴的偏心量的测量旋转轴的偏心量的测量 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院573.2.3 电感式传感器定义：利用电磁感应原理，将被测的非

38、定义：利用电磁感应原理，将被测的非电量转换成电磁线圈的自感或互感量变电量转换成电磁线圈的自感或互感量变化的一种装量。化的一种装量。分类：分类：n按照转换方式分类：按照转换方式分类：w自感式；自感式；w互感式。互感式。n按照结构方式分类：按照结构方式分类：w变气隙式；变气隙式；w变截面式；变截面式；w螺管式螺管式 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院58一、自感式 1.可变磁阻式可变磁阻式 由电磁感应原理，则在其中产生磁通由电磁感应原理，则在其中产生磁通m，其，其大小与所加电流大小与所加电流i成正比：成正比：式中式中W线圈匝数；线圈匝数； L比例系数，称为自感比例系数，称为自感(H

39、)。 又据磁路欧姆定律有又据磁路欧姆定律有 式中式中Wi磁动势（磁动势（A） Rm磁阻（磁阻（H-1）将上式代入（将上式代入（3.22）得自感）得自感 LiWm(3.22)mimRW(3.23)mRWL2(3.24)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院59 当不考虑磁路的铁损且当气当不考虑磁路的铁损且当气隙隙较小时，则该磁路的总磁阻较小时，则该磁路的总磁阻式中式中 l铁芯的导磁长度铁芯的导磁长度(m);铁芯磁导率铁芯磁导率 (H/m);A铁芯导磁截面铁芯导磁截面积积,A=ab(m2); 气隙宽气隙宽(m);0空气导磁率空气导磁率, 0=410-7(H/m);A0空气隙导磁横截面积

40、空气隙导磁横截面积(m2)忽略第一项情况下可得总磁阻忽略第一项情况下可得总磁阻Rm近似为近似为 图3.15 可变磁阻式传感器基本原理1线圈 2铁芯 3衔铁 002AAlRm(3.25)002ARm(3.26)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院6060 001112AALmR原理原理: :电磁感应电磁感应 W: W:线圈匝数；线圈匝数； L L1 1: :软铁长度；软铁长度； 1 1：软铁磁导率；软铁磁导率； 0 0：空气磁导率：空气磁导率 A A1 1：铁芯导磁截面：铁芯导磁截面 A A0 0：空气导磁截面：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理可变磁阻式传感器基本原理 1 1线

41、圈线圈 2. 2. 铁芯铁芯 3. 3. 衔铁衔铁 mRWL22002AWL *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院61 电感式传感器电感式传感器 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型原理原理: :电磁感应电磁感应*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院6262 2002AWL (1).(1).间隙变化型间隙变化型20 022WAdLLSd间隙变化型可变磁阻式传感器结构间隙变化型可变磁阻式传感器结构 当当0 、A0固定不变，改变固定不变，改变时，时，L与与呈非线形（双曲线）关系，呈非线形（双曲线）关系， L L与与的双曲线关系的双曲线

42、关系 传感器灵敏度：传感器灵敏度： L*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院6363 2002AWL (2).(2).面积变化型面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构面积变化型可变磁阻式传感器结构 当当0 、 固定不变，改变固定不变，改变A0时，时，L与与A0呈线形关系，呈线形关系， 传感器灵敏度传感器灵敏度 2002WdLSdAL L与与A A0 0的线形关系的线形关系=常数常数*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院6464 (3).(3).螺线管型螺线管型 当其它参数不变，仅改变当其它参数不变，仅改变L L1 1，使，使R Rm m变化，从而变化，从而产生电感的变

43、化。产生电感的变化。 001112AALmRmRWL2*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院6565 (4).差动型差动型变间隙型差动变压器变间隙型差动变压器 输出特性输出特性传感器灵敏度传感器灵敏度 LddLS2*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院66图3.16 变磁阻式电感传感器结构形式 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院67 自感式传感器应自感式传感器应用用n图图(a)测量透平轴测量透平轴与其壳体间的轴向与其壳体间的轴向相对伸长；相对伸长；n图图(b)用于确定一用于确定一磁性材料上非磁性磁性材料上非磁性涂覆层的厚度；涂覆层的厚度；n图图(c)测量

44、在一高测量在一高压蒸汽管道中阀的压蒸汽管道中阀的位置。位置。 图3.17 自感式传感器应用例 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院68 2.涡流式涡流式定义：当金属导体置于变化着的磁定义：当金属导体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，在金属场中或者在磁场中运动时，在金属导体内部会产生感应电流，由于这导体内部会产生感应电流，由于这种电流在金属导体内是自身闭合的，种电流在金属导体内是自身闭合的，因此称之为涡电流或涡流。因此称之为涡电流或涡流。 原理：当线圈中通以一交变高频电原理：当线圈中通以一交变高频电流流 时，会引起一交变磁通时，会引起一交变磁通。在靠。在靠近线圈的金属表面内部产

45、生一感应近线圈的金属表面内部产生一感应电流电流i1，该电流，该电流i1即为涡流。根据楞即为涡流。根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁次定律，由该涡电流产生的交变磁通通1将与线圈产生的磁场方向相反，将与线圈产生的磁场方向相反，亦即亦即1将抵抗将抵抗的变化。由于该涡的变化。由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻流磁场的作用，会使线圈的等效阻抗发生变化，其变化的程度除了与抗发生变化，其变化的程度除了与两者间的距离两者间的距离有关外，还与金属导有关外，还与金属导体的电阻率体的电阻率、磁导率、磁导率以及线圈的以及线圈的激磁电流原频率激磁电流原频率等有关。等有关。 图3.18 涡流式传感器原理 *学学大大

46、筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院69 电涡流传感器与被测物电涡流传感器与被测物体的等效电路体的等效电路 ：图中金属导体被抽象图中金属导体被抽象为一短路线圈，它与传感为一短路线圈，它与传感器线圈磁性耦合，两者之器线圈磁性耦合，两者之间定义一互感系数间定义一互感系数M，表，表示耦合程度，它随间距示耦合程度，它随间距的增大而减小。的增大而减小。 电涡流传感器分类：电涡流传感器分类：n高频反射式；高频反射式；n低频透射式。低频透射式。 用途：用途：测量位移测量位移、振动等、振动等物理量。物理量。 图3.19 电涡流传感器与被测物体的等效电路 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院7

47、0低频透射式涡流传感器：多用于低频透射式涡流传感器：多用于测量材料的厚度测量材料的厚度 70 低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 e e2 2随材料厚度增加变化的规律随材料厚度增加变化的规律 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院71涡流传感器的测量电路一般有阻抗分压式调涡流传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路。幅电路及调频电路。 图3.21 涡流测振仪分压调幅电路 图3.23 调频电路工作原理 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院72涡流式电感传感器的应用：图3.24 电涡流式传感器应用例 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院73

48、电感式传感器电感式传感器*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院74实例：无损探伤实例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测 电感式传感器电感式传感器*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院75n用来测量位移和角度：用来测量位移和角度：w当图中的短路环相对于线圈当图中的短路环相对于线圈1移动或转动时，由于移动或转动时，由于产生的涡流作用，将影响磁通量的变化，该变化的产生的涡流作用，将影响磁通量的变化，该变化的量则正比于所移动的距离或转动的角度。量则正比于所移动的距离或转动的角度。 图3.25 涡流传感器测量 （a）位移； （b）角度1

49、线圈； 2运动短路环 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院76n 测量磁性材料或介质测量磁性材料或介质（液体或气体）的温度：（液体或气体）的温度：w原理：导体的电阻率随温度原理：导体的电阻率随温度变化而变化：变化而变化：1温度为温度为t1时导体的电阻时导体的电阻率；率；0温度为温度为t0时导体的电阻率；时导体的电阻率；导体的电阻温度系数。导体的电阻温度系数。当导体的电阻率随温度发生当导体的电阻率随温度发生变化时，涡流传感器的输出变化时，涡流传感器的输出亦将发生变化，其变化量正亦将发生变化，其变化量正比于温度变化值。比于温度变化值。 )(1 0101tt (3.36)图3.26 电

50、涡流温度计结构示意图 图3.27 磁性及非磁性材料的温度特性 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院7777 3. 变压器式变压器式-差动变压器差动变压器工作原理工作原理:互感现象互感现象.*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院7878 应用应用: : 厚度厚度, ,角度角度, ,表面粗糙度表面粗糙度; ;拉伸拉伸, ,压缩压缩, ,垂直度垂直度; ; 压力压力, ,流量流量, ,液位液位; ;张力张力, ,重力重力, ,负荷量负荷量; ;扭矩扭矩, , 应力应力, ,动力动力; ;气压气压, ,温度温度; ;振动振动, ,速度速度, ,加速度加速度; ;等等. .案例

51、：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院793.3 发电式传感器 3.3.1压电传感器：发电型传感器。它利用某些材料的压电效应，这些材料在受到外力的作用时，在材料的某些表面上产生电荷。一、压电效应压电效应(piezoelectric effect)：n某些材料当它们承受机械应变作用时，其内部会产生极化作用，从而会在材料的相应表面产生电荷；或者反过来当它们承受电场作用时会改变其几何尺寸。 分类：n单晶压电晶体，如石英、硫酸锂、磷酸二氢铵等； n多晶压电陶瓷，如极化的铁电陶瓷（钛酸钡）、锆钛酸铅等； n某些高分子压电薄膜。 *

52、学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院80石英晶体是常用的压电材料之一。其中纵轴ZZ称为光轴， XX轴称为电轴，而垂直于XX轴和ZZ轴的YY轴称为机轴。沿电轴XX方向作用的力所产生的压电效应称为纵向压电效应，而将沿机轴YY方向作用的力所产生的压电效应称为横向压电效应。当沿光轴ZZ方向作用有力时则并不产生压电效应。80 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院81 主要的压电效应：n横向效应；n纵向效应；n剪切效应。晶片在电轴XX方向上受到压应力xx作用 切片在厚度上产生变形并由此引起极化现象，极化强度Pxx与应力xx成正比，即式中Fx沿晶轴XX方向施加的压力；d11压电系数

53、，石英晶体的d11=2.310-12CN-1；l切片的长；b切片的宽。 lbFddPxxxxx1111(3.70)图3.57 压电效应作用方向图 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院8282 压电效应压电效应式中，式中，q为电荷为电荷量量；D为为压电常数，与材质及切片压电常数，与材质及切片方向有关；方向有关；F为作用力。为作用力。 q=DF*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院83 压电体受到多方面的力作用：n纵向和横向效应可能都会出现。图3.58 石英晶体压电效应（a）纵向效应 （b）横向效应 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院84 铁电陶瓷n铁电陶

54、瓷是另一类人工合成的多晶体压电材料，它们的极化过程与单晶体的石英材料不同。这种材料具有电畴结构形式，其分子形式呈双极型，具有一定的极化方向。n钛酸钡陶瓷未受外加电场极化时：钛酸钡晶体单元在120C以下时形状呈立方体。在无外电场作用时，各电畴的极化效应相互被抵消，因此材料并不显示压电效应。 图3.59 钛酸钡压电陶瓷电畴结构（a）未极化（b）已极化 钛酸钡材料置于强电场中：电畴极化方向趋向于按该外加电场的方向排列，材料得到极化。撤去外电场之后，陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化程度，束缚住晶体表面产生的自由电荷。在外力作用下，剩余极化强度因电畴界限的进一步移动而引起变化，从而使晶体表面上的部分自

55、由电荷被释放，形成压电效应。*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院85二、压电传感器工作原理及测量电路 压电传感器可视为一个电荷发生器，也是一个电容器，其形成的电容量 图3.60 压电晶片及等效电路（a）压电晶片 （b）并联 （c）串联 （d）等效电荷源 Ac0*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院86 压电传感器可被视为一个电荷源：n等效电路中电容器上的开路电压ea、电容量q以及电容Ca三者间的关系有 压电传感器可被视为一个电压源。aaCqe (3.76)图3.61 压电传感器的等效电路（a）电荷源 （b）电压源 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院87

56、 压电传感器实际的等效电路 若将压电传感器接入测量电路，则必须考虑电缆电容CC、后续电路的输入阻抗Ri、输入电容Ci、以及压电传感器的漏电阻Ra，此时压电传感器的等效电路如图3.62所示。 图3.62 压电传感器实际的等效电路（a）电荷源 （b）电压源 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院88三、压电传感器的应用 压电加速度传感器 地震式（绝对）位移传感器图3.66 惯性式传感器（a）线位移式 （b）旋转式 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院89压电加速度传感器的分类：n压缩式；剪切式。 图3.70 压电加速度传感器设计类型（a）周边压缩式 （b）中心压缩式 （c

57、）倒置式中心压缩式 （d）剪切式 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院90 压缩式结构的原理：n其压电变换部分由两片压电晶片并联而成。惯性质量借助于顶压弹簧紧压在晶片上，惯性接收部分将被测的加速度接收为质量m相对于底座的相对振动位移x0，晶片受到动压力p=kx0 ，然后由压电效应转换为作用在晶片极面上的电荷q。周边压缩式结构的特点：n简单且牢固，具有很好的质量/灵敏度比 ；n极易敏感温度、噪音、甚至弯曲等造成的虚假输入 。中心压缩式结构：n降低周边压缩式结构对虚假输入的响应 ；n减少结构对基座弯曲应变的灵敏度。 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院91 剪切式结构：

58、典型的剪切式结构：三角剪切式 原理：由三片晶体片和三块惯性质量组成，借助于预紧弹簧箍在三角形的中心柱上。当传感器接收轴向振动加速度时，每一晶体片侧面受到惯性质量作用的剪切力。所产生的电荷量为q，rkxdpdq1515(3.97)图3.71 晶体片受剪切力的压电效应 式中xr质量块的相对振动位移；k由晶体片剪切弹性力提供的当量弹簧刚度系数。*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院92三角剪切式的优点：n在较长时间内保持传感器特性的稳定，有更宽的动态范围和更好的线性度。 n对底座的弯曲变形不敏感。 图3.72 三角剪切式（b）与中心压缩式（c）对底座弯曲变形敏感的对比 *学学大大筑筑建建

59、阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院93逆压电效应 n当施加电压时，会使压电片产生伸缩从而导致压电片几何尺寸的改变。 n应用：w压电致动器：例如施加一高频交变电压，则可将压电体作成一振动源，利用这一原理可制造高频振动台、超声发生器、扬声器、高频开关等。w精密微位移装置 ：用于制成录像带头定位器、点阵式打印机头、继电器、以及电风扇等 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院943.3.2 磁电式传感器概念：一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，亦称电磁感应式或电动力式传感器。 由电磁感应定律可知，当穿过一个线圈的磁通发生变化时，线圈中所感应产生的电动势分类：n动圈式；n动磁铁式；n磁阻式

60、。 dtdWe(3.101)*学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院95一、动圈式传感器 图3.75 动圈式传感器（a）线位移式 （b）角位移式 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院9696 动圈式传感器动圈式传感器 kNBAeNBlvesinl:l:每匝线圈的平均长度；每匝线圈的平均长度；B:B:线圈所在磁场的磁感应强度；线圈所在磁场的磁感应强度； A:A:每匝线圈的截面积；每匝线圈的截面积； :线圈运动方向与磁场方向的夹角；线圈运动方向与磁场方向的夹角； k:k:传感器的结构系数。传感器的结构系数。 *学学大大筑筑建建阳阳沈沈机械工程学院机械工程学院97由线位移式装