常见非电参数的检测方法

1、传感技术与电子测量传感技术与电子测量主讲教师：赵珂主讲教师：赵珂第第9 9章章 常见非电参数的检测方法常见非电参数的检测方法9.1 9.1 力的测量力的测量9.2 9.2 位移、物位和厚度的测量位移、物位和厚度的测量9.3 9.3 速度、加速度与振动的测量速度、加速度与振动的测量9.4 9.4 转速的测量转速的测量9.5 9.5 成分量的测量成分量的测量9.1 9.1 力的测量力的测量9.1.1 9.1.1 力的测量原理力的测量原理 力是物质之间的一种相互作用。力是物质之间的一种相互作用。 对力的测量是通过观测物体受力作用后，形状、对力的测量是通过观测物体受力作用后，形状、运动状态或所具有能量

2、的变化来实现的。运动状态或所具有能量的变化来实现的。 在国际法定计量单位制中规定：使在国际法定计量单位制中规定：使1kg1kg质量的物质量的物体产生加速度的力称为体产生加速度的力称为1 1牛顿，记为牛顿，记为1N1N，作为力的计，作为力的计量单位。量单位。 力值测量所依据的原理是力值测量所依据的原理是力的静力效应和动力效力的静力效应和动力效应应。力的静力效应力的静力效应：指弹性物体受力作用后产生相应变：指弹性物体受力作用后产生相应变 形的物理现象。形的物理现象。力的动力效应力的动力效应：指具有一定质量的物体受到力的作：指具有一定质量的物体受到力的作 用时，其动量将发生变化，从而产用时，其动量将

3、发生变化，从而产 生相应加速度的物理现象。生相应加速度的物理现象。 只需测出物体的加速度，就可间接测得力值。只需测出物体的加速度，就可间接测得力值。即利用即利用动力效应测力的特点是通过测量力传感器中动力效应测力的特点是通过测量力传感器中质量块的加速度而间接获得力值质量块的加速度而间接获得力值。 综上所述，综上所述，测力传感器可以是位移型、加速度测力传感器可以是位移型、加速度型或物性型。型或物性型。 按工作原理则可以分为：弹性式、电阻应变式、按工作原理则可以分为：弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压磁式等。电感式、电容式、压电式、压磁式等。 下面着重介绍几种常用的测力传感器。下面着重介

4、绍几种常用的测力传感器。 1 1）应变片式力传感器）应变片式力传感器 电阻应变片的工作原理是电阻应变片的工作原理是电阻应变效应，即导体的电阻应变效应，即导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象电阻随着机械变形而发生变化的现象。金属导线的电阻。金属导线的电阻可用表示为可用表示为SLR式中：式中： 电阻率（ ）； S截面积（ ）； L金属丝的长度（m）。mcm /22cm 当受外力作用时，金属的长度和截面积都要发生变化，当受外力作用时，金属的长度和截面积都要发生变化，从而改变了其电阻值。当受外力伸长时，长度增加，截面从而改变了其电阻值。当受外力伸长时，长度增加，截面积减小，电阻值增大；当受压力缩短时

5、，长度减小，截面积减小，电阻值增大；当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要能测出电阻的变化，便积增大，电阻值减小。因此，只要能测出电阻的变化，便可得知金属丝的应变情况。其转换关系为：可得知金属丝的应变情况。其转换关系为： （2 2）弹性变形式的力传感器）弹性变形式的力传感器0KRR式中：式中：R 金属丝电阻的变化量；金属丝电阻的变化量；0K金属材料的应变灵敏系统。其值主要金属材料的应变灵敏系统。其值主要 由试验方法确定，在弹性极限内，由试验方法确定，在弹性极限内， 其值为常值。对于金属丝，值在其值为常值。对于金属丝，值在26 26 之间。之间。 轴向应变值（长度应变值），

6、轴向应变值（长度应变值），LL对于金属丝其值为对于金属丝其值为0.240.40.240.4之间。之间。 在实际应用中，将在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测零件的表面性元件或被测零件的表面。图。图9.29.2是一种用于测量压缩是一种用于测量压缩力的应变片式测力头的典型构造。力的应变片式测力头的典型构造。 图图9.29.2的应变片式测力头。的应变片式测力头。受力弹性元件是一个由圆柱加受力弹性元件是一个由圆柱加工成的方柱体，应变片粘贴在工成的方柱体，应变片粘贴在四侧面上。在不减小柱体的稳四侧面上。在不减小柱体的稳定性和应变片粘贴面积的情况定性和应变片

7、粘贴面积的情况下，为了提高灵敏度，可采用下，为了提高灵敏度，可采用内圆外方的空心柱。内圆外方的空心柱。 电阻应变片用于力测量时，需要和电桥一起使用电阻应变片用于力测量时，需要和电桥一起使用。应变片电桥电路应变片电桥电路一般都采用交流电源供电，组成一般都采用交流电源供电，组成交交流电桥流电桥。根据读数方法的不同，电桥又分为平衡电。根据读数方法的不同，电桥又分为平衡电桥和不平衡电桥两种。前者仅适用于静态参数测桥和不平衡电桥两种。前者仅适用于静态参数测量，而后者可用于动态参数的测量。但这两种电桥量，而后者可用于动态参数的测量。但这两种电桥的工作原理相似，故下面仅介绍直流不平衡电桥。的工作原理相似，故

8、下面仅介绍直流不平衡电桥。 图图9.29.2（b b）是输出端接放大器的直流不平衡电桥）是输出端接放大器的直流不平衡电桥的电路。的电路。第一桥臂接电阻应变片第一桥臂接电阻应变片 ，其它三个桥臂，其它三个桥臂接固定电阻。接固定电阻。当应变片当应变片 未受力时，由于没有阻值未受力时，由于没有阻值变化，电桥维持初始平衡条件变化，电桥维持初始平衡条件1R1R3241RRRR ，因而输出电压为零，即因而输出电压为零，即 03241 RRRRUUOUT当应变片承受应力时，应变片产生当应变片承受应力时，应变片产生 的变化，电桥的变化，电桥处于不平衡状态，此时处于不平衡状态，此时1RURRRRRRRRRRUU

9、UUDBCBCDOUT341211341111假设假设12RRn ，考虑电桥初始平衡条件及省略分母中的微量考虑电桥初始平衡条件及省略分母中的微量11RR ，则上式可写为则上式可写为 1121RRnnUUOUT 1R 从式中可以看出从式中可以看出输出电压正比于应变片受应变产生输出电压正比于应变片受应变产生的电阻变化值的电阻变化值 。在实际的应用中，可根据情况。在实际的应用中，可根据情况在电桥电路中使用在电桥电路中使用单应变片法，双应变片法和四应单应变片法，双应变片法和四应变片法变片法。图图9.29.2（c c）就是四应变片法（全桥接法），能消除弯）就是四应变片法（全桥接法），能消除弯矩的影响，也

10、有温度补偿的功能。对于精确度要求特矩的影响，也有温度补偿的功能。对于精确度要求特别高的力传感器，可在电桥某一臂上串接一个温度敏别高的力传感器，可在电桥某一臂上串接一个温度敏感电阻感电阻Rg Rg ，以补偿因应变片电阻温度系数的微小差，以补偿因应变片电阻温度系数的微小差异，用另一温度敏感电阻异，用另一温度敏感电阻Rm Rm 和电桥串联，改变电桥和电桥串联，改变电桥的激励电压，以补偿弹性元件弹性模量随温度而变化的激励电压，以补偿弹性元件弹性模量随温度而变化的影响。这两个电阻都应装在力传感器内部，以保的影响。这两个电阻都应装在力传感器内部，以保和应变片处于相同的温度环境。和应变片处于相同的温度环境。

11、 图图9.39.3是测量拉压力的传感器的典型弹性元件。是测量拉压力的传感器的典型弹性元件。为了获得较大的灵敏度，采用梁式结构。为了获得较大的灵敏度，采用梁式结构。图图9.3 9.3 贴应变片梁式力传感器贴应变片梁式力传感器2 2）差动变压器式力传感器）差动变压器式力传感器 事实上，大多数位移传感事实上，大多数位移传感器只要在结构上作点变化，就器只要在结构上作点变化，就可改为测力传感器。如差动变可改为测力传感器。如差动变压器式、电容式、电感式等等。压器式、电容式、电感式等等。图图4.44.4所示即为差动变压器式所示即为差动变压器式测力传感器的结构示意图。测力传感器的结构示意图。图图9.4 9.4

12、 差动变压器式测力传感器差动变压器式测力传感器11弹性元件弹性元件 22铁心铁心 33球面垫球面垫 44感应线圈感应线圈 55线圈座线圈座 3 3）压磁式测力传感器）压磁式测力传感器 某些铁磁材料（如正磁致伸缩材料）受机械力某些铁磁材料（如正磁致伸缩材料）受机械力F F作用后，其内部产生机械力，从而引起其磁导率（或作用后，其内部产生机械力，从而引起其磁导率（或磁阻）发生变化，这种物理现象称为磁阻）发生变化，这种物理现象称为“压磁效应压磁效应”。压磁元件受力作用后，磁弹性体的磁阻（或磁导率）压磁元件受力作用后，磁弹性体的磁阻（或磁导率）发生与作用力成正比的变化，测出磁阻变化即间接测发生与作用力成

13、正比的变化，测出磁阻变化即间接测定了力值。定了力值。 压磁元件的结构和工作原理如图压磁元件的结构和工作原理如图4.54.5所示。所示。图图9.5 9.5 压磁元件及其工作原理图压磁元件及其工作原理图（a a）结构示意）结构示意 （b b）无外力作用时）无外力作用时 （c c）有外力作用时）有外力作用时4 4）压电式测力传感器）压电式测力传感器 压电式测力传感器的工作原理和压电式加速度传感压电式测力传感器的工作原理和压电式加速度传感器类同，主要是器类同，主要是利用某些具有压电效应的材料利用某些具有压电效应的材料如石英、如石英、钛酸钡等，钛酸钡等，当受到外力作用发生变形时，其内部将发生当受到外力作

14、用发生变形时，其内部将发生极化，从而在其表面上有电荷出现，形成电场。当外力极化，从而在其表面上有电荷出现，形成电场。当外力去掉时，这些物质又重新回复到原来的不带电状态去掉时，这些物质又重新回复到原来的不带电状态。这。这种现象称为正压电效应。种现象称为正压电效应。 压电式测力传感器已成为动态力测量中的十分重要压电式测力传感器已成为动态力测量中的十分重要的手段。选择不同切型的压电晶片按照一定的规律组合，的手段。选择不同切型的压电晶片按照一定的规律组合，则可构成各种类型的测力传感器。使用较多的是测正向则可构成各种类型的测力传感器。使用较多的是测正向力的型切片和测切向力的型切片。力的型切片和测切向力的

15、型切片。 拉、压型单向测力传感器拉、压型单向测力传感器 根据垂直于电轴的型根据垂直于电轴的型切片便可制成拉（压）型单向测力传感器，其结构切片便可制成拉（压）型单向测力传感器，其结构如图如图4.74.7所示。所示。图9.7 单向压电式测力传感器1壳体 2弹性垫 3压电晶体 4电极 5绝缘套 6引出导线 双向测力传感器双向测力传感器 如采用两对不同切型（如采用两对不同切型（ 型型和和 型）的石英晶片组成传感器元件，即可构成双型）的石英晶片组成传感器元件，即可构成双向测力传感器（如图向测力传感器（如图9.89.8）。）。 三向测力传感器三向测力传感器 图图4.94.9所示为压电式三向测所示为压电式三

16、向测力传感器元件组合方式的示意图，其结构与双向式类力传感器元件组合方式的示意图，其结构与双向式类同。它的传感元件由三对不同切型的压电石英晶片组同。它的传感元件由三对不同切型的压电石英晶片组成。成。0X0Y 图9.8 双向压电式测力传感器 图9.9 用于三向测力的传感元件组合图4.2 4.2 位移、物位和厚度的测量位移、物位和厚度的测量 位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，为一个向量，包括线位移和角位移。位移测量一般在为一个向量，包括线位移和角位移。位移测量一般在位移方向上测量物体的绝对位置或相对位置的变动量。位移方向上测量物体的绝对位置或相对

17、位置的变动量。位移测量包括线位移和角位移的测量。位移测量包括线位移和角位移的测量。 位移测量在工程中应用很广。其中，一类是直接位移测量在工程中应用很广。其中，一类是直接检测物体的移动量或转动量，另一类是通过位移测量，检测物体的移动量或转动量，另一类是通过位移测量，特别是微位移的测量来反映其他物理量的大小，如力、特别是微位移的测量来反映其他物理量的大小，如力、压力、扭矩、应变、速度、加速度、温度等。此外，压力、扭矩、应变、速度、加速度、温度等。此外，物位、厚度、距离等长度参数也可以通过位移测量的物位、厚度、距离等长度参数也可以通过位移测量的方法来获取，所以位移测量也是非电量电测技术的基方法来获取

18、，所以位移测量也是非电量电测技术的基础。础。9.2.1 9.2.1 位移测量位移测量 在工程应用中，一般将位移测量分为模拟式测量和在工程应用中，一般将位移测量分为模拟式测量和数字式测量两大类。数字式测量两大类。 在模拟式测量中，需要采用能将位移量转换为电在模拟式测量中，需要采用能将位移量转换为电量的传感器。常见的有：电阻式传感器量的传感器。常见的有：电阻式传感器( (电位器式和电位器式和应变式应变式) )、电感式传感器、电感式传感器( (差动电感式和差动变压器差动电感式和差动变压器式式) )、电容式传感器、电容式传感器( (变极距式、变面积式和变介质变极距式、变面积式和变介质式式) )、电涡流

19、式传感器、光电式传感器及光导纤维传、电涡流式传感器、光电式传感器及光导纤维传感器、超声波传感器、激光及辐射式传感器、薄膜传感器、超声波传感器、激光及辐射式传感器、薄膜传感器等。将上述传感器与相应的测量电路结合在一起，感器等。将上述传感器与相应的测量电路结合在一起，即组成工程中常用的测量仪器和仪表，如电阻式位移即组成工程中常用的测量仪器和仪表，如电阻式位移计、电感测微仪、电容测微仪、电涡流测微仪、光电计、电感测微仪、电容测微仪、电涡流测微仪、光电角度检测器、电容液位计等。角度检测器、电容液位计等。常用位移传感器有：常用位移传感器有： 小位移通常采用应变式、电感式、差动变压器式、小位移通常采用应变

20、式、电感式、差动变压器式、电容式、霍尔式等传感器，测量精度可以达到电容式、霍尔式等传感器，测量精度可以达到0.5%0.5%1.0%1.0%，其中电感式和差动变压器式传感器的测量范围，其中电感式和差动变压器式传感器的测量范围要大一些，有些可达要大一些，有些可达100mm100mm。 大位移的测量则常采用感应同步器、计量光栅、大位移的测量则常采用感应同步器、计量光栅、磁栅、编码器等传感器。磁栅、编码器等传感器。 此外，根据传感器原理和使用方法的不同，位此外，根据传感器原理和使用方法的不同，位移测量可分为接触式测量和非接触式测量两种方式。移测量可分为接触式测量和非接触式测量两种方式。根据作用机理的不

21、同还可分为主动式测量和被动式根据作用机理的不同还可分为主动式测量和被动式测量等方式。测量等方式。（1 1）电阻式位移测量仪及其电路）电阻式位移测量仪及其电路图图9.299.29所示为电阻式位移测量电路图，该电路是由测所示为电阻式位移测量电路图，该电路是由测量电桥、差动放大器及量电桥、差动放大器及A/DA/D转换器组成。转换器组成。 （2 2）轴承间隔）轴承间隔 检测电路检测电路图图9.309.30所示为轴所示为轴承间隙检测电路。承间隙检测电路。该电路使用该电路使用SF5520SF5520专用芯片专用芯片配合差动变压器配合差动变压器组成位置检测电组成位置检测电路。路。 （3 3）差动变压器测）差

22、动变压器测 位移电路位移电路图图9.319.31所示为差动变所示为差动变压器的检测电路，其压器的检测电路，其中中LVDTLVDT为差动变压为差动变压器。器。 （4 4）测量角位移电路）测量角位移电路图图9.329.32所示为将角速度传感器用于测量角位移的电所示为将角速度传感器用于测量角位移的电路。该电路主要用于飞机、导弹、船舶、汽车、工路。该电路主要用于飞机、导弹、船舶、汽车、工业机器人等运动体的姿态控制和稳定控制。业机器人等运动体的姿态控制和稳定控制。 9.2.2 9.2.2 物位测量物位测量 物位物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低、是指各种容器设备中液体介质液面的高低、两种不相溶的液

23、体介质的分解面的高低和固体粉末状两种不相溶的液体介质的分解面的高低和固体粉末状物料的堆积高度等的总称。物料的堆积高度等的总称。 根据具体用途可以使用液位、料位、界位等传感根据具体用途可以使用液位、料位、界位等传感器。物位测量的目的主要是按生产工艺要求等监视、器。物位测量的目的主要是按生产工艺要求等监视、控制被测物位的变化。控制被测物位的变化。物位测量结果常用绝对长度单物位测量结果常用绝对长度单位或百分数表示位或百分数表示。要求物位测量装置或系统应具有对。要求物位测量装置或系统应具有对物位进行测量、记录、报警或发出控制信号等功能。物位进行测量、记录、报警或发出控制信号等功能。 （1 1）物位传感

24、器）物位传感器（2 2）物位测量）物位测量 工程应用中物位的情况是比较复杂的，必须根据设工程应用中物位的情况是比较复杂的，必须根据设计要求，结合现场条件选择适用的测量方法和传感器，计要求，结合现场条件选择适用的测量方法和传感器，在机械电气装置结构设计、信息处理与读取方式、测在机械电气装置结构设计、信息处理与读取方式、测量误差分析等方面进行系统的考虑。下面仅对几个常量误差分析等方面进行系统的考虑。下面仅对几个常见的物位测量实例加以介绍。见的物位测量实例加以介绍。1 1）浮力式液位传感器）浮力式液位传感器 浮力式液位传感器是利用液体浮力来测量液位的。浮力式液位传感器是利用液体浮力来测量液位的。根据

25、测量原理，分为恒浮力式和变浮力式两大类型。根据测量原理，分为恒浮力式和变浮力式两大类型。图9.33 浮力式液位测量 最原始的浮力式液位最原始的浮力式液位传感器是将一个浮子置传感器是将一个浮子置于液体中，它受到浮力于液体中，它受到浮力的作用漂浮在液面上，的作用漂浮在液面上，当液面变化时，浮子随当液面变化时，浮子随之同步移动，其位置就之同步移动，其位置就反映了液面的高低。水反映了液面的高低。水塔里的水位常用这种方塔里的水位常用这种方法指示，图法指示，图9.339.33是水塔是水塔水位测量示意图。水位测量示意图。图9.34 自动跟踪浮子式液位测量1卷线鼓轮 2绳索 3支承 4滑轮 5浮子 6杠杆7铁

26、芯 8平衡弹簧 9放大器 10可逆电机 11变速机构12显示器 13自整角发送器 14自整角接收器 15显示器 图图9.349.34为自动跟踪浮子式液位计为自动跟踪浮子式液位计2 2）超声波物位传感器）超声波物位传感器 超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。以

27、对物位进行测量。 根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器，而双换能器的传感器发射超声波均使用一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器来完成。图和接收各由一个换能器来完成。图9.359.35为几种超声物为几种超声物位传感器的结构示意图。位传感器的结构示意图。 超声波发射和接收换能器可以设置在液体中，这超声波发射和接收换能器可以设置在液体中，这样，超声波将在液体中传播。对于单换能器，如样，超声波将在液体中传播。对于单换能器，如

28、图图9.359.35中左边两种结构，若超声波从发射到液面，中左边两种结构，若超声波从发射到液面，又从液面反射到换能器的时间为又从液面反射到换能器的时间为t t，则换能器距，则换能器距液面的距离液面的距离h h为：为：2vth 图9.37 超声波物位传感器结构示意图 对于双换能器，如图对于双换能器，如图9.359.35中右边两种结构，若超声中右边两种结构，若超声波发射点到换能器的距离为波发射点到换能器的距离为s s，则从发射到被接收经过，则从发射到被接收经过的路程为的路程为2 2s s，设两个换能器之间的距离为，设两个换能器之间的距离为2 2a a，那么可以，那么可以推算出液位高度为：推算出液位

29、高度为：22ash 从以上两式可以看出，只要测得超声波脉冲从发从以上两式可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间，便可以求得待测的物位。射到接收的间隔时间，便可以求得待测的物位。 3 3）电容式液位传感器）电容式液位传感器 图图9.369.36所示为飞机上使用的一种油量表。它采所示为飞机上使用的一种油量表。它采用了自动平衡电桥电路，由油箱液位电容式传感器用了自动平衡电桥电路，由油箱液位电容式传感器装置、交流放大器、两相伺服电机、减速器和指针装置、交流放大器、两相伺服电机、减速器和指针等部件组成。等部件组成。 （3 3）物位传感器的应）物位传感器的应用用1 1）高性能水位控制器）高性能

30、水位控制器 图图9.379.37所示为高性所示为高性能水位控制器电路图，能水位控制器电路图，它采用导电式水位传它采用导电式水位传感器探测水位，控制感器探测水位，控制电路由液面专用检测电路由液面专用检测电路电路SL2429ASL2429A及时基电及时基电路路555555等组成。等组成。 2 2）水位遥测仪）水位遥测仪图图9.389.38为水位遥测仪的电路图，它是由发射和接收为水位遥测仪的电路图，它是由发射和接收显示两部分组成。显示两部分组成。 9.4 9.4 转速的测量转速的测量 测量转速的仪表统称为转速仪。转速仪的种类测量转速的仪表统称为转速仪。转速仪的种类繁多，按测量原理可分为模拟法、计数法

31、和同步法；繁多，按测量原理可分为模拟法、计数法和同步法；按变换方式又可分为机械式、电气式、光电式和频按变换方式又可分为机械式、电气式、光电式和频闪式等。转速的测量方法及其特点如表闪式等。转速的测量方法及其特点如表9.89.8所示。所示。下面介绍几种常用的转速测量方法。下面介绍几种常用的转速测量方法。表9.8 转速的测量方法及特点min/r型 式转速表测 量 方 法应用范围准确度（%）特 点模 拟 型机械式离心式利用重块的离心力与转速的平方成正比；利用容器中的离心力产生的压力或液面变化。3024000中、低速122简单、价廉、应用较广，但准确度较低粘液式利用旋转体粘液中旋转时传递的扭矩变化测速中

32、、低速2简单，但易受温度的影响电气式发电机式利用直流或交流发电机的电压与转速成正比关系1000012可远距离指示，应用广。易受温度影响电容式利用电容充放电回路产生与转速成正比例的电流中、高速2简单、可远距离指示电涡流式利用旋转盘在磁场内使电涡流产生变化测转速中、高速1简单、价廉多用于机动车计数型机械式齿轮式钟表式通过齿轮转动数字轮；通过齿轮转动加入计时器。中、低速1000010.5简单、价低，与秒表并用光电式光电式利用来自旋转体上光线，使光电管产生电脉冲中、高速304800012简单、没有扭矩损失电气式电磁式利用磁、电等转换器将转速变化转换成电脉冲中、高速0.52简单、数字传输同步型机械式目测

33、式转动带槽圆盘，目测与旋转体同步的转速中、高速1简单、价廉频闪式闪光式利用频闪光测旋转体频率中、高速0.52简单、可远距、数字测量9.4.1 9.4.1 常用转速传感器常用转速传感器 （1 1）磁电式转速传感器）磁电式转速传感器 磁电式转速传感器的结构原理如图磁电式转速传感器的结构原理如图9.729.72所示。在永久磁所示。在永久磁铁组成的磁路中，若改变磁阻（如空气隙）的大小，则磁通量铁组成的磁路中，若改变磁阻（如空气隙）的大小，则磁通量随之改变。磁路通过感应线圈，当磁通量发生突变时，感应出随之改变。磁路通过感应线圈，当磁通量发生突变时，感应出一定幅度的脉冲电势，该脉冲电势的频率等于磁阻变化的

34、频率。一定幅度的脉冲电势，该脉冲电势的频率等于磁阻变化的频率。为了使气隙变化，在待测轴上装一个由软磁材料做成的齿盘为了使气隙变化，在待测轴上装一个由软磁材料做成的齿盘（通常采用（通常采用6060个齿）。当待测轴转动时，齿盘也跟随转动，齿个齿）。当待测轴转动时，齿盘也跟随转动，齿盘中的齿和齿隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路盘中的齿和齿隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，使铁芯中的磁通量发生突变，在线圈内产生一个脉冲的磁阻，使铁芯中的磁通量发生突变，在线圈内产生一个脉冲电动势，其频率跟待测转轴的转速成正比。线圈所产生的感应电动势，其频率跟待测转轴的转速成正比。线圈所产生的感

35、应电动势的频率为：电动势的频率为： 60nzf 式中式中 为转速（为转速（ ）；）； 为频率（为频率（Hz）；）； 为齿轮的齿数。为齿轮的齿数。nmin/rfz图4.72 磁电式转速传感器的结构原理图（2 2）光电式转速传感器）光电式转速传感器 1 1）直射式光电转速传感器）直射式光电转速传感器图图9.739.73所示为直射式光电转速传感器的结构图，它由所示为直射式光电转速传感器的结构图，它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。可通过开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。可通过测量光敏元件输出的脉冲频率得知被测转速，即测量光敏元件输出的脉冲频率得知被测转速，即nmin/rfNfn NN圆

36、盘开孔数；圆盘开孔数； 转速转速 脉冲频率。脉冲频率。2 2）反射式光电转速传感器）反射式光电转速传感器图图9.749.74所示为反射式光电转速传感器的结构图，它由所示为反射式光电转速传感器的结构图，它由红外发射管、红外接收管、光学系统等组成；光学系红外发射管、红外接收管、光学系统等组成；光学系统由透镜及半透镜构成。统由透镜及半透镜构成。 3 3）电涡流式转速传感器）电涡流式转速传感器图图9.759.75所示为电涡流式转速传感器的工作原理图，它所示为电涡流式转速传感器的工作原理图，它由电涡流传感器和输入轴等组成。由电涡流传感器和输入轴等组成。 4 4）霍尔式转速传感器）霍尔式转速传感器图图9.

37、769.76所示霍尔转速传感器的结构原理图，它是由霍所示霍尔转速传感器的结构原理图，它是由霍尔开关集成传感器和磁性转盘组成。尔开关集成传感器和磁性转盘组成。 图图9.779.77所示为霍尔式转速传感器的各种不同结构示意所示为霍尔式转速传感器的各种不同结构示意图，磁性转盘上的小磁钢数目多少，将确定传感器的图，磁性转盘上的小磁钢数目多少，将确定传感器的分辨率，小磁钢数目愈多，分辨率愈高。分辨率，小磁钢数目愈多，分辨率愈高。 测量电路如图测量电路如图9.789.78所示，其主要是由交流放大电所示，其主要是由交流放大电路、时间控制器集成电路路、时间控制器集成电路CH279CH279、计数、计数/ /锁

38、存锁存/7/7段译段译码码/ /驱动集成电路驱动集成电路CH267CH267、转速表电路等组成。、转速表电路等组成。1 1）交流放大电路）交流放大电路 因为传感器输出的为正弦电压信号，输出电压因为传感器输出的为正弦电压信号，输出电压幅值较小，因此需用一个前置放大器。本图采用了幅值较小，因此需用一个前置放大器。本图采用了一个交流放大器，放大器利用一个交流放大器，放大器利用 对对 的交流自的交流自举作用，大大提高了输入阻抗，其输入阻抗为：举作用，大大提高了输入阻抗，其输入阻抗为：3C3R9.4.2 9.4.2 磁电式传感器数字转速仪测量电路磁电式传感器数字转速仪测量电路 1313313311313

39、13111131CRRCjRRCjRRCjRRXRRXRRZCCm频率愈高，频率愈高， 愈接近于零、愈接近于零、 愈大，当频率愈大，当频率为为1000 1000 时，时， 。可见其输入阻抗。可见其输入阻抗是很大，而输出阻抗小于是很大，而输出阻抗小于 。该放大器的是。该放大器的是频增益为：频增益为： 31CCX,XmZzHMZm7 .121001001121RRAF图9.78 磁电传感器数字转速仪电路图2）时间控制器集成电路）时间控制器集成电路CH279 CH279是一种适合数字仪表的中规模集成电路。主要是由晶体振荡器、 分频器、整形单元、控制器和批示信号单元组成。其工作电压为36V。当其外接晶

40、体元件后，能自行产生振荡信号、计数闸门信号、锁存控制信号以及其他控制信号。如接入被测信号，则可以对该信号进行整形、分频，然后输出供计数用。特别适合用于数字转速表，其测转速范围为2525000 （rpm）。可自动连续采样，采样时间为1s，测量结果可达五位数字。CH279引出脚功能图如图4.79所示。其中， 为显示交流信号输出端，他为液晶显示器的公共电极提供方波。162min/rFOD图9.79 CH279引出脚功能图 3）计数）计数/锁存锁存/7段译码段译码/驱动集成电路驱动集成电路CH267 CH267为计数/锁存/7段译码/驱动四合一集成电路，他的驱动电流为 ，适于驱动LCD显示器。其引出端

41、功能如图4.80所示。其中DFI为显示交流信号输入端，他与LCD的公共电极相联。4）转速表电路）转速表电路 系统电源采用6V电池，场效应管3D01作恒流源用。振动信号加在 端； 接“输入”时，被测信号送入CH279进行分频，被测信号是通过放大传感信号的前置放大器提供的。这样，转速表在采样时间内便可显示被测信号每分钟脉冲数，即转轴的转速。A100,if图9.80 CH267引出端功能图9.4.3 9.4.3 霍尔转速测量装置霍尔转速测量装置 由式由式 可知，若数字频率计示值可知，若数字频率计示值为为 ，则转速立刻便读出。其测量转速的装，则转速立刻便读出。其测量转速的装置如图置如图4.814.81

42、所示。所示。 fn10 f图图4.81 4.81 霍尔传感器测量转速的装置霍尔传感器测量转速的装置9.8 9.8 成分量的测量成分量的测量 成分量的测量在现代测试技术中占有相当重要的成分量的测量在现代测试技术中占有相当重要的地位，常见的成分量主要有湿度、浓度、气体成分及地位，常见的成分量主要有湿度、浓度、气体成分及含量等等，由于篇幅限制，这里只对湿度、浓度、气含量等等，由于篇幅限制，这里只对湿度、浓度、气体成分及含量的测量进行介绍。体成分及含量的测量进行介绍。 9.8.1 9.8.1 湿度传感器的典型应用实例湿度传感器的典型应用实例 （1 1）土壤湿度测量电路）土壤湿度测量电路图图9.1229.122所示为采用硅湿敏电阻的土壤湿度测量电路所示为采用硅湿敏电阻的土壤湿度测量电路图，它是由土壤湿度检测电路、湿度信号放大电路和图，它是由土壤湿度检测电路、湿度信号放大电路和高精度稳压电源电路组成。高精度稳压电源电路组成。 （2 2）秧棚湿度指示器）秧棚湿度指示器 秧棚湿度指示器主要用于指示塑料薄膜做成的