自动检测技术课件

第0章传感器与检测技术概念0.1传感器的组成与分类0.2传感器的作用与地位0.3传感器的发展方向0.4检测技术的定义0.5检测技术的作用图库下页返回0.1传感器的组成与分类下页上页返回传感器的定义传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。图0-1传感器组成方块图常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它们分别与相应的传感器相配合。图库0.1传感器的组成与分类例如：我们要测量一个直线运动的汽车的加速度（规定的被测量）。可以设计一个简单的实验装置。下页上页返回图库敏感元件转换元件+—电子线路输出0.1传感器的组成与分类敏感元件传感元件转换电路被测量电量砝码m千克弹簧k转换电路加速度电量a力mama/k位移v•ma/kL下页上页返回图库说到传感器技术应联想和考虑到的（1）是一类检测装置，用于参数测量。（2）在转换过程中需要满足：对被测量敏感（具有选择性）、进行物理量变换为单值变换、对环境的适应性（可实践性）（3）工作的基础原理：基于物理效应、化学反应、生物学机理等。（4）传感器技术是知识密集，技术密集的新兴边缘学科；是一门跨学科的横向综合技术。（5）它的发展在很大程度上依赖于物理学、化学、生物学、材料科学、信息科学、半导体集成电路技术、微机技术等学科的发展。0.1传感器的组成与分类关于传感器的英文说明：

Transducer-传感器，换能器，强调参数和能量的转换

Sensor-敏感元件，感受器，强调对被测量敏感、直接感受

Transmitter-变送器，强调各种变送器的输出信号传输及统一，电流4－20mA传感器技术在国外情况：（1）将传感器技术列为六大核心技术之一。六大核心技术为：传感器、计算机、通讯、激光、半导体、超导技术，虽然纳米技术发展很快，但还没有形成核心技术。（2）西方各国不断增加传感器研究经费，耗资巨大，投入的人力、物力、财力非常大。0.1传感器的组成与分类传感器的分类：按输入量分类:位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等按工作原理分类:应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等按物理现象分类:结构型传感器、特性型传感器按能量关系分类:能量转换型传感器、能量控制传感器按输出信号分类:模拟式传感器、数字式传感器0.2传感器的作用与地位

传感器技术、通信技术和计算机技术被称为现代信息技术的三大主要支柱，而传感器在信息采集系统中处于前端，广泛应用于包括国防、环保、工业、农业、交通运输、生物医学、日常生活等诸多领域。如果把计算机比作人的大脑，传感器就相当于是人的感官，目前计算机技术的发展，除大脑的复杂思维活动以外，有很多功能远远超过大脑，与此相比传感器技术就显得比较落后，呈现“聪明的大脑，迟钝的感官”这种局面。所以，20世纪80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高新技术，倍受重视。下页上页图库返回0.3传感器的发展动向当前传感器技术的主要发展动向：开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺，实现传感器的集成化与智能化。发现新现象开发新材料采用微细加工技术研究多功能集成传感器智能化传感器仿生、生物传感器研究下页上页图库返回0.4检测技术的定义检测技术属于信息科学的范畴,与计算机技术、自动控制技术和通信技术构成完整的信息技术学科。测量是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。测试是具有试验性质的测量,或者可以理解为测量和试验的综合。下页上页图库返回0.5检测技术的作用检测技术的作用客观世界的一切物质都以不同形式不断地运动着。运动着的物质是以一定的能量或状态表现出来的，这就是信号。人们为了认识物质世界，就必须寻找表征物质运动的各种信号以及信号与物质运动的关系。这就是检测的任务。在工业生产各个领域内在科学研究领域内在现代人们的日常生活中下页上页图库返回第1章传感器的特性1.1传感器的静态特性1.2传感器的动态特性下页返回

传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入—输出特性是其基本特性，一般把传感器作为二端网络研究（即把传感器当作黑匣子），输入—输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。图库传感器的特性传感器的静态特性稳态条件下（无过渡过程），输出与输入的响应关系，当信号变化缓慢时，对其关心。传感器的动态特性动态条件下，输出与输入的响应关系，应用于信号变化较快的场合。1.1传感器的静态特性下页上页返回线性度迟滞重复性灵敏度与灵敏度误差分辨率与阈值稳定性温度稳定性静态误差多种抗干扰能力图库1.1.1线性度

传感器的输入—输出关系或多或少地都存在非线性问题。其静态特性可用下列多项式代数方程来表示：下页上页返回y--输出量；x--输入量；a0--零点输出；a1--理论灵敏度；a2,a3…an--非线性项系数线性度的定义：在稳态标准条件下，实际测出的输出——输入曲线与理想直线的偏离程度。通常用相对误差形式表示：图库1.1.1线性度

(a)理论拟合

(b)过零旋转拟合

(c)端点拟合

(d)端点平移拟合

(e)最小二乘法拟合

常用拟和方法下页上页返回图库图1-1各种直线拟合方法1.1.2迟滞图1-2迟滞特性传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞。迟滞大小一般由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示。下页上页返回图库1.1.3重复性重复性：传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。图1-3重复特性下页上页返回图库1.1.4灵敏度与灵敏度误差静态灵敏度：传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。相对灵敏度：它表示传感器输出增量对被测量的相对变化率而言的灵敏度。用百分数表示。下页上页返回图库1.1.5灵敏度阈与分辨率（力）分辨率：传感器或测量仪表输出信号以数字显示，灵敏度阈称为分辨率。显示的最后一位数字所代表的值称为分辩力。灵敏度阈：传感器或者测量仪表能检测到的最小的输入增量。有时也称为死区。下页上页返回图库1.1.6稳定性稳定性：传感器在长时间工作情况时输出量发生的变化。有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。稳定性误差：前后两次输出之差。可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。下页上页返回图库1.1.7温度稳定性温度稳定性：又称为温度漂移。它是指传感器在外界温度变化情况下输出量发生的变化。温度稳定性误差：

测试时先将传感器置于一定温度（例如20℃）下，将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数（例如5℃或10℃），再读出输出值，前后两次输出之差即为温度稳定性误差。温度稳定性误差用每若干℃的绝对误差或相对误差表示，每℃的误差又称温度误差系数。下页上页返回图库1.1.8多种抗干扰能力多种抗干扰能力：传感器对各种外界干扰的抵抗能力。例如抗冲击和振动能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等，评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。下页上页返回图库1.2传感器的动态特性

传感器的动态特性也称为动态响应。它所涉及的内容是研究当被测参数随时间变化很迅速时，传感器的输出量与输入量之间的关系。基本方法是通过建立传感器的微分方程，求出传递函数，然后进行特性分析。实验一测量方法及测量数据处理实验目的通过对电阻、电容及电感元件参数的测量，掌握以下几点：

1.掌握零位式测量和偏差式测量的特点。

2.掌握静态测量时测量数据的统计处理方法。实验一测量方法及测量数据处理一、偏差式测量在测量过程中，用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量的测量方法，称为偏差式测量法。这种测量方法过程简单、迅速，但测量精度较低。图l所示的压力表就是这类仪表的一个示例。

图l压力表实验一测量方法及测量数据处理二、零位式测量在测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法，称为零位式测量法。

采用零位式测量法进行测量时，优点是可以获得比较高的测量精度。但是，测量过程比较复杂，在测量时，要进行平衡操作，花费时间长。图2电位差计简化等效电路

三、测量数据的处理静态误差：检测仪表在静态测量时其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。静态误差的求取方法：把检测仪表的输出值与其对应的理论输出值的残差，看成随机分布，求出其标准偏差σ，即：△yi—剩余误差；n—测量次数。下页上页返回图库

三、测量数据的处理静态误差的求取方法：剩余误差△yi＝yi–Lyi——第I次测量值

L——理论值或真值在实际测量中，测量次数是有限的，真值L不易得到，因而用n次测量值的算术平均值代替真值，剩余误差△yi＝yi–，用代替L后，标准误差应为下页上页返回图库测量结果第2章电阻式传感器

电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。下页返回图库

电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。2.2应变片式传感器电阻应变片的工作原理金属电阻应变片主要特性温度误差及补偿应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的应用举例下页上页返回图库

在几何量和机械量测量中，最常用的传感器是利用某些金属和半导体材料制成的应变式电阻传感器。

这种传感器是以电阻应变片为敏感元件，电阻应变片是一种能将被测试件上的应变变化转换成电阻变化的敏感元件，与弹性元件及相应部件组成了金属应变式传感器。主要用于力、加速度、压力等力学量的测量。

2.2.1电阻应变片的工作原理

电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。图2-17金属丝伸长后几何尺寸变化下页上页返回图库2.2.1电阻应变片的工作原理定量分析金属导体的电阻变化与变形之间的数学表达式。2.2.1电阻应变片的工作原理

电阻丝灵敏系数k0由两部分组成：

(1+2µ)表示受力后由材料的几何尺寸变化引起的第2项表示由材料电阻率变化所引起的。对于金属材料，第2项的值要比(1+2µ)小很多，可以忽略，故k0=1+2µ

。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即k0=1.7～3.6。2.2.2金属电阻应变片主要特性

金属电阻应变片结构：金属电阻应变片分为金属丝式和箔式。下页上页返回图库图2-18丝式应变片的基本结构

它主要是由四个部分组成：一是敏感栅即金属电阻丝，它是应变片的主要核心部分，感受外界应变并转换为电阻的变化；

二是基底和覆盖层，基底是将应变传递到敏感栅的中间介质并起到电阻丝与试件之间的绝缘作用，覆盖层起着保护敏感栅的作用；

三是粘结剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起；

四是引出线，作为连接测量的导线。

根据不同用途，栅长可为0.2～200mm

基底用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置，并迅速准确地传递应变，因此基底做得很薄，一般为0.03～0.06mm。基底和盖层用专门的薄纸制成的称为纸基，用各种粘结剂和有机树脂薄膜制成的称为胶基，胶膜比纸具有更好的柔性、耐湿性和耐久性，且使用温度较高，可达300℃，因此现多采用后者。引线常用直径为0.10～0.15mm的镀锡铜线，并与敏感栅两输出端焊接。

图2-19箔式应变片的基本结构图2-20各式箔式应变花箔式与丝式应变片相比有如下优点：①用光刻技术能制成各种复杂形状的敏感栅，即应变花如图2－20所示；从而扩大了使用范围；②由于箔栅很薄，能很好地与弹性体同步发生应变，其次箔栅的端部可以制作的较宽，横向效应小，提高了测量精度；③允许电流大，散热性好，允许通过较大电流。可提高相匹配的电桥电压，从而提高输出灵敏度；④生产效率高。但是制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式的为大，有的能相差几十欧姆，需要作阻值的调整。由于箔式应变片的一系列优点，它将逐渐取代丝式应变片而占主要的地位。

对金属电阻应变片敏感栅材料的基本要求是：①灵敏系数k0值要大，并且在较大应变范围内保持常数；②电阻温度系数小；③电阻率大，即同样长度、同样截面积的电阻丝其电阻值大；④机械强度高，且易于拉丝或辗薄；⑤与铜丝的焊接性好，与其它金属的接触电势小。目前常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铂、铂钨合金等。箔式应变片敏感栅材料常采用康铜、镍铬。康铜是应用最广泛的材料，其k0值对应变的恒定性非常好，在弹性变形范围内保持为常数，康铜的电阻温度系数较小而且稳定，康铜的加工性能好；镍铬合金比康铜的电阻率高，抗氧化能力好，因此它使用的温度较高，但是它的电阻温度系数较大。镍铬铝合金是在镍铬合金的基础上添加铝等金属而制成。它既保持了高电阻率和抗氧化性能好的特点，而且电阻温度系数得到很大的改善。缺点是加工工艺和焊接性能不好。贵金属及其合金的特点是具有很强的抗氧化能力，适于制作高温应变片。缺点是电阻率小，电阻温度系数较大，且价格贵。电阻应变片主要特性灵敏系数前边讲了材料的应变灵敏系数k0，它是针对电阻应变丝的，现在把电阻应变丝制成电阻应变片后，其电阻—应变特性与金属单丝是不同的，因此必须重新用实验测定。测定实验是有统一的标准。实验证明，两者在很大范围内仍然有很好的线性关系。

因为应变片粘贴在试件上不能取下再用，所以每次只能从一批产品中抽取一定百分比的产品来测定，然后取其平均值作为这一批产品的灵敏系数，称为“标称灵敏系数”。

大量实验证明应变片的灵敏系数k恒小于线材的灵敏系数k0，原因是在应变片中存在着所谓横向效应。电阻应变片主要特性横向效应由于应变片的线栅长度一般小于导线长度，所以在制成应变片时，存在有横向部分，它的存在使得在同样应力作用下，电阻变化量减小，即灵敏系数k0减小了，这种现象称为横向效应。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。电阻应变片主要特性机械滞后、零漂及蠕变

机械滞后：对贴有应变片的试件进行循环加载或卸载时，发现两种情况下的曲线不重合，称为机械滞后。图2-21机械滞后

产生机械滞后的原因，主要是应变片的各个部分有残存的应力。零漂：在一定温度下，应变片不承受载荷时，其电阻值随时间增长而逐渐变化的特性称为零点漂移，简称零漂。蠕变：在一定温度下，应变片承载不变的作用力时，指示应变会随时间而变化，这种现象称为蠕变。在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的。在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值。这两项指标都是用来衡量应变片时间稳定性的参数，它们直接影响长时间测量的结果是否准确。

电阻应变片主要特性应变极限和线性度应变极限：粘贴在试件上的应变片所能测量的最大应变值称为应变极限。在恒温的试件上施加均匀而缓慢变化的拉伸载荷，当应变片的指示应变低于真实应变值的10％时，该真实应变值作为应变片的应变极限。图2-22应变极限线性度

：应变片粘贴在试件上后，对试件逐渐加载，应变片的特性曲线严格地说不是一条直线，即在大应变时出现了非线性。应变片的非线性通常是很小的，一般要求在0.05％以内。电阻应变片主要特性绝缘电阻、允许工作电流绝缘电阻：指应变片的引线与被测试件之间的绝缘电阻值。此值应大于108欧姆，若此值太小，则基片会使金属箔短路。允许工作电流：指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大工作电流。显然，工作电流大，应变片输出信号也大，灵敏度高。一般静态测量时的允许工作电流为25mA左右，动态测量可以高一些。箔式电阻应变片的允许工作电流比金属丝电阻应变片的允许工作电流要大许多。

2.2.3温度误差及补偿

粘贴在试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，甚至有时会产生与真实应变同数量级的误差。必须采取补偿温度误差的措施。通常温度误差补偿方法有两类：下页上页返回图库自补偿法

1．单丝自补偿法：单丝补偿法是根据给定试件的材料和选定的敏感栅来适当控制栅丝的温度系数，以尽可能地减小虚假应变输出，这种方法只适用于特定材料，补偿温度范围也比较窄。

2．组合式自补偿法线路补偿法组合式补偿法又称为双金属丝栅法。它的应变片敏感栅丝是由两种不同温度系数的金属丝串接组成的。一种形式是选用两种具有正负温度系数的电阻丝焊接而成，P38图2－25

调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化数值相等，方向相反。

组合式自补偿应变片的另一种形式是,两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数，两者都为正或都为负，图2-26组合式自动补偿法之二从电桥原理知道，由于温度变化引起的相邻桥臂电阻变化相等或很接近，此时的电桥输出电压为0或极小。

补偿精度比较高，缺点是只适合特定试件材料。另外补偿电阻R2总是会感受一定的应变，在桥路中与工作栅R1敏感的应变起抵消作用，从而使应变片的灵敏度下降。电路补偿法它同样是利用电桥的原理，

图2-27电桥补偿法另外对于某些特殊的应变测试条件，可以巧妙安装应变片而做到既不需要补偿片又能提高灵敏度的“双赢”效果。图2-28差动电桥补偿法电桥补偿法简单易行，使用普通应变片就可对各种试件材料在较大温度范围内进行温度补偿，因而最为常用。

2.2.4应变式电阻传感器的测量电路

应变式电阻传感器通常是由弹性体、电阻应变片、应变胶和测量桥路组成。

弹性体将被测力成比例地转换为应变，用应变胶将电阻应变片粘贴在弹性体表面的适当位置，这样应变片可以与弹性体同步发生应变，应变片进一步将应变成比例地转换为电阻的相对变化量；

弹性体作用：承载被测力，将力转变为应变。结构形式：柱型、悬臂梁型、双端固支梁型、薄壁环型、圆板型、框型等。图2-32荷重传感器弹性元件的形式图2-33梁式力传感器用途特点体重秤额定载荷

150Kg重复性0.03%F·S额定输出2.5mV/V±10%;1.0mV/V±10%(半桥)蠕变30(min)0.1%F·S零点输出±5%F·S使用温度-10℃~+40℃输入电阻1000±10Ω零点输出温度影响0.05%F·S/℃输出电阻1000±10Ω额定输出温度影响0.01%F·S/℃激励电压5-15VDC绝缘电阻2000MΩ(100V)非线性0.05%F·S过载能力150%F·S滞后0.05%F·S材料

2.2.4应变片式电阻传感器的测量电路测量电路需要将电阻变化进一步转换成电压，才便于用测量仪表进行测量。

电阻变化量一般都采用电桥电路作为转换电路，根据电桥电源的不同，可将电桥分为直流电桥和交流电桥。直流桥：容易获得稳定的直流电源，易于和显示仪表连接，但直流放大器有零漂问题。交流桥：需要稳频、稳幅的电源，交流放大器没有零漂。直流电桥:图2-29直流电桥电阻应变片工作时，通常其电阻变化是很小的，例：已知公式：

初始电阻R=120

灵敏度系数K=2

纵向应变=1000=1‰时求：该应变片电阻的绝对变化量R=0.24电桥相应输出电压也很小，所以为了提高电桥灵敏度或为进行温度补偿，电桥结构常采用差动形式，即在试件上安装两个工作应变片，一片受压，一片受拉，然后接入电桥相邻桥臂；或者采用四臂电桥，粘贴四个工作应变片作为不同的桥臂，下面以四臂电桥为例分析直流电桥的工作情况：直流电桥平衡条件直流电桥电压灵敏度交流电桥交流电桥的平衡条件：需要满足两个条件，即相对两个桥臂复阻抗的模之积相等，并且其辐角之和相等。图2-30交流电桥对这种交流电容电桥，除要满足电阻平衡条件外，还要满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。图2-31常见调平衡电路例：已知公式：初始电阻R=120

灵敏度系数K=2

纵向应变=1000=1‰时求：该应变片电阻的绝对变化量

R=0.24

上述一例中各参数均为产品较有代表性的参数。而纵向应变量也取得十分大（通常应变片的线性工作范围仅有600

）。由上例中可以得出以下结论：应变片式传感器对应变产生的电阻变化量很小，通常是在几个欧姆以下。要求测量电路必须能够测量微小电阻的变化。电桥电路是最常用的测量微小电阻变化的电路。2.2.5应变片式电阻传感器的应用举例应变式测力传感器（荷重传感器）圆柱式力传感器梁式力传感器应变式压力传感器：测量流动介质动态或静态压力应变式扭矩传感器：测量轴承的扭矩应变式加速度传感器补充内容：半导体应变传感器

半导体应变传感器是以半导体应变片作为敏感元件，利用半导体材料的压阻效应来实现测量的。它和金属应变片相比，具有灵敏系数高（比金属应变片的灵敏系数大50～100倍）、机械滞后小、体积小以及耗电量少等优点；但半导体应变片的电阻温度系数大，非线性也大，这些缺点不同程度地制约了它的应用发展。不过，随着近年来半导体集成电路工艺的迅速发展，相继出现了扩散型、外延型和薄膜型半导体应变片，使其缺陷得到了一些改善。补充内容：薄膜应变传感器薄膜：通过物理方法或化学、电化学反应，以原子、分子或离子颗粒形式受控地凝结于一固态支撑物（基底）上所形成的薄膜状的固体材料，其厚度约在数十埃至数微米之间。目前采用的薄膜技术主要有真空蒸发、溅射、等离子化学气相淀积（即等离子CVD）等。薄膜应变传感器的特点：①薄膜应变片可以同弹性体键合在一起，构成整体式薄膜传感器。这样可以避免因粘片工艺所带来的误差元素（如蠕变、滞后等）。②薄膜应变传感器其稳定性很高，电阻温度系数又很小，这些都是普通应变片式传感器和扩散型传感器所不及的。薄膜应变传感器适用于航天、航空工业以及高温环境中。③薄膜应变片的阻值可做得很高，通常均可做到几千到几万欧姆，因而可在低功耗状态下工作。

④薄膜应变片式传感器的量程很大，扩散硅型压力传感器的量程一般不太大，这是因为扩散硅本身的感压元件就是硅本身，由于硅较脆，故不宜承受较大载荷。新型纳米薄膜压力传感器一种新型的电阻应变纳米薄膜压力传感器，日前在湖南长沙索普测控技术有限公司研制成功。业内人士宣称，这项纳米技术应用产品的问世，对提高中国压力测量水平具有划时代的意义。

电阻应变纳米薄膜压力传感器采用原子搬迁原位生长纳米薄膜功能材料、集成电路微细加工等多项尖端技术，将纳米薄膜应变电阻直接制作在金属弹性体上，实现了敏感组件与弹性体的原子结合，有效地解决了传统压力传感器中"零点漂移"这一重大技术难题，真正实现了在高温、高压、恶劣环境下的长期稳定性和可靠性。专家称，中国每年压力传感器的市场需求量达到30亿元。这项纳米技术新产品的问世，为未来功能材料特别是智能复合功能材料的发展开辟了新的天地，具有十分广阔的发展前景。

第3章电感式传感器3.1自感式传感器3.2变压器式传感器下页返回

电感式传感器是基于电磁感应原理工作的。它将被测参数的变化转换为线圈的自感系数L或互感系数M的变化。图库可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。3.1自感式传感器

3.1.1自感式传感器的工作原理3.1.2灵敏度与非线性3.1.3等效电路3.1.4测量电路3.1.5零点残余电压3.1.6自感式传感器的特点及应用

下页上页返回图库3.1.1自感式传感器的工作原理

这类传感器是将被测位移转换为线圈自感系数的变化，常见的结构有变气隙式和变截面积式（属于可变磁阻式）。图3-l变气隙式传感器结构原理图线圈的电感值L可按下式计算：——线圈匝数——磁路总磁阻如果气隙厚度较小，且不考虑磁路的铁损，则总磁阻可表示为3.1.1自感式传感器的工作原理通常导磁体的磁阻与气隙的磁阻相比很小，计算时可以忽略。因此线圈的电感值可以表示为下页上页返回图库图3-2变截面积型自感式传感器图3-3差动自感式传感器从上式可知，此时电感L与气隙成非线性，改善非线性可以采用差动结构或者缩小测量范围的方法，因此变气隙型适合小位移（0.001－1mm）的检测。3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回图库Flash动画演示:气隙型自感式传感器的工作原理截面型自感式传感器的工作原理（a)截面型自感式传感器的工作原理(b)差分结构自感式传感器的工作原理3.1.2灵敏度与非线性

根据定义来分析灵敏度、线性度（非线性误差）：从提高灵敏度的角度看，初始空气隙l0距离应尽量小。其结果是被测量的范围也变小。同时，灵敏度的非线性也将增加。如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将增大传感器的几何尺寸和重量。

差动结构的灵敏度、非线性误差分析：由此可见差动式传感器其灵敏度与单极式比较提高一倍，非线性大大减小。下页上页返回图库3.1.3等效电路

自感式传感器常采用铁磁体作为铁心，所以传感器的线圈从电路角度来看并非纯电感，它既有线圈的铜损，又有铁芯的涡流及磁滞损耗，一个电感线圈的完整等效电路可用图3-4表示。图3-4电感线圈等效电路

式中Rm---磁路总磁阻；

Zm---铁芯部分的磁阻抗；

Z0--空气隙的磁阻抗。下页上页返回图库3.1.4测量电路自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理，就要用转换电路把电感变化转换成电压(或电流)变化。交流电桥是可变磁阻式电感传感器的主要测量电路。交流电桥的形式很多，下面介绍使用较为普遍的两种电桥：变压器电桥和桥式相敏整流电路。

变压器电桥桥式相敏整流电路下页上页返回图库3.1.5零点残余电压

在电桥预平衡时，无法实现平衡，最后总要存在着某个输出值ΔU0，这称为零点残余电压，如图3一10所示。图3-10U0-l特性它的存在使得传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制了分辨力的提高。其值太大，将使传感器线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。因此零点残余电压是衡量传感器性能的主要指标之一。对它进行认真分析，找出减小的方法，是很重要的。下页上页返回图库3.1.5零点残余电压产生的原因：①传感器的等效参数（电气参数和磁路参数）不可能完全相等；②供电电源引入的高次谐波和工频干扰。如何消除？①在设计及制造时，对材质的选择、加工工艺等方面力求保证磁路、线圈、结构等的均匀一致。②在线路中加入补偿措施。3.1.6自感式传感器的特点以及应用

自感式传感器有如下几个特点：①灵敏度高，最高分辩力达0.1μm（线位移）；②分辨力与测量范围有关，测量范围大，分辨力低，测量范围小，分辩力高，所以适用于测量较小位移；③输出信号比较大，在某些情况下可不经过放大直接接二次仪表；④对激励电源的频率和幅度的稳定度要求较高⑤传感器本身的频率响应不高，不适于快速动态测量。

图3-11测气体压力的电感传感器图3-12压差传感器下页上页返回图库3.2变压器式传感器

这类传感器是将被测位移转换为传感器的初级线圈与次级线圈之间耦合程度的变化（即互感系数M的变化），由于它利用了变压器的原理，又采用了差动结构，故通常称其为差动变压器式传感器。3.2.1工作原理3.2.2等效电路及其特性3.2.3差动变压器式传感器的测量电路3.2.4零点残余电压的补偿3.2.5变压器式传感器的应用举例下页上页返回图库3.2.1工作原理它实质上是一种变压器，主要由原边绕组、副边绕组和铁心组成。它往往做成差动形式，副边两个绕组进行“差接”（反极性串联）。被测参数转换为互感系数的变化，在其原边绕组施加电压后，由于互感系数变化，副边差接绕组的感应电势将相应地发生变化。差动变压器的结构主要有变气隙式、截面积式和螺管式。螺管式差动变压器的结构和工作原理。下页上页返回图库3.2.1工作原理电气连接图初级线圈P由交流恒压源EP供电后，由电磁感应在次级线圈S1和S2产生感应电势Es1

和Es2，次级线圈端最后的输出电压Es=Es1-Es2；和普通变压器不同的是：初级、次级间耦合磁通路径的铁芯可以移动，从而使M发生变化，即铁芯移动使P和S1以及P和S2间的互感系数M1和M2向相反方向变化，输出电压Es是两个感应电势之差，它的大小可以反映铁芯轴向位移，其相位则取决于铁芯的位移方向。3.2.2等效电路及其特性差动变压器式传感器等效电路特性分析输出特性：灵敏度：差动变压器的灵敏度是指在单位电压激励下，铁心移动单位距离时的输出电压变化量，其单位为mV/mm/V。一般螺管式差动变压器的灵敏度大于5mV/mm/V。下页上页返回图库3.2.2等效电路及其特性提高灵敏度的措施：增大差动变压器的几何尺寸，一般线圈的长度为其直径的1.5－2.0倍较为合适。适当提高激励频率。增大铁芯直径，但不应触及线圈骨架；铁芯采用导磁率高、铁损小、涡流损耗小的材料。在不使初级线圈过热的前提条件下尽量提高激励电压。3.2.3差动变压器式传感器的测量电路

差动变压器的输出为交流电压，如用交流电压表来测量其输出值存在下述问题：①交流电压表只能反映铁心位移的大小，无法判别衔铁的移动方向。②差动变压器的输出存在零点残余电压，因而零位附近的小位移量测量困难。为此常采用必要的测量电路来解决以上问题。最普遍的测量电路是：一、相敏检测（整流）电路二、差动整流电路图3-20差分整流电路电流输出用于连接低阻抗负载例如动圈式电流表电压输出用于连接高阻抗负载例如数字电压表下页上页返回图库3.2.3差动变压器式传感器的测量电路差分整流电路动画演示电路总的输出电压为：usc=u24-u68

图3-21全波整流电压输出电路的输出波形3.2.4零点残余电压的补偿

与电感传感器相似，差分变压器也存在零点残余电压问题。零点残余电压的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际特性不同于理想特性。图3-22补偿零点残余电压的电路下页上页返回图库3.2.5变压器式传感器的应用举例图3-23差动变压器式位移传感器图3-24差动变压器式压力传感器图3-25微压传感器图3-26加速度传感器下页上页返回图库

主要用来测量位移，以及能转换为位移的物理量如振动、加速度、力、压力、厚度等。IWS集成一体化非接触电感位移传感器IWS系列是德国米铱公司推出的一种新型电感位移传感器，用于非接触测量位移、位置或者振动，对被测体无作用力、也无磨损。在IWS传感器里，信号处理是由集成在传感器壳体里的集成电路完成。由此带来的优点是传感器安装电缆长度变化不需要再校准。在15VDC供电时，给用户提供的灵敏度是1V/mm。用于测量动态的极限工作频率为1KHz。

IWS有2个品种：

4mm量程适用于铁磁材料

3mm量程适用于铝以及其它的非铁磁性金属材料。transSENSOR

电感差动变压器位移计

传感器由LVDT传感器和MSC传感器变送器组成:LVDT传感器头transSENSOR

电感差动变压器位移计1,DTA推杆式位移传感器头

测量范围：+/-1/3/5/10/15/25/50mm线性度：+/-0.5%,+/-0.3%,+/-0.15%分辨率：近似无限励磁频率：1-5KHZ工作温度：-20℃--+80℃,和120℃

2,DTA自复位式测量头测量范围：+/-1/3/5/10mm线性度：+/-0.5%,+/-0.3%,和+/-0.15%励磁频率：2-5KHZ工作温度：20℃--+80℃第4章电容式传感器

电容传感技术是在近几年来取得很大进展的，它不但被广泛地用于位移、振动、加速度等机械量的测量，而且逐步扩大应用于差压、液面、料位、成分含量等方面的测量。下页返回图库4.1传感器的工作原理及类型4.2电容传感器的灵敏度及非线性4.3电容传感器的特点4.4电容式传感器的转换电路4.5电容式传感器的应用举例4.1电容式传感器的工作原理及类型

电容器是电子技术的三大类无源元件（电阻、电容和电感）之一，电容式传感器就是利用电容器的原理，将非电量的变化转换为电容量的变化，进而实现非电量测量的一种传感器。一、工作原理由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为下页上页返回图库式中ε--两个极板间介质的介电常数；

s--两个极板相对有效面积；

d--两个极板间的距离下页上页返回

由上式可知，当被测参数使得电容器的介电常数、有效面积、间距发生变化时，电容量随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。二、类型根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型：改变极板间距离的变极距(或称变间隙)型、改变极板面积的变面积型、改变介质介电常数的变介电常数型。4.1电容式传感器的工作原理及类型图库1．变极距型电容传感器图4－1是变极距型电容传感器的结构原理图。图中1为固定极板；2为活动极板，其位移是被测量变化而引起的。当活动极板向上移动一定距离时，由此引起的电容增量为下页上页返回4.1电容式传感器的工作原理及类型图库可以看出电容增量与移动距离不是线性关系。但实际应用中若满足量程远小于极板间初始距离时，可以认为两者是线性关系。因此这种类型的电容传感器一般用来测量微小变化的量，如0.01微米至1毫米的线位移等。在实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和克服外界因素（如激励源电压、环境温度等）对测量的影响，通常把传感器做成差动结构形式，当活动极板2向上移动时，上下两个电容量将会同时发生变化，它们一个电容值随位移增加，另一个电容值则相应减小。4.1电容式传感器的工作原理及类型

2.变面积型电容传感器图4－2是变面积型电容传感器的一些结构示意图。当被测量变化使活动极板产生位移时，就改变了电极间的遮盖面积，电容量C也就随之变化。对于电容间遮盖面积由S变为S’时，则电容增量为此时电容的变化量与面积的变化量成线性关系。因此与变极距型相比，变面积型的测量范围大，可测较大的线位移或角位移。图b结构的具体定量关系。4.1电容式传感器的工作原理及类型

3．变介电常数型电容传感器图4－3是变介电常数型电容传感器的结构原理图。这种传感器大多用来测量介电质的厚度（图a）、位移（图b）、液位、液量（图c），还可根据极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（图d）等。图a测厚度的定量关系。以图(c)测液面高度为例，其电容量与被测量的关系为4.2电容传感器的灵敏度及非线性

这里我们先讨论变极距型的平板电容传感器的灵敏度。假设极板间只有一种介质，如图4-1情况。下页上页返回图库对单极式电容表达式为：其初始电容值为：当极板距离有一个增量Δd时，则传感器电容为：

灵敏度k为下页上页返回4.2电容传感器的灵敏度及非线性图库

只有比值

d/d0

很小时才可认为是接近线性关系，这就意味着使用这种形式传感器时，被测量范围不应太大。

减小d0，灵敏度提高；同时d0小，电容容易击穿，而且加工精度要求高，非线性误差增大。为在比较大的范围内使用此种传感器，可适当的增大极板间的初始距离d0

，以保证比值

d/d0不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点，同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰作用将增加。常采用差动式电容传感器（灵敏度提高一倍）变面积型和变介电常数型(测厚除外)电容传感器具有很好的线性。但它们的结论都是忽略了边缘效应得到的。实际上由于边缘效应仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。下页上页返回4.2电容传感器的灵敏度及非线性图库4.2电容传感器的灵敏度及非线性非线性误差分析：单极式差动结构作业：要求写出线性度的概念、线性度理想直线选取的种类（至少三种以上）、分析变极距型电容传感器的线性度。4.3电容传感器的特点1.边缘效应前边对电容传感器工作原理、灵敏度、非线性分析均未考虑电容极板间电场的边缘效应。在平行极板的边缘部分，电力线是弯曲的，因而产生附加电容，附加电容的存在使得电容传感器的灵敏度下降、非线性误差增大，这种现象称为电容传感器的边缘效应。因此要想办法消除和减小边缘效应的影响。4.3电容传感器的特点为了减小边缘电场对测量的影响，电极应制作得尽量薄（如在绝缘材料上蒸镀金属膜）并尽量减小极板之间的间距。以圆平行极板而言，当时，边缘电场的影响可以忽略。但间距小，电容容易被击穿并有可能限制测量范围。因此较好的办法是加防护环。

图4-5带有等位环的平板电容4.3电容传感器的特点2.绝缘和屏蔽电容传感器的电容量一般都很小，仅有几个—几百个皮法，对于如此小的电容量，若激励源频率又不高，则电容传感器本身的容抗就很高，可达几兆欧至上百兆欧，可见其绝缘和屏蔽问题十分突出。绝缘问题：对于电容传感器，几兆欧的绝缘电阻只能看作是传感器的一个漏电旁路。这个漏电阻将与传感器电容构成复数阻抗而通过测量电路影响输出，而且漏电阻会随温度和湿度发生变化，带来传感器的零点漂移。4.3电容传感器的特点

在选择绝缘材料时，不仅要有低的膨胀系数和几何尺寸的长期稳定性，还应具有高的绝缘电阻、低的吸湿性和高的表面电阻，如采用玻璃、石英、陶瓷等材料，而不用夹布胶木等一般电气绝缘材料。此外，采用较高的激励源频率（如数十千赫至数兆赫），以降低传感器的容抗，也相应地降低了对绝缘电阻的要求。4.3电容传感器的特点屏蔽问题：寄生分布电容使传感器电容量改变，由于传感器本身电容量小，并且寄生分布电容又极不稳定，这就导致传感器特性的不稳定。克服寄生电容影响最常用的办法：是对传感器电容及其引出线采取屏蔽措施，即将传感器电容置于金属壳体内，然后将金属壳体接大地，这样就消除了传感器电容与壳体外部导体之间不稳定的寄生电容耦合；金属外壳屏蔽同时起到了消除外界静电场和交变电磁场的干扰作用。同样，传感器电容的引出线必须采用屏蔽线，其屏蔽层应良好接地。4.3电容传感器的特点但是，尽管采用接地良好的屏蔽线，对电容传感器仍存在下列两个问题：①屏蔽线本身电容量大，大的每米可达上百微微法。当屏蔽线较长且其电容与传感器电容相并联，使传感器的电容相对变化大大降低，因而使传感器的灵敏度大大降低。②电缆本身的电容量由于放置位置和形状不同而有很大变化，这将使传感器特性不稳定。4.3电容传感器的特点

电缆电容的影响是电容传感器需要解决的关键技术问题，集成电路技术的发展，为此问题的解决创造了良好条件。一种解决方法是将测量电路的前级或全部放大环节装在离传感器机械部分很近的位置，以尽量缩短屏蔽线的长度，从而减小电缆电容的影响。另一种方法是采用驱动屏蔽技术。4.3电容传感器的特点3.电容传感器的特点

优点

缺点下页上页返回图库4.电容式传感器的等效电路

图4-4

优点：①需要的作用能量低②动态响应快③本身发热的影响小④结构简单，适应性强，能在恶劣环境条件下工作4.3电容传感器的特点下页上页返回图库

缺点：①输出阻抗高，负载能力差②寄生电容影响大③输出特性非线性4.3电容传感器的特点下页上页返回图库4.4电容式传感器的转换电路

电容式传感器把被测量转换成电路参数C0，为了满足实际测量或控制的应用，还需要将电路参数C进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。目前这样的转换电路种类很多，一般归结为两大类型下页上页返回图库调制型（分为调频电路和调幅电路）脉冲型(或称为电容充放电器)4.4电容式传感器的转换电路

脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电。两种性能较好、较常用的电路是下页上页返回图库动画演示

双T型充放电网络脉冲调宽型电路运算放大器式电路这种电路的优点：克服变极距型传感器的非线性输出。4.5电容式传感器的应用举例

电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅(可测至0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。下页上页返回图库4.5电容式传感器的应用举例图4-19差动式电容压力传感器图4-21电容式加速度传感器结构示意图图4-22电容式料位传感器图4-23电容式振动位移传感器图4-24电容式振动位移传感器应用示意图下页上页返回图库第6章压电式传感器

压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体quartzcrystal的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器。下页返回图库piezoelectricity第6章压电式传感器6.1压电效应与压电材料6.2等效电路6.3测量电路6.4压电式传感器的应用举例6.5影响压电式传感器精度的因素分析下页上页返回图库6.1压电效应与压电材料一、压电效应某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。具有压电效应的物体称为压电材料。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。也称电致伸缩效应。

下页上页返回图库6.1压电效应与压电材料压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的。但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电晶体都能在以下变形状态下产生压电效应。压电转换元件受力变形的状态可分为图6-1所示的几种基本形式。例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。下页上页返回图库6.1压电效应与压电材料二、典型材料的压电效应压电材料基本上可分为三大类，即压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。压电晶体是一种单晶体，例如石英晶体；压电陶瓷是一种人工制造的多晶体，例如钛酸钡、锆钛酸铅等；有机压电材料属于新一代压电材料，主要有高分子压电材料。它们的压电特性各有不同。图6-4石英晶体受力方向与电荷极性的关系6.1压电效应与压电材料下页上页返回图库1.石英晶体的压电效应图6-2石英晶体的外形和晶轴石英晶体是SiO2，原先结构对称，电荷呈中性，受到力的作用时，结构发生变化，不同的受力方向会产生不同的压电特性。图6-3石英晶体压电效应示意图

在沿着X轴方向力的作用下，会产生电荷，称为纵向压电效应；在沿着Y轴方向力的作用下，也会产生电荷，称为横向压电效应；而沿着Z轴方向受力时，不会产生电荷。6.1压电效应与压电材料石英晶体不但绝缘性能好，机械强度高，而且它的压电温度系数很小，在20－200℃温度范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减小0.016％。除此之外，它的居里温度为575℃，也就是说，当使用温度到575℃时才会失去压电特性。石英晶体资源较少，价格较贵，而且它的压电系数比压电陶瓷的压电系数低很多，因此石英晶体只是在校准用的标准传感器或精度要求很高的传感器中才得到采用。6.1压电效应与压电材料2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种人工制造的多晶铁电体。铁电体：外电场作用下引起的极化现象在外电场除去后不会消失的电介质。压电陶瓷材料必须经过一定温度下的极化处理才具有压电特性。图6-5压电陶瓷的极化过程和压电原理图

目前常用的压电陶瓷材料有钛酸钡BaTiO3及锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3。后者压电性能（压电系数高的性能好）和温度稳定性都优于前者。6.1压电效应与压电材料压电陶瓷与石英晶体相比：灵敏度高（压电系数是石英晶体的几十倍）；机械强度低，可承受的压力小；居里点低；压电陶瓷刚刚极化时特性不稳定，经过两三个月后压电系数才能保持为一个常数，经过两年后，压电系数又会下降，所以这类传感器需要经常校准。6.1压电效应与压电材料3.高分子材料的压电效应高分子材料的压电效应比较复杂，可以简单用类似铁电体的机理加以解释。最典型的高分子压电材料是：聚偏氟乙烯图6-6聚偏氟乙烯压电效应

高分子材料的压电系数很高，约为压电陶瓷的10倍，另外高分子材料的声阻抗远小于压电陶瓷，而且具有质量轻、机械强度好、是做电声、生物医用传感器很好的材料。聚偏氟乙烯

这种高分子材料是在20世纪中期出现的，其中性能最突出、应用最广泛的是聚偏氟二乙烯PVF2，最初它是作为一种优良的热塑性工程塑料问世的，它作为传感材料而崭露头角是从70年代后期开始的，首先是日本学者在1969年报道了这种材料经适当处理后表现出异乎寻常的压电性，随后人们发现了它的热释电性；这些发现引起了传感器界浓厚的兴趣，于是使用这类“敏感”薄膜的传感器在世界各地的实验室诞生，如话筒、扬生器等电声器件中的压电薄膜；利用其压电性能和良好的柔韧性可以应用于心音、血压等生理参数的测量，日本人用这种薄膜研制出胎儿心音换能器；再比如压电薄膜投币传感器的出现等。6.1压电效应与压电材料4.压电方程与压电系数压电元件受到力F作用时，在相应的表面产生电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关系：Q=dF,其中d称为压电系数，在确定了施力方向和相应的表面电荷以后，它是一个常数。以石英晶体为例：沿X轴，Qx=d33×Px

沿y轴，Qy=-d31(a/b)Py？两个方向同时有作用力呢当晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷可以由一个方程组决定，这个方程组称为压电方程。P118这样压电材料的压电特性就可以用它的压电常数矩阵表示。下页上页返回图库6.2等效电路压电式传感器感受被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：式中s--极板面积εr--压电材料相对介电常数

0--真空介电常数δ--压电元件厚度下页上页返回图库6.2等效电路当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，此时压电元件的开路电压(认为其负载电阻为无穷大)U为下页上页返回图库

由此可见，只有在外电路负载无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电压U才能长期保存下来。为此在测量一个变化频率很低的参数时，就必须保证负载具有很大的数值，从而保证漏电造成的电压降很小，不致造成显著误差。这时负载常要达到数百兆欧以上。压电传感器的测量特点。6.2等效电路如果把压电式传感器与测量仪表连在一起时，还应考虑到连接电缆电容，如果放大器的输入电阻为Ri,，输入电容为Ci，完整的等效电路为图6－8所示。图6-8压电式传感器测试系统的等效电路这里可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的等效电路，如图6-8(a)中的虚线方框；同时也等效为一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路，如图6-8的虚线方框所示。其中Ra为压电元件的漏电阻。

与压电传感器配用的测量电路，必须是一个高输入阻抗的放大器。为了使放大器有高的输入阻抗，常在压电传感器输出端后面，先接一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。因此压电传感器的测量电路关键在于高输入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用有两个：第一是把压电传感器的微弱信号放大；第二是把传感器的高输出阻抗变换为低阻抗输出。6.3测量电路下页上页返回图库6.3测量电路

根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路，与压电元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式：电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。6.3测量电路6.3.1电压放大器

电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。

分析电路图。

下页上页返回图库6.3测量电路6.3.2电荷放大器由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器。下页上页返回图库图6-11电荷放大器等效电路分析电路图6.4压电式传感器的应用举例

压电元件是一种典型的力敏感元件。传统压电材料构成的压电传感器适合测量压力、振动、加速度等动态测量。新一代高分子材料压电传感器适合生物医学领域测量。

下页上页返回图库6.4.1压电式测力传感器图6-13

压电式单向测力传感器图6-14

压电式压力传感器6.4压电式传感器的应用举例

6.4.2压电式加速度传感器图6-15消除振动加速度影响的压电式压力传感器结构图6-16压电式加速度传感器结构原理图

下页上页返回图库6.5.1非线性

压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、加速度等)的增加，其灵敏度的变化程度。

6.5.2横向灵敏度压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示，称为横向灵敏度比。6.5影响压电式传感器精度的因素分析下页上页返回图库6.5影响压电式传感器精度的因素分析6.5.3环境温度的影响

环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化，压电材料不同，温度影响的程度也不同。当温度低于400℃时，其压电常数和介电常数都很稳定。6.5.4湿度的影响环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。如果传感器长期在高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。下页上页返回图库6.5影响压电式传感器精度的因素分析6.5.5电缆噪声为了减小这种噪声。可使用特制的低噪声电缆，同时将电缆固紧，以免产生相对运动。6.5.6接地回路噪声在测试系统中接有多种测量仪器，如果各仪器与传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪声。防止这种噪声的有效办法是整个测量系统在一点接地。而且选择指示器的输入端为接地点。下页上页返回图库6.5影响压电式传感器精度的因素分析

影响压电式传感器精度除以上分析的几个因素外，还存在有声场效应、磁场效应及射频场效应、基座应变效应等因素。图6-17压电加速度传感器的幅值线性度曲线图6-18横向灵敏度图解图6-19压电加速度传感器横向灵敏度极坐标曲线下页上页返回图库第7章光电式传感器7.1光电效应7.2光电元件及其特性7.3光电式传感器的测量电路7.5光纤传感器7.8激光式传感器下页

光电式传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的一种传感器。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光电传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，它是目前产量最多、应用最广的传感器之一。图库返回7.1光电效应

光是一种频率很高的电磁波，同时它又具有粒子性，也就是说光照射在物体上可以看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击在物体上。所谓光电效应就是指一些物体（金属、金属氧化物、半导体）在光的照射下释放电子的现象。下页上页返回1.外光电效应（多产生于金属或金属氧化物）指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。它们的光电发射极，即光明极就是用具有这种特性的材料制造的。2.内光电效应（多产生于半导体材料）当物体在光的照射下所释放的电子没有逸出物体表面，而只在物体内部运动并使其电特性发生变化，这种现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。图库7.1光电效应（1）光电导效应当半导体材料受到光的照射时，如果入射光子的能量大于其禁带宽度，则半导体内载流子数目增多，改变了半导体的电导率，从而使半导体的电阻减小。光敏电阻即属此类。（2）光生伏特效应当半导体的PN结受到光照射时，如果入射光子的能量大于禁带宽度，在PN结两侧便会产生一定方向的电势，这个电势称为光生电动势。光电池属于这一类。7.2光电器件及其特性下页上页返回光电管与光电倍增管光敏电阻光敏二极管和光敏三极管光电池图库7.2.1光电管与光电倍增管下页上页返回一、构造二、特性

图7-2光电管的结构图、测量电路图7-4光电管的特性图库1．光电特性表示当光电管的阳极电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上光通量φ之间的关系。2．伏安特性当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同光电流的关系叫伏安特性。

3．光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性、暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和有关手册合理选用。光电倍增管的结构及工作原理7.2.2光敏电阻下页上页返回光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长。缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。

图7-5光敏电阻的结构及表示符号图库7.2.3光敏二极管和光敏三极管下页上页返回当二极管和三极管的PN接受到光照射时，通过PN结的电流将增大。光敏二极管和光敏三极管则必须使PN结能受到最大的光照射。

图7-7光敏三极管

图7-6光敏二极管图库7.2.4光电池下页上页返回光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。图7-8光电池的构造和表示符号图库7.5光纤传感器下页上页返回光导纤维光纤传感器的工作原理和典