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1、关于常用传感器与敏感元件课件第一页，讲稿共一百零四页哦 将被测量转换为与之对应的，易检测、易传输或易处理信号的将被测量转换为与之对应的，易检测、易传输或易处理信号的装置，装置，称为称为传感器传感器。直接受被测量作用的元件称为传感器的直接受被测量作用的元件称为传感器的敏感元件敏感元件。传感器处于测试装置的输入端，是测试系统的第一个环节，传感器处于测试装置的输入端，是测试系统的第一个环节，其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类 工程中常用传感器的种类繁多，往往一种物理量可用多种类型的工程中常用传感器
2、的种类繁多，往往一种物理量可用多种类型的传感器来测量，而同一种传感器也可用于多种物理量的测量。传感器来测量，而同一种传感器也可用于多种物理量的测量。按被测物理量的不同分：按被测物理量的不同分：位移传感器、力传感器、温度传感器等。位移传感器、力传感器、温度传感器等。传感器有多种分类方法。传感器有多种分类方法。第二页，讲稿共一百零四页哦按传感器工作原理的不同分：按传感器工作原理的不同分：机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等。机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等。按信号变换特征分：按信号变换特征分：物性型传感器与结构型传感器。物性型传感器与结构型传感器。物性型
3、传感器物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如，水银温度计是利用了水银的热胀冷缩性质；压力测力计利换的。例如，水银温度计是利用了水银的热胀冷缩性质；压力测力计利用的是石英晶体的压电效应等。用的是石英晶体的压电效应等。结构型传感器结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互
4、感的变化。按敏感元件与被测对象之间的能量关系分：按敏感元件与被测对象之间的能量关系分：能量转换型传感器与能量控制型传感器。能量转换型传感器与能量控制型传感器。第三页，讲稿共一百零四页哦按输出信号类型分：按输出信号类型分：模拟式传感器和数字式传感器等。模拟式传感器和数字式传感器等。能量转换型传感器能量转换型传感器，也称，也称无源传感器无源传感器，是直接由被测对象输入能量，是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情况下，使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情况下，由于被测对象与传感器之间的能量交换，必然导致被测对象状态的由于被测对象与传感器之间的
5、能量交换，必然导致被测对象状态的变化和测量误差。变化和测量误差。能量控制型传感器能量控制型传感器，也称，也称有源传感器有源传感器，是从外部供给能量使传感，是从外部供给能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由被测量变化所引起电阻变化来控制电桥输出。电阻温度计、由被测量变化所引起电阻变化来控制电桥输出。电阻温度计、电容式测振仪等均属此种类型。电容式测振仪等均属此种类型。另一类传感器是以外信号另一类传感器是以外信号
6、(由辅助能源产生由辅助能源产生)激励被测对象，传感器激励被测对象，传感器获取的信号是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对象的性获取的信号是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。例如，超声波探伤仪、质或状态。例如，超声波探伤仪、射线测厚仪、射线测厚仪、X X射线衍射仪等。射线衍射仪等。第四页，讲稿共一百零四页哦 需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个，也可能有需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个，也可能有几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式位移传感器几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式位移传感器是位移是位移-电容变化的能量控制型传感器，
7、可以直接测量位移。而电电容变化的能量控制型传感器，可以直接测量位移。而电容式压力传感器，则经过压力容式压力传感器，则经过压力-膜片弹性变形膜片弹性变形(位移位移)-)-电容变化的转电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量换过程。此时膜片是一个由机械量-机械量的换能件，由它实现第一次机械量的换能件，由它实现第一次变换；同时它又与另一极板构成电容器，用来完成第二次转换。再如电变换；同时它又与另一极板构成电容器，用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速度计（也称力反馈式加速度计），实际上是一个具有闭容型伺服式加速度计（也称力反馈式加速度计），实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统。这种传感器较一般
8、开环式传感器具有更高的精环回路的小型测量系统。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。确度和稳定性。第五页，讲稿共一百零四页哦表表3-13-1汇总了机械工程中常用传感器的基本类型及其名称、被测量、性能指标等。汇总了机械工程中常用传感器的基本类型及其名称、被测量、性能指标等。第六页，讲稿共一百零四页哦第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器 机械式传感器应用很广。在测试技术中，常常以弹性体作为传感器的机械式传感器应用很广。在测试技术中，常常以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，而输出则为弹性敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，
9、而输出则为弹性元件本身的弹性变形元件本身的弹性变形(或应变或应变)。这种变形可转变成其他形式的变量。这种变形可转变成其他形式的变量。例如被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量例如被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。的大小。优点优点：具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观：具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。等。缺点缺点：惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。：惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。近年来，在自动检测、自动控制技术中广泛应用的近年来，在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型探测开微型探测开
10、关关亦被看做机械式传感器。这种开关能把物体的运动、位置或尺寸变化，亦被看做机械式传感器。这种开关能把物体的运动、位置或尺寸变化，转换为接通、断开信号。转换为接通、断开信号。第七页，讲稿共一百零四页哦a a）测力计）测力计 b b）压力计）压力计 c c）温度计）温度计 第八页，讲稿共一百零四页哦a a）测力计）测力计 b b）压力计）压力计 c c）温度计）温度计 第九页，讲稿共一百零四页哦11工件工件 22电磁铁电磁铁 33导槽导槽 44簧片开关簧片开关 55电极电极 66惰性气体惰性气体 77簧片簧片 第十页，讲稿共一百零四页哦第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器
11、 一、电阻式传感器一、电阻式传感器 电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按其工电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为作原理可分为变阻器式变阻器式和和电阻应变式电阻应变式两类。两类。1 1变阻器式传感器变阻器式传感器 a a）直线位移型）直线位移型 b b）角位移型）角位移型 c c）非线性型）非线性型 第十一页，讲稿共一百零四页哦 变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻的变化。其表达式为的变化。其表达式为 直线位移型直线位移型 灵敏度灵敏度 角位移型角位移型 灵敏度灵敏度第
12、十二页，讲稿共一百零四页哦非线性型非线性型为了使输出电阻值为了使输出电阻值 与与 呈呈线性关系线性关系，变阻器骨架应做成直角三，变阻器骨架应做成直角三角形。角形。变阻器骨架应做成抛物线形。变阻器骨架应做成抛物线形。变阻器式传感器的后接变阻器式传感器的后接电路一般采用电阻分压电路一般采用电阻分压电路。电路。优点优点：是结构简单、性能稳定、使用方便。：是结构简单、性能稳定、使用方便。缺点缺点：是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。：是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。第十三页，讲稿共一百零四页哦应用应用：用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器：用于线位移、角位移测量，在测量仪器
13、中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。或电子电位差计等。2 2电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可分为电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式金属电阻应变片式与与半导体应变片式半导体应变片式两类。两类。（1 1）金属电阻应变片）金属电阻应变片 工作原理工作原理：应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。：应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片 1 1一电阻丝一电阻丝 22基片基片 3 3一覆盖层一覆盖层 44引出线引出线 第十四页，讲稿共一百零四页哦金属箔式应变片金属箔式应变片 a a）单轴）单轴 b b）测扭矩）测扭矩 c c）多轴）多轴 d d）
14、平行轴多栅）平行轴多栅 e e）同轴多栅）同轴多栅 电阻丝的电阻值电阻丝的电阻值 电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化 或或第十五页，讲稿共一百零四页哦 是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种材料，是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种材料，项是常数。项是常数。项则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的，对于金属丝来项则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的，对于金属丝来说，是很小的，可忽略。上式可简化为说，是很小的，可忽略。上式可简化为 灵敏度灵敏度 第十六页，讲稿共一百零四页哦一般市售电阻应变片的标准阻值有一般市售电阻应变
15、片的标准阻值有6060、120120、350350、600600和和10001000等。其中以等。其中以120120最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。选定。优点优点：体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。：体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。应用应用：用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。：用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。缺点缺点：温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。：温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。（2 2）半导体应变片）半导体应变片 11胶膜衬底胶膜衬底 2P-Si 32
16、P-Si 3内引线内引线 44焊接板焊接板 55外引线外引线 第十七页，讲稿共一百零四页哦工作原理工作原理:是基于半导体材料的是基于半导体材料的压阻效应压阻效应。压阻效应压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，原子是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率从而引起电阻率 变化的现象。变化的现象。在电阻相对变化的表达式中，在电阻相对变化的表达式中，项是由几何尺寸变化引起项是由几何尺寸变化引起的，的，是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言，是由于电
17、阻率变化而引起的。对半导体而言，项远远项远远大于大于 项，它是半导体应变片的主要部分，故项，它是半导体应变片的主要部分，故电阻相对变电阻相对变化的表达式化的表达式可简化为可简化为 灵敏度灵敏度第十八页，讲稿共一百零四页哦优点优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等特点体积小等特点。缺点缺点：温度稳定性能差、灵敏度离散度大，非线性误差大等。：温度稳定性能差、灵敏度离散度大，非线性误差大等。应用应用：用于压力、加速度等参数的测量。：用于压力、加速度等参数的测量。电阻应变式传感器有以下两种电阻应变式传感器有以下两种应用方式应用方式：1)1)直接用来测定结构的
18、应变或应力。直接用来测定结构的应变或应力。2 2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。等物理参数的传感器。3 3固态压阻式传感器固态压阻式传感器 工作原理工作原理:是基于半导体材料的是基于半导体材料的电阻效应电阻效应。第十九页，讲稿共一百零四页哦 固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料，按一定晶向将固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料，按一定晶向将P P型杂型杂质扩散到质扩散到N N型硅底层上，形成一层极薄的导电型硅底层上，形成一层极薄的导电P P型层。此型层。此P P型层就相型层就相当于半导体应变片中
19、的电阻条，连接引线后就构成了扩散型半导当于半导体应变片中的电阻条，连接引线后就构成了扩散型半导体应变片。由于基底体应变片。由于基底(硅片硅片)与敏感元件与敏感元件(导电层导电层)互相渗透，结合紧互相渗透，结合紧密，所以基本上为一体。在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形密，所以基本上为一体。在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形状，如圆形杯或长方形梁等。这时基底就是状，如圆形杯或长方形梁等。这时基底就是弹性元件弹性元件，导电层就是，导电层就是敏敏感元件感元件。当有机械力作用时，硅片产生应变，使导电层发生电。当有机械力作用时，硅片产生应变，使导电层发生电阻变化。一般这种元件做成按一定晶向扩散
20、、四个电阻组成的阻变化。一般这种元件做成按一定晶向扩散、四个电阻组成的全桥形式，在外力作用下，电桥产生相应的不平衡输出。全桥形式，在外力作用下，电桥产生相应的不平衡输出。应用应用：固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。：固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。4 4典型动态电阻应变仪典型动态电阻应变仪 第二十页，讲稿共一百零四页哦第二十一页，讲稿共一百零四页哦二、电容式传感器二、电容式传感器 1 1变换原理变换原理 电容式传感器电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置，它实质上是是将被测物理量转换为电容量变化的装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。一个具有可变参数的电容器。平
21、行极板电容器的电容量平行极板电容器的电容量 根据电容器变化的参数，电容器可分为根据电容器变化的参数，电容器可分为极距变化型极距变化型、面积变化型面积变化型和和介质变化型介质变化型三类。三类。（1 1）极距变化型）极距变化型 第二十二页，讲稿共一百零四页哦a a）极距变化）极距变化 b b）输出特性）输出特性 灵敏度灵敏度第二十三页，讲稿共一百零四页哦 为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件(如电如电源电压、环境温度等源电压、环境温度等)的变化对测量精确度的影响，常常采用的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式差动式。优点优点：可进行
22、动态非接触式测量，灵敏度高。：可进行动态非接触式测量，灵敏度高。缺点缺点：非线性误差大、杂散电容对灵敏度和测量精确度有影响，配用的非线性误差大、杂散电容对灵敏度和测量精确度有影响，配用的电子线路较复杂。电子线路较复杂。应用应用：适用于较小位移：适用于较小位移(0(001m01m数百微米数百微米)的测量。的测量。（2 2）面积变化型）面积变化型 角位移型角位移型 灵敏度灵敏度 第二十四页，讲稿共一百零四页哦a a）角位移型）角位移型 b b）平面线位移型）平面线位移型 c c）柱体线位移型）柱体线位移型1 1动板动板 2 2定板定板平面线位移型平面线位移型 灵敏度灵敏度第二十五页，讲稿共一百零四
23、页哦圆柱体线位移型圆柱体线位移型 灵敏度灵敏度优点优点：输出与输入成线性关系。：输出与输入成线性关系。缺点缺点：灵敏度较低：灵敏度较低 。应用应用：适用于较大直线位移及角位移测量。：适用于较大直线位移及角位移测量。（3 3）介质变化型）介质变化型 灵敏度灵敏度第二十六页，讲稿共一百零四页哦a a）介质厚度、温度、湿度计）介质厚度、温度、湿度计 b b）介质液位计）介质液位计 应用应用：测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。：测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。2 2测量电路测量电路 电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后，由后续电容传感器将被测物理量转换为电容量的变
24、化以后，由后续电路转换为电压、电流或频率信号。电路转换为电压、电流或频率信号。第二十七页，讲稿共一百零四页哦（1 1）电桥型电路）电桥型电路 将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。出，通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。（2 2）直流极化电路）直流极化电路 第二十八页，讲稿共一百零四页哦（3 3）谐振电路）谐振电路（4 4）调频电路）调频电路 第二十九页，讲稿共一百零四页哦三、电感式传感器三、电感式传感器 电感式传感器电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的
25、一种装置，其变是把被测量转换为电感量变化的一种装置，其变换是基于换是基于电磁感应原理电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分为自感型。按照变换方式的不同，可分为自感型(包括包括可变磁阻式与涡流式可变磁阻式与涡流式)与互感型与互感型(差动变压器式差动变压器式)。1 1自感型自感型（1 1）可变磁阻式）可变磁阻式 a a）可变磁阻结构）可变磁阻结构 b b）特性曲线）特性曲线1 1一线圈一线圈 22铁心铁心 3 3一衔铁一衔铁 灵敏度灵敏度第三十页，讲稿共一百零四页哦a a）可变导磁面积型）可变导磁面积型 b b）差动型）差动型 c c）单螺管线圈型）单螺管线圈型 d d）双螺管线圈差动型）双螺管线
26、圈差动型 第三十一页，讲稿共一百零四页哦a a）电桥电路）电桥电路 b b）输出特性）输出特性 双螺管线圈差动型，较之单螺管型有较高灵敏度及线性，被用于双螺管线圈差动型，较之单螺管型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，常用测量范围为电感测微计上，常用测量范围为0 0300m300m，最小分辨力为，最小分辨力为0 05m5m。第三十二页，讲稿共一百零四页哦（2 2）涡流式）涡流式 一块一块金属导体置于一只扁平线圈附近，相互间距为金属导体置于一只扁平线圈附近，相互间距为x x。当线圈中通。当线圈中通有高频交变电流有高频交变电流i i1 1时，在线周围产生交变磁通时，在线周围产生交变磁通1 1；
27、此交变磁通；此交变磁通1 1通通过邻近的金属导体产生感应电流过邻近的金属导体产生感应电流i i2 2（这种电流在金属体内是闭合的，（这种电流在金属体内是闭合的，称之为称之为“涡电流涡电流”）。涡电流）。涡电流i i2 2也将产生交变磁通也将产生交变磁通2 2。根据楞次定律，。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，即涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，即2 2总是抵抗总是抵抗1 1的变化；从而使线圈中的电流的变化；从而使线圈中的电流i i1 1的大小和相位均发生变化，即线圈中的大小和相位均发生变化，即线圈中的等效阻抗发生变化。这就是电涡流效应。的等效阻抗发生变化。这就是电
28、涡流效应。线圈等效阻抗的线圈等效阻抗的变化程度变化程度与线圈的半径与线圈的半径r r，激励电流，激励电流i i1 1的的频率频率、金属导体的电阻率金属导体的电阻率、磁、磁导率导率以及以及线圈到金属板间距离线圈到金属板间距离x x等有关等有关。电涡流效应电涡流效应 当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如，变化当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如，变化x x，可作为位移、振动测量；变化，可作为位移、振动测量；变化或或值，可作为材质鉴别或探伤等。值，可作为材质鉴别或探伤等。第三十三页，讲稿共一百零四页哦等效电路分析等效电路分析第三十四页，讲稿共一百零四页哦由上式可看出：由于
29、涡流效应的作用，线圈的阻抗由由上式可看出：由于涡流效应的作用，线圈的阻抗由变成了变成了 ，比较，比较Z Z0 0与与Z Z可知：电涡流影响的结果使等效阻可知：电涡流影响的结果使等效阻抗抗Z Z的实部增大，虚部减小。即等效品质因数的实部增大，虚部减小。即等效品质因数Q Q值减小了，即涡电流值减小了，即涡电流会消耗电能，在导体中产生热量。会消耗电能，在导体中产生热量。第三十五页，讲稿共一百零四页哦 涡流式传感器的测量电路分压式调幅电路及调频电路涡流式传感器的测量电路分压式调幅电路及调频电路。传感器线圈传感器线圈和电容组成并联谐振回路，其谐振频率为和电容组成并联谐振回路，其谐振频率为 分压式调幅电路
30、分压式调幅电路 由振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电源由振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电源频率相同时，输出电压频率相同时，输出电压 最大。测量时，传感器线圈阻抗最大。测量时，传感器线圈阻抗 随间隙随间隙 而改变，而改变，LCLC回路失谐，输出信号回路失谐，输出信号 频率虽然仍为振荡器的频率虽然仍为振荡器的工作频率工作频率 ，但幅值随，但幅值随 而变化，它相当于一个被而变化，它相当于一个被 调制的调幅波，再调制的调幅波，再经放大、检波、滤波后，即可以得到间隙经放大、检波、滤波后，即可以得到间隙 的动态变化信息。的动态变化信息。第三十六页，讲稿共一百零四页哦第三十七页，讲
31、稿共一百零四页哦调频电路调频电路 调频电路是将传感器线圈接入调频电路是将传感器线圈接入LCLC振荡回路，与调幅法不同之处是振荡回路，与调幅法不同之处是取回路的谐振频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离取回路的谐振频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离 发生发生变化时，将引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率变化时，将引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率 发生变化，发生变化，再通过鉴频器进行频率再通过鉴频器进行频率-电压转换，即可得到与电压转换，即可得到与 成比例的输出电成比例的输出电压。压。优点优点：动态非接触测量、分辨力高（：动态非接触测量、分辨力高（0 01m)1m)、结构简
32、单、使用方便、结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等。不受油污等介质的影响等。缺点缺点：测量范围较小、灵敏度受被测材料性质和面积影响。：测量范围较小、灵敏度受被测材料性质和面积影响。第三十八页，讲稿共一百零四页哦应用：应用：电涡流传感器通常可用来测量：电涡流传感器通常可用来测量：位移、振幅；位移、振幅；转速；转速；表面裂纹、厚度；表面裂纹、厚度；材料分选、表面不平度等，还可以进行零件计数。材料分选、表面不平度等，还可以进行零件计数。电涡流传感器在使用时应保证被测导体的面积要比线圈的面积大，否电涡流传感器在使用时应保证被测导体的面积要比线圈的面积大，否则灵敏度下降。另外，对于不同的材料，由于
33、磁导率、电导率不同，也会则灵敏度下降。另外，对于不同的材料，由于磁导率、电导率不同，也会导致灵敏度不同，因此，在使用前应对传感器进行导致灵敏度不同，因此，在使用前应对传感器进行标定标定。第三十九页，讲稿共一百零四页哦a a）径向振摆测量）径向振摆测量 b b）轴心轨迹测量）轴心轨迹测量 c c）转速测量）转速测量d d）穿透式测厚）穿透式测厚 e e）零件计数器）零件计数器 f f）表面裂纹测量）表面裂纹测量第四十页，讲稿共一百零四页哦2 2互感型互感型差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器 工作原理：工作原理：这种传感器利用了电磁感应中的互感现象，实质上就是一个这种传感器利用了电磁感应
34、中的互感现象，实质上就是一个变压器变压器。其一次侧线圈接入稳定交流电源，二次侧线圈感应产生。其一次侧线圈接入稳定交流电源，二次侧线圈感应产生输出电压。当被测参数使互感输出电压。当被测参数使互感 变化时，二次侧线圈输出电压也产生相变化时，二次侧线圈输出电压也产生相应变化。由于常常采用两个二次侧线圈组成差动式，故又称为应变化。由于常常采用两个二次侧线圈组成差动式，故又称为差动变压差动变压器式传感器器式传感器。实际应用较多的是螺管形差动变压器。实际应用较多的是螺管形差动变压器。第四十一页，讲稿共一百零四页哦传感器开路输出电压为两次级线圈感应电动势之差传感器开路输出电压为两次级线圈感应电动势之差测量电
35、路：测量电路：一般采用反串电路和桥路两种。下图是一种用于小位移一般采用反串电路和桥路两种。下图是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。测量的差动相敏检波电路工作原理图。第四十二页，讲稿共一百零四页哦优点优点：精确度高（最高分辨力可达：精确度高（最高分辨力可达0 01m1m）、线性范围大（可扩）、线性范围大（可扩展到展到100mm100mm）、稳定性好和使用方便。）、稳定性好和使用方便。缺点缺点：实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。：实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。应用应用：广泛用于直线位移测定。借助于弹性元件可以将压力、重量等物理：广泛用于直线位移测定。借助于弹性元件
36、可以将压力、重量等物理量转换为位移的变化，故也将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。量转换为位移的变化，故也将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。第四十三页，讲稿共一百零四页哦第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器 一、磁电式传感器一、磁电式传感器 工作原理工作原理：根据电磁感应定理，一个匝数为根据电磁感应定理，一个匝数为W W的线圈，当穿过该线圈的的线圈，当穿过该线圈的磁通磁通发生变化时，其感应电动势的大小为：发生变化时，其感应电动势的大小为：线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁
37、通变化率与变化率与磁场强度磁场强度、磁路磁阻磁路磁阻、线圈的运动速度线圈的运动速度有关，故若改变其中有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按照结构不同，磁电式传感一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按照结构不同，磁电式传感器可分为器可分为动圈式动圈式与与磁阻式磁阻式。1 1动圈式动圈式 动圈式又可分为动圈式又可分为线速度型线速度型与与角速度型角速度型。第四十四页，讲稿共一百零四页哦a a）线速度型）线速度型 b b）角速度型）角速度型线速度型线速度型角速度型角速度型第四十五页，讲稿共一百零四页哦测量电路测量电路 传感器输出电压传感器输出电压注意注意：上面所讨论的：上面所讨论的速
38、度速度指的是线圈与磁场（壳体）的指的是线圈与磁场（壳体）的相对速度相对速度，而不是壳体本身的绝对速度。而不是壳体本身的绝对速度。第四十六页，讲稿共一百零四页哦2 2磁阻式磁阻式 工作原理：工作原理：一般通过改变传感器到被测对象间的一般通过改变传感器到被测对象间的气隙厚度气隙厚度等方法等方法来改变磁路磁阻来改变磁路磁阻。a a）测频数）测频数 b b）测转速）测转速 c c）偏心测量）偏心测量 d d）振动测量）振动测量 第四十七页，讲稿共一百零四页哦二、压电式传感器二、压电式传感器 工作原理工作原理：利用某些物质的压电效应。利用某些物质的压电效应。正压电效应正压电效应：某些物质在沿一定方向受外
39、力的作用而变形时，其内部某些物质在沿一定方向受外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当会产生极化现象，同时它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又恢复到不带电的状态。这种现象称为正压电效应。外力去掉后，它又恢复到不带电的状态。这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时电荷的极性也随之改变。当作用力的方向改变时电荷的极性也随之改变。逆压电效应逆压电效应：当在这种物质的极化方向上施加电场时，其几何尺寸：当在这种物质的极化方向上施加电场时，其几何尺寸也会发生变化。电场去掉后，其变形也随之消失，这种现象称为逆也会发生变化。电场去掉后，其变
40、形也随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。压电效应，或称为电致伸缩效应。1 1压电效应压电效应第四十八页，讲稿共一百零四页哦2 2压电材料压电材料 常用的压电材料大致可分为三类：常用的压电材料大致可分为三类：压电单晶压电单晶、压电陶瓷压电陶瓷和和有机压电有机压电薄膜薄膜。压电单晶压电单晶为单晶体，常用的有为单晶体，常用的有-石英石英(Si0(Si02 2)、铌酸锂、铌酸锂(LiNb0(LiNb03 3)、钽酸、钽酸锂锂(UTa0(UTa03 3)等。除天然石英外，还大量应用人造石英。石英的压电常数不高，等。除天然石英外，还大量应用人造石英。石英的压电常数不高，但具有较好的机械强
41、度和时间、温度稳定性。但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。ZZ光轴光轴YY机械轴机械轴XX电轴电轴 第四十九页，讲稿共一百零四页哦石英晶体切片石英晶体切片 石英晶体的化学式是石英晶体的化学式是Si0Si02 2，是单晶体结构。，是单晶体结构。其的最大特点是其的最大特点是各向异各向异性性。第五十页，讲稿共一百零四页哦当石英晶体切片受当石英晶体切片受X X向压力时，所产生的电荷量与作用力成正比，而与向压力时，所产生的电荷量与作用力成正比，而与切片的几何尺寸无关。切片的几何尺寸无关。压电系数压电系数电荷极性与受力方向有关。电荷极性与受力方向有关。第五十一页，讲稿共一百零四页哦当沿着当沿着Y Y轴
42、方向施加压力时，则仍在与轴方向施加压力时，则仍在与X X轴垂直的平面上轴垂直的平面上产生电荷，产生电荷，产生产生的电荷量与切片的几何尺寸有关，且电荷的极性与沿电轴的电荷量与切片的几何尺寸有关，且电荷的极性与沿电轴X X方向施方向施加压力时产生的电荷极性相反。加压力时产生的电荷极性相反。压电系数压电系数第五十二页，讲稿共一百零四页哦当沿着当沿着Z Z轴方向施加压力时，由于晶体沿轴方向施加压力时，由于晶体沿X X轴和轴和Y Y轴方向产生同样的轴方向产生同样的变形，石英晶体不会产生压电效应，即变形，石英晶体不会产生压电效应，即d d1313=0=0。石英晶体的特性与其内部结构有关。石英晶体的特性与其
43、内部结构有关。第五十三页，讲稿共一百零四页哦压电陶瓷压电陶瓷由许多铁电体的微晶组成，微晶再细分为电畴，因而压电陶瓷是由许多铁电体的微晶组成，微晶再细分为电畴，因而压电陶瓷是许多畴形成的多畴晶体。当加上机械应力时，它的每一个电畴的自发极化许多畴形成的多畴晶体。当加上机械应力时，它的每一个电畴的自发极化会产生变化，但由于电畴的无规则排列，因而在总体上不现电性，没有压会产生变化，但由于电畴的无规则排列，因而在总体上不现电性，没有压电效应。为了获得材料形变与电场呈线性关系的压电效应，在一定温度下电效应。为了获得材料形变与电场呈线性关系的压电效应，在一定温度下对其进行极化处理，即利用强电场对其进行极化处
44、理，即利用强电场(1(14kV4kVmm)mm)使其电畴规则排列，呈使其电畴规则排列，呈现压电性。极化电场去除后，电畴取向保持不变，在常温下可呈压电现压电性。极化电场去除后，电畴取向保持不变，在常温下可呈压电性。压电陶瓷的压电常数比单晶体高得多，一般比石英高数百倍。现性。压电陶瓷的压电常数比单晶体高得多，一般比石英高数百倍。现在的压电元件大多数采用压电陶瓷。如锆钛酸铅在的压电元件大多数采用压电陶瓷。如锆钛酸铅(PZT)(PZT)系列压电陶瓷。系列压电陶瓷。第五十四页，讲稿共一百零四页哦高分子压电薄膜高分子压电薄膜的压电特性并不很好，但它易于大批量生产，且具有面的压电特性并不很好，但它易于大批量
45、生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。其中以积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。其中以聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVdF)(PVdF)最为著名。最为著名。3 3压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路 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。当晶片受到外力作用时，在两个极板上将积聚数量相等、而电极。当晶片受到外力作用时，在两个极板上将积聚数量相等、而极性相反的电荷，形成了电场。因此压电传感器可以看作是一个电极性相反的电荷，形成了电场。因此压电传感器可以看
46、作是一个电荷发生器，又是一个电容器，其电容量荷发生器，又是一个电容器，其电容量C C为为 第五十五页，讲稿共一百零四页哦并接并接实际压电传感器中，往往用两个和两个以上的进行实际压电传感器中，往往用两个和两个以上的进行串接串接或或并接并接。并接时并接时，两晶片负极集中在中间极板上，正电极在两侧的电极上。并接，两晶片负极集中在中间极板上，正电极在两侧的电极上。并接时电容量大、输出电荷量大、时间常数大，宜于测量缓变信号，适宜于时电容量大、输出电荷量大、时间常数大，宜于测量缓变信号，适宜于以电荷量输出的场合。以电荷量输出的场合。等效电荷源等效电荷源第五十六页，讲稿共一百零四页哦由于压电式传感器的输出电
47、信号是很微弱的电荷，而且传感器本身由于压电式传感器的输出电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器前置放大器，经过阻抗变换，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。前置放大器电路的主要作用有两点：一是将传感器的高阻抗输出变换为前置放大器电路的主要作用有两点：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其次是放大传感器
48、输出的微弱电信号。低阻抗输出；其次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：其一是前置放大器电路有两种形式：其一是带电容反馈的带电容反馈的电荷放大器电荷放大器，其输，其输出电压与输入电荷成正比出电压与输入电荷成正比；另一种是；另一种是用电阻反馈的用电阻反馈的电压放大器电压放大器，其输，其输出电压与输入电压（即传感器的输出）成正比出电压与输入电压（即传感器的输出）成正比。电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器，当略去传感器漏电电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器，当略去传感器漏电阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如下图所示。阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如
49、下图所示。第五十七页，讲稿共一百零四页哦如果放大器开环增益足够大，则如果放大器开环增益足够大，则 ，上式可简化，上式可简化为为 第五十八页，讲稿共一百零四页哦电荷放大器的电荷放大器的优点优点是输出电压与传感器的电荷量成正比，并且是输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化。缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化。串接时串接时，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。串接法传感，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。串接法传感器本身电容小、输出电压大，
50、适用于以电压作为输出信号。器本身电容小、输出电压大，适用于以电压作为输出信号。串接串接等效电压源等效电压源第五十九页，讲稿共一百零四页哦电压放大器是一个高增益的运算放大器，当略去传感器漏电阻及电压电压放大器是一个高增益的运算放大器，当略去传感器漏电阻及电压放大器输入电阻时，它的等效电路如下图所示。放大器输入电阻时，它的等效电路如下图所示。第六十页，讲稿共一百零四页哦由于电缆对地电容由于电缆对地电容CcCc比比CaCa和和CiCi都大，故整个测量系统对电缆对地电容都大，故整个测量系统对电缆对地电容CcCc的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态变化会引起的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态变化会引起