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1、机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础授课单位：机电工程学院课时：32学时主讲：邓春萍地点：新校区2012.3.131第三章第三章 常用的传感器常用的传感器本章学习要求：本章学习要求：1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.掌握掌握传感器测量电路传感器测量电路2传感器定义传感器定义 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并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。按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从目前，传感器转换后的信号大多为电
2、信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号的装置。物理量物理量电量电量3传感器的构成传感器的构成 传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。后续仪表接入。43.1 传感器的分类传感器的分类位移位移,力力,温
3、度等温度等.机械式机械式,电气式电气式,光学式光学式,流体式等流体式等.物性型物性型,结构型结构型.能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型.(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类:(2)(2)按工作原理分类按工作原理分类:(3)(3)按信号变换特征按信号变换特征:(4)(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系:5A A 物性型与结构型传感器物性型与结构型传感器物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如例如:水银温度计水银温度计,压电测力计压电测力计.结构型结构型:依靠传感器结
4、构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如例如:电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器.B B 能量转换型和能量控制型传感器能量转换型和能量控制型传感器能量转换型能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作.例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计.能量控制型能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.6常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量:长度长度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋转角旋转角,转数转数
5、,质量质量,重量重量,力力,压力压力,真空度真空度,力矩力矩,风速风速,流速流速,流量流量.声声:声压声压,噪声噪声.磁磁:磁通磁通,磁场磁场.温度温度:温度温度,热量热量,比热比热.光：光：亮度，色彩亮度，色彩.7v机械式传感器通常指以弹性体作为敏感元件，机械式传感器通常指以弹性体作为敏感元件，输出为弹性体弹性变形的传感器，通常用来检输出为弹性体弹性变形的传感器，通常用来检测力、压力、温度等物理量。测力、压力、温度等物理量。3.2 机械式传感器机械式传感器v几种常用的机械式传感器几种常用的机械式传感器(测力计测力计)83.3 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电
6、阻变化的一种是把被测量转换为电阻变化的一种传感器传感器一、一、变阻器式传感器变阻器式传感器按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式变阻器式、电阻应变式.通过改变电位器触头位置，把位移转换为通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。电阻的变化。常用的有直线位移型、角位移型和非线性型等常用的有直线位移型、角位移型和非线性型等9v直线位移直线位移型型传感器的输出传感器的输出(电阻电阻)与输入与输入(位移位移)成正比成正比132直线位移型直线位移型10传感器的输出传感器的输出(电阻电阻)与输入与输入(角位移角位移)成线性关系成线性关系v角位移型角位移型1 2 3 旋转型旋转型1
7、1 传感器的输出传感器的输出(电阻电阻)与输入与输入(位移位移)的关系与变的关系与变阻器的骨架形状有关，可根据需要的输入输出阻器的骨架形状有关，可根据需要的输入输出之间的关系确定变阻器的骨架形状。之间的关系确定变阻器的骨架形状。v非线性型：非线性型：12等效电路分析等效电路分析:132xxpEinEoutRxRLRp-RxR Rp p-总电阻总电阻;x xp p-变阻总长变阻总长;R;RL L负载电阻负载电阻;x-;x-电刷移动量电刷移动量.13变阻器式传感器的优点：变阻器式传感器的优点：(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受
8、环境因素受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；影响小；(3)可以实现输出可以实现输出输入间任意函数关系；输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需放大。输出信号大，一般不需放大。变阻器式传感器的缺点变阻器式传感器的缺点(1)因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；的输入能量；(2)由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；测量精度，所以分辨力较低；(3)动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。动态响应较差，适
9、合于测量变化较缓慢的量。14案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化15二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器电阻应变片式传感器分为金属电阻应变片式和半导体电阻应变片式传感器分为金属电阻应变片式和半导体应变片式。应变片式。可用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。可用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。将被测试件的应变量转换成电阻变化的传感器。将被测试件的应变量转换成电阻变化的传感器。16（一）金属电阻应变片（一）金属电阻应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变金属电阻应变片的工作原理是基于
10、金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电效应，即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)的变化而发生变的变化而发生变化的现象。化的现象。17 金属应变片有金属应变片有:丝式、箔式和薄膜式丝式、箔式和薄膜式 优点优点:稳定性和温稳定性和温 度特性好度特性好.缺点缺点:灵敏度小灵敏度小.18电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R为为-电阻丝轴向相对电阻丝轴向相对变形，即纵向应变变形，即纵向应变-电阻丝径向相对电阻丝径向相对变形，即横向应变变形，即横向应变轴向伸长时，必轴向伸
11、长时，必沿径向缩小，有沿径向缩小，有电阻丝材料的电阻丝材料的泊桑比泊桑比E E：弹性模量；：弹性模量；：压阻系数：压阻系数电阻丝电阻率相对电阻丝电阻率相对变化与轴向所受正变化与轴向所受正压力压力有关。有关。19对金属材料而言，对金属材料而言，相对相对很小，可忽略很小，可忽略较小，一般在较小，一般在1.71.73.63.6之间之间为应变片的应变系数或灵敏度为应变片的应变系数或灵敏度20（二）半导体应变（二）半导体应变片片q半导体应变片的使用方法与金属应变片相同，但半导体应变片的使用方法与金属应变片相同，但其工作原理是基于半导体材料的压阻效应，即单其工作原理是基于半导体材料的压阻效应，即单晶半导体
12、材料在沿某一轴向受到外力作用时，其晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。电阻率发生变化的现象。q与金属应变片基于材料的几何尺寸变形的工作原与金属应变片基于材料的几何尺寸变形的工作原理不同。理不同。q半导体压阻效应的物理本质：单晶半导体在外半导体压阻效应的物理本质：单晶半导体在外力的作用下，原子的点阵排列规律发生变化，力的作用下，原子的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，从而导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。引起电阻率的变化。721q半导体应变片的灵敏度半导体应变片的灵敏度对半导体而言，对半导体而言，远远大于远远大于因此，忽
13、略因此，忽略这一值比金属应变片大这一值比金属应变片大50507070倍倍22 半导体应变片的特点半导体应变片的特点（1）体积小，灵敏度高，有时传感器的输出不需放大）体积小，灵敏度高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量可直接用于测量，横向效应小；横向效应小；（2）半导体温度系数大，需要温度补偿；）半导体温度系数大，需要温度补偿；（3）灵敏度的非线性较大。）灵敏度的非线性较大。23（三）电阻应变式传感器的应用（三）电阻应变式传感器的应用q两种应用方式两种应用方式直接用来测定结直接用来测定结构的应变或应力构的应变或应力24粘贴在弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加粘贴在弹性元件上，作为测量力、
14、位移、压力、加速度等物理量的传感器。速度等物理量的传感器。25采用单晶硅做成的悬臂梁式弹性元件，采用平面扩散工艺技采用单晶硅做成的悬臂梁式弹性元件，采用平面扩散工艺技术，在它上面形成四个性能一致的电阻，构成全桥；在梁的术，在它上面形成四个性能一致的电阻，构成全桥；在梁的自由段连接敏感质量块，组成悬臂梁应变式加速度传感器。自由段连接敏感质量块，组成悬臂梁应变式加速度传感器。26q电阻应变片测出的是构件或弹性元件的应变，电阻应变片测出的是构件或弹性元件的应变，而不是应力。只有通过换算，才能得到相应的而不是应力。只有通过换算，才能得到相应的应力、力和位移。应力、力和位移。q粘合剂和粘合技术对测量结果
15、有着直接影响。粘合剂和粘合技术对测量结果有着直接影响。因此，粘合剂的选择、粘合前试件表面的清理、因此，粘合剂的选择、粘合前试件表面的清理、粘合的方法和粘合后的固化处理、防潮处理应粘合的方法和粘合后的固化处理、防潮处理应认真对待。认真对待。q应变片用于动态测试时，应考虑应变片本身的应变片用于动态测试时，应考虑应变片本身的动态响应特性。动态响应特性。q应注意应变片工作温度对应变片阻值的影响。应注意应变片工作温度对应变片阻值的影响。27案例：案例：电子秤电子秤原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。应用应用28（四）测量电路（四）测量电路（4.14.1电桥电桥）电桥是将电阻、
16、电感、电容等电参量的变化电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出既可用仪表直接测量，也可以送入放大器进行既可用仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。放大。电桥的电路形式简单，具有较高的精确度和电桥的电路形式简单，具有较高的精确度和灵敏度，因此在测量装置中被广泛应用。灵敏度，因此在测量装置中被广泛应用。29 电桥的分类电桥的分类 按其激励电压的性质分直流电桥和交流电桥。按其输出方式分不平衡桥式电路和平衡桥式电路730一、直流电桥一、直流电桥U U0 0U Uy ya ab bc cd dR R1 1R R4 4R R
17、2 2R R3 3 1.工作原理工作原理要使电桥平衡，输出为零，应满足：或或31 2.直流电桥的分类直流电桥的分类根据工作中，电阻值参与变化的桥臂数分为半桥式连接和全桥式连接U U0 0U Uy ya ab bc cd dR R1 1R R4 4R R2 2R R3 332（1）半桥单臂联接半桥单臂联接R1=R2=R3=R4=R0其灵敏度为：b bU U0 0U Uy ya ac cd dR R1 1R RR R4 4R R2 2R R3 333 特点：特点：1.需高精度的直流电源需高精度的直流电源 2.有非线性误差有非线性误差34（2）半桥双臂联接半桥双臂联接b bU U0 0U Uy ya
18、 ac cd dR R1 1 R RR R4 4R R2 2 R RR R3 335半桥双臂与半桥单臂相比，有：半桥双臂与半桥单臂相比，有：1.1.灵敏度提高一倍，且是线性的。灵敏度提高一倍，且是线性的。2.2.具有温度补偿功能。具有温度补偿功能。36灵敏度比半桥双臂提高灵敏度比半桥双臂提高一倍，无非线性误差；一倍，无非线性误差；具有温度补偿作用。具有温度补偿作用。（3）全桥联接全桥联接U U0 0b bU Uy ya ac cd dR R1 1 R RR R4 4 R RR R2 2 R RR R3 3 R R37 以以上上电电桥桥是是在在不不平平衡衡条条件件下下工工作作的的，其其输输出出与
19、与电电源源及及其其它它电电阻阻值值有有关关，所所以以当当电电源源不稳定就会产生测量误差。不稳定就会产生测量误差。平衡电桥可以有效地解决这一问题平衡电桥可以有效地解决这一问题 电桥接法不同，输出电压也不同。电桥接法不同，输出电压也不同。半桥单臂灵敏度最小，半桥双臂提高一半桥单臂灵敏度最小，半桥双臂提高一倍，倍，全桥接法，灵敏度最大，因而激励全桥接法，灵敏度最大，因而激励电压相同的条件下，输出电压最大。电压相同的条件下，输出电压最大。38平衡电桥平衡电桥 H的的标标度度与与桥桥臂臂电电阻阻值值的的变变化化成成比比例例，故故H的的指指示示值值可可以以直直接接表表达达被被测测量量的的数数值值。这这种种
20、测测量量法法的的特特点点是是在在读读数数时时电电表表G始始终终指指零零，因因此此为为“零零位位测测量量法法”，其其测测量量误误差差取取决决于于可可调调电电位位器器的的精确度精确度一一般般静静态态应应变变仪仪往往往往采采用用这这种种平平衡衡电电桥桥，并并以以手手动动实实现现平平衡衡。在在电电子子电电位位差差计计或或X-Y记记录录仪仪中中，通通常常是是以以伺伺服服电电动动机机来来调调整整电电位位器器的的位位置，实现自动调节器平衡。置，实现自动调节器平衡。39平衡电桥和不平衡电桥精度的影响因素平衡电桥和不平衡电桥精度的影响因素因不平衡电桥的输出电压与激励电压有关，故其精度受激励电压的稳定性的影响。平
21、衡电桥因电桥最终输出为零，其输出与电桥激励电压无关，故其测量精度只与可调电位器的精度有关。负载影响小。40二、二、交流电桥交流电桥 一般而言，电桥输出电压极小，需加放大器，但通用直流放大器容易产生零漂，因此目前通常采用交流放大器，这时电桥需采用交流电源供电。411 交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件交流电桥的四个臂可为电感、电容或电阻，交流电桥的四个臂可为电感、电容或电阻，此时电桥平衡时应满足此时电桥平衡时应满足交流电桥平衡满足交流电桥平衡满足:相对两臂阻抗之模的乘相对两臂阻抗之模的乘积相等且其阻抗角之和也相等。积相等且其阻抗角之和也相等。则电桥平衡时必须同时满足以下两式：则电桥平衡时必须同
22、时满足以下两式：42 为为满满足足交交流流电电桥桥的的平平衡衡条条件件，交交流流电电桥桥各各臂臂有有不不同同的的组组合合，常常用用的的电电容容、电电感感电电桥桥，其其相相邻邻两两臂臂接接入入电电阻阻，而而另另外外两两臂臂接接相相同同性性质质的的阻阻抗抗以以保保持持阻抗角相同。阻抗角相同。43对对于于右右图图所所示示电电容容电电桥桥，R1R1、R4R4为为电电容容介介质质损损耗耗的的等效电阻。平衡条件等效电阻。平衡条件实部虚部分别相等，则：实部虚部分别相等，则：442.交流电桥的平衡调节交流电桥的平衡调节电桥起始时，很难保证处于平衡状态，产生零位输出，所以必须设置调平衡电路。45交流电桥的激励电
23、压均采用单一频率的正弦电压。3.交流电桥的激励电压交流电桥的激励电压46将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥三、三、带感应耦合臂电桥带感应耦合臂电桥473.4 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。转化为电感量的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型48（一）可变磁阻式（一）可变磁阻式一、自感型一、自感型可变磁阻式传感器：将被测量的变化转变为磁可变磁阻式传感器：将被测量的变化转变为磁路磁阻的
24、变化，进而转换为电感量的变化。路磁阻的变化，进而转换为电感量的变化。v可变磁阻式的组成及工作原理可变磁阻式的组成及工作原理由线圈、铁由线圈、铁心和衔铁组心和衔铁组成成49铁芯线圈电路中，线圈自感量铁芯线圈电路中，线圈自感量L为：为：i磁通量磁通量磁通势磁通势=电流电流*线圈匝数线圈匝数磁路磁阻磁路磁阻所以所以原理原理:50L：线圈的电感量；线圈的电感量；W：线圈的匝数；线圈的匝数；Rm:磁路的总磁阻；磁路的总磁阻；：铁心和衔铁的磁导率；：铁心和衔铁的磁导率；l:铁心和衔铁总导磁长度；铁心和衔铁总导磁长度；0：空气的磁导率；：空气的磁导率；：气隙长度；：气隙长度；A：铁心导磁截面积；：铁心导磁截
25、面积；A0：空气隙空气隙导磁截面积。导磁截面积。铁心磁阻远小于空气隙的磁阻铁心磁阻远小于空气隙的磁阻51变气隙变气隙 式式灵敏度为灵敏度为越小，灵敏度越小，灵敏度越高。为减小线越高。为减小线性误差，常规定性误差，常规定在较小间隙范围在较小间隙范围内工作。适用于内工作。适用于较小位移的测量，较小位移的测量，一般约为一般约为0.0010.001 1mm.1mm.52 输出电感量与气隙输出电感量与气隙 成反比，与气隙导磁截面积成反比，与气隙导磁截面积A0成正比。成正比。灵敏度与气隙灵敏度与气隙 的平方成反比，的平方成反比，愈小，灵敏度愈小，灵敏度越高。越高。如以气隙如以气隙 为输入量，为输入量，因灵
26、敏度不是常数，故会因灵敏度不是常数，故会出现线性误差，这限制了传感器的工作范围。出现线性误差，这限制了传感器的工作范围。可变磁阻式传感器的特点可变磁阻式传感器的特点53v可变导磁面积型可变导磁面积型54v差动型差动型衔铁移动时，衔铁移动时，一个线圈自感增一个线圈自感增加，另一个线圈加，另一个线圈自感减少。自感减少。将两线圈接将两线圈接于电桥的相邻桥于电桥的相邻桥臂时，其输出灵臂时，其输出灵敏度可增加一倍。敏度可增加一倍。55差动型的特点：差动型的特点：1.灵敏度提高一倍；灵敏度提高一倍；2.非线性误差减小，差动式的线性度非线性误差减小，差动式的线性度得到明显改善；得到明显改善；3.两边结构对称
27、，温度引起的误差可两边结构对称，温度引起的误差可相互补偿掉。相互补偿掉。56v单螺管线圈型单螺管线圈型结构简单，结构简单，制造容易。制造容易。灵敏度低，灵敏度低，适用于较大适用于较大位移位移(数毫米）数毫米）的测量。的测量。57v双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型灵敏度高，线灵敏度高，线性度好。性度好。双螺管线圈差动测量电路测量电路采用电桥采用电桥电路，如电路，如图为带感图为带感应耦合的应耦合的电桥。电桥。858（二）涡流式（二）涡流式1.原理：原理：金属体在可变磁场中的金属体在可变磁场中的涡流效应涡流效应 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化
28、的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，叫涡电流，此现象称为电涡流效应呈涡旋状的感应电流，叫涡电流，此现象称为电涡流效应59原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：涡流传感器的原理：线圈中通高频电流，产生涡流传感器的原理：线圈中通高频电流，产生，贯通导体，导体内产生电涡流，电涡流产贯通导体，导体内产生电涡流，电涡流产生相反的生相反的1 1 使线圈阻抗改变使线圈阻抗改变。由于线圈的阻抗不仅与线圈金属板间的距离有由于线圈的阻抗不仅与线圈金属板间的距离有关，还与金属板的电阻率和磁导率以及线圈激磁角关，还与金属板的电
29、阻率和磁导率以及线圈激磁角频率有关，因此，涡流传感器可以用来测量位移和频率有关，因此，涡流传感器可以用来测量位移和振动、鉴别材质或探伤振动、鉴别材质或探伤。602.涡流式传感器的测量电路涡流式传感器的测量电路阻抗分压式阻抗分压式调幅电路调幅电路涡流式传感器的测量电路有：阻抗分压式调幅电路及调频电路。涡流式传感器的测量电路有：阻抗分压式调幅电路及调频电路。6162调频电路调频电路与与调幅法不同的是以回路的谐振频率作为输调幅法不同的是以回路的谐振频率作为输出量。再通过鉴频电路进行频率出量。再通过鉴频电路进行频率电压转换，电压转换，从而得到与距离成比例的输出电压。从而得到与距离成比例的输出电压。2.
30、涡流式传感器的测量电路涡流式传感器的测量电路633.涡流式传感器的特点涡流式传感器的特点结构简单、使用方便；结构简单、使用方便；可非接触测量；可非接触测量；不受油液介质影响，抗干扰能力强。不受油液介质影响，抗干扰能力强。位移、力、振动测量，测厚位移、力、振动测量，测厚,材质判别，探伤。材质判别，探伤。4.应用：应用：64案例：案例：无损探伤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65案例：案例：测厚测厚案例：案例：零件计数零件计数66二、互感型差动变压器二、互感型差动变压器工作原理工作原理:利用电磁感应中的互感现象。将被测物理量利用电磁感应中的互感现象。将被
31、测物理量的变化转换成线圈互感的变化。的变化转换成线圈互感的变化。当线圈当线圈W1W1输入交流电流输入交流电流时，线圈时，线圈2 2产生感应电产生感应电动势，其大小与电流动势，其大小与电流i1 1的变化率成正比的变化率成正比 M M，比例系数，称为互感（比例系数，称为互感（H H），），其大小与两线圈相对位置及周围其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的耦合程度。介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的耦合程度。其实质是一个变压器，当初级线圈接入稳定交流电，被测参数使其实质是一个变压器，当初级线圈接入稳定交流电，被测参数使互感互感M M变化时，次级输出电压随着
32、变化。由于常采用两个次级线圈组变化时，次级输出电压随着变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称为成差动式，故又称为差动变压器差动变压器式传感器。式传感器。67WW1W2结构结构:由初级线圈，两个由初级线圈，两个对称的次级线圈，对称的次级线圈，骨架，衔铁组成。骨架，衔铁组成。两个参数完全相同的次级线圈两个参数完全相同的次级线圈W1和和W2反极性串联。反极性串联。68差动变压器是一种互感型电感式传感器，其结构类似差动变压器是一种互感型电感式传感器，其结构类似于变压器，由初级线圈、次级线圈和铁芯组成，铁芯于变压器，由初级线圈、次级线圈和铁芯组成，铁芯是活动的，初级线圈与次级线圈之间耦合的紧密程
33、度是活动的，初级线圈与次级线圈之间耦合的紧密程度受到铁芯位置的影响。在初级线圈加固定交变电压，受到铁芯位置的影响。在初级线圈加固定交变电压，次级线圈的输出电压幅值与铁芯的位置有一定的关系，次级线圈的输出电压幅值与铁芯的位置有一定的关系，从而将铁芯的位置信号转变为输出电压信号。由于常从而将铁芯的位置信号转变为输出电压信号。由于常常采用两个次级线圈组成差动方式，即当铁芯的位置常采用两个次级线圈组成差动方式，即当铁芯的位置朝某一方向运动时一个次级输出的电压幅值增加而另朝某一方向运动时一个次级输出的电压幅值增加而另一个输出的幅值减小，当铁芯的运动方向改变时，两一个输出的幅值减小，当铁芯的运动方向改变时
34、，两个次级线圈电压幅值的增减也正好相反，因此这种传个次级线圈电压幅值的增减也正好相反，因此这种传感器被称作差动变压器式传感器。感器被称作差动变压器式传感器。差动变压器式传感器的工作原理：差动变压器式传感器的工作原理：969 输出电压输出电压e0是两个次级线圈感应电压之差，即是两个次级线圈感应电压之差，即e0=e1-e2Ewe1e2e070 输出交流电压，且其幅值与铁心位移成正比，但输出交流电压，且其幅值与铁心位移成正比，但只反映位移的大小，不能反映移动的方向。只反映位移的大小，不能反映移动的方向。存在由两个次级线圈结构不对称以及初级线圈铜存在由两个次级线圈结构不对称以及初级线圈铜损、铁磁材质不
35、均匀、线圈间分布电容等原因形损、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因形成的零点残余电压。成的零点残余电压。差动变压器的特性：差动变压器的特性：71测量电路测量电路差动变压器式电感传感器测量位移的原理框图差动变压器式电感传感器测量位移的原理框图72差动变压器式传感器的特点：差动变压器式传感器的特点：结构简单，性能可靠；结构简单，性能可靠；精确度高精确度高(0.1 m)，灵敏度高，灵敏度高；线性范围大（线性范围大（0750mm）；稳定度好；稳定度好；使用方便。使用方便。73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,
36、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;振动振动,速度速度,加速度等加速度等.案例：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743.5 电容式传感器电容式传感器 一、变换原理一、变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器,它的电容量为它的电容量为:+A真空中介电常数真空中介电常数介质的相对介电常数介质的相对介电常数 当当被被测测量量、A A或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电电容容的的变变化化。如如果果保保持持其其中中的的两两个个参参数数不不变变，而而仅仅改改变变另另一一
37、个个参参数数，就就可可把把该该参参数数的的变变化化变变换换为为电电容容量量的的变变化化。（实实质质上是一个具有可变参数的电容器）上是一个具有可变参数的电容器）75分类分类:a)a)极距变化型极距变化型:c)c)介质变化型介质变化型:+b)b)面积变化型面积变化型:角位移型角位移型,平面线位移型平面线位移型,柱面线位移型柱面线位移型.+76（一）（一）极距变化型极距变化型v工作原理工作原理由电容量表达式可知，如两极板互相覆盖面积及极间介质不由电容量表达式可知，如两极板互相覆盖面积及极间介质不变，则电容量与极距呈非线性关系。且传感器的灵敏度为变，则电容量与极距呈非线性关系。且传感器的灵敏度为:+与
38、极距与极距平方成反比，即传感器灵敏度随极距而变化，这将平方成反比，即传感器灵敏度随极距而变化，这将带来线性误差。因此，通常规定在较小的间隙变化范围内带来线性误差。因此，通常规定在较小的间隙变化范围内工作，以便获得近似线性关系。一般取极距变化范围为工作，以便获得近似线性关系。一般取极距变化范围为:77v实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，大都采用实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构，在差动式电容器中，当动极板位移差动式结构，在差动式电容器中，当动极板位移 时，电容器时，电容器C1的间隙的间隙 1变为变为 0 ，电容器电容器C2的间的间隙隙 2变为变为 0 。v可以推导出，两
39、个参数相同的电容采用差动连接组成可以推导出，两个参数相同的电容采用差动连接组成的传感器的灵敏度是使用其中单个电容器组成传感器的传感器的灵敏度是使用其中单个电容器组成传感器的的2倍。线性误差也减小。倍。线性误差也减小。78 可进行动态非接触式测量；可进行动态非接触式测量；动态响应好，具有很高的固有频率；动态响应好，具有很高的固有频率；灵敏度高，适用于小位移（灵敏度高，适用于小位移（0.01微米数百微米）微米数百微米）的测量；的测量；存在线性误差；存在线性误差；杂散电容对灵敏度和测量精度有影响，与传感器配杂散电容对灵敏度和测量精度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂。合使用的电子线路也比较
40、复杂。极距变化型电容传感器的特点：极距变化型电容传感器的特点：79角位移型、平面线位移型、柱面线位移型角位移型、平面线位移型、柱面线位移型.+如右如右图，两极板的覆盖面积图，两极板的覆盖面积所以电容量所以电容量灵敏度灵敏度为为常数常数（二）面积变化型（二）面积变化型面积变化型也可以采用差动式面积变化型也可以采用差动式80v面积变化型的特点：面积变化型的特点：输出与输入成线性关系；输出与输入成线性关系；灵敏度较低，适用于较大直线位灵敏度较低，适用于较大直线位移或角位移的测量。移或角位移的测量。81这是一种利用介质介电常数的变这是一种利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。化将被测量转换
41、为电量的传感器。可用来测量电介质的液位或某些可用来测量电介质的液位或某些材料的厚度等，也可用来测量空材料的厚度等，也可用来测量空气的湿度。气的湿度。测纸张、电影胶片等的通过垂直放入液体中，可测量浸入的液垂直放入液体中，可测量浸入的液面高度面高度（三）介质变化型（三）介质变化型982二、测量电路二、测量电路（一）电桥型电路（一）电桥型电路将电容传感器作为电桥的一部分，将电容变将电容传感器作为电桥的一部分，将电容变化转换为电桥的电压输出。通常采用电阻、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。电容、或电感、电容组成的交流电桥。84由高频振荡器输由高频振荡器输入稳定的振
42、荡信入稳定的振荡信号，幅值和频率号，幅值和频率恒定，当被测量恒定，当被测量使电容值发生变使电容值发生变化时，则谐振电化时，则谐振电路的阻抗发生变路的阻抗发生变化，并转换成电化，并转换成电压或电流输出。压或电流输出。经放大、检波可经放大、检波可得到输出得到输出（二）谐振电路：（二）谐振电路：85当被测量使电容值发生变化时，振荡器的频率产生相当被测量使电容值发生变化时，振荡器的频率产生相应的变化，即振荡器输出受被测信号调制的调频波，应的变化，即振荡器输出受被测信号调制的调频波，该调频波经过鉴频器变为电压变化。这种电路具有抗该调频波经过鉴频器变为电压变化。这种电路具有抗干扰性强、灵敏度高等优点，可测
43、干扰性强、灵敏度高等优点，可测0.01微米的位移。微米的位移。但缺点是电缆电容的影响较大，使用中有些麻烦。但缺点是电缆电容的影响较大，使用中有些麻烦。（三）调频电路：（三）调频电路：86输入阻抗采用固定电容输入阻抗采用固定电容C0，反馈阻抗采用反馈阻抗采用电容传感器电容传感器C，由运算放大器的运算关系由运算放大器的运算关系得得输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。（四）运算放大器电路：（四）运算放大器电路：极距极距变化型电容传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系，变化型电容传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传感器的应用受到一定限制。
44、采用比例运算放大这一缺点使电容传感器的应用受到一定限制。采用比例运算放大器可得到输出与位移之间的线性关系器可得到输出与位移之间的线性关系87三三、测量电路设计中应注意的问题测量电路设计中应注意的问题q注意传感器板极与周围元件之间以及连接电缆存注意传感器板极与周围元件之间以及连接电缆存在的分布和寄生电容的影响。在的分布和寄生电容的影响。q为减小或消除上述因素的影响，常采用为减小或消除上述因素的影响，常采用缩短传感器和测量电路之间的电缆。缩短传感器和测量电路之间的电缆。采用专用的驱动电缆。采用专用的驱动电缆。88 应用应用案例案例:液面高度测量液面高度测量893.6 压电式传感器压电式传感器 一、
45、工作原理一、工作原理:压电效应压电效应：某些物质，如石英，某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，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，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。称为压电效应。压电式传感器是利用某些物质的压电效应，把被压电式传感器是利用某些物质的压电效应，把被测量的变化转换为电荷量变化的传感器。测量的变化转换为电荷量变化的传感器。相反，如果将这些物质置于电场中，其几何尺寸也相反，如果将这些物质置于电场中，其几何尺寸也会发生变
46、化，这种由于外电场的作用导致物质的机械变会发生变化，这种由于外电场的作用导致物质的机械变形称为逆压电效应，或称为电致伸缩。形称为逆压电效应，或称为电致伸缩。90q=dcFF+电荷量电荷量压电常数压电常数作用力作用力沿沿x x轴方向受轴方向受力力FxFx，垂直，垂直x x轴的平面产生轴的平面产生电荷，称纵向电荷，称纵向效应效应沿沿y y轴方向受轴方向受力力FyFy，垂直，垂直x x轴的平面产生轴的平面产生电荷，称横向电荷，称横向效应效应沿相对沿相对两棱受两棱受力产生力产生切向效切向效应应91二、压电材料二、压电材料压电材料大致有三类：压电材料大致有三类：压电单晶压电单晶、压电陶瓷和、压电陶瓷和有
47、机压电薄膜有机压电薄膜压电单晶：代表性的如石英晶体，稳定性好，但压电常数不高压电单晶：代表性的如石英晶体，稳定性好，但压电常数不高压电陶瓷：压电常数比石英高数百倍，应用最广压电陶瓷：压电常数比石英高数百倍，应用最广有机压电薄膜：高分子压电薄膜的压电特性并不太好，有机压电薄膜：高分子压电薄膜的压电特性并不太好，但它可以大量生产，具有面积大、柔软不易破碎等优点，但它可以大量生产，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触觉。可用于微压测量和机器人触觉。1092三、等效电路三、等效电路在压电晶片的两个工作面在压电晶片的两个工作面进行金属蒸镀，引出电极，进行金属蒸镀，引出电极，就成了压电
48、传感器就成了压电传感器因此压电传感器可以看成因此压电传感器可以看成是电荷发生器，或电容器是电荷发生器，或电容器93当压电传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容和后续电路的当压电传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容和后续电路的输入阻抗就形成传感器的负载。此时有以下电荷平衡关系输入阻抗就形成传感器的负载。此时有以下电荷平衡关系当输入力为正弦力时，输出电荷当输入力为正弦力时，输出电荷亦为正弦变化量，即亦为正弦变化量，即可容易求出（稳态）电压为可容易求出（稳态）电压为94 在测试动态量时，为了建立一定的输出在测试动态量时，为了建立一定的输出电压并为了不失真地测量，压电式传感器电压并为了不失真地测量，
49、压电式传感器的后续测量电路必须有高输入阻抗，在输的后续测量电路必须有高输入阻抗，在输入端并联一定的电容以加大时间常数。但入端并联一定的电容以加大时间常数。但并联电容过大也会使输出电压降低过多，并联电容过大也会使输出电压降低过多，降低了测量装置的灵敏度。降低了测量装置的灵敏度。95粘结的方法有两种，即并联和串联。并联方法两片压电晶片粘结的方法有两种，即并联和串联。并联方法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，的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适
50、用于测量缓变信号及电荷量输出信号。串联方法正传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。电压作输出的信号和频率较高的信号。在实际应用中，由于在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。上的晶片粘结在一起。