第三章常用傳感器與敏感元件

1、1 1、傳感器定義、傳感器定義 傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。換成另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。 2 2、傳感器的構(gòu)成、傳感器的構(gòu)成 傳感器由傳感器由敏感器件敏感器件與與輔助器件輔助器件組成。敏感器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。的作用是感受被測物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則

2、是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 dV敏感元件：被測非電量其他形式信號 （易于轉(zhuǎn)換成電量:形變）變換元件：非電量電量（電阻、電感、電容等)輔助元件：信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換等。3、傳感器、傳感器的作用的作用變換變換作用：將非電量變換成電量。作用：將非電量變換成電量。傳感器是測試系統(tǒng)中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它具有兩個(gè)作用：傳感器是測試系統(tǒng)中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它具有兩個(gè)作用：敏感敏感作用：感受物理量的變化，以完成對被測信號的拾取。作用：感受物理量的變化，以完成對被測信號的拾取。對應(yīng)這兩個(gè)作用，傳感器一般由兩部分對應(yīng)

3、這兩個(gè)作用，傳感器一般由兩部分組成，即敏感元件與變換元件，二者有組成，即敏感元件與變換元件，二者有時(shí)很容易分開，有時(shí)合二為一。時(shí)很容易分開，有時(shí)合二為一。1)1)按被測物理量分類按被測物理量分類常見的被測物理量常見的被測物理量機(jī)械量機(jī)械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角, ,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,重量重量, ,力力, , 壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風(fēng)速風(fēng)速, ,流速流速, , 流量流量; ;聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁場磁場. .溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量

4、, ,比熱比熱. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩表5-1傳感器按被測量分類被測量類別被測量熱工量溫度、熱量、比熱容；壓力、壓差、真空度；流量、流速、風(fēng)速機(jī)械量位移(線位移、角位移)、尺寸、形狀；力、重量、力矩、應(yīng)力；質(zhì)量；轉(zhuǎn)速、線速度；振動(dòng)幅值、頻率、加速度、噪聲物性和成分量氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分；酸堿度(pH值)、鹽度、濃度、黏度、密度、相對密度狀態(tài)量顏色、透明度、磨損量、材料內(nèi)部裂紋或缺陷、氣體漏泄、表面質(zhì)量 機(jī)械式機(jī)械式, ,電氣式電氣式, ,光學(xué)式光學(xué)式, ,流體式等流體式等. .2)2)按工作原理分類按工作原理分類: :3)3)按信號變換特征分類按信號變換特征分類: :物性型物

5、性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換實(shí)現(xiàn)信號變換. .如如: :水銀溫度計(jì)、水銀溫度計(jì)、壓電測力計(jì)壓電測力計(jì). .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .4)4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系: :能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: :直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì), ,壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì). .能量控制型能量控

6、制型: :從外部供給能量并由被測量控制外部從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片. .(5) (5) 按輸出信號分類按輸出信號分類 模擬式傳感器：模擬式傳感器：輸出量為連續(xù)變化的模擬量輸出量為連續(xù)變化的模擬量 （I(tI(t) )，V(tV(t) )） 數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器：輸出量為數(shù)字量輸出量為數(shù)字量 （數(shù)字量，頻率量）（數(shù)字量，頻率量）以以作為傳感器的敏感元件作為傳感器的敏感元件輸入量：力、壓力、溫度等輸入量：力、壓力、溫度等輸出量：彈性元件的彈性變形（或應(yīng)變）輸出量：彈性元件的彈性變形（或應(yīng)變）儀表指針的偏轉(zhuǎn)放大溫度計(jì)

7、壓力計(jì)（用于測量流體壓力，波紋膜片、波紋管）測力計(jì)（用于測力或稱重，環(huán)形測力計(jì)、彈簧秤）典型機(jī)械式傳感器u結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直 觀等。u彈性變形不宜大，以減小線性誤差。u由于放大指示環(huán)節(jié)多為機(jī)械傳動(dòng)，不僅受間隙影 響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩 變和靜態(tài)被測量。u提高測量的頻率范圍，可采用：u應(yīng)用彈性元件時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、處理工藝等方面采取措施，減小蠕變、彈性后效等現(xiàn)象對輸入輸出線性關(guān)系的影響。被測量位移電信號輸出彈性元件其他形式傳感器如電阻、電容、電渦流等一、電阻式一、電阻式傳感器傳感器 電阻式電阻式傳感器傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感是

8、把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器器, ,按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :變阻器式、電阻應(yīng)變式。變阻器式、電阻應(yīng)變式。1 1 、變阻器、變阻器式傳感器式傳感器 (1) (1) 工作原理工作原理根據(jù)導(dǎo)體的電阻R與其電阻率及長度l成正比、與截面積A成反比的關(guān)系，即由被測物理量(如壓力、溫度、流量等)引起式中 ，l，A中任一個(gè)或幾個(gè)的變化來使電阻R改變的原理構(gòu)成。 AlR若移動(dòng)x，B點(diǎn)和A點(diǎn)間的電阻值靈敏度 單位長度的電阻值xkRllkdxdRSlk若電刷轉(zhuǎn)角，C點(diǎn)和A點(diǎn)間的電阻值靈敏度 單位弧度對應(yīng)的電阻值 kR kddRSk)1)(pLPpeoxxRRxxuu成線性關(guān)系與位移時(shí)當(dāng)xux

9、xuuRRopeoPL,pxouxLReu：電阻分壓電路變阻器式傳感器變阻器式傳感器：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠，但精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。且結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠，但精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。且由于磨損與塵埃等，引起接觸電阻變化，引入噪聲。由于磨損與塵埃等，引起接觸電阻變化，引入噪聲。適合于適合于測量變化較緩慢的量。測量變化較緩慢的量。 ：可用來測線位移、角位移及可變成位移的物理量。可用來測線位移、角位移及可變成位移的物理量。2 2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片應(yīng)變片工作原理：工作原理： 基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的

10、變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 電阻應(yīng)變片的種類： 1） 金屬電阻應(yīng)變片（基于金屬導(dǎo)體的“電阻應(yīng)變效應(yīng)”）有絲式、箔式及薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。 2） 半導(dǎo)體應(yīng)變片（基于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”） 半導(dǎo)體應(yīng)變片分為體型、薄膜型和擴(kuò)散型三大類。 (a) 絲式應(yīng)變片 (b) 箔式應(yīng)變片1）金屬電阻應(yīng)變片工作原理工作原理上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會引起電阻變化上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會引起電阻變化, ,求導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)數(shù)金屬應(yīng)變片的電阻為金屬應(yīng)變片的電阻為AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdRdAdAldlRdR有：有：金屬絲：金屬絲：2rAdrdrldlRdR2金屬絲體積不變：金屬絲體積

11、不變：橫向應(yīng)變縱向應(yīng)變ldlrdr：電阻絲材料的泊松比有：有：dRdR2對金屬材料，對金屬材料，電阻應(yīng)變效應(yīng)是主要的。由于壓阻系數(shù)很小，電阻率的變化可以忽略不計(jì))21(RdR金屬絲應(yīng)變片：金屬絲應(yīng)變片：電阻相對變化率與應(yīng)變成正比電阻應(yīng)變片的靈敏度21ldlRdRSg2）半導(dǎo)體應(yīng)變片對于半導(dǎo)體材料來說，其壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)大于其應(yīng)變效應(yīng)dRdRE半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度ERdRSg半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型、薄膜型和擴(kuò)散型三種(a) 體型 (b) 薄膜型 (c) 擴(kuò)散型u金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別：前者利用導(dǎo)體形變引起電阻變化后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻變化u和金屬電阻應(yīng)變片相比，半導(dǎo)體應(yīng)變片具有

12、等優(yōu)點(diǎn)，但是，半導(dǎo)體應(yīng)變片多數(shù)用薄硅片制成，其測試時(shí)的可測應(yīng)變范圍通常限制在3000左右，而金屬電阻應(yīng)變片的可測應(yīng)變值達(dá)40000。另外，半導(dǎo)體應(yīng)變片的，所以其應(yīng)用仍然受到一定的限制。 電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù) 1.1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕目測電阻應(yīng)變片有無折痕. .斷絲等斷絲等 缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大 小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5歐姆歐姆. .3.3.試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈

13、，用試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.4.應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片粘貼: :在應(yīng)變片基底上擠一小滴在應(yīng)變片基底上擠一小滴502502膠水，膠水， 輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。5.5.焊線焊線: :用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng) 大于大于500M500M歐。歐。7.7.應(yīng)變片保護(hù)：用應(yīng)變片保護(hù)：用704704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，

14、防止硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止 受潮。受潮。電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用1）將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形情況，可利用形狀不同的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測部位，可測得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力校核或構(gòu)件破壞的預(yù)測等提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 (a) (a) 立柱應(yīng)力立柱應(yīng)力 (b) (b) 橋梁應(yīng)力橋梁應(yīng)力 構(gòu)件應(yīng)力測定構(gòu)件應(yīng)力測定 2）將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應(yīng)變，再

15、通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻變化的輸出。加速度傳感器由懸臂梁、質(zhì)量塊、基座組成。測量時(shí)，基座固定振動(dòng)體上，振動(dòng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當(dāng)于慣性系統(tǒng)的“彈簧”，在慣性力作用下產(chǎn)生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變在一定的頻率范圍內(nèi)與振動(dòng)體的加速度成正比。案例：案例：電子稱電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。二、電容式二、電容式傳感器傳感器變換原理變換原理: :將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,它的電容量為它的電容量為: :AC0+ ：極板間距離：極板間距離A A：極板面積：極板面積 ：介質(zhì)的相

16、對介電：介質(zhì)的相對介電系數(shù)系數(shù)、A A或或發(fā)生變化發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容時(shí)，都會引起電容的變化。的變化。分類分類 a) a) 極距變化型極距變化型; ;+c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型AC0b)b)面積變化型面積變化型: :角位移型角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型柱面線位移型. .+a)a)極距極距變化型變化型+AC0+兩極板相互覆蓋面積A及極間介質(zhì)不變，則當(dāng)兩極板在被測對象作用下發(fā)生位移變化d時(shí)所引起的電容量變化dAdC201201ADdCSu靈敏度S與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距減小受電容極板間擊穿電壓的限制。一般00.11mm左右。u電容量C

17、與極距呈非線性關(guān)系，為了減小非線性誤差，通常極距變化范圍/00.010.1。u此類電容傳感器僅適于微小位移的測量（0.01m數(shù)百微米）；非接觸測量實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對測量精度的影響，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。b)b)面積變化型面積變化型常數(shù)靈敏度220220rddCSCr角位移型角位移型覆蓋面積對應(yīng)的中心角 r極板半徑柱面線位移型柱面線位移型. .常數(shù)靈敏度)ln(20)ln(02dDdxdCSCdDxD圓筒孔徑d圓柱外徑平面線位移型平面線位移型常數(shù)靈敏度bdxdCSCbx00b極板寬度c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)

18、變化型AC0常用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)振蕩電路振蕩電路被測物體被測物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測電容被測電容測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化

19、. .接近開關(guān)的檢測物體，接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。測量電路測量電路目前較常采用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大電路、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路等。1 1、電橋電路、電橋電路 電容傳感器為電橋的一部分。通常采用電阻、電容或電感、電容組成交流電橋，該圖所示為一種電感、電容組成的電橋。由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，再推動(dòng)顯示、記錄儀器。2、諧振電路電容傳感器的電容Cx作為諧振回路(L2、C2、Cx)調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器

20、電容發(fā)生變化時(shí)，使得諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過放大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。為了獲得較好的線性關(guān)系，一般諧振電路的工作點(diǎn)選在諧振曲線的線性區(qū)域內(nèi)，最大振幅70%附近的地方，且工作范圍選在BC段內(nèi)。3、調(diào)頻電路傳感器的電容器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量使電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)過鑒頻器轉(zhuǎn)換為電壓的變化，經(jīng)過放大處理后輸入顯示或記錄等儀器。4 4、 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 采用比例運(yùn)算放大器電路，可以使輸出電壓與位移的關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系。反饋回路中的Cx為極距變化型電容式傳感器，輸入電路采用固定電容C0，u0為穩(wěn)定的工作

21、電壓。由于放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運(yùn)算關(guān)系為 代入 ，得 電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：(1)輸入能量小而靈敏度高。(2)精度高達(dá)0.01%。 (3)動(dòng)態(tài)特性好，適合測量動(dòng)態(tài)參數(shù)。(4)能量損耗小。(5)結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）。電容式傳感器的缺點(diǎn)： 電纜分布電容影響大。集成電路、雙屏蔽傳輸電纜等降低分布電容的影響三、電感式三、電感式傳感器傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類分類:電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型（互感型（差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式）1.1.自感式傳感器自感式傳感器可變磁阻式

22、可變磁阻式 線圈的自感與磁路的磁阻有關(guān)。線圈的自感與磁路的磁阻有關(guān)。N線圈匝數(shù)，Rm磁路磁阻 ,與磁路各段的性質(zhì)有關(guān)，磁路通常由鐵芯及鐵芯間的空氣隙組成。,0分別為鐵芯和空氣隙的磁導(dǎo)率。A,A0為鐵芯及空氣隙的截面積。l和分別為鐵芯導(dǎo)磁長度和氣隙長度。mRNL2002AAlRmRm主要由空氣的磁阻構(gòu)成。2200200ANLARm自感L與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積A成正比。靈敏度20022ANS靈敏度S與氣隙的平方成反比，越小，靈敏度越高。為保證傳感器的線性度，限制非線性誤差，這種傳感器多用于微小位移測量。實(shí)際應(yīng)用中，一般取 ，位移測量范圍為0.001mmlmm。1 . 00a)可變導(dǎo)磁面積

23、型b）差動(dòng)型c）單螺管線圈型d）雙螺管線圈差動(dòng)幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu) 雙螺管線圈差動(dòng)型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計(jì)上，其測量范圍為0300m，最小分辨力為0.5m。將傳感器兩線圈接于電橋的相鄰橋臂時(shí)，其輸出靈敏度可提高一倍，并改善了非線性特性，補(bǔ)償干擾影響。 因此，使用自感傳感器多組成差動(dòng)式，如差動(dòng)變氣隙，差動(dòng)變面積，差動(dòng)螺管式。通常接入電橋進(jìn)行測量，用來測量位移量。 渦流式渦流式 線圈的自感與磁路的磁阻有關(guān)。線圈的自感與磁路的磁阻有關(guān)。原理：利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦電流效應(yīng)。金屬板置于一只線圈的附近，間距為，當(dāng)線圈輸入一交變電流i時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量

24、，金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦電流”或“渦流”。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度h，金屬板與線圈的距離，激勵(lì)電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。若改變其中某個(gè)參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測量該參數(shù)。原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(ZZ 改變其中某一因素，即可達(dá)到不同的變換目的。如：改變，可作位移、振動(dòng)測量 改變或，可作材質(zhì)鑒別和探傷測量電路： 傳感器線圈L與電容C共同組成并聯(lián)諧振回路，諧振頻率LCf21線圈等效電感改變，必然導(dǎo)致回路阻抗或諧振頻率變化，從而可間接測量被測參數(shù)，對應(yīng)測量電路：調(diào)幅電路調(diào)頻電路調(diào)

25、幅電路傳感器由振蕩器提供高頻電源，當(dāng)傳感器諧振頻率與電源頻率相同時(shí)，輸出電壓u最大。測量時(shí)，傳感器等效電感隨x而改變，LC回路失諧，輸出信號頻率雖仍為電源頻率，但幅值隨x變化，即x對輸出信號存在調(diào)幅作用。調(diào)頻電路 以LC振蕩回路的諧振頻率作為輸出量。鑒頻器：將調(diào)頻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。非接觸測量，抗干擾能力強(qiáng)靈敏度高分辨力高，位移檢測范圍：1mm10mm，最高分辨率可達(dá)0.1%。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不受油液等介質(zhì)影響位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)測量渦流式傳感器檢測振幅 渦流傳感器檢測轉(zhuǎn)速 (a) 測轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng) (b) 測片狀機(jī)件的振幅 (c) 測構(gòu)件的振幅 2.2.互感式傳感器互感

26、式傳感器工作原理工作原理: :利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。這種傳感器一般都做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，所以稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器。實(shí)際使用中的差動(dòng)變壓器多是螺線管式的。線圈包括一個(gè)初級線圈和兩個(gè)反接的次級線圈，當(dāng)初級線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級線圈將產(chǎn)生感壓電動(dòng)勢e1和e2。由于兩個(gè)次級線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即ey=e1-e2?；顒?dòng)銜鐵能改變線圈之間的耦合程度。ey的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。 活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，即e1=e2，ey=0； 向上移時(shí)，即e1e2，ey0; 向下移時(shí)，即e1e2，eyZ0時(shí)，放大器輸入電壓uLe0。感應(yīng)電動(dòng)勢經(jīng)放大、

27、檢波后，即可推動(dòng)指示儀表。使用動(dòng)圈式磁電傳感器，如果測量電路中接有微分網(wǎng)絡(luò)或積分網(wǎng)絡(luò)，則可以得到加速度或位移。 磁阻式磁阻式傳感器傳感器 工作原理：工作原理：工作時(shí)線圈與磁鋼都不動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)著的物體(導(dǎo)磁材料)改變磁路的磁阻，引起通過線圈的磁力線增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢。 由永久磁鋼及纏繞其上的線圈組成。磁阻式磁電傳感器工作原理及應(yīng)用(a) 測頻數(shù) (b) 測轉(zhuǎn)速(c) 偏心測量 (d) 振動(dòng)測量二、壓電式傳感器（發(fā)電型傳感器）二、壓電式傳感器（發(fā)電型傳感器） 1 1工作原理工作原理某些材料如石英晶體和鈦酸鋇陶瓷，在某一方向受力時(shí)，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會被極化，表面會產(chǎn)生電荷

28、；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。與壓電效應(yīng)相反，如果將具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)置于電場中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外電場作用導(dǎo)致物體機(jī)械變形現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。是一種可逆型換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，又能將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的。不同的材料雖然壓電機(jī)理不同，但最終產(chǎn)生的效應(yīng)是等同的。不同的材料雖然壓電機(jī)理不同，但最終產(chǎn)生的效應(yīng)是等同的。表面產(chǎn)生的電荷，電荷量的改變與受力情況有關(guān)，即QDFD：壓電系數(shù)；F：施加力的大小石英晶體的壓電效應(yīng)理想形狀：六棱柱，兩端為對稱的棱錐，共30個(gè)晶面。縱軸z-z稱作，通過六棱柱棱線而垂直于

29、光軸的軸線x-x稱作，垂直于棱面的軸線y-y稱作 右螺旋法則。通常從晶體上沿三軸線切下一個(gè)平行六面體切片，即其晶面分別平行于z-z、y-y、x-x軸線 。切片在受到沿不同方向的作用力時(shí)，會產(chǎn)生不同的極化作用，主要的壓電效應(yīng)有三種。：沿電軸(x軸)施加作用力，電荷出現(xiàn)在與x軸相垂直的表面上。產(chǎn)生的電荷量為： 其中，d11：縱向壓電常數(shù)；Fx：作用力：沿機(jī)械軸(y軸)施加作用力，電荷仍出現(xiàn)在與x 軸相垂直的表面上。產(chǎn)生的電荷量為： 其中，d12：橫向壓電常數(shù)；Fy：作用力 sx、sy：分別為與x 軸、y 軸相垂直的表面面積； a ：x軸方向厚度；b ：y軸方向長度。xxFdq11abFdssFdq

30、yyxyy1212由于力所施加的表面與感生電荷的表面不同，電荷量與晶體尺寸有關(guān)。根據(jù)石英晶體軸對稱的條件d12=d11橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷與縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷極性相反。壓電式傳感器主要是利用。yyFabdq112 2、常見的壓電材料、常見的壓電材料：(如石英、酒石酸鉀鈉等)石英（SiO2）最具代表性，天然或人工合成。具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和壓電效應(yīng)。(如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等)由多種材料經(jīng)燒結(jié)合成，制作方便，成本低。原始壓電陶瓷須經(jīng)強(qiáng)電場極化處理后才具有壓電性。壓電陶瓷的壓電常數(shù)一般比石英高數(shù)百倍?，F(xiàn)代壓電元件，大多采用壓電陶瓷。(聚偏二氟乙烯(PVDF)。易于大量生產(chǎn)、面積大、柔軟不

31、易破碎，可制成陣列器件。用于微壓和機(jī)器人觸覺。具有壓電和半導(dǎo)體兩種特性，易于集成。3 3、壓電式傳感器及其等效電路、壓電式傳感器及其等效電路壓電元件是在兩個(gè)工作面上蒸鍍有金屬膜的壓電晶片，金屬膜構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到力的作用時(shí)，便有電荷聚集在兩極上，和電容器十分相似，從信號變換角度來看，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)。從結(jié)構(gòu)上看，它又是一個(gè)。通常將壓電元件等效為一個(gè)的電路。壓電器件相當(dāng)于具有一定電容的電荷源，其電容：實(shí)際應(yīng)用中為了增大輸出值，壓電傳感器往往用兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶體串聯(lián)或并聯(lián)。時(shí)，輸出電荷量大、電容大、時(shí)間常數(shù)大；適宜測量緩變信號和以電荷輸出的場合。時(shí)，輸出電壓大、電容小、時(shí)間常數(shù)?。贿m

32、宜測量高頻信號和以電壓輸出的場合。4 4、測量電路、測量電路由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號輸入到高輸入阻抗的，對傳感器輸出的電壓或電荷信號進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)，將傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榉糯笃鞯牡洼敵鲎杩梗儆靡话愕姆糯髾z波電路輸入到指示儀表或記錄器。 前置放大器有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是帶電阻反饋的，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是帶電容反饋的，其輸出電壓與輸入電荷量成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。 略去傳感器漏電阻Ra和電荷放大器輸入電阻Ri影響時(shí)，有fyiifyiicaiCeeCeC

33、eeCCCeq)()()(（A為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù)）iyAeeffyACCCAqe)(放大器的開環(huán)增益足夠大時(shí)，)(ffCCACfyCqe電壓放大器和電荷放大器比較：電荷放大器電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，電壓放大器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜分布電容有關(guān)，選用時(shí)宜綜合考慮。5 5、應(yīng)用、應(yīng)用廣泛應(yīng)用于沖擊、振動(dòng)及動(dòng)態(tài)力的測量。b) b) 壓力變送器壓力變送器a) a) 加速度計(jì)，力傳感器加速度計(jì)，力傳感器 壓電式壓力傳感器 當(dāng)被測力F(或壓力P)通過外殼上的傳力上蓋作用在壓電晶片上時(shí)，壓電晶片受力，上下表面產(chǎn)生電荷，電荷量與作用力F成正比。電荷由導(dǎo)線引出接入測量電路(電荷放大器或電

34、壓放大器)。 (a) 壓電式壓力傳感器 (b) 壓電式壓力傳感器特性壓電式加速度傳感器 (a) 基本壓縮式 (b) 隔離壓縮式 (c) 單端壓縮式 (d) 剪切式 (e) 等基座式 (f) 等剪切式 壓電式加速度傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)慣性力傳感器。在壓電晶片K上，放有質(zhì)量塊M。當(dāng)殼體隨被測振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，作用在壓電晶體上的力FM a。當(dāng)質(zhì)量M一定時(shí)，壓電晶體上產(chǎn)生的電荷與加速度a成正比。 三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器熱電式傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換成電量（電阻、電勢等），應(yīng)用廣泛。按照變換方式的不同，可分為與傳感器。1、熱電偶工業(yè)上最常用的溫度檢測器件之一。其變換是基于金屬的。測量精度高。因熱電偶

35、直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）。構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬組成，而且不受大小的限制，外有保護(hù)套管，使用非常方便；適用于遠(yuǎn)距離測量和自動(dòng)控制。 工作原理工作原理 將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為。若若1、2點(diǎn)溫度不同，回路中有電流產(chǎn)生，稱之點(diǎn)溫度不同，回路中有電流產(chǎn)生，稱之為熱電勢。對于某個(gè)確定的熱電偶，當(dāng)某一端為熱電勢。對于某個(gè)確定的熱電偶，當(dāng)某一端溫

36、度溫度T0恒定時(shí)，熱電勢僅與測量端溫度恒定時(shí)，熱電勢僅與測量端溫度T有關(guān)，有關(guān)，故可測溫度故可測溫度T。熱電勢由兩部分組成：。熱電勢由兩部分組成：接觸電接觸電勢；勢；溫差電勢。溫差電勢。 接觸電勢：接觸電勢：A、B兩導(dǎo)體接觸后，由于電子濃度不同，在截面附近產(chǎn)生接觸電勢。熱電勢的方向與導(dǎo)體電子濃度n有關(guān)。顯然，當(dāng)AB材料已定時(shí)，接觸電勢與溫度T（絕對溫度）有關(guān)。 溫差電勢：溫差電勢：當(dāng)一塊導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)，在導(dǎo)體兩端形成溫差電勢。 溫差電勢與接觸電勢相比較，數(shù)值甚小，因此在工程應(yīng)用中認(rèn)為熱電勢近似等于接觸電勢。當(dāng)熱電偶的兩個(gè)不同的電極材料確定后，熱電勢便與兩個(gè)接點(diǎn)溫度T、T0有關(guān)。即回路的熱電

37、勢是兩個(gè)接點(diǎn)的溫度函數(shù)之差。若使冷端溫度T0保持不變，則熱電勢為熱端溫度T的單值函數(shù)。)()(),(00TfTfTTEAB)()(),(0TCTfTTEAB熱電偶測溫基本定律熱電偶測溫基本定律1)均質(zhì)導(dǎo)體定律 由組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢。2)中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢。3)參考電極定律 兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動(dòng)勢可用下式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACABABTT0=ACTT

38、0CBTT0由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。熱電偶通常以來命名，例如鉑銠鉑、鎳鉻鎳硅等。適于制作熱電偶的材料有300多種，其中廣泛應(yīng)用的有4050種。組成: 熱電極（材料的熱電特性穩(wěn)定） 絕緣套管（防止電極間短路） 保護(hù)套管（隔離電極與介質(zhì)，免受機(jī)械損 傷或化學(xué)腐蝕等） 接線盒2、熱電阻傳感器利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化來測量溫度。熱電阻按感溫元件的材質(zhì)分金屬與半導(dǎo)體兩類。常用鉑、銅兩種熱電阻；為熱敏電阻等。 (c) 普通熱電阻傳感器熱電阻傳感器結(jié)構(gòu)(1)鉑電阻u鉑的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，測量精度高、電阻率較高；u鉑絲

39、在0以上，其電阻值與溫度之間具有較好的線性度。u鉑電阻使用范圍是200850。除作為溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛用于高精度的工業(yè)測量。)1 (20BtAtRRtRt溫度為tC時(shí)的電阻值R0溫度為0C時(shí)的電阻值A(chǔ)常數(shù)B常數(shù)(2)銅電阻u銅電阻的線性較好，具有電阻溫度系數(shù)大，價(jià)格便宜，互換性好等優(yōu)點(diǎn)。u銅電阻的使用范圍是-50-50150150。)1 (0tRRt電阻溫度系數(shù) 物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。 1 1）物性型光纖傳感器）物性型光纖傳感器光纖流速傳感器光纖流速傳感器主要由多模光纖、光源、銅管、光電二極管及測量電路所組成。多模光纖插入順流而置的銅管中

40、，由于流體流動(dòng)而使光纖發(fā)生機(jī)械變形，從而使光纖中傳播的各模式光的相位發(fā)生變化，光纖的發(fā)射光強(qiáng)出現(xiàn)強(qiáng)弱變化，其振幅的變化與流速成正比，這就是光纖傳感器測流速的工作原理。 結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。2 2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器由激光光源(氫-氦激光)發(fā)出的光(頻率為fi)導(dǎo)入光導(dǎo)纖維，經(jīng)過分光鏡后，光線通過光纖射向振動(dòng)物體，由于振動(dòng)物體 (被測體)振動(dòng)，產(chǎn)生散射 (頻率為fs)，被測物體的運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為 式中，fi為入射光頻率，即激光源頻率； fs為散射光

41、頻率； n為發(fā)生散射介質(zhì)的折射率； 為入射光在空氣中的波長； 為被測物體的運(yùn)動(dòng)速度。 上式表明，多普勒頻率f與被測物體運(yùn)動(dòng)速度成比例變化關(guān)系，從頻率分檢器中測得f后，即可得到物體的運(yùn)動(dòng)速度。光纖傳感器應(yīng)用相當(dāng)廣泛，尤其在下列情況下特別適應(yīng):在高壓、電磁感應(yīng)噪音條件下的測試；在危險(xiǎn)和環(huán)境惡劣條件下的測試；在機(jī)器設(shè)備內(nèi)部的狹小間隙中的測試；在遠(yuǎn)距離的傳輸中的測試。光纖檢測型光電光纖檢測型光電傳感器傳感器作業(yè)件檢測作業(yè)件檢測顏色檢測顏色檢測磁敏傳感器磁敏傳感器原本是用來測量磁場的，但現(xiàn)在更多的是用于檢測物體的位置及轉(zhuǎn)動(dòng)，也常用于檢測電流或?qū)﹂_關(guān)類等其他物理量的測量及控制。半導(dǎo)體磁敏傳感器霍爾元件磁敏

42、電阻磁敏二極管磁敏晶體管霍爾效應(yīng)與霍爾元件長為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片，被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中（平面與磁場垂直），在與磁場方向正交的兩邊通以控制電流 I，則在導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 乘積成正比的電勢UH，且UHKHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度。這一現(xiàn)象稱為，該電勢稱為，導(dǎo)體薄片就是。c cd da ab b 當(dāng)磁場垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。 若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其成某一角度 時(shí)，霍爾電勢為 U UH H= =K KH HIBIBsinsin 當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。 u霍爾元件越薄(