第四章(white)

1、測(cè)量技術(shù)與信號(hào)處理機(jī)械學(xué)院機(jī)械系機(jī)械學(xué)院機(jī)械系第四章 常用傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械式傳感器（補(bǔ)充）機(jī)械式傳感器（補(bǔ)充） 第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 第四節(jié)第四節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 第五節(jié)第五節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 第六節(jié)第六節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 第七節(jié)第七節(jié) 磁電式傳感器磁電式傳感器 第八節(jié)第八節(jié) 光電式傳感器光電式傳感器 第九節(jié)第九節(jié) 其他類型的傳感器其他類型的傳感器第一節(jié)第一節(jié) 概述概述（1 1） 什么是傳感器什么是傳感器？ 將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的，容易檢測(cè)、傳輸或處理的信號(hào)的裝置。容易檢測(cè)

2、、傳輸或處理的信號(hào)的裝置。 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。物理量物理量電量電量第一節(jié)第一節(jié) 概述概述（1 1） 傳感器組成傳感器組成 傳感器一般由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件是傳感傳感器一般由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件是傳感器的核心，類似人的感覺(jué)器官。它的作用是直接感受被測(cè)器的核心，類似人的感覺(jué)器官。它的作用是直接感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是

3、對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。入。dV第一節(jié) 概述（2） 分類：分類：方法很多方法很多 按被測(cè)物理量分：位移、速度、加速度、按被測(cè)物理量分：位移、速度、加速度、力傳感器；力傳感器； 按測(cè)量原理分：變電阻、變電容、變磁按測(cè)量原理分：變電阻、變電容、變磁阻、變諧振頻率等；阻、變諧振頻率等； 按工作的物理基礎(chǔ)分：機(jī)械式、電氣式、按工作的物理基礎(chǔ)分：機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、流體式等；光學(xué)式、流體式等；第一節(jié) 概述（3） 按信號(hào)變換特征：物性型、結(jié)構(gòu)型；按信號(hào)變換特征：物性型、結(jié)構(gòu)型；傳感器是依靠敏感元件材料本身物傳感器是

4、依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換的。如：理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換的。如：水銀溫度計(jì)測(cè)溫，利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)水銀溫度計(jì)測(cè)溫，利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象；壓電測(cè)力計(jì)利用石英晶體的壓電效應(yīng)象；壓電測(cè)力計(jì)利用石英晶體的壓電效應(yīng)等。等。傳感器依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化傳感器依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。如：電容式傳感器依靠實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。如：電容式傳感器依靠極板間距離變化引起電容量變化；電感式極板間距離變化引起電容量變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感變化。傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感變化。第一節(jié) 概述（4） 按敏感元件與被測(cè)量間能量關(guān)系：能量控制型、按敏感元件與

5、被測(cè)量間能量關(guān)系：能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型；能量轉(zhuǎn)換型；傳感器是直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使傳感器是直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作的，如：熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等。其工作的，如：熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等。由于被測(cè)對(duì)象與傳感器之間的能量傳輸，必然導(dǎo)由于被測(cè)對(duì)象與傳感器之間的能量傳輸，必然導(dǎo)致被測(cè)對(duì)象狀態(tài)的變化，造成測(cè)量誤差。致被測(cè)對(duì)象狀態(tài)的變化，造成測(cè)量誤差。傳感器是從外部供給輔助能量使傳感傳感器是從外部供給輔助能量使傳感器工作的，并且由被測(cè)量來(lái)控制外來(lái)供給能量的器工作的，并且由被測(cè)量來(lái)控制外來(lái)供給能量的變化。如：電阻應(yīng)變計(jì)中電阻接于電橋上，電橋變化。如：電阻應(yīng)變計(jì)中電阻接于電橋上，電橋工作能源由

6、外部供給，而由于被測(cè)量變化所引起工作能源由外部供給，而由于被測(cè)量變化所引起的電阻變化控制電橋失衡程度。此外，電阻溫度的電阻變化控制電橋失衡程度。此外，電阻溫度計(jì)、電感式測(cè)微儀、電容式測(cè)振儀均屬此類。計(jì)、電感式測(cè)微儀、電容式測(cè)振儀均屬此類。 1） 靈敏度高，輸入和輸出之間應(yīng)具有較好的靈敏度高，輸入和輸出之間應(yīng)具有較好的線性關(guān)系；線性關(guān)系； 2） 噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能；噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能； 3） 滯后、漂移誤差??；滯后、漂移誤差??； 4） 動(dòng)態(tài)特性良好；動(dòng)態(tài)特性良好； 5） 接入測(cè)量系統(tǒng)時(shí)對(duì)被測(cè)量產(chǎn)生影響??；接入測(cè)量系統(tǒng)時(shí)對(duì)被測(cè)量產(chǎn)生影響??； 6） 功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互

7、換性；功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性； 7） 防水及抗腐蝕等性能好，能長(zhǎng)期使用；防水及抗腐蝕等性能好，能長(zhǎng)期使用； 8） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維修和校正；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維修和校正； 9） 低成本，通用性能。低成本，通用性能。 對(duì)傳感器要求第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械式傳感器機(jī)械式傳感器（1 1） 被測(cè)量轉(zhuǎn)換為彈性變形被測(cè)量轉(zhuǎn)換為彈性變形 典型應(yīng)用有：用于測(cè)力或稱重的環(huán)形測(cè)力計(jì)、典型應(yīng)用有：用于測(cè)力或稱重的環(huán)形測(cè)力計(jì)、彈簧秤等；用于測(cè)量流體壓力的波紋膜片、彈簧秤等；用于測(cè)量流體壓力的波紋膜片、波紋管等；用于測(cè)量溫度的雙金屬片等波紋管等；用于測(cè)量溫度的雙金屬片等。第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械式傳感器機(jī)械式傳感器（1 1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

8、單、使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀；價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀；但由于放大和指示系統(tǒng)但由于放大和指示系統(tǒng)多為機(jī)械傳動(dòng)，慣性大、多為機(jī)械傳動(dòng)，慣性大、固有頻率低，故多用于固有頻率低，故多用于靜態(tài)量或低頻變化量靜態(tài)量或低頻變化量的測(cè)量。的測(cè)量。波登管波紋膜片波紋管彈簧扁環(huán)圓環(huán)扁環(huán)波登管壓力式溫度計(jì)感溫筒第二節(jié) 機(jī)械式傳感器（2） 近年來(lái)在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制技術(shù)中廣泛采用近年來(lái)在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制技術(shù)中廣泛采用的微型探測(cè)開(kāi)關(guān)也被認(rèn)為是另一種形式的機(jī)械的微型探測(cè)開(kāi)關(guān)也被認(rèn)為是另一種形式的機(jī)械傳感器。傳感器。 將將 物體的運(yùn)動(dòng)、位置或尺寸的變化，通過(guò)彈性物體的運(yùn)動(dòng)、位置或尺寸的變化，通過(guò)彈性簧

9、片開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為接通、斷開(kāi)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)分析簧片開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為接通、斷開(kāi)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)分析處理而判斷出物體的有無(wú)、位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、處理而判斷出物體的有無(wú)、位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、形狀尺寸等。形狀尺寸等。第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械式傳感器機(jī)械式傳感器（3 3） 在常態(tài)下，簧片開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)與磁塊在常態(tài)下，簧片開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)與磁塊（鋼制工件）接近時(shí)，簧片被磁化而接合，成（鋼制工件）接近時(shí)，簧片被磁化而接合，成為接通狀態(tài)，所傳達(dá)信號(hào)表明物體的存在。為接通狀態(tài)，所傳達(dá)信號(hào)表明物體的存在。 當(dāng)用于自動(dòng)線上時(shí)，可檢測(cè)物體的位置和有無(wú)，當(dāng)用于自動(dòng)線上時(shí)，可檢測(cè)物體的位置和有無(wú)，也可用于自動(dòng)記數(shù)。也可用于自動(dòng)記數(shù)。第三節(jié) 電

10、阻式傳感器 被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器 按工作的原理可分為按工作的原理可分為:變阻器式、電阻變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式. 本節(jié)介紹：本節(jié)介紹： 一、變阻器式傳感器一、變阻器式傳感器 二、二、電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器一、變阻器式傳感器一、變阻器式傳感器（1 1） 也稱為電位器式傳感器。也稱為電位器式傳感器。 根據(jù)歐姆定律：根據(jù)歐姆定律：)(AlR電阻絲截面積電阻絲長(zhǎng)度電阻率Al一、變阻器式傳感器一、變阻器式傳感器（2 2） 常用變阻器式傳感器有直線位移型、常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型如圖角位移型如圖

11、4-24-2所示。所示。調(diào)節(jié)動(dòng)觸點(diǎn)調(diào)節(jié)動(dòng)觸點(diǎn)C的位置，的位置，可將被測(cè)位移等變換可將被測(cè)位移等變換為電阻的變化。為電阻的變化。xkRllkdxdRS靈敏度kR kddRS靈敏度一、變阻器式傳感器（3） 當(dāng)被測(cè)量與變阻器觸點(diǎn)位移當(dāng)被測(cè)量與變阻器觸點(diǎn)位移x x成某種函成某種函數(shù)關(guān)系時(shí)，若要獲得與被測(cè)量成線性關(guān)數(shù)關(guān)系時(shí)，若要獲得與被測(cè)量成線性關(guān)系的輸出，則要應(yīng)用非線性型的變阻器系的輸出，則要應(yīng)用非線性型的變阻器式傳感器。式傳感器。 傳感器的骨架形狀應(yīng)根據(jù)所要求的輸出傳感器的骨架形狀應(yīng)根據(jù)所要求的輸出函數(shù)確定。函數(shù)確定。 如被測(cè)量如被測(cè)量2)(kxxf為線性關(guān)系與才能使輸出電阻三角形，則變阻器骨架應(yīng)為

12、直角)()(xfxReoei一、變阻器式傳感器一、變阻器式傳感器（4 4） 考慮負(fù)載效應(yīng)后，傳考慮負(fù)載效應(yīng)后，傳感器的輸出為感器的輸出為ipoexxe 4)-(4 1pLppioxxRRxxeepLRR (4-4)iopeexx一、變阻器式傳感器一、變阻器式傳感器（7 7） 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。 缺點(diǎn)：受電阻絲直徑的制約，分辨力很難缺點(diǎn)：受電阻絲直徑的制約，分辨力很難優(yōu)于優(yōu)于2020mm；觸點(diǎn)和電阻絲接觸表面磨損、觸點(diǎn)和電阻絲接觸表面磨損、塵埃附著等使觸點(diǎn)在移動(dòng)中產(chǎn)生噪聲。塵埃附著等使觸點(diǎn)在移動(dòng)中產(chǎn)生噪聲。 采用導(dǎo)電塑料制成的變阻器性能有所改

13、善，采用導(dǎo)電塑料制成的變阻器性能有所改善，多用于數(shù)控系統(tǒng)中。多用于數(shù)控系統(tǒng)中。 應(yīng)用應(yīng)用案例：案例： 重量的自動(dòng)檢測(cè)重量的自動(dòng)檢測(cè)-配料設(shè)備配料設(shè)備（定量控制）（定量控制）重量設(shè)定原材料 比較原理原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移; ;再用變?cè)儆米冏杵鲗⑽灰妻D(zhuǎn)換為電阻的變化阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化電阻式傳感器電阻式傳感器案例：案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼 ）原理原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化 電阻式傳感器電阻式傳感器案例：案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)原理直接將代表煤氣包儲(chǔ)量

14、的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化煤氣包煤氣包鋼絲鋼絲特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）測(cè)量量程大；）測(cè)量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低。 電阻式傳感器電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器 金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片（1 1） 有絲式、箔式兩種。有絲式、箔式兩種。 工作原理都是基于在發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，電阻值發(fā)工作原理都是基于在發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，電阻值發(fā)生變化。生變化。金屬電阻應(yīng)變片（2） 金屬箔式應(yīng)變片的金屬箔式應(yīng)變片的箔柵采用光刻技術(shù)，箔柵采用光刻技術(shù)，大量生產(chǎn)。線條均大量生產(chǎn)。線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性

15、好。其粘值一致性好。其粘貼性能、散熱性能貼性能、散熱性能均優(yōu)于絲柵，允許均優(yōu)于絲柵，允許通過(guò)較大電流。目通過(guò)較大電流。目前應(yīng)用廣泛。前應(yīng)用廣泛。金屬電阻應(yīng)變片（2） 當(dāng)敏感柵在工作當(dāng)敏感柵在工作中產(chǎn)生變形時(shí)，中產(chǎn)生變形時(shí)，其電阻值發(fā)生相其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。應(yīng)的變化。)(AlR電阻絲截面積電阻絲長(zhǎng)度電阻率Al金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片（3 3）5)-(4 dRdAARdllRdR2rA式中，6)-(4 2drdrldlRdRrdrldl式中，。為電阻絲材料的泊桑比Ed力為電阻絲軸向所受正應(yīng)為彈性模量為壓阻系數(shù)E金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片（4 4）9)-(4 )21 (ERdR10)-(4

16、 )2(1RdR常數(shù)其靈敏度為應(yīng)變成正比，應(yīng)變片電阻相對(duì)變化與21ldlRdRS很小，則應(yīng)很弱，即金屬電阻材料的壓阻效E半導(dǎo)體應(yīng)變片（1） 其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效壓阻效應(yīng)，應(yīng)，即受力變形時(shí)電阻率即受力變形時(shí)電阻率發(fā)生變化。發(fā)生變化。 單晶半導(dǎo)體受力變形時(shí)，原子點(diǎn)陣排列單晶半導(dǎo)體受力變形時(shí)，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子濃度和遷移規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子濃度和遷移率改變，引起電阻率變化。率改變，引起電阻率變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片（2） 對(duì)半導(dǎo)體材料而言對(duì)半導(dǎo)體材料而言ERdR其靈敏度為其靈敏度為ERdRS9)-(4 )21 (ERdR半導(dǎo)體應(yīng)變片（3） 優(yōu)

17、點(diǎn)：靈敏度高，比金屬電阻應(yīng)變片數(shù)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，比金屬電阻應(yīng)變片數(shù)值大值大50705070倍，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小，倍，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小，測(cè)量范圍大，頻響范圍寬。測(cè)量范圍大，頻響范圍寬。 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，靈敏度分散性較缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，靈敏度分散性較大，在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大。大，在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大。案例：案例：橋梁固有頻率測(cè)量橋梁固有頻率測(cè)量原理原理在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車(chē)礙時(shí)的沖擊對(duì)橋梁進(jìn)行激用汽車(chē)礙時(shí)的沖擊對(duì)橋梁進(jìn)行激勵(lì)，再通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量橋梁動(dòng)態(tài)勵(lì)，再通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量橋梁動(dòng)態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。變形，得到橋梁固有頻

18、率。 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 應(yīng)用應(yīng)用案例：案例：電子電子秤秤原理原理將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。量輸出。 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器案例：案例：稱重傳感器稱重傳感器原理原理將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。量輸出。 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器波紋管稱重傳感器（懸臂梁式稱重傳感器）波紋管稱重傳感器（懸臂梁式稱重傳感器）案例：案例：電子皮帶電子皮帶秤秤 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳

19、感器技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 額定載荷額定載荷 kg 5/10/20/30/50/100/200/250/300/350/500 精度精度 C2 C3 A5SA5MB10SB10M 認(rèn)證認(rèn)證 OIML R60 C3 III 5000多只多只 III L10000多只 最大檢定分度數(shù)最大檢定分度數(shù) n max 2000 3000 5000 5000 10000 10000 最小檢定分度值最小檢定分度值 v min Emax/5000 Emax/10000 Emax/15000 Emax/15000 Emax/10000 Emax/10000 綜合誤差綜合誤差 (%FS) 0.030 0.020 0.01

20、80.026 0.0350.050 蠕變?nèi)渥?(%FS/30min) 0.0240.016 0.0120.017 0.030 0.040 溫度對(duì)輸出靈敏溫度對(duì)輸出靈敏度的影響度的影響 (%FS/10) 0.017 0.011 0.0090.013 0.030 0.040 溫度對(duì)零點(diǎn)輸出溫度對(duì)零點(diǎn)輸出的影響的影響 (%FS/10) 0.0230.0150.0100.014 0.030 0.020 輸出靈敏度輸出靈敏度 (mv/v) 2.00.02 輸入阻抗輸入阻抗 () 46050 輸出阻抗輸出阻抗 () 3512 絕緣阻抗絕緣阻抗 (M) 5000(50VDC) 零點(diǎn)輸出零點(diǎn)輸出 (%FS)

21、1.5溫度補(bǔ)償范圍溫度補(bǔ)償范圍 () -10+40 允許使用溫度范允許使用溫度范圍圍 () -35+70 推薦激勵(lì)電壓推薦激勵(lì)電壓 (V) 512(DC) 最大激勵(lì)電壓最大激勵(lì)電壓 (V) 18(DC) 安全過(guò)載范圍安全過(guò)載范圍 (%FS) 150 極限過(guò)載范圍極限過(guò)載范圍 (%FS) 300 齒輪輪齒彎矩齒輪輪齒彎矩飛機(jī)機(jī)身應(yīng)力飛機(jī)機(jī)身應(yīng)力立柱應(yīng)力立柱應(yīng)力橋梁應(yīng)力橋梁應(yīng)力力傳感器力傳感器加速度傳感器加速度傳感器柱式測(cè)力傳感器柱式測(cè)力傳感器扭力矩傳感器扭力矩傳感器筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器第四節(jié)第四節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測(cè)量轉(zhuǎn)換

22、為電感量變化。感量變化。 可變磁阻式電感傳感器可變磁阻式電感傳感器 渦流式電感傳感器渦流式電感傳感器 差動(dòng)變壓器式電感傳感器差動(dòng)變壓器式電感傳感器分類分類: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)變壓器式一、可變磁阻式電感傳感器（1） 原理如圖原理如圖4-94-9所示所示，由線圈、鐵芯和銜，由線圈、鐵芯和銜鐵組成，鐵芯和銜鐵之間有氣隙鐵組成，鐵芯和銜鐵之間有氣隙。一、可變磁阻式電感傳感器一、可變磁阻式電感傳感器（2 2） 當(dāng)線圈中通以電流i時(shí)，由此產(chǎn)生的磁通m，其大小與電流成正比，即14)-(4 LiWm線圈自感。線圈匝數(shù)；LW一、可變磁

23、阻式電感傳感器一、可變磁阻式電感傳感器（3 3） 根據(jù)磁路歐姆定律根據(jù)磁路歐姆定律15)-(4 mmRWi磁阻。磁動(dòng)勢(shì)；mRWi將式將式（4-154-15）代入式（）代入式（4-144-14）中，得中，得16)-(4 2mRWL 14)-(4 LiWm一、可變磁阻式電感傳感器（4） 若不計(jì)磁路損耗，且氣隙若不計(jì)磁路損耗，且氣隙很小，則磁很小，則磁路磁阻為路磁阻為17)-(4 200AAlRm與空氣隙磁阻相比，鐵芯磁阻一般很小，計(jì)算時(shí)可忽略與空氣隙磁阻相比，鐵芯磁阻一般很小，計(jì)算時(shí)可忽略，則，則18)-(4 200ARm一、可變磁阻式電感傳感器一、可變磁阻式電感傳感器（5 5） 代入式代入式（4

24、-164-16）中，則）中，則此式表明，自感此式表明，自感L L與氣隙長(zhǎng)度與氣隙長(zhǎng)度成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積A A0 0成正比。當(dāng)成正比。當(dāng)A A0 0固定，固定，改變改變時(shí)，時(shí)， L L與與成非線性關(guān)系。此成非線性關(guān)系。此時(shí)傳感器的靈敏度為時(shí)傳感器的靈敏度為16)-(4 2mRWL 18)-(4 200ARm19)-(4 2002AWL 2002 (4-20)2WAdLSd 一、可變磁阻式電感傳感器（6）靈敏度靈敏度S S與氣隙長(zhǎng)度的平方與氣隙長(zhǎng)度的平方2 2成反比，且成反比，且氣隙氣隙越小，傳感器的靈敏度越高。但靈越小，傳感器的靈敏度越高。但靈敏度敏度S S不是常數(shù)

25、，傳感器的非線性嚴(yán)重。不是常數(shù)，傳感器的非線性嚴(yán)重。為減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小的氣為減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小的氣隙變化范圍內(nèi)工作。設(shè)氣隙變化范圍為（隙變化范圍內(nèi)工作。設(shè)氣隙變化范圍為（ 0 0，0 0+），），則靈敏度為則靈敏度為 2-12202000220002AW-AWS一、可變磁阻式電感傳感器（7）當(dāng)當(dāng) 0 0時(shí)，靈敏度為時(shí)，靈敏度為 220002AW-S 靈敏度靈敏度S S趨于定值，傳感器的輸出與輸入近趨于定值，傳感器的輸出與輸入近似成線性關(guān)系。似成線性關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常取在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常取/ / 0 0=0.1=0.1這種變氣隙型傳感器這種變氣隙型傳感器。 2-122

26、02000220002AW-AWS可變磁阻式面積型傳感器可變磁阻式面積型傳感器19)-(4 2002AWL 一、可變磁阻式電感傳感器（8）18)-(4 200ARm16)-(4 2mRWL 靈敏度低靈敏度低與與C相比，靈敏度高，相比，靈敏度高，線性區(qū)擴(kuò)大線性區(qū)擴(kuò)大線性區(qū)擴(kuò)大線性區(qū)擴(kuò)大適于大位移、適于大位移、但靈敏度低但靈敏度低19)-(4 2002AWL 當(dāng)鐵心進(jìn)入線圈時(shí)，當(dāng)鐵心進(jìn)入線圈時(shí)，鐵心中的極化作用，鐵心中的極化作用，使得被其覆蓋的那使得被其覆蓋的那部分線圈局部電感部分線圈局部電感增大，磁阻減小增大，磁阻減小二、渦流式電感傳感器（1） 渦流式傳感器有渦流式傳感器有高頻反射式高頻反射式和

27、和低頻透射式低頻透射式兩兩種類型，高頻反射式應(yīng)用較為廣泛。這里主種類型，高頻反射式應(yīng)用較為廣泛。這里主要介紹高頻反射式渦流式傳感器的工作原理要介紹高頻反射式渦流式傳感器的工作原理和特點(diǎn)。和特點(diǎn)。低頻透射式低頻透射式低頻透射式：若將激勵(lì)頻率減低，渦流的貫穿深度將低頻透射式：若將激勵(lì)頻率減低，渦流的貫穿深度將加厚加厚。高頻反射式高頻反射式高頻反射式：渦流的反磁場(chǎng)高頻反射式：渦流的反磁場(chǎng)“反射反射”回去，改變激勵(lì)線圈阻抗。回去，改變激勵(lì)線圈阻抗。為了使反射效果好，則為了使反射效果好，則激勵(lì)頻率要高，貫穿深度較小激勵(lì)頻率要高，貫穿深度較小。二、渦流式電感傳感器（1） 圖圖4-114-11為渦流傳感器的

28、兩種典型結(jié)構(gòu)。渦流為渦流傳感器的兩種典型結(jié)構(gòu)。渦流傳感器實(shí)際上是一個(gè)固定在框架內(nèi)的扁平線傳感器實(shí)際上是一個(gè)固定在框架內(nèi)的扁平線圈。圈。 其工作原理是基于金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的其工作原理是基于金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng) 。二、渦流式電感傳感器（2） 渦流傳感器的線圈渦流傳感器的線圈 通入高頻電流通入高頻電流i i時(shí)，便時(shí)，便產(chǎn)生一高頻交變磁場(chǎng)，磁通為產(chǎn)生一高頻交變磁場(chǎng)，磁通為，如圖如圖4-4-1212。磁通在距線圈。磁通在距線圈 端面的間距為端面的間距為的金屬的金屬板表層產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流在金屬板板表層產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流在金屬板內(nèi)是閉合的渦電流，或稱內(nèi)是閉合的渦電流，或稱

29、渦流渦流。二、渦流式電感傳感器二、渦流式電感傳感器（3 3） 渦流渦流i i1 1的磁通為的磁通為1 1。根據(jù)根據(jù)楞次定律楞次定律，渦流磁，渦流磁場(chǎng)與電流場(chǎng)與電流i i產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化方向相反。渦流磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化方向相反。渦流磁場(chǎng)的作用使線圈場(chǎng)的作用使線圈自感自感L L或或線圈阻抗線圈阻抗Z Z發(fā)生變化。發(fā)生變化。 自感自感L L或或線圈阻抗線圈阻抗Z Z變化程度取決于線圈與金變化程度取決于線圈與金屬板之間的距離屬板之間的距離、金屬板的電阻率金屬板的電阻率、磁磁導(dǎo)率導(dǎo)率以及激勵(lì)電流以及激勵(lì)電流i i的頻率等的頻率等。 改變其中的某個(gè)因素，即可達(dá)到一定的變換改變其中的某個(gè)因素，即可達(dá)到一定的變換

30、目的。目的。 如：當(dāng)如：當(dāng)改變，可用于位移、振動(dòng)測(cè)量；當(dāng)改變，可用于位移、振動(dòng)測(cè)量；當(dāng)或或改變，可作為材質(zhì)的鑒別與探傷。改變，可作為材質(zhì)的鑒別與探傷。二、渦流式電感傳感器二、渦流式電感傳感器（5 5） 渦流式傳感器的測(cè)量電路有分壓式調(diào)幅電渦流式傳感器的測(cè)量電路有分壓式調(diào)幅電路和調(diào)頻電路。圖路和調(diào)頻電路。圖4-144-14為渦流式測(cè)振儀用為渦流式測(cè)振儀用的分壓式調(diào)幅電路原理。的分壓式調(diào)幅電路原理。LCf21 二、渦流式電感傳感器二、渦流式電感傳感器（6 6）優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，不受油污、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，不受油污、 介質(zhì)影響。介質(zhì)影響。應(yīng)用：應(yīng)用：位移、力、振動(dòng)測(cè)量，測(cè)厚位移、力、

31、振動(dòng)測(cè)量，測(cè)厚,材質(zhì)判材質(zhì)判別別 二、渦流式電感傳感器（6）案例：案例： 無(wú)損探傷無(wú)損探傷原理原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。火車(chē)輪檢測(cè)火車(chē)輪檢測(cè)油管檢測(cè)油管檢測(cè)二、渦流式電感傳感器（6）案例：案例： 測(cè)厚測(cè)厚案例：案例： 零件計(jì)數(shù)零件計(jì)數(shù)H=h0-(h1+h2)二、渦流式電感傳感器（6）H=h0-(h1+h2)三、差動(dòng)變壓器式電感傳感器 差動(dòng)變壓器式電感傳感器又簡(jiǎn)稱差動(dòng)變差動(dòng)變壓器式電感傳感器又簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。這種傳感器利用電磁感應(yīng)中的互壓器。這種傳感器利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。感現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。i1互感互感M的數(shù)值與兩線圈相對(duì)位置及周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)

32、磁能力等的數(shù)值與兩線圈相對(duì)位置及周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)磁能力等有關(guān)，表示兩線圈之間的耦合程度。有關(guān)，表示兩線圈之間的耦合程度。27)-(4 112dtdiMe三、差動(dòng)變壓器式電感傳感器M的數(shù)值與兩線圈相對(duì)位置及周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)磁能力等的數(shù)值與兩線圈相對(duì)位置及周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)磁能力等有關(guān)，表示兩線圈之間的耦合程度。差動(dòng)變壓器就有關(guān)，表示兩線圈之間的耦合程度。差動(dòng)變壓器就是利用這一原理，將位移轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。是利用這一原理，將位移轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。WW1W2EwEoutEoutx-x三、差動(dòng)變壓器式電感傳感三、差動(dòng)變壓器式電感傳感器器輸出電壓如果用交流電壓表指示，輸出電壓如果用交流電壓表指示，只能反映銜鐵

33、位移大小，不能反映方向只能反映銜鐵位移大小，不能反映方向消除零點(diǎn)殘余電壓消除零點(diǎn)殘余電壓三、差動(dòng)變壓器式電感傳感器三、差動(dòng)變壓器式電感傳感器 差動(dòng)變壓器式電感傳感器穩(wěn)定性好，使差動(dòng)變壓器式電感傳感器穩(wěn)定性好，使用方便，線性范圍大，廣泛用于大位移用方便，線性范圍大，廣泛用于大位移的測(cè)量。但測(cè)量頻率上限受其機(jī)械部分的測(cè)量。但測(cè)量頻率上限受其機(jī)械部分固有頻率的限制。固有頻率的限制。電感式傳感器電感式傳感器應(yīng)用應(yīng)用: 厚度厚度, ,角度角度, ,表面粗糙度表面粗糙度; ;拉伸拉伸, ,壓縮壓縮, ,垂直度垂直度; ; 壓力壓力, ,流量流量, ,液位液位; ;張力張力, ,重力重力, ,負(fù)荷量負(fù)荷量;

34、 ;扭矩扭矩, , 應(yīng)力應(yīng)力, ,動(dòng)力動(dòng)力; ;氣壓氣壓, ,溫度溫度; ;振動(dòng)振動(dòng), ,速度速度, ,加速度加速度; ;等等. .案例：案例：板的厚度測(cè)量板的厚度測(cè)量 案例：案例：張力測(cè)量張力測(cè)量第五節(jié)第五節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。實(shí)際把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。實(shí)際上是一個(gè)可變參數(shù)的電容器。上是一個(gè)可變參數(shù)的電容器。 由中間充滿均勻介質(zhì)的兩個(gè)平行板構(gòu)成的電容器的由中間充滿均勻介質(zhì)的兩個(gè)平行板構(gòu)成的電容器的電容量，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，可表示為：電容量，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，可表示為：28)-(4 )(0FAC+A 當(dāng)被測(cè)量當(dāng)被測(cè)量、A或或發(fā)生

35、變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。 分類分類 電容式傳感器電容式傳感器 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. .一、極距變化型電容傳感器 如果兩極板相互覆蓋面積與極板間介質(zhì)不如果兩極板相互覆蓋面積與極板間介質(zhì)不變，則電容量變，則電容量C C

36、與極距與極距成非線性關(guān)系。當(dāng)成非線性關(guān)系。當(dāng)極距有一微小變化時(shí)，電容量的變化為極距有一微小變化時(shí)，電容量的變化為28)-(4 )(0FAC29)-(4 20dAdC30)-(4 20AddCS靈敏度為+一、極距變化型電容傳感器一、極距變化型電容傳感器 靈敏度靈敏度S S不是常數(shù)不是常數(shù)，與極距，與極距的平方成反比，極距的平方成反比，極距越小靈敏度越高。越小靈敏度越高。 非線性誤差影響其實(shí)際應(yīng)用。非線性誤差影響其實(shí)際應(yīng)用。 為減小該誤差，一般規(guī)定極距變化型電容傳感器為減小該誤差，一般規(guī)定極距變化型電容傳感器在極小的范圍內(nèi)工作。在極小的范圍內(nèi)工作。31)-(4 - 1 20020200200AAA

37、S一、極距變化型電容傳感器 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了提高傳感器的靈敏度和線實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了提高傳感器的靈敏度和線性度，消除外界條件的干擾，常采用差動(dòng)式。性度，消除外界條件的干擾，常采用差動(dòng)式。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，進(jìn)行非接觸優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，進(jìn)行非接觸式測(cè)量，測(cè)量力可忽略。式測(cè)量，測(cè)量力可忽略。 缺點(diǎn)：傳感器和電纜電容影響較大，需處置缺點(diǎn)：傳感器和電纜電容影響較大，需處置適當(dāng)。適當(dāng)。二、面積變化型電容傳感器 改變極板相互覆蓋的面積，從而改變電改變極板相互覆蓋的面積，從而改變電容量的大小。容量的大小。 角位移式角位移式 平面線位移式平面線位移式 圓柱線位移式圓柱線位移式角位移式 覆蓋面

38、積為覆蓋面積為32)-(4 22rA則傳感器電容量為則傳感器電容量為33)-(4 )(220FrC34)-(4 220常數(shù)靈敏度為rddCS平面線位移式 當(dāng)動(dòng)極板沿當(dāng)動(dòng)極板沿x x方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變化，引起電容量的變化?；?，引起電容量的變化。35)-(4 0bxC 36)-(4 0常數(shù)bdxdCS圓柱線位移式 圓柱體線位移型電容傳感器的電容量為圓柱體線位移型電容傳感器的電容量為37)-(4 /ln20dDxC38)-(4 /ln20常數(shù)dDdxdCS面積變化型電容傳感器 優(yōu)點(diǎn)：輸出與輸入成線性關(guān)系，適于優(yōu)點(diǎn)：輸出與輸入成線性關(guān)系，適于做較大直線位移及角位移的測(cè)量。做較

39、大直線位移及角位移的測(cè)量。 缺點(diǎn)：與極距變化型相比，靈敏度較缺點(diǎn)：與極距變化型相比，靈敏度較低。低。三、介質(zhì)變化型電容傳感器 電容器極板固定，極距和覆蓋面積不變，電容器極板固定，極距和覆蓋面積不變，兩極板間介質(zhì)的改變，使得其電容量發(fā)兩極板間介質(zhì)的改變，使得其電容量發(fā)生變化。生變化。AC00，若極板間介質(zhì)為空氣時(shí)39)-(4 000ddAddACd，則的介質(zhì)，其厚度為數(shù)為極板間插入相對(duì)介電系四、兩種測(cè)量電路 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理001AC002AC)474(45)-(4 1012121UUUCCCCUUUscBpApsc輸出電壓與極矩變化成線性關(guān)系輸出電壓與極矩變化成線性關(guān)系四、兩種測(cè)量電路四、

40、兩種測(cè)量電路 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路iiieiCjeeiCjefiaffoaiii11aiiifieiciK0eoacfai0ifieiciK0eoacf四、兩種測(cè)量電路 如果放大器增益非常高，則與其最大線性如果放大器增益非常高，則與其最大線性輸出相對(duì)應(yīng)的輸入電壓非常小，可認(rèn)為輸出相對(duì)應(yīng)的輸入電壓非常小，可認(rèn)為如果放大器輸入阻抗也非常高，如果放大器輸入阻抗也非常高，則其輸入電流近似為零，即則其輸入電流近似為零，即0i 0aeai0ifieiciK0eoacf四、兩種測(cè)量電路fiffoiiiiiiCjeiCje1152)-(4 fiioCCee53)-(4 0ACeeiio電容式傳感器

41、 此種傳感器電容量一般很小，而由被測(cè)此種傳感器電容量一般很小，而由被測(cè)量引起的電容量的變化就量引起的電容量的變化就更小更小，輸出阻，輸出阻抗非常高。與其配接的電纜電容較大，抗非常高。與其配接的電纜電容較大，且當(dāng)電纜彎曲、抖動(dòng)或受環(huán)境影響而產(chǎn)且當(dāng)電纜彎曲、抖動(dòng)或受環(huán)境影響而產(chǎn)生的生的電纜電容變化可能大于傳感器電容電纜電容變化可能大于傳感器電容的變化。的變化。 為解決此問(wèn)題，可采用以下措施：為解決此問(wèn)題，可采用以下措施： 集成化集成化 改善屏蔽，采用改善屏蔽，采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”或雙層屏或雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)。蔽等電位傳輸技術(shù)。應(yīng)用應(yīng)用 電容式傳感器電容式傳感器 案例：案例：電容傳聲器電容傳

42、聲器 案例案例: :液面高度測(cè)量液面高度測(cè)量應(yīng)用應(yīng)用電容式測(cè)厚儀電容式測(cè)厚儀: 測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中厚度測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中厚度 兩工作極板之間形成兩個(gè)兩工作極板之間形成兩個(gè)電容，電容， 其總電容為其總電容為C= C1+C2 。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電容發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化。通過(guò)檢測(cè)電路量的變化。通過(guò)檢測(cè)電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。換和顯示出帶材的厚度。 應(yīng)用應(yīng)用 （3）電容式轉(zhuǎn)速傳感器）電容式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變?nèi)萘堪l(fā)生周期性變化，通過(guò)測(cè)量電路化，通過(guò)測(cè)

43、量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為設(shè)齒數(shù)為z,頻率為頻率為f,則轉(zhuǎn)速為則轉(zhuǎn)速為:第六節(jié)第六節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器的工作原理是基于壓電材壓電式傳感器的工作原理是基于壓電材料的料的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 二、壓電式傳感器及其等效電路二、壓電式傳感器及其等效電路 三、測(cè)量電路三、測(cè)量電路一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 石英、鈦酸鋇等晶體，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不石英、鈦酸鋇等晶體，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，一些表僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，一些表面出現(xiàn)電荷，面

44、出現(xiàn)電荷，形成電場(chǎng)形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去掉時(shí)，表面。當(dāng)外力去掉時(shí)，表面又重新回到原來(lái)不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為又重新回到原來(lái)不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為。 具有壓電效應(yīng)的材料叫做具有壓電效應(yīng)的材料叫做。 如果把壓電材料置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸發(fā)生如果把壓電材料置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸發(fā)生變化，這種外電場(chǎng)作用導(dǎo)致壓電材料機(jī)械變形變化，這種外電場(chǎng)作用導(dǎo)致壓電材料機(jī)械變形的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為或或。 例如：微位移驅(qū)動(dòng)加工平臺(tái)；蠕動(dòng)式機(jī)器人；例如：微位移驅(qū)動(dòng)加工平臺(tái)；蠕動(dòng)式機(jī)器人； 牙科用洗牙器具（超聲波振動(dòng)）；牙科用洗牙器具（超聲波振動(dòng)）； 深孔振動(dòng)鉆削（可斷屑）深孔振動(dòng)鉆削（可斷屑） 超聲波探頭；超聲波探頭；

45、一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 石英是一種單晶壓電材料。形狀為六角形晶柱。其基本組織為六棱柱體，有幾種軸線。光軸或中性軸電軸機(jī)械軸平行于相鄰棱柱面內(nèi)夾角的等分線，垂直于此軸的棱面壓電效應(yīng)最強(qiáng)垂直于六邊形對(duì)邊的軸線，在電場(chǎng)作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯Z軸方向沒(méi)有壓電效應(yīng)，此軸可用光學(xué)方法確定一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)縱壓電效應(yīng)橫壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)二、壓電式傳感器及其等效電路 在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍處理，形成金屬膜用作電極，如圖鍍處理，形成金屬膜用作電極，如圖4-4-2828所示。所示。AC0二、壓電式傳感器及其等效電路 實(shí)驗(yàn)證明，壓電晶片上所受作用

46、力與由實(shí)驗(yàn)證明，壓電晶片上所受作用力與由此產(chǎn)生的電荷量成正比。若沿單一晶軸此產(chǎn)生的電荷量成正比。若沿單一晶軸x-xx-x施加外力施加外力f f，則在垂直于則在垂直于x-xx-x軸的晶片軸的晶片表面上積聚的電荷量為表面上積聚的電荷量為dfq 二、壓電式傳感器及其等效電路二、壓電式傳感器及其等效電路 若壓電晶片受多方向力，其內(nèi)部產(chǎn)生一若壓電晶片受多方向力，其內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)。各個(gè)表面都會(huì)積聚電個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)。各個(gè)表面都會(huì)積聚電荷，有交叉耦合現(xiàn)象。電荷，有交叉耦合現(xiàn)象。電荷量為荷量為DFQ 二、壓電式傳感器及其等效電路 傳感器不應(yīng)從信號(hào)源吸取能量，即傳感器不應(yīng)從信號(hào)源吸取能量，即測(cè)量測(cè)量方法

47、上不應(yīng)消耗極板上積聚的電荷方法上不應(yīng)消耗極板上積聚的電荷。 用壓電式傳感器作靜態(tài)測(cè)量或準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)用壓電式傳感器作靜態(tài)測(cè)量或準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量時(shí)，必須采取措施，使電荷的損失減量時(shí)，必須采取措施，使電荷的損失減小到最低。小到最低。 在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，由于電荷可以不斷補(bǔ)充，在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，由于電荷可以不斷補(bǔ)充，對(duì)此要求不高。對(duì)此要求不高。二、壓電式傳感器及其等效電路 壓電式傳感器多用兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶片進(jìn)行壓電式傳感器多用兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶片進(jìn)行串接或并接。串接或并接。 并接時(shí)輸出電荷量大，適用于以電荷為輸出的并接時(shí)輸出電荷量大，適用于以電荷為輸出的場(chǎng)合。但不適于做頻率較高的信號(hào)的測(cè)量。場(chǎng)合。但不適于做頻率較高的信

48、號(hào)的測(cè)量。 串接時(shí)，電壓輸出大，電容比并接時(shí)小串接時(shí)，電壓輸出大，電容比并接時(shí)小。二、壓電式傳感器及其等效電路 壓電式傳感器結(jié)構(gòu)如圖壓電式傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-294-29，4-304-30。壓電式加速度傳感器又壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)。它也稱壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。它屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速

49、度成正比化與被測(cè)加速度成正比二、壓電式傳感器及其等效電路 壓電式力傳感器結(jié)構(gòu)如圖壓電式力傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-294-29，4-304-30。二、壓電式傳感器及其等效電路 壓電式傳感器是一個(gè)具有壓電式傳感器是一個(gè)具有 一定電容的電荷源。一定電容的電荷源。 輸出開(kāi)路時(shí)，開(kāi)路電壓輸出開(kāi)路時(shí)，開(kāi)路電壓e ea a與與 電荷電荷q q、電容電容C Ca a之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為aaCqe 當(dāng)傳感器接入測(cè)量電路時(shí)，其等效電路如圖當(dāng)傳感器接入測(cè)量電路時(shí)，其等效電路如圖4-284-28d d所示所示。idtCeq考慮負(fù)載影響后二、壓電式傳感器及其等效電路aC=CciciqCeidtCCCCa考慮負(fù)載影響后其中

50、C 傳感器電容，電纜電容， 電荷放大器輸入電容負(fù)載效應(yīng)對(duì)輸出電荷（或電負(fù)載效應(yīng)對(duì)輸出電荷（或電壓）很微弱、輸出阻抗很高壓）很微弱、輸出阻抗很高的壓電式傳感器影響很大。的壓電式傳感器影響很大。三、測(cè)量電路 壓電式傳感器輸出信號(hào)比較微弱，輸出阻壓電式傳感器輸出信號(hào)比較微弱，輸出阻抗極高。為了減小電荷泄漏，實(shí)現(xiàn)阻抗匹抗極高。為了減小電荷泄漏，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，后續(xù)電路的輸入阻抗必須極高，匹配配，后續(xù)電路的輸入阻抗必須極高，匹配的電纜電容要很小且噪聲要很低，電纜電的電纜電容要很小且噪聲要很低，電纜電容不能任意變動(dòng)。容不能任意變動(dòng)。通常把傳感器信號(hào)首先通常把傳感器信號(hào)首先輸入前置放大器輸入前置放大器。三、測(cè)

51、量電路 前置放大器前置放大器的作用主要有兩點(diǎn)：的作用主要有兩點(diǎn)： 一是將傳感器的高輸出阻抗變換為前置放大一是將傳感器的高輸出阻抗變換為前置放大器的低阻抗輸出，實(shí)現(xiàn)與一般測(cè)試裝置或中器的低阻抗輸出，實(shí)現(xiàn)與一般測(cè)試裝置或中間變換器的阻抗匹配；間變換器的阻抗匹配； 二是對(duì)傳感器的微弱輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大。二是對(duì)傳感器的微弱輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大。 1. 電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）第一級(jí)采用第一級(jí)采用MOS型場(chǎng)效應(yīng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成源級(jí)輸出器，其輸管構(gòu)成源級(jí)輸出器，其輸入阻抗較高入阻抗較高第二級(jí)采用普通晶體管射第二級(jí)采用普通晶體管射級(jí)輸出器作電壓放大器的級(jí)輸出器作電壓放大器的輸出級(jí)，同時(shí)對(duì)

52、第一級(jí)形輸出級(jí)，同時(shí)對(duì)第一級(jí)形成負(fù)反饋，使第一級(jí)的輸成負(fù)反饋，使第一級(jí)的輸入阻抗進(jìn)一步提高。入阻抗進(jìn)一步提高。電壓放大器的主要作用是阻抗變換，放大作用是次要的，所電壓放大器的主要作用是阻抗變換，放大作用是次要的，所以稱作以稱作阻抗變換器阻抗變換器。三、測(cè)量電路 電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器） 特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，體積小，價(jià)格低。但連特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，體積小，價(jià)格低。但連接電纜必須專用，不能任意更換；電纜不接電纜必須專用，不能任意更換；電纜不能很長(zhǎng)，電纜電容不得很大，否則傳感器能很長(zhǎng)，電纜電容不得很大，否則傳感器的靈敏度改變，引起測(cè)量誤差。的靈敏度改變，引起測(cè)量誤差。三、測(cè)量電路 電

53、荷放大器電荷放大器CKCKqefo) 1(foCqeK很大時(shí)，當(dāng)電荷放大器輸出電壓與電纜電容、長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。電荷放大器輸出電壓與電纜電容、長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。eo壓電式壓電式加速度加速度傳感器傳感器 壓電式壓電式加速度計(jì)應(yīng)用：加速度計(jì)應(yīng)用：手提電腦的硬盤(pán)抗摔保護(hù)，數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來(lái)檢測(cè)拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。壓電加速度傳感器還應(yīng)用于汽車(chē)安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面。 左圖左圖( 壓電式傳聲器壓電式傳聲器)為為壓電式傳聲器的原理圖。壓電式傳聲器的原理圖。圖中金屬膜片與雙壓電圖中金屬膜片與雙壓電晶體彎曲梁相連，膜片晶體彎曲梁相連，膜片

54、受到聲壓作用而變形時(shí)，受到聲壓作用而變形時(shí)，雙壓電元件也產(chǎn)生變形，雙壓電元件也產(chǎn)生變形，在壓電元件梁端面產(chǎn)生在壓電元件梁端面產(chǎn)生電荷。通過(guò)變換電路可電荷。通過(guò)變換電路可以輸出電信號(hào)。以輸出電信號(hào)。 第七節(jié) 磁電式傳感器 把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化。又稱把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化。又稱電動(dòng)式傳感器。電動(dòng)式傳感器。 一個(gè)匝數(shù)為一個(gè)匝數(shù)為W W的線圈，當(dāng)穿過(guò)該線圈的磁通的線圈，當(dāng)穿過(guò)該線圈的磁通發(fā)發(fā)生變化時(shí)，線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為生變化時(shí)，線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為61)-(4 dtdWe磁通變化率受磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速磁通變化率受磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度等因素影響。度等因

55、素影響。磁電式動(dòng)圈式動(dòng)圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角速度型N磁電式傳感器磁電式傳感器 線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的感線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為sin (4-62)eWBlv90 (4-63)eWBlv一般則一、動(dòng)圈式磁電傳感器一、動(dòng)圈式磁電傳感器 1 1、線速度型磁電式傳感器、線速度型磁電式傳感器線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 (4-64)eWBA2 2、角速度型磁電式傳感器、角速度型磁電式傳感器動(dòng)圈式磁電傳感器動(dòng)圈式磁電傳感器 補(bǔ)充補(bǔ)充: 動(dòng)鐵式結(jié)構(gòu)類動(dòng)鐵式結(jié)構(gòu)類型的磁電感應(yīng)式傳感型的磁電感應(yīng)式傳感器器

56、二、磁阻式傳感器 傳感器固定不動(dòng)，被測(cè)物體（導(dǎo)磁材料）傳感器固定不動(dòng)，被測(cè)物體（導(dǎo)磁材料）的運(yùn)動(dòng)使磁路磁阻改變，從而在線圈中產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)使磁路磁阻改變，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。二、磁阻式傳感器 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小不僅與傳感器和被測(cè)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小不僅與傳感器和被測(cè)體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，還與傳感器工作之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，還與傳感器工作表面與被測(cè)體之間的距離有關(guān)。表面與被測(cè)體之間的距離有關(guān)。),(xvfe 線圈線圈3和磁鐵和磁鐵5靜止不動(dòng)，測(cè)量靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪齒輪1（導(dǎo)磁材料制成）每轉(zhuǎn)過(guò)（導(dǎo)磁材料制成）每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈一次，線

57、圈3產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等于測(cè)量齒輪的變化頻率等于測(cè)量齒輪1上齒上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。 變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在-15090的的溫度下工作，不影響測(cè)量精度，也能在油、水霧、灰塵等條溫度下工作，不影響測(cè)量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達(dá)，上限可達(dá)100Hz。 二、磁阻式傳感器二、磁阻式傳感器測(cè)頻測(cè)頻測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)偏心測(cè)偏心振動(dòng)測(cè)量振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用應(yīng)用b) 測(cè)速電機(jī)測(cè)速電機(jī)a)磁電式車(chē)速傳感器磁電式車(chē)速傳感器磁電

58、式傳感器磁電式傳感器 第八節(jié) 光電式傳感器 被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光量，然后再由光敏元件被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光量，然后再由光敏元件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 一、光敏元件一、光敏元件 二、光電式傳感器二、光電式傳感器一、光敏元件一、光敏元件 1.光敏電阻光敏電阻 某些半導(dǎo)體材料，在光照射下，吸收一部分光某些半導(dǎo)體材料，在光照射下，吸收一部分光能，使其內(nèi)部的載流子數(shù)目增多，從而使材料能，使其內(nèi)部的載流子數(shù)目增多，從而使材料的電導(dǎo)率增大，電阻減小，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光的電導(dǎo)率增大，電阻減小，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)或光導(dǎo)效應(yīng)電效應(yīng)或光導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻一、光敏元件一、光敏元件 1.光敏電阻光敏電阻 光敏電阻阻值變化與光波

59、波長(zhǎng)有關(guān)，不同的光敏電阻阻值變化與光波波長(zhǎng)有關(guān)，不同的材料有不同的光譜特性。材料有不同的光譜特性。 例如：例如： 可見(jiàn)光域；紫外線域；紅外線域?？梢?jiàn)光域；紫外線域；紅外線域。 應(yīng)根據(jù)光波波長(zhǎng)合理選擇光敏電阻的材料。應(yīng)根據(jù)光波波長(zhǎng)合理選擇光敏電阻的材料。 當(dāng)半導(dǎo)體與金屬或半導(dǎo)體當(dāng)半導(dǎo)體與金屬或半導(dǎo)體p-np-n結(jié)接合面受到光的結(jié)接合面受到光的照射，發(fā)生電子與空穴的分離現(xiàn)象，從而在接觸照射，發(fā)生電子與空穴的分離現(xiàn)象，從而在接觸面兩端產(chǎn)生電勢(shì)，面兩端產(chǎn)生電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為。 P P型半導(dǎo)體內(nèi)有過(guò)剩的空穴，型半導(dǎo)體內(nèi)有過(guò)剩的空穴， n n型半導(dǎo)體內(nèi)有過(guò)型半導(dǎo)體內(nèi)有過(guò)剩的電子。剩的電子。2.

60、 光電池與光敏晶體管+-PN阻擋層阻擋層載流子擴(kuò)散現(xiàn)象電子空穴 如果光照射如果光照射p-np-n結(jié)，在結(jié)，在p-np-n結(jié)附近，由于結(jié)附近，由于吸收了光子能量，因而產(chǎn)生空穴與電子。吸收了光子能量，因而產(chǎn)生空穴與電子。這種由于光照射而產(chǎn)生的載流子稱謂這種由于光照射而產(chǎn)生的載流子稱謂光光生載流子生載流子 光生載流子在光生載流子在p-np-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，結(jié)電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反的生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反的漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)。電子被。電子被推向推向n n區(qū)，空穴被拉進(jìn)區(qū)，空穴被拉進(jìn)p p區(qū)，使區(qū)，使p p區(qū)帶正區(qū)帶正電，而電，而n n區(qū)帶負(fù)電，產(chǎn)生電位差，即構(gòu)區(qū)帶負(fù)電，產(chǎn)生電位差，即構(gòu)成了成了光