常見傳感器原理及應(yīng)用課件

第三章傳感檢測系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章傳感檢測系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3常見傳感器原理及應(yīng)用電阻式傳感器光電式傳感器壓電式傳感器電感式傳感器電容式傳感器半導(dǎo)體式傳感器熱電偶式傳感器3.3常見傳感器原理及應(yīng)用電阻式傳感器光電式傳感器壓電式3.3.1電阻式傳感器Resistivetransducer電阻元件被測量電阻變化將被測量變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。位移、力、壓力、加速度、扭矩等3.3.1電阻式傳感器Resistivetransdu常見傳感器原理及應(yīng)用課件3.3.1.1電位器式傳感器Potentiometrictransducer利用加激勵的電阻體上可動觸點(diǎn)位置的變化，將被測量變化轉(zhuǎn)換成電壓比變化的傳感器。由電阻元件、電刷、骨架等組成。3.3.1.1電位器式傳感器Potentiometric繞線式電位器線性線繞式電位器示意圖Ui為工作電壓，U0為RL兩端的輸出電壓，x為線繞式電位器電刷移動長度，L為其總長度，對應(yīng)于電刷移動量x的阻值為Rx。繞線式電位器線性線繞式電位器示意圖Ui為工繞線式電位器的結(jié)構(gòu)線繞式電位器繞線式電位器的結(jié)構(gòu)線繞式電位器電位器式傳感器的應(yīng)用航空飛行高度傳感器電位器式傳感器的應(yīng)用航空飛行高度傳感器

在測量比較小的位移時，可將線位移變換成角位移。測小位移傳感器示意圖電位器式傳感器的應(yīng)用測小位移在測量比較小的位移時，可將線位移變換成角位移電位器式傳感器的應(yīng)用測加速度慣性質(zhì)量塊在被測加速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測加速度的位移，從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動，輸出一與加速度成比例的電壓信號。電位器式加速度傳感器示意圖電位器式傳感器的應(yīng)用測加速度慣性質(zhì)量塊在被基于電位器的線性/角位移傳感器模型若

，則傳感器可線性化；

其中：

是線性位移。將上式中的

和

換成角度值后，可以用于角度測量。基于電位器的線性/角位移傳感器模型3.3.1.2應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片被測量電阻變化

電阻應(yīng)變傳感器是一種利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。任何非電量能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變量3.3.1.2應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片被測量電阻變化應(yīng)變片當(dāng)受到外力時，導(dǎo)體變長變細(xì)，電阻增加，R->R+△R應(yīng)變片當(dāng)受到外力時，導(dǎo)體變長變細(xì)，電阻增加，R->R+△R應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片和測量電路組成。傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測量物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器由彈性敏感元常見電阻應(yīng)變片（a）金屬線（b）金屬箔（c）半導(dǎo)體

電阻應(yīng)變片是應(yīng)變測量的關(guān)鍵元件，為適應(yīng)各種領(lǐng)域測量的需要，可供選擇的電阻應(yīng)變片的種類很多，常用的有絲式、箔式和半導(dǎo)體式。常見電阻應(yīng)變片（a）金屬線（b）金屬箔（c）半導(dǎo)體應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用1.應(yīng)變式力傳感器FF應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用1.應(yīng)變式力傳感器FF應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用

電子天平的精度可達(dá)十萬分之一。2.電子天平應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用電子天平的精度可達(dá)十萬吊鉤秤

吊鉤秤3.3.2電容式傳感器Capacitivetransducer將被測量變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。

可以應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等參數(shù)的測量中。3.3.2電容式傳感器Capacitivetransd電容傳感器的理想公式為——極板間距離；——極板面積；——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)——相對介電常數(shù)——電容式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)形式

，真空的介電常數(shù)。電容傳感器的理想公式為——極板間距離；電容式傳感器工作原理及1．變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器原理動畫演示

設(shè)ε和A不變，初始狀極距為d0時，電容器容量為C0。若動極板有位移，使極板間距離減小x，則電容則增大到

cx。1．變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器原理動畫演示2．變面積式電容式傳感器2．變面積式電容式傳感器3．變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動畫演示3．變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動畫演示電容傳感器的應(yīng)用

電容傳感器聲波測量動畫演示1．聲波測量電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器聲波測量動畫演示1．聲波測電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖2．壓力測量電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖2．壓力測量高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器外形圖3．?dāng)?shù)字無損耗信號傳輸利用單晶硅諧振傳感器，采用微電子表面加工技術(shù)，保證±0.2%的測量精度，可實(shí)現(xiàn)抵制靜壓、溫飄對其影響。高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容電容傳感器加速度測量動畫演示4．加速度測量電容傳感器加速度測量動畫演示4．加速度測量硅微加工電容加速度傳感器

電容式硅微加速度傳感器是一種重要的慣性傳感器，是慣性測量組合系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件之一。它與傳統(tǒng)的加速度計(jì)相比具有重量輕,成本低,功耗小,體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)。硅微加工電容加速度傳感器電容式硅微加速度傳感器是一種5．電容式指紋傳感器5．電容式指紋傳感器3.3.3接近開關(guān)

接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。

3.3.3接近開關(guān)接近開關(guān)又稱無觸接近開關(guān)外形接近開關(guān)外形接近開關(guān)外形（續(xù)）接近開關(guān)外形（續(xù)）接近開關(guān)分類只對導(dǎo)磁物體起作用對接地的金屬起作用只對導(dǎo)電良好的金屬起作用對磁性物體起作用接近開關(guān)分類只對導(dǎo)磁物體起作用對接地的金屬起作用只對導(dǎo)電良好接近開關(guān)的特點(diǎn)接近開關(guān)與被測物不接觸、不會產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應(yīng)快、無觸點(diǎn)、無火花、無噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便。

缺點(diǎn)是觸點(diǎn)容量較小、輸出短路時易燒毀。接近開關(guān)的特點(diǎn)接近開關(guān)與被測物不接觸、不會產(chǎn)生3.3.4差動變壓器線圈和磁芯—完全線性—便宜—耐用—有“中心位置”用于執(zhí)行器—通常嵌入使用—低非線性—大位移3.3.4差動變壓器線圈和磁芯LVDT結(jié)構(gòu)示意圖和電原理圖LVDTLVDT是線性可變差動變壓器(LinearVariable DifferentialTransformer)。LVDT位移傳感器的工作原理簡單地說是鐵芯

可動變壓器。次級線圈1初級線圈次級線圈2鐵芯（有色金屬棒）兩個次級線圈間的輸出電壓輸入初級線圈的恒定交流電壓從中心位置移動LVDT結(jié)構(gòu)示意圖和電原理圖LVDTLVDT是線性可1.結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復(fù)性好，性能價格比高。2.精度：最高精度可達(dá)0.05%，一般為0.25%、0.5%。3.絕對誤差：最高可達(dá)0.1μm。4.重復(fù)性：好，最高可達(dá)0.1μm。5.靈敏度：高，一般每mm位移輸出為數(shù)百mv,最高可達(dá)幾伏。6.分辨率：高，一般為0.1μm，最高可達(dá)10--4μm。7.測量范圍：寬，±0.1mm～±500mm甚至更大。8.工作溫度范圍：大，一般為-55℃～+150℃可擴(kuò)展到+300℃，傳感器或變送器分為三級：

商業(yè)級：0℃～+70℃

工業(yè)級：-40℃～+85℃

軍級：-55℃～+125℃

9.時間常數(shù)小，動態(tài)特性好，頻帶寬一般為200HZ（5ms）最高可

500HZ（2ms）。LVDT特點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復(fù)性好，性能價格5.體積小，價格低，性能價格比高。1.動態(tài)特性好，可用于高速在線檢測，進(jìn)行自動測量，自

動控制。光柵、磁柵等測量速度一般為1.5m/s以內(nèi)，只

能用于靜態(tài)測量。LVDT特點(diǎn)LVDT與光柵、磁柵等高精度測長儀器相比有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：3.可以做成在特殊條件下工作的傳感器，如耐高壓，高溫，

耐輻射全密封在水下工作。4.可靠性非常好，能承受沖擊1000g/11ms，振動：頻率

2000HZ，加速度20g。2.LVDT可在強(qiáng)磁場，大電流，潮濕，粉塵等惡劣環(huán)境下使

用。5.體積小，價格低，性能價格比高。1.動態(tài)特性好，編碼器是將直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)角運(yùn)動變換為數(shù)字信號進(jìn)行測量的一種傳感器。它通過光電原理或電磁原理將一個機(jī)械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子信號（電子脈沖信號或者數(shù)據(jù)串）。這種電子信號通常需要連接到控制系統(tǒng)(e.g.PLC、高速計(jì)數(shù)模塊、變頻器等),控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算便可以得到測量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一步工作。編碼器一般應(yīng)用于機(jī)械角度、速度、位置的測量。3.3.5編碼器Coder編碼器是將直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)角運(yùn)動變換為數(shù)字信號進(jìn)行測量的一種傳感編碼器的分類（工作原理）

增量編碼器絕對值編碼器一般用來測試速度與方向也可以用角度測量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時位置信息丟失傳送在一轉(zhuǎn)中每一步的唯一的位置信息位置信息一直可用,即使在掉電或電源出現(xiàn)故障時一般用于角度測量、往復(fù)運(yùn)動編碼器的分類（工作原理）增量編碼器絕對值編碼器一般用來測編碼器的一般特性編碼器的一般特性編碼器外形拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。編碼器外形拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運(yùn)（1）信號性質(zhì)00000000122.50010451111337.5

輸出n位二進(jìn)制編碼，每一個編碼對應(yīng)唯一的角度。絕對式測量（ABS）（1）信號性質(zhì)00000111（2）絕對式光電碼盤基本原理LED光敏元件（2）絕對式光電碼盤基本原理LED光敏元件

輸出信號為一串脈沖，每一個脈沖對應(yīng)一個分辨角，對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)N，就是對的累加，即，角位移＝N。

如：

＝0.352，脈沖N＝1000，則：

＝0.352×1000＝352增量式測量（INC）（1）信號性質(zhì)輸出信號為一串脈沖，每一個脈沖對應(yīng)一個分辨角，（2）增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)碼盤光欄板LED零位標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）光敏元件＝360°／條紋數(shù)＝360°／1024＝0.352°透光條紋（2）增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)碼盤光欄板LED光敏元件＝（3）辨向90ABAB

光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90相位，用于辨向。當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90。（3）辨向90ABAB光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相（4）辨向信號ABABA超前于B90°，正向A滯后于B90°，反向（4）辨向信號ABABA超前于B90°，正向A滯后于B（5）倍頻（細(xì)分）/4細(xì)分前4細(xì)分后

在現(xiàn)有編碼器的條件下，通過細(xì)分技術(shù)能提高編碼器的分辨力。細(xì)分前，編碼器的分辨力只有一個分辨角的大小。采用4細(xì)分技術(shù)后，計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當(dāng)于將原編碼器的分辨力提高了3倍，測量分辨角是原來的1/4，提高了測量精度。（5）倍頻（細(xì)分）/4細(xì)分前4細(xì)分后在現(xiàn)有編碼器的條（6）零標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）

一轉(zhuǎn)（360）CC

在碼盤里圈，還有一條狹縫C，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉(zhuǎn)信號”或零標(biāo)志脈沖，作為測量的起始基準(zhǔn)。（6）零標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）一轉(zhuǎn)（360）CC在碼盤里圈（7）零標(biāo)志在回參考點(diǎn)中的作用Z軸參考點(diǎn)X軸參考點(diǎn)Y軸參考點(diǎn)回參考點(diǎn)方式SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)工作方式開關(guān)（7）零標(biāo)志在回參考點(diǎn)中的作用Z軸參考點(diǎn)X軸參考點(diǎn)Y軸（8）回參考點(diǎn)減速開關(guān)限位開關(guān)參考點(diǎn)減速開關(guān)滑塊（8）回參考點(diǎn)減速開關(guān)限位開關(guān)參考點(diǎn)減速開關(guān)滑塊（9）回參考點(diǎn)示意圖減速尋找零標(biāo)志零標(biāo)志找到參考點(diǎn)位置速度慢速快速行程碰到參考點(diǎn)減速開關(guān)播放（9）回參考點(diǎn)示意圖減速尋找零標(biāo)志零標(biāo)志找到參考點(diǎn)位置速度慢3.3.6光柵式傳感器光柵尺位移傳感器GWC系列光柵位移傳感器3.3.6光柵式傳感器光柵尺位移傳感器GWC系列光柵位移光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。光源：鎢絲燈泡；半導(dǎo)體發(fā)光器件光電元件：光電池；光敏二極管光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖由主光柵、指示光柵、光源和光電器如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖中d－d線區(qū)所示。圖中f－f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較長光柵莫爾條紋播放動畫長光柵莫爾條紋播放動畫

莫爾條紋亮帶暗帶（1）莫爾條紋移動方向與兩光柵相對移動方向垂直。（2）莫爾條紋有位移的放大作用。莫爾條紋亮帶暗帶（1）莫爾條紋移動方向與兩光柵相對移動(1)莫爾條紋的移動方向：當(dāng)指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動。查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。(2)位移的放大作用：當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距B。當(dāng)兩個等距光柵的柵間夾角θ較小時，主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：莫爾條紋測位移具有三個特點(diǎn)(1)莫爾條紋的移動方向：當(dāng)指示光柵不動，主光柵左右平移時條紋間距與柵距的關(guān)系為：

當(dāng)θ角較小時，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。

這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移。從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量。(3)誤差的平均效應(yīng)：莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。條紋間距與柵距的關(guān)系為：當(dāng)θ角較小時，例如θ動態(tài)測量范圍廣（0～1000mm）光柵位移傳感器的應(yīng)用測量精度高（分辨率為0.1μm）在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在量具、數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作母機(jī)的坐標(biāo)測量等方面。容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化可進(jìn)行無接觸測量動態(tài)測量范圍廣（0～1000mm）光柵位移傳感器的應(yīng)用測量精3.3.7磁柵式傳感器價格低于光柵、制作簡單、復(fù)制方便；測量范圍寬（從幾十毫米到數(shù)十米）、不需接長；易安裝和調(diào)整、抗干擾能力強(qiáng)。磁柵優(yōu)點(diǎn)磁柵傳感器是由磁柵（磁尺）、磁頭、檢測電路組成。3.3.7磁柵式傳感器價格低于光柵、制作簡單、復(fù)制方便；磁尺磁柵外觀圖磁頭磁尺磁柵外觀圖磁頭德國SIKO

磁柵尺德國SIKO磁柵尺磁柵式傳感器示意圖磁柵式傳感器示意圖磁柵式傳感器的應(yīng)用1．磁柵測量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺數(shù)顯磁柵式傳感器的應(yīng)用1．磁柵測量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺數(shù)顯3.3.8壓電式傳感器電壓和力力和電壓瞬態(tài)測量模型—電源—并聯(lián)電阻—并聯(lián)電容料斗無紅外輻射電荷平衡有紅外線電極兩端有剩余電荷3.3.8壓電式傳感器電壓和力料斗無紅外輻射電荷有紅電極兩壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測的目的。

壓電式傳感器主要用途：壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)（例如重量）的測量。壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝弘妭鞲衅髦荒軕?yīng)用于動態(tài)測量

由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在30kHz以上時，靈敏度下降）。壓電傳感器只能應(yīng)用于動態(tài)測量由于外力作第三章傳感檢測系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章傳感檢測系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3常見傳感器原理及應(yīng)用電阻式傳感器光電式傳感器壓電式傳感器電感式傳感器電容式傳感器半導(dǎo)體式傳感器熱電偶式傳感器3.3常見傳感器原理及應(yīng)用電阻式傳感器光電式傳感器壓電式3.3.1電阻式傳感器Resistivetransducer電阻元件被測量電阻變化將被測量變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。位移、力、壓力、加速度、扭矩等3.3.1電阻式傳感器Resistivetransdu常見傳感器原理及應(yīng)用課件3.3.1.1電位器式傳感器Potentiometrictransducer利用加激勵的電阻體上可動觸點(diǎn)位置的變化，將被測量變化轉(zhuǎn)換成電壓比變化的傳感器。由電阻元件、電刷、骨架等組成。3.3.1.1電位器式傳感器Potentiometric繞線式電位器線性線繞式電位器示意圖Ui為工作電壓，U0為RL兩端的輸出電壓，x為線繞式電位器電刷移動長度，L為其總長度，對應(yīng)于電刷移動量x的阻值為Rx。繞線式電位器線性線繞式電位器示意圖Ui為工繞線式電位器的結(jié)構(gòu)線繞式電位器繞線式電位器的結(jié)構(gòu)線繞式電位器電位器式傳感器的應(yīng)用航空飛行高度傳感器電位器式傳感器的應(yīng)用航空飛行高度傳感器

在測量比較小的位移時，可將線位移變換成角位移。測小位移傳感器示意圖電位器式傳感器的應(yīng)用測小位移在測量比較小的位移時，可將線位移變換成角位移電位器式傳感器的應(yīng)用測加速度慣性質(zhì)量塊在被測加速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測加速度的位移，從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動，輸出一與加速度成比例的電壓信號。電位器式加速度傳感器示意圖電位器式傳感器的應(yīng)用測加速度慣性質(zhì)量塊在被基于電位器的線性/角位移傳感器模型若

，則傳感器可線性化；

其中：

是線性位移。將上式中的

和

換成角度值后，可以用于角度測量?；陔娢黄鞯木€性/角位移傳感器模型3.3.1.2應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片被測量電阻變化

電阻應(yīng)變傳感器是一種利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。任何非電量能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變量3.3.1.2應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片被測量電阻變化應(yīng)變片當(dāng)受到外力時，導(dǎo)體變長變細(xì)，電阻增加，R->R+△R應(yīng)變片當(dāng)受到外力時，導(dǎo)體變長變細(xì)，電阻增加，R->R+△R應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片和測量電路組成。傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測量物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器由彈性敏感元常見電阻應(yīng)變片（a）金屬線（b）金屬箔（c）半導(dǎo)體

電阻應(yīng)變片是應(yīng)變測量的關(guān)鍵元件，為適應(yīng)各種領(lǐng)域測量的需要，可供選擇的電阻應(yīng)變片的種類很多，常用的有絲式、箔式和半導(dǎo)體式。常見電阻應(yīng)變片（a）金屬線（b）金屬箔（c）半導(dǎo)體應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用1.應(yīng)變式力傳感器FF應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用1.應(yīng)變式力傳感器FF應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用

電子天平的精度可達(dá)十萬分之一。2.電子天平應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用電子天平的精度可達(dá)十萬吊鉤秤

吊鉤秤3.3.2電容式傳感器Capacitivetransducer將被測量變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。

可以應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等參數(shù)的測量中。3.3.2電容式傳感器Capacitivetransd電容傳感器的理想公式為——極板間距離；——極板面積；——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)——相對介電常數(shù)——電容式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)形式

，真空的介電常數(shù)。電容傳感器的理想公式為——極板間距離；電容式傳感器工作原理及1．變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器原理動畫演示

設(shè)ε和A不變，初始狀極距為d0時，電容器容量為C0。若動極板有位移，使極板間距離減小x，則電容則增大到

cx。1．變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器原理動畫演示2．變面積式電容式傳感器2．變面積式電容式傳感器3．變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動畫演示3．變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動畫演示電容傳感器的應(yīng)用

電容傳感器聲波測量動畫演示1．聲波測量電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器聲波測量動畫演示1．聲波測電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖2．壓力測量電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖2．壓力測量高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器外形圖3．?dāng)?shù)字無損耗信號傳輸利用單晶硅諧振傳感器，采用微電子表面加工技術(shù)，保證±0.2%的測量精度，可實(shí)現(xiàn)抵制靜壓、溫飄對其影響。高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容電容傳感器加速度測量動畫演示4．加速度測量電容傳感器加速度測量動畫演示4．加速度測量硅微加工電容加速度傳感器

電容式硅微加速度傳感器是一種重要的慣性傳感器，是慣性測量組合系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件之一。它與傳統(tǒng)的加速度計(jì)相比具有重量輕,成本低,功耗小,體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)。硅微加工電容加速度傳感器電容式硅微加速度傳感器是一種5．電容式指紋傳感器5．電容式指紋傳感器3.3.3接近開關(guān)

接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。

3.3.3接近開關(guān)接近開關(guān)又稱無觸接近開關(guān)外形接近開關(guān)外形接近開關(guān)外形（續(xù)）接近開關(guān)外形（續(xù)）接近開關(guān)分類只對導(dǎo)磁物體起作用對接地的金屬起作用只對導(dǎo)電良好的金屬起作用對磁性物體起作用接近開關(guān)分類只對導(dǎo)磁物體起作用對接地的金屬起作用只對導(dǎo)電良好接近開關(guān)的特點(diǎn)接近開關(guān)與被測物不接觸、不會產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應(yīng)快、無觸點(diǎn)、無火花、無噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便。

缺點(diǎn)是觸點(diǎn)容量較小、輸出短路時易燒毀。接近開關(guān)的特點(diǎn)接近開關(guān)與被測物不接觸、不會產(chǎn)生3.3.4差動變壓器線圈和磁芯—完全線性—便宜—耐用—有“中心位置”用于執(zhí)行器—通常嵌入使用—低非線性—大位移3.3.4差動變壓器線圈和磁芯LVDT結(jié)構(gòu)示意圖和電原理圖LVDTLVDT是線性可變差動變壓器(LinearVariable DifferentialTransformer)。LVDT位移傳感器的工作原理簡單地說是鐵芯

可動變壓器。次級線圈1初級線圈次級線圈2鐵芯（有色金屬棒）兩個次級線圈間的輸出電壓輸入初級線圈的恒定交流電壓從中心位置移動LVDT結(jié)構(gòu)示意圖和電原理圖LVDTLVDT是線性可1.結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復(fù)性好，性能價格比高。2.精度：最高精度可達(dá)0.05%，一般為0.25%、0.5%。3.絕對誤差：最高可達(dá)0.1μm。4.重復(fù)性：好，最高可達(dá)0.1μm。5.靈敏度：高，一般每mm位移輸出為數(shù)百mv,最高可達(dá)幾伏。6.分辨率：高，一般為0.1μm，最高可達(dá)10--4μm。7.測量范圍：寬，±0.1mm～±500mm甚至更大。8.工作溫度范圍：大，一般為-55℃～+150℃可擴(kuò)展到+300℃，傳感器或變送器分為三級：

商業(yè)級：0℃～+70℃

工業(yè)級：-40℃～+85℃

軍級：-55℃～+125℃

9.時間常數(shù)小，動態(tài)特性好，頻帶寬一般為200HZ（5ms）最高可

500HZ（2ms）。LVDT特點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復(fù)性好，性能價格5.體積小，價格低，性能價格比高。1.動態(tài)特性好，可用于高速在線檢測，進(jìn)行自動測量，自

動控制。光柵、磁柵等測量速度一般為1.5m/s以內(nèi)，只

能用于靜態(tài)測量。LVDT特點(diǎn)LVDT與光柵、磁柵等高精度測長儀器相比有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：3.可以做成在特殊條件下工作的傳感器，如耐高壓，高溫，

耐輻射全密封在水下工作。4.可靠性非常好，能承受沖擊1000g/11ms，振動：頻率

2000HZ，加速度20g。2.LVDT可在強(qiáng)磁場，大電流，潮濕，粉塵等惡劣環(huán)境下使

用。5.體積小，價格低，性能價格比高。1.動態(tài)特性好，編碼器是將直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)角運(yùn)動變換為數(shù)字信號進(jìn)行測量的一種傳感器。它通過光電原理或電磁原理將一個機(jī)械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子信號（電子脈沖信號或者數(shù)據(jù)串）。這種電子信號通常需要連接到控制系統(tǒng)(e.g.PLC、高速計(jì)數(shù)模塊、變頻器等),控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算便可以得到測量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一步工作。編碼器一般應(yīng)用于機(jī)械角度、速度、位置的測量。3.3.5編碼器Coder編碼器是將直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)角運(yùn)動變換為數(shù)字信號進(jìn)行測量的一種傳感編碼器的分類（工作原理）

增量編碼器絕對值編碼器一般用來測試速度與方向也可以用角度測量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時位置信息丟失傳送在一轉(zhuǎn)中每一步的唯一的位置信息位置信息一直可用,即使在掉電或電源出現(xiàn)故障時一般用于角度測量、往復(fù)運(yùn)動編碼器的分類（工作原理）增量編碼器絕對值編碼器一般用來測編碼器的一般特性編碼器的一般特性編碼器外形拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。編碼器外形拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運(yùn)（1）信號性質(zhì)00000000122.50010451111337.5

輸出n位二進(jìn)制編碼，每一個編碼對應(yīng)唯一的角度。絕對式測量（ABS）（1）信號性質(zhì)00000111（2）絕對式光電碼盤基本原理LED光敏元件（2）絕對式光電碼盤基本原理LED光敏元件

輸出信號為一串脈沖，每一個脈沖對應(yīng)一個分辨角，對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)N，就是對的累加，即，角位移＝N。

如：

＝0.352，脈沖N＝1000，則：

＝0.352×1000＝352增量式測量（INC）（1）信號性質(zhì)輸出信號為一串脈沖，每一個脈沖對應(yīng)一個分辨角，（2）增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)碼盤光欄板LED零位標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）光敏元件＝360°／條紋數(shù)＝360°／1024＝0.352°透光條紋（2）增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)碼盤光欄板LED光敏元件＝（3）辨向90ABAB

光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90相位，用于辨向。當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90。（3）辨向90ABAB光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相（4）辨向信號ABABA超前于B90°，正向A滯后于B90°，反向（4）辨向信號ABABA超前于B90°，正向A滯后于B（5）倍頻（細(xì)分）/4細(xì)分前4細(xì)分后

在現(xiàn)有編碼器的條件下，通過細(xì)分技術(shù)能提高編碼器的分辨力。細(xì)分前，編碼器的分辨力只有一個分辨角的大小。采用4細(xì)分技術(shù)后，計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當(dāng)于將原編碼器的分辨力提高了3倍，測量分辨角是原來的1/4，提高了測量精度。（5）倍頻（細(xì)分）/4細(xì)分前4細(xì)分后在現(xiàn)有編碼器的條（6）零標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）

一轉(zhuǎn)（360）CC

在碼盤里圈，還有一條狹縫C，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉(zhuǎn)信號”或零標(biāo)志脈沖，作為測量的起始基準(zhǔn)。（6）零標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）一轉(zhuǎn)（360）CC在碼盤里圈（7）零標(biāo)志在回參考點(diǎn)中的作用Z軸參考點(diǎn)X軸參考點(diǎn)Y軸參考點(diǎn)回參考點(diǎn)方式SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)工作方式開關(guān)（7）零標(biāo)志在回參考點(diǎn)中的作用Z軸參考點(diǎn)X軸參考點(diǎn)Y軸（8）回參考點(diǎn)減速開關(guān)限位開關(guān)參考點(diǎn)減速開關(guān)滑塊（8）回參考點(diǎn)減速開關(guān)限位開關(guān)參考點(diǎn)減速開關(guān)滑塊（9）回參考點(diǎn)示意圖減速尋找零標(biāo)志零標(biāo)志找到參考點(diǎn)位置速度慢速快速行程碰到參考點(diǎn)減速開關(guān)播放（9）回參考點(diǎn)示意圖減速尋找零標(biāo)志零標(biāo)志找到參考點(diǎn)位置速度慢3.3.6光柵式傳感器光柵尺位移傳感器GWC系列光柵位移傳感器3.3.6光柵式傳感器光柵尺位移傳感器GWC系列光柵位移光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。光源：鎢絲燈泡；半導(dǎo)體發(fā)光器件光電元件：光電池；光敏二極管光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖由主光柵、指示光柵、光源和光電器如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖中d－d線區(qū)所示。圖中f－f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較長光柵莫爾條紋播放動畫長光柵莫爾條紋播放動畫

莫爾條紋亮帶暗帶（1）莫爾條紋移動方向與兩光柵相對移動方向垂直。（2）莫爾條紋有位移的放大作用。莫爾條紋亮帶暗帶（1）莫爾條紋移動方向與兩光柵相對移動(1)莫爾條紋的移動方向：當(dāng)指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動。查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。(2)位移的放大作用：當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距B。當(dāng)兩個等距