第02章 常用傳感器

2023/2/1第2章常用傳感器本章知識構架2023/2/1第2章常用傳感器【導入案例】2.1傳感器概述2.2電阻式傳感器2.3電容式傳感器2.4電感式傳感器2.5電動勢式傳感器2.6霍爾傳感器

2023/2/1導入案例一.電飯鍋——熱電傳感器的應用

電飯鍋的電原理如圖2.1所示。S1是一個開關按鈕，手動閉合,

當此開關的溫度達到居里點

(103℃)時會自動斷開；S2是一個自動溫控開關，當溫

度低于約70℃時會自動閉合，

溫度高于80℃時會自動斷開；紅燈是加熱狀態(tài)時的指示燈，黃燈是保溫狀態(tài)時的指示燈，限流電阻R1＝R2＝500Ω，電

熱板R3＝50Ω。圖2.1電飯鍋電原理圖

2023/2/1導入案例收，鍋底溫度升高，當溫度升至“居里點103℃”時，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點分離，切斷電源，從而停止加熱。隨后，當溫度降至70℃以下時，自動控溫開關S2閉合，電熱板加熱；當溫度升高至80℃時，控溫開關S2斷開，此時，電流流過R2、R3和R1，由于R1的分壓作用，溫度不再升高，反而降低；當溫度低于70℃時，S2又閉合，從而將溫度保持在70℃~80℃之間。圖2.2電飯鍋加熱部分結構圖

開始煮飯時，用手壓下開關按鈕S1，永磁體與感溫磁體相吸，手松開后，按鈕不再恢復到圖2-2所示狀態(tài)，則觸點接通，電熱板通電加熱，水沸騰后，由于鍋內保持100℃不變，故感溫磁體仍與永磁體相吸，繼續(xù)加熱，直到飯熟后，水分被大米吸2023/2/1導入案例——鼠標（光電傳感器）鼠標是的發(fā)明被IEEE列為計算機誕生50年來最重大的事件之一。鼠標的使用使得操作計算機更加簡便，代替了鍵盤的繁瑣指令。按照其工作原理，鼠標可分為機械式鼠標和光電式鼠標兩大種類。圖2.3是機械式鼠標的結構圖，它主要由滾球、壓力滾軸、編碼器（碼盤）、紅外發(fā)射管和紅外接收管等組成。滾球安裝在機械式鼠標的底部，可自由滾動；兩個壓力滾軸分別安裝在滾球的后方及右方，滾軸上帶有編碼器，并互成90o角。圖2.3機械式鼠標的結構圖工作原理如下：當移動鼠標時，滾球隨之滾動，便會通過壓力滾軸帶動旁邊的編碼器轉動，后方的滾軸代表前后滑動，右方的滾軸代表左右滑動，兩軸一起移動則代表非垂直及水平方向的滑動。當兩個編碼器轉動時，紅外接收管就收到斷續(xù)的紅外線脈沖，輸出相應的電脈沖信號傳給計算機，計算機分別統(tǒng)計x、y兩個方向的脈沖信號，以確定光標在屏幕上的正確位置。2023/2/1導入案例—ABS系統(tǒng)（電磁傳感器）汽車在制動時，有一種ABS系統(tǒng)，它能阻止制動時車輪抱死變?yōu)榧兓瑒?。純滑動不但制動效果不好，而且易使車輛失控。為此，需要一種測定車輪是否還在轉動的裝置。如果檢測出車輛不再轉動就會自動放松制動裝置，讓輪子仍保持緩慢轉動狀態(tài)。這種檢測裝置稱為速度傳感器，用于ABS系統(tǒng)的速度傳感器主要有電磁式和霍爾式兩種。這里僅介紹電磁式速度傳感器。圖2.4ABS速度傳感器結構如圖2.4所示，它由永久磁鐵、磁極、感應線圈和齒圈等組成。齒圈6旋轉時，齒頂和齒隙交替對向磁極。在齒圈旋轉過程中，感應線圈內部的磁通量交替變化從而產(chǎn)生感應電動勢，此信號通過感應線圈末端的導線輸入ABS的電控單元。當齒圈的轉速發(fā)生變化時，感應電動勢的頻率也變化。ABS電控單元通過檢測感應電動勢的頻率來檢測車輪轉速，從而控制制動機構，可有效地防止車輪被抱死。2023/2/12.1傳感器概述

2.1.4

傳感器的發(fā)展方向2.1.3

對傳感器的要求2.1.2傳感器的分類2.1.1傳感器的定義及組成2.1

傳感器概述2023/2/12.1.1傳感器的定義及組成

傳感器是一種能把特定的被測量信息（包括物理量、化學量、生物量等）按一定規(guī)律轉換成某種可用信號輸出的器件或裝置。凡是能接受一種物理形式的信息，并按一定規(guī)律將它轉換成另一種或同一種物理形式信息的器件都稱為傳感器，有時也稱為變化器、換能器等。它是實現(xiàn)自動檢測和控制的首要環(huán)節(jié)，也是對測量系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的環(huán)節(jié)，因而也是測試系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。2023/2/1傳感器的定義及組成傳感器一般由敏感元件、轉換元件和變換電路三部分組成，有時還需要加上輔助電源。通常可用框圖來表示，見圖2.5。圖2.5傳感器組成框圖有些元件既是敏感元件又是轉換元件,能直接輸出電量。還有些新型傳感器，其敏感元件與轉換元件已合為一體。變換電路是把轉換元件輸出的信號轉換為便于顯示、記錄、控制和處理的信號的電路。由于轉換元件的輸出信號一般比較小，為了便于顯示和記錄，大多數(shù)測量電路還包括了放大器。

敏感元件是直接感受被測量（一般為非電量），并輸出與被測量有確定關系的其他量（也可以包括非電量）的元件，如膜片和波紋管，可以把被測壓力變成位移量。轉換元件是直接感受被測非電量或與被測量有確定關系的其他非電量，輸出與被測量有確定關系的電量。如差動變壓器式壓力傳感器，并不直接感受壓力，只是感受與被測壓力對應變化的銜鐵位移量，然后轉換成電量輸出。它是傳感器的重要組成元件。

2023/2/12.1.2傳感器的分類

①按非電量形式分類②按工作原理分類③按能量傳遞形式分類④按輸出信號性質分類位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器和流量傳感器等電阻式、電容式、感應式、壓電式、光電式和熱電式等有源傳感器和無源傳感器兩大類。有源傳感器為能量變換器，它能將非電能量轉化為電能而不需輔助能源，如壓電式、熱電式等。無源傳感器不是一個換能器，它需要有輔助能源，被測的非電量只能對傳感器中的輔助能量起控制和調節(jié)的作用。分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式傳感器與計算機配合時，需要模/數(shù)變換環(huán)節(jié)，目前所應用的大部分屬于模擬式傳感器。如果采用數(shù)字式傳感器，則可使電測系統(tǒng)大為簡化，從而為計算機自動檢測帶來方便。2023/2/12.1.3對傳感器的要求

①靈敏度高②線性度好③測量范圍大④分辨能力強⑤精度高、誤差?、薹€(wěn)定性好。2023/2/12.1.4傳感器的發(fā)展方向

1.向高精度發(fā)展2.向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展3.向微型化發(fā)展

4.向微功耗及無源化發(fā)展

5.向智能化數(shù)字化發(fā)展

2023/2/12.2電阻式傳感器

被測非電量的變化引起電阻器阻值改變的變換元件稱為電阻式傳感器。結構簡單、價格便宜，工作可靠性高，輸出信號大。

改變S、L和ρ中的任何一個數(shù)值，都將引起電阻R的變化。因此，電阻式傳感器的基本類型有以下三種：①利用電刷來回移動，改變L，從而改變R。稱為電位器式傳感器，一般

用于測量線位移和角位移等參量。②利用應力應變使電阻絲產(chǎn)生變形，使L、S和ρ均發(fā)生改變，從而改變R

稱為電阻應變式傳感器，一般用于測量應力、應變等參量。③利用熱或光等輻射能量使傳感器的電阻率ρ發(fā)生變化，從而改變R。

稱為熱電阻或光敏電阻，一般用于測定溫度和光通量及其派生量。

2023/2/12.2.1電位器式傳感器

電位器式傳感器見圖2.6所示，按其結構形式不同可分為線繞式、薄膜式、光電式、磁敏式等，而按其輸出特性不同，又可分為線性電位器和非線性電位器。這里僅討論線繞式電位器。圖2.6各種電位器式傳感器2023/2/1電位器式傳感器線繞式電位器由電阻絲、骨架和電刷構成，基本結構見圖2.7。圖2.7線繞電位器的基本結構電阻絲一般為銅鎳合

金絲、銅錳合金絲和

鉑銥合金絲；骨架一般由陶瓷、酚

醛樹脂和工程塑料制

成；電刷多由磷青銅或鉑

銥合金片制成。2023/2/1電位器式傳感器1.線性線繞電位器

圖2.8線性線繞電位器線性線繞電位器由材料均勻的導線按等間距在截面處處相等的骨架上繞制而成，見圖2.8。即輸出電壓與行程成正比，但實際上，由于工藝因素的影響使輸出具有非線性。此外，電刷在來回移動中，位移χ不是線性變化的，而是成階梯狀運動，即傳感器輸出具有階梯特性。2023/2/1圖2.9線繞電位器的階梯特性曲線電位器式傳感器設電位器繞有n圈導線，電刷滑移過程中，每移過一個節(jié)距，輸出電壓產(chǎn)生一次階躍，稱之為視在分辨率:當電刷由χ圈移到χ+1圈的過程中，必會使兩圈導線短路,使電位器總圈數(shù)由n減為n-1，從而產(chǎn)生了一個小的階梯脈沖Δun，稱之為次要分辨率：設,稱之為主要分辨率。Δum與Δun的延續(xù)時間比取決于電刷與導線之比，電刷直徑太小，易磨損，太大使導線被短路的圈數(shù)增加。一般電刷與導線直徑比為10可獲得滿意度效果。2023/2/1電位器式傳感器線繞式電位器的階梯特性是由于工作原理的不完善而引起的。減小階梯誤差的主要方法就是增加總匝數(shù)，如當骨架長度一定時，就要減少導線直徑；當導線直徑一定時，就要增加骨架長度。多圈螺旋電位器就是基于這一原理而設計的。2023/2/1電位器式傳感器2.非線性線繞電位器指其輸出電壓（或電阻）與電刷行程之間具有非線性關系的一種電位器。這種電位器可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其他任意非線性函數(shù)的輸出，故又稱為函數(shù)電位器。常用的非線性線繞電位器有變骨架式和變節(jié)距式。變節(jié)距式變骨架式2023/2/1電位器式傳感器變骨架式是在保持導線電阻率ρ、截面積S、節(jié)距t、骨架寬度b等結構參數(shù)不變的條件下，通過改變骨架高度h的方法來實現(xiàn)非線性函數(shù)關系變換的。

骨架高度h隨特性函數(shù)d?/dx而變化，骨架制作困難，繞線簡單。變節(jié)距是指在保持電阻率ρ、截面積S、骨架寬度b、骨架高度h不變的條件下，通過改變節(jié)距t來實現(xiàn)非線性函數(shù)的輸出。

骨架制作容易，但繞線困難，適合于特性曲線斜率變化不大的情況。2023/2/1電位器式傳感器3.電位器的負載特性前面討論的都是在電位器空載情況下的特性，即電位器的輸出端接

至輸入阻抗非常大的放大器時的特性，稱為電位器的空載特性。當電位器輸出端帶有有限負載時所具有的特性就是電位器的負載特性。負載特性將偏離理想的空載特性，它們之間的偏差稱為電位器的負載

誤差。無論是線性電位器還是非線性電位器，在帶載工作時都會產(chǎn)生

負載誤差。2023/2/1電位器式傳感器圖2.11帶負載的電位器由圖2.11可以得到負載電位器的輸出電壓為：

假設電位器的總長度（總行程）為L，電刷的實際行程為χ，引入電阻的相對變化r=R/R0，電位器的負載系數(shù)K?=R?/R0，電刷的相對行程X=χ/L，電壓的相對輸出Y=U0/Ui，則由上式可得：上式對于任意電位器都是合適的，是電位器負載特性的一般表達式。2023/2/1電位器式傳感器4.典型的電位器式傳感器圖2.12電位器式壓力傳感器的原理結構圖被測壓力作用在膜盒上，使膜盒產(chǎn)生位移，經(jīng)放大傳動機構帶動電刷在電位器上滑動。當電位器兩端加有直流工作電壓時，則可從電位器電刷與電源地端間得到相應的輸出電壓，該輸出電壓大小即可反映出被測壓力的大小。當忽略彈簧剛度時，膜盒系統(tǒng)中心位移與均布壓力P的關系可以描述為：式中，W為膜盒系統(tǒng)的中心撓度；K為膜盒系統(tǒng)的靈敏系數(shù)。于是電位器電刷位移與被測均布壓力的關系為：

式中，l為電位器電刷位移；lp為連接電位器的力臂；lc為連接膜盒的力臂。2023/2/12.2.2電阻應變式傳感器

圖2.13電阻應變式傳感器實物圖電阻應變式傳感器是將應變量輸入轉換為電量輸出的變換器件，可以測量力、位移、速度、加速度、扭矩等。2023/2/1電阻應變式傳感器圖2.14是柱式電阻應變傳感器的結構示意圖，它由電阻應變片、彈性元件和粘結劑組成，在傳感器的彈性元件上一般均勻的貼有4~8片應變片，并連接成電橋形式，電橋由穩(wěn)壓電源供電，當橋臂中應變片的電阻值發(fā)生變化時，電橋即會有電信號輸出。由于電阻應變式傳感器的敏感元件是應變片，是由它將應變轉換成電量的，因此，在這里重點對應變片進行闡述。圖2.14柱式電阻應變傳感器示意圖2023/2/1電阻應變式傳感器橫截半徑、長的圓形電阻絲的電阻值為：

在外力作用下，電阻絲發(fā)生變形，電阻率ρ、導線長度L、導線截面積S或r的變化量分別為dρ、dL、dS，此時引起的電阻增量為dR，即：

因此，電阻R的相對變化率為：

式中，dL/L為電阻絲軸向相對變形，即ε=dL/L；dr/r為電阻絲徑向相對變形；dρ/ρ為電阻絲電阻率的相對變化率，與電阻絲軸向所受正應力σ有關，dρ/ρ=λσ=λEε，E為彈性模量；λ為壓阻系數(shù)。1.應變片的工作原理2023/2/1電阻應變式傳感器當電阻絲沿軸向伸長時，必沿徑向縮小，根據(jù)材料力學可知，二者之間的關系為：

式中，μ為電阻絲材料的泊松比。

所以

其中，(1+2μ)ε是由幾何尺寸變化引起，對同一材料1+2μ是常數(shù)，λEε是由電阻絲電阻率變化引起，通常稱為壓阻效應。2023/2/1電阻應變式傳感器2.應變片的種類及構造電阻應變片一般由敏感元件、基片、覆蓋片和引出線四部分組成。電

阻應變片的核心是電阻敏感元件，基片和覆蓋片起保護作用，并可使

電阻絲和彈性元件之間絕緣，引出線為連接測量電路之用。根據(jù)電阻敏感元件的材料及制造工藝不同，電阻應變片可分為金屬應

變片和半導體應變片兩種。2023/2/1電阻應變式傳感器金屬應變片一般分為絲式和箔式兩種。①絲式應變片

1)金屬應變片圖2.15絲式電阻應變片1、3-粘結劑；2-基底；4-覆蓋片；5-敏感柵；6-引線圖中L稱為敏感柵基長a稱為線柵寬度。敏感柵5通常用具有高電阻率，其直徑為0.015~0.05mm的金屬絲密密排列成柵狀形式而成。通過粘合劑1、3固定在絕緣基底2及蓋片4之間。

2023/2/1電阻應變式傳感器制作應變片的材料，以康銅應用最為廣泛。用康銅作線柵的應變片測量范圍大，溫度系數(shù)小，因此，測量時因溫度變化而引

起的誤差較小。靜態(tài)測量時的使用溫度可達800℃；動態(tài)測量時可達400℃，也可

用于測量大應變（高達22%），價格較低廉。

鎳鉻合金具有較高的電阻率，但溫度系數(shù)大，主要用于動態(tài)應變測量，使用溫度

可達800℃。在這種合金中摻入少量的其他元素，可以制成6J22合金(即卡馬合金)

和6J23合金，其電阻率比原來有所提高，電阻溫度系數(shù)可以減少，如果采用適當

冷加工與熱處理工藝，可以控制其電阻溫度系數(shù)，用來制作溫度自補償應變片。

鐵鉻合金的特點是電阻率較高，對銅引線的熱電勢小，靈敏系數(shù)較大。

基底的作用是保證將構件上的應變準確地傳遞到敏感柵上，因此基底做得很薄，

并具有良好的絕緣性能及抗潮和耐熱性能，其厚度約為0.02mm~0.04mm。

基底有紙基、紙浸膠基和膠基等種類。紙基應變片制造簡單、價格便宜、便于粘

貼，但耐熱和耐潮性較差，一般只在短期的實驗中使用，使用溫度在70℃以下。

用酚醛樹脂、聚酯樹脂等膠液將紙浸透、硬化處理的紙浸膠基，特性得到較大改

善，使用溫度可達180℃，抗潮性能也較好，可長期使用。2023/2/1電阻應變式傳感器

覆蓋片起到保護敏感柵的作用，其材料與基底基本相同。

粘合劑分為有機和無機兩大類。有機粘合劑用于低溫、常溫和中溫。常

用的有聚丙烯酸酯、有機硅樹脂、聚酰亞胺等。無機粘合劑用于高溫，

常用的有磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽等。敏感柵電阻絲兩端焊接有引線，用以和外接電路相接，常用的直徑為

0.1mm~0.15mm的鍍錫銅線，或其他合金材料制成。②箔式應變片箔式電阻應變片是用厚度為3μm~10μm極薄的康銅或鎳鉻金屬片腐蝕而成的。制造時，先在康銅薄片上的一面涂上一薄層聚合膠，使之固化為基底，箔片的另一面涂感光膠，用光刻技術印刷上所需要的絲柵形狀，然后放在腐蝕劑中將多余部分腐蝕掉，焊上引出線就成了箔式電阻應變片。2023/2/1電阻應變式傳感器常見的箔式應變片見圖2.16。圖2.16箔式電阻應變片2023/2/1電阻應變式傳感器半導體應變片工作原理在于半導體單晶具有壓阻效應，即對一塊半導體的某一軸向施加一定載荷而產(chǎn)生應力時，其電阻率會發(fā)生一定變化。不同類型半導體，或施加載荷方向不同，壓阻效應也不一樣。目前使用最多的是單晶硅半導體，對于P型硅半導體，(111)晶軸方向的壓阻效應最大，而對于N型硅半導體，(100)晶軸方向的壓阻效應最大。2)半導體應變片圖2.17半導體應變片2023/2/1電阻應變式傳感器1)靈敏度系數(shù)2)橫向效應3)應變極限4)機械滯后5)零漂和蠕變6)疲勞壽命7)允許電流及電阻值8)溫度特性3.應變片的工作特性參數(shù)2023/2/1電阻應變式傳感器應變片的應變效應一般都用相對靈敏度系數(shù)K來表示，表征應變片的應變電阻相對變化率與其長度的相對變化率的比值，即：

金屬絲應變片的應變靈敏度系數(shù)為：

式中，C為取決于金屬絲材料結構的比例系數(shù)，一般在-12（鎳）到+6（鉑）之間。K值一般為2.0~3.6。半導體應變片的應變靈敏度系數(shù)為：

式中，λ是壓阻效應系數(shù)，它與半導體導電類型、所摻雜質濃度、受力方向及半導體材料電阻率有關。K值一般為100~170，比金屬絲應變片高出50倍。1)靈敏度系數(shù)2023/2/1電阻應變式傳感器當應變片受到縱向拉伸時，其橫向將出現(xiàn)縮短現(xiàn)象?？v向拉伸使電阻值增加，橫向縮短又使電阻值減小，其綜合結果使得應變數(shù)值偏小或者說應變片的靈敏度系數(shù)減小，這種現(xiàn)象稱為橫向效應。橫向效應可以用橫向靈敏度表示，它已經(jīng)包含在靈敏度系數(shù)中。2)橫向效應2023/2/1電阻應變式傳感器3)應變極限圖2.18應變極限當溫度一定的條件下，指示應變與真實應變的相對誤差值不超過一定數(shù)值時的最大真實應變值稱為應變極限，一般定義該相對誤差為10%，即指示應變值為真實應變值的90%時的真實應變值為應變極限應變片電阻相對變化與應變的相互關系，一般認為是線性的，但把應變片粘貼在被測試件上時，粘結劑和基片材料的特性對應變片的變形有很大影響。當應變片承受較大應變時，膠和基底傳遞應變的能力減弱，彈性元件真實應變不能全部作用在應變片敏感柵上，從而使測出的應變值比實際值偏低。此外，當應變值超過敏感柵彈性極限時，也破壞應力和應變的正比關系。2023/2/1電阻應變式傳感器為了減小機械滯后，要選擇性能良好的粘接劑和基片，以及對金屬絲進行適當?shù)臒崽幚?，而且在將應變片貼在彈性元件上以后，最好先進行幾次加載、卸載循環(huán)，然后再標定。圖2.19機械滯后曲線4)機械滯后在一定溫度下，對已粘貼應變片的彈性元件加載或卸載時，其特性曲線不相重合，而是一條封閉曲線，見圖2.19，這種現(xiàn)象稱為應變片的機械滯后。產(chǎn)生機械滯后的原因主要是敏感柵、粘接劑和基片在承受機械應變后都留有殘余變形。2023/2/1電阻應變式傳感器粘貼在試件上的應變片，在恒定的應變及恒定的溫度環(huán)境中，應變片的電阻值隨時間變化的特性，叫應變片的蠕變。應變片的蠕變主要是由于粘接層引起的，如應變膠種類選擇不當、粘接層受潮、在接近應變膠軟化溫度下進行測量、粘接層過厚或固化不充分等因素均能使應變片產(chǎn)生蠕變。應變片的零漂是指試件在不受力的情況下，在恒定的溫度環(huán)境中，應變片的指示應變值隨時間而變化的特性。零漂測定試驗一般進行3h。常溫下工作的一個變片不許進行此特性的測定。零漂主要是由于應變片的絕緣電阻過低和通過電流后產(chǎn)生熱電勢等原因造成的。5)零漂和蠕變2023/2/1電阻應變式傳感器應變片疲勞壽命是應變片在試件的某一應變變化幅度下所能經(jīng)受的變化循環(huán)次數(shù)。超過這個循環(huán)次數(shù)，應變片就不能繼續(xù)工作，或者測出的應變比開始服役時減小5%，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。應變片產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因有：應變片電阻敏感元件已達到疲勞極限；應變片敏感元件與引出線連接點損壞；應變膠損壞；基片與試件（彈性元件）局部脫開等。6)疲勞壽命7)允許電流及電阻值允許電流一般由生產(chǎn)廠家提供，在靜態(tài)下測量時，允許電流一般為25mA；在動態(tài)下測量時，允許電流為75mA~100mA。應變片的電阻值是指應變片尚未粘貼，未受外力情況下，在室溫下測定的電阻值。其值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1000Ω，其中120Ω是最為常用的阻值。2023/2/1溫度變化時，敏感柵電阻變化為：因膨脹系數(shù)不同引起的阻值變化為：由于環(huán)境溫度變化而引起的總的附加電阻為：電阻應變式傳感器沒有外加載荷時，應變片阻值發(fā)生變化的原因有兩個：其一是溫度變化引起敏感柵的電阻率發(fā)生變化；其二是應變片敏感柵與彈性元件的線膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生了附加變形。8)溫度特性式中，Ra為溫度為t時的電阻值；為敏感柵電阻溫度系數(shù)；R0為溫度為零時的電阻值；K0為溫度為零時的靈敏度系數(shù)；βg為彈性元件線性膨脹系數(shù)；βs為敏感柵線性膨脹系數(shù)。2023/2/1電阻應變式傳感器1)橋路補償由電橋和差特性公式可知，電橋相鄰兩臂若同時產(chǎn)生大小相等，符號相同的電阻增量，電橋的輸出將保持不變。利用這個性質，可將應變片的溫度影響相互抵消。其方法是：將兩個特性相同的應變片，用同樣方法粘貼在相同材質的兩個試件上，置于相同的環(huán)境溫度中，一個承受應力為工作片，一個不承受應力為補償片，把兩個應變片分別安置在電橋的相鄰兩個臂。測量時，若溫度發(fā)生變化，這兩個應變片將引起相同的電阻增量，但這時電橋的輸出值不受這兩個增量的影響，電橋的輸出只反映工作片所承受的應力大小。橋路補償簡單，在常溫下使用效果好。4.應變片的溫度補償2023/2/1電阻應變式傳感器①選擇式自補償應變片應變片實現(xiàn)自補償?shù)臈l件是：只要電阻絲材料和被測件材料配合恰當，就能滿足上式使應變片溫度的變化的電阻增量等于零。選擇不同電阻溫度系數(shù)的電阻絲材料來實現(xiàn)溫度補償而制成的應變片稱為選擇式溫度自補償應變片。②組合式自補償應變片利用某些電阻材料的電阻溫度系數(shù)有正負的特性，將兩種不同的電阻絲柵串聯(lián)制成一個應變片，以實現(xiàn)溫度補償，稱為組合式自補償應變片。2)應變片自補償使用特殊的應變片，使其溫度變化時的電阻增量等于零或相互抵消，從而不產(chǎn)生

測量誤差，這種應變片稱為自補償應變片

2023/2/12.2.3電阻式傳感器應用舉例

在鑄造生產(chǎn)過程中，鑄件產(chǎn)生應力幾乎是不可避免的，它是鑄件在冷卻過程中，以及在加工和使用時引起變形和產(chǎn)生裂紋等缺陷的根本原因，此鑄造應力的測量可借助于應變式傳感器獲得。動態(tài)鑄造應力測定裝置由“E”形試樣、應力傳感器和測量儀器三部分組成?！癊”形試樣由一個橫梁和三個互相平行的圓桿組成，其中兩側細桿為10，中央粗桿為20，并分別與三個測頭相鑄接。測頭、應力傳感器和橫梁通過螺紋緊固在一起，“E”形試樣的端部有直澆口，當金屬液澆入直澆口，并充滿鑄型以后，“E”形試樣與傳感器及橫梁便構成一個整體的應力框。于是應力框試樣所產(chǎn)生的熱應力、相變應力和機械受阻應力等都通過應力傳感器變?yōu)殡娦盘栞敵?，此信號?jīng)測量儀器被完整地記錄下來，從而得到了凝固和冷卻過程的動態(tài)應力曲線。2023/2/1電阻式傳感器應用舉例測量鑄造應力是采用電阻應變式傳感器，形狀為空心圓柱，見圖2.21。在彈性元件的圓周上，對稱地貼上四片箔式應變片，應變片的阻值為120歐，四片阻值相同的應變片接成全橋電路。當金屬液澆滿鑄型冷卻時，由于“E”形試樣的粗、細桿冷卻速度不同，收縮時互相制約，因而產(chǎn)生了應力，該應力分別傳給傳感器，使傳感器的彈性元件發(fā)生彈性變形，隨之貼于表面上的應變片電阻值即發(fā)生了變化：豎片R1、R3變?yōu)镽1+ΔR1和R3+ΔR3；橫片R2、R4由于橫向長度變化甚微，其阻值變化可以忽略。圖2.21彈性元件貼片示意圖這樣，原有電橋平衡被破壞，B、D兩端有電信號輸出。輸出信號的大小與彈性元件的受力成正比，即與“E”形試樣粗和細桿的應力大小成正比。為了消除溫度對應變片電阻值的影響，傳感器的彈性元件采用中空水冷。2023/2/12.3電容式傳感器

電容式傳感器的作用是將被測工件尺寸的微小變化或將被測工件間的電容介質介電系數(shù)的微小變化轉換成電容量的變化，然后通過一定的測量電路，將電容量的變化以一定的電信號形式反映出來，從而實現(xiàn)非電量電測量的目的。它具有結構簡單、體積小、分辨率高，可實現(xiàn)非接觸測量的特點，廣泛應用于位移、液位、振動及濕度等參量的測量中。由上式可知，任意改變εr

、S、δ中的其一，則電容C隨之改變。根據(jù)電容式傳感器的工作原理可分為三種類型，即變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變介電常數(shù)型電容傳感器。2023/2/12.3.2電容式傳感器的基本類型

1.變極距型電容傳感器當δ→δ±

Δδ時：若Δδ＜＜δ，此時：要使C′與Δδ有近似的線性關系，即使dC∽dδ為近似的線性關系，必須規(guī)定Δδ在較小的間隙范圍內變化，通常取Δδ/δ=0.1。此外，當δ小時，同樣的Δδ引起的電容變化量ΔC較大，使傳感器的靈敏度提高。但δ過小時，容易引起電容擊穿，一般可以在極板間放置云母片來改善。圖2.22變極距型電容傳感器2023/2/1電容式傳感器的基本類型圖2.23差動式變極距電容傳感器在實際應用中經(jīng)常采用差動式，見圖2.23。當動板位于中間時：假設動板向下移動Δδ后，則兩組電容分別為：此時，電容量信號的檢測方法如下：在兩塊固定極板間加交流電壓u，測定加于兩組電容器上的電壓差值u1-u2。根據(jù)庫侖定律可知：而所以

可見，動板的移動Δδ與Δu成線性關系，若測定出Δu就得到了Δδ的大小，同時消除了小范圍移動的限制條件。2023/2/1電容式傳感器的基本類型2.變面積型電容傳感器變面積電容傳感器有四種類型，即平板電容器、圓柱形電容器、角位移電容器和容柵式電容器。圖2.24變面積型線位移電容傳感器原理圖動極板相對定極板移動Δχ后，引起兩極板有效面積變化，從而引起電容量的變化，電容量變化為：

靈敏度為即ΔC與Δχ成線性關系。2023/2/1電容式傳感器的基本類型圖2.25變面積型角位移電容傳感器原理圖當θ=0時，當動板相對定板有一個角位移，即θ≠0時電容量的變化量為：靈敏度為即ΔC與θ呈線性關系。2023/2/1電容式傳感器的基本類型3.變介電常數(shù)型電容傳感器1)原理在濕型砂中，主要含有石英砂、粘土、水分、煤粉（或淀粉），這些物質中除水的介電系數(shù)ε為81外，其余的物質的介電系數(shù)ε均小于5，因此，濕型砂中含水量的微小變化就會引起介電系數(shù)ε的變化，實踐證明濕型砂濕度與介電系數(shù)ε之間有線性關系，即含水量的微小變化會引起電容值按線性規(guī)律發(fā)生較大變化，從而可通過快速測得電容量來反映濕型砂的含水量。2023/2/1電容式傳感器的基本類型在濕型砂中，主要含有石英砂、粘土、水分、煤粉（或淀粉），這些物質中除水的介電系數(shù)ε為81外，其余的物質的介電系數(shù)ε均小于5，因此，濕型砂中含水量的微小變化就會引起介電系數(shù)ε的變化，實踐證明濕型砂濕度與介電系數(shù)ε之間有線性關系，即含水量的微小變化會引起電容值按線性規(guī)律發(fā)生較大變化，從而可通過快速測得電容量來反映濕型砂的含水量。2023/2/1電容式傳感器的基本類型2)傳感器的基本形式圖2.26中，由兩同軸心圓柱的電極（探頭和砂斗）與兩電極之間的介質（型砂）組成電容器，該電容器的電容量為：

對于一個具體的電容器，R、r、L為定值，電容量C僅取決于極板間所充介質的介電系數(shù)ε。①筒形電容傳感器，適用于有中間砂斗的鑄造車間，見圖2.262023/2/1電容式傳感器的基本類型②同心圓環(huán)電容傳感器，適用于沒有中間砂斗的鑄造車間，將傳感器安裝于混砂機上，旁側取樣，結構見圖2.27。圖2.27同心圓環(huán)電容傳感結構圖2023/2/1實際測量中，測其輸出電壓值。電容量向電壓的轉換是通過高頻發(fā)生器實現(xiàn)的，見圖2.28，它主要由電容和石英晶體組成振蕩器，可產(chǎn)生3MHz～15MHz的穩(wěn)定高頻信號，向LC并聯(lián)諧振回路輸出電壓uc：式中，ω0為高頻信號發(fā)生器固有頻率；I為射極輸出電流。電容式傳感器的基本類型3)測量電路圖2.28電容法測水分測測量電路示意圖2023/2/1電容式傳感器的基本類型高頻信號發(fā)生器的固有頻率對電容法測水分的靈敏度影響很大。采用信號源時，當濕型砂含水量達到3.5%以上時，電容量將不隨含水量的增加而變化（濕型砂可能從絕緣體變?yōu)榉墙^緣體），因而限制了電容法測水分的應用范圍。如果改用13.65MHz信號源，則曲線在含水量3.5%~4.0%處出現(xiàn)轉折后繼續(xù)上升，即電容量仍隨含水量增加而增大，只是靈敏度有所變化而已，見圖2.29。圖2.29水分與靈敏度關系曲線2023/2/12.3.3電容式傳感器的測量電路

1.橋式測量電路

(a)為單臂接法的橋式測量電路，高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一個對角線上，電橋平衡時有：C1/C2=Cx/C3，Usc=0。當Cx發(fā)生變化時，Usc≠0，即有電壓輸出，此種電路多用于料位的檢測。(b)電路中，接有差動電容傳感器，其空載輸出電壓可表示為：2023/2/1電容式傳感器的測量電路圖2.31調頻電路方框圖2.調頻電路將電容式傳感器接入振蕩器諧振回路，當電容器容量發(fā)生變化時，振蕩器振蕩頻率會發(fā)生相應改變。將頻率變化送鑒頻器變換為振幅變化，再經(jīng)適當放大，即可用表頭指示或記錄儀器記錄下來，這就是利用調頻電路測量電容傳感器信號輸出的基本原理。2023/2/1電容式傳感器的測量電路3.脈沖電路圖2.32電容信號脈沖測量電路當K1合向右方時，電源經(jīng)電阻R向電容傳感器Cx充電，電容器充電電壓值為：將開關合向左方時，經(jīng)同樣的電阻R放電，如果能保持充電和放電時間相同，則充電和放電電流大小相同，它們的平均電流值為：如果E和f固定不變，則可反映Cx的大小，且與Cx呈線性關系。2023/2/12.4電感式傳感器

電感式傳感器是利用電磁感應原理，將被測量的變化轉換為線圈的自感或互感變化的裝置。它常用來檢測位移、壓力、振動、應變、流量和比重等參數(shù)。電感式傳感器種類較多，根據(jù)轉換原理的不同，可分為自感式、互感式、電渦流式等。按照結構形式不同，自感式傳感器有變氣隙式、變截面積式和螺管式；互感式傳感器有變氣隙式和螺管式；電渦流傳感器有高頻反射式和低頻透射式。2023/2/12.4.1自感式傳感器

1.結構和工作原理圖2.34自感式傳感器的結構圖圖2.34為自感式傳感器的結構圖，其中鐵芯和活動銜鐵由導磁材料如硅鋼片或波莫合金制成。鐵芯上繞有線圈，并加交流激勵。鐵芯與銜鐵之間有空氣隙。當銜鐵上下移動時，氣隙改變，磁路磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈自感的變化。這種自感量的變化與銜鐵位置有關，因此只要測出自感量的變化，就能獲得銜鐵位移量的大小，這就是自感式傳感器的變換原理。2023/2/1自感式傳感器假設匝數(shù)為W的電感線圈通以交流電激勵，電感線圈的自感值L為：

而鐵芯、銜鐵和空氣的總磁阻為：當忽略鐵芯和銜鐵的磁阻時，電感值L為：從上式可以看出，當線圈的匝數(shù)確定后，只要氣隙厚度或氣隙截面積發(fā)生變化，電感即發(fā)生變化，即，因此，電感式自感傳感器從結構上可分為變氣隙式和變面積式。此外，在圓筒形線圈中放圓柱形銜鐵，當銜鐵上下移動時，電感量也發(fā)生變化，可構成螺線管型電感傳感器。2023/2/1自感式傳感器2.變氣隙式自感傳感器的特性L-δ曲線1)簡單變氣隙式自感傳感器當銜鐵上移Δδ時，傳感器的氣隙減小δ0－Δδ，電感量的相對變化為：在實際應用中Δδ/δ0＜＜1，可將上式展成傅立葉級數(shù)形式：同理，當銜鐵下移Δδ時，忽略掉包括二次項以上的高次項，則ΔL和Δδ成線性關系。由此可見，高次項是造成非線性的主要原因。越小，高次項也越小。這說明了輸出特性和測量范圍之間存在矛盾，故電感式傳感器用于測量微小位移量要更精確些。為了減少非線性誤差，實際測量中一般都采用差動式電感傳感器。2023/2/1自感式傳感器圖2.36差動變氣隙式自感傳感器2)差動變氣隙式自感傳感器銜鐵處于初始位置時：銜鐵移動Δδ時：差動電感傳感器總的電感變化量為：忽略二次項以上的高次項可得：

可見，差動式電感傳感器為簡單式電感傳感器靈敏度的兩倍；非線性誤差由原來的Δδ/δ0減為(Δδ/δ0)2。2023/2/1自感式傳感器3.自感式傳感器的實際結構圖2.37軸向自感式傳感器結構圖1-引出線套管；2-外殼；3-筒形磁鐵；4-鐵芯；5-線圈；6-線圈骨架；7-彈簧；8-防轉銷；9-鋼球導軌；10-測桿；11-密封套；12-可換測頭可換測量端12用螺紋擰在測桿10上，端部有一耐磨材料組成的極硬的柱體或球體，測桿10可在鋼球導軌9上作軸向移動，測桿的另一端固定著銜鐵4，當測量端接觸被測工件推動測桿移動時，帶動銜鐵4在線圈5中移動，線圈5置于固定磁筒3中，組成差動的形式，即當活動磁芯向左移動時，左部線圈的電感量增加，右部線圈的電感量減小。兩個電感線圈用導線1引出，以便裝入測量電路。測力由彈簧7產(chǎn)生，防轉裝置由防轉銷8來限制測桿10的轉動，密封套11用以防止塵土進入側頭內。2023/2/1當匝數(shù)W1為的初級線圈通入激勵交流電流i1時，它將產(chǎn)生磁通Φ11，這時有一部分磁通Φ12穿過匝數(shù)為W2的次級線圈，因而在線圈W2中將產(chǎn)生互感電動勢E，即：

設，則，故次級線圈開路輸出電壓為：式中，r1和L1分別為初級線圈的有效電阻和自感值。由此可見，輸出電壓信號隨互感變化而變化，這就是互感式傳感器的工作原理?；ジ惺絺鞲衅靼雌涓淖冸姼辛康姆绞街饕袃煞N基本形式。圖2.38互感式傳感器工作原理2.4.2互感式傳感器

2023/2/1互感式傳感器圖2.39改變氣隙厚度的互感式傳感器工作原理圖它與改變氣隙厚度的自感式傳感器極為相似，其工作原理見圖2.39。由鐵芯1、銜鐵2、初級線圈W1a、W1b和次級線圈W2a、W2b組成。1.改變氣隙厚度的互感式傳感器2023/2/1當對初級線圈施加交流電時，初級線圈內流過電流，將在次級線圈中產(chǎn)生感應電壓和。當把兩次級線圈反相串接后，輸出電壓為：互感式傳感器設初級線圈W1a和W1b的自感分別為L1a、L1b；磁路a和磁路b的總磁阻分別為Rma和Rmb，初級線圈與次級線圈互感系數(shù)為Ma和Mb，δa和δb為氣隙厚度，S為氣隙磁通截面積，根據(jù)物理學知識可知：若W1a=W1b=W1，W2a=W2b=W2，且考慮r＜＜ωL可得：2023/2/1互感式傳感器①當銜鐵處于中間位置時，則，此時；②當銜鐵向上偏移時，則，，此時

③當銜鐵向下偏移時，則，，此時從上面分析可知，輸出電壓Usc與傳感器變壓比W2/W1、銜鐵偏移量Δδ、激勵電壓E成正比，與磁路氣隙厚度δ0成反比。2023/2/1互感式傳感器圖2.40Schaevitz差動變壓器式位移傳感器2.螺線管型差動變壓器式傳感器2023/2/1互感式傳感器螺線管型差動變壓器式傳感器，其結構見圖2.41圖2.41螺線管型差動變壓器式傳感器結構工作原理與改變氣隙互感傳感器相似，它主要由線圈、線圈框架、鐵芯等組成。在線圈框架上繞有一組初級線圈作為輸入線圈，在框架的另一部分繞上兩組次級線圈作為輸出線圈，在它們的芯部放入鐵芯。當初級線圈通以適當頻率的激勵電壓時，那么在兩個次級線圈中，由于變壓器的互感作用就會產(chǎn)生感應電壓。2023/2/1互感式傳感器圖2.42螺線管型差動變壓器式傳感器輸出特性當鐵芯位于二個線圈的中間位置時，感應電壓最大；當鐵芯逐漸偏離中心位置時，感生電壓隨偏離中心增加而逐步減小，最后接近空心狀態(tài)時的電壓為e0。當兩個次級線圈反向串接時，空載輸出電壓esc=e1-e2，并且具有“V”字特性。2023/2/1互感式傳感器差動變壓器的兩組次級線圈反向串接，當鐵芯處在中間位置時，輸出電壓應該為零，見圖2.43，但實際上輸出特性曲線“V”字端部不是零，而有一個很小的電壓e0，這個電壓稱為“零點殘余電壓”?；ジ袀鞲衅鳟a(chǎn)生零點殘余電壓的原因主要有兩點：

①兩次級線圈等效參數(shù)不對稱，使輸出的基波感應電勢的幅值不同或相位不同；②由于磁芯的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不能相互抵消。圖2.43零點殘余電壓示意圖2023/2/1互感式傳感器減小或消除零點殘余電壓可采用如下措施：①從設計和工藝上盡量保證傳感器線圈和磁路對稱；②采用拆圈實驗的方法減小零點殘余電壓。這種方法的理論依據(jù)是兩個次級線圈的等效參數(shù)不相等，用拆圈的方法進行調整，以改善線圈的對稱性，減小零點殘余電壓；③在電路上進行補償，這是既簡單又行之有效的辦法。

圖2.44零點殘余電壓的補償電路通常在輸出端接一個電位器,電位器的動點接兩個次級線圈的公共點，見圖2.44。調節(jié)電位器，使兩線圈接入不同負載，可使兩線圈不同的感應電勢產(chǎn)生大致相同的輸出電壓，以達到減小零點殘余電壓的目的2023/2/1互感式傳感器3.互感式傳感器的實際結構圖2.45軸向互感式傳感器的結構1-測量端；2-防塵套；3-軸套；4-片簧導軌；5-測桿；6-磁筒；7-銜鐵；8-線圈；9-測力彈簧軸向互感式傳感器的結構見圖2.45，測頭1通過軸套3與測桿5相連，銜鐵7固定在測桿上，線圈架上繞有三個線圈8，中間是初級線圈，兩頭是次級線圈，形成一個差動變壓器。線圈及框架放置在屏蔽磁筒6內，以屏蔽外界磁場對傳感器的影響，并可增加測頭的靈敏度。測桿用圓片彈簧4為導軌，測力由彈簧9產(chǎn)生，2是防塵套。由此可見軸向式互感傳感器在機械結構上與自感式傳感器很相似。2023/2/12.4.3渦流式傳感器

把金屬板置于變化著的磁場中，或讓其在磁場中運動，金屬板中

就會產(chǎn)生感應電流，由于電流在金屬板中構成閉合回路，因此稱

為渦流。渦流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種，以高頻反射式

渦流傳感器應用居多。2023/2/1渦流式傳感器圖2.46高頻反射式渦流傳感器的原理高頻激勵電源en(ω)施加于電感線圈L上，所產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板表面。由集膚效應，高頻磁場不能透過具有一定厚度的金屬板，只能作用于其表面薄層內。在金屬板表面感應的渦流i，又會產(chǎn)生交變電磁場反作用于線圈L上，并在線圈中產(chǎn)生感應電動勢，從而引起線圈自感系數(shù)L或線圈阻抗ZL的變化，即：式中，R為線圈電阻；L為線圈電感；r為渦流回路電阻；l為渦流回路電感；M為線圈與被測物體渦流回路間互感；ω為電源角頻率。1.高頻反射式渦流傳感器1)工作原理回路阻抗與被測金屬材料電阻率ρ、磁導率μ以及傳感器與被測金屬之間的距離χ有定量關系。因此，高頻反射式渦流傳感器既可用于檢測位移又可用于檢測材料電阻率和磁導率。2023/2/1渦流式傳感器2)結構形式

高頻反射式渦流傳感器的主要部件是一個安置在框架上的線圈。圖2.47為一種高頻反射式渦流傳感器結構圖，導線繞在聚四氟乙烯框架上。線圈可繞成扁平圓形，粘貼于框架上，也可以在框架上開一條槽，導線在槽內繞制而形成一個線圈。線圈用導線一般為高強漆包銅線，在要求較高時，也可用銀線或銀合金線。高溫環(huán)境下應用時，應采用高溫漆包線。圖2.47渦流傳感器結構圖2023/2/1渦流式傳感器3)測量電路高頻反射式渦流傳感器的測量電路主要有調頻式和調幅式兩大類。①調頻測量電路見圖2.48，將傳感器接于振蕩電路，其振蕩頻率為。當傳感器與被測導體的距離變化時，在渦流的影響下，傳感器線圈的電感發(fā)生變化，導致輸出頻率變化。輸出頻率可直接用數(shù)字頻率計測量，也可通過鑒頻器變換，將頻率變?yōu)殡妷?，通過電壓表測出。圖2.48調頻式測量電路2023/2/1渦流式傳感器

②調幅測量電路穩(wěn)頻穩(wěn)幅的高頻激勵電流對并聯(lián)LC電路供電，測量原理見圖2.49。無被測體時，LC回路處于諧振狀態(tài)，LC回路阻抗最大，輸出電壓最大。被測體靠近線圈時，由于被測體內產(chǎn)生渦流，使線圈電感值減小，回路失諧，回路阻抗下降，輸出電壓下降。輸出電壓為高頻載波的等幅電壓或調幅電壓。圖2.49調幅式測量電路2023/2/1渦流式傳感器圖2.50低頻透射式渦流傳感器原理2.低頻透射式渦流傳感器主要用于測量材料厚度，其原理見圖2.50。

圖中的發(fā)射線圈L1和接收線圈L2均繞于膠木棒上，分別置于被測金屬板的上下方。由振蕩器產(chǎn)生的音頻電壓U加到L1的兩端后，線圈中有交流電流流過，產(chǎn)生一個交變磁場。假如兩線圈間沒有被測金屬M，L1的磁場會直接貫穿線圈L2，在L2中將感生出交變電動勢E。E的大小與U的幅值、頻率以及L1

、L2的匝數(shù)、結構及相對位置有關。在L1與L2之間放置金屬板M后，L1產(chǎn)生的磁力線將透過M，并在其中產(chǎn)生渦流i，因此損耗了部分能量，從而使L2上的磁力線減少，導致感應電動勢E下降。M的厚度d越大，E值就越小。所以，E值反映了M的厚度變化，這就是低頻透射式渦流傳感器的基本工作原理。實際上，M中的渦流大小，還與M的電阻率ρ、化學成分及物理狀態(tài)有關，可能導致相應的測試誤差，因而限制了測量的應用范圍，一般要采取一定校正措施加以解決。2023/2/12.5電動勢式傳感器

2.5

電動勢式傳感器2.5.1磁電式傳感器

2.5.2壓電式傳感器

2.5.3光電式傳感器

2023/2/1磁電式傳感器是利用電磁感應定律，將被測量轉變成感應電動勢而

進行測量的。這種傳感器通?？捎糜谡駝?、轉速、扭矩等參數(shù)的測

量。根據(jù)電磁感應定律，對于一匝數(shù)為W的線圈，當穿過該線圈的磁通

Φ發(fā)生變化時，其感應電動勢可表示為：由上式可見，線圈中感應電動勢e的大小，取決于匝數(shù)W和穿過線圈的磁通變化率dΦ/dt，磁通變化率是由磁場強度、磁路磁阻及線圈的運動速度決定的。所以改變其中一個因素，就會改變線圈的感應電動勢。2.5.1磁電式傳感器

1.磁電式傳感器工作原理

2023/2/1磁電式傳感器按工作原理磁電式傳感器可分為恒磁阻式和變磁阻式兩種。1)恒磁阻式傳感器結構原理見圖2.51。它是由線圈1、運動部件2和永久磁鐵3所組成。(a)所示為線速度型。它所產(chǎn)生的感應電動勢為：(b)為角速度型，產(chǎn)生感應電動勢為：圖2.51恒磁阻式傳感器原理圖2.磁電式傳感器的分類當傳感器的結構一定時，B、W、S均為常數(shù)，因此e與v或ω成正比。所以，這種傳感器可以用來測量線速度和角速度。由于速度與位移具有積分的關系，與加速度之間具有微分關系，因此如果在信號轉換電路中接一個積分電路或微分電路，也可以測量位移或加速度。2023/2/1磁電式傳感器2)變磁阻式傳感器

變磁阻式傳感器的線圈與磁鐵之間沒有相對運動，由運動著的被測物體（一般是導磁材料）來改變磁路的磁阻，引起磁通量變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應電動勢。檢測元件一般做成轉速式，產(chǎn)生的感應電勢的頻率作為輸出。變磁阻式轉速傳感器在結構工分為開磁路式和閉磁路式兩種。①開磁路式。該傳感器主要由永久磁鐵、

銜鐵和感應線圈組成圖2.52開磁路式轉速傳感器原理圖齒輪裝在被測轉軸上，與轉軸一起轉動。當齒輪旋轉時，由齒輪的凸凹引起磁阻的變化，從而使磁通量發(fā)生變化，進而在線圈中感應出交變電勢，該電勢的頻率?等于齒輪齒數(shù)z和轉軸轉速n的乘積，即?=nz。當齒數(shù)z一定時，通過測定?即可求出被測轉軸的轉速n。2023/2/1磁電式傳感器②閉磁路式圖2.53閉磁路式轉速傳感器原理圖由安裝在轉軸上的內齒輪和永久磁鐵、外齒輪及線圈構成的。內外齒輪的齒數(shù)相等，測量時，轉軸與被測軸相連。當轉軸旋轉時，內外齒輪的相對運動使磁路氣隙發(fā)生變化，導致磁阻發(fā)生變化，并使穿過線圈的磁通發(fā)生變化，在線圈中產(chǎn)生感應電勢。與開路式相同，這種傳感器可通過測量感應電勢的頻率得到被測軸的轉速。在振動信號或轉速高的場合，其測量精度高于開磁路式的。變磁阻式傳感器的輸出電勢取決于線圈中磁場的變化速度。當轉速過低時，輸出電勢太小，會導致無法測量，所以該傳感器有一個下限工作頻率，一般為50Hz。閉磁路轉速檢測元件的下限頻率可低至30Hz。2023/2/1磁電式傳感器3.測量電路圖2.54磁電式傳感器的測量電路圖2.54中，當轉換開關K在位置1時，經(jīng)過一個積分電路，可測量位移的大小；當開關K在位置2時，不必經(jīng)過運算線路直接輸出，因此用來測量速度；當開關K在位置3時，信號通過微分電路，可以測量加速度。2023/2/12.5.2壓電式傳感器

1.壓電效應某些晶體，在沿著一定方向對其施加拉力或壓力使其變形時，晶體表面便產(chǎn)生電荷，當除去外力時，晶體又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。具有這種壓電效應的晶體被稱為壓電晶體或壓電元件。常見的有石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。圖2.55石英晶體的壓電效應石英晶體(SiO2)在一個分子中有三個硅離子和六個氧離子，氧離子是成對的，構成了六邊棱柱形晶體，因為硅離子帶四個正電荷，氧離子帶兩個負電荷，所以就一個單晶體而言，電荷是平衡的，即外部不呈帶電現(xiàn)象。當沿X軸方向施加壓力時，硅離子1擠入氧離子2與6之間，氧離子4擠入硅離子3與5之間，其結果使表面A上呈現(xiàn)負電荷，而在表面B上呈現(xiàn)正電荷；相反，當沿軸方向施加拉力時，硅離子1和氧離子4外移使表面A上呈現(xiàn)正電荷而在表面B呈現(xiàn)負電，這就是縱向壓電效應當沿Y軸方向施加壓力時，則硅離子3和5都向內移動了相同數(shù)值，故在C、D面上不呈現(xiàn)電荷，而在A、B面上，硅離子3和5的內移使得硅離子1和氧離子4擠向外邊而分別呈現(xiàn)正電荷（A面）和負電荷（B面）。當沿軸施加拉力時，則在A、B面的電荷符號恰與相反，這就是橫向效應。2023/2/1壓電式傳感器圖2.56(a)為天然石英晶體，為了說明壓電效應的大小，我們把石英的六邊棱柱形晶體的三個相互垂直的軸分別稱軸為電軸、軸為機械軸、軸為光軸，見圖2.56(b)。把沿著晶體軸方向，即垂直與軸方向切下的薄片稱之為晶體切片，見圖2.56(c)。圖2.56石英晶體與切片示意圖2023/2/1壓電式傳感器如果沿著X切片的方向給一作用力Fx時，在與

電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qx，它的大小為：qx=dxFx式中，dx為軸X方向受力的壓電系數(shù)。電荷qx的符號由Fx是受壓還是受拉決定，從上式可以看出，切片產(chǎn)生的電荷大小與切片的幾何尺寸無關。如果沿切片的機械軸方向Y施加作用力Fy時，其電荷仍在與電軸相互垂直的平面上產(chǎn)生，而極性相反，若使施加外力Fy=Fx時，電荷大小qx為：式中，α為晶體切片長度；b為晶體切片厚度；c為晶體切片寬度；dy為軸Y方向受力的壓電系數(shù)，dy

=-dx。從上式可以看出，當力沿著Y軸方向作用在晶體上時，它產(chǎn)生的電荷qx與晶體切片的幾何尺寸有關。式中的負號說明沿Y軸的壓力Fy所引起的電荷極性與沿X軸的壓力Fx所引起的電荷極性相反。2023/2/1壓電式傳感器晶體切片上的電荷與受力方向的關系見圖2.57。圖2.57晶體切片上電荷符號與受力方向的關系如果在壓電晶體的兩個電極面上施加交流電，壓電晶體切片將產(chǎn)生振動，即在壓電晶體的電極方向有伸縮的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象“電致伸縮效應”。因為這個現(xiàn)象與壓電效應是相反的，又稱為“逆壓電效應”。這是壓電式超聲波換能器的理論依據(jù)，該超聲波換能器廣泛用于以固體和流體為介質的超聲波探傷中。2023/2/1壓電式傳感器2.壓電材料石英晶體在20~200的范圍內壓電系數(shù)變化很小。到576℃時完全喪失壓電性質。

靈敏度很低，介電常數(shù)小，因而逐漸被其他壓電材料代替，但機械強度很高。壓電陶瓷也具有很好的壓電效應。壓電陶瓷是人工制備的多晶材料，它需經(jīng)外

加電場極化，使其內部電疇排列趨向電場方向，當電場強度達飽和后，即使去

除極化的電場，電疇還會基本保持，余下很強的剩余極化，因此有很強的壓電

效應。常用的壓電陶瓷有二元系的鈦酸鋇類、鋯鈦酸鉛系(PZT)、鈮酸鹽系，三

元系的鈮鎂酸鉛、鈦酸鉛、鋯酸鉛等。與石英相比，壓電陶瓷的壓電系數(shù)和介電常數(shù)高，居里點低，機械強度低，且

制造上可通過選擇組成，調整添加物和燒結工藝，在較大范圍內控制其特性和

應用性，價格也低廉，不過材料有多孔性，在重復性和均勻性上有問題。2023/2/1壓電式傳感器在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸渡，形成金屬膜，構成兩個電極，見圖2.59。當施加外力F時，兩金屬膜之間形成電場，相當于一個極板電容器。若外力不變且無泄露時，電荷不變；外力終止，電荷消失。圖2.59壓電片與電極示意圖圖2.58壓電晶片實物圖2023/2/1壓電式傳感器圖2.60串接接法圖實際的壓電傳感器中，常常采用兩片或兩片以上壓電元件粘接在一起，或串聯(lián)接法，或用并聯(lián)接法。2.壓電傳感器的連接方式及等效電路1)壓電傳感器的連接方式串接時，正極與負極接在一起，見圖2.60。δ增大，C減小，由于電荷量q不變，所以輸出電壓變大，適合于以電壓作為輸出信號。圖2.61并接接法圖并接時，負極與負極接一起，見圖2.61。電容變大，電荷量大，適合于以電荷量作為輸出的信號。2023/2/1由于壓電傳感器本身是一個電容器，因而是一個具有一定電容的電荷源。電容器開路電壓e0與電荷量Q

、電容Ca存在下列關系式電荷量Q與壓電傳感器的壓電系數(shù)D、作用力F=F0·sinωt大小有關，即：壓電式傳感器2)等效電路及輸出特性

當壓電傳感器接入電路后，等效電路圖見圖2.62圖2.62壓電傳感器等效電路Ca為傳感器電容；Cc為電纜電容；R0為后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器中的漏電阻形成的泄漏電阻；Ci為外接電路的輸入端電容；i為泄漏電流。2023/2/1壓電式傳感器令C=Ca+Cc+Ci，則由電荷平衡可知：因此，求解上述方程可得電容上的電壓值為：①測量靜態(tài)參數(shù)，即ω=0時，則e=0，因此它不能測量靜態(tài)參數(shù)。②輸出電壓與時間常數(shù)R0C有關，當R0C很大時，ωCR0＞＞1，此時：

即輸出電壓與電荷量成正比，與頻率無關。因此，這時若增大C，則靈敏度就減小，而C中還包含連接導線電容Cc，而連接導線電容隨連接導線的使用情況不同而不同，這樣就會引起測量誤差，為減小誤差，一般需要接入一個固定電容，并固定導線的長度和規(guī)格。③測量低頻時，即在ωCR0＜＜1時，e=QR0ω，即輸出電壓是頻率的函數(shù)，且隨頻率下降而下降。2023/2/12.5.3光電式傳感器

1.光電效應因光照而引起物體電學特性改變的現(xiàn)象稱為光電效應。光電效應可分為外光電效應和內光電效應兩種。光照物體向真空發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為外光電效應。金屬中存在大量的具有一定能

量的自由電子，在平常溫度條件下不能離開金屬表面。當受光輻射時，金屬吸收

光子，使內部的電子被激發(fā)到高能狀態(tài)，并向表面運動。到達表面的電子能克服

位壘而逸出，從而將光輻射能轉換為逸出電子的電磁能。利用外光電效應制成的

變換元件一般為光電管和光電倍增管。光照物體的電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為內光電效應。內光電效應分

為光導效應和光生伏特效應。物體在光照下吸收一部分光能，而使內部的原子釋放出電子，導致物體導電性增

加的現(xiàn)象稱為光導效應?；诠鈱瞥傻碾娮璺Q為光敏電阻，用光敏電阻

制成的器件稱為光導管。光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象稱為

光生伏特效應。依據(jù)光生伏特效應而制成的光電器件稱為光電池。2023/2/1光電式傳感器2.光電元件1)光電管和光電倍增管圖2.68典型光電管結構在真空玻璃泡內裝入兩個電極——光陰極和光陽極，光陰極可以是柱面形金屬板，也可以是涂在玻璃泡內壁上的陰極涂料。在陰極前置入環(huán)形金屬絲或柱形金屬絲即為光陽極。當光陰極受到適當波長的光線照射時便會發(fā)射電子，這些電子被加有一定電位的陽極吸收，從而在光電管內形成空間電子流。如果在外電路中串入適當阻值的電阻，則在此電阻上將有正比于光電管中空間電流的電壓降，見圖2.69。圖2.69光電管電路制造光電陰極常用的材料有銻-銫、銀-氧-銫，銀-鉍-氧-銫等，光陰極對不同波長的光線有不同的靈敏度，叫頻譜靈敏度。如氧-銀-銫光電陰極在紅光和紅外光區(qū)具有較高的靈敏度，而銻銫光電陰極頻譜靈敏度的峰值在紫外區(qū)。2023/2/1光電式傳感器當入射光極其微弱時，光電管產(chǎn)生的電流很小，即使光電流能被放大，但信號和噪聲同時被放大，為此可采用光電倍增管。工作原理見圖2.70。它由光電陽極A、陰極C和若干倍增極組成。倍增極的數(shù)目在4~14個之間，在各倍增極上加一定電壓，可使電子逐步加速。入射光首先使光陰極激發(fā)出電子，發(fā)射的電子轟擊第一倍增極。放出電子，被D1、D2間電場加速，射向第二倍增極D2，并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射。如此下去，每經(jīng)一次二次電子發(fā)射，電子數(shù)量有所增加，最后被陽極吸收，在光電陰極和光電陽極之間形成電流。圖2.70光電倍增管2023/2/1光電式傳感器2)光敏電阻光敏電阻是一種勻質半導體光電器件。它是由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導體組成，見圖2.71。圖2.71光敏電阻在黑暗的環(huán)境下，其阻值很高，但受到足夠強的光照時，其導電性大大增強，并且光照越強，阻值越低；光照停止，阻值又恢復原值。應用在可見光范圍內應用最為廣泛是光敏電阻有硫

化鎘、硒化鎘，紫外波段大多用氧化鋅、硫化鋅等紅外波段用硫化鉛、硒化鉛等。光敏電阻在使用時不能使光電流超過許用值，以免

燒壞器件。2023/2/1光電式傳感器3)光電池

光電池是一種直接將光能轉換成電能的元件，其工作原理是基于光生伏特效應。常用的光電池有兩種：一種是金屬半導體型，如硒光電池；另一種是PN結型，如硅光電池。除此之外，還有硅太陽能電池、硫化鎘太陽能電池等。它們光譜響應曲線見圖2.72。圖2.72硅、硒、鍺光電池的光譜響應曲線2023/2/1光電式傳感器4)光敏晶體管

敏晶體管包括光敏二極管和光敏三極管。光敏二極管是一種用PN結單向導電性的結型光電器件，其PN結裝在管的頂端，以便接受光照。圖2.73光敏二極管原理和接線圖在無光照射時，處于反偏的光敏二極管工作在截止狀態(tài)；在有光照射時，PN結附近的受光子轟擊，吸收光子能量而產(chǎn)生電子空穴對，它們在PN結處的內電場作用下作定向運動，P區(qū)的少數(shù)載流子越過阻攔層進入N區(qū)，而N區(qū)的少數(shù)載流子越過阻攔層進入P區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大為增加，形成光電流。而且光照越強，光電流越大。因此，可以認為在無光照射時，光敏二極管處于截止狀態(tài)，在有光照射時，光敏二極管處于導通狀態(tài)。2023/2/1光電式傳感器光敏三極管的結構與普通三極管相似，也分為PNP型和NPN型兩種，其符號見圖2.74。圖2.74光敏三極管2023/2/1光電式傳感器3.光電傳感器的應用——型砂水分控制儀圖2.75型砂水分控制儀工作原理圖控制儀是利用測定型砂的過篩性來控制混砂機混制型砂時的水分。工作時，從混砂機中取出的砂樣被送入振動器1的振動槽內，砂樣從上層振動槽2不均勻前進，并落入帶有寬、窄縫隙的中層槽3內，當砂子較干時，它經(jīng)過窄縫5漏下，濕度繼續(xù)增加，砂樣將越過窄縫從寬縫6漏下，濕度再增加，砂樣將越過窄、寬縫從中層槽前端流出。從窄縫5及寬縫6漏下的砂樣進入底層槽4中。在底層槽底部的兩側臂前后各開設一對圓孔，圓孔外側位置各裝一套光電管裝置，7a和8a是聚焦光源，7b和8b是光電管。2023/2/1