參量測量傳感器機械

現(xiàn)代傳感器技術(shù)

—面向物聯(lián)網(wǎng)應用

第三篇參量測量傳感器

--機械量傳感器

2024/2/2125.機械量傳感器概述特點：實際要測的機械量非常多，機械量傳感器的品種非常豐富。機械量大多與力相關(guān)。力可以使器件的結(jié)構(gòu)尺寸或位置變化，引起電阻、電容等電參量變化，據(jù)此可形成結(jié)構(gòu)型傳感器；力也可使器件的物理性能或參數(shù)變化，如壓阻效應、壓電效應等，據(jù)此可形成物性型傳感器。主要種類：機械量傳感器的品種雖豐富，但占據(jù)市場的主要是位移、加速度、力/扭矩、壓力/應力、位置/角度、流速傳感器等6類，其中，位移是實現(xiàn)傳感的基礎參量。學習意義：除學習具體的傳感器外，還可了解不同參量傳感器的不同構(gòu)造思路、實現(xiàn)方式以及用不同原理實現(xiàn)同參量傳感器時的異同。2024/2/2135.1位移傳感器測量位移的意義位移：物體上某點在一定方向上的位置變化，它包括線位移和角位移。通過位移測量，一是可直接獲取物體的移動或轉(zhuǎn)動信息，如機床工作臺的位置、位移、振幅，物體的變形等信息，以及距離、長度信息；二是可借助位移或微位移測量實現(xiàn)對引起位移的力學量以及非力學量的測量，如力和溫度等。用于位移測量的傳感原理和方法很多，按工作方式可分接觸式和非接觸式兩類。接觸式測量可能影響被測體的運動，但也能反映相關(guān)的力作用信息；非接觸式基本上不影被測對象。位移測量容易獲得較高精度，常用于間接測量其他參量，因而位移傳感器是非電量測量中的基礎性傳感器。2024/2/2145.1位移傳感器5.1.1磁阻式線位移傳感器特點：非接觸式測量，構(gòu)造簡單、抗干擾能力強、適應惡劣環(huán)境，適于微型化。1）非接觸式大位移霍爾傳感器結(jié)構(gòu)原理：非磁性板上等間距安裝小磁鋼，霍爾元件隨被測體運動，每過一個小磁鋼，產(chǎn)生一個電脈沖信號。脈沖數(shù)n乘磁鋼間距d得到被測位移，即：L=nd?；魻栐潭?，小磁鋼隨被測體運動，也可測位移。多個小磁鋼或霍爾元件按圓周等間距安裝，可測角位移。分辨力為小磁鋼間距，精度取決于小磁鋼間的等分精度。1磁鋼2安裝板3霍爾元件4過渡塊2024/2/2155.1位移傳感器5.1.1磁阻式線位移傳感器2）采用磁阻元件的非接觸式位移傳感器基本原理：利用作用磁敏電阻的磁場面積變化改變其阻值.

設無磁場時Ra=Rb，磁鐵在上(圖a),則Ra>Rb,Uo<E/2;磁鐵居中(圖b)，Ra=Rb，Uo=E/2；磁鐵在下(圖c)，Ra<Rb,Uo>E/2。右圖是基于上述原理的一種磁阻型位移傳感器結(jié)構(gòu)。由電橋輸出的極性和大小可測出位移大小和方向(左、右)。此方式的特點：差動？量程？2024/2/2165.1位移傳感器5.1.1磁阻式線位移傳感器3）磁位移/長度集成傳感模塊（MLS）MSI(精量公司)推出的MLS基于AMR磁阻效應，用4組8片AMR電阻在一個模塊里組成兩個電橋，分別輸出對應位移的1/4周期的正弦和余弦電壓信號，將磁尺上的一個磁極節(jié)距分解為相位差為90°的兩個信號。將這兩個信號細分或進行插值計算，可進一步提高測量的分辨力和精度.(a)MLS傳感器位移測量原理示意圖(b)基于AMR傳感器構(gòu)成原理與雙電橋結(jié)構(gòu)

AMR器件與磁尺組合的磁位移/長度傳感器模塊2024/2/2175.1位移傳感器5.1.2光纖小位移傳感器毫米級位移稱小位移,1mm以下為微小位移,可用傳感器較多.1）傳光型光纖位移傳感器圖a，兩根相同的光纖初始時端面對準,中間間隙1～2

m，初始位時光通過幾乎無損耗。光纖相對位移加大光的損耗，輸出光強與兩光纖中心重疊面積成正比。圖b,可測l

Pa聲壓的位移式光纖水聽器。原理:作用于膜的聲波引起光纖上下相對移動，調(diào)制傳導光強。設光強均布，光纖隨聲波位移的調(diào)制系數(shù)為：

a-纖芯半徑;ω-聲角頻率;

-密度;c-聲速;

-光出射角。光柵的作用？！2024/2/2185.1位移傳感器5.1.2光纖小位移傳感器2）光強調(diào)制位移傳感器原理：被測量使光纖彎曲，改變內(nèi)芯與包層間光的折射方向,使部分光逸出散射進包層，改變所傳光的強度，即強度調(diào)制.光電器件收到的光強調(diào)制信號解調(diào)后可得被測量。如圖所示，被測位移或壓力使變形器位移，光纖微彎變形引起光纖中模式耦合，有些波導模變成了輻射模。內(nèi)芯中部分光透射入包層，造成微損耗。微彎器件的位置和壓力變化使微彎程度與漏光強度成正比，實現(xiàn)了光強調(diào)制。2024/2/2195.1位移傳感器5.1.2光纖小位移傳感器2）光強調(diào)制位移傳感器光強與位移之間有確定函數(shù)關(guān)系，檢測輸出光強的變化可確定變形器位移及受力大小。設變形器齒距為

(即光纖變形周期)，

與光纖傳播模之間傳播參數(shù)相當?shù)闹禐?

式中，d為光纖內(nèi)芯直徑；n1為內(nèi)芯折射率；NA為數(shù)值孔徑。一般，大NA和小d的光纖導光能力強。為提高靈敏度，應使光纖彎曲嚴重。位移和光纖包層直徑一定時，內(nèi)芯占比例越大(加大d)，彎曲越大，泄漏光就越多，靈敏度越高。主要性能不足：穩(wěn)定性不高。應用：可用于位移和壓力測量，如轉(zhuǎn)軸的軸向移動和徑向振動及等的測量，動態(tài)測量需高速光電接口配合使用。2024/2/21105.1位移傳感器5.1.3光電式線位移傳感器-光學三角位置傳感器特點：原理和結(jié)構(gòu)簡單，重復性好，速度和精度較高，適用于大多數(shù)不透明物體，不受外界強電、磁場環(huán)境影響.原理：出射光和物體反射光之間的幾何關(guān)系決定物體位置。由PSD檢出反射光成像點相對初始點的偏移量x，利用三角關(guān)系算出被測體(反光靶)相對參考位的偏移，得到被測物到傳感器的距離L1為：式中，L0為參考位與傳感器之間的距離；

y為反光靶的位置偏移；d為反射光聚光鏡與PSD的距離；

為反光靶在參考位置時入射光與反射光的夾角。典型產(chǎn)品：德國米銥optoNCDT系列激光位移傳感器

2024/2/21115.1位移傳感器

不同原理的非接觸式位移傳感器特點比較：磁阻：抗惡劣環(huán)境能力強，便于微型化、集成化；量程？光電：分辨力高，精度高；量程？2024/2/21125.2物位傳感器5.2.1概述物位：各種容器設備中液體介質(zhì)液面的高低、兩種不相溶液體介質(zhì)分界面的高低和固體粉末物料的堆積高度等的總稱。液位：儲存在容器中的液體所存積的高度以及自然界中江、河、湖、水庫的水表面位置；料位：容器或倉庫中堆積的固體物的相對高度或表面位置；界位：同一容器中兩種密度不同且互不相溶的液體之間或液、固體之間的分界面位置。被測對象種類繁多，檢測條件和環(huán)境差別大，應根據(jù)具體對象和條件選用相應傳感器。物位是相對某一基準面而言的，測物位是測量被測對象與參考基準面之間的距離。測量連續(xù)物位的傳感器也是測長度、距離的傳感器。2024/2/21135.2物位傳感器5.2.2超聲波物位傳感器特點：可測液體，也適應粒狀松散并含大量氣體的被測材料,如細粒狀或粉末狀的泡沫塑料、纖維素等,可用于木制或塑料容器，但不適于測含固體材料的液體。形式：一種是通過被測物使聲波短路或斷路，或使振蕩器頻率改變、停振而定點發(fā)信號的物位計(圖a、b)，用于極限位監(jiān)控，屬開關(guān)型；另一種是連續(xù)發(fā)出聲波信號,在界面處反射，再由接收器接收。根據(jù)已知波速v，通過測量從發(fā)出到返回的時間t得到物位h=vt/2，如圖c、d所示，用于連續(xù)物位測量。缺點：成本較高，需振蕩器，還需高頻發(fā)生器。2024/2/21145.2物位傳感器5.2.3電容式物位傳感器特點：機械和機電式測量儀無法測黏液和粒狀、粉末狀材料的物位，電容法可測量粉狀食物、谷子、洗衣粉、砂、水泥、石灰和煤粉，以及儲料箱中的燃料、油、酸、堿液及其他的黏液介質(zhì)。電容法測物位要求被測材料介電常數(shù)恒定，不能測具有不同介電常數(shù)的液、固混合物。測量原理：電容器上部隔著空氣(相對介電常數(shù)為1)，下部充滿液體或其他材料。相對介電常數(shù)為

r的被測物位變化x時，電容器的電容增量ΔC與被測物的高度的關(guān)系為：

式中，h為電容器的總高度；C0為初始電容值。

2024/2/21155.2物位傳感器5.2.3電容式物位傳感器原理結(jié)構(gòu)：用電容探頭感受物位變化。圖a為連續(xù)測量的電容探頭結(jié)構(gòu)。1-部分或整體絕緣棍電極，3、4-繩電極。容器壁為導體時，只裝電極1或3或4，以容器壁為另一極；容器壁為非導體，則使用管式電極2，或為電極1、3、4配反電極5。圖b為監(jiān)控物位極限的電容探頭結(jié)構(gòu)。用于不希望探頭電容值在整個高度范圍內(nèi)線性變化，而當物位達到極限時電容突變.

不同安裝方式的電極用于滿足不同功能需求：例如3和4.2024/2/21165.2物位傳感器5.2.4磁致伸縮物位傳感器主要構(gòu)成：具有磁致伸縮效應的波導鋼絲、內(nèi)置位置磁鐵(磁環(huán))的移動部件、波檢測器和電脈沖發(fā)射器。工作原理：發(fā)射電脈沖->環(huán)繞波導絲、隨電子波光速移動的磁場->與垂直波導絲軸線的磁環(huán)磁力線正交->移動磁場到達磁環(huán)位置->復合成瞬態(tài)螺旋磁場->波導絲扭曲->以超聲速的扭轉(zhuǎn)彈性波->檢測器接收轉(zhuǎn)換為電脈沖->發(fā)射-接收信號時差->磁鐵位置。2024/2/21175.2物位傳感器5.2.4磁致伸縮液位傳感器性能優(yōu)點：高精度（國內(nèi)產(chǎn)品已實現(xiàn)非線性小于0.05%FS，重復性優(yōu)于0.002%）、超大量程，能同時測多參數(shù)，壽命長，耐高溫高壓，適用于易燃易爆、有腐蝕的場合，易安裝和維護，便于自動化、智能化。應用情況：直接將位置磁鐵與浮球相連，且在波導鋼絲外加保護套，廣泛應用于液位、界面的測量，特別是用于數(shù)十米高的超大油罐內(nèi)液面的監(jiān)測。

2024/2/21185.2物位傳感器

不同物位傳感器性能與特點比較：超聲式-

電容式-

磁致伸縮式-2024/2/21195.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器1）相關(guān)概念數(shù)字式位移傳感器分絕對編碼式和計數(shù)式兩類，其中計數(shù)式有分頻式和計數(shù)（增量）式，計數(shù)式有增量碼盤式和柵式如光柵等兩類。編碼器是根據(jù)位置的“編碼”，把位移轉(zhuǎn)換成“數(shù)字代碼”。測線位移的稱直線編碼器，測角位移的稱旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器有絕對碼和增量碼編碼器。絕對碼編碼器的任意位置都對應固定的編碼，不需基準點和計數(shù)就可確定角位移及所處位置。增量碼編碼器輸出的是一系列脈沖，對其計數(shù)并對照（零位）基準數(shù)據(jù)實現(xiàn)位移測量。編碼器與同樣尺寸的模擬式傳感器相比，有更高的精度、靈敏度及可靠性。2024/2/21205.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器1）絕對碼編碼器按變換原理分類：光電式、磁電式等，基于不同的敏感/轉(zhuǎn)換元件,有相似結(jié)構(gòu)但內(nèi)涵不同的碼盤。（1）碼盤：一組同心圓環(huán)碼道，中心孔用于安裝。碼道數(shù)n決定分辨力，二進制碼盤第n道的角度分辨力為

/2n-1

rad。敏感元件的幾何參數(shù)和物理特性決定碼道徑向尺寸。二進制碼盤的2n個扇形網(wǎng)格區(qū)對應2n組編碼，確定碼盤上2n個角位置的對應輸出碼，輸出數(shù)字的變化對應角位移量。二進制碼盤每個扇形網(wǎng)格對應由里到外

n個“1”或“0”小網(wǎng)格組成的一組數(shù)字碼。光電式中“l(fā)”對應透明碼區(qū)，光敏管能收到信號光；“0”對應不透明碼區(qū)，光敏管收不到信號光。磁電式編碼器中“0”對應磁化區(qū)，“l(fā)”對應非磁化區(qū)。2024/2/21215.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器1)絕對碼編碼器(2)元件與電路(a)光電式編碼器的電路常用白熾燈或LED作光源，需考慮光譜匹配及其工作溫度。光敏元件可用光敏二極管、三極管或硅光電池。上圖中，使用硅光電池時，輸出為10～20mV，通常接一集成差動高增益運放，作用類似施密特觸發(fā)器。預置一觸發(fā)電平

(監(jiān)控電平，單獨用光敏元件掃描一個完全清晰碼道即無碼碼道來獲得），并輸給所有數(shù)據(jù)碼道的放大器，以克服信號光強和電源引起的輸出電平漂移。2024/2/21225.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器1)絕對碼編碼器(2)元件與電路(b)電磁式的電路磁敏元件為小磁環(huán)，每個環(huán)上繞兩線圈，一個用于詢問，通恒頻恒幅交流電，另一個用于讀出。根據(jù)電磁感應原理，小磁環(huán)(非接觸)對準磁化區(qū)“0”時，磁路飽和，讀出電壓很低；小磁環(huán)對準非磁化區(qū)“1”時，兩繞組構(gòu)成一變壓器，讀出繞組輸出電壓信號。該信號為調(diào)制信號，經(jīng)解調(diào)后輸出方波.

2024/2/21235.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器1)絕對碼編碼器(3)提高測量精度的途徑影響精度的直接因素：都用光刻法(照相制版)批量制作碼道,碼盤制作精度及讀數(shù)誤差是主因，最外道(最低位碼)網(wǎng)格刻制的準確度影響最大。例：二進制碼盤實現(xiàn)1

分辨力需20

21道，若在

400mm圓盤制作20碼道，最外道網(wǎng)格節(jié)距僅1

m。同時保證同碼道節(jié)距準確而各碼道同扇形網(wǎng)格線對準很困難，易出現(xiàn)誤差。對策1：用循環(huán)碼替代二進制碼。(a)循環(huán)碼:主要特點是相鄰兩組數(shù)碼(相鄰位置)

之間僅1位變化。圖中R6與R5道的明、暗區(qū)各占半圓環(huán)，但位差90°。二進制碼C6道同樣分明、暗兩半（前圖），C5道卻分兩明區(qū)和兩暗區(qū)；以此類推可知，同碼道數(shù)，循環(huán)碼網(wǎng)格節(jié)距大一倍，制作容易。2024/2/21245.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器1)絕對碼編碼器(3)提高測量精度的途徑n位二進制碼與循環(huán)碼之間轉(zhuǎn)換關(guān)系為：循環(huán)碼直接譯碼困難，一般先轉(zhuǎn)二進制再譯碼，有電路實現(xiàn)，分并行和串行兩種，如圖所示。串行循環(huán)碼?二進制碼轉(zhuǎn)換器并行循環(huán)碼?二進制碼轉(zhuǎn)換器2024/2/21255.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器1)絕對碼編碼器(3)提高測量精度的途徑(a)掃描法:又稱雙讀數(shù)法。圖a為刻線不準所致二進制碼誤讀.圖b為雙讀數(shù)法-兩讀數(shù)狹縫AA與BB分別對應兩組光敏元件。允許透明與不透明碼區(qū)轉(zhuǎn)接處有一定誤差

（小于AA與BB間距）。讀取原則：最低位Cl道只讀一次AA，其余各道按低一位碼道讀數(shù)決定按AA或BB讀取。如Ci-1讀“1”(亮區(qū))，則Ci取AA；否則Ci取BB。2024/2/21265.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器1)絕對碼編碼器（b）碼盤組單碼盤的絕對碼編碼器角位移限于0

～360

,將n個碼盤由機械傳動連成碼盤組，利用傳動比變化提高絕對編碼器分辨率。碼盤組可測轉(zhuǎn)速(傳動比大于1)和大于360

的角位移(傳動比小于1)；傳動比起“放大”和“縮小”作用。絕對碼編碼器的優(yōu)點：編碼位置的數(shù)碼唯一，不因系統(tǒng)斷電、重測而改變；各碼道有獨立的光敏器件，位置信息是并行全量程位置編碼，輸出接口或譯碼簡便；抗干擾能力強，可靠性高，上電即可確定編碼位置數(shù)據(jù)，不需自引導過程。2024/2/21275.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器2)增量碼編器解決碼盤制作精度限制分辨率的矛盾，用累計“脈沖”數(shù)確定相對基準點的瞬時角位移。（1）增量碼盤碼盤設內(nèi)、外軌道，兩者關(guān)系如圖所示。外道由增量計數(shù)軌道(僅1位碼道)和方向軌道組成，按分辨率要求設置扇區(qū)（相當于最低碼道網(wǎng)格）。方向道與增量計數(shù)道扇區(qū)相同，但位差半個扇區(qū)(兩扇區(qū)為周期，半扇區(qū)使兩道相差90

)，依據(jù)兩者的超前或滯后識別順、逆方向，決定計數(shù)器的加或減。內(nèi)道即基準軌道，提供基準點的是一個單獨標志的扇區(qū)，其輸出使計數(shù)器歸零。2024/2/21285.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器2）增量碼編碼器（2）增量碼編碼器工作原理如上圖所示，方向道與增量計數(shù)道在1-2-3-4變化過程中，完成一次[0,1]、[1,1]、[1,0]、[0,0]編碼，完成一次循環(huán)，輸給加法器一個計數(shù)脈沖。用增量碼編碼器測角速度，最大測速范圍受限于觸發(fā)器產(chǎn)生的單次脈寬。此脈寬應小于一個扇區(qū)（bit）所占時間的一半。如果單次脈沖寬度為4～6

s，其上升時間和恢復時間為200ns，對5000個脈沖/轉(zhuǎn)的增量碼編碼器，最大測速為2000r/min。2024/2/21295.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)字編碼器2）增量碼編碼器(3)磁電式增量碼編碼器:

磁鼓+磁阻器件+信號處理電路。磁鼓：在鋁基非磁性體上鍍l0

m的磁材，再刻錄等間距小磁極，磁化后裝在被測轉(zhuǎn)軸上；MR+信號處理：放置磁鼓下(間隙0.1~0.01mm)，MRl與MR2接成差動，磁鼓轉(zhuǎn)動使MR輸出變化，再轉(zhuǎn)換成電壓變化（近似正弦波），多個檢測脈沖的MR成對加到波形整形電路上，將正弦波輸入轉(zhuǎn)換為方波/脈沖輸出。2024/2/21305.3數(shù)字式位移傳感器5.3.2光柵精密線位移傳感器光柵傳感器是一種技術(shù)成熟的高精度數(shù)字式位移傳感器?；诠饩€在均勻透明介質(zhì)中按直線傳播的原理，當主、副光柵以很小夾角

重疊時（對柵距W＝0.02mm的粗光柵，兩柵之間有約0.1mm間隙），產(chǎn)生莫爾條紋，利用莫爾條紋信息可測兩柵的相對位移。莫爾條紋對柵距有放大作用。如圖所示，縱向以夾角

交疊的主、副光柵，在橫向產(chǎn)生間距為B的莫爾條紋。若光柵l向右移動一個柵距W，莫爾條紋則向下移動一個條紋間距B，使亮區(qū)與暗區(qū)互換。發(fā)源的光透過亮區(qū)，在受光器上產(chǎn)生光電信號，即光柵相對位移產(chǎn)生光電（脈沖）輸出，對此光電信號計數(shù)，可得相對位移。2024/2/21315.3數(shù)字式位移傳感器5.3.2光柵精密線位移傳感器1）光柵傳感器的工作原理和特點（1）位移放大作用(高精度的主因)若主柵與指示柵有等柵距W，且夾角

很小，則B≈W/

。放大倍數(shù)K=B/W=1/

，若W=0.02mm,

=0.1

，K約為570?？梢?，莫爾條紋起位移放大作用，且放大倍數(shù)很大.（2）誤差平均效應莫爾條紋由多條柵線交疊后形成，個別光柵刻劃的誤差被平均，很大地消除了柵距局部誤差和短周期誤差影響。（3）光電轉(zhuǎn)換后的莫爾條紋輸出信號理想輸出應為三角波，如左圖。實際輸出近似正弦波電壓信號，如右圖。移動一個柵距，輸出電壓變化一個周期(2)。2024/2/21325.3數(shù)字式位移傳感器5.3.2光柵精密線位移傳感器2）位移方向識別光柵位移變換成莫爾條紋的移動，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成電輸出。

在一點觀察，無論光柵左移右移，莫爾條紋均明暗交替變

化。若只有一條莫爾條紋，則只能計數(shù)。為了辨向，需提供

另一條，使兩者相差

/2。通常在相隔1/4條紋間距的位置上安放兩光敏元件來實現(xiàn)，如圖b所示。方向識別：光柵正向移動時只有加計數(shù)脈沖輸出；反向移動時只有減計數(shù)脈沖輸出。電路分析：2024/2/21335.3數(shù)字式位移傳感器

不同數(shù)字是位移傳感器性能與特點比較：絕對編碼器-

數(shù)字編碼器-

光柵傳感器-2024/2/21345.4速度傳感器概述工程實際中，轉(zhuǎn)速和線速度是最常見的運動參量。測速度的傳感器原理不同，其結(jié)構(gòu)與特點不同，其中非接觸測量方式的傳感器不影響被測對象的運動。5.4.1光電式速度傳感器1）基于時間與位移計算的測速方法原理：根據(jù)速度的定義測速，即測量距離L和通過該距離的時間

t，然后求平均速度v。L越小，則所得速度越接近瞬時速度。由此原理可延伸出多種測速方法，如相關(guān)法和空間濾波器法。

2）基于相關(guān)測速度法的速度傳感器基本原理：利用求隨機過程互相關(guān)函數(shù)極值來測量速度。設平穩(wěn)隨機過程觀察的時間為T，則它的互相關(guān)函數(shù)為：2024/2/21355.4速度傳感器5.4.2光電式速度傳感器

2）基于相關(guān)測速度法的速度傳感器如圖a所示，當被測體以速度v運動時，其表面總有可測的痕跡變化或標記。在固定距離L上裝兩個光敏器件A和B用于檢測痕跡變化，其轉(zhuǎn)換輸出信號x(t)、y(t)波形如圖b所示。測量條件基本相同的情況下，x(t)、y(t)兩個隨機信號只在時間上滯后t0，即：y(t)=x(t－t0)；t0就是物體上某點從A運動到B的時間，測量t0后就可求得物體運動速度v，即v＝L/t0。2024/2/21365.4速度傳感器5.4.2光電式速度傳感器

2）基于相關(guān)測速度法的速度傳感器互相關(guān)函數(shù)極值法求t0:足夠長時間T內(nèi)，x(t)和y(t)互相關(guān)函數(shù)為

Rx(

?t0)相當于把自相關(guān)函數(shù)Rx(

)延時t0的值。t=t0時，Rx(

?t0)

有極大值，也即互相關(guān)函數(shù)Rx(

)有極大值，此時

是所求t0值。將x(t)、y(t)送到模擬相關(guān)分析儀中，改變滯后時間，可得到互相關(guān)函數(shù)隨滯后時間

變化時的圖形，求得最大值時所對應時間就是t0，即可求得速度v。工程上用這種方法可測量軋鋼時板材速度、流體流動速度、汽車車速等。2024/2/21375.4速度傳感器5.4.2光電式速度傳感器

3）空間濾波器測速傳感器

基本原理：用可選一定空間頻率段的空間濾波器件與被測物同步運動，在單位空間內(nèi)測量相應的時間頻率，計算出被測速度.空間頻率：單位空間線度內(nèi)物理量周期性變化的次數(shù)；如圖所示，在長L的柵格板上刻N個等距的透明狹縫，柵格板移動時，光敏器件可感知光的明暗變化，變化的空間頻率:

=N/L

若柵格板移動速度為v，移動L所需時間為t，則光敏器件測到的時間頻率:f=N/t。由N=

L得時間頻率和空間頻率的關(guān)系：

f=

L/t=

v。可知，速度v可用空間頻率描述。2024/2/21385.4速度傳感器5.4.2光電式速度傳感器

3）空間濾波器測速傳感器

工作原理（見圖）：點光源以一定速度y向運動，光通過透鏡成像在叉指式光電池柵格上，使光電池輸出頻率為f脈沖串。選擇光電池柵格尺寸和形狀，使柵格對一定空間頻率有選擇性，則物體速度轉(zhuǎn)換為時間頻率信號。空間濾波器輸出信號的中心頻率正比于速度，通過測頻來測速。實際光源非點光源，是有任意輝度的分布光源。適用于傳送帶、鋼板、車輛等的速度檢測，可用于以轉(zhuǎn)動物體為背景的角速度測量；其檢測范圍為.5～250km/h，精度可達0.5%。2024/2/21395.4速度傳感器5.4.3磁電式速度傳感器物體運動的速度可利用速度與其他量之間的已知關(guān)系來間接測量，如磁電式和電磁式速度傳感器。磁電式速度傳感器可分三類：動圈式、動磁鐵式和磁阻式構(gòu)成：軛鐵、永久磁鐵、線圈及支承彈簧等。原理：永久磁鐵和軛鐵產(chǎn)生一個均勻磁場，根據(jù)電磁感應定律，當穿過此磁場中的線圈的磁通量隨時間變化時，則線圈兩端產(chǎn)生正比于磁通量

減少速率的電壓：V=?d

/dt.如果傳感器中的線圈垂直于磁場運動，線圈中產(chǎn)生與線圈速度成正比的感應電壓，由輸出電壓可測得速度。此類傳感器的測速范圍10?4～102m/s

2024/2/21405.4速度傳感器5.4.3磁電式速度傳感器典型結(jié)構(gòu)1：下圖為一種測兩試件之間相對(振動)速度的傳感器結(jié)構(gòu)。殼體7固定在一試件上，頂桿l頂著另一試件，永磁鐵3經(jīng)殼體7

構(gòu)成磁回路，兩試件間的相對速度通過頂桿1使線圈4在磁場氣隙中運動，產(chǎn)生與線圈線速度成正比的感應電勢。若頂杠在彈簧片2作用下隨振動體一起運動，線圈速度即被測速度。2024/2/21415.4速度傳感器5.4.3磁電式速度傳感器典型結(jié)構(gòu)2：下圖為一種絕對速度傳感器的結(jié)構(gòu)。永磁鐵2與殼體6形成磁回路，芯軸5上的線圈7和銅制阻尼環(huán)3組成磁場中運動的慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊。彈簧1使系統(tǒng)得到可靠的徑向支承，并保證很低的軸向固有頻率。阻尼環(huán)3增加系統(tǒng)質(zhì)量、降低固有頻率，并產(chǎn)生磁阻尼力，減小共振影響，擴大工作頻率范圍，并有助于衰減干擾引起的自由振動和沖擊。速度傳感器承受沿其軸向的振動時，線圈產(chǎn)生磁感應電勢。當振動頻率遠高于系統(tǒng)固有頻率時，相對速度可看成是殼體的絕對速度。

2024/2/21425.4速度傳感器5.4.3磁電式速度傳感器典型結(jié)構(gòu)3：如圖所示為另一種速度傳感器的結(jié)構(gòu)。永久磁鐵和運動物體相連，線圈處于固定狀態(tài)。當永久磁鐵從線圈旁經(jīng)過時，線圈會產(chǎn)生一個感應電勢，如果磁鐵經(jīng)過的路徑不變，那么此感應脈沖的電壓峰值與磁鐵運動速度成正比。因此，此脈沖電壓的峰值可用來確定永久磁鐵的運動速度。將永久磁鐵固定在被測體上，可得物體的運動速度。

2024/2/21435.4速度傳感器5.4.4多普勒效應測速1）多普勒效應：當發(fā)射機與接收機之間距離變化時，發(fā)射機發(fā)射信號的頻率與接收機收到信號頻率不同的現(xiàn)象。多普勒效應產(chǎn)生過程(以被測體向檢測點接近的情況為例):

如圖a所示，發(fā)射機發(fā)的信號波(電磁或超聲)向被測體輻射，被測體以速度v運動，被測體作為接收機收到的信號頻率：

f1=f0+v

/

0

式中，f0為發(fā)射機發(fā)射信號的頻率；v為被測物體的運動速度；

0為發(fā)射信號波長，

0＝C/f0，C為信號波傳播速度。2024/2/21445.4速度傳感器5.4.4多普勒效應測速1）多普勒效應如果將f1作為反射波向接收機發(fā)射，如上圖b所示。接收機接收到的信號波頻率為：

f2=f1+v

/

1=f0+v

/

0+v

/

1若被測物的運動速度v遠小于信號波的傳播速度C，即v

<<C時，可認為

0=

1，所以

f2=f0+2v

/

0

由多普勒效應產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率，即

fd=f2?f0=2v

/

0

可見，只要v

<<C，被測體的運動速度v可用多普勒頻率和信號波長描述為：v=

0fd/2。2024/2/21455.4速度傳感器5.4.4多普勒效應測速1）多普勒雷達測速多普勒雷達組成:發(fā)射機+接收機+混頻器+檢波放大+處理電路工作原理：當發(fā)射信號和收到的回波信號混頻后，兩者產(chǎn)生差頻現(xiàn)象，差頻的頻率即多普勒頻率。多普勒雷達產(chǎn)生的多普勒頻率：fd＝(2vcos

)/

0;其中v為被測體線速度；

為探測信號發(fā)射方向與被測體的速度方向夾角；

0為信號波長；vcos

為電磁波方向與被測物體的速度分量。已知夾角

和信號波長

0，測多普勒頻率fd可得被測速度v。激光或電磁波多普勒雷達廣泛應用于車輛行駛速度檢測；超聲多普勒可測流體的流速，如通過測人體血管內(nèi)血液流速來檢查血液黏度。

2024/2/21465.4速度傳感器5.4.5光電式轉(zhuǎn)速傳感器

1）直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)組成：開孔圓盤+光源+光敏元件+縫隙板。工作原理：開孔圓盤轉(zhuǎn)軸與被測軸連接，光源發(fā)出的光通過開孔圓盤和縫隙板后由光敏元件接收并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。圓盤轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)。因此，通過對光敏元件輸出的脈沖頻率測量可得被測轉(zhuǎn)速，即：n=f/N；式中，N-圓盤開孔數(shù)；

n-轉(zhuǎn)速；f-脈沖頻率。2024/2/21475.4速度傳感器5.4.5光電式轉(zhuǎn)速傳感器

2）反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)組成：紅外發(fā)射管+紅外接收管+光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)由透鏡及半透鏡構(gòu)成；半透鏡使紅外光射向轉(zhuǎn)動體，并使得從轉(zhuǎn)動體反射的紅外光穿過半透鏡射向紅外接收管。測轉(zhuǎn)速時需要在被測物體上粘貼一小塊具有定向反射作用的紅外反射紙。被測物旋轉(zhuǎn)時，粘貼在物體上的反射紙和物體一起旋轉(zhuǎn)，紅外接收管隨感受的反射光強弱產(chǎn)生相應變化信號，信號經(jīng)電路處理后可得被測對象的轉(zhuǎn)速。2024/2/21485.4速度傳感器5.4.6磁電感應式轉(zhuǎn)速傳感器1）變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)組成：永久磁鐵+線圈+磁盤原理：改變永久磁鐵的磁路的磁阻（如空氣隙），則磁通隨之改變。當磁通量發(fā)生突變時，磁路中的感應線圈感應出脈沖電勢，脈沖電勢的頻率等于磁阻變化的頻率。為改變氣隙，在待測軸上裝一個軟磁材料的調(diào)制盤（通常為

60齒的輪盤）。齒盤隨待測軸轉(zhuǎn)動，其齒和齒隙交替通過永久磁鐵的磁場，不斷改變磁路磁阻，使鐵芯中的磁通突變，使線圈感應產(chǎn)生頻率正比于待測轉(zhuǎn)速的脈沖電勢，其頻率為：f＝nz/60 式中，n為轉(zhuǎn)速(r/min)；f為頻率(Hz)；

z為齒輪的齒數(shù)。2024/2/21495.4速度傳感器5.5.2磁電感應式轉(zhuǎn)速傳感器2）電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器如圖，在軟磁材料的輸入軸上加工一鍵槽，距輸入軸表面d0處設置傳感線圈，輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連。輸入軸隨被測軸轉(zhuǎn)動，使傳感線圈與輸入軸的距離變化

d，因電渦流效應導致振蕩回路品質(zhì)因數(shù)變化，使傳感線圈電感隨

d而變化，直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。因此，振蕩器輸出的信號中包含與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號fn。此類非接觸式傳感器的最高測量轉(zhuǎn)速可達6

105r/mm。2024/2/21505.4速度傳感器5.4.7霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)組成：霍爾開關(guān)集成器件+磁性轉(zhuǎn)盤工作原理：磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測軸相連，轉(zhuǎn)盤隨被測軸轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾開關(guān)在每個小磁鋼通過時產(chǎn)生一個脈沖，檢測單位時間的脈沖數(shù)可知被測對象的轉(zhuǎn)速。設頻率計的頻率為f，盤上小磁鋼數(shù)為Z，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為:n=60f/Z

下圖為不同結(jié)構(gòu)的傳感器示意圖。磁性轉(zhuǎn)盤上的磁鋼數(shù)目多少確定傳感器的分辨率，數(shù)目越多，分辨率越高。2024/2/21515.4速度傳感器

不同速度/轉(zhuǎn)速傳感器性能與特點比較：速度傳感器光電式-

磁電式-

多普勒-

轉(zhuǎn)速傳感器光電式-

磁電式-

霍爾式-2024/2/21525.5加速度傳感器概述加速度傳感器實質(zhì)上是一種力傳感器，利用質(zhì)量塊承受加速度作用的慣性力(F=ma)測得加速度。加速度與運動物體的質(zhì)量相關(guān)，按照加速度引起的作用力對敏感元件的作用形式，加速度傳感器可分成壓縮型、剪切型和彎曲型。應變片式和壓阻式加速度傳感器多用彎曲型。不論應變片粘貼在彈性梁上，還是電阻條擴散在膜片上，都是利用彈性元件彎曲變形引起應變片或電阻條的阻值變化來測量。通常，彈性元件采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，加速度作用在懸臂梁的質(zhì)量塊上，懸臂梁固定端根部有慣性力作用產(chǎn)生的最大應力，應變片粘貼或電阻條擴散均在此處。根據(jù)壓電效應，壓電元件（如壓電陶瓷）厚度變形和剪切變形的壓電常數(shù)值最大，因此可利用厚度變形制成壓縮型加速度傳感器，利用剪切變形制成剪切型加速度傳感器。2024/2/21535.5加速度傳感器5.5.1壓電加速度傳感器1）壓縮型加速度傳感器由基座、壓電元件和慣性質(zhì)量塊（m）組成，并以一定方式預緊，主要類型見表4-6-1。壓電元件由雙晶片組成，在電荷聚集表面制作電極。壓電元件上放置（或倒置）大密度的金屬鎢或合金質(zhì)量塊，對壓電元件及質(zhì)量塊施加預緊力，靜態(tài)預載荷應大于傳感器在振動或沖擊測試中可能承受的最大動態(tài)應力，整個組件裝在一個剛度較大的底座上。測試時，將基座剛性固定在試件上，振動時質(zhì)量塊承受與基座相同的振動，并受到與加速度(a)方向相反的慣性力作用。質(zhì)量塊有一與加速度成正比的交變力作用在壓電元件上，因壓電效應，產(chǎn)生交變電荷。當振動頻率遠低于固有頻率時，與作用力成正比的輸出電荷（電壓）經(jīng)前置放大器輸入信號處理電路，得到與加速度成正比的輸出電壓。如信號處理電路加入積分電路還可得到振動速度或位移。2024/2/21545.5加速度傳感器5.5.1壓電加速度傳感器1）壓縮型加速度傳感器如果壓電陶瓷受慣性力作用產(chǎn)生表面電荷Q=d33F，因慣性力F=ma，則加速度傳感器輸出電荷靈敏系數(shù)Kq=Q/a=d33m.

可見，靈敏系數(shù)與壓電常數(shù)成正比，與質(zhì)量m成正比。壓電式加速度傳感器可簡化成質(zhì)量塊m、彈簧k和阻尼器c組成的單自由度二階力學系統(tǒng)。其數(shù)學模型為式中，x為質(zhì)量塊相對于基座的位移（振幅）；a為振動體加速度的振幅；負號表慣性力與加速度方向相反。經(jīng)拉氏變換，方程寫成:(

2s2+2

s+1)x(s)＝?

2a式中，

為時間常數(shù)，；

為阻尼比，；固有頻率

0＝

-1

。

2024/2/21555.5加速度傳感器5.5.1壓電加速度傳感器1）壓縮型加速度傳感器解上式得二階質(zhì)量?彈簧系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性表達式：

式中，

為振動頻率；

為質(zhì)量塊位移滯后于加速度的相位角x/a是加速度振幅與位移（振幅）比。由于相對位移x是壓電元件的變形量，壓電元件本身剛度系數(shù)為Kx，則作用在壓電元件上的慣性力為F＝Kxx，壓電元件表面產(chǎn)生電荷Q＝d33F＝d33Kxx，則：2024/2/21565.5加速度傳感器5.5.1壓電加速度傳感器1）壓縮型加速度傳感器電荷靈敏系數(shù)為：上式表示Kq與

/

0（頻率比）的關(guān)系，稱為加速度傳感器頻率響應特性的數(shù)學表達式。在

/

0相當小的范圍內(nèi)，有

Q/a＝d33Kx/

02?？梢?/p>

0>>

時，Kq近似為常數(shù)，基本不隨頻率變化，為傳感器的理想工作頻率。加速度傳感器與電荷放大器配合使用，低頻限可至0.3Hz，可測量接近靜態(tài)變化的緩變物理量。頻率上限取固有頻率（可達30kHz）的1/5～1/3左右，即工作在頻率響應特性的平直段。2024/2/21575.5加速度傳感器5.5.1壓電加速度傳感器2）剪切型加速度傳感器剪切型加速度傳感器的底座向上延伸，如同一根圓柱，將圓環(huán)式壓電元件（極化方向沿圓柱軸線方向）套在圓柱上，再套上慣性質(zhì)量環(huán)。工作時，傳感器振動，慣性力作用在壓電元件上產(chǎn)生剪切變形，剪切應力作用使壓電元件內(nèi)外環(huán)表面產(chǎn)生電荷，電場方向垂直于極化方向。這種結(jié)構(gòu)的傳感器由于質(zhì)量?彈簧系統(tǒng)與外殼隔開，受外界噪聲干擾較小。因固有頻率高，所以剪切型加速度傳感器頻率響應范圍寬，適合于高頻振動的測量，并易實現(xiàn)小型化，其主要類型見表4-6-2。2024/2/21585.5加速度傳感器5.5.2電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理：質(zhì)量塊4由簧片3支撐置于充滿空氣的殼體2內(nèi)。測垂向線加速度時，殼體固定在被測振動體上，振動使殼體相對質(zhì)量塊運動，使與殼體固定的兩定極板1、5相對質(zhì)量4運動，導致上定極板5與質(zhì)量4的A面組成的電容Cxl和下定極板l與質(zhì)量4的B組成的電容Cx2隨之改變，一增，一減，其差值正比于被測加速度。采用空氣阻尼，氣體黏度的溫度系數(shù)比液體小得多，因此，這種加速度傳感器的精度較高、頻率響應范圍寬、量程大，可用于較高加速度值的測量。1、5-固定極板2-殼體3-簧片4-質(zhì)量塊6-絕緣體2024/2/21595.5加速度傳感器5.5.3電阻應變式、壓阻式加速度傳感器1）應變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)：懸臂梁一端固定在殼體的基座上，另一端裝有質(zhì)量塊，懸臂梁根部粘貼的應變片連接成差動電橋，可測量垂直方向加速度。2）壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)：直接用單晶硅制作懸臂梁，根部擴散4個電阻組成差動電橋，自由端裝慣性質(zhì)量塊。全部結(jié)構(gòu)密封于充硅油的外殼內(nèi)?？晒ぷ髟谏舷禄蜃笥艺駝訝顟B(tài)。當懸臂梁自由端的慣性質(zhì)量受到振動產(chǎn)生加速度時，梁彎曲而產(chǎn)生應力，使4個電阻阻值發(fā)生變化。通過測量電阻變化得到應力大小，從而求得加速度a。2024/2/2160四種原理的加速度傳感器比較壓電式：體積小、頻響寬、動態(tài)性好電容式：動態(tài)性好、高g值、集成化應變式：體積大、壓阻式：體積小、靈敏度、集成化2024/2/21615.6力傳感器5.6.1應變式力與稱重傳感器構(gòu)成：彈性元件+應變片+測量電路1）柱筒式力傳感器特點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可設計成拉、壓或拉壓式。實心柱式可承受較大負荷。原理：根據(jù)材料力學原理，截面積為A、彈性模量為E的柱筒式彈性元件的應變ε與作用力F的關(guān)系為：ε=F/(AE)靈敏度：為提高靈敏度，也即在給定力作用下產(chǎn)生較大應變ε，應減小橫截面積A（常用筒式結(jié)構(gòu)）。但A的減小受材料的許用應力和對力與應變關(guān)系的線性要求的限制。若A允許減小，其抗彎能力也減弱，傳感器對橫向干擾力敏感。2024/2/21625.6力傳感器5.6.1應變式力與稱重傳感器1）柱筒式力傳感器

示例：圖a是一種應變式力傳感器的典型結(jié)構(gòu)，承力彈性元件用圓柱加工成的方柱，金屬應變片粘貼在四個側(cè)面。電路：應變片測動態(tài)力常用直流不平衡橋(圖b)。實用中視情況采用單橋、半橋和全橋(應變片)橋路。未受力時應變片阻值不變，電橋維持初始平衡(R1R4=R2R3)，輸出為零；受力產(chǎn)生ΔR變化，電橋不平衡輸出：2024/2/21635.6力傳感器5.6.1應變式力與稱重傳感器1）柱筒式力傳感器若第一橋臂接應變片R1，其他為固定電阻，傳感頭受力使應變片變化ΔR1，電橋有不平衡輸出。設R2/R1=n,根據(jù)電橋初始平衡條件并忽略微量ΔR1/R1，上式可改寫為：可知，輸出電壓正比于應變片受力產(chǎn)生的電阻變化值ΔR1，且n=1時電橋輸出Uout最大。上圖c是有溫度補償功能的四應變片全橋接法。若使n=1，即

R1=R2=R3=R4，且ΔR1=ΔR3，ΔR2=ΔR4，ΔR2=?

R1，則電橋輸出為：不足:柱筒式力傳感器的截面積隨載荷而改變導致非線性，但可進行補償。

2024/2/21645.6力傳感器5.6.1應變式力與稱重傳感器2）梁式力傳感器優(yōu)點：梁式結(jié)構(gòu)可獲得較大靈敏度。若結(jié)構(gòu)和粘貼都對稱、應變片參數(shù)相同，該結(jié)構(gòu)除靈敏度較高外，還便于溫度補償和消除x和y方向力干擾。（1）彈性元件--等截面梁原理：如圖所示，懸臂梁長、寬、厚分別為l、b、h。力作用在自由端，固定端截面中的應力最大。在距載荷點l0的上、下表面對稱位置，沿l方向分別貼靈敏系數(shù)為K的應變片R1、R2和R3、R4，上下兩組應變片的應變大小相等、符號相反。將4應變片接成差動全橋，有高靈敏度。貼變處的應變?yōu)椋?/p>

=6Fl0/(bh2E)2024/2/21655.6力傳感器5.6.1應變式力與稱重傳感器2）梁式力傳感器（1）彈性元件--等截面梁差動全橋的輸出為：Uout=UΔR1/R1=UK

=6UKFl0/(bh2E)圖b所示結(jié)構(gòu)是針對上圖a所示等截面梁的改進，主要避免力F的作用點偏移引起誤差。四個應變片分貼在兩個不同截面上，此時若作用力有偏移，如圖中虛線所示，則R1、R2處的應變絕對值增大，R3、R4處的應變絕對值減小。應變量的計算方法基本同前。改進：帶副梁的等截面梁，因增加副梁和改變應變片的粘貼位置，使l0縮小，彎矩也減小，對載荷點的位置要求降低，中間加載也便于結(jié)構(gòu)設計。2024/2/21665.6力傳感器5.6.1應變式力與稱重傳感器2）梁式力傳感器（2）彈性元件--等強度梁結(jié)構(gòu)原理：下圖所示是固定端寬度為b的等強度梁結(jié)構(gòu)圖。在自由端有力F作用時，在梁表面整個長度方向上產(chǎn)生大小相等的應變。應變大小可由下式計算。

=6Fl/(bh2E)梁自由端所需要的最小寬度

bmin=3F/(2h[

]) 式中，[

]為材料的許用剪應力。優(yōu)點：對在長度方向上粘貼應變片位置要求不嚴。另外，梁的自由端撓度不能太大，否則荷重方向與梁的表面不成直角，會產(chǎn)生誤差。2024/2/21675.6力傳感器5.6.1應變式力與稱重傳感器2）梁式力傳感器(3)彈性元件--雙端固定梁結(jié)構(gòu)及布片：如圖a所示，被測力F沿梁中心圓柱作用使其對稱受力。按圖b所示設置坐標系，梁上表的軸向應變近似為：

(L,b,h為梁的等效長,寬,厚)梁中心(x=0)和邊緣處(x=±L/2)應變分別為:

x≈±0.231L處，

x=0。同理得梁下表的應變。差動橋路，貼雙片增加平均效應。特點:同作用力下,撓度比懸臂梁小,過載易致非線性。

2024/2/21685.6力傳感器5.6.2壓電式力傳感器1）概述相對其他類型力傳感器的優(yōu)點：靜態(tài)剛性好，固有頻率高(幾百到幾百千赫)，靈敏度高，分辨率高(可達滿量程的10?7或更高)；線性、滯后及重復性均好，可測頻帶寬，動態(tài)誤差小，適用于動態(tài)測力；采用石英晶體因而性能穩(wěn)定，壽命長，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝調(diào)整方便；因密封封裝而耐腐蝕，耐潮濕；但不適于測量靜態(tài)力。2）單向力傳感器測與傳感器承載面垂直的外力—法向力Fz，即所謂“測力墊圈”。采用xy切型晶體，根據(jù)壓電系數(shù)d11實現(xiàn)力/電轉(zhuǎn)換主要特點：體積小、質(zhì)量輕，固有頻率高，便于組合。2024/2/21695.6力傳感器5.6.2壓電式力傳感器2）三向力傳感器同時測空間中的任一或多個力，分解并合成到三坐標軸輸出幾個三向力傳感器組合，可對復雜力系進行綜合動態(tài)測量。工作原理和特性與壓電式加速度傳感器基本相同。以單向力

Fz作用為例，壓縮式壓電力傳感器的電荷靈敏度幅頻特性：

<<

n時，上式變?yōu)椋篞≈d11Fz

，傳感器輸出正比于被測力。2024/2/2170兩種原理的力傳感器特點比較：應變式：結(jié)構(gòu)型、體積大和非線性、但低頻性能好。。。壓電式：動態(tài)性能好、體積小、穩(wěn)定性好、低頻相對差2024/2/21715.6力傳感器5.6.3壓力傳感器1）概述壓力分類：相對壓力(表壓、壓差)、絕對壓力、負壓或真空度相對壓力：指絕對壓力和大氣壓力之差，生產(chǎn)中的壓力表示值一般為相對壓力（表壓）；絕對壓力：表壓和大氣壓力之和；負壓或真空度：低于大氣壓的被測壓力。

2024/2/21725.6力傳感器5.6.3壓力傳感器2）薄膜壓力傳感器薄膜應變片：為解決應變片粘貼質(zhì)量問題，改善敏感層與彈性體(基片)間的傳遞性能，將金屬或半導體敏感材料直接用濺射和蒸鍍方法與基片制成一體。相對粘貼式的優(yōu)點：無蠕變、穩(wěn)定性好、可靠性高。三層結(jié)構(gòu):基片-金屬材料彈性體；中間-絕緣層(如Si3N4薄膜)

表層-敏感膜。在表層敏感膜局部做金屬內(nèi)引線層，用光刻制成敏感柵并連成電橋，用外引線引出，構(gòu)成傳感器件。2024/2/21735.6力傳感器5.6.3壓力傳感器3）E形膜片基本結(jié)構(gòu)：如圖所示，在平膜片（硅杯）中心制作一個硬中心，硅杯成“E”字形，稱做E形膜片。平膜片因大撓度產(chǎn)生的非線性誤差問題：采用E形結(jié)構(gòu)，加大中心部分的剛度，利用硬中心將均布壓力轉(zhuǎn)為集中力，在小位移下產(chǎn)生較高應力。相對平膜片，

E形膜片增加了有效面積，在膜片應變式壓力傳感器中得到了廣泛應用。

E形膜片的應力分布：如右圖所示，最大彎曲應力σr發(fā)生在r=R和r=r0膜片上表層處.2024/2/21745.6力傳感器5.6.3壓力傳感器4）差壓傳感器特殊性:待測壓力/差較小，膜片兩側(cè)靜壓很高，需過壓保護組成：力敏器件+中心膜片+主體膜+密封膜片，空間充不可壓縮硅油，以傳遞壓力、保護力敏器件和散熱。力敏器件：E形或EI形硅杯壓感膜片，兩側(cè)同時加高靜壓，如圖壓力轉(zhuǎn)換部分是核心結(jié)構(gòu)。工作過程：高壓p1和低壓p2分別作用在兩側(cè)密封膜，經(jīng)硅油將壓力傳到敏感器件上下兩面，壓差作用使其輸出信號。

過載保護：由中心膜片實現(xiàn)。例如，右側(cè)有超閾值靜壓p1時，使右側(cè)密封膜貼在主體膜上，部分壓力被隔離,

另一部分經(jīng)硅油使中心膜片左移擠壓左側(cè)硅油，將壓力傳到敏感膜上面，實現(xiàn)力平衡，此隔離和平衡過程在瞬時完成。2024/2/21755.6力傳感器5.6.3壓力傳感器5）壓電式壓力傳感器基本原理與結(jié)構(gòu)與前述壓電式加速度和力傳感器大同小異。不同點：它必須通過彈性膜、盒等收集壓力并轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體做壓電元件。按彈性元件分類：活塞式、膜片式(加力方式不同)組成：本體+彈性元件+壓電元件，壓電元件一般用石英晶體。

性能特點：傳感器靈敏度可通過選擇疊加的晶片數(shù)確定。低、中壓力傳感器的量程為50MPa；高、超高壓力傳感器的測量范圍為4×103～104MPa。2024/2/21765.6力傳感器5.6.3壓力傳感器5）壓電式壓力傳感器典型產(chǎn)品1：奇士樂(Kistler)公司的系列產(chǎn)品;7031型壓力傳感器采用壓縮式石英晶片組，被測壓力通過膜片和預緊筒傳遞給壓電組件。在壓電組件和膜片間墊有陶瓷與鐵鎳鈹青銅兩種材料制成的溫度補償片，補償長時間緩變的熱干擾對預載的影響。

2024/2/21775.6力傳感器5.6.3壓力傳感器5）壓電式壓力傳感器典型產(chǎn)品：血壓計用壓電式血壓傳感器圖a產(chǎn)品采用PZT-50H壓電陶瓷雙晶片懸梁結(jié)構(gòu)。被測動脈壓通過上塑料塊、振膜、下塑料塊傳遞到壓電懸梁的自由端。壓電梁彎曲變形產(chǎn)生電荷經(jīng)電荷放大器輸出。圖b產(chǎn)品采用摻雜PZT陶瓷的PVF2復合壓電材料，其韌性好，易與皮膚吻合，力阻抗與人體匹配，可消除外界脈動干擾。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，耐用，輸出再現(xiàn)性好，適用于人體脈壓、脈率的檢測或脈波再現(xiàn)。

2024/2/21785.6力傳感器5.6.3壓力傳感器5）光纖壓力傳感器(1)全內(nèi)反射光纖壓力傳感器原理：膜片(反射表面)受壓彎曲（也可利用固定在膜片上的可動反射體），使反射光通量重新分布。圖示傳感器基于壓力作用破壞全內(nèi)反射條件。工作過程：膜片1受壓彎曲，改變棱鏡8頂面與光吸收層2的氣隙間隙，使棱鏡上全內(nèi)反射界面局部被破壞，造成光纖內(nèi)傳輸光部分離開上界面(頂面)，折射入吸收層被吸收，改變從發(fā)射光纖4(左)進入接收光纖4(右)的光強。用橋式光敏器件5測出氣隙變化所引起的光強變化，從而反映被測壓力大小。

輸出光電信號大小由光纖與膜片間距及膜片形狀決定。2024/2/21795.6力傳感器5.6.3壓力傳感器5）光纖壓力傳感器(1)全內(nèi)反射光纖壓力傳感器周圍固定的小撓度膜片(y0≤0.5h)中心的最大撓度計算式為

y0=3p(1?μ2)r4/(16Eh3)

式中p為壓力;

為泊松比;r為膜片有效半徑;E為彈性模量;h為厚度。y0≤h/3時,傳感器輸出的線性度較好;過大將產(chǎn)生明顯非線性。測大壓力時,若膜片直徑一定,需增加膜厚。屬動壓測量裝置，其頻率特性是重要參數(shù)。膜片固有頻率與材料性能及結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。另外，還有壓力容腔導管及光敏器件頻率特性等影響傳感器的頻響。優(yōu)點：頻響高，尺寸小，受流體場影響小，靈敏度高，受振動、溫度及聲波影響較小。

2024/2/21805.6力傳感器5.6.3壓力傳感器5）光纖壓力傳感器(2)偏振調(diào)制壓力傳感器光彈效應(應力雙折射效應)：各向同性的介質(zhì)材料在外力作用下呈現(xiàn)各向異性的光學特性。這是一種傳輸光產(chǎn)生線性雙折射的偏振效應。若應力垂直加在光傳播方向，則應力方向的介質(zhì)常數(shù)增加，從而改變該方向偏振光強大小。原理：(透明)平面物體受力時，其各點都有兩個主應力分量，光入射透明時，形成兩束線性偏振光，且兩個光矢分別沿兩個主應力方向，其折射率之差與主應力之差成正比。如圖所示，受壓力作用的透明光彈薄片

C放在兩正交偏振片P1、P2之間，屏幕

M上會產(chǎn)生偏振光干涉條紋，條紋形狀由光程差相等(主應力差相等)的光點軌跡決定。2024/2/21815.6.3壓力傳感器5）光纖壓力傳感器(2)偏振調(diào)制壓力傳感器如圖所示，壓力作用于膜片使光彈玻璃產(chǎn)生壓應力。根據(jù)光彈效應，光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器形成兩束偏振光，在光彈玻璃處產(chǎn)生線性雙折射偏振，檢偏器得到偏振光干涉，由接收光纖送入光電器件，不同的主應力差對應不同的光強輸出。光彈效應可用于壓力和應變的靜、動態(tài)檢測；把膜片改成重物可作為加速度傳感器，也可測水聲壓。最小可測9.5Pa壓差，在0～500kPa

內(nèi)線性良好。相對干涉型光纖傳感器，靈敏度偏低，但容易調(diào)壓、結(jié)構(gòu)簡單。2024/2/2182壓力傳感器比較：薄膜應變片式：穩(wěn)定性、可靠性好，適應高溫環(huán)境壓電式：壓電材料-剛性、柔性光纖式：結(jié)構(gòu)簡單、頻響好、尺寸小、靈敏度高、受環(huán)境振動、溫度影響小。2024/2/21835.6力傳感器5.6.4扭矩傳感器1)概述分類：接觸式、非接觸式。電阻應變式扭矩傳感器是旋轉(zhuǎn)扭矩測量法中最簡單可靠且精度高的傳感器，但屬接觸式方式，供電和信號輸出不便。若改變其接觸式方式，將應變橋路和集成電路固定在轉(zhuǎn)軸上，用無線方式傳輸測量信號，可成為一種遙測扭矩傳感器，但還存在對轉(zhuǎn)軸上的電路的供電不便。非接觸式基于兩類基本方法：一是利用扭矩與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系，通過測角位移測扭矩；二是利用扭矩應力產(chǎn)生磁彈效應，通過測材料磁導率或磁阻變化獲得相應的應力大小，從而測得扭矩。改進這兩類基本方法，形成了多種非接觸式的扭矩傳感器。2024/2/21845.6力傳感器5.6.4扭矩傳感器

2)光柵扭矩傳感器原理：表4-9-1的常見扭矩測量法中，光閘光柵式扭矩傳感器根據(jù)光閘光柵A與B處產(chǎn)生的相對扭轉(zhuǎn)角，改變光柵圓周上的相對位置使光強變化。上圖所示傳感器基于莫爾條紋原理。旋轉(zhuǎn)軸1上A與B處各固定一片外側(cè)動光柵2。軸套3兩端對應外側(cè)動光柵，各固定一片內(nèi)側(cè)定光柵4，形成兩組柵距相同的光柵副。軸1轉(zhuǎn)動時軸套固定，光柵副形成莫爾條紋，輸出電路輸出正弦波，波形如右圖所示。

2024/2/21855.6力傳感器5.6.3扭矩傳感器2)光柵扭矩傳感器轉(zhuǎn)軸1有扭矩作用時，A與B有相對扭轉(zhuǎn)角

，兩處的正弦波相位差從零扭矩時的

0變?yōu)?/p>

0+

。經(jīng)電路整形和運算處理得到脈沖信號波C，其脈寬與

的大小成正比。從而由測輸出脈寬得到對應轉(zhuǎn)矩值。光柵扭矩傳感器用于測靜態(tài)平均轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)軸固定，軸套旋轉(zhuǎn))或動態(tài)平均轉(zhuǎn)矩(軸套固定，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn))，其轉(zhuǎn)矩特性見圖(縱坐標為相位差

，代表扭轉(zhuǎn)角

)。相同轉(zhuǎn)矩下，A與B間距越大，

越大，傳感器分辨率越高，但使軸的撓度增大，易振動，且系統(tǒng)尺寸變大。扭矩變小時曲線呈線性；扭矩增大，分辨率下降，曲線呈非線性。

2024/2/21865.6力傳感器5.6.4扭矩傳感器3)磁彈性扭矩傳感器壓磁效應：力作用下，鐵磁材料壓應力方向的磁導率下降，垂直壓應力方向的增加，拉應力作用則相反。

(1)正交磁頭型扭矩傳感器結(jié)構(gòu)：磁極E1-E2的鐵芯與軸線平行，上繞勵磁線圈；磁極D1-D2的鐵芯與軸線垂直，上繞檢測線圈。兩鐵芯端面呈圓弧狀。鐵芯與被測軸表面組成閉合磁路。工作原理：無扭矩時軸表面各向磁同性，磁導率無變化，檢測線圈無感應電勢；有扭矩時，應力使（磁性材料）軸表面磁導率變化，磁力線扭曲，導致穿過檢測線圈的交變磁通量改變，產(chǎn)生感應電勢。傳感器輸出電壓U與扭矩M為線性關(guān)系：U=aM，其中a為靜態(tài)靈敏系數(shù)。

2024/2/21875.6力傳感器5.6.4扭矩傳感器3)磁彈性扭矩傳感器--正交磁頭型扭矩傳感器傳感器輸出U(

)與扭矩M(

)的線性關(guān)系對回轉(zhuǎn)角存在角度依賴性，用方程表示為：U(

)=a(

)M(

)+b(

)

式中，a(

)為靈敏系數(shù)；b(

)為輸出補償。

(2)薄壁套筒型扭矩傳感器以高磁致伸縮系數(shù)及高磁導率材料薄壁套筒作扭矩敏感元件,其兩端與軸固連。轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時，套筒表面應力最大。已知其±45

方向有最大主應力且等于該處截面上的剪應力

(

=

=M/W)。W為幾何尺寸確定的定值，主應力

與材料磁導率

呈線性關(guān)系。轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時，套筒與軸有相同扭轉(zhuǎn)角，套筒扭轉(zhuǎn)變形反映轉(zhuǎn)軸所受扭矩。在材料彈性范圍內(nèi)和一定磁場強度下，存在線性關(guān)系：

=Kμ

；式中，

為應力變化量；

為磁導率變化；Kμ為磁彈性系數(shù)。2024/2/21885.6力傳感器5.6.4扭矩傳感器3)磁彈性扭矩傳感器--薄壁套筒型扭矩傳感器結(jié)構(gòu)：薄壁套筒上銑兩組與軸線成±45?的對稱斜槽，承受扭矩引起的最大應力，對應斜槽段放置兩差動連接的測量線圈，其外套勵磁線圈。轉(zhuǎn)軸無扭矩作用時(M=0)，兩測量線圈感生電勢相同，方向相反，輸出為零；轉(zhuǎn)軸承受扭矩作用時，M≠0，薄壁套筒磁導率變化

，過測量線圈的磁通量改變，引起感應電勢變化：

E=kf

H，其中，k為耦合系數(shù)；f為勵磁電壓頻率；H為磁場強度。當勵磁電壓及頻率、線圈尺寸及匝數(shù)、薄壁套筒材料確定之后，

k、f、H均為定值，輸出感應電勢ΔE與扭矩M呈線性關(guān)系。2024/2/21895.6力傳感器5.6.4扭矩傳感器3)磁彈性扭矩傳感器--薄壁套筒型扭矩傳感器產(chǎn)生交變磁通的勵磁線圈由高精度的穩(wěn)頻穩(wěn)幅振蕩器、緩沖器及高保真度、低噪聲功率電路組成的電路驅(qū)動。實驗證明，當勵磁頻率為lkHz時，輸出特性有較好線性。利用勵磁線圈和測量線圈的耦合，使一個測量線圈的輸出電壓為拉應力引起，另一測量線圈的輸出電壓由壓應力引起，采用差動全波整流電橋拾取測量線圈輸出的扭矩信號，經(jīng)濾波電路和測量放大器獲得0～5V電壓信號。不同的非接觸式扭矩傳感器特點比較：光柵：靈敏度和精度高、電路簡單、環(huán)境因素影響、磁彈性：環(huán)境適應性好、測量電路要求相對高、噪聲影響2024/2/21905.7流量傳感器5.7.1流量傳感器概述

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，存在許多流體（氣體或液體）的輸送計量和控制需求，需測量流體的速度或者流過的流量，這些需要適用于不同流體的流量傳感器。瞬時流量：單位時間內(nèi)流體通過管道某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)。累積流量：在一段時間范圍內(nèi)流體通過管道某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)的總和。流量可分為體積流量和質(zhì)量流量。2024/2/21915.7流量傳感器5.7.1流量傳感器概述1）體積流量Qv體積流量分為瞬時體積流量和累積體積流量，分別表示為 ，式中，A為流體流過的管道的某截面面積（m2）；v為流體的速度（m/s）；t為流體流過某截面的時間范圍（s）。由于流體有黏性，因此，某一截面上各點的流速并不均勻，上兩式中的流體速度v是指流過某一截面流體的平均速度。2）質(zhì)量流量Qm質(zhì)量流量分瞬時質(zhì)量流量Qms和累積質(zhì)量流量QmT，分別為：

，式中，

為流體的密度（kg/m3）。2024/2/21925.7流量傳感器5.7.1流量傳感器概述3）流量的測量方法由上可知，只要能測得流體的體積流量Qv或質(zhì)量流量Qm或者流體的平均速度v和流體流過的某一截面面積A及時間范圍t，就能測得流體的流量。根據(jù)流體的性質(zhì)、流體的工作狀態(tài)、測量流體的工作場合等的不同，有很多不同的流量測量方法。目前應用較多的流量傳感器中，常將流量測量問題轉(zhuǎn)換成其他非電量的測量，如轉(zhuǎn)速（速度）、位移、壓差、頻率、時間等，然后在檢測儀表中把這些非電量轉(zhuǎn)化為電量，最后計算出流體的流量。2024/2/21935.7流量傳感器5.7.2差壓式流量傳感器

方式：通過測量流體在管道內(nèi)流動而產(chǎn)生的差壓或力來測得其流量，主要有節(jié)流式、靶式、轉(zhuǎn)子式等。

1）節(jié)流式流量傳感器工作原理構(gòu)成：如圖所示，節(jié)流裝置+靜壓差測量裝置+測量儀表流體管道中安裝一節(jié)流裝置，當充滿管道的流體經(jīng)過節(jié)流裝置時，因管道截面突然變小，流體在此形成流束收縮，流體的平均速度加大，使動壓力加大、靜壓力減小，在節(jié)流裝置前后形成靜壓差：Δp=pi?po

式中，pi為節(jié)流裝置前的流體靜壓（N/m2）；

po為節(jié)流裝置后的流體靜壓（N/m2）。2024/2/21945.7流量傳感器5.7.2差壓式流量傳感器

1）工作原理靜壓差Δp與流過管道的流體體積流量Qv的關(guān)系為： （基于能量、動量守恒的伯努利方程）式中，

為實驗方法所確定的流量系數(shù)；

為流體膨脹校正系數(shù)（可壓縮流體

<1，不可壓縮流體

＝1）；S為節(jié)流裝置收縮最厲害的截面面積（m2）；

為流體密度（kg/m3）。測得節(jié)流裝置前后的靜壓差

p，就可得流體的體積流量Qv。

2）節(jié)流式流量傳感器的特點結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、使用方便，目前工業(yè)生產(chǎn)中應用最多的流量傳感器，幾乎占70%；不足：易受流體密度影響，管道中有壓力損失，只適于潔凈流體測量，不適合于航空有關(guān)領(lǐng)域的流體流量的測量。2024/2/21955.7流量傳感器5.7.3渦輪式流量傳感器方式：利用轉(zhuǎn)速法測流量的傳感器。1）磁電式渦輪流量傳感器

結(jié)構(gòu)：如圖所示，管道內(nèi)裝自由旋轉(zhuǎn)的渦輪