傳感器與檢測(cè)技術(shù)教案

1、 傳感器與檢測(cè)技術(shù)目錄傳感器與檢測(cè)技術(shù)第一章 概述傳感器：是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。1.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器1.1.1 傳感器的組成傳感器一般由敏感元件，轉(zhuǎn)換元件及基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。敏感元件：是直接感受被測(cè)物理量，并以確定關(guān)系輸出另一物理量的元件（如彈性敏感元件將力、力矩轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出）。轉(zhuǎn)換元件：是將敏感元件輸出的非電量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)（電阻、電感、電容）及電流或電壓等電信號(hào)?；巨D(zhuǎn)換電路：是將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于傳輸，處理的電量。大多數(shù)傳感器為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，也有帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。1.1.2 傳感器的分類1按被測(cè)量對(duì)象分類：（1）內(nèi)部信息傳

2、感器：主要檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的位置、速度、力、力矩、溫度以及異常變化。（2）外部信息傳感器：主要檢測(cè)系統(tǒng)的外部環(huán)境狀態(tài)，它有相對(duì)應(yīng)的接觸式（觸覺(jué)傳感器、滑動(dòng)覺(jué)傳感器、壓覺(jué)傳感器）和非接觸式（視覺(jué)傳感器、超聲測(cè)距、激光測(cè)距）。2傳感器按工作機(jī)理：（1）物性型傳感器:利用某種性質(zhì)隨被測(cè)參數(shù)的變化而變化的原理制成的（主要有：光電式傳感器、壓電式傳感器）。（2）結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律和運(yùn)動(dòng)定律等構(gòu)成的（主要有電感式傳感器、電容式傳感器、光柵式傳感器）。3按被測(cè)物理量分類如位移傳感器用于測(cè)量位移，溫度傳感器用于測(cè)量溫度。4. 按工作原理分類可分為電阻式、電感式、電容式、光電式、磁電式、壓電式、熱電

3、式、陀螺式、機(jī)械式、流體式。有利于傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用：5. 按傳感器能量源分類：（1）無(wú)源型：不需外加電源，而是將被測(cè)量的相關(guān)能量轉(zhuǎn)換成電量輸出（主要有：壓電式、磁電感應(yīng)式、熱電式、光電式）又稱能量轉(zhuǎn)換型；（2）有源型：需要外加電源才能輸出電量，又稱能量控制型（主要有：電阻式、電容式、電感式、霍爾式）。電阻式包括光敏電阻、熱敏電阻、濕敏電阻等形式。6. 按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類：（1）開(kāi)關(guān)型（二值型）：是“1”和“0”或開(kāi)(ON)和關(guān)（OFF）；（2）模擬型：輸出是與輸入物理量變換相對(duì)應(yīng)的連續(xù)變化的電量，其輸入/輸出可線性，也可非線性；（3）數(shù)字型：計(jì)數(shù)型：又稱脈沖數(shù)字型，它可以是任何一種脈沖發(fā)生

4、器所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計(jì)數(shù)器可對(duì)輸入量進(jìn)行計(jì)數(shù)；代碼型（又稱編碼型）：輸出的信號(hào)是數(shù)字代碼，各碼道的狀態(tài)隨輸入量變化。其代碼“1”為高電平，“0”為低電平。開(kāi)關(guān)型（二值型）：包括接觸型（微動(dòng)開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、接觸開(kāi)關(guān)）、非接觸型（光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)）；模擬型：包括電阻型（電位器、電阻應(yīng)變片）、電壓電流型（熱電偶、光電電池）、電容電感型（電容、電感式位置傳感器）；數(shù)字型：包括計(jì)數(shù)型（脈沖或方波信號(hào)+計(jì)數(shù)器）、代碼型（回轉(zhuǎn)編碼器、礠尺）。傳感器分類轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱典型應(yīng)用轉(zhuǎn)換形式中間參量電參數(shù)電阻移動(dòng)電位器觸點(diǎn)改變電阻電位器傳感器位移改變電阻絲或電阻片的尺寸電阻絲應(yīng)變傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)

5、變傳感器微應(yīng)變、力、負(fù)荷利用電阻的溫度效應(yīng)（電阻溫度系數(shù)）熱絲傳感器氣流速度、液體流量電阻溫度傳感器溫度、熱輻射熱敏電阻傳感器溫度利用電阻的光敏效應(yīng)光敏電阻傳感器光強(qiáng)利用電阻的濕度效應(yīng)濕敏電阻濕度電容改變電容的幾何尺寸電容傳感器力、壓力、負(fù)荷、位移改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量電感改變磁路的幾何尺寸、導(dǎo)磁體位置電感傳感器位移渦流去磁效應(yīng)渦流傳感器位移、厚度、硬度利用壓磁效應(yīng)壓磁傳感器力、壓力、扭矩電參數(shù)電感改變互感差動(dòng)變壓器位移自整角機(jī)位移旋轉(zhuǎn)變壓器位移頻率改變諧振回路中的固有參數(shù)振弦式傳感器壓力、力振筒式傳感器氣壓石英諧振傳感器力、溫度等計(jì)數(shù)利用莫爾條紋光柵大角位移、大直線位移改變互感

6、感應(yīng)同步器利用拾磁信號(hào)磁柵數(shù)字利用數(shù)字編碼角度編碼器大角位移電量電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)熱電偶溫度、熱流霍爾效應(yīng)霍爾傳感器磁通、電流、壓力電磁感應(yīng)磁電傳感器速度、加速度光電效應(yīng)光電池光強(qiáng)電荷輻射電離電離室離子計(jì)數(shù)、放射性強(qiáng)度壓電效應(yīng)壓電傳感器動(dòng)態(tài)力、加速度1.1.3 傳感器的特性及主要性能指標(biāo)1.傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，有靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。2.傳感器的靜態(tài)特性是當(dāng)傳感器的輸入量為常量或隨時(shí)間作緩慢變化時(shí)，傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系，叫靜態(tài)特性，簡(jiǎn)稱靜特性。表征傳感器靜態(tài)特性的指標(biāo)有線性度、靈敏度、重復(fù)性等。3. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽繉?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性，

7、簡(jiǎn)稱動(dòng)特性。取決于傳感器的本身及輸入信號(hào)的形式。傳感器按其傳遞、轉(zhuǎn)換信息的形式可分為接觸式環(huán)節(jié)；模擬環(huán)節(jié)；數(shù)字環(huán)節(jié)，其中最薄弱環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性即為該傳感器的動(dòng)態(tài)特性。評(píng)定其動(dòng)態(tài)特性的輸入信號(hào)：正弦周期信號(hào)、階躍信號(hào)。4.傳感器的主要性能要求：1）高精度、低成本。2）高靈敏度。3）工作可靠。4）穩(wěn)定性好，應(yīng)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定，抗腐蝕性好；5）抗干擾能力強(qiáng)；6）動(dòng)態(tài)性能良好。7）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧，使用維護(hù)方便，通用性強(qiáng)，功耗低等。1.2 傳感檢測(cè)技術(shù)的地位和作用1.地位傳感檢測(cè)技術(shù)是一種隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅猛發(fā)展的技術(shù)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一。2.作用能夠進(jìn)行信息獲取、信息轉(zhuǎn)換、信息傳

8、遞及信息處理等功能。應(yīng)用：儀器設(shè)備、家用電器、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、加工中心（MC）、CNC機(jī)床、計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)（CAM）。1.3 基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則1測(cè)量范圍：是指?jìng)鞲衅髟谠试S誤差限內(nèi)，其被測(cè)量值的范圍；量 程： 是指?jìng)鞲衅髟跍y(cè)量范圍內(nèi)上限值和下限值之差。過(guò)載能力：一般情況下，在不引起傳感器的規(guī)定性能指標(biāo)永久改變條件下，傳感器允許超過(guò)其測(cè)量范圍的能力。過(guò)載能力通常用允許超過(guò)測(cè)量上限或下限的被測(cè)量值與量程的百分比表示。2. 靈敏度：是指?jìng)鞲衅鬏敵隽康淖兓颗c引起此變化的輸入量的變化之比。系統(tǒng)總靈敏度等于各環(huán)節(jié)靈敏度的乘積，。靈敏度表示傳感器或傳感

9、檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物理量變化的反應(yīng)能力。靈敏度越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，傳感器所能感知的變化量越小，即被測(cè)量稍有微小變化，傳感器就有較大輸出。K值越大，對(duì)外界反應(yīng)越強(qiáng)。過(guò)高的靈敏度會(huì)影響其適用的測(cè)量范圍。放大噪聲，信噪比要好。靈敏度的量綱，靈敏度是否為常數(shù)；靈敏度的方向性，交叉耦合靈敏度越小越好。3. 線性度：反映非線性誤差的程度是線性度。線性度是以一定的擬合直線作基準(zhǔn)與校準(zhǔn)曲線作比較，用其不一致的最大偏差Lmax與理論量程輸出值Y（=ymaxymin）的百分比進(jìn)行計(jì)算。4.重復(fù)性：是衡量在同一工作條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次連續(xù)測(cè)量所得結(jié)果之間的不一致程度的指標(biāo)；（分散范圍小，重復(fù)性越好）5.穩(wěn)

10、定性在相同條件，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，其輸入/輸出特性不發(fā)生變化的能力，影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間和環(huán)境。電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會(huì)影響其絕緣性；溫度影響其零漂，零漂是指還沒(méi)輸入時(shí)，輸出值隨時(shí)間變化而變化。長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。6、精確度：簡(jiǎn)稱精度，它表示傳感器的輸出結(jié)果與被測(cè)量的實(shí)際值之間的符合程度，是測(cè)量值的精密程度與準(zhǔn)確程度的綜合反映。7. 分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z出被測(cè)量的最小變化量。8、動(dòng)態(tài)特性：反映了傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)量的響應(yīng)特性。傳感器的響應(yīng)特性必須在所測(cè)頻率范圍內(nèi)努力保持不失真測(cè)量條件，時(shí)間延遲越小越好。 一般地，利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等物性型傳感器，響應(yīng)時(shí)間快，工作頻率范圍寬。

11、結(jié)構(gòu)型傳感器，固有頻率低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響。頻域內(nèi)，采用正弦輸入信號(hào)分析傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，包括幅頻特性和相頻特性；時(shí)域內(nèi)，采用系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間、上升時(shí)間等來(lái)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。9.環(huán)境參數(shù)指?jìng)鞲衅髟试S使用的工作溫度范圍以及環(huán)境壓力、環(huán)境振動(dòng)和沖擊等引起的環(huán)境壓力誤差、環(huán)境振動(dòng)誤差和沖擊誤差。1.4 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)1、標(biāo)定（計(jì)量學(xué)稱之為定度）是指在明確傳感器輸入/輸出變換關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具產(chǎn)生已知的標(biāo)準(zhǔn)非電量（或其它標(biāo)準(zhǔn)量）輸入，確定其輸出電量與其輸入量之間的過(guò)程。2、校準(zhǔn)是指?jìng)鞲衅髟谑褂们盎蚴褂眠^(guò)程中或擱置一段時(shí)間再使

12、用時(shí)，必須對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行復(fù)測(cè)或作必要的調(diào)整與修正，以確保傳感器的測(cè)量精度。3、標(biāo)定系統(tǒng)的組成：被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器或被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)；待標(biāo)定傳感器；它所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)顯示、記錄器等。4、靜態(tài)標(biāo)定是給傳感器輸入已知不變的標(biāo)準(zhǔn)非電量，測(cè)出其輸出，給出標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計(jì)算其靈敏度，線性度，滯差，重復(fù)性等傳感器的靜態(tài)指標(biāo)。對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定時(shí)，首先要建立靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)。傳感器的靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備有：力標(biāo)定設(shè)備，壓力標(biāo)定設(shè)備，溫度標(biāo)定設(shè)備等。對(duì)標(biāo)定設(shè)備要求： 具有足夠的精度，至少應(yīng)比被標(biāo)定的傳感器高一個(gè)精度等級(jí)，并且應(yīng)符合國(guó)家計(jì)量值傳遞的規(guī)定； 量程范圍應(yīng)與被標(biāo)定傳感器的量程相適應(yīng)； 性能穩(wěn)定

13、可靠，使用方便，能適應(yīng)多種環(huán)境。5. 動(dòng)態(tài)標(biāo)定通過(guò)確定其線性工作范圍、頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻特性和相頻特性曲線、階躍響應(yīng)曲線，來(lái)確定傳感器的頻率響應(yīng)范圍、幅值誤差和相位誤差、時(shí)間常數(shù)、阻尼比、固有頻率等。動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的是檢驗(yàn)測(cè)試傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。常用的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)激勵(lì)設(shè)備有激振器、激波管、周期與非周期函數(shù)壓力發(fā)生器；（其中激振器可用于位移、速度、加速度、力、壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定）。振幅測(cè)量法為絕對(duì)標(biāo)定法，精度較高，但所需設(shè)備復(fù)雜，標(biāo)定不方便，故常用于高精度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定。工程上采用比較法進(jìn)行標(biāo)定，俗稱背靠背法: 與動(dòng)態(tài)特性已知已知的標(biāo)準(zhǔn)傳感器同時(shí)測(cè)量同一個(gè)被測(cè)量。1.5 傳感器與檢測(cè)技術(shù)

14、的發(fā)展方向1. 開(kāi)發(fā)新型傳感器。利用新材料制作傳感器；利用新加工技術(shù)制作傳感器；采用新原理制作傳感器。2. 傳感檢測(cè)技術(shù)的智能化：傳感檢測(cè)系統(tǒng)目前迅速地由模擬式、數(shù)字式向智能化方向發(fā)展。功能：自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)校準(zhǔn)；自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換；自動(dòng)選擇功能；自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和誤差修正；自動(dòng)定時(shí)測(cè)量；自動(dòng)故障診斷。3. 復(fù)合傳感器能同時(shí)檢測(cè)幾種物理量具有復(fù)合檢測(cè)功能的傳感器。多信息融合技術(shù)。4. 研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生傳感器。目前研究的生物傳感器中有酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器等。生物傳感器與微電子技術(shù)相結(jié)合，將開(kāi)創(chuàng)人造器官的新時(shí)代。第二章 位移檢測(cè)傳感器1、位移可分為線位移和角位移兩種。測(cè)量位移常用的方法有：機(jī)械法，光測(cè)

15、法，電測(cè)法。電測(cè)法：是利用各種傳感器將位移量變換成電量或電參數(shù)。再經(jīng)后接測(cè)量?jī)x器進(jìn)一步變換完成對(duì)位移檢測(cè)的一種方法。 位移測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、變換電器、顯示裝置或記錄儀器三部分組成。測(cè)量位移常用的傳感器有：電阻式、電容式、渦流式、壓電式、光電式、感應(yīng)同步器式、磁柵式等。2、位移傳感器的分類A：(1)參量型位移傳感器：將被測(cè)位移轉(zhuǎn)換為電參數(shù),如電阻、電容、電感等；(2)發(fā)電型位移傳感器: 將被測(cè)位移轉(zhuǎn)換為電源性參量，如電動(dòng)勢(shì)、電荷等；(3)大位移傳感器：2.1 參量型位移傳感器2.1.1 電阻式位移傳感器 電位計(jì)：被測(cè)量使L變化 應(yīng)變片：被測(cè)量使三者均變化1.電位計(jì)1）工作原理B：由骨架、電阻元件

16、（線繞電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料）、電刷等組成，電刷相對(duì)于電阻元件運(yùn)動(dòng)(直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或螺旋運(yùn)動(dòng))，將位移（直線位移、角位移）等轉(zhuǎn)換為電阻。（1）線性電位計(jì)：電阻與位移呈線性關(guān)系 電阻靈敏度，輸出電阻與被測(cè)位移之比A； 輸出空載電壓C 電壓靈敏度，輸出電壓與被測(cè)位移之比A； 理想線性電位計(jì): 、均為常數(shù)，空載輸出特性為理想直線； 實(shí)際線性電位計(jì)：階梯特性，存在階梯誤差；屬于原理誤差，限制了精度和分辨力（2）非線性電位計(jì)：電阻與位移呈非線性或函數(shù)關(guān)系有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式、電位給定式等。電阻靈敏度：KR=dR/dx電壓靈敏度：Ku=dU0/dx。2) 選用B：（1）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出信

17、號(hào)大，性能穩(wěn)定，并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)關(guān)系；(2）缺點(diǎn)：是要求輸入量大，電刷與電阻元件之間有干摩擦，容易磨損，產(chǎn)生噪聲干擾。(3) 應(yīng)用：用于直線、角位移等測(cè)量。2電阻應(yīng)變式位移傳感器工作原理:被測(cè)位移引起應(yīng)變?cè)a(chǎn)生應(yīng)變，經(jīng)后續(xù)電路變換成電信號(hào)，從而測(cè)出被測(cè)位移。2.1.2 電容式位移傳感器1. 工作原理B+-S平行板電容器電力線被測(cè)量（線位移或角位移）使中任何一個(gè)參數(shù)變化，都會(huì)引起電容式傳感器的電容量發(fā)生變化，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q電路，將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的測(cè)量。2. 特點(diǎn)：(1) 封閉形式或開(kāi)放形式下工作；(2) 對(duì)輸入能量的要求低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好；(3) 介質(zhì)損耗小，本身

18、發(fā)熱影響小，而使其能在高頻范圍內(nèi)工作；(4) 構(gòu)件和連接電纜會(huì)引起泄露電容，造成測(cè)量誤差；3. 分類1) 變極距型的電容位移傳感器靈敏度C特點(diǎn)和應(yīng)用B(1)靈敏度高，但不為常數(shù)，即電容與極距變化間為非線性關(guān)系； (2) 用于小位移測(cè)量：K近似為常數(shù)； (3) 差動(dòng)電容：差動(dòng)連接可改善線性度及提高靈敏度A； 2）變極板面積型電容位移傳感器 （1）特點(diǎn)和應(yīng)用B輸入輸出具有線性特性即靈敏度為常數(shù)，常用于較大線位移、角位移的測(cè)量；(2) 分類： 圓筒型電容位移傳感器 角位移型平板電容位移傳感器 3）變介質(zhì)型電容式傳感器C被測(cè)量(液位、厚度、濕度、溫度、位移等)使電容式傳感器的工作介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化

19、，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。一般具有較好的線性特性，但也有輸入/輸出呈非線性關(guān)系。電容式液位計(jì)（測(cè)量液面高度）電容式介質(zhì)厚度傳感器 C和介質(zhì)厚度以及介質(zhì)的介電常數(shù)之間的關(guān)系都是非線性的；4) 容柵式電容位移傳感器(1) 工作原理： 是在面積型電容位移傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，由固定容柵和可動(dòng)容柵形成很多對(duì)電容，它們相對(duì)移動(dòng)時(shí)，每對(duì)電容面積發(fā)生變化，因而電容值隨之變化，從而可測(cè)出線位移或角位移。(2) 分類和電容量的計(jì)算C長(zhǎng)容柵n可動(dòng)容柵的柵極數(shù)；a、b為柵極的寬度、長(zhǎng)度被測(cè)位移使C發(fā)生變化；圓容柵 R、r 柵極外半徑和內(nèi)半徑（m），每條柵極所對(duì)應(yīng)得圓心角（rad）。被測(cè)位移使重疊角在0之間發(fā)生變化；(3)特

20、點(diǎn)：因多極電容及平均效應(yīng)，分辨力高，精度高，量程大，對(duì)刻劃精度和安裝精度要求可有所降低，一種很有發(fā)展前途的傳感器?？捎糜诖笪灰茰y(cè)量。4電容式位移傳感器的絕緣和屏蔽 （1）若絕緣材料性能不佳，絕緣電阻隨環(huán)境溫度和濕度而變化，還會(huì)使電容位移傳感器的輸出產(chǎn)生緩慢的零位漂移；漏電阻:電容器本身容抗很大，通常的絕緣電阻只能視為電容位移傳感器的旁路電阻，稱之。寄生電容：電容傳感器的極板和周圍物體、各種儀器乃至于人體都會(huì)發(fā)生電容聯(lián)系，產(chǎn)生附加電容，稱之。 （2）絕緣材料應(yīng)具有高的絕緣電阻、低的膨脹系數(shù)、幾何尺寸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低的吸潮性； （3）通常對(duì)電容位移傳感器及其引線采取屏蔽措施，即將傳感器放在金屬殼內(nèi)

21、； （4）接地應(yīng)可靠，可以消除不穩(wěn)定的寄生電容，還可以消除外界靜電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的干擾。2.1.3 電感式位移傳感器將被測(cè)物理量位移轉(zhuǎn)化為自感L,互感M的變化，并通過(guò)測(cè)量電感量的變化確定位移量。主要類型有自感式、互感式、渦流式和壓磁式。輸出功率大，靈敏度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。1自感式電感位移傳感器1) 工作原理與結(jié)構(gòu)B纏繞在鐵心的線圈中通以交變電流i，產(chǎn)生磁通m，形成磁通回路。線圈的自感L計(jì)算公式為B工作原理A：被測(cè)量（如位移）使線圈的自感L發(fā)生變化，于是線圈中的交變電流就會(huì)變化。(1) 變氣隙型:變，其余不變；與的關(guān)系呈非線性；解決辦法：只用于小位移測(cè)量；差動(dòng)式連接；(2) 變面積型:變，其余不

22、變；(2) 螺管型:變，其余不變；l:鐵心與銜鐵的導(dǎo)磁長(zhǎng)度（m）；：鐵心與銜鐵的導(dǎo)磁率（H/m）；S：鐵心與銜鐵中的導(dǎo)磁面積（m2）；：氣隙厚度（m）；0：真空磁導(dǎo)率（H/m）；S0：氣隙導(dǎo)磁橫截面積（m2）。 2) 改善其性能考慮的因素1）損耗問(wèn)題;2）氣隙邊緣效應(yīng)的影響，3）溫度誤差，4）差動(dòng)式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電壓?jiǎn)栴}。2. 互感式位移傳感器（差動(dòng)變壓器式位移傳感器）1）工作原理和結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)與常用變壓器類似，故稱為變壓器式位移傳感器。當(dāng)一次側(cè)通過(guò)交變電流i1時(shí)，在二次側(cè)上將感生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E M互感系數(shù)，與兩線圈之間相對(duì)位置及周圍介質(zhì)導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。工作原理A：將被測(cè)位移量的變

23、化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)M的變化2）差動(dòng)變壓器式位移傳感器常采用差動(dòng)連接（提高靈敏度，改善線性度），常用螺管型。特點(diǎn)：(1) 優(yōu)點(diǎn): 線性范圍大(數(shù)百mm)，精確度高，分辨力可達(dá)0.1;穩(wěn)定性好，使用方便。(2) 缺點(diǎn)：存在零點(diǎn)殘壓由于兩二次側(cè)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、一次側(cè)線圈銅損電阻的存在、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間的分布電容等因素。零點(diǎn)殘壓造成測(cè)量誤差?？烧{(diào)電阻。3渦流式位移傳感器1) 工作原理利用電渦流效應(yīng)將被測(cè)量變換為傳感器線圈阻抗Z變化的一種裝置。塊狀金屬置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬體內(nèi)都要產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流的流線在金屬體內(nèi)自己閉合，所以稱渦流。渦流的大小與金屬體的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度t以及

24、線圈與金屬體的距離x、線圈的激勵(lì)電流強(qiáng)度i、角頻率等有關(guān)。2）分類(1) 高頻反射渦流傳感器由傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)電物組成，線圈使被測(cè)導(dǎo)電物體上產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)使傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化，Z的變化值與渦流值有關(guān)。(2) 低頻透射渦流傳感器由發(fā)射線圈、接收線圈和位于兩線圈之間的被測(cè)導(dǎo)電物體組成，被測(cè)物體上的渦流使得接受線圈輸出的感應(yīng)電壓降低。渦流越大，接收線圈輸出的電壓越低。3）渦流式傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行非接觸測(cè)量，靈敏度高，應(yīng)用廣泛，可測(cè)位移、厚度、振動(dòng)等。測(cè)量范圍小，毫米級(jí)；分辨力可達(dá)級(jí)。2.2 發(fā)電型位移傳感器-壓電位移傳感器1、發(fā)電型位移傳感器（壓電位移傳感器）

25、是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電源性參量。如：電動(dòng)勢(shì)、電荷等。包括：磁電型、壓電型。2、壓電式位移傳感器的基本工作原理是：將位移量轉(zhuǎn)換為力的變化，然后利用壓電效應(yīng)將力的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2.3 大位移傳感器2.3.1 磁柵式位移傳感器1. 類型和用途根據(jù)用途可分為長(zhǎng)磁柵和圓磁柵位移傳感器，分別用于測(cè)量線位移和角位移。2. 工作原理1) 由磁尺和磁頭組成，磁尺被錄音磁頭按長(zhǎng)度方向記錄一周期信號(hào)，磁尺上剩磁的圖形排成SN、NS狀態(tài)。測(cè)量時(shí)利用重放磁頭將記錄信號(hào)還原。2）磁頭分動(dòng)態(tài)（速度磁頭）和靜態(tài)（磁通響應(yīng)式磁頭）。動(dòng)態(tài)磁頭：只有一個(gè)繞組，當(dāng)磁頭沿磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出正弦波，在N、N重疊處輸出正信號(hào)最強(qiáng)，在

26、S、S重疊處負(fù)信號(hào)最強(qiáng)。靜態(tài)磁頭：磁頭由勵(lì)磁繞組和輸出繞組組成，在勵(lì)磁繞組中輸入高頻勵(lì)磁電壓信號(hào)；當(dāng)磁頭不動(dòng)時(shí)，輸出繞組輸出一等幅的正弦或余弦電壓信號(hào)，其頻率仍為勵(lì)磁電壓的頻率，其幅值與磁頭所處的位置有關(guān)。當(dāng)磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，幅值隨磁尺上的剩磁影響而變化。3. 特點(diǎn)：磁柵式位移傳感器精度可達(dá)±0.01/m，分辨率達(dá)15m；磁信號(hào)的均勻性和穩(wěn)定性對(duì)磁柵式位移傳感器的測(cè)量精度影響較大。2.3.2光柵式位移傳感器1.光柵：一種在基體（金屬或玻璃）上刻制有等間距(柵距)均勻分布刻線的光學(xué)元件。透射光柵（透明玻璃尺基體，刻線不透光，刻縫透光）、反射光柵（不銹鋼帶基體，刻線不反射光，刻縫反射光）。光柵

27、條紋密度有25條/，50條/，100條/或更密；柵線長(zhǎng)度612.2.光柵式位移傳感器的種類有測(cè)量線位移的長(zhǎng)光柵和測(cè)量角位移的圓光柵。3.長(zhǎng)光柵位移傳感器的工作原理透射光柵，基于莫爾條紋現(xiàn)象。(1) 標(biāo)尺光柵(不動(dòng)，長(zhǎng)度由所需量程決定)和指示光柵重疊放置，但它們的刻線間有一微小夾角。由于光的干涉效應(yīng)，在與光柵刻線近似垂直方向上將產(chǎn)生明暗相間的條紋即莫爾條紋。莫爾條紋的間距。(2) 當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距。(3) 光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變;(4) 光柵條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)按正弦規(guī)律變化。(5) 利用光電元件檢測(cè)出莫爾條紋移動(dòng)的

28、條紋數(shù)和方向，測(cè)出光柵移動(dòng)的距離和方向，實(shí)現(xiàn)位移的檢測(cè)。(6) 測(cè)長(zhǎng)精度可達(dá)0.53m，分辨率達(dá)0.1m.4.光學(xué)系統(tǒng)透射式光路（柵）；反射式光路（柵）5.圓光柵動(dòng)光柵相對(duì)于靜光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)動(dòng)的角度量變換成莫爾條紋信號(hào)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件，將莫爾條紋的變化轉(zhuǎn)換成近似于正弦波形的電信號(hào)。用于角度測(cè)量，精度可達(dá)，分辨力可達(dá)，甚至更高。2.3.3 感應(yīng)同步器1.種類和用途利用電磁感應(yīng)原理，將線位移和角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。根據(jù)用途，可將感應(yīng)同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于測(cè)量：線位移和角位移。2.工作原理直線線感應(yīng)同步器由定尺繞組和滑尺繞組（兩組，相差900）組成，兩者平面平行相對(duì)，間距為

29、0.050.25mm。當(dāng)滑尺的兩組繞組用交流電激勵(lì)時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在定尺的繞組中會(huì)產(chǎn)生與激勵(lì)電壓同頻率的交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。當(dāng)滑尺相對(duì)定尺移動(dòng)時(shí)，改變了通過(guò)定尺繞組的磁通，從而改變了定尺繞組中輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。E的變化反映了定、滑尺間的相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)了位移至電量的變換。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的轉(zhuǎn)子、定子繞組可看成由直線式感應(yīng)同步器的滑尺、定尺繞組圍成輻射狀而形成，因此可測(cè)角位移。 根據(jù)對(duì)滑尺的正、余弦繞組供給勵(lì)磁電壓方式的不同，又分為鑒相和鑒幅型測(cè)試系統(tǒng)。 鑒相：定尺輸出電壓的相位與相對(duì)移動(dòng)位移x成比例； 鑒幅：定尺輸出電壓的幅值A(chǔ)相對(duì)移動(dòng)位移x成比例；3.特點(diǎn)精度較高，對(duì)環(huán)境要求低，可測(cè)大位移；

30、工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)；對(duì)局部誤差有平均化作用。2.3.4 激光式位移傳感器（考綱沒(méi)有要求）1.結(jié)構(gòu)由激光器、光學(xué)元件、光電轉(zhuǎn)換元件組成激光測(cè)試系統(tǒng)，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。2.特點(diǎn)精度高，測(cè)量范圍大、測(cè)試時(shí)間短、非接觸、易數(shù)字化、效率高。3. 激光干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)用途精密長(zhǎng)度測(cè)量（磁尺、感應(yīng)同步器、光柵檢定）；精密機(jī)床位移檢測(cè)與校正；集成電路制作中的精密定位。4.常用的激光干涉測(cè)長(zhǎng)傳感器單頻激光干涉?zhèn)鞲衅?；雙頻激光干涉?zhèn)鞲衅?。第三?力、扭矩和壓力傳感器3.1 測(cè)力傳感器分類方式和種類測(cè)量力的傳感器多為電氣式，根據(jù)轉(zhuǎn)換方式分為參量型和發(fā)電型。參量型測(cè)力傳感器：電阻應(yīng)變式、電容

31、式、電感式等；發(fā)電型測(cè)力傳感器：壓電式、壓磁式。3.1.1電阻式應(yīng)變測(cè)力傳感器1.電阻式應(yīng)變測(cè)力傳感器工作原理1）電阻應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體受到外力作用時(shí)發(fā)生機(jī)械變化，產(chǎn)生應(yīng)變，從而引起電阻阻值變化的現(xiàn)象。2）壓阻效應(yīng)：固體受到應(yīng)力作用力時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的想象。3) 工作原理：基于電阻應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)。將力作用在彈性元件上，彈性元件在力作用下產(chǎn)生應(yīng)變，貼在彈性元件上應(yīng)變片也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻變化。然后利用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。(再送入測(cè)量放大電路測(cè)量，最后利用標(biāo)稱的電壓（電流）和力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)出力的大小或經(jīng)換算得到被測(cè)力。)2.彈性元件有柱型、薄壁環(huán)型和梁型1）柱型彈性

32、元件圓柱形、圓筒形、方柱形受力后的應(yīng)變值E材料的彈性模量Pa；S彈性元件的橫截面積m2；2) 薄壁環(huán)型彈性元件圓環(huán)受拉之后，承受的彎矩R0環(huán)的平均半徑m，斷面的坐標(biāo)角，M坐標(biāo)角斷面處的彎矩N·m3）梁型彈性元件懸臂梁式、兩端固定梁式應(yīng)變值分別是：=6Fl/Ebh2，=3Fl/4Ebh2l、b、h分別是長(zhǎng)度、寬度、厚度m。3.應(yīng)變片是非電量電測(cè)中一種常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換元件。由于應(yīng)變片使用簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，被廣泛應(yīng)用。分金屬電阻應(yīng)變片（金屬絲、金屬箔）、半導(dǎo)體應(yīng)變片。1) 工作原理對(duì)金屬應(yīng)變片： 金屬應(yīng)變片靈敏度系數(shù)（1.72.6，比較?。?。對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片：半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度

33、系數(shù)（比金屬應(yīng)變片的大5070倍）2) 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)(1) 由敏感柵、底基、絕緣保護(hù)片組成（圖3-5）(a)敏感柵的作用: 感受機(jī)械試件的應(yīng)變變化；(b)底基的作用：將試件的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳給敏感柵；(c)敏感柵的種類：金屬絲、金屬箔、半導(dǎo)體。(2)對(duì)金屬絲的要求(a)具有較高的電阻系數(shù)（單位長(zhǎng)度的電阻要大）；(b)具有盡可能大的電阻應(yīng)變靈敏度系數(shù)；(c)具有較小的溫度系數(shù)；(d)具有較高的彈性極限，以便得到較寬的應(yīng)變測(cè)量范圍；(e)良好的加工性和焊接性；(f)對(duì)銅的熱電動(dòng)勢(shì)要小。(3) 對(duì)底基的要求(考綱上不做要求)：(a) 應(yīng)具有較低的彈性模量，較高的絕緣電阻，良好的抗?jié)窨篃嵝阅堋?b) 厚度

34、2050m之間，（常用底基：紙基、膠基、玻璃纖維布基）。 紙基制作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，比較柔軟，易于粘貼，應(yīng)變極限大，但耐潮濕性和耐熱性差。 膠基比紙基更柔軟，且具有較好的絕緣性，較高的彈性，耐熱和耐潮濕性都較好，使用溫度達(dá)100300。用酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯等固化后制成。玻璃纖維布基：制作的底基能耐400500的高溫，用于中溫和高溫情況下。（4）箔式電阻應(yīng)變片(考綱上不做要求)：敏感柵是用（35）um厚的金屬箔粘于膠基上，用光刻技術(shù)加工成需要的形狀。敏感柵制成圓角形柵，也可成直角形柵。 優(yōu)點(diǎn)：（1）金屬箔很薄，因而所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更接近；（2）箔式敏感柵面積大，散熱條件好

35、，允許通過(guò)較大的電流，靈敏度較高，輸出信號(hào)功率比較大，為絲式電阻應(yīng)變片的100400倍；（3）箔式敏感柵的尺寸可以做的很準(zhǔn)確，基長(zhǎng)可以很短，并能制成任意形狀，從而可擴(kuò)大使用范圍；（4）便于成批生產(chǎn)。缺點(diǎn)：生產(chǎn)工序復(fù)雜，引線的焊點(diǎn)采用錫焊，不適于在高溫環(huán)境中測(cè)量，另外價(jià)格比較高。3）半導(dǎo)體應(yīng)變片(1) 工作原理是基于壓阻效應(yīng)。 (2）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度系數(shù)大，適用于需要大信號(hào)輸出的場(chǎng)合；半導(dǎo)體應(yīng)變片橫向效應(yīng)小，其橫向靈敏度幾乎為零；機(jī)械滯后小，可制成小型和超小型片子。缺點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)的離散性大，機(jī)械強(qiáng)度低，非線性誤差大，溫度系數(shù)大。4.應(yīng)變片的布置和接橋方式應(yīng)根據(jù)測(cè)量目的、對(duì)載荷分布的估計(jì)以及在

36、復(fù)合載荷下測(cè)量應(yīng)變時(shí)應(yīng)能消除相互影響等情況而定。電橋：有單臂、雙臂、四臂工作方式（平衡條件Uo=0，R1R3=R2R4）工作方式單臂雙臂四臂應(yīng)變片所在位置R1R1，R2R1，R2，R3，R4輸出電壓Uo1/4UiK1/2UiKUiK5.應(yīng)變式測(cè)力傳感器舉例圖3-7 圖3-8 圓筒形彈性元件、應(yīng)變片。3.1.2 壓電式力傳感器1.工作原理是基于壓電元件的壓電效應(yīng)而工作的。壓電效應(yīng)有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。 （1）正壓電效應(yīng):當(dāng)某些材料沿一定方向受外力F作用而變形時(shí)，在其相應(yīng)的兩個(gè)相對(duì)表面產(chǎn)生極性相反的電荷Q，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種物理現(xiàn)象稱之正壓電效應(yīng)。電荷的極性取決于變形的形式

37、。K壓電常數(shù)，與材料有關(guān)。（2）逆壓電效應(yīng)是當(dāng)某些晶體的極化方向施加外電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)外電場(chǎng)撤去后，變形也隨之消失，這種物理現(xiàn)象稱之。（3）壓電效應(yīng)的方向縱向和剪切向2.壓電晶體及材料壓電晶體:具有壓電效應(yīng)的晶體，常用的壓電材料：石英、鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鋁系壓電陶瓷（PZT）以及新型高分子材料（聚偏二氟乙烯PVDF）等。3.壓電元件及晶片連接方法壓電元件在傳感器中的連接方式：?jiǎn)纹健善?lián)式、兩片并聯(lián)式、剪貼式、扭轉(zhuǎn)式。兩片串聯(lián)式：輸出電壓大，兩片并聯(lián)式：輸出電荷量大，4.壓電式傳感器的等效電路和前置放大器1）等效電路等效為電荷為Q的電容器（電荷源）或內(nèi)阻為為的電壓源。電

38、容量；壓電元件兩端電壓2)前置放大器(1) 壓電元件的輸出很微弱，電容很小導(dǎo)致容抗(阻抗)很大。(2) 需采用前置放大器放大壓電元件輸出的微弱信號(hào)，并把高阻抗變換為低阻抗輸出(目的是減少負(fù)載效應(yīng))。壓電式傳感器的前置放大器的輸入阻抗應(yīng)盡可能的高。(3) 前置放大器有：電壓放大器、電荷放大器兩種形式。電壓放大器：輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比，但電纜電容對(duì)輸出有影響。電荷放大器：輸出電壓與壓電元件的輸出電荷成正比，電纜電容的影響很小，可忽略不計(jì)，但價(jià)格貴、電路復(fù)雜。5.壓電式力傳感器（1）類型和結(jié)構(gòu)是利用壓電晶體的縱向和剪切向壓電效應(yīng)。（分：?jiǎn)畏至亢投喾至浚?2)壓電式力傳感器的選用原則：

39、量程和頻帶的選擇:估計(jì)被測(cè)力的大小和頻率范圍，選用量程和頻帶合適的傳感器。電荷放大器的選擇:測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)力(低頻)信號(hào)，要求電荷放大器輸入阻抗高于1012，低頻響應(yīng)為0.001Hz。電纜選擇:選用受振動(dòng)、壓力變化等影響所產(chǎn)生噪音小的低噪音電纜；3.1.3 壓磁式力傳感器1.壓磁效應(yīng)在機(jī)械力作用下，鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力變化，使磁導(dǎo)率發(fā)生變化，磁阻相應(yīng)也發(fā)生的現(xiàn)象，稱為壓磁效應(yīng)。外力是拉力時(shí)，在作用力方向鐵磁材料磁導(dǎo)率提高，垂直作用力方向磁導(dǎo)率降低；作用力為壓力時(shí)，則反之。常用鐵(壓)磁材料：硅鋼片、坡莫合金。制成的彈性體稱鐵磁體或壓磁元件。2.壓磁式力傳感器工作原理(1) 壓磁元件一般由相互垂直的

40、一次側(cè)繞組、二次側(cè)繞組組成（圖3-13）。(2) 在一次側(cè)繞組通過(guò)交變勵(lì)磁電流時(shí)，鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng)。壓磁元件不受力時(shí)，磁力線呈軸對(duì)稱分布，磁力線不與二次側(cè)繞組交鏈，故二次側(cè)繞組不會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。(3)當(dāng)壓磁元件受力時(shí)，由于壓磁效應(yīng)，磁力線分布呈橢圓，磁力線與二次側(cè)繞組交鏈，故就會(huì)在二次側(cè)繞組中感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。外力越大，磁力線交鏈越多，二次側(cè)繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)愈大。(4) 經(jīng)測(cè)量電路將電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。3.壓磁式力傳感器結(jié)構(gòu)主要是由壓磁元件、彈性機(jī)架、基座和傳力鋼球等組成。3.2 扭矩傳感器轉(zhuǎn)矩：使物體轉(zhuǎn)動(dòng)或扭轉(zhuǎn)變形的力偶或力矩，又稱扭矩（扭轉(zhuǎn)力矩）。單位是牛頓米()。3.2.1電阻應(yīng)

41、變式扭矩傳感器1.工作原理(1) 將電阻應(yīng)變片直接貼在需要測(cè)量扭矩的軸類零件上;(2) 當(dāng)軸類零件受扭矩作用時(shí)，在其表面產(chǎn)生切應(yīng)變，粘貼在其上的應(yīng)變片就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，從而測(cè)出該扭矩。(3)應(yīng)變片也可貼在一根特制彈性傳動(dòng)軸上，制成一個(gè)應(yīng)變式扭矩傳感器。2. 集流環(huán)的用途和種類1) 用途: 將轉(zhuǎn)動(dòng)中軸體上的電信號(hào)與固定測(cè)量電路裝置相聯(lián)系。2）種類：按工作原理分類：電刷-滑環(huán)式、水銀式、感應(yīng)式、無(wú)線式。(1)電刷-滑環(huán)式：結(jié)構(gòu)：由套筒，絕緣環(huán)，滑環(huán)構(gòu)成。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，維修方便；但它的接觸電阻易受振動(dòng)影響而波動(dòng)，影響到測(cè)量精度。(2)水銀集流裝置結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)：水銀在高溫下工作時(shí)易蒸發(fā)逸出，對(duì)人

42、體有毒害，故使用受限。(3)感應(yīng)式集流裝置結(jié)構(gòu)：是利用電磁感應(yīng)原理將旋轉(zhuǎn)部分的電信號(hào)耦合到固定部分上，去掉了各種接觸點(diǎn)，因而稱無(wú)接觸集流裝置，也稱變壓器式集流裝置特點(diǎn)：無(wú)接觸電阻的影響，體積小慣性也小，但易受外電磁場(chǎng)的干擾。3.2.2 壓磁式(磁彈式)扭矩儀工作原理:根據(jù)磁彈效應(yīng)來(lái)工作的。(1) 磁彈性扭矩儀由鐵磁轉(zhuǎn)軸和線圈組成，線圈通交流激勵(lì)電流，軸在軸向被線圈磁化；(2) 根據(jù)磁彈效應(yīng)（彈性變形使磁導(dǎo)率發(fā)生變化），受扭矩作用的軸的導(dǎo)磁性發(fā)生相應(yīng)變化，即磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而引起線圈的感抗變化，通過(guò)測(cè)量電路測(cè)量感抗的變化可確定扭矩。 3.2.3 電容式扭矩測(cè)量?jī)x1. 工作原理利用機(jī)械結(jié)構(gòu)，將軸

43、受扭矩作用后的兩端相對(duì)轉(zhuǎn)角變化變換成電容器兩極板之間的相對(duì)有效面積的變化，引起電容量的變化來(lái)測(cè)量扭矩。2. 電容式扭矩傳感器(圖3-22)軸承受扭矩時(shí)，開(kāi)孔金屬圓盤4、5產(chǎn)生相對(duì)角位移，使得金屬圓盤8、9之間的電容發(fā)生變化。3.特點(diǎn)最主要優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高。3.2.4 光電式扭矩測(cè)量?jī)x1.工作原理(1) 結(jié)構(gòu): 軸、光源、光電元件、2個(gè)帶孔圓盤組成。(2) 當(dāng)軸扭矩為零時(shí)，2個(gè)開(kāi)孔圓盤上透光孔重合，光源穿過(guò)開(kāi)孔圓盤的透光面積最大，光電元件輸出的脈沖電流的寬度最大，微安表為滿刻度；(3) 當(dāng)軸傳遞扭矩時(shí)，由于軸的變形，使2個(gè)開(kāi)孔圓盤重合的透光面積減少。光電元件輸出脈沖電流的寬度也相應(yīng)減少，微安表的指

44、示正好與扭矩值成反比關(guān)系。2. 特點(diǎn)：工作轉(zhuǎn)速為（100800）r/min，測(cè)量精度為1%。3.2.5 鋼弦式扭矩傳感器1.工作原理:鋼弦式扭矩傳感器是將扭矩轉(zhuǎn)換成鋼弦固有頻率變化進(jìn)行工作。(1)軸的扭矩使鋼弦的張力發(fā)生變化。(2)鋼弦的張力變化使得鋼弦的固有頻率發(fā)生變化。(3)測(cè)量出鋼弦的振動(dòng)頻率即可確定軸所承受的扭矩。2.特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，允許導(dǎo)線長(zhǎng)達(dá)幾百米到幾千米，測(cè)量精度可達(dá)±1%。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3.3 壓力傳感器壓力(壓強(qiáng)):作用在單位面積上的力, Pa（）絕對(duì)壓力：作用于單位面積上的全部壓力（以絕對(duì)真空為參考基準(zhǔn)）。表壓力:，相對(duì)壓力；真空度: ，3.3.1 液柱式壓力轉(zhuǎn)換

45、原理(考綱中沒(méi)做要求)利用液柱產(chǎn)生的壓力與被測(cè)介質(zhì)壓力相平衡的原理進(jìn)行測(cè)壓；U形管液柱壓力計(jì)：傾斜式液柱液壓計(jì)：，提高了靈敏度。3.3.2 活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理廣泛應(yīng)用于基準(zhǔn)和標(biāo)定工作中(壓力表或壓力傳感器的標(biāo)定裝置)，利用力平衡原理制成的。3.3.3 彈性式壓力傳感元件(考綱中沒(méi)做要求)又稱指針式壓力計(jì)和壓力傳感器；1.工作原理壓力使彈性元件產(chǎn)生于被測(cè)壓力成一定函數(shù)關(guān)系的機(jī)械變位（或應(yīng)變），經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成指針的偏轉(zhuǎn)，從而直接指示出被測(cè)壓力的大小。2.常用的彈性元件1）波登管2）膜片3）波紋管3.3.4 電量式壓力計(jì)用各種傳感器或測(cè)量元件將壓力變換成電量或電參數(shù)，再經(jīng)后接相應(yīng)的測(cè)量電路進(jìn)一步變

46、換，最后由顯示或記錄儀顯示或記錄下來(lái)，以實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的裝置。常用的有電容式、電感式、電阻式、渦流式、壓電式。1.電容式壓力傳感器1)工作原理將壓力轉(zhuǎn)換成電容的變化，經(jīng)電路變換成電量輸出。2)特點(diǎn)靈敏度高，適合測(cè)量微壓，頻響好，抗干擾能力較強(qiáng)。2.應(yīng)變式壓力傳感器1)工作原理利用應(yīng)變片將彈性元件在壓力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電量的變化。2)特點(diǎn)體積小，重量輕，精度高，測(cè)量范圍寬，從幾帕到500MPa，頻響高，同時(shí)耐壓，抗振，應(yīng)用廣泛。3.壓阻式壓力傳感器1) 工作原理利用壓阻效應(yīng)將壓力變換成電阻的變化實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。2）特點(diǎn)頻響寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，測(cè)量范圍從幾Pa到3×109Pa，適用于爆炸、

47、沖擊壓力的測(cè)量。4.電感式壓力傳感器1）工作原理將壓力變化轉(zhuǎn)換成電感變化，通過(guò)測(cè)量電路再將電感變化轉(zhuǎn)換成電量實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。類型較多。2）特點(diǎn)：頻響低，適用于靜態(tài)或變化緩慢壓力的測(cè)試。5.渦流式壓力傳感器1）工作原理屬于電感式壓力傳感器中的一種，它是利用渦流效應(yīng)將壓力變換成線圈阻抗的變化，再經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電量。2）特點(diǎn)它有良好的動(dòng)態(tài)特性，適合在爆炸等極其惡劣的條件下工作，如測(cè)量沖擊波。6霍爾式壓力傳感器1) 工作原理波登管在壓力作用下其末端產(chǎn)生位移，帶動(dòng)了霍爾元件在均勻梯度的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。當(dāng)霍爾元件通過(guò)恒定電流時(shí)，產(chǎn)生與被測(cè)壓力成正比的霍爾電動(dòng)勢(shì)，完成壓力至電量的變換。（霍爾效應(yīng)）2）特點(diǎn)由于波

48、登管的頻響較低，適用于靜態(tài)或變化緩慢壓力的測(cè)量.7. 壓電式壓力傳感器1）工作原理壓力通過(guò)膜片或活塞，壓塊作用在壓電晶片上，由于壓電效應(yīng)晶片上產(chǎn)生了電荷，經(jīng)后接放大器的變換，由顯示或記錄儀器顯示或記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。2）特點(diǎn)具有頻響寬，可測(cè)壓力范圍大，體積小，重量輕，安裝方便，可測(cè)多向壓力等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，適用于測(cè)動(dòng)態(tài)力和沖擊力，但不適于測(cè)靜態(tài)力。第四章 速度、加速度傳感器4.1 速度傳感器4.1.1 測(cè)速發(fā)電機(jī)(1) 基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作的，常用于測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。(2)分直流測(cè)速發(fā)電機(jī)（他勵(lì)式/電磁式和永磁式兩種）和交流測(cè)速發(fā)電機(jī)兩類。(3)對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要要求有：輸出電壓對(duì)轉(zhuǎn)速應(yīng)

49、保持較精準(zhǔn)的正比關(guān)系。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小。靈敏度要高，即測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓對(duì)轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)要靈敏。1.直流測(cè)速發(fā)電機(jī)1) 工作原理是一種微型直流發(fā)電機(jī)。它的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與直流伺服電動(dòng)機(jī)基本相同。其工作原理是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在恒定磁場(chǎng)中，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速n成正比。感應(yīng)系數(shù)，磁通；n轉(zhuǎn)速；Ce感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速的比例系數(shù) 2) 輸出特性(1)空載（電樞電流Is=0）時(shí)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，因而輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。 有負(fù)載（Is0）時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓應(yīng)比空載時(shí)小，這是電阻rs（電樞繞組電阻）的電壓降造成的。輸出電壓和電樞電流為

50、RL負(fù)載電阻 (2)在理想情況下系數(shù)Ce和C與輸出電壓之間的關(guān)系理想下rs、RL、均常數(shù)，故系數(shù)C為常數(shù)，即測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與被測(cè)轉(zhuǎn)速n成正比(線性關(guān)系)。 （3）直流測(cè)速電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生誤差的原因和改進(jìn)方法？實(shí)際工作中，與n不能保持正比(線性關(guān)系)，原因有：有負(fù)載時(shí)，電樞反映去磁作用的影響；使輸出電壓不再與轉(zhuǎn)速成正比，遇到這種問(wèn)題可以在定子磁極上安裝補(bǔ)償繞組，或使負(fù)載電阻大于規(guī)定值。電刷接觸壓降的影響；這是因?yàn)殡娝⒔佑|電阻是非線性的，即當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，相應(yīng)的電樞電流較小時(shí)接觸電阻較大，從而使輸出電壓很小。只有當(dāng)轉(zhuǎn)速較高，電樞電流較大時(shí)，電刷壓降才可以認(rèn)為是常數(shù)。為了減小電刷接觸壓降的影響，即縮

51、小不靈敏區(qū)，應(yīng)采用接觸壓降較小的銅-石墨電極或銅電極，并在它與換向器相接觸的表面上鍍銀。溫度的影響；這是因?yàn)閯?lì)磁繞組中長(zhǎng)期流過(guò)電流易發(fā)熱，其電阻值也相應(yīng)增大，從而使勵(lì)磁電流減小的緣故。在實(shí)際使用中可在直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的繞組回路中串聯(lián)一個(gè)電阻值較大的附加電阻，在接到勵(lì)磁電源上。 這樣，當(dāng)勵(lì)磁繞組溫度升高時(shí)，其電阻雖有增加，但勵(lì)磁回路總電阻的變化卻較小，故可保持勵(lì)磁電流幾乎不變。2. 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分為永磁式、感應(yīng)式和脈沖式三種。1）永磁式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)（1）原理實(shí)質(zhì)上是單向永磁轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)，定子繞組感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)的大小E和頻率f都隨輸入信號(hào)(轉(zhuǎn)速n)而變化，即K常系數(shù)p電機(jī)極對(duì)數(shù)（2）特點(diǎn)結(jié)構(gòu)

52、簡(jiǎn)單；但由于輸出頻率f隨轉(zhuǎn)速n而改變，致使發(fā)電機(jī)本身的阻抗和負(fù)載阻抗均隨轉(zhuǎn)速而變化，故其輸出電壓U不與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。通常只用作指示式轉(zhuǎn)速計(jì)。2）感應(yīng)式測(cè)速發(fā)電機(jī)（1）工作原理利用定子、轉(zhuǎn)子齒槽相互的位置的變化，使輸出（定子）繞組中的磁通產(chǎn)生脈沖，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種工作原理稱為感應(yīng)子式發(fā)電機(jī)原理。當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，磁通不變，定子繞組無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)轉(zhuǎn)子以一定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子齒之間的相對(duì)位置發(fā)生了周期性變化，定子繞組中就會(huì)感應(yīng)出周期性的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，輸出繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也變化一個(gè)周期。(2)輸出特性感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；被測(cè)轉(zhuǎn)速(r/min)；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與轉(zhuǎn)速成正比；但由于輸出頻率f隨轉(zhuǎn)速n而改變，致使發(fā)電機(jī)本身的阻抗和負(fù)載阻抗隨轉(zhuǎn)速而變化；采用整流電路整流后，輸出與轉(zhuǎn)速成正比的直流輸出電壓信號(hào)。 3) 脈沖式測(cè)速發(fā)電機(jī)（1）工作原理同感應(yīng)式測(cè)速發(fā)電機(jī)；以脈沖頻率作為輸出。輸出電壓的脈沖頻率和轉(zhuǎn)速保持嚴(yán)格的正比關(guān)系，屬于同步發(fā)電機(jī)。(2)特點(diǎn)輸出信號(hào)的頻率相當(dāng)高，即使在較低轉(zhuǎn)速下(幾轉(zhuǎn)或幾十轉(zhuǎn)每分)也能輸出較多的脈沖數(shù)。因而以脈沖個(gè)數(shù)顯示的速度分辨力比較高，適用于速度比較低調(diào)節(jié)系統(tǒng)，特別適用于鑒頻鎖相的速度控制系統(tǒng)。4.1.2 線振動(dòng)速度傳感器1. 工作原理當(dāng)一個(gè)繞有N匝的線