傳感器與檢測(cè)技術(shù)2202學(xué)習(xí)筆記

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上傳感器與檢測(cè)技術(shù)第一章 概述1：傳感器：是能感受規(guī)定的被檢測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)的器件或裝置。一、傳感器的組成2：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)。基本轉(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)。二、傳感器的分類(lèi)1、按被測(cè)量對(duì)象分類(lèi)：（1）內(nèi)部信息傳感器：主要檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的位置，速

2、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）物性型傳感器是利用某種性質(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(lèi)：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(lèi)主要是有利于傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用：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。5、按傳感器能量源分類(lèi)：（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(chēng)能量轉(zhuǎn)化型；（2）有原型：需要外加電源才能輸出電量，又稱(chēng)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(lèi)：（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(chēng)脈沖數(shù)字型，它可以是任何一種脈沖發(fā)生器所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比

4、，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(chēng)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。7、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）。三、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

5、的輸出與輸入之間的關(guān)系，叫靜態(tài)特性，簡(jiǎn)稱(chēng)靜特性。表征傳感器靜態(tài)特性的指標(biāo)有線性度，敏感度，重復(fù)性等。3、 傳感器的動(dòng)態(tài)特性：傳感器的輸出量對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性稱(chēng)之。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)。評(píng)定其動(dòng)態(tài)特性：正弦周期信號(hào)、階躍信號(hào)。4、傳感器的主要性能要求是：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。四、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)

6、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）。五、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：則是指?jìng)鞲衅髟跍y(cè)量范圍內(nèi)上限值和下限值之差。2、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。3、靈敏度：是指?jìng)鞲衅?/p>

7、輸出量Y與引起此變化的輸入量的變化X之比。4、靈敏度表示傳感器或傳感檢測(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。5、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。6、穩(wěn)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。7、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，

8、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。8、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）9、精確度：簡(jiǎn)稱(chēng)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。10、分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z出被測(cè)量的最小變化量。11、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。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。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。采用正

9、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12、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。六、傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)1、標(biāo)定（計(jì)量學(xué)稱(chēng)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)

10、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)。5、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。6、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)定可靠，使用方便，能適應(yīng)多種環(huán)境。7、傳感器的動(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)。8、動(dòng)態(tài)標(biāo)定指標(biāo)是通過(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

11、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。9、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）。上述振幅測(cè)量法稱(chēng)絕對(duì)標(biāo)定發(fā)，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(chēng)背靠背法。10、傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向：開(kāi)發(fā)新型傳感器。傳感檢測(cè)技術(shù)的智能化。復(fù)合傳感器研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生傳感器。11、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。12、傳感檢測(cè)技術(shù)的智

12、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。13. 復(fù)合傳感器：是同時(shí)檢測(cè)幾種物理量具有復(fù)合檢測(cè)功能的傳感器。14、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)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

13、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(lèi)：參量型位移傳感器，發(fā)電型位移傳感器，大位移傳感器。一、參量型位移傳感器1、參量位移傳感器的工作原理：將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電參數(shù)，即電阻，電容或電感等。2、電阻式位移傳感器的電阻值取決于材料的幾何尺寸和物理特征，即R= L/S 。（1）電位計(jì)：是一種常用的機(jī)電元件。由骨架、電阻元件（線繞電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料）、電刷等組成；函數(shù)電位計(jì)（非線性電位計(jì)）：電位計(jì)還可以將位移或轉(zhuǎn)角變換成與之有某種函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出，稱(chēng)之。（2）電位計(jì)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)大，性能穩(wěn)定，并

14、容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)關(guān)系，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、線性電位計(jì)的空載特性：Rx=RX/L=KRX (KR：電位計(jì)的電阻靈敏度/m 、 電位計(jì)的電阻元件長(zhǎng)度L、總電阻R、電刷位移X、相應(yīng)的電阻Rx、電源電壓Ui、輸出電壓U0)。電位計(jì)輸出空載電壓為U0=UiX/L=KuX(Ku：電位計(jì)的電壓靈敏度)。對(duì)于繞線電位計(jì)，其電阻和電壓輸出空載特性并不是一條理想直線，而是呈階梯狀，稱(chēng)為階梯特性。通過(guò)階梯中點(diǎn)的直線是理論特性線，階梯特性在其上下波動(dòng)，這種輸出誤差稱(chēng)為階梯誤差，是一種原理誤差，限制了線繞電位計(jì)的精度和分辨率。 非線性電位計(jì)空載特性：其電阻靈敏度

15、KR=dR/dx,電壓靈敏度Ku=dU0/dx。非線性電位計(jì)結(jié)構(gòu)形式有：變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式、電位給定式等。4、電阻應(yīng)變式位移傳感器：是將被測(cè)位移引起的應(yīng)變?cè)a(chǎn)生的應(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。5、電容式位移傳感器：是利用電容量的變化來(lái)測(cè)量線位移或角位移的裝置。兩平行板之間的電容量為C=S/ （0=8.85*10-12F/m 、S：極板間的覆蓋面積m2、 ：極板間的距離m）。電容式位移傳感器：具有靈活多樣的使用方式，既可以在封閉形式下工作，也可以在開(kāi)放形式下使用，即利用被測(cè)對(duì)象作為一個(gè)極板（被測(cè)對(duì)象導(dǎo)體），或利用被測(cè)對(duì)象作為極板間的介質(zhì)（被測(cè)對(duì)象絕緣體）。特點(diǎn)是：

16、由于帶電極板間的靜電引力小，活動(dòng)部分的可動(dòng)質(zhì)量小，所以對(duì)輸入能量的要求低，且具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；由于介質(zhì)損耗小，傳感器本身發(fā)熱影響小，而使其能在高頻范圍內(nèi)工作。電容式位移傳感器的構(gòu)件和連接電纜會(huì)引起泄露電容，造成測(cè)量誤差。 (1)變極距型的電容位移傳感器：特點(diǎn)：有較高的靈敏度，但電容變化與極距變化之間為非線性關(guān)系，其它兩種類(lèi)型的位移傳感器具有比較好的線性，但敏度比較低。電容式位移傳感器的靈敏度為K=C/=S/02 。把電容位移傳感器作成差動(dòng)形式，當(dāng)中間活動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，一邊電容增加，另一邊電容減小，總的電容變化為兩者之和。不僅提高了靈敏度，同時(shí)在零點(diǎn)附近工作的線性度也得到改善。（2）變極板面

17、積型電容位移傳感器：用于線位移測(cè)量，也可用于角位移測(cè)量。采用平板型極板、圓筒型極板、鋸齒型極板。輸入、輸出具有線性特性。圓筒型電容位移傳感器，當(dāng)位移x=0時(shí)，電容量C0=2l/ln（RB/RA)。極板移動(dòng)x后，電容C=2（l-x）/ln（RB/RA)=C0-C0 x/l 可得C/C0=x/l 。當(dāng)=0時(shí)電容為原始電容C0得電容的相對(duì)變化與輸入角度的關(guān)系C/C0=/ 。(3) 變介質(zhì)型電容式位移傳感器：用于位移或尺寸測(cè)量的改變介質(zhì)型電容位移傳感器，一般都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），當(dāng)液面高度為零（無(wú)液體）時(shí)電容為：C0=21h/ln（r2/r1

18、）；r2=D/2外極筒內(nèi)半徑，r1=d/2內(nèi)極筒外半徑。液面高度hx的電容C=21h+2（2-1）hx/ln（r2/r1）；由上兩式得C/C0=（2-1）hx/1h。電容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；即C=0S/d-+（/r）；0真空介質(zhì)常數(shù)（F/M），r=/0介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，介質(zhì)的介電常數(shù)。(4) 容柵式電容位移傳感器是在面積型電容位移傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，可分為長(zhǎng)容柵和圓容柵。特點(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。長(zhǎng)容柵最大電容量Cmax=n*ab/；間隙，可動(dòng)容柵的柵極數(shù)n；a、b為

19、柵極的寬度、長(zhǎng)度。片狀圓容柵最大電容量Cmax=n*（R2-r2）/2；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）。6、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:通常的絕緣電阻只能視為電容位移傳感器的旁路電阻，稱(chēng)之。寄生電容：電容傳感器的極板和周?chē)矬w、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(chēng)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)，接地應(yīng)可靠

20、； （4）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。7、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(lèi)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原理：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。磁通與電流的關(guān)系：Nm=Li N：線圈匝數(shù)，L：自感（H）。磁路歐姆定律m=Ni/Rm ，Rm：磁阻（H-1）包括：鐵心、銜鐵、氣隙中的磁阻，Rm=l/S+2/0S0 ，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

21、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）。由上可得：L=N2/Rm=N2*1/(l/S)+(2/0S0) 。寫(xiě)成通式：L=N2/( li/iSi+2/0S0)。自感式位移傳感器原理結(jié)構(gòu)有：a.氣隙型，b截面型，c.螺管型。 為了提高自感位移傳感器的精度和靈敏度，增大特性的線性度，實(shí)際用的傳感器大部分都作為差動(dòng)式。 改善其性能考慮的因素有：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）（測(cè)量范圍最大）：將被測(cè)位移量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)的變化，基本

22、結(jié)構(gòu)原理與常用變壓器類(lèi)似，故稱(chēng)為變壓器式位移傳感器。常用的是螺管型。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)，這一電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為：E= -M*di1/dt 。M：互感系數(shù)（H），與兩線圈之間相對(duì)位置及周?chē)橘|(zhì)導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。產(chǎn)生零點(diǎn)殘壓的原因：由于兩二次側(cè)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)、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。 （3）渦流式位移傳感器：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。主要分為高頻反射和低頻透射兩類(lèi)。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

23、以稱(chēng)渦流。渦流的大小與金屬體的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度t以及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)。渦流式傳感器的特點(diǎn)：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。二、發(fā)電型位移傳感器1、發(fā)電型位移傳感器（壓電位移傳感器）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)換為點(diǎn)信號(hào)。三、大位移傳感器1、磁柵式位移傳感器是根據(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。磁頭分動(dòng)態(tài)（速度磁頭）和靜態(tài)（磁通響應(yīng)式磁頭）。磁柵

24、式位移傳感器精度可達(dá)0.01/m，分辨率達(dá)15m.2、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。4、光柵式位移傳感器有測(cè)量線位移的長(zhǎng)光柵和測(cè)量角位移的圓光柵。其性質(zhì)：光柵移動(dòng)方向與莫爾條紋移動(dòng)方向垂直。5、兩塊光柵作為一個(gè)標(biāo)尺光柵（不動(dòng)的）和一個(gè)指示光柵（動(dòng)的），標(biāo)尺光柵是一個(gè)長(zhǎng)條形光柵，光柵長(zhǎng)度由所需量程決定。光柵條紋密度有25條/，50條/，100條/或更密，柵線長(zhǎng)度612. 光柵式位移傳感器的測(cè)長(zhǎng)精度可達(dá)0.53m，分辨率達(dá)0.1m.6、莫爾條紋的性質(zhì)：當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向相

25、對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋相對(duì)柵外不動(dòng)點(diǎn)沿著近似垂直的運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)，光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B；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；光柵條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)按正弦規(guī)律變化。常用的光學(xué)系統(tǒng)：透射式光路（柵）；反射式光路（柵）。7、感應(yīng)同步器是利用電磁，原理將線位移和角位移轉(zhuǎn)換成點(diǎn)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。 原理：當(dāng)滑塊的兩相繞組用交流電勵(lì)磁時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在定尺的繞組中會(huì)產(chǎn)生與勵(lì)磁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)，滑尺與定尺的相對(duì)位置發(fā)生變化，改變了通過(guò)定尺繞組的磁通，從而改變了定

26、尺繞組中輸入的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。 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)。 感應(yīng)同步器測(cè)位移的特點(diǎn)：精度較高，對(duì)環(huán)境要求低，可測(cè)大位移；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。）8、激光式位移傳感器結(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)。（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。）9、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。10、常用的激光干涉測(cè)長(zhǎng)傳感器：?jiǎn)晤l激光干涉?zhèn)鞲衅?；雙頻激光干涉?zhèn)鞲衅?。?/p>

27、三章 力、扭矩和壓力傳感器一、測(cè)力傳感器1：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)力傳感器有電阻應(yīng)變式，電容式，電感式等；發(fā)電型測(cè)力傳感器有壓電式，壓磁式。2：電阻式應(yīng)變測(cè)力傳感器原理是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，利用貼在彈性元件上應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化，然后利用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，在送入測(cè)量放大電路測(cè)量。最后利用標(biāo)稱(chēng)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。彈性元件：（1）柱型彈性元件（有：圓柱形、圓筒形、方柱形），受力后的應(yīng)變值=F/SE （E材料的彈性模量Pa，S彈性元件的橫截面積m2）；

28、（2）薄壁環(huán)型彈性元件（用于測(cè)：拉力、壓力），承受的彎矩M=FR0（0.318-0.5cos） （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Nm），最大彎矩MA=0.318FR0，MB=0.182FR0，應(yīng)變值 A=1.908FR0/bh2E，B=1.908FR0/bh2E（b薄壁環(huán)的寬度m，h薄壁環(huán)的厚度m，E材料的彈性模量Pa）； （3）梁型彈性元件(有：懸臂梁式、兩端固定梁式）應(yīng)變值分別是：=6Fl/Ebh2，=3Fl/4Ebh2（l、b、h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。4

29、、金屬絲的作用：是感受機(jī)械試件的應(yīng)變變化，稱(chēng)為敏感柵。5、對(duì)金屬絲的要求：（1）具有較高的電阻系數(shù)（單位長(zhǎng)度的電阻要大）；（2）具有盡可能大的電阻應(yīng)變靈敏度系數(shù)；（3）具有較小的溫度系數(shù)；（4）具有較高的彈性極限，以便得到較寬的應(yīng)變測(cè)量范圍；（5）良好的加工性和焊接性；（6）對(duì)銅的熱電動(dòng)勢(shì)要小。6、底基的作用：是將試件的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳給敏感柵，所以底基應(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?。厚?050m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

30、，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。7、箔式電阻應(yīng)變片：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，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)

31、：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。8、半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于壓阻效應(yīng)。 （1）壓阻效應(yīng)是指固體受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化。這種現(xiàn)象稱(chēng)壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏系數(shù)K=（dR/R）/=LE，比電阻應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏系數(shù)5070倍。使用于需要大信號(hào)輸出場(chǎng)合。 （2）優(yōu)點(diǎn)：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。（3）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。9、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

32、：有單臂、雙臂、四臂工作方式（平衡條件U。=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Uo1/4UiK1/2UiKUiK10、壓電式傳感器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)是當(dāng)某些晶體沿一定方向受外力作用而變形時(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，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(chēng)之。電荷的極性取決于變形的形式。 （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(chēng)之。壓電晶體常用的材料：石英、

33、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。壓電元件在傳感器中的布置形式：?jiǎn)纹健善?lián)式、兩片并聯(lián)式、剪貼式、扭轉(zhuǎn)式。壓電式傳感器的等效電路為：帶電荷Q的電容器（電荷源），電容量Ca=S/ ；壓電元件兩端電壓Ui=Q/Ca 。 壓電式傳感器的前置放大器的輸入阻抗應(yīng)盡可能的高。前置放大器有：電壓放大器、電荷放大器兩種形式。11、 壓電式力傳感器：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?。壓電式力傳感器的選用原則：量程和頻帶的選擇，電荷放大器的選擇，電纜選擇。12、 電荷放大器的選擇：要求電荷放大器輸入阻抗高于1012，低頻響應(yīng)

34、為0.001Hz13、 壓磁效應(yīng)是在機(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。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。常用鐵磁材料：硅鋼片、坡莫合金。制成的彈性體稱(chēng)鐵磁體或壓磁元件。14、 壓磁式力傳感器工作原理是根據(jù)壓磁效應(yīng)原理，當(dāng)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)，由于壓磁元件在未受力時(shí)各向同性，磁力線呈軸對(duì)稱(chēng)分布。15、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。二、扭矩傳感器轉(zhuǎn)矩：使物體轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶或力矩。扭矩（扭轉(zhuǎn)力矩）：使物體產(chǎn)生某種程度的扭轉(zhuǎn)變形。1、

35、 電阻應(yīng)變式扭矩傳感器的工作原理：當(dāng)軸類(lèi)零件受扭矩作用時(shí)，在其表面產(chǎn)生切應(yīng)變，此應(yīng)變可用電阻應(yīng)變片測(cè)量。（集流環(huán)按工作原理分類(lèi)：電刷-滑環(huán)式、水銀式、感應(yīng)式。）端面電刷-滑環(huán)集流裝置結(jié)構(gòu)由套筒，絕緣環(huán)，滑環(huán)構(gòu)成集流環(huán)。電刷-滑環(huán)集流裝置特點(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。水銀集流裝置特點(diǎn)：水銀在高溫下工作時(shí)易蒸發(fā)逸出，對(duì)人體有毒害，因而使用受到限制。感應(yīng)式集流裝置：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(chēng)無(wú)接觸集流裝置，也稱(chēng)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。2、

36、壓磁式扭矩儀又叫磁彈式扭矩儀工作原理是根據(jù)磁彈效應(yīng)，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、電容式扭矩測(cè)量?jī)x工作原理是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)，將軸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。其最要優(yōu)點(diǎn)：是靈敏度高，測(cè)量時(shí)它需要集流裝置傳輸信號(hào)。4、 光電式扭矩測(cè)量?jī)x：這種扭矩傳感器的工作轉(zhuǎn)速為（100800）r/min，測(cè)量精度為1%。原理：當(dāng)軸傳遞扭矩時(shí)，由于軸的變形，使圓盤(pán)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，微安表的指示正好與扭矩值成反比關(guān)系

37、。結(jié)構(gòu)：軸、套管、光電元件、帶孔圓盤(pán)、光源。5、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。（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。）三、壓力式傳感器絕對(duì)壓力p絕：把作用于單位面積上的全部壓力稱(chēng)之。1、彈性式壓力傳感元件有：波登管、膜片和波紋管三類(lèi)。2、電量式壓力計(jì)是用各種傳感器或測(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。常用的測(cè)壓力系統(tǒng)所用的傳感器有電容式，電感式，電阻式，渦流式，壓電式。 （1）電容式壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換成電容的變化，經(jīng)電路變換成電量輸出

38、。其特點(diǎn)是靈敏度高，適合測(cè)量微壓，頻響好，抗干擾能力較強(qiáng)。 （2）應(yīng)變式壓力傳感器的工作原理是利用應(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。應(yīng)變式壓力傳感器特點(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）壓阻式壓力傳感器是利用壓阻效應(yīng)將壓力變換成電阻的變化實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。其特點(diǎn)是頻響寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，測(cè)量范圍從幾Pa到3109Pa，適用于爆炸，沖擊壓力的測(cè)量。 （4）電感式壓力傳感器是將壓力變化轉(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(lèi)型較多。其特點(diǎn)是頻響低，使用于靜態(tài)或變化緩慢壓力的測(cè)試。 （5）渦流

39、式壓力傳感器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。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）霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理是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。特點(diǎn)由于波登管的頻響較低，適用于靜態(tài)或變化緩慢壓力的測(cè)量。 （7）壓電式壓力傳感器工作原理是壓力通過(guò)膜片或活塞，壓塊作用在晶片上，晶片上是產(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。其特點(diǎn)：是具有

40、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、加速度傳感器一、速度傳感器1、測(cè)速發(fā)電機(jī)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中用于測(cè)量和自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種傳感器。它由繞組的定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。2、根據(jù)勵(lì)磁電流的種類(lèi)，測(cè)速發(fā)電機(jī)分為直流測(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(lèi)。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)按電樞結(jié)構(gòu)形式不同分無(wú)槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞、圓盤(pán)印刷繞組等。3、在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)電一體化系統(tǒng)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)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

41、化反應(yīng)要靈敏。 (1)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)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)的電樞繞組切割磁通，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而后測(cè)速的發(fā)電機(jī)。電刷兩端的電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：Es=Ken=Cen（Ke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)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VCF=Es-Isrs 。 (3)直流測(cè)速電動(dòng)機(jī)在理想情況下系數(shù)Ce

42、和C與輸出電壓之間的關(guān)系：Is=VCF/RL(有負(fù)載時(shí)，電樞電流) ;VCF=Cen/(1+rs/RL)=Cn ；C=Ce/(1+rS/RL)（RL負(fù)載電阻；理想下rs，RL，均常數(shù)）。 （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？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。電刷接觸降壓的影響。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，即縮小不靈敏區(qū)，應(yīng)采用接觸壓

43、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。4、交流測(cè)速電動(dòng)機(jī)可分為永磁式，感應(yīng)式和脈沖式三種。 交流測(cè)速電動(dòng)機(jī)的工作原理：是利用定子，轉(zhuǎn)子齒槽相互的位置的變化，使輸出繞組中的磁通產(chǎn)生脈沖，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種工作原理稱(chēng)為感應(yīng)子式發(fā)電機(jī)原理。永磁式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上是單向永磁轉(zhuǎn)子同步

44、發(fā)電機(jī)，定子繞組感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)大小、頻率都隨輸入信號(hào)（轉(zhuǎn)速）而變化，即f=pn/60 ；E=4.44f4.44p/60*n=Kn ；（K常系數(shù)，p極對(duì)數(shù)，N定子繞組每相匝數(shù)，KW定子繞組基波繞組系數(shù)，m電機(jī)每極基波磁通的幅值）。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)；輸出電動(dòng)勢(shì)頻率f=Zrn/60（Hz）；（Zr轉(zhuǎn)子齒數(shù)，n電機(jī)轉(zhuǎn)速r/min）。5、線振動(dòng)速度傳感器的工作原理是當(dāng)一個(gè)繞有N匝的線圈作垂直于磁場(chǎng)方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈切割磁力線，由法拉第電磁感應(yīng)定律可得其線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。E=NB（B磁感應(yīng)強(qiáng)度T，每匝線圈平均長(zhǎng)度m，線圈磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)速度m/s）。6、陀螺式角速度傳感器分為：轉(zhuǎn)

45、子陀螺、壓電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺。 （1）轉(zhuǎn)子陀螺式角速度傳感器是一種慣性傳感器，安裝簡(jiǎn)單，使用方便，但有機(jī)械活動(dòng)部件，被測(cè)角速度范圍30120/s，質(zhì)量較大，成本高，壽命低。轉(zhuǎn)子陀螺y軸為測(cè)量軸/輸入軸；x軸為輸出軸。 （2）壓電陀螺式利用壓電晶體的壓電效應(yīng)工作，分：振梁型、雙晶片型、圓管型。振梁型：動(dòng)態(tài)范圍（57200）/s可調(diào)；特點(diǎn)穩(wěn)定可靠性好，適用于惡劣環(huán)境，平均無(wú)故障間隙10000h，工作溫度（-4060）。雙晶片型：動(dòng)態(tài)范圍（30300）/s；特點(diǎn)體積小，壽命長(zhǎng)，響應(yīng)快，線性度好，滯后可忽略，功耗小，廉價(jià)，重量約100g，可抑制振動(dòng)和加速度干擾。圓管型：動(dòng)態(tài)范圍60/s特點(diǎn)結(jié)構(gòu)

46、簡(jiǎn)單，易批量生產(chǎn)，可靠性高，成本低，適用于精度要求不太高的穩(wěn)定系統(tǒng)。 （3）光纖陀螺式：具有無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件、無(wú)需預(yù)熱時(shí)間、對(duì)加速度不敏感、動(dòng)態(tài)范圍寬、體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。7、霍爾式傳感器的工作原理是利用霍爾元件組成的傳感器，在被測(cè)物上粘有多對(duì)小磁鋼，霍爾元件固定于小磁鋼附近，當(dāng)被測(cè)物轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每當(dāng)一個(gè)小磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)霍爾元件，霍爾元件輸出一個(gè)相應(yīng)的脈沖，測(cè)得單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，即可得被測(cè)物的轉(zhuǎn)速和角速度。特點(diǎn)：由半導(dǎo)體材料制成，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。8、電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理是在傳感器靠近在被測(cè)物上設(shè)定的等距標(biāo)記安裝，當(dāng)被測(cè)物轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器輸出頻率與轉(zhuǎn)速成正比的信號(hào)。9、半導(dǎo)體硅流速傳感器的工

47、作原理是依據(jù)發(fā)熱體與放置發(fā)熱體的流體介質(zhì)的熱導(dǎo)率與流體流速相關(guān)原理制成的。P64二、加速度傳感器1、常用加速度傳感器的種類(lèi)有壓電式，應(yīng)變式，磁致伸縮式。2、壓電式加速度傳感器的頻率范圍廣、動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度高，故應(yīng)用較為廣泛。壓電加速度傳感器的工作原理是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)可構(gòu)成不同使用要求的振動(dòng)加速度傳感器來(lái)制作的。常用的三種原理結(jié)構(gòu)式壓縮型，剪切型，彎曲型。其特點(diǎn)是它可以作得很小，重量很輕， 對(duì)被測(cè)機(jī)構(gòu)的影響就小。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出的能量很微弱，因此在使用時(shí)，必須接高輸入阻抗的前置放大器。放大器有兩種是電壓放大器和電荷放大器。電荷放大器輸出電壓與電纜分布電容無(wú)關(guān)。 一般加

48、速度傳感器的尺寸越大，其固有頻率越低。3、應(yīng)變式加速度傳感器的工作原理是經(jīng)過(guò)質(zhì)量-彈簧慣性系統(tǒng)將加速度轉(zhuǎn)換為力，再將力作用于彈性元件，從而將力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變可以測(cè)量加速度。P69第五章 視覺(jué)、觸覺(jué)傳感器1：視覺(jué)傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用有三種：進(jìn)行位置檢測(cè)。進(jìn)行圖像識(shí)別進(jìn)行物體形狀，尺寸缺陷的檢測(cè)。2：視覺(jué)傳感器（以光電變換為基礎(chǔ)）的組成及各組成環(huán)節(jié)的作用？(1)照明部：為了從被測(cè)物體得到光學(xué)信息而需要照明，是充分發(fā)揮傳感器性能的重要條件。(2)接受部：由透鏡和慮光片組成，具有聚成光學(xué)圖像或抽出有效信息的功能。(3)光電轉(zhuǎn)換部：將光學(xué)圖像信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。(4)掃描部：將二維圖像

49、的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間序列的一維信號(hào)。通常2、3、4部分成一體。在機(jī)器人領(lǐng)域，幾乎都是采用工業(yè)電視攝像機(jī)作為視覺(jué)傳感器。3：光電式攝像機(jī)是由接收部分，光電轉(zhuǎn)換部分和掃描部分組成的二維視覺(jué)傳感器。其光導(dǎo)攝像管是一種兼有光電轉(zhuǎn)換功能和掃描功能的真空管，構(gòu)成原理：經(jīng)透鏡成像的光信號(hào)在攝像管的靶面上作為模擬量而被記憶下來(lái)。從陰極發(fā)射的電子束依次在靶面（光電轉(zhuǎn)換面）上掃描，將圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間序列的電信號(hào)輸出。4：固體半導(dǎo)體攝像機(jī)原理是由許多光電二極管組成陣列，作為攝像機(jī)的感光部分以代替光導(dǎo)攝像管。它是由攝像元件（CCD），信號(hào)處理電路，驅(qū)動(dòng)電路和電源組成。攝像元件（CCD）是一種MOS行晶體開(kāi)光集成電

50、路。5：二維CCD攝像元件的構(gòu)成主要有隔行傳送方式和幀傳送方式兩種。6：激光式視覺(jué)傳感器的原理是利用激光作為定向性高密度光源的視覺(jué)傳感器構(gòu)成的，這種傳感器用作激光掃描器來(lái)識(shí)別商品上的條形碼。由光電轉(zhuǎn)換及放大元件，高速回轉(zhuǎn)多面棱鏡，激光器等組成。7：紅外圖像傳感器原理是把波長(zhǎng)（220）um的紅外光圖像變換成如同電視圖像的時(shí)序掃描信號(hào)輸出的傳感器。它通常由紅外敏感元件和電子掃描電路組成。8：人工視覺(jué)（機(jī)器視覺(jué)）：使用機(jī)器的自動(dòng)化刀法實(shí)現(xiàn)類(lèi)似人類(lèi)視覺(jué)的功能。人工視覺(jué)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成一般由圖像輸入，圖像處理，圖像存儲(chǔ)和圖像輸出四個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。各部件的用途是（1）圖像輸入是通過(guò)視覺(jué)傳感器將對(duì)象物體變成二維或

51、三維圖像，再經(jīng)光電變換將光信號(hào)變成電信號(hào)，通過(guò)掃描采樣將圖像分解成許多像素，再把表示各個(gè)像素信息的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理。（2）圖像處理是對(duì)獲取的圖像信息進(jìn)行預(yù)處理（前處理），以濾去干擾，噪聲，并作幾何，色彩方面的校正，以提高信噪比。目的是改善圖像質(zhì)量，以利于進(jìn)行圖像識(shí)別。（3）圖像存儲(chǔ)是把表示圖像各個(gè)像素的信息送到存儲(chǔ)，以備調(diào)用。圖像的信息量大。（4）圖像輸出分為兩類(lèi)：一類(lèi)是只要求瞬時(shí)知道處理結(jié)果，以及計(jì)算機(jī)用對(duì)話形式進(jìn)行處理的顯示終端，該類(lèi)稱(chēng)為軟拷貝。另一類(lèi)是可長(zhǎng)時(shí)間保存結(jié)果，如寬行打印機(jī)、繪圖機(jī)、X-Y繪圖儀、顯示器圖面照像裝置等稱(chēng)為硬拷貝。9：物體圖像信息的輸入識(shí)別物體前先將物體的

52、有關(guān)信息輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)。被輸入的信息主要有明亮度信息，顏色信息和距離信息。10：圖像處理的方法有微分法和區(qū)域法。 觸覺(jué)傳感器有接觸覺(jué)傳感器、壓覺(jué)傳感器、滑動(dòng)覺(jué)傳感器。10：接觸覺(jué)傳感器最早是微動(dòng)開(kāi)關(guān)。它工作范圍寬，不受電，磁干擾，簡(jiǎn)單，易掌握，成本低，但響應(yīng)速度低，動(dòng)作壓力高。原理：它們都是通過(guò)在一定接觸力下，切換通斷狀態(tài)，輸出高或低的電平信號(hào)，以表示是否發(fā)生接觸。11：硅橡膠觸覺(jué)傳感器的工作原理是硅橡膠與金屬電極對(duì)置，接觸，硅橡膠受壓其電阻值就改變，當(dāng)金屬電極受力壓硅橡膠時(shí)，輸出電壓相應(yīng)變化。12：壓覺(jué)傳感器定義通過(guò)高密度配置這種傳感器，可以獲得同物體接觸時(shí)各部分不同的壓力，將該壓力變換成相

53、應(yīng)處的電壓信號(hào)，可以獲得關(guān)于物體形狀的信息。特點(diǎn)：動(dòng)作準(zhǔn)確，精度高，缺點(diǎn)是體積大，不能高密度配置。13：滑動(dòng)覺(jué)傳感器應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人手指把持面與操作對(duì)象之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制指部的夾緊力。不同之處僅處檢測(cè)指部與操作物體在切向的相對(duì)位移，而不檢測(cè)接觸表面法向的接觸或壓力。第六章 溫度傳感器1：溫度代表物質(zhì)的冷熱程度，是物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志。測(cè)量溫度的方法有接觸式和非接觸式。2：接觸式的特點(diǎn)是感溫元件與被測(cè)對(duì)象直接物理接觸，進(jìn)行熱傳導(dǎo)。3：非接觸式的特點(diǎn)是感溫元件與被測(cè)對(duì)象不物理接觸，而是通過(guò)熱輻射進(jìn)行熱傳遞。4：熱電偶式溫度傳感器屬于接觸式熱電動(dòng)勢(shì)型傳感器，它的工作原理是熱電效

54、應(yīng)。 熱點(diǎn)效應(yīng)：當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)體兩端相互緊密地連接在一起組成一個(gè)閉合電路時(shí)，由于兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度T和T0不同，回路中將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，并有電流通過(guò)，這種把熱能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。5：熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)組成。6：接觸電動(dòng)勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。7：溫差電動(dòng)勢(shì)是在同一根導(dǎo)體中由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。 中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體a，b組成的熱電偶，當(dāng)引入第三個(gè)導(dǎo)體時(shí)，只要保持其兩端溫度相同，則對(duì)總熱電動(dòng)勢(shì)無(wú)影響，這一結(jié)論被稱(chēng)為中間導(dǎo)體定律8：熱電偶通常由熱電極，絕緣材料，接線盒和保護(hù)套組成。9：熱電偶可分為：（1）普通熱電偶：結(jié)構(gòu)：熱電極、

55、絕緣套管、保護(hù)套管、接線盒、接線盒蓋組成。主要用于測(cè)量液體和氣體的溫度。絕緣體使用陶瓷套管，保護(hù)套有金屬和陶瓷。（2）鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）：結(jié)構(gòu)熱電極、絕緣體和金屬保護(hù)套組合成一體組成。特點(diǎn)是測(cè)量結(jié)熱容量小，熱慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，撓性好，適用于普通熱電偶不能測(cè)量的空間溫度。有碰底型，不碰底型，露頭型，冒型等。（3）薄膜熱電偶：分：片狀、針狀。結(jié)構(gòu)由測(cè)量結(jié)點(diǎn)、薄膜A、襯底、薄膜B、接頭夾、引線組成的探頭性。主要用于測(cè)量固體表面小面積瞬時(shí)變化的溫度，特點(diǎn)是熱容量小，時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快。 (4)并聯(lián)熱點(diǎn)偶：它是把幾個(gè)同一型號(hào)的熱電偶的同性電極參考端并聯(lián)在一起。各個(gè)熱電偶的測(cè)量結(jié)處于不同溫度下

56、，其輸出電動(dòng)勢(shì)為各熱電偶電動(dòng)勢(shì)的平均值。適用于測(cè)量平均溫度。 (5)串聯(lián)熱電偶（熱電堆）：把若干同一型號(hào)的熱電偶串聯(lián)在一起。所有測(cè)量端處于同一溫度T下，所有連接點(diǎn)處于另一溫度T0下，則輸出電動(dòng)勢(shì)是每個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)之和。10：熱電偶參考端電位補(bǔ)償法有：恒溫法，溫度修正法，電橋補(bǔ)償法，冷端補(bǔ)償法，電位補(bǔ)償法。11：電位補(bǔ)償法是在熱電偶回路中接入一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)勢(shì)。12：熱電阻式傳感器可分為金屬熱電阻式和熱敏電阻式。13：金屬熱電阻式溫度傳感器是電阻體，電阻體是由金屬導(dǎo)體構(gòu)成的。測(cè)溫機(jī)理是在金屬導(dǎo)體兩端加電壓后，使其內(nèi)部雜亂無(wú)章運(yùn)動(dòng)的自由電子形成有規(guī)律的定向運(yùn)動(dòng)，而使導(dǎo)體導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高時(shí)，由于自由電

57、子獲得較多能量，能從定向運(yùn)動(dòng)中掙脫出來(lái)，從而定向運(yùn)動(dòng)被削弱，導(dǎo)電率降低，電阻率增大。14：熱電阻的結(jié)構(gòu)主要由不同材料的電阻絲繞制而成，為了避免通過(guò)交流電時(shí)產(chǎn)生感抗，或有交變磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在繞制時(shí)采用雙線無(wú)感繞制法。15：熱敏電阻式溫度傳感器的感溫元件是對(duì)溫度非常敏感的熱敏電阻，所用材料是陶瓷半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性取決于電子-空穴的濃度。測(cè)溫機(jī)理是在低溫下，電子-空穴濃度很低，故電阻率很大，隨溫度的升高，電子-空穴的濃度按指數(shù)規(guī)律增加，電阻率迅速減少，其阻溫特性為RT=R0eB（1/T-1/T0）。（R0為20時(shí)的電阻值，RT溫度T時(shí)電阻值，T熱力學(xué)溫度K，B熱敏電阻常數(shù)）。當(dāng)T0=20時(shí)，R0=965K，T=100時(shí)，R0=27.6K，則B=-1366ln（RT/R0）其特點(diǎn)是熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬熱電阻大，體積小