Chapter6 1-6 傳感器原理與測量電路

第6章、傳感器原理與測量電路本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類2.掌握常用傳感器測量原理4.了解傳感器測量電路機(jī)械工程測試技術(shù)種類繁多；大量學(xué)科交叉；應(yīng)用廣泛；實(shí)用性強(qiáng)；6.1概述6.本章的學(xué)習(xí)要求掌握常用傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；了解傳感器的應(yīng)用方法；常用傳感器的典型后續(xù)處理電路；常用傳感器的使用注意事項(xiàng)；太陽能熱水器上傳感器應(yīng)用6.1概述第6章、傳感器測量原理6.1概述1.傳感器定義

傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。

物理量電量

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。2.傳感器的構(gòu)成

傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。6.1概述dV4.傳感器的分類6.1概述1)按被測物理量分類常見的被測物理量機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,

旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,

壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,

流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩6.1概述機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:6.1概述能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)按信號變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.6.1概述4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.

例如:電容式和電感式傳感器.6.2電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器,按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式.1變阻器式傳感器第6章、傳感器測量原理等效電路分析:xL6.2電阻式傳感器L-變阻器總長;x-電刷移動量.R-總電阻;RL電刷電阻;R=K*ll=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1/E6.2電阻式傳感器x=L*E1/E=K*E10LEE1x6.2電阻式傳感器EE1VRmRxR-Rx1EE1=xLRmR+Lx()-6.2電阻式傳感器負(fù)載效應(yīng)1EE1=xLRmR+Lx()-[]0LE(2)變阻器式傳感器的性能參數(shù):1)線性(或曲線的一致性);4)移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數(shù);3)整個(gè)電阻值的偏差;6)壽命;(3)變阻器式傳感器的分類6.2電阻式傳感器按測量類型：單圈電位器多圈電位器直線滑動式電位器6.2電阻式傳感器按制作方式：線繞電位器導(dǎo)電塑料電位器普通塑料基底導(dǎo)電材料粉變阻器式傳感器產(chǎn)品6.2電阻式傳感器案例：重量的自動檢測--配料設(shè)備

比較重量設(shè)定原材料6.2電阻式傳感器原理：彈簧->力->位移

->電位器->電阻案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲6.2電阻式傳感器原理：鋼絲->收線圈數(shù)

->電位器

->電阻案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼）6.2電阻式傳感器原理：電機(jī)->轉(zhuǎn)角

->電位器

->電阻2電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化象。6.2電阻式傳感器1)工作原理上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會引起電阻變化,求導(dǎo)數(shù)6.2電阻式傳感器金屬應(yīng)變片的電阻R為代入6.2電阻式傳感器有：金屬絲：金屬絲體積不變：6.2電阻式傳感器有：對金屬材料，導(dǎo)電率不變：金屬絲應(yīng)變片：應(yīng)變計(jì)6.2電阻式傳感器金屬應(yīng)變計(jì)6.2電阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)簡化為：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大;體積小;缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。3)應(yīng)變片的主要參數(shù)

4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

6.2電阻式傳感器1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用

b×L表示。2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。6.2電阻式傳感器3)應(yīng)變片測量電路VER1R2R3R46.2電阻式傳感器令：金屬絲應(yīng)變片：V與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測量電壓測量應(yīng)變6.2電阻式傳感器電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)

1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆.4.試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。6.2電阻式傳感器5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)大于500M歐。7.應(yīng)變片保護(hù)：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止受潮。6.2電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力6.2電阻式傳感器標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品案例：橋梁固有頻率測量6.2電阻式傳感器案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。6.2電阻式傳感器案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測6.2電阻式傳感器案例：機(jī)器人握力測量6.2電阻式傳感器6.2電阻式傳感器案例：振動式地音入侵探測器

適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。6.2電阻式傳感器第6章、傳感器測量原理6.3電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型6.3電感式傳感器1自感型--可變磁阻式可變導(dǎo)磁面積型差動型原理:電磁感應(yīng)自感式傳感器自感式傳感器原理結(jié)構(gòu)如圖所示。纏繞在鐵芯上的線圈中通以交變電流

，產(chǎn)生磁通，形成磁通回路。線圈自感可按下式計(jì)算。式中N——線圈匝數(shù)；

——磁路總磁阻di1

S23圖自感式傳感器

―線圈；2―鐵芯；3―銜鐵。

1

對圖示情況，因?yàn)闅庀逗穸萪較小，可以認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則總磁阻為

式中l(wèi)i——各段磁導(dǎo)體的長度；Si——各段磁導(dǎo)體截面積；μi——各段磁導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；S——空氣隙橫截面積；μ0——空氣的磁導(dǎo)率6.3.2電感式傳感器

常用的三種類型自感式位移傳感器

變氣隙式變面積式螺管式

(a)(b)(c)dx(a)(b)xx(c)6.3.2電感式傳感器

為了提高傳感器的靈敏度和精度，增大線性范圍，實(shí)際上許多傳感器都做成差動式。如圖4-16所示，其機(jī)械結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)上述變氣隙厚度元件的組合。輸出特性如圖4-17所示。后續(xù)電路采用交流電橋，兩電感式傳感元件，分別接到交流電橋相鄰兩臂，形成電橋電路。差動式自感傳感器的輸出特性圖4-16差動式自感傳感器圖4-17

輸出輸出

△iL1-x0+x位移d0d0L2i1i2ZLucL1L2x06.3.2電感式傳感器電感式接近傳感器（金屬）6.3電感式傳感器2渦流式原理:渦流效應(yīng)6.3電感式傳感器原線圈的等效阻抗Z變化：4.4電感式傳感器電渦流傳感器電渦流式傳感器的工作原理是基于金屬平板置于交變磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬平板內(nèi)自行閉合，稱之為渦流。類型：高頻反射式和低頻透射式特點(diǎn)：靈敏度高，分辨率可達(dá)1μm，頻率范圍0~10kHz，非接觸式測量和抗干擾性強(qiáng)。6.3.2電感式傳感器

如圖4-20所示，將扁平線圈1置于金屬導(dǎo)體2附近，當(dāng)線圈中通以正弦交變電流i1時(shí)，線圈的周圍空間產(chǎn)生正弦交變磁場H1，處于此交變磁場中的金屬導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生渦流i2，此渦流也將產(chǎn)生交變磁場H2，H2的方向與H1的方向相反，由于渦流要消耗一部分能量，從而使線圈的等效參數(shù)發(fā)生變化，這種變化可用等效電路作簡化推導(dǎo)。

H1H2i1i212μρd圖4-20電渦流作用原理1―線圈；2―金屬導(dǎo)體。6.3.2電感式傳感器

圖4-21所示是渦流傳感器元件及被測金屬表面所形成的電磁耦合等效電路，它相當(dāng)于一個(gè)變壓器耦合，初級為扁平線圈，次級為渦電流形成的單圈線圈。兩線圈分別可等效為一電阻與電感的組合。

圖4-21

電渦流傳感器的

等效電路R1L1

R2L2

M6.3.2電感式傳感器

兩線圈通過磁通耦合，用互感系數(shù)

來表示它們的耦合程度。根據(jù)基爾霍夫定律，可寫出方程組由此方程組求解可得線圈的等效阻抗為6.3.2電感式傳感器

線圈的等效電感為線圈的等效品質(zhì)因數(shù)

Q值為式中——無渦流影響下線圈的Q值，

——金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流部分的阻抗，6.3.2電感式傳感器6.3電感式傳感器產(chǎn)品：6.3電感式傳感器案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle6.3電感式傳感器案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測6.3電感式傳感器2互感型--差動變壓器WW1W2Esx-x工作原理:互感現(xiàn)象.EwEout6.3電感式傳感器單螺管線圈型螺管線圈差動雙螺管線圈差動型傳感器測量電路~4.4電感式傳感器差動變壓器測量電路4.4電感式傳感器互感式傳感器1）工作原理與結(jié)構(gòu)

其基本結(jié)構(gòu)與原理和常用變壓器類似，常稱變壓器式傳感器。與變壓器的不同之處：變壓器是閉合磁路，而差動變壓器是開磁路；前者原、副邊間的互感系數(shù)是常數(shù)，而后者的互感系數(shù)隨銜鐵移動有相應(yīng)變化。6.3.2電感式傳感器

基本互感傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖4-18所示，線圈W1為初級線圈（原邊），線圈W2為次級線圈（副邊）。當(dāng)原邊通以交流i1時(shí)，根據(jù)變磁通全回路上磁通的交變變化，而在副邊上感生感應(yīng)電勢，其大小為

i1e21

3

圖4-18互感式傳感器

1―初級線圈；2―鐵芯；

3―次級線圈；4―銜鐵。

2146.3.2電感式傳感器

如圖4-19（a）、（b）所示是用以測量直線位移和角位移的兩種差動變壓器，它們具有一個(gè)原邊線圈和兩個(gè)副邊線圈。根據(jù)前述分析，兩次級分別具有感應(yīng)電動勢，將二電勢相互反接，如圖4-19（c）所示。當(dāng)銜鐵處于中央位置時(shí)，若兩次級線圈參數(shù)及磁路尺寸相等，即

，故

；當(dāng)銜鐵向上運(yùn)動時(shí)，

，當(dāng)銜鐵向下運(yùn)動時(shí)，

，其特性如圖4-19（d）所示。6.3.2電感式傳感器差動變壓器位移傳感器6.3電感式傳感器案例：板的厚度測量~6.3電感式傳感器案例：張力測量6.3電感式傳感器第6章、傳感器測量原理6.4電容式傳感器

變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++Aδ、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容的變化。（1）優(yōu)點(diǎn)①高阻抗，小功率，因而僅需要很小的輸入力和很低的輸入能量；②可獲得較大的相對改變量，從而具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性；③動態(tài)響應(yīng)快，能在幾兆赫的頻率下工作；④結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較廣，可在惡劣環(huán)境中工作；⑤可以進(jìn)行非接觸測量。（2）缺點(diǎn)①輸出特性非線性較嚴(yán)重；②分布電容影響較大，分布電容不僅降低了轉(zhuǎn)換效率，還會引起測量誤差。工作原理及結(jié)構(gòu)電容傳感器是將各種被測物理量轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。其最基本結(jié)構(gòu)形式如圖4-22所示。根據(jù)物理學(xué)中的推導(dǎo)，兩平行平板導(dǎo)體之間的電容量為

——極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

——真空介電常數(shù)；

S——兩極板間相互覆蓋面積；d——兩極板間的距離。

d圖4-22電容傳感器6.3.3電容傳感器6.4電容式傳感器

a)極距δ變化型++++++

圖中（a）是最基本的變極距型電容傳感器。定極板固定，動極板隨被測體而移動，這樣就能改變二極板之間的電容量。為了提高靈敏度和線性度，以及克服某些外界條件，如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，常采用差動形式的電容傳感器，其原理結(jié)構(gòu)如圖4-23（b）所示，上下兩極板是固定板，中間極板是活動極板。圖4-23(d)是一種電容式加速度傳感器。敏感加速度的質(zhì)量塊用二彈簧片固定，其上下兩平面為差動式電容器的活動板。質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生位移時(shí)電容隨之變化?？蓜訕O板固定極板1可動極板固定極板2固定極板固定極板固定極板駐極體電容傳聲器

它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。6.4電容式傳感器

b)面積變化型角位移型+++6.4電容式傳感器

平面線位移型6.4電容式傳感器

柱面線位移型.6.4電容式傳感器

圖4-26（a）、（b）、（c）、（d）是用以測量線位移的電容傳感器元件，圖4-26（e）是用以測量角位移的電容傳感元件，它們都是將位移變?yōu)殡娙萜鞯南嗷ジ采w面積的變化。為了提高靈敏度，可以采用差動式（b）、多片式(a)、(e)或多齒式（d）。因?yàn)樵谑剑?-37）中電容的變化是與二極板相互覆蓋面積成線性關(guān)系，所以這種方案較之變極距型方案在此方面有可取之處。6.3.3電容傳感器c)介質(zhì)變化型6.4電容式傳感器

圖4-27是利用改變介電常數(shù)的電容傳感元件。(a)在兩固定極板間有一介質(zhì)層通過，介質(zhì)層的厚度變化或濕度變化均會引起其在極板內(nèi)的介電常數(shù)總的變化；(b)為工業(yè)上廣泛應(yīng)用的液位計(jì)，內(nèi)外二圓筒作為電容器的二極板，液位的變化引起極板間總的介電常數(shù)的變化，介電常數(shù)的變化引起電容的變化，從而達(dá)到測量厚度、濕度或液體等物理參數(shù)的目的。6.3.3電容傳感器產(chǎn)品.電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）6.4電容式傳感器

電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。6.4電容式傳感器

6.4電容式傳感器

3測量電路a)電橋電路6.4電容式傳感器

b)諧振電路6.4電容式傳感器

d)運(yùn)算放大器電路

6.4電容式傳感器

動手做：觀察你計(jì)算機(jī)上使用的麥克風(fēng)，并用它測量你自己的聲音，繪出頻譜。6.4電容式傳感器

第6章、傳感器測量原理6.5壓電式傳感器

1.變換原理:壓電效應(yīng)

+串聯(lián)+并聯(lián)某些晶體物質(zhì)，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它們的表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力除去后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。壓電式傳感器就是利用了物質(zhì)的“正壓電效應(yīng)”，通常均簡稱壓電效應(yīng)。F+q=DF

1)壓電式傳感器的等效電路

由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷傳感器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種電介質(zhì)，則其電容量為

壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源

壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源Ca6.3.4壓電式傳感器6.5壓電式傳感器

2、測量電路

壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。

2)電壓放大器壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。根據(jù)壓電傳感器的等效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷，因此前置放大器有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。電壓前置放大器（阻抗變換器）的作用是將壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?，并將壓電傳感器的微弱電壓信號放大?.3.4壓電式傳感器

電壓放大器電路原理圖及其等效電路。等效電阻R為：等效電容C為：6.3.4壓電式傳感器

若壓電元件受正弦力F=Fmsinωt

的作用，則其電壓為式中

Um——壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca

；d——壓電系數(shù)。由此可求得放大器輸入端電壓，其復(fù)數(shù)形式6.3.4壓電式傳感器放大器輸入端電壓的幅值及與所測作用力的相位差將由下式表示，即

在理想情況下，Ra、Ri

都為無限大，即

R（Cc+Ci+Ca）>>1，那么由式（4-49），放大器輸入端的電壓Usrm為表明Usrm與被測頻率

無關(guān)。6.3.4壓電式傳感器3)電荷放大器電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，它實(shí)際上是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，當(dāng)略去Ra和Ri后，電荷放大器可用圖4-40表示。

CF為電荷放大器反饋電容，RF為并在反饋電容兩端的漏電阻。

電荷放大器輸出電壓為通常A=104~106，故式中所以由上式可知，電荷放大器的輸出電壓

與電纜電容Cc無關(guān)，而與Q成正比。6.3.4壓電式傳感器在使用電荷放大器時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：1）輸入端短路2）漂移3）工作頻帶4）電標(biāo)或歸一化處理6.3.4壓電式傳感器產(chǎn)品壓力變送器

加速度計(jì)力傳感器6.5壓電式傳感器