測(cè)試系統(tǒng)與傳感器原理

測(cè)試系統(tǒng)與傳感器原理第1頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)測(cè)試系統(tǒng)的組成與主要性能指標(biāo)

1、科技發(fā)展與測(cè)試的關(guān)系科技的發(fā)展，定量化與可控（可預(yù)測(cè)）是必然要求。人類獲取外部信息需要借助“感官－神經(jīng)－大腦”，感官功能包括：視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺，但人的感官功能不能滿足對(duì)外部世界探索與發(fā)現(xiàn)的需要（有感覺閥限）。人類耳朵能聽到的聲波頻率為20～20000Hz，一般在500～5000Hz

頻率高于20000Hz的聲波稱為超聲波Ultrasonic，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波Infrasonic。視覺閥限（可見光）聽覺閥限（可聞聲)第2頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一為突破感覺閥限，人類利用各類傳感器去感知并記錄外部世界的“信息”，這擴(kuò)展并延伸了人的“感官”系統(tǒng)。信息Information

：信息是事物現(xiàn)象及其屬性標(biāo)識(shí)的集合。

信息以物質(zhì)介質(zhì)為載體,傳遞和反映世界各種事物存在方式運(yùn)動(dòng)作態(tài)的表征，信息是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律總和,信息不是物質(zhì)，也不是能量!

信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)認(rèn):“信息是能夠用來消除不確定性的東西”。信號(hào)Signal

：傳送信息的載體或工具，如光、聲、電信號(hào)。測(cè)試包括試驗(yàn)與測(cè)量的全過程，需要選用專門的儀器、設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)方法并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，從而獲得被測(cè)對(duì)象的有關(guān)信息的量值。第3頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一測(cè)試過程是人們從客觀事物中獲取有關(guān)信息的認(rèn)識(shí)過程，是人們認(rèn)識(shí)客觀規(guī)律的重要手段和方法。測(cè)試技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步又為測(cè)試技術(shù)的提高創(chuàng)造了條件。測(cè)試技術(shù)的作用：A、參數(shù)測(cè)定

B、實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控

C、參數(shù)的反饋、調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制。

巖土工程中測(cè)試系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)的作用：參數(shù)測(cè)定、狀態(tài)檢測(cè)、監(jiān)控地質(zhì)定性評(píng)估與監(jiān)測(cè)定量分析。第4頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一2、測(cè)試系統(tǒng)的組成一個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)包括:被測(cè)對(duì)象、被測(cè)物理量、測(cè)量系統(tǒng)、信號(hào)傳輸與處理系統(tǒng)、顯示記錄系統(tǒng)、觀測(cè)者。其中測(cè)量系統(tǒng)一般包括傳感器和測(cè)量控制裝置，傳感器是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中的關(guān)鍵。最簡(jiǎn)單的測(cè)試系統(tǒng)：彈簧秤。傳感器（Transducer/Sensor)：能感受或響應(yīng)被測(cè)物理量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感原件和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換原件以及相應(yīng)的電子線路構(gòu)成。（見國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665－87傳感器通用術(shù)語）(感應(yīng)－傳遞）

定義2：傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。第5頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一

巖土工程監(jiān)測(cè)中的測(cè)試系統(tǒng)：被測(cè)對(duì)象（物理量）：巖土體或工程結(jié)構(gòu)（位移、力等）測(cè)量系統(tǒng)：各類儀器的組成及傳感器。信號(hào)傳輸與處理系統(tǒng)：信號(hào)傳輸、排除干擾、濾波、計(jì)算等。顯示記錄系統(tǒng)：顯示、記錄、存儲(chǔ)等。第6頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一傳感器的分類(1)按原理分：電參量：電阻、電感、電容磁電式：磁電感應(yīng)、磁柵壓電式：壓力、加速度光電式：紅外、CCD、光纖熱電式：熱電偶波式：超聲波、微波射線式：核輻射半導(dǎo)體式：溫度、濕度其它原理(2)按用途分類：位移傳感器壓力傳感器振動(dòng)傳感器溫度傳感器其它傳感器(3)綜合分類第7頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一3、測(cè)試系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：A、系統(tǒng)精度與誤差:

測(cè)試系統(tǒng)的精度指測(cè)試系統(tǒng)給出的指示值與被測(cè)量的真值的接近程度，誤差為指示值與被測(cè)量的真值的差異程度，兩者是同一概念的不同表示方式。絕對(duì)誤差：△x=x-A0相對(duì)誤差：γx=(x-A0)/A0×100%引用誤差：γy=(x-A0)/Xm×100％（F.S)式中：x－－儀器指示值

A0－－真值（是難以確切測(cè)量的，可用精度更高的儀器得到約定真值）

Xm－－儀器測(cè)量上限。第8頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一3、測(cè)試系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：B、穩(wěn)定性（可靠性）：誤差隨測(cè)量過程及環(huán)境影響是變化的，如讀數(shù)產(chǎn)生漂移、噪聲干擾等，穩(wěn)定性是衡量測(cè)試系統(tǒng)在工作條件和工作時(shí)間內(nèi)，保持原有技術(shù)性能的能力。穩(wěn)定性有兩個(gè)指標(biāo)：時(shí)間上的穩(wěn)定性及外部環(huán)境變化引起的示值不穩(wěn)定性。時(shí)間上的穩(wěn)定性：它是由于儀器隨機(jī)性變化、周期性變化、漂移等引起的示值變化，一般用測(cè)量波動(dòng)值與時(shí)間長(zhǎng)短表示。如：1.3mv/8h,0.05％Reading/a、0.2%F.S.R/year等環(huán)境對(duì)穩(wěn)定性的影響：指工作場(chǎng)所的環(huán)境條件如溫度、大氣壓、振動(dòng)等外部條件及電源電壓、頻率等因素對(duì)儀器精度的影響。用影響系數(shù)(修正系數(shù))表示:如溫度修正系數(shù)、氣壓修正系數(shù)等。如：0.025%F.S.R/1℃任何儀器都有特定的使用環(huán)境要求。第9頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一3、測(cè)試系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：C、測(cè)量范圍（量程）：儀器在正常工作時(shí)所能測(cè)量的量值范圍。有些儀器同時(shí)考慮超量程指標(biāo)。Yf.sD、分辨率：儀器所能檢測(cè)到的被測(cè)量的最小變化值。E、靈敏度：對(duì)測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)輸入一個(gè)變化量△x,就會(huì)相應(yīng)地輸出另一個(gè)變化量△y，S＝△y/△x為測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度。E、傳遞特性：表示測(cè)量系統(tǒng)輸入與輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系（方程、圖形、參數(shù)）的性能。動(dòng)態(tài)與靜態(tài)測(cè)量的傳遞特性是有差異的。在不考慮滯后與蠕變時(shí)的靜態(tài)測(cè)的數(shù)學(xué)模型為：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn其中：輸入x：被測(cè)物理量（如位移）輸出y：測(cè)量信號(hào)量（如電壓）

a0傳感器的零位輸出，a1…..an為各階常數(shù)。第10頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一靜態(tài)測(cè)量：測(cè)量不隨時(shí)間變化（或變化很慢在測(cè)量時(shí)間內(nèi)可忽略）的量的測(cè)試過程叫靜態(tài)測(cè)量。動(dòng)態(tài)測(cè)量：測(cè)量隨時(shí)間而變化的量。

y（t)=f(x,t)標(biāo)定曲線：反映測(cè)試系統(tǒng)輸入x與輸出y之間關(guān)系的曲線。第11頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一A、非線性度（No-Linearity）線性度又稱非線性，是表征傳感器輸出—輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線（作為工作直線）之間的吻合（或偏離）程度的指標(biāo)。通常用相對(duì)誤差來表示非線性度，即式中：ΔLmax—輸出平均值與擬合直線間的最大偏差；

YF．S.—理論滿量程輸出值。

顯然，選定的擬合直線不同，計(jì)算所得的線性度數(shù)值也就不同。選擇擬合直線應(yīng)保證獲得盡量小的非線性誤差，并考慮使用與計(jì)算方便。4、測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞特性指標(biāo)第12頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一下面介紹幾種目前常用的擬合方法。1．理論直線法如圖a以傳感器的理論特性線作為擬合直線，它與實(shí)際測(cè)試值無關(guān)。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便，但通常ΔLmax很大。2．端點(diǎn)線法如圖b以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點(diǎn)間的連線作為擬合直線。其方程式為

式中b和k分別為截距和斜率。這種方法也很簡(jiǎn)便，但ΔLmax也很大。第13頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一3．“最佳直線”法這種方法以“最佳直線”作為擬合直線，該直線能保證傳感器正反行程校準(zhǔn)曲線對(duì)它的正、負(fù)偏差相等并且最小，如圖c所示。由此所得的線性度稱為“獨(dú)立線性度”。顯然，這種方法的擬合精度最高。通常情況下，“最佳直線”只能用圖解法或通過計(jì)算機(jī)解算來獲得。當(dāng)校準(zhǔn)曲線（或平均校準(zhǔn)曲線）為單調(diào)曲線，且測(cè)量上、下限處之正、反行程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值相等時(shí)，“最佳直線”可采用端點(diǎn)連線平移來獲得。有時(shí)稱該法為端點(diǎn)平行線法。第14頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一4．最小二乘法這種方法按最小二乘原理求取擬合直線，該直線能保證傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。如用式（2–1）表示最小二乘法擬合直線，式中的系數(shù)b和k可根據(jù)下述分析求得。

按最小二乘法原理，應(yīng)使最小；故由分別對(duì)k和b求一階偏導(dǎo)數(shù)并令其等于零，即可求得k和b：2-1第15頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一B、滯后（Hysteresis遲滯誤差、回程誤差）滯后是反映傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^程中輸出-輸入曲線的不重合程度的指標(biāo)。通常用正反行程輸出的最大差值ΔHmax計(jì)算，并以相對(duì)值表示（見圖）。第16頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一C、不重復(fù)性（No－Repeatability）不重復(fù)性是衡量傳感器在相同工作條件下，輸入量從同一方向作滿量程變化，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性越好。D、綜合誤差該誤差實(shí)際反映傳感器準(zhǔn)確度，表示傳感器測(cè)值接近真值的程度。一般根據(jù)非線性、滯后、重復(fù)性誤差來計(jì)算綜合誤差，即在儀器不重復(fù)性誤差、滯后誤差較小時(shí)，用二次擬合曲線方法給出儀器綜合誤差。此方法給出的傳感器的準(zhǔn)確度較高。第17頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)差動(dòng)電阻式傳感器的基本原理

1、儀器原理

差動(dòng)電阻式傳感器是1932年美國(guó)人卡爾遜Calson研制成功的。習(xí)慣稱為卡式儀器。1933年開始試用，以后大量使用。1952年后形成系列產(chǎn)品。我國(guó)58年開始研制，68年正式設(shè)廠生產(chǎn)。利用張緊在儀器內(nèi)部的彈性鋼絲（電阻絲）作為傳感元件，將儀器受到的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，所以國(guó)外也稱這種傳感器為彈性鋼絲式(ElasticWire)儀器。由物理學(xué)知道，當(dāng)鋼絲受到拉力作用而產(chǎn)生彈性變形，其變形與電阻變化之間有如下關(guān)系式：ΔR/R=λΔL/L

式中ΔR——鋼絲電阻變化量；

R——鋼絲電阻；

λ——鋼絲電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)：

ΔL——鋼絲變形增量；

L——鋼絲長(zhǎng)度。

第18頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)差動(dòng)電阻式傳感器的基本原理

可見儀器的鋼絲長(zhǎng)度的變化和鋼絲的電阻變化是線性關(guān)系，測(cè)定電阻變化利用上式可求得儀器承受的變形。鋼絲還有一個(gè)特性，當(dāng)鋼絲感受不太大的溫度改變時(shí)，鋼絲電阻隨其溫度變化之間有如下近似的線性關(guān)系：

RT=RO（1+αT）2—2式中RT——溫度為T℃的鋼絲電阻；

RO——濕度為0℃的鋼絲電阻；

α——電阻溫度系數(shù)，一定范圍內(nèi)為常數(shù)；0℃以上α

＝2.89×10-3（1/℃），0℃以下α＝

3.15×10-3（1/℃）

T——鋼絲溫度。故①測(cè)定電阻變化可得變形量；②測(cè)定電阻值可估計(jì)溫度。第19頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)差動(dòng)電阻式傳感器的基本原理

差動(dòng)電阻式（DifferentialResistanceType)傳感器基于上述兩個(gè)原理，利用彈性鋼絲在力的作用和溫度變化下的特性設(shè)計(jì)而成，把經(jīng)過預(yù)拉長(zhǎng)度相等的兩根鋼絲φ0.04～0.06mm用特定方式固定在兩根方形斷面的鐵桿上，鋼絲電阻分別為R1和R2，因?yàn)殇摻z設(shè)計(jì)長(zhǎng)度相等，R1和R2近似相等，如圖2-2所示。當(dāng)儀器受到外界的拉壓而變形時(shí)，兩根鋼絲的電阻產(chǎn)生差動(dòng)的變化，一根鋼絲受拉，其電阻增加，另一根鋼絲受壓，其電阻減少，兩根鋼絲的串聯(lián)電阻不變，而電阻比R1／R2發(fā)生變化，測(cè)量?jī)筛摻z電阻的比值，就可以求得儀器的變形或應(yīng)力。溫度改變時(shí)，引起兩根鋼絲的電阻變化是同方向的，溫度升高時(shí)，兩根鋼絲的電阻則都增大。測(cè)定兩根鋼絲的串聯(lián)電阻，就可求得儀器測(cè)點(diǎn)位置的溫度。

2-2差動(dòng)電阻式儀器原理

第20頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一受外力作用前：受外力作用后：由于因此電阻比的變化量為由上述可知，在儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，包含著有外力作用引起的Z和由溫度變化引起的T兩種因數(shù)，所要觀測(cè)的物理量P應(yīng)是Z和T的函數(shù)，即P=ψ（Z,T）。在原型觀測(cè)中：

P＝?△Z+b△T式中：?—儀器最小讀數(shù)（10-6／0.01％）；b—儀器溫度補(bǔ)償系數(shù)（10-6／℃）；△T—儀器溫度變化量，ΔZ─儀器電阻比變化量?？梢?，測(cè)定電阻比的變化及溫度的變化可求出受力的變化。第21頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一2．儀器結(jié)構(gòu)差阻式儀器三芯接線差動(dòng)電阻式傳感器基于上述原理，利用彈性鋼絲在力的作用和溫度變化下的特性設(shè)計(jì)而成。一般儀器內(nèi)兩方型鐵桿上安裝兩對(duì)園瓷子（也可以是一對(duì)園瓷子和一對(duì)半園瓷子），把有一定張力的兩根鋼絲繞在兩對(duì)瓷子上。當(dāng)儀器受到外力變形時(shí)，一組鋼絲受拉，一組鋼絲受壓，兩組鋼絲電阻R1、R2，分別用黑、紅、白三芯電纜引出。差動(dòng)電阻式傳感器的內(nèi)阻較低，在60Ω～80Ω之間。因此，儀器電纜的芯線電阻或芯線接觸電阻變差等會(huì)給測(cè)量帶來較大誤差。我國(guó)發(fā)明了利用恒流源技術(shù)，用五芯電纜接法測(cè)量?jī)x器電阻、電阻比的方法，消除了導(dǎo)線電阻及其變化對(duì)測(cè)值的影響，為儀器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)化精確測(cè)量創(chuàng)造了條件

差阻式儀器三芯接線差阻式儀器五芯接線第22頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)差動(dòng)電阻式傳感器的基本原理3、儀器測(cè)讀數(shù)差動(dòng)電阻式傳感器的讀數(shù)裝置是電阻比電橋(惠斯曼型)，電橋內(nèi)有一可以調(diào)節(jié)的可變電阻R，還有兩個(gè)串聯(lián)在一起的50Ω固定電阻M／2，將儀器接入電橋，儀器鋼絲電阻R1和R2就和電橋中可變電阻R，以及固定電阻M構(gòu)成電橋電路。圖a是測(cè)量?jī)x器電阻比的線路，調(diào)節(jié)及使電橋平衡，則：

R/M=R1/R22-3M＝100Ω，故由電橋測(cè)出之R值是及R1和R2之比的100倍，R／100即為電阻比。電橋上電阻比最小讀數(shù)為0.01％。圖b是測(cè)量串聯(lián)電阻時(shí)，利用上述電橋接成的另一電路，調(diào)節(jié)R達(dá)到平衡時(shí)則：

(M/2)/R=(M/2)/(R1+R2)2-4第23頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)差動(dòng)電阻式傳感器的基本原理

簡(jiǎn)化式2-4得：

R=(R1+R2)2-5

這時(shí)從可變電阻及讀出的電阻值就是儀器的鋼絲總電阻，從而求得儀器所在測(cè)點(diǎn)的溫度。綜上所述，差動(dòng)電阻式儀器以一組差動(dòng)的電阻Rl和R2，與電阻比電橋形成橋路從而測(cè)出電阻比和電阻值兩個(gè)參數(shù)，來計(jì)算出儀器所承受的應(yīng)力和測(cè)點(diǎn)的溫度。電橋測(cè)量原理

第24頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一4．該類儀器的特點(diǎn)及注意事項(xiàng)我國(guó)從六十年代開始研制生產(chǎn)差阻式系列傳感器，到目前為止，已有20余萬支差阻式儀器用于水電建設(shè)工程，在工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮了很大作用，而我國(guó)也成為生產(chǎn)差阻式監(jiān)測(cè)儀器最多的國(guó)家。由于該類儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，并能兼測(cè)溫度，在高水壓下也可以長(zhǎng)期可靠的工作等優(yōu)點(diǎn)，加之我國(guó)發(fā)明了五芯測(cè)量技術(shù)，解決了長(zhǎng)電纜測(cè)量中的電纜電阻及接線電阻變差等影響，為差阻式系列傳感器實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)開辟了廣闊前途。差動(dòng)電阻式傳感器內(nèi)的高強(qiáng)鋼絲直徑一般為0.04～0.06mm，鋼絲極限強(qiáng)度一般為3000Mpa。因儀器為兩組鋼絲差動(dòng)變化，需先對(duì)鋼絲預(yù)加250～470g的張力，對(duì)0.05mm的儀器鋼絲而言，在不工作的狀態(tài)下，鋼絲所受張力為1300～2400Mpa。所以該類儀器不耐震，更不能碰撞。在儀器率定及安裝埋設(shè)過程中必須注意，否則極易造成儀器鋼絲損壞而失效。由于儀器鋼絲工作在高應(yīng)力狀態(tài)，所以儀器的超載能力差，現(xiàn)場(chǎng)率定時(shí)一定注意。另外，現(xiàn)場(chǎng)儀器電纜接長(zhǎng)時(shí)接頭處理不好或電纜絕緣下降都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。第25頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一卡式儀器圖片應(yīng)變計(jì)滲壓計(jì)測(cè)縫計(jì)鋼筋計(jì)第26頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一卡式儀器圖片讀數(shù)儀（比例電橋）多點(diǎn)位移計(jì)及位移傳感器鋼板應(yīng)力計(jì)土壓力計(jì)電阻溫度計(jì)第27頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)鋼弦式傳感器的基本原理

1、儀器原理

鋼弦式傳感器的敏感元件是一根金屬絲弦(一般稱為鋼弦，振弦或簡(jiǎn)稱“弦”)。常用高彈性彈簧鋼、馬氏不銹鋼或鎢鋼制成，它與傳感器受力部件連接固定，利用鋼弦的自振頻率與鋼弦所受到的外加張力關(guān)系式測(cè)得各種物理量，因此也稱為振動(dòng)鋼弦式（VibratingWire)，簡(jiǎn)稱弦式。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，傳感器的設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試都非常方便，而且在鋼弦經(jīng)過熱處理之后其蠕變極小，零點(diǎn)穩(wěn)定。因此，倍受工程界青睬。近年來在國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快，歐美已基本替代了其他類型的傳感器。弦式儀器1919年在德國(guó)出現(xiàn)，1932年法國(guó)Telemac公司開始生產(chǎn)，后由于頻率測(cè)定方法的限制發(fā)展較慢。60～70年代后由于檢測(cè)技術(shù)發(fā)展而再次興起。鋼弦式傳感器所測(cè)定的參數(shù)主要是鋼弦的自振頻率，常用專用的鋼弦頻率計(jì)測(cè)定，也可用周期測(cè)定儀測(cè)周期，二者互為倒數(shù)。在專用頻率計(jì)中加一個(gè)平方電路或程序也可直接顯示頻率平方。

第28頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一VibratingWireSensorsWireCoils第29頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)鋼弦式傳感器的基本原理

鋼弦式儀器是根據(jù)鋼弦張緊力與諧振頻率成單值函數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)而成的。由于鋼弦的自振頻率取決于它的長(zhǎng)度、鋼弦材料的密度和鋼弦所受的內(nèi)應(yīng)力。其關(guān)系式為：

2—6式中f

——鋼弦自振頻率；

L——鋼弦有效長(zhǎng)度；

σ——鋼弦的應(yīng)力；

ρ——鋼弦材料密度。

f＝ε＝E—鋼弦材料的彈性模量第30頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)鋼弦式傳感器的基本原理

由式(2—6)可以看出，當(dāng)傳感器制造成功之后所用的鋼弦材料和鋼弦的直徑有效長(zhǎng)度均為不變量。鋼弦的自振頻率僅與鋼弦所受的張力有關(guān)：因此，張力可用頻率f的關(guān)系式來表示：

2—7式中F——鋼弦張力；

K——傳感器靈敏系數(shù)；

fx——張力變化后的鋼弦自振頻率;fo——傳感器鋼弦初始頻率；

A——修正常數(shù)(在實(shí)際應(yīng)用中可設(shè)為“0”)

第31頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)鋼弦式傳感器的基本原理

從式(2—7)中可以看出，鋼弦式傳感器的張力與頻率的關(guān)系為二次函數(shù)，頻率平方與張力為一次函數(shù)。儀器的結(jié)構(gòu)不同，張力“F”可以變換為位移、壓力、壓強(qiáng)、應(yīng)力、應(yīng)變等各種物理量。從式(2—7)中可以看出鋼弦的張力與自振頻率的平方差呈直線關(guān)系。為方便起見，一般用頻率模數(shù)F表示弦式儀器的輸出量，F(xiàn)=f2/1000。這樣，物理量的變化與頻率模數(shù)為線性關(guān)系。第32頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一2．儀器結(jié)構(gòu)弦式應(yīng)變計(jì)由兩端頭加一張緊的弦、外殼、激勵(lì)線圈等組成。該小應(yīng)變計(jì)芯子裝在鋼筋計(jì)鋼套上組成鋼筋計(jì)；錨索測(cè)力計(jì)鋼筒上裝上3～6支弦式應(yīng)變計(jì)即組成錨索測(cè)力計(jì)。弦式測(cè)縫計(jì)為一鋼弦與一吊簧組成位移測(cè)量傳感器。鋼弦吊一不銹鋼浮子可組成量水堰水位計(jì)。3、頻率測(cè)量測(cè)量系統(tǒng)主要由振弦式傳感器、激振電路、檢測(cè)電路、微控制器控制、測(cè)頻電路等組成。激振電路采用掃頻激振技術(shù)，當(dāng)激振頻率和傳感器振弦的固有頻率接近時(shí)，振弦能迅速達(dá)到共振狀態(tài)。當(dāng)激振信號(hào)撤去后，弦由于慣性作用仍然作衰減震蕩。振動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)通過檢測(cè)電路濾波、放大、整形成脈沖信號(hào)送到微控制器，微控制器通過測(cè)量脈沖信號(hào)的周期或頻率，即可測(cè)得傳感器的振動(dòng)頻率第33頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)鋼弦式傳感器的基本原理

鋼弦傳感器的激振一般由電磁線圈完成。經(jīng)過把各類物理量轉(zhuǎn)換為拉(或壓)力作用在鋼弦上，改變鋼弦所受的張力，在磁芯的激發(fā)下，使鋼弦的白振頻率隨張力變化而變化。通過頻率的變化可以換算出被測(cè)物理量的變化值。由于鋼弦放置于電測(cè)原件“磁芯”的磁場(chǎng)中，當(dāng)鋼弦振動(dòng)時(shí)就在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V。測(cè)出它的頻率就確定了被測(cè)鋼弦的自振頻率。

第34頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)鋼弦式傳感器的基本原理

鋼弦傳感器的激振方式不同，所需電纜的芯數(shù)也不同。圖2—5中的三種激振方式代表了鋼弦式傳感器的發(fā)展過程。2—5三種鋼弦式傳感器原理圖(a)單線圈間歇激振（撥弦式）型輸入輸出波形；(b)三線制雙線圈連續(xù)激振型輸入輸出波形；(c)二線制雙線圈連續(xù)激振型輸入輸出波形第35頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)鋼弦式傳感器的基本原理

單脈沖輸入：當(dāng)激發(fā)脈沖輸?shù)酱判揪€圈上，磁芯產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)磁場(chǎng)撥動(dòng)鋼弦，所以國(guó)外也有叫“撥弦式”，鋼弦被撥動(dòng)后產(chǎn)生一個(gè)衰減振蕩，切割磁芯的磁力線在磁芯的輸出端也產(chǎn)生如圖2—5(a3)的衰減正弦波。接收儀表測(cè)出此波的頻率即為鋼弦此刻的自振頻率。第36頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一

三線制雙線圈鋼弦式傳感器：有兩個(gè)線圈組成一個(gè)線圈為激振線團(tuán)，一個(gè)為接收線圈。激振線圈由二次儀表送來一個(gè)l000Hz左右的激發(fā)脈沖，一船為正弦波或鋸齒波。當(dāng)鋼弦激振后由接收線圈傳送到二次儀表中，經(jīng)放大反饋一部分到激發(fā)線圈上，使激發(fā)頻率與接收頻率相等，讓鋼弦處于諧振狀態(tài)．一部分送到整形、計(jì)數(shù)、顯示電路測(cè)出頻本。這種結(jié)構(gòu)比單線圈的性能有了很大的改善，但同樣存在線圈內(nèi)阻?。畬?duì)電纜要求較高的不足。常用三芯或雙芯屏蔽電纜，屏蔽層或其中一芯為公用線，一芯激發(fā)線，一芯接收線。

第三節(jié)鋼弦式傳感器的基本原理

第37頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)鋼弦式傳感器的基本原理

二線制雙線圈的鋼弦傳感器：結(jié)構(gòu)比較新穎，磁芯中有一組反饋放大電路，對(duì)二次儀表來說，由二芯傳輸線直流輸入，經(jīng)內(nèi)部電路激發(fā)，正弦波輸出。此方式采用了現(xiàn)代電子技術(shù)，把磁芯內(nèi)阻做到3500Ω左右，內(nèi)阻提高，傳輸損耗小，傳輸距離較遠(yuǎn)，抗干擾增強(qiáng)。因此，對(duì)電纜要求較低。一般用二芯不屏蔽電線即可。若一組有幾個(gè)傳感器的，每增加一只傳感器只需增加一芯電纜。例一組四點(diǎn)位移計(jì)只需一根5芯不屏蔽電纜，但設(shè)計(jì)要求在雷電地區(qū)須屏蔽的例外。鋼弦式傳感器利用電磁線圈銅導(dǎo)線的電阻值隨溫度變化的特性可以進(jìn)行溫度測(cè)量，也可在傳感器內(nèi)設(shè)置可兼測(cè)溫度的元件，同樣可以達(dá)到目的。第38頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一4.VibratingWire–AdvantagesFrequencyoutput -cantransmitsignalsoverlongcables -notinfluencedbywaterormoisture-easilydataloggedRobust(結(jié)實(shí)、牢靠）Failsafe（故障保護(hù)）LongTermStabilityDefinedasthechangeincalibratedoutputwithrespecttotimeIscriticalwhentransducersareinstalledandre-calibrationisnotpossible鋼弦式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是鋼弦頻率信號(hào)的傳輸不受導(dǎo)線電阻的影響，測(cè)量距離比較遠(yuǎn)，儀器靈敏度高，穩(wěn)定性好，自動(dòng)檢測(cè)容易實(shí)現(xiàn)。

第39頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一Longtermstabilitydata

for8Geokonvibratingwirepressure

transducersunderlaboratoryconditions第40頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一Vibrating

Wire–DisadvantagesNotsuitablefordynamicapplicationsCanbedamagedbyelectricalsurges,lightningOvervoltageProtection第41頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一部分振動(dòng)鋼弦式儀器圖片測(cè)縫計(jì)位移計(jì)多點(diǎn)位移計(jì)鋼筋計(jì)錨索測(cè)力計(jì)滲壓計(jì)土壓力計(jì)第42頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)電感式傳感器的基本原理

電感式傳感器是一種變磁阻式傳感器，利用線圈的電感變化來實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)的一種裝置。它可以把輸入的各種機(jī)械物理量如位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量輸出，可以實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制。電感式傳感器種類很多，常用的有Ⅱ形、E形和螺管形三種。雖然結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但基本包括線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵3個(gè)部分，電感式傳感器原理圖

電感：在電路中，當(dāng)電流流過導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)的大小除以電流的大小就是電感

L=Wφ/Iφ－－磁通量電感是衡量線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)能力的物理量。第43頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)電感式傳感器的基本原理

鐵芯和活動(dòng)銜鐵均由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或合金制成，可以是整體的或者是迭片的，銜鐵和鐵芯之間有空氣隙δ0，當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，磁路中氣隙的磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈電感的變化，這種電感的變化與銜鐵位置即氣隙大小相對(duì)應(yīng)。因此，只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能判定銜鐵位移量的大小。電感式傳感器就是基于這個(gè)原理設(shè)計(jì)制作的。根據(jù)電感的定義，設(shè)電感傳感器的線圈匝數(shù)為W，則線圈的電感量L為：

L=WΦ/I2—8式中：Φ——磁通，Wb；

I——線圈中的電流，A

第44頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)電感式傳感器的基本原理

磁通可由下式計(jì)算：

Φ=IW/RM=IW/（RF+Rδ）2-9式中RF鐵芯磁阻，由下式計(jì)算：

RF=（l1/μ1S1）+(l2/μ2S2)2-10

Rδ為空氣隙磁阻，由下式計(jì)算：

Rδ=2δ/μ0S2-11式中l(wèi)1——磁通通過鐵芯的長(zhǎng)度，m；

S1——鐵芯橫截面積，㎡；

μ1——鐵芯在滋感應(yīng)值為B1時(shí)的導(dǎo)磁率，H/m

S2——銜鐵橫截面積，㎡；

l2——磁通通過銜鐵的長(zhǎng)度，m；

δ——?dú)庀堕L(zhǎng)度，m；

μ2——銜鐵在磁感應(yīng)值為B2時(shí)的導(dǎo)磁率，H/mS——?dú)庀督孛娣e，㎡；

μ0——空氣導(dǎo)磁率。

第45頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)電感式傳感器的基本原理μ1、μ2可按下式計(jì)算：

2-12式中

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度(特斯拉)H——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。由于電感傳感器用的導(dǎo)磁材料一般都工作在非飽和狀態(tài)下，其導(dǎo)磁率μ要大于空氣的導(dǎo)磁率μ0數(shù)千倍甚至數(shù)萬倍，因此，鐵芯磁阻RF和空氣隙磁阻Rδ相比是非常小的，常?？梢院雎圆挥?jì)。這樣把式(2—9)和式(2—11)代入式(2—8)使得下式：

2-13

第46頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)電感式傳感器的基本原理

式(2—13)就是電感傳感器的基本特性公式。線圈匝數(shù)W確定，只要?dú)庀堕L(zhǎng)度δ和氣隙截面積S二者之一發(fā)生變化，電感傳感器的電感量就會(huì)隨之變化。把電感傳感器設(shè)計(jì)為變氣隙長(zhǎng)度的，就可用來測(cè)量位移，設(shè)計(jì)為改變氣隙截面積，就可用來測(cè)量角位移。把兩只完全對(duì)稱的簡(jiǎn)單電感傳感器臺(tái)用一個(gè)活動(dòng)銜鐵便構(gòu)成了差動(dòng)式電感傳感器。圖2—7(a)、(c)分別為E形和螺管形差動(dòng)電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖示上下兩個(gè)導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)成幾何尺寸完全相同，材料也一樣，上下兩只線圈的電氣參數(shù)：線圈銅電阻、電感和匝數(shù)也完全一致。圖2—7(b)、(d)為差動(dòng)電感傳感器的接線圖。傳感器的兩只電感線圈接成交流電橋的相鄰兩管，另外兩個(gè)橋臂由電阻組成，構(gòu)成了四臂交流電橋，由交流電源供電，電橋的另一角端即為輸出的交流電壓。第47頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)電感式傳感器的基本原理

在起始位置時(shí)，銜鐵處于中間位置，兩邊氣隙相等。因此．兩只電感線圈的電感量在理論上相等，電橋的輸出電壓Usc＝0，電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)銜鐵偏離中間位置向上或向下移動(dòng)時(shí)，使兩邊氣隙不一樣，導(dǎo)致兩只電感線圈的電感量一增一減，電橋就不平衡。電橋輸出電壓的幅值大小與銜鐵移動(dòng)量大小成正比，輸出電壓相位則與銜鐵移動(dòng)的方向有關(guān)。因此，測(cè)量出輸出電壓Usc的大小和相位，就能決定銜鐵位移量的大小和方向。

2—7差動(dòng)式電感傳感器原理和接線圖（E形和螺管形）

第48頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)電感式傳感器的基本原理

在工程中也會(huì)采用差動(dòng)變壓器式傳感器，習(xí)慣稱為差動(dòng)變壓器，其結(jié)構(gòu)與差動(dòng)電感傳感器完全一樣，也是由鐵芯、銜鐵和線團(tuán)三部分組成。所不同之處僅在于差動(dòng)變壓器上下兩只鐵芯均繞有初級(jí)線圈(激勵(lì)線圈)和次級(jí)線圈(輸出線圈)。上下初級(jí)線圈串聯(lián)接交流激磁電壓，次級(jí)線團(tuán)則接電勢(shì)反相串聯(lián)。當(dāng)銜鐵處于中間初始位置時(shí)，兩邊氣隙相等，磁阻相等，磁通相等，次級(jí)線圈中感應(yīng)電勢(shì)相等，結(jié)果輸出電壓為零。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，兩邊氣隙不等，兩線圈間互感發(fā)生變化，次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)不再相等，使有電壓輸出，其大小和相位決定于銜鐵移動(dòng)量的大小和方向。差動(dòng)變壓器就是基于這種原理制成。電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有活動(dòng)電接觸點(diǎn)、工作可靠、靈敏度高、分辨率大、能測(cè)出0.1微米(μm)的機(jī)械位移和0.1秒的微小角度變化。重復(fù)性好，高精度的可以做到非線性誤差達(dá)0.1％。

第49頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)電阻應(yīng)變片式傳感器基本原理

電阻應(yīng)變片是一種將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。它是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)的原理制成，即導(dǎo)體的電阻隨著所受機(jī)械變形(拉伸或壓縮)的大小而變化，這就是電阻應(yīng)變片工作的物理基礎(chǔ)。因?yàn)閷?dǎo)體的電阻與材料的電阻系數(shù)、長(zhǎng)度和截面積有關(guān)，導(dǎo)體在承受機(jī)械變形過程中，這三者都要變化。因此，引起導(dǎo)體電阻產(chǎn)生變化。一根長(zhǎng)為l、截面積為S、電阻系數(shù)為ρ的金屬絲(見圖2—8)，其起始電阻力R：

R=ρl/S2-14式中R——電阻值，Ω

ρ——電阻系數(shù)，Ω·m㎡/m

l——電阻絲長(zhǎng)度，m

S——電阻絲截面積，m㎡第50頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)電阻應(yīng)變片式傳感器基本原理

設(shè)導(dǎo)線在力F作用下，其長(zhǎng)度變化dl，截面積S變化dS，半徑r變化dr，電阻系數(shù)ρ變化dρ，因而將引起及變化dR，將式(2—14)微分可得dR=(ρ/S)dl－(ρl/S

)dS+(l/S)dρ=R[(dl/l)－(dS/S)+(dρ/ρ)]dR/R=(dl/l)－(dS/S)+(dρ/ρ)2-15因?yàn)镾=πr

dS=2πrdr所以

dS/S=2(dr/r)2-16

令dl/l=ε，為電阻絲軸向相對(duì)伸長(zhǎng)即軸向應(yīng)變，而dr/r為電阻絲徑向相對(duì)仰長(zhǎng)即徑向應(yīng)變，兩者的比例系數(shù)即為泊松系數(shù)μ，負(fù)號(hào)表示方向相反。

dr/r=－μdl/l=－με2-1722第51頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)電阻應(yīng)變片式傳感器基本原理

將式(2—17)代入式(2—16)得：

dS/S=－2με2-18

將式2—18)代人式(2—15)并經(jīng)整理后得：

dR/R=[(1+2μ)+(dρ/ρ)/ε]/ε2-19K0=(dR/R)/ε=(1+2μ)+(dρ/ρ)/

ε2-20K0稱為金屬材料的靈敏系數(shù)，它的物理意義為單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素的影響：一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸的變化，即(1+2μ)；另一個(gè)是受力后材料的電阻率的變化，即(dρ/ρ)/

ε。后者是由于材料變形時(shí)，其自由電子的活動(dòng)能力和數(shù)量均發(fā)生變化所致。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸的比例極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變是成正比的，因而K0為一常數(shù)，因此式(2—20)可用下式表示：

ΔR/R=K0ε2-21

第52頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)電阻應(yīng)變片式傳感器基本原理

K0是依靠實(shí)驗(yàn)求得。常用的銅鎳合金(康銅)其靈敏系數(shù)為1.9~2.1。電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造見圖2—9。它由敏感柵、基底、粘合劑、引線、蓋片等組成。敏感柵由直徑約0.01—0.05mm、高電阻細(xì)絲彎曲而成柵狀，是電阻應(yīng)變片的敏感元件，實(shí)際上就是一個(gè)電阻元件。敏感柵用粘合劑將其固定在基底上?；椎淖饔脩?yīng)保證將構(gòu)件上應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去?；滓话愫?.03—0.06mm，材料有紙、膠膜、玻璃纖維布等，要求有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能。引出線的作用是將敏感柵電阻元件與測(cè)量電路相連接，一般由0.1~0.2mm低阻鍍錫銅絲制成，并與敏感柵兩輸出端相焊接。將應(yīng)變片用粘合劑牢固地粘貼在被測(cè)試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨著發(fā)生變化，且與試件應(yīng)變成比例。用專用電阻應(yīng)變儀將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就可以測(cè)出被測(cè)試件應(yīng)變量的大小。其框圖如圖2—10。

第53頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)電阻應(yīng)變片式傳感器基本原理1—粘合層；2——基底；3——粘合層；4——蓋片；5——敏感柵；6——引出線；L——基長(zhǎng)；a——基寬

圖2—10電阻應(yīng)變片測(cè)量框圖

應(yīng)變片基本構(gòu)造第54頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)電阻應(yīng)變片式傳感器基本原理

電阻應(yīng)變片的品種繁多，按敏感柵不同分為絲式電阻應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片三種。常用的是箔式應(yīng)變片，它的敏感柵由0.03—0.01mm金屬箔片制成。箔片電阻應(yīng)變片用光刻法代替絲式應(yīng)變片的繞線工藝，可以制成尺寸精確形狀各異的敏感柵，允許電流大，疲勞壽命長(zhǎng)，蠕變小，特別是實(shí)現(xiàn)了工藝自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高。

電阻應(yīng)變片是美國(guó)在二次大戰(zhàn)期間研制并首先應(yīng)用于航空工業(yè)。由于這種傳感器尺寸小、重量輕、分辨率高、能測(cè)出1~2個(gè)微應(yīng)變(1×10mm／mm)，誤差在1％以內(nèi)，適于遠(yuǎn)距離測(cè)量和巡檢自動(dòng)化。日本共和電業(yè)首先引進(jìn)制成以電阻片為傳感元件的觀測(cè)儀器，稱為“貼片式儀器”。在日本已代替卡爾遜式儀器，普遍用于工程建設(shè)。

-6第55頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一第六節(jié)其它原理的傳感器1.電容式傳感器

電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量的變化，最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。平行板型電容器是有一塊定極板與一塊動(dòng)極板及極間介質(zhì)所組成，它的電容量為：

2-22式中ε0——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，對(duì)空氣ε＝1ε——真空中介電系數(shù)，ε0＝8.85×1012

(F／m)δ——極扳間距離(m)；

A——兩極扳相互覆蓋面積(m2)。

當(dāng)極距不變，動(dòng)極板與定極板發(fā)生相對(duì)位移，或電介質(zhì)進(jìn)入極板位置變化時(shí)，電容也變化，故電容式傳感器可測(cè)位移。C=Aε0

ε/δ電容(法拉）是表征電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量：C=Q/U第56頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一

上式表明：當(dāng)式中三個(gè)參數(shù)中任意兩個(gè)保持不變，而另一個(gè)變化時(shí)，則電容量C就是該變量的單調(diào)函數(shù)，因此，電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三類。根據(jù)上式，變極距型和變面積型電容傳感器的靈敏度分別為：變極距型：2-23

變面積型：2-24

式中b——電容器的極板寬度。

變極距型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可以用于非接觸式動(dòng)態(tài)測(cè)量，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)影響小，靈敏度高，適用于小位移(數(shù)百微米以下)的精確測(cè)量。但這種傳感器有非線性特性，傳感器的雜散電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度影響較大，與傳感器配合的電子線路也比較復(fù)雜，使其應(yīng)用范圍受到一定的限制。

電容式傳感器的基本原理圖中壓力變化時(shí)，膜片產(chǎn)生形變，引起極距發(fā)生變化，導(dǎo)致電容變化，電容的變化與待測(cè)壓力F有對(duì)應(yīng)關(guān)系。第57頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一

變面積型電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸入與輸出成線性關(guān)系，但靈敏度較變極距型低。適用較大的位移測(cè)量。電容式傳感器的輸出是電容量，尚需經(jīng)后續(xù)測(cè)量電路進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。利用電容的變化來取得測(cè)試電路的電流或電壓變化的主要方法有：調(diào)頻電路(振蕩回路頻率的變化或振蕩信號(hào)的相值變化)、電橋型電路和運(yùn)算放大器電路，其中以調(diào)頻電路用得較多，其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高，但電纜的分布電容對(duì)輸出影響較大，適用小調(diào)整比較麻煩。

電容式傳感器的基本原理圖中當(dāng)動(dòng)片與定片之間的角度發(fā)生變化時(shí)，電容器的正對(duì)面積變化，引起電容C變化，故可測(cè)角度變化。第58頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一2.伺服加速度計(jì)傳感器的基本原理

伺服加速度計(jì)（servo-accelerator）利用檢測(cè)質(zhì)量的慣性力來測(cè)量線加速度或角加速度，其輸出量與輸入的加速度成比例。如石英伺服加速度計(jì)是用石英擺片做為敏感質(zhì)量，當(dāng)外界的加速度a沿敏感軸方向輸入時(shí)，敏感質(zhì)量m相對(duì)于平衡位置而產(chǎn)生慣性力F或慣性力矩M，通過換能器將此機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)u，再通過伺服放大器變化為電流信號(hào)I，反饋到力矩線圈而產(chǎn)生反饋力Foc或反饋力矩Moc，與慣性力F或慣性力矩M平衡，直到敏感質(zhì)量再次恢復(fù)到原來的平衡位置。此時(shí)；

F(慣性力）=ma=FOC（電磁力）=BLIB—磁感應(yīng)密度，L—線圈導(dǎo)線長(zhǎng)度I－電流故反饋電流I的大小與加速度a成正比，當(dāng)接入精密電阻形成電路后，測(cè)定反饋電壓的變化也可以測(cè)定加速度。(a)原理結(jié)構(gòu)圖(b)原理框圖1—永久磁鋼；2—力矩器；3—線圈；4—換能器；5—伺服放大器；6—輸出電阻

第59頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一伺服加速度計(jì)傳感器的基本原理伺服加速度計(jì)鉆孔傾斜儀鉆孔測(cè)斜儀就是基于上述原理測(cè)量重力加速度g沿鉆孔軸線垂直面上的分量大小來確定鉆孔沿鉛垂方向的傾斜（水平的兩個(gè)分量）。敏感質(zhì)量在重力作用下總是指向鉛垂方向的；當(dāng)探頭軸線與鉛垂線一致時(shí)，原電路系統(tǒng)是平衡的，輸出電壓為0當(dāng)鉆孔（探頭軸線）與鉛垂線方向不一致時(shí)，原來的平衡就被破壞，電路系統(tǒng)需要產(chǎn)生一個(gè)反饋力或力矩使敏感質(zhì)量恢復(fù)到原來位置。反饋力或反饋力矩的大小與系統(tǒng)的電流（電壓）成正比，測(cè)定電壓的變化可求重力加速度的變化。當(dāng)加速度計(jì)的敏感軸與水平面存在一個(gè)θ角時(shí)，輸出電壓：

UC=K0+K1gsinθθ角也就是探頭與鉛垂方向的夾角,據(jù)此計(jì)算鉆孔的傾斜，而傾斜量的變化即水平位移。第60頁，共71頁，2023年，2月20日，星期一3.光纖傳感器的基本原理

近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（