新型傳感器技術(shù)與應(yīng)用課件

傳感器概述

我們生活的世界是由物質(zhì)組成的，一切物質(zhì)都處在永恒不停的運(yùn)動(dòng)之中。物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式很多，它們通過化學(xué)現(xiàn)象或物理現(xiàn)象表現(xiàn)出來。表征物質(zhì)特性或其運(yùn)動(dòng)形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質(zhì)的電特性，可分為電量和非電量?jī)煞N。1.1電量與非電量：電量：是指物理學(xué)中的電學(xué)量，如電流、電壓、電阻、電容、電感等；非電量：除電量之外的一些參數(shù)。如壓力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、溫度、濃度、酸堿度等。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和自動(dòng)化水平的提高，對(duì)被測(cè)量動(dòng)態(tài)變化過程的測(cè)量和遠(yuǎn)距離的檢測(cè)都提出了更高的要求，這樣就提出了傳感器技術(shù)的非電量電測(cè)方法。

非電量的測(cè)量不能直接使用一般電工儀表和電工儀器測(cè)量，因?yàn)橐话汶姽x器和電工儀表要求輸入的是電信號(hào)，這些儀器只能測(cè)量電量。非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測(cè)量。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件就是傳感器。（1）可進(jìn)行微量檢測(cè)、精度高、反映速度快；（2）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控及遙測(cè)；（3）實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)；（4）能連續(xù)進(jìn)行測(cè)量、記錄及顯示；（5）可采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)及信息處理；（6）測(cè)量安全可靠。非電量電測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)：1.2非電量電測(cè)系統(tǒng)傳感器：獲得的信息正確與否，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。測(cè)量電路：用來將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理和變換，使其輸出的信號(hào)便于顯示或記錄。顯示電路：電信號(hào)顯示成被測(cè)非電量的數(shù)值。記錄裝置：進(jìn)行記錄或由打印機(jī)將數(shù)據(jù)打印出來。1.3傳感器的定義我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）中說，傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：“能夠感受規(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”。我們的定義是：傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。（1）傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；（2）它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；（3）它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電物理量；（4）輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。從字面上看，傳感器的作用是一感二傳：感受被測(cè)信息，并傳送出去。含義：1.4傳感器的組成：傳感器通常由敏感元件、傳感元件、測(cè)量電路和電源組成。敏感元件：是直接感受被測(cè)量（一般為非電量）并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的其他量（也可包括電量）的元件。如：膜片和波紋管可把被測(cè)壓力變成位移量。傳感元件：可以直接或間接感受被測(cè)量并輸出電量。如：熱電偶、熱敏電阻，直接感受被測(cè)量并輸出電量變化。測(cè)量電路：能把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示記錄，控制和處理的有用信號(hào)的電路。如：電橋、放大、阻抗匹配等電路。電源：提供器件工作的能源。（1）有的傳感器很簡(jiǎn)單，有的則很復(fù)雜，大多是開環(huán)系統(tǒng)，有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)；（2）有的傳感器需要外加電源才能工作，例如：應(yīng)變片組成的電橋、差動(dòng)變壓器等；有的傳感器不需要外加電源才能工作。例如：壓電晶體等；（3）有的傳感器，傳感元件不只一個(gè)，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。說明：

（4）不是所有的傳感器必須包括敏感元件和傳感元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，則它同時(shí)兼做傳感元件。如：熱電偶直接感受被測(cè)量并輸出電量變化。（5）敏感元件與傳感元件在結(jié)構(gòu)上常是裝在一起的，而測(cè)量電路為了減少外界的影響也希望和它們裝在一起，不過由于空間的限制或者其他原因，測(cè)量電路常裝在電箱中。盡管如此，因?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^測(cè)量電路后才能輸出電信號(hào)，從而決定了測(cè)量電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。（6）傳感器轉(zhuǎn)換能量的理論基礎(chǔ)都是利用物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)現(xiàn)象和效應(yīng)來進(jìn)行能量形式的變換。傳感器技術(shù)就是掌握和完善這些轉(zhuǎn)換的方法和手段，是涉及傳感器能量轉(zhuǎn)換原理、材料選取與制造、器件設(shè)計(jì)等多項(xiàng)綜合技術(shù)。1.5傳感器的分類

由某一原理設(shè)計(jì)的傳感器可以同時(shí)測(cè)量多種非電物理量，而有時(shí)一種非電物理量又可以用幾種不同傳感器測(cè)量。

根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)進(jìn)行分類，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器及轉(zhuǎn)矩傳感器等。被測(cè)量可分為基本被測(cè)量和派生被測(cè)量?jī)深?。例如：力可視為基本被測(cè)量，從力可派生出壓力、重量、應(yīng)力和力矩等派生被測(cè)量。當(dāng)需要測(cè)量這些被測(cè)量時(shí)，只要采用力傳感器就可以了。1.5.1按被測(cè)物理量分類

基本被測(cè)量派生被測(cè)量位移線位移長(zhǎng)度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、平面度角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)速度線速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)加速度線加速度振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量角加速度角振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量力壓力重量、應(yīng)力、力矩時(shí)間頻率周期、計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布溫度

熱容、氣體速度、渦流光

光通量與密度、光譜分布濕度

水分、水氣、露點(diǎn)

1.5.2按傳感器工作原理分類一、電參量式傳感器電阻式傳感器：利用變阻器將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)的原理制成。電容式傳感器：改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從而使電容量發(fā)生改變的原理制成。電感式傳感器:利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來改變電感或互感的電感量或壓磁效應(yīng)原理制成。二、磁電式傳感器磁電式傳感器：利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的?；魻柺絺鞲衅鳌⒋艝攀絺鞲衅?。三、壓電式傳感器利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。四、光電式傳感器首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過光電器件變換成電信號(hào)?？煞譃楣怆娛?、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式。五、氣電式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成氣壓變化或氣流量變化信號(hào)，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。六、熱電式傳感器根據(jù)熱電效應(yīng)做成。七、波式傳感器超聲波式、微波式等。八、射線式九、半導(dǎo)體式傳感器以半導(dǎo)體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化。1.5.3按信號(hào)變換特性分：

傳感器

1.5.4按能量關(guān)系分：

傳感器

傳感器的特性主要是輸出與輸入之間的關(guān)系。當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時(shí)，這一關(guān)系就稱為靜特性；當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)，這一特性就稱為動(dòng)特性。

人們總是希望傳感器的輸出與輸入具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且最好呈線性關(guān)系。但一般情況下，輸出輸入不會(huì)符合所要求的線性關(guān)系，同時(shí)由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動(dòng)等各種因素的影響，以及外界條件的影響，使輸出輸入對(duì)應(yīng)關(guān)系的唯一確定性也不能實(shí)現(xiàn)。圖中的外界影響不可忽視，影響程度取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時(shí)也可以對(duì)外界條件加以限制。圖中的誤差因素就是衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標(biāo)。1.6傳感器的靜特性傳感器的靜態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鬓D(zhuǎn)換的被測(cè)量數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸出與輸入的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。1．線性度傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鲗?shí)際輸出一輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即式中：——線性度；

——最大非線性絕對(duì)誤差；

——輸出滿度值。

線性度又稱為非線性誤差。通?？偸窍Ｍ敵觥斎胩匦郧€成為線性，但實(shí)際的輸出——輸入特性只能接近線性，實(shí)際曲線與理論直線之間存在的偏差就是傳感器的非線性誤差。由圖可見，除圖1.1(a)為理想特性外，其他都存在非線性，都應(yīng)進(jìn)行線性處理。

2．靈敏度傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出變化量與輸入變化量的比值，即式中：

K——靈敏度，線性傳感器的靈敏度是個(gè)常數(shù)；

——輸出量的變化量；

——輸入量的變化量。

3．遲滯傳感器的遲滯是指?jìng)鞲衅鬏斎肓吭龃笮谐唐陂g和輸入量減小行程期間，輸出——輸入特性曲線不重合的程度。產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的主要原因是傳感器的機(jī)械部分不可避免地存在著間隙、摩擦及松動(dòng)等。rH=±(1/2)(Δm/yfs)×100%Δm：正反行程間輸出的最大差值。

4．重復(fù)性傳感器的重復(fù)性是指?jìng)鞲衅鬏斎肓吭谕环较蜃鋈砍虄?nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量所得輸出——輸入特性曲線不一致的程度。產(chǎn)生不一致的原因與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象是相同的。

圖中正行程的最大重復(fù)性偏差為Δm2，反行程的最大重復(fù)性偏差為Δm1。重復(fù)性偏差取這兩個(gè)偏差之中較大者為Δm，再以滿量程yfs輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即rR=±(Δm/yfs)×100%5.穩(wěn)定性傳感器在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，也稱零點(diǎn)飄移。測(cè)試時(shí)先將傳感器輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，相隔4小時(shí)或8小時(shí)或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差為穩(wěn)定性誤差。7溫度穩(wěn)定性又稱溫度飄移。指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟认螺敵隽堪l(fā)生的變化。測(cè)試時(shí)先將傳感器置于一定溫度，將其輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，使溫度上升或下降到一定的度數(shù)，再讀出輸出值，前后量詞輸出值之差為溫度穩(wěn)定性誤差。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干oC的絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示。八、抗干擾穩(wěn)定性傳感器對(duì)外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動(dòng)的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場(chǎng)干擾的能力等。

在實(shí)際測(cè)量中，大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，這就要求傳感器的輸出不僅能精確地反映被測(cè)量的大小，還要正確地再現(xiàn)被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律。傳感器的動(dòng)態(tài)特性，是指在測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)傳感器的輸出反映被測(cè)量的大小和隨時(shí)間變化的能力。動(dòng)態(tài)特性差的傳感器在測(cè)量過程中，將會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)誤差。1.7傳感器的動(dòng)態(tài)特性1.9傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著電子計(jì)算機(jī)、生產(chǎn)自動(dòng)化、現(xiàn)代信息、軍事、交通、化學(xué)、環(huán)保、能源、海洋開發(fā)、遙感、宇航等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳感器的需求量與日俱增，其應(yīng)用的領(lǐng)域已滲入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門以及人們的日常文化生活之中。可以說，從太空到海洋，從各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)到人們?nèi)粘Ｉ畹囊率匙⌒?，都離不開各種各樣的傳感器；傳感技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日益起著巨大的作用。1．傳感器在工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2．汽車與傳感器

3．傳感器與家用電器

4．傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用

5．傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

6．傳感器與環(huán)境保護(hù)

7．傳感器與航空及航天

8．傳感器與遙感技術(shù)

1.10傳感器的發(fā)展方向1．努力實(shí)現(xiàn)傳感器新特性

2．確保傳感器的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命

3．提高傳感器集成化及功能化的程度

4．傳感器微型化

5．新型功能材料的開發(fā)

機(jī)械式傳感器2.1彈性元件

機(jī)械式傳感器以彈性體作為傳感器的敏感元件，故又稱彈性敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形。這種變形經(jīng)放大后可成為紋膜片、波紋管等；用于溫度測(cè)量的雙金屬片等。

測(cè)力計(jì)有機(jī)測(cè)法和電測(cè)法兩種。機(jī)測(cè)法中力經(jīng)滾珠（保證點(diǎn)接觸測(cè)力，垂直輸入），再經(jīng)彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)械衰減，最后經(jīng)壓力表讀數(shù)。電測(cè)法是在框架彈簧上貼應(yīng)變片,以彈簧應(yīng)變來折算力的大小。

測(cè)力計(jì)有機(jī)測(cè)法和電測(cè)法兩種。機(jī)測(cè)法中力經(jīng)滾珠（保證點(diǎn)接觸測(cè)力，垂直輸入），再經(jīng)彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)械衰減，最后經(jīng)壓力表讀數(shù)。電測(cè)法是在框架彈簧上貼應(yīng)變片，以彈簧應(yīng)變來折算力的大小。

壓力計(jì)有機(jī)測(cè)法和電測(cè)法兩種。機(jī)測(cè)法中壓力推動(dòng)膜片、經(jīng)杠桿放大顯示，或壓力使波登管伸直，經(jīng)杠桿齒輪放大。電測(cè)法中壓力推動(dòng)膜片、使應(yīng)變片變形輸出⊿R，或波登管變形使應(yīng)變片變形輸出⊿R。

溫度計(jì)（由兩溫度膨脹系數(shù)不同的金屬組成的雙金屬片,當(dāng)溫度變化時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲）。溫度計(jì)有機(jī)測(cè)法和電測(cè)法兩種。機(jī)測(cè)法中其撓度表示溫度變化。電測(cè)法中應(yīng)變片受拉或壓，輸出⊿R。

機(jī)械式傳感器做成的機(jī)械式指示儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)。但彈性變形不宜大，以減小線性誤差。此外，由于放大和指示環(huán)節(jié)多為機(jī)器傳動(dòng)，不僅受間隙影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測(cè)緩變或靜態(tài)被測(cè)量。

為了提高測(cè)量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他型式的傳感器(如電阻、電容、電渦流式等)將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象。材料的蠕變與承載時(shí)間、載荷大小、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。而彈性后效則與材料應(yīng)力一松弛和內(nèi)阻尼等因素有關(guān)。這些現(xiàn)象最終都會(huì)影響到輸出與輸入的線性關(guān)系。因此，應(yīng)用彈性元件時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和處理工藝等方面采取有效措施。

2.2微型探測(cè)開關(guān)

上圖表示開關(guān)中的一種。它由兩個(gè)簧片組成，在常態(tài)下處于斷開狀態(tài)。當(dāng)它與磁性塊接近時(shí)，簧片被磁化而接合，成為接通狀態(tài)。圖中，只有當(dāng)鋼制工件通過簧片和電磁鐵之間時(shí)，簧片才會(huì)被磁化而接合，從而表達(dá)了有一件工件通過。這類開關(guān)，可用于探測(cè)物體有無、位置、尺寸、運(yùn)動(dòng)。

電阻式傳感器3.1電阻式傳感器

電阻式傳感器的基本原理是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)過相應(yīng)的測(cè)量電路顯示成被測(cè)量值的變化。按照工作原理可分為變阻器式傳感器和電阻應(yīng)變片式傳感器兩類。

工作原理

變阻器式傳感器通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

3.1.1變阻器式傳感器（

）

式中──電阻率；

──電阻絲長(zhǎng)度；

──電阻絲截面積。

如果電阻絲直徑和材質(zhì)一定時(shí)，則電阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而變化。式中電阻值單位為

。

3.1.2常見結(jié)構(gòu)常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等，如下圖所示。c.粘合劑和粘貼技術(shù)

選擇粘合劑必須適合應(yīng)變片材料和被測(cè)試件材料及環(huán)境。對(duì)粘合劑要求：（1）有一定的粘貼強(qiáng)度；（2）能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變；（3）有足夠的穩(wěn)定性能；（4）耐濕、耐油、耐老化、耐疲勞；（5）必須絕緣。將測(cè)件貼片位置除銹打光，使其面有比應(yīng)變片稍大的光滑面；定位劃線；粘貼應(yīng)變片，并壓合，使粘貼劑的厚度盡量減薄。粘貼工藝

金屬箔式應(yīng)變片是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵是用光刻技術(shù)制造，適于大批量生產(chǎn)。其線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。箔片厚約，體積小，靈敏度高，散熱條件好，允許大電流工作，蠕變小，壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)效率高。因此目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變片.

（2）金屬箔式應(yīng)變片，

半導(dǎo)體應(yīng)變片最簡(jiǎn)單的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用方法與金屬電阻應(yīng)變片相同，即粘貼在彈性元件或被測(cè)物體上，其電阻值隨被測(cè)試件的應(yīng)變而變化。（3）半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。從半導(dǎo)體物理特性可知，半導(dǎo)體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使其電阻率發(fā)生很大變化。分析表明，單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度的變化，從而引起電阻率的變化。

應(yīng)變片安裝在試件上后，在一定溫度下，其(ΔR/R)—ε的加載特性與卸載特性不重合。產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因：敏感柵、基底在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形所引起的。最好在新安裝應(yīng)變片后，做三次以上的加卸載循環(huán)后再正式測(cè)量。5.機(jī)械滯后零漂：粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性。蠕變：在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性。蠕變包含零漂，零漂是不加載的情況，蠕變是加載的情況。6.零漂與蠕變

對(duì)于已安裝好的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。

7.疲勞壽命8.電阻應(yīng)變片電橋電路

電阻應(yīng)變片應(yīng)用于力學(xué)量測(cè)量時(shí)，需要和電橋電路一起使用。

圖為輸出端接放大器的直流不平衡電橋的電路。第一橋臂接電阻應(yīng)變片R1，其它三個(gè)橋臂接固定電阻。當(dāng)應(yīng)變片R1未受應(yīng)變時(shí)，由于沒有阻值變化，電橋維持初始平衡條件。因而輸出電壓為零。A：橋臂電阻和電源電壓U決定的常數(shù)。假設(shè)：初始平衡條件；省去分母中的微量：輸出電壓正比于應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻變化值：

電阻應(yīng)變片的溫度誤差是指由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變，而給測(cè)量帶來的附加誤差。造成這種誤差的原因有兩個(gè)，一是敏感柵的本身存在溫度系數(shù)，當(dāng)溫度改變時(shí)，應(yīng)變片自身的標(biāo)稱阻值發(fā)生變化；其二是當(dāng)試件與敏感柵材料的熱膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，敏感柵會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻。

通常采用線路補(bǔ)償和應(yīng)變片的自補(bǔ)償法，對(duì)應(yīng)變片的溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

9.金屬電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償方法1.線路補(bǔ)償法

測(cè)量應(yīng)變時(shí)，檢測(cè)應(yīng)變片R1貼在被測(cè)試件的表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB貼在與被測(cè)試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，但補(bǔ)償塊不承受外作用力，僅檢測(cè)應(yīng)變片承受應(yīng)變。四、應(yīng)變式傳感器

由彈性元件、電阻應(yīng)變片及外殼等組裝而成的裝置，為應(yīng)變式傳感器。

應(yīng)變式傳感器與其它類型的力學(xué)傳感器相比,具有測(cè)試范圍寬、輸出特性線性好、精度高、性能穩(wěn)定、工作可靠并能在惡劣環(huán)境條件下工作的特點(diǎn)。應(yīng)變式傳感器可用于力、壓力、加速度等力學(xué)量的測(cè)量，因此，它被廣泛應(yīng)用于煤碳、化工、冶金、機(jī)械、交通及國(guó)防等許多部門。

把電阻應(yīng)變片貼在傳感器的彈性元件表面，當(dāng)彈性元件受力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，電阻應(yīng)變片便會(huì)感受到該變化而隨之產(chǎn)生應(yīng)變，并引起應(yīng)變片電阻的變化，即一、工作原理

從上式可知，金屬材料應(yīng)變系數(shù)為定值時(shí)，只要測(cè)量出應(yīng)變片的值，就知道應(yīng)變片的應(yīng)變值。如果知道彈性元件的彈性模量E，則可根據(jù)計(jì)算出外作用應(yīng)變力的大小。

在應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)中，一般是將四個(gè)電阻應(yīng)變片成對(duì)地橫向或縱向粘貼在彈性元件的表面，使應(yīng)變片分別感受到零件的壓縮和拉伸變形。通常四個(gè)應(yīng)變片接成電橋電路，可以從電橋的輸出中直接得到應(yīng)變量的大小，從而得知作用于彈性元件上的力。

1．筒式(圓柱、圓筒、方柱)彈性元件2．懸臂梁式彈性元件3．等強(qiáng)度懸臂梁式彈性元件

等強(qiáng)度懸臂梁是一種特殊形式的懸臂梁,其截面沿梁長(zhǎng)方向按一定規(guī)律變化。當(dāng)集中力F作用在自由端時(shí),距作用力任何距離截面上的應(yīng)力相等。4．兩端固定梁式彈性元件5．薄臂環(huán)式彈性元件

電容式傳感器4.1工作原理電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。

從物理學(xué)可知，由兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量為

式中

:——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)?！婵罩薪殡姵?shù)?！獦O板間距離；

——極板面積。

上式表明，當(dāng)被測(cè)量、或數(shù)值發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容C的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)變成電容量的變化。根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三類。在實(shí)際中，極距變化型與面積變化型的應(yīng)用較為廣泛。

(一)極距變化型

如果兩極板互相覆蓋面積及極板間介質(zhì)不變，則電容量C與極距呈非線性關(guān)系。當(dāng)極距有一微小變化量時(shí)，引起電容的變化量為

：極距為時(shí)的初始電容量。

存在著原理非線性，所以實(shí)際中常常作成差動(dòng)式來改善非線性。

考慮到極板的邊緣效應(yīng)，即極板邊沿電場(chǎng)的不均勻性。為消除其影響，采用了保護(hù)環(huán)。保護(hù)環(huán)與極板具有同一電位。這就把電極板間的邊緣效應(yīng)移到了保護(hù)環(huán)與極板2的邊緣。極板1與極板2之間的場(chǎng)強(qiáng)分布變得均勻了。(二)變面積型電容傳感器(1)直線位移型電容式傳感器

當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)△x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為電容因位移而產(chǎn)生的變化量為其靈敏度為可見,增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。

（2）變面積式電容傳感器的派生型

圖a是角位移型電容式傳感器。當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，此時(shí)電容值為

圖b中極板采用了鋸齒板，其目的是為了增加遮蓋面積，提高靈敏度。當(dāng)齒板極板的齒數(shù)為n，移動(dòng)△x后，其電容量為

其靈敏度為

由前面的分析可得出結(jié)論，變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即輸出與輸入呈線性關(guān)系。

在變面積型電容傳感器中，平板型結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，在實(shí)際中很常用。當(dāng)忽略線位移以及單組式的電容量C的邊緣效應(yīng)時(shí)：：外圓柱與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度。：外圓柱內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。當(dāng)兩圓柱相對(duì)移動(dòng)時(shí)，電容變化量為：這類傳感器具有良好的線性。（三）變介電常數(shù)型電容傳感器

變介電常數(shù)型電容傳感器用來測(cè)量電介質(zhì)的厚度，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣效應(yīng)，：兩固定極板間的距離，極筒重合部分的高度。：被測(cè)物的厚度、被測(cè)液面高度和它的介電常數(shù)。：固定極板長(zhǎng)度、寬度。被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度。：空氣的介電常數(shù)。：內(nèi)極筒外半徑和外極筒內(nèi)半徑。注意：電極之間的被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)電時(shí)，電極表面應(yīng)涂絕緣層（如0.1mm厚的聚四氟乙烯等）以防止電極間短路。4.2主要性能（1）靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度是被測(cè)量緩慢變化時(shí)，傳感器電容變化量與引起其變化的被測(cè)量變化之比。

(a).對(duì)于變極矩型：

靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，減少可以提高靈敏度。但過小，易導(dǎo)致電容器擊穿，可在極間加一層云母片，或塑料膜來改善電容器耐壓性能。(b).圓柱形變面積型電容式傳感器

靈敏度取決于，與越接近，靈敏度越高。雖然內(nèi)外筒原始覆蓋長(zhǎng)度與靈敏度無關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。（2）非線性

對(duì)變極距型電容式傳感器而言，當(dāng)極板間距

變化

時(shí)，其電容量隨之變化，輸出電容與被測(cè)量之間是非線性關(guān)系。因此常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，而且最大應(yīng)小于極板間距的1/5~1/10。

采用差動(dòng)形式，非線性得到很大的改善，靈敏度也提高了一倍。變面積型和變介電常數(shù)型電容器具有很好的效應(yīng)，但這需忽略邊緣效應(yīng)。

電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱較小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻式傳感器有電阻，易發(fā)熱產(chǎn)生溫漂。1.溫度穩(wěn)定性好4.3特點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)

電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度；可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量。

3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好

電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。

例如非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。

4.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)

電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的測(cè)量問題，例如測(cè)量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。（二）缺點(diǎn)

輸出阻抗高，負(fù)載能力差。易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)無法工作，必須采取屏蔽措施。（2）寄生電容影響大電容式傳感器的初始電容量很小，而連接傳感器和電子線路的的引線電纜電容，電子線路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定。4.4電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)1、減少環(huán)境溫度，濕度等變化所產(chǎn)生的誤差,保證絕緣材料的絕緣性能。溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而改變傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差并保證絕緣材料具有高的絕緣性能。

電容式傳感器的金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對(duì)減小邊緣效應(yīng)極為有利。

傳感器內(nèi)表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封，用以防塵、防潮。傳感器內(nèi)，電極的支架要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。

盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)幾近為零的電介質(zhì)，作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時(shí)，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。在可能的情況下，傳感器內(nèi)盡量采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。傳感器內(nèi)所有的零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。

2、消除和減少邊緣效應(yīng)適當(dāng)減少極間距。使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比很大?？梢詼p少邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿。電極應(yīng)做得很薄使之與極間距相比很小。在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。3、減小和消除寄生電容的影響

寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)影響傳感器精度，而它的變化則為虛假信號(hào)，影響傳感器的精度。為減小和消除它，采用如下方法：a.增加傳感器原始電容值。減小極片或極筒間的間距。增加工作面積或工作長(zhǎng)度來增加原始電容值。b.集成化將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，這樣寄生電容大為減小、變化也小，使傳感器工作穩(wěn)定。c.整體屏蔽將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。d.注意傳感器的接地和屏蔽采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。4.防止和減小外界干擾

電容式傳感器是高阻抗傳感元件，易受外界干擾的影響。當(dāng)外界干擾在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號(hào)一起輸送至測(cè)量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差，甚至使傳感器無法正常工作。（1）屏蔽和接地；（2）增加原始電容量，降低容抗；（3）采用同軸屏蔽電纜線；（4）盡可能一點(diǎn)接地；（5）盡量采用差動(dòng)式電容傳感器。4.6電容式傳感器的測(cè)量電路

電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路就是將電容式傳感器看成一個(gè)電容，并轉(zhuǎn)換成電壓或其他電量的電路。低頻：L,r忽略Ce=C0+CpRe≈Rg等效電路：高頻：Rg忽略Ce=C0+Cpre≈rgL：引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r:引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻；C0：傳感器本身的電容；Cp:引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；Rg:極間等效漏電阻。

在低頻時(shí)，傳感器電容的阻抗非常大，因此L和r的影響可以忽略。其等效電路可簡(jiǎn)化為圖b。在高頻時(shí)，傳感器電容的阻抗變小，因此L和r的影響不可忽略。其等效電路可簡(jiǎn)化為圖c。（二）測(cè)量電路橋式電路將電容傳感器作為電橋的一個(gè)橋臂，采用差動(dòng)式電容傳感器時(shí)，將兩個(gè)電容接入相鄰的兩臂上。調(diào)節(jié)電容C使橋路平衡，輸出電壓u0為零。當(dāng)傳感器電容Cx變化時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)和電容Cx成正比的電壓信號(hào)。ui為交流信號(hào)源，其幅度、頻率穩(wěn)定，波形一定。單臂接法差動(dòng)接法應(yīng)用

電感式傳感器

電感式傳感器是利用被測(cè)量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。因此根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。

自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。一、自感式電感傳感器的工作原理

（一）變間隙型電感傳感器變間隙型電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-1所示。

第一節(jié)自感式電感傳感器圖5–1變間隙式電感傳感器

傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時(shí)銜鐵與被測(cè)物體連接，被測(cè)物體的位移將引起空氣隙的長(zhǎng)度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。線圈的電感可用下式表示：

式中，N為線圈匝數(shù)；Rm為磁路總磁阻。(5-1)

對(duì)于變間隙式電感傳感器，如果忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為

式中，l1為鐵心磁路長(zhǎng)；l2為銜鐵磁路長(zhǎng)；S為截面積；μ1為鐵心磁導(dǎo)率；μ2為銜鐵磁導(dǎo)率；μ0為空氣磁導(dǎo)率；δ為空氣隙厚度。因此有：(5-2)(5-3)

一般情況下，導(dǎo)磁體的磁阻與空氣隙磁阻相比是很小的，因此線圈的電感值可近似地表示為：

(5-4)

由上式可以看出傳感器的電感值隨氣隙的增大而減小。為了避免非線性，氣隙的相對(duì)變化量要很小，但過小又將影響測(cè)量范圍，所以要兼顧考慮兩個(gè)方面。

（二）變面積型電感傳感器由變氣隙型電感傳感器可知，氣隙長(zhǎng)度不變，鐵心與銜鐵之間相對(duì)而言覆蓋面積隨被測(cè)量的變化面改變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖見下圖。

通過對(duì)式（5-4）的分析可知，線圈電感量L與氣隙厚度是非線性的，但與磁通截面積A卻是成正比，是一種線性關(guān)系。特性曲線參見圖5-3。

（三）螺管型電感式傳感器下圖為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。

設(shè)線圈長(zhǎng)度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為N、銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導(dǎo)率為μm，則線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度la的關(guān)系可表示為(5-5)

以上三種形式的電感式傳感器有如下特點(diǎn)：●變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大,且制作裝配比較困難.●

變面積型靈敏度較前者小,但線性較好,量程較大,使用比較廣泛.●

螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制作和批量生產(chǎn),是使用最廣泛的一種電感式傳感器.

(四)差動(dòng)電感傳感器在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器，這樣可以提高傳感器的靈敏度，減小測(cè)量誤差。圖5-5是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動(dòng)式電感傳感器。

差動(dòng)式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。二、自感式電感傳感器的測(cè)量電路交流電橋是電感式傳感器的主要測(cè)量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。前面已提到差動(dòng)式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。通常將傳感器作為電橋的兩個(gè)工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次側(cè)繞組或緊耦合電感線圈。圖5-6是交流電橋的常用形式。（一）電阻平衡臂電橋電阻平衡臂電橋如圖5-6所示。Z1、Z2為傳感器阻抗。R1’=R2’=R’;L1=L2=L;則有Z1=Z2=Z=R’+jwL,另有R1=R2=R。由于電橋工作臂是差動(dòng)形式，則在工作時(shí)，Z1=Z+△Z和Z2=Z-△Z，當(dāng)ZL→∞時(shí)，電橋的輸出電壓為

當(dāng)ωL＞＞R’時(shí)，上式可近似為：（5-7）由上式可以看出：交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對(duì)變化量是成正比的。（5-6）

一、差動(dòng)變壓器的工作原理差動(dòng)變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。這種類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測(cè)位移改變而變化。由于在使用時(shí)采用兩個(gè)二次繞組反向串接，以差動(dòng)方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。第二節(jié)差動(dòng)變壓器

差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路如圖5-8所示。圖U1為一次繞組激勵(lì)電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個(gè)二次繞組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個(gè)二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個(gè)二次繞組的有效電阻。

對(duì)于差動(dòng)變壓器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組互相相同，因而由一次激勵(lì)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同。由于兩個(gè)二次繞組反向串接，所以差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)為零。當(dāng)銜鐵移向二次繞組L21一邊，這時(shí)互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于二次繞組L22內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵移動(dòng)越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)就越大。同樣道理，當(dāng)銜鐵向二次繞組L22一邊移動(dòng)，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以輸出電動(dòng)勢(shì)反相。因此通過差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。

由圖5-8可以看出一次繞組的電流為：

(5-8)二次繞組的感應(yīng)動(dòng)勢(shì)為：

(5-9)由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動(dòng)勢(shì)為：

其有效值（5-10）（5-11）

差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線如圖5-9所示.圖中E21、E22分別為兩個(gè)二次繞組的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，E2為差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實(shí)線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實(shí)際的輸出特性。E0為零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)，這是由于差動(dòng)變壓器制作上的不對(duì)稱以及鐵心位置等因素所造成的。

零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的存在，使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，給測(cè)量帶來誤差，此值的大小是衡量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。

1）盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)磁路的對(duì)稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。

2）選用合適的測(cè)量電路，如采用交流電橋電路。既可判別銜鐵移動(dòng)方向又可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。

二、差動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)要點(diǎn)：3）采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。圖5-10是幾種減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電路。在差動(dòng)變壓器二側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)減小。

三、電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器主要用于測(cè)量微位移，凡是能轉(zhuǎn)換成位移量變化的參數(shù)，如壓力、力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位等都可以用電感式傳感器來進(jìn)行測(cè)量。

圖5-11是induNCDT系列位移傳感器的外形圖，它主要用于位移，振動(dòng)，轉(zhuǎn)速測(cè)量。傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里，其輸出信號(hào)與測(cè)量位移成正比。在傳感器測(cè)量量程內(nèi)線性精度優(yōu)于±2%。表5-1是induNCDT系列位移傳感器的主要技術(shù)參數(shù)。

圖5-11induNCDT系列位移傳感器的外形圖型號(hào)鐵磁材料IWS-4-M-CA3-U鋁IWS-3-A-CA3-U測(cè)量原理電感測(cè)量范圍鐵磁材料0.5～4.5mm鋁0.5～3.5mm起始間距0.5mm被測(cè)體直徑最小18mm線性度≦±2%靈敏度1V/mm靜態(tài)分辨率1μm信號(hào)輸出鐵磁材料0.5～4.5鋁0.5～3.5V極限頻率1KHZ工作溫度0～+85℃溫度穩(wěn)定性≦0.06%供電+12～+18V/7mA負(fù)載最小5KΩ保護(hù)等級(jí)IP65傳感器電纜長(zhǎng)3米表5-1induNCDT系列位移傳感器的主要技術(shù)參數(shù)

（二）JM□L電感式傳感器(接近開關(guān))

1．適用范圍：JM□L系列接近開關(guān)適用于交流50Hz，額定工作電壓90V~250V(除LM8L外)，直流額定工作電壓10V~30V的電路中，具有短路保護(hù)電路，起反連接保護(hù)電路之用。2．型號(hào)及其含義：

3．正常使用條件和安裝條件：(1)周圍空氣溫度不超過+70℃，周圍空氣溫度的下限為-25℃；(2)安裝地點(diǎn)的海拔不超過2000m；(3)大氣相對(duì)濕度在周圍空氣溫度為+70℃時(shí)不超過50%，在較低的溫度下可以允許有較高的相對(duì)濕度，例如在20℃時(shí)達(dá)90%，對(duì)由于溫度變化偶爾產(chǎn)生的凝露應(yīng)采取特殊的措施；(4)污染等級(jí)：3級(jí)。

4．主要技術(shù)參數(shù)：見表4-2所示。表4-2JM□L系列電感式傳感器的主要技術(shù)參數(shù)

5．安裝尺寸如圖5-12所示：

圖5-12JM□L系列電感式傳感器的安裝尺寸

圖5-13為測(cè)量振動(dòng)與加速度的電感傳感器結(jié)構(gòu)圖。銜鐵受振動(dòng)和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜鐵的位移大小反映了振動(dòng)的幅度和頻率以及加速度的大小。（三）振動(dòng)和加速度的測(cè)量（四）液位測(cè)量圖5-14是采用了電感式傳感器的沉筒式液位計(jì)。由于液位的變化，沉筒所受浮力也將產(chǎn)生變化，這一變化轉(zhuǎn)變成銜鐵的位移，從而改變了差動(dòng)變壓器的輸出電壓，這個(gè)輸出值反映了液位的變化值。

電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸地測(cè)量物體表面為金屬導(dǎo)體的多種物理量，如位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、硬度等參數(shù)。這種傳感器也可用于無損探傷。電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干擾能力強(qiáng)，特別是有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

第三節(jié)電渦流式傳感器一、電渦流式傳感器的工作原理當(dāng)通過金屬體的磁通發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器是利用渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進(jìn)行測(cè)量的。

如圖5-15所示，一個(gè)扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通有交變電流I1時(shí)，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。置于這一磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流I2，電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)H2，H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場(chǎng)，使通電線圈的有效阻抗發(fā)生變化。

一般講，線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)改變，而其余參數(shù)恒定不變，則阻抗就成為這個(gè)變化參數(shù)的單值函數(shù)。如其他參數(shù)不變，阻抗的變化就可以反映線圈到被測(cè)金屬導(dǎo)體間的距離大小變化。

我們可以把被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)，這樣就可得到如圖5-16的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L(zhǎng)2。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。根據(jù)等效電路可列出電路方程組：

(5-11)通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復(fù)阻抗為：

線圈的等效電感為

：

（5-12）（5-13）

由式（5-12）和（5-13）可以看出，線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感都是該系統(tǒng)互感平方的函數(shù)。而互感是隨線圈與金屬導(dǎo)體間距離的變化而改變的。

二、高頻反射式電渦流傳感器(測(cè)距離）這種傳感器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，主要由一個(gè)固定在框架上的扁平線圈組成。線圈可以粘貼在框架的端部，也可以繞在框架端部的槽內(nèi)。圖5-17為某種型號(hào)的高頻反射式電渦流傳感器。

三、低頻透射式電渦流傳感器（測(cè)厚度）這種傳感器采用低頻激勵(lì)，因而有較大的貫穿深度，適合于測(cè)量金屬材料的厚度。圖5-18為這種傳感器的原理圖和輸出特性。

傳感器包括發(fā)射線圈和接收線圈，并分別位于被測(cè)材料上、下方。由振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓u1加到發(fā)射線圈L1兩端，于是在接收線圈L2兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2，它的大小與u1的幅值、頻率以及兩個(gè)線圈的匝數(shù)、結(jié)構(gòu)和兩者的相對(duì)位置有關(guān)。若兩線圈間無金屬導(dǎo)體，則L1的磁力線能較多穿過L2，在L2上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓u2最大。如果在兩個(gè)線圈之間設(shè)置一金屬板，由于在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達(dá)線圈L2的磁力線減小，從而引起u2的下降。金屬板厚度越大，電渦流損耗越大，u2就越小?？梢?。可見u2的大小間接反映了金屬板的厚度。

線圈L2的感應(yīng)電壓與被測(cè)厚度的增大按負(fù)冪指數(shù)的規(guī)律減小，即：（5-14）式中，δ為被測(cè)金屬板厚度；t為貫穿深度，它與成正比，其中ρ為金屬板的電阻率，f為交變電磁場(chǎng)的頻率。為了較好地進(jìn)行厚度測(cè)量，激勵(lì)頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測(cè)厚度，不利于厚度測(cè)量，通常選1kHz左右。

一般地說，測(cè)薄金屬板時(shí)，頻率應(yīng)略高些，測(cè)厚金屬板時(shí)，頻率應(yīng)低些。在測(cè)量ρ較小的材料時(shí)，應(yīng)選較低的頻率（如500Hz），測(cè)量ρ較大的材料，則應(yīng)選用較高的頻率（如2kHz），從而保證在測(cè)量不同材料時(shí)能得到較好的線性和靈敏度。四、測(cè)量電路（一）電橋電路電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。傳感器線圈的阻抗作為電橋的橋臂，初始狀態(tài)時(shí)電橋平衡。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號(hào)進(jìn)行放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正比的輸出。電橋法主要用于兩個(gè)電渦流線圈組成的差動(dòng)式傳感器。

四個(gè)橋臂的阻抗分別為：

，

，和。初始狀態(tài)下電橋平衡即

。當(dāng)被測(cè)物體與線圈耦合時(shí)，使

、

發(fā)生變化，由的值可求出被測(cè)參數(shù)的變化量。

（二）諧振法。這種方法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路。

并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為:

；且諧振時(shí)回路的等效阻抗最大，等于；式中，R’為回路的等效損耗電阻。當(dāng)電感L發(fā)生變化時(shí)，回路的等效阻抗和諧振頻率都將隨L的變化而變化，因此可以利用測(cè)量回路阻抗的方法或測(cè)量回路諧振頻率的方法間接測(cè)出傳感器的被測(cè)值。

諧振法主要有調(diào)幅式電路和調(diào)頻式電路兩種基本形式。調(diào)幅式由于采用了石英晶體振蕩器，因此穩(wěn)定性較高，而調(diào)頻式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于遙測(cè)和數(shù)字顯示。

由圖中可以看出LC諧振回路由一個(gè)頻率及幅值穩(wěn)定的晶體振蕩器提供一個(gè)高頻信號(hào)激勵(lì)諧振回路。LC回路的輸出電壓為：

（5-14）

式中，i0為高頻激勵(lì)電流；Z為L(zhǎng)C回路的阻抗?？梢钥闯?，LC回路的阻抗Z越大，回路的輸出電壓越大。五、電渦流傳感器的應(yīng)用（一）測(cè)量位移電渦流傳感器可以測(cè)量各種形狀金屬零件的動(dòng)態(tài)位移，測(cè)量范圍可以為0～15μm,分辨率為0.05μm；或是0～500mm，分辨率可達(dá)0.1%。凡是可以變換為位移量的參數(shù)，都可用電渦流傳感器來測(cè)量。這種傳感器可用于測(cè)量汽輪機(jī)主軸的軸向竄動(dòng)、金屬件的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。（二）測(cè)量轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)體上裝一個(gè)金屬體，在其旁邊安裝一個(gè)電渦流傳感器。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)將周期地變化，通過記錄下的頻率可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速可用下式計(jì)算：

（r/min）；式中，n為槽數(shù)或齒數(shù)；f為頻率值（Hz）。圖5-19電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖

（三）測(cè)量厚度除低頻透射型電渦流傳感器可用于測(cè)量厚度外，高頻反射型電渦流傳感器也可用來測(cè)量厚度。由圖中可知板厚δ=x-(x1+x2），當(dāng)兩個(gè)傳感器在工作時(shí)分別測(cè)得x1、x2,并轉(zhuǎn)換成電壓值相加，相加后的電壓值再與兩傳感器間距離相應(yīng)的給定電壓值相減，就可得到與板厚相對(duì)應(yīng)的電壓值。圖5-20高頻反射式渦流測(cè)厚儀測(cè)試系統(tǒng)圖（四）溫度測(cè)量金屬材料的電阻率隨溫度的變化而變化，若能測(cè)出電阻率隨溫度的變化，就可求得相應(yīng)溫度值。利用電渦流傳感器，保持線圈的幾何參數(shù)、電源頻率、磁導(dǎo)率以及線圈與被測(cè)體之間的距離等不變，則傳感器的輸出只與被測(cè)體的電阻率變化有關(guān)，即可間接測(cè)得溫度的變化。（五）測(cè)量振動(dòng)電渦流傳感器可無接觸地測(cè)量各種振動(dòng)的幅值，如用來監(jiān)控汽輪機(jī)主要方向的振動(dòng)。在研究軸的振動(dòng)時(shí)可以用多個(gè)傳感器測(cè)量出軸的振動(dòng)形狀。（六）其他用途電渦流傳感器還可用于作接近開關(guān)、記數(shù)、尺寸檢測(cè)以及探傷用。

壓電式傳感器

6.1壓電效應(yīng)及壓電材料

某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。

相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖6-1所示。

圖6-1壓電效應(yīng)可逆性

在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。

6.1.1石英晶體石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。圖6-2（a）表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。圖6-2石英晶體(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片圖6-3石英晶體壓電模型(a)不受力時(shí)；(b)x軸方向受力；(c)y軸方向受力6.1.2壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì),如圖6-4（a）所示。

圖6-4壓電陶瓷的極化(a)未極化

在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向發(fā)生改變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性,如圖6-4（b）所示。圖6-4壓電陶瓷的極化(b)電極化

6.1.3壓電式傳感器壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)這個(gè)特性，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測(cè)量回路一定的電流，故適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。圖6-5壓電元件連接方式(a)相同極性端粘結(jié)；(b)不同極性端粘結(jié)單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。壓電元件的并聯(lián)和串聯(lián)

并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。+

并聯(lián)-

▲

宜用作電荷輸出

并接時(shí)輸出電荷q=

q1+q2。故q較大

▲宜用作測(cè)低頻緩變信號(hào)

并接時(shí)等效電容c=c1+c2

τ=R（c1+c2）

電荷靈敏度提高注意并聯(lián)的接法構(gòu)成RC串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。

+

串聯(lián)宜用作電壓輸出

串接時(shí)輸出電壓e=e1+e2，故e較大宜用作測(cè)高頻信號(hào)

串接時(shí)等效電容

注意串聯(lián)的接法電壓靈敏度提高_(dá)圖6-6壓電元件變形方式(a)厚度變形(

TE

);(b)長(zhǎng)度變形(

LE

)；(c)體積變形(

VE

)；(d)面切變形(

FS

)；(e)剪切變形(

TS

)6.2壓電式傳感器測(cè)量電路

6.2.1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)電荷發(fā)生器。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)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為圖6-7壓電元件的等效電路（a）電壓源;（b）電荷源

壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri,輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣，壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路，如圖6-8所示。

圖6-8壓電傳感器的實(shí)際等效電路（a）電壓源;（b）電荷源6.2.2壓電式傳感器的測(cè)量電路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(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。1.電壓放大器（阻抗變換器）圖6-9（a）、(b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。

圖6-9電壓放大器電路原理及其等效電路圖（a）放大器電路;（b）等效電路

2.電荷放大器電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cr和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。式中：uo——放大器輸出電壓；ud——反饋電容兩端電壓。

圖6-10電荷放大器等效電路6.3壓電式傳感器的應(yīng)用6.3.1壓電式測(cè)力傳感器圖6-11是壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。

圖6-11壓力式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖

6.3.2壓電式加速度傳感器圖6-12是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。

圖6-12壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

6.3.3壓電式金屬加工切削力測(cè)量

圖6-13是利用壓電陶瓷傳感器測(cè)量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)，切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，記錄下電信號(hào)的變化便可測(cè)得切削力的變化。圖6-13壓電式刀具切削力測(cè)量示意圖

6.3.4壓電式玻璃破碎報(bào)警器

BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。

BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)部電路如圖6-14所示。傳感器的最小輸出電壓為100mV，最大輸出電壓為100V，內(nèi)阻抗為15~20kΩ。圖6-14BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器（a）外形;（b）內(nèi)部電路圖6-15壓電式玻璃破碎報(bào)警器電路框圖

產(chǎn)品壓力變送器力傳感器案例：飛機(jī)模態(tài)分析壓電式傳感器的應(yīng)用

磁電式傳感器

7.1磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。7.1.1磁電感應(yīng)式傳感器工作原理

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)中，沿垂直磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為:磁通B：工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度：每匝線圈的平均強(qiáng)度：運(yùn)動(dòng)速度(7.1)

當(dāng)一個(gè)W匝線圈相對(duì)靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率dφ/dt有如下關(guān)系：

根據(jù)以上原理，人們?cè)O(shè)計(jì)出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：恒磁通式和變磁通式。(7.2)圖7-1恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）動(dòng)圈式；(b)動(dòng)鐵式

磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），動(dòng)圈式（圖7-1（a））和動(dòng)鐵式（圖7-1(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大，當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì).

圖7.2是變磁通式磁電傳感器，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。（a)圖為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪上齒數(shù)的乘積。1.永久磁鐵2.軟鐵3.線圈4.測(cè)量齒輪5.被測(cè)旋轉(zhuǎn)體圖7.2變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

(a)開磁路

（b)圖為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

(b)閉磁路1.永久磁鐵3.線圈5.內(nèi)齒輪

6.外齒輪7.轉(zhuǎn)軸7.1.2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，如圖7.3所示，磁電傳感器的輸出電流Io為靈敏度為圖7.3磁電式傳感器測(cè)量電路(7.3)(7.4)而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為

當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其相對(duì)誤差為

(7.4)(7.5)(7.6)

1.非線性誤差磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是：由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通φI，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化,如圖7.4所示。

圖7.4傳感器電流的磁場(chǎng)效應(yīng)

當(dāng)傳感器線圈相對(duì)于永久磁