傳感器與檢測技術(shù)教案1-7

傳感器與檢測技術(shù)

傳感器與檢測技術(shù)

第一章概述

傳感器：是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或

裝置。

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。

①敏感元件：是直接感受被測物理量，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）。

②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。

③基本轉(zhuǎn)換電路：是將該電信號轉(zhuǎn)換成便于傳輸，處理的電量。

大多數(shù)傳感器為開環(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.按被測量對象分類：

（D內(nèi)部信息傳感器：主要檢測系統(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：主要檢測系統(tǒng)的外部環(huán)境狀態(tài)，它有相對應(yīng)的接觸

式（觸覺傳感器、滑動覺傳感器、壓覺傳感器）和非接觸式（視覺傳感器、超

聲測距、激光測距）。

2.傳感器按工作機(jī)理：

（1）物性型傳感f皂利用某種性質(zhì)隨被測參數(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)中場的定律和運(yùn)動定律等構(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.按被測物理量分類

如位移傳感器用于測量位移，溫度傳感器用于測量溫度。

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）無源型:不需外加電源，而是將被測量的相關(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■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.按輸出信號的性質(zhì)分類：

（1）開關(guān)型（二值型）：是“1”和“0”或開（0N）和關(guān)（OFF）；

（2）模擬型：輸出是與輸入物理量變換相對應(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：①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)器可對輸入量進(jìn)行計(jì)數(shù)；②代碼型（又

稱編碼型）:輸出的信號是數(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。

開關(guān)型（二值型）：包括接觸型（微動開關(guān)、行程開關(guān)、接觸開關(guān)）、非

接觸型（光電開關(guān)、接近開關(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+計(jì)數(shù)器）、代碼型（回轉(zhuǎn)編碼器、

f慈尺）。

傳感器分類

轉(zhuǎn)換中間轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱典型應(yīng)用

衫式

移動電位器觸點(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)變傳感器微應(yīng)變、力、負(fù)荷

電熱絲傳感器氣流速度、液體流量

電利用電阻的溫度效應(yīng)（電阻溫度系數(shù)）電阻溫度傳感器溫度、熱輻射

阻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)

參

利用電阻的濕度效應(yīng)濕敏電阻濕度

電改變電容的幾何尺寸力、壓力、負(fù)荷、位移

電容傳感器

數(shù)容改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量

改變磁路的幾何尺寸、導(dǎo)磁體位置電感傳感器位移

電

渦流去磁效應(yīng)渦流傳感器位移、厚度、硬度

感

利用壓磁效應(yīng)壓磁傳感器力、壓力'扭矩

電差動變壓器位移

電

改變互感自整角機(jī)位移

感

旋轉(zhuǎn)變壓器位移

參

頊振弦式傳感器壓力、力

改變諧振回路中的固有參數(shù)

率振筒式傳感器氣壓

數(shù)石英諧振傳感器力、溫度等

利用莫爾條紋光柵

計(jì)

改變互感感應(yīng)同步器大角位移'大直線位移

數(shù)

利用拾磁信號磁柵

數(shù)字利用數(shù)字編碼角度編碼器大角位移

溫差電動勢熱電偶溫度、熱流

電

霍爾效應(yīng)霍爾傳感器磁通、電流、壓力

電動

電磁感應(yīng)磁電傳感器速度、加速度

勢

北電效應(yīng)九電池光強(qiáng)

量

電輻射電離電離室離子計(jì)數(shù)、放射性強(qiáng)度

荷壓電效應(yīng)壓電傳感器動態(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△之間的關(guān)系，有靜態(tài)特性和動態(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.傳感器的動態(tài)特性

是指傳感器的輸出量對于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性，簡稱動特性。

取決于傳感器的本身及輸入信號的形式。

傳感器按其傳遞、轉(zhuǎn)換信息的形式可分為①接觸式環(huán)節(jié)；②模擬環(huán)節(jié)；③

數(shù)字環(huán)節(jié)，其中最薄弱環(huán)節(jié)的動態(tài)特性即為該傳感器的動態(tài)特性。

評定其動態(tài)特性的輸入信號：正弦周期信號、階躍信號。

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)長期工作穩(wěn)定，抗腐蝕性好；

5）抗干擾能力強(qiáng)；

6）動態(tài)性能良好。

7）結(jié)構(gòu)簡單、小巧，使用維護(hù)方便，通用性強(qiáng)，功耗低等。

傳感檢測技術(shù)的地位和作用

1.地位

傳感檢測技術(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）o

基本特性的評價(jià)指標(biāo)與選用原則

1.測■范圍:是指傳感器在允許誤差限內(nèi)，其被測量值的范圍；

?程:是指傳感器在測量范圍內(nèi)上限值和下限值之差。

過載能力: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，

傳感器允許超過其測量范圍的能力。過載能力通常用允許超過測量上限或下限

的被測量值與量程的百分比表示。

2.靈敏度:是指傳感器輸出量的變化量與引起此變化的輸入量的變化AX

之比。系統(tǒng)總靈敏度K”等于各環(huán)節(jié)靈敏度勺的乘積，K0=kh

靈敏度表示傳感器或傳感檢測系統(tǒng)對被測物理量變化的反應(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,即被測量稍有微

小變化，傳感器就有較大輸出。K值越大，對外界反應(yīng)越強(qiáng)。過高的靈敏度會

影響其適用的測量范圍。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△小”與理論量程輸出值Y(=ymax—

ymin)的百分比進(jìn)行計(jì)算。

8.=包」100%

LY

4重復(fù)性:

是衡量在同一工作條件下,對同一被測量進(jìn)行多次連續(xù)測量所得結(jié)具之間的

不一致程度的指標(biāo)；(分散范圍小，重復(fù)性越好)

5.穩(wěn)定性

在相同條件，相當(dāng)長時(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)間和坯境。

電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會影響其絕緣性；溫度影響其零漂，零漂是指還沒

輸入時(shí)，輸出值隨時(shí)間變化而變化。長期使用會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。

6、精確度:

簡稱精度，它表示傳感器的輸出結(jié)果與被測量的實(shí)際值之間的符合程度，

是測量值的精密程度與準(zhǔn)確程度的綜合反映。

7.先魅力是指傳感器能檢出被測量的最小變化量。

8、動態(tài)特性：反映了傳感器對于隨時(shí)間變化的動態(tài)量的響應(yīng)特性。傳感器的響

應(yīng)特性必須在所測頻率范圍內(nèi)努力保持丕失型惺條件，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。結(jié)構(gòu)型傳感器，固有頻率低。

在動態(tài)測量中，響應(yīng)特性對測試結(jié)果有直接影響。頻域內(nèi)，采用正弦輸

入信號分析傳感器檢測系統(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)對階躍信號的瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間、上升時(shí)間等來分析系統(tǒng)

的動態(tài)特性。

9.環(huán)境參數(shù)

指傳感器允許使用的工作溫度范圍以及環(huán)境壓力、環(huán)境振動和沖擊等引起

的環(huán)境壓力誤差、環(huán)境振動誤差和沖擊誤差。

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程。

2、血隹是指傳感器在使用前或使用過程中或擱置一段時(shí)間再使用時(shí)，必須對其

性能參數(shù)進(jìn)行復(fù)測或作必要的調(diào)整與修正，以確保傳感器的測量精度。

3、標(biāo)定系統(tǒng)的組成:

①被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器或被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)；

②待標(biāo)定傳感器；

③它所配接的信號調(diào)節(jié)顯示、記錄器等。

4、跡標(biāo)定是給傳感器輸入已知不變的標(biāo)準(zhǔn)非電量，測出其輸出，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。

對標(biāo)定設(shè)備要求：

①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，并且應(yīng)

符合國家計(jì)量值傳遞的規(guī)定；

②量程范圍應(yīng)與被標(biāo)定傳感器的量程相適應(yīng)；

③性能穩(wěn)定可靠，使用方便，能適應(yīng)多種環(huán)境。

5.動態(tài)標(biāo)定

通過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。

動態(tài)標(biāo)定的目的是檢驗(yàn)測試傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。

常用的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)激勵設(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、壓力傳感器的動態(tài)標(biāo)定）。

振幅測量法為絕對標(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：與動態(tài)特性已知已知的標(biāo)準(zhǔn)傳感器同時(shí)測量同一個(gè)被測量。

傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展方向

1.開發(fā)新型傳感器。

①利用新材料制作傳感器；

②利用新加工技術(shù)制作傳感器；

③采用新原理制作傳感器。

2.傳感檢測技術(shù)的智能化：

傳感檢測系統(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：①自動調(diào)零和自動校準(zhǔn)；②自動量程轉(zhuǎn)換；③自動選擇功能；④自

動數(shù)據(jù)處理和誤差修正；⑤自動定時(shí)測量；⑥自動故障診斷。

3.復(fù)合傳感器

能同時(shí)檢測幾種物理量具有復(fù)合檢測功能的傳感器。多信息融合技術(shù)。

4.研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。

目前研究的生物傳感器中有酶傳感器、微生物傳感器等。生物傳感器與微

電子技術(shù)相結(jié)合，將開創(chuàng)人造器官的新時(shí)代。

第二章位移檢測傳感器

1、位移可分為線位移和角位移兩種。測量位移常用的方法有：機(jī)械法,光測

去電測法。

電測法：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)后接測量儀器

進(jìn)一步變換完成對位移檢測的一種方法。

位移測試系統(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?

(1)參量型位移傳感器：將被測位移轉(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：將被測位移轉(zhuǎn)換為電源性參量，如電動勢、電荷等;

(3)大位移傳感器：

參量型位移傳感器

2.1.1電阻式位移傳感器

R=p—

S

電位計(jì)：被測量使L變化

應(yīng)變片：被測量使三者均變化

1.電位計(jì)

1)工作原理⑻：由骨架、電阻元件(線繞電阻、薄膜電阻、導(dǎo)中.塑料)、電

刷等組成，電刷相對于電阻元件運(yùn)動(直線運(yùn)動、轉(zhuǎn)動或螺旋運(yùn)動)，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

R

R、=/X=KRX

a——電阻靈敏度，輸出電阻與被測位移之比同；

輸出空載電壓⑹

U.?

U0=-^x=KuX

?！妷红`敏度，輸出電壓與被測位移之比囚；

理想線性電位計(jì)：K八時(shí)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/dxo

2)選用?

(1)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號大，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、角位移等測量。

2.電阻應(yīng)變式位移傳感器

工作原理:被測位移引起應(yīng)變元件產(chǎn)生應(yīng)變，經(jīng)后續(xù)電路變換成電信號，從

而測出被測位移。

2.1.2電容式位移傳感器

1.工作原理同

/

電力線

平行板電容器

cW

8

被測量(線位移或角位移)使2、S、(5中任何一個(gè)參數(shù)變化，都會引起電容

式傳感器的電容量發(fā)生變化，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q電路，將電容量的變化轉(zhuǎn)換為

電信號，從而實(shí)現(xiàn)被測量的測量。

2.特點(diǎn)：

(1)封閉形式或開放形式下工作；

(2)對輸入能量的要求低，動態(tài)響應(yīng)特性好；

(3)介質(zhì)損耗小，本身發(fā)熱影響小，而使其能在高頻范圍內(nèi)工作；

(4)構(gòu)件和連接電纜會引起泄露電容，造成測量誤差；

3.分類

1)變極距型的電容位移傳感器

靈敏度⑹

..ACeS

K=----=—7

\382

特點(diǎn)和應(yīng)用⑻

⑴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)用于小位移測量：K近似為常數(shù)；

(3)差動電容：差動連接可改善線性度及提高靈敏度間；

2)變極板面積型電容位移傳感器

(1)特點(diǎn)和應(yīng)用⑻

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

量；

(2)分類:

圓筒型電容位移傳感器

ACxr.ACC()

CoIxI

角位移型平板電容位移傳感器

AC0“ACa

——=—=K=——=—

Co7197C

3)變介質(zhì)型電容式傳感器⑹

被測量(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，從而實(shí)現(xiàn)測量。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)(測量液面高度)

△C_(2一0=K=小。-(邑一_常數(shù)

%￡}h

電容式介質(zhì)厚度傳感器

C=2()s

~d-S+8/￡r

C和介質(zhì)厚度5以及介質(zhì)的介電常數(shù)a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)展來的，由固定容柵和可動容柵

形成很多對電容，它們相對移動時(shí)，每對電容面積發(fā)生變化，因而電容值隨之

變化，從而可測出線位移或角位移。

(2)分類和電容量的計(jì)算⑷

長容柵

「cnabeab

C=-------=n--

maxg5

"一可動容柵的柵極數(shù)；

外?為柵極的寬度、長度

被測位移使。發(fā)生變化；

圓容柵

sa(R2-r)

C=n-------

max26

R、〃一柵極外半徑和內(nèi)半徑(m),

a—每條柵極所對應(yīng)得圓心角(rad)o

被測位移使重疊角在之間發(fā)生變化；

(3)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，還會使電容

位移傳感器的輸出產(chǎn)生緩慢的雯J遍整；

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)、幾何尺寸的長期穩(wěn)定性

和低的吸潮性；

（3）通常對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)；

（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和交

變磁場的干擾。

2.1.3電感式位移傳感器

將被測物理量位移轉(zhuǎn)化為自感L,互感M的變化，并通過測量電感量的變

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)網(wǎng)

纏繞在鐵心的線圈中通以交變電流i,產(chǎn)生磁通①m,形成磁通回路c線圈的

自感L計(jì)算公式為⑻

工作原理內(nèi)：被測量（如位移）使線圈的自感L發(fā)生變化，于是線圈中的交

變電流就會變化。

（1）變氣隙型：5變，其余不變；

L與5的關(guān)系呈非線性；(x2=>31=Rn]=>LiJ)

解決辦法：只用于小位移測量；差動式連接；

（2）變面積型：S。變，其余不變;

（2）螺管型：4變,其余不變；

I：鐵心與銜鐵的導(dǎo)磁長度（m）；u：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（■）;6：氣隙厚度（m）；u。：真空磁導(dǎo)率（H/m）；So：氣隙

導(dǎo)磁橫截面積（RO。

2）改善其性能考慮的因素

1）損耗問題；

2）氣隙邊緣效應(yīng)的影響，

3）溫度誤差，

4）差動式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電壓問題。

2.互感式位移傳感器（差動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)通過交變電流3時(shí)，在二次側(cè)上將感生感應(yīng)電動勢￡

E二=-bM—裾L

dt

M一互感系數(shù)，與兩線圈之間相對位置及周圍介質(zhì)導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。

工作原理明將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)"的變化

2）差動變壓器式位移傳感器

常采用差動連接（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)〃〃2；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)殘壓造成測量誤差?？?/p>

調(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

屬置于變化的磁場中或在磁場中運(yùn)動時(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P、磁導(dǎo)率U、厚度t以及線圈與金屬體的

距離X、線圈的激勵電流強(qiáng)度i、角頻率3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導(dǎo)電物組成，線圈使被測導(dǎo)電物體上產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)

生的磁場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導(dǎo)電物體組成，被測物體

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)簡單，易于進(jìn)行非接觸測量，靈敏度高，應(yīng)用廣泛，可測位移、厚度、

振動等。測量范圍小，毫米級；分辨力可達(dá)〃m級。

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）是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電源性參量。

如：電動勢、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。

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)用途可分為這磁柵和圓磁柵位移傳感器，分別用于測量線位整和角位

贅。

2.工作原理

1）由磁尺和磁頭組成，磁尺被錄音磁頭按長度方向記錄一周期信號，磁尺上剩

磁的圖形排成SN、NS狀態(tài)。測量時(shí)利用重放磁頭將記錄信號還原。

2）磁頭分動態(tài)（速度磁頭）和靜態(tài)（磁通響應(yīng)式磁頭）。

動態(tài)磁頭：只有一個(gè)繞組，當(dāng)磁頭沿磁尺相對運(yùn)動時(shí)，輸出正弦波，在N、N

重疊處輸出正信號最強(qiáng)，在S、S重疊處負(fù)信號最強(qiáng)。

靜態(tài)磁頭：磁頭由勵磁繞組和輸出繞組組成，在勵磁繞組中輸入高頻勵磁電

壓信號；當(dāng)磁頭不動時(shí)，輸出繞組輸出一等幅的正弦或余弦電壓信號，其頻率

仍為勵磁電壓的頻率，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)±m(xù)m/叫分辨率達(dá)1?5口明磁信號的均勻性

和穩(wěn)定性對磁柵式位移傳感器的測量精度影響較大。

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W）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）。

光柵條紋密度有25條/mm,50條/mm,100條/mm或更密；柵線長度6?12

mm.

2.光柵式位移傳感器的種類

有測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵。

3.長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。

⑴標(biāo)尺光柵（不動，長度由所需量程決定）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^W/0O

⑵當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向相對移動一個(gè)柵距W,莫爾條紋移動一個(gè)條紋間

距

⑶光柵運(yùn)動方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動方向也作相應(yīng)改變;

⑷光柵條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動按正弦規(guī)律變化。

⑸利用光電元件檢測出莫爾條紋移動的條紋數(shù)和方向，測出光柵移動的距離

和方向，實(shí)現(xiàn)位移的檢測。

⑹測長精度可達(dá)?3口叫分辨率達(dá)um.

4.光學(xué)系統(tǒng)

透射式光路（柵）；反射式光路（柵）

5.圓光柵

動光柵相對于靜光柵轉(zhuǎn)動，將轉(zhuǎn)動的角度量變換成莫爾條紋信號，通過光電

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。

用于角度測量，精度可達(dá)0.15二分辨力可達(dá)0.1”，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90°）組成，兩者平

面平行相對，間距為~0.25mm。當(dāng)滑尺的兩組繞組用交流電激勵時(shí)，由于電磁感

應(yīng)，在定尺的繞組中會產(chǎn)生與激勵電壓同頻率的交變感應(yīng)電動勢Eo當(dāng)滑尺相

對定尺移動時(shí)，改變了通過定尺繞組的磁通，從而改變了定尺繞組中輸出的感

應(yīng)電動勢EoE的變化反映了定、滑尺間的相對位移，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，因此可測角位移。

根據(jù)對滑尺的正、余弦繞組供給勵磁電壓方式的不同，又分為鑒相和鑒幅

型測試系統(tǒng)。

鑒相：定尺輸出電壓的相位。與相對移動位移X成比例；

鑒幅：定尺輸出電壓的幅值A(chǔ)相對移動位移X成比例；

3.特點(diǎn)

①精度較高，對環(huán)境要求低，可測大位移；

②工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)簡單，壽命長；

③對局部誤差有平均化作用。

2.3.4激光式位移傳感器（考綱沒有要求）

1.結(jié)構(gòu)

由激光器、光學(xué)元件、光電轉(zhuǎn)換元件組成激光測試系統(tǒng)，將被測位移量轉(zhuǎn)

化成電信號。

2.特點(diǎn)

精度高，測量范圍大、測試時(shí)間短、非接觸、易數(shù)字化、效率高。

3.激光干涉測長技術(shù)用途

①精密長度測量（磁尺、感應(yīng)同步器、光柵檢定）；

②精密機(jī)床位移檢測與校正；

③集成電路制作中的精密定位。

4.常用的激光干涉測長傳感器

①單頻激光干涉?zhèn)鞲衅鳎?/p>

②雙頻激光干涉?zhèn)鞲衅鳌?/p>

第三章力、扭矩和壓力傳感器

測力傳感器

分類方式和種類

測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。

參量型測力傳感器：電阻應(yīng)變式、電容式、電感式等；

發(fā)電型測力傳感器：壓電式、壓磁式。

3.1.1電阻式應(yīng)變測力傳感器

1.電阻式應(yīng)變測力傳感器工作原理

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。（再送入測量放大電路測量，最后利用標(biāo)稱的電壓（電流）和力之間

的對應(yīng)關(guān)系，測出力的大小或經(jīng)換算得到被測力。）

2.彈性元件

有柱型、薄壁環(huán)型和梁型

1）柱型彈性元件

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m?；

2）薄壁環(huán)型彈性元件

圓環(huán)受拉之后，承受的彎矩

M=bK）（0.318—0.5cos°）

Ro——環(huán)的平均半徑叫

?！獢嗝娴淖鴺?biāo)角，

M——坐標(biāo)角0斷面處的彎矩N?m

3）梁型彈性元件

懸臂梁式、兩端固定梁式

應(yīng)變值分別是：￡=6FI/Ebh2,8=3FI/4Ebh2

I、b、h分別是長度、寬度、厚度明

3.應(yīng)變片

是非電量電測中一種常見的轉(zhuǎn)換元件。由于應(yīng)變片使用簡單，測量精度高,

體積小，動態(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

R=p—

S

dR_dLdSdp

~R~~L~~S~p

—=(1+2〃)￡+7TLES

對金屬應(yīng)變片：

—=(1+24)￡=Ke

K=l+2〃——金屬應(yīng)變片靈敏度系數(shù)(工比較小)。

對半導(dǎo)體應(yīng)變片：

=7^LE￡=KE

K=%E——半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度系數(shù)(比金屬應(yīng)變片的大50~70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)對金屬絲的要求

(a)具有較高的電阻系數(shù)(單位長度的電阻要大)；

(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)變測量范圍；

(e)良好的加工性和焊接性；

(f)對銅的熱電動勢要小。

(3)對底基的要求(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?/p>

(b)厚度20?50um之間,

(常用底基:紙基、膠基、玻璃纖維布基)。

紙基制作簡單,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)100℃?300℃。用酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯等固化后制

成。

玻璃纖維布基：制作的底基能耐400℃?500℃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(3~5)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。敏感柵制成圓魚彩柵，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，允許通過較大的電流，靈敏度較高，

輸出信號功率比較大，為絲式電阻應(yīng)變片的100~400倍；

(3)箔式敏感柵的尺寸可以做的很準(zhǔn)確，基長可以很短，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，適用于需要大信號輸出的場合；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C

4.應(yīng)變片的布置和接橋方式

應(yīng)根據(jù)測量目的、對載荷分布的估計(jì)以及在復(fù)合載荷下測量應(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U0=0,RR=RzRD

工作方式單臂雙臂四臂

應(yīng)變片所在位置RiRi,R2Ri?R2,R3,R4

輸出電壓uo1/4UiKE1/2UiKEUiKE

5.應(yīng)變式測力傳感器舉例

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廠作用而變形時(shí)，在其相應(yīng)

的兩個(gè)相對表面產(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)象稱之正壓電效應(yīng)。電荷的極性取決于變形的形式。

Q=KF

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，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)

械變形，當(dāng)外電場撤去后，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、鈦酸鋼壓電陶瓷、鋅鈦酸鋁系壓電陶瓷（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：單片式、兩片串聯(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。的電容器（電荷源）或內(nèi)阻為為Q的電壓源。

電容量

o

壓電元件兩端電壓

U=—

Ca

2）前置放大器

（1）壓電元件的輸出很微弱，電容Q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，并把高阻抗變換為

低阻抗輸出（目的是減少負(fù)載效應(yīng)）o

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

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：單分量和多分量）。

⑵壓電式力傳感器的選用原則：

量程和頻帶的選擇：

估計(jì)被測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：

測量準(zhǔn)靜態(tài)力（低頻）信號，要求電荷放大器輸入阻抗高于ICT?。，低頻

響應(yīng)為。

電纜選擇：

選用受振動、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一次側(cè)繞組、二次側(cè)繞組組成(圖373)。

(2)在一次側(cè)繞組通過交變勵磁電流時(shí)，鐵心中產(chǎn)生磁場。壓磁元件不受力

時(shí)，磁力線呈軸對稱分布，磁力線不與二次側(cè)繞組交鏈，故二次側(cè)繞組不會感

應(yīng)出電動勢。

(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，故就會在二次側(cè)繞組中感應(yīng)出感應(yīng)電動勢。外力越大，磁力線交鏈

越多，二次側(cè)繞組中感應(yīng)的電動勢愈大。

(4)經(jīng)測量電路將電動勢轉(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。

扭矩傳感器

轉(zhuǎn)矩：使物體轉(zhuǎn)動或扭轉(zhuǎn)變形的力偶或力矩，又稱扭矩(扭轉(zhuǎn)力矩)。單位是

牛頓，米(N?m)o

3.2.1電阻應(yīng)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

片就會產(chǎn)生應(yīng)變，從而測出該扭矩。

(3)應(yīng)變片也可貼在一根特制彈性傳動軸上，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)動中軸體上的電信號與固定測量電路裝置相聯(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)簡單，堅(jiān)固耐用，維修方便；但它的接觸電阻易受振動影響而

波動，影響到測量精度。

(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，對人體有毒害，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)部分的電信號耦合到固定部分上，去掉

了各種接觸點(diǎn)，因而稱無接觸集流裝置，也稱變壓器式集流裝置

特點(diǎn)：無接觸電阻的影響，體積小慣性也小，但易受外電磁場的干擾。

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，線圈通交流激勵電流i,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，通過測量電路測量感抗的變化可確定扭矩。

3.2.3電容式扭矩測量儀

1.工作原理

利用機(jī)械結(jié)構(gòu)，將軸受扭矩作用后的兩端相對轉(zhuǎn)角變化變換成電容器兩極

板之間的相對有效面積的變化，引起電容量的變化來測量扭矩。

TaS:nC】

2.電容式扭矩傳感器(圖3-22)

軸承受扭矩時(shí)，開孔金屬圓盤4、5產(chǎn)生相對角位移，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光電式扭矩測量儀

1.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)開孔圓盤上透光孔重合，光源穿過開孔圓盤的透

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，微安表的指示正好與扭矩值成反比

關(guān)系。

2.特點(diǎn)：

工作轉(zhuǎn)速為(100^800)r/min,測量精度為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。

⑴軸的扭矩使鋼弦的張力發(fā)生變化。

⑵鋼弦的張力變化使得鋼弦的固有頻率發(fā)生變化。

⑶測量出鋼弦的振動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)線長達(dá)幾百米到幾千米，測量精度可達(dá)±1%。但結(jié)構(gòu)

復(fù)雜。

壓力傳感器

壓力（壓強(qiáng)）：作用在單位面積上的力，Pa（N/m2）

F

p=—

S

絕對壓力〃絕：作用于單位面積上的全部壓力（以絕對真空為參考基準(zhǔn)）。

表壓力：〃=p絕-Po，相對壓力；

真空度：Pf=Pu—P絕，

3.3.1液柱式壓力轉(zhuǎn)換原理（考綱中沒做要求）

利用液柱產(chǎn)生的壓力與被測介質(zhì)壓力相堊衡的原理進(jìn)行測壓;

U形管液柱壓力計(jì)：P|=pgh+p2

傾斜式液柱液壓計(jì)：p=Ipgsina,提高了靈敏度。

Pi=Pg^xsina+p2=pgR、+p2=pgh+p2

圖3-4單管壓差計(jì)

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，以實(shí)現(xiàn)壓力測量

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)壓力測量。

2）特點(diǎn)

頻響寬，動態(tài)響應(yīng)快，測量范圍從幾Pa到3X1（）9pa,適用于爆炸、沖擊壓

力的測量。

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，通過測量電路再將電感變化轉(zhuǎn)換成電量實(shí)現(xiàn)壓

力測量。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)測量電路轉(zhuǎn)換成電量。

2）特點(diǎn)

它有良好的動態(tài)特性，適合在爆炸等極其惡劣的條件下工作，如測量沖擊波。

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，帶動了霍爾元件在均勻梯度的磁場

中運(yùn)動。當(dāng)霍爾元件通過恒定電流時(shí)，產(chǎn)生與被測壓力成正比的霍爾電動勢，

完成壓力至電量的變換。（霍爾效應(yīng)）

2）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量.

7.壓電式壓力傳感器

1）工作原理

壓力通過膜片或活塞，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)對壓力的

測量。

2）特點(diǎn)

具有頻響寬，可測壓力范圍大，體積小，重量輕，安裝方便，可測多向壓力

等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，適用于測動態(tài)力和沖擊力，但不適于測靜態(tài)力。

第四章速度、加速度傳感器

速度傳感器

4.1.1測速發(fā)電機(jī)

（1）基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作的.常用于測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速C

⑵分直流測速發(fā)電機(jī)（他勵式/電磁式和永磁式兩種）和交流測速發(fā)電機(jī)兩類。

⑶對測速發(fā)電機(jī)的主要要求有：

①輸出電壓對轉(zhuǎn)速應(yīng)保持較精準(zhǔn)的正比關(guān)系。

②轉(zhuǎn)動慣量要小。

③靈敏度要高，即測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓對轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)要靈敏。

1.直流測速發(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，在恒定磁場中，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組圖4-1直流測速發(fā)電機(jī)電氣原理圖

切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢Z與轉(zhuǎn)速"成正比。

Es=K@n=Cen

Ke——感應(yīng)系數(shù)，

①---磁通；

n----轉(zhuǎn)速；

G——感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)速的比例系數(shù)

2）輸出特性

⑴空載（電樞電流I尸0）時(shí)直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電樞感應(yīng)電動勢相

等，因而輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。

有負(fù)載（/,左0）時(shí)，測速發(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。輸出電壓匕尸和電樞電流/，為

I二b

L&

凡一負(fù)載電阻

（2）在理想情況下系數(shù)&和C與輸出電壓之間的關(guān)系

C

VCF=------——n=Cn

1+力此

理想下人、凡、。均常數(shù)，故系數(shù)C為常數(shù)，即測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓%，.與

被測轉(zhuǎn)速"成正比（線性關(guān)系）。

（3）直流測速電動機(jī)產(chǎn)生誤差的原因

和改進(jìn)方法

實(shí)際工作中，匕尸與“不能保持正比

（線性關(guān)系）,原因有:

①有負(fù)載時(shí)，電樞反映去磁作用的影

響；

圖4-2直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性

使輸出電壓不再與轉(zhuǎn)速成正比,遇到這種問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。

②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。

③溫度的影響；

這是因?yàn)閯畲爬@組中長期流過電流易發(fā)熱，其電阻值也相應(yīng)增大，從而使

勵磁電流減小的緣故。在實(shí)際使用中可在直流測速發(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，在接到勵磁電源上。這樣，當(dāng)勵磁繞組溫度升高時(shí)，

其電阻雖有增加，但勵磁回路總電阻的變化卻較小，故可保持勵磁電流幾乎不

變。

2.交流測速發(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)的交變電動勢的大小E

和頻率尸都隨輸入信號（轉(zhuǎn)速〃）而變化，即

<60

E=Kn

?常系數(shù)

L電機(jī)極對數(shù)

（2）特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡單；但由于輸出頻率「隨轉(zhuǎn)速刀而改變，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〃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)電動勢，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，定子繞組無感應(yīng)電動勢；

當(dāng)轉(zhuǎn)子以一定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子齒之間的相對位置發(fā)生了周期性變化，

定子繞組中就會感應(yīng)出周期性的感應(yīng)電動勢。

每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，輸出繞組的感應(yīng)電動勢也變化一個(gè)周期。

（2）輸出特性

感應(yīng)電動勢的頻率為

紅

60

乙一轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

〃一被測轉(zhuǎn)速（r/min）；

感應(yīng)電動勢的大小與轉(zhuǎn)速成正比；但由于輸出頻率「隨轉(zhuǎn)速〃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。

3）脈沖式測速發(fā)電機(jī)

（1）工作原理

同感應(yīng)式測速發(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線振動速度傳感器

1.工作原理

當(dāng)一個(gè)繞有N匝的線圈作垂直于磁場方向相對運(yùn)動時(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)生的感應(yīng)電動勢為

E=NBlv

8—磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

/一每匝線圈平均長度，m；

l線圈磁場的運(yùn)動速度，m/so

4.1.3變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器

1.變磁通式

1）工作原理

傳感器線圈不動，運(yùn)動物體（如齒輪）使傳感器磁路磁阻變化，傳感器線圈

的磁通亦變化，因此線圖感應(yīng)出感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的頻率/等于齒輪的

齒數(shù)z和轉(zhuǎn)速〃的乘積。

分開磁路式、閉磁路式2種。

2）輸出特性

〃=60工

z

/一輸出感應(yīng)電動勢的頻率，Hz；

z一齒輪的齒數(shù)；

〃一被測轉(zhuǎn)速，r/min；

被測的角速度。（rad/s）為

“用L

z

3）特點(diǎn)

開磁路式結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，但輸出信號弱，不宜測量高轉(zhuǎn)速；

閉磁路式測量范圍大，為50~4000r/min,可連續(xù)使用，且方便、可靠。

2.霍爾式和電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器

1）工作原理

⑴霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

工作原理：基于霍爾效應(yīng)而工作的。利用霍爾元件組成傳感器，在被測物上

粘有多對小磁鋼，霍爾元件固定于小磁鋼附近；當(dāng)被測物轉(zhuǎn)動時(shí)，每當(dāng)一個(gè)小

磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾元件，霍爾元件輸出一個(gè)相應(yīng)的脈沖，測得單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)

數(shù)，即可得被測物的轉(zhuǎn)速和角速度。

特點(diǎn)：霍爾元件由半導(dǎo)體材料制成，體積小，結(jié)構(gòu)簡單。

⑵電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器

工作原理：基于電渦流效應(yīng)。利用電渦流位格傳感器，將傳感器靠近被測物

上設(shè)定的等距標(biāo)記（如凸齒）安裝，當(dāng)被測物轉(zhuǎn)動時(shí)，傳感器輸出頻率與轉(zhuǎn)速成

正比的信號。

2）輸出特性

轉(zhuǎn)速

〃=60/7z

/一輸出周期信號的頻率，Hz；

z一被測物上標(biāo)記（齒）數(shù)；

〃一被測轉(zhuǎn)速,r/min；

被測的角速度。（rad/s）為

z

4.1.4陀螺式角速度傳感器

陀螺式角速度傳感器分為：轉(zhuǎn)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

1）工作原理

利用陀螺原理工作：殼體以角速度。繞），軸旋轉(zhuǎn)，由于陀螺的進(jìn)動性，產(chǎn)生

與。成比例的陀螺力矩，使框架和電位器電刷繞x軸轉(zhuǎn)動一定角度至平衡狀態(tài),

于是電位器輸出與①成正比的電壓信號。

2）特點(diǎn)

是一種慣性傳感器，安裝簡單，使用方便，但有機(jī)械活動部件，被測角速度

范圍±30°?±120。/s,質(zhì)量較大，成本高，壽命低。

轉(zhuǎn)子陀螺y軸為測量軸/輸入軸；x軸為輸出軸。

圖19轉(zhuǎn)子陀螺式角速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

1電位器的電阻體2電位器的電刷3阻尼器

I一轉(zhuǎn)子5框架6—?dú)んw7—彈簧8一定子

2.壓電陀螺式角速度傳感器

1）工作原理

利用壓電晶體的壓電效應(yīng)工作，分振梁型、雙晶片型、圓管型三類。

2）性能和特點(diǎn)

振梁型性能最好。

振梁型：動態(tài)范圍（±5?7200）°/s可調(diào)；穩(wěn)定可靠性好，適用于惡劣環(huán)

境，平均無故障間隙＞10000h,工作溫度（-40?60℃）。

雙晶片型：動態(tài)范圍（±30?±300）°/s；體積小，壽命長，響應(yīng)快，線性

度好，滯后可忽略，功耗小，廉價(jià)，重量約100g,可抑制振動和加速度干擾。

圓管型：動態(tài)范圍±60°/s,結(jié)構(gòu)簡單，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.激光陀螺式角速度傳感器

1）工作原理

利用環(huán)形王涉原理測量角速度。轉(zhuǎn)動改變了兩路光的相位差，使干涉條紋

移動，移動頻率正比于轉(zhuǎn)動角速度。。測出干涉條紋的移動頻率，便可測出被

測角速度。

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