1、 学习目标：学习目标：明确各种传感器的定义、组成与分类，明确各种传感器的定义、组成与分类，以及传感器最新技术发展动向，对传感器以及传感器最新技术发展动向，对传感器的基本特性有一个深入的认识。掌握常规的基本特性有一个深入的认识。掌握常规传器的作用原理与与基本测量电路，熟悉传器的作用原理与与基本测量电路，熟悉各种常规传感器性能的测试与典型应用。各种常规传感器性能的测试与典型应用。通过对常规传感器的学习，达到在工作实通过对常规传感器的学习，达到在工作实际中能够合理选择和灵活使用传感器。际中能够合理选择和灵活使用传感器。常规传感器常规传感器 学习要求学习要求 了解常各种规传感器的特征、作用与基了解常各
2、种规传感器的特征、作用与基本性能，掌握电阻式传感器、电容式传感本性能，掌握电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、光电器、电感式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、半导体传感器的作用原理与典式传感器、半导体传感器的作用原理与典型测量电路，熟悉数字式传感器、热电偶型测量电路，熟悉数字式传感器、热电偶传感器、光纤传感器、压磁式传感器的作传感器、光纤传感器、压磁式传感器的作用原理与特性，了解各种常规传感器的应用原理与特性，了解各种常规传感器的应用状况，为工程中的实际测量工作打下较用状况，为工程中的实际测量工作打下较坚实的基础。坚实的基础。引例引例 传感器是人类获取自然领域中信息的主传
3、感器是人类获取自然领域中信息的主要途径与手段，在现代科技中它所起的作要途径与手段，在现代科技中它所起的作用越来越重要。用越来越重要。图图2.1汽车用各种传感器汽车用各种传感器 图图2.2加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 本章内容本章内容:2.1 传感器概述传感器概述 2.2 电阻式传感器电阻式传感器 2.3 电容式传感器电容式传感器 2.4 电感式传感器电感式传感器 2.5 压电式传感器压电式传感器 2.6 磁电式传感器磁电式传感器 2.7 光电式传感器光电式传感器 2.8 半导体传感器半导体传感器 2.9 数字式传感器（数字式传感器（digital transducer）
4、2.10 热电偶传感器热电偶传感器(Thermocouple Sensors）2.11 热电阻传感器热电阻传感器(Thermal Resistive Sensors)2.12 光纤传感器光纤传感器 2.13 传感器应用实例传感器应用实例 2.1.1传感器的作用（传感器的作用（The function of sensor)传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。作为一种功能块的界的各种信号转换成电信号。作为一种功能块的传感器可狭义的定义为：传感器可狭义的定义为：“将外界的输入信号变将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。换为电
5、信号的一类元件。”2.1.2 传感器的定义和组成传感器的定义和组成(Definition and Composing of Sensors)1.传感器的定义（传感器的定义（The definition of sensor)传感器（传感器（Transducer/Sensor)的定义是：能感的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。出信号的器件或装置。2.传感器的组成传感器的组成(The composing of sensor)传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：三部
6、分组成：（1）敏感元件（）敏感元件（Sensitive element）：直接）：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。一物理量的元件。（2）转换元件（）转换元件（Transduction element）：以）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。数。（3）转换电路（）转换电路（Transduction circuit）：上）：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。出。2.1.3 传感器的分类及要求传感器的分类及要求(Category
7、 and Request of Sensors)1.传感器的分类（传感器的分类（The category of sensor）传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：一种是传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：一种是以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。被测量类别 被测量热工量温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速 机械量位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声物理和成分量气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（PH值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重 状态量颜色、透明度、磨
8、损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量 表表2.1按被按被测量测量来分来分类类 序号序号工作原理工作原理 序号序号工作原理工作原理 1电阻式电阻式8光电式（红外式、光光电式（红外式、光导纤维式）导纤维式）2电感式电感式9谐振式谐振式3电容式电容式10霍尔式霍尔式4阻抗式（电涡流式）阻抗式（电涡流式）11（磁式）超声式（磁式）超声式5磁电式磁电式12同位素式同位素式6热电式热电式13电化学式电化学式7压电式压电式14微波式微波式表表2.2按传感器的原理来分类按传感器的原理来分类 2.传感器的一般要求(The request of sensor)由于各种传感器的原理、结构不同，使用环境、条件
9、、目的不同，其技术指标也不可能相同，但是有些一般要求却基本上是共同的：（1）足够的容量传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。（2）灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。（3）响应速度快，工作稳定，可d.使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。（4）使用经济成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。可靠性好。2.1.4 传感器开发的新趋势传感器开发的新趋势(The Development
10、 of Sensors)传感器开发的新趋向包括社会对传感器需求的新动传感器开发的新趋向包括社会对传感器需求的新动向和传感器新技术的发展趋势这两个方面。向和传感器新技术的发展趋势这两个方面。1.传感器需求的新动向传感器需求的新动向 图图2.3展示了一些国家对传感器的应用领域及需要展示了一些国家对传感器的应用领域及需要量，可作为我们对传感器产业和产品开发的参考。量，可作为我们对传感器产业和产品开发的参考。图图2.3 传感器传感器的应用领域及的应用领域及需要量需要量 2.传感器技术的发展趋势传感器技术的发展趋势 当前，传感器技术的主要发展动向，一是开展基当前，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研
11、究，发现新现象，开发传感器的新材料和新础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。1）新材料的开发、应用）新材料的开发、应用 2）新工艺、新技术的应用）新工艺、新技术的应用 3）利用新的效应开发新型传感器）利用新的效应开发新型传感器 4）传感器的集成化）传感器的集成化 5）传感器的多维化）传感器的多维化 6）传感器的多功能化）传感器的多功能化 7）传感器的智能化）传感器的智能化 2.2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器
12、，最常用的传感元件为电阻应变变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。片。应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。力等各种参数。应变式传感器特点：应变式传感器特点：1.应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 1)金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。0/(12)dR RdK 0/dR R
13、K 单位应变所引起的电阻相对变化，也称为材料的灵敏系单位应变所引起的电阻相对变化，也称为材料的灵敏系数，记为数，记为K0。（2.1）式中：式中：R为金属导体的电阻，为金属导体的电阻，dR为电阻的变化为电阻的变化量量，为测点处应变；为测点处应变；为物质的密度为物质的密度，d为密度的变化量，为密度的变化量，为材料的松泊比。为材料的松泊比。则其相应的电阻变化率为则其相应的电阻变化率为（2.2）通常金属电阻丝的通常金属电阻丝的K0=1.74.6。2)应变片的基本结构及测量原理图图2.4应变片的基本结构应变片的基本结构 l称为栅长称为栅长(标距标距)，b称为栅宽称为栅宽(基宽基宽)，bl称为应变片的称为
14、应变片的使用面积。应变片使用面积。应变片的规格一般以使用的规格一般以使用面积和电阻值表示，面积和电阻值表示，如如320mm2，120 应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或者应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。即可测量应变。2.电阻应变片的分类及材料 图图2.6电阻电阻应变片的应变片的分类分类 金属电
15、阻应变片分为丝式、箔式、金属膜式和半导体式金属电阻应变片分为丝式、箔式、金属膜式和半导体式（压阻式）。（压阻式）。按应变计的基底分为纸基和胶基，特殊情况下有金属基底按应变计的基底分为纸基和胶基，特殊情况下有金属基底的应变计。的应变计。按被测量应力场之不同，可分为测量单向应力的应变计和按被测量应力场之不同，可分为测量单向应力的应变计和测量多向应力的应变花。测量多向应力的应变花。3.电阻应变式传感器的应用举例电阻应变式传感器的应用举例 （1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。力或应变。（2）应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起
16、构成应变）应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。式传感器。图图2.7测构件拉压应力的传感器测构件拉压应力的传感器 图图2.8 位位移传感器移传感器 图图2.9加速度加速度传感器传感器 2.2.2 压阻式传感器压阻式传感器 1.基本工作原理基本工作原理 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。化，这种现象称为压阻效应。则半导体电阻材料的灵敏系数则半导体电阻材料的灵敏系数k0为：为：0/LdR RKEE （2.3）式中：式中：L为半导体电阻材料在受力方向的为半导体电阻材料在受力方向的压阻系数，表征压阻效应的强弱
17、；压阻系数，表征压阻效应的强弱；R为半导体材料的电阻；为半导体材料的电阻；E为半导体电阻为半导体电阻材料的弹性模量。材料的弹性模量。2.压阻式传感器类型与特点压阻式传感器类型与特点压阻式传感器有两种类型：半导体应变式传感器、压阻式传感器有两种类型：半导体应变式传感器、固态压阻式传感器固态压阻式传感器压阻式传感器的特点如下：压阻式传感器的特点如下：(1)灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；接用于测量；(2)分辨率高，例如测量压力时可测出分辨率高，例如测量压力时可测出1020Pa的的微压；微压；(3)测量元件的有效面积可做得很小，故频率响
18、应高测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；(4)可测量低频加速度和直线加速度。可测量低频加速度和直线加速度。2.2.3 变阻式传感器变阻式传感器 1.变阻式传感器的结构及分类变阻式传感器的结构及分类 变阻式传感器又称为电位器式传感器。它们变阻式传感器又称为电位器式传感器。它们是由电阻元件及电刷是由电阻元件及电刷(活动触点活动触点)两个基本部分组两个基本部分组成。成。按其结构形式的不同，可分为线绕式、薄膜按其结构形式的不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等，在线绕电位器中又有单圈式和式、光电式等，在线绕电位器中又有单圈式和多圈式两种；按其特性曲线不同，则可分为线多圈式两种；按其特性曲线不同，
19、则可分为线性电位器和非线性性电位器和非线性(函数函数)电位器。电位器。2.变阻式传感器的原理与特性变阻式传感器的原理与特性 其结构原理图如图2.11、图2.12、图2.13所示。（a）直线位移直线位移型变阻式传感器型变阻式传感器（b）角位移型角位移型变阻式传感器变阻式传感器图图2.11 变阻式传感器的结变阻式传感器的结构原理图构原理图 图图2.12 线性电阻线性电阻器的电阻分压电路器的电阻分压电路 （1）直线位移型变阻式传感器）直线位移型变阻式传感器 如直线位移型变阻式传感器图如直线位移型变阻式传感器图2.11（a）所示，当）所示，当被测位移变化时，触点被测位移变化时，触点C沿电位器移动。如果
20、移沿电位器移动。如果移至至x，则，则C点与点与A点之间的电阻为点之间的电阻为（2.4）（2）角位移型变阻器式传感器）角位移型变阻器式传感器 角位移型变阻器式传感器如图角位移型变阻器式传感器如图2.11（b）所示，）所示，其电阻值随转角而变化，故为角位移型。则其传感其电阻值随转角而变化，故为角位移型。则其传感器的灵敏度器的灵敏度S为：为：（2.6）（3）线性电阻器的电阻分压电路）线性电阻器的电阻分压电路 线性电阻器的电阻分压电路如图线性电阻器的电阻分压电路如图2.12所示，其电阻值随电所示，其电阻值随电刷位移刷位移x而变化。设负载电阻为而变化。设负载电阻为 ，电位器长度为，电位器长度为l，总电，
21、总电阻为，电刷位移为阻为，电刷位移为x，相应的电阻为，相应的电阻为 ，电源电压为，电源电压为U，输出电压为，输出电压为U0为为:（2.7）当当 时，电压输出时，电压输出Uo为：为：（2.8）（4）非线性电位器）非线性电位器 非线性电位器又称函数电位器，如图非线性电位器又称函数电位器，如图2.13所示。所示。是其输出电阻是其输出电阻(或电压或电压)与电刷位移与电刷位移(包括线位移或包括线位移或角位移角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器，之间具有非线性函数关系的一种电位器，即即 ，它可以实现指数函数、三角函数，它可以实现指数函数、三角函数、对数函数等各种特定函数，也可以是其它任意、对数函数等
22、各种特定函数，也可以是其它任意函数。函数。图图2.13 非线性电非线性电位器位器 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。变化转换成电容量变化的一种传感器。2.3.1 工作原理及类型工作原理及类型 由物理学可知，在忽略边缘效应的情况下，平板由物理学可知，在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为电容器的电容量为 0SC(2.9)式中式中:0真空的介电常数，真空的介电常数，0=8.85410-12F/m；极板间介质的相对介电系数，在空气中，极板间介质的相对介电系数，在空气中，=1；S极板的遮盖面积（极板的遮盖面积（m
23、2）；）；两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（m)。1.极距变化型电容式传感器极距变化型电容式传感器 a)极距变化极距变化 b)输出特性输出特性图图2.14 极距变化型电容式传极距变化型电容式传感器感器 如图如图2.14所示所示,在电容在电容器中，如果两极板相器中，如果两极板相互覆盖面积及极间介互覆盖面积及极间介质不变，则电容量与质不变，则电容量与极距极距呈非线性关系。呈非线性关系。当两极板在被测参数当两极板在被测参数作用下发生位移，引作用下发生位移，引起电容量的变化为：起电容量的变化为：（2.10）由此可得到传感器的灵敏度为：由此可得到传感器的灵敏度为：02SdCCKd （2.11）从式
24、（从式（2.11）可看出，灵敏度）可看出，灵敏度K与极距平方成反比，极与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量敏度。由于电容量C与极距与极距呈非线性关系，故这将引呈非线性关系，故这将引起非线性误差。起非线性误差。在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的作范围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。2.
25、面积变化型电容式传感器面积变化型电容式传感器 面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用下来变化极板的有效面积，常用的面积变化型电容传感下来变化极板的有效面积，常用的面积变化型电容传感器有平板型和圆柱形。器有平板型和圆柱形。(1)平板型面积变化型电容传感器平板型面积变化型电容传感器 平板型面积变化型电容传感器有角位移型和线位移型两平板型面积变化型电容传感器有角位移型和线位移型两种，如图种，如图2.15所示。所示。（a）线位移型）线位移型 （b）角位移型角位移型图图2.15 平板型变截面积型电式传感器的结构示意图平板型变截面积型电式传感器的结
26、构示意图 线位移型变截面积型电容传感器的灵敏度为：线位移型变截面积型电容传感器的灵敏度为：（2.12）角位移型变截面积型电容传感器的灵敏度为：角位移型变截面积型电容传感器的灵敏度为：（2.13）由式（由式（2.12）和（）和（2.13）可知，平板型变截面积型电）可知，平板型变截面积型电容传感器的输出与输入为线性关系。容传感器的输出与输入为线性关系。(2)圆柱形面积变化型电容传感器圆柱形面积变化型电容传感器 由于平板型变截面积型电容传感器的可动极板在极由于平板型变截面积型电容传感器的可动极板在极距方向稍有移动，就会对影响测量精度有较大影响。因距方向稍有移动，就会对影响测量精度有较大影响。因此，一
27、般情况下，变截面积型电容式传感器常做成圆柱此，一般情况下，变截面积型电容式传感器常做成圆柱形形,如图如图2.16所示。所示。当覆盖长度当覆盖长度x变化时，电容量跟随变变化时，电容量跟随变化，其灵敏度为化，其灵敏度为0212ln(/)dCKdxrr常数（2.5）（a）单向型变侧面积型）单向型变侧面积型 （b）双向变侧面积型双向变侧面积型 图图2.16 圆柱形面积变化型电容传感器圆柱形面积变化型电容传感器 3.介电常数变化型电容传感器介电常数变化型电容传感器 大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而
28、改变来测量间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等，如图温度、湿度、容量等，如图2.17所示。所示。（a）测厚度）测厚度 （b）测位移）测位移 （c）测液位）测液位图图2.17变介电常数型电容传感器的结构原理变介电常数型电容传感器的结构原理 2.3.2特点与应用特点与应用 1.电容传感器的主要优点电容传感器的主要优点 （1）输入能量小而灵敏度高）输入能量小而灵敏度高 （2）电参量相对变化大）电参量相对变化大 （3）动态特性好）动态特性好 （4）能量损耗小）能量损耗小 （5）结构简单，适应性好）结构简单，适应性好 2.电容传感器的主要缺点电容传感器的主要缺点 （1）非
29、线性大）非线性大 （2）电缆分布电容影响大）电缆分布电容影响大 2.3.3电容式传感器应用举例电容式传感器应用举例 电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中，电容式传感器的精度和稳定性也位等的测试中，电容式传感器的精度和稳定性也日益提高。日益提高。图图2.19电容电容式测厚仪式测厚仪图图2.20所示的电容式测厚仪，用来测量金属带材在轧制所示的电容式测厚仪，用来测量金属带材在轧制过程中厚度。图中过程中厚度。图中C1、C2两个工作极板与带材之间形成两个工作极板与带材之间形成两个电容，两个电容，其总电容为其总电容为C=C1+C2。当金属带材在轧
30、制。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式（包置。按照转换方式的不同，可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。器式）两种。2.4.1 自感型传感器自感型传感器 1.可变磁
31、阻式传感器可变磁阻式传感器 可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈、铁芯及衔铁组成。线圈、铁芯及衔铁组成。线圈电感(自感)可用下式计算（2.10）如果空气隙如果空气隙较小，而且不考虑较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为磁路的铁损时，则磁路总磁阻为（2.11）1-线圈线圈 2-铁心铁心 3-衔铁衔铁a)可变磁阻结构可变磁阻结构 b)特性曲线特性曲线图图2.21 可变磁阻可变磁阻式电感传感器式电感传感器 因为因为 ，则，则（2.12）因此，自感因此，自感L可写为可写为 （2.13）公式（公式（2.13）表明，自感）表明，自感L与空气隙与空气隙成
32、反比，而与空气隙导磁截面成反比，而与空气隙导磁截面积积S0成正比。当固定成正比。当固定S0不变，变化不变，变化时，时，L 与与呈非线性（双曲线）关呈非线性（双曲线）关系，如上图所示。此时，传感器的灵敏度为系，如上图所示。此时，传感器的灵敏度为 灵敏度灵敏度S与气隙长度的平方成反比，与气隙长度的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。由于愈小，灵敏度愈高。由于S不不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定在较小在较小的范围内工作。的范围内工作。故灵敏度故灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。2
33、.电涡流式传感器电涡流式传感器 1)涡流传感器分类涡流传感器分类 涡流传感器分高频反射式和低频透射式两类涡流传感器分高频反射式和低频透射式两类 (1)高频反射式电涡流传感器。高频反射式电涡流传感器。高频反射式电涡流传感器原高频反射式电涡流传感器原理如图理如图2.26所示。当高频电流施所示。当高频电流施加在电感线圈上时，线圈产生加在电感线圈上时，线圈产生的高频磁场作用于被测金属导的高频磁场作用于被测金属导体表面，形成电涡流，电涡流体表面，形成电涡流，电涡流产生的磁场又反作用于线圈，产生的磁场又反作用于线圈，从而改变了线圈的电感。从而改变了线圈的电感。图图2.26 高频反射式高频反射式涡流传感器原
34、理涡流传感器原理（2）低频透射式电涡流传感器。）低频透射式电涡流传感器。当振荡器产生的低频电压当振荡器产生的低频电压u1加到线圈加到线圈L1上时，在上时，在其周围产生一个交变磁场。若两线圈间无金属导其周围产生一个交变磁场。若两线圈间无金属导体，则体，则L1的磁力线能较多地穿过的磁力线能较多地穿过L2。若在。若在L1与与L2之间插入一金属板，则在金属板内产生电涡流之间插入一金属板，则在金属板内产生电涡流，消耗部分能量，消耗部分能量，u2下降。下降。金属板厚度金属板厚度越大，越大，电涡流损耗越大，电涡流损耗越大，u2输出越小。因此，输出越小。因此，可根据接收线圈输可根据接收线圈输出电压出电压u2的
35、大小，的大小，确定金属板的厚度。确定金属板的厚度。图图2.27低频透低频透射式电射式电涡流传涡流传感器原感器原理示意理示意图图 2)电涡流式传感器的结构如图电涡流式传感器的结构如图2.28所示。所示。1-电涡流线圈；电涡流线圈；2-壳体；壳体；3-壳体上的位置调节螺纹；壳体上的位置调节螺纹；4-印制线路板；印制线路板；5-夹持螺母；夹持螺母；6-电源指示；电源指示；7-阈值指示灯；阈值指示灯；8-输出屏蔽电缆线；输出屏蔽电缆线；9-电缆插头电缆插头 图图2.28电涡流传感器的内部结构电涡流传感器的内部结构 3)电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的工作原理 如图如图2.29所示，在金属导体上
36、方放置一个线圈，所示，在金属导体上方放置一个线圈，当线圈中通以电流当线圈中通以电流 时，线圈的周围空间就产时，线圈的周围空间就产生了交变磁场生了交变磁场H1，在金属导体内就会产生电涡流，在金属导体内就会产生电涡流 ，由，由 产生反向电磁场产生反向电磁场H2，由于，由于H2与与H1方向方向相反，相反，H2抵消了部分原磁场抵消了部分原磁场H1，使导电线圈的阻，使导电线圈的阻抗发生了变化。抗发生了变化。1I2I2I图图2.29 电涡流电涡流原理图原理图 5)应用应用 涡流式传感器工程应用实例如图涡流式传感器工程应用实例如图2.30所示。所示。图图2.30 涡流涡流式传式传感器感器的应的应用用 6)电
37、涡流传感器的测量电路电涡流传感器的测量电路（1）电桥测量电路。）电桥测量电路。（2）定频调幅测量电路。）定频调幅测量电路。（3）调频式测量电路。）调频式测量电路。电桥测量电路如图电桥测量电路如图2.31所示所示定频调幅定频调幅测量电路测量电路原理如图原理如图2.32所示所示调频式测调频式测量电路原量电路原理如所图理如所图2.33示。示。2.4.2 互感型（差动变压器式）传感器互感型（差动变压器式）传感器 互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组
38、成差动式，故又称差由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。动变压器式传感器。（a）变隙式差动变压器变隙式差动变压器 （b）螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器图图2.34 差动变压器式传感器的结构示意图差动变压器式传感器的结构示意图 差动变压器式传感器输出的电压是交流量，其输差动变压器式传感器输出的电压是交流量，其输出特性如图出特性如图2.35所示所示 差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。流输出电路。(a)输出特性输出特性 (b)相
39、位特性相位特性 图图2.35 差动变压器的输出特性差动变压器的输出特性 差动变压器式传感器可以直接用于位移差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。等。2.4.3压磁式传感器压磁式传感器 压磁式压磁式(又称磁弹式又称磁弹式)传感器是一种力电转换传感传感器是一种力电转换传感器。其基本原理是利用某些铁磁材料的压磁效应器。其基本原理是利用某些铁磁材料的压磁效应。1.压磁效应压磁效应 铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，使各铁磁材料在外力作用下，内部发
40、生变形，使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，从而也使材料的磁化强度发生相应的变化转动，从而也使材料的磁化强度发生相应的变化。这种应力使铁磁材料的磁性质发生变化的现象。这种应力使铁磁材料的磁性质发生变化的现象称为压磁效应。称为压磁效应。2.压磁式传感器工作原理压磁式传感器工作原理 如图2.38所示。在压磁材料的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4，在孔1、2间绕有激励绕组N12，孔3、4间绕有输出绕组N34。当激励绕组中通过交流电流时，铁心中就会产生磁场。若把孔间空间分成A、B、C、D四个区域，在无外力作用的情况下，A、B、C、D四个
41、区域的磁导率是相同的。这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面，磁力线不与输出绕组交链，N34不产生感应电动势，如图2.38（b）所示。图图2.38 压磁式传压磁式传感器工作原理图感器工作原理图 在压力F作用下，如图2.38(c)所示，A、B区域将受到一定的应力，而C、D区域基本处于自由状态，于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大，C、D区域的磁导率基本不变。这样激励绕组所产生的磁力线将重新分布，部分磁力线绕过C、D区域闭合，于是合成磁场H不再与N34平面平行，一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。F值越大，与N34交链的磁通越多，e值越大。图图2.39 压磁式传压磁式传感器作用示意图感器作
42、用示意图 3.压磁元件压磁元件 压磁式传感器的核心是压磁元件，它实际上是一压磁式传感器的核心是压磁元件，它实际上是一个力个力-电转换元件。压磁元件常用的材料有硅钢片电转换元件。压磁元件常用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。、坡莫合金和一些铁氧体。4.压磁传感器的应用压磁传感器的应用 压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电路简单、能在恶劣环境下过载性能好、结构和电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点。目前，这种传感器工作、寿命长等一系列优点。目前，这种传感器已成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等已成功地用在冶金、
43、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。例如用来测量轧钢的轧制力、钢各个工业部门。例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、纸张的张力，吊车提物的自动测量、带的张力、纸张的张力，吊车提物的自动测量、配料的称量、金属切削过程的切削力以及电梯安配料的称量、金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等。全保护等。2.5.1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料 1.压电效应压电效应 某些物质某些物质(物体物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外，如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面上也会产生电荷部也会被极化，表面上也会产生电荷;当
44、外力去当外力去掉时，又重新回到原来的状态。这种现象称之掉时，又重新回到原来的状态。这种现象称之为压电效应。为压电效应。具有压电效应的物质具有压电效应的物质(物体物体)称为压电材料称为压电材料(或称或称为压电元件为压电元件)。图图2.42 石英石英晶体晶体 a)六角晶体六角晶体 b)z-光轴光轴 y-机械轴机械轴 x-电电轴轴 图图2.43 晶体晶体晶轴晶轴 图图2.42所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以把它用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴以把它用三根互相垂直的轴表示
45、，其中，纵轴Z称称为光轴为光轴;通过六棱线而垂直于光铀的通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴铀称为电轴;与与X-X轴和轴和Z-Z轴垂直的轴垂直的y-y轴轴(垂直于六棱柱体的垂直于六棱柱体的棱面棱面)，称为机械轴，如图，称为机械轴，如图2.43所示。所示。如果从石英晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别如果从石英晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于平行于z-z、y-y、x-x轴线，如图轴线，如图2.44所示。晶片在正常情所示。晶片在正常情况下呈现电性，若对其施力，则有几种不同的效应。通常况下呈现电性，若对其施力，则有几种不同的效应。通常把沿电轴把沿电轴(x铀铀)方向的作用力方向的作用
46、力(一般利用压力一般利用压力)产生的压电效产生的压电效应称为应称为纵向压电效应纵向压电效应；把沿机械轴；把沿机械轴(y轴轴)方向的作用力方向的作用力产生的压电效应称为产生的压电效应称为横向压电效应横向压电效应；在光轴；在光轴(z轴轴)方向的方向的作用力不产生压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压作用力不产生压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。电效应。图图2.44 压电效压电效应模型图应模型图 2.压电材料压电材料 常用的压电材料可分为三类：压电晶体、压电陶常用的压电材料可分为三类：压电晶体、压电陶瓷和有机压电薄膜。瓷和有机压电薄膜。2.5.2 压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其
47、等效电路 最简单的压电式传感器的工作原理如图最简单的压电式传感器的工作原理如图2.46所示所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。成金属膜，构成两个电极。图图2.46 压压电式传感电式传感器的原理器的原理图图 其电容量为其电容量为0/QyCS （2.14）当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷负电荷Q，压电元件的开路电压，压电元件的开路电压(负载电阻为无负载电阻为无穷大穷大)U为为（2.15）这样可把压电元件等效为一个电荷源这样可把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电和
48、一个电容器容器C0并联的等效电路；同时也可等效为一个电并联的等效电路；同时也可等效为一个电压源压源U和一个电容器和一个电容器Ca串联的等效电路，如图串联的等效电路，如图2.47所示。所示。(a)Q和和C0并联的等效电路；并联的等效电路；(b)U和和C0串联的等效电路串联的等效电路 图图2.47 压电元件等效电路压电元件等效电路 2.5.3压电元件常用的结构形式 图图2.48 压电压电元件并联连接元件并联连接和串联连接和串联连接并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出电荷量在上下两边并连接在一起，此
49、时电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合 2.5.4测量电路测量电路 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常应由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，
50、经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中，见图电路再将信号输入到指示仪表或记录器中，见图2.49所示。所示。图图2.49 电荷放大器电荷放大器的等效电路的等效电路 电荷放大器的等效电路如上图所示，由于忽略了电荷放大器的等效电路如上图所示，由于忽略了漏电阻，所以电荷量为：漏电阻，所以电荷量为：（2.17）式中，式中，ui为放大器输入端电压；为放大器输入端电压；uo为放大器输出端电压，为放大器输出端电压，uo=-kui，其中，其中k为电荷放大器开环放大倍数；为电荷放大器开环放大倍数；ci为放大器为放大器输入电容；输入电容；
