1、第三章 常用传感器 与敏感元件,关于传感器的概念，我国国家标准GB 76651987 规定：“传感器(sensor)是能感受规定的测量量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。,传感器：工程上通常直接作用于被测量,能将其按一定规律转换成同种或别种量值输出的器件。,1,物理量,电量,4点注意, 传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测量上。 传感器定义中所谓“可用输出信号” 现在一般就是指电信号，而“规定的测量量”一般是指非电量信号。 传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并且应保证一定的精度。 关于“传感器”这个词，目前国外还有许多提法，如变换器(transducer)、
2、转换器 (converter)、检测器(detector)和变送器(transmitter)等，而根据我们国家的规定，传感器定名为sensor。,传感器作用： 扩展人类的感官。,传感器组成：敏感元件、转换元件及测量电路，有时还加上辅助电源。,1) 敏感元件(sensing element)是指传感器中能直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。敏感元件是传感器的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。,2) 转换元件(transduction element)转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分。,3) 测量电路(measuri
3、ng circuit)又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换元件输出的电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。测量电路的类型视传感器的工作原理和转换元件的类型而定，一般有电桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。,3,所示是一气体压力传感器的示意图。膜盒2 的下半部与壳体1 固定，上半部通过连杆与磁芯4 相连，磁芯4 置于两个电感线圈3 中，后者接入测量电路5。这里的膜盒2就是敏感元件，其外部与大气压力pa相通，内部感受被测压力p 。当p 变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。转换元件是可变电感线
4、圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。需要指出的是，并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分，有的传感器转换元件不止一个，需要经过若干次的转换；有的则是二者合二为一。,4,传感器在整个系统中处于输入端，其性能好坏直接影响着整个测试工作质量。,5,传感器种类繁多。其分类方法也很多。 可以按照,第一节 传感器的分类,被测量分类,工作原理分类,信号变换特征,敏感元件与被测对象之间的能量关系,输出信号分类,按被测量分类,有利于准确表达传感器的用途,7,按工作原理分类,将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据，有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深入研究与分析。,机
5、械式传感器 电参数式传感器(包括电阻式、电感式和电容式传感器) 压电式传感器 光电式传感器(一般光电式、光纤式、激光式和红外式传感器等) 热电式传感器 半导体式传感器 波式和辐射式传感器等。,8,按信号的变换特征分类,结构型传感器,依靠传感器结构参数(如形状、尺寸等)的变化，利用某些物理规律，实现信号的变换，从而检测出被测量，它是目前应用最多、最普遍的传感器。这类传感器的特点是其性能以传感器中元件相对结构(位置)的变化为基础，而与其材料特性关系不大。,物性型传感器,利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换成电量的传感器。这类传感器的“敏感元件”就是材料本身，无所谓“结构变化”
6、，因此，通常具有响应速度快的特点，而且易于实现小型化、集成化和智能化。,复合型传感器则是结构型和物性型传感器的组合，同时兼有二者的特征。,9,10,按能量转换关系分类,能量控制型传感器 （有源）,从外部供给能量使传感器工作，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。如电阻、电感、电容等电参数传感器、霍耳传感器等都属于这一类传感器。,能量转换型传感器 （无源）,由能量变换元件构成，它不需要外电源。 直接由被测对象输入能量使其工作。如基于压电效应、热电效应、光电效应等的传感器都属于此类传感器。,例如，电容式位移传感器是位移电容变化的能量控制型传感器，可以直接测量位移。 电容式压力传感器，经过压力膜片弹
7、性变形（位移）电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量一机械量的换能件，由它实现第一次变换；它同时与另一极板构成电容器，用来完成第二次转换。,测量 对象,传感器,辅助 能源,输入,输出,图3-1 能源控制型传感器工作方式,例如，电容型伺服式加速度计（也称为力反馈式加速度计）,实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统，如图所示。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。,加速度,质量,弹性件,电容传感器,电路,力发生器 电流力变换器,力,位移,电容,电流,输出,R,+,-,图3-2 伺服式加速度计,另一种传感器是以外信号（由辅助能源产生）激励被测对象，传感器获取的信号是被测对象对激励
8、信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。如超声波探伤仪、X射线衍射仪等。,根据传感器的使用材料： 分为半导体传感器、陶瓷传感器、金属材料传感器、复合材料传感器、高分子材料传感器等,根据被测量的性质： 可以将传感器分成物理型、化学型和生物型传感器,根据应用领域的不同： 可分为工业用、农用、民用、医用及军用等不同类型。,根据具体的使用目的： 可分为测量用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。,在不同的测试系统中，传感器可能只一个，也可能几个换能元件组合而成一个小型装置。,表 31 机械工程中常用传感器,类 型 名 称 变换量 被测量 应用举例 性能指标,测量范围 10105N示值误差
9、 （0.30.5）%,三等标准测力仪 弹簧秤 压力表 压力表 压力表 温度计,力 力 压力 压力 压力 温度 物体尺寸、位置 有无,力位移 力位移 压力位移 压力位移 压力位移 温度位移 力位移,测力环 弹簧 波纹管 波登管 波纹膜片 双金属片 微型开关,机 械 式,测量范围-101300 分辨力 0.1 ,红外测温仪 x射线应力仪 射线测厚仪 激光测长仪 超声波测厚仪,温度物体有无 测厚探伤应力 测厚、 探伤 长度位转移角 厚度、 探伤 厚度 成分分析,热电 散射 干涉 对物质穿透 光波干涉 超声波反射穿透,红外 x 射线 射线 激光 超声 射线,辐 射 式,测量范围440 mm测量精密度
10、0.25 mm,测距2m分辨力0.2 m,穿透作用,16,类 型 名 称 变换量 被测量 应用举例 性能指标,分辨力0.5m 分辨力0.5m 分辨力0.01N 频率0.1Hz20kHz 测量范围（10-2105）ms-2 测量范围01600 测量范围02mm线性误差1% 测量范围-10300 灵敏度500A/1m 最大截止频率50kHz 0,直线电位计 应变仪 电容测微仪 涡流式测振仪 电感测微仪 电感比较仪,位移 力、位移、应 变、加速度,位移电阻 形变电阻 位移电容 位移自感 位移自感 位移互感 力电荷 力磁导率 温度电势 位移电势 温度电阻 气体浓度,温度 光电阻 光电压 光电流,电位计
11、 电阻丝应变片 半导体应变片,电 磁 及 电 子 式,分辨力0.0250.05mm线性误差0.050.1%,最小应变12 最小测力（0.11）N,位移、力、声 位移、测厚 位移、力 位移、力 力、加速度 力、扭矩 温度 位移 温度 可燃气体 开、关量 转速、位移,分辨力0.025m,测量范围015mm 分辨力1m,测力计 热电温度计 （铂铑铂） 位移传感器 半导体温度计 气敏检测仪 硒光电池 光电转速仪,测力计 加速度计,电容 电涡流 电感 差动变压器 压电元件 压磁元件 热电偶 霍尔元件 热敏电阻 气敏电阻 光敏电阻 光电池 光敏晶体管,17,第三节 电阻、电容、与电感式传感器,1变阻器式传
12、感器（电位差计式）,定义：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。,根据电阻公式：,（3-1）,式中：电阻率； l电阻丝长度； A电阻丝截面积 从式中看出当电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线长度而变化。,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器 按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式,一变阻器式传感器（电位差计式）,直线位移型,角位移型,分类,19,a.直线位移型,当被测位移变动时，C点沿变阻器移动x 距离时，则C点与A点之间的电阻值为,可见当导线分布均匀时，传感器输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。,b.角位移型,回转型传感器，其电阻值随转角而变化，灵敏度S 为,式中
13、转角（rad）；k单位弧度对应的电阻值。,则,20,x,c.非线性型,函数电位器，其骨架形状根据所要求的输出 f (x) 来确定。,例如：（1）输出 f (x)= kx2 ；R(x) 与 f (x) 成线性关系 三角形骨架 （2）输出 f (x)= kx3；R(x) 与 f (x) 成线性关系 抛物线形骨架,21,d.变阻器式传感器后接电路 电阻分压电路,设Rp变阻器总电阻； xp变阻器总长度； RL后接电路输入电阻。,由于直线位移型电阻与位移的线性关系，设 R为x- xp段电阻,有比例关系,由分压电路,（3-3）,22,优点：结构简单 ； 性能稳定； 使用方便 缺点：（1）分辨力不高。因为受
14、到电阻丝直径的限制。提高分辨力需使用更细的电阻丝，其绕制较困难。变阻器式传感器的分辨力很难优于20m。 （2）噪声较大。电刷和电阻元件之间接触面的变动和磨损、尘埃附着等，都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化，从而产生噪声。,为减小后接电路影响，应使 Rl Rp （减小负载效应），输出电压与位移成线性关系。,23,变阻器式传感器的性能参数: 1）线性(或曲线的一致性); 4）移动或旋转角度范围; 2）分辨率; 5）电阻温度系数; 3）整个电阻值的偏差; 6）寿命。,24,应用,案例： 重量的自动检测-配料设备,比较,原理 用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化,25,26
15、,案例：煤气包储量检测,特点： （1）测量量程大； （2）防爆； （3）可靠； （4）成本低。,原理 直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化,27,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理 直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化,2电阻应变式传感器,应用范围：测量力、应变、位移、加速度、扭矩等 分类：（1）金属应变片式 （2）半导体应变式,特点：（1）体积小 （2）动态响应快 （3）测量准确高 （4）使用方便,30,（1）金属电阻应变片,常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种工，其工作原理都是基于应变片随弹性体发生机械变形，其电阻值发生变化。,工作原理：应变效应 把应变
16、片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上，在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其阻值发生相应变化。,31,（a）把直径为0.025mm的康铜或镍铬合金丝，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之 间，由引出导线接于电路上。,（b）用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光刻技术制造，其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片约厚110 m。,32,由于电阻值,对上式求微分,（3-4）,式中 ，则：,（3-5）,轴向相对应变（或称纵向应变）+电阻丝径向相对应变（或称横向应变）+电阻丝电阻率相对变化（与电阻丝所手正应力有关）,33,两式相除，可得式（3-5）,（3-6）,式中 E电阻丝材料的弹性模量 ； 压
17、阻系数，与材质有关,（3-8）,式中 (1+2)项是电阻丝几何尺寸改变所引起的，同一电阻材料是常数； E项是由电阻丝的电阻率随应变而引起的，一般对金属丝很小可忽略。,式（3-8）可简化为,（3-9）,式（3-9）表明电阻相对变化率与应变成正比。比值 Sg称为应变系数或灵敏度。,常数 （3-10）,制造应变片中 Sg在1.73.6之间，几种常用电阻丝材料物理性能见 表3-2，一 般市场上电阻应变片标准为 60，120，350，600，1000 等。,34,（2）半导体应变片,典型半导体应变片结构,工作原理：基于半导体材料的压阻效应单晶半导体材料在外力作用下， 其电阻率变化。根据式（3-8），(1
18、+2)项是由几何尺寸变化 引起的，E是由电阻率变化引起的，就半导体而言，后者影 响大于前者，故式（3-8）可简化为,（3-11）,灵敏度为,（3-12）,这一数值比金属丝式大5070倍， 几种常用的半导体材料特性见 表3-3,优点： 灵敏度高 缺点：（1）温度稳定性差（2）灵敏度分散度大（由于晶向杂质等因数） （3）非线性大,小结：（1）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。 （2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。,35,（3）电阻应变片传感器应用实例,a.直接用来测定结构的应变或应力,例如：研究机械、桥梁建筑等某些构件在工作状态下的受力、变形情况。可用不同形状的应变片
19、，贴在构件的预定部位，测得构件的拉、压应力、扭矩等为结构设计，应力校核或构件破坏的预测提供可靠实验数据。,b.将应变片贴在弹性体上，作为测量力、位移、加速度等物理参数的传感器。这些传感器从本质上讲均为受力，产生弹性变形，导致电阻应变片阻值发生变化，再经二次仪表转换为电压（或电流）信号输出。,36,案例：桥梁固有频率测量,原理 在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,应用,38,试验求脉冲响应函数简单明了，产生一个冲击信号（如力锤），再测量系统输出就可以了。,案例：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化
20、为电量输出。,40,（a）由应变片测出的是构件或弹性体上某出的应变，通过换算（或标定）能得到应力、力或位移。 标 定,（b）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺（胶、贴前处理、固化处理、防潮等）至关重要。 贴片工艺,（c）动态测量时，应考虑弹性元件和应变片的动态特性。(上限频率由基长和 激励电源频率决定) 动态特性,（d）温度对电阻值的变化影响不容忽略，考虑温度补偿。 温度补偿,说明:,46,应变片的主要参数,（1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL表示。 （2）电阻值：应变计的原始电阻值。 （3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 （4）其它表示应变计性能的参
21、数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,52,1) 工作原理,金属应变片的电阻R为,(1) 当不变时,53,金属应变计有: 丝式和 箔式 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.,半导体应变计,优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,表3-2 常用电阻丝材料物理性能,55,表 3-3 几种常用半导体材料特性,56,57,3.固态压阻式传感器,（1）基本工作原理：与半导体应变片相同，利用半导体压阻效应。,压阻效应 指半导体材料受到应力作用时，其电阻率发生变化的现象。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效
22、应，但半导体材料的这种效应特别强。,区别在于： 半导体应变片利用单晶半导体材料构成，利用半导体电阻做成粘贴是敏感元件。 固态压阻式传感器是在半导体基片上利用集成电路工艺制成的扩散电阻，即扩散型半导体应变片。以单晶硅为基底。 基底为弹性元件，导电层为敏感元件。,压阻式传感器的优点,缺点： 温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。,（1）灵敏度非常高；,（2）分辨率高，例如测量压力时可测出1020 Pa的微压；,（3）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。,4. 动态电阻应变仪,多采用交流供桥、载波放大的形式。将贴于试件上的应变片接于电桥。 由电桥、标
23、定电路、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器等组成。,二、 电容式传感器,变换原理：将被测量的变化转化为电容量变化。,两平行极板组成的电容器,其电容量为：,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。, 极板间介质的相对介电常数，在空气中=1 0真空中介电常数，0 = 8.810-12F/m （法拉/米） 极板间距离 A极板面积,63,根据电容器变化的参数可分为 （1）极距变化型 （2）面积变化型 （3）介质变化型,64,（1）极距变化型 根据式(3-20)，当A 和不变时，电容C 与极距呈非线性关系，见图3-22。,对式两边取微分,传感器灵敏度S为,可见灵敏度S与极距平方成反比。且 S为了减小分线性
24、误差，通常在较小间隙变化范围内工作，一般取变化范围,65,66,优点：（1） 可进行动态非线性接触式测量； （2） 灵敏度高； （3） 适用小位移0.01m 数佰微米测量。 缺点：（1）有非线性误差； （2）杂散电容对灵敏度和测量精度有影响； （3）配套用电子线路复杂。,（2）面积变化型 分类： （1）角位移型 （2）线位移型 （3）圆柱体线位移型,67,平面线位移型,68,69,柱面线位移型.,70,式中 覆盖面积对应中心角（弧度） r极板半径,电容量为,灵敏度为,= 常数（线性关系） （3-23）,71,1. 图3-13 a) 为角位移型，当转板有一转角时，动定两极互盖面积就改变，导致电容
25、量改变。由于覆盖面积为,2.图3-13 b）平面线位移型.,电容量,灵敏度 S 为,常数 （线性关系）,3. 图3-13 c) 为圆柱体线位移型,电容量 C 为,灵敏度 S 为,常数 （线性关系）,73,特点： （1）面积变化型优点是输出与输入成线性关系； （2）灵敏度较低； （3）适用较大直线及角位移测量。,南通大学机械工程学院,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,南通大学机械工程学院,驻极体电容
26、传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。,（3）介质变化型 此种传感器利用介质介电常数变化将被量转换为电量，可用来测量电介质 液位或某些材料的厚度、温度和湿度等，见图3-14。,78,测量电路 1、电桥型电路 把电容传感器作为电桥一部分，将电容变化转化为电桥电压输出。见图3-15 通常采用电阻、电容或 电感、电容组成的交流电桥。 电桥输出为一调幅波，经放大、相敏检波、滤波后输出，推动仪表。,
27、79,2、直流极化电路 此电路多用于电容传声器或压力 传感器中。如图3-16 所示，弹性 膜片在外力（气压、液位）作用下发生位移，使电容量发生变化。 电容的变化由高阻值电阻R 转换 为电压变化。 分析表明，输出电压 uy和膜片移动速度近似成一阶系统的关系。,80,3、谐振电路 此电路原理及工作特性见图3-17。 电容传感器的电容Cx作为谐振电 路(L1、C2/Cx)调谐电容一部分有 电压耦合从稳定高频振荡器获得 振荡电压。当Cx变化时，谐振回 路阻抗相应变化，并被转换成电 压或电流输出经放大、检波输出。 一般工作点选在准线性区域内。 特点：（1）灵敏 （2）工作点不 易选好（3）变化范围窄 （
28、4）连线杂散电容影响也较大。,81,4、调频电路 如图3-18所示，当 输入量使传感器电容变化时，振荡器振荡频率发生变化， 频率的变化经鉴频器变为电压变化再经放大输出。 特点：（1）抗干扰性强（2）灵敏度高（0.01m）（3）电缆电容影响大， 使用中麻烦。,82,5、运算放大器电路 如前所述极距变化型传感器中，极距变化与电容变化量成非线性关系，使用 中受到制约。而采用比例运算放大器电路输出电压 uy 和位移量是线性变化， 正好克服上述缺点。如图3-29所示，输入阻抗采用固定电容 C0，反馈阻抗采 用电容传感器 Cx。,根据比例器运算关系，有,u0激励电压,考虑 ，有,（3-28）,由式（3-2
29、8）可知，输出电压uy 与电容传感器间隙 成线性关 系。这种电路常用于位移测量。,另外，一方面，Cx 很小（几十到几佰pF）测量时变化更小（常在1pF以下）；另一方面传感器与周围元件及连接电缆存在寄生电容，其电容大且不稳定，影响测量精度。,解决方法：（1）缩短传感器与测量电路之间电缆，甚至做成一体。 （2）采用双层屏蔽电缆，见图。,当放大器增益为 1 和相移为零时，内屏蔽线和芯等电位，可免除两者之间的容性漏电流。从而消除两者之间的寄生电容影响。当放大器增益为 1或相移非零时，芯线和内屏蔽线电位有差别。,（三）电容集成压力传感器 运用集成电路工艺将电容敏感元件和测量电路制作在一起，构成电容集成压
30、力传感器。核心部件为对压力敏感的电容器。,三、 电感式传感器,原理：把位移、力等被测量转换为电感量变化的一种装置。 （基于电磁感应原理） 分类：,86,88,因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，可以忽略，故,该式表明：自感 L 与气隙 成反比，与气隙导磁截面积 A0 成正比。当固定 A0 变化 时，L与 呈非线性关系，此时传感器灵敏度 S 为,89,（2）如果S不是常数会出现非线性误差。为了减小这一误差，通常规定在较小间隙范围内工作。设间隙变化为(0,0+)，一般应用中取 /0.1。,从灵敏度公式可见：,（1）灵敏度 S 与气隙长度平方成反比， 越小，S 越高。,（3）此种传感器适合于较小位
31、移的测量，一般设为 0.0011 mm。,90,（1）可变导磁面积型 L与A0成线性关系，灵敏度较低。,（2）差动型 两个线圈的间隙按0+和0-变化，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减少，将两线圈接于电桥相邻两臂时，其灵敏 度提高 1 倍，并改善了非线性。,a)可变磁阻面积型,常见可变导磁阻传感器典型结构,b)差动型,91,（3）单螺管线圈型 铁心在线圈中运动时，将改变磁阻使自感发生变化。结构简单，易制造，但灵敏度低，使用大位移测量。,（4）双螺管线圈差动型与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及线性，常用于 电感测微仪上，其测量范围为 0300 m,最小分辨力为 0.5m。 这种传感器常接于电桥两个
32、桥臂上，线圈电感 L1、L2随铁心位移而变化，其输出特性如后图所示。,92,2.涡电流式,见图（3-24）金属板位于一线圈附近，距离为，当线圈通过一高频交变电流时，产生磁通 ，此交变磁场在邻近金属板上感应电流 i1, 此电流在金属体内是闭合的，称之为“涡流”。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场作用，使原线圈的等效阻抗 Z 发生变化，变化程度与距离 有关。,原理：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。,原线圈的等效阻抗Z变化：,电涡流传感器是载流线圈和金属导体两部分组成，缺一不可.,原线圈的等效阻抗Z变化：,影响因素： （1）值，可作为位移、振动测量，变化和 （2）
33、金属板电极率，可作为材质鉴别和探伤。 （3）磁导率，可作为材质鉴别和探伤。 （4）线圈激励圆频率 等变化。,涡电流式传感器测量电路： （1）阻抗分压式调幅电路 （2）阻抗分压式调频电路,传感器线圈 L 和电容 C 组成并联谐振回路，其谐振频率为 ：,电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，输出电压 u 最大。工作时线圈阻抗随 改变，LC回路失谐，输出信号 u (t) 频率虽然仍为工作频率，但幅值随而变化，它相当于一个调谐波。此调谐波经放大、检波、滤波后即可得到气隙 的动态化信息。,b),21,0,u2,u1,u,a),u,u,0,f,f f1 f2,图3-17 分压式调幅电
34、路的谐振曲线及输出特性 a) 谐振曲线 b) 输出特性,调频电路：调频电路的工作原理如图 3-27 所示。与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量。当 发生变化时，引起线圈电感 L 变化，使振荡器的振荡频率 f 发生变化，再通过鉴频器进行频率-电压转换，即得与 成比例的输出电压。目前此种传感器应用广泛，测量范围为 110 mm，分辨力为 1 m的非接触式测量。,案例：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,涡电流传感器应用,98,案例： 测厚,案例： 零件计数,99,图(c)为测量发动机涡轮叶片的振幅示意图，在叶片作振动疲劳实验时可用来监视叶片共振时的振幅。,在
35、汽轮机和空气压缩机中，常用电涡流传感器监控主轴的径向振动，通常在轴的附近并排地安置数个传感器探头，在轴振动时，可以获得各个传感器所在位置轴的瞬时振幅，用多通道记录仪输出至记录仪，从而画出轴振形图。,（二）互感式差动变压器式电感传感器,工作原理见图当线圈 W1 输入交流电流 i1 时，线圈 W2 产生感应电动势 e12，其大小与电流 i1 的变成正比，即,（3-29）,式中 M比例系数（称为互感H），其大小与两线圈相对位置及周围介质导磁能力有关。,差动式工作原理：见图3-30 a)，初级线圈 W 次级线圈 W1， W2反极性串联。当 W上加上交流电时，W1，W2分别产生感应电势e1 和e2，其大
36、小与铁心位置有关。,（1）当铁心在中心时，e1 = e2 e = 0 （2）当铁心向上运动时，e1 e2 （3）当铁心向下运动时，e1 e2，其输出特性见 b) 图,问题：输出为交流电压，存在零点残余电压和输出值不能反映铁芯位移的极性问题。,解决办法：采用如图3-31所示的差动相敏检波电路和差动整流电路在没有输入信号时，铁心处中间位置，调节 R使零点残余电压减小，当铁心上下移动时，输入信号经放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。,此传感器精度高（0.1m级）、线性范围大（100mm）、稳定度好、使用方便，广泛用于直线位移测量。,如图 是差动变压器式加速度传感器结构原理图。 加速度传感器由悬臂梁和
37、差动变压组成。 测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的 A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测的加速度成正比，使加速度的测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以 x 振动时，差动变压器的输出电压也按相同的规律变化，通过输出电压值的变化间接地反映了被测加速度的变化。,实际上它是把压力转变成铁芯微小位移的机构，再通过差动变压器将微小位移转换成与其成比例关系的电信号。 在印刷、包装等工业生产中应用广泛，用印刷包装机械对卷绕的箔膜、纸张进行印刷。当存在着张力的箔膜、纸张通过某些可以转动的辊或轴，就可以把张力变成压力，进而转变成位移，产生代表当前张
38、力大小的电信号，所以互感式压力传感器也称之为张力传感器。,互感式压力传感器结构原理图,第四节 磁电、压电与热电式传感器,一、磁电式传感器,定义：把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。（又称电磁感应式 或电动力式） 原理：由电工学知，一个匝数为W的线圈，当穿过该线圈的磁通 发生变化时，其感应电动势e 为,可见线圈磁感应电动势大小，取决于匝数和穿过线圈的 磁通变化率。而磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻和线 圈运动速度有关。,按结构分类,动圈式,线速度型,角速度型,磁阻式,107,（一）动圈式,1线速度型（图示）在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动线 圈，当线圈在磁场中运动时，它所产生的感应电
39、动势e为,式中 B 磁场的磁感应强度 v 线圈与磁场的相对运动速度 l 单匝线圈有效长度 线圈运动方向与磁场方向夹角 W 线圈匝数,此式说明，当 B、W、l 均为常数时，感应电动势大小 与线圈运动线速度成正比。这也是一般常见惯性式速度 计的工作原理。,当=900时式可写成,式中 角速度 A单匝线圈的截面积 k与结构有关的系数(k1),109,2角速度型,右图是传感器工作原理，先前在磁场中转动时产生的 感应电动势为,上 式表明，当传感器结构一定时，W、B、A 均为常数，感应电动势 e 与线圈相对磁场的角速度成正比，这种传感器被用于转速测量。,3等效电路,将传感器与电压放大器连接时，其等效电路如图
40、3-36所示。图中 e 是发电线圈感应电势；Z0 是线圈阻抗；RL 是负载电阻(含放大器输入电阻)；CC 是电缆导线分布电容；RC 是电缆导线的电阻。,（3-38）,如果使用线不长CC可忽略，如果RL Z0时，则放大器输入电压为,113,忽略电缆电阻RC ，故等效电路中输出电压为,114,感应电势经放大，检波后，可推动指示仪表。如果通过微积分网络，可得 到加速度和位移。（相对速度，不是绝对速度）,磁电式传感器的工作原理也是可逆的。作为测振传感器，它工作于发电机状态。若在先前上加上交变激励电压，则线圈就在磁场中振动，成为一个激振器（电动机状态）。,（二）磁阻式,原理： 磁阻式传感器的线圈与磁铁彼
41、此不作相对运 动，由运动着的物体 （导磁材料）来改变磁路的磁阻，而引起磁力线增加和减弱，使线圈产 生感应电动势。其工作原理见图3-34所示。,特点： 磁阻式传感器使用简便，结构简单，不同场合用来测量转速、偏心量、 振动等。,117,二、压电式传感器,某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电
42、缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。,119,（一、）压电效应（Piezoelectric Effect） 正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应
43、,120,晶体结构： 石英(SiO2)晶体是 一种常用的压电材料。石英晶体结晶形状为六角形晶体，见右图，两端为一对称棱锥。 六棱柱是基本组织。 纵轴线zz称为光轴，光线沿z轴入射不产生双折射； 过六角棱线垂直于光轴的轴线xx称为电轴，在应力作用下，其两端产生电荷最强 垂直于棱面的轴线 yy 称为机械轴。,压电陶瓷的压电效应,纵横向效应 见图3-36，当施加外力时，将沿 x-x 方向形成电场，其电荷分布在垂直于 x-x 轴的平面上。沿 x 轴加力产生纵向效应；沿 y 轴加力产生横向效应；沿相对两平面加力产生切向效应。,切向压电效应,正压电效应的三种形式,以石英晶体为例，当晶片在电轴x方向受到压应
44、力dxx作用时，切片在厚度方向产生变形并极化，极化强度Pxx与应力dxx成正比。 Pxx=d11dxx=d11（Fx/lxlz） d11为x方向的压电常数,当晶体片受x向压力时，压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。与切片几何尺寸无关 。,如果在同一个晶体切片上作用力是沿着机械轴y的方向，其电荷仍在与 X 轴垂直平面上 出现，其极性如图 所示，此时电荷的大小为,可见，沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷与晶体切片的尺寸有关， 负号表示沿 Y轴的压缩力产生的电荷与沿 X 轴施加的压缩力所产生的电荷极性相反。,（二）压电材料,1石英是最具有代表性，应用广泛，具有较好的机械强度和时间及温度稳定性
45、。 2压电陶瓷在现代声学和传感技术中普遍应用。制造方便，成本低，压电常数 比单晶高。最早的压电陶瓷钛酸钡，其居里点约350，压电常数70590 pC/N 3高分子压电薄膜压电特性不太好，但它可以大量生产，具有面积大，柔软不宜破等优点，可用于微压测量和机器人视觉，其聚偏二氟乙烯（PVdF）最著名。,128,129,1、石英晶体,天然形成的石英晶体外形,石英晶体薄片,双面镀银并封装,石英晶体切片及封装,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,2、压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，
46、而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。,压电陶瓷外形,无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）,3、高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。,高分子压电薄膜及拉制,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,可
47、用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）,压电元件有串联和并联两种结构形式，串联可提高输出电压，并联可提高输出电荷。,压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料内部具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构,电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向, 从而存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。,压电陶瓷极化处理,在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。 极化方向即外加电场方向，取为Z轴(光轴) 方向。,直流电场E,剩余极化强度,剩余伸长,电场作用下的伸长,(a)极化处理前,(b)极化处理中,(c)极化处理后,当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度？ 这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表
