傳感器與檢測技術(shù)教案概要

1、5傳感器與檢測技術(shù)6目錄07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。1.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器1.1.11.1.1 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)。1.1.21.1.2 傳感器

2、的分類1 1 按被測量對象分類：（1 1）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 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 2 傳感器按工作機(jī)理:（1 1）物性型傳感器：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 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)成的電感式傳感器、電容式傳感器、光柵式傳感器）（主要83 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

3、測量溫度4.4.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：5.5. 按傳感器能量源分類：（1 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 2）有源型:需要外加電源才能輸出電量，又稱 能量控制型（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。6.6. 按輸出信號的性質(zhì)分類：（1 1）開關(guān)型（二值型）：是“1 1”和“0 0”或開（ONON）和關(guān)（OFFOFF）;（2 2）模擬

4、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 3）數(shù)字型：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)；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 1” 為高電平，“ 0 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)

5、數(shù)器）、代碼型（回轉(zhuǎn)編碼器、 礠尺）。傳感器分類轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱典型應(yīng)用轉(zhuǎn)換形式中間 參量移動電位器觸點(diǎn)改變電阻電位器傳感器位移電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、熱輻射參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)利用電阻的濕度效應(yīng)濕敏電阻濕度數(shù)電改變電容的幾何尺寸電容傳感器力、壓力、負(fù)荷、位移容改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量電 感改變磁路的兒何尺寸、導(dǎo)磁體位置電感傳感器位移9渦流去磁效應(yīng)渦流傳感器位移、厚度、硬度利用壓磁效應(yīng)壓磁傳感器力、壓力、扭矩

6、電差動變壓器位移電感改變互感自整角機(jī)位移旋轉(zhuǎn)變壓器位移頻振弦式傳感器壓力、力參率改變諧振回路中的固有參數(shù)振筒式傳感器氣壓石英諧振傳感器力、溫度等計(jì)利用莫爾條紋光柵數(shù)數(shù)改變互感感應(yīng)同步器大角位移、大直線位移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電溫差電動勢熱電偶溫度、熱流電動 勢霍爾效應(yīng)霍爾傳感器磁通、電流、壓力電磁感應(yīng)磁電傳感器速度、加速度量光電效應(yīng)光電池光強(qiáng)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1.1.31.1.3 傳感器的特性及主要性能指標(biāo)1 1 傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，有 靜態(tài)特性和動態(tài)特性。2.2. 傳感器的靜態(tài)特性是當(dāng)傳感

7、器的輸入量為常量或隨時間作緩慢變化時，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。3.3. 傳感器的動態(tài)特性是指傳感器的輸出量對于隨時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接觸式環(huán)節(jié)；模擬環(huán)節(jié)； 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。4.4. 傳感器的主要性能要求：1 1）高精度、低成本。2 2）高靈敏度。3 3）工作可靠。4 4）穩(wěn)定性好，應(yīng)長期工作穩(wěn)定，抗腐蝕性好；5 5）抗干擾能力強(qiáng)

8、；6 6）動態(tài)性能良好。7 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。1 2 傳感檢測技術(shù)的地位和作用1.1.地位10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 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)（CIMSCIMS）、柔性制造系統(tǒng)（FMSFMS）、加工中 心（MCMC ）、CNCCNC 機(jī)床、計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)（CAMCAM）。1.3 基本特性的評價(jià)指標(biāo)與選用原則1.1. 測量范圍:是指傳感器在允許誤差限內(nèi)，其被測量值的范圍； 量 程:是指傳感器在測量

9、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。2.2. 靈敏度:是指傳感器輸出量的變化量 厶丫與引起此變化的輸入量的變化 X 之 比。系統(tǒng)總靈敏度 K Ko等于各環(huán)節(jié)靈敏度 k ki的乘積，K K=k kik2k2lHlHk kn。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 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

10、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。3.3. 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 LmaxLmax 與理論量程輸出值 丫（ =ymax=ymax yminymin、的百分比進(jìn)行計(jì)算。Lmaxgo%丫4.4. 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)果之間的 不一致程度的指標(biāo)；（分散范圍小，重復(fù)性越好）5.5. 穩(wěn)定性在相同條件，相當(dāng)長時間內(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 是時間和環(huán)境。電阻

11、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，輸出值隨時間變化而變化。長期使用會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。6.6. 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。7.7. 分辨力是指傳感器能檢出被測量的最小變化量。8 8 動態(tài)特性：反映了傳感器對于隨時間變化的動態(tài)量的響應(yīng)特性。 傳感器的響 應(yīng)特性必須11在所測頻率范圍內(nèi)努力保持不失真測量條件，時間延遲越小越好。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)，

12、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 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)時間、上升時間等來分析系統(tǒng) 的動態(tài)特性。9 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。1 4 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)1 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 2、 校準(zhǔn)是指傳感器在使用前或使用過程中或擱置一段時間再使用時，必須對其 性能參數(shù)進(jìn)行復(fù)測或

13、作必要的調(diào)整與修正，以確保傳感器的測量精度。3 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 4、靜態(tài)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，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

14、靠，使用方便，能適應(yīng)多種環(huán)境。5.5.動態(tài)標(biāo)定12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)傳感器同時測量同一個被測量。1 5 傳感

15、器與檢測技術(shù)的發(fā)展方向1.1.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 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：自動調(diào)零和自動校準(zhǔn)；自動量程轉(zhuǎn)換；自動選擇功能；自 動數(shù)據(jù)處理和誤差修正；自動定時測量；自動故障診斷。3.3.復(fù)合傳感器能同時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)。4.4.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)人造器官的新時代。713第二章位移檢測傳感器1 1、 位移可分為線位移

16、和角位移兩種。測量位移常用的方法有:機(jī)械法，光測 法，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 2、 位移傳感器的分類 A :（1 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 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 3）大位移傳感器：2.1 參量型位移傳感器2.1.12.1.1 電阻式位移傳感器R=

17、-LS電位計(jì)：被測量使 L L 變化 應(yīng)變片：被測量使三者均變化1.1.電位計(jì)1 1）工作原理冋：由骨架、電阻元件（線繞電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料）、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。=KRXKR電阻靈敏度，輸出電阻與被測位移之比 輸出空載電壓Uo=KUXKJ電壓靈敏度，輸出電壓與被測位移之比A；理想線性電位計(jì)：KR、KJ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(1)線性電位計(jì)：電阻與位移呈線性關(guān)系14(2)(2) 非線性電位計(jì)：電阻與位移呈非線性或函數(shù)

18、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：K KR=dR/dx=dR/dx電壓靈敏度：Ku=dUKu=dUo/dx/dx。2)2)選用回：(1)(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)(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)(3) 應(yīng)用：用于直線、角位移等測量。2 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。2.1.22.1.2 電容式位移傳感器1 1工作原理冋電力線平行板電容器15-被測量(線位移或角位移)使:、S、；

19、中任何一個參數(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。2.2.特點(diǎn):(1)(1) 封閉形式或開放形式下工作；(2)(2) 對輸入能量的要求低，動態(tài)響應(yīng)特性好；(3)(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)(4) 構(gòu)件和連接電纜會引起泄露電容，造成 測量誤差；3.3.分類1)1)變極距型的電容位移傳感器特點(diǎn)和應(yīng)用冋(1)(1) 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)(2) 用于小位移測量：K K 近似為常數(shù)；(3)(3) 差動電容：差動連接可改善線性度及提高靈敏度 內(nèi)

20、；2)2)變極板面積型電容位移傳感器(1)特點(diǎn)和應(yīng)用冋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;分類：圓筒型電容位移傳感器 壬_KC_CoK K 一Colx l角位移型平板電容位移傳感器CCo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C03 3)變介質(zhì)型電容式傳感器C16呈非線性關(guān)系。電容式液位計(jì)（測量液面高度）C .2 吃二.KC 上匹二常數(shù) Co-1 hhx： h電容式介質(zhì)厚度傳感器名0Sd -、-/r；C C 和介質(zhì)厚度S以及介質(zhì)的介電常數(shù)丫之間的關(guān)系

21、都是非線性的;4 4）容柵式電容位移傳感器（1 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，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。分類和電容量的計(jì)算 長容柵客 nab名 abCmax =nn n可動容柵的柵極數(shù)；a a、b b為柵極的寬度、長度 被測位移使 C C 發(fā)生變化；圓容柵Cmax二n-26R R、r r 柵極外半徑和內(nèi)半徑（m m）， a a 每條柵極所對應(yīng)得圓心角（radrad）o被測位移使重疊角在 00之間發(fā)生變化；（3 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

22、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 4 .電容式位移傳感器的絕緣和屏蔽（1 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 零位漂移：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 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17和低的吸潮性；（3 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 4）接地應(yīng)可靠，可

23、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。2.1.32.1.3 電感式位移傳感器將被測物理量位移轉(zhuǎn)化為自感 L,L,互感 M 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)。1.1.自感式電感位移傳感器1 1）工作原理與結(jié)構(gòu)回纏繞在鐵心的線圈中通以交變電流 i i，產(chǎn)生磁通m,形成磁通回路。線圈的 自感 L L 計(jì)算公式為回N N1 2 3 4 5h h2：USUS交變電流就會變化變氣隙型：變，其余不變；L L 與 6 6 的關(guān)系呈非線性；（xxRmBRmB L L解決辦法：只用于小位移測量

24、；差動式連接;（2 2）變面積型: :S S0變，其余不變; 螺管型: :J Ji i 變，其余不變;1:1:鐵心與銜鐵的導(dǎo)磁長度（m m）;也鐵心與銜鐵的導(dǎo)磁率（H/mH/m）； S S:鐵心與銜 鐵中的導(dǎo)磁2 2）改善其性能考慮的因素2 2損耗問題；3 3氣隙邊緣效應(yīng)的影響，4 4溫度誤差，5 5差動式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電壓問題2.2.互感式位移傳感器（差動變壓器式位移傳感器）1 1）工作原理和結(jié)構(gòu)工作原理AA:被測量（如位移）使線圈的自感L L 發(fā)生變化，于是線圈中的18面積（m m2）;氣隙厚度（m m）;e：真空磁導(dǎo)率（H/mH/m）； S So:氣隙 導(dǎo)磁橫截面積（m m2）

25、。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 i ii時，在二次側(cè)上將感生感應(yīng)電動勢E EEM當(dāng)dtM M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) 工作原理內(nèi)：將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)M M 的變化2)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)(1) 優(yōu)點(diǎn)：線性范圍大( (數(shù)百 mm)mm)，精確度高，分辨力可達(dá) 0.10.1m；穩(wěn)定 性好，使用方便。(2)(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

26、造成測量誤差?？?調(diào)電阻。3.3.渦流式位移傳感器1)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 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，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)率卩、厚度 t t 以及線圈與金屬體的距 離 x x、線圈的激勵電流強(qiáng)度 i i、角頻率3等有關(guān)。2)2) 分類(1)(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 Z 發(fā)生變化，Z Z 的變化值與渦流值有關(guān)。(2)(2) 低頻透射渦流傳

27、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)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)J Jm m 級。22發(fā)電型位移傳感器-壓電位移傳感器1 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19勢、電荷等。包括：磁電型、壓電型。2 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。2.3 大位移傳感器2.3

28、.12.3.1 磁柵式位移傳感器 1.1.類型和用途根據(jù)用途可分為 長磁柵和圓磁柵位移傳感器，分別用于測量 移。2.2.工作原理1 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 SNSN、NSNS 狀態(tài)。測量時利用重放磁頭將記錄信號還原。2 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：只有一個繞組，當(dāng)磁頭沿磁尺相對運(yùn)動時，輸出正弦波，在N N、N N 重疊處輸出正信號最強(qiáng)，在 S S、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，輸出繞組輸出一等幅的正弦或余弦電壓

29、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，幅值隨 磁尺上的剩磁影響而變化。3.3.特點(diǎn):磁柵式位移傳感器 精度可達(dá)土 0.010.01 伽/m/m,分辨率達(dá) 1 15 5 口；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。2.3.22.3.2 光柵式位移傳感器 1.1.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 2525 條/ /伽，5050 條/ /伽，100100 條/ /伽或更密；

30、柵線長度 6 61212 伽. .2 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 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。(1)(1) 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二。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BHWT。(2)(2) 當(dāng)兩個光柵沿刻線垂直方向相對移動一個柵距W W，莫爾條紋移動一個條紋線位20間距 BH。(3)(3) 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；光柵條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動按正弦規(guī)律變化。(5)(5)利用光

31、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。 測長精度可達(dá) 0.50.53 3 口，分辨率達(dá) 0.10.1 g.g.4 4光學(xué)系統(tǒng)透射式光路(柵)； 反射式光路(柵)5 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，分辨力可達(dá) 0.1，甚至更高。2.3.32.3.3 感應(yīng)同步器1 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 2工

32、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9090)組成，兩者平面平行相對，間距為 0.050.25mm0.050.25mm。當(dāng)滑尺的兩組繞組用交流電激勵時，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E E。當(dāng)滑尺相對定尺移動時，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 E E。E E 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：

33、定尺輸出電壓的相位與相對移動位移 X X 成比例；鑒幅：定尺輸出電壓的幅值 A A 相對移動位移 x x 成比例； 3 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。2.3.42.3.4 激光式位移傳感器（考綱沒有要求） 1 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。212 2特點(diǎn)精度高，測量范圍大、測試時間短、非接觸、易數(shù)字化、效率高。3.3.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 4常用的激光干涉測

34、長傳感器1單頻激光干涉?zhèn)鞲衅鳎?雙頻激光干涉?zhèn)鞲衅?。第三章力、扭矩和壓力傳感?.1 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。3.1.13.1.1 電阻式應(yīng)變測力傳感器1 1電阻式應(yīng)變測力傳感器工作原理1 1）電阻應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體受到外力作用時發(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 2）壓阻效應(yīng)：固體受到應(yīng)力作用力時，其電阻率發(fā)生變化的想象。3 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

35、 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 2彈性元件有柱型、薄壁環(huán)型和梁型1 1）柱型彈性元件圓柱形、圓筒形、方柱形 受力后的應(yīng)變值FZ =22SEE E材料的彈性模量 PaPa；S S-彈性元件的橫截面積 m m2;2 2）薄壁環(huán)型彈性元件圓環(huán)受拉之后，承受的彎矩M M =FRo=FRo（0.318-0.5cos0.318-0.5cos）RoRo環(huán)的平均半徑 m m，- 斷面的坐標(biāo)角，M M- 坐標(biāo)角斷面處的彎矩 N N m m3 3）梁型

36、彈性元件懸臂梁式、兩端固定梁式應(yīng)變值分別是:?=6FI/Ebh?=6FI/Ebh2 2, ?=3FI/4Ebh?=3FI/4Ebh2 2l l、b b、h h 分別是長度、寬度、厚度 m m。3 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 1）工作原理S23dR(12 二)；二LE ；R對金屬應(yīng)變片：dR=(i 2 ；) = K；RK =1金屬應(yīng)變片靈敏度系數(shù)(1.72.6,1.72.6,比較小)對半導(dǎo)體應(yīng)變片：dRE；- K；RK K h 叭 E E 半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度系數(shù)(

37、比金屬應(yīng)變片的大 2)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 3-53-5)(a)(a) 敏感柵的作用：感受機(jī)械試件的應(yīng)變變化；(b)(b) 底基的作用：將試件的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳給敏感柵；(c)(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)(a) 具有較高的電阻系數(shù)(單位長度的電阻要大)；(b)(b) 具有盡可能大的電阻應(yīng)變靈敏度系數(shù)；(c)(c) 具有較小的溫度系數(shù)；(d)(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)(e) 良好的加工性和焊接性；(f)(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

38、)(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?b)(b) 厚度 202050g50g 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) 100100C300300r。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 400400C500500r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(3535) umum 厚的金屬箔粘于膠基上，用光刻技術(shù)

39、加工成需要 的形狀。敏感柵制成圓角形柵，也可成直角形柵。優(yōu)點(diǎn)：dRdt_dS空50705070 倍）24（1 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 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 100400100400 倍；（3 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 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 3）半導(dǎo)體應(yīng)變片（1 1）工作原理是基于壓阻效應(yīng)。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度系

40、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。4 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 U Uo=0=0， R R1R R3=R=R2R R4）工作方式單臂雙臂四臂應(yīng)變片所在位置R RiR Ri， R R2R Ri， R R2， R R3， R R4輸出電壓 U Uo1/4UK1/4UK1/2U1/2UiK KU UiK K &

41、5 5應(yīng)變式測力傳感器舉例圖 3-73-7 圖 3-83-8 圓筒形彈性元件、應(yīng)變片 3.1.23.1.2 壓電式力傳感器 1 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 1）正壓電效應(yīng)：當(dāng)某些材料沿一定方向受外力 F F 作用而變形時，在其相應(yīng) 的兩個相對表面產(chǎn)生極性相反的電荷 Q Q，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 =KFK K- 壓電常數(shù)，與材料有關(guān)。（2 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。（

42、3 3）壓電效應(yīng)的方向縱向和剪切向252 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、鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鋁系壓電陶瓷（ PZTPZT）以 及新型高分子材料（聚偏二氟乙烯 PVDFPVDF）等。3 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 4壓電式傳感器的等效電路和前置放大器1 1）等效電路等效為電荷為 Q Q 的電容器（電荷源）或內(nèi)阻為為 C Ca的電壓源。 電容量C；Ca；壓電元件兩端電壓u u - - 2 2U UC Ca2 2）前置放大器（1

43、1）壓電元件的輸出很微弱，電容 C Ca很小導(dǎo)致容抗（阻抗）很大。（2 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)）。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 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 5壓電式力傳感器（1 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）（2 2）壓電式力傳感器的選用原貝卩: 量程和頻

44、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 101012Q,低頻響 應(yīng)為0.001Hz0.001Hz。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； 3.1.33.1.3 壓磁式力傳感器 1 126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，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，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 2壓磁式力

45、傳感器工作原理（1 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 3-133-13），），（2 2） 在一次側(cè)繞組通過交變勵磁電流時，鐵心中產(chǎn)生磁場。壓磁元件不受力 時，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 3） 當(dāng)壓磁元件受力時，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 4） 經(jīng)測量電路將電動勢轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。3 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。3.2 扭矩傳感器轉(zhuǎn)矩：使

46、物體轉(zhuǎn)動或扭轉(zhuǎn)變形的力偶或力矩，又稱 牛頓米（NJm ）。3.2.13.2.1 電阻應(yīng)變式扭矩傳感器1.1.工作原理(1)(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)(2)當(dāng)軸類零件受扭矩作用時，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)(3) 應(yīng)變片也可貼在一根特制彈性傳動軸上，制成一個應(yīng)變式扭矩傳感器。1 1-k-k T TFW=KT2.2.集流環(huán)的用途和種類1)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)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)(1) 電刷- -滑環(huán)式：結(jié)構(gòu)：由套筒，

47、絕緣環(huán)，滑環(huán)構(gòu)成。扭矩（扭轉(zhuǎn)力矩）。單位是27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)(2) 水銀集流裝置結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)：水銀在高溫下工作時易蒸發(fā)逸出，對人體有毒害，故使用受限。(3)(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。3.2.23.2.2 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)(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

48、軸向被線圈磁化；(2)(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。3.2.33.2.3 電容式扭矩測量儀1.1.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。T T a a S S C C T T2.2.電容式扭矩傳感器( (圖 3-22)3-22)軸承受扭矩時，開孔金屬圓盤 4 4、5 5 產(chǎn)生相對角位移，使得金屬圓盤 8 8 9 9 之間的電容發(fā)生變化。3 3特點(diǎn)最主要優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高。

49、3.2.43.2.4 光電式扭矩測量儀1 1工作原理(1)(1) 結(jié)構(gòu)：軸、光源、光電元件、2 2 個帶孔圓盤組成。(2)(2) 當(dāng)軸扭矩為零時， 2 2 個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，28光電元件輸出的脈沖電流的寬度最大，微安表為滿刻度；(3)(3) 當(dāng)軸傳遞扭矩時，由于軸的變形，使 2 2 個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。2.2.特點(diǎn)：工作轉(zhuǎn)速為(100800100800) r/minr/min，測量精度為 1%1%。3.2.53.2.5 鋼弦式扭矩傳感器1 1工作原理：鋼弦式扭矩傳感

50、器是將扭矩轉(zhuǎn)換成鋼弦固有頻率變化進(jìn)行工作。(1)(1) 軸的扭矩使鋼弦的張力發(fā)生變化。(2)(2) 鋼弦的張力變化使得鋼弦的固有頻率發(fā)生變化。(3)(3) 測量出鋼弦的振動頻率即可確定軸所承受的扭矩。2.2.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)土1%1%。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3.3 壓力傳感器壓力( (壓強(qiáng)):):作用在單位面積上的力,PaPa( N/m2)F P 二S絕對壓力 p p 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))。29表壓力：p p = = P P 絕- P Po，相對壓力; 真空度：P Pf二 P Po- - P P 絕, 3.3.13.3.1 液柱

51、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)壓力相平衡的原理進(jìn)行測壓;U U 形管液柱壓力計(jì)：口 =:卜 ghgh - - P P2傾斜式液柱液壓計(jì)：口 = =1 1:gsinin :-:-，提高了靈敏度。IP1=;?;?gRgRisinsin 二 P P2二;?;?gRgRiP P2= = ghgh P P2Pa3.3.23.3.2 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。3.3.33.3.3 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；1.1. 工作原理壓力使彈性元件產(chǎn)生于被測壓力成一定

52、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。2.2. 常用的彈性元件1 1）波登管2 2）膜片3 3）波紋管 3.3.43.3.4 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。1.1.電容式壓力傳感器1 1）工作原理圖3T單n30將壓力轉(zhuǎn)換成電容的變化，經(jīng)電路變換成電量輸出。2 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)。2.2.應(yīng)變式壓力傳感器1 1）工作原理利用應(yīng)變片將彈性元

53、件在壓力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電量的變化。2 2）特點(diǎn)體積小，重量輕，精度高，測量范圍寬，從幾帕到500MPa500MPa,頻響高，同時耐壓，抗振，應(yīng)用廣泛。3.3.壓阻式壓力傳感器1 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 2）特點(diǎn)頻響寬，動態(tài)響應(yīng)快，測量范圍從幾 PaPa 到 3 3xi0i09Pa,Pa,適用于爆炸、沖擊壓 力的測量。4.4. 電感式壓力傳感器1 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 2）特點(diǎn)：頻響低，適用于靜態(tài)或變化緩慢壓力的測試。5.5. 渦流式壓力傳感器1 1）工作原理屬于電感

54、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 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 6霍爾式壓力傳感器1 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，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 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 . .7.7. 壓電式壓力傳感器1 1）工作原理31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

55、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 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。32第四章 速度、加速度傳感器4.1 速度傳感器4.1.14.1.1 測速發(fā)電機(jī)(1)(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。(2)(2) 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。(3)(3) 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。1.1.直

56、流測速發(fā)電機(jī)1)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 切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感 應(yīng)電動勢 E Es與轉(zhuǎn)速 n n 成正比。E Es = Ken n 二 C Cen nK Ke感應(yīng)系數(shù)，1-磁通；n n轉(zhuǎn)速；C Ce感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)速的比例系數(shù)2)2)輸出特性(1)(1)空載(電樞電流 l ls=0=0)時直流測速發(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(I Is旳)時，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓應(yīng)比空載時小， 這是電阻 r rs(電 樞繞組電阻)的電壓降造成

57、的。輸出電壓 V VCF和電樞電流 I Is為VCF =Es -1srsVCFRL負(fù)載電阻(2)(2)在理想情況下系數(shù) C Ce和 C C 與輸出電壓之間的關(guān)系圖4-1直流測速發(fā)泌機(jī)電氣原理圖33Ce理想下 r rs、RL、均常數(shù)，故系數(shù) C C 為常數(shù)，即測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓 V VCF與被測轉(zhuǎn)速 n n 成正比（線性關(guān)系）。（3 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，VCF與 n n 不能保持正比（線性關(guān)系），原因有：1有負(fù)載時，電樞反映去磁作用的影 響；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

58、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， 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， 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

59、。2.2.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 1）永磁式交流測速發(fā)電機(jī)（1 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 和頻率 f f 都隨輸入信號（轉(zhuǎn)速 n n）而變化，即K K常系數(shù) p p電機(jī)極對數(shù)（2 2）特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單；但由于輸出頻率 f f 隨轉(zhuǎn)速 n n 而改變，致使發(fā)電機(jī)本身的阻抗和負(fù) 載阻抗均VCF1 rs/RL圖4-2直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性=pn=pn_ _ 6060二 KnKn34隨轉(zhuǎn)速而變化，故其輸出電壓 U U 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 2）感應(yīng)式測速發(fā)電機(jī)（1 1）工作原理利用定子、轉(zhuǎn)子齒槽相互的位置

60、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，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，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)過一個齒距，輸出繞組的感應(yīng)電動勢也變化一個周期。輸出特性感應(yīng)電動勢的頻率為f=空60乙一轉(zhuǎn)子齒數(shù)；n n 被測轉(zhuǎn)速（r/minr/min）；感應(yīng)電動勢的大小與轉(zhuǎn)速成正比；但由于輸出頻率f f 隨轉(zhuǎn)速 n n 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 3）脈沖式測速發(fā)電