傳感器與檢測技術(shù)教案1-7

1、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。1.1 機電一體化系統(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：（1）內(nèi)部

2、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.傳感器按工作機理：（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）結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場的定律和運動定律等構(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

3、式、壓電式、熱電式 、陀 螺式、機械式、流體式。有利于傳感器的設(shè)計和應(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.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（ON）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：計數(shù)型：又稱脈沖數(shù)字型

4、，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，加上計數(shù)器可對輸入量進行計數(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” 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：包括計數(shù)型（脈沖或方波信號+計數(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 參量電電移動電位器觸點改變電阻電位器傳感器位移改變電阻絲或電

5、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、負荷阻利用電阻的溫度效應(yīng)（電阻溫度系數(shù)）熱絲傳感器氣流速度、液體流量參電阻溫度傳感器溫度、熱輻射熱敏電阻傳感器溫度數(shù)利用電阻的光敏效應(yīng)光敏電阻傳感器光強利用電阻的濕度效應(yīng)濕敏電阻濕度改變電容的兒何尺寸電容傳感器力、壓力、負荷、位移容改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量電 感改變磁路的幾何尺寸、導(dǎo)磁體位置電感傳感器位移渦流去磁效應(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、扭矩電差動變壓器位移電感改變互感自整角機位移旋轉(zhuǎn)變壓器位移頻 率振弦式傳感器壓力、力參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、溫度等計數(shù)利

6、用莫爾條紋光柵數(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 動 勢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)光電池光強電輻射電離電離室離子計數(shù)、放射性強度荷壓電效應(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.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)特性的指標有線性度、靈敏度、重復(fù)性等。3.傳感器的動態(tài)特性是指

7、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.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；6） 動態(tài)性能良好。7） 結(jié)構(gòu)簡單、小巧，使用維護方便，通用性強，功耗低等。1.2 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)，是機電一體化系統(tǒng)不可

8、缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一。2作用能夠進行信息獲取、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、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、加工中 心（MC）、CNC機床、計算機輔助制造系統(tǒng)（CAM）。1.3 基本特性的評價指標與選用原則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Y與引起此變化的輸入量的變

9、化X之 比。系統(tǒng)總靈敏度 K。等于各環(huán)節(jié)靈敏度 ki的乘積，K0k1k2|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，因為靈敏度越高，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。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與校ymin、的百分比進行計算4.重復(fù)性：是衡量在同一工作條件下，對同一被測量進行多次連續(xù)測量所得結(jié)果之間的 不一致程度的指標；

10、（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，準曲線作比較，用其不一致的最大偏差Lmax與理論量程輸出值Y（=ymaxmax100%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.精確度:簡稱精度，它表示傳感器的輸出結(jié)果與被測量的實際值之間的符合程度， 是測量值的精密程度與準確程度的綜合反映。7.分辨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

11、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)，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 傳感器的標定與校準1、 標定（計量學(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， 利用某種標準

12、器具產(chǎn)生已知的標準非電量（或其它標準量）輸入，確定其輸出電量與其輸入量之間的過程。2、 校準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、 標定系統(tǒng)的組成 ：1被測非電量的標準發(fā)生器 或被測非電量的標準測試系統(tǒng)；2待標定傳感器；3它所配接的信號調(diào)節(jié)顯示、記錄器等。4、靜態(tài)標定是給傳感器輸入已知不變的標準非電量， 測出其輸出，給出標定方 程和標定常數(shù)，計算其靈敏度，線性度，滯差，重復(fù)性等傳感器的靜態(tài)指標。 對傳感器進行靜態(tài)標定時，首先要建立靜態(tài)標定系統(tǒng)。傳感器的靜態(tài)標定設(shè)備 有：力標定設(shè)備，壓力標定設(shè)備，溫度標定設(shè)

13、備等。 對標定設(shè)備要求：1具有足夠的精度，至少應(yīng)比被標定的傳感器高一個精度等級，并且應(yīng)符合國家計量值傳遞的規(guī)定；2量程范圍應(yīng)與被標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、時間常數(shù)、 阻尼比、固有頻率等。動態(tài)標定的目的是檢驗測試傳感器的動態(tài)性能指標。常用的標準動態(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)標定）。振幅測量法為絕對標定法，精度較高，但所需設(shè)備復(fù)雜，標定

14、不方便，故常 用于高精度傳感器與標準傳感器的標定。工程上采用比較法進行標定，俗稱背 靠背法：與動態(tài)特性已知已知的標準傳感器同時測量同一個被測量。1.5 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：自動調(diào)零和自動校準；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.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.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

15、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。Ku電壓靈敏度，輸出電壓與被測位移之比A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A:(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)

16、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：2.1 參量型位移傳感器2.1.1電阻式位移傳感器電位計：被測量使L變化應(yīng)變片：被測量使三者均變化1.電位計1)工作原理回: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動(直線運動、轉(zhuǎn)動或螺旋運動)，將位移(直 線位移、角位移)等轉(zhuǎn)換為電阻。(1)線性電位計：電阻與位移呈線性關(guān)系RRx- x KRxKR電阻靈敏度，輸出電阻與被測位移之比A輸出空載電壓UiU0 x KUx理想線性電位計：KR、KU均為常數(shù)，空載輸出特性為理想直線；實際線性電位計：階梯特性，存在階梯誤差；屬于原

17、理誤差，限制了精度和 分辨力(2)非線性電位計：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=dUo/dx。2)選用回:(1)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號大，性能穩(wěn)定，并容易實現(xiàn)任意函數(shù)關(guān)系;(2)缺點：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.工作原理回平行板電容器被測量(線位移或角位移)使、S、中任何一個參數(shù)變化，都會引起

18、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，從而實現(xiàn)被測量的測量。2.特點:(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CS2特點和應(yīng)用回(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)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A；2)變極板面積型電容位移傳感器(1)特點和應(yīng)用回輸入輸出具有線性特性即靈敏度為常數(shù)，常用于較

19、大線位移、角位移的測分類：圓筒型電容位移傳感器C x KColC Coxl角位移型平板電容位移傳感器CoKC Co3)變介質(zhì)型電容式傳感器被測量(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(測量液面高度)C(21)hxCo1hC (21)Cohx1h常數(shù)電容式介質(zhì)厚度傳感器0Sd/rC和介質(zhì)厚度S以及介質(zhì)的介電常數(shù)r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，每

20、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。分類和電容量的計算 長容柵n可動容柵的柵極數(shù)；a、b為柵極的寬度、長度 被測位移使C發(fā)生變化； 圓容柵(R1 2 3 4r2)Cmaxn2R、r柵極外半徑和內(nèi)半徑(m)， 每條柵極所對應(yīng)得圓心角(rad)。 被測位移使重疊角在0之間發(fā)生變化；(3)特點：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。可用于大位移測量。4電容式位移傳感器的絕緣和屏蔽2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

21、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。3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；4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Cmaxnabab n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

22、等優(yōu)點。1.自感式電感位移傳感器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 自感L計算公式為回N2l2So工作原理A:被測量（如位移）使線圈的自感 交變電流就會變化。變氣隙型：變，其余不變；L與的關(guān)系呈非線性；沁 f Rnf L$ ij） 解決辦法：只用于小位移測量；差動式連接；（2）變面積型:So變，其余不變；（2）螺管型：i變，其余不變;I:鐵心與銜鐵的導(dǎo)磁長度（m）;也鐵心與銜鐵的導(dǎo)磁率（H/m）；S:鐵心與銜 鐵中的導(dǎo)磁面積（m2）;氣隙厚度（m）;e：真空磁導(dǎo)率（H/m）；So：氣隙 導(dǎo)磁橫截面積（m2）。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

23、誤差，4）差動式電感位移傳感器的零點剩余電壓問題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i1時，在二次側(cè)上將感生感應(yīng)電動勢EE M 業(yè)dti，產(chǎn)生磁通m,形成磁通回路。線圈的L發(fā)生變化，于是線圈中的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A:將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)M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：優(yōu)點：線性范圍大（數(shù)百mm），精確度高，分辨力可達0.1 m;穩(wěn)定 性好，使用方便。（2）缺點：存在零點

24、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。 零點殘壓造成測量誤差。可 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以及線圈與金屬體的距 離x、線圈的激勵電流強度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

25、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和應(yīng)用：結(jié)構(gòu)簡單，易于進行非接觸測量，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m級。2.2 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2.3 大位移傳

26、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 長磁柵和圓磁柵位移傳感器，分別用于測量 線位移和角位 移。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：只有一個繞組，當(dāng)磁頭沿磁尺相對運動時，輸出正弦波，在N、N重疊處輸出正信號最強，在S、S重疊處負信號最強。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信號，其頻率 仍為勵磁電壓的頻率，其幅值與磁

27、頭所處的位置有關(guān)。當(dāng)磁頭運動時，幅值隨 磁尺上的剩磁影響而變化。3.特點：磁柵式位移傳感器 精度可達土0.01伽/m,分辨率達15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。2.3.2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/伽，50條/伽，100條/伽或更密；柵線長度612伽.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

28、莫爾條紋現(xiàn)象。（1）標尺光柵（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BHW 。(2)當(dāng)兩個光柵沿刻線垂直方向相對移動一個柵距W，莫爾條紋移動一個條紋間距 BH。(3)光柵運動方向改變，莫爾條紋的運動方向也作相應(yīng)改變；光柵條紋的光強度隨條紋移動按正弦規(guī)律變化。(5)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，實現(xiàn)位移的檢測。測長精度可達0.53口，分辨率達0.1 g.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)

29、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 0.15，分辨力可達 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0.050.25mm。 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。當(dāng)滑尺相對定尺移動時，改變

30、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的變化反映了定、滑尺間的相對位移，實現(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 口鑒肛型測試系統(tǒng)。鑒相：定尺輸出電壓的相位x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，維護簡單，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、

31、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.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?雙頻激光干涉?zhèn)鞲衅?。第三?力、扭矩和壓力傳感器3.1 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。3.1.1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

32、效應(yīng) ：金屬導(dǎo)體受到外力作用時發(fā)生機械變化，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，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FSEE材料的彈性模量Pa；S-彈性元件的橫截面積m2;2）薄壁環(huán)型彈性

33、元件圓環(huán)受拉之后，承受的彎矩M FR0（0.318 0.5cos ）Ro環(huán)的平均半徑m,-斷面的坐標角，M-坐標角斷面處的彎矩Nm3） 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,?=3FI/4Ebh2l、b、h分別是長度、寬度、厚度m。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LSdL dS dL S對金屬應(yīng)變片:RdRRdR(1 2LEdRRK 1 2（1 2 ） K-金屬應(yīng)變片靈敏度系數(shù)1.72.6,比較小)對半導(dǎo)體應(yīng)變片:LE K-

34、一半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度系數(shù)(比金屬應(yīng)變片的大2)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)(1) 由敏感柵、底基、絕緣保護片組成(圖3-5)(a)敏感柵的作用：感受機械試件的應(yīng)變變化；(b)底基的作用：將試件的應(yīng)變準確地傳給敏感柵；(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?b)厚

35、度2050 m之間，(常用底基：紙基、膠基、玻璃纖維布基)。紙基制作簡單，價格便宜，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100C300r。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400C500r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(35)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。敏感柵制成圓角形柵，也可成直角形柵。優(yōu)點:|(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

36、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100400倍；(3) 箔式敏感柵的尺寸可以做的很準確，基長可以很短，并能制成任意形狀， 從而可擴大使用范圍；(4) 便于成批生產(chǎn)。缺點:生產(chǎn)工序復(fù)雜，引線的焊點采用錫焊，不適于在高溫環(huán)境中測量， 另外價格比較高。3）半導(dǎo)體應(yīng)變片dRRKLE5070倍）（1）工作原理是基于壓阻效應(yīng)。特點優(yōu)點：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；機械滯后小，可制成小型和超小型片子。缺點：應(yīng)變靈敏系數(shù)的離散性大，機械強度低，非線性誤差大，溫度系數(shù) 大。4.應(yīng)變片的布

37、置和接橋方式應(yīng)根據(jù)測量目的、對載荷分布的估計以及在復(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Uo=0，RlR3=R2R4）工作方式單臂雙臂四臂應(yīng)變片所在位置R1R1，R2R1，R2，R3，R4輸出電壓Uo1/4UK&1/2UiK&UiK&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，當(dāng)外力去掉

38、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-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 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、鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鋁系壓電陶瓷（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

39、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Q的電容器（電荷源）或內(nèi)阻為為 Ca的電壓源 電容量壓電元件兩端電壓QUiC：2）前置放大器（1）壓電元件的輸出很微弱，電容 Ca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）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，但價格貴、電路復(fù)雜。5壓電式力傳感器

40、（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）壓電式力傳感器的選用原貝卩: 量程和頻帶的選擇：估計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：測量準靜態(tài)力（低頻）信號，要求電荷放大器輸入阻抗高于1012Q,低頻響 應(yīng)為0.001Hz。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；3.1.3壓磁式力傳感器1.壓磁效應(yīng)在機械力作用下，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

41、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3-13)，(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)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)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、彈性機架、基座和傳

42、力鋼球等組成。3.2 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 牛頓米(N|m)。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，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：扭矩(扭轉(zhuǎn)力矩)。單位是按工作原理分類：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：結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用

43、，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：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)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，因而稱無接觸集流裝置，也稱變壓器式集流裝置特點：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。322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，

44、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 fSC T2.電容式扭矩傳感器(圖3-22)軸承受扭矩時，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特點最主要優(yōu)點：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個帶孔圓盤組成。(2)當(dāng)軸扭矩為零時，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，光電元件輸出的脈沖電流的寬度最大，微安表為

45、滿刻度；(3)當(dāng)軸傳遞扭矩時，由于軸的變形，使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.特點：工作轉(zhuǎn)速為(100800)r/min，測量精度為1%。325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行工作。(1)軸的扭矩使鋼弦的張力發(fā)生變化。(2)鋼弦的張力變化使得鋼弦的固有頻率發(fā)生變化。(3)測量出鋼弦的振動頻率即可確定軸所承受的扭矩。2特點抗干擾能力強，允許導(dǎo)線長達幾百米到幾千米，測量精度可達土1%。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3.3 壓力傳感器壓力(壓強):作用在單位面積上的力,Pa (N/m2)絕

46、對壓力 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)表壓力:PP絕P0，相對壓力;真空度：PfP0P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)壓力相平衡的原理進行測壓;U形管液柱壓力計：P1gh P2傾斜式液柱液壓計：p1l g sin ，提高了靈敏度。P1gRsi nP2gR P2gh P2332活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理廣泛應(yīng)用于基準和標定工作中（壓力表或壓力傳感器的標定裝置）,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)系的機械變位（或應(yīng)變）

47、，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 測量電路進一步變換，最后由顯示或記錄儀顯示或記錄下來，以實現(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凰3Y單管壓差計2）特點靈敏度高，適合測量微壓，頻響好，抗干擾能力較強。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）特點體積小，重量輕，精度高，測量范圍寬

48、，從幾帕到500MPa,頻響高，同時耐壓，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現(xiàn)壓力測量。2）特點頻響寬，動態(tài)響應(yīng)快，測量范圍從幾Pa到3xi09Pa,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)換成電量實現(xiàn)壓 力測量。類型較多。2）特點：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，

49、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）特點 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，實現(xiàn)對壓力的 測量。2）特點具有頻響寬，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，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。

50、第四章 速度、加速度傳感器4.1 速度傳感器4.1.1測速發(fā)電機(1)基于電磁感應(yīng)原理進行工作的，常用于測量電機的轉(zhuǎn)速。(2)分直流測速發(fā)電機(他勵式/電磁式和永磁式兩種)和交流測速發(fā)電機兩類。(3)對測速發(fā)電機的主要要求有：1輸出電壓對轉(zhuǎn)速應(yīng)保持較精準的正比關(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1)工作原理是一種微型直流發(fā)電機。它的定 子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與直流伺服電動機基本 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 Es與轉(zhuǎn)速n成正比。EsKen CenKe感應(yīng)系數(shù)，1

51、-磁通；n轉(zhuǎn)速；Ce感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)速的比例系數(shù)2)輸出特性(1)空載(電樞電流Is=0)時直流測速發(fā)電機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。有負載(IsMD)時，測速發(fā)電機的輸出電壓應(yīng)比空載時小，這是電阻rs(電樞繞組電阻)的電壓降造成的。輸出電壓 VCF和電樞電流 Is為VCFEs1srsVCFRL負載電阻(2)在理想情況下系數(shù)Ce和C與輸出電壓之間的關(guān)系理想下rs、RL、均常數(shù)，故系數(shù)C為常數(shù)，即測速發(fā)電機的輸出電壓 VCF與被測轉(zhuǎn)速n成正比（線性關(guān)系）。（3）直流測速電動機產(chǎn)生誤差的原因 和改進方法？實際工作中，VCF與n不能保持正比（線性關(guān)系），原因有：有負載時

52、，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償繞組，或使負載電阻大于規(guī)定值。2電刷接觸壓降的影響； 這是因為電刷接觸電阻是非線性的， 即當(dāng)電機轉(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；這是因為勵磁繞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。在實際使用中可在直流測速發(fā)電機的繞組回路中串聯(lián)一 個電阻值

53、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。2.交流測速發(fā)電機分為永磁式、感應(yīng)式和脈沖式三種。1）永磁式交流測速發(fā)電機（1）原理實質(zhì)上是單向永磁轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機，定子繞組感應(yīng)的交變電動勢的大小E和頻率f都隨輸入信號（轉(zhuǎn)速n）而變化，即f凹60 E KnK常系數(shù)p電機極對數(shù)（2）特點結(jié)構(gòu)簡單；但由于輸出頻率f隨轉(zhuǎn)速n而改變，致使發(fā)電機本身的阻抗和負 載阻抗均隨轉(zhuǎn)速而變化，故其輸出電壓U不與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。VCFCen1RLCn育流測速發(fā)電機的輸出特性通常只用作指示式轉(zhuǎn)速計。2） 感應(yīng)式測速發(fā)電機（1）工

54、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 Zn 60乙一轉(zhuǎn)子齒數(shù)；n 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f隨轉(zhuǎn)速n而改變，致使發(fā)電機本身的阻抗和負載阻抗隨轉(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

55、）脈沖式測速發(fā)電機（1）工作原理同感應(yīng)式測速發(fā)電機；以脈沖頻率作為輸出。輸出電壓的脈沖頻率和轉(zhuǎn)速保持嚴格的正比關(guān)系， 屬于同步發(fā)電機。特點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)一個繞有N匝的線圈作垂直于磁場方向相對運動時， 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 NBIvB磁感應(yīng)強度，T；I每匝線圈平均長度，m；v線圈磁場的運動速度，m/s。4.1.3變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳

56、感器1.變磁通式1）工作原理傳感器線圈不動，運動物體（如齒輪）使傳感器磁路磁阻變化，傳感器線圈 的磁通亦變化，因此線圈感應(yīng)出感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的頻率f 等于齒輪的齒數(shù) z 和轉(zhuǎn)速 n 的乘積。分開磁路式、閉磁路式2種。2） 輸出特性f n 60 zf 輸出感應(yīng)電動勢的頻率，Hz;z 齒輪的齒數(shù)；n被測轉(zhuǎn)速，r/min；被測的角速度（rad/s）為2fz3）特點開磁路式結(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504000r/mi n，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（1）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

57、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，每當(dāng)一個小 磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾元件，霍爾元件輸出一個相應(yīng)的脈沖，測得單位時間內(nèi)的脈沖個 數(shù)，即可得被測物的轉(zhuǎn)速和角速度。特點：霍爾元件由半導(dǎo)體材料制成，體積小，結(jié)構(gòu)簡單。（2）電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理：基于電渦流效應(yīng)。利用電渦流位移傳感器，將傳感器靠近被測物 上設(shè)定的等距標記（如凸齒）安裝，當(dāng)被測物轉(zhuǎn)動時，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n 60 f / zf 輸出周期信號的頻率，Hz; z 被測物上標記（齒）數(shù)； n被測轉(zhuǎn)速，r/min；被測的角速度（rad/s）為2 fz4.1.4陀螺式

58、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y軸旋轉(zhuǎn)，由于陀螺的進動性，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 成正比的電壓信號。2）特點是一種慣性傳感器， 安裝簡單， 使用方便， 但有機械活動部件， 被測角速度 范圍土30土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。啟I*轉(zhuǎn)產(chǎn)陀眾盤伯連度馬懣器結(jié)構(gòu)廉那H1電器社電砸體芒一電位器的電劇3-尼器；轉(zhuǎn)f匚赧號林瓷體丁舛覆8疋子2.壓電陀螺式角速度傳

59、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）性能和特點振梁型性能最好。振梁型：動態(tài)范圍（土57200） /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（-4060C）。雙晶片型：動態(tài)范圍（土30土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，重量約100g,可抑制振動和加速度干擾。圓管型：動態(tài)范圍土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)形干涉原理測量角速度。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

60、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。4光纖陀螺式角速度傳感器1）工作原理基于塞古納克效應(yīng)。兩路光的相位差（rad/s）與角速度 成正比。2）特點具有無機械傳動部件、無需預(yù)熱時間、 對加速度不敏感、動態(tài)范圍寬、體積 小、靈敏度高等優(yōu)點。4.1.5流速、風(fēng)速傳感器1半導(dǎo)體硅流速傳感器測 流速和流向的工作原理是依據(jù)發(fā)熱體與防止發(fā)熱體的流體介質(zhì)的熱導(dǎo)率與流體流速相關(guān)原理制 成的。半導(dǎo)體硅流速傳感器輸出信號值的大小與流速的 平方根成正比。2u K、v v K2風(fēng)速傳感器4.2 加速度傳感器工作原理：利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種效應(yīng)，進一步 轉(zhuǎn)化為電量后間接度量被測加速度。F ma常用