序言

工程上通常把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。傳感器的作用類似于人的感覺器官。它把被測量，如力、位移、溫度等，轉(zhuǎn)換為易測信號，傳送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié)。傳感器也可以認(rèn)為是人類感官的延伸，因?yàn)榻柚鷤鞲衅骺梢匀ヌ剿髂切┤藗儫o法用感官直接測量的事物，例如，用熱電偶可以測得熾熱物體的溫度；用超聲波探測器可以測量海水深度；用紅外遙感器可從高空探測地面上的植被和污染情況，等等。因此，可以說傳感器是人們認(rèn)識自然界的有力工具，是測量儀器與被測事物之間的接口。在工程上也把提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的器件，稱為測量變換器。傳感器就是輸入量為被測量的測量變換器。傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測試裝置的工作質(zhì)量。近來，隨著測量、控制及信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為這些領(lǐng)域里的一個(gè)重要構(gòu)成因素，被視為90年代的關(guān)鍵技術(shù)之一受到了普遍重視。3/20/20231第三章常用傳感器基本概念傳感器的定義

把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)變成同種或別種量值輸出的器件傳感器的作用

把被測量轉(zhuǎn)換為易測信號，傳送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié)測量變換器

提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的器件傳感器就是輸入量為被測量的測量變換器；位于測試裝置的輸入端3/20/20232第三章常用傳感器按被測量分類

位移、速度、加速度、力、溫度按傳感器工作原理分類

機(jī)械、電器、光學(xué)、流體式按信號變換特征分類

物性型、結(jié)構(gòu)型根據(jù)敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系分類

能量轉(zhuǎn)換（無源傳感器）、能量控制型（有源傳感器）按輸出信號分類模擬式、數(shù)字式

第一節(jié)傳感器的分類3/20/20233第三章常用傳感器物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號的變換的。水銀溫度計(jì)：水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象壓力測力計(jì)：石英晶體的壓電效應(yīng)結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的。電容式傳感器：極板距離電容變化電感式傳感器：銜鐵位移自感或互感變化第一節(jié)傳感器的分類3/20/20234第三章常用傳感器能量轉(zhuǎn)換型（無源）傳感器：直接由被測對象輸入能量使其工作；熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等能量轉(zhuǎn)換型（有源）傳感器：由外部供給能量使傳感器工作，并且由被測量來控制外部供給能量的變化；電阻應(yīng)變計(jì)+電橋第一節(jié)傳感器的分類3/20/20235第三章常用傳感器第一節(jié)傳感器的分類

需要指出的是，不同情況下，傳感器可能只有一個(gè)、也可能有幾個(gè)換能元件，也可能是一個(gè)小型裝置。例如，電容式位移傳感器是位移電容變化的能量控制型傳感器，可以直接測量位移。而電容式壓力傳感器，則經(jīng)過壓力膜片彈性變形（位移）電容變化的轉(zhuǎn)換過程。此時(shí)膜片是一個(gè)由機(jī)械量一機(jī)械量的換能件，由它實(shí)現(xiàn)第一次變換；它同時(shí)與另一極板構(gòu)成電容器，用來完成第二次轉(zhuǎn)換。再如電容型伺服式加速度計(jì)（也稱為力反饋式加速度計(jì)），實(shí)際上是一個(gè)具有閉環(huán)回路的小型測量系統(tǒng)，如圖所示。這種傳感器較一般開環(huán)式傳感器具有更高的精確度和穩(wěn)定性。測量對象傳感器輔助能源輸入輸出圖3-1能源控制型傳感器工作方式加速度質(zhì)量彈性件電容傳感器電路力發(fā)生器電流－力變換器力位移電容電流輸出R+-圖3-2伺服式加速度計(jì)3/20/20236第三章常用傳感器第一節(jié)傳感器的分類類型名稱變換量被測量應(yīng)用舉例性能指標(biāo)（一般參考)機(jī)械式測力環(huán)彈簧波紋管

波登管

波紋膜片雙金屬片

微型開關(guān)力－位移力－位移壓力－位移

壓力－位移壓力－位移溫度－位移力－位移力力壓力

壓力壓力溫度物體尺寸、位位置、有無三等標(biāo)準(zhǔn)測力儀彈簧秤壓力表壓力表壓力表溫度計(jì)測量范圍10～105N，示值誤差(0.3～0.5)%500Pa～0.5MPa0.5MPa～1000MPa測量范圍<500Pa0~300C位置精度可達(dá)數(shù)微米電磁及電子式電位計(jì)電阻絲應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變電容電渦流電感差動變壓器壓電元件熱電偶霍耳元件熱敏電阻氣敏電阻光敏電阻光電池光敏晶體管位移－電阻形變－電阻位移－電容位移－自感

位移－自感位移－互感力－電荷溫度－電勢位移－電勢溫度－電阻氣體濃度－溫度光－電阻光－電壓光-電流位移力、位移、應(yīng)變、加速度力、位移、聲位移、厚度位移、力位移、力力加速度溫度位移溫度可燃?xì)怏w開、關(guān)量轉(zhuǎn)速、位移直線電位計(jì)應(yīng)變儀電容測微儀

渦流式測微移電感測微儀電感比較儀測力計(jì)加速度計(jì)熱電溫度計(jì)位移傳感器半導(dǎo)體溫度計(jì)氣敏檢測儀硒光電池光電轉(zhuǎn)速儀分辨力0.025～0.05mm,線性誤差0.05～0.1％最小應(yīng)變1～2最小測力(0.1~1)N分辨力0.025m測量范圍0～15mm，分辨力1m分辨力0.5m分辨力0.5m分辨力0.01N、頻率(0.1~20k)Hz10-2~105ms-20~1600C0~2mm，線性誤差1％-10~300C靈敏度500A/1m最大截止頻率50kHz3/20/20237第三章常用傳感器第一節(jié)傳感器的分類類型名稱變換量被測量應(yīng)用舉例性能指標(biāo)（一般參考)幅射式紅外X射線射線激光超聲射線熱－電散射、干涉對物質(zhì)穿透

光波干涉超聲波反射、穿透穿透作用溫度、物體有無厚度、探傷、應(yīng)力厚度、探傷

長度、位移、轉(zhuǎn)角厚度、探傷厚度、成分分析紅外測溫儀X射線應(yīng)力儀射線測厚儀激光測長儀超聲波測厚儀測量范圍-10~1300C

測距2m，分辨力0.2m測量范圍4～40mm,0.25mm流體式氣動氣動液體液體尺寸－壓力間隙－壓力流量－壓力差流量－轉(zhuǎn)子平衡位置尺寸、物體大小距離流量流量氣動量儀氣動量儀節(jié)流式流量計(jì)轉(zhuǎn)子式流量計(jì)可測最小直徑0.05～0.076mm測量間隙6mm,分辨力0.025mm3/20/20238第三章常用傳感器第二節(jié)機(jī)械式傳感器機(jī)械式傳感器應(yīng)用很廣。在測試技術(shù)中，常常以彈性體作為傳感器的敏感元件，故又稱之為彈性敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形。這種變形經(jīng)放大后可成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測量的大小。這種傳感器的典型應(yīng)用例有：用于測力或稱重的環(huán)形測力計(jì)、彈簧秤等；用于測量流體壓力的波紋膜片、波紋管等；用于溫度測量的雙金屬片等，如圖所示。機(jī)械式傳感器做成的機(jī)械式指示儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)。但彈性變形不宜大，以減小線性誤差。此外，由于放大和指示環(huán)節(jié)多為機(jī)械傳動，不僅受間隙影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測量。為了提高測量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他型式的傳感器（如電阻、電容、電渦流式等）將位移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象。材料的蠕變與承載時(shí)間、載荷大小、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。3/20/20239第三章常用傳感器第二節(jié)機(jī)械式傳感器近年來，在自動檢測、自動控制技術(shù)中廣泛應(yīng)用的微型探測開關(guān)亦被看作機(jī)械傳感器。這種開關(guān)能把物體的運(yùn)動、位置或尺寸變化轉(zhuǎn)換為接通、斷開信號。圖示是這種開關(guān)中的一種。它由兩個(gè)簧片組成，在常態(tài)下處于斷開狀態(tài)。當(dāng)它與磁性塊接近時(shí)，簧片被磁化而接合，成為接通狀態(tài)。圖中，只有當(dāng)鋼制工件通過簧片和電磁鐵之間時(shí)，簧片才會被磁化而接合，從而表達(dá)了有一件工件通過。這類開關(guān)可用于探測物體有無、位置、尺寸、運(yùn)動狀態(tài)等。3/20/202310第三章常用傳感器第三節(jié)電阻阻式傳感器電阻式傳感器是是一種把被測量量轉(zhuǎn)換為電阻變變化的傳感器。。按其工作原理理可分為變阻器式和電阻應(yīng)變式兩類。一、變阻器式傳傳感器變阻器式傳感器器也稱為電位差差計(jì)式傳感器，，它通過改變電電位器觸頭位置置，把位移轉(zhuǎn)換換為電阻的變化化。根據(jù)下式：：R=l/A。圖a)為直線位移型。觸點(diǎn)C沿變阻阻器移動移動x，則C點(diǎn)與A點(diǎn)點(diǎn)之間電阻值R＝klx。傳感器靈敏度度：S=dR/dx=kl。式中kl—單位長度內(nèi)的的電阻值。圖b)為回轉(zhuǎn)型變變阻器式傳感器器，其電阻值隨隨轉(zhuǎn)角而變化。。其靈敏度S=dR/d=k。式中—轉(zhuǎn)角[rad]；k—單位弧度對應(yīng)應(yīng)的電阻值。圖c是一種非線線性變阻器式傳傳感器，其骨架架形狀需根據(jù)所所要求的輸出f(x)來確定。例如如，輸出f(x)=kx2，其中x為輸入位移，為為要得到輸出電電阻值R(x)與f(x)成線性關(guān)系，，變阻器骨架應(yīng)應(yīng)做成直角三角角形。3/15/202311第三章常用用傳感器第三節(jié)電阻阻式傳感器變阻器式傳感器器的后接電路，，一般采用電阻阻分壓電路，如如圖所示。在直直流激勵(lì)電壓u0作用下，這種傳傳感器將位移變變成輸出電壓的的變化。當(dāng)電刷刷移動x距離后,傳感器器的輸出電壓uy可用下式計(jì)算式中Rp—變阻器的總電電阻；xp—變阻器的總長長度；RL—后接電路的輸輸入電阻。上式表明，為減減小后接電路的的影響，應(yīng)使RL>>Rp。3/15/202312第三章常常用用傳感器器變阻式傳傳感器的的特點(diǎn)應(yīng)應(yīng)用特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)結(jié)構(gòu)簡單單，性能能穩(wěn)定，，使用方方便。缺缺點(diǎn)是分分辨力不不高，因因?yàn)槭艿降诫娮杞z絲直徑的的限制。。提高分分辨力需需使用更更細(xì)的電電阻絲，，其繞制制較困難難。所以以變阻器器式傳感感器的分分辨力很很難優(yōu)于于20μm。由于于結(jié)構(gòu)上上的特點(diǎn)點(diǎn)，這種種傳感器器還有較較大的噪噪聲。應(yīng)用：被用于線線位移、、角位移移測量，，在測量量儀器中中用于伺伺服記錄錄儀器或或電子電電位差計(jì)計(jì)等。第三節(jié)電電阻阻式傳感感器3/15/202313第三章常常用用傳感器器第三節(jié)電電阻阻式傳感感器二、電阻阻應(yīng)變式式傳感器器電阻應(yīng)變變式傳感感器可以以用于測量應(yīng)變變、力、、位移、、加速度度、扭矩矩等參數(shù)。。具有體體積小、、動態(tài)響響應(yīng)快、、測量精精確度高高、使用用簡便等等優(yōu)點(diǎn)。。在航空空、船舶舶、機(jī)械械、建筑筑等行業(yè)業(yè)里獲得得廣泛應(yīng)應(yīng)用。電阻應(yīng)變變式傳感感器可分分為金屬電阻阻應(yīng)變片片式與半導(dǎo)體應(yīng)應(yīng)變片式式兩類。（一）金金屬電阻阻應(yīng)變片片常用的金金屬電阻阻應(yīng)變片片有絲式和箔式兩種。其其工作原原理都是是基于應(yīng)應(yīng)變片發(fā)發(fā)生機(jī)械械變形時(shí)時(shí)，其電電阻值發(fā)發(fā)生變化化。金屬絲電電阻應(yīng)變變片（又又稱電阻阻絲應(yīng)變變片）出出現(xiàn)得較較早，現(xiàn)現(xiàn)仍在廣廣泛采用用。其典典型結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖所所示。把把一根具具有高電電阻率的的金屬絲絲（康銅銅或鎳鉻鉻合金等等，直徑徑0.025mm左右右）繞成成柵形，，粘貼在在絕緣的的基片和和覆蓋層層之間，，由引出出導(dǎo)線接接于電路路上。金屬箔式式應(yīng)變片片則是用用柵狀金金屬筒片片代替柵柵狀金屬屬絲。金金屬箔柵柵系用光光刻技術(shù)術(shù)制造，，適于大大批量生生產(chǎn)。其其線條均均勻，尺尺寸準(zhǔn)確確，阻值值一致性性好。箔箔片厚約約1~10m，散散熱好，，粘結(jié)情情況好，，傳遞試試件應(yīng)變變性能好好。因此此目前使使用的多多系金屬屬箔式應(yīng)應(yīng)變片，，如圖所所示。3/15/202314第三章常常用傳感器第三節(jié)電電阻式傳感器器把應(yīng)變片用特特制膠水粘固固在彈性元件件或需要測量量變形的物體體表面上。在在外力作用下下，電阻絲即即隨同該物體體一起變形，，其電阻值發(fā)發(fā)生相應(yīng)變化化。由此，將將被測量轉(zhuǎn)換換為電阻變化化。由于電阻阻值R=l/A，其中長度l、截面積A、電阻率均將隨電阻絲絲的變形而變變化。3/15/202315第三章常常用傳感器第三節(jié)電電阻式傳感器器當(dāng)每一可變因因素分別有一一增量dl，dA，d時(shí)，所引起的的電阻增量為為：式中，A=r2，r為電阻絲半半徑，則有有：電阻的相對對變化：－軸向應(yīng)應(yīng)變；/－徑向應(yīng)變變；－泊泊桑比；d/電阻率相對對變化，與與電阻絲軸軸向所受正正應(yīng)力有關(guān)；－－壓阻系數(shù)數(shù)。由此可得電電阻的相對對變化：電阻應(yīng)變片片的應(yīng)變系系數(shù)或靈敏敏度：用于制造電電阻應(yīng)變片片的電阻絲絲的靈敏度度Sg多在1.7－3.6之間。3/15/202316第三章常常用傳感感器第三節(jié)電電阻式傳傳感器常用電阻絲絲物理性能能參數(shù)材料名稱成分靈敏度電阻率電阻溫度系數(shù)線漲系數(shù)元素％Sgmm2/m×10-6/oC×10-6/oC康銅CuNi57431.7～2.10.49-20～2014.9鎳鉻合金NiCr80202.1～2.50.9～1.1110～15014.0鎳鉻鋁合金NiCrAlFe73203~4余量2.41.33-10～1013.3一般市售電電阻應(yīng)變片片的標(biāo)準(zhǔn)阻阻值有60、120、350、600、1000等。其中以以120為最常用。。應(yīng)變片的的尺寸可根根據(jù)使用要要求來選定定。3/15/202317第三章常用用傳感器第三節(jié)電阻阻式傳感器（二）半導(dǎo)體應(yīng)應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片最最簡單的典型結(jié)結(jié)構(gòu)如圖所示。。半導(dǎo)體應(yīng)變片片的使用方法與與金屬電阻應(yīng)變變片相同，即粘粘貼在彈性元件件或被測物體上上，其電阻值隨隨被測試件的應(yīng)應(yīng)變而變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片的的工作原理是基基于半導(dǎo)體材料料的壓阻效應(yīng)。。所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體體材料在沿某一一軸向受到外力力作用時(shí)，其電電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象象。從半導(dǎo)體物理可可知，半導(dǎo)體在在壓力、溫度及及光輻射作用下下，能使其電阻阻率發(fā)生很大變化。。分析表明，，單晶半導(dǎo)體在在外力作用下，，原子點(diǎn)陣排列列規(guī)律發(fā)生變化化，導(dǎo)致載流子子遷移率及載流流子濃度的變化化，從而引起電電阻率的變化。。金屬絲電阻應(yīng)變變片與半導(dǎo)體應(yīng)應(yīng)變片的主要區(qū)區(qū)別在于：前者者利用導(dǎo)體形變變引起電阻的變變化，后者利用用半導(dǎo)體電阻率率變化引起電阻阻的變化。半導(dǎo)導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏敏度這一數(shù)值比比金屬絲電阻應(yīng)應(yīng)變片大50～70倍。半導(dǎo)體應(yīng)變片1－膠膜襯底2-P-Si3-內(nèi)引線4-焊接板5-外引線半導(dǎo)體應(yīng)變片最最突出的優(yōu)點(diǎn)是是靈敏度高，其其最大缺點(diǎn)是溫溫度穩(wěn)定性能差差、靈敏度分散散度大（由于晶晶向、雜質(zhì)等因因素的影響）以以及在較大應(yīng)變變作用下，非線線性誤差大等，，這些缺點(diǎn)也給給使用帶來一定定困難。目前國國產(chǎn)的半導(dǎo)體應(yīng)應(yīng)變片大都采用用P型硅單晶制制作。隨著集成成電路技術(shù)和薄薄膜技術(shù)的發(fā)展展，出現(xiàn)了擴(kuò)散散型、外延型、、薄膜型半導(dǎo)體體應(yīng)變片。它們們對實(shí)現(xiàn)小型化化，改善應(yīng)變片片的特性等方面面有良好的作用用。近來，已研制出出在同一硅片上上制作擴(kuò)散型應(yīng)應(yīng)變片和集成電電路放大器等，，即集成應(yīng)變組組件。這對于自自動控制與檢測測技術(shù)將會有一一定推動作用。。3/15/202318第三章常常用用傳感器器第三節(jié)電電阻阻式傳感感器（三）電電阻應(yīng)變變式傳感感器的應(yīng)應(yīng)用實(shí)例例l）直接接用來測測定結(jié)構(gòu)構(gòu)的應(yīng)變變或應(yīng)力力。2）將應(yīng)應(yīng)變片貼貼于彈性性元件上上，作為為測量力力、位移移、壓力力、加速速度等物物理參數(shù)數(shù)的傳感感器。構(gòu)件應(yīng)力力測定典型應(yīng)變變式傳感感器a)位移移傳感器器；b)加速度度傳感器器；c)柱式測測力傳感感器；d)扭矩矩傳感器器；e)筒式壓壓力傳感感器3/15/202319第三章常常用用傳感器器第三節(jié)電電阻阻式傳感感器（四）典典型動態(tài)態(tài)電阻應(yīng)應(yīng)變儀3/15/202320第三章常用傳傳感器第四節(jié)電容式式傳感器一、變換原理電容式傳感器是將將被測物理量轉(zhuǎn)換換為電容量變化的的裝置。它實(shí)質(zhì)上上是一個(gè)具有可變變參數(shù)的電容器。。從物理學(xué)可知，由由兩個(gè)平行極板組組成的電容器其電電容量［F］：C=0A/式中，—極板間介質(zhì)的相相對介電常數(shù)，在在空氣中＝1；0－真空介電常數(shù)，，0＝8.85×10-12F/m；－極板間距；A－極板面積。（一）極距變化型型電容變化量：靈敏度：可以看出，靈敏度度與極距平方成反比比，極距越小靈敏敏度越高。顯然，，由于靈敏度隨極極距而變化，這將將引起線性誤差。。為了減小這一誤誤差，通常規(guī)定在在較小的間隙變化化范圍內(nèi)工作，以以便獲得近似線性性關(guān)系。一般取極極距變化范圍約為為/00.l。在實(shí)際應(yīng)用中，，為了提高傳感器器的靈敏度、線性性度以及克服某些些外界條件（如電電源電壓。環(huán)境溫溫度等）的變化對對測量精確度的影影響，常常采用差差動式。3/15/202321第三章常用傳傳感器極距變化型電容傳傳感器優(yōu)點(diǎn)：是可進(jìn)行動態(tài)非接接觸式測量，對被被測系統(tǒng)的影響小?。混`敏度高，適適用于較小位移（（0.01m~數(shù)百微米）的測量。缺點(diǎn)：這種傳感器有線性性誤差、傳感器的的雜散電容也對靈靈敏度和測量精確確度有影響，與傳傳感器配合使用的的電子線路也比較較復(fù)雜。因此使用用范圍受到一定限限制。第四節(jié)電容式式傳感器3/15/202322第三章常用傳傳感器第四節(jié)電容式式傳感器（二）面積變化型型在變換極板面積的的電容傳感器中，，一般常用的有角角位移型和線位移移型兩種。圖3-23a為角角位移型。電容：靈敏度：圖3-23b為平平面線位移型電容容傳感器：電容：靈敏度：圖3-23C為圓圓柱體線位移型電電容傳感器：電容：靈敏度：圖3-23面積變變化型電容傳感器器：1-動板；2-定板3/15/202323第三章常用傳傳感器面積變化型電容式傳傳感器特點(diǎn)：輸出與輸入成線線性關(guān)系。但與極極距變化型相比，，靈敏度較低，適適用于較大直線位位移及角位移的測測量。第四節(jié)電容式式傳感器3/15/202324第三章常常用傳感感器第四節(jié)電電容式傳傳感器（三）介質(zhì)質(zhì)變化型這是一種利利用介質(zhì)介介電常數(shù)的的變化將被被測量轉(zhuǎn)換換為電量的的傳感器。?？捎脕頊y測量電介質(zhì)質(zhì)的液位或或某些材料料的厚度、、溫度和濕濕度等，也也可用來測測量空氣的的濕度。圖圖3－24是這種傳傳感器的典典型實(shí)例。。圖中3－－24a是是在兩固定定極板間有有一介質(zhì)層層（如紙張張、電影膠膠片等）通通過。當(dāng)介介質(zhì)層的厚厚度、溫度度或濕度發(fā)發(fā)生變化時(shí)時(shí)，其介電電常數(shù)發(fā)生生變化，引引起電容量量的變化。。圖3－24b是一一種電容式式液面計(jì)。。當(dāng)液面位位置發(fā)生變變化時(shí)，兩兩電極的浸浸入高度也也發(fā)生變化化，引起電電容量的變變化。3/15/202325第三章常常用傳感感器二、電容式傳感感器測量電電路電容式傳感感器將被測測量轉(zhuǎn)換成成電容量的的變化之后后，由后續(xù)續(xù)電路轉(zhuǎn)換換為電壓、、電流或頻頻率信號。。常用的電電路有下列列幾種。（一）電橋橋型電路將電容傳感感器作為電電橋的一部部分，由電電容變化轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電橋橋的電壓輸輸出。通常常采用電阻阻、電容或或電感、電電容組成的的交流電橋橋。圖3-25是一一種電感、、電容組成成的橋路。。電橋的輸輸出為一調(diào)調(diào)幅波，經(jīng)經(jīng)放大、相相敏解調(diào)、、濾波后獲獲得輸出，，再推動顯顯示儀表。。第四節(jié)電電容式傳傳感器3/15/202326第三章常常用傳感感器第四節(jié)電電容式傳傳感器（二）直流流極化電路路這一電路，，多用于電電容傳聲器器或壓力傳傳感器中。。如圖3-26所示示，彈性膜膜片在外力力（氣壓、、液壓等））作用下發(fā)發(fā)生位移，，使電容量量發(fā)生變化化。電容器器接于具有有直流極化化電壓馬的的電路中，，電容的變變化由高阻阻值電阻B轉(zhuǎn)換為電電壓變化。。分析表明明，輸出電電壓uy和膜片移動動速度近似似成一階系系統(tǒng)的關(guān)系系。圖3-26直流極化電電路3/15/202327第三章常常用傳感感器（三）諧振振電路此電路的原原理和工作作特性見圖圖3－27。電容容傳感器的的電容Cx作為諧振電電路（L2、C2//Cx或C2+Cx）調(diào)諧電容容的一部分分。此諧振振回路通過過電壓耦合合，從穩(wěn)定定的高頻振振蕩器獲得得振蕩電壓壓。當(dāng)傳感感電容C發(fā)發(fā)生變化，，諧振回路路的阻抗發(fā)發(fā)生相應(yīng)變變化，并被被轉(zhuǎn)換成電電壓或電流流輸出，經(jīng)經(jīng)過放大、、檢波即可可得到輸出出。為了獲獲得較好的的線性，一一般工作點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)選擇在在諧振曲線線一邊的準(zhǔn)準(zhǔn)線性區(qū)域域內(nèi)。這種種電路比較較靈敏，但但工作點(diǎn)不不易選好，，變化范圍圍也較窄，，傳感器連連接電纜的的雜散電容容影響也較較大。第四節(jié)電電容式傳傳感器3/15/202328第三章常常用傳感感器第四節(jié)電電容式傳傳感器(四）調(diào)頻頻電路如圖3－28所示，，傳感器電電容是振蕩蕩器諧振回回路的一部部分。當(dāng)輸輸入量使傳傳感器電容容量發(fā)生變變化時(shí)，振振蕩器的振振蕩頻率發(fā)發(fā)生變化。。頻率的變變化經(jīng)過鑒鑒頻器變?yōu)闉殡妷鹤兓俳?jīng)過過放大后由由記錄器記記錄或顯示示儀表指示示。這種電電路具有抗抗干擾性強(qiáng)強(qiáng)、靈敏度度高等點(diǎn)，，可測0.01m的位移量。。但缺點(diǎn)是是電纜電容容的影響較較大，使用用中有些麻麻煩。圖3-28調(diào)頻頻電路工作作原理3/15/202329第三章常常用用傳感器器（五）運(yùn)運(yùn)算放大大器電路路如前所述述，極距距變化型型電容傳傳感器的的極距變變化與電電容變化化量成非非線性關(guān)關(guān)系，這這一缺點(diǎn)點(diǎn)使電容容傳感器器的應(yīng)用用受到一一定限制制。采用用比例運(yùn)運(yùn)算放大大器電路路可得到到輸出電電壓uy和位移量量的線性性關(guān)系。。如圖3－29所示，，輸入阻阻抗采用用固定電電容C0，反饋?zhàn)枳杩共捎糜秒娙輦鱾鞲衅鰿x，根據(jù)比比例器的的運(yùn)算關(guān)關(guān)系，有有：第四節(jié)電電容容式傳感感器由上式可可知，輸輸出電壓壓uy與電容傳傳感器間間隙成線性關(guān)關(guān)系。這這種電路路被用于于位移測量量傳感器器。u0-激勵(lì)電電壓圖3-29運(yùn)運(yùn)算放放大器電電路3/15/202330第三章常常用用傳感器器第四節(jié)電電容容式傳感感器值得注意意：一方面，，電容傳傳感器的的電容量量很小，，一般只只有幾十十或幾百百pF，，測量時(shí)時(shí)電容量量的變化化更小，，常在1pF以下；；另一方方面?zhèn)鞲懈衅靼鍢O極與周圍圍元件之之間以及及連接電電纜都存存在著寄寄生電容容，其電電容值甚甚大且不不穩(wěn)定。。這就使使測量精精確度受受到嚴(yán)重重影響，，甚至無無法工作作。為此此必須采采取適當(dāng)當(dāng)?shù)募夹g(shù)術(shù)措施來來減小或或消除寄寄生電容容的影響響。常用的措措施有：：縮短傳感感器和測測量電路路之間的的電纜，，甚至將將測量電電路的一一部分和和傳感器器做成一一體或采采用專用用的驅(qū)動動電纜。。圖3－30為驅(qū)驅(qū)動電纜纜的工作作原理。。它采用用雙層屏屏蔽電纜纜。其中中用一個(gè)個(gè)增益為為1的放放大器，，放大器器輸入端端接于芯芯線，輸輸出端接接于內(nèi)屏屏蔽線，，用芯線線的電位位來驅(qū)動動內(nèi)屏蔽蔽線的電電位。當(dāng)當(dāng)放大器器嚴(yán)格保保持增益益為1和和相移為為零時(shí)，，內(nèi)屏蔽蔽線和芯芯線等電電位，可可以免除除芯線和和內(nèi)屏蔽蔽線之間間的容性性漏電流流，從而而消除了了兩者之之間寄生生電容的的影響。。若放大大器增益益非1或或相移非非零，芯芯線和內(nèi)內(nèi)屏蔽線線的電位位仍有差差別。3/15/202331第三章常常用用傳感器器第五節(jié)電電感感式傳感感器電感式傳傳感器是是把被測測量，如如位移等等，轉(zhuǎn)換換為電感感量變化化的一種種裝置。。其變換換是基于于電磁感感應(yīng)原理理。一、自感感型（一）可可變磁阻阻式可變磁阻阻式傳感感器的構(gòu)構(gòu)造原理理如圖示示。它由由線圈、、鐵心和和銜鐵組組成。在在鐵心和和銜鐵之之間有氣氣隙。由電工工學(xué)得知知，線圈圈自感量量L=W2/Rm。其中，，W－線線圈匝數(shù)數(shù)；Rm—磁路總總磁阻［［H－1］。如如果空氣氣隙較小，而而且不考考慮磁路路的鐵損損時(shí)，則則總磁阻阻：式中l(wèi)—鐵心導(dǎo)導(dǎo)磁長度度；—鐵心磁磁導(dǎo)率；；A—鐵心導(dǎo)導(dǎo)磁截面面積，A＝a×b；—?dú)庀堕L長度；0－空氣磁導(dǎo)導(dǎo)率，0＝410-7；A0—空氣隙隙導(dǎo)磁橫橫截面積積。則：：靈敏度：：一般實(shí)際際應(yīng)用中中，取西西／00.1。。這種傳傳感器適適用于較較小位移移的測量量，一般般約為0.001～～lmm。3/15/202332第三章常常用傳感器第五節(jié)電電感式傳感器器圖中列出了幾幾種常用可變變磁阻式傳感感器的典型結(jié)結(jié)構(gòu)方案。圖3－13a是可變導(dǎo)磁磁面積型，其自感L與A0成線性關(guān)系，，這種傳感器器靈敏度較低低。圖3－13b是差動型，銜鐵位移時(shí)時(shí)，可以使兩兩個(gè)線圈的間間隙按0+、0-變化。一個(gè)線線圈自感增加加，另一個(gè)線線圈自感減小小。將兩線圈圈接于電橋的的相鄰橋臂時(shí)時(shí)，其輸出靈靈敏度可提高高一倍，并改改善了線性特特性。圖3－13c是單螺管線線圈型，當(dāng)鐵心在線線圈中運(yùn)動時(shí)時(shí)，將改變磁磁阻，使線圈圈自感發(fā)生變變化。這種傳傳感器結(jié)構(gòu)簡簡單、制造容容易，但靈敏敏度低，適用用于較大位移移（數(shù)毫米））測量。圖3－13d是雙螺管線線圈差動型，較之單螺管管線圈型有較較高靈敏度及及線性，被用用于電感測微微計(jì)上，其測測量范圍為0~300m，最小分辨力力為0.5m。3/15/202333第三章常常用傳感器這種傳感器的的線圈接于電電橋上（圖3－14a）），構(gòu)成兩個(gè)個(gè)橋臂，線圈圈電感L1、、L2隨鐵心心位移而變化化，其輸出特特性如圖3－－14b所示示。第五節(jié)電電感式傳感器器3/15/202334第三章常用用傳感器第五節(jié)電感感式傳感器（二）渦電流式式渦電流式傳感器器的變換原理是是利用金屬體在在交變磁場中的的渦電流效應(yīng)。。如圖3-15所示的是一個(gè)個(gè)高頻反射式渦渦電流傳感器的的工作原理。渦電流式傳感器器的測量電路一一般有阻抗分壓壓式調(diào)幅電路及及調(diào)頻電路。圖圖3－16是用用于渦流測振儀儀上的分壓式調(diào)調(diào)幅電路原理。。圖3－17是是其諧振曲線和和輸出特性。傳傳感器線圈L和和電容C組成并并聯(lián)諧振回路，，其諧振頻率為為圖3-153/15/202335第三章常用用傳感器第五節(jié)電感感式傳感器調(diào)頻電路的工作作原理如圖3－－18所示。這這種方法也是把把傳感器線圈接接入LC振蕩回路，與調(diào)調(diào)幅法不同之處處是以回路的諧諧振頻率作為輸輸出量。當(dāng)金屬屬板至傳感器之之間的距離發(fā)生變化時(shí)，將將引起線圈電感感變化，從而使使振蕩器的振蕩蕩頻率f發(fā)生變化，再通通過鑒頻器進(jìn)行行頻率--電壓壓轉(zhuǎn)換，即可得得到與成比例的輸出電電壓。圖3-18調(diào)調(diào)頻電路工作作原理渦電流式傳感器器可用于動態(tài)非非接觸測量，測測量范圍隨傳感感器結(jié)構(gòu)尺寸、、線圈匝數(shù)和激激磁頻率而異，，從lmm到10mm不等，，最高分辨力可可達(dá)1m。此外，這種種傳感器還具有有結(jié)構(gòu)簡單、使使用方便、不受受油液等介質(zhì)影影響等優(yōu)點(diǎn)。因此，近幾年來來渦電流式位移移和振動測量儀儀、測厚儀和無無損探傷儀等在在機(jī)械、冶金工工業(yè)中日益得到到廣泛應(yīng)用。實(shí)實(shí)際上，這種傳傳感器在徑向振振擺、回轉(zhuǎn)軸誤誤差運(yùn)動、轉(zhuǎn)速速和厚度測量，，以及在零件計(jì)計(jì)數(shù)、表面裂紋紋和缺陷測量中中都可應(yīng)用。3/15/202336第三章常用用傳感器渦電流式傳感器器應(yīng)用用于動態(tài)非接觸觸式測量，測量量范圍±1mm~10mm,最高分分辨力達(dá)0.1μm在徑向擺動、回回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動動、轉(zhuǎn)速和厚度度測量，以及在在零件計(jì)數(shù)、表表面裂紋和缺陷陷測量中都可應(yīng)應(yīng)用。第五節(jié)電感感式傳感器3/15/202337第三章常用用傳感器第五節(jié)電感感式傳感器3/15/202338第三章常用用傳感器第五節(jié)電感感式傳感器二、互感型—差差動變壓器式電電感傳感器這種傳感器是利利用電磁感應(yīng)中中的互感現(xiàn)象，，如圖3－19所示。當(dāng)線圈圈W1輸入交流電流il時(shí)，線圈W2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢勢el2，其大小與電流流il的變化率成正比比，即el2＝－Mdi1/dt。式中M—比例系數(shù)，稱稱為互感（H）），其大小與兩兩線圈相對位置置及周圍介質(zhì)的的導(dǎo)磁能力等因因素有關(guān)，它表表明兩線圈之間間的耦合程度。。互感型傳感器就就是利用這一原原理，將被測位位移量轉(zhuǎn)換成線線圈互感的變化化。這種傳感器器實(shí)質(zhì)上就是一一個(gè)變壓器，其其初級線圈接入入穩(wěn)定交流電源源，次級線圈感感應(yīng)產(chǎn)生一輸出出電壓。當(dāng)被測測參數(shù)使互感M變化時(shí)，副線線圈輸出電壓也也產(chǎn)生相應(yīng)變化化。由于常常采采用兩個(gè)次級線線圈組成差動式式，故又稱為差差動變壓器式傳傳感器。3/15/202339第三章常用用傳感器第五節(jié)電感感式傳感器3/15/202340第三章常用用傳感器第五節(jié)電感感式傳感器差動變壓器的輸輸出電壓是交流流量，其幅值與與鐵心位移成正正比，其輸出電電壓如用交流電電壓表指示，輸輸出值只能反映映鐵心位移的大大小，不能反映映移動的方向性性。其次，交流流電壓輸出存在在一定的零點(diǎn)殘殘余電壓。零點(diǎn)點(diǎn)殘余電壓是由由于兩個(gè)次級線線圈結(jié)構(gòu)不對稱稱，以及初級線線圈銅損電阻、、鐵磁材質(zhì)不均均勻、線圈間分分布電容等原因因所形成。所以以，即使鐵心處處于中間位置時(shí)時(shí)，輸出也不為為零。為此，差差動變壓器式傳傳感器的后接電電路形式，需要要采用既能反映映鐵心位移方向向性，又能補(bǔ)償償零點(diǎn)殘余電壓壓的差動直流輸輸出電路。圖3-21是是一種用于小位位移測量的差動動相敏檢波電路路工作原理。在在沒有輸入信號號時(shí)，鐵心處于于中間位置，調(diào)調(diào)節(jié)電阻R，使零點(diǎn)殘余電電壓減?。划?dāng)有有輸入信號時(shí)，，鐵心移上或移移下，其輸出電電壓經(jīng)交流放大大、相敏檢波、、濾波后得到直直流輸出，由表表頭指示輸入位位移量大小和方方向。差動變壓器式電電感傳感器具有有精確度高（高高到0.1m數(shù)量級），線性性范圍大（可擴(kuò)擴(kuò)大到100mm），穩(wěn)定度好和和使用方便的特特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)應(yīng)用于直線位移移的測量。但其其實(shí)際測量頻率率上限受制于傳傳感器中所包含含的機(jī)械結(jié)構(gòu)。。借助彈性元件件可以將壓力、、重量等物理量量轉(zhuǎn)換成位移的的變化，故也將將這類傳感器用用于壓力、重量量等物理量的測測量。圖3-21差差動相敏檢波波電路工作原理理3/15/202341第三章常用用傳感器差動變壓器式傳傳感器注意事項(xiàng)項(xiàng)輸出電壓是交流流量，其幅值與鐵心心位移成正比，，其輸出電壓如如用交流電壓表表指示，輸出值值只能反映鐵心心位移的大小，，不能反映移動動的方向性。交流電壓輸出存存在一定的零點(diǎn)點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓壓是由于兩個(gè)次次級線圈結(jié)構(gòu)不不對稱，以及初初級線圈電阻、、鐵磁材質(zhì)不均均勻、線圈間分分布電容等原因因所形成。所以以，即使鐵心處處于中間位置輸輸出也不為零。。為此，差動變變壓器式傳感器器的后接電路形式，需要采用既能能反映鐵心位移移方向性，又能能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余余電壓的差動直流輸出電電路。第五節(jié)電感感式傳感器3/15/202342第三章常用用傳感器差動變壓器式傳傳感器

特點(diǎn)和和應(yīng)用特點(diǎn)：具有精確度高(高到0.1μm數(shù)量級)，線線性范圍大(可可擴(kuò)大到±100mm)，，穩(wěn)定度好和使使用方便；但其其實(shí)際測量頻率率上限受制于傳傳感器中所包含含的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于直線線位移的測量；；借助于彈性元元件可用于壓力力、重量的測量量第五節(jié)電感感式傳感器3/15/202343第三章常用用傳感器第六節(jié)磁電電式傳感器磁電式傳感器是是把被測物理量量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電電動勢的一種傳傳感器，又稱電電磁感應(yīng)式或電電動力式傳感器器。從電工學(xué)學(xué)已知，對于一一個(gè)匝數(shù)為W的線圈，當(dāng)穿過過該線圈的磁通通自發(fā)生變化時(shí)時(shí)，其感應(yīng)電動動勢：按照結(jié)構(gòu)方式不不同，磁電式傳傳感器可分為動圈式與磁阻式。一、動圈式動圈式又可分為為線速度型與角角速度型。圖3－35a表表示線速度型傳傳感器工作原理理。在永久磁鐵鐵產(chǎn)生的直流磁磁場內(nèi)，放置一一個(gè)可動線圈，，當(dāng)線圈在磁場場中作直線運(yùn)動動時(shí)，它所產(chǎn)生生的感應(yīng)電動勢勢：圖3-35b是角速度型型傳感器工作原原理。3/15/202344第三章常用用傳感器第六節(jié)磁電電式傳感器e=WBlsin.式中，B—磁場的磁感應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度；l—單匝線圈有效效長度；W－線圈匝數(shù)；—線圈與磁場的的相對運(yùn)動速度度；—線圈運(yùn)動方向向與磁場方向的的夾角。此式說明，當(dāng)W、B、l均為常數(shù)時(shí)，感感應(yīng)電動勢大小小與線圈運(yùn)動的的線速度成正比比，這就是一般般常見的慣性式式速度計(jì)的工作作原理。e=kWBA.式中，－角速度；A—單匝線圈的截面面積；k—與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系系數(shù)，k＜1。此式表明，當(dāng)傳感感器結(jié)構(gòu)一定時(shí)，，W、B、A均為常數(shù)，感應(yīng)電電動勢e與線圈相相對磁場的角速度度成正比，這種傳傳感器被用于轉(zhuǎn)速速測量3/15/202345第三章常用傳傳感器第六節(jié)磁電式式傳感器圖3-36動動圈磁電式傳感器器等效電路將傳感器中線圈產(chǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢通通過電纜與電壓放放大器聯(lián)接時(shí)，其其等效電路如圖3－36所示。圖圖中，e是發(fā)電線圈的感應(yīng)應(yīng)電勢；Z0是線圈阻抗；R0是負(fù)載電阻（含放放大器輸入電阻））；Cc是電纜導(dǎo)線的分布布電容；Rc是電纜導(dǎo)線的電阻阻。Re甚小可忽略，故等等效電路中的輸出出電壓3/15/202346第三章常用傳傳感器第六節(jié)磁電式式傳感器二、磁阻式磁阻式傳感器的線線圈與磁鐵彼此不不作相對運(yùn)動，由由運(yùn)動著的物體（（導(dǎo)磁材料）來改改變磁路的磁阻，，而引起磁力線增增強(qiáng)或減弱，使線線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動動勢。其工作原理理及應(yīng)用例如圖3－37所示。此此種傳感器是由永永久磁鐵及纏繞其其上的線圈組成。。例如圖3－37a可測旋轉(zhuǎn)體頻頻數(shù)，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凸凹引引起磁阻變化，使使磁通量變化，在在線圈中感應(yīng)出交交流電動勢，其頻頻率等于齒輪的齒齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積積。磁阻式傳感器使用用簡便、結(jié)構(gòu)筒單單，在不同場合下下可用來測量:轉(zhuǎn)速、偏心量、振振動等。3/15/202347第三章常用傳傳感器第六節(jié)磁電式式傳感器3/15/202348第三章常用傳傳感器第七節(jié)壓電式式傳感器壓電式傳感器是一一種可逆型換能器器，既可以將機(jī)械械能轉(zhuǎn)換為電能，，又可以將電能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。這這種性質(zhì)使它被廣廣泛用于力、壓力、加速度度測量，也被用于于超聲波發(fā)射與接接收裝置。這種傳感器具有體體積小、重量輕，，精確度及靈敏度度高等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在在與其配套的后續(xù)續(xù)儀器，如電荷放放大器等的技術(shù)性性能日益提高，使使這種傳感器的應(yīng)應(yīng)用越來越廣泛。。壓電式傳感器的工工作原理是利用某某些物質(zhì)的壓電效效應(yīng)。一、壓電效應(yīng)某些物質(zhì)，如石英英、鈦酸鋇，鉻鈦鈦酸鉛（PZT））等，當(dāng)受到外力力作用時(shí)，不僅幾幾何尺寸發(fā)生變化化，而且內(nèi)部極化化，表面上有電荷荷出現(xiàn)，形成電場場；當(dāng)外力消失時(shí)時(shí)，材料重新回復(fù)復(fù)到原來狀態(tài)，這這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相反，如果將這這些物質(zhì)置于電場場中，其幾何尺寸寸也發(fā)生變化，這這種由于外電場作作用導(dǎo)致物質(zhì)的機(jī)機(jī)械變形的現(xiàn)象，，稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮縮效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材材料稱之為壓電材材料，石英是常用用的一種壓電材料料。3/15/202349第三章常常用傳感感器第七節(jié)壓壓電式傳傳感器石英（SIO2）晶體結(jié)晶晶形狀為六六角形晶柱柱（圖3－－3la）），兩端為為一對稱的的棱錐。六六棱柱是它它的基本組組織。縱軸線z-z稱為光軸，通過六角棱棱線而垂直直于光軸的的軸線x－－x稱作電軸，垂直于棱面面的軸線y－y稱作作機(jī)械軸，如圖3－31b所示示。光軸電軸機(jī)械軸3/15/202350第三章常常用傳感感器第七節(jié)壓壓電式傳傳感器實(shí)驗(yàn)證明壓壓電體表面面積聚的電電荷與作用用力成正比比。若沿單單一晶軸x-x方向向加力F，則在垂直直于x-x方向的壓壓電體表面面上積聚的的電荷量為為q。q=dcF若壓電體受受到多方向向的力，壓壓電體各表表面都會積積聚電荷。。每個(gè)表面面上的電荷荷量不僅與與作用于該該面上的垂垂直力有關(guān)關(guān)，而且還還與壓電體體其它面上上所受的力力有關(guān)。縱向效應(yīng)橫橫向效應(yīng)切切向效應(yīng)如果從晶體體中切下一一個(gè)平行六六面體，并并使其晶面面分別平行行于z-z、y-y、x-x軸線，這這個(gè)晶片在在正常狀態(tài)態(tài)下不呈現(xiàn)現(xiàn)電性。當(dāng)當(dāng)施加外力力時(shí)，將沿沿x-x方方向形成電電場，其電電荷分布在在垂直于x-x軸的的平面上。。沿x軸加加力產(chǎn)生縱縱向效應(yīng)；；沿y軸加加力產(chǎn)生橫橫向效應(yīng)；；沿相對兩兩平面加力力產(chǎn)生切向向效應(yīng)（圖圖3－32）。3/15/202351第三章常常用傳感感器第七節(jié)壓壓電式傳傳感器二、壓電材材料常用的壓電電材料大致致可分為三三類：壓電電單晶、壓壓電陶瓷和和有機(jī)壓電電薄膜。壓壓電單晶為為單晶體，，常用的有有石英晶體體（SiO2）、鈮酸鋰鋰（LiNbO3）、鉭酸鉀鉀（LiTaO3）等。壓電電陶瓷為多多晶體，常常用的有鈦鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸酸鉛（PZT）等。。石英是壓電電單晶中最最有代表性性的，應(yīng)用用廣泛。除除天然石英英外，大量量應(yīng)用人造造石英。石石英的壓電電常數(shù)不高高，但具有有較好的機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和和時(shí)間和溫溫度穩(wěn)定度度。其它壓壓電單晶的的壓電常數(shù)數(shù)為石英的的2.5～～3.5倍倍，但價(jià)格格較貴。水水溶性壓電電晶體，如如酒石酸鉀鉀鈉NaKO4H4O5·4H2O）壓電常常數(shù)較高，，但易受潮潮，機(jī)械強(qiáng)強(qiáng)度低，電電阻率低，，性能不穩(wěn)穩(wěn)定。現(xiàn)在聲學(xué)和和傳感技術(shù)術(shù)中最普遍遍應(yīng)用的是是壓電陶瓷瓷。近年來來壓電半導(dǎo)導(dǎo)體也已開開發(fā)成功。。它具有壓壓電和半導(dǎo)導(dǎo)體兩種特特性，很易易發(fā)展成新新型的集成成傳感器。。3/15/202352第三章常常用用傳感器器三、壓電電式傳感感器及其其等效電電路在壓電晶晶片的兩兩個(gè)工作作面上進(jìn)進(jìn)行金屬屬蒸鍍，，形成金金屬膜，，構(gòu)成兩兩個(gè)電極極，如圖圖3－33所示示。當(dāng)晶晶片受到到外力作作用時(shí)，，在兩個(gè)個(gè)極板上上積聚數(shù)數(shù)量相等等、而極極性相反反的電荷荷，形成成了電場場。因此此壓電傳傳感器可可以看作作是謝超超迫置，，它又是是一個(gè)電電容器。。其電容容量按下下式計(jì)算算，即C=0A/式中，—壓電材材料的相相對介電電常數(shù)，，石英晶晶體＝4.5；；鈦酸鋇鋇＝1200壓電式傳傳感器是是一個(gè)具具有一定定電容的的電荷源源。電容容器上的的開路電電壓u0與電荷q、電容Ca存在下列列關(guān)系：：u0＝q/Ca第七節(jié)壓壓電電式傳感感器3/15/202353第三章常常用用傳感器器第七節(jié)壓壓電電式傳感感器當(dāng)壓電式式傳感器器接入測測量電路路，連接接電纜的的寄生電電容就形形成傳感感器的并并聯(lián)寄生生電容Cc，后續(xù)電電路的輸輸入阻抗抗和傳感感器中的的漏電阻阻就形成成泄漏電電阻R。。，如圖圖3－33d所所示。當(dāng)當(dāng)考慮負(fù)負(fù)載影響響時(shí)，根根據(jù)電荷荷平衡建建立的方方程式為為：圖3-33壓電電晶片及及等效電電路a)壓電晶晶片；b)并接接；c)串接；；d)等等效電荷荷源電容值上上的電壓壓：3/15/202354第三章常常用用傳感器器第七節(jié)壓壓電電式傳感感器四、測量量電路由于壓電電式傳感感器的輸輸出電信信號是很很微弱的的電荷，，而且傳傳感器本本身有很很大內(nèi)阻阻，故輸輸出能量量甚微，，這給后后接電路路帶來一一定困難難。為此此，通常常把傳感感器信號號先輸?shù)降礁咻斎肴胱杩沟牡那爸梅欧糯笃?。。?jīng)過阻阻抗變換換以后，，方可用用一般的的放大、、檢波電電路將信信號輸給給指示儀儀表或記記錄器。。前置放大大器的主主要作用用有兩點(diǎn)點(diǎn)：一是是將傳感感器的高高阻抗輸輸出變換換為低阻阻抗輸出出；其次次是放大大傳感器器輸出的的微弱電電信號。。前置放大大器電路路有兩種種形式：：其一是是用電阻阻反饋的的電壓放放大器，，其輸出出電壓與與輸入電電壓（即即傳感器器的輸出出）成正正比；另另一種是是帶電容容反饋的的電荷放放大器，，其輸出出電壓與與輸入電電荷成正正比。上式表明明，在一一定條件件下，電電荷放大大器的輸輸出電壓壓與傳感感器的電電荷量成成正比，，并且與與電纜對對地電容容無關(guān)。。因此，，采用電電荷放大大器時(shí)，，即使連連接電纜纜長達(dá)百百米以上上，其靈靈敏度也也無明顯顯變化，，這是電電荷放大大器突出出的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)。但與與電壓放放大器比比較，其其電路復(fù)復(fù)雜，價(jià)價(jià)格昂貴貴。3/15/202355第三章常常用用傳感器器第七節(jié)壓壓電電式傳感感器五、壓電電式傳感感器的應(yīng)應(yīng)用壓電式傳傳感器常常用來測量力、、壓力、、振動的的加速度度，也用用于聲學(xué)學(xué)（包括括超聲））和聲發(fā)發(fā)射等測量。。壓電效應(yīng)應(yīng)是一種種力一電電荷變換換，可直直接用作作力的測測量?，F(xiàn)現(xiàn)在已形形成系列列的壓電電式力傳傳感器，，測量范范圍從微微小力值值10-3N到104kN，動動態(tài)范圍圍一般為為60dB；測測量方向向有單方方向的，，也有多多方向的的。壓電式壓壓力傳感感器有兩兩種形式式：一種種是利用用膜片式式彈性元元件，通通過膜片片承壓面面積將壓壓力轉(zhuǎn)化化為力。膜片中中可看凸凸臺，凸凸臺背面面放置壓壓電片。。力通過過凸臺作作用于壓壓電片上上，使之之產(chǎn)生相相應(yīng)的電電荷量。。另一種種是利用用活塞的的承壓面面承受壓壓力，并并使活塞塞所受的的力通過過在活塞塞另一端端的頂桿桿作用在在壓電片片上。測測得此作作用力便便可推算算出活塞塞所受的的壓力?，F(xiàn)在廣泛泛采用壓壓電式傳傳感器來來測量加加速度。。此種傳傳感器的的壓電片片處于其其殼體和和一質(zhì)量量塊之間間，用強(qiáng)強(qiáng)彈簧（（或預(yù)緊緊螺栓））將質(zhì)量量塊、壓壓電片緊緊壓在殼殼體上。。運(yùn)動時(shí)時(shí)，傳感感器殼體體推動壓壓電片和和質(zhì)量塊塊一起運(yùn)運(yùn)動。在在加速時(shí)時(shí)，壓電電片承受受由質(zhì)量量加速而而產(chǎn)生的的慣性力力。在第第七章中中將會進(jìn)進(jìn)一步討討論加速速度計(jì)的的有關(guān)問問題。壓電式傳傳感器的的工作原原理是可可逆的，，施加電電壓于壓壓電晶片片，壓電電片便產(chǎn)產(chǎn)生伸縮縮。所以以壓電片片可以反反過來做做“驅(qū)動動器”。。例如對對壓電晶晶片施加加交變電電壓則壓壓電片可可作為振振動源，，可用于于高頻振動臺、、超聲發(fā)生器器、揚(yáng)聲器以以及精密的微微動裝置。3/15/202356第三章常常用傳感器熱電式傳感器器工作原理：把被測量(主要是溫度度)轉(zhuǎn)換為電電量變化的一一種裝置，其其變換是基于于金屬的熱電電效應(yīng)。分類（按照變換方方式）：熱電偶熱電阻傳感器器第八節(jié)熱熱電式傳感器器3/15/202357第三章常常用傳感感器熱電偶偶1工作原理：：熱電偶屬于于結(jié)構(gòu)型傳傳感器；把把兩種種不同的導(dǎo)導(dǎo)體或半導(dǎo)導(dǎo)體連接成成圖示的閉閉合回路，，如果將它它們的兩個(gè)個(gè)接點(diǎn)分別別置于溫度度為T和T0(假定T>T0)的熱源中中，則在該該回路內(nèi)就就會產(chǎn)生熱熱電動勢，，這種現(xiàn)象象稱為熱電效應(yīng)。。第八節(jié)熱熱電式傳傳感器3/15/202358第三章常常用傳感感器熱電偶偶2溫差電動勢勢是在同一導(dǎo)導(dǎo)體的兩端端因其溫度度不同而產(chǎn)產(chǎn)生的一種種熱電動勢勢。第八節(jié)熱熱電式傳傳感器3/15/202359第三章常常用傳感感器熱電偶回路路的特點(diǎn)1）若組成成熱電偶的的回路的兩兩種導(dǎo)體相相同，無論論兩接點(diǎn)溫溫度如何，，熱電偶回回路中的總總熱電動勢勢為零；2）若熱電電偶兩接點(diǎn)點(diǎn)溫度相同同，則盡管管導(dǎo)體A、、B的材料料不同，熱熱電偶回路路中的總熱熱電動勢也也為零；3）熱電偶偶AB的熱熱電動勢與與導(dǎo)體材料料AB的的中間溫度度無關(guān)，而而只與接點(diǎn)點(diǎn)溫度有關(guān)關(guān)；第八節(jié)熱熱電式傳傳感器3/15/202360第三章常常用傳感感器熱電偶回路路的特點(diǎn)24）熱電偶AB在接點(diǎn)溫溫度T1、T3時(shí)的熱電動動勢，等于于熱電偶在在接點(diǎn)溫度度T1、T2和T2、T3時(shí)的熱電動動勢總合；；5）在熱電電偶回路中中接入第三三種材料的的導(dǎo)線，只只要第三種種導(dǎo)線的兩兩端溫度相相同，第三三種導(dǎo)線的的引入不會會影響熱電電偶的熱電電動勢，這這一性質(zhì)稱稱中間導(dǎo)體體定律。6）當(dāng)溫度度為T1、T2時(shí)，用導(dǎo)體體A、B組組成的熱電電偶的熱電電動勢等于于AC熱電電偶和CB熱電偶的的熱電動勢勢的和。第八節(jié)熱熱電式傳傳感器3/15/202361第三章常用用傳感器中間導(dǎo)體定律的的應(yīng)用第八節(jié)熱電電式傳感器3/15/202362第三章常用用傳感器熱電偶分類鉑銠—鉑熱電偶偶鎳鉻—鎳硅(鎳鉻一鎳鋁)熱電偶鎳鉻—考銅熱電電偶鉑銠30—鉑銠6熱電偶選用時(shí)需考慮：：測溫范圍、測測溫狀態(tài)和介質(zhì)質(zhì)情況。第八節(jié)熱電電式傳感器3/15/202363第三章常常用用傳感器器熱電阻傳傳感器利用電阻阻隨溫度度變化的的特點(diǎn)制制成的傳傳感器叫叫熱電阻阻傳感器器，它主主要用于于對溫度度和與溫溫度有關(guān)關(guān)的參數(shù)數(shù)測定。。按熱電電阻的性性質(zhì)來分分，可分分為金屬屬熱電阻阻和半導(dǎo)導(dǎo)體熱電電阻兩大大類，前前者通常常簡稱為為熱電阻，后者稱稱為熱敏電阻阻。熱電阻是是由電阻阻體、絕絕緣套管管和接線線盒等主主要部件件組成，，其中，，電阻體體是熱電電阻的最最主要部部分。鉑鉑電阻、、銅電電阻等。。熱敏電阻阻屬于半半導(dǎo)體傳傳感器。。第八節(jié)熱熱電電式傳感感器3/15/202364第三章常常用用傳感器器第九節(jié)光光電電傳感器器一、光電電測量原原理光電傳感感器是將將光信號號轉(zhuǎn)換為為電信號號的傳感感器。光光電傳感感器的工工作基礎(chǔ)礎(chǔ)是光電電效應(yīng)。。圖3-44硅硅光電電池的結(jié)結(jié)構(gòu)3/15/202365第三章常用傳傳感器第九節(jié)光電傳傳感器二、光電元件1．真空光電管管或光電管光光電電管主要兩種結(jié)構(gòu)構(gòu)形式（見圖3-45)，，圖a中光電管管的光電陰極K由由半圓筒形金屬屬片制成，用于在在光照射下發(fā)射電電子。陽極A為為位于陰極軸心的的一根金屬絲，用用于接收陰極發(fā)射射電子。陰極和陽陽極被封裝于一個(gè)個(gè)抽真空的玻璃罩罩內(nèi)。光電管的特特性主要取決于光光電陰極材料，不不同的陰極材料對對不同波長的光輻輻射有不同的靈敏敏度。圖3-45光光電管的結(jié)構(gòu)形式式a）金屬底層光光電陰極光電管b）光透明陰極極光電管3/15/202366第三章常用傳傳感器圖3-46真真空光電管特性a）光電特性1一銻艷光電陰陰極的光電管b）伏安特性2一氧艷光電陰陰極的光電管第九節(jié)光電傳傳感器3/15/202367第三章常用傳傳感器第九節(jié)光電傳傳感器圖3-47光光電倍增管的結(jié)構(gòu)構(gòu)及電路a）結(jié)構(gòu)b）電路l-入射光；2-第一倍增極極；3-第三倍倍增極；4-陽陽極A；5-第第四倍增極；6-第二倍增極；；7-陰極K2.光電倍增管3/15/202368第三章常用傳傳感器第九節(jié)光電傳傳感器3．光敏電阻某些半導(dǎo)體材料（（如硫化鎘等）受受到光照時(shí)，若光光子能量h大于本征半導(dǎo)體材材料的禁帶寬度，，價(jià)帶中的電子吸吸收一個(gè)光子后便便可躍遷到導(dǎo)帶，，從而激發(fā)出電子子一空穴對，于是是降低了材料的電電阻率，增強(qiáng)了導(dǎo)導(dǎo)電性能。阻值的的大小隨光照的增增強(qiáng)而降低，且光光照停止后，自由由電子與空穴重新新復(fù)合，電阻恢復(fù)復(fù)原來的值。光光敏電阻的特點(diǎn)是是靈敏度高、光譜譜響應(yīng)范圍寬，可可從紫外一直到紅紅外，且體積小、、性能穩(wěn)定，因此此廣泛用于測試技技術(shù)。光敏電阻的的材料種類很多，，適用的波長范圍圍也不同。如硫化化鎘（CdS））、硒化鎘（CdSe）適用于于可見光（0.4~0.75m）的范范圍；氧化化鋅（ZnO）、、硫化鋅(ZnS）適用于于紫外光范范圍；而硫硫化鉛（PbS））、硒化鉛鉛（PbSe）、、碲化鉛（（PhTe）則適適用于紅外外光范圍。。3/15/202369第三章常常用傳感感器第九節(jié)光光電傳感感器圖3-8光敏二二極管a）光敏敏二極管符符號b））光敏二二極管的連連接3/15/202370第三章常常用傳感感器第九節(jié)光光電傳感感器圖3-49光敏敏晶體管a）光敏敏晶體管符符號b）光敏敏晶體管的的連接3/15/202371第三章常常用傳感感器第九節(jié)光光電傳感感器三、光電傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用光電傳感器器可應(yīng)用于于檢測多種種非電量。。由于光通通量對光電電元件作用用方式的不不同所涉及及的光學(xué)裝置是是多種多樣樣的，按其其輸出性質(zhì)質(zhì)可分為兩兩類：1.模擬擬量光電傳傳感器:把被測量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成連續(xù)續(xù)變化的光光電流，它它與被測量量間呈單值值對應(yīng)關(guān)系系。圖3-50應(yīng)用光光電元件的的幾種形式式1-被測測物2-光光電元件3-恒光源源a）被測測量是光源源b）被測測量吸收光光能量c））被測量反反射光能量量d）被被測量阻擋擋光能量3/15/202372第三章常常用傳感感器第九節(jié)光光電傳感感器2.開關(guān)關(guān)量光電傳傳感器:把被測量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成斷續(xù)續(xù)變化的光光電流，而而自動檢測測系統(tǒng)輸出出的為開關(guān)關(guān)量或數(shù)字字電信號。。圖3-51脈沖盤盤式角度-數(shù)字編碼碼器結(jié)構(gòu)示示意圖3/15/202373第三章常常用傳感感器第九節(jié)光光電傳感感器圖3-54光電電式角度一一數(shù)字編碼碼器結(jié)構(gòu)示示意圖1-光源2-透鏡3-碼盤4-狹縫縫5-光電元元件3/15/202374第三章常用用傳感器第九節(jié)光電電傳感器四、應(yīng)用實(shí)例1.冷扎鋼帶跑跑偏監(jiān)測2.光電轉(zhuǎn)速計(jì)計(jì)圖3-55光光電式邊緣位置置檢測裝置1-光敏電阻2-凸透鏡3-分光鏡4-平凸透鏡鏡5-角矩陣陣反射鏡6-帶鋼7-凸透鏡8-白熾燈3/15/202375第三章常用用傳感器第十節(jié)光纖纖傳感器光纖傳感器是70年代發(fā)展起起來的新型傳感感器，和前面所所介紹的傳統(tǒng)傳傳感器相比，有有著重大的差別別。傳統(tǒng)傳感器器以機(jī)-電量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，以以電信號為變換換和傳輸?shù)妮d體體，用利導(dǎo)線輸輸送電信號。光光纖傳感器則以以光學(xué)量轉(zhuǎn)換為為基礎(chǔ)，以光信信號為變換和傳傳輸?shù)妮d體，利利用光導(dǎo)纖維輸輸送光信號。一、分類光纖傳感器以光光學(xué)測量為基礎(chǔ)礎(chǔ)，因此光纖傳傳感器首先要解解決的問題是如如何將被測量的的變化轉(zhuǎn)換成光光波的變化。實(shí)實(shí)際上，只要使使光波的強(qiáng)度、、頻率、相位或或偏振態(tài)四個(gè)參參數(shù)之一，隨被被測量而變化，，則此問題便獲獲解決。通常，，把光波隨被測測量的變化而變變化，稱為對光光波進(jìn)行調(diào)制。。相應(yīng)地，按照照調(diào)制方式，光光纖傳感器可以以分為強(qiáng)度調(diào)制制、頻率調(diào)制、、相位調(diào)制和偏偏振調(diào)制等四種種型式。其中以以強(qiáng)度調(diào)制型較較簡單和常用。。按光纖的作用，，光纖傳感器可可分為功能型和傳光型兩種（圖3-50）。功能型光纖傳感器的光光纖不僅起著傳傳輸光波的作用用，還起著敏感感元件的作用，，由它對光波實(shí)實(shí)行調(diào)制；它既既傳光又傳感。。傳光型光纖傳感器的光光纖僅僅起著傳傳輸光波的作用用，對光波的調(diào)調(diào)制則需要依靠靠其他元件來實(shí)實(shí)現(xiàn)。圖3-50光纖纖傳感器種類[a）功能型;b）、c）傳光光型]1-光源;2-光敏元件;3-光纖;4-被測對象;5-電輸出;6-敏感元件;7-發(fā)光元件件3/15/202376第三章常用用傳感器第十節(jié)光纖纖傳感器從圖3-50中中可以看到，實(shí)實(shí)際上傳光型光光纖傳感器也有有兩種情況。一一種是在光波傳傳輸途中，由敏敏感元件對光波波實(shí)行調(diào)制（圖圖3-50b）），另一種則是是由敏感元件和和發(fā)光元件發(fā)出出已調(diào)制的光波波（圖3-50C）。一般來說，傳光光型光纖傳感器器應(yīng)用較多，也也較容易使用。。功能型光纖傳傳感器的構(gòu)思和和工作原理往往往比較