第三章常用傳感器定義：傳感器是指感受規(guī)定的被測(cè)量，并按一定方式將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。傳感器是人類感官的延伸。

傳感器是測(cè)量?jī)x器與被測(cè)事物之間的接口。

傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能直接影響

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的工作質(zhì)量。第一節(jié)常用傳感器的分類第二節(jié)機(jī)械式傳感器常以彈性體作為敏感元件進(jìn)行變換和測(cè)量的傳感器。輸入量可以為力、壓力、溫度、位移、速度等，輸出量則為彈性體本身的彈性變形，這種變形常轉(zhuǎn)變成其他形式的變量。常用的彈性元件有彈性梁、柱及筒、模片、模盒、彈簧管、波紋管等。機(jī)械式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低、讀數(shù)直觀等。2）彈性變形不宜大，以減小線性誤差。3）易受間隙影響，且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測(cè)緩變或靜態(tài)被測(cè)量。4）彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象，影響輸入輸出線性關(guān)系。第三節(jié)電阻、電容與電感式傳感器一.電阻式傳感器把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。按工作原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式。1.變阻式傳感器（電位計(jì)式傳感器）通過改變電位器觸頭的位置，實(shí)現(xiàn)將位移轉(zhuǎn)換為電阻R的變化，其表達(dá)式為：如果電阻絲的直徑和材質(zhì)一定，則電阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度變化。常用的變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。a).直線位移型變阻器式傳感器若觸頭B移動(dòng)x，則A、B間電阻值為:R=k1x傳感器靈敏度為:S=dR/dx=k1

k1－單位長(zhǎng)度電阻值當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)，k1為常數(shù)，傳感器輸出R與輸入x成線性關(guān)系。

2).角位移型變阻器式傳感器

其阻值隨電刷轉(zhuǎn)角而變化，靈敏度S=Kα（α為電刷轉(zhuǎn)角；kα為單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值）。3).非線性變阻器式傳感器（函數(shù)電位器）其骨架形狀根據(jù)所要求的輸出f(x)決定。例如：輸出f(x)=kx2變阻器骨架應(yīng)作成直角三角形。AxB變阻器式傳感器的后接電路采用分壓電路，如圖3-6，傳感器的輸出電壓由下式計(jì)算：uexpxu0RL圖3－6電阻分壓電路Rp上式表明：只有當(dāng)Rp/RL趨于零，

輸出電壓u0才與位移成線性關(guān)系。變阻器式傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。但由于受到電阻絲直徑的限制，分辨力很難小于20μm，噪音較大，電刷與電阻元件之間接觸面易磨損。uexpxu0RL圖3－6電阻分壓電路Rp案例：重量的自動(dòng)檢測(cè)--配料設(shè)備

比較重量設(shè)定原材料原理：彈簧->力->位移

->電位器->電阻案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理：電機(jī)->轉(zhuǎn)角

->電位器

->電阻2.電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化象。應(yīng)變片用于測(cè)量應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)，具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在航空、船舶、機(jī)械、建筑等行業(yè)應(yīng)用廣泛?？煞譃榻饘匐娮钁?yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片。（1）金屬電阻應(yīng)變片（絲式、箔式）

將應(yīng)變片用特制膠水粘固在彈性元件或需要測(cè)量變形的物體表面，在外力作用下，電阻絲隨同物體一起變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，由此將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電阻變化。箔式應(yīng)變片電阻絲的長(zhǎng)度l、截面積A、電阻率ρ與電阻值的關(guān)系為：阻值增量為：電阻相對(duì)變化式中：電阻絲半徑為r計(jì)dl/l＝ε表示電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱為縱向變形。dr/r電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱橫向應(yīng)變。ldr

當(dāng)電阻絲沿軸向伸長(zhǎng)時(shí)，必沿徑向縮小，兩者之間的關(guān)系為：電阻絲材料的泊松比

電阻絲電阻率相對(duì)變化dρ/ρ與電阻絲軸向所受正應(yīng)力σ關(guān)系為：材料彈性模量；壓阻系數(shù)是由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變引起的。由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對(duì)于同一種材料，是常數(shù)。簡(jiǎn)化為：表明電阻相對(duì)變化率與應(yīng)變成正比。靈敏度：一般電阻應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)阻值有60、120、350、600和1000Ω。(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理：基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)：?jiǎn)尉О雽?dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。金屬絲電阻應(yīng)變片利用導(dǎo)體變形引起電阻變化；半導(dǎo)體應(yīng)變片利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點(diǎn)是：靈敏度高，機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小及本身體積小。其缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，靈敏度離散性大，以及在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大等。（3）電阻應(yīng)變片的典型應(yīng)用案例1：橋梁固有頻率測(cè)量a.直接用來測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力為了研究機(jī)械結(jié)構(gòu)、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用不同形狀的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)定部位，測(cè)得構(gòu)件的拉壓應(yīng)力、扭矩及彎矩等。b.將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。例如：懸臂梁式加速度傳感器由懸臂量、質(zhì)量塊、基座組成。測(cè)量時(shí)，基座固定在振動(dòng)體上，懸臂梁相當(dāng)于系統(tǒng)的”彈簧”。工作時(shí)，梁的應(yīng)變與質(zhì)量塊相對(duì)于基座的位移成正比，貼在梁上的應(yīng)變片把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，再通過電橋轉(zhuǎn)換為電壓輸出。注意：電阻應(yīng)變片測(cè)出的是構(gòu)件或彈性元件上某處的應(yīng)變，不是該處的應(yīng)力、力或位移，只有通過換算才能得到相應(yīng)的力。粘合劑和粘合技術(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。用于動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)變片本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.溫度所引起的電阻值變化與應(yīng)變引起阻值變化具有同等數(shù)量級(jí)。3固態(tài)壓阻式傳感器（擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片）該傳感器中的敏感元件是在半導(dǎo)體材料的基體上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻。主要用于測(cè)量力和加速度。

測(cè)量力時(shí)，有效面積可做得極小(零點(diǎn)幾毫米)，頻響高，可測(cè)量幾十千赫的脈動(dòng)壓力。測(cè)量加速度時(shí)，可測(cè)量低頻和直線加速度。

注意：壓阻式傳感器的溫度誤差較大，需采取溫度補(bǔ)償措施。

4.動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀二、電容式傳感器1.變換原理電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的裝置。兩個(gè)平行極板組成的電容器的電容量C（F）：+++A當(dāng)被測(cè)量使δ、ε、A發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容C的變化。根據(jù)引起電容變化的參數(shù)不同，電容器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型。（a）極距變化型+++++++++A當(dāng)電容器兩極板相互覆蓋面積A和極間介質(zhì)ε不變，則電容C與極距δ成非線性關(guān)系。當(dāng)極距有一微小變化量dδ時(shí)，引起的電容變化量dC為傳感器的靈敏度為：靈敏度S與極距平方成反比，極距越小，靈敏度越高。極距變化型電容傳感器特點(diǎn)：可進(jìn)行動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量，適宜于較小位移(0.01μm～數(shù)百微米)的測(cè)量。（b）面積變化型覆蓋面積電容量靈敏度角位移型線位移型角位移型平面線位移型電容量靈敏度柱面體線位移型.電容量靈敏度面積變化型電容傳感器的特點(diǎn)：輸入輸出成線性關(guān)系，但與極距變化型傳感器型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測(cè)量。(c)介質(zhì)變化型可用來測(cè)量電介質(zhì)的液位或某些材料的溫度、濕度和厚度。2測(cè)量電路電容傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量的變化后，由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。常用的電路有：

（1）電橋型電路將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出。如下圖是一種電感、電容組成的橋路。放大相敏解調(diào)濾波L1L2C1C2（2）直流極化電路（靜壓電容傳感器電路）多用于電容傳聲器或壓電傳感器。如圖3－16彈簧模片在外力（氣壓、液壓）作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。電容器接于具有直流極化電壓E0的電路中，電容的變化由高阻值電阻R轉(zhuǎn)換的電壓變化，由圖可知，電壓輸出為：可知，輸出電壓與膜片位移速度成正比，因此這種傳感器可以測(cè)量氣流（或液流）的振動(dòng)速度，進(jìn)而得到壓力。ug3電容集成壓力傳感器運(yùn)用集成電路工藝可以把電容敏感元件與測(cè)量電路制作在一起，構(gòu)成電容集成壓力傳感器，其核心部件為一個(gè)對(duì)壓力敏感的電容器。振蕩電路被測(cè)物體感應(yīng)電極被測(cè)電容三、電感式傳感器把被測(cè)量，如力、位移等轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。變換原理基于電磁感應(yīng)原理。按照變換方式的不同，可分為自感型（可變磁阻式和渦流式）與互感型（差動(dòng)變壓器）。

1.自感型

可變磁阻式

結(jié)構(gòu)組成：鐵心2、線圈1、銜鐵3

由電工學(xué)知，線圈自感為：線圈匝數(shù)磁路總磁阻如果空氣氣隙較小，而且不考慮磁路損失時(shí)，則總磁阻因?yàn)殍F心磁阻與空氣氣隙的磁阻相比很小，可以忽略，故線圈自感L為上式表明：自感L與氣隙δ成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。當(dāng)固定A0，變化δ時(shí)，L與δ呈非線性關(guān)系?？諝鈿庀兜拇抛梃F心磁阻傳感器的靈敏度為：靈敏度S與氣隙長(zhǎng)度δ的平方成反比，δ愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，取Δδ/δ0≤0.1。這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為0.001~1mm。渦流式利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)，如圖3－24分析表明：影響高頻線圈阻抗Z的因素，除了線圈與金屬板間的距離δ以外，還有金屬板的電阻率ρ，磁導(dǎo)率μ以及線圈激磁圓頻率ω等。例：變化δ，可作位移、振動(dòng)測(cè)量；變化ρ和μ，可作材質(zhì)鑒別或探傷。渦流傳感器的測(cè)量電路一般有：阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。傳感器線圈L與電容C組成并聯(lián)諧振回路，諧振頻率f為：渦流傳感器可用于動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量，測(cè)量范圍視傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)和勵(lì)磁頻率而定。一般±（1~10）mm不等，最高分辨率可達(dá)0.1μm。具有使用方便，不受油污等介質(zhì)影響等優(yōu)點(diǎn)，渦流式位移和振動(dòng)測(cè)量?jī)x、測(cè)厚儀和無損檢測(cè)、探傷儀等。原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。油管檢測(cè)下圖給出了渦流傳感器的工程應(yīng)用實(shí)例2.互感型－－差動(dòng)變壓器式電感傳感器利用了電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1大小與電流i1變化率成正比，即式中M稱為互感（H），其大小與線圈相對(duì)位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，表明兩線圈之間的耦合程度互感型傳感器將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化，其實(shí)質(zhì)是一變壓器。由于其二次側(cè)線圈組成差動(dòng)式，故稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。 當(dāng)一次側(cè)線圈w加上交流電壓時(shí)，二次側(cè)線圈w1及w2分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e1和e2，其大小與鐵心位置有關(guān)。當(dāng)鐵心在中心位置時(shí)，e1=e2，輸出電壓e0=0；鐵心向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，e1>e2；向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，e1<e2；隨著鐵心偏離中心位置，e0逐漸增大，其輸出特性如圖(c)差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路形式，需要采用既能反映鐵心位移方向性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。如下圖，在沒有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點(diǎn)殘余電壓減?。划?dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。差動(dòng)變壓器式傳感器具有精確度高（最高分辨力可達(dá)0.1μm），線性范圍大（可擴(kuò)展到±100mm），穩(wěn)