2025/9/10山東科技大學第二章傳統(tǒng)傳感器原理及應用第一節(jié)電阻式傳感器第二節(jié)電容式傳感器第三節(jié)電感式傳感器第四節(jié)磁電式傳感器第五節(jié)壓電式傳感器第六節(jié)熱電式傳感器第七節(jié)常用流量計2025/9/10山東科技大學第一節(jié)電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量，如位移、力、壓力、力矩等非電量的變化轉換為電阻值的變化，然后通過測量該電阻值實現(xiàn)檢測非電量的一種傳感器。電阻式傳感器種類較多，本節(jié)介紹電位器式和電阻應變式傳感器。一、電位器式傳感器電位器式傳感器主要用來測量位移，通過其他敏感元件（如膜片、膜盒、彈簧管等）將非電量（如力、位移、形變、速度、加速度等）的變化量變換成與之有一定關系的電阻值的變化，通過對電阻值的測量達到對非電量測量的目的。2025/9/10山東科技大學（一）線繞電位器式位移傳感器

線繞電位器式傳感器的核心是線繞電位器。圖是常用電位器式傳感器的結構原理圖，該類傳感器主要是由觸點機構和電阻器兩部分組成。

圖2-1線繞電位器式傳感器示意圖2025/9/10山東科技大學如圖2-1（a）所示為線性位移傳感器，它的骨架截面積處處相等，且由材料均勻的導線按照等節(jié)距繞制而成，此時電位器單位長度上的電阻值處處相等，是其總長度，總電阻，當電刷行程為x時，對應于電刷移動量的電阻值Rx為若把它作為分壓器使用，且假定加在電位器A、B之間的電壓為，則輸出電壓為如圖2-1（b）所示為電位器式角度傳感器。若將其作為電阻器使用，則電阻與角度的關系為2025/9/10山東科技大學若作為分壓器使用，則有如圖2-2所示是線性繞線電位器示意圖。

2025/9/10山東科技大學其電阻靈敏度為電壓靈敏度為（二）非線繞電位器式位移傳感器非線繞電位器又叫函數(shù)電位器，代表著電位器式傳感器發(fā)展方向。主要能以下幾種。1、合成膜電位器2、金屬膜電位器3、導電塑料電位器4、光電電位器2025/9/10山東科技大學（三）電位器式傳感器常用壓力變換彈性敏感元件1、彈簧管彈簧管又稱波登管，它是彎成各種形狀的空心管子（大多數(shù)彎成C形），它一端固定、一端自由，如圖2-3(a)所示。彈簧管能將壓力轉換為位移。

2025/9/10山東科技大學2、波紋管波紋管是一種表面上有許多同心環(huán)波形皺紋的薄壁圓管。它的一端與被測壓力相通，另一端密封，如圖2-3(b)所示。3、波紋膜片和膜盒波紋膜片是一種壓有同心波紋的圓形薄膜，如圖2-3（c）所示。為了便于和傳感元件相連接，在膜片中央留有一個光滑的部分，有時還在中心上焊接一塊圓形金屬片稱為膜片的硬心。當膜片四周固定，兩側面存在壓差時，膜片將彎向壓力低的一側，因此能夠將壓力變換為位移。為了進一步提高靈敏度，常把兩個膜片焊在一起，制成膜盒，如圖2-3（d）所示。2025/9/10山東科技大學3.電位器式位移傳感器的應用

電位器式位移傳感器常用來測量幾毫米到幾十米的位移和幾度到360度的角度。如圖2-21所示為我國研制的采用精密合成膜電位器的CⅡ－8型拉線式大位移傳感器。它可以用來測量飛行器級間分離時的相對位移，火車各車廂的分離位移，跳傘運動員起始跳落位移等。圖2－21拉線式大位移傳感器1-牽引頭；2-排線輪；3-傳動齒輪；4-軸；5-電刷；6-電位器；7-發(fā)條2025/9/10山東科技大學二、電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變片將應變或應力轉換為電阻的傳感器，可以用于測量應變、力、壓力、位移、加速度、力矩等參數(shù)，具有動態(tài)響應快、測量精度高、使用簡便等優(yōu)點。根據(jù)敏感元件的材料形狀的不同，電阻應變式傳感器的應變片可分為金屬應變片和半導體應變片兩種。金屬應變片有金屬絲式、金屬箔式和金屬薄膜式；半導體應變片有擴散型、體型和薄膜型。電阻應變式傳感器主要由電阻應變片（金屬應變片和半導體應變片）彈性敏感元件和測量電路三部分組成。2025/9/10山東科技大學（一）金屬應變片金屬應變片是由繞成柵狀的高阻金屬絲、柵狀金屬箔構成的，敏感元件用黏合劑貼在兩張膠片或紙片（基片）之間制成?；窘Y構如圖2-5所示。1、金屬絲電阻應變片金屬絲電阻應變片是由絲柵狀的電阻絲組成的敏感元件，有圓角線柵式和直角線柵式兩種，如圖2-6所示。圖2-5金屬應變片結構

圖2-6金屬絲電阻應變片形式2025/9/10山東科技大學電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其阻值發(fā)生變化，此種現(xiàn)象稱為電阻應變效應。金屬絲電阻為當金屬絲電阻發(fā)生變形時，其長度L、截面積A、電阻率ρ均發(fā)生變化，從而引起電阻值R的變化，電阻的增量為電阻的相對變化為縱向應變與橫向應變間存在著比例關系，其比例系數(shù)為電阻絲材料的泊松比，2025/9/10山東科技大學電阻絲電阻率相對變化與電阻絲軸向所受正應力有關，即2、金屬箔式應變片金屬箔式應變片的敏感柵是由很薄的金屬箔片通過光刻和腐蝕工藝制成。箔柵厚度為0.003～0.01mm。箔片材料為康銅、鎳鉻合金等。為適應不同場合，其敏感柵制成不同的形狀，如圖2-7所示。2025/9/10山東科技大學（二）半導體應變片半導體應變片最簡單的結構如圖2-8所示。半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。式（2-13）可寫成半導體應變片靈敏度圖2-8半導體應變片（體型）2025/9/10山東科技大學目前國產(chǎn)的導體應變片大都采用P型和N型硅材料制作，其結構有體形、薄膜型和擴散型，如圖2-9所示。（三）電阻應變式傳感器常用彈性敏感元件1、彈性圓柱（實心或空心）彈性圓柱結構簡單，可承受較大的載荷，當粘貼上應變片時，可做成測力傳感器。彈性圓柱的結構及受力示意圖見圖2-10。2025/9/10山東科技大學在軸向力F（通常為壓縮力）的作用下，在與軸線成角的截面上所產(chǎn)生的應力和應變?yōu)楫?0時，力F在軸向產(chǎn)生的應力和應變?yōu)槎?90°時，力F在軸向產(chǎn)生的應力和應變?yōu)閳D2-10彈性圓柱2025/9/10山東科技大學2、等截面梁如圖2-11所示等截面梁結構。貼片處的應變?yōu)?、等強度梁等截面梁貼片位置由決定，不精確的貼片將帶來誤差。而圖2-12所示等強度梁對沿方向貼片位置要求不嚴格。貼片處應變?yōu)?025/9/10山東科技大學4、雙端固定梁圖2-13(a)所示為雙端固定梁。梁貼片處應變?yōu)檫@種梁在相同力作用下?lián)隙缺葢冶哿盒?。過載時易產(chǎn)生非線性誤差。梁的兩端固定必須牢固，防止工作過程中因滑動產(chǎn)生誤差。往往采用圖2-13（b）中梁和固定部成一體結構。2025/9/10山東科技大學5、薄壁圓環(huán)圓環(huán)式彈性體結構簡單。如圖2-14所示，貼片處應變?yōu)?、扭轉圓柱當圓柱承受彎矩作用時，在柱表面產(chǎn)生的最大剪切應力為扭轉圓柱長度為時的扭轉角為圖2-15扭轉圓柱圖2-14薄壁環(huán)2025/9/10山東科技大學（四）電阻應變片的選擇粘貼及溫度補償1、電阻應變片的選擇圖

應變片系列的型號代號命名規(guī)則圖解2025/9/10山東科技大學在選擇應變片時，可參照下列步驟進行：（1）類型和結構形式的選擇。（2）敏感柵材料和基底材料的選用。（3）阻值的選擇。（4）尺寸的選擇。（5）根據(jù)試件材料類型、工作溫度范圍、應用精度，選擇溫度自補償系數(shù)或彈性模量自補償系數(shù)。（6）根據(jù)彈性體的固有蠕變特性、實際測試的精度、工藝方法、防護膠種類、密封形式等選擇蠕變補償代號。（7）根據(jù)實際需要選擇應變片的引線連接方式。2、應變片粘貼粘貼包括彈性體貼表面處理、貼片位置確定、貼應變片、干燥固化、質量檢查、引線焊接與固定，以及防護與屏蔽等。2025/9/10山東科技大學粘貼好的應變片的防護結構如圖2-16所示。應變片粘貼工藝的主要步驟如下。（1）應變片的檢查和篩選。（2）試件貼片處的表面處理。（3）底層處理。（4）粘貼應變計。（5）粘接劑的固化處理。（6）引線的焊接處理及防護。2025/9/10山東科技大學3、應變片的溫度誤差補償

由于溫度變化所引起的應變片電阻變化與試件（彈性敏感元件）應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，如果不采取必要的措施克服溫度變化的影響，測量精度將無法保證。因此要對其進行溫度補償，主要有三種方法：橋路補償、應變片自補償和熱敏補償。（1）橋路補償

橋路補償也稱為補償片法。應變片通常是作為平衡電橋的一個臂測量應變。如圖2-17a所示，R1為工作片，R2為補償片，R3和R4為固定電阻。R1粘貼在試件上需要測量的位置，R2粘貼在與R1相同的材料上，并置于相同的環(huán)境溫度下，如圖2-17b所示。2025/9/10山東科技大學因此，在結構允許的情況下，可以不另設補償塊，而將應變片直接粘貼在被測試件上，如圖2-17c所示，將R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂，因溫度變化引起的電阻變化和的作用相互抵消，這樣就起到了溫度補償?shù)淖饔?，圖2-17d所示為對應補償橋路。2025/9/10山東科技大學（2）應變片自補償

粘貼在被測部位上的是一種特殊應變片，當溫度變化時，產(chǎn)生的附加應變?yōu)榱慊蛘呦嗷サ窒?，這種特殊的應變片稱為溫度自補償應變片。下面介紹兩種自補償應變片。1）選擇式自補償應變片。這種方法是首先確定被測試件材料，然后選擇合適的應變片敏感柵材料制作溫度自補償應變片，使溫度對彈性件的影響與對應變片的影響相互抵消，從而實現(xiàn)溫度補償。2）雙金屬敏感柵自補償應變片。圖2-18所示為雙金屬敏感柵自補償應變片。這種應變片也稱為組合式自補償應變片，它是利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)不同（一個為正，一個為負）的特性，將兩者串聯(lián)繞制成敏感柵。2025/9/10山東科技大學

若兩段敏感柵R1和R2由于溫度變化而產(chǎn)生的電阻變化為和，大小相電阻R1和R2的比值關系可以由下式?jīng)Q定：等且符號相反，就可以實現(xiàn)溫度補償。圖2-18所示為雙金屬敏感柵自補償應變片（3）熱敏補償

圖2-19所示為電阻應變片熱敏電阻補償法的電路。熱敏電阻R1處在與應變片相同的溫度條件下，當應變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻R1的阻值下降，從而補償由于應變片變化引起的輸出下降。圖2-192025/9/10山東科技大學（五）測量電路常用的測量電路為電橋電路。根據(jù)基爾霍夫定律，可求得流過負載的電流和輸出電壓分別為可以看出，若要使輸出為零，即電橋平衡，應滿足當電橋輸出端接輸入電阻較大的儀表或放大器時，2025/9/10山東科技大學1．半橋單臂工作方式半橋是指橋臂電阻左右對稱，即。單臂是指工作中有一個橋臂電阻隨被測量而變化。如圖2-21(a)所示，2025/9/10山東科技大學因應變片的應變較小，即，忽略分母中2．半橋雙臂工作方式半橋雙臂連接方式如圖2-21(b)所示。電橋輸出3．全橋工作方式全橋工作方式如圖2-21(c)所示。電橋輸出2025/9/10山東科技大學（六）電阻應變式傳感器的應用電阻應變式傳感器的應用可分為兩大類：一類是直接用來測定結構的應變或應力，即直接將應變片粘貼在被測物件的預定部位上，可以測得構件的拉應力、壓應力、扭矩或彎矩等，為結構設計、應力校核或構件破壞的預測等提供可靠的實驗數(shù)據(jù)；另一類是將應變片粘貼于彈性敏感元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器，彈性元件在被測物理量的作用下，得到與被測量成正比的應變，然后由應變片轉換為電阻的變化，再通過電橋轉換為電壓輸出。1、電阻應變式測力儀電阻應變式測力儀是目前應用較為普遍的一種測力儀，在車、銑、鉆、磨等測力儀中均有采用。這種形式測力儀的優(yōu)點是：靈敏度高，可測切削力的瞬時值；應用電補償原理，可以消除切削分力的相互干擾，這使測力儀結構大大簡化。2025/9/10山東科技大學圖2-22所示為八角環(huán)式車削測力儀。2025/9/10山東科技大學八角環(huán)彈性元件實際上是由圓環(huán)演變而來的，見圖2-23。2025/9/10山東科技大學2、應變式位移傳感器用應變計可測量靜直線位移及與位移有關的物理量，構成應變式位移傳感器。圖2-24為一種組合式位移傳感器。圖2-24組合式應變式位移傳感器工作原理圖圖2-25組合式位移傳感器結構圖2025/9/10山東科技大學3、應變式加速度傳感器圖2-26為應變式加速度傳感器的結構原理圖。測量大數(shù)值的加速度可采用圖3-27結構的傳感器。圖2-26應變式加速度傳感器結構原理圖圖2-27大數(shù)值應變式加速度傳感器的結構2025/9/10山東科技大學第二節(jié)電容式傳感器電容式傳感器是將被測量(如尺寸、壓力等)的變化轉換成電容量變化的--種傳感器。一、電容式傳感器的結構及原理由物理學可知，兩個平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應，其電容為

式中ε--兩個極板間介質的介電常數(shù)；

A--兩個極板相對有效面積；

d--兩個極板間的距離改變A、d、

三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。

圖2－28平板電容器2025/9/10山東科技大學電容式傳感器可以分成變面積式、變間隙式、變介電常數(shù)式三種類型。

（一）變面積式電容傳感器當動極板移動后，覆蓋面積就發(fā)生了變化，電容量也隨之改變，其值為圖2－29直線位移型電容式傳感器電容因位移而產(chǎn)生的變化量為其靈敏度為2025/9/10山東科技大學圖2－30變面積式電容傳感器的派生型(a)角位移型；(b)齒形極板型；(c)圓筒型；(d)差動式(a)是角位移型電容式傳感器。當動片中有一角位移時，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導致電容量的變化。此時電容量為(b)中極板采用了齒形板，其目的是為了增加遮蓋面積，提高靈敏度。其電容量為2025/9/10山東科技大學（二）變間隙式電容傳感器當活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，兩極板間的距離發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量。圖2－31變間隙式電容傳感器1-固定極板；2-與被測對象相連的活動極板設極板面積為A，其靜態(tài)電容量為C0，當活動極板移動x后，其電容量為當x<<d時，

電容C與x不是線性關系，只有當x《d時，才可認為是近似線性關系。2025/9/10山東科技大學（三）變介電常數(shù)式電容傳感器

當電容式傳感器中的電介質改變時，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容量發(fā)生變化。此類傳感器的結構形式有很多種，圖2-32為介質面積變化的電容式傳感器。由圖2-32可以看出，此時傳感器的電容量為其中設極板間無介質時的電容量為當介質插入兩極板間，則有圖2-32介質面積變化的電容傳感器2025/9/10山東科技大學圖2-33中所示液位傳感器的電容量C等于空氣介質間的電容量C1和液體介質間的電容量C2之和（因為C1和C2兩電容是并聯(lián)關系），所以可得若令則式（2-42）就變?yōu)椋纱丝梢?，電容量與液位高度成比例關系。2025/9/10山東科技大學二、電容式傳感器的測量電路電容傳感器將被測非電量轉換為電容變化后，必須采用測量電路將其轉換為電壓、電流或頻率信號。（一）耦合式電感電橋電路

1.緊耦合電感電橋當負載阻抗為無窮大時，電橋輸出電壓為圖2－34緊耦合電感臂電橋若很小時，則2025/9/10山東科技大學2.變壓器電橋當負載阻抗為無窮大時，電橋的輸出電壓為圖2－35變壓器電橋原理圖以，代入上式得設C1和C2為變間隙式電容傳感器，則有根據(jù)式（2－44）可得2-442025/9/10山東科技大學（二）雙T電橋電路圖2-36雙T電橋電路如圖2－36所示，圖中、為差動電容式傳感器的電容，當單電容工作時，可以使其中一個為固定電容，另一個為傳感器電容。為負載電阻，、為理想二極管，、為固定電阻。（三）運算放大器電路圖2－37運算放大器式測量電路其輸出電壓為2025/9/10山東科技大學（四）脈沖調制電路圖2-38為差動脈沖寬度調制電路。這種電路根據(jù)差動電容式傳感器電容和的大小控制直流電壓的通斷，所得方波與和有確定的函數(shù)關系。線路的輸出端就是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端。圖2-38差動脈沖寬度調制電路2025/9/10山東科技大學由圖2-39看出，當C1=C2時，兩個電容充電時間常數(shù)相等，兩個輸出脈沖寬度相等，輸出電壓的平均值為零。2025/9/10山東科技大學（五）調頻電路調頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx

發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f

產(chǎn)生相應的變化。

式中，L為振蕩回路電感；C為振蕩回路總電容。2025/9/10山東科技大學四、電容式傳感器應用舉例

（一）電容式位移傳感器1、電容式振動位移傳感器如圖2－41所示為電容式振動位移傳感器應用示意圖，其中傳感器的一極是被測物體表面，這種傳感器不僅可以測量振動的位移，而且可以測量轉軸的回轉精度和軸心的動態(tài)偏擺。圖2－41電容式振動位移傳感器應用示意圖1－電容式傳感器；2－被測振動物；3－被測軸2025/9/10山東科技大學

2、電荷平衡式位移傳感器如圖2-42所示是電荷平衡式位移傳感器結構示意圖。圖2－42電荷平衡式電容式位移傳感器1－屏蔽板；2－測量電容器；3－參考電容器；4－公用電極；5－前置放大器2025/9/10山東科技大學（二）電容式壓力傳感器圖2-43為差動電容式壓力傳感器的結構圖。圖中所示膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構成差動電容器。圖2-43差動電容式壓力傳感器2025/9/10山東科技大學（三）電容式加速度傳感器圖2-44為差動電容式加速度傳感器結構。2025/9/10山東科技大學（四）電容式測厚傳感器圖2-45所示為電容式測厚傳感器在板材軋制裝置中應用的工作原理。2025/9/10山東科技大學（五）電容式液位傳感器圖2-46所示為飛機上使用的一種油量表。它采用了自動平衡電橋電路，由油箱液位電容式傳感裝置、交流放大器、兩相伺服電機、減速器和指針等部件組成。電容式傳感器電容接入電橋的一個臂，為固定的標準電容器，為調整電橋平整的電位器，其電刷與指針同軸連接。2025/9/10山東科技大學第三節(jié)電感式傳感器電感式傳感器是一種利用待測工件運動使磁路磁阻變化，從而引起傳感器線圈的電感（自感或互感）變化來檢測非電量的機電轉換裝置。常用來檢測位移、振動、力、應變、流量、比重等物理量。由于它結構簡單，工作可靠，壽命長，并具有良好的性能與寬廣的適用范圍，適合在較惡劣的工作環(huán)境中工作，因而在計量技術、工業(yè)生產(chǎn)和科技研究領域得到了廣泛應用。電感式傳感器的種類很多，按轉換原理可分為自感式傳感器、互感式傳感器、電渦流式傳感器等。2025/9/10山東科技大學一、自感式傳感器1、自感式傳感器工作原理與結構自感式傳感器實質上是一個帶氣隙的鐵心線圈，按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有變間隙式、變面積式和螺管式三種類型。（1）變間隙式自感傳感器變間隙式自感傳感器的結構如圖2-47所示。線圈的電感可表示為對于變間隙式自感傳感器，如果忽略磁路鐵損，各部分磁路的截面積均為A，則磁路總磁阻為圖2-47變間隙型電感傳感器2025/9/10山東科技大學因此有一般情況下，導磁體的磁阻與空氣隙磁阻相比是很小的，因此線圈的電感量可近似地表示為從式（2-57）可以看出，傳感器的靈敏度隨氣隙的增大而減小。為了改善非線性，氣隙的相對變化量要很小，但過小又影響測量范圍，所以要兼顧考慮兩個方面。（2-57）2025/9/10山東科技大學（2）變面積式自感傳感器由變氣隙式電感傳感器可知，氣隙厚度不變，鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化而改變，從而導致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱為變面積式自感傳感器，其結構與圖2－47相同。特性曲線如圖2－48所示。

（3）螺管式自感傳感器圖2－48電感傳感器特性螺管式自感傳感器的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關。

圖2－49螺管式自感傳感器1－線圈；2－銜鐵2025/9/10山東科技大學圖2－50差動式電感傳感器(a)變間隙型；(b)變面積型；(c)螺管型1－線圈；2－鐵心；3－銜鐵；4－導桿在實際使用中，常采用兩個相同的傳感器線圈共用一個銜鐵，構成差動式自感傳感器，這樣可以提高傳感器的靈敏度，減小測量誤差。2025/9/10山東科技大學2、自感式傳感器的測量電路交流電橋是自感式傳感器的主要測量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉換成電橋電路的電壓或電流輸出。由于差動式結構可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。圖2－51為交流電橋的幾種常用形式。圖2－51交流電橋的幾種形式(a)電阻平衡臂電橋；(b)變壓器式電橋；(c)緊耦合電感臂電橋2025/9/10山東科技大學

二、互感式傳感器

1、互感式傳感器工作原理與結構圖2-52所示為這幾種差動變壓器的結構示意圖。2025/9/10山東科技大學互感式傳感器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路如圖2-53所示。由圖2-53可以看出，一次繞組的電流為二次繞組的感應電動勢為由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為其有效值為圖2-53差動變壓器的等效電路2025/9/10山東科技大學互感式傳感器的輸出特性曲線如圖2-54所示。零點殘余電動勢的存在使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量互感式傳感器性能好壞的重要指標。圖2-55是幾種減小零點殘余電動勢的補償電路。在互感式傳感器的二次側繞組串、并聯(lián)適當數(shù)值的電阻和電容元件，當調整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。圖2-54差動變壓器輸出特性2025/9/10山東科技大學2、互感式傳感器的測量電路

為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電壓的目的，實際測量時常采用差動相敏檢波電路和差動整流電路。（1）差動相敏檢波電路圖2-56(a)所示是差動相敏檢波電路的原理圖。2025/9/10山東科技大學采用電路分析的基本方法，可求得如圖2-56(b)所示電路的輸出電壓U0的表達式圖2-57是相敏檢波器的各點電壓波形。2025/9/10山東科技大學圖2－58差動整流電路（2）差動整流電路差動整流電路結構簡單，一般不需要調整相位，不考慮零點殘余電動勢的影響，適于遠距離傳輸。差動整流電路的兩種典型電路如圖2-58所示。圖2-58(a)是簡單方案的電壓輸出型電路，2025/9/10山東科技大學

三、電渦流式傳感器

１、電渦流式傳感器工作原理當通過金屬體的磁通發(fā)生變化時，就會在導體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。圖2－59電渦流作用原理在圖2－59中，一個扁平線圈置于金屬導體附近，當線圈中通有交變電流時，線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場，置于這一磁場中的金屬導體就產(chǎn)生電渦流，電渦流也將產(chǎn)生一個新場，與方向相反，因而抵消部分原磁場，使通電線圈的有效阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應。2025/9/10山東科技大學如把被測導體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)，就可以得到如圖2－60所示的等效電路。圖2－60電渦流傳感器等效電路根據(jù)等效電路可列出電路方程組為解上述方程組，可得、。因此，傳感器線圈的復阻抗為線圈的等效電感為2025/9/10山東科技大學2、電渦流式傳感器的類型１、高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式電渦流傳感器的結構很簡單，主要由一個固定在框架上的扁平線圈組成。線圈可以粘貼在框架的端部，也可以繞在框架端部的槽內。圖2－61為某種型號的高頻反射式電渦流傳感器。2.、低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器采用低頻激勵，因而有較大的貫穿深度，適合于測量金屬材料的厚度，圖2－62為這種傳感器的原理圖和輸出特性。圖2－61高頻反射式電渦流傳感器圖2－62低頻透射式電渦流傳感器原理圖及特性1－線圈；2－框架；3－框架襯套；4－固定螺母；5－電纜2025/9/10山東科技大學3、電渦流式傳感器的測量電路

１電橋電路電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉換為電壓或電流的變化，圖2－63是電橋法的電路原理圖。2.

諧振法諧振法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉換為電壓或電流的變化。傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路。

圖2－64調輻式測量電路原理圖并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為2025/9/10山東科技大學四、電感式傳感器應用舉例1.電感測微儀圖2-65(a)為電感測微儀的原理框圖，圖2-65(b)為軸向測試頭的結構示意圖。圖2－65電感測微儀(a)原理框圖；(b)軸向測試頭結構1－引線；2－線圈；3－銜鐵；4－測力彈簧；5－導桿；6－測端2025/9/10山東科技大學2、滾珠直徑測量系統(tǒng)圖2-66所示。2025/9/10山東科技大學3、差動式壓力傳感器互感式傳感器和膜片、膜盒、彈簧管等相結合，可以組成壓力傳感器。如圖2-67所示為差動式壓力傳感器結構原理圖。2025/9/10山東科技大學CPC—160A型差壓計的傳感器是一只差動變壓器，當所測的差壓變化時，差壓計內的膜片產(chǎn)生位移，從而帶動固定在膜片上的差動變壓器的鐵心位移，使差動變壓器二次側輸出的電壓發(fā)生變化，輸出電壓的大小與鐵心的位移成正比，從而也與所測差壓成正比。傳感器的測量電路如圖2-69所示。2025/9/10山東科技大學4、差動變壓器式加速度傳感器圖2-70為差動變壓器式加速度傳感器的一種形式。2025/9/10山東科技大學5、液位監(jiān)控系統(tǒng)圖2-71為由電渦流傳感器構成的液位監(jiān)控系統(tǒng)。6、測量振動如圖2-72所示。2025/9/10山東科技大學7、渦流探傷電渦流式傳感器可以用來檢查金屬的表面裂紋、熱處理裂紋以及用于焊接部位的探傷等。2025/9/10山東科技大學8、高頻反射式渦流厚度傳感器圖2-75所示的是應用高頻反射式渦流傳感器檢測金屬帶材厚度的原理框圖。2025/9/10山東科技大學第四節(jié)磁電式傳感器

磁電式傳感器是一種將被測物理量轉換為感應電動勢的裝置，亦稱磁電感應式或電動力式傳感器。一、磁電感應式傳感器基于法拉第電磁感應定律，匝線圈在磁場中做切割磁力線運動或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應電動勢的大小取決于穿過線圈的磁通Φ對時間的變化率，即（2-72）2025/9/10山東科技大學

磁電感應式傳感器的直接應用是測定線速度和角速度圖2-76磁電感應式傳感器的工作原理圖則式（2－72）可寫成或磁電感應式傳感器是結構型傳感器。當結構參數(shù)確定后，N、B、L、A為定值，因此感應電動勢與相對速度或成正比。式中負號表示感應電流所激發(fā)的磁通量抵消引起感應電流的磁通量變化。2025/9/10山東科技大學圖2－77恒磁通感應式傳感器結構原理1－金屬骨架；2－彈簧；3－線圈；4－永久磁鐵；5－殼體（一）恒磁通式磁電傳感器如圖2-77所示，相對運動使線圈切割磁力線，產(chǎn)生與振動速度成正比的感應電動勢，即2025/9/10山東科技大學2、閉磁路變磁阻式轉速傳感器（二）變磁阻式磁電傳感器變磁阻式轉速傳感器在結構上分開磁路和閉磁路兩種。1、開磁路變磁阻式轉速傳感器開磁路變磁阻式轉速傳感器由永久磁鐵、感應線圈、軟鐵組成，如圖2-78所示。2025/9/10山東科技大學二、霍爾傳感器（一）半導體材料的霍爾效應通電半導體放在均勻磁場中，在垂直于電場和磁場的方向產(chǎn)生橫向電場，這種現(xiàn)象叫霍爾效應，所產(chǎn)生的電場稱為霍爾電場，如圖2-80所示。2025/9/10山東科技大學磁場作用產(chǎn)生的磁場力為電場作用產(chǎn)生的電場力為平衡時，磁場力與電場力相等，則電流密度，n為電子濃度（單位體積中電子數(shù)），則電流。把電子速度代入式（2-78），霍爾電勢為如果磁場方向與半導體薄片法線方向有角（法線方向即z方向），那么霍爾電勢為2025/9/10山東科技大學（二）霍爾元件的結構、符號及基本電路1、霍爾元件的結構、符號霍爾元件是一種半導體四端薄片，它一般做成正方形，在薄片的相對兩側對稱地焊上兩對電極引出線，如圖2-81(a)所示。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如圖2-82所示。圖2-81霍爾元件2025/9/10山東科技大學2、霍爾元件的基本電路霍爾元件的基本電路如圖2-83所示?？刂齐娏鳎▌畲烹娏鳎┯呻娫碋供給，其大小可由調節(jié)電阻R來實現(xiàn)，霍爾片輸出端接負載RL，RL可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器的內阻。2025/9/10山東科技大學（三）霍爾元件的特征參數(shù)1）輸入電阻2）輸出電阻3）額定控制電流4）最大磁感應強度5）靈敏度系數(shù)6）磁靈敏系數(shù)霍爾元件輸出端開路電壓與磁感應強度之比，單位V/T。7）不等位電勢霍爾元件制作時，兩個輸出電壓電極不完全對稱。8）零位電阻9）霍爾電勢溫度系數(shù)在一定控制電流和磁感應強度作用下，溫度變化1℃時，霍爾電勢相對變化值，單位為℃-1。2025/9/10山東科技大學（四）霍爾傳感器的連接方式和輸出電路1．霍爾傳感器的基本測量電路圖2-84所示是霍爾傳感器的基本電路。2．霍爾傳感器的連接方式除了霍爾傳感器的基本電路外，為了獲得較大的霍爾輸出電壓，可以采用幾片霍爾傳感器疊加的連接方式，如圖2-85所示。2025/9/10山東科技大學圖2-85(a)所示為直流供電情況。圖2-85(b)所示為交流供電情況。圖2-85霍爾傳感器輸出疊加方式2025/9/10山東科技大學3、霍爾傳感器的集成電路隨著微電子技術的發(fā)展，目前霍爾傳感器都已集成化，即把霍爾元件、放大器、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源或恒流電源等集成在一個芯片上，由于其外形與集成電路相同，故又稱霍爾集成電路?；魻柤呻娐房煞譃榫€性型和開關型兩種。（1）線性霍爾集成傳感器

線性型霍爾集成傳感器是將霍爾元件和恒流源、線性放大器等做在同一芯片上，輸出電壓較高，使用非常方便。

例如：UGN3501M是具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件，UGN3501M的外形、內部電路框圖如圖2-86所示，其輸出的特性曲線如圖2-87所示。2025/9/10山東科技大學圖2-86差動輸出線性霍爾集成電路a）外形；b）內部電路框圖圖2-87差動輸出線性霍爾集成電路輸出線性當其感受的磁場為零時，第1腳相對于第8腳的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準3501M的正面）時，輸出為正；磁場為反向時，輸出為負，因此使用起來更加方便。它的第5、6、7腳外接一只微調電位器后，就可以微調并消除不等位電壓引起的差動輸出零點漂移。2025/9/10山東科技大學（2）開關霍爾集成傳感器開關型霍爾集成傳感器是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一芯片上。當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?，當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出為高電平。常見產(chǎn)品型號有美國SPR公司的UGN（S）3019T、UGN（S）3020T、UGN（S）3030T、UGN（S）3075T，日本松下公司的DN837、DN839、DN6837、DN6839等。

例如：開關型霍爾集成電路UGN3020T，其外形與內部電路框圖如圖2-88所示。2025/9/10山東科技大學圖2-88開關型霍爾集成電路a）外形尺寸；b）內部電器框圖；c）輸出特性2025/9/10山東科技大學圖2－89CD－1型振動速度傳感器1,8－圓形彈簧片；2－圓環(huán)形阻尼器；3－永久磁鐵4－鋁架；5－芯軸；6－工作線圈；7－殼體；9－引線三、磁電式傳感器的應用（一）磁電感應式振動速度傳感器CD-1型絕對振動速度傳感器的結構如圖2-89所示，它屬于動圈式恒定磁通式傳感器。2025/9/10山東科技大學（二）磁電感應式扭矩傳感器磁電感應式扭矩傳感器屬于變磁通式傳感器。其結構如圖2-90(a)所示。轉子和線圈固定在傳感器轉軸上，定子（永久磁鐵固定在傳感器外殼上，轉子和定子上有一一對應的齒和槽。測量扭矩時，需要用兩個傳感器（見圖2-90（b））將它們的轉軸（包括線圈和轉子）分別固定在被測軸兩端，它們的外殼固定不動。2025/9/10山東科技大學（三）霍爾轉速傳感器圖2-91(a)是把一個非磁性圓盤固定在被測軸上，圓盤的邊上等距離嵌有一些永磁鐵氧體，相鄰兩鐵氧體極性相反。由導磁體和置于兩導磁體縫隙中的霍爾元件組成測量頭.圖2-91(b)為另一種轉速測量結構，是在被測轉速的軸上裝一齒輪狀的導磁體。對著齒輪固定一馬蹄形的永久磁鐵，霍爾元件黏貼在磁鐵磁極的端面上。2025/9/10山東科技大學（四）汽車霍爾電子點火器

圖2-92是汽車霍爾電子點火器中霍爾傳感器磁路示意圖。將霍爾元件3固定在汽車分電器的白金座上，在分火點上裝一個隔磁罩1，罩的豎邊根據(jù)汽車發(fā)動機的缸數(shù)，開出等間距的缺口2，當缺口對準霍爾元件時，磁通通過霍爾元件而成閉合回路，所以電路導通，如圖2-92a所示，此時霍爾電路輸出低電平≤0.4V；當罩邊凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時，電路截止，如圖2-92b所示，霍爾電路輸出高電平。2025/9/10山東科技大學（四）汽車霍爾電子點火器圖2-93所示為汽車霍爾電子點火器電路原理圖。當霍爾傳感器輸出低電平時，VT1截止，VT2，VT3導通，點火線圈的一次側有一恒定電流通過。當霍爾傳感器輸出高電平時，VT1導通，VT2，VT3截止，點火器的一次電流截斷，此時儲存在點火線圈中的能量，由二次線圈以高壓放電形式輸出，即放電點火。圖2-93汽車霍爾電子點火器電路原理圖Ⅰ—帶霍爾傳感器的分電器；Ⅱ—開關放大器；Ⅲ—點火線圈2025/9/10山東科技大學（五）交直流鉗形數(shù)字電流表

測量原理如圖2-94所示。在環(huán)形鉗口式磁集束器的空氣隙中放置一塊線性霍爾集成片。磁集束器的作用是將載流導線與磁集束器相互作用產(chǎn)生的磁場集中到霍爾片上，以提高靈敏度。作用在霍爾片的磁感應強度B為式中，為電流靈敏度，為被測電流。圖2-94交直流鉗形數(shù)字電流表原理圖

線性集成霍爾片的輸出電壓為式中，k為電流靈敏度2025/9/10山東科技大學第五節(jié)壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器。它以壓電晶體受外力作用在晶體表面上產(chǎn)生電荷的壓電效應為基礎，以壓電晶體為力—電轉換器件，把力、壓力、加速度和扭矩等被測量轉換成電信號輸出。壓電式傳感器具有靈敏度高、固有頻率高、信噪比高、結構簡單、體積小、工作可靠等優(yōu)點。其主要缺點是無靜態(tài)輸出，要求很高的輸出阻抗，需要低電容低噪聲電纜，很多壓電材料居里點較低，工作溫度在250℃以下。2025/9/10山東科技大學一、壓電效應與壓電材料1.壓電效應壓電效應分為正向壓電效應和逆向壓電效應。某些電介質，當沿著一定方向對其施加外力而使它變形時，內部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應地會在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應。當外力方向改變時，電荷的極性也隨之改變，這種將機械能轉換為電能的現(xiàn)象，稱為正壓電效應。相反，當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產(chǎn)生一定的機械變形或機械應力，這種現(xiàn)象稱為逆向壓電效應，也稱為電致伸縮效應。2.壓電材料具有壓電效應的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機－電能量的相互轉換，具有一定的可逆性。圖2－95壓電效應的可逆性2025/9/10山東科技大學

壓電材料可以分為三類：壓電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料。（1）石英晶體若從晶體上沿y方向切下一塊如圖2-96（c）所示的晶片，當沿電軸方向施加作用力Fx時，則在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為若在同一切片上，沿機械軸y方向施加作用力，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷其大小為2025/9/10山東科技大學

石英晶體的上述特性與其內部分子結構有關。圖2－97所示的是一個單元組體中構成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于軸的平面上的投影，等效為一個正六邊形排列。圖2－97石英晶體壓電模型（2）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中是雜亂分布的，各電疇的極化效應相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質，如圖2－98(a)所示。2025/9/10山東科技大學圖2－98壓電陶瓷的極化當壓電陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于z軸的表面上將會出現(xiàn)電荷，如圖2-99所示。電荷量與作用力成正比，即當沿x軸方向施加作用力時，如圖2-99(b)所示，產(chǎn)生的電荷同樣出現(xiàn)在垂直于z軸的表面上，其大小為2025/9/10山東科技大學同理，當沿y軸方向施加作用力時，在垂直于z軸的表面上產(chǎn)生的電荷量為3、高分子的壓電材料高分子的壓電材料是一種新型的材料，有聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氟乙烯（PVC）等，高分子壓電材料的最大特點是具有柔軟性，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀，經(jīng)極化處理后就出現(xiàn)壓電特性。它不易破碎，具有防水性，動態(tài)范圍寬，頻響范圍大，但工作溫度不高，機械強度也不高，容易老化，因此常用于對測量精度要求不高的場合.圖2-99壓電陶瓷的壓電效應2025/9/10山東科技大學

二、壓電式傳感器的等效電路

（一）壓電元件的等效電路由上面分析可知，當壓電式傳感器的壓電敏感元件受力后，便在壓電元件一定方向的兩個表面上分別產(chǎn)生正、負電荷。因此，可把壓電傳感器視為一個電荷源，如圖2-100(a)所示。同理當壓電元件的表面聚集不同極性的正、負電荷時，則也可將其視為一個電容器，如圖2-100(b)所示。其等效電容量為2025/9/10山東科技大學由于電容器上的電壓（開路電壓）、電荷與電容三者之間存在的關系為對式（2-87），可用兩種電路來等效壓電式傳感器。1、電荷等效電路電荷源與一個電容并聯(lián)的電路，如圖2-101（a）所示。此電路輸出為，滿足式（2-87）。2、電壓等效電路一個電壓源與一個電容串聯(lián)構成，如圖2-101（b）所示。（2-87）圖2-101壓電式傳感器的等效電路(a)電荷等效電路(b)電壓等效電路2025/9/10山東科技大學（二）壓電元件常用結構形式由于壓電晶體表面產(chǎn)生的電荷一般不夠多，所以在實際使用中常把兩片或兩片以上的壓電片組合在一起。圖2-102所示是壓電元件的串聯(lián)與并聯(lián)情況。圖2-102(a)所示為晶片按照正—負—正—負連接，正、負電荷分別分布在上、下電極。在中性面上，上、下兩片的正、負電荷相抵消，即為串聯(lián)，其關系為由于壓電材料是有極性的，因此存在并聯(lián)和串聯(lián)兩種接法。雙晶片正—負—負—正接法如圖2-102(b)所示，出現(xiàn)電荷為正—負—負—正，負電荷集中在中間電極，正電荷出現(xiàn)在兩邊電極，相當于兩壓電片并聯(lián)，總電容量、總電壓、總電荷與單片的、、的關系是2025/9/10山東科技大學（三）壓電式傳感器的實際等效電路當壓電傳感器與測量儀器組合使用構成測量系統(tǒng)時，其連接電路如圖2-103所示。按照壓電元件的兩種等效電路，壓電式傳感器的實際等效電路也有兩種，如圖2-104所示。這兩種電路完全等效。圖2-102壓電元件的串聯(lián)與并聯(lián)(a)壓電元件串聯(lián)(b)壓電元件并聯(lián)2025/9/10山東科技大學圖2-103壓電傳感器系統(tǒng)連接電路圖2-104壓電式傳感器實際等效電路(a)電荷等效(b)電壓等效2025/9/10山東科技大學三、壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用為二：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。根據(jù)壓電式傳感器的工作原理和等效電路，壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號，這時可以把傳感器看作電壓發(fā)生器；也可以是電荷信號，這時可以把傳感器看作電荷發(fā)生器。因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。2025/9/10山東科技大學（一）電壓放大器圖2-105（a）是壓電式傳感器接電壓放大器的等效電路，圖2-105(b)是簡化后的等效電路。在等效電路圖2-105(b)中，等效電阻為等效電容為圖2-105電壓放大器電路原理及其等效電路(a)電壓放大器(b)放大器輸入端等效電路2025/9/10山東科技大學如果壓電式傳感器受力為，則在壓電元件上產(chǎn)生的電荷量為壓電元件上產(chǎn)生的電壓為由此得到放大器輸入端電壓為其幅值為理想情況下放大器的輸入電壓為2025/9/10山東科技大學（二）電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。它實際上是一個具有反饋電容的高增益運算放大器。如圖2-106(a)所示是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。實際的等效電路如圖2-106(b)所示，圖2-106電荷放大器等效電路(a)壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路(b)實際等效電路2025/9/10山東科技大學電荷放大器的輸出為因為，而時，放大器的輸出電壓可以表示為由式（2-93）可以看出電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無關。因此電纜可以很長，可達數(shù)百米，甚至上千米，靈敏度卻無明顯損失，這是電荷放大器的一個突出優(yōu)點。2025/9/10山東科技大學四、壓電式傳感器的應用（一）壓電式測力傳感器圖2-107是利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力的示意圖。圖2-107壓電式刀具切削力測量示意圖2025/9/10山東科技大學（二）壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器由于體積小，質量小，頻帶寬（零點幾赫茲到數(shù)千赫），測量范圍寬（10-5～104m/s2），使用溫區(qū)寬（400～700℃），因此廣泛用于加速度、振動和沖擊測量。圖2-108壓電式加速度傳感器結構2025/9/10山東科技大學壓電式加速度傳感器的結構形式有多種，有基于壓電元件厚度變形的壓縮型、基于剪切變形的剪切型、基于彎曲變形的彎曲型和組合結構的復合型等。最常見的是壓縮型和剪切型兩種。圖2-109所示為常見的幾種結構形式。圖2-109常見的壓電式加速度傳感器的結構形式(a)外圓配合壓縮式(b)中心配合壓縮式(c)倒裝中心配合壓縮式(d)剪切式(e)彎曲式2025/9/10山東科技大學（三）周界報警系統(tǒng)周界報警系統(tǒng)又稱線控報警系統(tǒng)。它警戒的是一條邊界包圍的重要區(qū)域。在警戒區(qū)域的四周埋設屏蔽電纜，屏蔽層接大地，與電纜芯之間構成分布電容。當入侵者踩到電纜上面的柔性地面時，該電纜受到擠壓，產(chǎn)生壓電脈沖，引起警報，如圖2-110所示。圖2-110壓電式傳感器用于周界報警(a)原理框圖(b)高分子壓電電纜2025/9/10山東科技大學（四）玻璃破碎報警器BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對振動敏感的特性感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。圖2-111BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器

圖2-112壓電式玻璃破碎報警器電路框圖2025/9/10山東科技大學（五）振動的監(jiān)控、檢測和故障診斷與預測振動的監(jiān)控、檢測和故障診斷及趨勢的預示是壓電傳感器的典型應用。眾所周知，振動存在于所有具有動力設備的各種工程或裝置中，并成為這些工程設備的工作故障源以及工作情況監(jiān)測信號源。2025/9/10山東科技大學第六節(jié)熱電式傳感器

熱電式傳感器是一種將溫度變化轉換為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉換為電阻和電勢的方法最為普遍。其中最常用于測量溫度的是熱電阻和熱電偶，熱電阻是將溫度變化轉換為電阻值的變化，而熱電偶是將溫度變化轉換為電勢的變化。2025/9/10山東科技大學一、熱電偶熱電偶在溫度的測量中應用十分廣泛，它構造簡單，使用方便，測溫范圍寬，并且有較高的精確度和穩(wěn)定性。（一）工作原理1、熱電效應當兩種不同的導體A和B組成閉合回路時，若兩接點溫度不同，則在該電路中會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，如圖2-114所示。熱電偶回路產(chǎn)生的電動勢由兩部分組成：其一是兩種導體的接觸電勢；其二是單一導體的溫差電勢。2025/9/10山東科技大學（1）兩種導體的接觸電勢當兩種導體A、B接觸時，由于不同材料的電子密度不同，在接觸面上會發(fā)生電子擴散現(xiàn)象。設導體A、B的電子密度分別為NA和NB，且NA>NB。則在接觸面上由A擴散到B的電子比由B擴散到A的電子多，從而A側失去電子帶正電，B側得到電子帶負電，在接觸面處形成一個A到B的靜電場，如圖2-115所示。2025/9/10山東科技大學如圖2-116所示，單一導體中，如果兩端溫度分別為t和t0（），導體內自由電子在高溫端具有較大動能，因而向低溫端擴散。結果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到自由電子帶負電，即在導體兩端產(chǎn)生了電動勢，這個電動勢稱為單一導體的溫差電動勢。2025/9/10山東科技大學熱電偶電路中產(chǎn)生的總熱電勢為在總電動勢中，溫差電動勢比接觸電動勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的總熱電勢可表示為圖2-117熱電偶閉合回路2025/9/10山東科技大學2、基本定律（1）中間導體定律如圖2-118所示，在熱電偶電路中接入第三種導體C，只要導體C兩端溫度相等，熱電偶產(chǎn)生的總熱電動勢不變。根據(jù)這個定律，熱電偶回路中接入測量儀表、連線等不影響熱電勢的測量。2025/9/10山東科技大學（2）中間溫度定律熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc

、to時的熱電勢和的代數(shù)和，即根據(jù)這一定律，只要列出熱電勢在冷端溫度為0℃的分度表，就可以求出冷端在其他溫度時的熱電勢值。2025/9/10山東科技大學（二）標準化熱電偶熱電偶名稱分度號測溫范圍/℃特點及應用場合長期使用短期使用鉑銠10-鉑S0～13001700熱電特性穩(wěn)定，抗氧化性強，測量精度度高，熱電勢小，線性差，價格高?？勺鳛榛鶞薀犭娕迹糜诰軠y量鉑銠13-鉑R0～13001700與S型性能幾乎相同，只是熱電勢同比大15%鉑銠30-鉑銠6B0～16001800測量上限高，穩(wěn)定性好，在冷端溫度低于100℃，不用考慮溫度補償問題，熱電勢小，線性較差，價格高，使用壽命遠高于S型和R型。鎳鉻-鎳硅K-270～10001300熱電勢大，線性好，性能穩(wěn)定，廣泛用于中高溫測量鎳鉻硅-鎳硅N-270～12001300高溫穩(wěn)定性及使用壽命較K型有成倍提高，價格遠低于S型，而性能相近，在-200℃到1300℃范圍內，有全面代替廉價金屬熱電偶和部分S型電偶的趨勢銅-銅鎳（康銅）T-270～350400準確度高，價格低，廣泛用于低溫測量鎳鉻-銅鎳E-270～8701000熱電勢較大，中低溫穩(wěn)定性好，耐腐蝕，價格便宜，廣泛用于中低溫測量鐵-銅鎳J-270～7501200價格便宜，耐H2和CO2氣體腐蝕，在含碳或鐵的條件下使用也很穩(wěn)定，適用于化工生產(chǎn)過程的溫度測量2025/9/10山東科技大學（三）熱電偶冷端溫度的處理1、補償導線法在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表上，這樣參考端溫度也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短，需要用補償導線將熱電偶的冷端延伸出來，如圖2-119所示。2025/9/10山東科技大學在使用補償導線時必須注意以下幾個問題：①補償導線只能在規(guī)定的溫度范圍內（一般為0～100℃）與熱電偶的熱電特性相等或相近；②不同型號的熱電偶有不同的補償導線；③熱電偶與補償導線連接的兩個接點處要保持相同溫度；④補償導線有正負極之分，需分別與熱電偶的正負極相連；⑤補償導線的作用只是延伸熱電偶的自由端，當自由端溫度℃時，還需要進行其他補償與修正。2025/9/10山東科技大學表2-2常用熱電偶補償導線補償導線型號配用熱電偶型號補償導線絕緣層顏色正極負極正極負極SCSSPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KCKKPC（銅）KNC（康銅）紅綠KXKKPX（鎳鉻）KNX（鎳硅）紅綠EXEEPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅綠2025/9/10山東科技大學2、計算修正補償設熱電偶的測量端溫度為t，自由端溫度為℃，根據(jù)中間溫度定律有例2.1S型熱電偶在工作時自由端溫度為℃，現(xiàn)測得熱電偶的電勢為7.3mV，求被測介質實際溫度。解由題意知，熱電偶測得的電勢為，由分度表查得修正值為則，再由分度表查出與其對應的實際溫度為809℃。2025/9/10山東科技大學3、自由端恒溫法在工業(yè)應用時，一般把補償導線的末端（即熱電偶的自由端）引至電加熱的恒溫器中，使其維持在某一恒定的溫度。在實驗室及精密測量中，通常把自由端放在盛有絕緣油的試管中，然后將其放入裝滿冰水混合物的容器中，以使自由端溫度保持在0℃，這種方法稱為冰浴法。4、自動補償法（補償電橋法）補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補償信號，自動補償熱電偶測量過程中因自由端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢的變化值。如圖2-120所示，2025/9/10山東科技大學（四）熱電偶的結構形式為了適應不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件，熱電偶的結構形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。1、普通型熱電偶普通型熱電偶在工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成，其結構如圖2-122所示。2025/9/10山東科技大學2、鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體，如圖2-123所示。2025/9/10山東科技大學3、薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料，用真空蒸鍍、化學涂層等辦法蒸鍍到絕緣板上面制成的一種特殊熱電偶，如圖2-124所示。薄膜熱電偶的熱接點可以做得很?。杀〉?.01～0.1m），具有熱容量小、反應速度快等特點，熱響應時間達到微秒級，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。2025/9/10山東科技大學二、金屬熱電阻（熱電阻）熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類，一般把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導體熱電阻稱為熱敏電阻。（一）常用熱電阻溫度特性用于制造熱電阻的材料應具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率，電阻和溫度關系最好呈線性，物理化學性能穩(wěn)定，復現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。熱電阻溫度特性如圖2-125所示。2025/9/10山東科技大學1、鉑熱電阻鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。按IEC標準，鉑熱電阻的使用溫度范圍-200～850℃。在-200～0℃的溫度范圍內，在0～850℃的溫度范圍內，鉑熱電阻的特性方程為

圖2-125金屬熱電阻的溫度特性曲線2025/9/10山東科技大學2、銅熱電阻由于鉑是貴重金屬，因此，在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫，它的測溫范圍為-50～150℃。在測量范圍內，銅熱電阻的電阻值與溫度的關系幾乎是線性的，可近似地表示為2025/9/10山東科技大學（二）熱電阻傳感器的結構電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒等部分組成。如圖2-126所示。圖2-126裝配式和鎧裝式熱電阻結構示意圖(a)裝配式熱電阻(b)鎧裝式熱電阻1—金屬保護套管；2—熱電阻元件；3—絕緣材料粉末；4—引線2025/9/10山東科技大學（三）熱電阻測量電路目前常用的引線方式有兩線制、三線制和四線制三種，如圖2-127所示。圖2-127熱電阻的幾種引線方式(a)兩線制(b)三線制(c)四線制2025/9/10山東科技大學三、半導體熱敏電阻（一）熱敏電阻的原理半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鈷、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，簡稱熱敏電阻。熱敏電阻是利用半導體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件。熱敏電阻有正溫度系數(shù)（PTC）、負溫度系數(shù)（NTC）和臨界溫度系數(shù)（CTR）三種。2025/9/10山東科技大學（二）熱敏電阻的外形結構熱敏電阻的形狀多種多樣，圖2-129給出了部分常用熱敏電阻的結構外形。由于熱敏電阻使用時不放在保護管內，因此測量溫度時比熱電阻更為簡單方便。圖2-129常用熱敏電阻的外形(a)玻璃罩式(b)熱圈式(c)圓片式(d)棒狀2025/9/10山東科技大學四、集成溫度傳感器集成溫度傳感器是利用晶體管PN結的電流和電壓特性與溫度的關系，把感溫元件（PN結）與有關的電子線路集成在很小的硅片上封裝而成。具有體積小、線性好、反應靈敏、價格低、抗干擾能力強等優(yōu)點，所以應用十分廣泛。（一）集成溫度傳感器的基本工作原理圖2-130所示為集成溫度傳感器原理示意圖。其中VT1、VT2為差分對管，恒流源提供的I1、I2分別為VT1、VT2的集電極電流，則為2025/9/10山東科技大學（二）電壓輸出型集成溫度傳感器圖2-141所示的電路為電壓輸出型溫度傳感器。VT1、VT2為差分對管，調節(jié)電阻R1，可使I1=I2，當對管VT1、VT2的值大于等于1時，電路輸出電壓為圖2-130集成溫度傳感器原理示意圖

圖2-131電壓輸出型集成溫度傳感器電路2025/9/10山東科技大學由此可得（三）電流輸出型集成溫度傳感器電流輸出型集成溫度傳感器原理電路如圖2-132所示。對管VT1、VT2作為恒流源負載，VT3、VT4作為感溫元件，VT3、VT4發(fā)射極面積之比為，此時電源總電流IT為2025/9/10山東科技大學五、熱電式傳感器應用舉例（一）熱電偶溫度測量電路圖2-133所示為采用AD594C的熱電偶溫度測量電路。2025/9/10山東科技大學（二）用集成溫度傳感器冷端補償?shù)臒犭娕紲y溫電路圖2-134為表面貼裝裝置中采用熱電偶測溫電路的實例。2025/9/10山東科技大學（三）熱電阻測溫圖2-135所示為采用EL-700（100Ω）鉑電阻的測溫電路，測溫范圍為20～120℃，相應的輸出為0～2V，輸出電壓可直接輸入單片機作顯示及控制信號（若單片機無A/D轉換器，則需經(jīng)5G14433后再輸入）。2025/9/10山東科技大學（四）熱敏電阻作為控制開關的應用在溫度控制中熱敏電阻常與繼電器或與相應的信號保護裝置的電磁線圈相連。圖2-136汽車空調用溫控器電路2025/9/10山東科技大學第七節(jié)常用流量計一、節(jié)流式流量計節(jié)流式流量計的特點是：結構簡單，使用壽命長，適應性較廣，能夠測量各種工況下的單相流體和高溫、高壓下的流體流量；發(fā)展早，應用歷史長，有豐富、可靠的實驗數(shù)據(jù)，標準節(jié)流裝置的設計加工已標準化，無需標定就可在已知不確定度范圍內進行流量測量。但安裝要求嚴格；測量范圍窄，一般量程為3：1；壓力損失較大，精度不夠高（±1%～±2%）。2025/9/10山東科技大學（一）測量原理及流量方程1、節(jié)流裝置工作原理節(jié)流裝置用于測量流量，其工作原理為：在管道內部裝有截面變化的孔板或噴嘴等節(jié)流件，當流體流經(jīng)節(jié)流件時由于流束收縮，則在節(jié)流件的前后產(chǎn)生靜壓力差，利用壓差與流速的關系可進一步測出流量。圖2-137節(jié)流式流量計組成1-節(jié)流元件；2-引壓管路；3-三閥組；4-差壓計2025/9/10山東科技大學以孔板為例，觀察在管道中流動的流體經(jīng)過節(jié)流件時流體的靜壓力和流速的變化情況。流體流經(jīng)噴嘴和文丘里管的情況與孔板相似，它們的開孔面積和流束的最小收縮截面基本一致。圖2-138流體流經(jīng)節(jié)流件時壓力和流速變化情況2025/9/10山東科技大學2、流量方程假定在水平管道內流動的是不可壓縮的、無黏性的理想流體，依據(jù)流體力學中的伯努利方程（2-117）和連續(xù)性方程（2-118），可以推導出理想流體的流量基本方式程，即可求得流經(jīng)節(jié)流件的流速為（2-117）（2-118）2025/9/10山東科技大學根據(jù)體積流量的定義，可寫出體積流量的理論方程式為質量流量方式為3、實際流量公式引入流出系數(shù)C，定義為實際流量與理論流量之比。并以實際采用的某種取壓方式所得到的壓差Δp來代替（）的值，令直徑比，對式（2-120）和式（2-121）進行修正，得2025/9/10山東科技大學式中：稱為流量系數(shù)，是通過實驗方法確定的。2025/9/10山東科技大學對于可壓縮流體，考慮到節(jié)流過程中流體密度的變化而引入流束膨脹系數(shù)ε進行修正，采用節(jié)流件前的流體密度，由此流量公式可表示為（二）標準節(jié)流裝置1、標準節(jié)流件常用的標準節(jié)流元件有標準孔板、噴嘴和文丘里管。（1）標準孔板2025/9/10山東科技大學標準孔板的形狀如圖2-139所示，是一塊具有與管道同心圓形開孔的圓板，迎流一側是有銳利直角入口邊緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴散和錐形。標準孔板的主要特點是結構簡單、加工方便、價格便宜。壓力損失較大，測量精度較低，只適用于潔凈流體介質，測量大管徑高溫高壓介質時，孔板易變形。2025/9/10山東科技大學（2）標準噴嘴標準噴嘴是一種以管道軸線為中心線的旋轉對稱體，主要由入口圓弧收縮部分與出口圓筒形喉部組成，有ISA1932噴嘴和長徑噴嘴兩種形式。圖2-140ISA1932噴嘴2025/9/10山東科技大學（3）文丘里管文丘里管是由收縮段、圓筒形喉部與圓錐形擴散管3部分組成。按收縮段的形狀不同，又分為古典文丘里管和文丘里噴嘴。20