傳感器技術及應用（第2版）第1章緒論《傳感器技術及其應用》課程目標掌握傳感器的結構、工作原理、工作特性及其應用；掌握信號處理電路的工作原理及接口技術；初步掌握傳感器系統(tǒng)的應用、開發(fā)的綜合技術，能夠根據(jù)工程需要選擇合適的傳感器構成各種控制與檢測電路；通過文獻查詢、文獻總結和課程報告等形式，了解傳感器與檢測技術的發(fā)展趨勢及前沿。2課程性質：專業(yè)課總學時：理論**學時+實驗**學時傳感器簡述1.2傳感器技術的作用與地位1.11.2無人裝備中的傳感器簡介1.31.4第1章緒論3本章小結1.1傳感器技術的作用與地位4國家標準《傳感器通用術語》中：能感受（或響應）規(guī)定的某種被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用信號輸出的器件或裝置。狹義地定義為：“能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件或裝置”或“能把非電量轉換成電量的器件或裝置”。5傳感器的定義傳感器是一種測量裝置，可用于對指定被測非電量進行檢測；它能感受某種被測量（傳感器的輸入）并將其按一定規(guī)律轉換成便于處理、存儲、應用的另一參量（傳感器的輸出）；傳感器的輸出量與輸入量之間具有對應關系，一般要求滿足一定的技術指標，如量程、精確度、靈敏度、線性度等。6傳感器的定義包含以下幾個方面的含義：傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成：

7傳感器的組成：敏感元件：傳感器中直接感受被測量的部分，轉換器件通常是指將敏感元件的輸出轉換為便于處理、存儲、應用的參量的部分。轉換元件：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉換成參量。傳感器的命名8主題詞——傳感器。第一級修飾語——被測量，包括修飾被測量的定語。第二級修飾語——轉換原理，一般可后續(xù)以“式”字。第三級修飾語——特征描述，指必須強調的傳感器結構、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。第四級修飾語——主要技術指標（量程、精確度、靈敏度等）?！纠?-1-1】傳感器，絕對壓力，應變式，放大型，1~3000kPa。【例1-1-2】傳感器，溫度，熱電阻式，Pt100，－100~600℃。傳感器的作用與地位9“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術”的觀點已為全世界所公認。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有利工具。[Mendelyeev,DmitryIvanovich]

科學僅僅是在人們懂得了測量才開始的－門捷列夫人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經(jīng)過大腦的思維（信息處理），作出相應的動作。而用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，則可以說電子計算機相當于人的大腦（一般俗稱電腦），而傳感器則相當于人的五官部分（“電五官”）。10傳感器的作用與地位機器系統(tǒng)與人體結構的對應關系圖11五官和皮膚外部世界大腦肌體傳感器控制器執(zhí)行器傳感器的作用與地位12傳感器的作用與地位現(xiàn)代信息技術的三大支柱：傳感器技術、通信技術、計算機技術如果沒有高度保真和性能可靠的傳感器，沒有先進的傳感器技術，信息的準確獲得與精密檢測就成了一句空話，通信技術和計算機技術也就成了無源之水，無本之木，現(xiàn)代測量與自動化技術隨之變成水中之月、鏡中之花。現(xiàn)階段，從宇宙探索、海洋開發(fā)，到國防建設、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；從環(huán)境保護、災情預報，到包括生命科學在內的每一項現(xiàn)代科學研究；從生產(chǎn)過程的檢測與控制，到人民群眾的日常生活等等，幾乎都離不開傳感器。傳感器技術已成為科學技術和國民經(jīng)濟發(fā)展水平的標志之一。1.2傳感器簡述13傳感器的分類14分類方法傳感器的種類說明按傳感器輸入?yún)⒘糠治灰苽鞲衅?、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、物位傳感器等以傳感器被測參量命名按傳感器工作原理分電阻式、電容式、電感式、壓電式、超聲波式、霍爾式等以敏感器的信號轉換方式命名按物理現(xiàn)象分結構型傳感器依賴結構參數(shù)的變化實現(xiàn)信息轉換物性型傳感器依賴敏感元件物理特性的變化實現(xiàn)信息轉換按輸出信號分模擬式傳感器輸出為模擬量數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量按能量關系分能量轉換型傳感器直接將被測對象的能量轉換為輸出能量能量控制型傳感器由外部供給傳感器能量，由被測量大小比例控制傳感器的輸出能量傳感器的應用領域15傳感器技術已廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境保護、醫(yī)療診斷、軍事國防、航空航天、自動化生產(chǎn)、現(xiàn)代辦公設備、智能樓宇和家用電器等領域。傳感器在工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)中的應用在汽車中的應用傳感器在機器人中的應用傳感器在航空航天中的應用傳感器在遙感技術中的應用傳感器在家用電器中的應用傳感器在醫(yī)學中的應用傳感器在環(huán)境保護中的應用傳感器在軍事方面的應用傳感器技術的發(fā)展趨勢16傳感器技術涉及多個學科領域，它是利用物理定律和物質的物理、化學和生物特性，將非電參量轉換為電參量。所以努力探索新現(xiàn)象、新理論，采用新技術、新工藝、新材料以研發(fā)新型傳感器，或提高現(xiàn)有傳感器的轉換效能、轉換范圍或某些技術性能指標和經(jīng)濟指標，將是傳感器總的發(fā)展方向。傳感器技術大致可分三代：結構型傳感器固體型傳感器智能型傳感器1.3無人裝備中的傳感器簡介1718

1.機器人系統(tǒng)

2.無人駕駛汽車

3.無人機系統(tǒng)無人裝備中的傳感器傳感器檢測參數(shù)檢測器件應用位置位置角度電位器、直線感應同步器角度式電位器、旋轉變壓器、光電編碼器位置移動檢測角度變化檢測速度速度角速度測速發(fā)電機、轉速表增量式碼盤、測速發(fā)電機、轉速表速度檢測角速度檢測加速度加速度應變片加速度傳感器、壓電式加速度傳感器、伺服加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器加速度檢測視覺平面位置距離形狀缺陷攝像機、位置傳感器測距儀線圖像傳感器畫圖像傳感器位置決定、控制移動控制物體識別、判別檢查，異常檢測觸覺接觸把握力荷重分布壓力多元力力矩滑動限制開關應變計、半導體感壓元件彈簧變位測量器導電橡膠、感壓高分子材料應變計、半導體感壓元件壓阻元件、馬達電流計光學旋轉檢測器、光纖動作順序控制把握力控制張力控制、指壓控制姿勢、形狀判別裝配力控制協(xié)調控制滑動判定、力控制力覺受力應變片力覺傳感器、壓電式力覺傳感器、差動變壓器傳感器、電容式力覺傳感器感知受力距離與接近覺接近間隔傾斜光電開關、LED、紅外、激光光電晶體管、光電二極管電磁線圈、超聲波傳感器動作順序控制障礙物躲避軌跡移動控制、探索聽覺聲音超聲波麥克風超聲波傳感器語言控制（人機接口）導航嗅覺氣體成分氣體傳感器、射線傳感器化學成分探測味覺味道離子敏感器、PH計機器人用內、外部傳感器分類表1-2內部傳感器外部傳感器19

1.機器人系統(tǒng)

2.無人駕駛汽車

3.無人機系統(tǒng)無人裝備中的傳感器圖1-5無人駕駛系統(tǒng)常見傳感器及其位置圖無人駕駛汽車首先需要對自身參數(shù)進行測量與控制，主要包括轉速傳感器、加速度傳感器、溫/濕度傳感器等。汽車自動/輔助駕駛系統(tǒng)所用到傳感器主要包括微波/毫米波雷達、可見光攝像頭、激光雷達、紅外傳感器、超聲波傳感器等。20

1.機器人系統(tǒng)

2.無人駕駛汽車

3.無人機系統(tǒng)無人裝備中的傳感器加速度傳感器磁傳感器傾角傳感器電流傳感器慣性測量單元發(fā)動機進氣口流量傳感器

圖1-6四旋翼無人機系統(tǒng)常用傳感器示意圖無人機已經(jīng)廣泛應用于氣象監(jiān)測、國土資源執(zhí)法、環(huán)境保護、遙感航拍、抗震救災、快遞運送等領域。為了能更好的控制無人機的飛行，各種傳感器的運用則起到了十分重要的作用。因此，有人將無人機稱為一架會飛行的“傳感器”。1.4本章小結2122本章介紹了傳感器技術的作用與地位、分類與應用領域、未來的發(fā)展趨勢，以及幾種常見無人裝備（機器人、無人駕駛汽車、無人機等）中的傳感器技術。傳感器技術及應用（第2版）第2章傳感器的特性及標定動態(tài)特性及性能指標1.2靜態(tài)特性及性能指標2.12.2測量誤差分析2.32.4第2章傳感器的特性及標定24傳感器的標定2.5本章小結本章內容引出25傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式：一種是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)或準靜態(tài)）的形式，這種形式的信號不隨時間變化（或變化很緩慢），這時的測量稱為靜態(tài)測量；另一種是動態(tài)（周期變化或瞬態(tài)）的形式，這種形式的信號是隨時間而變化的，這時的測量稱為動態(tài)測量。靜態(tài)測量和動態(tài)測量過程中，傳感器所表現(xiàn)出來的輸入-輸出之間的關系，分別稱為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。一個高精度的傳感器，必須同時具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，這樣它才能完成對輸入信號（或能量）無失真的轉換。2.1靜態(tài)特性及性能指標26在靜態(tài)測量中，檢測系統(tǒng)的輸入—輸出特性。也就是當輸入信號x不隨時間變化或隨時間變化很緩慢時檢測系統(tǒng)的特性。一般用多項式方程來表示：27靜態(tài)特性及其性能指標式中：x——輸入量；y——輸出量；a0——輸入量x=0時的輸出量，即零位值；a1——傳感器的線性靈敏度；a2，a3，…an——非線性系數(shù)。

28測量范圍：檢測系統(tǒng)能正常測量的最小輸入量xmin和最大輸入量xmax之間的范圍，即(xmin，

xmax)量程：檢測系統(tǒng)測量上限和測量下限的代數(shù)差，即

例如0~6MPa的壓力檢測系統(tǒng)，其量程為6MPa，－70~100℃的溫度檢測系統(tǒng)，其量程為170℃。靜態(tài)特性及其性能指標1.測量范圍和量程5.分辨力2.靈敏度6.穩(wěn)定性3.線性度7.精度4.遲滯

29靈敏度：傳感器（檢測系統(tǒng)）在靜態(tài)測量時，輸出量的增量與輸入量的增量之比的極限值，即

對于線性傳感器，靈敏度S為常數(shù)，與輸入量大小無關，直線的斜率越大，其靈敏度越高。對于非線性傳感器，靈敏度隨輸入量而變化，通常用擬合直線的斜率表示。檢測系統(tǒng)由靈敏度分別為S1、S2、S3、…、Sn的n個相互獨立的環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，該檢測系統(tǒng)的總靈敏度為各組成環(huán)節(jié)靈敏度的乘積，即靜態(tài)特性及其性能指標1.測量范圍和量程5.分辨力2.靈敏度6.穩(wěn)定性3.線性度7.精度4.遲滯

30線性度：實際的傳感器測出的輸出—輸入特性曲線與其擬合直線不吻合的程度（之間的偏差）稱為傳感器的線性度（或非線性誤差），通常用相對誤差來表示，即特性曲線與擬合直線之間的最大偏差

與傳感器滿量程輸出

的百分比。該值越小，表明線性特性越好。但由于線性度是以選定的擬合直線為基準來確定的，因此即使對同一個傳感器，擬合直線不同，其線性度也不同。靜態(tài)特性及其性能指標1.測量范圍和量程5.分辨力2.靈敏度6.穩(wěn)定性3.線性度7.精度4.遲滯

31端基線性度：連接實測特性曲線的兩個端點得到端基直線，以端基直線作為基準來確定線性度。端基直線為：式中，k為端基直線的斜率

b為端基直線的截距將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后就可以求出偏差的最大值ΔLmax，進而得到線性度。靜態(tài)特性及其性能指標1.測量范圍和量程5.分辨力2.靈敏度6.穩(wěn)定性3.線性度7.精度4.遲滯

(x1,y1)端基直線端基直線0xy(xm,ym)32最小二乘線性度：以最小二乘直線作為基準來確定的線性度。設擬合直線為：若實際校準測試點有n個，則第i個校準數(shù)據(jù)與擬合直線上響應值之間的差為

靜態(tài)特性及其性能指標1.測量范圍和量程5.分辨力2.靈敏度6.穩(wěn)定性3.線性度7.精度4.遲滯

0yyixy=kx+bxi最小二乘擬合直線最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值。由解得：33遲滯（回程誤差）：傳感器在輸入量增大（正行程）和輸入量減?。ǚ葱谐蹋┑倪^程中，其輸出-輸入曲線不重合的現(xiàn)象。例：一個電子秤稱重加砝碼10g---50g---100g---200g

電橋輸出0.5mv---2mv---4mv---10mv

減砝碼輸出1mv---5mv---8mv---10mv產(chǎn)生遲滯的主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質和機械零部件的缺陷，如彈性敏感元件的彈性滯后、運動部件摩擦、傳動機構的間隙、緊固件松動等。靜態(tài)特性及其性能指標1.測量范圍和量程5.分辨力2.靈敏度6.穩(wěn)定性3.線性度7.精度4.遲滯

0xy遲滯特性34遲滯大小通常用實驗方法來確定，計算公式為：式中，

為正反行程輸出值間的最大差值。靜態(tài)特性及其性能指標1.測量范圍和量程5.分辨力2.靈敏度6.穩(wěn)定性3.線性度7.精度4.遲滯

0xy遲滯特性35分辨力：能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量

分辨率：全量程中的

與滿量程L之比的百分數(shù)分辨力和分辨率都是用來表示儀表或裝置能夠檢測被測量的最小量值的性能指標。靜態(tài)特性及其性能指標1.測量范圍和量程5.分辨力2.靈敏度6.穩(wěn)定性3.線性度7.精度4.遲滯

36穩(wěn)定性：檢測系統(tǒng)在一定工作條件下，其性能保持不變的能力。它表示的是保持輸入信號不變時，輸出信號隨時間或溫度的變化而出現(xiàn)緩慢變化的程度。穩(wěn)定性表征傳感器在一較長時間內保持性能參數(shù)的能力。時漂：在輸入信號不變時，檢測系統(tǒng)的輸出隨時間變化的現(xiàn)象。溫漂：在輸入信號不變時，檢測系統(tǒng)的輸出隨環(huán)境溫度變化的現(xiàn)象。幾乎所有的傳感器都存在時漂和溫漂。如由于濕度傳感器必須和大氣中的水汽相接觸，所以不能密封，這就決定了它的穩(wěn)定性和壽命是有限的。一般情況下，生產(chǎn)廠商會標明1次標定的有效使用時間為1年或2年，到期負責重新標定。靜態(tài)特性及其性能指標1.測量范圍和量程5.分辨力2.靈敏度6.穩(wěn)定性3.線性度7.精度4.遲滯

37精度：在靜態(tài)測量中，由于任何傳感器系統(tǒng)和測量結果都含有一定的誤差，所以人們往往用測量誤差來說明精度（見第2.2節(jié)）。靜態(tài)特性及其性能指標1.測量范圍和量程5.分辨力2.靈敏度6.穩(wěn)定性3.線性度7.精度4.遲滯

2.2動態(tài)特性及性能指標38392.3測量誤差分析4041測量誤差的基本概念真值：在一定條件下，被測量所具有的客觀大小測量值：檢測儀表指示或顯示被測量的數(shù)值測量誤差：測量值與被測量真值之間的差值。提高精度、減小測量誤差是以消耗人力、財力和降低測量可靠性為代價的。一般情況下，在科學研究及科學實驗中，精度是首要的；在工程實際中，穩(wěn)定性是首要的，精度只要滿足工藝指標范圍即可。測量誤差的表示方法42絕對誤差：測量值與真值之差一般情況下，理論真值是未知的，在工程上，通常用高一級標準儀器的測量值來代替真值。其中，x——檢測儀表指示或顯示被測參量的數(shù)值即儀表讀數(shù)或示值（測量值）A0——在一定時間、空間條件下客觀存在的被測量的真實數(shù)值（真值）x0——高一級標準儀器示值（相對真值）1.絕對誤差2.相對誤差3.引用誤差測量誤差的表示方法43對于不同大小的被測量，需要用相對誤差來說明測量精度的高低。實際相對誤差：絕對誤差

與被測量的真值A0的百分比值，記為示值相對誤差：絕對誤差

與儀器的示值x的百分比值，記為為了減小測量中的示值誤差，當選擇儀表量程時，應使被測量的數(shù)值接近滿度值。1.絕對誤差2.相對誤差3.引用誤差測量誤差的表示方法44引用誤差：絕對誤差與儀表量程L的百分比值，常以百分數(shù)表示儀表量程內出現(xiàn)的最大絕對誤差

與儀表量程L之比稱為最大引用誤差，即儀表的精度等級就是用儀表的最大引用誤差qmax來表示的，并以qmax的大小來劃分儀表的精度等級G，其定義為

1.絕對誤差2.相對誤差3.引用誤差（2-2-7）測量誤差的表示方法45確定儀表的精度等級時，取滿足式

成立的最小的G即為該儀表的精度等級。目前我國生產(chǎn)的測量指示儀表的精度等級G分為0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5.0九級。精度為G的電測量儀表在使用中的最大絕對誤差為：1.絕對誤差2.相對誤差3.引用誤差測量誤差的分類46在相同測量條件下（指測量環(huán)境、測量人員、測量技術和測量儀器都相同），多次測量同一被測量時，測量誤差的大小和正負符號以不可預知的方式變化，這種誤差稱為隨機誤差，也叫偶然誤差?！锻ㄓ糜嬃啃g語及定義》中，隨機誤差的定義為：隨機誤差

是測量結果

與在重復條件下對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值

之差，即隨機誤差表明了測量結果的分散性，經(jīng)常用來表征測量精密度（多次重復測量結果彼此之間相似的程度）的高低。一次測量的隨機誤差越大，則其精密度越低，測量結果越分散。1.隨機誤差2.系統(tǒng)誤差3.粗大誤差測量誤差的分類47隨機誤差是由測量過程中許多獨立的、微小的偶然因素所引起的綜合結果，如無規(guī)則的溫度變化，氣壓的起伏，電磁場的干擾，電源電壓的波動等，引起測量值的變化。這些因素不可控制又無法預測和消除。隨機誤差具有隨機變量的一切特點，就單次測量來說，其取值是不可知的，但多次重復測量時，其總體服從統(tǒng)計規(guī)律。隨機誤差的統(tǒng)計規(guī)律性主要表現(xiàn)在對稱性有界性單峰性1.隨機誤差2.系統(tǒng)誤差3.粗大誤差測量誤差的分類48在相同測量條件下，多次重復測量同一被測量時，結果總是向一個方向偏離，其數(shù)值一定或按一定規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差?！锻ㄓ糜嬃啃g語及定義》中，系統(tǒng)誤差的定義為：在相同測量條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值

與被測量的真值

之差，即系統(tǒng)誤差表明了測量結果偏離真值或實際值的程度，經(jīng)常用來表征測量準確度的高低。一次測量的系統(tǒng)誤差越小，則其準確度越高。1.隨機誤差2.系統(tǒng)誤差3.粗大誤差測量誤差的分類49系統(tǒng)誤差是由固有原因造成的，具有一定的規(guī)律性，理論上可以通過一定手段修正或消除，從而得到更加準確的測量結果。系統(tǒng)誤差的來源有：儀器誤差它是由于儀器本身的缺陷或沒有按規(guī)定條件使用儀器而造成的誤差。如螺旋測徑器的零點不準，天平不等臂等。理論誤差它是由于測量所依據(jù)的理論公式本身的近似性，或實驗條件不能達到理論公式所規(guī)定的要求，或測量方法不當?shù)人鸬恼`差。如實驗中忽略了摩擦、散熱、電表的內阻等。個人誤差它是由于觀測者本人生理或心理特點造成的誤差。如有人用秒表測時間時，總是使之過快。環(huán)境誤差是外界環(huán)境性質（如光照、溫度、濕度、電磁場等）的影響而差生的誤差。如環(huán)境溫度升高或降低，使測量值按一定規(guī)律變化。1.隨機誤差2.系統(tǒng)誤差3.粗大誤差測量誤差的分類50精確度是測量結果中系統(tǒng)誤差（表征準確度）與隨機誤差（表征精密度）的綜合，即精密準確的程度。它表示測量結果與真值的一致程度。精確度高說明準確度和精密度都高，意味著系統(tǒng)誤差和隨機誤差都小。1.隨機誤差2.系統(tǒng)誤差3.粗大誤差（a）（b）（c）圖2-2-1系統(tǒng)誤差、隨機誤差及其綜合表示測量誤差的分類51在相同的條件下，多次重復測量同一被測量時，明顯地歪曲了測量結果的誤差，稱粗大誤差，簡稱粗差，又稱過失誤差。產(chǎn)生原因主要是由于粗心大意或各種干擾引起。如實驗方法不合理，用錯儀器，操作不當，讀錯數(shù)值或記錯數(shù)據(jù)，測量條件意外地改變等。含有粗大誤差的測量值稱為壞值，所有的壞值都應去除。1.隨機誤差2.系統(tǒng)誤差3.粗大誤差2.4傳感器的標定52傳感器的靜態(tài)標定53以一定等級的儀器設備為依據(jù)，對傳感器的特性進行試驗檢測，來建立傳感器輸入量和輸出量之間的關系，這個過程稱為傳感器的標定。傳感器的靜態(tài)標定主要是檢驗、測試傳感器的靜態(tài)特性指標。靜態(tài)標準條件標定儀器設備精度等級的確定靜態(tài)特性標定的方法2.5本章小結5455本章介紹了傳感器的靜態(tài)特性及其性能指標、性能指標、測量誤差的分類，以及傳感器的靜態(tài)標定。傳感器技術及應用（第2版）第3章電阻式傳感器測量電路1.2電阻應變計結構及工作原理3.13.2電阻式傳感器在無人裝備中的應用3.33.4第3章電阻式傳感器57本章小結本章內容引出58電阻式傳感器是一種應用較早的電參數(shù)傳感器，它的種類繁多，結構簡單、線性和穩(wěn)定性較好，與相應的測量電路可組成測力、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等檢測系統(tǒng)，已成為生產(chǎn)過程檢測和智能自動化中不可缺少的檢測工具之一。3.1電阻應變計結構及工作原理5960應變式傳感器工作的物理基礎——電阻應變效應：

金屬導體（或半導體）的電阻值隨變形（伸長或縮短）而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。由金屬或半導體制成的片狀的應變-電阻轉換元件稱為電阻應變計。是應變式傳感器的核心元件電阻應變計結構圖3-2電阻應變計結構簡圖1-敏感柵；2-基片；3-保護片；4-低阻鍍錫銅絲電阻應變效應61設有一根圓截面的金屬絲（如圖3-1-2所示），其原始電阻值為當金屬絲受軸向力F作用被拉伸時，設金屬絲長度伸長dL，截面積減小dA

，電阻率變化為dρ，引起電阻R變化為dR。對上式進行全微分，整理可得：圖3-3圓截面金屬絲軸向線應變其中，單位：“微應變”，徑向線應變軸向線應變泊松比面應變符號相反62綜上可得，電阻應變效應63可知，電阻值相對變化量是由兩方面的因素決定的。一方面是由金屬絲的幾何尺寸的改變而引起，即

項；另一方面是材料受力后，材料的電阻率變化而引起的，即

項。對于特定的材料，

是一個常數(shù)，因此式（3-1-10）所表達的電阻絲電阻變化率與應變呈線性關系。令

，則有K0為單根金屬絲的靈敏度系數(shù)（3-1-10）

電阻應變效應64金屬：金屬材料的應變電阻效應以結構尺寸變化為主半導體：半導體材料的應變電阻效應主要基于壓阻效應半導體靈敏度要比金屬大得多（約為30~50倍）電阻率變化幾何尺寸變化幾何尺寸變化壓阻效應3.2測量電路65引出66

變化

電阻應變計電橋電路機械應變U(I)變化放大、顯示應變片可以將應變的變化轉換為電阻值的變化，這個變化量通常采用電橋作為測量電路來測量。雙臂應變電橋單臂應變電橋全臂應變電橋直流電橋：R交流電橋:R、L、C不平衡橋式：偏差測量法（動態(tài)）平衡橋式：零位測量法（靜態(tài)）半等臂電橋全等臂電橋工作方式橋臂關系電源工作臂電源端對稱輸出端對稱67應變電橋橋路輸出電壓：顯然，當

時，橋路輸出電壓為零，電橋平衡。68直流電橋平衡條件圖3-4直流電橋電路直流電橋輸出特性（單臂）69如電橋中R1為應變片，它隨被測參數(shù)

變化而變化，R2

、R3與R4

為固定電阻

當被測參數(shù)的變化引起電阻變化ΔR1時，

則橋路平衡被破壞，電橋輸出不平衡電壓。圖3-4直流電橋電路直流電橋輸出特性（單臂）70設橋臂比

，且假設

，則有定義為單臂工作應變片電橋輸出電壓靈敏度。其物理意義是：單位電阻相對變化量引起電橋輸出的電壓大小。則，值的大小由電橋電源電壓

和橋臂比n決定。

直流電橋輸出特性（單臂）71電橋電源電壓越高，輸出電壓的靈敏度越高。但提高電源電壓會使應變片和橋臂電阻的功耗增加，溫度誤差變大。一般電源電壓取3V~6V為宜。當時，最大，此時結論：當電橋電源電壓

恒定時，電阻相對變化

一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度是定值，與各橋臂電阻阻值無關。電橋輸出電壓靈敏度電橋輸出電壓直流電橋輸出特性（全橋）72若在測量試件彎曲應變時，相鄰兩臂的應變片受力大小相等、方向相反，則構成

差動全橋，這樣既能提高電橋輸出電壓，又能減小溫度變化的影響和非線性誤差。差動全橋輸出電壓為：注：差動半橋輸出電壓請自行推導，并比較單臂、半橋和全橋輸出電壓靈敏度之間的關系

圖3-5全橋差動電橋3.3電阻式傳感器在無人裝備中的應用7374典型的位置傳感器是電位計，工作臺下面有同電阻接觸的觸頭，當工作臺左右移動時接觸左右移動時接觸觸頭也隨之左右移動，從而移動了與電阻接觸的位置，通過檢測輸出電壓變化確定以電阻中心為基準位置的移動距離。由圖可知，觸頭左右的電壓比等于電阻長度之比電阻式位置傳感器

應變式加速度傳感器75應變片加速度傳感器是一個由板簧支撐重錘所構成的振動系統(tǒng)，板簧上下兩面分別貼兩個應變片。應變片受振動產(chǎn)生應變，其電阻值的變化通過電橋電路的輸出電壓被檢測出來。應變式力覺傳感器76筒式力覺傳感器的彈性元件一端盲孔，另一端通過法蘭與被測系統(tǒng)連接。在薄壁筒上貼有兩片應變計，作為工作片；實心部分貼有兩片應變計，作為溫度補償片。當圓筒部分沒有壓力作用時，四個應變片組成的全橋是平衡的；有壓力作用時，圓筒形變，電橋失去平衡。通過輸出電壓的變化測量壓力。圖3-8筒式力覺傳感器的彈性元件圖3-9撓性十字梁式腕力傳感器用鋁材切成十字框架，各懸梁外端插入圓形手腕框架的內側孔中，應變片貼在十字梁上，每根梁的上下左右側面各貼一個應變片，共貼有16個應變片。相對面上的兩個應變片可構成一組半橋，通過測量一個半橋的輸出，即可檢測一個參數(shù)。整個手腕通過應變片可檢測出8個參數(shù)

，利用這些參數(shù)可計算出手腕頂部x、y、z方向的力。3.4本章小結7778本章介紹了電阻式傳感器的工作原理、測量電路以及各種應用傳感器。電阻應變效應是電阻傳感器的基礎，是測量電路的理論出發(fā)點。在此基礎上介紹了無人裝備中測量位置、加速度和壓力的傳感器應用。傳感器技術及應用（第2版）第4章電容式傳感器電容式傳感器的測量電路1.2電容式傳感器的工作原理4.14.2電容式傳感器在無人裝備中的應用4.34.4第4章電容式傳感器80本章小結本章內容引出81電容式傳感器是能把某些非電量的變化通過一個可變電容器轉換成電容量變化的裝置。電容測量技術不但廣泛用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，還應用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。電容式傳感器結構簡單、體積小、分辨率高、本身發(fā)熱小，十分適合于非接觸測量。4.1電容式傳感器的工作原理82由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，當忽略邊緣效應影響時，其電容量C與真空介電常數(shù)ε0(8.854×10－12F/m)、極板間介質的相對介電常數(shù)εr、極板的有效面積A以及兩極板間的距離d

有關：

(4-1)若被測量的變化使式中d、A、ε三個參量中任意一個發(fā)生變化時，都會引起電容量的變化，再通過測量電路就可轉換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。83電容式傳感器的工作原理變面積型電容式傳感器84a圖中，當動片有一角位移

時，兩極板覆蓋面積S就改變，因而改變了兩極板間的電容量。此時電容量為：圖4-2變面積型電容傳感器b圖中，當其中一極板移動距離x時，則面積

S發(fā)生變化，電容量C也改變。此時電容量為：初始電容量為：變介電常數(shù)型電容傳感器85在被測介質中放入兩個同心圓柱極板1和極板2。若容器內液體的介電常數(shù)為ε1，容器介質上面氣體的介電常數(shù)為ε2，當容器內液面變化時，兩極板間電容量C就會發(fā)生變化，總的電容量為令則圖4-3液面計原理圖傳感器電容量C與液位h1成線性關系圓筒形電容，電容量為：變極距型電容式傳感器86極板1固定，當極板2向上移動

時，有式中，為極板間距離的變化率；按泰勒級數(shù)展開可得靈敏度為：可知，變極距型電容傳感器是非線性的，靈敏度不是常數(shù)，而取決于極板間距離變化率和極板間的初始距離。圖4-4變極距型電容傳感器初始電容量為：變極距型電容式傳感器87變極距型電容式傳感器靈敏度當<<1時可近似為：因此，可以通過增加極板面積和降低初始極板間距離d的方式來提高靈敏度，但d的值受到電介質擊穿的最小間隔限制，即d不能太小，否則會發(fā)生擊穿的現(xiàn)象，從而損壞器件。極板間采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質使用，極板間初始距離可大大減少。圖4-4變極距型電容傳感器初始電容量為：4.2測量電路88電容式傳感器等效電路89上節(jié)對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應影響時，其等效電路如圖4-2-1所示。

代表并聯(lián)損耗，包括泄漏電阻和介質損耗；

代表串聯(lián)損耗，包括引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗；電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。當處于工作頻率時，、可忽略，傳感器的等效電容可求得：由上式可知，電容的實際變化量與傳感器的固有電感和角頻率有關。實際使用中必須根據(jù)使用環(huán)境重新標定輸入輸出關系。圖4-5電容式傳感器等效電路圖電容式傳感器測量電路90把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的震蕩頻率就會發(fā)生變化。通過鑒頻器，將頻率的變化轉換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。1.調頻測量電路2.變壓器電橋3.運算放大器式電路

4.脈寬調制電路圖4-7調頻測量電路原理框圖電容式傳感器測量電路91設C0為傳感器初始電容，C1為振蕩回路固有電容，C2為傳感器引線分布電容，L為振蕩回路的電感，則當被測信號為0時，振蕩器固有頻率為：當被測信號不為0時，傳感器電容變?yōu)椋藭r頻率為調頻測量電路具有較高的靈敏度，可以測量0.01μm級的位移變化量1.調頻測量電路2.變壓器電橋3.運算放大器式電路

4.脈寬調制電路圖4-7調頻測量電路原理框圖電容式傳感器測量電路92C1、C2為傳感器的兩個差動電容。電橋的空載輸出電壓為：對變極距型電容傳感器代入上式得：

，可見對變極距型差動式電容傳感器的變壓器

電橋，其輸出特性呈線性。1.調頻測量電路2.變壓器電橋3.運算放大器式電路

4.脈寬調制電路圖4-8變壓器電橋電容式傳感器測量電路93將電容式傳感器作為電路的反饋元件接入運算放大器。u為交流電源電壓，C為固定電容，Cx為傳感器電容，且初始電容量等于C?？汕蟮茫漭敵鲭妷?/p>

為如Cx為變極距型傳感器電容，將代入，可得1.調頻測量電路2.變壓器電橋3.運算放大器式電路

4.脈寬調制電路圖4-9運算放大器式電路原理圖電容式傳感器測量電路94Cx1、Cx2為傳感器電容，當Cx1=Cx2時，A、B兩點間的平均電壓為零。當Cx1≠Cx2時，Cx1、Cx2的充放電時間常數(shù)不同，此時uA、uB脈沖寬度不再相等，一個周期（T1+T2）時間內的平均電壓值不為零。電壓

UAB經(jīng)過低通濾波器濾波后，可獲得U0輸出為當Cx1、Cx2為差動式變極距型時，1.調頻測量電路2.變壓器電橋3.運算放大器式電路

4.脈寬調制電路圖4-10脈寬調制電路原理圖4.3電容式傳感器在無人裝備中的應用95電容式力覺傳感器96電容式力覺傳感器利用彈性膜片在壓力下變形所產(chǎn)生的位移來改變傳感器電容（此時膜片作為電容器的一個電極）。圖4-3-1所示是膜片和兩個凹玻璃圓片組成的差動式電容傳感器。薄金屬膜片夾在兩片鍍金屬的凹玻璃圓片之間，當兩個腔的壓差增加時，膜片彎向低壓的一邊，這一微小的位移改變了每個玻璃圓片與動電極之間的電容，所以分辨力很高。圖4-12差動電容式壓力傳感器結構圖電容式加速度傳感器97當傳感器殼體隨著被測對象沿垂直方向做直線加速運動時，質量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質量塊在垂直方向上產(chǎn)生正比于被測加速度的位移，此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個增加、一個減少，從而使

C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。圖4-13電容式加速度傳感器電容式位置傳感器98當測量桿隨被測位移運動而帶動活動電極位移時，導致活動電極與兩個固定電極間的覆蓋面積發(fā)生變化，其電容量也相應產(chǎn)生變化。圖4-14變面積型位置傳感器結構圖電容式聽覺傳感器99電容式聽覺傳感器由一個薄極板和一個厚極板等組成。兩極板之間的距離很近，一般約為20~60um，因此兩電極間形成一個以空氣為介質的電容，其靜電電容量可達50~200pF。當聲波激勵薄金屬片時，該薄片產(chǎn)生振動從而改變了兩極板之間的距離，使其電容量發(fā)生相應的變化。圖4-15電容式聽覺傳感器的結構圖4.4本章小結100101本章介紹了電容式傳感器的基本工作原理，分別分析了變面積型、變介電常數(shù)型和變極距型三種電容式傳感器的工作原理；介紹了電容式傳感器的測量電路和典型應用。傳感器技術及應用（第2版）第5章電感式傳感器差動變壓器式傳感器1.2自感式傳感器5.15.2電渦流式傳感器5.35.4第5章電感式傳感器103本章小結本章內容引出104電感式傳感器是利用線圈自感與互感的變化實現(xiàn)非電量測量的一種裝置。它利用電磁感應定律將被測非電量轉換為自感或互感的變化。電感式傳感器可以用于測量位移、振動、壓力、應變、流量、密度等參數(shù)，廣泛用于自動控制系統(tǒng)當中。依照電感式傳感器的結構，可分為自感式、差動變壓器式和電渦流式三類。5.1自感式傳感器105自感式傳感器106變面積型變氣隙型螺管型單一式差動式組成方式改變的參數(shù)自感式傳感器106自感式傳感器的工作原理107右圖中的變氣隙型自感傳感器由銜鐵、鐵心和

匝數(shù)為N的線圈三部分構成。傳感器量物理

量時銜鐵的運動產(chǎn)生部分產(chǎn)生位移，導致

線圈的電感值發(fā)生變化，根據(jù)定義，線圈的

電感為式中，為磁阻，它包括鐵心磁阻和空氣隙的磁阻，即式中，

,l1,l2分別為空氣隙總長、鐵心磁路長度和銜鐵磁路長度；

S,S1,S2分別為氣隙磁通截面積、鐵心截面積和銜鐵橫截截面積；,,分別為真空、鐵心和銜鐵的磁導率

。圖5-2氣隙型電感傳感器1—線圈2—鐵心3—銜鐵

（5-1）（5-2）自感式傳感器的工作原理108因鐵心、銜鐵磁阻遠小于空氣隙的磁阻，故代入式（5-1）得

由上式知，電感L是氣隙截面積和長度的函數(shù)，即

。如果S保持不變，則L為

的單值函數(shù)，據(jù)此可構成變氣隙式自感傳感器；若保持

不變，使S隨位移變化，則可構成變截面式自感傳感器。圖5-2氣隙型電感傳感器1—線圈2—鐵心3—銜鐵圖5-3氣隙型電感傳感器特性曲線（5-4）自感式傳感器的輸出特性109前面分析電感式傳感器工作原理時，假設電感線圈為一理想純電感，但實際的傳感器中，線圈不可能是純電感。當鐵心、銜鐵采用同一種導磁材料，且截面相同時，因氣隙一般較小，故氣隙磁通截面與鐵心截面相等，設磁路總長為l，則一般，>>1，故式中，為相對磁導率；自感式傳感器的輸出特性110工作時，假設銜鐵移動使總氣隙長度減少，則電感增加,電感的相對變化為因，故可按泰勒級數(shù)展開，并忽略高次項，整理得電感變化靈敏度為：線性度為當銜鐵移動使氣隙增加時，推導過程略。自感式傳感器的輸出特性111由以上分析可以看出：①當氣隙

發(fā)生變化時，電感的變化與氣隙的變化均呈非線性關系，其非線性程度隨氣隙相對變化

的增大而增加；②氣隙減少

所引起的電感變化

與氣隙增加同樣

所引起的電感變化

并不相等，即

，其差值隨

的增大而增加。由于轉換原理的非線性和銜鐵正、反方向移動時電感變化量的不對稱性，因此自感式（變間隙式）傳感器（包括差動式傳感器）為了保證一定的線性精度，只能工作在很小的區(qū)域，因而只能用于微小位移的測量。自感式傳感器的測量電路112交流電橋如右圖所示。Z1、Z2為工作臂，接成差動形式。R1、R2為電橋的平衡臂。電橋平衡條件為Z1R2=Z2R1設經(jīng)推導有，交流電橋輸出電壓式中，為電感線圈的品質因數(shù)圖5-7交流電橋原理圖1.交流電橋2.變壓器電橋自感式傳感器的測量電路113由上式可得到以下結論橋路輸出電壓U0包含著與電源同相和正交兩個分量。在實際測量中，只希望有同相分量。從式中可以看出，如能使

或Q值比較大，均能達到此目的。但是在實際工作時，

一般很小，所以要求線圈有高的品質因數(shù)。當Q值很高時，

。當Q值很低時，電感線圈的電感遠小于電阻，電感線圈相當于純電阻的情況()，交流電橋即為電阻電橋。例如，應變測量儀就是如此，此時輸出電壓

。這種電橋結構簡單，調零方便。1.交流電橋2.變壓器電橋自感式傳感器的測量電路114變壓器電橋如右圖所示，平衡臂為變壓器的兩個副邊，當負載阻抗為無窮大時，輸出電壓為由于

，故初始平衡時，

。雙臂工作時，即

，

，相當于差動電感傳感器的銜鐵向一邊移動，可得輸出電壓為

同理銜鐵向反方向移動時，輸出電壓為1.交流電橋2.變壓器電橋圖5-8變壓器電橋原理圖自感式傳感器的測量電路115由以上兩式可知：當銜鐵向不同方向移動時，產(chǎn)生的輸出電壓U0大小相等、方向相反，即相位互差180°，可以反映銜鐵移動的方向。但是，為了判別交流信號的相位，尚需接入專門的相敏檢波電路。這種電橋與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開路時電路呈線性；缺點是變壓器副邊不接地，容易引起來自原邊的靜電感應電壓，使高增益放大器不能工作。1.交流電橋2.變壓器電橋自感式傳感器在無人裝備中的典型應用116變隙式電感壓力傳感器由膜盒、鐵心、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力

的作用下產(chǎn)生與壓力

大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應的變化，電流表指示值就反映了被測壓力的大小。圖5-9變隙式電感壓力傳感器結構圖自感式傳感器在無人裝備中的典型應用117自感式加速度傳感器，彈簧片與殼體相連的質量塊m作為銜鐵。當質量塊感受加速度而產(chǎn)生相對位移時，自感式加速度傳感器就輸出與位移(也即與加速度)成近似線性關系的電壓，加速度方向改變時，輸出電壓的相位相應地改變180o

。圖5-10自感式式加速度傳感器5.2差動變壓器118差動變壓器的工作原理119差動變壓器的結構形式如圖5-11所示，可分為氣隙型和螺管型兩種類型。氣隙型差動變壓器由于行程小，且結構較復雜，因此目前已很少采用，而大多數(shù)采用螺管型差動變壓器。下面僅討論螺管型差動變壓器。圖5-11差動變壓器結構示意圖1-初級線圈2、3-次級線圈4-銜鐵差動變壓器的工作原理120差動變壓器的基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊，而次級線圈由結構尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。在理想情況下（忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗），差動變壓器的等效電路如圖5-12所示。初級線圈的復數(shù)電流值為式中，––––激勵電壓的角頻率； ––––激勵電壓的復數(shù)值。圖5-12差動變壓器等效示意圖差動變壓器的工作原理121由于I1的存在，在線圈中產(chǎn)生磁通

和

。其中Rm1和Rm2分別為磁通通過初級線圈和兩個次級線圈的磁阻，

N1為初級線圈的匝數(shù)。于是在次級線圈中感應出電壓e21和e22，其值分別為式中，因此得到空載輸出電壓e2為圖5-12差動變壓器等效示意圖––––次級線圈匝數(shù)差動變壓器的零點殘余電壓122差動變壓器輸出電勢e2與銜鐵位移x的關系如圖5-15。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當使用橋式電路時，在零點仍有一個微小的電壓值（從零點幾毫伏到數(shù)十毫伏）存在，稱為零點殘余電壓。圖5-12差動變壓器等效示意圖圖

5-15差動變壓器的零點殘余電壓1—實際特性2—理想特性差動變壓器的零點殘余電壓123消除零點殘余電壓一般可用以下方法：從設計和工藝上保證結構對稱性。選用合適的測量線路。采用相敏檢波電路不僅可以鑒別銜鐵移動方向，而且可以把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。采用如下的補償電路。圖

5-18調相位式殘余電壓補償電路差動變壓器的測量電路124差動整流電路根據(jù)半導體二極管單向導通原理進行解調的。如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，在f點為“+”，e點為“-”，則電流路徑是fgdche（參看圖（a））。反之，如f點為“-”，

e點為“+”，則電流路徑是ehdcgf。輸出電壓的大小和極性反映被測體位移的大小和方向。1.差動整流電路2.相敏檢波電路125該電路既能判斷銜鐵位移的大小，又能判斷銜鐵位移的方向。差動變壓器的測量電路1.差動整流電路2.相敏檢波電路圖5-20二極管相敏檢波電路差動變壓器在無人裝備中的典型應用1126差動變壓器式加速度傳感器差動變壓器在無人裝備中的典型應用2127在被測壓力為零時，膜盒在初始位置狀態(tài)，此時固接在膜盒中心的銜鐵位于差動變壓器線圈的中間位置，因而輸出電壓為零。當被測壓力由接頭1傳入膜盒2時，其自由端產(chǎn)生一正比于被測壓力的位移，并且?guī)鱼曡F6在差動變壓器線圈5中移動，從而使差動變壓器輸出電壓。經(jīng)相敏檢波、濾波后，其輸出電壓可反映被測壓力的數(shù)值。微壓力變送器1—接頭2—膜盒3—底座4—線路板5—差動變壓器6—銜鐵7—罩殼差動變壓器在無人裝備中的典型應用3128圖示為用于弧焊機器人上的差動變壓器式接近傳感器結構原理。差動變壓器式接近傳感器5.3電渦流式傳感器129電渦流式傳感器的工作原理130電渦流效應演示成塊的金屬置于激勵線圈產(chǎn)生的交變磁場中，金屬體內就要產(chǎn)生感應電流，這種電流的流線呈閉合曲線，類似水渦形狀，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應。電渦流式傳感器的工作原理131渦流大小與導體電阻率ρ、磁導率μ以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與被測體之間距離x。線圈激勵電流的頻率f有關。磁場變化頻率越高，渦流的集膚效應越顯著，即渦流穿透深度愈小，其穿透深度

可用下式表示

式中，ρ——導體電阻率

μr——導體相對磁導率f——交變磁場頻率（Hz）渦流穿透深度h和激勵電流頻率f有關，所以渦流傳感器根據(jù)激勵頻率高低，可以分為高頻反射式或低頻透射式兩大類。目前高頻反射式電渦流傳感器應用廣泛。電渦流式傳感器的工作原理132傳感器線圈由高頻信號激勵，使它產(chǎn)生一個高頻交變磁場

，當被測導體靠近線圈時，在磁場作用范圍的導體表層，產(chǎn)生了與此磁場相交鏈的電渦流ie，而此渦流又將產(chǎn)生一交變磁場

阻礙外磁場的變化。反射式電渦流傳感器原理圖從能量角度看，在被測導體內存在著電渦流損耗（當頻率較高時，忽略磁損耗）。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此當被測體與傳感器間的距離

改變時，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉換成電量，這便是電渦流傳感器的基本原理。電渦流式傳感器工作原理133等效電路圖中，R1和L1為傳感器線圈的電阻和電感，R2和L2為金屬導體的電阻和電感，E為激勵電壓?？傻?，線圈的等效阻抗為線圈的等效Q值為電渦流傳感器的等效電路圖無渦流時有渦流時134互感系數(shù)

阻抗電感品質因數(shù)電渦流式傳感器的工作原理只改變其中一個參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，反射式電渦流傳感器可以用來測量位移、表面溫度、材質、表面裂紋、硬度等。電渦流式傳感器的測量電路135電渦流式傳感器的測量電路可以歸納為：高頻載波調幅式和調頻式兩類。圖示調頻式測量電路的原理是位移的變化引起傳感器線圈電感的變化，而電感的變化導致振蕩頻率的變化，以頻率變化作為輸出量。調頻測量電路圖電渦流式傳感器在無人裝備中的應用136被測參數(shù)變換量特征位置震動傳感器線圈和被測體之間的距離非接觸連續(xù)測量受剩磁的影響速度（流量）表面溫度被測電阻率

非接觸連續(xù)測量需進行溫度補償應力硬度被測體的磁導率

非接觸連續(xù)測量受剩磁和材質影響損傷可定量判斷表5-1電渦流傳感器可測量的參數(shù)、變換量及特征電渦流式傳感器在無人裝備中的典型應用137電渦流傳感器可以用來測量各種形式的位置量。例如，汽輪機主軸的軸向位置（a），磨床換向閥、先導閥的位置（b），金屬試件的熱膨脹系數(shù)（c）等。位置測量1-被測件，2-傳感器探頭電渦流式傳感器在無人裝備中的典型應用138電渦流式傳感器可無接觸地測量各種振動的幅值。在汽輪機、空氣壓縮機中常用電渦流式傳感器監(jiān)控主軸的徑向振動（a），也可以測量發(fā)動機渦輪葉片的振幅（b）。研究軸的振動時，常需要了解軸的振動形狀，作出軸振形圖。為此，可用數(shù)個傳感器探頭并排地安置在軸附近（c），用多通道指示儀輸出至記錄儀。軸振動時，可以獲得各個傳感器所在位置軸的瞬時振幅，從而畫出軸振形圖。振幅測量1-被測件，2-傳感器探頭電渦流式傳感器在無人裝備中的典型應用139電渦流接近傳感器的測距范圍一般在零到幾十毫米之間，分辨率可達滿量程的0.1%，可安裝在弧焊機器人上用于焊縫自動跟蹤。接近傳感器的工作原理5.4本章小結140141本章介紹了自感式傳感器、差動變壓器和電渦流傳感器的結構、工作原理和測量電路，應重點掌握各類傳感器的特性分析和測量電路，進一步理解電感式傳感器的應用及其局限性。傳感器技術及應用（第2版）第6章壓電式傳感器測量電路1.2壓電效應6.16.2壓電式傳感器在無人裝備中的應用6.36.4第6章壓電式傳感器143本章小結本章內容引出144壓電式傳感器的工作原理是電介質的壓電效應。在外力作用下電介質表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器在聲學、醫(yī)學、力學和導航方面得到廣泛應用，如超聲波傳感器、水聲換能器、拾音器、壓電引信和煤氣點火等。6.1壓電效應145壓電效應146壓電材料在一定方向上受到外力產(chǎn)生變形時，其內部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個相對表面上同時出現(xiàn)正負電荷。當去掉外力，又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在壓電材料的極化方向上施加電場，材料會產(chǎn)生形變，電場去掉后，壓電材料的形變隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。壓電元件機械能電能正壓電效應逆壓電效應壓電效應的產(chǎn)生機理147當晶體受到沿X方向的外力作用Fx=0時（如圖a），電偶極矩的矢量和為零，晶體對外不顯電性。當晶體受到沿X、Y方向的力時（如圖b、c），電偶極矩在X方向分量的矢量和不為0，晶體表面產(chǎn)生電荷。當晶體受到沿Z方向的力時，因為晶體在X軸方向和Y軸方向的變形完全相同，電偶極矩矢量和等于零，晶體不會產(chǎn)生壓電效應。圖6-5石英晶體的壓電結構示意圖石英晶體的壓電效應148當晶片在沿X軸的方向上受到壓應力

作用時，有：

式中，F(xiàn)X——沿晶軸X方向施加的壓縮力；d11——壓電系數(shù)，石英晶體d11=2.3×10-12C/N；l、b——石英晶片的長度和寬度。

代入上式，可得圖6-6石英晶體切片極化強度又當晶片受到X方向的壓力作用時，垂直于X軸平面上的電荷qX與作用力FX成正比，而與晶片的幾何尺寸無關。石英晶體的壓電效應149極間電壓為根據(jù)逆壓電效應，極間電壓使得晶體在X軸方向將產(chǎn)生伸縮，即在X軸方向施加壓力或拉力時，產(chǎn)生的電荷均出現(xiàn)在垂直于X軸的平面上，但極性相反。如果在同一晶片上作用力是沿著Y軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，電荷大小為此時，極間電壓為根據(jù)逆壓電效應，極間電壓使得晶片在Y軸方向產(chǎn)生伸縮變形，即石英晶體的壓電效應150由上述可知：無論正或逆壓電效應，作用力與電荷之間呈線性關系；石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的；正、逆壓電效應同時存在。壓電陶瓷的壓電效應151壓電陶瓷是一種常用的壓電材料，是人工制造的多晶體材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。壓電陶瓷在極化前不具有壓電現(xiàn)象。在外電場的作用下，電疇的極化方向發(fā)生轉動，趨向于按外電場的方向排列，從而使材料得到極化圖6-8壓電陶瓷中的電疇變化示意圖壓電陶瓷的壓電效應152極化后的壓電陶瓷受到沿極化方向的作用力時，則在這兩個極化面上分別出現(xiàn)正、負電荷。對圖a，電荷量為對圖b，電荷量為式中，AX——極化面的面積；AY——受力面的面積。壓電陶瓷之所以具有壓電效應，是由于陶瓷內部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列。外界的作用（如壓力或電場的作用）使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應。圖6-9壓電陶瓷壓電原理圖6.2測量電路153等效電路154

由壓電元件的工作原理可知，壓電元件可以看作是一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質等效于一種介質，則其電容量為式中：S——壓電元件的面積（極板面積）；

d——壓電元件的厚度（極間距離）；

ε——壓電材料的介電常數(shù)等效電路155當壓電元件受到外力作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反、電量相等的電荷。因此，在壓電元件自身理想絕緣、無泄漏、輸出端開路的條件下可以把壓電元件看成電流源和電壓源，如下圖a和b所示。(a)電流源等效電路

(b)電壓源等效電路圖6-10壓電元件等效電路等效電路156如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時，則應考慮連接導線的等效電容Cc，前置放大器的輸入電阻Ri

、輸入電容Ci，則壓電傳感器的完整電荷等效電路為上圖所示。壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，因此前置放大器要有相當高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測量誤差。圖6-11壓電傳感器的完整等效電路壓電元件的Ca，Ra,連接電纜的Cc接口電路的Ri，Ci壓電元件的串并聯(lián)157單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實際應用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)：（注意：此處書中有誤?。┎⒙?lián)：(a)串聯(lián)

(b)并聯(lián)圖6-12兩個壓電片的連接方法壓電元件的串并聯(lián)158上述兩種接法中：并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，時間常數(shù)小，適宜用于以電壓作輸出信號、高頻信號測量的場合。

測量電路159壓電傳感器的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此測量電路也有兩種形式：電荷放大器（左圖）和電壓放大器（右圖）。在電荷放大器電路中，改變的CF大小就能得到所需的電壓輸出，且輸出與電纜電容Cc無關。在電壓放大器電路中，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測量誤差。圖6-14電荷放大器的等效電路圖圖6-15電壓放大器的等效電路圖6.3壓電傳感器在無人裝備中的應用160壓電傳感器在無人裝備中的應用161壓縮型壓電式加速度傳感器主要由壓電片、質量塊、彈簧、基座和外殼組成。整個部件裝在外殼內，并用螺栓加以固定。測量時，傳感器的質量塊與試件有相同的運動并受到與加速度方向相同的慣性力的作用。質量塊就有一個正比于加速度的交變力作用在壓電元件上。壓電元件兩個表面上產(chǎn)生交變電荷（或電壓）。傳感器輸出電荷（或電壓）正比于作用力1.加速度傳感器2.壓電引信3.超聲波距離傳感器圖6-16壓電式加速度傳感器的結構圖式中，d11——壓電常數(shù)；m——質量塊質量；a——試件振動加速度；壓電傳感器在無人裝備中的應用162壓電引信是一種利用鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的壓電效應制成的軍用炮彈啟爆裝置。整個引信由壓電元件和啟爆裝置兩部分組成。當彈丸與裝甲目標相遇時，強有力的碰撞力使壓電元件產(chǎn)生電荷，經(jīng)導線傳遞給電雷管使其啟爆，并引起炮彈的爆炸，錐孔炸藥爆炸形成的能量使藥形罩熔化，形成高溫高速的金屬流將堅硬的鋼甲穿透，起到殺傷作用。壓電引信既可用于高初速火炮（如加農(nóng)炮、反坦克炮、坦克炮等），又適用于低初速火炮（如無坐力炮）及火箭筒和反坦克導彈等。1.加速度傳感器2.壓電引信3.超聲波距離傳感器1—壓電元件2—導線3—藥形罩

4—炸藥5—啟爆裝置

圖6-17破甲彈上的壓電引信的結構壓電傳感器在無人裝備中的應用163超聲波傳感器是利用壓電效應的原理實現(xiàn)聲電轉換的裝置。超聲波發(fā)送器利用逆壓電效應原理，接收器利用正壓電效應原理。超聲波測距離的方法有共振法、干涉法和脈沖回波法等。右圖為脈沖回波法檢測距離的工作原理。1.加速度傳感器2.壓電引信3.超聲波距離傳感器圖6-21超聲波測距離的工作原理圖圖中，由單片機控制的發(fā)射控制電路驅動探頭發(fā)出超聲波，同時計時器開始計時。聲波信號到達被測體表面反射回來，又被探頭接收，檢測電路檢測回波信號，若有回波信號則停止計時器計時。設發(fā)射與接收超聲波之同的時間間隔為t，則被測體的距離為其中，c為超聲波的傳播速度。

6.4本章小結164165本章介紹了正壓電效應和逆壓電效應產(chǎn)生的原理以及常見壓電材料。壓電傳感器屬于有源傳感器，盡管其本質上相當于一個電容器，但在原理以及測量電路的設計上都與電容式傳感器存在著不同之處。本章分別闡述了用于壓電傳感器測量的電壓放大器和電荷放大器的原理和特點，以及在設計中應注意的問題。傳感器技術及應用（第2版）第7章磁電式傳感器霍爾式傳感器1.2磁電感應式傳感器7.17.2本章小結7.37.4第7章磁電式傳感器167本章內容引出168磁電式傳感器是一種將各種磁場及其變化量轉變成電信號輸出的裝置。自然界和人類社會生活的許多地方都存在磁場或與磁場相關的信息。利用人工設置的永久磁體產(chǎn)生的磁場，可作為許多種信息的載體。因此，探測、采集、存儲、轉換、復現(xiàn)和監(jiān)控各種磁場和磁場中承載的各種信息的任務，自然就落在磁電式傳感器身上。磁電式傳感器可分為磁電感應式和霍爾式兩種類型。7.1磁電感應式傳感器169磁電感應式傳感器170磁電感應式傳感器又稱電動勢式傳感器，是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。它不需要供電電源，就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號。磁電式傳感器機械能電量磁電感應式傳感器171根據(jù)法拉第電磁感應定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線