1、第三章第三章 傳感器傳感器3-1 傳感器的概念3-2 電阻式傳感器3-3 電容式傳感器3-4 電感式傳感器3-6 壓電式傳感器 第三章 傳感器 傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官； 傳感器技術 通信技術 計算機技術 五官 神經 大腦 傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主 要途徑與手段 ； 現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數；信息信息技術技術三大三大支柱支柱 傳感器已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源探測、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項

2、目，都離不開各種各樣的傳感器。 傳感器是將感知到的各種信號轉換成易測量的信號，把相應的信號輸入計算機，計算機發出指令，控制各執行機構。 3-1傳感器的定義一、傳感器的定義（ Transducer/Sensor ） 定義：將被測參量轉換為與之對應的，易于測量，傳輸和處理的信號的裝置。GB7665一87：能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。 傳感器功用：感知被測信息，并傳遞給檢測裝置 傳感器及傳感技術 可從以下幾個方面理解：傳感器是測量器件或裝置，能完成檢測任務；輸入量為位移、壓力、溫度、重量等被測量，是非電量；輸出量通常為易于傳輸、轉換、處理、顯易于傳輸、轉換、處理

3、、顯示示的電物理量（如：電壓、電流、頻率、功率等），也可以是氣、光等物理量；輸出、輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。 1.傳感器在工業檢測和自動控制系統中的應用工業自動化、全自動、半自動生產線（石油、化工、鋼鐵、鐵路、機械、電力）自動控制系統（正確的信息檢測 準確的控制）傳感器的應用領域 傳感器的應用領域 2.汽車與傳感器速度、里程、發動機旋轉速度、燃料剩余量安全氣囊系統、防盜裝置、黑匣子發動機氣缸壓力（日本豐田汽車） 3.傳感器與家用電器電子爐灶、洗碗機、遙控電視、錄像機、電飯煲微波爐（松下電器采用濕度傳感器）電冰箱（溫控器控制壓縮機的開關）家庭自動化（安全監視與報警、空調與照明控制、家

4、務勞動自動化、人身健康管理） 傳感器的應用領域 4.傳感器在機器人上的應用 傳統機器人（臂的位置和角度傳感器） 智能機器人（觸覺、壓覺、重量、視覺等） 5.傳感器在醫療及人體醫學上的應用應用醫學傳感器（B超儀、CT、核磁共振等）醫療保健產品：電子血壓計、脈搏計、電子溫度計。 傳感器的應用領域 6.傳感器與環境保護大氣污染指數、水質污染、環境噪聲等各種環境監測儀器 7.傳感器與航空航天飛機的自動駕駛（飛行姿態、距離、航線）惡劣環境的“盲目”著陸空空導彈的自動跟蹤 傳感器的應用領域 8.傳感器與遙感技術遙感技術：從飛機、人造衛星、宇宙飛船、船舶上對遠距離的廣大區域的被測物體及其狀態進行大規模探測的

5、一門技術。探測礦藏：人造衛星上的紅外傳感器 紅外線的量 通過微波 地面站 計算機分析處理傳感器的應用領域傳感器市場結構 n從市場來看, 力、 壓力、 加速度、 物位、 溫度、 濕度、 水分等傳感器將保持較大的需求量。二、傳感器的組成二、傳感器的組成 一般的，傳感器由敏感元件、二次變換部分、輔助部分組成。 傳感器的組成 敏感元件（預變換器）:它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。 二次變換部分：敏感元件的輸出是轉換元件的輸入，主要作用將輸入轉換成電參數。J并非所有的傳感器都包括敏感元件和轉換元件，如熱電偶！ 輔助部分：將轉換元件的輸出進行放大、運算、處理等進一步轉換，便

6、于應用。 傳感器的組成氣體壓力傳感器1-殼體 2-膜盒 3-電感線圈4-磁芯 5-轉換電路壓力壓力位移位移電感電感（敏感元件）（敏感元件）（轉換元件）（轉換元件）（測量電路）（測量電路） 傳感器的組成熱電偶熱電偶壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器三、傳感器的分類 傳感器是知識技術密集的行業，與許多學科有關，種類繁多，分類方法也很多。 按工作機理：物理型、化學型、生物型； 按構成原理：結構型、物性型；結構型傳感器是利用物理學中場的定律構成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等；這類傳感器的特點是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎。傳

7、感器的分類物性型傳感器是利用物質定律構成的，如虎克定律、歐姆定律等。這種法則，大多數是以物質本身的常數形式給出。這些常數的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。 傳感器的分類 按能量轉換情況：能量控制型、能量轉換型；能量控制型傳感器在信息變化過程中，其能量需要外電源供給；(無源傳感器)能量轉換型傳感器主要由能量變換元件構成，不需外加電源；(有源傳感器)傳感器的分類 按測量原理分：電參量式傳感器(電阻式、電感式、電容式)磁電式傳感器(磁電感應式、霍爾式、磁柵式)；壓電式傳感器；光電式傳感器；氣電式傳感器；熱電式傳感器；波式傳感器；射線式傳感器；半導體式傳感器；其

8、他原理的傳感器。傳感器的分類 按傳感器用途分(輸入量)溫度傳感器濕度傳感器壓力傳感器位移傳感器轉速傳感器流量傳感器火災傳感器傳感器的分類 按傳感器輸出信號形式可分為：模擬傳感器和數字傳感器。 按輸入量分類u優點：比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據用途選用。u缺點：沒有區分每種傳感器在轉換機理上有何共性和差異，不便于使用者比較各種傳感器的原理異同點。傳感器的分類 按原理分類：u優點是：對傳感器的工作原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業工作者對傳感器的深入研究分析。u缺點：不便于使用者根據用途選用。四、傳感器的命名法 由主題詞加四級修飾語構成 傳感器 1、被測量 2、轉換原理 3、特征

9、描述 4、主要技術指標 （量程、靈敏度、準確度等） 例：傳感器 位移 應變式 100 習慣上用反序法，也可用簡稱。五、對傳感器的性能要求 可靠性：指傳感器在規定的使用條件和期限內保持其準確計量性能的能力。 選擇性：傳感器的輸出不受(少受)非被測量（干擾）的影響。 超然性：傳感器不影響被測系統原來狀態的能力。（實際有影響） 加速度傳感器3-2 電阻式傳感器 受位移、壓力、光熱的作用 R R+R 電阻式傳感器是利用電阻應變效應，將被測物體的變形轉換成電阻變化，在經過轉換電路變成電量輸出的傳感器。 它可以測量力、壓力、位移、應變、加速度、溫度等各種非電量。 現已被廣泛應用于工程測量和科學實驗中。一、

10、導電材料的電阻效應一、導電材料的電阻效應 當金屬絲在外力作用下發生機械變形時，其當金屬絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值將發生變化，這種現象稱為金屬的電阻應電阻值將發生變化，這種現象稱為金屬的電阻應變效應。變效應。 SlRSlRlnlnlnlnSdSldldRdR設有一根長度為l、截面積為S、電阻率為的金屬絲，其電阻R為 兩邊取對數，得等式兩邊取微分，ll3-2 電阻式傳感器 dR/R 電阻的相對變化； d/電阻率的相對變化； dl/l 金屬絲長度相對變化，用表示，= dl/l ,稱為金屬絲長度方向上的應變或軸向應變； dS/S 截面積的相對變化。S= r 2dS /S=2dr/rdr/r

11、為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應變為r。r= 由材料力學知： 3-2-1 導電材料的電阻效應將微分dR、d改寫成增量R、，則)21 ()21 (dldldRdRSKllEllllRR)21 ()/21 (金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關系。比例系數比例系數K KS S稱為金屬絲的應變靈敏稱為金屬絲的應變靈敏系數系數。變形變性 3-2-1 導電材料的電阻效應物理意義：單位應變引起的電阻相對變化。KS由兩部分組成：前一部分是（1+2），由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬0.3，因此（1+2）1.6；后一部分為 ，電阻率隨應變而引起的（稱“壓阻效應”）。對金屬材料，以前者為主，

12、則KS 1+2；對半導體， KS值主要由電阻率相對變化所決定。實驗表明，在金屬絲拉伸比例極限內，電阻相對變化與軸向應變成正比。通常KS在1.83.6范圍內。ll / 3-2-1 導電材料的電阻效應3-2-2 3-2-2 電位計式傳感器電位計式傳感器二、電位計式傳感器二、電位計式傳感器 電位計式傳感器也稱為變阻器式傳感器，它通過改變電位器觸頭位置，把位移轉換為電阻的變化。根據下式 式中: 電阻率；l電阻絲長度；A電阻絲截面積。 如果電阻絲直徑和材質一定時，則電阻值隨導線長度而變化。式中電阻值的單位為。AlR 常用電位計式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。3-2-2 電位計式傳感器電位計式

13、傳感器 直線位移型：直線位移型：當被測位移變動時，觸點c沿變阻器移動。若移動x，則c點與A點之間電阻值：R=kix 傳感器靈敏度：S=dR/dx=ki 式中k單位長度內的電阻值。 當導線分布均勻時，ki為一常數。這時傳感器的輸出(電阻)與輸入(位移)成線性關系。3-2-2 電位計式傳感器電位計式傳感器 回轉型變阻器式回轉型變阻器式傳感器，其電阻值隨轉角而變化。其靈敏度 式中轉角rad k單位弧度對應的電阻值。kddRS3-2-2 電位計式傳感器電位計式傳感器 非線性變阻器式傳感器，或稱為函數電位器。當被測量與電刷位移x之間具有某種函數關系時，通過它可以獲得輸出電阻與輸入被測量的線性關系。設r(

14、x)為電位器任意瞬時位置（微小區間x）內的電阻，則電阻位移為x時總電阻值為： 如果被測量為z(x)，它是位移x的函數， 若要得到線性輸出，應滿足 在已知z(x)的情況下，可以求得r(x) 和Rx, r(x)可以用來確定電位器的骨架形狀。 drRxx0 xSzRx3-2-2 電位計式傳感器電位計式傳感器 變阻器式傳感器的優點是結構簡單，性能穩定，使用方便。 缺點是分辨力不高，因為受到電阻絲直徑的限制。提高分辨力需使用更細的電阻絲，其繞制較困難。所以變阻器式傳感器的分辨力很難優于20m。 由于結構上的特點，這種傳感器還有較大的噪聲。電刷和電阻元件之間接觸面的變動和磨損、塵埃附著等，都會使電刷在滑動

15、中的接觸電阻發生不規則的變化，從而產生噪聲。 變阻器式傳感器被用于線位移、角位移測量，在測量儀器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計等。3-2-2 電位計式傳感器電位計式傳感器變阻器式傳感器產品變阻器式傳感器產品3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器案例：案例：重量的自動檢測重量的自動檢測-配料設備配料設備 比較比較重量設定原材料原材料3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器原理：彈簧原理：彈簧-力力-位移位移 -電位器電位器-電阻電阻案例：案例：煤氣包儲量檢測煤氣包儲量檢測煤氣包煤氣包鋼絲鋼絲3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器原理：鋼絲原理：鋼絲-收線圈數收線圈數 -電位器電位器 -電阻電阻案例：案例：玩具機器

16、人（廣州中鳴數碼玩具機器人（廣州中鳴數碼 ）3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器原理：電機原理：電機-轉角轉角 -電位器電位器 -電阻電阻3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器案例：案例：振動式地音入侵探測器振動式地音入侵探測器 適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發現。洞、爆破等破壞行為均可及時發現。3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器三、電阻應變片三、電阻應變片 金屬應變片式傳感器的核心元件是金屬應變片，它可將試件上的應變變化轉換成電阻變化。金屬應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應變

17、敏感元件構成。當被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，通過轉換電路轉變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。 3-23-2 電阻式傳感器電阻式傳感器3-2-3 電阻應變片1 1、絲式應變片、絲式應變片 由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應變片的性能。因此，應根據使用條件和要求合理地加以選擇。 2341bl柵長柵長柵寬柵寬電阻應變片結構示意圖電阻應變片結構示意圖（1 1） 敏感柵敏感柵n由金屬細絲繞成柵形，直徑：（0.0150.05）mmn應變片的阻值：60、120、200等多種規 格，以120最為常用。（

18、允許有一定的誤差，但不能太大，否則影響平衡）n標距=柵寬柵長=bl 較大的應變片：5100（200）mm 較小的應變片：11（2）mm等。n結構：回線式（a）和短接式（b）一般至少用兩個，一個做測量，一個做溫度補償， 或用四個，兩個做測量，兩個做溫度補償。3-2-3 電阻應變片l對敏感柵的材料的要求：應變靈敏系數大，并在所測應變范圍內保持為常 數；電阻率高而穩定，以便于制造小柵長的應變片；電阻溫度系數要小；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度；加工性能良好，易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于焊接，對引線材料的熱電勢小。對應變片要求必須根據實際使用情況，合理選擇。3-2-

19、3 電阻應變片（2 2） 基底和蓋片基底和蓋片 基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。基底材料：（3 3） 引線引線 是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線，直徑（0.150.2）mm。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數敏感柵材料都可制作引線。3-2-3 電阻應變片（4 4） 粘結劑粘結劑 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應變片時，也需用粘結劑將應變片基底粘貼在構件表面某個方向和位置上。以便將構件受力后的表面應變傳遞給應變計

20、的基底和敏感柵。 常用的粘結劑分為有機和無機兩大類。有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。3-2-3 電阻應變片2、箔式應變片 金屬箔式應變片則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔式應變片則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵系用光刻技術制造，適于大批量生產。其線條均金屬箔柵系用光刻技術制造，適于大批量生產。其線條均勻，尺寸準確，阻值一致性好。箔片厚約勻，尺寸準確，阻值一致性好。箔片厚約110m，散熱，散熱好，粘結情況好，好，粘結情況好， 傳遞試件應變性能好。傳遞試件應變性能好。 因此目前

21、使用的多系金屬箔式應變片。因此目前使用的多系金屬箔式應變片。3-2-3 電阻應變片3、薄膜應變片 是薄膜技術發展的產物，厚度在0.1m以下。 是采用真空蒸發法，將電阻材料蒸鍍在基底上制成敏感柵而形成應變片。 靈敏度系數高，易于規模生產，是一種很有前途的新型應變片。 用得較少，自學了解。3-2-3 電阻應變片4、半導體應變片 半導體應變片最簡單的典型結構如圖所示。半導體應變片最簡單的典型結構如圖所示。 半導體應變片的使用方法與金屬電阻應變片相半導體應變片的使用方法與金屬電阻應變片相同，即粘貼在彈性元件或被測物同，即粘貼在彈性元件或被測物 體上，其電阻值隨被測試件的應體上，其電阻值隨被測試件的應

22、變而變化。變而變化。 半導體應變片的工作原理是基于半導體應變片的工作原理是基于 半導體材料的半導體材料的壓阻效應壓阻效應。3-2-3 電阻應變片 所謂壓阻效應是指單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發生變化的現象。 優點：靈敏度高； 缺點：穩定性差，非線性嚴重。做一批應變片，各不相同；同一批應變片在不同條件下，變化很大。3-2-3 電阻應變片5、應變片的靈敏度系數K：的靈敏度系數指應變片安裝于試件表面，在其軸向方向的單向應力作用下，應變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應變片區域的軸向應變之比。Ks: 的靈敏度系數金屬單絲的電阻相對變化與它所感受的應變之比。 當金屬絲做成應變片后，

23、其電阻應變特性，與。因此，須用實驗方法對應變片的電阻應變特性重新測定。3-2-3 電阻應變片 實驗表明，金屬應變片的電阻相對變化與應金屬應變片的電阻相對變化與應變變在很寬的范圍內均為線性關系。在很寬的范圍內均為線性關系。即： K為金屬應變片的靈敏系數。注意，K是在試件受一維應力作用，應變片的軸向與主應力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時測得的。KRRRRK 測量結果表明，應變片的靈敏系數應變片的靈敏系數K K恒小于線材的恒小于線材的靈敏系數靈敏系數K KS S。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應也。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應也是一個不可忽視的因素。是一個不可忽視的因素。 J思

24、考：K與K KS S大小的關系？大小的關系？3-2-3 電阻應變片 第三節第三節 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。 特點：結構簡單，體積小，可實現非接觸式測量，能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作。 應用：壓力、差壓、液位、振動、位移、加速度、成分含量等多方面的測量。3-3 電容式傳感器 工作原理： 電容式傳感器是將被測物理量轉換為電容量變化的裝置。電容式傳感器是將被測物理量轉換為電容量變化的裝置。它實質上是一個具有可變參數的電容器。它實質上是一個具有可變參數的電容器。 從物理學可知，由兩個平行極板組成的電容器其電容量為：從物理學可知

25、，由兩個平行極板組成的電容器其電容量為： 式中式中r r極板間介質的相對介電常數，在空氣中極板間介質的相對介電常數，在空氣中r r=1=1； o o真空中介電常數，真空中介電常數，o o8.858.851010-12-12F Fm m； d d極板間距離；極板間距離； S極板間相互覆蓋面積。極板間相互覆蓋面積。dSCr03-3 電容式傳感器 當被測量使d、S或發生變化時，都會引起電容C的變化。如果保持其中的兩個參數不變，而僅改變另一個參數，就可把該參數的變化變換為電容量的變化。 根據電容器變化的參數，可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三類。在實際中，極距變化型與面積變化型的應用較為廣泛。

26、 dSCr03-3 電容式傳感器 類型： ( (一一) )面積變化型面積變化型 在變換極板面積的電容傳感器中，一般常用的有在變換極板面積的電容傳感器中，一般常用的有角位移型和線位移型兩種。角位移型和線位移型兩種。3-3 電容式傳感器角位移型：當動板有一轉角時，與定板之間相互覆蓋面積就改變，從而改變電容的輸出。常數drdSdCKr220當=0時，當0時，傳感器的電容量傳感器的電容量C與角位移與角位移呈線性關系。呈線性關系。dSdSCrr6.30000)1 (6 . 3)1 (000CdSdSCrr3-3 電容式傳感器 平面線位移型平面線位移型電容傳感器：當動板沿電容傳感器：當動板沿X X方向移動

27、時，方向移動時，覆蓋面積發生變化，電容量也隨之變化。其電容量覆蓋面積發生變化，電容量也隨之變化。其電容量C C 式中式中b b極板寬度。極板寬度。 靈敏度靈敏度 dbxCr0常數dbdxdCKr0此傳感器的電容量此傳感器的電容量C與水平位移與水平位移x呈線性關系。呈線性關系。3-3 電容式傳感器 圓柱體線位移型圓柱體線位移型電容傳感器。動板電容傳感器。動板( (圓柱圓柱) )與定板與定板( (圓柱圓柱) )相互覆蓋，其電容量相互覆蓋，其電容量 式中式中D D圓筒孔徑；圓筒孔徑； d d圓柱外徑。圓柱外徑。 當覆蓋長度當覆蓋長度x x變化時，變化時， 電容量電容量C C發生變化，其靈發生變化，其

28、靈 敏度敏度dDxCr/ln20常數dDdxdCKr/ln203-3 電容式傳感器 面積變化型電容傳感器的優點是輸出與面積變化型電容傳感器的優點是輸出與輸入成線性關系。但與極距變化型相比，靈輸入成線性關系。但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移的敏度較低，適用于較大直線位移及角位移的測量。測量。3-3 電容式傳感器 ( (二二) )介質變化型介質變化型u這種傳感器大多用來測量電介質的厚度、位移、液位、液這種傳感器大多用來測量電介質的厚度、位移、液位、液量。還可根據介質的介電常數隨溫度、濕度的改變而測量量。還可根據介質的介電常數隨溫度、濕度的改變而測量溫度、濕度等。溫度、濕度

29、等。u當電極間存在導電物質時，電極的表面應涂蓋絕緣層（如當電極間存在導電物質時，電極的表面應涂蓋絕緣層（如0.1mm0.1mm厚的聚四氟乙烯等），防止電極間短路。厚的聚四氟乙烯等），防止電極間短路。 u圖中是這種傳感器的典型實例。圖中是這種傳感器的典型實例。3-3 電容式傳感器電容式液位傳感器傳感器的電容量傳感器的電容量C與被測液位高度與被測液位高度h呈線性關系。呈線性關系。dDhHdDhCln)(2ln21相當于兩個電容器并聯：dDhCln)(210dDhdDHln)(2ln21= C0+A h3-3 電容式傳感器另一種結構： d0d110若d0,d1已知時，此結構可用來 測未知材料的介電常

30、數若1已知時，此結構可用來測某介電材料的厚度（如紙張、塑料薄膜等）)(6 .36 .36 .36 .36 .30011110011001010ddsdsdsdsdsCCCCC3-3 電容式傳感器 ( (三三) )極距變化型極距變化型 如果兩極板互相覆蓋面積及極間介質不變，如果兩極板互相覆蓋面積及極間介質不變，則電容量則電容量C C與極距與極距呈非線性關系。當極距有一呈非線性關系。當極距有一微小變化量微小變化量dd時，引起電容的變化量時，引起電容的變化量dCdC為為由此可以得到傳感器靈敏度由此可以得到傳感器靈敏度dxdSdCr201201dSdxdCKrdSCr03-3 電容式傳感器 可以看出，

31、靈敏度可以看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距越小與極距平方成反比，極距越小靈敏度越高。顯然，由于靈敏度隨極距而變化，這將引靈敏度越高。顯然，由于靈敏度隨極距而變化，這將引起線性誤差。為了減小這一誤差，通常規定在較小的間起線性誤差。為了減小這一誤差，通常規定在較小的間隙變化范圍內工作，以便獲隙變化范圍內工作，以便獲 得近似線性關系。得近似線性關系。 一般取極距變化一般取極距變化 范圍約為范圍約為 dd 00.1。3-3 電容式傳感器結論：當d/d0 0所以上式可簡化為 lSNL02 可見，自感L是氣隙截面積和長度的函數，即Lf(S,l)，如果S保持不變，則L為l的單值函數，構成變隙式自感傳感器

32、變隙式自感傳感器；若保持l不變，使S隨位移變化，則構成變截面式自感傳感器變截面式自感傳感器。3-4 電感式傳感器 輸出特性曲線L=f（S）LSLSL=f（l）變氣隙式傳感器特性曲線變截面積式傳感器特性曲線 L L= =f f( (l l) )為非線性關系。當為非線性關系。當l l0 0時，時，L L為為，考慮導磁體，考慮導磁體的磁阻，當的磁阻，當l l0 0時，并不等于時，并不等于，而具有一定的數值，在，而具有一定的數值，在l l較小時其特性曲線如圖中虛線所示。如上下移動銜鐵使面積較小時其特性曲線如圖中虛線所示。如上下移動銜鐵使面積S S改變，從而改變改變，從而改變L L值時值時, ,則則L

33、Lf f( (S S) )的特性曲線為一直線。的特性曲線為一直線。 L l自感變化靈敏度為： rLlllLlLK11rllll11線性度lLL1L2 L0l0結論：當氣隙l發生變化時，自感的變化與氣隙變 化均呈非線性關系，其非線性程度隨氣隙相對變化l/l的增大而增加；氣隙減少l所引起的自感變化L1與氣隙增加同樣l所引起的自感變化L2并不相等，即L1L2，其差值隨l/l的增加而增大。3-4 電感式傳感器3-4 電感式傳感器 由前面的分析可見，變氣隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾。 由于以上特點，為了減小非線性誤差，則要限定l的范圍，因此變間隙式傳感器只變間隙式傳感器只能用于微小位移

34、的測量。能用于微小位移的測量。 為了改善其非線性，常采用差動式的結構。 工作原理如下：3-4 電感式傳感器EUSC1342RR(l- l)/2(l- l)/2 差動變氣隙式自感傳感器結構由兩個電氣參數和磁路完全相同的線圈組成。當銜鐵3移動時，一個線圈的自感增加，另一個線圈的自感減少，形成差動形式。rLlllLlLK1122)(11rllll靈敏度：線性度：3-4 電感式傳感器2、螺管型電感傳感器 種類：單線圈和差動式結構形式。種類：單線圈和差動式結構形式。 單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時，因鐵芯在線圈中伸

35、入長度圓柱形鐵芯。傳感器工作時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當用恒流源激勵的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當用恒流源激勵時，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關。時，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關。用于較大行程用于較大行程rx螺旋管鐵心單線圈螺管型傳感器結構圖單線圈螺管型傳感器結構圖l3-4 電感式傳感器 線圈電感： l線圈長度 rc銜鐵半徑 r平均半徑 r鐵心的有效磁導率 N匝數 lc銜鐵進入線圈的長度ccrrllrlNL) 1(42222若被測量與若被測量與lc成正比，則成正比，則L L與被測量也成與被測量也成正比。實際上由于正比。實際上由于磁場強度分布不均

36、勻磁場強度分布不均勻，輸入，輸入量與輸出量之間關系非線性的。量與輸出量之間關系非線性的。螺管線圈內磁場分布曲線rxl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（ ）INlx（l） 鐵芯在開始插入（x=0）或幾乎離開線圈時的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長度時的靈敏度小得多。這說明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。 3-4 電感式傳感器n為了提高靈敏度與線性度,常采用差動螺管式自感傳感器。這種差動螺管式自感傳感器的測量范圍為(550)mm,非線性誤差在0.5左右。 2lclc2l線圈線圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.8

37、0.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）INl差動螺旋管式自感傳感器(a)結構示意圖 (b)磁場分布曲線x(l)(a)(b)3-4 電感式傳感器3-4 電感式傳感器 綜上所述，螺管式自感傳感器的特點：結構簡單，制造裝配容易；由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大；由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾；由于磁阻高，為了達到某一自感量，需要的線圈匝數多，因而線圈分布電容大；要求線圈框架尺寸和形狀必須穩定，否則影響其線性和穩定性。 二、互感式傳感器 把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。 這種傳感器是根據變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連

38、接，故稱差動變壓器式傳感器。 結構：變隙式、變面積式和螺管式。 其中螺線管式最為常用，可測量1100mm的機械位移。3-4 電感式傳感器 結構及工作原理原理：當初級線圈加上某一頻率的正弦交流電壓后，次級線圈產生感應電壓e21,e22，它們的大小與鐵芯在線圈內的位置有關， e21和e22反極性連接就得到輸出電壓e23-4 電感式傳感器 等效電路e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1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。初級線圈的電流值為：1111LjReI激勵電壓的角頻率； e1激勵電壓； e1 初級線圈激勵電壓L1,R1 初級線圈電感和

39、電阻M1,M1 分別為初級與次級線圈 1,2間的互感L21,L22 兩個次級線圈的電感R21,R22 兩個次級線圈的電阻3-4 電感式傳感器12221121IMjeIMje11212121mRNNINM21212222mRNNINMN2為次級線圈匝數。Rm1和Rm2是通過兩個次級線圈的磁阻。在次級線圈中感應出電壓e21和e22，其值分別為初級線圈對兩次級線圈的互感系數：3-4 電感式傳感器21211212LReMMe22212221LLjRRZ2222122221LLRRZ其幅值：輸出阻抗：1112122212LjReMMjeee因此空載輸出電壓:3-4 電感式傳感器應用測量振動、厚度、應變、

40、壓力、加速度等各種物理量。1. 1. 差動變壓器式加速度傳感器差動變壓器式加速度傳感器用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結果。可測量的振幅為(0.15)mm，振動頻率為(0150)Hz。 穩壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)220V加速度a方向a輸出1211 彈性支承 2 差動變壓器3-4 電感式傳感器2. 2. 微壓力變送器微壓力變送器將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結合，可以組成各種形式的壓力傳感器。220V1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動變壓器 6 銜鐵 7 罩殼V振蕩器穩壓電源差動變壓器相敏檢波電路

41、1234567 這種變送器可分檔測量( (5 510105 56 610105 5)N/m)N/m2 2壓力，輸出信號電壓為(0(050)mV50)mV，精度為1.5級。 3-4 電感式傳感器3-6 壓電式傳感器 第六節 壓電式傳感器 壓電傳感器是典型的有源傳感器。 又稱自發電式傳感器及電勢式傳感器。 壓電傳感器的工作原理是基于某些晶體受力后在其表面產生電荷的壓電效應。 特點：體積小、重量輕、結構簡單、靈敏度高、工作可靠；適合動態力學測量，不能測量靜態量。目前多用于加速度和動態力學或壓力的測量。壓電傳感器是一個機電轉換元件。 應用：拾音器、壓電引信、燃氣點火具。3-6 壓電式傳感器3-6 壓電

42、式傳感器一、壓電效應 一些晶體結構的材料，當沿著一定方向受到外力作用時，內部產生極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷； 而當外力去掉后，又恢復不帶電的狀態； 當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變。 晶體受作用力產生的電荷量與外力的大小成正比，這種機械能轉換為電能的現象稱為正壓電效應。 反之，如果給晶體施加以交變電場，晶體本身則產生機械變形，這種現象稱為逆壓電效應，又稱電致伸縮效應。 壓電效應具有可逆性。電能電能機械能機械能正壓電效應正壓電效應逆壓電效應逆壓電效應3-6-1 壓電效應ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標系ZYXv晶體晶體縱向壓電效應縱向壓電

43、效應: :通常把沿電軸通常把沿電軸X XX X方向的力作用下產生方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應縱向壓電效應”；橫向壓電效應橫向壓電效應:而把沿機而把沿機械軸械軸Y YY Y方向的力作用方向的力作用下產生電荷的壓電效應下產生電荷的壓電效應稱為稱為“橫向壓電效應；橫向壓電效應；沿光軸沿光軸Z ZZ Z方向受力則方向受力則不產生壓電效應。不產生壓電效應。光軸光軸電軸電軸機械軸機械軸xxFdq11yyFbadq123-6-1 壓電效應縱向壓電效應縱向壓電效應橫向壓電效應橫向壓電效應：在：在YY方向受力產生的壓電效應，其方向受力產生的壓電效應，其電荷分布與電荷分布與XX方向受力所產生的壓電效應情況相反；方向受力所產生的壓電效應情況相反；當當Y方向受壓時（方向受壓時（FY0），），其電荷分其電荷分布如同布如同X方向受壓所示。方向受壓所示。3-6-1 壓電效應 晶體切片 xxFdq11沿晶軸方向切下一六面體沿晶軸方向切下一六面體yyyFbadFbadq11123-6-1 壓電效應石英晶體的壓電效應可以概括為：無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變）與電荷（或電場強度）之間呈