全套PPT課件信息技術、材料技術和能源技術并列為現代科學技術的3大支柱，這3大支柱是現代社會賴以生存和發展的基本條件之一，信息技術在3大技術中占有頭等重要的地位。測試技術屬于信息技術的范疇，是信息技術的主要組成部分之一。信息技術包括傳感器技術、通信技術和計算機技術，它們分別構成信息系統的“感官”、“神經”和“大腦”，因此，傳感器技術是信息社會的重要基礎技術，傳感器是信息獲取系統的首要部件。測試是測量與試驗的概括，是指通過一定的裝置，獲取被測對象有關信息的過程。如果被測量不隨時間變化，稱這樣的量為靜態量，相應的測試稱為靜態測試；若被測量隨時間變化，則稱這樣的量為動態量或過程，相應的測試稱為動態測試或過程測試。01測量即使用測試裝置通過實驗來獲取被測量的量值。02

試驗即在獲取被測量量值的基礎上，借助人、計算機或一些數據分析與處理系統，從被測量中提取被測對象的有關信息。基本的測試系統由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置3部分組成，如圖所示。

傳感器的作用是感受被測量，并對其進行測量變換，將被測量轉換成某種易于進一步處理的參數或參量。傳感器的種類很多，它們可以用來感受不同的被測量，如位移、速度、加速度、力、壓力、溫度、流量等，并且具有不同的靜態、動態特性。1.3.1傳感器經傳感器獲得的被測量的電信號一般很微弱，不宜直接輸出，有時信號中還可能包括干擾等不需要的成分，或者由于各種原因存在一定的非線性誤差，此時要通過各種信號測量電路對傳感器輸出的信號作進一步處理。信號測量電路主要有各種放大電路、測量電橋、調制與解調電路、濾波器、非線性校正裝置等。1.3.2測量電路

如圖所示的物體是一種簡單測力系統的原理圖，它的功能是測量質量塊

上的作用力，并將其記錄下來。1－彈簧；2－阻尼器；3－質量塊；4－齒條；5－齒條；6－組合齒輪；7－記錄筆；8－記錄紙1.3.3顯示記錄裝置系統的全部元件由彈簧1，阻尼器2和質量塊3組成的力學系統。由和質量塊連接在一起的齒條4、一個包括大小兩個齒輪的組合齒輪6以及另一個齒條5組成的傳動系統。由記錄筆和記錄紙以及記錄紙行走裝置（圖中未畫出）組成的記錄系統，這一部分的功能是測量結果的記錄。1231.4.1傳感器的發展方向01微型化速度加快

值得特別關注的是近年來隨著集成微電子機械加工技術的日趨成熟，傳感器制作技術進入了一個嶄新階段。02功能日漸完善傳感器功能得到進一步增強和完善，性能進一步提高，更加靈敏、可靠。03生物、化學傳感器研究速度加快

21世紀中，全世界范圍內對生命科學的研究加速，對人類生存的環境更加重視。04商品化、產業化前景廣闊

在新型傳感器研究開發的同時，更加注重實用化，從而保證了成果轉化和產業化的速度更快。05創新性更加突出新型傳感器的研究和開發由于開展時間短，往往尚不成熟，因此蘊藏著更多的創新機會，競爭也很激烈，成果也具有更多的知識產權。06新型傳感器的研發這項研發在工業、農業、國防、航空航天、航海、醫學、生物工程、交通、家庭服務等各個領域都有巨大的應用前景。1.4.2測試技術的發展方向01

利用新原理制成的各種新型傳感器層出不窮，可測試的對象迅速增多。02測試裝置中的電路設計得到迅速改進。03出現了多參量測試系統。04信息技術得到了廣泛應用。BBAA1掌握常用傳感器的種類、結構特點和工作原理，并具備根據實際測試要求選擇合適傳感器的能力。2熟悉傳感器輸出信號的常用處理方法及中間變換電路的結構、工作原理、適用特點，具備根據不同種類傳感器選用適宜的中間變換電路，進而設計中間變換電路的能力。3了解和掌握各種信號顯示與記錄裝置的結構、工作原理及適用特點，并能根據實際需要選用合理的顯示與記錄裝置。4在掌握測試系統特性的基礎上，具備根據實際被測量的特點，將傳感器、中間變換電路和顯示記錄裝置正確地組成測試系統的能力。5掌握測試信號的時域、頻域描述及分析方法，具備根據測試結果正確解決實際問題的工作能力。把被測非電量轉換成與非電量有一定關系的電量，再進行測量的方法就是非電量電測法。實現這種轉換技術的器件叫傳感器。

3.

2.

4.

5

6.

1.可進行微量檢測，精度高，反應速度快。可實現無損檢測。能連續進行測量、記錄及顯示。可實現遠距離遙測及遙控。測量安全可靠。可采用計算機技術對測量數據進行運算、存儲及信息處理。非電量電測法具有以下優點

傳感器是能感受（或響應）規定的被測量并按照一定規律轉換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的轉換元件及相應的電子線路所組成。2.2.1定義在非電量電測變換技術中，“傳感器”一詞是和工業測量聯系在一起的，實現非電量轉換成電量的器件稱為傳感器；在水聲和超聲波等技術中強調的是能量的轉換，比如壓電元件可以起到機—電或電—機能量的轉換作用，所以把可以進行能量轉換的器件稱為換能器；對于硅太陽能電池來說，也是一種換能器件，它可以把光能轉換成電能輸出，但在這類器件上強調的是轉換效率，習慣上把硅太陽能電池叫做轉換器。在電子技術領域，常把能感受信號的電子元件稱為敏感元件，如熱敏元件、光敏元件、磁敏元件及氣敏元件等。在不同的技術領域中，這些不同的提法只是根據器件用途對同一類型的器件使用了不同的技術術語而已。這些提法雖然含義有些狹窄，但在大多數情況下并不會產生矛盾，如熱敏電阻可稱為熱敏元件，也可稱為溫度傳感器。又如揚聲器，當它作為聲檢測器件時，它是一個聲傳感器，如果把它當成喇叭使用，也只能認為它是一個換能或轉換器件了。1．按照傳感器的工作機理分類2.2.2分類基于生物效應的生物傳感器。基于化學效應進行工作的化學傳感器。基于物理效應進行工作的物理傳感器。2．按照傳感器的構成原理分類結構型傳感器物性型傳感器3．按照傳感器的能量轉換情況分類01能量轉換型傳感器能量轉換型傳感器猶如一臺微型發電機，能將非電功率轉換為電功率，起能量轉換的作用，因此又稱為發電型傳感器。02能量控制型傳感器能量控制型傳感器是指在信息變化過程中，其變換的能量需要由外部電源供給，而外界的變化（即傳感器輸入量的變化）只起到控制的作用，所以又稱外源型傳感器。4．按照傳感器的工作原理分類電路參量式傳感器

壓電式傳感器磁電式傳感器光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他原理的傳感器

可把被測的機械量傳感器分為位移、速度、流量、力、壓力、振動、溫度、濕度及黏度、密度傳感器等。有時把被測量進一步歸類，將物理量分為機械量、熱學、電學、光學、聲學、磁學、核輻射傳感器等；化學量分為氣體、離子、濕度傳感器等；生物量分為生物、微生物、酶、組織、免疫傳感器等。5．按照被測量或輸入信號分類按被測量分類的方法體現了傳感器的功能和用途，有利于用戶有針對性地選擇傳感器。在許多情況下，往往將按照工作原理分類和按照被測量分類兩種方法綜合使用，如應變式壓力傳感器、壓電式加速度傳感器、光電碼盤式轉速傳感器等。按照傳感器使用的敏感材料不同，傳感器可分為半導體傳感器、光纖傳感器、陶瓷傳感器、高分子材料傳感器、復合材料傳感器、智能材料傳感器等。6．按照傳感器使用的敏感材料分類

按照傳感器輸出信號不同，傳感器可分為模擬量傳感器和數字量（開關量）傳感器。7．按照傳感器輸出信號分類8．按照傳感器與被測對象的空間關系分類

根據傳感器與被測量之間有沒有空間間隙，傳感器可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器。

根據與某種高新技術結合的情況，可按所基于的高新技術命名傳感器，如集成傳感器、智能傳感器、機器人傳感器、仿生傳感器、納米傳感器及傳感器網絡等。上述分類盡管有較大的概括性，但由于傳感器是知識密集、技術密集的門類，它是與許多學科交叉的現代科學技術，種類十分繁多，至今又不統一，因此各種分類方法都具有相對的合理性。從學習的角度來看，按傳感器的工作原理分類，對理解傳感器的工作原理、工作機理很有利；而從使用的角度來看，按被測量（或輸入信息）分類，為正確選擇傳感器提供了方便。在許多情況下往往將兩種分類方法綜合使用，如應變式壓力傳感器、壓電式加速度傳感器等。9．按照與某種高新技術結合的情況分類2.3.1傳感器命名方法主題詞——傳感器第一級修飾語——被測量第二級修飾語——轉換原理第三級修飾語——特征描述第四級修飾語——主要技術指標傳感器的完整代號應包括以下4部分。主稱（傳感器）、被測量、轉換原理、序號。4部分代號表述格式應如圖所示：在被測量、轉換原理、序號3部分代號之間須有連字符“-”連接。1．傳感器代號的構成2.3.2傳感器代號標記方法2．各部分代號的意義1234主稱（傳感器）被測量轉換原理序號3．傳感器代號標記示例1．傳感器圖形符號的組合2.3.3傳感器的圖形符號盡可能簡單、形象和易于辨認。

除特殊規定外，圖形符號應盡可能給出傳感器的基本特征（又稱傳感器二要素），即被測（物理）量和轉換原理。傳感器一般符號的正方形內應寫入表示轉換原理的限定符號。三角形內應寫入表示被測量的限定符號，如圖所示。圖中的“

x”表示應寫入的被測量符號；“*”表示應寫入的轉換原理。在無須強調具體的轉換原理時，傳感器圖形符號的組合也可以簡化形式，如圖所示。圖中對角線（即斜線分隔符號）表示內在能量轉換功能；（A）、（B）分別表示輸入、輸出信號。2．傳感器圖形符號表示規則

被測量符號應根據現行國家標準對各種量和單位的規定選擇。

轉換原理圖形符號應根據現行國家標準《電氣簡圖用圖形符號》的規定選擇。表示被測量的符號應寫入三角形頂部，并用斜體字母書寫；轉換原理的符號應寫進正方形中心部位。

對于某些難以用圖形符號簡單、形象表達的轉換原理，也可以用文字符號表示。例如，表示離子選擇電極式鈉離子傳感器，可用圖所示的形式表示。標準中還給出了一些具有代表性的傳感器（如壓力傳感器、速度傳感器等）的圖形符號。傳感器所能測量的最大被測量（即輸入量）的數值稱為測量上限（xmax），最小被測量稱為測量下限（xmin）。測量上限和測量下限之間所表示的區間，稱為測量范圍。測量范圍有單向（只有正向或負向）、雙向對稱、雙向不對稱和無零值等幾種。測量上限和測量下限的代數差稱為量程（xFS）。量程的計算公式為1．量程與測量范圍2.4.1傳感器的靜態特性量程xFS＝測量上限xmax－測量下限xmin

由工作特性所決定的最大輸出（Ymax）和最小輸出（Ymin）的代數差則稱為滿量程（FS，fullspan/fullscale）輸出，或校準滿量程輸出。滿量程輸出的計算公式為YFS＝Ymax－Ymin

凡經過傳感器輸出-輸入擬合后而得到的輸出值用

表示，而實測的輸出值用y表示。對于線性傳感器和具有單調特性的非線性傳感器，滿量程輸出可以用式（2-2）計算，而在要求不高的場合，實際滿量程輸出為yFS＝ymax－ymin。在實際使用時，傳感器的量程選擇是一個簡單但需要特別注意的問題。為提高測量的準確度，一般應接近滿量程使用。線性度，又稱非線性誤差。傳感器的輸出-輸入關系或多或少地存在非線性問題。在不考慮遲滯、不穩定性等因素的情況下，其靜態特性可表示為2．線性度y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

y——輸出量；x——輸入量；a0——零點輸出；a1——理論靈敏度；a2，a3，…，an——非線性項系數。在采用直線擬合線性化時，輸出-輸入的校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差，稱為非線性誤差或線性度，通常用相對誤差γL來表示，即ΔLmax——非線性最大偏差；yFS——滿量程輸出。擬合直線為通過原點至滿量程的理論直線，即傳感器的理論特性曲線，它與實際測試值無關。這種方法十分簡便，但通常ΔLmax很大。過零旋轉擬合，常用于校正曲線過零的傳感器。擬合時，使ΔL1=ΔLmax。這種方法也比較簡單，非線性誤差比前一種小得多。把校正曲線兩端點（即零點輸出值和滿量程輸出值）的連線作為擬合直線，又稱端點直線擬合。這種方法比較簡便，但ΔLmax較大。校正曲線分布于擬合直線的兩側，

。與之前相比，非線性誤差減小一半，提高了精度。傳感器在正（輸入量逐步增大）、反（輸入量逐步減小）行程中的輸出-輸入曲線不重合的程度稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，它一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以正反行程中輸出的最大偏差量與滿量程輸出之比的百分數表示，即3．遲滯——正反行程間輸出的最大差值；——滿量程輸出。如圖所示為實際輸出的校正曲線的重復特性，取正行程的最大重復性偏差和反行程的最大重復性偏差這兩個最大偏差之中的較大者

。重復性誤差則用

與滿量程輸出

之比的百分數表示，即4．重復性傳感器輸出的變化量

與引起此變化量的輸入變化量

之比即為其靜態靈敏度。由此可見，傳感器校準曲線的斜率就是其靈敏度。對于線性傳感器，其特性是斜率處處相同，即靈敏度

是一常數。以擬合直線作為其特性的傳感器，也認為其靈敏度為一常數，與輸入量的大小無關。由于某種原因，會引起靈敏度變化，產生靈敏度誤差。靈敏度誤差

用相對誤差表示，即5．靈敏度

當傳感器的輸入從非零的任意值緩慢增加時，只有在超過某一輸入增量時，輸出才發生可觀測的變化。這個能檢測到的最小的輸入增量，即稱為傳感器的分辨力。有些傳感器當輸入量連續變化時，輸出量只作階躍變化，則分辨力就是輸出量的每個階躍高度所代表的輸入量的大小。分辨力用絕對值表示。而用絕對值與滿量程的百分數表示時，稱為分辨率。數字式傳感器的分辨力則是指能引起數字輸出的末位數發生改變所對應的輸入增量。6．分辨力

閾值是指傳感器的輸入從零開始緩慢增加時，只有在超過某一輸入值時，輸出才發生可觀測的變化。這個使傳感器輸出端產生可觀測變化的最小被測輸入量值，稱為閾值，即零位附近的分辨力。7．閾值閾值還可稱為靈敏度界限（靈敏限）或門檻靈敏度、靈敏閾、失靈區、死區等。有的傳感器在零位附近有嚴重的非線性，形成所謂“死區”，則將死區的大小作為閾值。在更多的情況下，閾值主要取決于傳感器的噪聲大小，因此，有的傳感器只給出噪聲電平。穩定性是指傳感器在相當長的工作時間內保持其性能的能力。因此，穩定性又稱長期穩定性。穩定性通常是在室溫條件下，經過一定工作時間間隔后，用傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差值來表示。穩定性誤差可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。8．穩定性9．漂移漂移是指在一定時間間隔內，傳感器的輸出存在著與被測輸入量無關的、不需要的變化。漂移常包括零點漂移和靈敏度漂移。零點漂移或靈敏度漂移可分為時間漂移和溫度漂移，簡稱時漂和溫漂。時漂是指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間有緩慢地變化；溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點或靈敏度的變化。

靜態誤差是指傳感器在其全量程內任一點的輸出值與其理論值的偏離程度。靜態誤差的求取方法如下：把全部輸出數據與擬合直線上對應值的殘差，看成是隨機分布，求出其標準偏差

，即10．靜態誤差—各測試點的殘差；—測試點數。靜態誤差是評價傳感器靜態性能的一項綜合性指標，常將它稱為傳感器的精度。它基本上包括了前面敘述的非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差、靈敏度誤差等，若這幾項誤差是隨機的、獨立的、正態分布的，也可以把這幾個單項誤差綜合而得，即1．研究動態特性的方法2.4.2傳感器的動態特性01頻率響應法02階躍響應法階躍響應特性是指輸入為階躍函數時，傳感器的輸出隨時間的變化特性。通常將時間常數、上升時間、響應時間、超調量作為評定指標。階躍響應特性如圖所示。2．傳感器的階躍響應特性4．傳感器的頻率響應特性通頻帶BW時間常數τ固有頻率ω通頻帶是指傳感器的增益保持在一定值之內的頻率范圍，對應有上、下截止頻率。時間常數用來表征一階傳感器的動態特性，

越小，頻帶越寬。固有頻率w

用來表征二階傳感器的動態特性，

w越大，快速性越好。要進行一項具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小，被測位置對傳感器體積的要求，測量方式為接觸式還是非接觸式，信號的引出方法是有線或是非接觸測量，傳感器的來源是國產還是進口，價格能否承受，是否自行研制等。1．根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型2．靈敏度的選擇靈敏度越高，外部干擾、噪聲越容易混入。傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，混入的干擾、噪聲也會與有用信號一樣被后面的裝置放大，從而可能會使有用信號淹沒在這些無用的干擾、噪聲之中，影響測量精度。因此，在有較高的靈敏度要求（檢測微弱信號）且工作時可能存在干擾、噪聲的情況下，應該選用靈敏度高、信噪比也高的傳感器。傳感器的靈敏度與測量范圍密切相關。一般來說，靈敏度越高測量范圍越小。如果輸入信號過大，則將會使傳感器工作在非線性區甚至是飽和區而無法正常工作。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，固有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。3．頻率響應特性在動態測量中，應根據信號的特點（穩態、瞬態、隨機等）響應特性，以免產生過大的誤差。一般來說，利用光電效應、壓電效應等制成的各種物性型傳感器，它們的響應時間短，工作頻帶寬；而結構型傳感器（電感、電容、磁電式傳感器等）由于受到原理、結構上的限制，運動部分的機械慣性質量較大，固有頻率低，所以工作頻帶較窄；非接觸式傳感器的動態特性比接觸式傳感器要好。

傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后，首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。4．線性范圍傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩定性。影響傳感器長期穩定性的因素除傳感器本身的結構特性外，主要是傳感器的使用環境。因此，要使傳感器具有良好的穩定性，傳感器必須要有較強的環境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環境進行調查，并根據具體的使用環境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環境的影響。傳感器的穩定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩定性要求就更嚴格，要能夠經受住長時間的考驗。5．穩定性精度是傳感器的一個重要性能指標，它是關系到整個測量系統測量精度的一個重要環節。傳感器的精度越高，其價格就越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。6．精度7．工作方式03在線測試與非在線測試。02破壞性檢驗與非破壞性檢驗。01接觸測量與非接觸測測量。

選用傳感器時還要兼顧結構簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修等因素。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。8．其他電阻應變片無論是金屬絲式應變片、箔式應變片還是半導體應變片，其結構基本相同，如圖所示。它由覆蓋層1、基底2、引線3、敏感柵5經黏合劑黏合而成。使用時，將應變片貼在被測構件或傳感器的彈性敏感元件上，使應變片與被測構件或傳感器的彈性元件一同發生變形，其電阻值因變形而發生變化，電阻的變化值與應變值有一定的函數關系，從而實現應變——電阻的轉換。1．電阻應變片的結構和工作原理3.1.1電阻應變式傳感器金屬柵應變片的電阻值變化與所感受到的應變值之間的函數關系可以根據物理學的基本原理導出。一根導體的原始阻值為

r

—此導體的電阻率;

L

—電阻絲的長度（m）；

A

—電阻絲的橫截面面積(

)。金屬柵應變片的工作原理當電阻絲在長度方向變形時，其長度

L，截面積

A和電阻率r

均會發生變化，三者的變化都會引起電阻值

R的變化。設3個因素各有增量

dL、dA

、dr，它們所引起的

dR可由多元函數微分推導得到制造應變電阻絲所用的材料在傳統上常用的是金屬材料，但在近代興起的半導體材料制作的應變片也已經進入了實際應用。制作金屬應變片的材料有銅鎳合金、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金以及某些貴重金屬如鉑和鉑鎢合金等。它們的靈敏度

在1.7～3.6之間。金屬柵應變片的結構形式在早期是用金屬絲排布粘貼在基底上而成；近代采用了照相光刻工藝而制成金屬箔式應變片，如圖a所示。這種工藝適合于大批量生產，金屬箔與基底的黏結較金屬絲可靠，而且適合于做成各種不同的復雜形狀，如圖b～圖d所示為用來測量兩個方向、三個方向以至多個方向應變的組合應變片，常稱為應變花。半導體應變片是利用半導體材料的壓阻效應制成的一種純電阻性元件。壓阻效應是指沿半導體晶體的某一軸向施加一定的載荷而產生應力時，它的電阻率發生變化的現象。半導體應變片的工作原理半導體應變片的靈敏系數在100～175之間，比金屬應變片要大數十倍，這是它的一個突出優點。半導體應變片性能上的一個嚴重缺陷是應變片靈敏系數隨溫度變化較大，這一缺點可以用對半導體材料進行適當地摻雜來加以改善。半導體應變片還具有機械滯后小、橫向效應小、本身體積小等優點，但也還有靈敏系數的離散性大、大應變下的非線性大等缺點。應變片在使用時需將其粘貼在被測構件上，粘貼的工藝和黏結劑很重要，在購置成品應變片后，使用時的誤差、可靠性等完全取決于粘貼的工藝。對被測構件表面的打磨、清洗、膠層涂布、黏結以及膠層固化等各工序均應充分重視，否則會嚴重影響使用效果，甚至導致測試失敗。應變片黏結膠通常有賽璐珞、酚醛樹脂、502膠、環氧樹脂等。高溫情況下使用無機黏結劑如專用陶瓷等，這些材料應根據實際使用條件選擇，以保證足夠的黏結強度、絕緣性能、抗蠕變性能、溫度范圍等技術要求以及弱的吸潮性和黏結操作方便等。電阻應變片的使用應變片敏感柵材料的電阻溫度系數在溫度變化時引起的電阻值變化，可表達為2．電阻應變片的誤差及其補償溫度誤差—因溫度變化而引起的電阻變化數值；—敏感柵材料的電阻溫度系數，即單位溫度變化引起的電阻值相對變化；—相對于校準溫度的溫度變化量。敏感柵材料線膨脹系數與被測材料的線膨脹系數不一致，在溫度變化時會引起附加應變，這可以從下面分析中得到定量表達。應變絲由于溫度變化引起的相對伸長為被測材料連同基底由于溫度變化引起的相對伸長為電阻應變片的靈敏度

隨溫度的變化而變化。溫度變化后應變片的靈敏度為ST，這樣，同樣的被測應變在溫度變化后通過應變電阻絲測出來后，折算出的應變值變為考慮上述各主要因素，具有被測應變

在溫度變化時應變片所表達出的應變值為應變片黏結在被測構件上所測得的應變，一般認為是應變片中心點的應變。但在測量一個應變非均勻分布的構件應變時，若應變片基長較長，在此基長內的應變是不均勻分布的，即在同一瞬間應變片在基長上的不同點所感受的應變是不同的值。應變片總體反映的應變是長度方向上所感受的不同應變值的平均值，這與設想中的應變片中心點的應變值存在著差異，從而造成了誤差。應變非均勻分布時的測量誤差非線性誤差利用電路特性進行補償采用并聯電阻補償利用P-N組合型補償利用預應力補償利用半導體應變片自身特性補償將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數的傳感器。典型應用例如圖所示。其中，加速度傳感器由懸臂梁、質量塊和基座組成。測量時，基座固定在振動體上，懸臂梁相當于慣性系統的“彈簧”。工作時，梁的應變與質量塊相對于基座的位移成正比。由力學的二階運動方程式可推導出梁的應變與振動體的加速度成正比。貼在梁上的應變片把應變轉換為電阻的變化，再通過電橋轉換為電壓輸出。3．電阻式傳感器應用舉例典型應變式傳感器荷重傳感器是皮帶秤的關鍵組成部件，采用半導體力敏應變片作為敏感元件，雖然在同樣壓力下它的彈性變形較金屬箔式應變片小，但其靈敏度卻要高得多；這種傳感器靈敏度可達7~10mV/kg，額定壓力為5kg的荷重傳感器可輸出50mV左右的電壓。電子皮帶秤工作原理如圖所示。半導體力敏應變片在電子皮帶秤上的應用1－電磁振動給料機；2－物料；3－秤架；4－力敏荷重傳感器（包括放大器）；5－支點；6－減速電機；7－環形皮帶；8－料倉當未給料時，整個皮帶秤質量通過調節秤架上的平衡錘使之自重基本作用在支點5上，僅留很小一部分壓力作為傳感器預壓力。當電磁振動機開始給料時，通過皮帶運動，使物料平鋪在皮帶上。此時皮帶上物料的質量一部分通過支點傳到基座上，另一部分作用于傳感器上。當傳感器受力后，傳感器中的彈性元件將產生變形，因此，粘貼于彈性元件的力敏應變電橋就有電壓信號

U

輸出，其值為

—應變電橋的電源電壓；

—應變片電阻的相對變化。上面兩類都是力（集中力和均勻分布力）直接作用在彈性元件上，將力轉換為應變。然而加速度是運動參數，所以首先要經過質量彈簧的慣性系統將加速度轉換為力

，再將力作用在彈性元件上。加速度傳感器的結構如圖所示。在等強度梁2端固定慣性質量塊l，梁的另一端用螺釘固定在殼體6上，在梁的上下兩面粘貼應變片5，梁和慣性塊的周圍充滿阻尼液（硅油）3，用以產生必要的阻尼。測量加速度時，將傳感器殼體和被測對象剛性連接。當有加速度作用在殼體上時，由于梁的剛度很大，慣性質量也以同樣的加速度運動。其產生的慣性力正比于加速度a的大小，慣性力作用在梁的端部使梁產生變形，限位塊4保護傳感器在過載時不被破壞。這種傳感器在低頻振動測量中得到廣泛的應用。應變式加速度傳感器1－慣性質量塊；2－等強度梁；3－阻尼液；4－限位塊；5－應變片；6－殼體壓阻式固態壓力傳感器由外殼、硅膜片和引線組成，簡單結構如圖所示，其核心部分是一塊圓形的膜片。在膜片上，利用集成電路的工藝方法設置4個阻值相等的電阻，構成精密全橋測量電路。膜片的四周用一圓環（硅環）固定，膜片的兩邊有兩個壓力腔：一個是和被測系統相連接的高壓腔；另一個是低壓腔，通常和大氣相通。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片上各點存在應力。4個電阻在應力作用下，阻值發生變化，電橋失去平衡輸出相應的電壓。電壓和膜片兩邊的壓力差成正比。這樣，測得不平衡電橋的輸出電壓，就能求得膜片所受壓力差的大小。固態壓力傳感器線性電位器的理想空載特性曲線應具有嚴格的線性關系，圖中為電位器式位移傳感器原理圖。1．電位器式傳感器的工作原理3.1.2電位器式傳感器如果把它作為變阻器使用，且假定全長為

xmax的電位器其總電阻為

Rmax，電阻沿長度方向的分布是均勻的，則當滑臂由A向B移動

x后，A點到滑臂間的電阻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Umax

，則輸出電壓為圖中為電位器式角度傳感器，作為變阻器使用，則電阻與角度的關系為線性線繞電位器的特性穩定，制造精度容易保證。線性線繞電位器的骨架截面應處處相等，并且由材料均勻的導線按相等的節距繞成。線性線繞電位器示意圖如圖所示。對由線性線繞電位器制成的位移傳感器來說，其靈敏度為非性電位器是指在空載時其輸出電壓（或電阻）與電刷行程之間具有非線性函數關系的一種電位器，也稱函數電位器。它可以實現指數函數、對數函數、三角函數及其他任意函數，因此可滿足控制系統的特殊要求，也可滿足傳感、檢測系統最終獲得線性輸出的要求。常用的非線性線繞電位器有變骨架式、變節距式、分路電阻式及電位給定式4種。由于測量領域的不同，電位器的結構及材料選擇會有所不同。但是其基本結構是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件及活動電刷組成。常用的線繞式電位器的電阻元件由金屬電阻絲繞成。2．電位器式傳感器的應用電位器式位移傳感器常用于測量幾毫米到幾十米的位移，或幾乎到

的角度。如圖3-10所示的推桿式位移傳感器可測量5～200mm的位移，可在溫度為±50℃，相對濕度為98%（=20℃），頻率300Hz以內，以及300m/s2加速度的振動條件下工作，精度為2%，電位器的總電阻為1500。傳感器由外殼1，帶齒條的推桿2，以及由齒輪3～5組成的齒輪系統，將被測位移轉換成旋轉運動，旋轉運動通過爪牙離合器6傳送到線繞電位器的軸8上，電位器軸8上裝有電刷9，電刷9因推桿位移而沿電位器繞組11滑動，通過軸套10和焊在軸套上的螺旋彈簧7及電刷9輸出電信號，彈簧7還可保證傳感器的所有活動系統復位。1－外殼；2－推桿；3～5－齒輪；6－爪牙離合器；7－螺旋彈簧；8－電位器的軸；9－電刷；10－軸套；11－電位器繞組電位器式壓力傳感器如圖所示。彈性敏感元件膜盒的內腔通過被測流體，在流體壓力作用下，膜盒的中心產生彈性位移，推動連桿上移，使曲柄軸帶動電位器的電刷在電位器繞組上滑動，因而輸出一個與被測壓力成比例的電壓信號。

圖中為電位器式加速度傳感器。慣性質量塊在被測加速度的作用下，使片狀彈簧產生正比于被測加速度的位移，從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動，輸出一個與加速度成比例的電壓信號。電位器式加速度傳感器的優點是結構簡單、價格低廉、性能穩定、能承受惡劣環境條件、輸出信號大，因此在火箭上仍被采用。缺點是精度不高、動態響應較差、不適于測量快速變化量。自感式傳感器將被測量的變化轉換成線圈本身自感系數的變化。如圖為其工作原理示意圖。1．自感式傳感器3.2.1電感式傳感器的工作原理傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵組成，在鐵芯與銜鐵之間有空氣隙

d。當線圈中通以交變電流

i時，在線圈中產生磁通

Fm，其大小與激勵電流成正比，即根據磁路的歐姆定律，將上面兩式合并，可以得到線圈的自感磁路的磁阻由鐵芯的磁阻和空氣隙的磁阻串聯而成。由于鐵芯的磁導率遠高于空氣的磁導率，其磁阻與空氣隙的磁阻相比可以忽略不計，因此有傳感器線圈的自感

為因此，當鐵芯的磁導率

m0、導磁截面積

A及線圈的匝數一定時，空氣隙d

的改變將使線圈的自感

發生變化，自感

與空氣隙

之間的關系為反比關系，如圖所示。據此原理制成的傳感器稱為變氣隙式自感傳感器。傳感器的靈敏度

S為1－差動線圈；2－鐵芯；3－銜鐵；4－測桿；5－套筒；6－工件；7－轉軸靈敏度

S與空氣隙

d的平方成反比，說明傳感器在不同的工作氣隙下靈敏度不為常數，因此存在理論上的非線性誤差。為限制傳感器的非線性誤差大小，通常是使傳感器在初始氣隙

d0附近較小的范圍

±Dd

內工作，則此時的靈敏度為當

時，靈敏度近似為一常數，輸入輸出近似保持線性關系。因此，這種傳感器的工作范圍通常取為

≤0.1。

選取主要與結構制造工藝性及靈敏度要求有關。上述自感傳感器只有一個工作線圈（稱為單圈式），因此靈敏度較低，線性差，工作范圍小，目前已很少使用。圖a為差動式自感傳感器，當銜鐵在平衡位置（

）附近有一個位移

時，兩線圈的空氣隙一個變為

，另一個變為

，從而使它們的自感

和

也一個增大，一個減小，兩個線圈自感的差值

也隨之發生變化。根據單圈式自感傳感器原理，有這種傳感器的測量電路一般是把兩個線圈分別接在交流電橋相鄰的兩個橋臂上，如圖b所示，當輸入

x（即

）發生變化時，

與x

基本上為一線性關系，電橋的輸出

又正比于

，因此電橋的輸出也與輸入x

基本保持線性關系，如圖c所示。將傳感器做成差動式，不僅使靈敏度比單圈式提高了一倍，而且大大改善了傳感器的非線性，同時還在一定程度上實現了對某些誤差的補償（諸如環境條件變化、鐵芯材料的磁特性不均勻等）。目前常用的自感式傳感器有以下3種類型：變面積型、變間隙型、螺管插鐵型。如圖所示。1－差動線圈；2－鐵芯；3－銜鐵；4－測桿；5－套筒；6－工件；7－轉軸互感式傳感器是將非電量轉換成線圈間互感

的一種磁電機構，是根據電磁感應中的互感原理工作的。互感原理指的是當某一線圈中通以交變的電流時，在其周圍產生交變的磁通，因而在其鄰近的線圈上感應出感生電動勢。如圖所示，當初級線圈

通入交流電流

時，次級線圈

上便產生感生電動勢

，其大小與

對時間的變化率成正比，即2．互感式傳感器在圖中，磁路設計成開磁路（磁路中有導磁能力的鐵芯相差很大的空氣隙），此時互感

M是下面一些參數的函數如圖所示為差動變壓器式傳感器的工作原理示意圖。傳感器由一個初級線圈

和兩個結構參數完全一致的次級線圈

、

組成，

、

構成兩個變壓器，由于它們的感生電動勢

和

采取反串連接（同極性端接在一起，如圖所示）構成差動連接而得名。兩個變壓器的初、次級線圈之間的耦合程度（互感

、

）與磁芯P的位置有關。理論分析表明，當磁芯插入次級線圈的深度為

、

時，有設磁芯處在中間位置時插入兩次級線圈的深度為

，當磁芯向上移動

后，磁芯插入

、

的深度分別變為

和

，輸出電壓

為如圖所示為變間隙電感式氣體壓力傳感器示意圖。它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成。銜鐵與膜盒的上端連在一起。當壓力作用于膜盒時，膜盒的頂端在壓力

的作用下產生與其大小成正比的位移。于是銜鐵也發生移動，從而使氣隙發生變化，流過線圈的電流也發生相應的變化，電流表指示值即反映被測壓力的大小。1．變間隙電感式氣體壓力傳感器3.2.2電感式傳感器的應用圖中為差動變壓器式加速度傳感器結構示意圖和測振電路方框圖。用于測定振動物體的頻率和振幅時其勵磁頻率必須是振動頻率的10倍以上，這樣才可以得到精確的測量結果。可測量的振幅范圍為0.1～0.5mm，振動頻率一般為0～150Hz。2．差動變壓器式加速度傳感器圖中為微壓力傳感器的結構示意圖，在被測壓力為零時，膜片在初始位置狀態，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，因而輸出為零。當被測壓力由接頭傳入膜盒時，其自由端產生一正比于被測壓力的位移，并帶動銜鐵在變壓器線圈中移動，從而使差動變壓器輸出電壓經相敏檢波、濾波后其輸出電壓可反映被測壓力的數值。3．微壓力傳感器圖中為電感式油壓傳感器的結構圖。由無定形合金膜片、線圈、鐵氧體構成磁路，它們之間的隔墊使無定形合金膜片和鐵氧體之間形成氣隙。當液壓油從入口進入傳感器后，無定形合金膜片的中間部分將向下產生變形，它不但使氣隙發生變化，而且由此產生的應力還會使無定形合金膜片本身的磁導率發生變化，如圖所示，從而使線圈的電感量也發生變化，用檢測電路測出這種變化，也測得了油壓的大小。4．電感式油壓傳感器變隙式差動電感式壓力傳感器的結構如圖3所示。它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。當被測壓力進入C形彈簧管時，C形彈簧管產生變形，其自由端發生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動，使線圈1和線圈2中的電感量發生大小相等、符號相反的變化，即一個電感量增大，一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉換成電壓輸出。由于輸出電壓和被測壓力之間成正比關系，所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。5．變隙式差動電感式壓力傳感器由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容，如果不考慮邊緣效應，其電容應為3.3.1電容式傳感器的工作原理和結構當被測參數變化使得式中的

，d或

發生變化時，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數不變，而僅改變其中一個參數，就可把該參數的變化轉換為電容量的變化，通過測量電路就可以轉換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數型3種。如圖所示為常用電容式傳感器的結構形式，其中圖（b）、（c）、（d）、（f）、（g）、（h）為變面積型，圖（a）和圖（e）為變極距型，而圖（i）～圖（l）則為變介電常數型。如圖所示是空氣介質變極距型電容式傳感器的工作原理圖。圖中一個電極板固定不動，稱固定極板，另一極板可左右移動，引起極板間距離

d相應變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測出電容變化量

，便可測得極板間距的變化量，即動極板的位移量

，變極距型電容式傳感器的初始電容

可由下式表達，即3.3.2變極距型電容式傳感器這種處理的結果，使得傳感器的相對非線性誤差增大，如圖所示。為了改善這種狀況，可采用差動變極距型電容式傳感器，這種傳感器的結構如圖所示。它有3個極板，其中兩個極板固定不動，只有中間極板可以產生移動。當中間活動極板在平衡位置時，即

，則

，如果活動極板向右移動

，則

，采用上述相同的近似線性處理方法，可得傳感器電容總的相對變化，為可以看出，在

較小時，對于同樣的

變化所引起的

可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但

過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數的材料（如云母、塑料膜等）作介質，如圖所示，此時電容C變為圖中為變面積型電容式傳感器結構原理圖。被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積

A改變，從而得到電容量的變化。當動極板相對于定極板沿長度方向平移

時，則電容變化量為3.3.3變面積型電容式傳感器圖中是電容式角位移傳感器原理圖。當動極板有一個角位移

時，有效覆蓋面積就發生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當

=0時和，分別有圖中為一種變極板間介質的電容式傳感器用于測量液位高低的結構原理圖。設被測介質的介電常數為

，液面高度為

h，變換器總高度為

H，內筒外徑為

d，外筒內徑為

D，此時變換器電容值為3.3.4變介質型電容式傳感器變介質型電容式傳感器有較多的結構形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體介質的濕度。圖中為一種常用的結構形式。圖中，兩平行電極固定不動，極距為

，相對介電常數為

的電介質以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質的極板覆蓋面積。傳感器總容量

C

為若電介質=1，當=0時，傳感器初始電容

。當被測介質

進入極板間

深度后，引起電容相對變化量為

圖中為差動式電容加速度傳感器結構圖。它有兩個固定極板（與殼體絕緣），中間有一用彈簧片支撐的質量塊，此質量塊的兩個端面經過磨平拋光后作為可動極板（與殼體電連接）。當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時，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產生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。電容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應快和量程范圍大，大多采用空氣或其他氣體作阻尼物質。1．電容式加速度傳感器3.3.5電容式傳感器的應用圖中為差動式電容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。當被測壓力或壓力差作用于膜片并產生位移時，所形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。該電容的變化經測量電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化。2．電容式壓力傳感器差動式電容測厚傳感器的測量原理如圖所示。音頻信號發生器產生的音頻信號，接入變壓器T的一次繞組，變壓器的兩個繞組作為測量電橋的兩臂，電橋的另外兩橋臂由標準電容

和帶材與極板形成的被測電容

（

）組成。電橋的輸出電壓經放大器放大后整流為直流，再經差動放大，即可用指示電表指示出帶材厚度的變化。3．差動式電容測厚傳感器圖中為電容式荷重傳感器的結構示意圖。它是在鎳鉻鉬鋼塊上加工出一排尺寸相同且等距的圓孔，在圓孔內壁上黏結有帶絕緣支架的平板式電容器，然后將每個圓孔內的電容器并聯。當鋼塊端面承受載荷

F作用時，圓孔將產生變形，從而使每個電容器的極板間距變小，電容量增大。電容器容量的增值正比于被測載荷F

。4．電容式荷重傳感器將一個通以正弦交變電流

，頻率為

，外半徑為

的扁平線圈置于金屬導體附近，則線圈周圍空間將產生一個正弦交變磁場

，使金屬導體中感應電渦流

，

又產生一個與

方向相反的交變磁場

，如圖所示。根據楞次定律，金屬導體感生的磁場

必然削弱線圈的磁場

。由于磁場

的作用，渦流要消耗一部分能量，導致傳感器線圈的等效阻抗發生變化。線圈阻抗的變化取決于被測金屬導體的電渦流效應。而電渦流效應既與被測導體的電阻率

、磁導率

以及幾何形狀有關，還與線圈的幾何參數、線圈中勵磁電流頻率有關，同時還與線圈與導體間的距離有關。3.4.1電渦流式傳感器的工作原理傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗

的函數關系式為當被測物體和傳感器探頭被確定以后，影響傳感器線圈阻抗

的一些參數是不變的，此時只有線圈與被測導體之間的距離

的變化量與阻抗

有關，如果通過檢測電路測出阻抗

的變化量，也就實現了對被測導體位移量的檢測。以上就是電渦流式位移傳感器的基本工作原理。根據線圈等效阻抗的函數表達式，電渦流傳感器的其他用途見表。電渦流傳感器主要用途

下面就以電渦流強度與距離的關系為例介紹傳感器的工作原理。實驗證明，當傳感器線圈與被測導體的距離

發生變化時，電渦流分布特性并不改變，但電渦流密度將發生相應的變化，即電渦流強度將隨距離

的變化而變化，且呈非線性關系，隨距離

的增加而迅速減小，如圖所示。

另外被測導體的一些特性也會對傳感器靈敏度產生影響。被測導體的電阻率

和磁導率

越小，傳感器的靈敏度越高。另外被測導體的形狀和尺寸大小對傳感器的靈敏度也有影響。由于電渦流式位移傳感器是高頻反射式渦流傳感器，因此，被測導體必須達到一定的厚度，才不會產生電渦流的透射損耗，使傳感器具有較高的靈敏度。一般要求被測導體的厚度大于2倍的渦流穿透深度。圖是被測導體為圓柱形時，被測導體直徑與傳感器靈敏度的關系曲線。從曲線可知，只有在

大于3.5時，傳感器靈敏度才有穩態值。

透射式電渦流厚度傳感器的結構原理如圖所示。在被測金屬板的上方設有發射傳感器線圈

，在被測金屬板下方設有接收傳感器線圈

。當在

上加低頻電壓

時，

上產生交變磁通

，若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至

中，

產生感應電壓

。如果將被測金屬板放入兩線圈之間，則

線圈產生的磁場將導致在金屬板中產生電渦流，并將貫穿金屬板，此時磁場能量受到損耗，使到達

的磁通將減弱為

，從而使產生的感應電壓

下降。金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓

就越小。因此，可根據

電壓的大小得知被測金屬板的厚度。透射式電渦流厚度傳感器的檢測范圍可達1~100mm，分辨率為0.1μm，線性度為1%。1．低頻透射式電渦流厚度傳感器3.4.2電渦流式傳感器的應用

電渦流式轉速傳感器工作原理如圖所示。在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面

處設置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉軸相連。2．電渦流式轉速傳感器

圖中是應用高頻反射式電渦流傳感器檢測金屬帶材厚度的原理框圖。為了克服帶材不夠平整或運行過程中上、下波動的影響，在帶材的上、下兩側對稱地設置了兩個特性完全相同的渦流傳感器

和

。

和

與被測帶材表面之間的距離分別為

和

。若帶材厚度不變，則被測帶材上、下表面之間的距離總有“

常數”的關系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為

，數值不變。3．高頻反射式電渦流厚度傳感器電渦流位移計是根據高頻反射式渦流傳感器的基本原理制作的。電渦流位移計可以用來測量各種形狀試件的位移量，具體使用如圖所示。電渦流位移計測量位移的范圍可以從0～1mm至0～30mm，個別產品已達80mm。一般的分辨率為滿量程的0.1%，也有達到0.5μm的（其全量程為0～5μm）。例如，CZFI——1000型傳感器與BZF-1、ZZF-5310型配套時，有0～1mm、1～3mm、0～5mm等幾種主要類型傳感器，其分辨率為0.1%。另外，凡是可變成位移量的參數，都可以用電渦流式傳感器來測量，如鋼水液位、紗線張力和液體壓力等。4．高頻反射式電渦流位移傳感器壓電傳感器大都是利用壓電材料的正壓電效應制成的。在電聲和超聲工程中也有利用逆壓電效應制作的傳感器。壓電轉換元件受力變形的狀態可分為幾種基本形式，如圖所示。但由于晶體的各向異性，并非所有的壓電晶體都能同時具有這幾種形式的壓電效應。例如，石英晶體就沒有體積變形（VT）壓電效應，但具有良好的厚度變形（TE）和長度變形（LE）壓電效應。1．正、逆壓電效應3.5.1壓電效應和壓電材料（a）厚度受壓型；（b）長度受壓型；（c）體積受壓型；（d）厚度切變型；（e）平面切變型石英晶體的化學成分是

，是單晶體結構，理想形狀為六角錐體，如圖所示。石英晶體是各向異性材料，不同方向具有各異的物理特性，用

x、

y、z

軸來描述。2．石英晶體晶體上產生電荷的極性與受力的方向有關。若在

x軸方向施加作用力，則在加壓的兩表面上分別出現正、負電荷。若在

y軸上施加壓力時，則在加壓的表面上不出現電荷，電荷仍出現在垂直于

z軸的表面上，只是電荷的極性相反。若將

x、

y軸方向施加的壓力改為拉力，則產生電荷的位置不變，只是電荷的極性相反，如圖所示。壓電陶瓷是一種人工合成的多晶體壓電材料。其內部是由無數個細微的單晶體組成的，每個晶體具有一定的極化方向，在無外電場作用下，晶粒雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此壓電陶瓷此時呈中性，即原始的壓電陶瓷不具有壓電性質，如圖a所示。3．壓電陶瓷（多晶體）

當在陶瓷上施加外電場時，晶粒的極化方向發生轉動，趨向按外電場方向排列，從而使材料整體得到極化。外電場越強，極化程度越高，讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和程度，即所有晶粒的極化方向都與外電場的方向一致，此時，去掉外電場，材料整體的極化方向基本不變，即出現剩余極化，這時的材料就具有了壓電特性，如圖b所示。可見，壓電陶瓷要具有壓電效應，必須要有外加電場和壓力的共同作用。3.5.2壓電式傳感器等效電路和靈敏度在壓電晶片的兩個工作表面（

平面）上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜并引出兩根引線作為電極，就構成了基本的壓電傳感器，如圖所示。在外力作用下，傳感器的兩個工作表面上產生極性相反、數量相等的電荷，形成電場。兩個金屬極板構成一電容器。壓電傳感器工作表面上所產生的電荷

及傳感器的固有電容

為等效電路一。一個電荷源與一個電容器的并聯，如圖a所示。等效電路二。一個電壓源與一個電容器的串聯，如圖b所示。等效電路三。由于壓電傳感器并非開路工作，它要通過電纜與后面的前置放大器相連，所以壓電傳感器完整的等效電路還應包括傳感器的固有電阻

、電纜電容

、放大器的輸入電阻

、放大器的輸入電容

的影響，如圖c所示。等效電路四：將所有的電阻及所有的電容合并，得到如圖d所示的等效電路。其后接的前置放大器對傳感器上產生的電荷或形成的電壓作進一步的轉換、放大。根據前置放大器的輸出與傳感器上的電荷、電壓之間的關系，壓電傳感器有兩種靈敏度。電荷靈敏度

。單位作用力所產生的電荷，即電壓靈敏度

。單位作用力所形成的電壓，即由于

，因此不難得到電荷靈敏度與電壓靈敏度之間的關系為電荷靈敏度

僅與壓電材料有關，傳感器制成后其值基本上就保持不變了，由廠家提供所標定出的結果。而電壓靈敏度

除與

有關外，還與傳感器的內、外電路特性（即

C）有關。例如，如果傳感器在使用過程中更換了電纜，則電纜電容

要發生改變，電壓靈敏度也要隨之發生變化。1．壓電式力傳感器3.5.3壓電式傳感器的應用單向力傳感器如圖所示的單向力傳感器用來測量與傳感器承載面相垂直的外力——法向力

，即所謂“測力墊圈”。三向力傳感器三向力傳感器可以對空間任一個或多個力同時進行測量，分解并合成到三個坐標軸上輸出。在壓電元件上，以一定的預緊力安裝一個質量塊，質量塊上有一彈簧片，這是典型的慣性式傳感器，如圖a所示，其簡化的單自由度力學系統如圖3b所示。2．壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器的工作原理壓電式加速度傳感器質量塊的運動規律可用下式表述：壓電式加速度傳感器的阻尼比非常小，一般為0.04，可以忽略不計。在設計加速度傳感器時，要盡量提高加速度傳感器的無阻尼諧振頻率。在

，即加速度傳感器的無阻尼諧振頻率遠遠大于物體的振動頻率時，有這就說明，質量塊的相對位移

x與物體振動加速度

成正比。壓電元件在質量塊的慣性力作用下，輸出的電荷量對同一個加速度傳感器而言，其

，

均為常數。所以傳感器輸出的電荷

與物體被測振動加速度

成正比，這樣就達到了壓電式傳感器測加速度的目的。壓電式加速度傳感器的結構和特點基座壓縮型如圖所示，它主要由基座、壓電元件、質量塊和預緊件組成。施加預應力的目的在于消除質量塊及壓電元件間因加工粗糙所造成的非線性等問題。這種結構比較簡單，可以得到高靈敏度和高的諧振頻率。其缺點是易受外界條件，如基座應變、溫度變化及聲場等影響，國外20世紀70年代中期已基本淘汰了這種結構。中心壓縮型如圖所示，它主要由基座、中心螺桿、壓電元件、質量塊及預緊螺母組成。它的外殼與質量彈簧系統不直接接觸，可隔離一部分外界干擾，可用于大數值加速度的測量。倒置中心壓縮型如圖所示，將中心壓縮型倒置在一個特別的隔離基座上，可以進一步消除基座應變引起的干擾。但其結構加工裝配困難。對于標準加速度傳感器可采用此種形式，如丹麥BK公司的8305型標準加速度傳感器即屬此種類型。04隔離基座壓縮型05隔離基座預載套筒壓縮型06環形剪切型07“中空”環形剪切型08平面剪切型101291113三角剪切型圓錐剪切型隔離剪切型彎曲型剪切、壓縮復合型圖中為可用于中、高壓動態測量的活塞式壓力傳感器結構示意圖。這種早期使用的活塞式傳感器的特點是結構簡單，零件可拆卸更換，但它要求活塞與活塞孔之間有合適的配合精度。為了使氣體壓力通過活塞桿傳遞到石英晶片的過程中盡量減小能量損失，要求活塞桿硬度達到50HRC以上，且要求殼體有較高的剛度，否則，氣體將會滲入傳感器內部使測量無法進行。3．壓電式壓力傳感器

與活塞式相比，膜片式壓力傳感器具有頻響高、使用方便、穩定性好等優點，目前使用比較廣泛。圖中為膜片式高壓傳感器的結構示意圖。這種傳感器靈敏度一般較低，固有頻率較高，適用于高頻高壓力的測量，如火炮膛壓。膜片一般為鐘罩形膜片或平膜片，鐘罩形膜片通常有一個硬中心。如圖所示，一塊長為l、寬為b、厚為d的半導體，置于磁感應強度為B的外磁場中，當有電流流過時，半導體中電子所受到的洛侖茲力為3.6.1霍爾元件的工作原理在力

的作用下，電子被推向半導體一側，并在該側面上形成電子積累，而在另一側則形成正電荷積累，從而在半導體的兩側面產生靜電場。該電場阻止電子繼續向側面偏移，當電子所受到的電場力

與

相等時，電子的積累就達到動平衡，即用以產生霍爾效應的載流體，在其相應的側面上裝上電極后即構成霍爾元件。表征霍爾元件特性的參數有傳遞系數

、霍爾系數

，霍爾元件的靈敏度

；表征載流體特性的載流體的電阻率

與霍爾系數

及載流體遷移率

之間存在如下關系由上式可知，任何載流子遷移率不等于零的材料，在一定條件下都能產生霍爾電勢，但并不都是制造霍爾元件的理想材料。3.6.2霍爾元件的結構圖中是一種用濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件的結構，它由襯底、十字形霍爾元件、電極引線及磁性體頂端等構成。十字形霍爾元件4個端部的引線，有一對是電流輸入端，另一對為霍爾電壓輸出端。鐵磁體頂端是為了集中磁力線和提高元件靈敏度設置的，它的體積越大，元件的輸出靈敏度越高。國產YSH-I型霍爾壓力變送器轉換機構如圖所示。霍爾式壓力傳感器由兩部分組成。一部分是彈性敏感元件的膜盒用以感受壓力

，并將

轉換為彈性元件的位移量

x，即

，其中系數

為常數。另一部分是霍爾元件和磁系統，磁系統形成一個均勻梯度磁場，在其工作范圍內

，其中斜率

為常數；霍爾元件固定在彈性元件上，因此霍爾元件在均勻梯度磁場中的位移也是x

。這樣，霍爾電勢

與被測壓力

之間的關系就可表示為

，式中

為霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度。1．YSH-I型霍爾壓力變送器3.6.3霍爾傳感器的應用圖中為霍爾加速度傳感器的結構原理和靜態特性曲線。在盒體上固定均質彈簧片S，片S的中部裝一慣性塊M，片S的末端固定測量位移的霍爾元件H，H的上下方裝上一對永磁體，它們同極性相對安裝。盒體固定在被測對象上，當它們與被測對象一起作垂直向上的加速運動時，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件H產生一個相對盒體的位移，產生霍爾電壓

的變化。可從

與加速度的關系曲線上求得加速度。2．霍爾加速度傳感器

應用霍爾元件制造的傳感器很多，這里介紹霍爾計數裝置。由于霍爾開關集成傳感器具有較高的靈敏度，它能感受到很小的磁場變化，因而可以對黑色金屬零件的有無進行檢測。可以利用這一特性制成計數裝置，圖中就是對鋼球進行計數的工作示意圖和電路圖。3．霍爾計數裝置鍵盤是電子計算機系統中的一個重要的外部設備，早期的鍵盤都采用機械接觸式，在使用過程中容易產生抖動噪聲，系統的可靠性較差。霍爾式無觸點開關的每個鍵上都有兩小塊永久磁鐵，當按鈕未按下時，磁鐵處于如圖a所示位置，通過霍爾傳感器的磁力線是由上向下的。當按下按鈕時，磁鐵處于如圖b所示位置，這時通過霍爾傳感器的磁力線是由下向上的。霍爾傳感器輸出不同的狀態，將此輸出的開關信號直接與后面的邏輯門電路連接使用。這類鍵盤開關工作十分穩定可靠，功耗很低，動作過程中傳感器與機械部件之間沒有機械接觸，使用壽命特別長。4．無觸點開關圖中是幾種不同結構的霍爾式轉速傳感器。磁性轉盤的輸入軸與被測轉軸相連，當被測轉軸轉動時，磁性轉盤隨之轉動，固定在磁性轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產生一小相變的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數，便可知被測轉速。磁性轉盤上小磁鐵數目的多少決定了傳感器測量轉速的分辨率。5．霍爾式轉速傳感器兩種不同導體A與B串接成一閉合回路，如果兩接點1和2出現溫差，在回路中就有電流產生。這種由于溫度不同而產生電動勢的現象稱為熱電效應。這兩種不同導體的組合稱為熱電偶。熱電效應如圖所示。