傳感器概述

我們生活的世界是由物質組成的，一切物質都處在永恒不停的運動之中。物質的運動形式很多，它們通過化學現象或物理現象表現出來。表征物質特性或其運動形式的參數很多，根據物質的電特性，可分為電量和非電量兩種。1.1電量與非電量：電量：是指物理學中的電學量，如電流、電壓、電阻、電容、電感等；非電量：除電量之外的一些參數。如壓力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、轉速、溫度、濃度、酸堿度等。

隨著科學技術的不斷進步和自動化水平的提高，對被測量動態變化過程的測量和遠距離的檢測都提出了更高的要求，這樣就提出了傳感器技術的非電量電測方法。

非電量的測量不能直接使用一般電工儀表和電工儀器測量，因為一般電工儀器和電工儀表要求輸入的是電信號，這些儀器只能測量電量。非電量需要轉換成與非電量有一定關系的電量，再進行測量。實現這種轉換技術的器件就是傳感器。（1）可進行微量檢測、精度高、反映速度快；（2）實現遠距離遙控及遙測；（3）實現無損檢測；（4）能連續進行測量、記錄及顯示；（5）可采用計算機技術對測量數據進行運算、存儲及信息處理；（6）測量安全可靠。非電量電測法的優點：1.2非電量電測系統傳感器：獲得的信息正確與否，直接關系到整個系統的測量精度。測量電路：用來將傳感器輸出的信號進行處理和變換，使其輸出的信號便于顯示或記錄。顯示電路：電信號顯示成被測非電量的數值。記錄裝置：進行記錄或由打印機將數據打印出來。1.3傳感器的定義我國國家標準（GB7665-87）中說，傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：“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”。我們的定義是：傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換成與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。（1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；（2）它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；（3）它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電物理量；（4）輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。從字面上看，傳感器的作用是一感二傳：感受被測信息，并傳送出去。含義：1.4傳感器的組成：傳感器通常由敏感元件、傳感元件、測量電路和電源組成。敏感元件：是直接感受被測量（一般為非電量）并輸出與被測量成確定關系的其他量（也可包括電量）的元件。如：膜片和波紋管可把被測壓力變成位移量。傳感元件：可以直接或間接感受被測量并輸出電量。如：熱電偶、熱敏電阻，直接感受被測量并輸出電量變化。測量電路：能把傳感元件輸出的電信號轉換為便于顯示記錄，控制和處理的有用信號的電路。如：電橋、放大、阻抗匹配等電路。電源：提供器件工作的能源。（1）有的傳感器很簡單，有的則很復雜，大多是開環系統，有些是帶反饋的閉環系統；（2）有的傳感器需要外加電源才能工作，例如：應變片組成的電橋、差動變壓器等；有的傳感器不需要外加電源才能工作。例如：壓電晶體等；（3）有的傳感器，傳感元件不只一個，要經過若干次轉換。說明：

（4）不是所有的傳感器必須包括敏感元件和傳感元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，則它同時兼做傳感元件。如：熱電偶直接感受被測量并輸出電量變化。（5）敏感元件與傳感元件在結構上常是裝在一起的，而測量電路為了減少外界的影響也希望和它們裝在一起，不過由于空間的限制或者其他原因，測量電路常裝在電箱中。盡管如此，因為不少傳感器要在通過測量電路后才能輸出電信號，從而決定了測量電路是傳感器的組成環節之一。（6）傳感器轉換能量的理論基礎都是利用物理學、化學、生物學現象和效應來進行能量形式的變換。傳感器技術就是掌握和完善這些轉換的方法和手段，是涉及傳感器能量轉換原理、材料選取與制造、器件設計等多項綜合技術。1.5傳感器的分類

由某一原理設計的傳感器可以同時測量多種非電物理量，而有時一種非電物理量又可以用幾種不同傳感器測量。

根據被測量的性質進行分類，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器及轉矩傳感器等。被測量可分為基本被測量和派生被測量兩類。例如：力可視為基本被測量，從力可派生出壓力、重量、應力和力矩等派生被測量。當需要測量這些被測量時，只要采用力傳感器就可以了。1.5.1按被測物理量分類

基本被測量派生被測量位移線位移長度、厚度、應變、振動、磨損、平面度角位移旋轉角、偏轉角、角振動速度線速度速度、振動、流量、動量角速度轉速、角振動加速度線加速度振動、沖擊、質量角加速度角振動、轉矩、轉動慣量力壓力重量、應力、力矩時間頻率周期、計數、統計分布溫度

熱容、氣體速度、渦流光

光通量與密度、光譜分布濕度

水分、水氣、露點

1.5.2按傳感器工作原理分類一、電參量式傳感器電阻式傳感器：利用變阻器將被測非電量轉換為電阻信號的原理制成。電容式傳感器：改變電容的幾何尺寸或改變介質的性質和含量，從而使電容量發生改變的原理制成。電感式傳感器:利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來改變電感或互感的電感量或壓磁效應原理制成。二、磁電式傳感器磁電式傳感器：利用導體和磁場發生相對運動而在導體兩端輸出感應電動勢的。霍爾式傳感器、磁柵式傳感器。三、壓電式傳感器利用某些物質的壓電效應為基礎。四、光電式傳感器首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電器件變換成電信號。可分為光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導纖維式。五、氣電式傳感器將被測量轉換成氣壓變化或氣流量變化信號，再進一步轉換成電信號的一種傳感器。六、熱電式傳感器根據熱電效應做成。七、波式傳感器超聲波式、微波式等。八、射線式九、半導體式傳感器以半導體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導體材料內載流子濃度或分布的變化。1.5.3按信號變換特性分：

傳感器

1.5.4按能量關系分：

傳感器

傳感器的特性主要是輸出與輸入之間的關系。當輸入量為常量或變化極慢時，這一關系就稱為靜特性；當輸入量隨時間較快地變化時，這一特性就稱為動特性。

人們總是希望傳感器的輸出與輸入具有確定的對應關系，而且最好呈線性關系。但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關系，同時由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素的影響，以及外界條件的影響，使輸出輸入對應關系的唯一確定性也不能實現。圖中的外界影響不可忽視，影響程度取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時也可以對外界條件加以限制。圖中的誤差因素就是衡量傳感器特性的主要技術指標。1.6傳感器的靜特性傳感器的靜態特性是指傳感器轉換的被測量數值處在穩定狀態時，傳感器的輸出與輸入的關系。傳感器靜態特性的主要技術指標有：線性度、靈敏度、遲滯和重復性。1．線性度傳感器的線性度是指傳感器實際輸出一輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即式中：——線性度；

——最大非線性絕對誤差；

——輸出滿度值。

線性度又稱為非線性誤差。通常總是希望輸出——輸入特性曲線成為線性，但實際的輸出——輸入特性只能接近線性，實際曲線與理論直線之間存在的偏差就是傳感器的非線性誤差。由圖可見，除圖1.1(a)為理想特性外，其他都存在非線性，都應進行線性處理。

2．靈敏度傳感器的靈敏度是指傳感器在穩定標準條件下，輸出變化量與輸入變化量的比值，即式中：

K——靈敏度，線性傳感器的靈敏度是個常數；

——輸出量的變化量；

——輸入量的變化量。

3．遲滯傳感器的遲滯是指傳感器輸入量增大行程期間和輸入量減小行程期間，輸出——輸入特性曲線不重合的程度。產生遲滯現象的主要原因是傳感器的機械部分不可避免地存在著間隙、摩擦及松動等。rH=±(1/2)(Δm/yfs)×100%Δm：正反行程間輸出的最大差值。

4．重復性傳感器的重復性是指傳感器輸入量在同一方向做全量程內連續重復測量所得輸出——輸入特性曲線不一致的程度。產生不一致的原因與產生遲滯現象是相同的。

圖中正行程的最大重復性偏差為Δm2，反行程的最大重復性偏差為Δm1。重復性偏差取這兩個偏差之中較大者為Δm，再以滿量程yfs輸出的百分數表示，即rR=±(Δm/yfs)×100%5.穩定性傳感器在長時間工作的情況下輸出量發生的變化，也稱零點飄移。測試時先將傳感器輸出調至零點或某一特定點，相隔4小時或8小時或一定的工作次數后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差為穩定性誤差。7溫度穩定性又稱溫度飄移。指傳感器在外界溫度下輸出量發生的變化。測試時先將傳感器置于一定溫度，將其輸出調至零點或某一特定點，使溫度上升或下降到一定的度數，再讀出輸出值，前后量詞輸出值之差為溫度穩定性誤差。溫度穩定性誤差用溫度每變化若干oC的絕對誤差或相對誤差表示。八、抗干擾穩定性傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。

在實際測量中，大量的被測量是隨時間變化的動態信號，這就要求傳感器的輸出不僅能精確地反映被測量的大小，還要正確地再現被測量隨時間變化的規律。傳感器的動態特性，是指在測量動態信號時傳感器的輸出反映被測量的大小和隨時間變化的能力。動態特性差的傳感器在測量過程中，將會產生較大的動態誤差。1.7傳感器的動態特性1.9傳感器的應用領域

隨著電子計算機、生產自動化、現代信息、軍事、交通、化學、環保、能源、海洋開發、遙感、宇航等科學技術的發展，對傳感器的需求量與日俱增，其應用的領域已滲入到國民經濟的各個部門以及人們的日常文化生活之中。可以說，從太空到海洋，從各種復雜的工程系統到人們日常生活的衣食住行，都離不開各種各樣的傳感器；傳感技術對國民經濟的發展日益起著巨大的作用。1．傳感器在工業檢測和自動控制系統中的應用

2．汽車與傳感器

3．傳感器與家用電器

4．傳感器在機器人上的應用

5．傳感器在醫療及人體醫學上的應用

6．傳感器與環境保護

7．傳感器與航空及航天

8．傳感器與遙感技術

1.10傳感器的發展方向1．努力實現傳感器新特性

2．確保傳感器的可靠性，延長其使用壽命

3．提高傳感器集成化及功能化的程度

4．傳感器微型化

5．新型功能材料的開發

機械式傳感器2.1彈性元件

機械式傳感器以彈性體作為傳感器的敏感元件，故又稱彈性敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形。這種變形經放大后可成為紋膜片、波紋管等；用于溫度測量的雙金屬片等。

測力計有機測法和電測法兩種。機測法中力經滾珠（保證點接觸測力，垂直輸入），再經彈簧實現機械衰減，最后經壓力表讀數。電測法是在框架彈簧上貼應變片,以彈簧應變來折算力的大小。

測力計有機測法和電測法兩種。機測法中力經滾珠（保證點接觸測力，垂直輸入），再經彈簧實現機械衰減，最后經壓力表讀數。電測法是在框架彈簧上貼應變片，以彈簧應變來折算力的大小。

壓力計有機測法和電測法兩種。機測法中壓力推動膜片、經杠桿放大顯示，或壓力使波登管伸直，經杠桿齒輪放大。電測法中壓力推動膜片、使應變片變形輸出⊿R，或波登管變形使應變片變形輸出⊿R。

溫度計（由兩溫度膨脹系數不同的金屬組成的雙金屬片,當溫度變化時會發生彎曲）。溫度計有機測法和電測法兩種。機測法中其撓度表示溫度變化。電測法中應變片受拉或壓，輸出⊿R。

機械式傳感器做成的機械式指示儀表具有結構簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數直觀等優點。但彈性變形不宜大，以減小線性誤差。此外，由于放大和指示環節多為機器傳動，不僅受間隙影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態被測量。

為了提高測量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測量轉換成位移量，然后用其他型式的傳感器(如電阻、電容、電渦流式等)將位移量轉換成電信號輸出。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現象。材料的蠕變與承載時間、載荷大小、環境溫度等因素有關。而彈性后效則與材料應力一松弛和內阻尼等因素有關。這些現象最終都會影響到輸出與輸入的線性關系。因此，應用彈性元件時，應從結構設計、材料選擇和處理工藝等方面采取有效措施。

2.2微型探測開關

上圖表示開關中的一種。它由兩個簧片組成，在常態下處于斷開狀態。當它與磁性塊接近時，簧片被磁化而接合，成為接通狀態。圖中，只有當鋼制工件通過簧片和電磁鐵之間時，簧片才會被磁化而接合，從而表達了有一件工件通過。這類開關，可用于探測物體有無、位置、尺寸、運動。

電阻式傳感器3.1電阻式傳感器

電阻式傳感器的基本原理是將被測的非電量轉換成電阻值的變化，再經過相應的測量電路顯示成被測量值的變化。按照工作原理可分為變阻器式傳感器和電阻應變片式傳感器兩類。

工作原理

變阻器式傳感器通過改變電位器觸頭位置，把位移轉換為電阻的變化。

3.1.1變阻器式傳感器（

）

式中──電阻率；

──電阻絲長度；

──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。式中電阻值單位為

。

3.1.2常見結構常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等，如下圖所示。c.粘合劑和粘貼技術

選擇粘合劑必須適合應變片材料和被測試件材料及環境。對粘合劑要求：（1）有一定的粘貼強度；（2）能準確傳遞應變；（3）有足夠的穩定性能；（4）耐濕、耐油、耐老化、耐疲勞；（5）必須絕緣。將測件貼片位置除銹打光，使其面有比應變片稍大的光滑面；定位劃線；粘貼應變片，并壓合，使粘貼劑的厚度盡量減薄。粘貼工藝

金屬箔式應變片是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵是用光刻技術制造，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，體積小，靈敏度高，散熱條件好，允許大電流工作，蠕變小，壽命長，生產效率高。因此目前使用的多為金屬箔式應變片.

（2）金屬箔式應變片，

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體上，其電阻值隨被測試件的應變而變化。（3）半導體應變片

半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。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。從半導體物理特性可知，半導體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使其電阻率發生很大變化。分析表明，單晶半導體在外力作用下，原子點陣排列規律發生變化，導致載流子遷移率及載流子濃度的變化，從而引起電阻率的變化。

應變片安裝在試件上后，在一定溫度下，其(ΔR/R)—ε的加載特性與卸載特性不重合。產生機械滯后的原因：敏感柵、基底在承受機械應變后所留下的殘余變形所引起的。最好在新安裝應變片后，做三次以上的加卸載循環后再正式測量。5.機械滯后零漂：粘貼在試件上的應變片，在溫度保持恒定、不承受機械應變時，其電阻值隨時間而變化的特性。蠕變：在一定溫度下，使其承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間而變化的特性。蠕變包含零漂，零漂是不加載的情況，蠕變是加載的情況。6.零漂與蠕變

對于已安裝好的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續工作而不產生疲勞損壞的循環次數。

7.疲勞壽命8.電阻應變片電橋電路

電阻應變片應用于力學量測量時，需要和電橋電路一起使用。

圖為輸出端接放大器的直流不平衡電橋的電路。第一橋臂接電阻應變片R1，其它三個橋臂接固定電阻。當應變片R1未受應變時，由于沒有阻值變化，電橋維持初始平衡條件。因而輸出電壓為零。A：橋臂電阻和電源電壓U決定的常數。假設：初始平衡條件；省去分母中的微量：輸出電壓正比于應變片產生的電阻變化值：

電阻應變片的溫度誤差是指由于測量現場環境溫度的改變，而給測量帶來的附加誤差。造成這種誤差的原因有兩個，一是敏感柵的本身存在溫度系數，當溫度改變時，應變片自身的標稱阻值發生變化；其二是當試件與敏感柵材料的熱膨脹系數不同時，由于環境溫度的變化，敏感柵會產生附加變形，從而產生附加電阻。

通常采用線路補償和應變片的自補償法，對應變片的溫度誤差進行補償。

9.金屬電阻應變片的溫度誤差及補償方法1.線路補償法

測量應變時，檢測應變片R1貼在被測試件的表面上，補償應變片RB貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上，但補償塊不承受外作用力，僅檢測應變片承受應變。四、應變式傳感器

由彈性元件、電阻應變片及外殼等組裝而成的裝置，為應變式傳感器。

應變式傳感器與其它類型的力學傳感器相比,具有測試范圍寬、輸出特性線性好、精度高、性能穩定、工作可靠并能在惡劣環境條件下工作的特點。應變式傳感器可用于力、壓力、加速度等力學量的測量，因此，它被廣泛應用于煤碳、化工、冶金、機械、交通及國防等許多部門。

把電阻應變片貼在傳感器的彈性元件表面，當彈性元件受力產生應變時，電阻應變片便會感受到該變化而隨之產生應變，并引起應變片電阻的變化，即一、工作原理

從上式可知，金屬材料應變系數為定值時，只要測量出應變片的值，就知道應變片的應變值。如果知道彈性元件的彈性模量E，則可根據計算出外作用應變力的大小。

在應變式傳感器的結構中，一般是將四個電阻應變片成對地橫向或縱向粘貼在彈性元件的表面，使應變片分別感受到零件的壓縮和拉伸變形。通常四個應變片接成電橋電路，可以從電橋的輸出中直接得到應變量的大小，從而得知作用于彈性元件上的力。

1．筒式(圓柱、圓筒、方柱)彈性元件2．懸臂梁式彈性元件3．等強度懸臂梁式彈性元件

等強度懸臂梁是一種特殊形式的懸臂梁,其截面沿梁長方向按一定規律變化。當集中力F作用在自由端時,距作用力任何距離截面上的應力相等。4．兩端固定梁式彈性元件5．薄臂環式彈性元件

電容式傳感器4.1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。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

式中

:——極板間介質的相對介電常數。——真空中介電常數。——極板間距離；

——極板面積。

上式表明，當被測量、或數值發生變化時，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轉變成電容量的變化。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。

(一)極距變化型

如果兩極板互相覆蓋面積及極板間介質不變，則電容量C與極距呈非線性關系。當極距有一微小變化量時，引起電容的變化量為

：極距為時的初始電容量。

存在著原理非線性，所以實際中常常作成差動式來改善非線性。

考慮到極板的邊緣效應，即極板邊沿電場的不均勻性。為消除其影響，采用了保護環。保護環與極板具有同一電位。這就把電極板間的邊緣效應移到了保護環與極板2的邊緣。極板1與極板2之間的場強分布變得均勻了。(二)變面積型電容傳感器(1)直線位移型電容式傳感器

當動極板移動△x后，覆蓋面積就發生變化，電容量也隨之改變，其值為電容因位移而產生的變化量為其靈敏度為可見,增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。

（2）變面積式電容傳感器的派生型

圖a是角位移型電容式傳感器。當動片有一角位移時，兩極板間覆蓋面積就發生變化，從而導致電容量的變化，此時電容值為

圖b中極板采用了鋸齒板，其目的是為了增加遮蓋面積，提高靈敏度。當齒板極板的齒數為n，移動△x后，其電容量為

其靈敏度為

由前面的分析可得出結論，變面積式電容傳感器的靈敏度為常數，即輸出與輸入呈線性關系。

在變面積型電容傳感器中，平板型結構對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結構受極板徑向變化的影響很小，在實際中很常用。當忽略線位移以及單組式的電容量C的邊緣效應時：：外圓柱與內圓柱覆蓋部分的長度。：外圓柱內半徑和內圓柱外半徑。當兩圓柱相對移動時，電容變化量為：這類傳感器具有良好的線性。（三）變介電常數型電容傳感器

變介電常數型電容傳感器用來測量電介質的厚度，還可根據極板間介質的介電常數隨溫度、濕度改變而改變來測量介質材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣效應，：兩固定極板間的距離，極筒重合部分的高度。：被測物的厚度、被測液面高度和它的介電常數。：固定極板長度、寬度。被測物進入兩極板間的長度。：空氣的介電常數。：內極筒外半徑和外極筒內半徑。注意：電極之間的被測介質導電時，電極表面應涂絕緣層（如0.1mm厚的聚四氟乙烯等）以防止電極間短路。4.2主要性能（1）靜態靈敏度靜態靈敏度是被測量緩慢變化時，傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。

(a).對于變極矩型：

靈敏度是初始極板間距的函數，減少可以提高靈敏度。但過小，易導致電容器擊穿，可在極間加一層云母片，或塑料膜來改善電容器耐壓性能。(b).圓柱形變面積型電容式傳感器

靈敏度取決于，與越接近，靈敏度越高。雖然內外筒原始覆蓋長度與靈敏度無關，但不可太小，否則邊緣效應將影響到傳感器的線性。（2）非線性

對變極距型電容式傳感器而言，當極板間距

變化

時，其電容量隨之變化，輸出電容與被測量之間是非線性關系。因此常工作在一個較小的范圍內，而且最大應小于極板間距的1/5~1/10。

采用差動形式，非線性得到很大的改善，靈敏度也提高了一倍。變面積型和變介電常數型電容器具有很好的效應，但這需忽略邊緣效應。

電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關，有利于選擇溫度系數低的材料，又因本身發熱較小，影響穩定性甚微。而電阻式傳感器有電阻，易發熱產生溫漂。1.溫度穩定性好4.3特點（一）優點2.結構簡單，適應性強

電容式傳感器結構簡單，易于制造，易于保證高的精度；可以做得非常小巧，以實現某些特殊的測量。

3.動態響應好

電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態測量。又由于其介質損耗小可以用較高頻率供電，因此系統工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數，如測量振動、瞬時壓力等。

例如非接觸測量回轉軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。

4.可以實現非接觸測量，具有平均效應

電容式傳感器除上述優點之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。（二）缺點

輸出阻抗高，負載能力差。易受外界干擾影響而產生不穩定現象，嚴重時無法工作，必須采取屏蔽措施。（2）寄生電容影響大電容式傳感器的初始電容量很小，而連接傳感器和電子線路的的引線電纜電容，電子線路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩定。4.4電容式傳感器的設計要點1、減少環境溫度，濕度等變化所產生的誤差,保證絕緣材料的絕緣性能。溫度變化使傳感器內各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質的介電常數發生變化，從而改變傳感器的電容量，產生溫度誤差。濕度也影響某些介質的介電常數和絕緣電阻值。因此必須從選材、結構、加工工藝等方面來減小溫度等誤差并保證絕緣材料具有高的絕緣性能。

電容式傳感器的金屬電極的材料以選用溫度系數低的鐵鎳合金為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應極為有利。

傳感器內表面不便經常清洗，應加以密封，用以防塵、防潮。傳感器內，電極的支架要有一定的機械強度外還要有穩定的性能。因此選用溫度系數小和幾何尺寸長期穩定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。

盡量采用空氣或云母等介電常數的溫度系數幾近為零的電介質，作為電容式傳感器的電介質。若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質，當環境溫度、濕度變化時，它們的介電常數隨之改變，產生誤差。在可能的情況下，傳感器內盡量采用差動對稱結構。傳感器內所有的零件應先進行清洗、烘干后再裝配。

2、消除和減少邊緣效應適當減少極間距。使電極直徑或邊長與間距比很大。可以減少邊緣效應的影響，但易產生擊穿。電極應做得很薄使之與極間距相比很小。在結構上增設等位環來消除邊緣效應。3、減小和消除寄生電容的影響

寄生電容與傳感器電容相并聯影響傳感器精度，而它的變化則為虛假信號，影響傳感器的精度。為減小和消除它，采用如下方法：a.增加傳感器原始電容值。減小極片或極筒間的間距。增加工作面積或工作長度來增加原始電容值。b.集成化將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內，這樣寄生電容大為減小、變化也小，使傳感器工作穩定。c.整體屏蔽將電容式傳感器和所采用的轉換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。d.注意傳感器的接地和屏蔽采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。4.防止和減小外界干擾

電容式傳感器是高阻抗傳感元件，易受外界干擾的影響。當外界干擾在傳感器上和導線之間感應出電壓并與信號一起輸送至測量電路時就會產生誤差，甚至使傳感器無法正常工作。（1）屏蔽和接地；（2）增加原始電容量，降低容抗；（3）采用同軸屏蔽電纜線；（4）盡可能一點接地；（5）盡量采用差動式電容傳感器。4.6電容式傳感器的測量電路

電容式傳感器的轉換電路就是將電容式傳感器看成一個電容，并轉換成電壓或其他電量的電路。低頻：L,r忽略Ce=C0+CpRe≈Rg等效電路：高頻：Rg忽略Ce=C0+Cpre≈rgL：引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r:引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻；C0：傳感器本身的電容；Cp:引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；Rg:極間等效漏電阻。

在低頻時，傳感器電容的阻抗非常大，因此L和r的影響可以忽略。其等效電路可簡化為圖b。在高頻時，傳感器電容的阻抗變小，因此L和r的影響不可忽略。其等效電路可簡化為圖c。（二）測量電路橋式電路將電容傳感器作為電橋的一個橋臂，采用差動式電容傳感器時，將兩個電容接入相鄰的兩臂上。調節電容C使橋路平衡，輸出電壓u0為零。當傳感器電容Cx變化時，電橋失去平衡，輸出一個和電容Cx成正比的電壓信號。ui為交流信號源，其幅度、頻率穩定，波形一定。單臂接法差動接法應用

電感式傳感器

電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數的變化，從而導致線圈電感量改變這一物理現象來實現測量的。因此根據轉換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。

自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。一、自感式電感傳感器的工作原理

（一）變間隙型電感傳感器變間隙型電感傳感器的結構示意圖如圖5-1所示。

第一節自感式電感傳感器圖5–1變間隙式電感傳感器

傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的長度發生變化。由于氣隙磁阻的變化，導致了線圈電感量的變化。線圈的電感可用下式表示：

式中，N為線圈匝數；Rm為磁路總磁阻。(5-1)

對于變間隙式電感傳感器，如果忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為

式中，l1為鐵心磁路長；l2為銜鐵磁路長；S為截面積；μ1為鐵心磁導率；μ2為銜鐵磁導率；μ0為空氣磁導率；δ為空氣隙厚度。因此有：(5-2)(5-3)

一般情況下，導磁體的磁阻與空氣隙磁阻相比是很小的，因此線圈的電感值可近似地表示為：

(5-4)

由上式可以看出傳感器的電感值隨氣隙的增大而減小。為了避免非線性，氣隙的相對變化量要很小，但過小又將影響測量范圍，所以要兼顧考慮兩個方面。

（二）變面積型電感傳感器由變氣隙型電感傳感器可知，氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化面改變，從而導致線圈的電感量發生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，其結構示意圖見下圖。

通過對式（5-4）的分析可知，線圈電感量L與氣隙厚度是非線性的，但與磁通截面積A卻是成正比，是一種線性關系。特性曲線參見圖5-3。

（三）螺管型電感式傳感器下圖為螺管型電感式傳感器的結構圖。螺管型電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。

設線圈長度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數為N、銜鐵進入線圈的長度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導率為μm，則線圈的電感量L與銜鐵進入線圈的長度la的關系可表示為(5-5)

以上三種形式的電感式傳感器有如下特點：●變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大,且制作裝配比較困難.●

變面積型靈敏度較前者小,但線性較好,量程較大,使用比較廣泛.●

螺管型靈敏度較低,但量程大且結構簡單易于制作和批量生產,是使用最廣泛的一種電感式傳感器.

(四)差動電感傳感器在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構成差動式電感傳感器，這樣可以提高傳感器的靈敏度，減小測量誤差。圖5-5是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式電感傳感器。

差動式電感傳感器的結構要求兩個導磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個線圈的電氣參數和幾何尺寸完全相同。差動式結構除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。二、自感式電感傳感器的測量電路交流電橋是電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。前面已提到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。通常將傳感器作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次側繞組或緊耦合電感線圈。圖5-6是交流電橋的常用形式。（一）電阻平衡臂電橋電阻平衡臂電橋如圖5-6所示。Z1、Z2為傳感器阻抗。R1’=R2’=R’;L1=L2=L;則有Z1=Z2=Z=R’+jwL,另有R1=R2=R。由于電橋工作臂是差動形式，則在工作時，Z1=Z+△Z和Z2=Z-△Z，當ZL→∞時，電橋的輸出電壓為

當ωL＞＞R’時，上式可近似為：（5-7）由上式可以看出：交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變化量是成正比的。（5-6）

一、差動變壓器的工作原理差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。這種類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。第二節差動變壓器

差動變壓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5-8所示。圖U1為一次繞組激勵電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個二次繞組的有效電阻。

對于差動變壓器，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互相相同，因而由一次激勵引起的感應電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。當銜鐵移向二次繞組L21一邊，這時互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內感應電動勢大于二次繞組L22內感應電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的量程內，銜鐵移動越大，差動輸出電動勢就越大。同樣道理，當銜鐵向二次繞組L22一邊移動，差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。

由圖5-8可以看出一次繞組的電流為：

(5-8)二次繞組的感應動勢為：

(5-9)由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為：

其有效值（5-10）（5-11）

差動變壓器的輸出特性曲線如圖5-9所示.圖中E21、E22分別為兩個二次繞組的輸出感應電動勢，E2為差動輸出電動勢，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。E0為零點殘余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所造成的。

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，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。

1）盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數磁路的對稱。磁性材料要經過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩定。

2）選用合適的測量電路，如采用交流電橋電路。既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。

二、差動變壓器設計要點：3）采用補償線路減小零點殘余電動勢。圖5-10是幾種減小零點殘余電動勢的補償電路。在差動變壓器二側串、并聯適當數值的電阻電容元件，當調整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。

三、電感式傳感器的應用電感式傳感器主要用于測量微位移，凡是能轉換成位移量變化的參數，如壓力、力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位等都可以用電感式傳感器來進行測量。

圖5-11是induNCDT系列位移傳感器的外形圖，它主要用于位移，振動，轉速測量。傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里，其輸出信號與測量位移成正比。在傳感器測量量程內線性精度優于±2%。表5-1是induNCDT系列位移傳感器的主要技術參數。

圖5-11induNCDT系列位移傳感器的外形圖型號鐵磁材料IWS-4-M-CA3-U鋁IWS-3-A-CA3-U測量原理電感測量范圍鐵磁材料0.5～4.5mm鋁0.5～3.5mm起始間距0.5mm被測體直徑最小18mm線性度≦±2%靈敏度1V/mm靜態分辨率1μm信號輸出鐵磁材料0.5～4.5鋁0.5～3.5V極限頻率1KHZ工作溫度0～+85℃溫度穩定性≦0.06%供電+12～+18V/7mA負載最小5KΩ保護等級IP65傳感器電纜長3米表5-1induNCDT系列位移傳感器的主要技術參數

（二）JM□L電感式傳感器(接近開關)

1．適用范圍：JM□L系列接近開關適用于交流50Hz，額定工作電壓90V~250V(除LM8L外)，直流額定工作電壓10V~30V的電路中，具有短路保護電路，起反連接保護電路之用。2．型號及其含義：

3．正常使用條件和安裝條件：(1)周圍空氣溫度不超過+70℃，周圍空氣溫度的下限為-25℃；(2)安裝地點的海拔不超過2000m；(3)大氣相對濕度在周圍空氣溫度為+70℃時不超過50%，在較低的溫度下可以允許有較高的相對濕度，例如在20℃時達90%，對由于溫度變化偶爾產生的凝露應采取特殊的措施；(4)污染等級：3級。

4．主要技術參數：見表4-2所示。表4-2JM□L系列電感式傳感器的主要技術參數

5．安裝尺寸如圖5-12所示：

圖5-12JM□L系列電感式傳感器的安裝尺寸

圖5-13為測量振動與加速度的電感傳感器結構圖。銜鐵受振動和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜鐵的位移大小反映了振動的幅度和頻率以及加速度的大小。（三）振動和加速度的測量（四）液位測量圖5-14是采用了電感式傳感器的沉筒式液位計。由于液位的變化，沉筒所受浮力也將產生變化，這一變化轉變成銜鐵的位移，從而改變了差動變壓器的輸出電壓，這個輸出值反映了液位的變化值。

電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應原理上的傳感器。電渦流式傳感器可以實現非接觸地測量物體表面為金屬導體的多種物理量，如位移、振動、厚度、轉速、應力、硬度等參數。這種傳感器也可用于無損探傷。電渦流式傳感器結構簡單、頻率響應寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干擾能力強，特別是有非接觸測量的優點，因此在工業生產和科學技術的各個領域中得到了廣泛的應用。

第三節電渦流式傳感器一、電渦流式傳感器的工作原理當通過金屬體的磁通發生變化時，就會在導體中產生感生電流，這種電流在導體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產生必然要消耗一部分能量，從而使產生磁場的線圈阻抗發生變化，這一物理現象稱為渦流效應。電渦流式傳感器是利用渦流效應，將非電量轉換為阻抗的變化而進行測量的。

如圖5-15所示，一個扁平線圈置于金屬導體附近，當線圈中通有交變電流I1時，線圈周圍就產生一個交變磁場H1。置于這一磁場中的金屬導體就產生電渦流I2，電渦流也將產生一個新磁場H2，H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，使通電線圈的有效阻抗發生變化。

一般講，線圈的阻抗變化與導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數，激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的距離有關。如果控制上述參數中的一個參數改變，而其余參數恒定不變，則阻抗就成為這個變化參數的單值函數。如其他參數不變，阻抗的變化就可以反映線圈到被測金屬導體間的距離大小變化。

我們可以把被測導體上形成的電渦流等效成一個短路環，這樣就可得到如圖5-16的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感。短路環可以認為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導體間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距的減小而增大。根據等效電路可列出電路方程組：

(5-11)通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復阻抗為：

線圈的等效電感為

：

（5-12）（5-13）

由式（5-12）和（5-13）可以看出，線圈與金屬導體系統的阻抗、電感都是該系統互感平方的函數。而互感是隨線圈與金屬導體間距離的變化而改變的。

二、高頻反射式電渦流傳感器(測距離）這種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5-17為某種型號的高頻反射式電渦流傳感器。

三、低頻透射式電渦流傳感器（測厚度）這種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5-18為這種傳感器的原理圖和輸出特性。

傳感器包括發射線圈和接收線圈，并分別位于被測材料上、下方。由振蕩器產生的低頻電壓u1加到發射線圈L1兩端，于是在接收線圈L2兩端將產生感應電壓u2，它的大小與u1的幅值、頻率以及兩個線圈的匝數、結構和兩者的相對位置有關。若兩線圈間無金屬導體，則L1的磁力線能較多穿過L2，在L2上產生的感應電壓u2最大。如果在兩個線圈之間設置一金屬板，由于在金屬板內產生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達線圈L2的磁力線減小，從而引起u2的下降。金屬板厚度越大，電渦流損耗越大，u2就越小。可見。可見u2的大小間接反映了金屬板的厚度。

線圈L2的感應電壓與被測厚度的增大按負冪指數的規律減小，即：（5-14）式中，δ為被測金屬板厚度；t為貫穿深度，它與成正比，其中ρ為金屬板的電阻率，f為交變電磁場的頻率。為了較好地進行厚度測量，激勵頻率應選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測厚度，不利于厚度測量，通常選1kHz左右。

一般地說，測薄金屬板時，頻率應略高些，測厚金屬板時，頻率應低些。在測量ρ較小的材料時，應選較低的頻率（如500Hz），測量ρ較大的材料，則應選用較高的頻率（如2kHz），從而保證在測量不同材料時能得到較好的線性和靈敏度。四、測量電路（一）電橋電路電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉化為電壓或電流的變化。傳感器線圈的阻抗作為電橋的橋臂，初始狀態時電橋平衡。在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。電橋法主要用于兩個電渦流線圈組成的差動式傳感器。

四個橋臂的阻抗分別為：

，

，和。初始狀態下電橋平衡即

。當被測物體與線圈耦合時，使

、

發生變化，由的值可求出被測參數的變化量。

（二）諧振法。這種方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組成LC并聯諧振回路。

并聯諧振回路的諧振頻率為:

；且諧振時回路的等效阻抗最大，等于；式中，R’為回路的等效損耗電阻。當電感L發生變化時，回路的等效阻抗和諧振頻率都將隨L的變化而變化，因此可以利用測量回路阻抗的方法或測量回路諧振頻率的方法間接測出傳感器的被測值。

諧振法主要有調幅式電路和調頻式電路兩種基本形式。調幅式由于采用了石英晶體振蕩器，因此穩定性較高，而調頻式結構簡單，便于遙測和數字顯示。

由圖中可以看出LC諧振回路由一個頻率及幅值穩定的晶體振蕩器提供一個高頻信號激勵諧振回路。LC回路的輸出電壓為：

（5-14）

式中，i0為高頻激勵電流；Z為LC回路的阻抗。可以看出，LC回路的阻抗Z越大，回路的輸出電壓越大。五、電渦流傳感器的應用（一）測量位移電渦流傳感器可以測量各種形狀金屬零件的動態位移，測量范圍可以為0～15μm,分辨率為0.05μm；或是0～500mm，分辨率可達0.1%。凡是可以變換為位移量的參數，都可用電渦流傳感器來測量。這種傳感器可用于測量汽輪機主軸的軸向竄動、金屬件的熱膨脹系數、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。（二）測量轉速在旋轉體上裝一個金屬體，在其旁邊安裝一個電渦流傳感器。當旋轉體轉動時，傳感器的輸出信號將周期地變化，通過記錄下的頻率可以測量旋轉體的轉速。轉速可用下式計算：

（r/min）；式中，n為槽數或齒數；f為頻率值（Hz）。圖5-19電渦流式轉速傳感器工作原理圖

（三）測量厚度除低頻透射型電渦流傳感器可用于測量厚度外，高頻反射型電渦流傳感器也可用來測量厚度。由圖中可知板厚δ=x-(x1+x2），當兩個傳感器在工作時分別測得x1、x2,并轉換成電壓值相加，相加后的電壓值再與兩傳感器間距離相應的給定電壓值相減，就可得到與板厚相對應的電壓值。圖5-20高頻反射式渦流測厚儀測試系統圖（四）溫度測量金屬材料的電阻率隨溫度的變化而變化，若能測出電阻率隨溫度的變化，就可求得相應溫度值。利用電渦流傳感器，保持線圈的幾何參數、電源頻率、磁導率以及線圈與被測體之間的距離等不變，則傳感器的輸出只與被測體的電阻率變化有關，即可間接測得溫度的變化。（五）測量振動電渦流傳感器可無接觸地測量各種振動的幅值，如用來監控汽輪機主要方向的振動。在研究軸的振動時可以用多個傳感器測量出軸的振動形狀。（六）其他用途電渦流傳感器還可用于作接近開關、記數、尺寸檢測以及探傷用。

壓電式傳感器

6.1壓電效應及壓電材料

某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現象，同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態。這種現象稱壓電效應。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機械能轉換為電能的現象，稱為“正壓電效應”。

相反，當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產生幾何變形，這種現象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。具有壓電效應的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現機—電能量的相互轉換，如圖6-1所示。

圖6-1壓電效應可逆性

在自然界中大多數晶體都具有壓電效應，但壓電效應十分微弱。隨著對材料的深入研究，發現石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。

6.1.1石英晶體石英晶體化學式為SiO2，是單晶體結構。圖6-2（a）表示了天然結構的石英晶體外形，它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”。而沿光軸z方向的力作用時不產生壓電效應。圖6-2石英晶體(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片圖6-3石英晶體壓電模型(a)不受力時；(b)x軸方向受力；(c)y軸方向受力6.1.2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，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，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6-4（a）所示。

圖6-4壓電陶瓷的極化(a)未極化

在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發生轉動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇的極化方向發生改變，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性,如圖6-4（b）所示。圖6-4壓電陶瓷的極化(b)電極化

6.1.3壓電式傳感器壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應這個特性，即當有力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。由于外力作用而在壓電材料上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態測量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，以供給測量回路一定的電流，故適用于動態測量。圖6-5壓電元件連接方式(a)相同極性端粘結；(b)不同極性端粘結單片壓電元件產生的電荷量甚微，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。壓電元件的并聯和串聯

并聯方法兩片壓電晶片的負電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數也大，故這種傳感器適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號。+

并聯-

▲

宜用作電荷輸出

并接時輸出電荷q=

q1+q2。故q較大

▲宜用作測低頻緩變信號

并接時等效電容c=c1+c2

τ=R（c1+c2）

電荷靈敏度提高注意并聯的接法構成RC串聯方法正電荷集中于上極板，負電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。

+

串聯宜用作電壓輸出

串接時輸出電壓e=e1+e2，故e較大宜用作測高頻信號

串接時等效電容

注意串聯的接法電壓靈敏度提高_圖6-6壓電元件變形方式(a)厚度變形(

TE

);(b)長度變形(

LE

)；(c)體積變形(

VE

)；(d)面切變形(

FS

)；(e)剪切變形(

TS

)6.2壓電式傳感器測量電路

6.2.1壓電式傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發生器。同時，它也是一個電容器，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，則其電容量為圖6-7壓電元件的等效電路（a）電壓源;（b）電荷源

壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri,輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣，壓電傳感器在測量系統中的實際等效電路，如圖6-8所示。

圖6-8壓電傳感器的實際等效電路（a）電壓源;（b）電荷源6.2.2壓電式傳感器的測量電路壓電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前置放大器。其作用為：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。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。1.電壓放大器（阻抗變換器）圖6-9（a）、(b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。

圖6-9電壓放大器電路原理及其等效電路圖（a）放大器電路;（b）等效電路

2.電荷放大器電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cr和高增益運算放大器構成。由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯電阻。式中：uo——放大器輸出電壓；ud——反饋電容兩端電壓。

圖6-10電荷放大器等效電路6.3壓電式傳感器的應用6.3.1壓電式測力傳感器圖6-11是壓電式單向測力傳感器的結構圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。

圖6-11壓力式單向測力傳感器結構圖

6.3.2壓電式加速度傳感器圖6-12是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。它主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內，并由螺栓加以固定。

圖6-12壓電式加速度傳感器結構圖

6.3.3壓電式金屬加工切削力測量

圖6-13是利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當進行切削加工時，切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉換為電信號輸出，記錄下電信號的變化便可測得切削力的變化。圖6-13壓電式刀具切削力測量示意圖

6.3.4壓電式玻璃破碎報警器

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來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出，輸出電壓經放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統。

BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內部電路如圖6-14所示。傳感器的最小輸出電壓為100mV，最大輸出電壓為100V，內阻抗為15~20kΩ。圖6-14BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器（a）外形;（b）內部電路圖6-15壓電式玻璃破碎報警器電路框圖

產品壓力變送器力傳感器案例：飛機模態分析壓電式傳感器的應用

磁電式傳感器

7.1磁電感應式傳感器

磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器，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。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應用。7.1.1磁電感應式傳感器工作原理

根據電磁感應定律，當導體在穩恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導體內產生的感應電勢為:磁通B：工作氣隙磁感應強度：每匝線圈的平均強度：運動速度(7.1)

當一個W匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場中時，設穿過線圈的磁通為φ，則線圈內的感應電勢e與磁通變化率dφ/dt有如下關系：

根據以上原理，人們設計出兩種磁電式傳感器結構：恒磁通式和變磁通式。(7.2)圖7-1恒定磁通式磁電傳感器結構原理圖（a）動圈式；(b)動鐵式

磁路系統產生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖7-1（a））和動鐵式（圖7-1(b)）的工作原理是完全相同的。當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質量相對較大，當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產生感應電勢.

圖7.2是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉物體的角速度。（a)圖為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉體上，隨被測體一起轉動。每轉動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產生感應電勢，其變化頻率等于被測轉速與測量齒輪上齒數的乘積。1.永久磁鐵2.軟鐵3.線圈4.測量齒輪5.被測旋轉體圖7.2變磁通式磁電傳感器結構原理圖

(a)開磁路

（b)圖為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉軸上的內齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成，內外齒輪齒數相同。當轉軸連接到被測轉軸上時，外齒輪不動，內齒輪隨被測軸而轉動，內、外齒輪的相對轉動使氣隙磁阻產生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內產生周期性變化的感應電動勢。顯然，感應電勢的頻率與被測轉速成正比。變磁通式磁電傳感器結構原理圖

(b)閉磁路1.永久磁鐵3.線圈5.內齒輪

6.外齒輪7.轉軸7.1.2磁電感應式傳感器基本特性當測量電路接入磁電傳感器電路時，如圖7.3所示，磁電傳感器的輸出電流Io為靈敏度為圖7.3磁電式傳感器測量電路(7.3)(7.4)而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為

當傳感器的工作溫度發生變化或受到外界磁場干擾、受到機械振動或沖擊時，其靈敏度將發生變化，從而產生測量誤差，其相對誤差為

(7.4)(7.5)(7.6)

1.非線性誤差磁電式傳感器產生非線性誤差的主要原因是：由于傳感器線圈內有電流I流過時，將產生一定的交變磁通φI，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化,如圖7.4所示。

圖7.4傳感器電流的磁場效應

當傳感器線圈相對于永久磁