第三章 常用传感器传感器,工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。 类似于人的感觉器官。
▲ 种类繁多,被测量种类多，信号转换原理多，他们的组合更多。
▲ 学习方法,原理 → 结构 → 相配合的电路 → 特点 → 选用。
▲ 检测装置的性能,瓶颈,,受环境条件的影响、材料特性的限制，通常是检测装置中性能指标最低的环节。
第一节 传感器的分类按被测量分类,（ 1）位移传感器 （ 2）力传感器 （ 3）温度传感器等按工作原理分类：（ 1）机械式 （ 2）电气式（ 3）光学式（ 4）流体式等按信号变换特征：（ 1）物性型（ 2）结构型按能量关系分,(1） 能量转换型（ 2）能量控制型按输出信号分类：（ 1）模拟式（ 2）数字式
1
物性型传感器,依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换。如水银温度计；石英晶体压电效应。
结构型传感器,是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。如电容、
电感、应变式传感器。
能量转换型（无源）传感器,是直接由被测对象输入能量使其工作的，如热电偶温度计，弹性压力计。
能量控制型（有源）传感器,从外部供给辅助能量使传感器工作。如把电阻应变计接于由外部供电的电阻电桥上，被测量变化引起的电阻变化去控制电桥输出。
参见书中 表 3-1，机械工厂中常用传感器。
另外，传感器可能只一个，也可能几个换能元件组合而成一个小型装置。
2
3
第二节 机械传感器原理：利用材料的弹性变形特性实现,力 ——位移,或,应力 ——应变,的转换
S=F·J/E,ε =ζ /E,
一,直接指示仪表优点,（ 1） 结构简单 （ 2） 性能稳定 （ 3） 使用方便 （ 4） 价格低缺点,（ 1） 分辨力不高 （ 2） 不能产生电信号结构：见图 3.3、图 3.4。
恰当的机械结构可把力、气压、温度、磁场等直接指示。
二,组合传感器将弹性元件与能够把位移或应变转换成电信号的元件组合，构成多种类型的 传感器，如荷重传感器、压力传感器、声音传感器等，是一种常用的传感器形式。这类 组合 传感器的性能主要取决于 弹性体的品质。
线性度误差、回程误差可达万分之一。
4
第三节 电阻式传感器电阻式传感器 ——是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。
一．变阻器式传感器（电位差计式 ）
电阻丝长度 l是电位器触头位置的函数，把位移转换为电阻的变化。
电阻 值 公式为
A
lR
分类：（ 1）直线位移型 （ 2）角位移型 （ 3）非线性型 如图 3—5 所示优点,（ 1） 结构简单 （ 2） 性能稳定 （ 3） 使用方便缺点,（ 1） 分辨力不高 （ 2） 躁声较大式中,ρ ——电阻率； l——电阻丝长度； A——电阻丝截面积。 使得 ρ,l,A
其中之一随被测量变化，都使电阻值产生相应的变化，构成 传感器。
结构分类：（ 1）变阻器式 （ 2）电阻应变式变阻器式传感器后接电路见 图 3-6,设 Rp—变阻器总电阻； xp—变阻器总长度； Rl—后接电路输入电阻由于直线位移型电阻与位移的线性关系,设 R′ 为 xp– x 段电阻有比例关系
xx
R
x
R
pp
p
'
)1()('
p
p
p
pp
x
xR
x
xxRR
由分压电路
)1(11
00
'
0
'
pl
p
l x
x
R
R
R
Rl
l
y
UU
RR
RUU
（ 3-3）
讨论：（ 1）当 时
（ 2）当 时
pxx? 0
UUy?
0?x
pl
ly RR RUU 0
（ 3）为减小后接电路影响，应使 Rl >> Rp （减小负载效应）
5
二．电阻应变式传感器应用范围：测量力,应变,位移,加速度,扭矩等特点,（ 1） 体积小 （ 2） 动态响应快 （ 3） 测量准确高 （ 4） 使用方便
（一）金属电阻应变片电阻应变片结构
（ 1） 把直径为 0.025mm的康铜或镍铬合金丝,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间,由引出导线接于电路上 。 （ 图 3-7）
（ 2）用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光刻技术制造，其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片约厚 1~10 μm。 （图 3-8）
工作原理：把应变片粘固在弹性元件表面上，电阻丝长度 l、截面积 A 随弹性元件一起变形，其阻值发生相应变化。
6
由于电阻值
AlR
由于 l,ρ,A将随电阻丝的变形而变化,上面为三元变量方程 。
对上式求微分?
d
RdA
A
Rdl
l
RdR
（ 3-4）
式中,所以2rA
drlr d rr ldlrdR 2222 2)(
drldrr ldlrdR 232 2
)2(drdrldlRdR
d
r
dr
l
dl
R
dR 2 （ 3-5）
式中 l,ρ,A——分别为长度、电阻率和截面积式中 ——电阻丝轴向相对应变（或称纵向应变）ldl
——电阻丝径向相对应变（或称横向应变）
ldlrdr
——电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝所手正应力 ζ 有关。
d
——材料泊松比?
7
Ed （ 3-7）
式中 E——电阻丝材料的弹性模量
λ ——压阻系数，与材质有关将式（ 3-6）（ 3-7）代入式（ 3-5），则有
)21(2 EERdR （ 3-8）
式中 (1+2γ )ε 项是电阻丝几何尺寸变化所引起的 。
λ Eε 项是由电阻丝的电阻率随应变而引起的，金属丝电阻率 变化 很小可忽略。
式（ 3-8）可简化为
)21(RdR
（ 3-9）
式（ 3-9）表明电阻相对变化率与应变成正比。比值 Sg称为应变系数或灵敏度。
21
ldl
RdRS
g
常数 （ 3-10）
制造应变片中 Sg在 1.7~3.6之间，几种常用电阻丝材料物理性能见 表 3-2，一般市场上电阻应变片标准为 60,120,350,600,1000 Ω 等。
8
（二）半导体应变片 典型半导体应变片结构见 图 3-9
工作原理：半导体材料的电阻率 ρ 对多种影响因素都很敏感，其中包括应力。
半导体应变片的压阻系数 λ 大，使式（ 3-8）中几何尺寸变化项
(1+2γ )ε 远小于电阻率变化项 λ Eε,式（ 3-8）可简化为
ERdR? （ 3-11）
灵敏度为 E
ldl
RdRS
g
（ 3-12）
这一数值比金属丝式大 50~70倍,几种常用的半导体材料特性见 表 3-3
优点,（ 1） 灵敏度高 （ 2） 可与后续电路及多种 传感器集成缺点：（ 1）温度稳定性差（ 2）灵敏度分散度大（由于晶向杂质等因数）
（ 3）非线性大小结,（ 1） 金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化 。
（ 2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。
9
（三）电阻应变片传感器应用实例
1．直接用来测定结构的应变或应力例如：研究机械,桥梁建筑等某些构件在工作状态下的受力,变形情况 。
可用不同形状的应变片,贴在构件的预定部位,测得构件的拉,压应力,
扭矩等 为结构设计,应力校核或构件破坏的预测提供可靠实验数据 。
2,将应变片贴在弹性体上,作为测量力,位移,加速度等物理参数的传感器 。
示例见图 3-11。 上述各种传感器从本质上讲均为受力,产生弹性变形,导致电阻应变片阻值发生变化,再经二次仪表转换为电压 （ 或电流 ） 信号输出 。
说明,（ 1）由应变片测出的是构件或弹性体上某出的应变，通过换算（或标定）
才能得到应力、力或位移。 标 定
（ 2）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺（胶、
贴前处理、固化处理、防潮等）至关重要。 贴片工艺
（ 3） 动态测量时,应考虑弹性元件和应变片的动态特性 。 动态特性
（ 4） 温度对电阻值的变化影响不容忽略,考虑温度补偿 。 温度补偿
10
第四节 电感式传感器原理：把位移等被测量转换为电感量变化的一种装置 。 (基于电磁感应原理 )
结构分类,（ 1） 自感式 (a) 可变磁阻 (b) 涡流式
（ 2） 互感式 ——差动变压器式一,自感式
(一 ) 可变磁阻构造原理见 图 3-12,它由线圈 1,铁心 2和衔铁 3组成 。 线圈自感量 L为
mR
WL 2? （ 3-13）
式中 W——线圈匝数 Rm——磁路总磁阻 [H-1](亨 )
如果空气隙 δ 较小，不考虑磁路的铁损时，则总磁阻为
00
2
AA
lR
m?
（ 3-14）
式中 μ —铁心磁导率 μ 0—空气磁导率 (4π ⅹ 10-7) l—铁心导磁长度
δ —气隙长度 A—铁心导磁截面积 A = aⅹ b A0—空气隙导磁横截面积
11
因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，可以忽略，故
00
2
AR m?
（ 3-15）
代入式 3-13）得
2
00
2 AW
L? （ 3-16）
式（ 3-16）表明：自感 L 与气隙 δ 成反比，与气隙导磁截面积 A0 成正比。
当固定 A0 变化 δ 时,L与 δ 呈非线性关系，此时传感器灵敏度 S 为
2
00
22
WAS?
（ 3-17）
从式 （ 3-17） 看出,灵敏度 S 与气隙长度平方成反比,δ 越小,S 越高 。 如果 S 不是常数会出现非线性误差 。 为了减小这一误差,通常规定在较小间隙范围内工作 。 设间隙变化为 (δ 0,δ 0+Δ δ ),一般应用中取 Δ δ /δ ≤ 0.1。
此种传感器适合于较小位移的测量,一般设为 0.001~1 mm。
12
图 (3-13） 中列出四种常用可变磁阻式传感器的典型结构。
（ 3） 单螺管线圈型 铁心在线圈中运动时,将改变磁阻使自感发生变化 。
结构简单,易制造,但灵敏度低,使用大位移测量 。
（ 1）可变导磁面积型 L与 A0成线性关系，灵敏度较低。
（ 2）差动型 两个线圈的间隙按 δ 0+Δ δ 和 δ 0-Δ δ 变化，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减少，将两线圈接于电桥相邻两臂时，其灵敏度提高 1 倍，并改善了非线性。
（ 4）双螺管线圈差动型 与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及线性，常用于电感测微仪上，其测量范围为 0~300 μm,最小分辨力为 0.5μm。这种传感器常接于电桥两个桥臂上，线圈电感 L1,L2随铁心位移而变化，
其输出特性如 图（ 3-14） 所示。
13
（二）涡电流式原理：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场作用，使原线圈的等效阻抗 Z 发生变化。
图 3-15高频反射式涡流传感器原理
i
Ф
i1Ф
1
金属板
δ
14
Z = f (μ,ρ,δ,ω）
涡流效应是间隙 δ,金属板电阻率 ρ、
磁导率 μ、检测电流频率 ω的函数。
应用,位移、振动测量。（ δ）
材质鉴别、探伤。（ ρ,μ）
特点,（ 1）非接触测量 （ 2）无运动部件 （ 3）耐环境性好 （ 4）量程大
（ 5）非线性较大涡电流式传感器测量电路,（ 1） 阻抗分压式调幅电路 （ 2） 调频电路分压式调幅电路：原理见 图 3-16，图 3-17是其谐振曲线及输出特性。传感器线圈 L 和电容 C 组成并联谐振回路，其谐振频率为
LCf?2
1? （ 3-18）
电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，输出电压 u 最大。工作时线圈阻抗随 δ 改变,LC 回路失谐，输出信号 u (t) 频率虽然仍为工作频率，但幅值随 δ 而变化，它相当于一个调谐波。此调谐波经放大、检波、滤波后即可得到气隙 δ 的动态化信息。
15
调频电路：调频电路的工作原理如图 3-18 所示 。 与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量 。 当 δ发生变化时,引起线圈电感 L变化,使振荡器的振荡频率 f 发生变化,再通过鉴频器进行频率 —电压转换,即得与 δ
成比例的输出电压 。 目前此种传感器应用广泛,测量范围为 1~10 mm,分辨力为 1 μ m 的 非接触式测量 。
C
图 3-18调频电路工作原理
f± Δ f u
δ 0± Δδ
L± Δ L
高频振荡 器 鉴频器
16
二．互感式 ——差动变压器式电感传感器工作原理见图 3-19，当线圈 W1 输入交流电流 i1 时，线圈 W2 产生感应电动势 e12，其大小与电流 i1 的变成正比，即
dt
diMe 1
12
（ 3-19）
式中 M——互感系数（称为互感 H），其大小与两线圈相对位置及周围介质导磁能力有关。
图 3-19互感现象
e12
i1
~
W2W1
17
差动式工作原理：见图 3-20 a)，初级线圈 W 次级线圈 W1,W2反极性串联。当
W上加上交流电时,W1,W2分别产生感应电势 e1 和 e2，其大小与铁心位置有关 。
（ 1） 当贴心在中心时,e1 = e2 → e = 0
（ 2） 当贴心向上运动时,e1 > e2
（ 3）当贴心向下运动时,e1 < e2，其输出特性见 b) 图图 3-20差动变压器式传感器工作原理
a) b) 工作原理 c) 输出特性
b)
e0= e1- e2
W2
W1
e2
e1
x
P
W
a)
W
W2
W1P
x
e2 e1
c)
e
x0
18
问题,交流电压输出存在零点残余电压和输出值不能反映铁芯位移的极性问题。
解决办法,采用如图 3-21所示的差动相敏检波电路和差动整流电路在没有输入信号时,铁心处中间位置,调节 R 使零点残余电压减小,当铁心上下移动时,
输入信号经放大,相敏检波,滤波后得到直流输出 。
此传感器精度高 （ 0.1μ m级 ） 线性范围大 （ ± 100mm）,稳定度好,使用方便,
广泛用于直线位移测量 。
图 3-21差动相敏检波电路工作原理
x
R
放大器 相敏检波振荡器
19
第五节 电容式传感器一,变换原理电容式传感器 ——将被测物理量转换为电容量变化的装置 。
两个平行板组成的电容器其电容量（ F）为：
AC 0? （ 3-20）
式中 ε ——极板间介质的相对介电常数,在空气中 ε =1
ε 0—— 真空中介电常数,ε 0 = 8.8ⅹ 10-12F/m （ 法拉 /米 ）
δ ——极板间距离
A—— 极板面积式 (3-20)表明,当被测量使 δ,A,ε 发生变化时,都会引起电容 C 的变化 。
根据电容器变化的参数可分为 （ 1） 极距变化型
（ 2） 面积变化型
（ 3） 介质变化型
20
（ 一 ） 极距变化型根据式 (3-20),当 A和 ε 不变时,电容 C 与极距 δ 呈非线性关系,见图 3-22
对式（ 3-20）两边取微分
dAdC 20 1
传感器灵敏度 S为
20
1
Ad
dCS (3-21)
可见灵敏度 S与极距平方成反比 。 且 δ ↓ → S↑ 为了减小分线性误差,
通常在较小间隙变化范围内工作,一般取变化范围 1.0
0?
优点,(1) 可进行动态非接触式测量
(2) 灵敏度高
(3) 适用小位移 (0.01μm~
数佰微米 )测量 。
缺点,(1) 有非线性误差
(2) 杂散电容对灵敏度和测量精度有影响
(3) 配套用电子线路复杂。 图 3-22极距变化型电容传感器
δ
δ 0
Δδ0
C
Δ C
δ
δ 0
21
（ 二 ） 面积变化型分类：（ 1）角位移型 （ 2）线位移型 （ 3）圆柱体线位移型
1．图 2-23 a) 为角位移型，当转板有一转角时，动定两极互盖面积就改变，
导致电容量改变。由于覆盖面积为
2
2rA
式中 α ——覆盖面积对应中心角 （ 弧度 ） r——极板半径电容量为
2
20 rC? （ 3-22）
灵敏度为
20
r
d
dCS = 常数（线性关系） （ 3-23）
图 3-23面积变化型电容传感器
a)角位移型 b) 平面线位移型 c)圆柱体线位移型
a)
1
α
2
b)
x
b
Δ xx
2
1
c)
21
Dd
l0
x
22
2．图 2-23 b) 为平面线位移型电容量 C 为
bxC 0? （ 3-24）
灵敏度 S 为
bdxdCS 0 常数 （线性关系） （ 3-25）
3．图 2-23 c) 为圆柱体线位移型电容量 C 为
)/ln (
2 0
dD
xC （ 3-26）
灵敏度 S 为
)/ln (2 0 dDdxdCS
常数 （线性关系） （ 3-27）
特点,（ 1） 面积变化型优点是输出与输入成线性关系 。
（ 2） 灵敏度较低 。
（ 3）适用较大直线及角位移测量。
23
（ 三 ） 介质变化型此中传感器利用介质介电常数变化将被量转换为电量。可用来测量电介质液位或某些材料的厚度、温度和湿度等。见图 3-24
图 3-24 介质变化型电容传感器应用例
a) 介质温度,湿度或厚度影响 b) 液位测量
a)
介质层
b)
绝缘层外极板内极板
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二,测量电路
（ 一 ） 电桥型电路把电容传感器作为电桥一部分,将电容变化转化为电桥电压输出 。 见图 3-25
形式,（ 1） 电阻,电容 （ 2） 电感,电容电桥输出为一调幅波,经放大,相敏检波,滤波后输出,推动仪表 。
图 3-25 电桥型电路放大C2
C1
L2
L1
~
相 敏解 调 滤 波
25
（ 二 ） 直流极化电路此电路多用于电容传声器或压力传感器中。如图 3-26 所示，弹性膜片在外力 (气压、液位 )作用下发生位移，使电容量发生变化。
电容的变化由高阻值电阻 R 转换为电压变化。分析表明,输出电压 uy和膜片移动速度近似成 一阶系统 的关系。 图 3-26直流极化电路
uy
δ
p
E0
R
f
26
（ 三 ） 谐振电路此电路原理及工作特性见图 3-27。
电容传感器的电容 Cx作为谐振电路 (L1,C2//Cx)调谐电容一部分有电压耦合从稳定高频振荡器获得振荡电压 。 当 Cx变化时,谐振回路阻抗相应变化,并被转换成电压或电流输出经放大,检波输出 。
一般工作点选在准线性区域内 。
特点：（ 1）灵敏 （ 2）工作点不易选好（ 3）变化范围窄 （ 4）连线杂散电容影响也较大。 图 3-27谐振电路及其工作特性输出uCxC2
L2L1
C1振荡器 放大检波
u
0 C-Δ C C C+Δ C C
27
（ 四 ） 调频电路如图 3-28所示,当 输入量使传感器电容变化时,振荡器振荡频率发生变化,
频率的变化经鉴频变为电压变化再经放大输出 。
特点：（ 1）灵敏度高（ 0.01μm） （ 2） 调频信号 （ 3）直接数字化
（ 4） 抗干扰性强 （ 5） 适用的电容变化范围广。
图 3-28调频电路工作原理被测物体传感器C
x
δ
输出调频振荡器限 幅 鉴 频 放 大
28
（ 五 ） 运算放大器电路如前所述极距变化型传感器中，极距变化与电容变化量成非线性关系，使用中受到制约。而采用比例运算放大器电路输出电压 uy 和位移量是线性变化，
正好克服上述缺点。如图 3-29所示，输入阻抗采用固定电容 C0，反馈阻抗采用电容传感器 Cx。
根据比例器运算关系，有
x
y C
Cuu 0
0u
0—激励电压考虑,有
AC 0?
0
0
0
y
Cuu
A
（ 3-28）
图 3-29运算放大器电路
u0 uy
Cx
C0
由式（ 3-28）可知，输出电压 uy
与电容传感器间隙 δ 成 线性关系 。这种电路常用于位移测量。
29
另外，一方面,Cx 很小（几十到几佰 pF）测量时变化更小（常在 1pF以下）；另一方面传感器极与周围元件及连接电缆存在寄生电容，其电容大且不稳定，影响测量精度。
解决方法,（ 1） 缩短传感器与测量电路之间电缆,甚至做成一体 。
（ 2）采用双层屏蔽电缆，见图 3-30
当放大器增益为 1 和相移为零时，内屏蔽线和芯等电位，可见两者之间的容性漏电流。从而消除两者之间的寄生电容影响。当放大器增益为 1或相移非零时，芯线和内屏蔽线电位有差别。 图 3-30 驱动电缆工作原理1—传感器 2—测量电路
3—内屏蔽 4—外屏蔽
4
3
1
1
2
30
第六节 压电式传感器居里点温度,超过该温度则 压电效应消 失 。
介电损耗,材料内摩擦引起的损耗 。
许用应力,机械强度。
电阻率,影响电荷内部漏泄。
一,压电效应
1．石英、钛酸钡、锆钛酸铅（ PZT）等压电材料的晶体结构具有电极性，
在外力作用下晶格变形，使电极距变化，在物体表面感生电荷，这种现象称为压电效应。
将这些物质置于电场中，具有电极性的晶格在电场作用下产生变形，
此现象称为逆压电效应 (电致伸缩效应 )。
压电材料的主要性能指标,
压电常数,dc 压电灵敏度。与受力方向相关。
31
Fdq c?
2．晶体结构,石英 (SiO2)晶体是 一种常用的压电材料。石英晶体结晶形状为六角形晶体，
见图 3-31a，两端为一对称棱锥。
六棱锥是基本组织。纵轴线 z—z
称为光轴，过六角棱线垂直于光轴的轴线 x—x称为电轴，垂直于棱面的轴线 y—y 称为机械轴，
如图 3-31b。 图 3-31 石英晶体
z-z光轴 y-y机械轴 x-x电轴
xx
y
y z
z
xx
y
y
a)
b)
32
3．纵横向效应 见图 3-32，当施加外力时，将沿 x—x 方向形成电场，其电荷分布在垂直于 x—x 轴的平面上。沿 x 轴加力产生纵向效应；沿 y 轴加力产生横向效应；沿相对两平面加力产生切向效应。
图 3-32 压电效应模型
a)纵向效应 b)侧向效应 c)切向效应
Fy
Fy
Fy
Fy
FxFx
z
y
x
z
y
x
z
y
x
33
二．压电材料分类压电单晶（单晶体）
常用压电材料分类石 英 铌酸锂 钽酸锂压电陶瓷（多晶体）
钛酸钡 锆钛酸铅有机压电薄膜
1,单晶体,晶格按同一方向排列,压电特性稳定 。
石英晶体具有较好的机械强度和时间及温度稳定性,应用广泛 。
2,多晶体,易制造成复杂形状；任意方向极化；压电常数比单晶高 （ 数百倍于石英晶体 ） ；电阻率高；成本低 ；
钛酸钡：居里点约 350℃,压电常数 70~590 pC/N
3．高分子压电薄膜,压电常数高（数百倍于压电陶瓷）； 柔软不宜破； 易制造成 大面积器件；易老化；线性度较差；
聚偏二氟乙烯 （ PVdF） 可用于微压测量和机器人触觉 。
34
三 压电式传感器及其等效电路
1．压电晶体的两个工作面上蒸镀金属膜，构成两个电极,如图 3-33 所示。
传感器由电荷发生器并联电容器及漏电阻构成：
0 AC
式中 ε —压电材料相对介电常数；石英晶体 ε =4.5；压电陶瓷 ε =1200
ε 0—真空中介电常数 A—晶片面积
35
Fdq c?电荷发生器电容量为恒力响应正弦力响应
0
0
0 21
1 s in ( )
1 ( )CR
qu R i t
C
aC
qu?
0
aCRte 0/?
静态测量误差动态测量误差
aCRte 0/?
20 )1(11 RC a
2,并联：实际中往往用并接 （ 图 3-33b）,并接时 （ 1） 输出电荷量大
（ 2） 时间常数大宜于测缓慢信号,适宜以电荷量输出场合 。
3．串联：串接时（图 3-33c）（ 1）传感器电容小（ 2）输出电压大
（ 3）适宜以电压作为输出信号。
4．等效电路 压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。电容器上开路电压 u0 与电荷量 q 和电容 Ca 存在下列关系
aC
qu?
0
当接入测量电路,寄生电容 Cc 接入,后续电路输入阻抗和漏电阻形成泄漏电阻 R0如图 3-33d所示,当负载平衡时
q C u idt （ 3-31）
式中 q—压电元件产生电荷量,当受外力 f =F0sinω t 时,
q= dcF0sinω t=q0sinωt
dc—压电常数 C—电容 (C =Ca+Cc+Ci ) 其中 Ci 为外接电路输入端电容
U —电容上建立的电压 i —泄漏电流 ( i = u /R0 )
36
式 (3-31)可写为 tqid tiCR?s in
00
或
tqidtdiCR c o s00
其稳态过程为
)s in (
)(1 20
0
t
RC
qi
0
1
RCa rct g
电容上电压为
0
0
0 21
1 s in ( )
1 ( )CR
qu R i t
C
（ 3-32）
5．说明,式（ 3-32）表明压电元件的电压输出还受到回路时间常数 R0C
影响。在动态测试时为了有一定不失真输出，测量电路必须（ 1）提高输入阻抗，并在输入端并联一定电容 Ci （ 2）加大时间常数 R0C。但并联电容不宜过大，使输出电压降低，灵敏度降低。
37
四,测量电路
1,前置放大由于压电式传感器的输出电信号很微弱,本身存在内阻,给后接电路带来一定困难 。 为此先把信号输入到高阻抗的前置放大器,方可进行一般放大,检波,输出指示仪 。
2,前放作用
（ 1） 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出 （ 2） 放大信号
3,前放形式
（ 1） 电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压 (传感器 )成正比 。
（ 2） 带电容反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比 。
4,电压放大使用电压放大器中,放大器输入电压如式 （ 3-33） 所示 。 由于总电容 C 中包括了电缆对地电容 Cc比其它电容都大,故测量中电缆对地电容的变化非常敏感,影响输出和灵敏度 。
38
5．电荷放大 电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。当略去传感器漏电阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如 图 3-34所示。
忽略漏电阻故 ( ) ( )
i a c i i y fq u C C C u u C
()i i y fq u C u u C
式中 ui—放大器输入端电压 uf—放大器输出端电压； uy= -A ui
A—电荷放大器开环增益 Cf—电荷放大器反馈电容
Ci—外接电路输入端电容故得
ff
y ACCC
Aqu
)(
如果放大器开环增益 A足够大，则 A Cf >>C+ Cf
上式简化为
f
y C
qu （ 3-33）
式（ 3-33）表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与传感器电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。因此可长距离测量，灵敏度无明显变化，
但其电路复杂，价格昂贵。
39
五,压电式传感器的应用
1,应用范围 测力,压力,振动,加速度,超声发射等
2,测力范围 10-3 N ~ 104 kN,动态范围 DR一般为 60 dB,单方向,或多方向 。
3,传感器形式 利用膜片式弹性元件 力 → 膜片 → 凸台 → 压电片 → 电荷量利用活塞乘压面受力 力 → 活塞乘压面 → 活塞杆 → 压电片上 → 电荷量压电式加速度计可做成不同灵敏度,不同量程和不同大小系列产品 。
4,工作频率范围 数十赫 ~兆赫,范围宽 。
5,此传感器一般常用纵向效应 （ 测轴向力 ）,横向效应实为干扰和测量误差,
一个压电式传感器各横向灵敏度不一样 。 为减少影响和干扰,应力求最小横向灵敏度与最大横向干扰力方向重合 。
6,校准 环境湿度,温度变化和压电材料本身时效,都会引起压电常数变化,
经常校准是必要的 。
7,工作原理的可逆性 施加电压于压电晶片,压电片便产生伸缩,可用作,驱动 a a器,如作振动源,超声发声器,扬声器及精密驱动装置 。
40
第七节 磁电式传感器定义：把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器 。 （ 又称电磁感应式或电动力式 ）
原理：由电工学知，一个匝数为 W的线圈，当穿过该线圈的磁通 Φ 发生变化时，其感应电 动势 e 为
dt
dWe （ 3-34）
可见线圈磁感应电动势大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻和线圈运动速度有关。
按结构分类动圈式线速度型 角速度型磁阻式
41
一,动圈式
1,线速度型 （ 图 3-35a） 在永久磁铁产生的直流磁场内,放置一个可动线圈,当线圈在磁场中运动时,它所产生的感应电动势 e为
s inW B lve? （ 3-35）
式中 B — 磁场的磁感应强度 v — 线圈与磁场的相对运动速度
l — 单匝线圈有效长度 θ — 线圈运动方向与磁场方向夹角
W — 线圈匝数当 θ =900时式（ 3-35）可写成 WBlve? （ 3-36）
此式说明，当 B,W,l 均为常数时，感应电动势大小与线圈运动线速度成正比。这也是一般常见惯性式速度计的工作原理。
2．角速度型（ 图 3-35b） 是传感器工作原理，先前在磁场中转动时产生的感应电动势为?kWBAe? （ 3-37）
式中 ω—角速度 A—单匝线圈的截面积 k—与结构有关的系数 (k<1)
式（ 3-37）表明，当传感器结构一定时,W,B,A 均为常数，感应电动势 e 与线圈相对磁场的角速度成正比，这种传感器被用于转速测量。
42
3,等效电路将传感器与电压放大器连接时，其等效电路如 图 3-36所示。图中 e 是发电线圈感应电势； Z0 是线圈阻抗； RL 是负载电阻 (含放大器输入电阻 )； CC 是电缆导线分布电容； RC 是电缆导线的电阻 (可忽略 )，故等效电路中输出电压为
0
01 ZCj
eu
cR
ZL
L
（ 3-38）
如果使用线不长 CC可忽略，如果 RL >> Z0时，则放大器输入电压为
euL?
感应电势经放大,检波后,可推动指示仪表 。 如果通过微积分网络,可得到加速度和位移 。 磁电式传感器的工作原理也是可逆的 。 作为测振传感器,
它工作于发电机状态 。 若在先前上加上交变激励电压,则线圈就在磁场中振动,成为一个激振器 （ 电动机状态 ） 。
43
二,磁阻式原理：磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动,由运动着的物体
（ 导磁材料 ） 来改变磁路的磁阻,而引起磁力线增加和减弱,使线圈产生感应电动势 。 其工作原理见图 3-37所示 。
特点：磁阻式传感器使用简便，结构简单，不同场合用来测量转速、偏心量、
振动等。
a
)
n SN
b)
n SN
c)
SN
d)
v
m SN
图 3—37磁阻式传感器工作原理及应用例
a)测频数 b)测转速 c)偏心测量 d)振动测量
44
第八节 半导体传感器半导体材料有一个重要特性是对光,热,力,磁,气体,温度等理化量的敏感性 。 近代半导体技术利用这些特性,作为非电量电测的转换元件 。
特点,（ 1） 是一些物性型传感器 （ 2） 结构简单,体积小,重量轻
（ 3） 功耗低,安全可靠,寿命长 （ 4） 对被测量敏感,响应快
（ 5） 易于实现集成化 6） 输出一般为非线性,常采用线性化电路
（ 7） 受温度影响大,需要温度补偿措施 （ 8） 性能参数分散性较大 。
一,磁敏传感器分类：（ 1）霍尔元件 （ 2）磁阻元件 （ 3）磁敏管
（ 一 ） 霍尔元件霍尔元件 ——种半导体磁电转换元件。一般由锗（ Ge）、锑化铟（ InSb）、
砷化铟（ InAs）等半导体材料制成。它利用霍尔效应进行工作。如图 3-38
所示，将霍尔元件置于磁场 B 中，如果在 a,b 端通以电流 i 在 c,d 两端就会出现电位差，称为霍尔电势 VH，此现象叫霍尔效应。
45
B
i
ia
d
c
b
i
VH
a)
B d
b
c
a i
N
型
v F
E
FL
电子受力方向
b)
图 3—38霍尔元件及霍尔效应原理
a) 霍尔元件 b) 霍尔效应原理假定把 N型半导体薄片放在磁场中，通固定电流 i，半导体中载流子（电子）
将沿着与电流方向相反方向运动。从物理学知，任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时，要受到洛伦兹力 FL作用，向一边偏移，并形成电子积累，而另一边积累正电荷，于是形成电场。该电场将阻止运动电子继续偏移，当电场力 FE与 FL相等时，电子积累达到动态平衡，这时元件 c,d
两端之间建立的电场叫霍尔电场，相应电势叫霍尔电势 VH。
46
s iniBKV HH? （ 3-39）
式中 kH—霍尔常数,取决于材质,温度,元件尺寸 i——电流
B—磁感应强度 α —电流与磁场方向的夹角根据此式，如果改变 B 或 i，或者两者同时改变，就可改变 VH，值，
运用此特性，把被测参量转化为电压值的变化。
图 3-39表示用霍尔元件测量位移的实例 。 将霍尔元件置于两个方向相反的磁场中,由于每点磁感应强度不同,当元件沿 x方向移动时,由霍尔电势的变化反映出位移量 。 将微小位移测量为基础,霍尔元件还可应用于微压,压差,高度,加速度和振动的测量 。 图 3-40表示一种利用霍尔元件探测钢丝绳断丝的工作原理 。
霍尔电势 VH，其大小为
47
二,光敏传感器
（ 一 ） 光敏电阻光电效应：光敏电阻是一种光电导元件 。 其工作原理是基于半导体材料的内光电效应 。 当半导体受到光照射时,其内阻值减小的现象 。
阻性偏压：光敏电阻是一种电阻器件,使用时对它加一定偏压,无光照射时,其阻值很大,电路中电流很小 。 当受到光照时,其阻值急剧下降,电路电流迅速增加 。
材料光谱：光敏电阻阻值的变化与光的波长有关,不同材料的光谱特性不同,见图 3-41,应根据入射光波波长选择材料 。
温度影响：光敏电阻受温度的影响甚大，温度升高时，它的暗电阻值、灵敏度下降，使用时注意。
ZnS CdS Si Ge PbS PbTePbSe
相对灵敏度
%
0 0.3 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0
100
80
60
40
20
入射波长 （ μ m）
图 3—41光敏电阻材料的光谱特性
48
（ 二 ） 光电池光生电能：半导体光电池直接将光能转换成电能 。 受光照射时,可直接将光能转换成电源 。
工作原理：图 3-42表示具有 PN结的光电池工作原理 。 当用光照射时,在 PN
结附近,由于吸收了光子能量而产生电子和空穴,称之为 光生载流子 。 它们在 PN结电场作用下,产生漂移运动,电子被推向
N 区,而空穴被推进 P 区,使 P 型区带正电,而 N 型区带负电,
二者之间产生了电位差,用导线联接电路中就有电流通过 。
材料特性,一般常用光电池有硒,硅,锑化镉,硫化镉等光电池,其中使用最广泛的是硅电池,其光谱范围为 0.4~1.1 μ m,灵敏度为 6~8nAmm-2/x-1；响应时间为数微秒至数十微秒 。
P N
图 3—42光电池工作原理
49
（ 三 ） 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管：光敏二极管是一种既有一个 PN结又有光电转换功能的晶体二极管 。 PN结位于管的顶部,以使接受光照 。 光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态 。 在内有光照射时,处于截止状态,反向电阻很大,反向电流很小 。
当光照射时,PN结附近受光子轰击产生电子和空穴,少数载流子浓度大大加强,使通过 PN结的反向电流大大增加,形成光电流 。 光照度变化使光电流变化,这样事项把光信号转换成点信号的功能 。 基本电路见图 3-43。
Rf
图 3—43光敏二极管基本电路
50
光敏三极管：若把普通晶体管的基极 —
集电极制成光敏二极管,则成为光敏三极管 。 由于光敏三极管的基极电流由其基极 ——集电极结的光电流供给,许多光敏三极管不再设基极引线 。 图 3-44为其基本电路 。
c
e
图 3—44光敏三极管基本电路光电转换元件具有高灵敏度,体积小,重量轻,性能稳定,价格便宜等优点,应用广泛 。 图 3-45是一种检查零件表面缺陷的光电传感器,图 3-46是光电转速计的工作原理 。
特点：光敏三极管具有输出信号大,抗噪声能力强等优点,响应速度略慢些 。
51
三,固态图像传感器功能上：图像传感器是一个能把受光面的光像分成许多小单元 （ 称为像元 ）,并将它们转换成电信号,然后顺序输送出处的器件 。
构造上：图像传感器是一种小型固态集成元件，它的核心上电荷耦合器件
（ CCD）。 CCD由阵列式排列在衬底上金属氧化物 —硅（ MOS）
电容器组成，它具有光生电荷、积蓄和转移电荷功能。
在控制脉冲电压作用下,CCD中依次排列相邻的 MOS电容中的信号电荷，
将有次序地转换到下一个电容中，实现电荷并行构成。光敏元 1和 CCD2
之间有一转换控制删 3（见图 3-47），其中 CCD作为读出移位寄存器。
1
2
3
图 3—47线型 CCD图像传感器
52
光敏元 → MOS电容（正对着 CCD上一个电容） → 电荷（与光照度、积蓄时间成正比） → 转移光栅打开 → 光敏光电荷并行移到 CCD→ 关闭光栅 → 上一次一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转换并在输出端串行输出。
特点：小型,轻便,响应快,灵敏度高,稳定性好,寿命长 。
用途,（ 1） 物位,尺寸,形状,工件损伤等测量 。
（ 2） 光学信息处理的输入环节,如电视摄像,仿真技术,文字识别,
图像识别 。
（ 3） 自动生产过程的 控制敏感元件 。
类型,（ 1） 线型 1024,1728,2048,4096像素
（ 2） 面型 320x244,640x480,以及 28~500万像素图 3-48 表示用于热轧铝板宽度检测的实例。准确度可达板宽 ± 0.025%。
53
四,热敏电阻热敏电阻是由金属氧化物 （ NiO,MnO2,CuO,TiO2等 ） 的粉末按一定比例混合烧结而成的半导体 。 它具有负的电阻温度系数,温度上升而阻值下降 。
半导体热敏电阻与金属丝电阻比较,具有以下优点,（ 1） 灵敏度高,可测
0.001~0.005℃ 微小温度变化 （ 2） 可制成片状,柱状,直径小到 0.2mm；体积小,热惯性小,响应快,时间常数可小到毫秒级 （ 3） 电阻值范围宽
3~700kΩ （ 4） 非线性大,对环境温度敏感性大 。
图 3-49表示热敏电阻元件温度自动控制自动检测装置中。
0 50 100 150 t (℃ )
R(Ω )
105
104
103
102
220 kΩ
10 kΩ
1kΩ
a)
微球状热 敏 电阻
b
)图 3—49 热敏电阻元件及其温度特性
a) 温度特性 b) 热敏电阻元件 54
五,气敏传感器在工农业生产中,环境保护,安全防灾,医疗和日常生活中,对气体分析,检测或报警的需求日益增多,使用的气体检测传感器也是多种多样 。
其中半导体气敏传感器是发展最快,使用最方便的一种 。
优点,（ 1） 灵敏度高 （ 2） 响应快 （ 3） 制造使用保养简便,价格便宜等优点 。
缺点,（ 1） 气体选择性差 （ 2） 元件性能阐述分散 （ 3） 时间稳定性欠佳电阻式半导体气敏传感器是一种应用较多的一种。主要用于检测一氧化碳、乙醇、甲烷、异丁烷和氢。
55
六,湿敏传感器湿度 ——空气中含有水蒸气量 。
湿度对产品质量和人类生活有重大影响,近年来对此测量和控制要求越来越严格 。
制造湿度传感器材料：四氧化二铁,铬酸镁 —二氧化钛等金属陶瓷湿敏原理：当水分子附在半导体陶瓷上，使陶瓷表面层电阻值明显下降。表面电阻下降到一定程度上，体内电阻已大于表层电阻，电流主要从表层通过，体内电阻的作用可忽略。
56
七,集成传感器把后续电路和半导体传感器制作在同一芯片上,形成集成传感器 。 集成的电路包括：
（ 1） 各种调节和补偿电路 （ 如电压稳定电路；温度补偿电路 ）
（ 2） 信号放大和阻抗变换电路
（ 3） 信号数字化和信号处理电路
（ 4） 信号发送和接受电路
（ 5） 多传感器集成集成传感器具有下列功能,
（ 1） 条件调节和环境补偿能力
（ 2） 通讯能力
（ 3） 自诊断能力
（ 4） 逻辑和判断能力特点：体积小,重量减轻,功能增多,性能改善 。
被称为,灵巧传感器,（ Smart Senser）,,智能传感器,（ Intelligent
Senser） 57
第九节 光纤传感器传统传感器以机 —电量转换为基础,以电信号为变换和传输的载体,
利用导线输送信号 。
光纤传感器则以光学量为基础,以光信号为变换和传输的载体,利用光导纤维输送信号 。
光纤传感器利用光波四个参数：强度,频率,相位和偏振态的变化而使光波变化 。
光波调制 ——把光波随被测量的变化而变化称之为光波调制。
一,分类按调制方式,（ 1） 强度调制 (简单常用 )（ 2） 频率调制
（ 3） 相位调制 （ 4） 偏振调制按光纤作用：（ 1）功能型光纤传感器 （ 2）传光型光纤传感器
58
传光型光纤传感器 —光纤仅起着传输光波的作用,对光波的调制用其它 元件来实现 。
分两种情况,（ 1） 传输途中,由敏感元件对光波调制 （ 2） 先调制好再发出 。
功能型光纤传感器 —光纤不仅起着传输光波的作用，还起着敏感元件的作用，对光波进行调制，即传光又传感。
一般来说，传光型较简单，应用较多。功能型构思巧妙，工作原理复杂，灵敏度较高，解决棘手问题,表 3-4列出部分光纤传感器测量对象、种类及调制方式。
3 4
1
2
5 a)
1
2
5 b)
3 4
6
5
2
3 4
6+7
c)
图 3—50光纤传感器种类
1光源 2光敏元件 3光纤 4被测对象
5电输出 6敏感元件 7发光元件
59
测量对象 种 类 调制方式 测量对象 种类 调制方式电 流磁 场功能型偏振态 放射线 功能型 光 强相 位温 度功能型相 位光 强传光型 偏振态电压电场功能型偏振态 偏振态相 位传光型光量有无传光型 偏振态 光 强压力振动声压功能型频 率速 度功能型相 位相 位 频 率光 强 传光型 光量有无传光型 光 强光量有无光 强图 像 功能型 光 强表 3—4 光纤传感器的测量对象及调制方式
60
二,光纤导光原理
1,入,折射角由物理学知,当光由大折射率 n1的介质射入小折射率 n2的介质时 (图 3-51a),折射角 θ r大于入射角 θ i,且 θ i ↑→ θ r↑ 。
2,临界角当 θ =900时所对应的入射角称为临界角
θ ic,见 b)图 。
3,全反射当 θ i >θ ic时,将出现全反射现象 。 光线不进入 n2介质,而在界面上全部反射回 n1介质中,见 c)图 。 光波沿光纤是以全反射方式进行传播的 。
n2
n1
θ r
θ i a)
n2
n1
θ r=900
θ i=θ ic b)
n2
n1
θ i>θ ic c)
图 3—51光的折射
61
4,光纤结构光纤结构分内外三层 。 中心为直径几十微米大折射率 n1的芯子 。 芯子外面有一层直径为 100~200微米折射率 n2较小包层 。 最外层为保护层,其折射率 n3
远大于 n2,这样保证了进入光纤的光波将集中在芯子内传输 。
5,光传播 一束光线自折射率 n0介质中,以入射角 θ i从 A到 B点；经折射以入射角 θ 2射到界面 C点 。 显然当 θ 2大于某一临界角 θ 2c时,光线将在截面上产生全反射,反射角 θ 3=θ 2。 光线反射到 芯子另测的界面时,入射角仍为 θ 2,再次产生全反射,如此不断的传播下去 。
A
θ i
B
C
n1
n2
n3n
0
θ 2 θ 3
图 3—52光线在光纤中传播
62
6．条件 光线从光纤端部射入，其入射角 θ i必须满足一定条件才能使在 B点折射后的光线 BC射到芯子 —包层界面 C处产生全反射。可以证明若光线自折射率为 n0的介质中射入光纤，则当 θ 2=θ 2c时，入射角 θ i =θ ic,有
2
2
2
1
0
1s in nn
nic
（ 3-40）
通常把 n0sinθ ic定义为光纤的,数值孔径,,用符号 NA 表示 。 虽然,若自
n0=1的介质 （ 大气 ） 入射时,sin-1NA=θ ic,即为端面如社临界角 。 凡入射角 θ i< sin-1NA部分光线不能全反射,进行传播 。 作为传感器的光纤,故采用 0.2≤ NA≤ 0.4 (11.50≤ θ i ≤ 23.50 )
三,光纤传感器的应用应用 范围,温度,压力,声压,振动
63
应用 1：图 3-53是一种简单的光纤位移传感器 。
应用 2：图 3-54是一种反射式光纤位移传感器 。
1 2
x
1~2μ m
图 3—53光纤位移传感器
1发送光纤 2接收光纤
64
x
1
2
x
I
图 3—54反射式光纤位移传感器
1发送光纤 2接受光纤
65
四,光纤传感器的特点
（ 1） 不受电磁干扰,电气绝缘性好,可在强磁场下测量 。
（ 2） 防爆,防火,耐高压,耐腐蚀 。
（ 3） 某些性能优于传统传感器
（ 4） 重量轻,体积小,可在狭窄空间使用 。
（ 5） 具有良好的集合形状适应性 。
（ 6） 频带宽,动态范围大 。
（ 7）易于远距离测量。
缺 点：
（ 1） 缺少兼容的执行机构
（ 2） 现场连接困难,技术复杂,成本高 。
（ 3） 多路光纤传感器共用光源有困难 。
（ 4） 多数传感器很难实现,灵巧性,。
（ 5）标准化程度差。
66
第十节 传感器选用原则
1,灵敏度 （ 1） 适当 （ 2） 多维测量交叉灵敏度小
（ 3） 与测量范围协调
2,响应特性 （ 1） 不失真
（ 2） 响应时间短 （ 动态测量尤为重要 ）
3,线 性 （ 1） 线性度好 （ 2） 线性范围宽
4,可靠性 可靠性高,考虑设计,制造,环境 （ 油,粉尘,磁场,湿度 ）
5,精确度 原则上精确度 ↑,考虑经济性 。
6,测量方式 （ 1） 接触式 —非接触式 （ 2） 在线 —非在线
7．其 它 体积，结构，价格，维修，采购和更换。
67
结 束选择传感器须要对测量系统的使用要求、工作环境、成本等多方面约束条件，综合评价，多方案择优。首先按约束指标 /优化指标分类；在满足约束指标的方案中按优化指标择优。
测量精度 静态特性性能要求,响应速度 动态特性量程范围空间尺寸电磁干扰温度范围环境条件,防暴要求腐蚀污染震动强度生物影响价格经济性,寿命维修表 3—1 机械工程中常用传感器类 型 名 称 变换量 被测量 应用举例 性能指标测量范围 10~105N示值误差 ± （ 0.3~0.5） %
三等标准测力仪弹簧秤压力表压力表压力表温度计力力压力压力压力温度物体尺寸、
位置 有无力 —位移力 —位移压力 —位移压力 —位移压力 —位移温度 —位移力 —位移测力环弹簧波纹管波登管波纹膜片双金属片微型开关机械式测量范围 500Pa~0.5Mpa
测量范围 0.5Mpa~1000MPa
测量范围 <500Pa
测量范围 0~300℃
位置精密度可达数微米测量范围 -10~1300 ℃
分辨力 0.1 ℃红外测温仪
x射线应力仪
γ 射线测厚仪激光测长 仪超声波测厚仪温度物体有无测厚探伤应力测厚,探伤长度位转移角厚度,探伤厚度 成分分析热 —电散射 干涉对物质穿透光波干涉超声波反射穿透红外
x 射线
γ 射线激光超声
β 射线辐射式 测量范围 4~40 mm测量精密度 ± 0.25 mm
测距 2m分辨力 0.2μm
穿透作用
68
类 型 名 称 变换量 被测量 应用举例 性能指标分辨力 0.5μm
分辨力 0.5μm
分辨力 0.01N
频率 0.1Hz~20kHz
测量范围 （ 10-2~105） ms-2
测量范围 0~1600℃
测量范围 0~2mm线性误差 1%
测量范围 -10~300℃
灵敏度 500μA/1m
最大截止频率 50kHz 0
直线电位计应变仪电容测微仪涡流式测振仪电感测微仪电感比较仪位移力,位移,应变,加速度位移 —电阻形变 —电阻位移 —电容位移 —自感位移 —自感位移 —互感力 —电荷力 —磁导率温度 —电势位移 —电势温度 —电阻气体浓度,温度光 —电阻光 —电压光 —电流电位计电阻丝应变片半导体应变片电磁及电子式分辨力 0.025~0.05mm
线性误差 0.05~0.1%
最小应变 1~2με
最小测力 （ 0.1~1） N
位移,力,声位移,测厚位移,力位移,力力,加速度力,扭矩温度位移温度可燃气体开,关量转速,位移分辨力 0.025μm
测量范围 0~15mm
分辨力 1μm
测力计热电温度计
（ 铂铑 —铂 ）
位移传感器半导体温度计气敏检测仪硒光电池光电转速仪测力计加速度计电容电涡流电感差动变压器压电元件压磁元件热电偶霍尔元件热敏电阻气敏电阻光敏电阻光电池光敏晶体管
69
a)
Δ x C x
R
C
B
A
b)
C
B
A
αΔα
c) CBA
x
图 3-5 变阻器式传感器
a) 直线位移型 b) 角位移型 c)非线性型
70
材料名称成 分 灵敏度 电阻率 电阻温度系数 膨 胀系 数元素 % Sg Ω.mm2/m X10-6/℃ X10-6/℃
康 铜 CuNi 5743 1.7~2.1 0.49 -20~20 14.9
镍铬合金 NiCr 8020 2.1~2.5 0.9~1.1 110~150 14.0
镍铬铝合 金
Ni
Cr
Al
铁
73
20
3~4
余量
2.4 1.33 -10~10 13.3
表 3—2 常用电阻丝材料物理性能
71
1
2
3
4
5
图 3-9 半导体应变片
1—胶膜衬低 2—P-Si 3—内引线 4—焊接线 5—外引线
72
材 料 电阻率 ρΩ,cm 弹性模量 EX10-7N/cm2 灵敏度 晶 向
P型硅 7.8 1.87 175 [111]
N 硅 11.7 1.23 -132 [100]
P 锗 15.0 1.55 102 [111]
N 锗 16.6 1.55 -157 [111]
N 锗 1.5 1.55 -147 [111]
P型锑化铟 0.54 -45 [100]
P型锑化铟 0.01 0.745 30 [111]
N型锑化铟 0.013 -74.5 [100]
表 3—3 几种常用半导体材料特性
73
i
图 3-12可变磁阻式传感器基本原理
1—线圈 2—铁心 3—衔铁
L
δ0
δ
x3
2
1~
74
a)
~ x
b)
~
δ
0
δ
0
x
c)
~
x
d)
~
图 3-13 可变磁阻式传感器典型结构
a)可变磁阻面积型 b)差动型 c)单螺管线圈型 d)双螺旋管圈差动型
75
图 3-14双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性
a)
uL2
L1x
~
b)
0 x
L1
L,u
L2
u
76
图 3-16分压式调幅电路原理
u
0 t
输出金属板
L u
C
R
δ
振荡器放 大 检 波 滤 波
b)
δδ 2δ 1δ0
u2
u1
u
a)
u2
u1
u
uu
0 ff f1 f2
图 3-17 分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性
a) 谐振曲线 b) 输出特性
77
图 3-33 压电晶片及等效电路
a) 压电晶片 b)并联 c)串联 d)等效电荷源
δ
a) F
F
b)
F
F
c)
F
F d)
R0CCCaq
78
图 3-35动圈式磁电传感器工作原理
ω
SN
a)
v
S
N
b)
79
图 3-36动圈磁电式传感器等效电路电 缆传感器
e
Z0
uL
CC RL
RC
输出
~
放大器 检 波?
或dtd
80
N S
NS a
cd
b
VH
1 H
2
Δ x
图 3—39霍尔效应位移传感器
81
N S 永久磁铁
v
钢丝绳 放 大 滤 波 A/D 计算机图 3—40钢丝绳断丝检测原理
82
1
2
3
4
5
6
7
图 3—45 检查零件表面缺陷的光电传感器
1激光管 2,3,4 透镜 5光栏 6硅光电池 7工件
83
5
1 2 3 4
图 3—46 光电转速计工作原理
1光源 2光电元件 3放大及整形电路
4数字频率计 5电动机
84
激光器 CCD线型传感器
1 2 3
光源轧板轧辊视场角
l1 l2lm
L
图 3—48热轧铝板宽度自动检测原理
85
图 3-6 电阻分压电路
x
RL uy
u0 xp
86
图 3-34 电荷放大器等效电路运算放大器电 缆传感器
Ca Cc Ci
ui
uy
Cf
A
q
87
▲ 种类繁多,被测量种类多，信号转换原理多，他们的组合更多。
▲ 学习方法,原理 → 结构 → 相配合的电路 → 特点 → 选用。
▲ 检测装置的性能,瓶颈,,受环境条件的影响、材料特性的限制，通常是检测装置中性能指标最低的环节。
第一节 传感器的分类按被测量分类,（ 1）位移传感器 （ 2）力传感器 （ 3）温度传感器等按工作原理分类：（ 1）机械式 （ 2）电气式（ 3）光学式（ 4）流体式等按信号变换特征：（ 1）物性型（ 2）结构型按能量关系分,(1） 能量转换型（ 2）能量控制型按输出信号分类：（ 1）模拟式（ 2）数字式
1
物性型传感器,依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换。如水银温度计；石英晶体压电效应。
结构型传感器,是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。如电容、
电感、应变式传感器。
能量转换型（无源）传感器,是直接由被测对象输入能量使其工作的，如热电偶温度计，弹性压力计。
能量控制型（有源）传感器,从外部供给辅助能量使传感器工作。如把电阻应变计接于由外部供电的电阻电桥上，被测量变化引起的电阻变化去控制电桥输出。
参见书中 表 3-1，机械工厂中常用传感器。
另外，传感器可能只一个，也可能几个换能元件组合而成一个小型装置。
2
3
第二节 机械传感器原理：利用材料的弹性变形特性实现,力 ——位移,或,应力 ——应变,的转换
S=F·J/E,ε =ζ /E,
一,直接指示仪表优点,（ 1） 结构简单 （ 2） 性能稳定 （ 3） 使用方便 （ 4） 价格低缺点,（ 1） 分辨力不高 （ 2） 不能产生电信号结构：见图 3.3、图 3.4。
恰当的机械结构可把力、气压、温度、磁场等直接指示。
二,组合传感器将弹性元件与能够把位移或应变转换成电信号的元件组合，构成多种类型的 传感器，如荷重传感器、压力传感器、声音传感器等，是一种常用的传感器形式。这类 组合 传感器的性能主要取决于 弹性体的品质。
线性度误差、回程误差可达万分之一。
4
第三节 电阻式传感器电阻式传感器 ——是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。
一．变阻器式传感器（电位差计式 ）
电阻丝长度 l是电位器触头位置的函数，把位移转换为电阻的变化。
电阻 值 公式为
A
lR
分类：（ 1）直线位移型 （ 2）角位移型 （ 3）非线性型 如图 3—5 所示优点,（ 1） 结构简单 （ 2） 性能稳定 （ 3） 使用方便缺点,（ 1） 分辨力不高 （ 2） 躁声较大式中,ρ ——电阻率； l——电阻丝长度； A——电阻丝截面积。 使得 ρ,l,A
其中之一随被测量变化，都使电阻值产生相应的变化，构成 传感器。
结构分类：（ 1）变阻器式 （ 2）电阻应变式变阻器式传感器后接电路见 图 3-6,设 Rp—变阻器总电阻； xp—变阻器总长度； Rl—后接电路输入电阻由于直线位移型电阻与位移的线性关系,设 R′ 为 xp– x 段电阻有比例关系
xx
R
x
R
pp
p
'
)1()('
p
p
p
pp
x
xR
x
xxRR
由分压电路
)1(11
00
'
0
'
pl
p
l x
x
R
R
R
Rl
l
y
UU
RR
RUU
（ 3-3）
讨论：（ 1）当 时
（ 2）当 时
pxx? 0
UUy?
0?x
pl
ly RR RUU 0
（ 3）为减小后接电路影响，应使 Rl >> Rp （减小负载效应）
5
二．电阻应变式传感器应用范围：测量力,应变,位移,加速度,扭矩等特点,（ 1） 体积小 （ 2） 动态响应快 （ 3） 测量准确高 （ 4） 使用方便
（一）金属电阻应变片电阻应变片结构
（ 1） 把直径为 0.025mm的康铜或镍铬合金丝,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间,由引出导线接于电路上 。 （ 图 3-7）
（ 2）用栅状金属箔片代替栅状金属丝。用光刻技术制造，其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片约厚 1~10 μm。 （图 3-8）
工作原理：把应变片粘固在弹性元件表面上，电阻丝长度 l、截面积 A 随弹性元件一起变形，其阻值发生相应变化。
6
由于电阻值
AlR
由于 l,ρ,A将随电阻丝的变形而变化,上面为三元变量方程 。
对上式求微分?
d
RdA
A
Rdl
l
RdR
（ 3-4）
式中,所以2rA
drlr d rr ldlrdR 2222 2)(
drldrr ldlrdR 232 2
)2(drdrldlRdR
d
r
dr
l
dl
R
dR 2 （ 3-5）
式中 l,ρ,A——分别为长度、电阻率和截面积式中 ——电阻丝轴向相对应变（或称纵向应变）ldl
——电阻丝径向相对应变（或称横向应变）
ldlrdr
——电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝所手正应力 ζ 有关。
d
——材料泊松比?
7
Ed （ 3-7）
式中 E——电阻丝材料的弹性模量
λ ——压阻系数，与材质有关将式（ 3-6）（ 3-7）代入式（ 3-5），则有
)21(2 EERdR （ 3-8）
式中 (1+2γ )ε 项是电阻丝几何尺寸变化所引起的 。
λ Eε 项是由电阻丝的电阻率随应变而引起的，金属丝电阻率 变化 很小可忽略。
式（ 3-8）可简化为
)21(RdR
（ 3-9）
式（ 3-9）表明电阻相对变化率与应变成正比。比值 Sg称为应变系数或灵敏度。
21
ldl
RdRS
g
常数 （ 3-10）
制造应变片中 Sg在 1.7~3.6之间，几种常用电阻丝材料物理性能见 表 3-2，一般市场上电阻应变片标准为 60,120,350,600,1000 Ω 等。
8
（二）半导体应变片 典型半导体应变片结构见 图 3-9
工作原理：半导体材料的电阻率 ρ 对多种影响因素都很敏感，其中包括应力。
半导体应变片的压阻系数 λ 大，使式（ 3-8）中几何尺寸变化项
(1+2γ )ε 远小于电阻率变化项 λ Eε,式（ 3-8）可简化为
ERdR? （ 3-11）
灵敏度为 E
ldl
RdRS
g
（ 3-12）
这一数值比金属丝式大 50~70倍,几种常用的半导体材料特性见 表 3-3
优点,（ 1） 灵敏度高 （ 2） 可与后续电路及多种 传感器集成缺点：（ 1）温度稳定性差（ 2）灵敏度分散度大（由于晶向杂质等因数）
（ 3）非线性大小结,（ 1） 金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化 。
（ 2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。
9
（三）电阻应变片传感器应用实例
1．直接用来测定结构的应变或应力例如：研究机械,桥梁建筑等某些构件在工作状态下的受力,变形情况 。
可用不同形状的应变片,贴在构件的预定部位,测得构件的拉,压应力,
扭矩等 为结构设计,应力校核或构件破坏的预测提供可靠实验数据 。
2,将应变片贴在弹性体上,作为测量力,位移,加速度等物理参数的传感器 。
示例见图 3-11。 上述各种传感器从本质上讲均为受力,产生弹性变形,导致电阻应变片阻值发生变化,再经二次仪表转换为电压 （ 或电流 ） 信号输出 。
说明,（ 1）由应变片测出的是构件或弹性体上某出的应变，通过换算（或标定）
才能得到应力、力或位移。 标 定
（ 2）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺（胶、
贴前处理、固化处理、防潮等）至关重要。 贴片工艺
（ 3） 动态测量时,应考虑弹性元件和应变片的动态特性 。 动态特性
（ 4） 温度对电阻值的变化影响不容忽略,考虑温度补偿 。 温度补偿
10
第四节 电感式传感器原理：把位移等被测量转换为电感量变化的一种装置 。 (基于电磁感应原理 )
结构分类,（ 1） 自感式 (a) 可变磁阻 (b) 涡流式
（ 2） 互感式 ——差动变压器式一,自感式
(一 ) 可变磁阻构造原理见 图 3-12,它由线圈 1,铁心 2和衔铁 3组成 。 线圈自感量 L为
mR
WL 2? （ 3-13）
式中 W——线圈匝数 Rm——磁路总磁阻 [H-1](亨 )
如果空气隙 δ 较小，不考虑磁路的铁损时，则总磁阻为
00
2
AA
lR
m?
（ 3-14）
式中 μ —铁心磁导率 μ 0—空气磁导率 (4π ⅹ 10-7) l—铁心导磁长度
δ —气隙长度 A—铁心导磁截面积 A = aⅹ b A0—空气隙导磁横截面积
11
因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，可以忽略，故
00
2
AR m?
（ 3-15）
代入式 3-13）得
2
00
2 AW
L? （ 3-16）
式（ 3-16）表明：自感 L 与气隙 δ 成反比，与气隙导磁截面积 A0 成正比。
当固定 A0 变化 δ 时,L与 δ 呈非线性关系，此时传感器灵敏度 S 为
2
00
22
WAS?
（ 3-17）
从式 （ 3-17） 看出,灵敏度 S 与气隙长度平方成反比,δ 越小,S 越高 。 如果 S 不是常数会出现非线性误差 。 为了减小这一误差,通常规定在较小间隙范围内工作 。 设间隙变化为 (δ 0,δ 0+Δ δ ),一般应用中取 Δ δ /δ ≤ 0.1。
此种传感器适合于较小位移的测量,一般设为 0.001~1 mm。
12
图 (3-13） 中列出四种常用可变磁阻式传感器的典型结构。
（ 3） 单螺管线圈型 铁心在线圈中运动时,将改变磁阻使自感发生变化 。
结构简单,易制造,但灵敏度低,使用大位移测量 。
（ 1）可变导磁面积型 L与 A0成线性关系，灵敏度较低。
（ 2）差动型 两个线圈的间隙按 δ 0+Δ δ 和 δ 0-Δ δ 变化，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减少，将两线圈接于电桥相邻两臂时，其灵敏度提高 1 倍，并改善了非线性。
（ 4）双螺管线圈差动型 与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及线性，常用于电感测微仪上，其测量范围为 0~300 μm,最小分辨力为 0.5μm。这种传感器常接于电桥两个桥臂上，线圈电感 L1,L2随铁心位移而变化，
其输出特性如 图（ 3-14） 所示。
13
（二）涡电流式原理：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场作用，使原线圈的等效阻抗 Z 发生变化。
图 3-15高频反射式涡流传感器原理
i
Ф
i1Ф
1
金属板
δ
14
Z = f (μ,ρ,δ,ω）
涡流效应是间隙 δ,金属板电阻率 ρ、
磁导率 μ、检测电流频率 ω的函数。
应用,位移、振动测量。（ δ）
材质鉴别、探伤。（ ρ,μ）
特点,（ 1）非接触测量 （ 2）无运动部件 （ 3）耐环境性好 （ 4）量程大
（ 5）非线性较大涡电流式传感器测量电路,（ 1） 阻抗分压式调幅电路 （ 2） 调频电路分压式调幅电路：原理见 图 3-16，图 3-17是其谐振曲线及输出特性。传感器线圈 L 和电容 C 组成并联谐振回路，其谐振频率为
LCf?2
1? （ 3-18）
电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，输出电压 u 最大。工作时线圈阻抗随 δ 改变,LC 回路失谐，输出信号 u (t) 频率虽然仍为工作频率，但幅值随 δ 而变化，它相当于一个调谐波。此调谐波经放大、检波、滤波后即可得到气隙 δ 的动态化信息。
15
调频电路：调频电路的工作原理如图 3-18 所示 。 与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量 。 当 δ发生变化时,引起线圈电感 L变化,使振荡器的振荡频率 f 发生变化,再通过鉴频器进行频率 —电压转换,即得与 δ
成比例的输出电压 。 目前此种传感器应用广泛,测量范围为 1~10 mm,分辨力为 1 μ m 的 非接触式测量 。
C
图 3-18调频电路工作原理
f± Δ f u
δ 0± Δδ
L± Δ L
高频振荡 器 鉴频器
16
二．互感式 ——差动变压器式电感传感器工作原理见图 3-19，当线圈 W1 输入交流电流 i1 时，线圈 W2 产生感应电动势 e12，其大小与电流 i1 的变成正比，即
dt
diMe 1
12
（ 3-19）
式中 M——互感系数（称为互感 H），其大小与两线圈相对位置及周围介质导磁能力有关。
图 3-19互感现象
e12
i1
~
W2W1
17
差动式工作原理：见图 3-20 a)，初级线圈 W 次级线圈 W1,W2反极性串联。当
W上加上交流电时,W1,W2分别产生感应电势 e1 和 e2，其大小与铁心位置有关 。
（ 1） 当贴心在中心时,e1 = e2 → e = 0
（ 2） 当贴心向上运动时,e1 > e2
（ 3）当贴心向下运动时,e1 < e2，其输出特性见 b) 图图 3-20差动变压器式传感器工作原理
a) b) 工作原理 c) 输出特性
b)
e0= e1- e2
W2
W1
e2
e1
x
P
W
a)
W
W2
W1P
x
e2 e1
c)
e
x0
18
问题,交流电压输出存在零点残余电压和输出值不能反映铁芯位移的极性问题。
解决办法,采用如图 3-21所示的差动相敏检波电路和差动整流电路在没有输入信号时,铁心处中间位置,调节 R 使零点残余电压减小,当铁心上下移动时,
输入信号经放大,相敏检波,滤波后得到直流输出 。
此传感器精度高 （ 0.1μ m级 ） 线性范围大 （ ± 100mm）,稳定度好,使用方便,
广泛用于直线位移测量 。
图 3-21差动相敏检波电路工作原理
x
R
放大器 相敏检波振荡器
19
第五节 电容式传感器一,变换原理电容式传感器 ——将被测物理量转换为电容量变化的装置 。
两个平行板组成的电容器其电容量（ F）为：
AC 0? （ 3-20）
式中 ε ——极板间介质的相对介电常数,在空气中 ε =1
ε 0—— 真空中介电常数,ε 0 = 8.8ⅹ 10-12F/m （ 法拉 /米 ）
δ ——极板间距离
A—— 极板面积式 (3-20)表明,当被测量使 δ,A,ε 发生变化时,都会引起电容 C 的变化 。
根据电容器变化的参数可分为 （ 1） 极距变化型
（ 2） 面积变化型
（ 3） 介质变化型
20
（ 一 ） 极距变化型根据式 (3-20),当 A和 ε 不变时,电容 C 与极距 δ 呈非线性关系,见图 3-22
对式（ 3-20）两边取微分
dAdC 20 1
传感器灵敏度 S为
20
1
Ad
dCS (3-21)
可见灵敏度 S与极距平方成反比 。 且 δ ↓ → S↑ 为了减小分线性误差,
通常在较小间隙变化范围内工作,一般取变化范围 1.0
0?
优点,(1) 可进行动态非接触式测量
(2) 灵敏度高
(3) 适用小位移 (0.01μm~
数佰微米 )测量 。
缺点,(1) 有非线性误差
(2) 杂散电容对灵敏度和测量精度有影响
(3) 配套用电子线路复杂。 图 3-22极距变化型电容传感器
δ
δ 0
Δδ0
C
Δ C
δ
δ 0
21
（ 二 ） 面积变化型分类：（ 1）角位移型 （ 2）线位移型 （ 3）圆柱体线位移型
1．图 2-23 a) 为角位移型，当转板有一转角时，动定两极互盖面积就改变，
导致电容量改变。由于覆盖面积为
2
2rA
式中 α ——覆盖面积对应中心角 （ 弧度 ） r——极板半径电容量为
2
20 rC? （ 3-22）
灵敏度为
20
r
d
dCS = 常数（线性关系） （ 3-23）
图 3-23面积变化型电容传感器
a)角位移型 b) 平面线位移型 c)圆柱体线位移型
a)
1
α
2
b)
x
b
Δ xx
2
1
c)
21
Dd
l0
x
22
2．图 2-23 b) 为平面线位移型电容量 C 为
bxC 0? （ 3-24）
灵敏度 S 为
bdxdCS 0 常数 （线性关系） （ 3-25）
3．图 2-23 c) 为圆柱体线位移型电容量 C 为
)/ln (
2 0
dD
xC （ 3-26）
灵敏度 S 为
)/ln (2 0 dDdxdCS
常数 （线性关系） （ 3-27）
特点,（ 1） 面积变化型优点是输出与输入成线性关系 。
（ 2） 灵敏度较低 。
（ 3）适用较大直线及角位移测量。
23
（ 三 ） 介质变化型此中传感器利用介质介电常数变化将被量转换为电量。可用来测量电介质液位或某些材料的厚度、温度和湿度等。见图 3-24
图 3-24 介质变化型电容传感器应用例
a) 介质温度,湿度或厚度影响 b) 液位测量
a)
介质层
b)
绝缘层外极板内极板
24
二,测量电路
（ 一 ） 电桥型电路把电容传感器作为电桥一部分,将电容变化转化为电桥电压输出 。 见图 3-25
形式,（ 1） 电阻,电容 （ 2） 电感,电容电桥输出为一调幅波,经放大,相敏检波,滤波后输出,推动仪表 。
图 3-25 电桥型电路放大C2
C1
L2
L1
~
相 敏解 调 滤 波
25
（ 二 ） 直流极化电路此电路多用于电容传声器或压力传感器中。如图 3-26 所示，弹性膜片在外力 (气压、液位 )作用下发生位移，使电容量发生变化。
电容的变化由高阻值电阻 R 转换为电压变化。分析表明,输出电压 uy和膜片移动速度近似成 一阶系统 的关系。 图 3-26直流极化电路
uy
δ
p
E0
R
f
26
（ 三 ） 谐振电路此电路原理及工作特性见图 3-27。
电容传感器的电容 Cx作为谐振电路 (L1,C2//Cx)调谐电容一部分有电压耦合从稳定高频振荡器获得振荡电压 。 当 Cx变化时,谐振回路阻抗相应变化,并被转换成电压或电流输出经放大,检波输出 。
一般工作点选在准线性区域内 。
特点：（ 1）灵敏 （ 2）工作点不易选好（ 3）变化范围窄 （ 4）连线杂散电容影响也较大。 图 3-27谐振电路及其工作特性输出uCxC2
L2L1
C1振荡器 放大检波
u
0 C-Δ C C C+Δ C C
27
（ 四 ） 调频电路如图 3-28所示,当 输入量使传感器电容变化时,振荡器振荡频率发生变化,
频率的变化经鉴频变为电压变化再经放大输出 。
特点：（ 1）灵敏度高（ 0.01μm） （ 2） 调频信号 （ 3）直接数字化
（ 4） 抗干扰性强 （ 5） 适用的电容变化范围广。
图 3-28调频电路工作原理被测物体传感器C
x
δ
输出调频振荡器限 幅 鉴 频 放 大
28
（ 五 ） 运算放大器电路如前所述极距变化型传感器中，极距变化与电容变化量成非线性关系，使用中受到制约。而采用比例运算放大器电路输出电压 uy 和位移量是线性变化，
正好克服上述缺点。如图 3-29所示，输入阻抗采用固定电容 C0，反馈阻抗采用电容传感器 Cx。
根据比例器运算关系，有
x
y C
Cuu 0
0u
0—激励电压考虑,有
AC 0?
0
0
0
y
Cuu
A
（ 3-28）
图 3-29运算放大器电路
u0 uy
Cx
C0
由式（ 3-28）可知，输出电压 uy
与电容传感器间隙 δ 成 线性关系 。这种电路常用于位移测量。
29
另外，一方面,Cx 很小（几十到几佰 pF）测量时变化更小（常在 1pF以下）；另一方面传感器极与周围元件及连接电缆存在寄生电容，其电容大且不稳定，影响测量精度。
解决方法,（ 1） 缩短传感器与测量电路之间电缆,甚至做成一体 。
（ 2）采用双层屏蔽电缆，见图 3-30
当放大器增益为 1 和相移为零时，内屏蔽线和芯等电位，可见两者之间的容性漏电流。从而消除两者之间的寄生电容影响。当放大器增益为 1或相移非零时，芯线和内屏蔽线电位有差别。 图 3-30 驱动电缆工作原理1—传感器 2—测量电路
3—内屏蔽 4—外屏蔽
4
3
1
1
2
30
第六节 压电式传感器居里点温度,超过该温度则 压电效应消 失 。
介电损耗,材料内摩擦引起的损耗 。
许用应力,机械强度。
电阻率,影响电荷内部漏泄。
一,压电效应
1．石英、钛酸钡、锆钛酸铅（ PZT）等压电材料的晶体结构具有电极性，
在外力作用下晶格变形，使电极距变化，在物体表面感生电荷，这种现象称为压电效应。
将这些物质置于电场中，具有电极性的晶格在电场作用下产生变形，
此现象称为逆压电效应 (电致伸缩效应 )。
压电材料的主要性能指标,
压电常数,dc 压电灵敏度。与受力方向相关。
31
Fdq c?
2．晶体结构,石英 (SiO2)晶体是 一种常用的压电材料。石英晶体结晶形状为六角形晶体，
见图 3-31a，两端为一对称棱锥。
六棱锥是基本组织。纵轴线 z—z
称为光轴，过六角棱线垂直于光轴的轴线 x—x称为电轴，垂直于棱面的轴线 y—y 称为机械轴，
如图 3-31b。 图 3-31 石英晶体
z-z光轴 y-y机械轴 x-x电轴
xx
y
y z
z
xx
y
y
a)
b)
32
3．纵横向效应 见图 3-32，当施加外力时，将沿 x—x 方向形成电场，其电荷分布在垂直于 x—x 轴的平面上。沿 x 轴加力产生纵向效应；沿 y 轴加力产生横向效应；沿相对两平面加力产生切向效应。
图 3-32 压电效应模型
a)纵向效应 b)侧向效应 c)切向效应
Fy
Fy
Fy
Fy
FxFx
z
y
x
z
y
x
z
y
x
33
二．压电材料分类压电单晶（单晶体）
常用压电材料分类石 英 铌酸锂 钽酸锂压电陶瓷（多晶体）
钛酸钡 锆钛酸铅有机压电薄膜
1,单晶体,晶格按同一方向排列,压电特性稳定 。
石英晶体具有较好的机械强度和时间及温度稳定性,应用广泛 。
2,多晶体,易制造成复杂形状；任意方向极化；压电常数比单晶高 （ 数百倍于石英晶体 ） ；电阻率高；成本低 ；
钛酸钡：居里点约 350℃,压电常数 70~590 pC/N
3．高分子压电薄膜,压电常数高（数百倍于压电陶瓷）； 柔软不宜破； 易制造成 大面积器件；易老化；线性度较差；
聚偏二氟乙烯 （ PVdF） 可用于微压测量和机器人触觉 。
34
三 压电式传感器及其等效电路
1．压电晶体的两个工作面上蒸镀金属膜，构成两个电极,如图 3-33 所示。
传感器由电荷发生器并联电容器及漏电阻构成：
0 AC
式中 ε —压电材料相对介电常数；石英晶体 ε =4.5；压电陶瓷 ε =1200
ε 0—真空中介电常数 A—晶片面积
35
Fdq c?电荷发生器电容量为恒力响应正弦力响应
0
0
0 21
1 s in ( )
1 ( )CR
qu R i t
C
aC
qu?
0
aCRte 0/?
静态测量误差动态测量误差
aCRte 0/?
20 )1(11 RC a
2,并联：实际中往往用并接 （ 图 3-33b）,并接时 （ 1） 输出电荷量大
（ 2） 时间常数大宜于测缓慢信号,适宜以电荷量输出场合 。
3．串联：串接时（图 3-33c）（ 1）传感器电容小（ 2）输出电压大
（ 3）适宜以电压作为输出信号。
4．等效电路 压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。电容器上开路电压 u0 与电荷量 q 和电容 Ca 存在下列关系
aC
qu?
0
当接入测量电路,寄生电容 Cc 接入,后续电路输入阻抗和漏电阻形成泄漏电阻 R0如图 3-33d所示,当负载平衡时
q C u idt （ 3-31）
式中 q—压电元件产生电荷量,当受外力 f =F0sinω t 时,
q= dcF0sinω t=q0sinωt
dc—压电常数 C—电容 (C =Ca+Cc+Ci ) 其中 Ci 为外接电路输入端电容
U —电容上建立的电压 i —泄漏电流 ( i = u /R0 )
36
式 (3-31)可写为 tqid tiCR?s in
00
或
tqidtdiCR c o s00
其稳态过程为
)s in (
)(1 20
0
t
RC
qi
0
1
RCa rct g
电容上电压为
0
0
0 21
1 s in ( )
1 ( )CR
qu R i t
C
（ 3-32）
5．说明,式（ 3-32）表明压电元件的电压输出还受到回路时间常数 R0C
影响。在动态测试时为了有一定不失真输出，测量电路必须（ 1）提高输入阻抗，并在输入端并联一定电容 Ci （ 2）加大时间常数 R0C。但并联电容不宜过大，使输出电压降低，灵敏度降低。
37
四,测量电路
1,前置放大由于压电式传感器的输出电信号很微弱,本身存在内阻,给后接电路带来一定困难 。 为此先把信号输入到高阻抗的前置放大器,方可进行一般放大,检波,输出指示仪 。
2,前放作用
（ 1） 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出 （ 2） 放大信号
3,前放形式
（ 1） 电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压 (传感器 )成正比 。
（ 2） 带电容反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比 。
4,电压放大使用电压放大器中,放大器输入电压如式 （ 3-33） 所示 。 由于总电容 C 中包括了电缆对地电容 Cc比其它电容都大,故测量中电缆对地电容的变化非常敏感,影响输出和灵敏度 。
38
5．电荷放大 电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。当略去传感器漏电阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如 图 3-34所示。
忽略漏电阻故 ( ) ( )
i a c i i y fq u C C C u u C
()i i y fq u C u u C
式中 ui—放大器输入端电压 uf—放大器输出端电压； uy= -A ui
A—电荷放大器开环增益 Cf—电荷放大器反馈电容
Ci—外接电路输入端电容故得
ff
y ACCC
Aqu
)(
如果放大器开环增益 A足够大，则 A Cf >>C+ Cf
上式简化为
f
y C
qu （ 3-33）
式（ 3-33）表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与传感器电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。因此可长距离测量，灵敏度无明显变化，
但其电路复杂，价格昂贵。
39
五,压电式传感器的应用
1,应用范围 测力,压力,振动,加速度,超声发射等
2,测力范围 10-3 N ~ 104 kN,动态范围 DR一般为 60 dB,单方向,或多方向 。
3,传感器形式 利用膜片式弹性元件 力 → 膜片 → 凸台 → 压电片 → 电荷量利用活塞乘压面受力 力 → 活塞乘压面 → 活塞杆 → 压电片上 → 电荷量压电式加速度计可做成不同灵敏度,不同量程和不同大小系列产品 。
4,工作频率范围 数十赫 ~兆赫,范围宽 。
5,此传感器一般常用纵向效应 （ 测轴向力 ）,横向效应实为干扰和测量误差,
一个压电式传感器各横向灵敏度不一样 。 为减少影响和干扰,应力求最小横向灵敏度与最大横向干扰力方向重合 。
6,校准 环境湿度,温度变化和压电材料本身时效,都会引起压电常数变化,
经常校准是必要的 。
7,工作原理的可逆性 施加电压于压电晶片,压电片便产生伸缩,可用作,驱动 a a器,如作振动源,超声发声器,扬声器及精密驱动装置 。
40
第七节 磁电式传感器定义：把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器 。 （ 又称电磁感应式或电动力式 ）
原理：由电工学知，一个匝数为 W的线圈，当穿过该线圈的磁通 Φ 发生变化时，其感应电 动势 e 为
dt
dWe （ 3-34）
可见线圈磁感应电动势大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻和线圈运动速度有关。
按结构分类动圈式线速度型 角速度型磁阻式
41
一,动圈式
1,线速度型 （ 图 3-35a） 在永久磁铁产生的直流磁场内,放置一个可动线圈,当线圈在磁场中运动时,它所产生的感应电动势 e为
s inW B lve? （ 3-35）
式中 B — 磁场的磁感应强度 v — 线圈与磁场的相对运动速度
l — 单匝线圈有效长度 θ — 线圈运动方向与磁场方向夹角
W — 线圈匝数当 θ =900时式（ 3-35）可写成 WBlve? （ 3-36）
此式说明，当 B,W,l 均为常数时，感应电动势大小与线圈运动线速度成正比。这也是一般常见惯性式速度计的工作原理。
2．角速度型（ 图 3-35b） 是传感器工作原理，先前在磁场中转动时产生的感应电动势为?kWBAe? （ 3-37）
式中 ω—角速度 A—单匝线圈的截面积 k—与结构有关的系数 (k<1)
式（ 3-37）表明，当传感器结构一定时,W,B,A 均为常数，感应电动势 e 与线圈相对磁场的角速度成正比，这种传感器被用于转速测量。
42
3,等效电路将传感器与电压放大器连接时，其等效电路如 图 3-36所示。图中 e 是发电线圈感应电势； Z0 是线圈阻抗； RL 是负载电阻 (含放大器输入电阻 )； CC 是电缆导线分布电容； RC 是电缆导线的电阻 (可忽略 )，故等效电路中输出电压为
0
01 ZCj
eu
cR
ZL
L
（ 3-38）
如果使用线不长 CC可忽略，如果 RL >> Z0时，则放大器输入电压为
euL?
感应电势经放大,检波后,可推动指示仪表 。 如果通过微积分网络,可得到加速度和位移 。 磁电式传感器的工作原理也是可逆的 。 作为测振传感器,
它工作于发电机状态 。 若在先前上加上交变激励电压,则线圈就在磁场中振动,成为一个激振器 （ 电动机状态 ） 。
43
二,磁阻式原理：磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动,由运动着的物体
（ 导磁材料 ） 来改变磁路的磁阻,而引起磁力线增加和减弱,使线圈产生感应电动势 。 其工作原理见图 3-37所示 。
特点：磁阻式传感器使用简便，结构简单，不同场合用来测量转速、偏心量、
振动等。
a
)
n SN
b)
n SN
c)
SN
d)
v
m SN
图 3—37磁阻式传感器工作原理及应用例
a)测频数 b)测转速 c)偏心测量 d)振动测量
44
第八节 半导体传感器半导体材料有一个重要特性是对光,热,力,磁,气体,温度等理化量的敏感性 。 近代半导体技术利用这些特性,作为非电量电测的转换元件 。
特点,（ 1） 是一些物性型传感器 （ 2） 结构简单,体积小,重量轻
（ 3） 功耗低,安全可靠,寿命长 （ 4） 对被测量敏感,响应快
（ 5） 易于实现集成化 6） 输出一般为非线性,常采用线性化电路
（ 7） 受温度影响大,需要温度补偿措施 （ 8） 性能参数分散性较大 。
一,磁敏传感器分类：（ 1）霍尔元件 （ 2）磁阻元件 （ 3）磁敏管
（ 一 ） 霍尔元件霍尔元件 ——种半导体磁电转换元件。一般由锗（ Ge）、锑化铟（ InSb）、
砷化铟（ InAs）等半导体材料制成。它利用霍尔效应进行工作。如图 3-38
所示，将霍尔元件置于磁场 B 中，如果在 a,b 端通以电流 i 在 c,d 两端就会出现电位差，称为霍尔电势 VH，此现象叫霍尔效应。
45
B
i
ia
d
c
b
i
VH
a)
B d
b
c
a i
N
型
v F
E
FL
电子受力方向
b)
图 3—38霍尔元件及霍尔效应原理
a) 霍尔元件 b) 霍尔效应原理假定把 N型半导体薄片放在磁场中，通固定电流 i，半导体中载流子（电子）
将沿着与电流方向相反方向运动。从物理学知，任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时，要受到洛伦兹力 FL作用，向一边偏移，并形成电子积累，而另一边积累正电荷，于是形成电场。该电场将阻止运动电子继续偏移，当电场力 FE与 FL相等时，电子积累达到动态平衡，这时元件 c,d
两端之间建立的电场叫霍尔电场，相应电势叫霍尔电势 VH。
46
s iniBKV HH? （ 3-39）
式中 kH—霍尔常数,取决于材质,温度,元件尺寸 i——电流
B—磁感应强度 α —电流与磁场方向的夹角根据此式，如果改变 B 或 i，或者两者同时改变，就可改变 VH，值，
运用此特性，把被测参量转化为电压值的变化。
图 3-39表示用霍尔元件测量位移的实例 。 将霍尔元件置于两个方向相反的磁场中,由于每点磁感应强度不同,当元件沿 x方向移动时,由霍尔电势的变化反映出位移量 。 将微小位移测量为基础,霍尔元件还可应用于微压,压差,高度,加速度和振动的测量 。 图 3-40表示一种利用霍尔元件探测钢丝绳断丝的工作原理 。
霍尔电势 VH，其大小为
47
二,光敏传感器
（ 一 ） 光敏电阻光电效应：光敏电阻是一种光电导元件 。 其工作原理是基于半导体材料的内光电效应 。 当半导体受到光照射时,其内阻值减小的现象 。
阻性偏压：光敏电阻是一种电阻器件,使用时对它加一定偏压,无光照射时,其阻值很大,电路中电流很小 。 当受到光照时,其阻值急剧下降,电路电流迅速增加 。
材料光谱：光敏电阻阻值的变化与光的波长有关,不同材料的光谱特性不同,见图 3-41,应根据入射光波波长选择材料 。
温度影响：光敏电阻受温度的影响甚大，温度升高时，它的暗电阻值、灵敏度下降，使用时注意。
ZnS CdS Si Ge PbS PbTePbSe
相对灵敏度
%
0 0.3 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0
100
80
60
40
20
入射波长 （ μ m）
图 3—41光敏电阻材料的光谱特性
48
（ 二 ） 光电池光生电能：半导体光电池直接将光能转换成电能 。 受光照射时,可直接将光能转换成电源 。
工作原理：图 3-42表示具有 PN结的光电池工作原理 。 当用光照射时,在 PN
结附近,由于吸收了光子能量而产生电子和空穴,称之为 光生载流子 。 它们在 PN结电场作用下,产生漂移运动,电子被推向
N 区,而空穴被推进 P 区,使 P 型区带正电,而 N 型区带负电,
二者之间产生了电位差,用导线联接电路中就有电流通过 。
材料特性,一般常用光电池有硒,硅,锑化镉,硫化镉等光电池,其中使用最广泛的是硅电池,其光谱范围为 0.4~1.1 μ m,灵敏度为 6~8nAmm-2/x-1；响应时间为数微秒至数十微秒 。
P N
图 3—42光电池工作原理
49
（ 三 ） 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管：光敏二极管是一种既有一个 PN结又有光电转换功能的晶体二极管 。 PN结位于管的顶部,以使接受光照 。 光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态 。 在内有光照射时,处于截止状态,反向电阻很大,反向电流很小 。
当光照射时,PN结附近受光子轰击产生电子和空穴,少数载流子浓度大大加强,使通过 PN结的反向电流大大增加,形成光电流 。 光照度变化使光电流变化,这样事项把光信号转换成点信号的功能 。 基本电路见图 3-43。
Rf
图 3—43光敏二极管基本电路
50
光敏三极管：若把普通晶体管的基极 —
集电极制成光敏二极管,则成为光敏三极管 。 由于光敏三极管的基极电流由其基极 ——集电极结的光电流供给,许多光敏三极管不再设基极引线 。 图 3-44为其基本电路 。
c
e
图 3—44光敏三极管基本电路光电转换元件具有高灵敏度,体积小,重量轻,性能稳定,价格便宜等优点,应用广泛 。 图 3-45是一种检查零件表面缺陷的光电传感器,图 3-46是光电转速计的工作原理 。
特点：光敏三极管具有输出信号大,抗噪声能力强等优点,响应速度略慢些 。
51
三,固态图像传感器功能上：图像传感器是一个能把受光面的光像分成许多小单元 （ 称为像元 ）,并将它们转换成电信号,然后顺序输送出处的器件 。
构造上：图像传感器是一种小型固态集成元件，它的核心上电荷耦合器件
（ CCD）。 CCD由阵列式排列在衬底上金属氧化物 —硅（ MOS）
电容器组成，它具有光生电荷、积蓄和转移电荷功能。
在控制脉冲电压作用下,CCD中依次排列相邻的 MOS电容中的信号电荷，
将有次序地转换到下一个电容中，实现电荷并行构成。光敏元 1和 CCD2
之间有一转换控制删 3（见图 3-47），其中 CCD作为读出移位寄存器。
1
2
3
图 3—47线型 CCD图像传感器
52
光敏元 → MOS电容（正对着 CCD上一个电容） → 电荷（与光照度、积蓄时间成正比） → 转移光栅打开 → 光敏光电荷并行移到 CCD→ 关闭光栅 → 上一次一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转换并在输出端串行输出。
特点：小型,轻便,响应快,灵敏度高,稳定性好,寿命长 。
用途,（ 1） 物位,尺寸,形状,工件损伤等测量 。
（ 2） 光学信息处理的输入环节,如电视摄像,仿真技术,文字识别,
图像识别 。
（ 3） 自动生产过程的 控制敏感元件 。
类型,（ 1） 线型 1024,1728,2048,4096像素
（ 2） 面型 320x244,640x480,以及 28~500万像素图 3-48 表示用于热轧铝板宽度检测的实例。准确度可达板宽 ± 0.025%。
53
四,热敏电阻热敏电阻是由金属氧化物 （ NiO,MnO2,CuO,TiO2等 ） 的粉末按一定比例混合烧结而成的半导体 。 它具有负的电阻温度系数,温度上升而阻值下降 。
半导体热敏电阻与金属丝电阻比较,具有以下优点,（ 1） 灵敏度高,可测
0.001~0.005℃ 微小温度变化 （ 2） 可制成片状,柱状,直径小到 0.2mm；体积小,热惯性小,响应快,时间常数可小到毫秒级 （ 3） 电阻值范围宽
3~700kΩ （ 4） 非线性大,对环境温度敏感性大 。
图 3-49表示热敏电阻元件温度自动控制自动检测装置中。
0 50 100 150 t (℃ )
R(Ω )
105
104
103
102
220 kΩ
10 kΩ
1kΩ
a)
微球状热 敏 电阻
b
)图 3—49 热敏电阻元件及其温度特性
a) 温度特性 b) 热敏电阻元件 54
五,气敏传感器在工农业生产中,环境保护,安全防灾,医疗和日常生活中,对气体分析,检测或报警的需求日益增多,使用的气体检测传感器也是多种多样 。
其中半导体气敏传感器是发展最快,使用最方便的一种 。
优点,（ 1） 灵敏度高 （ 2） 响应快 （ 3） 制造使用保养简便,价格便宜等优点 。
缺点,（ 1） 气体选择性差 （ 2） 元件性能阐述分散 （ 3） 时间稳定性欠佳电阻式半导体气敏传感器是一种应用较多的一种。主要用于检测一氧化碳、乙醇、甲烷、异丁烷和氢。
55
六,湿敏传感器湿度 ——空气中含有水蒸气量 。
湿度对产品质量和人类生活有重大影响,近年来对此测量和控制要求越来越严格 。
制造湿度传感器材料：四氧化二铁,铬酸镁 —二氧化钛等金属陶瓷湿敏原理：当水分子附在半导体陶瓷上，使陶瓷表面层电阻值明显下降。表面电阻下降到一定程度上，体内电阻已大于表层电阻，电流主要从表层通过，体内电阻的作用可忽略。
56
七,集成传感器把后续电路和半导体传感器制作在同一芯片上,形成集成传感器 。 集成的电路包括：
（ 1） 各种调节和补偿电路 （ 如电压稳定电路；温度补偿电路 ）
（ 2） 信号放大和阻抗变换电路
（ 3） 信号数字化和信号处理电路
（ 4） 信号发送和接受电路
（ 5） 多传感器集成集成传感器具有下列功能,
（ 1） 条件调节和环境补偿能力
（ 2） 通讯能力
（ 3） 自诊断能力
（ 4） 逻辑和判断能力特点：体积小,重量减轻,功能增多,性能改善 。
被称为,灵巧传感器,（ Smart Senser）,,智能传感器,（ Intelligent
Senser） 57
第九节 光纤传感器传统传感器以机 —电量转换为基础,以电信号为变换和传输的载体,
利用导线输送信号 。
光纤传感器则以光学量为基础,以光信号为变换和传输的载体,利用光导纤维输送信号 。
光纤传感器利用光波四个参数：强度,频率,相位和偏振态的变化而使光波变化 。
光波调制 ——把光波随被测量的变化而变化称之为光波调制。
一,分类按调制方式,（ 1） 强度调制 (简单常用 )（ 2） 频率调制
（ 3） 相位调制 （ 4） 偏振调制按光纤作用：（ 1）功能型光纤传感器 （ 2）传光型光纤传感器
58
传光型光纤传感器 —光纤仅起着传输光波的作用,对光波的调制用其它 元件来实现 。
分两种情况,（ 1） 传输途中,由敏感元件对光波调制 （ 2） 先调制好再发出 。
功能型光纤传感器 —光纤不仅起着传输光波的作用，还起着敏感元件的作用，对光波进行调制，即传光又传感。
一般来说，传光型较简单，应用较多。功能型构思巧妙，工作原理复杂，灵敏度较高，解决棘手问题,表 3-4列出部分光纤传感器测量对象、种类及调制方式。
3 4
1
2
5 a)
1
2
5 b)
3 4
6
5
2
3 4
6+7
c)
图 3—50光纤传感器种类
1光源 2光敏元件 3光纤 4被测对象
5电输出 6敏感元件 7发光元件
59
测量对象 种 类 调制方式 测量对象 种类 调制方式电 流磁 场功能型偏振态 放射线 功能型 光 强相 位温 度功能型相 位光 强传光型 偏振态电压电场功能型偏振态 偏振态相 位传光型光量有无传光型 偏振态 光 强压力振动声压功能型频 率速 度功能型相 位相 位 频 率光 强 传光型 光量有无传光型 光 强光量有无光 强图 像 功能型 光 强表 3—4 光纤传感器的测量对象及调制方式
60
二,光纤导光原理
1,入,折射角由物理学知,当光由大折射率 n1的介质射入小折射率 n2的介质时 (图 3-51a),折射角 θ r大于入射角 θ i,且 θ i ↑→ θ r↑ 。
2,临界角当 θ =900时所对应的入射角称为临界角
θ ic,见 b)图 。
3,全反射当 θ i >θ ic时,将出现全反射现象 。 光线不进入 n2介质,而在界面上全部反射回 n1介质中,见 c)图 。 光波沿光纤是以全反射方式进行传播的 。
n2
n1
θ r
θ i a)
n2
n1
θ r=900
θ i=θ ic b)
n2
n1
θ i>θ ic c)
图 3—51光的折射
61
4,光纤结构光纤结构分内外三层 。 中心为直径几十微米大折射率 n1的芯子 。 芯子外面有一层直径为 100~200微米折射率 n2较小包层 。 最外层为保护层,其折射率 n3
远大于 n2,这样保证了进入光纤的光波将集中在芯子内传输 。
5,光传播 一束光线自折射率 n0介质中,以入射角 θ i从 A到 B点；经折射以入射角 θ 2射到界面 C点 。 显然当 θ 2大于某一临界角 θ 2c时,光线将在截面上产生全反射,反射角 θ 3=θ 2。 光线反射到 芯子另测的界面时,入射角仍为 θ 2,再次产生全反射,如此不断的传播下去 。
A
θ i
B
C
n1
n2
n3n
0
θ 2 θ 3
图 3—52光线在光纤中传播
62
6．条件 光线从光纤端部射入，其入射角 θ i必须满足一定条件才能使在 B点折射后的光线 BC射到芯子 —包层界面 C处产生全反射。可以证明若光线自折射率为 n0的介质中射入光纤，则当 θ 2=θ 2c时，入射角 θ i =θ ic,有
2
2
2
1
0
1s in nn
nic
（ 3-40）
通常把 n0sinθ ic定义为光纤的,数值孔径,,用符号 NA 表示 。 虽然,若自
n0=1的介质 （ 大气 ） 入射时,sin-1NA=θ ic,即为端面如社临界角 。 凡入射角 θ i< sin-1NA部分光线不能全反射,进行传播 。 作为传感器的光纤,故采用 0.2≤ NA≤ 0.4 (11.50≤ θ i ≤ 23.50 )
三,光纤传感器的应用应用 范围,温度,压力,声压,振动
63
应用 1：图 3-53是一种简单的光纤位移传感器 。
应用 2：图 3-54是一种反射式光纤位移传感器 。
1 2
x
1~2μ m
图 3—53光纤位移传感器
1发送光纤 2接收光纤
64
x
1
2
x
I
图 3—54反射式光纤位移传感器
1发送光纤 2接受光纤
65
四,光纤传感器的特点
（ 1） 不受电磁干扰,电气绝缘性好,可在强磁场下测量 。
（ 2） 防爆,防火,耐高压,耐腐蚀 。
（ 3） 某些性能优于传统传感器
（ 4） 重量轻,体积小,可在狭窄空间使用 。
（ 5） 具有良好的集合形状适应性 。
（ 6） 频带宽,动态范围大 。
（ 7）易于远距离测量。
缺 点：
（ 1） 缺少兼容的执行机构
（ 2） 现场连接困难,技术复杂,成本高 。
（ 3） 多路光纤传感器共用光源有困难 。
（ 4） 多数传感器很难实现,灵巧性,。
（ 5）标准化程度差。
66
第十节 传感器选用原则
1,灵敏度 （ 1） 适当 （ 2） 多维测量交叉灵敏度小
（ 3） 与测量范围协调
2,响应特性 （ 1） 不失真
（ 2） 响应时间短 （ 动态测量尤为重要 ）
3,线 性 （ 1） 线性度好 （ 2） 线性范围宽
4,可靠性 可靠性高,考虑设计,制造,环境 （ 油,粉尘,磁场,湿度 ）
5,精确度 原则上精确度 ↑,考虑经济性 。
6,测量方式 （ 1） 接触式 —非接触式 （ 2） 在线 —非在线
7．其 它 体积，结构，价格，维修，采购和更换。
67
结 束选择传感器须要对测量系统的使用要求、工作环境、成本等多方面约束条件，综合评价，多方案择优。首先按约束指标 /优化指标分类；在满足约束指标的方案中按优化指标择优。
测量精度 静态特性性能要求,响应速度 动态特性量程范围空间尺寸电磁干扰温度范围环境条件,防暴要求腐蚀污染震动强度生物影响价格经济性,寿命维修表 3—1 机械工程中常用传感器类 型 名 称 变换量 被测量 应用举例 性能指标测量范围 10~105N示值误差 ± （ 0.3~0.5） %
三等标准测力仪弹簧秤压力表压力表压力表温度计力力压力压力压力温度物体尺寸、
位置 有无力 —位移力 —位移压力 —位移压力 —位移压力 —位移温度 —位移力 —位移测力环弹簧波纹管波登管波纹膜片双金属片微型开关机械式测量范围 500Pa~0.5Mpa
测量范围 0.5Mpa~1000MPa
测量范围 <500Pa
测量范围 0~300℃
位置精密度可达数微米测量范围 -10~1300 ℃
分辨力 0.1 ℃红外测温仪
x射线应力仪
γ 射线测厚仪激光测长 仪超声波测厚仪温度物体有无测厚探伤应力测厚,探伤长度位转移角厚度,探伤厚度 成分分析热 —电散射 干涉对物质穿透光波干涉超声波反射穿透红外
x 射线
γ 射线激光超声
β 射线辐射式 测量范围 4~40 mm测量精密度 ± 0.25 mm
测距 2m分辨力 0.2μm
穿透作用
68
类 型 名 称 变换量 被测量 应用举例 性能指标分辨力 0.5μm
分辨力 0.5μm
分辨力 0.01N
频率 0.1Hz~20kHz
测量范围 （ 10-2~105） ms-2
测量范围 0~1600℃
测量范围 0~2mm线性误差 1%
测量范围 -10~300℃
灵敏度 500μA/1m
最大截止频率 50kHz 0
直线电位计应变仪电容测微仪涡流式测振仪电感测微仪电感比较仪位移力,位移,应变,加速度位移 —电阻形变 —电阻位移 —电容位移 —自感位移 —自感位移 —互感力 —电荷力 —磁导率温度 —电势位移 —电势温度 —电阻气体浓度,温度光 —电阻光 —电压光 —电流电位计电阻丝应变片半导体应变片电磁及电子式分辨力 0.025~0.05mm
线性误差 0.05~0.1%
最小应变 1~2με
最小测力 （ 0.1~1） N
位移,力,声位移,测厚位移,力位移,力力,加速度力,扭矩温度位移温度可燃气体开,关量转速,位移分辨力 0.025μm
测量范围 0~15mm
分辨力 1μm
测力计热电温度计
（ 铂铑 —铂 ）
位移传感器半导体温度计气敏检测仪硒光电池光电转速仪测力计加速度计电容电涡流电感差动变压器压电元件压磁元件热电偶霍尔元件热敏电阻气敏电阻光敏电阻光电池光敏晶体管
69
a)
Δ x C x
R
C
B
A
b)
C
B
A
αΔα
c) CBA
x
图 3-5 变阻器式传感器
a) 直线位移型 b) 角位移型 c)非线性型
70
材料名称成 分 灵敏度 电阻率 电阻温度系数 膨 胀系 数元素 % Sg Ω.mm2/m X10-6/℃ X10-6/℃
康 铜 CuNi 5743 1.7~2.1 0.49 -20~20 14.9
镍铬合金 NiCr 8020 2.1~2.5 0.9~1.1 110~150 14.0
镍铬铝合 金
Ni
Cr
Al
铁
73
20
3~4
余量
2.4 1.33 -10~10 13.3
表 3—2 常用电阻丝材料物理性能
71
1
2
3
4
5
图 3-9 半导体应变片
1—胶膜衬低 2—P-Si 3—内引线 4—焊接线 5—外引线
72
材 料 电阻率 ρΩ,cm 弹性模量 EX10-7N/cm2 灵敏度 晶 向
P型硅 7.8 1.87 175 [111]
N 硅 11.7 1.23 -132 [100]
P 锗 15.0 1.55 102 [111]
N 锗 16.6 1.55 -157 [111]
N 锗 1.5 1.55 -147 [111]
P型锑化铟 0.54 -45 [100]
P型锑化铟 0.01 0.745 30 [111]
N型锑化铟 0.013 -74.5 [100]
表 3—3 几种常用半导体材料特性
73
i
图 3-12可变磁阻式传感器基本原理
1—线圈 2—铁心 3—衔铁
L
δ0
δ
x3
2
1~
74
a)
~ x
b)
~
δ
0
δ
0
x
c)
~
x
d)
~
图 3-13 可变磁阻式传感器典型结构
a)可变磁阻面积型 b)差动型 c)单螺管线圈型 d)双螺旋管圈差动型
75
图 3-14双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性
a)
uL2
L1x
~
b)
0 x
L1
L,u
L2
u
76
图 3-16分压式调幅电路原理
u
0 t
输出金属板
L u
C
R
δ
振荡器放 大 检 波 滤 波
b)
δδ 2δ 1δ0
u2
u1
u
a)
u2
u1
u
uu
0 ff f1 f2
图 3-17 分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性
a) 谐振曲线 b) 输出特性
77
图 3-33 压电晶片及等效电路
a) 压电晶片 b)并联 c)串联 d)等效电荷源
δ
a) F
F
b)
F
F
c)
F
F d)
R0CCCaq
78
图 3-35动圈式磁电传感器工作原理
ω
SN
a)
v
S
N
b)
79
图 3-36动圈磁电式传感器等效电路电 缆传感器
e
Z0
uL
CC RL
RC
输出
~
放大器 检 波?
或dtd
80
N S
NS a
cd
b
VH
1 H
2
Δ x
图 3—39霍尔效应位移传感器
81
N S 永久磁铁
v
钢丝绳 放 大 滤 波 A/D 计算机图 3—40钢丝绳断丝检测原理
82
1
2
3
4
5
6
7
图 3—45 检查零件表面缺陷的光电传感器
1激光管 2,3,4 透镜 5光栏 6硅光电池 7工件
83
5
1 2 3 4
图 3—46 光电转速计工作原理
1光源 2光电元件 3放大及整形电路
4数字频率计 5电动机
84
激光器 CCD线型传感器
1 2 3
光源轧板轧辊视场角
l1 l2lm
L
图 3—48热轧铝板宽度自动检测原理
85
图 3-6 电阻分压电路
x
RL uy
u0 xp
86
图 3-34 电荷放大器等效电路运算放大器电 缆传感器
Ca Cc Ci
ui
uy
Cf
A
q
87
