【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 作機(jī)理分類（結(jié)構(gòu)型{電容式、電感式}、物性型{霍爾式、壓電式}）；按是否有能量轉(zhuǎn)換分類（能量控制型[有源型]、能量轉(zhuǎn)換型[無源型]）；按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類（開關(guān)型[二值型]{接觸型[微動(dòng)、行程、接觸開關(guān)]、非接觸式[光電、接近開關(guān)]}、模擬型{電阻型[電位器、電阻應(yīng)變片]，電壓、電流型[熱電偶、光電電池]，電感、電容型[電感、電容式位置傳感器]}、數(shù)字型{計(jì)數(shù)型[脈沖或方波信號(hào)+計(jì)數(shù)器]、代碼型[回轉(zhuǎn)編碼器、磁尺]}）。傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，稱為靜態(tài)特性；輸出量對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性，這一關(guān)系稱為動(dòng)態(tài)特性，這一特性取決于傳感器本身及輸入信號(hào)的形式。可以分為接觸式環(huán)節(jié)（以剛性接觸形式傳遞信息）、模擬環(huán)節(jié)（多數(shù)是非剛性傳遞信息）、數(shù)字環(huán)節(jié)。動(dòng)態(tài)測(cè)量輸入信號(hào)的形式通常采用正弦周期（在頻域內(nèi)）信號(hào)和階躍信號(hào)(在時(shí)域內(nèi))。傳感器的靜態(tài)特性：線性度（以一定的擬合直線作基準(zhǔn)與校準(zhǔn)曲線比較dL=DLmaxY180。100%）、遲滯、重復(fù)性、靈敏度（K0=△Y/△X=輸出變化量/輸入變化量=k1k2kn）和靈敏度誤差（rs=△K0/K0100%、穩(wěn)定性、靜態(tài)測(cè)量不確定性、其他性能參數(shù)：溫度穩(wěn)定性、抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的動(dòng)態(tài)特性：傳遞函數(shù)、頻率特性（幅頻特性、相頻特性）、過渡函數(shù)。0階系統(tǒng)：靜態(tài)靈敏度；一階系統(tǒng)：靜態(tài)靈敏度，時(shí)間常數(shù)；二階系統(tǒng)：靜態(tài)靈敏度，時(shí)間常數(shù)，阻尼比。傳感器的標(biāo)定：通過各種試驗(yàn)建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系，確定傳感器在不同使用條件下的誤差關(guān)系。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)允許誤差177。%，省、部一級(jí)計(jì)量站允許誤差177。%，市、企業(yè)計(jì)量站允許誤差177。%，三等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)、傳感器允許誤差177。（～）%，工程測(cè)試、試驗(yàn)裝置、測(cè)試用力傳感器允許誤差177。1%。分為靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定。第二章 位 移 檢 測(cè) 傳 感 器測(cè)量位移常用的傳感器有電阻式、電容式、渦流式、壓電式、感應(yīng)同步器式、磁柵式、光電式。參量位移傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電參數(shù)，即電阻、電容或電感等。發(fā)電型位移傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電源性參量，如電動(dòng)勢(shì)、電荷等。屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器，這類傳感器有磁電型、壓電型等。電位計(jì)的電阻元件通常有線繞電阻、薄膜電阻、導(dǎo)塑料（即有機(jī)實(shí)心電位計(jì)）等。電位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)大，性能穩(wěn)定，并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)關(guān)系。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間有干摩擦，容易磨損，產(chǎn)生噪聲干擾。Rx=線性電位計(jì)的空載特性：Rx=KRxl，KR電位計(jì)的電阻靈敏度（Ω/m）。電位計(jì)輸出空載電壓為U0=Uix=Kuxl，Ku電位計(jì)的電壓靈敏度（V/m）。C=電容式傳感器的基本原理：eSereoS=ddδ、S和εr中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容C0，δ或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；εr的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。ε0=1012F/m。K=DCeSDCDd==Ddd0d0，C0d0；=容位移傳感器2pe(lx)xDCxq=C0C0==lnRB/RAl, C0lp ； C=e0Sdd+d/er，其中ε0為真空介電常數(shù)（空氣介電常數(shù)ε1=ε0）εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，er=e/e0，ε為介質(zhì)的介電常數(shù)； Cmax=neabea(RRrr)=nd2d，其中n為可動(dòng)容柵的柵極數(shù)，a、b分別為柵極的寬度寬度和長(zhǎng)度，α為每條柵極所對(duì)應(yīng)的圓心角，R、r分別為柵極外半徑和內(nèi)半徑。特點(diǎn)分辨力高、精度高、量程大，刻劃精度和安裝精度要求有所降低。電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路：電橋電路、二極管雙T形電路、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路、運(yùn)算放大器式電路、調(diào)頻電路。電容式傳感器的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：溫度特性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)。缺點(diǎn)：輸出阻抗高、負(fù)載能力差，寄生電容影響大。電感式位移傳感器：是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。感測(cè)量：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重。種類有：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理：分自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型、面積型和螺管型。電感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路：調(diào)幅電路；調(diào)頻電路；調(diào)相電路。自感式電感受位移傳感器：NFm=Li ；Fm=NiNNL=Rm ；Rm ；Rm=l2d+mSm0S0；其中l(wèi)鐵心與銜鐵中的導(dǎo)磁長(zhǎng)度；μ鐵心與銜鐵的磁導(dǎo)率（H/m）；S鐵心與銜鐵中的導(dǎo)磁面積；δ氣隙厚度；μ0真空磁導(dǎo)率；S0氣隙導(dǎo)磁橫截面積。互感式位移傳感器：將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)的變化。常接成差動(dòng)形式，故也稱差動(dòng)變壓器式位移傳感器，屬于螺管型。則總輸出電動(dòng)勢(shì)E0=E1E2=(M2M1)di1dt互感式位移傳感器的誤差因素：零點(diǎn)殘余電壓（當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值（從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV）存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。電渦流式傳感器：電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流的流線呈閉合回線，類似水渦形狀，稱之為電渦流。電渦流式傳感器是以電渦流效應(yīng)為基礎(chǔ)，由一個(gè)線圈和與線圈鄰近的金屬體組成，當(dāng)線圈通入交變電流I時(shí)，在線圈的周圍產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)H1，處于該磁場(chǎng)中的金屬體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并形成渦流。金屬體上流動(dòng)的電渦流也將產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)H2，H2與H1方向相反，對(duì)線圈磁場(chǎng)H1起抵消作用，從而引起線圈等效阻抗Z或等效電感L或品質(zhì)因素相應(yīng)變化。金屬體上的電渦流越大，這些參數(shù)的變化亦越大。如圖如式：渦流位移傳感器主要分為高頻反射和低頻透射兩類。電渦流式傳感器的轉(zhuǎn)換電路：電橋電路法、諧振電路法、正反饋法。其特點(diǎn)是渦流式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行非接觸測(cè)量，靈敏度高，應(yīng)用廣泛，可測(cè)位移、厚度、振動(dòng)等。霍爾效應(yīng)的定義：磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)，霍爾效應(yīng)的大?。篣H=BI/ned174。UH=kHBI霍爾式傳感器的誤差因素：元件幾何誤差以及電極焊點(diǎn)的大小造成的影響；不等位電勢(shì)的影響；寄生直流電勢(shì)的影響；感應(yīng)電勢(shì)的影響；溫度誤差的影響（恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻；合理選取負(fù)載電阻；恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻；采用溫度襝元件。）光柵式位移傳感器：長(zhǎng)光柵（測(cè)量線位移）、圓光柵（測(cè)量角位移）。長(zhǎng)光柵：是根據(jù)BH=莫爾條紋效應(yīng)設(shè)計(jì)的。兩個(gè)莫爾條紋的間距WW187。2sinq/2q。光柵條紋密度有25條/mm，50條/mm，100條/mm或更密，柵線長(zhǎng)度一般為6～12mm?！?μm(3000mm范圍內(nèi)）。圓光柵：圓光柵同心放置時(shí)，條紋間距BH=WRWRBH=r1+r2；偏心放置時(shí)，e，“，”。W：光柵柵距。R：圓的半徑。RR2:分別為切線圓半徑。e :偏心量。光柵可以制成透射光柵和反射光柵,透射光柵的柵線刻制在透明村料上,要求較高時(shí),可以采用光學(xué)玻璃；而指示光柵最好采用光學(xué)玻璃，反射光柵的柵線刻制在具有反射率很高的金屬或鍍以金屬膜的玻璃上。感應(yīng)同步器：利用電磁感應(yīng)原理將線位移和角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。根據(jù)用途可將感應(yīng)同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于測(cè)量線位移和角位移。激光式位移傳感器：由激光器、光學(xué)元件、光電轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的將測(cè)位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常用的激光干涉測(cè)長(zhǎng)傳感器分為單頻激光干涉?zhèn)鞲衅骱碗p頻激光干涉?zhèn)鞲衅?。第三?力、扭矩和壓力傳感器 測(cè)力傳感器：用于測(cè)力的傳感器多為電氣式。電氣式測(cè)力傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)換方式不同又分為參量型和發(fā)電型。參量型測(cè)力傳感器有電阻應(yīng)變式、電容式、電感式等。發(fā)電測(cè)力傳感器有壓電式、壓磁式等。電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器:將力作用在彈性元件上,彈性元件在力作用下產(chǎn)生應(yīng)變,利用貼在彈性元件上的應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。然后利用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換成電壓（或電流）的變化，再送入測(cè)量放大電路測(cè)量。最后利用標(biāo)定的電壓（或電流）和力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可測(cè)出力的大小或經(jīng)換算得到被測(cè)力。dRdLdSdr=+=e+2me+pLEe=e(1+2m)+pLEeLSr應(yīng)變片：R；其中μ：電阻絲的泊松系數(shù)；ζ：電阻絲受到的應(yīng)力（Pa)；E：電阻絲的彈性模量；πL：電阻絲材料的dR187。(1+2m)e=Ke縱向壓阻系數(shù)。對(duì)于金屬絲，（1+2μ）ε187。πLEε，則R；其中K：金屬電阻絲靈敏系數(shù)，～。常用金屬絲材料在200℃～300℃以下工作可選用康銅絲應(yīng)變絲，在300℃以上工作可選用鎳鉻合金應(yīng)變片、鉑銥合金應(yīng)變片等。半導(dǎo)體應(yīng)變片：其工作原理是基于壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)：是指當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于截流子遷移率的變化，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。表達(dá)電阻絲電阻應(yīng)變效應(yīng)的公K=式也適用于半導(dǎo)體電阻材料。其應(yīng)變靈敏系數(shù)為：dR/Re=pLE，半導(dǎo)體應(yīng)變片的缺點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)的離散性大，機(jī)械強(qiáng)度低，非線性誤差大，溫度系數(shù)大。應(yīng)變片的布置和接橋方式：則電橋的輸出U0=電壓為：R1R3R2R4Ui(R1+R2)(R3+R4)，當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，U0=UiDR1DR2DR3DR4(+)4RRRR，應(yīng)變儀電橋式作方式有：?jiǎn)伪?、雙臂、四臂。應(yīng)變片在彈性元件上典型的布片和接橋方式有：柱型、環(huán)形、懸臂梁式、兩端固定梁、軸。壓電式力傳感器：是基于壓電元件的壓電效應(yīng)而工作的。正壓電效應(yīng)：當(dāng)某些晶體沿一定方向受到外力作用而變形時(shí)，在其相應(yīng)的兩個(gè)相對(duì)表面產(chǎn)生極性相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，電荷的極性取決于變形的形式。逆壓電效應(yīng)：在某些晶體的極化方向（受力能產(chǎn)生電荷的方向）施加外電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)外電場(chǎng)撤去后，變形也隨之消失。壓電元件及其晶片連接方式有：?jiǎn)纹?、兩片串?lián)式、兩片并聯(lián)式、剪切式、扭轉(zhuǎn)式。壓磁式力傳感器：在機(jī)械力作用下，鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)力變化，使磁導(dǎo)率發(fā)生變化，磁阻相應(yīng)也發(fā)生變化的現(xiàn)象。外力是拉力時(shí)，在作用方向鐵磁材料磁導(dǎo)率提高，垂直作用力方向磁導(dǎo)率降低；作用力為壓力時(shí)，則反之。常用的鐵磁材料有硅鋼片和坡莫合金。第四章 速度、加速度傳感器直流測(cè)速發(fā)電機(jī)：按定子磁極的勵(lì)磁方式不同，可分為電磁式、永磁式兩類；若按電樞的結(jié)構(gòu)形式不同，可分為無槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞、圓盤印刷繞組等。電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為Es=KeFn=Cen，其中Ke：感應(yīng)系數(shù)；Φ：磁通；n：轉(zhuǎn)速；Ce:感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速的比例系數(shù)?？蛰d時(shí)：Is=0 ,則有直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，因而輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。有負(fù)載時(shí)，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓為VCF=EsIsrs，rS：電樞回路的總電阻。電樞電流為IS=VCFRL，RL：測(cè)速發(fā)電機(jī)的負(fù)載電阻。則可得VCF=Cen=Cn1+rs/RL直流測(cè)速發(fā)電機(jī)在工作中，其輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間不能保持比例關(guān)系，原因和改進(jìn)方法：一是有負(fù)載時(shí)，電樞反映去磁作用的影響，使輸出電壓不再與轉(zhuǎn)速成正比（在定子磁極上安裝補(bǔ)償繞組，或使負(fù)載電阻大于規(guī)定值）。二是電刷接觸壓降的影響（應(yīng)采用接觸壓降較小的銅石墨電極或銅電極，并在它與換向器相接觸的表面上鍍銀）。三是溫度的影響（在直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的繞組回路中串聯(lián)一個(gè)電阻值較大的附加電阻，再接到勵(lì)磁電源上）。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)：可分為永磁式、感應(yīng)式、脈沖式三種。永磁式并流測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上是單向永磁轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī),定子繞組感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)的大小和頻率都隨輸入信號(hào)而變f=化:ppnE===Kn6060 ；；其中K：常系數(shù)，K= ；p：電機(jī)極對(duì)數(shù)；N：定子繞組每相匝數(shù)；KW：定子繞組基波繞組系數(shù)；Φm：電機(jī)每極基波磁通的幅值。通常此電機(jī)只做指示式轉(zhuǎn)速計(jì)使用。感應(yīng)式測(cè)速發(fā)電機(jī)與脈沖式測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理基本相同，都是利用定子、轉(zhuǎn)子齒槽相互位置的變化，使輸出繞組中的磁通產(chǎn)生脈動(dòng)，從而感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，也稱為感應(yīng)子式發(fā)電機(jī)原理。輸出電動(dòng)f=勢(shì)的頻率為ZrnHz60，其中Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)；n：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min)線振動(dòng)速度傳感器：當(dāng)一個(gè)繞有N匝的線圈作垂直于磁場(chǎng)方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈切割磁力線，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=NBlv，其中B：線圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；l：每匝線圈的平均長(zhǎng)度；v：線圈磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度。變磁通式：開磁路式：測(cè)量時(shí)，齒輪隨被測(cè)旋轉(zhuǎn)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，磁通亦變化一次，因此線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等于齒輪的齒數(shù)與轉(zhuǎn)速的乘積。閉磁路式：測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，磁能周期變化，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與轉(zhuǎn)速成正比。n=60f/z ； w=(2p/z)f(rad/s)陀螺式角速度傳感器：包括轉(zhuǎn)子陀螺、壓電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺。半導(dǎo)體硅流速傳感器是一種可測(cè)流速、流動(dòng)方向的傳感器。其工作原理是依據(jù)發(fā)熱體與放置發(fā)熱體的流體介質(zhì)的熱導(dǎo)率λ與流體流速相關(guān)原理制成的。Q=l(T1T2)=(A+Bvt)(T1T2)，Q：流體介質(zhì)從溫度T1流向溫度T2的熱量；λ：熱導(dǎo)率；vt:流體介質(zhì)流速；B：常數(shù)，A為vt=0時(shí)的熱導(dǎo)率，A與B均由由流體介質(zhì)性質(zhì)和發(fā)熱體性質(zhì)決定。