【正文】 量位移常用的傳感器有： 電阻式、電容式、渦流式、 壓電式、光電式、感應(yīng)同步器式、磁柵式等。 （ 1）線性電位計(jì)：電阻與位移呈線性關(guān)系 xRRR x K xl?? RK —— 電阻靈敏度 ，輸出電阻與被測(cè)位移之比 [A]； 輸出空載電壓 [C] ioUUU x K xl?? 14 UK —— 電壓靈敏度，輸出電壓與被測(cè)位移之比 [A]； 理想線性電位計(jì) : RK 、 UK 均為常數(shù)， 空載輸出特性為理想直線； 實(shí)際線性電位計(jì)：階梯特性 ，存在階梯誤差；屬于原理誤差，限制了精度和分辨力 （ 2）非線性電位計(jì)：電阻與位移呈非線性或函數(shù)關(guān)系 有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式、電位給定式等。 2) 選用 [B]： （ 1） 優(yōu)點(diǎn)： 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； (2） 缺點(diǎn)： 是要求輸入量大，電刷與電阻元件之間有干摩擦，容易磨損，產(chǎn)生噪聲干擾。 2．電阻應(yīng)變式位移傳感器 工作原理 :被測(cè)位移引起應(yīng)變?cè)a(chǎn)生 應(yīng)變，經(jīng)后續(xù)電路變換成電信號(hào)，從而 測(cè)出被測(cè)位移。 2. 特點(diǎn) ： (1) 封閉形式或開(kāi)放形式下工作； (2) 對(duì)輸入能量的要求低，動(dòng)態(tài) 響應(yīng)特性好； (3) 介質(zhì)損耗小，本身發(fā)熱影響小，而使其能在高頻范圍內(nèi)工作； (4) 構(gòu)件和連接電纜會(huì)引起泄露電容，造成 測(cè)量誤差； 3. 分類 1) 變極距型 的電容位移傳感器 靈敏度 [C] 2CSK ??????? 特點(diǎn) 和應(yīng)用 [B] (1)靈敏度高，但不為常數(shù)，即電容與極距變化間為非線性關(guān)系； (2) 用于小位移測(cè)量： K 近似為常數(shù)； (3) 差動(dòng)電容： 差動(dòng)連接可改善線性度及提高靈敏度 [A]； 2） 變 極板 面積型 電容位移傳感器 （ 1）特點(diǎn)和應(yīng)用 [B] 輸入輸出具有線性特性即靈敏度為常數(shù)，常用于較大線位移、角位移的測(cè)量； (2) 分類： 圓筒型電容位移傳感器 00CC x CKC l x l??? ? ? ? 角位移型平板電容 位移傳感器 00CCCKC ?? ? ???? ? ? ? 3） 變介質(zhì)型 電容式傳感器 [C] 被測(cè)量 (液位、厚度、濕度、溫度、 位移等 )使電容式傳感器的工作介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。 16 電容式液位計(jì)（測(cè)量液面高度 ） 2 1 2 1 00 1 1( ) ( )xxhCCC KC h h h? ? ? ???????? ? ? ? ? 常 數(shù) 電容 式介質(zhì)厚度傳感器 0/ rSC d ?? ? ?? ?? C 和 介質(zhì)厚度 δ 以及介質(zhì)的 介電常數(shù) r? 之間的關(guān)系都是 非線性 的 ； 4) 容柵式電容位移傳感器 (1) 工作原理： 是在面積型電容位移傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，由固定容柵和可動(dòng)容柵形成很多對(duì)電容，它們相對(duì)移動(dòng)時(shí)，每對(duì)電容面積發(fā)生變化 ，因而電容值隨之變化，從而可測(cè)出線位移或角位移。 被測(cè)位移使 重疊角在 0~? 之間 發(fā)生變化； (3)特點(diǎn) ： 因多極電容及平均效應(yīng)，分辨力高，精度高，量程大 ， 對(duì)刻劃精度和安裝精度要求可有所降低，一種很有發(fā)展前途的傳感器 。 4． 電容式位移傳感器的絕緣和屏蔽 （ 1）若絕緣材料性能不佳，絕緣電阻隨環(huán)境溫度和濕度而變化，還會(huì)使電容位移傳感器的輸出產(chǎn)生緩慢的 零位漂移 ； 漏電阻 :電容器本身容抗很大， 通常的絕緣電阻只能視為電容位移傳感器的旁路電阻，稱之。 （ 2）絕緣材料應(yīng) 具有 高的絕緣電阻、低的膨脹系數(shù)、幾何尺寸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性 17 和低的吸潮性； （ 3）通常對(duì)電容位移傳感器及其引線采取屏蔽措施，即將傳感器放在金屬殼內(nèi) ； （ 4） 接地應(yīng)可靠， 可以消除不穩(wěn)定的寄生電容，還可以消除外界靜電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的干擾。主要類型有 自感式、互感式、渦流式和壓磁式 。 1． 自感式電感位移傳感器 1) 工作原理與結(jié)構(gòu) [B] 纏繞在鐵心的線圈中通以交變電流 i，產(chǎn)生磁通 Φ m，形成磁通回路。 (1) 變氣隙型 :? 變，其余不變； L 與 ? 的關(guān)系 呈非線性； ()mx R L i?? ? ? ? 解決辦法：只用于 小位移測(cè)量 ；差動(dòng) 式連接； (2) 變面積型 : 0S 變，其余不變； (2) 螺管型 :i? 變，其余不變； l:鐵心與銜鐵的導(dǎo)磁長(zhǎng)度（ m）； μ：鐵心與銜鐵的導(dǎo)磁率（ H/m）； S：鐵心與銜鐵中的導(dǎo)磁面積（ m2）； δ：氣隙厚度（ m）； μ0：真空磁導(dǎo)率（ H/m）； S0：氣隙導(dǎo)磁橫截面積（ m2）。 2）氣隙邊緣效應(yīng)的影響， 3）溫度誤差， 4）差動(dòng)式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電壓?jiǎn)栴}。 當(dāng)一次側(cè)通過(guò)交變電流 i1 時(shí)，在二次側(cè)上將感生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E 1diEMdt?? M— 互感系數(shù)，與 兩線圈之間相對(duì)位置 及 周圍介質(zhì)導(dǎo)磁能力 等因素有關(guān)。 特點(diǎn)： (1) 優(yōu)點(diǎn) : 線性 范圍大 (數(shù)百 mm)，精確度高，分辨力可達(dá) m? 。 (2) 缺點(diǎn)：存在 零點(diǎn)殘壓 由于兩二次側(cè)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、一次側(cè)線圈銅損電阻的存在、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間的分布電容等因素。 可調(diào)電阻。塊狀金屬置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬體內(nèi)都要產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流的流線在金屬體內(nèi)自己閉合，所以稱 渦流 。 2）分類 (1) 高頻反射渦流傳感器 由傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)電物組成， 線圈使被測(cè)導(dǎo)電物體上產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)使傳感器線圈的阻抗 Z 發(fā)生變化， Z 的變化值與渦流值有關(guān)。渦流越大，接收線圈輸出的電壓越低。 測(cè)量范圍小，毫米級(jí) ；分辨力可達(dá) m? 級(jí)。如：電動(dòng)勢(shì)、電荷等。 壓電式位移傳感器的 基本工作原理 是 ： 將 位移量 轉(zhuǎn)換為 力的變化 ，然后利用 壓電效應(yīng) 將力的變化轉(zhuǎn)換為 電 信號(hào)。 2. 工作原理 1) 由磁尺和磁頭組成，磁尺 被錄音磁頭按長(zhǎng)度方向記錄 一周期信號(hào)，磁尺上剩磁的圖形 排成 SN、 NS 狀態(tài) 。 2）磁頭分 動(dòng)態(tài)（速度磁頭）和靜態(tài)（磁通響應(yīng)式磁頭）。 靜態(tài)磁頭：磁頭由勵(lì)磁繞組和輸出繞組組成，在勵(lì)磁繞組中輸入高頻勵(lì)磁電壓信號(hào)；當(dāng)磁頭不動(dòng)時(shí)，輸出繞組輸出一等幅的正弦或余弦電壓信號(hào)，其頻率仍為勵(lì)磁電壓的頻率，其幅值與磁頭所處的位置有關(guān)。 3. 特點(diǎn)： 磁柵式位移傳感器 精度可達(dá) 177。 光柵式位移傳感器 ： 一種在基體（ 金屬或玻璃）上刻制有等間距 (柵距 W )均勻分布刻線的光學(xué)元件。 光柵條紋密度 有 25 條 /㎜， 50 條 /㎜， 100 條 /㎜或更密； 柵線長(zhǎng)度 6～ 12 ㎜ . 20 種類 有測(cè)量線位移的 長(zhǎng)光柵 和測(cè)量角位移的 圓光柵 。 (1) 標(biāo)尺光柵 (不動(dòng)，長(zhǎng)度由所需量程決定 )和指示光柵重疊放置 ，但它們的刻線間有一微小夾角 ? 。 莫爾條紋的間距 HBW?? 。 (3) 光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變 。 (5) 利用光電元件檢測(cè)出莫爾條紋移動(dòng)的條紋數(shù)和方向，測(cè)出光 柵移動(dòng)的距離和方向，實(shí)現(xiàn)位移的檢測(cè)。 用于角度測(cè)量，精度可達(dá) ，分辨力可達(dá) ，甚至更高。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 。 當(dāng)滑 尺 的兩 組繞組用交流電激勵(lì)時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在定尺的繞組中會(huì)產(chǎn)生與激勵(lì) 電壓同頻率 的 交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E。 E 的變化反映了定、滑尺間的相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)了位移至電量的 變換 。 21 根據(jù)對(duì)滑尺的正、余弦繞組供給勵(lì)磁電壓方式的不同 ，又分為 鑒相 和 鑒幅型測(cè)試系統(tǒng)。 激光式位移傳感器 （考綱沒(méi)有要求） 由激光器、光學(xué)元件、光電轉(zhuǎn)換元件組成激光測(cè)試系統(tǒng)，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。 3. 激光干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)用途 ①精密長(zhǎng)度測(cè)量（磁尺、感應(yīng)同步器、光柵檢定）； ②精密機(jī)床位移檢測(cè)與校正； ③集成電路制作中的精密定位。 第三章 力、扭矩和壓力傳感器 測(cè)力傳感器 分類方式和種類 測(cè)量力的傳感器多為 電氣式 ，根據(jù) 轉(zhuǎn)換方式 分為 參量型 和 發(fā)電型 。 電阻式應(yīng)變測(cè)力傳感器 22 工作原理 1） 電阻應(yīng)變效應(yīng) ：金屬導(dǎo)體受到外力作用時(shí)發(fā)生機(jī)械變化，產(chǎn)生應(yīng)變，從而引起電阻阻值變化的現(xiàn)象。 3) 工作原理 ：基于電阻應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)。 然后利用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換成電壓或電流的變化 。 ) 有柱型、薄壁環(huán)型和梁型 1）柱型彈性元件 圓柱形、圓筒形、方柱形 受力后的 應(yīng)變 值 FSE?? E—— 材料的彈性模量 Pa； S—— 彈性元件的橫截面積 m2； 2) 薄壁環(huán)型彈性元件 圓環(huán)受拉之后， 承受的彎矩 0 (0 .3 1 8 0 .5 c o s )M F R ??? R0—— 環(huán)的平均半徑 m， φ—— 斷面的坐標(biāo)角， M—— 坐標(biāo)角 φ斷面處的彎矩 N178。 是非電 量電測(cè)中一種常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換元件。 分 金屬電阻應(yīng)變片 （金屬絲、金屬箔）、 半導(dǎo)體應(yīng)變片 。 對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片： LdR EKR ? ? ??? LKE?? —— 半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度系數(shù)（比金屬應(yīng)變片的大 50~70 倍） 2) 應(yīng)變片 的結(jié)構(gòu) (1) 由敏感柵、底基、絕緣保護(hù)片組成（圖 35） (a)敏感柵的作用 : 感受機(jī)械試件的應(yīng)變變化； (b)底基的作用：將試件的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳給敏感柵； (c)敏感柵的種類：金屬絲、金屬箔、半導(dǎo)體。 (3) 對(duì)底基的要求 (考綱上不做要求 )： (a) 應(yīng)具有較低的彈性模量，較高的絕緣電阻，良好的抗?jié)窨篃嵝阅堋? 紙基 制作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，比較柔軟，易于粘貼，應(yīng)變極限大，但耐潮濕性和耐熱性差。用酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、 聚酯等固化后制成。 （ 4） 箔式電阻應(yīng)變片 (考綱上不做要求 )： 敏感柵是用（ 3~5） um厚的金屬箔粘于膠基上，用光刻技術(shù)加工成需要的形狀。 24 優(yōu)點(diǎn) ： （ 1）金屬箔很薄，因而所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更接近； （ 2）箔式敏感柵面積大，散熱條件好，允許通過(guò)較大的電流，靈敏度較高，輸出信號(hào)功率比較大，為絲式電阻應(yīng)變片的 100~400 倍； （ 3）箔式敏感柵的尺寸可以 做的很準(zhǔn)確，基長(zhǎng)可以很短，并能制成任意形狀，從而可擴(kuò)大使用范圍； （ 4）便于成批生產(chǎn)。 3） 半導(dǎo)體應(yīng)變片 (1) 工作原理是基于壓阻效應(yīng) 。 缺點(diǎn)： 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。 電橋 ：有 單臂、雙臂、四臂工作方式（平衡條件 Uo=0， R1R3=R2R4） 工作方式 單臂 雙臂 四臂 應(yīng)變片所在位置 R1 R1， R2 R1， R2， R3， R4 輸出電壓 Uo 1/4UiKε 1/2UiKε UiKε 圖 37 圖 38 圓筒形彈性元件、應(yīng)變片。壓電效應(yīng)有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。電荷的極性取決于變形的形式。 （ 2） 逆壓電效應(yīng) 是當(dāng)某些晶體的極化方向施加外電場(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，這種物理現(xiàn)象稱之。 壓電元件在傳感器中的 連接方式 ：?jiǎn)纹?、兩片串?lián)式、兩片并聯(lián)式、剪貼式、扭轉(zhuǎn)式。 電容量 a SC ???； 壓電元件兩 端電壓 i aQU C? 2)前置放大器 (1) 壓電元件的輸出很微弱，電容 aC 很小導(dǎo)致容抗 (阻抗 )很大。 壓電式傳感器的前置放大器的 輸入阻抗應(yīng)盡可能的高 。 電壓放大器 ：輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比，但電纜 電容對(duì)輸出有影響。 （ 1）類型和結(jié)構(gòu) 26 是利用壓電晶體的 縱向 和 剪切 向壓電效應(yīng)。 (2)壓電式力傳感器的 選用原則 ： ?量程和頻帶的選擇 : 估計(jì)被測(cè)力的大小和頻率范圍，選用量程和頻帶合適的傳感器。 ?電纜選擇 : 選用受振動(dòng)、壓力變化等影響所產(chǎn)生噪音小的低噪音電纜； 壓磁式力傳感器 在機(jī)械力作用下，鐵磁材料內(nèi)部