热加工传感器测量教学讲义.doc

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1、第三章 传感器测量3.1 测量及测量误差一、测量基本概念为了有效地控制某个工业过程，首先必须获取影响该过程状况的各变量值的信息。以确定变量值为目的的信息获取过程即为测量。测量就是借助于专门的设备和技术工具，通过必要的试验和数据处理求的被测量值的过程。测量的实质在于以同性质的标准量与被测量的比较，并确定两者直接的比值。测量结果可以用数值和测量单位（七个基本物理单位，米、秒、千克、安培、开尔文、摩尔、坎德拉）来表示，也可以用曲线或图形来描述。测量的标准常常作为真值。一般可以将真值分为三种类型1）理论真值A0 人们根据测量需要所定义的参考标准，只存在于纯理论定义中。测量时只能无限接近于理论真值2）指

2、定真值As 是国际上约定的或由国家设立的各种尽可能维持不变的实物基准或标准器的数值。如单位米，在公制中科学家把通过巴黎子午线全长的四千万分之一作为1米，并制作铂铱合金米原器。1960年第十一届国际计量大会对米的定义作了如下更改：“米的长度等于氪86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍”。单位秒定义为铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。3）实际真值A 又称为相对真值。实际测量中，人们把高一级的计量标准器的数值认为是真值，可供第一级的计量标准器或普通仪器仪表测量时参考。这种真值是相对的。二、测量误差及分

3、类由于测量要依据一定的理论或方法，使用一定的仪器，在一定的环境中，由具体的人进行。由于实验理论上存在着近似性，方法上难以很完善，实验仪器灵敏度和分辨能力有局限性，周围环境不稳定等因素的影响，待测量的真值是不可能测得的，测量结果和被测量真值之间总会存在或多或少的偏差，这种偏差就叫做测量值的误差。在测量过程中，各种因素的影响，无论如何完善测量方法和测量设备都会使得测量值与真值直接存在一定的差异，这个差异称为测量误差。1、测量误差的分类（根据误差的来源：测量装置、环境、人员、测量方法）1）静态误差和动态误差 当被变量不随时间变化时，其测量误差称为静态误差。当被测变量随时间而变化时，在测量过程中所产生

4、的附加误差称为动态误差。动态误差是由于检测系统对输入信号变化响应上的滞后或输入信号中带有不同频率成分通过检测系统是受到不同的衰减和延迟而造成的误差2）系统误差和随机误差 系统误差是指在相同条件下，多次测量同一被测量值的过程中出现的误差值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按其一规律变化。 系统误差是由于测量工具本身的不准确或安装调整得不正确、测量人员的分辨能力或固有的读数习惯、以及测量方法的理论根据有缺陷或采用了近似公式等原因所造成的。对于绝对值和符号均已知的系统误差，可以通过引进修正值的办法予以消除，即在测量结果中加上一个与该系统误差大小相同、符号相反的差值，以补偿系统误差对测量结果的影响。

5、在测量过程中，人们还可以通过采取适当的测量方法，将系统误差尽可能地予以减小或消除。 随机误差又称偶然误差，它是在相同条件下多次测量同一被测量值的过程中所出现的、绝对值和符号以不可预计的方式变化的误差。 随机误差主要是由于测量过程中校此独立的各种随机因素(例如电磁场微变、空气扰动、大地微震等)对被测值的综合影响所造成的。 单次测量的随机误差的大小和方向都是不可预料的，因此无法修正，也不能采用实验方法予以消除。但是，随机误差在多次测量的总体从统计规律，因此可以利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。3）粗大误差 明显地歪曲测量结果的误差称为粗差。这种误差足由于测量操作者的粗心(如读错、记错、算错数

6、据等)、不正确地操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙实验等原因所造成的。 含有粗差的测量值称为异常值或坏值。一般地说，所有的坏值均应从测旦结果中剔除，但对原因不明的可疑测量值应根据一定的准则进行判断，方可决定是否应把该数值从测量结果中剔除掉。 2、测量误差的表示方法按照测量误差的表示方法，测量误差通常分为绝对误差、相对误差、均方根误差、概率误差和极限误差。这类分类方法的测量误差可以用来表征误差的大小，即测量精度。1）绝对误差 由测量所得的测量值x与真值之间的差值称为绝对误差，用x表示。 （3-1）实际上，真值很难得到。通常用高一级或数级的标准仪器或计量器具所测得的数值代替。因

7、此，绝对误差可以表示为 （3-2）绝对误差不能用来表征测量的准确度，如同样是1的绝对误差，测1000的温度与测100的温度，精确度是不一样的。为了解决测量精度的问题，引入相对误差的概念2）相对误差 测量的绝对误差与测量真值之间的比值，常用表示 （3-3）在误差较小，要求不太严格的场合，也可以用仪器测量值代替实际值，这时的相对误差称为示值相对误差，用x表示3）均方根误差 又称为标准差，表示试验精度的较好方法，应用广泛。当测量次数较大（通常n15）时，均方根误差的计算公式为 （3-4）式中为n次测量结果的平均值，xi为第i次测量的结果。当测量次数n较小时，(通常n3，则认为该测量出现了粗大误差。测

8、量结果应予以剔除。5）概率误差 又称或然误差，通常用表示。表示在一组观测值中，误差落在了(-，)之间的观测次数为总观测次数的一般。可以证明概率误差与均方根误差有如下关系：确定概率误差的另一种方式是将各误差取绝对值，并按数值的大小顺序排列。中间的误差即为概率误差。3、测量结果的评定指标由于测量结果是实际值和各种误差的综合，评定测量结果时，不能之用某一类误差大小来衡量。为了正确说明测量结果，通常用准确度、精密度和精度来评定。准确度是指测量值与真值的接近程度。通常用准确度来反映系统误差，并以绝对误差x表征。x越大，准确度越低。繁殖，准确度越高。精密度是指对同一量进行多次测量中所测数值重复一致性的程度

9、，即重复性。是随机误差的反映，常以标准偏差或均方根误差来表征。通常人们所说的精度往往包括精密度与准确度两种意思。课本P6图1.1可以反映出三个概念之间的关系在工程上，为了方便，引入仪表精度等级的概念，用它来表示仪表测量结果的可靠程度。仪表精度常用D来表示。指在仪表规定的条件下，仪表最大绝对误差值相对于仪表测量范围的百分数，即 （3-6）式中，xmax是仪表在全刻度范围内的最大绝对误差；xmin是仪表量程上限值；xmin为仪表量程的下限值。3.2 传感器3.2.1传感器概述人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。 而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不

10、够了。为适应这种情况，就需要传感器。可以说，传感器是人类五官的延长。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 由此看出，传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器一般利用某种材料所具有的物理、化学和生物效应或原理按照一定的加工工艺制备出来的电器元件。由于传感器工

11、作原理存在差异，故传感器的组成也不同。一般情况下，传感器可以抽象出敏感元件、传感元件、信号转换、和调节电路、其他辅助元件组成的辅助电路等（课本P29图2.5）在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm（10-15m）的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对

12、深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种

13、各样的传感器。3.2.2 传感器分类各领域生产中所涉及的被测对象不同，采用的传感器也不同。一般可将传感器分为如下几类：1、按照被测非电量的不同形式可以分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器、湿度传感器和流量传感器等等2、按照工作原理分类，有电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式和热电式等3、按能量传递形式分类，可分为有源传感器和无源传感器。有源传感器有能量变换器，能将非电量转换为电能二不需要辅助能源，如压电式、热电式、磁电式、光电式传感器。无源传感器不是一种换能器，需要有辅助能源，被测非电量只能对传感器的辅助能量起到控制和调节的作用。4、按照输出信号性质分类，可将传感器分为模拟式传

14、感器和数字式传感器。模拟式传感器与计算机配合时，需要模数转换环节。目前所用传感器多为模拟式传感器。数字传感器便于与计算机连接，抗干扰能力强5、按照信号变化特征 可以分为物性型和结构型物性型 依靠敏感元件材料本身的物理性质来实现信号变换，如水银温度计、压电测力计。结构型 依靠传感器结构参数的变化实现信号的转换，如电容式和电感式传感器6、按照敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型 直接由被测对象输入能量，如热电偶温度计、压电式加速度计；能量控制性：从外部供给能量并由被测量控制供给的能量，如电阻应变片。传感器发展方向 随自动化程度的提高，对传感器的要求也不断提高。要求传感器灵敏度高、精确度高、互

15、换性好，确保生产自动化的可靠性。传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰能力，研制可靠性高、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各部件体积越小越好，因而传感器本身的体积越小越好。这就需要新材料以及新的加工工艺。3.2.3 电阻式传感器定义：被测非电量的变化引起电阻器阻值变化的变换元件称为电阻式传感器。该传感器由于结构简单、价格便宜，可靠性高、输出信号大，使用比较广泛。电阻式传感器的基本类型有三种 1）利用电刷来回移动改变电路中电阻器的长度L，从而实现电阻值的变化，称为电位器式传感器，也称为变阻式传感器，用于测量线位移和角位移等参量。 2）利用应力应变使电阻丝

16、产生变形，使电阻丝长度L、截面积S和电阻率都发生变化，从而实现电阻的变化。这种传感器称为电阻应变式传感器，一般用于测量应力应变等参量. 3）利用热或光等辐射能量使传感器的电阻率发生变化，从而使电阻值发生变化。这传感器称为热电阻或光敏电阻传感器，一般用于测定温度和光通量及其派生量。一、电位器式传感器 种类很多，根据结构形式可分为绕线式、薄膜式、光电式磁敏式；按输出特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器传感器（简称电位器）。绕线式电位器由电阻丝、骨架和电刷组成，基本结构如图3.1所示图3.1 电位器式传感器1、线性绕线电位器有材料均匀的导线按照等间距在截面处处相等的骨架上绕制而成。当电刷行至x处

17、时对应输出电压为 （3-7） 即输出电压与行程x成正比。电刷来回移动，产生一次阶跃，u被称为视在分辨率； 次要分辨率 （3-8）主要分辨率 （3-9）一般电位刷与导线直径比为102、非线性绕线电位器指输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性关系的一种电位器。这种电位器可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他任意非线性函数的输出，又称函数电位器。如图3-1中右边两个。3、非线绕电位器式电阻传感器绕线式电位器虽然精度高、性能稳定，但分辨率低、耐磨性差、寿命短。因此在一些应用中，采用非线绕电位器式电阻传感器。此类传感器有三类1）膜式电位器 碳（石墨、炭黑）膜或金属（铂铑合金、铂铜）膜。耐磨性好、

18、线性好，但是接触电阻大、噪声大。骨架为玻璃、陶瓷或胶木，温度系数小2）导电塑料（合金、石墨、炭黑等）电位器 耐磨性好、寿命长、电刷允许接触压力大，适用于振动、冲击等恶劣环境中。受温度影响大3）光电电位器 非接触式电位器。以光束代替电刷二、应变式电阻传感器可以用来测量力、力矩、压力、加速度、重量等物理量。根据电阻的变化机理不同，应变式电阻传感器可分为基于应变效应的力（压力）-应变电阻转换的金属电阻传感器和基于压阻效应的力（压力）-硅压阻转换的半导体电阻应变传感器。1、金属导体受到外界压力，产生长度和横截面积的变化的机械变形，从而导致阻值变化，这种效应称为“应变效应”。金属导体变形时电阻率基本不变

19、，电阻的变化仅仅与几何尺寸有关。通过测量阻值的变化，可以间接的求出作用力。其中是材料的泊松比金属应变式传感器的优点是稳定性和温度特性好，缺点是灵敏度系数小。金属应变片常用的合金材料有铜镍合金、镍铬合金、镍铬铝合金、铁各铝合金，其中康铜（属铜镍合金类）使用最为广泛，（P37表2-1）2、半导体电阻应变片式传感器 是以压阻效应为理论基础设计的传感器。所谓的压阻效应，是指硅、锗搬到材料的某一轴向受到力的作用时，因电阻率的变化而使电阻发生变化的现象。式中为压阻系数，与材质有关；E为弹性模量半导体电阻应变片式传感器的优点是应变灵敏度大、体积小、频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器便可直接与记录仪器连

20、接。缺点是温度稳定性和可重复性不如金属应变片（线性差）.3、应变片的主要参数1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 （3-10）表征应变片的应变电阻相对变化率与其长度的相对变化率的比值。金属丝应变片的应变灵敏度系数K为 （3-11）式中为泊松比；C为取决于金属丝材料结构的比例系数，一般在-12到6之间。K值一般在2.03.6半导体应变片的应变灵敏度系数为 （3-12）式中是压阻效应系数，与半导体导电类型、掺入杂质的浓度、受力方向及半导体材料电阻率有关。K值一般在100170。4）其它表示应变计性能的

21、参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 电阻式传感器应用举例，课本P413.2.4 电容式传感器电容式传感器是将被测物理量转换为电容变化的一种传感器，可用于位移、振动、压力、液位等物理量的测量，具有结构简单、灵敏度高、动态响应快等优点，缺点是寄生电容和外界干扰影响严重。（寄生电容一般是指电感，电阻，芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性）一、基本工作原理 可用平行的极板电容器来说明。如右图所示。当不考虑边缘效应（中间为均匀电场）时，由两个平行板组成的电容器的电容为： （3-13）式中0真空介电常数08.8510-12F/m，r为电极板间介质的相对介电常数， S为两平行

22、极板覆盖的有效面积，为两平行极板之间的距离。从式（3-13）可知，任意改变r、S、中的某一个量，都会改变电容C。常见的电容式传感器有三种类型：变间隙式（改变）、变面积式（变S）、变介质式（变r）。实际使用中，多采用变间隙式电容传感器，可测微米级的位移，变面积式的传感器只能测量厘米级的位移。二、电容式传感器的基本类型1、变间隙式（极距）电容式传感器由式（3-13）可知，电容C随间隙变化。荣电容器极板距离由初始值变化，且在极距和时，其电容分别为C0和C，则有 （3-14）当r，则线圈电感量L与衔铁进入线圈长度la之间关系可以表示为：螺线管式电感传感器灵敏度低、测量误差小、但量程大结构简单易于制作和

23、批量生产。二、互感式传感器互感式传感器式是把位移量转换为绕组互感系数M变化的一种器件，就本身而言，是一个变压器。变压器一次线圈（绕组）通入交流电，二次线圈输出感应电动势。由于二次线圈常接成差动形式，所以又称为差动变压器传感器。特点是结构简单、测量精度高、灵敏度高、测量范围广。当匝数为W1的初级绕组通入激励交流电流i1是，将产生磁通11，这时有一部分磁通12穿过匝数为W2的次级绕组，因而在绕组W2中产生互感电动势E，即式中M为绕组W1对W2的互感系数，设I1I1Me-jwt，则，故次级绕组开路输出电压为式中r1和L1分别为初级绕组的有效电阻和自感值。从式子可以看出，输出电压信号随互感变化而变化。

24、互感式传感器按其改变电感量的方式主要有两种基本形式：改变气隙厚度和螺线管式差动变压器1、改变气隙厚度的互感式传感器与改变自感式传感器相似。有铁心1、衔铁2、初级绕组W1a、W1b和次级绕组W2a、W2b组成（P51图2.39a）设初级绕组W1a、W1b的有效电阻分别为r1a和r1b，自感分别为L1a和L1b；磁路a和磁路b的总磁阻分别为Rma和Rmb，初级绕组和次级绕组的互感系数为Ma和Mb，a和b为气隙厚度，S为气隙磁通面积，根据物理学有：当对初级绕组施加交流电时，电源电压加在W1a、W1b绕组上，初级绕组内流过的电流，由于的存在，将在次级绕组中产生感应电压U2a和U2b。当把两次级绕组反相

25、串接后（如P51图2.39（b），输出电压Uo为：如果，且rL，可得： （3-21）1） 当衔铁处于中间位置时，；2） 当衔铁向上偏移时，则，有3） 当衔铁向下偏移时，有，有由上可知，输出电压与传感器变压比W1/W2、偏移量、激励电压呈正比关系，与磁路气隙厚度成反比关系。2、螺线管型差动变压器式传感器P52图2.40为美国Schaevitz公司生产的螺线管型差动变压器式传感器。其结构如图2.41所示，主要由绕组、绕组框架、铁心组成。在绕组框架上绕有一组初级绕组，框架的另一部分绕上两组次级绕组作为输出绕组，它们的心部放入铁心。从结构形式上又分为三段式和两段式。在初级绕组中通以适当频率的激励电压时

26、，两个次级绕组中由于变压器的互感作用产生感应电压。（课本P53图2.41为三段式，只有一个次级绕组的为两段式）初级绕组通电激励所引起的磁场分布规律与铁心所处的位置有关。当铁心向左移动时，在次级绕组W21内所穿过的磁通比穿过次级绕组W22的磁通多些，因此互感也大些，反之亦然。次级绕组各自感生的电压也随铁心偏离中心位置的大小而不同。当铁心在中心位置时，两个次级绕组各自感生出大小相等方向相反的电压。当只有一个次级绕组时，铁心位于中心位置时感生电压最大；铁心逐渐偏离中心位置时感生电压逐渐减小。最后接近空心状态的e0。当两个次级绕组反相串接（差动），空载输出电压e0e1-e2，并且具有V字特性。如课本P

27、53图2.43 总输出 差动变压器的两个次级绕组反相串接，当铁心处于两个次级绕组的中心位置时，输出电压应该为零。但实际输出特性曲线V字的端部不是0，而是一个很小的电压e0，这个电压称为“零点残余电压”。零点残余电压的存在对测量很不利，必须尽力消除。采取措施：可以在电路的输出端结束一个电位器Rp，电位器的动点接两个次级绕组的公共点。调节电位器可以使两绕组不同的感应电动势产生大致相同的输出电压，从而达到减小零点残余电压的目的三、涡流式传感器把金属板置于变化的磁场中，或者让金属板在静磁场中运动，金属板中都会产生感应电流。电流在金属板中构成闭合回路，所以称为涡流。常用于测量位移、厚度、转速、振动、温度

28、等非电量的测量，并能进行非接触测量。涡流式传感器使用简单、工作可靠、灵敏度高。能进行非接触式测量。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式来年高中，高频反射式涡流传感器应用较多。1、高频反射式传感器 高频激励电源en()施加于电感线圈L上，所产生的高频磁场（交变磁场）作用于金属板表面。由于肌肤效应，高频磁场只在金属板表面的薄层内。100kHz1MHz 涡流区和线圈几何尺寸关系：2R1.39D，2r0.52D，R、r分别为涡流区的内外经。涡流渗透厚度，其中为金属电导率，f为交变磁场的频率金属表面会感应的涡流i产生交变磁场，反过来又会作用于线圈L，并在线圈中产生电动势，从而引起线圈自感系数和线圈阻

29、抗ZL的变化。其变化程度与线圈L的尺寸、距离x、r等有关。如课本P54式子（2-57）所示其中R1为线圈电阻，R2为涡流回路电阻；L1为线圈电感，L2为涡流回路电感，M为线圈与被测物涡流回路间互感，为电源角频率由此可以看出，高频反射式涡流传感器可以检测位移，也可以用来检测材料的电阻率和磁导率。若只改变距离x而保持其它参数不变，则可将位移变化转换为线圈自感变化，通过测量电路转换为电压输出。下图为电涡流式传感器构成的液位监控系统。通过浮子与杠杆带动涡流板上下位移，由电涡流式传感器发出信号控制电动泵的开启而使液位保持一致。2、低频投射式涡流传感器 1KHz左右低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，

30、发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少，如右图。因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。实际上，金属板中涡流的大小，与金属板的电阻率、化学成分以及物理状态有关3.2.6 电动势式传感器电动势传感器能够将被测量转换为

31、电动势信号，该信号直接来源于传感器而非外部电源。它主要包括磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器。一、磁电式传感器磁电式传感器利用电磁感应效应，霍尔效应，或磁阻效应等电磁现象，把被测物理量的变化转变为感应电动势的变化，实现速度，位移等参数测量。磁电感应式传感器简称电磁感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为101000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及

32、机载振动监视系统中获得了广泛的应用。但这种传感器的尺寸和重量都较大。1、工作原理 根据电磁感应定律，对于一匝数为W的线圈，当穿过该线圈的磁通发生变化时，其感应电动势为：由此可见，线圈中感应电动势的大小，与匝数W成正比，还与穿过线圈的磁通变化率有关。磁通变化率是由磁场强度、磁路磁阻及线圈运动速度决定的。所以改变其中任一因素，都会改变线圈的感应电动势。电磁转换器只要配备不同的结构就可以组成测量不同物理量的磁电式传感器。西北工业大学精品课程2、磁电式传感器分类按工作原理磁电式传感器可以分为恒磁阻式（动圈式和动铁式）和变磁阻式传感器两种。动圈式磁电传感器的中线圈是运动部件；动铁式磁电感应式传感器的运动

33、部件是铁芯，可用于各种振动和加速度的测量。1）恒磁阻式 其结构原理如右图。由线圈、运动部件和永久磁通组成。当线圈在磁场中做直线运动时（线圈垂直于磁场），产生的感应电动势为：。B为磁场强度，l为线圈的有效长度，v为线圈与磁场的相对运动速度。右图中为角速度型恒磁阻式传感器，线圈在磁场中以角速度转动，设线圈垂直于磁场，产生的感应电动势为：。无论是线速度型还是角速度型，只要B、W和S为常数，感应电动势与线圈对磁场的相对线速度或角速度成正比。所以可以用来测线速度和角速度。速度和位移具有积分关系，与加速度具有微分关系，所以测量电路中如果有积分电路和微分电路，还可以测位移和加速度。2）变磁阻式传感器 线圈和

34、磁铁之间没有相对运动。由运动着的被测物体（一般式导磁材料）改变磁路的磁阻，引起磁通量的变化，从而在线圈中产生感应电动势。变磁阻式检测元件一般做成转速式，产生的感应电动势的频率作为输出，如右图所示。变磁阻式转速传感器在结构上可以分为开磁路式和闭磁路式两种。a）开磁路式，如上右图。由齿轮的凸凹引起磁阻的变化，从而使磁通发生变化，进而在线圈中感应出交变电动势，该电动势的频率等于齿轮齿数与转轴转速n的乘积，即f=nz。通过测得f可求得被测转轴的转速n。该传感器结构简单，但输出信号小，转速高时信号失真大。b）闭式磁路 结构原理图如课本P57图2.53.由安装在转轴上的内齿轮和永久磁铁、外齿轮及线圈组成。

35、内外齿轮齿数相等。测量时，转轴与被测量轴相连。当转轴旋转时，内外齿轮的相对运动使磁路发生变化，导致磁阻发生变化，并使穿过线圈的磁铁发生变化，在线圈中产生感应电动势。这种传感器可以通过测量感应电动势的频率测得被测轴的转速。在振动信号或转速高的场合，其测量精度高于开磁路式传感器。变阻式传感器的输出电动势取决于线圈中磁场的变化速度，当转速过低时，输出电动势太小，会导致无法测量。所以该传感器有一个下限的工作频率，一般为50Hz，闭磁路转速检测元件的下限频率可低至30Hz。P57图2.54测量电路，1为积分电路，可以测位移；2为直接测量，可以测量速度；3为微分电路可以测量加速度。闭合磁路变磁通式，被测转

36、轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮转速n(r/min)成正比，即f=n/60。 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。 二、压电式传感器某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。常见的压电材料有石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等，其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压电陶瓷， 如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。此外，有机高分子材料中有聚偏二氟乙烯(PVDF) 。利用压电效应可以测量力以及可以转化为力的加速度和位移参数当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶