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1、传感器与检测技术第一章 概述1：传感器：是能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。一、传感器的组成2：传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。敏感元件：是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力，力矩转换为位移或应变输出）。转换元件：是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（电阻，电感，电容）及电流或电压等电信号。基本转换电路：是将该电信号转换成便于传输，处理的电量。 大多数传感器为开环系统，也有带反馈的闭环系统。二、传感器的分类1、按被测量对象分类：（1）内部信息传感器：主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常
2、变化。（2）外部信息传感器：主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式（触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器）和非接触式（视觉传感器、超声测距、激光测距）。2、传感器按工作机理：（1）物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的（主要有：光电式传感器、压电式传感器）。（2）结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的（主要有电感式传感器；电容式传感器；光栅式传感器）。3、按被测物理量分类：如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度。4、 按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用：电阻式、电感式、电容式、光电式、磁电式、压电式、热电式、陀螺式、机械式、流体式
3、。5、按传感器能量源分类：（1）无源型：不需外加电源，而是将被测量的相关能量转换成电量输出（主要有：压电式、磁电感应式、热电式、光电式）又称能量转化型；（2）有原型：需要外加电源才能输出电量，又称能量控制型（主要有：电阻式、电容式、电感式、霍尔式）。电阻式包括光敏电阻、热敏电阻、湿敏电阻等形式。6、按输出信号的性质分类：（1）开关型（二值型）：是“1”和“0”或开(ON)和关（OFF）；（2）模拟型：输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量，其输入/输出可线性，也可非线性；（3）数字型：计数型：又称脉冲数字型，它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器可对输入量进行
4、计数；代码型（又称编码型）：输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。其代码“1”为高电平，“0”为低电平。7、开关型（二值型）：包括：接触型（微动开关、行程开关、接触开关）、非接触型（光电开关、接近开关）；模拟型：包括：电阻型（电位器、电阻应变片）、电压电流型（热电偶、光电电池）、电容电感型（电容、电感式位置传感器）；数字型：包括：计数型（脉冲或方波信号+计数器）、代码型（回转编码器、礠尺）。三、传感器的特性及主要性能指标1、传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，有静态特性和动态特性。2、传感器的静态特性是当传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系，叫
5、静态特性，简称静特性。表征传感器静态特性的指标有线性度，敏感度，重复性等。3、 传感器的动态特性：传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称之。取决于传感器的本身及输入信号的形式。传感器按其传递、转换信息的形式可分为接触式环节；模拟环节；数字环节。评定其动态特性：正弦周期信号、阶跃信号。4、传感器的主要性能要求是：1）高精度、低成本。2）高灵敏度。3）工作可靠。4）稳定性好，应长期工作稳定，抗腐蚀性好；5）抗干扰能力强；6）动态性能良好。7）结构简单、小巧，使用维护方便，通用性强，功耗低等。四、传感检测技术的地位和作用1、地位：传感检测技术是一种随着现代科学技术的发展而迅猛发展的技术，是
6、机电一体化系统不可缺少的关键技术之一。2、作用：能够进行信息获取、信息转换、信息传递及信息处理等功能。应用：仪器设备、家用电器、计算机集成制造系统（CIMS）、柔性制造系统（FMS）、加工中心（MC）、CNC机床、计算机辅助制造系统（CAM）。五、基本特性的评价指标与选用原则1、测量范围：是指传感器在允许误差限内，其被测量值的范围；量程：则是指传感器在测量范围内上限值和下限值之差。2、过载能力：一般情况下，在不引起传感器的规定性能指标永久改变条件下，传感器允许超过其测量范围的能力。过载能力通常用允许超过测量上限或下限的被测量值与量程的百分比表示。3、灵敏度：是指传感器输出量Y与引起此变化的输入
7、量的变化X之比。4、灵敏度表示传感器或传感检测系统对被测物理量变化的反应能力。灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，传感器所能感知的变化量越小，即被测量稍有微小变化，传感器就有较大输出。K值越大，对外界反应越强。过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。5、反映非线性误差的程度是线性度。线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，用其不一致的最大偏差Lmax与理论量程输出值Y（=ymaxymin）的百分比进行计算。6、稳定性在相同条件，相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力，影响传感器稳定性的因素是时间和环境。7、电阻应变式传感器，湿度会影响其绝缘性；温度影响其零漂，零漂是指还没输入时，输出值
8、随时间变化而变化。长期使用会产生蠕变现象。8、重复性：是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度的指标；（分散范围小，重复性越好）9、精确度：简称精度，它表示传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。10、分辨力是指传感器能检出被测量的最小变化量。11、动态特性：反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性。传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失真测量条件。一般地，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，响应时间快，工作频率范围宽。在动态测量中，响应特性对测试结果有直接影响。采用正弦输入信号分析传感器检测系
9、统的频率响应，包括幅频特性和相频特性12、环境参数：指传感器允许使用的工作温度范围以及环境压力、环境振动和冲击等引起的环境压力误差，环境振动误差和冲击误差。六、传感器的标定与校准1、标定（计量学称之为定度）是指在明确传感器输入/输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量（或其它标准量）输入，确定其输出电量与其输入量之间的过程。2、校准是指传感器在使用前或使用过程中或搁置一段时间再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以确保传感器的测量精度。3、标定系统的组成：被测非电量的标准发生器或被测非电量的标准测试系统；待标定传感器；它所配接的信号调节显示、记录器等。4、静
10、态标定是给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给出标定方程和标定常数，计算其灵敏度，线性度，滞差，重复性等传感器的静态指标。对传感器进行静态标定时，首先要建立静态标定系统。5、传感器的静态标定设备有：力标定设备，压力标定设备，温度标定设备等。6、对标定设备要求：具有足够的精度，至少应比被标定的传感器高一个精度等级，并且应符合国家计量值传递的规定；量程范围应与被标定传感器的量程相适应；性能稳定可靠，使用方便，能适应多种环境。7、传感器的动态标定的目的是检验测试传感器的动态性能指标。8、动态标定指标是通过确定其线性工作范围，频率响应函数，幅频特性和相频特性曲线，阶跃响应曲线，来确定传感器的
11、频率响应范围，幅值误差和相位误差，时间常数，阻尼比，固有频率等。9、常用的标准动态激励设备有激振器、激波管、周期与非周期函数压力发生器；（其中激振器可用于位移、速度、加速度、力、压力传感器的动态标定）。上述振幅测量法称绝对标定发，精度较高，但所需设备复杂，标定不方便，故常用于高精度传感器与标准传感器的标定。工程上采用比较法进行标定，俗称背靠背法。10、传感器与检测技术的发展方向：开发新型传感器。传感检测技术的智能化。复合传感器研究生物感官，开发仿生传感器。11、开发新型传感器：利用新材料制作传感器；利用新加工技术制作传感器；采用新原理制作传感器。12、传感检测技术的智能化：传感检测系统目前迅速
12、地由模拟式、数字式向智能化方向发展。功能：自动调零和自动校准；自动量程转换；自动选择功能；自动数据处理和误差修正；自动定时测量；自动故障诊断。13. 复合传感器：是同时检测几种物理量具有复合检测功能的传感器。14、目前研究的生物传感器中有酶传感器、微生物传感器等。生物传感器与微电子技术相结合，将开创人造器官的新时代。第二章 位移检测传感器1、位移可分为线位移和角位移两种。测量位移常用的方法有：机械法，光测法，电测法。电测法：是利用各种传感器将位移量变换成电量或电参数。再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法。 位移测试系统由传感器、变换电器、显示装置或记录仪器三部分组成。测量位移常用
13、的传感器有：电阻式、电容式、涡流式、压电式、光电式、感应同步器式、磁栅式等。2、位移传感器的分类：参量型位移传感器，发电型位移传感器，大位移传感器。一、参量型位移传感器1、参量位移传感器的工作原理：将被测物理量转化为电参数，即电阻，电容或电感等。2、电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特征，即R= L/S 。（1）电位计：是一种常用的机电元件。由骨架、电阻元件（线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料）、电刷等组成；函数电位计（非线性电位计）：电位计还可以将位移或转角变换成与之有某种函数关系的电阻或电压输出，称之。（2）电位计优点：结构简单，输出信号大，性能稳定，并容易实现任意函数关系，缺点
14、：是要求输入量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，容易磨损，产生噪声干扰。3、线性电位计的空载特性：Rx=RX/L=KRX (KR：电位计的电阻灵敏度/m 、 电位计的电阻元件长度L、总电阻R、电刷位移X、相应的电阻Rx、电源电压Ui、输出电压U0)。电位计输出空载电压为U0=UiX/L=KuX(Ku：电位计的电压灵敏度)。对于绕线电位计，其电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直线，而是呈阶梯状，称为阶梯特性。通过阶梯中点的直线是理论特性线，阶梯特性在其上下波动，这种输出误差称为阶梯误差，是一种原理误差，限制了线绕电位计的精度和分辨率。 非线性电位计空载特性：其电阻灵敏度KR=dR/dx,电压灵敏
15、度Ku=dU0/dx。非线性电位计结构形式有：变骨架式、变节距式、分路电阻式、电位给定式等。4、电阻应变式位移传感器：是将被测位移引起的应变元件产生的应变，经后续电路变换成电信号，从而测出被测位移。5、电容式位移传感器：是利用电容量的变化来测量线位移或角位移的装置。两平行板之间的电容量为C=S/ （0=8.85*10-12F/m 、S：极板间的覆盖面积m2、 ：极板间的距离m）。电容式位移传感器：具有灵活多样的使用方式，既可以在封闭形式下工作，也可以在开放形式下使用，即利用被测对象作为一个极板（被测对象导体），或利用被测对象作为极板间的介质（被测对象绝缘体）。特点是：由于带电极板间的静电引力小
16、，活动部分的可动质量小，所以对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性；由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在高频范围内工作。电容式位移传感器的构件和连接电缆会引起泄露电容，造成测量误差。 (1)变极距型的电容位移传感器：特点：有较高的灵敏度，但电容变化与极距变化之间为非线性关系，其它两种类型的位移传感器具有比较好的线性，但敏度比较低。电容式位移传感器的灵敏度为K=C/=S/02 。把电容位移传感器作成差动形式，当中间活动极板移动时，一边电容增加，另一边电容减小，总的电容变化为两者之和。不仅提高了灵敏度，同时在零点附近工作的线性度也得到改善。（2）变极板面积型电容位移传感器：用于线
17、位移测量，也可用于角位移测量。采用平板型极板、圆筒型极板、锯齿型极板。输入、输出具有线性特性。圆筒型电容位移传感器，当位移x=0时，电容量C0=2l/ln（RB/RA)。极板移动x后，电容C=2（l-x）/ln（RB/RA)=C0-C0 x/l 可得C/C0=x/l 。当=0时电容为原始电容C0得电容的相对变化与输入角度的关系C/C0=/ 。(3) 变介质型电容式位移传感器：用于位移或尺寸测量的改变介质型电容位移传感器，一般都具有较好的线性特性，但也有输入/输出呈非线性关系。电容式液位计（测量液面高度），当液面高度为零（无液体）时电容为：C0=21h/ln（r2/r1）；r2=D/2外极筒内半
18、径，r1=d/2内极筒外半径。液面高度hx的电容C=21h+2（2-1）hx/ln（r2/r1）；由上两式得C/C0=（2-1）hx/1h。电容C和介质厚度以及介质的介电常数之间的关系都是非线性的；即C=0S/d-+（/r）；0真空介质常数（F/M），r=/0介质的相对介电常数，介质的介电常数。(4) 容栅式电容位移传感器是在面积型电容位移传感器的基础上发展来的，可分为长容栅和圆容栅。特点：因多极电容及平均效应，分辨力高，精度高，量程大对刻划精度和安装精度要求可有所降低，一种很有发展前途的传感器。长容栅最大电容量Cmax=n*ab/；间隙，可动容栅的栅极数n；a、b为栅极的宽度、长度。片状圆容
19、栅最大电容量Cmax=n*（R2-r2）/2；R、r栅极外半径和内半径（m），每条栅极所对应得圆心角（rad）。6、电容式位移传感器的绝缘和屏蔽 （1）若绝缘材料性能不佳，绝缘电阻随环境温度和湿度而变化，还会使电容位移传感器的输出产生缓慢的零位漂移；漏电阻:通常的绝缘电阻只能视为电容位移传感器的旁路电阻，称之。寄生电容：电容传感器的极板和周围物体、各种仪器乃至于人体都会发生电容联系，产生附加电容，称之。 （2）绝缘材料应具有高的绝缘电阻、低的膨胀系数、几何尺寸的长期稳定性和低的吸潮性； （3）通常对电容位移传感器及其引线采取屏蔽措施，即将传感器放在金属壳内，接地应可靠； （4）可以消除不稳定的
20、寄生电容，还可以消除外界静电场和交变磁场的干扰。7、电感式位移传感器：将被测物理量位移转化为自感L,互感M的变化，并通过测量电感量的变化确定位移量。主要类型有自感式、互感式、涡流式和压磁式。输出功率大，灵敏度高，稳定性好等优点。 （1）自感式电感位移传感器原理：缠绕在铁心的线圈中通以交变电流i，产生磁通m，形成磁通回路。磁通与电流的关系：Nm=Li N：线圈匝数，L：自感（H）。磁路欧姆定律m=Ni/Rm ，Rm：磁阻（H-1）包括：铁心、衔铁、气隙中的磁阻，Rm=l/S+2/0S0 ，l:铁心与衔铁的导磁长度（m）；：铁心与衔铁的导磁率（H/m）；S：铁心与衔铁中的导磁面积（m2）；：气隙厚
21、度（m）；0：真空磁导率（H/m）；S0：气隙导磁横截面积（m2）。由上可得：L=N2/Rm=N2*1/(l/S)+(2/0S0) 。写成通式：L=N2/( li/iSi+2/0S0)。自感式位移传感器原理结构有：a.气隙型，b截面型，c.螺管型。 为了提高自感位移传感器的精度和灵敏度，增大特性的线性度，实际用的传感器大部分都作为差动式。 改善其性能考虑的因素有：1）损耗问题，2）气隙边缘效应的影响，3）温度误差，4）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题。（2） 互感式位移传感器（差动变压器式位移传感器）（测量范围最大）：将被测位移量的变化转换成互感系数的变化，基本结构原理与常用变压器类似，
22、故称为变压器式位移传感器。常用的是螺管型。当一次侧通过交变电流i1时，在二次侧上将感生感应电动势，这一电动势的表达式为：E= -M*di1/dt 。M：互感系数（H），与两线圈之间相对位置及周围介质导磁能力等因素有关。产生零点残压的原因：由于两二次侧线圈结构不对称、一次侧线圈铜损电阻的存在、铁磁材质不均匀、线圈间的分布电容等因素。零点残压造成测量误差。 （3）涡流式位移传感器：利用电涡流效应将被测量变换为传感器线圈阻抗Z变化的一种装置。主要分为高频反射和低频透射两类。块状金属置于变化的磁场中或在磁场中运动时，金属体内都要产生感应电流，此电流的流线在金属体内自己闭合，所以称涡流。涡流的大小与金属
23、体的电阻率、磁导率、厚度t以及线圈与金属体的距离x、线圈的激励电流强度i、角频率等有关。涡流式传感器的特点：结构简单，易于进行非接触测量，灵敏度高，应用广泛，可测位移、厚度、振动等。二、发电型位移传感器1、发电型位移传感器（压电位移传感器）是将被测物理量转换为电源性参量。如：电动势、电荷等。包括：磁电型、压电型。2、压电式位移传感器的基本工作原理是：将位移量转换为力的变化，然后利用压电效应将力的变化转换为点信号。三、大位移传感器1、磁栅式位移传感器是根据用途可分为长磁栅和圆磁栅位移传感器，分别用于测量线位移和角位移。磁头分动态（速度磁头）和静态（磁通响应式磁头）。磁栅式位移传感器精度可达0.0
24、1/m，分辨率达15m.2、当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余弦电压信号，其频率仍为励磁电压的频率，其幅值与磁头所处的位置有关。当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化。4、光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。其性质：光栅移动方向与莫尔条纹移动方向垂直。5、两块光栅作为一个标尺光栅（不动的）和一个指示光栅（动的），标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程决定。光栅条纹密度有25条/，50条/，100条/或更密，栅线长度612. 光栅式位移传感器的测长精度可达0.53m，分辨率达0.1m.6、莫尔条纹的性质：当两个光栅沿刻线垂直方向相对移动时，莫尔条纹相对栅外
25、不动点沿着近似垂直的运动方向移动，光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B；光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变；光栅条纹的光强度随条纹移动按正弦规律变化。常用的光学系统：透射式光路（栅）；反射式光路（栅）。7、感应同步器是利用电磁，原理将线位移和角位移转换成点信号的一种装置。根据用途，可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量：线位移和角位移。 原理：当滑块的两相绕组用交流电励磁时，由于电磁感应，在定尺的绕组中会产生与励磁电压同频率的交变感应电动势E。当滑尺相对定尺移动时，滑尺与定尺的相对位置发生变化，改变了通过定尺绕组的磁通，从而改变了定尺绕组中输入的感应电动势E
26、。 根据对滑尺的正、余弦绕组供给励磁电压方式的不同，又分为鉴相和鉴幅型测试系统。 感应同步器测位移的特点：精度较高，对环境要求低，可测大位移；工作可靠，抗干扰能力强，维护简单，寿命长；对局部误差有平均化作用。）8、激光式位移传感器结构由：激光器、光学元件、光电转换元件组成激光测试系统，将被测位移量转化成电信号。（特点：精度高，测量范围大、测试时间短、非接触、易数字化、效率高。）9、激光干涉测长技术用途：精密长度测量（磁尺、感应同步器、光栅检定）；精密机床位移检测与校正；集成电路制作中的精密定位。10、常用的激光干涉测长传感器：单频激光干涉传感器；双频激光干涉传感器。第三章 力、扭矩和压力传感器
27、一、测力传感器1：测量力的传感器多为电气式，根据转换方式分为参量型和发电型。参量型测力传感器有电阻应变式，电容式，电感式等；发电型测力传感器有压电式，压磁式。2：电阻式应变测力传感器原理是将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变，利用贴在弹性元件上应变片将应变转换成电阻的变化，然后利用电桥将电阻变化转换成电压或电流的变化，在送入测量放大电路测量。最后利用标称的电压（电流）和力之间的对应关系，测出力的大小或经换算得到被测力。弹性元件：（1）柱型弹性元件（有：圆柱形、圆筒形、方柱形），受力后的应变值=F/SE （E材料的弹性模量Pa，S弹性元件的横截面积m2）； （2）薄壁环型弹性元件（用
28、于测：拉力、压力），承受的弯矩M=FR0（0.318-0.5cos） （R0环的平均半径m，断面的坐标角，M坐标角断面处的弯矩Nm），最大弯矩MA=0.318FR0，MB=0.182FR0，应变值 A=1.908FR0/bh2E，B=1.908FR0/bh2E（b薄壁环的宽度m，h薄壁环的厚度m，E材料的弹性模量Pa）； （3）梁型弹性元件(有：悬臂梁式、两端固定梁式）应变值分别是：=6Fl/Ebh2，=3Fl/4Ebh2（l、b、h长度、宽度、厚度m）。3、 应变片是非电量电测中一种常见的转换元件。，由于应变片使用简单，测量精度高，体积小，动态响应好，被广泛应用。4、金属丝的作用：是感受机械
29、试件的应变变化，称为敏感栅。5、对金属丝的要求：（1）具有较高的电阻系数（单位长度的电阻要大）；（2）具有尽可能大的电阻应变灵敏度系数；（3）具有较小的温度系数；（4）具有较高的弹性极限，以便得到较宽的应变测量范围；（5）良好的加工性和焊接性；（6）对铜的热电动势要小。6、底基的作用：是将试件的应变准确地传给敏感栅，所以底基应具有较低的弹性模量，较高的绝缘电阻，良好的抗湿抗热性能。厚度2050m之间，（常用底基：纸基、胶基、玻璃纤维布基）。 纸基制作简单，价格便宜，比较柔软，易于粘贴，应变极限大，但耐潮湿性和耐热性差。 胶基比纸基更柔软，且具有较好的绝缘性，较高的弹性，耐热和耐潮湿性都较好，使
30、用温度达100300。用酚醛树脂、环氧树脂、聚酯等固化后制成。玻璃纤维布基：制作的底基能耐400500的高温，用于中温和高温情况下。7、箔式电阻应变片：敏感栅是用（35）um厚的金属箔粘于胶基上，用光刻技术加工成需要的形状。 敏感栅制成圆角形栅，也可成直角形栅。 优点：（1）金属箔很薄，因而所感受的应力状态与试件表面的应力状态更接近；（2）箔式敏感栅面积大，散热条件好，允许通过较大的电流，灵敏度较高，输出信号功率比较大，为丝式电阻应变片的100400倍；（3）箔式敏感栅的尺寸可以做的很准确，基长可以很短，并能制成任意形状，从而可扩大使用范围；（4）便于成批生产。 缺点：生产工序复杂，引线的焊点
31、采用锡焊，不适于在高温环境中测量，另外价格比较高。8、半导体应变片的工作原理是基于压阻效应。 （1）压阻效应是指固体受到应力作用时，其电阻率发生变化。这种现象称压阻效应。半导体应变片的应变灵敏系数K=（dR/R）/=LE，比电阻应变片的应变灵敏系数5070倍。使用于需要大信号输出场合。 （2）优点：半导体应变片横向效应小，其横向灵敏度几乎为零；机械滞后小，可制成小型和超小型片子。（3）缺点：应变灵敏系数的离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。9、应变片的布置和接桥方式：应根据测量目的、对载荷分布的估计以及在复合载荷下测量应变时应能消除相互影响等情况而定。电桥：有单臂、双臂、四臂工作方
32、式（平衡条件U。=0 R1R3=R2R4）工作方式单臂双臂四臂应变片所在位置R1R1，R2R1，R2，R3，R4输出电压Uo1/4UiK1/2UiKUiK10、压电式传感器是基于压电元件的压电效应而工作的。压电效应有正压电效应和逆压电效应。 （1）正压电效应是当某些晶体沿一定方向受外力作用而变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，这种物理现象称之。电荷的极性取决于变形的形式。 （2）逆压电效应是当某些晶体的极化方向施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失，这种物理现象称之。压电晶体常用的材料：石英、钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铝系
33、压电陶瓷（PZT）以及新型高分子材料（聚偏二氟乙烯PVDF）等。压电元件在传感器中的布置形式：单片式、两片串联式、两片并联式、剪贴式、扭转式。压电式传感器的等效电路为：带电荷Q的电容器（电荷源），电容量Ca=S/ ；压电元件两端电压Ui=Q/Ca 。 压电式传感器的前置放大器的输入阻抗应尽可能的高。前置放大器有：电压放大器、电荷放大器两种形式。11、 压电式力传感器：是利用压电晶体的纵向和剪切向压电效应。（分：单分量和多分量）。压电式力传感器的选用原则：量程和频带的选择，电荷放大器的选择，电缆选择。12、 电荷放大器的选择：要求电荷放大器输入阻抗高于1012，低频响应为0.001Hz13、 压
34、磁效应是在机械力作用下，铁磁材料内部产生应力变化，使磁导率发生变化，磁阻相应也发生的现象。外力是拉力时，在作用力方向铁磁材料磁导率提高，垂直作用力方向磁导率降低；作用力为压力时，则反之。常用铁磁材料：硅钢片、坡莫合金。制成的弹性体称铁磁体或压磁元件。14、 压磁式力传感器工作原理是根据压磁效应原理，当在一次侧绕组通过交变励磁电流时，铁心中产生磁场，由于压磁元件在未受力时各向同性，磁力线呈轴对称分布。15、压磁式力传感器结构:主要是由压磁元件，弹性机架，基座和传力钢球等组成。二、扭矩传感器转矩：使物体转动的力偶或力矩。扭矩（扭转力矩）：使物体产生某种程度的扭转变形。1、 电阻应变式扭矩传感器的工
35、作原理：当轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变，此应变可用电阻应变片测量。（集流环按工作原理分类：电刷-滑环式、水银式、感应式。）端面电刷-滑环集流装置结构由套筒，绝缘环，滑环构成集流环。电刷-滑环集流装置特点：结构简单，坚固耐用，维修方便；但它的接触电阻易受振动影响而波动，影响到测量精度。水银集流装置特点：水银在高温下工作时易蒸发逸出，对人体有毒害，因而使用受到限制。感应式集流装置：是利用电磁感应原理将旋转部分的电信号耦合到固定部分上，去掉了各种接触点，因而称无接触集流装置，也称变压器式集流装置。特点：无接触电阻的影响，体积小惯性也小，但易受外电磁场的干扰。2、压磁式扭矩仪又叫磁弹式扭矩
36、仪工作原理是根据磁弹效应，受扭矩作用的轴的导磁性发生相应变化，即磁导率发生变化，从而引起线圈的感抗变化，通过测量电路测量感抗的变化可确定扭矩。3、电容式扭矩测量仪工作原理是利用机械结构，将轴受扭矩作用后的两端相对转角变化变换成电容器两极板之间的相对有效面积的变化，引起电容量的变化来测量扭矩。其最要优点：是灵敏度高，测量时它需要集流装置传输信号。4、 光电式扭矩测量仪：这种扭矩传感器的工作转速为（100800）r/min，测量精度为1%。原理：当轴传递扭矩时，由于轴的变形，使圆盘重合的透光面积减少。光电元件输出脉冲电流的宽度也相应减少，微安表的指示正好与扭矩值成反比关系。结构：轴、套管、光电元件
37、、带孔圆盘、光源。5、钢弦式扭矩传感器是将扭矩转换成钢弦固有频率变化进行工作。（特点：抗干扰能力强，允许导线长达几百米到几千米，测量精度可达1%。但结构复杂。）三、压力式传感器绝对压力p绝：把作用于单位面积上的全部压力称之。1、弹性式压力传感元件有：波登管、膜片和波纹管三类。2、电量式压力计是用各种传感器或测量元件将压力变换成电量或电参数，再经后接相应的测量电路进一步变换，最后由显 示或记录仪显示或记录下来，以实现压力测量的装置。常用的测压力系统所用的传感器有电容式，电感式，电阻式，涡流式，压电式。 （1）电容式压力传感器是将压力转换成电容的变化，经电路变换成电量输出。其特点是灵敏度高，适合测
38、量微压，频响好，抗干扰能力较强。 （2）应变式压力传感器的工作原理是利用应变片将弹性元件在压力作用下产生的应变转换成电量的变化。应变式压力传感器特点体积小，重量轻，精度高，测量范围宽，从几帕到500MPa，频响高，同时耐压，抗振，应用广泛。 （3）压阻式压力传感器是利用压阻效应将压力变换成电阻的变化实现压力测量。其特点是频响宽，动态响应快，测量范围从几Pa到3109Pa，适用于爆炸，冲击压力的测量。 （4）电感式压力传感器是将压力变化转换成电感变化，通过测量电路再将电感变化转换成电量实现压力测量。 类型较多。其特点是频响低，使用于静态或变化缓慢压力的测试。 （5）涡流式压力传感器属于电感式压力
39、传感器中的一种，它是利用涡流效应将压力变换成线圈阻抗的变化，再经测量电路转换成电量。特点它有良好的动态特性，适合在爆炸等极其恶劣的条件下工作，如测量冲击波。 （6）霍尔式压力传感器结构原理是波登管在压力作用下其末端产生位移，带动了霍尔元件在均匀梯度的磁场中运动。当霍尔元件通过恒定电流时，产生与被测压力成正比的霍尔电动势，完成压力至电量的变换。特点由于波登管的频响较低，适用于静态或变化缓慢压力的测量。 （7）压电式压力传感器工作原理是压力通过膜片或活塞，压块作用在晶片上，晶片上是产生了电荷，经后接放大器的变换，由显示或记录仪器显示或记录，实现对压力的测量。其特点：是具有频响宽，可测压力范围大，体
40、积小，重量轻，安装方便，可测多向压力等特点，应用广泛，适用于测动态力和冲击力，但不适于测静态力。第四章 速度、加速度传感器一、速度传感器1、测速发电机是机电一体化系统中用于测量和自动调节电机转速的一种传感器。它由绕组的定子和转子构成。2、根据励磁电流的种类，测速发电机分为直流测速发电机（他励式/电磁式和永磁式两种）和交流测速发电机两类。直流测速发电机按电枢结构形式不同分无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢、圆盘印刷绕组等。3、在实际应用中，机电一体化系统对测速发电机的主要要求有：输出电压对转速应保持较精准的正比关系。转动惯量要小。灵敏度要高，即测速发电机的输出电压对转速的变化反应要灵敏。 (1)直流
41、测速发电机是一种微型直流发电机。它的定子、转子结构与直流伺服电动机基本相同。其工作原理是根据电磁感应原理，在恒定磁场中，旋转的电枢绕组切割磁通，并产生感应电动势，而后测速的发电机。电刷两端的电枢感应电动势：Es=Ken=Cen（Ke感应系数；磁通；n转速；Ce感应电动势与转速的比例系数）。 (2)空载（电枢电流Is=0）时，直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等，因而输出电压与转速成正比。 有负载（Is0）时，测速发电机的输出电压应比空载时小，这是电阻rs（电枢绕组电阻）的电压降造成的。输出电压VCF=Es-Isrs 。 (3)直流测速电动机在理想情况下系数Ce和C与输出电压之间的关系：
42、Is=VCF/RL(有负载时，电枢电流) ;VCF=Cen/(1+rs/RL)=Cn ；C=Ce/(1+rS/RL)（RL负载电阻；理想下rs，RL，均常数）。 （3）直流测速电动机产生误差的原因和改进方法？有负载时，电枢反映去磁作用的影响，使输出电压不再与转速成正比，遇到这种问题可以在定子磁极上安装补偿绕组，或使负载电阻大于规定值。电刷接触降压的影响。这是因为电刷接触电阻是非线性的，即当电机转速较低，相应的电枢电流较小时接触电阻较大，从而使输出电压很小。只有当转速较高，电枢电流较大时，电刷压降才可以认为是常数。为了减小电刷接触压降的影响，即缩小不灵敏区，应采用接触压降较小的铜-石墨电极或铜电
43、极，并在它与换向器相接触的表面上镀银。 温度的影响。这是因为励磁绕组中长期流过电流易发热，其电阻值也相应增大，从而使励磁电流减小的缘故。在实际使用中可在直流测速发电机的绕组回路中串联一个电阻值较大的附加电阻，在接到励磁电源上。 这样，当励磁绕组温度升高时，其电阻虽有增加，但励磁回路总电阻的变化却较小，故可保持励磁电流几乎不变。4、交流测速电动机可分为永磁式，感应式和脉冲式三种。 交流测速电动机的工作原理：是利用定子，转子齿槽相互的位置的变化，使输出绕组中的磁通产生脉冲，从而产生感应电动势，这种工作原理称为感应子式发电机原理。永磁式交流测速发电机实质上是单向永磁转子同步发电机，定子绕组感应的交变
44、电动势大小、频率都随输入信号（转速）而变化，即f=pn/60 ；E=4.44f4.44p/60*n=Kn ；（K常系数，p极对数，N定子绕组每相匝数，KW定子绕组基波绕组系数，m电机每极基波磁通的幅值）。当转子不转时，磁通不变，定子绕组无感应电动势；输出电动势频率f=Zrn/60（Hz）；（Zr转子齿数，n电机转速r/min）。5、线振动速度传感器的工作原理是当一个绕有N匝的线圈作垂直于磁场方向相对运动时，线圈切割磁力线，由法拉第电磁感应定律可得其线圈产生感应电动势。E=NB（B磁感应强度T，每匝线圈平均长度m，线圈磁场运动速度m/s）。6、陀螺式角速度传感器分为：转子陀螺、压电陀螺、激光陀螺
45、、光纤陀螺。 （1）转子陀螺式角速度传感器是一种惯性传感器，安装简单，使用方便，但有机械活动部件，被测角速度范围30120/s，质量较大，成本高，寿命低。转子陀螺y轴为测量轴/输入轴；x轴为输出轴。 （2）压电陀螺式利用压电晶体的压电效应工作，分：振梁型、双晶片型、圆管型。振梁型：动态范围（57200）/s可调；特点稳定可靠性好，适用于恶劣环境，平均无故障间隙10000h，工作温度（-4060）。双晶片型：动态范围（30300）/s；特点体积小，寿命长，响应快，线性度好，滞后可忽略，功耗小，廉价，重量约100g，可抑制振动和加速度干扰。圆管型：动态范围60/s特点结构简单，易批量生产，可靠性高
46、，成本低，适用于精度要求不太高的稳定系统。 （3）光纤陀螺式：具有无机械传动部件、无需预热时间、对加速度不敏感、动态范围宽、体积小、灵敏度高等优点。7、霍尔式传感器的工作原理是利用霍尔元件组成的传感器，在被测物上粘有多对小磁钢，霍尔元件固定于小磁钢附近，当被测物转动时，每当一个小磁钢转过霍尔元件，霍尔元件输出一个相应的脉冲，测得单位时间内的脉冲个数，即可得被测物的转速和角速度。特点：由半导体材料制成，体积小，结构简单。8、电涡流式转速传感器的工作原理是在传感器靠近在被测物上设定的等距标记安装，当被测物转动时，传感器输出频率与转速成正比的信号。9、半导体硅流速传感器的工作原理是依据发热体与放置发
47、热体的流体介质的热导率与流体流速相关原理制成的。P64二、加速度传感器1、常用加速度传感器的种类有压电式，应变式，磁致伸缩式。2、压电式加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高，故应用较为广泛。压电加速度传感器的工作原理是利用压电陶瓷的压电效应可构成不同使用要求的振动加速度传感器来制作的。常用的三种原理结构式压缩型，剪切型，弯曲型。其特点是它可以作得很小，重量很轻， 对被测机构的影响就小。压电传感器本身的内阻抗很高，而输出的能量很微弱，因此在使用时，必须接高输入阻抗的前置放大器。放大器有两种是电压放大器和电荷放大器。电荷放大器输出电压与电缆分布电容无关。 一般加速度传感器的尺寸越大，其固有频率越低。3、应变式加速度传感器的工作原理是经过质量-弹簧惯性系统将加速度转换为力，再将力作用于弹性元件，从而将力转换为应变，通过测量应变可以测量加速度。P69第五章 视觉、触觉传感器1：视觉传感器在机电一体化系统中的作用有三种：进行位置检测。
