中国农业大学：《工程测试技术》课程授课教案（讲义）第二章 传感器

第二章　传感器第一节概述一、传感器的基本概念传感器主要用于对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，是实现准确测试与自动控制的首要环节。工农业生产过程的现代化与自动化，主要依靠各种传感器来监视生产过程的有关参数，使设备和系统在最佳状态下正常运行，从而保证生产的高效率和高质量。传感器是测量系统的一部分，通常把直接感受被测量，能按一定规律将被测量转换成可用的电信号输出的器件或装置，称为传感器。被测量直接作用于传感器的部分称为敏感元件。传感器可看作测量仪器与被测量之间的接口，处于测量过程的最前端，其性能直接影响着整个测量系统，对系统的测量精确度起着决定性的作用。二、传感器的分类传感器的种类繁多，同一种被测量可以用不同的传感器来测量，而同一原理的传感器通常又可测多种被测量，表2-1列出了目前采用的一些分类方法。表 2-1 传感器的分类分类测量分位移型式体成分等以被源即按用途分类法教变热原理分变式、电容式、压电式、热电式等以传感器转换的原理命按能量关系分器中的能量起控制作用按输出量分灸出租模拟式双万按基本效应分专换是物理效应、化学效应、主物效应等命名三、传感器的发展随着现代科学技术，特别是大规模集成电路技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，传感器的地位和作用日益突出，人们在充分利用先进的电子技术，研究和采用合适的外部电路以及最大限度地提高现有传感器的性能价格比的同时，正在寻求发展传感器技术的新途径。（一）开发新型传感器传感器的工作机理基于各种效应和定律，人们正在进一步探索具有新效应的敏感功能材料，研制新型传感器；采用新的加工方法如微细机械加工技术、光刻、扩散及各向异性腐蚀等方法，用新材料研制新型传感器，大批量生产微型集成化传感器，目前已经制成能够装在注射针尖上的压力传感器成分传感器等；尤其是半导体材料研究的进展，促进了半导体传感器的迅速发展，成为当前传感技术的重要研究领域。（二）研制集成化多功能的传感器研制集成化多功能的传感器，就是在同一芯片上，将敏感元件与调理，补偿等转换电路集成一体化

1 第二章 传感器 第一节 概述 一、传感器的基本概念 传感器主要用于对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，是实现准确测试与自动控制的首要环 节。工农业生产过程的现代化与自动化,主要依靠各种传感器来监视生产过程的有关参数,使设备和系 统在最佳状态下正常运行,从而保证生产的高效率和高质量。 传感器是测量系统的一部分，通常把直接感受被测量，能按一定规律将被测量转换成可用的电信 号输出的器件或装置，称为传感器。被测量直接作用于传感器的部分称为敏感元件。 传感器可看作测量仪器与被测量之间的接口，处于测量过程的最前端，其性能直接影响着整个测 量系统，对系统的测量精确度起着决定性的作用。 二、传感器的分类 传感器的种类繁多，同一种被测量可以用不同的传感器来测量，而同一原理的传感器通常又可测 多种被测量，表 2-1 列出了目前采用的一些分类方法。 表 2-1 传感器的分类 分类法 型式 说明 按被测量分 位移、压力、温度、流量、气体成分等 以被测量命名（即按用途分类法） 按变换原理分 应变式、电容式、压电式、热电式等 以传感器对信号转换的原理命名 按能量关系分 能量转换型（有源型） 能量控制型（无源型） 将被测量转换为电能量 被测量仅对传感器中的能量起控制作用 按输出量分 模拟式 数字式 输出量为模拟信号 输出量为数字信号 按基本效应分 物理型、化学型、生物型等 分别以转换是物理效应、化学效应、生物效 应等命名 三、传感器的发展 随着现代科学技术,特别是大规模集成电路技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用,传感器的 地位和作用日益突出,人们在充分利用先进的电子技术,研究和采用合适的外部电路以及最大限度地 提高现有传感器的性能价格比的同时,正在寻求发展传感器技术的新途径。 （一）开发新型传感器 传感器的工作机理基于各种效应和定律,人们正在进一步探索具有新效应的敏感功能材料,研制 新型传感器;采用新的加工方法如微细机械加工技术、光刻、扩散及各向异性腐蚀等方法, 用新材料 研制新型传感器，大批量生产微型集成化传感器,目前已经制成能够装在注射针尖上的压力传感器、 成分传感器等;尤其是半导体材料研究的进展,促进了半导体传感器的迅速发展,成为当前传感技术的 重要研究领域。 （二）研制集成化多功能的传感器 研制集成化多功能的传感器,就是在同一芯片上,将敏感元件与调理,补偿等转换电路集成一体化;

或将众多同一类型的单个传感器集成为一维、二维、三维传感器，形成多方位传感效应。（三）研制智能化传感器将传感器技术与计算机技术紧密结合起来，使传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准，自适应等功能。（四）开发生物型传感器随着生物工程技术的飞速发展，一些生物学原理逐渐被人们所认识，研制功能独特，性能优良的生物传感器是传感器的发展方向之一第二节电阻式传感器将被测量的变化转换成电阻变化的器件或装置称为电阻式传感器。电阻式传感器主要分为：电位器式传感器、电阻应变片式传感器和压阻式传感器一、电位器式传感器电位器式电阻传感器是一种将机械位移（线位移或角位移）的变化转换为与其成一定函数关系的电阻变化的传感器电位器式传感器一般由电阻元件、电刷（活动触点）及骨架三部分R组成，其中电阻元件可用线绕电阻或C薄膜电阻，图2-1中给出了直线位移Axl(a）和角位移(b)的两种典型形式。电被测量位移的变化将滑动触点在电-0阻基体上移动转换为电阻的变化，再(a)b图2-1电位器式传感器通过测量电路（电桥电路等）将电阻变化转换成电压或电流的变化，然后通过测得的电压或电流的变化值测得被测量位移的大小。电位器式传感器的优点是结构简单，输出信号强，性能稳定，使用方便。缺点是分辨力不高动态响应差，易磨损，且易受外界振动的影响，故电位器式传感器通常用于测量变化缓慢的低频大位移信号。二、电阻应变式传感器一）金属电阻应变片常用的金属电阻应变片有电阻丝式和金属箔式两种。其工作原理都是基于应变片的电阻应变效应1．应变片的结构电阻丝式应变片是用一根直径为一-电性 2 性交的用整异4-引线

2 或将众多同一类型的单个传感器集成为一维、二维、三维传感器,形成多方位传感效应。 （三）研制智能化传感器 将传感器技术与计算机技术紧密结合起来,使传感器不仅具有信号检测、转换功能,同时还具有记 忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准,自适应等功能。 （四）开发生物型传感器 随着生物工程技术的飞速发展,一些生物学原理逐渐被人们所认识,研制功能独特,性能优良的 生物传感器是传感器的发展方向之一。 第二节 电阻式传感器 将被测量的变化转换成电阻变化的器件或装置称为电阻式传感器。 电阻式传感器主要分为:电位 器式传感器、电阻应变片式传感器和压阻式传感器。 一、电位器式传感器 电位器式电阻传感器是一种将机械位移（线位移或角位移）的变化转换为与其成一定函数关系的 电阻变化的传感器。 电位器式传感器一般由电阻元 件、电刷（活动触点）及骨架三部分 组成,其中电阻元件可用线绕电阻或 薄膜电阻，图 2-1 中给出了直线位移 (a）和角位移(b)的两种典型形式。 被测量位移的变化将滑动触点在电 阻基体上移动转换为电阻的变化，再 通过测量电路（电桥电路等）将电阻 变化转换成电压或电流的变化,然后通过测得的电压或电流的变化值测得被测量位移的大小。 电位器式传感器的优点是结构简单，输出信号强，性能稳定，使用方便。缺点是分辨力不高， 动态响应差，易磨损，且易受外界振动的影响，故电位器式传感器通常用于测量变化缓慢的低频大位 移信号。 二、电阻应变式传感器 （一） 金属电阻应变片 常用的金属电阻应变片有电阻丝式和金属箔 式两种。其工作原理都是基于应变片的电阻应变 效应. 1． 应变片的结构 电阻丝式应变片是用一根直径为 (a) (b) 图 2-1 电位器式传感器 (a)直线位移型 (b) 角位移型 1-电阻丝 2-基片 3-覆盖层 4-引线 图 2-2 丝式电阻应变片

0.02-0.04mm、具有高电阻率的金属丝制成。为了获得高的电阻值和灵敏度，将电阻丝排列成栅状粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，并焊有引线，用于接入电路，其典型结构如图2-2所示。箔式电阻应变片的敏感元件是用很薄（1-10um）的金属箔片，通过光刻技术、腐蚀等工序制成，可以根据需要制造成各种形式，图2-3是几种常用的箔式电阻应变片，具有线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好，散热好，便于批量生产，应用较广等特点。(a)图2-3金属箔式应变片(a)单轴(b)测扭矩(C)多轴（应变花)使用时将应变片用特制胶水粘固在需要测量变形的物体表面上，在被测量作用下电阻丝或金属箔片即随着物体一起变形，使电阻值发生相应变化2.电阻应变效应金属导体的电阻值随其所受的机械变形而发生改变的现象称为电阻应变效应，它是应变片工作的物理基础。由欧姆定律得知，当电阻丝发生变形时，其长度1、横截面积A、电阻率p均发生变化，从而导致电阻R的变化，根据金属导体电阻值的计算公式R=plIA可知电阻的相对变化为dR_dl_dsdp(2-1)RlAp式中dl/l=8---电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变；dA/A=2mrdr/m2=2dr/r；dr/r--电阻丝径向相对变形，或称横向应变。由材料力学可知兰=-A=-ue，式中μ为电阻丝金属材料的泊桑比系数，由此可得：dR_ dpdplp)s+dp =(1+2u+++2u8=(1+2u)+(2-2) RpP今K=1+2u+eple，则有R-K.(2-3) K。称为电阻丝的应变灵敏系数，K。值随着电阻丝材料不同而异，由实验得知，对大多数电阻丝而言，3

3 0.02-0.04mm、具有高电阻率的金属丝制成。为了获得高的电阻值和灵敏度，将电阻丝排列成栅状， 粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，并焊有引线，用于接入电路，其典型结构如图 2-2 所示。 箔式电阻应变片的敏感元件是用很薄(1-10um)的金属箔片，通过光刻技术、腐蚀等工序制成,可 以根据需要制造成各种形式，图 2-3 是几种常用的箔式电阻应变片，具有线条均匀，尺寸准确，阻值 一致性好，散热好，便于批量生产，应用较广等特点。 使用时将应变片用特制胶水粘固在需要测量变形的物体表面上，在被测量作用下电阻丝或金属 箔片即随着物体一起变形，使电阻值发生相应变化。 2．电阻应变效应 金属导体的电阻值随其所受的机械变形而发生改变的现象称为电阻应变效应，它是应变片工作 的物理基础。 由欧姆定律得知，当电阻丝发生变形时，其长度 l 、横截面积 A、电阻率均发生变化，从而导 致电阻 R 的变化，根据金属导体电阻值的计算公式 R = l / A 可知电阻的相对变化为  d A dA l dl R dR = − + (2-1) 式中 dl l =  -电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变； dA/ A 2 rdr / r 2dr/r 2 =   = ； dr/r -电阻丝径向相对变形，或称横向应变。 由材料力学可知 = − = − l dl r dr ,式中  为电阻丝金属材料的泊桑比系数，由此可得：            ) / 2 (1 2 ) 1 2 d u d u u d R dR = + + = + + =（ + + (2-2) 令   /  1 2 d K = + u + ，则有  K0 R dR = (2-3) K0 称为电阻丝的应变灵敏系数， K0 值随着电阻丝材料不同而异，由实验得知，对大多数电阻丝而言， (a) (b) (c) 图 2-3 金属箔式应变片 (a)单轴 (b)测扭矩 (c)多轴（应变花）

K。是一个常数，可见应变片的电阻变化与应变变化成正比，在弹性变形范围内，金属电阻丝的灵敏度系数K。=1.7~3.6。3．应变片的主要特征参数（1）几何参数应变片的敏感栅的尺寸BXL,反映了应变片的有效工作面积。B为应变片的基宽，L为基长。（2）阻值应变片的电阻值（公称电阻）已标准化，有60、120、350、600、1000Q等，其中以120Q最为常用。实际使用的应变片的阻值可能存在一些偏差，因此使用前要进行分选。3）灵敏度系数应变片的灵敏系数是生产厂家通过抽样试验的方法测定的，一般包装上注明这批产品灵敏系数的平均值及其误差。（4）允许电流当应变片接入测量电路后，通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流为允许电流。在静态测量时，允许电流一般规定为25mA,动态测量时允许电流可大一些。4.电阻应变片式传感器的应用一般而言，电阻应变片式传感器有以下两种应用形式：（1）直接用来测量结构的应变或应力。即根据工程需要选择应变片，将应变片直接粘贴在被测构件的预定部位，测得部件的应变和应力，为构件的设计、强度校核提供数据。（2）将应变片粘贴在特制的或机器工作部件构成的弹性元件上，做成测量力、位移、压力、加速度等参量的传感器，首先通过弹性元件将被测量转换为元件的弹性应变，再由贴在元件上的应变片转换为电阻变化。表5-3列举了常见的不同用途的弹性元件及其计算方法。在应变片式传感器使用过程中，应注意机械滞后、蠕变、零漂、环境温度影响等问题，必要时须采取温度补偿措施，常利用电桥的加、减特性进行桥路温度补偿（见表3-1）应变片式传感器在机械量的电测中得到广泛应用。具有动态响应快、测量精度高、使用方便适应性强、工作性能可靠等优点。三、压阻式传感器一）工作原理基于单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率β发生变化的现象称为压阻效应。其电阻相对变化为-a-Ee(2-4)式中E-半导体材料的弹性模量一半导体材料的品向压阻系数α-电阻体受到的轴向应力ε一沿某晶向应变灵敏度系数为K,= dRR=0E(2-5)K，可达50~140，即半导体电阻的等效应变灵敏度系数比金属电阻丝应变灵敏度系数要高几十倍。（一）类型与特点4

4 K0 是一个常数，可见应变片的电阻变化与应变变化成正比，在弹性变形范围内，金属电阻丝的灵敏 度系数 K0 ＝1.7~3.6。 3．应变片的主要特征参数 （1）几何参数 应变片的敏感栅的尺寸 B×L,反映了应变片的有效工作面积。 B 为应变片的基 宽，L 为基长。 （2）阻值 应变片的电阻值（公称电阻）已标准化，有 60、120、350、600、1000Ω等，其中 以 120Ω最为常用。实际使用的应变片的阻值可能存在一些偏差，因此使用前要进行分选。 （3）灵敏度系数 应变片的灵敏系数是生产厂家通过抽样试验的方法测定的，一般包装上注明 这批产品灵敏系数的平均值及其误差。 （4）允许电流 当应变片接入测量电路后，通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流为允许 电流。在静态测量时，允许电流一般规定为 25mA,动态测量时允许电流可大一些。 4．电阻应变片式传感器的应用 一般而言，电阻应变片式传感器有以下两种应用形式： （1）直接用来测量结构的应变或应力。即根据工程需要选择应变片，将应变片直接粘贴在被测 构件的预定部位，测得部件的应变和应力，为构件的设计、强度校核提供数据。 （2）将应变片粘贴在特制的或机器工作部件构成的弹性元件上，做成测量力、位移、压力、加 速度等参量的传感器，首先通过弹性元件将被测量转换为元件的弹性应变，再由贴在元件上的应变片 转换为电阻变化。表 5-3 列举了常见的不同用途的弹性元件及其计算方法。 在应变片式传感器使用过程中，应注意机械滞后、蠕变、零漂、环境温度影响等问题，必要时 须采取温度补偿措施，常利用电桥的加、减特性进行桥路温度补偿（见表 3-1）。 应变片式传感器在机械量的电测中得到广泛应用。具有动态响应快、测量精度高、使用方便、 适应性强、工作性能可靠等优点。 三、压阻式传感器 （一）工作原理 基于单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率  发生变化的 现象称为压阻效应。其电阻相对变化为  E R dR =  =  (2-4) 式中 E －半导体材料的弹性模量  －半导体材料的晶向压阻系数  -电阻体受到的轴向应力  －沿某晶向应变 灵敏度系数为 E dR R KS =    / (2-5) KS 可达 50~140，即半导体电阻的等效应变灵敏度系数比金属电阻丝应变灵敏度系数要高几十倍。 (一) 类型与特点

压阻式传感器有两种类型：一类是利用硅、锗等半导体材料制成半导体式应变片，如图（2-4）所示，使用方法与金属电阻应变片相同；另一类是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，亦称扩散型压阻式传感器，常用于压力和压差测量图2-4半导体式应变片-胶膜衬底2-P-Si3-内引线4-焊接板5-外压阻式传感器的优点是：灵敏度和分辨力高，频率响应范围宽，输出幅值大，有时不需要放大器，可直接与指示器、记录器相连，使测量系统大为简化。缺点是易受环境温度的影响，须采取补偿措施。第三节电感式传感器电感式传感器是一种基于电磁感应原理把被测量的变化转换成电感量变化的装置,可用来测量位移、振动、压力、流量、密度等参数。按照变换方式的不同，电感式传感器可分为自感式、互感式（差动变压器式）和电涡流式等。一、自感式传感器（一）工作原理自感式传感器主要由线圈、衔铁和铁芯等部分组成，如图2-5所示。传感器工作时,衔铁与车被测物体相连，当衔铁随被测体一起移动时，将引起磁路中的磁阻发生相应的变化,从而导致线U圈电感的变化。因此,只要能测出这种电感的变图2.5自感式传感器基本原理化.就能确定被测体位移量的大小和方向1-线圈 2-铁芯3-衔铁由电工学可知，自感式传感器的电感为L=W.Wlo.(2-6)Rm28式中W-一线圈匝数Rm—磁路总磁阻8--气隙长度Mo空气的导磁率（H/m）A--气隙截面积由于传感器线圈匝数W、Ho、Ag均为常数,因此传感器的灵敏度S为5

5 压阻式传感器有两种类型：一类是利用硅、锗等半导体材料制成半导体式应变片，如图（2-4） 所示，使用方法与金属电阻应变片相同；另一类是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成扩散 电阻，作为测量传感元件，亦称扩散型压阻式传感器，常用于压力和压差测量。 压阻式传感器的优点是：灵敏度和分辨力高，频率响应范围宽，输出幅值大，有时不需要放大 器，可直接与指示器、记录器相连，使测量系统大为简化。缺点是易受环境温度的影响，须采取补偿 措施。 第三节 电感式传感器 电感式传感器是一种基于电磁感应原理把被测量的变化转换成电感量变化的装置,可用来测量位 移、振动、压力、流量、密度等参数。 按照变换方式的不同,电感式传感器可分为自感式、互感式（差动变压器式）和电涡流式等。 一、 自感式传感器 （一） 工作原理 自感式传感器主要由线圈、衔铁和铁芯等部 分组成，如图 2-5 所示。传感器工作时,衔铁与 被测物体相连,当衔铁随被测体一起移动时，将 引起磁路中的磁阻发生相应的变化,从而导致线 圈电感的变化。因此,只要能测出这种电感的变 化,就能确定被测体位移量的大小和方向。 由电工学可知，自感式传感器的电感为   2 0 0 2 2 W A R W L m = = （2－6） 式中 W -线圈匝数 Rm -磁路总磁阻  -气隙长度  0 -空气的导磁率（H/m） A0 -气隙截面积 由于传感器线圈匝数 W 、  0、 A0 均为常数,因此传感器的灵敏度 S 为 图 2-5 自感式传感器基本原理 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 图 2-4 半导体式应变片 1-胶膜衬底 2-P−Si 3-内引线 4-焊接板 5-外引线

dLuAr(2-7)ds282式（2-6），（2-7）表明，电感L与气隙8成反比，灵敏度S与8”成反比：越小，灵敏度越高，故适宜测量小位移。为了减小非线性误差，通常规定在较小间隙变化范围内工作，一般允许A8/8≤0.1~0.2,测量范围为0.001~1mm。有时为了提高灵敏度和线性度，可采用差动变磁阻（变隙）型式。如图2-6所示。（二）自感式传感器的典型应用图2-6列出了几种常用自感式传感器的典型结构。图（a）是可变导磁面积型，其自感L与导磁面积A。成线性关系，但这种传感器灵敏度比较低：图（b）是差动型，衔铁位移时，可以使两个线圈的间隙分别按8.十△8、8一A8变化，即一个线圈的电感增加，而另一个线圈的电感减小。若将丙线圈接入电桥的相邻臂，由于电桥的加、减特性，其电桥的输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性度图（c）是单螺线管式，传感器工作时，活动衔铁随被测体同步移动，从而改变磁阻，使线圈电感发生变化。这种传感器的优点是结构简单，便于制造，线性度好，可用于较大位移（数毫米）测量：其缺点是灵敏度低；图（d）是双螺线管差动型，其灵敏度和线性度均优于单螺线管型，用于位移测量，这种传感器的后续调理电路一般为电桥电路AA真：th(a)Lc(d)2-6自感式传感器典型结构图(c)单螺线管型(a)可变导磁面积型(b)差动变隙式(d)双螺线管差动型二、互感式传感器（差动变压器）把被测量的变化转换为线圈互感量变化的传感器称互感式传感器，又称差动变压器。（一）工作原理互感式传感器的结构及工作原理如图2-7(a)(b)所示，由初级线圈團进与两个参数完全相同的次级线圈W、W,及插入的可移动铁芯P组成01两个次级线圈反极性串联。当初级线圈W输入交流电压时(c在次级线圈W、W,中分别产生感应图2-7互感式传感器工作原理(a）结构示意图(c)输出特性b）原理！

6 2 0 0 2  2 W u A d dL S＝ = − (2-7) 式（2-6），（2-7）表明，电感 L 与气隙  成反比，灵敏度 S 与 2  成反比；  越小，灵敏度越 高，故适宜测量小位移。为了减小非线性误差，通常规定在较小间隙变化范围内工作，一般允许   /  ≤0.1～0.2,测量范围为 0.001～1mm。有时为了提高灵敏度和线性度，可采用差动变磁阻（变 隙）型式。如图 2-6 所示。 （二）自感式传感器的典型应用 图 2-6 列出了几种常用自感式传感器的典型结构。图（a）是可变导磁面积型，其自感 L 与导磁 面积 A0 成线性关系，但这种传感器灵敏度比较低；图（b）是差动型，衔铁位移时，可以使两个线圈 的间隙分别按  0＋   、 0－  变化，即一个线圈的电感增加，而另一个线圈的电感减小。若将两 线圈接入电桥的相邻臂，由于电桥的加、减特性，其电桥的输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性度； 图（c）是单螺线管式，传感器工作时，活动衔铁随被测体同步移动，从而改变磁阻，使线圈电感发 生变化。这种传感器的优点是结构简单，便于制造，线性度好，可用于较大位移（数毫米）测量；其 缺点是灵敏度低；图（d） 是双螺线管差动型，其灵敏度和线性度均优于单螺线管型，用于位移测量， 这种传感器的后续调理电路一般为电桥电路。 二、互感式传感器（差动变压器） 把被测量的变化转换为线圈互感量变化的传感器称互感式传感器，又称差动变压器。 （一）工作原理 互感式传感器的结构及工作原理 如图 2－7(a)(b)所示，由初级线圈 W 与两个参数完全相同的次级线圈 W1、W2 及插入的可移动铁芯 P 组成, 两个次级线圈反极性串联。 当初级线圈 W 输入交流电压时, 在次级线圈 W1、W2 中分别产生感应 (a) (b) (c) 图 2-7 互感式传感器工作原理 （a）结构示意图 （b）原理图 (c)输出特性 (a) (b) (c) (d) 2－6 自感式传感器典型结构图 (a)可变导磁面积型 (b)差动变隙式 (c)单螺线管型 (d)双螺线管差动型

电势e,和e,，其大小与铁芯在线圈中的位置有关。当铁芯在中心位置时，e,=e，输出电压e=e,-e=0:当铁芯随被测量向上移动时,e>e :向下运动时,eie,，随着铁芯偏离中心位置，e.逐渐增大，其理想输出特性如图2-7(c)所示。以上分析表明，互感式传感器输出的交流电压，经解调和滤波后其幅值的大小与铁芯偏离中心的位移成正比，既能反映铁芯位移的大小，又能反映移动的方向。其次，当铁芯处于中间位置时，两次级线圈的产生的感应电势应该大小相等、方向相反，其输出电压应为零，而实际上仍有不平衡交流电压输出，称为“零点残余电压”。这是因为两个次级线圈结构不可能完全对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材料不均匀、线圈间分布电容等原因造成的。零点残余电压一般为零点几毫伏至几十毫伏这使传感器的精度、线性度受到不利影响，可采取补偿措施减小或消除互感式传感器的检测电路一般是即能补偿零点残余电压，又能反映铁芯位移大小和极性的差动整流输出电路。（二）测量电路位移测量是电感式传感器最主要的用途，一般用于接触式位移测量，如图2-8所示为电感测微仪原理方框图相敏检液T放大器测微仪原理框图在初始测量状态，铁芯处于中间位置，调节电阻R实现零位调节，使零点残余电压减小直至为零；当铁芯随被测物理量上、下移动时，其输出电压经交流放大、相敏检波、低通滤波后得到直流输出，由表头指示被测位移量的大小和方向。互感式传感器已经形成系列化产品，从±10mm至土500mm共10个量程。其特点是测量范围大，非线性失真小，结构简单，使用方便，稳定性好，被广泛用于直线位移，或可转换为位移变化的压力重力等参数的测量。三、电涡流式传感器（一）工作原理电涡流式传感器是利用电涡流效应，将被测量转换为阻抗变化（或电感的变化或线圈的品质因数Q值的变化）的传感器图2-9为电涡流式传感器的原理图，它由线圈和被测导体组成。当传感器线圈通以交变电流时，线圈周围空间就产生一个交变磁场H，当被测导体置于该磁场范围之内，便产生电涡流i2，根据楞次

7 电势 1 2 e 和e ,其大小与铁芯在线圈中的位置有关。当铁芯在中心位置时, 1 2 e = e ,输出电压 e0 = e1 − e2 = 0 ;当铁芯随被测量向上移动时, 1 e > 2 e ;向下运动时, 1 e < 2 e ,随着铁芯偏离中心位置， 0 e 逐渐增大，其理想输出特性如图 2-7(c)所示。 以上分析表明，互感式传感器输出的交流电压，经解调和滤波后其幅值的大小与铁芯偏离中心 的位移成正比,既能反映铁芯位移的大小，又能反映移动的方向。其次，当铁芯处于中间位置时，两 次级线圈的产生的感应电势应该大小相等、方向相反，其输出电压应为零，而实际上仍有不平衡交流 电压输出，称为“零点残余电压”。这是因为两个次级线圈结构不可能完全对称，以及初级线圈铜损 电阻、铁磁材料不均匀、线圈间分布电容等原因造成的。零点残余电压一般为零点几毫伏至几十毫伏。 这使传感器的精度、线性度受到不利影响,可采取补偿措施减小或消除。 互感式传感器的检测电路一般是即能补偿零点残余电压，又能反映铁芯位移大小和极性的差动 整流输出电路。 （二）测量电路 位移测量是电感式传感器最主要的用途,一般用于接触式位移测量，如图 2-8 所示为电感测微仪 原理方框图。 在初始测量状态，铁芯处于中间位置，调节电阻 R 实现零位调节，使零点残余电压减小直至为 零；当铁芯随被测物理量上、下移动时，其输出电压经交流放大、相敏检波、低通滤波后得到直流输 出，由表头指示被测位移量的大小和方向。 互感式传感器已经形成系列化产品，从±10mm 至±500mm 共 10 个量程。其特点是测量范围大， 非线性失真小，结构简单，使用方便，稳定性好，被广泛用于直线位移，或可转换为位移变化的压力、 重力等参数的测量。 三、电涡流式传感器 （一） 工作原理 电涡流式传感器是利用电涡流效应,将被测量转换为阻抗变化（或电感的变化或线圈的品质因数 Q 值的变化）的传感器。 图 2-9 为电涡流式传感器的原理图,它由线圈和被测导体组成。当传感器线圈通以交变电流 1 i 时, 线圈周围空间就产生一个交变磁场 H1 ,当被测导体置于该磁场范围之内,便产生电涡流 2 i ,根据楞次 图 2－8 电感测微仪原理框图

定律，电涡流i,也将产生一个交变的磁场H，，H与H,方向相反,涡流磁场将使原线圈的电感量、抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电阻率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈至被测导体间的距离有关。如果改变上述参数中的一个参数，而其它参数不变，即可实现对该参数的测量。例如，改变线圈与导体之间的距离可作图2-9电涡流式传感器基为位移、振动测量；在高速旋转机械中，测量旋转轴的轴向位移和径向振动以及加工零部件的表面粗糙度等。改变电阻率和磁导率可作为材质鉴别或无损探伤等。（二）测量电路电涡流式传感器可以实现非接触测量，具有结构简单、频率响应宽，灵敏度高、测量线性范围大等特点，因此，涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等在机械、治金等部门广泛使用电涡流式传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路（图2-10）及调频电路（图2-11）两种在图2-10中，传感器线圈L和电容C组成并联谐振回路，其谐振频率随间隙8大小而改变。振荡器提供稳定的高频信号电源，当上述谐振回路的谐振频率与该电源频率。相同时，输出电压e最大。测量时传感器线圈阻抗随间隙8而改变，LC回路谐振频率变成f，f2，，和电源频率失谐，输出信号e的频率虽然仍为振荡器的工作频率。，但幅值随8而变化，经放大、检波、滤波后，即可以得到间隙8变化的信息。一炭菇器做大#L+丰2-10涡流传感器的分压式调幅电路原理在图2-11所示的调频电路中，也是把传感器线圈接入LC振荡回路，以回路的谐振频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离8发生变化时，将引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率f发生变化，再经过鉴频器进行频率-电压（F/V），即可得到与成比例的输出电压

8 定律，电涡流 2 i 也将产生一个交变的磁场 H2 ， H2 与 H1 方向相反,涡流磁场将使原线圈的电感量、阻 抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何 形状、电阻率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频 率以及线圈至被测导体间的距离有关。如果改变上述 参数中的一个参数,而其它参数不变,即可实现对该 参数的测量。例如，改变线圈与导体之间的距离可作 为位移、振动测量；在高速旋转机械中,测量旋转轴 的轴向位移和径向振动以及加工零部件的表面粗糙度等。改变电阻率和磁导率可作为材质鉴别或无损 探伤等。 （二）测量电路 电涡流式传感器可以实现非接触测量,具有结构简单、频率响应宽,灵敏度高、测量线性范围大等 特点,因此，涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等在机械、冶金等部门广泛使用。 电涡流式传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路（图 2-10）及调频电路（图 2-11）两种。 在图 2-10 中，传感器线圈 L 和电容 C 组成并联谐振回路，其谐振频率 f 随间隙  大小而改变。 振荡器提供稳定的高频信号电源，当上述谐振回路的谐振频率与该电源频率 0 f 相同时，输出电压 e 最 大。测量时传感器线圈阻抗随间隙  而改变， LC 回路谐振频率变成 , , , f 1 f 2  和电源频率失谐，输 出信号 e 的频率虽然仍为振荡器的工作频率 0 f ,但幅值随  而变化，经放大、检波、滤波后，即可以 得到间隙  变化的信息。 在图 2-11 所示的调频电路中，也是把传感器线圈接入 LC 振荡回路，以回路的谐振频率作为输 出量。当金属板至传感器之间的距离  发生变化时，将引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率 f 发生变化，再经过鉴频器进行频率-电压（ F /V ）,即可得到与  成比例的输出电压。 2-10 涡流传感器的分压式调幅电路原理 图 2-9 电涡流式传感器基本原理

高频报病导2-11 调频电路图2-12是电涡流传感器的工程应用实例示意图。图（a）是径向测量；图（b）是轴心轨迹测量；图（c）是转速测量：图（d）是穿透式测厚：图（e）是零件计数：图（f）是表面裂纹测量(a)径向转速测量（6）是辅心第四节电容式传感器电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的测量装置，可用于线位移、角位移、液位压力、振动、加速度等非电量的测量。一、工作原理和主要类型由物理学知，两个相互绝缘的平行金属板组成的平板电容器的电容量为C-SE-4(2-8)式中C--电容量（F）8,---极板间介质的相对介电系数：8。--真空的介电常数，60=8.85×10-12F/m；A---两平行板相互覆盖面积（m2）；8---两平行板间距离（m）：由式（2-8）可知，若被测非电量的变化使8,A,s,三个参量中任何一个发生变化，都会引起电容量的变化：通过测量电路就可转换为电信号输出。因此，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种类型。（一）极距变化型电容式传感器

9 图 2-12 是电涡流传感器的工程应用实例示意图。图（a）是径向测量；图（b）是轴心轨迹测量； 图（c）是转速测量；图（d）是穿透式测厚；图（e）是零件计数；图（f）是表面裂纹测量。 第四节 电容式传感器 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的测量装置，可用于线位移、角位移、液位、 压力、振动、加速度等非电量的测量。 一、工作原理和主要类型 由物理学知,两个相互绝缘的平行金属板组成的平板电容器的电容量为    A C r  = 0 （2-8） 式中 C-电容量 （F）  r -极板间介质的相对介电系数；  0 -真空的介电常数,  0 12 = 88510− . F / m ； A -两平行板相互覆盖面积（ m 2 ）；  -两平行板间距离（ m ）； 由式（2-8）可知,若被测非电量的变化使 A r , , 三个参量中任何一个发生变化,都会引起电容量 的变化;通过测量电路就可转换为电信号输出。因此,电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和 介质变化型三种类型。 （一）极距变化型电容式传感器 2-11 调频电路 图 2-12 涡流传感器的工程应用实例 (a)径向振摆测量 (b) 是轴心轨迹测量 (c) 转速测量 (d) 穿透式测厚 (e) 零件计数 (f) 表面裂纹测量

图2-13为原理及特性曲线图，它是把极距的变化转换成电容变化的变极距式电容传感器，图2-13极距变化型电容传感器及输出特性根据式（2-8），其灵敏度为dcS=(2-9)-60A式（2-9）表明：灵敏度S与极距S的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，所以极距变化较大时存在非线性误差，为减小此误差，电容式传感器只有在△8/8.很小（小测量范围）时，才有近似的线性输出：一般取极距变化范围为^6/8≤0.1。为了提高其灵敏度、线性度及测量范围，通常将电容式传感器做成差动式。（二）面积变化型电容式传感器图（2-14）为面积变化型电容传感器的原理图。它与极距变化型不同的是，被测量通过动极板的移动而引起两极板有效覆盖面积A的改变，从而将被测量转换成电容量的变化。根据式（2-8），其灵敏度dc_6,6(2-10)JA式（2-10）表明；此类传感器的灵敏度是常数，输出与输入变化成线性关系。常用的有角位移型（图2-14a）与线位移型（图2-14b,c）图2-14面积变换型电容传感器(a）角位移型(c)柱体线位移型(b)平面线位移型（三）介质变化型不同介质的介电系数不同，改变两极板间的介质，它们之间的介电系数就会发生变化，电容量

10 图 2-13 为原理及特性曲线图，它是把极距的变化转换成电容变化的变极距式电容传感器， 根据式（2-8）,其灵敏度为 0 2 1    A d dC S＝ = − (2-9) 式（2-9）表明；灵敏度 S 与极距  的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，所以极距变化较大时， 存在非线性误差，为减小此误差，电容式传感器只有在 0  / 很小（小测量范围）时,才有近似的线 性输出;一般取极距变化范围为 0  /  0.1。 为了提高其灵敏度、线性度及测量范围，通常将电容式传感器做成差动式。 （二）面积变化型电容式传感器 图（2-14）为面积变化型电容传感器的原理图。它与极距变化型不同的是,被测量通过动极板的 移动而引起两极板有效覆盖面积 A 的改变,从而将被测量转换成电容量的变化。 根据式（2-8）,其灵敏度   r 0 dA dC S＝ = （2-10） 式（2-10）表明；此类传感器的灵敏度是常数，输出与输入变化成线性关系。常用的有角位移型（图 2-14a）与线位移型（图 2-14b,c）。 （三）介质变化型 不同介质的介电系数不同，改变两极板间的介质，它们之间的介电系数就会发生变化，电容量 图 2-13 极距变化型电容传感器及输出特性 (a) (b) (c) 图 2-14 面积变换型电容传感器 (a) 角位移型 (b)平面线位移型 (c)柱体线位移型