第三章 常用传感器一、知识要点及要求(1)掌握常用传感器的分类方法；(2)掌握常用传感器的变换原理；(3)了解常用传感器的主要特点及应用。

二、重点内容及难点(一)传感器的定义、作用与分类1、定义：工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。

2、作用：传感器的作用就是将被测量转换为与之相对应的、容易检测、传输或处理的信号。

3、分类：传感器的分类方法很多，主要的分类方法有以下几种：(1)按被测量分类，可分为位移传感器、力传感器、温度传感器等；(2)按传感器的工作原理分类，可分为机械式、电气式、光学式、流体式等；(3)按信号变换特征分类，可概括分为物性型和结构型；(4)根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，可分为能量转换型与能量控制型；(5)按输出信号分类，可分为模拟型和数字型。

(二)电阻式传感器1、分类：变阻式传感器和电阻应变式传感器。

而电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片两类。

2、金属电阻应变片式的工作原理：基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。

金属电阻应变片式的的灵敏度v S g 21+=。

3、半导体电阻应变片式的工作原理：基于半导体材料的电阻率的变化引起的电阻的变化。

半导体电阻应变片式的的灵敏度E S g λ=。

(三)电感式传感器1、分类：按照变换原理的不同电感式传感器可分为自感型与互感型。

其中自感型主要包括可变磁阻式和涡电流式。

2、涡电流式传感器的工作原理：是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。

(四)电容式传感器1、分类：电容式传感器根据电容器变化的参数，可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。

2、极距变化型：灵敏度为201δεεδA d dC S -==，可以看出，灵敏度S 与极距平方成反比，极距越小灵敏度越高。

显然，由于灵敏度随极距而变化，这将引起非线性误差。

3、面积变化型：灵敏度为常数，其输出与输入成线性关系。

但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角速度的测量。

4、介质变化型：可用来测量电介质的液位或某些材料的厚度、湿度和温度等；也可用于测量空气的湿度。

(五)压电式传感器1、压电传感器的工作原理是压电效应。

压电效应是指某些物质，如石英、鈦酸钡、鎬鈦酸铅等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料重新回复到原来状态，这种现象称为压电效应。

三、习题解答习题3-2 试举出你所熟悉的五种传感器，并说明它们的变换原理。

解：涡电流式、热电偶式、压电式、差动变压器式、半导体应变片。

习题3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况来选用？解：电阻丝应变片主要利用导体形变引起电阻的变化，而半导体应变片主要利用半导体电阻率的变化引起电阻的变化。

电阻丝应变片主要优点是性能稳定，线性较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。

半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散度大、非线性大。

选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。

习题3-4 有一电阻应变片（见图3-84），其灵敏度S g＝2，R＝120Ω。

设工作时其应变为1000με，问∆R＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？1.5V图3-84 题3-4图解：根据应变效应表达式∆R/R=S gε得∆R=S gε R=2⨯1000⨯10-6⨯120=0.24Ω(1)I1=1.5/R=1.5/120=0.0125A=12.5mA(2)I2=1.5/(R+∆R)=1.5/(120+0.24)≈0.012475A=12.475mA(3)δ=(I2-I1)/I1⨯100%=0.2%(4)电流变化量太小，很难从电流表中读出。

如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量12.5mA的电流；如果采用毫安表，无法分辨0.025mA的电流变化。

一般需要电桥来测量，将无应变时的零位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。

习题3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取这些措施会带来什么样后果？解：以气隙变化式为例进行分析。

20022N A dL S d μδδ==- 又因为线圈阻抗Z =ωL ，所以灵敏度又可写成20022N A dZ S d μωδδ==- 由上式可见，灵敏度与磁路横截面积A 0、线圈匝数N 、电源角频率ω、铁芯磁导率μ0，气隙δ等有关。

如果加大磁路横截面积A 0、线圈匝数N 、电源角频率ω、铁芯磁导率μ0，减小气隙δ，都可提高灵敏度。

加大磁路横截面积A 0、线圈匝数N 会增大传感器尺寸，重量增加，并影响到动态特性；减小气隙δ会增大非线性。

习题3-6 电容式、电感式、电阻应变式传感器的测量电路有何异同？举例说明。

习题3-7 一个电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r ＝4mm ，工作初始间隙δ=0.3mm ，问：1）工作时，如果传感器与工件的间隙变化量∆δ＝±1μm 时，电容变化量是多少？2）如果测量电路的灵敏度S 1=100mV/pF ，读数仪表的灵敏度S 2=5格/mV ，在∆δ＝±1μm 时，读数仪表的指示值变化多少格？ 解：因为电容式传感器00δεεA C = 所以，电容的变化量 δδεε∆-=∆2001A C又电容极板面积 ][)104(2232m r A -⨯==ππ ][1085.820m F -⨯=ε在空气中1=ε，初始间隙 ][103.030m -⨯=δ，所以，电容的变化量][1094.4)101()103.0()104(1085.836232312PF C -----⨯±=⨯±⨯⨯⨯⨯⨯-=∆π传感器的灵敏度 )(1094.43m PF c S μδ-⨯=∆∆= 仪表指示的变化范围 ][47.251001094.413格±=⨯⨯⨯⨯±=-B习题3-8 把一个变阻器式传感器按图3-85接线。

它的输入量是什么？输出量是什么？在什么样条件下它的输出量与输入量之间有较好的线性关系？解：输入量是电刷相对电阻元件的位移x ，输出量为电刷到端点电阻R x 。

如果接入分压式测量电路，则输出量可以认为是电压u o 。

x p l px R R k x x x ==∝，输出电阻与输入位移成线性关系。

e e o (1)1(1)p p p p L p L p px u x u u x R R x x x x R x R x x ==+-+-，输出电压与输入位移成非线性关系。

由上式可见，只有当R p /R L →0时，才有o e px u u x x =∝。

所以要求后续测量仪表的输入阻抗R L 要远大于变阻器式传感器的电阻R p ，只有这样才能使输出电压和输入位移有较好的线性关系。

习题3-9 试按接触式与非接触式区分传感器，列出它们的名称、变换原理，用在何处？ 解：接触式：变阻器式、电阻应变式、电感式（涡流式除外）、电容式、磁电式、压电式、热电式、广线式、热敏电阻、气敏、湿敏等传感器。

非接触式：涡电流式、光电式、热释电式、霍尔式、固态图像传感器等。

可以实现非接触测量的是：电容式、光纤式等传感器。

习题3-10 欲测量液体压力，拟采用电容式、电感式、电阻应变式和压电式传感器，请绘出可行方案原理图，并作比较。

解： 参考课本P248常用压力传感器。

习题3-11 一压电式压力传感器的灵敏度S =90pC/MPa ，把它和一台灵敏度调到0.005V/pC 的电荷放大器连接，放大器的输出又接到一灵敏度已调到20mm/V 的光线示波器上记录，试绘出这个测试系统的框图，并计算其总的灵敏度。

解：框图如下图3-85 题3-8图各装置串联，如果忽略负载效应，则总灵敏度S等于各装置灵敏度相乘，即S=∆x/∆P=90⨯0.005⨯20=9mm/MPa。

习题3-14 试说明压电式加速度计、超声换能器、声发射传感器之间的异同点。

解：相同点：都是利用材料的压电效应（正压电效应或逆压电效应）。

不同点：压电式加速度计利用正压电效应，通过惯性质量快将振动加速度转换成力作用于压电元件，产生电荷。

超声波换能器用于电能和机械能的相互转换。

利用正、逆压电效应。

利用逆压电效应可用于清洗、焊接等。

声发射传感器是基于晶体组件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号的换能设备，所有又常被人们称为声发射换能器或者声发射探头。

材料结构受外力或内力作用产生位错-滑移-微裂纹形成-裂纹扩展-断裂，以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射。

声发射传感器不同于加速度传感器，它受应力波作用时靠压电晶片自身的谐振变形把被检试件表面振动物理量转化为电量输出。

习题3-15 有一批涡轮机叶片，需要检测是否有裂纹，请举出两种以上方法，并阐明所用传感器的工作原理。

解：涡电流传感器，声发射传感器（压电式），霍尔元件等。

习题3-19 在轧钢过程中，需监测薄板的厚度，宜采用那种传感器？说明其原理。

解：差动变压器、涡电流式、电容式等。