1、西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院4 模擬量位移傳感器及其測量原理模擬量位移傳感器及其測量原理本章學習要求：本章學習要求：1 1）了解模擬量位移傳感器的分類）了解模擬量位移傳感器的分類 2 2）掌握常用模擬量位移傳感器測量原理）掌握常用模擬量位移傳感器測量原理3 3）了解傳感器測量電路）了解傳感器測量電路工程測試技術基礎工程測試技術基礎西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院4.1.1 4.1.1 位移測量基本概念和分類位移測量基本概念和分類位移：指物體上某一點在一定方向上的位置變動，既有大小也有方向位移測量力壓力扭矩應變速度 加速度 溫度厚度距離2）數字式測量方法：光柵、脈沖編碼器、感

2、應同步器等1）模擬式測量方法：電阻式、電感式、電容式、電渦流式、光電式等4.14.1位移測試概述位移測試概述西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院4.1.2 4.1.2 傳感器概述傳感器概述1 1）傳感器定義）傳感器定義指能感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換指能感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置。（廣意的）成可用信號的器件或裝置。（廣意的）如如熱電偶熱電偶可以測炙熱物體的溫度；可以測炙熱物體的溫度； 超聲波探測器超聲波探測器測海水深度；測海水深度； 紅外遙感器紅外遙感器從高空測地面植被和污染情況；從高空測地面植被和污染情況；西安工業大學機電學院西安工業大學機電學

3、院物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號，目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號，狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號按一狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號按一定規律轉換成電信號的裝置。定規律轉換成電信號的裝置。力位移溫度西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院傳感器信號調理信號調理及處理及處理微處理器AD被測信號被測信號整形整形放大放大濾波濾波傳感器系統傳感器是傳感器系統的一個組成部分，是被測信傳感器是傳感器系統的一個組成部分，是被測信號輸入的第一個關口號輸入的第一個關口西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院傳感器由傳感器由敏感器件敏感器件與與轉換器件轉換器件組成。

4、組成。 敏感器件能直接感受（響應）被測量的部分；敏感器件能直接感受（響應）被測量的部分； 轉換器件傳感器中能將敏感元件感受的被測量轉換器件傳感器中能將敏感元件感受的被測量轉換成能傳輸或測量的電信號的部分。轉換成能傳輸或測量的電信號的部分。2 2）傳感器的構成）傳感器的構成V西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院3 3） 傳感器的分類傳感器的分類 用途（被測物理量）用途（被測物理量） 轉換原理（傳感器工作的基本物理和化學效轉換原理（傳感器工作的基本物理和化學效應）應） 輸出信號類型輸出信號類型 制作材料和工藝制作材料和工藝 其他（如敏感元件與被測量的能量關系、信其他（如敏感元件與被測量的能量關

5、系、信號變換特性等）號變換特性等）西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院用途（被測物理量）用途（被測物理量）位置傳感器液面傳感器速度傳感器加速度傳感器振動傳感器熱敏傳感器濕敏傳感器氣敏傳感器生物傳感器真空度傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院轉換原理轉換原理利用物理效應和化學效應，即使被測量是微小量都可以轉利用物理效應和化學效應，即使被測量是微小量都可以轉換為電信號換為電信號傳感器品種傳感器品種工作原理工作原理可被測量可被測量熱敏電阻、半導熱敏電阻、半導體傳感器體傳感器阻值變化阻值變化力、重量、壓力、加速度、溫度、濕力、重量、壓力、加速度、溫度、濕度度電容傳感器電容傳感器電容量變化

6、電容量變化力、重量、壓力、加速度、液面、濕力、重量、壓力、加速度、液面、濕度度電感傳感器電感傳感器電感量變化電感量變化力、重量、壓力、加速度、轉矩、磁力、重量、壓力、加速度、轉矩、磁場場霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾效應霍爾效應角度、力、磁場角度、力、磁場壓電傳感器、壓電傳感器、壓電效應壓電效應壓力、加速度、距離壓力、加速度、距離熱電傳感器熱電傳感器熱電效應熱電效應煙霧、明火、熱分布煙霧、明火、熱分布光電傳感器光電傳感器光電效應光電效應輻射、角度、旋轉角、位移、轉矩輻射、角度、旋轉角、位移、轉矩西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院輸出信號類型輸出信號類型 模擬傳感器模擬傳感器將被測量的非電學量轉

7、換為模擬將被測量的非電學量轉換為模擬信號；信號； 數字傳感器數字傳感器將被測量的非電學量轉換成數將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號；字輸出信號； 開關傳感器開關傳感器當一個被測量達到某個特定的當一個被測量達到某個特定的確定值時，傳感器相應地輸出一個低電平或高確定值時，傳感器相應地輸出一個低電平或高電平信號電平信號西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院制作材料和工藝制作材料和工藝所用材料的類別所用材料的類別金屬、聚合物、陶瓷金屬、聚合物、陶瓷等等材料的物理性質材料的物理性質導體、半導體、磁性材料導體、半導體、磁性材料等等制造工藝制造工藝集成傳感器、薄膜傳感器、陶瓷傳集成傳感器、薄膜傳感器、陶

8、瓷傳感器等感器等西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院其他（按敏感元件與被測量之間的能量關系）其他（按敏感元件與被測量之間的能量關系）能量轉換型能量轉換型: :直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,彈性壓力計（波登管、膜片等）彈性壓力計（波登管、膜片等）. . 能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測量控制外部從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. . 例如例如: :電阻應變片電阻應變片. .V西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院6.2.2 6.2.2 變阻器式傳感器（電位器式傳感

9、器）變阻器式傳感器（電位器式傳感器）將位移變化轉換為電位器式傳感器阻值的變化AlR/4.2 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器, , 按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :變阻器式、電阻應變式、熱敏式、變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、電敏式光敏式、電敏式.4.2.1 變阻器式傳感器（電位計（器）式傳感器）變阻器式傳感器（電位計（器）式傳感器）線圈骨架滑動觸頭西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院1 1）等效電路分析）等效電路分析: :L-L-變阻器總長變阻器總長; ;x-x-電刷移動量電

10、刷移動量. .xkRlC點與A點電阻：xLACB靈敏度：lkdxdRSRl-單位長度電阻值單位長度電阻值傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關系傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關系西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院uoRxR-RxuykxxkRuRRuulxy00空載特性空載特性西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院1UoUy xLRLR+ +Lx()-負載特性負載特性(其后接電路一般采用電阻分壓電路其后接電路一般采用電阻分壓電路,將電參量將電參量R轉換為電壓輸出轉換為電壓輸出給后續電路。給后續電路。)表明經過后續電路后，其實際輸出、輸入為非線性關系，為表明經過后續電路后，

11、其實際輸出、輸入為非線性關系，為減小后接電路的影響，一般減小后接電路的影響，一般R RL LRR，則近似為線性。，則近似為線性。UoRLRxR-RxUyxLRRLxx西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院2 2）分類）分類單圈電位器單圈電位器（一般用于音量控制（一般用于音量控制) )多圈電位器多圈電位器（精密調節電路中（精密調節電路中) )直線滑動式電位器直線滑動式電位器( (一般用于電視機、音響中作音量一般用于電視機、音響中作音量控制或均衡控制控制或均衡控制) ) 西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院3）優點：）優點：結構簡單，性能穩定；結構簡單，性能穩定；受環境溫度影響小；受環境溫度

12、影響小；缺點缺點:受骨架尺寸和導線直徑限制，分辨率很難高于受骨架尺寸和導線直徑限制，分辨率很難高于20um；磨損影響使用壽命，有較大噪聲，降低可靠性，繞制困磨損影響使用壽命，有較大噪聲，降低可靠性，繞制困難難應用：應用：主要用來測量線位移、角位移等。主要用來測量線位移、角位移等。西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院基于金屬導體的基于金屬導體的應變效應應變效應：即金屬導體在外力作：即金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變用下發生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發生變化的現象。的變化而發生變化的現象。 1)金屬電阻應變片金屬電阻

13、應變片4.2.2 4.2.2 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器-應變片應變片金屬電阻應變片金屬電阻應變片半導體應變片半導體應變片測量應變、力、位移、加速度等參數測量應變、力、位移、加速度等參數西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院工作原理工作原理金屬應變片的電阻金屬應變片的電阻R R為為AlR/dAldAAldlAdR+2電阻絲截面積電阻絲長度電阻率Al代入代入AlR/dRAdARldlRdR+時，電阻增量為：每一可變因素有一增量ddAdl,西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院dAdAldlRdR+電阻的相對變化為：電阻的相對變化為：金屬絲：金屬絲：2rAdrdrldlRdR+2金屬絲體

14、積不變：金屬絲體積不變：ldlrdr電阻絲橫向應變:rdr電阻絲縱向應變，即:ldlldlrdr/,:即泊松比系數西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院對金屬材料，電阻率不變或很小，即對金屬材料，電阻率不變或很小，即)21(+RdR0d表明電阻相對變化率與應變成正比，比值表明電阻相對變化率與應變成正比，比值S稱應變系數或靈稱應變系數或靈敏度，即：敏度，即：常數+21/ldlRdRS（取值一般在（取值一般在1.73.6）有：有：dRdR+2單位應變所引起的電阻相對變化率單位應變所引起的電阻相對變化率西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院應變計結構（由高電阻率的金屬絲繞成敏感柵，與基底、結構（

15、由高電阻率的金屬絲繞成敏感柵，與基底、覆蓋層和引線等組成。）覆蓋層和引線等組成。）西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院分絲式和箔式，有單軸，多軸（應變花)等多種類型 應變片阻值一般有應變片阻值一般有6060、9090、120120、200200、300300、500500、10001000等。等。西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院2）半導體應變片）半導體應變片dRdR+)21 (簡化為：簡化為：EdRdR基于半導體材料的基于半導體材料的壓阻效應壓阻效應：半導體材料沿某一軸向受到：半導體材料沿某一軸向受到外力作用時，電阻率發生變化。（或者溫度、光輻射）外力作用時，電阻率發生變化。（或者

16、溫度、光輻射）對半導體來說，對半導體來說， 由幾何尺寸引起，由幾何尺寸引起，)21 ( +)21 ( +d彈性模量壓阻系數；E西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院 優點：靈敏度高優點：靈敏度高; ;體積小體積小; ; 缺點：溫度穩定性和可重復性不如金屬應變片。缺點：溫度穩定性和可重復性不如金屬應變片。靈敏度：靈敏度：故靈敏度高其中：,21/+EERdRS金屬絲電阻應變片金屬絲電阻應變片利用導體形變引起電阻變化；利用導體形變引起電阻變化；半導體應變片半導體應變片利用半導體材料的電阻率變化引起電阻利用半導體材料的電阻率變化引起電阻變化。變化。（是金屬絲靈敏度的5070倍）西安工業大學機電學院西

17、安工業大學機電學院2 2、應變片的主要參數、應變片的主要參數 （4 4）其它表示應變片性能的參數（）其它表示應變片性能的參數（工作溫度、滯工作溫度、滯后、疲勞壽命、橫向靈敏度后、疲勞壽命、橫向靈敏度等）。等）。 （1 1）幾何參數幾何參數：絲柵寬度：絲柵寬度b b和表距和表距L L，常用，常用 b bL L表表示。示。（2 2）電阻值：電阻值：應變計的原始電阻值。應變計的原始電阻值。 （3 3）靈敏系數：靈敏系數：表示應變片變換性能的重要參數。表示應變片變換性能的重要參數。 西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院3、應變片測量電路應變片測量電路VER1R2R4R3采用轉換電路把電阻的變化轉換

18、為電壓或電流的變采用轉換電路把電阻的變化轉換為電壓或電流的變化，這種電路稱為化，這種電路稱為測量電路。測量電路。常用為常用為電橋電橋（直流和（直流和交流）交流）西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院1）直流電橋原理：）直流電橋原理：abcdI1I2R1R2R3R4UiUo當電橋輸出端接較大的儀器或放大器時，當電橋輸出端接較大的儀器或放大器時，可視為開路，電流輸出為零。可視為開路，電流輸出為零。idaiabURRRRIUURRRRIU4344221111+則輸出特性：則輸出特性：iiabdadboURRRRRRRRURRRRRRUUUU)()(43214231434211+若使電橋平衡，輸出電

19、壓為若使電橋平衡，輸出電壓為0，則：，則：4231RRRR西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院應變片在電橋中的連接有三種基本線路：應變片在電橋中的連接有三種基本線路：abcdI1I2R1R RR2R3R4UiUoabcdI1I2R2 RR3UiUoabcdI1I2UiUoR1R RR4R1R RR4 R RR3R RR2 R R單臂單臂半橋半橋全橋全橋即電橋平衡時，相對橋臂電阻的乘積相等。若橋臂即電橋平衡時，相對橋臂電阻的乘積相等。若橋臂電阻發生變化時，電橋失去平衡，則輸出電壓電阻發生變化時，電橋失去平衡，則輸出電壓U。西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院令令：R電阻變化為RRRRR4

20、321ioURRRRRRRRU)(+單臂為例：單臂為例：ioURRRU+24忽略高次項，可得因為,RR ioURRU4SUUio4RdRldlRdRS/因為西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院工作方式單臂雙臂全橋應變片所在橋臂R1R1,R2R1,R2,R3,R4輸出電壓UoSUi4SUi2SUi各臂電阻變化率相等的情況下：各臂電阻變化率相等的情況下：注意：R1或R1,R3產生R, R2或R2,R4產生-R（如：一個受拉，一個受壓）)(44321+SUUio表明各橋臂應變對電橋輸出的影響相對橋臂應變值相加，相鄰橋臂應變值相減（加減特性）利用全橋可推出：西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院

21、2）溫度補償：）溫度補償：概念：概念：作為測量應變的金屬應變片，希望電阻值僅作為測量應變的金屬應變片，希望電阻值僅隨應變變化，而干擾因素主要是隨應變變化，而干擾因素主要是溫度變化溫度變化。原因：原因：電阻溫度效應：電阻溫度效應：tRR電阻溫度系數線膨脹系數不同產生的電阻變化：線膨脹系數不同產生的電阻變化：tSRR)(21其中：其中：1 1試件線膨脹系數試件線膨脹系數 2 2 電阻絲線膨脹系數電阻絲線膨脹系數 S -應變片靈敏度應變片靈敏度西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院補償補償：（橋路補償和應變片自補償等方法）：（橋路補償和應變片自補償等方法）橋路補償橋路補償 利用電橋相鄰的相等兩臂同時產生大小相等、符號相同利用電橋相鄰的相等兩臂同時產生大小相等、符號相同的電阻增量（加減特性），從而不會破壞電橋平衡的特性來的電阻增量（加減特性），從而不會破壞電橋平衡的特性來達到補償。達到補償。abcdI1I2UiUoR1R RR4R RR3R RR2R R全橋補償法全橋補償法abcdR1R RR3R4UiUoR2R R半橋補償法半橋補償法R1-工作片R2-溫度補償R1、 R2 -工作片R3 、R4 -溫度補償)(44321RRRRRRRRUUio+4231RRRR西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院4