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移,线位移,长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度,角位移,旋转角、偏转角、角振动,速 度,线速度,速度、振动、流量、动量,角速度,转速、角振动,加速度,线加速度,振动、冲击、质量,角加速度,角振动、扭矩、转动惯量,力,压 力,重量、应力、力矩,时 间,频 率,周期、计数、统计分布,温 度,热容量、气体速度、涡流,光,光通量与密度、光譜分布,湿 度,水气、水分、露点,这种分类方法：,优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。,缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。,按传感器工作原理分类,这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。,这种分类法：,优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。,缺点是不便于使用者根据用途选用。,具体划分为：,1.,电学式传感器,电学式传感器是应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。,2.,磁学式传感器,磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成。主要用于位移、转矩等参数的测量。,3.,光电式传感器,光电式传感器是利用光电器件的光电效应和光学原理而制成。,主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。,4.,电势型传感器,电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍耳效应等原理而制成。,主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。,5.,电荷传感器,电荷传感器是利用压电效应原理而制成。,主要用于力及加速度的测量。,6.,半导体传感器,半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。,主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。,7.,谐振式传感器,谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成。,主要用来测量压力。,8.,电化学式传感器,电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成，可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、级譜式传感器和电解式传感器等。,电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。,还有：,按能量的关系分类，即将传感器分为,有源传感器和无源传感器；,按输出信号的性质分类，即将传感器分为 模拟式传感器和数字式传感器。,数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如：,盘式角度数字传感器，光栅传感器等。,1.2,传感器的特性与技术指标,传感器的数学模型,传感器作为感受被测量信息的器件，总是希望它能按照一定的规律输出有用信号,因此,需要研究其输入,-,输出之间的关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。,理论和技术上表征输入,-,输出之间的关系通常是以建立数学模型来体现，这也是研究科学问题的基本出发点。,传感器的静态数学模型,静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量间的一种函数关系。,如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用,n,次多项式来表示：,y=a,0,+a,1,x+a,2,x,2,+a,n,x,n,式中,x,为输入量；,y,为输出量；,a,0,为零输入时的输出，也叫零位输出；,a,1,为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用,K,或,S,表示；,a,2,a,3,a,n,为非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定。,传感器静态数学模型有三种有用的特殊形式：,1.,理想的线性特性,通常是所希望的传感器应具有的特性，只有具备这样的特性才能正确无误地反映被测的真值。,2.,仅有偶次非线性项,其线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为该曲线的斜率，一般传感器设计很少采用这种特性。,3.,仅有奇次非线性项,其线性范围较寛，且相对坐标原点是对称的，线性度较好，灵敏度为该曲线的斜率。,使用时一般都加以线性补偿措施，可获得较理想的线性特性。,传感器的动态数学模型,在实际测量中，大量的被测量是随时间变化的动态信号。,传感器的动态数学模型是指：,在随时间变化的动态信号作用下，传感器输出,-,输入量间的函数关系，通常称为响应特性。,动态数学模型一般采用微分方程和传递函数描述。,1.,微分方程,忽略了一些影响不大的非线性和随机变量等复杂因素后，可将传感器作为线性定常数系统来考虑，因而其动态数学模型可以用线性常系数微分方程来表示，其解得到传感器的暂态响应和稳态响应。,式中：,x(t),为输入量，,y(t),为输出量。,为结构常数。,对上式两边取拉普拉斯变换，则得：,该系统的传递函数,H(s),为：,2.,传递函数,等号右边是一个与输入无关的表达式，只与系统结构参数有关，,可见传递函数,H(s),是描述传感器本身传递信息的特性，即传输和变换特性。由输入激励和输出响应的拉普拉斯变换求得。,当传感器比较复杂或传感器的基本参数未知时，可以通过实验求得传递函数。,传感器的特性与技术指标,传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。,静态特性,传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。,1.,线性度,线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。,图,1-3,传感器的线性度,由图可见，除（,a,）为理想特性外，其它都存在非线性，都应进行线性处理。,常用的方法有：,理论直线法、端点线法、割线法、最小二乘法和计算程序法等。,2.,灵敏度,灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。,对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图,1-6,（,a,）所示，其,s,n,=y/x,图,1-4,传感器的灵敏度,非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图,1-6,（,b,）所示，其,s,n,=dy/dx=df(x)/dx,3.,重复性,重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图,1-7,所示。,传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。,图,1-5,传感器的重复性,不重复性极限误差由下式表示：,E,Z,=,MAX,/y,FS,100%,4.,迟滞现象,传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出,-,输入特性曲线不一致的程度，如图,1-8,所示。,在行程环中同一输入量,x,i,对应的不同输出量,y,i,和,y,d,的差值叫滞环误差，最大滞环误差与满量程输出值的比值称最大滞环率,E,MAX,：,E,MAX,=,m,/y,FS,100%,图,1-6,传感器的迟滞现象,5.,分辨力,传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。,6.,稳定性,稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。,传感器常用长期稳定性，指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。,通常又用其不稳定度来表征稳定程度。,7.,漂移,传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。,漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。,零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。,时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；,温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。,动态特性,在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。,最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。,1.,阶跃响应特性,给传感器输入一个单位阶跃函数信号：,其输出特性称为阶跃响应特性，如图,1-9,所示。由图可衡量阶跃响应的几项指标。,图,1-7,传感器阶跃响应特性,(1),最大超调量,(2),延迟时间,(3),上升时间,(4),峰值时间,(5),响应时间,2.,频率响应特性,给传感器输入各种频率不同而幅值相同初相位为零的正弦信号，其输出的正弦信号的幅值和相位与频率之间的关系，则为频率响应曲线。,例子：,下图为一弹簧阻尼器组成的机械压力传感器，分析该传感器的频率响应。,图,1-8,机械压力传感器,系统输入量为作用力，令其与弹簧刚度成正比，,。,系统输出量为弹簧形变产生的位移,。,根据牛顿第三定律，作用力与阻尼器磨擦力、弹簧力的反作用力相等，即：,；,。,式中：,；,可得一阶机械压力传感器动态数学模型：,左右两边取拉普拉斯变换，移项后可得系统的传递函数：,，,令,可得频率响应函数、幅频特性、相频特性分别为：,式中：,为时间常数。,幅频特性、相频特性如图,1-11,所示。由图可见，时间常数,越小，频率特性越好。时间常数,很小时，幅频特性为常数，相频特性与频率成线性关系。,图,1-9,一阶传感器的频率特性,在时间常数,很小时，输出位移能真实地反应输入作用力的变化规律，与作用力频率无关。,1.3,传感器的标定与校准,传感器的标定与校准,标定与校准的方法,利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度，称为标定；,对传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。,标定和校准的基本方法是：利用标准仪器产生已知的非电量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器输出量与输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或曲线。,静态标定,指输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态特性如灵敏度、非线性、滞后、重复性等指标的检定。,动态标定,对被标定传感器输入标准激励信号，测得输出数据，做出输出值与时间的关系曲线。,由输出曲线与输入标准激励信号比较可以标定传感器的动态响应时间常数、幅频特性、相频特性等。,项目二 位移、速度、流量传感器,2.1,参量型位移传感器,位移传感器,位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何学量的一种传感器。,位移传感器根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角位移传感器。,位移传感器是应用最多的传感器之一，品种繁多。,位,移,传,感,器,数,字,式,模,拟,式,光栅式,磁栅式,电位器式,电阻应变式,电容式,螺旋管电感式,差动变压器式,涡流式,光电式,霍耳器件式,微波式,超声波式,图,2.1,位移传感器的分类,电位器式位移传感器,1.,电位器的基本概念,图,2-2,是电位器的结构图。,它由电阻体、电刷、转轴、滑动臂、焊片等组成，电阻体的两端和焊片,A,、,C,相连，因此,AC,端的电阻值就是电阻体的总阻值。,转轴是和滑动臂相连的，在滑动臂的一端装有电刷，它靠滑动臂的弹性压在电阻体上并与之紧密接触，滑动臂的另一端与焊片,B,相连。,图,2-2,电位器的一般结构,图,2-3,是电位器电路图。,电位器转轴上的电刷将电阻体电阻,R,0,分为,R,12,和,R,23,两部分，输出电压为,U,12,。,改变电刷的接触位置，电阻,R,12,亦随之改变，输出电压,U,12,也随之变化。,常见用于传感器的电位器有：,线绕式电位器、合成膜电位器、,金属膜电位器、导电塑料电位器、,导电玻璃釉电位器、光电电位器。,图,2-3,电位器电路,2.,电位器的主要技术参数,(1),最大阻值和最小阻值，指电位器阻值变化能达到的最大值和最小值；,(2),电阻值变化规律，指电位器阻值变化的规律，例如对数式、指数式、直线式等；,(3),线性电位器的线性度，指阻值直线式变化的电位器的非线性误差；,(4),滑动噪声，指调电位器阻值时，滑动接触点打火产生的噪声电压的大小。,2.1.2,电容式位移传感器,电容式位移传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面积式电容传感器进行位移的测量。,1.,变极距式电容传感器,图,2-4,是空气介质变极距式电容传感器工作原理图。,一个电极板固定不动，称为固定极板，极板的面积为,，另一极板可左右移动，引起极板间距离,d,相应变化。,2-4,变极距式电容传感器工作原理图,变极距式电容传感器的初始电容,C,0,可由下式表示：,C,0,=,0,A/d,0,只要测出电容变化量,C,，便可计算得到极板间距的变化量，即极板的位移量,d,。,除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电容传感器测角位移。,2.1.3,螺管式电感位移传感器,螺管式电感位移传感器主要由螺管线圈和铁芯组成，铁芯插入线圈中并可来回移动。,当铁芯发生位移时，将引起线圈电感的变化。线圈的电感量与铁芯插入线圈的长度有如下的关系：,铁芯随被测物体一起移动，导致线圈电感量发生变化。其检测位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。,2.2,光栅位移传感器,2.2,光栅位移传感器,2.2.1,莫尔条纹,由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图,2-5,所示。,用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。,光栅的刻痕密度一般为每厘米,10,、,25,、,50,、,100,线。刻痕之间的距离为栅距,W,。,图,2-5,光栅结构放大图,如果把两块栅距,W,相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角,时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。如图,2-6,所示。,莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图,2-6,中,d,d,线区所示。,图,2-6,中,f,f,线区则是由于光栅的遮光效应形成的。,图,2-6,莫尔条纹,莫尔条纹有两个重要的特性：,(1),当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下 移动。,查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。,(2),莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距,W,时，莫尔条纹移动一个条纹间距,B,。,当两个等距光栅的栅间夹角,较小时，主光栅移动一个栅距,W,，莫尔条纹移动,KW,距离，,K,为莫尔条纹的放大系数：,条纹间距与栅距的关系为：,当,角较小时，例如,=30,，则,K,=115,，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。,这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。,可以实现高灵敏的位移测量。,光栅位移传感器的结构及工作原理,如图,2-7,所示，由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。,主光栅和被测物体相连，它随被测物体的直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。,用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。,图,2-7,光栅位移传感器的结构原理图,光栅位移传感器的应用,光栅位移传感器：,测量精度高（分辨率为,0.1,m,），,动态测量范围广（,0,1000mm,），,可进行无接触测量，,容易实现系统的自动化和数字化。,在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。,2.2.2,磁栅位移传感器,磁栅是一种有磁化信息的标尺。,它是在非磁性体的平整表面上镀一层约,0.02mm,厚的,Ni-Co-P,磁性薄膜。,并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长,录上磁性刻度线而构成的。,因此又把磁栅称为磁尺。,磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按,NS,、,SN,、,NS,的状态排列起来，如图,7-10,所示。,图,2-8,磁栅的基本结构,磁栅的种类可分为单型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅等。,磁栅主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测元件。磁栅和其它类型的位移传感器相比，具有结构简单、使用方便、动态范围大（,1,20m,）和磁信号可以重新录制等优点。,缺点是需要屏蔽和防尘。,磁栅位移传感器的结构如图,2-9,所示。它由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路组成。,图,2-9,磁栅位移传感器的结构示意图,当磁尺与磁头之间产生相对位移时，磁头的铁芯使磁尺的磁通有效地通过输出绕组，在绕组中产生感应电压。,该电压随磁尺磁场强度周期的变化而变化，从而将位移量转换成电信号输出。,图,2-10,是磁信号与静态磁头输出信号波形图。,磁头输出信号经检测电路转换成电脉冲信号并以数字形式显示出来。,图,2-10,磁信号与磁头输出信号波形图,2.3,转速传感器,2.3,转速传感器,2.3.1,磁电式转速传感器,如图,2-11,所示，由永久磁铁、感应线圈、磁盘等组成。,在磁盘上加工有齿形凸起，磁盘装在被测转轴上，与转轴一起旋转。,当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙大小的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。,感应线圈会感应出一定幅度的脉冲电势，其频率为：,f=Zn,根据测定的脉冲频率，即可得知被测物体的转速。如果磁电式转速传感器配接上数字电路，便可组成数字式转速测量仪，可直接读出被测物体的转速。,当被测转速很低时，输出脉冲电势的幅值很小，以致无法测量出来。所以，这种传感器不适合测量过低的转速，其测量转速下限一般为,50,转,/,秒左右，上限可达数百千转,/,秒。,图,2-11,磁电式转速传感器结构示意图,2.3.2,光电式转速传感器,图,2-12,所示，由装在输入轴上的开孔盘、光源、光敏元件以及缝隙板所组成，输入轴与被测轴相连接旋转。,从光源发射的光，通过开孔盘和缝隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光，产生脉冲信号，送测量电路计数，测得转速。,为了使每转的脉冲数增加，以扩大应用范围，需增加圆盘的开孔数目。目前多采用图,2-13,所示的开缝隙盘结构。,光电脉冲变换电路如图,2-14,所示。,图,2-12,直射式光电转速传感器原理,1,开孔盘,2,缝隙板,3,光敏元件,4,光源,图,2-13,光电转速传感器结构,1,光源,2,透镜,3,指示盘,4,旋转盘,5,光电元件,图,2-14,光电脉冲变换电路原理图,2.2.3,霍耳开关集成传感器,霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。,图,2-15,所示为内部组成框图。,当有磁场作用在霍耳开关集成传感器上时，霍耳元件输出霍耳电压,U,H,，一次磁场强度变化，使传感器完成一次开关动作。,图,2-15,霍耳开关集成传感器内部框图,2.2.4,多普勒传感器,多普勒效应,假若发射机与接收机之间的距离发生变化，则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率就不同。此现象是由奥地利物理学家多普勒发现的，所以称为多普勒效应。,发射机发射出的无线电波向被测物体辐射，被测物体以速度,v,运动，如图,2-16,（,a,）所示。被测物体做为接收机接收到的频率为：,f,1,=f,0,+v/,0,如果把,f,1,做为反射波向接收机发射信号，如图,6-20,（,b,）所示。接收机接收到的信号频率为：,f,2,=f,1,+v/,1,=f,0,+v/,0,+v/,1,由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，则可近似认为：,0,=,1,，则：,f,2,=f,0,+2v/,0,由多,普,勒效应产生的频率之差称为多,普,勒频率，即：,F,d,=f,2,-f,0,=2v/,0,图,2-16,多,普,勒效应示意图,多普勒雷达测速,被测物体的运动速度,v,可以用多普勒频率来描述。,多普勒雷达的电路原理如图,2-17,所示。它由发射机、接收机、混频器、检波器、放大器及处理电路等组成。,发射信号和接收到的回波信号经混频器混频，两者产生差频输出，差频的频率正好为多普勒频率。,F,d,2vcos/,0,Kv(Hz),图,2-17,多,普,勒雷达检测线速度工作原理图,2.4,流量及流速传感器,2.4.1,导电式水位传感器,如图,2-18,所示。电极可根据检测水位的要求进行升降调节，当水位低于检知电极时，两电极间呈绝缘状态，检测电路没有电流流过，传感器输出电压为零。,如果水位上升到与检知电极端都接触时，由于水有一定的导电性，因此测量电路中有电流流过，指示电路中的显示仪表就会发生偏转，同时在限流电阻两端有电压输出。,如果把输出电压和控制电路连接起来，便可对供水系统进行自动控制。,图,2-18,导电式水位传感器基本工作原理图,图,2-18,是一种实用的导电式水位检测器的电路原理图。,电路主要由两个运算放大器组成，,IC,1a,运算放大器及外围元件组成方波发生器，通过电容器,C,1,与检知电极相接。,IC,1b,运算放大器与外围元件组成比较器，以识别仪表水位的电信号状态。采用发光二极管作为水位的指示。,导电式水位传感器，在日常工作和生活中应用很广泛，它在抽水及储水设备、工业水箱、汽车水箱等方面均被采用。,图,2-18,导电式水位检测器电路原理图,2.4.2,流量及流速传感器,流量及流速传感器的种类有：,电磁式流量传感器、涡流式流量传感器、,超声波式流量传感器、热导式流速传感器、,激光式流速传感器、光纤式流速传感器、,浮子式流量传感器、涡轮式流量传感器、,空间滤波器式流量传感器。,电磁式流量传感器,1.,电磁式流量传感器的工作原理及使用,如图,2-19,所示，在励磁线圈加上励磁电压后，绝缘导管便处于磁力线密度为,B,的均匀磁场中，当导电性液体流经绝缘导管时，电极上便会产生如下式所示的电动势：,管道内液体流动的容积流量与电动势的关系为：,可以通过对电动势的测定，求出容积流量。,1-,铁芯,2-,电极,3-,绝缘导管,4-,励磁线圈,5-,液体,图,2-19,电磁式流量计工作原理图,电磁式流速传感器电路,如图,2-20,所示。励磁电压信号为方波信号，由方波发生器发出的方波信号一路经励磁放大器功率放大后，送入传感器的励磁线圈进行励磁；,另一路作为采样、鉴相脉冲信号。,流动液体在电极上产生的信号经输入回路阻抗变换和前置放大，再由主放大器进行放大。放大后的信号经采样、倒相、鉴相。,所得信号滤去杂波后由直流放大器放大输出，为检测到的流速信号,U,OUT,。,用于自来水、工业用水、农业用水、海水、污水、污泥、化学药品、食品、矿浆等流量检测。,传感器,输入回路,前置放大器,主放大器,励磁放大器,直流放大器,滤波器,方波,发生器,采样、,倒相、,鉴相器,U,OUT,流动液体,图,2-20,电磁式流速传感器的电路框图,涡轮式流速传感器,涡轮式流速传感器是利用放在流体中的叶轮的转速进行流量测试的一种传感器。,叶轮转速的测量如图,2-21,所示。,叶轮的叶片可以用导磁材料制作，由永久磁铁、铁芯及线圈与叶片形成磁路。,当叶片旋转时，磁阻将发生周期性的变化，从而使线圈中感应出脉冲电压信号。该信号经放大、整形后输出，作为供检测转速用的脉冲信号。,图,2-21,涡轮流量传感器结构原理图,7.9,实训,实训,太阳能热水器水位报警器电路如图,2-22,所示。,装调该太阳能热水器水位报警器电路,进行水位报警实验，过程如下：,(1),准备电路板、晶体管、电极、报警器等元器件,认识元器件；,(2),装配水位报警器电路；,(3),将三个探知电极安置于水盆的不同水位高度，接通水位报警器电路，给水盆中慢慢加水；,(4),在正常水位、缺水水位、超高水位对电路的报警效果进行电路调整；,(5),进行正常水位、缺水水位、超高水位时电路的报警实验；,(6),实验过程和结果记录。,图,2-22,太阳能热水器水位报警器,项目三 力传感器,3.1,弹性敏感元件,力是物理基本量之一，因此各种动态、静态力的大小的测量十分重要。,力的测量需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。,力敏感,元件,转换,元件,显示,设备,F,图,3-1,力传感器的测量示意图,3.1,弹性敏感元件,弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。,弹性敏感元件是一个非常重要的传感器部件，应具有：,良好的弹性、,足够的精度，,应保证长期使用和温度变化时的稳定性。,3.1.1,弹性敏感元件的特性,1.,刚度,刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度,一般用,k,表示。,2.,灵敏度,灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数，用,K,表示。,3.,弹性滞后,实际的弹性元件在加,卸载的正反行程中变形曲线是不重合的,这种现象称为弹性滞后现象,它会给测量带来误差。,4.,弹性后效,当载荷从某一数值变化到另一数值时,弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。,5.,固有振荡频率,弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率,f,0,，它将影响传感器的动态特性。,传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率。,往往希望,f,0,较高。,3.1.2,弹性敏感元件的分类,弹性敏感元件在形式上可分为两大类：,变换力的弹性敏感元件。,变换压力的弹性敏感元件。,1.,变换力的弹性敏感元件,这类弹性敏感元件如图,3-2,所示。有：,（,1,）等截面圆柱式（,2,）圆环式,（,3,）等截面薄板式（,4,）悬臂梁式,（,5,）扭转轴,图,3-2,一些变换力的弹性敏感元件形状,2.,变换压力的弹性敏感元件,（,1,）弹簧管,图,3-3,弹簧管的结构,（,2,）波纹管,波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管，如图,3-4,所示。,图,3-4,波纹管的外形,（,3,）波纹膜片和膜盒,平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这就是波纹膜片。,图,3-5,波纹膜片波纹的形状,（,4,）薄壁圆筒,薄壁圆筒弹性敏感元件的结构如图,3-6,所示。圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分之一。,薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒的半径和壁厚，与圆筒长度无关。,图,3-6,薄壁圆筒弹性敏感元件的结构,3.2,电阻应变片传感器,3.2,电阻应变片传感器,电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。电阻应变片的典型结构如图,3-7,所示。,图,3-7,金属电阻应变片结构,3.2.1,电阻应变片工作原理,电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应”。,金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。,设电阻丝长度为，截面积为，电阻率为，则电阻值为：,当电阻丝受到拉力,F,时，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化，则其阻值发生变化。如图,3-8,所示。,图,3-8,金属电阻丝应变效应,3.2.2,电阻应变片的分类,电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。,金属电阻应变片分体型和薄膜型。属于体型的有电阻丝栅应变片、箔式应变片、应变花等。,半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏感栅。,如图,3-9,所示。,a,丝绕式（,u,型）；,b,短接式（,H,型）；,c,箔式；,d,半导体应变式,图,3-9,应变片的类型,在平面力场中，为测量某一点上主应力的大小和方向，常需测量该点上两个或三个方向的应变。,为此需要把两个或三个应变片逐个粘结成应变花，或直接通过光刻技术制成。,应变花分互成,45,的直角形应变花和互成,60,的等角形应变花两种基本形式。,如图,3-10,所示。,a,丝式应变花；,b,箔式应变花,图,3-10,应变花的基本形式,3.2.3,电阻应变片的测量电路,弹性元件表面的应变传递给电阻应变片敏感丝栅，使其电阻变化。测量出电阻变化，便可知应变（被测量）大小。,图,3-11,（,a,）、（,b,）为半桥测量电路。,图（,a,）中，无应变时，,R,1,=R,2,=R,3,=R,4,=R,，则桥路输出电压为：,有应变时，,代入,由,可得,a-,半桥式,(,单臂工作,);b-,半桥式,(,双臂工作,);c-,全桥式,(,双臂工作,);d-,全桥式,(,四臂工作,),图,3-11,基本测量电路,在图（,b,）中，,R,1,、,R,2,均为相同应变测量片，又互为补偿片。,有应变时，一片受拉，另,一片受压，,此时阻值为,R,1,+R,1,和,R,2,-R,2,，,按上述同样的方法，可以计算输出电压为：,在图（,c,）中，,R,1,、,R,3,为相同应变测量片，有应变时，两片同时受拉或同时受压。,R,2,、,R,4,为补偿片。可以计算输出电压为,：,图（,d,）是四个桥臂均为测量片的电路，且互为补偿，有应变时，必须使相邻两个桥臂上的应变片一个受拉，另一个受压。可以计算输出电压为,：,3.3,压电传感器,3.3,压电传感器,某些晶体，受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失；力的方向改变时，电荷的符号也随之改变。,这种现象称为压电效应或正压电效应。,当晶体带电或处于电场中时，晶体的体积将产生伸长或缩短的变化。,这种现象称为电致伸缩效应或逆压电效应。,3.3.1,石英晶体的压电效应,石英晶体成正六边形棱柱体，如图,3-12,所示。,a,石英晶体结构；,b,、,c,、,d,、,e,压电效应示意图,图,3-12,石英晶体结构及压电效应,从晶体上沿轴线切下的薄片称为“晶体切片”。图,3-13,所示是垂直于电轴切割的石英片，在与轴垂直的两面覆以金属。,沿方向施加作用力,x,时，在与电轴垂直的表面上产生电荷,xx,为：,式中,d,11,石英晶体的纵向压电系数,在覆以金属极面间产生的电压为：,图,3-13,垂直于电轴,X,切割的石英晶体切片,如果在同一切片上，沿机械轴,Y,方向施加作用力,F,y,时，则在与,X,轴垂直的平面上产生电荷为：,式中,d,12,石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的轴对称条件可得,d,12,=-d,11,所以,产生电压为：,3.3.2,压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷具有铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。,当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存有很强的剩余场极化。,当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化，产生了压电效应。,经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差。,aZ,向施力；,bX,向施力,图,3-14,压电陶瓷的压电效应,如图,3-14a,所示，当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（,Z,向）的作用力,F,z,时（即作用力垂直于极化面），,则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量,Q,zz,与力,F,z,成比例，即,:,式中,d,zz,压电陶瓷的纵向压电系数。输出电压为,:,当沿,X,轴方向施加作用力,F,x,时，如图,3-14b,所示，在镀银极化面上产生电荷,Q,zx,为,:,同理,式中的,d,z1,、,d,z2,是压电陶瓷在横向力作用时的压电系数，且均为负值；,电荷除以压电陶瓷片电容,C,z,可得电压输出。,3.3.3,压电式传感器的测量电路,1.,压电元件的串联与并联,(a),并联,(b),串联,图,3-15,压电元件的串联与并联,2.,压电传感器的等效电路,压电传感器可等效为如图,3-16(a),所示的电压源,也可等效为一个电荷源，如图,3-16(b),所示。,图,3-16,压电传感器电压源与电荷源等效电路,压电传感器与测量电路连接时，还应考虑连接线路的分布电容,C,c,，放大电路的输入电阻,R,i,，输入电容,C,i,及压电传感器的内阻,R,a,。,图,3-17,压电传感器实际等效电路,3.,压电传感器测量电路,压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。,电压放大器（阻抗变换器）,(a),放大器电路；,(b),输入端简化等效电路,图,3-18,电压放大器电路原理及其等效电路图,电荷放大器,电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器。考虑到,R,a,、,R,i,阻值极大，电荷放大器等效电路如图,3-19,所示。,图,3-19,电荷放大器等效电路,3.3.4,压电式传感器结构,压电测力传感器的结构通常为荷重垫圈式。图,3-20,所示为,YDS-781,型压电式单向传感器结构，它由,底座、传力上盖、片式电极、石英晶片、绝缘件及电极引出插座等组成。,当外力作用时，,上盖将力传递到石英晶片，石英晶片实现力,电转换，,电信号由电极传送到插座后输出。,1-,传力上盖；,2-,压电片；,3-,片式电极；,4-,电极引出插头；,5-,绝缘材料；,6-,底座,图,3-20 YDS-781,型压电式单向力传感器结构,3.4,电容式传感器,当,S,、,d,或,改变，则电容量,c,也随之改变。,若保持其中两个参数不变，通过被测量的变化改变其中一个参数，就可把被测量的变化转换为电容量的变化。这就是电容传感器的基本工作原理。,电容式传感器结构简单，可用于力、压力、压差、振动、位移、加速度、液位、粒位、成分含量等测量。,3.4,电容式传感器,一个平行板电容器，如果不考虑其边缘效应，则电器的容量为：,图,3-21,平行板电容器图,3.4.1,变极距型电容传感器,如图,3-21,所示，平行板电容器的,和,S,不变，只改变电容器两极板之间距离,d,。该类型传感器常用于压力的测量。,图,3-22,变极距式传感元件原理图,初始状极距为,d,0,时，电容器容量,C,0,为：,电容器受外力作用，极距减小,d,，则电容器容量改变为：,电容值相对变化量为：,此时,C1,与,d,的关系呈线性关系。,为了提高传