传感器和自动检测技术第四章重点@余成波

1.力值测量所依据的原理是力的静力效应和动力效应。

（1）力的静力效应是指弹性物体受力作用后产生相应变形的物理现象。

（2）力的动力效应是指具有一定质量的物体受到力的作用时，其动量将发生变化，从而产生相应的加速度的物理现象。只需测出物体的加速度，就可间接测得力值。即利用动力效应测力的特点是通过测量力传感器中质量块的加速度而间接获得力值。

2.测力传感器可以是位移型、加速度型或物性型。按其工作原理则可以分为：弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压磁式等。 3.弹性变形式的力传感器：该类传感器的测量基础是弹性元件的弹性变形和作用力成正比的现象，其原则上可简化成图4.1所示的单自由度系统。其输入力和输出弹性变形（或位移）之间的关系为：

式中：c为粘度阻尼系数；k为弹性刚度； f(t)为激振力，为系统的输入；

z振动位移，为系统的输出。

4.图4.2是一种用于测量压缩力的应变片式测力头的典型构造。 图4.2（b）是输出端接放大 器的直流不平衡电桥的电路。第 一桥臂接电阻应变片R1,其它三个 桥臂接固定电阻。当应变片R1未 受力时，由于没有阻值变化，电 桥维持初始平衡条件R1R4?R2R3 因而输出电压为零，即

当应变片承受应力时，应变片产生?R1的变化，电桥处于不平衡状态，此时

假设 ，，并考虑到电桥初始平衡条件及省略分母中的微量 ，则上式可写为 。

5.图4.3是测量拉压力的传感器的典型弹性元件。为了获得较大的灵敏度，采用梁式结构。

6.压磁式测力传感器：某些铁磁材料（如正磁致伸缩材料）受机械力F作用后，其内部产生机械力，从而引起其磁导率（或磁阻）发生变化，这种物理现象称为“压磁效应”。压磁元件受力作用后，磁弹性体的磁阻（或磁导率）发生与作用力成正比的变化，测出磁阻变化即间接测定了力值。压磁元件的结构和工作原理如图4.5所示。

图4.5 压磁元件及其工作原理图 （a）结构示意

（b）无外力作用时 （c）有外力作用时

7.差动变压器式力传感器

事实上，大多数位移传感器只要在结构上作点变化， 就可改为测力传感器。如差动变压器式、电容式、电 感式等等。图4.4所示即为差动变压器式测力传感器 的结构示意图。

1—弹性元件 2—铁心 3—球面垫 4—感应线圈 5—线圈座

8.压电式测力传感器：压电式测力传感器的工作原理和压电式加速度传感器类同，主要是利用某些具有压电效应的材料如石英、钛酸钡等，当受到外力作用发生变形时，其内部将发生极化，从而在其表面上有电荷出现，形成电场。当外力去掉时，这些物质又重新回复到原来的不带电状态。这种现象称为正压电效应。

拉、压型单向测力传感器 根据垂直于电 轴的型切片便可制成拉（压）型单向测力 传感器，其结构如图4.7所示。

1—壳体 2—弹性垫 3—压电晶体 4—电极 5—绝缘套 6—引出导线

9.压力的测量：液体式压力计： 它是利用液体静力平衡原理，将被测压力与一定高度的工作液体产生的重力相平衡，采用液柱的高度差来测量压力的仪器。

10.弹性式压力计：它是基于弹性元件（单圈或多圈弹管、膜盒、膜片、波纹管等）受压后产生的位移与被测压力呈一定函数关系的原理制成的。

11.负荷式压力计：它是基于静力平衡原理进行压力测量的，通常有活塞式、浮球式和钟罩式三大类。

12.电气式压力计： 电气式压力计一般由压力传感器和电子测量线路或压力变送器构成。 13.压力传感器：应变式压力传感器常用的有圆桶式和平膜片式两种结构。前者应变片沿圆

桶环向粘贴；后者应变片沿平膜片的径向和切向粘贴。在测量桥路中，一般多采用热敏电阻元件来补偿材料弹性模量受温度影响的变化。

14.压力变送器：一般用压力表传递压力信息的距离不能很远。为此，往往是将弹性测压元件与电气传感器相结合构成压力变送器，以实现远距离传输。通常将压力变送器分为力平衡式和位移式两大类。

15.转矩测量：转矩传感器的工作原理：转矩是力的一种特殊形式，它是力和力臂的乘积，是改变物体转动状态的原因。工程中转矩的测量常与功率、转速的测量联系在一起，它们之间的转换关系见表4.2。测量转矩方法，按照其基本原理可以分为：平衡力法（反力法）、传递法（扭轴法）和能量转换法等三大类。

16.转矩测量的方法（1）平衡力法：它是利用平衡转矩去平衡被测转矩M，从而求得M的方法。对于任何一种均匀工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受转矩作用时，在它的机体上必然同时作用着方向相反的平衡力矩（即支座反力矩），因此测量出机体上的平衡力矩就可知被测转矩的大小（平衡力法）。即 。式中：l为转轴与力作用点的距离，即力臂；F为力。

17.转矩测量的方法（2）传递法： 它是根据弹性元件在传递扭矩时所产生物理参数的变化（变形、应力或应变）来测量转矩的方法，它利用弹性体把转矩转换为角位移，再由角位移转换成电信号输出。测量转矩时常用的弹性元件是扭轴。

图4.16给出了一些用于转矩传感器的扭矩轴弹性元件。把这种扭转轴连接在驱动源和负载之间，扭转轴就会产生扭转，所产生的扭转角为 。式中：?为扭转轴的

扭转角（rad）；l为扭转轴长（m）；D为扭转轴直径（m）；M为转矩（N?m）；G为扭转轴材料的切变模量（Pa）。

18.转矩测量的方法（3）能量转换法：它是按能量守恒定律来测量力矩的仪器。它是通过测量其它与转矩有关的能量系数（如电能系数）来确定被测力矩大小的。 19.常用转矩传感器与转矩测量仪

(1)应变片式转矩传感器： 当转轴发生扭转时，在相对于轴中心线45?方向上会产生压缩及拉伸力，从而将力加在旋转轴上。

(2)磁电式转矩测量仪：磁电式转矩传感器是根据磁电转换和相位差原理制成的。它可以将转矩力学量转成有一定相位差的电信号。图4.20是磁电式转矩传感器的工作原理图。

1.物位测量：物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低、两种不相溶的液体介质的分解面的高低和固体粉末状物料的堆积高度等的总称。根据具体用途可以使用液位、料位、界位等传感器。

2.物位测量的传感器：浮力式液位传感器：利用液体浮力来测量液位的。根据测量原理，分为恒浮力式和变浮力式两大类型。

3.超声波物位传感器：利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。 4.电容式液位传感器：图4.36所示为飞机上使用的一种油量表。它采用了自动平衡电桥电路，由油箱液位电容式传感器装置、交流放大器、两相伺服电机、减速器和指针等部件组成。

5.物位传感器的应用：（1）高性能水位控制器；（2）水位遥测仪 6. 厚度测量： 厚度测量和位移测量一样也属于长度测量范畴，在很多情况下，可以用测长、测位移的传感器及技术来测厚度。

厚度测量所用的传感器的分类：一类测厚方法是直接利用厚度参数来调制传感器的输出信号，即绝对测厚。另一类测厚方法即相对测厚，采用如极距变化型电容传感器。

7.速度的测量： 从物体运动的形式来看，速度的测量分为线速度测量和角速度测量。 8.速度的测量方法：（1）时间、位移计算方法：所谓相关测速法是利用求随机过程互相关函数极值的方法来测量速度。设平稳随机过程观察的时间为，则它的互相关函数为：

。所谓空间滤波器测速法是利用可选择一定空间频率段的空间滤波器件与被测物体同步运动，然后在单位空间内测量相应的时间频率，求得运动体的运动速度。 空间滤波器是能够选择一定空间频率段的器件。空间频率是指单位空间线度内物理量周期性变化的次数，它可以用图4.40来表示。在栅格板上刻有透明的相间狭缝，高在空间长度L内有N个等距狭缝，当栅格板移动时，光检测器件便可感受到光源的明暗变化。明暗变化的空间频率??N/L。如果栅格板的移动速度为v，移动L所需要的时间为t，则光检测器检测到的时间频率为f?N/t。由于N??L，时间频率和空间频率的关系为

（2）加速度积分法和位移微分测量法；（3）利用物理参数测量速度。

（4）多普勒效应测速：多普勒效应：如果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，此现象称为多普勒效应。被测物体作为接收机接收到的频率为： f1?f0?v/f0。式中f0为发射机发射信号的频率；v为被物体的运动速度；?0发射信号波长，?0?c/f0，c为电磁波的传播速度。如果将f1作为反射波向接收机发射信号，如图4.45（b）所示。接收机接收到的信号频率为：

，由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，则可认为 ，即 ，由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即 。由此可见，被测物体的运动速度v可以用多普勒频率来描述。

多普勒雷达测速

（5）差动变压器测速

9.加速度与振动测量：凡能够测量位移和速度的检测原理都可以用于加速度与振动测量。 10.加速度测量原理：（1）支点位移测量（????0的情况）：当固有角振动频率?0远远小于支点的角振动频率?时，即????0。由上式可得： ，即

也就是说：相对位移的振幅y0与支点位移的振幅A大小相等、方向相反。这种振动测量称为位移测量。通常要使用大质量和低弹性弹簧。此时绝对位移x?0，即位移测量时的质量基本静止不动。

（2）支点加速度测量（????0的情况）：当固有角振动频率?0远远大于支点的角振动频率?时，即

????0。由上式得： ，即：

2也就是说：相对位移y的幅值与支点加速度A?成正比。这种振动测量称为加速度测量。它要用小质量和高弹簧性弹簧，并且在??0.5?0.7的范围内，???0时可以得到高精度的加速度测量结果。

（3）支点速度测量（???0的情况）：当固有角振动频率?0等于支点的角振动频率?时，即???0。由上式可得： ，即

也就是说：相对位移y的幅值与支点速度A?成正比，这种振动测量称之为速度测量。但由于是在共振动状态下使用，振幅过大时会破坏弹簧等测量装置元件，很难实用化。 11.典型测振传感器：（1）磁电式速度传感器；（2）压电式加速度传感器；（3）电阻应变式、压阻式加速度传感器；（4）电容式加速度传感器；（5）差动变压器式加速度传感器；（6）光纤式加速度传感器；（7）霍尔式加速度传感器；（8）伺服式加速度传感器。 12.转速的测量：（1）磁电式转速传感器：线圈所产生的感应电动势的频率为：f?nz/60。

（2）光电式转速传感器：①直射式光电转速 传感器②反射式光电转速传感器：图为发射 式光电转速传感器它由红外发射管、红外接 收管、光学系统等组成；光学系统由透镜及 半透镜构成。

（3）电涡流式转速传感器；（4）霍尔式转速 传感器

13.磁电式传感器数字转速仪测量电路：其主要是由交流放大电路、时间控制器集成电路CH279、计数/锁存/7段译码/驱动集成电路CH267、转速表电路等组成。 14.噪声测量：

（1）声波和噪声：当声波在空气中传播时，空气质点被迫在原位置沿传播方向作来回振动，空气密度因此发生变化，相应位置的压强也随之发生变化，并向邻近的质点传递此变化，形成压力传播过程，即声波。由于空气质点的振动方向与声波的传播方向一致，即声波是纵波（疏密波）。声波的频率f、周期T、波长?和波速c的关系是：??c/f?cT。 （2）声波具有一般波动特性，在空间传播过程中遇到阻碍物时会产生反射、折射和衍射和干涉等典型波动现象。两个同频率的声波在声场中相遇时会发生干涉，相遇处的声波互相加强或消弱。不同频率的声波则不会发生干涉。能发生干涉的声波称为相干波，反之称为非相干波。

（3）声波传播的区域称为声场。当声波的传播在声场内可以自由进行，不受任何阻碍，无反射现象存在，这种声场称为自由声场。当传播时只受到地面的反射，其它方面不受到任何阻碍，则这种声场称为半自由声场。

（4）噪声有两种意义：①在物理上指规则的、间歇的或随机的声振动；②指任何难听的、不和谐的声或干扰。有时也指在有用频带内的任何不需要的干扰。这种噪声干扰不仅是由声音的物理性质决定，还与人们的心理状态有关。

15.噪声的物理度量：噪声的强弱通常采用声压、声强和声功率等参量来度量。

（1）声压： 当声波在声场中传播时，声场中任意一点的压强会在当地静态大气压强的基础上叠加一个由声波所产生的周期性波动分量，这个波动分量就称为该点的瞬时声压，它是时间的函数，记为p(t)，其计量单位是帕【斯卡】（Pa,N/m）。

①声场中某点的瞬时声压等于各声波单独作用时该点的瞬时声压之和，即： ，这称为声波的线性叠加原理。

②就噪声测量而言，声场中某点的声压定义为该点的瞬时声压的均方根值（有效值），称为

2有效声压，简称声压，用p表示。p又称为均方声压，其大小为： 。，式

2中，?为某时刻；T为均时间。一般说来，声压会随时间的变化而变化，即p是时间?的函数。若声压随时间的变化甚小，则称这种噪声为稳态噪声，否则称为非稳态噪声。 正常人刚刚能听到的1000HZ的声压为，此值称之为听阀声压2?10Pa。在声学中，此值用来作为声压测量的基准声压，记为p0。

（2）声强：声强是指在声场中的某一点上，单位时间内通过与指定方向垂直的单位面积的

?5平均声能，记为I，其单位为瓦【特】/米（W/m）。在自由声场中，相应于听阀声压的声强为，并以此值作为基准声强。声强与声压有关，其关系随声场类型的不同而不同。对于自由场，则有：I?p2/(?c)，式中p为测量点的有效声压；?为介质密度；c为在该介质中声波传播速度；?c介质特性声阻抗。值得注意是：声强是一个矢量，它既有大小，又有方向，通常是在单位面积的法线方向上测量声强；而声压是一个标量，它只有大小而无方向。 （3）声功率：声功率是指在单位时间内发射出的声能，用符号W表示，其单位为瓦【特】（W），通常取10?1222W作为基准声功率。声源的功率被该球面积除就得到观察处的声强I，

即I?W/(4?r2)。式中r为声源到观察处的距离。

16.噪声测量中的级与级的单位：（1）声压级： 声压级是声压与基准声压之比的常用对数的20倍，或它们相应均方声压之比的常用对数的10倍，记为Lp，即： 由此式可以算出正常人双耳从听阀到痛阀相应的声压级为0-120dB。

（2）声强级：声强级是声强与基准声强之比的常用对数的10倍，记为LI，即

由此可得正常人双耳从听阀到痛阀相应的声强级为0-120dB。在自由场中，任何一点的声压级和声强级的分贝数是相等的。

（3）声功率级：声功率级是声源声功率与基准声功率之比的常用对数的10倍，记为LW，即

17.总声压值

声场中某处的总声压级为：

同理可求得总声功率级为

即仅有两个相同声源，即 时，由上式可得： 此式表明：当两个声源各自在声场中同一点引起的声压相等时，则该点处总的声压级等于其中一个声源引起的声压级的分贝值再加上3分贝。也就是说，要将某噪声源发出的噪声声压级降低3分贝，等于将声源声功率降低一半，一般而言是不容易的。 18.噪声的频谱和频带：频率是决定声音高低的主要因素。（1）窄带频谱和声压谱级：突发状况。

19.噪声的主观评价：（1）纯音的主观评价：①响度N：响度的单位为宋（sone）。把频率为1000Hz、声压级大于听阀40dB的纯音的响度定为1宋。③响度级：响度级的单位为方（phon）。由此可知，响度和响度级都是人们对纯音的主观反应，是声音的主观评价指标之一。它们主要取决于声压，但也和频率有关。 21.噪声测量的基本原理和常用仪器：（1）传声器：常用的声测量传感器有：动圈式、压电式和电容式。（2）声级计

22.声强测量：声强是声压和质点速度的时间平均积，并具有单位面积的声功率的概念，亦即：

（1）压力梯度，它虽是一个连续函数，但可用空间两靠近点的声压差除以两点间距离来近似表示，只要两点间的距离比声场中最短波长小得多时，就不会有多大误差，因此 式中，?r为A、B两点间的距离；pA,pB为A、B两点处的瞬时声压；?min为声场中声波最小波长。

23.实现声强测量的数学表达式： 24.温度的测量：

（1）温度是表征物体冷热程度的物理量，是物体内部分子无规则剧烈运动程度的标志。 （2）温标就是温度的数值表示的标尺，是温度的单位制。

25.摄氏温度t（oC）和华氏温度θ（oF）之间的关系为t?5/9(??32)。1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。按照国际温标ITS-90，摄氏温度t（oC）和国际开尔文温度T（K）之间的关系为t?T?273.16。

26.温度测量方法按照感温元件是否与被测介质接触，可以分为接触式与非接触式两大类。 27.接触式：集成温度传感器的基本工作原理：则Q1和Q2管的两个发射极和基极电压之差为 。K为波尔兹曼常数；q为电子电荷量；q为Q1和Q2管发射极的面积之比； T为绝对温度(K)。 集成温度传感器的工作原理图

该方法的缺点：反应时间长，滞后现象；传感器引用破坏原有的 温度场分布；运动物体测温时，不方便。

27.AD590集成温度传感器的应用举例

基本测温电路

如图4.98所示，是一个AD590集成温 度传感器测温的基本电路，它将电流信号 转化为电压信号输出，获得与温度成正比 的电压输出，其灵敏度为1mV/K。 ②几点最低温度及平均温度测量

将几块AD590串联使用，可测量几个 被测点的最低温度；当将几块AD590并联 使用时，可用来测量几个点的平均温度。

28.非接触式温度测量：任何物体受热后都将有一部分热量转变成辐射能（又称为热辐射），温度越高，辐射到周围的能量也就越多，而且两者之间满足一定的函数关系。通过测量物体辐射到周围的能量就可测得物体的温度，这就是非接触式温度测量的测量原理。由于非接触式温度测量是利用了物体的热辐射，故常常也称为辐射式温度测量。 29.非接触式温度测量系统一般由两部分构成：

（1）光学系统，用于瞄准被测物体，把被测物体的辐射集中到检测元件上。 （2）检测元件，用于把会聚的辐射能转换为电量信号。

非接触式温度传感器按传感器的输入量可分为辐射式温度传感器、亮度式温度传感器和比色温度传感器。

30.辐射式温度传感器分为全辐射温度传感器和部分辐射温度传感器。

31.温度传感器的典型应用：谷物温度测量仪、汽车空调控温电路与温度指示电路、CPU过热报警器、客房火灾报警器、液位报警器、多通道温度巡回检测系统、单片机温度检测系统。 32.流量的测量： 单位时间内通过管道某一截面的体积数或质量数称为流体的瞬时流量，而在一段时间范围内通过管道某一截面的体积数或质量数的总和称为流体的累积流量。因而流量可分为体积流量和质量流量。

33.体积流量QV：由于流体具有粘性，因此在某一截面上各点的流速分别并不均匀，流体速度v是指的流过某一截面流体的平均速度。（中间流速最快，平面的上层速度最快） 34.质量流量Qm：，质量流量可分为瞬时质量流量 和累积质量流量 ，分别用公式表示为 ， ，式中?为流体的密度（kg/m3）。 35.转速（速度）法测量流量是应用较多的流量测量方法，目前常见的利用转速（速度）法测量流量的流量传感器主要有：涡轮流量传感器，电磁流量传感器（根据法拉第原理设计的，它由均匀磁场、不导磁不导电材料的管道、管道截面上的导电电极和测量仪表四部分构成。其中磁场方向、电极连线和管道轴线在空间上互相垂直）。 36.差压（力）法测量流量：

（1）节流式流量传感器：节流式流量传感器具有结构简单、价格便宜、使用方便的优点，故是目前工业生产中应用最多的一种流量传感器，几乎占到工业中使用的流量传感器（计）的70%；但同时也存在线性易受流体密度的影响，管道中有压力损失，只适于洁净流体的测量等缺陷，因而不适合与航空有关领域的流体流量测量。

（2）转子流量传感器：当流体由上向下流动时，则在转子上产生压力差。流体的密度应比转子密度小。

37.频率法测量流量：频率法测量流量是把对流量的测量转化为对流体或流体流动时引起传感器（或其他设备）的运动部件的运动频率进行测量，从而测得流体流量。 （1）激光流量传感器：利用激光测量流量是基于多普勒原理，所谓多普勒原理就是光源（或接受光的观察者）相对于流体而运动，那么观察者所测得的流体流速不仅取决于光源，而且还取决于光源（或观察者）的运动速度大小和方向。 （2）光纤旋涡流量传感器 38.时差法流量测量：如图4.108所示为超声波流量传感器的工作原理示意图。其中T1和T2为两超声波发射器，R1和R2为分别对应的超声波接收器。其中发射器和接收器与管道内流体流动方向之间的夹角为?，流体流动速度为v，方向如图中所示。

L22vLcos?L1t?t?t?，， 2t1?2122c?vcos?c?(vcos?)c?vcos?所以?t?2vLcos?或 22c?v式中，L超声波发射器与接收器之间的直线距离；C为声 波声速；D超声波发射器与接收器之间在流速方向上的垂 直距离。

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