常用的传感器

1、现代测试技术现代测试技术段敏段敏 教授教授辽宁工业大学辽宁工业大学汽车与交通工程学院汽车与交通工程学院第第4 4章章 信息的转换信息的转换 -传感技术传感技术一、一、 人类认识事物的信息过程人类认识事物的信息过程思维器官 神经系统 神经系统 执行器官 外部事物 感觉器官 （存储、变换、处理、比较、分析、决策） 指令信息 信息 信息 效果信息 初始信息 物资能量 4.1 信息探测工程学及其发展概况信息探测工程学及其发展概况辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院二、人类感官获取信息的局限性二、人类感官获取信息的局限性1 1）感官机能）感官机能2 2）智力功能）智力功能辽宁工学院汽车与交通

2、学院辽宁工学院汽车与交通学院三、人类感官的延伸三、人类感官的延伸-传感系统传感系统温度温度 湿度湿度 酒精度酒精度逻辑 信息 噪声 检测 变换处理 识别 提取处理准则参考信息显示 存储记录 辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院四、传感技术的发展方向四、传感技术的发展方向 扩展感测信息的谱域扩展感测信息的谱域1 1）视觉与光传感器）视觉与光传感器2 2）听觉与声压传感器）听觉与声压传感器3 3）触觉与温度、压力传感器）触觉与温度、压力传感器5 5）味觉传感器）味觉传感器4 4）嗅觉传感器）嗅觉传感器辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院2. 2. 提高识别信息的智能提高识别

3、信息的智能1 1）动态测量）动态测量2 2）远距离、非接触测量）远距离、非接触测量3 3）特殊环境下测量）特殊环境下测量5 5）实时在线）实时在线4 4）微观分析）微观分析1. 传感器定义传感器定义传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。换成可供测量的信号。传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义目前，传感器转换后的信号大多为

4、电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。物理量物理量电量电量4.2 4.2 工程中常用传感器的分类工程中常用传感器的分类2. 传感器的构成传感器的构成传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。转换元件则把敏感元件的输出转换成并对信号进行转换输出。转换元件则把敏感元件的输出转换成电路参量，基本转换电路把转换元件的输出转换成电量

5、输出。电路参量，基本转换电路把转换元件的输出转换成电量输出。 dV4.2 4.2 工程中常用传感器的分类工程中常用传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类: :(2)(2)按工作原理分类按工作原理分类: :(3)(3)根据输出信号的性质分类根据输出信号的性质分类: :(4)(4)根据能量转换原理根据能量转换原理: :(5)(5)按信号变换特征按信号变换特征: :位移位移, ,力力, ,温度等温度等. .机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .物性型物性型, ,结构型结构型. .能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .模拟式模拟式,

6、,数字式数字式 . .一、一、 物性型与结构型传感器物性型与结构型传感器物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. . 例如例如: :水银温度计水银温度计, ,压电测力计压电测力计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .二、二、 能量转换型和能量控制型传感器能量转换型和能量控制型传感器能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温

7、度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. . 例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .常见的被测物理量常见的被测物理量 机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, ,旋转角旋转角, ,转数转数, , 质量质量, ,重量重量, ,力力, ,压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ; 声声: : 声压声压, ,噪声噪声. . 磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. . 温度

8、温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. . 光：光： 亮度，色彩亮度，色彩种种 类类被测量或被测对象被测量或被测对象位移、方位传感器位移、方位传感器节气门开度、废气再循环阀开度、车辆高度（悬架、位节气门开度、废气再循环阀开度、车辆高度（悬架、位移）、行驶距离、行驶方位移）、行驶距离、行驶方位速度、加速度传感器速度、加速度传感器车速（绝对值）、加速度车速（绝对值）、加速度转角、转速传感器转角、转速传感器曲轴转角、曲轴转速、转向盘转角、车轮速度曲轴转角、曲轴转速、转向盘转角、车轮速度压力传感器压力传感器进气歧管压力、大气压力、燃烧压力、发动机机油压力、进气歧管压力、大气压力、燃烧压力、

9、发动机机油压力、自动变速器油压、制动压力、各种泵压、轮胎压力自动变速器油压、制动压力、各种泵压、轮胎压力温度传感器温度传感器冷却液、排出气体（催化剂）、吸入空气、发动机机油、冷却液、排出气体（催化剂）、吸入空气、发动机机油、自动变速器油、车内空气、车外空气自动变速器油、车内空气、车外空气流量传感器流量传感器吸入空气量、燃料流量、废气再循环量、二次空气量、吸入空气量、燃料流量、废气再循环量、二次空气量、制冷剂流量制冷剂流量液量传感器液量传感器燃油、冷却液、电解液、机油、制动液燃油、冷却液、电解液、机油、制动液气体浓度传感器气体浓度传感器氧气、二氧化碳、氧气、二氧化碳、NOxNOx、HC HC 其

10、它传感器其它传感器转矩、爆燃、湿度、玻璃结霜、睡眠状态、蓄电池电压、转矩、爆燃、湿度、玻璃结霜、睡眠状态、蓄电池电压、蓄电池容量、日照、光照等蓄电池容量、日照、光照等常用传感器种类常用传感器种类 一、电阻式应变片一、电阻式应变片1. 1. 金属电阻应变片工作原理金属电阻应变片工作原理电阻应变片传感器简称电阻片或应变片。电阻应变片传感器简称电阻片或应变片。金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形所受机械变形(伸长或缩短伸长或

11、缩短)的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。 4.3 4.3 电阻应变片式传感器电阻应变片式传感器 应变片的构造和工作原理应变片的构造和工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR(1) (1) 当当 不变时不变时)21 ( RdAdldRARlR金属应变计金属应变计(2)(2)当当 变化时变化时ERRdddRdAlR半导体应变计半导体应变计2. 2. 应变片的主要参数应变片的主要参数 1）几何参数：表距）几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用bL 表示。表示。 2）电阻值：应变片的原始电阻值。）电阻值：应变片的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变

12、片变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。 4）其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 3. 3.应变片的种类与结构特点应变片的种类与结构特点 金属丝式金属丝式 金属箔式金属箔式 半导体半导体 薄膜薄膜优点优点:稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好.缺点缺点:灵敏度系数小灵敏度系数小.优点优点：应变灵敏度大：应变灵敏度大;体积小体积小;能能制成具有一定应变电阻的元件制成具有一定应变电阻的元件.缺点缺点：温度稳定性和可重复性不：温度稳定性和可重复

13、性不如金属应变片。如金属应变片。4. 4. 应变片传感器的应用应变片传感器的应用1 1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变2 2）将应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器）将应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器二、二、 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感的变化来实现测量的。化为电感的变化来实现测量的。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型200

14、2ANL a)可变导磁面积型b）差动型1 1）工作原理）工作原理（一）（一） 自感型自感型 1. 1. 可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动电磁感应原理电磁感应原理22200200002ANLAAAlRRNLRNiLiNimmmmmm自感为磁路总磁阻为则自感为磁路欧姆定律时，产生磁通当线圈通以电流（1）可变气隙厚度式）可变气隙厚度式2002ANL 20022ANS)21 (220200022002ANANS01210灵敏度灵敏度S S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系趋于定值，即输出与输入近似成线性关系 这种传感器适用于较小的位移测量，一般约为这种传感器适用于较

15、小的位移测量，一般约为0.0010.0011mm1mm。（2）变气隙导磁面积式）变气隙导磁面积式2002ANL 202NS 由于上式中各个参数的数值较小，所以，这种传感由于上式中各个参数的数值较小，所以，这种传感器的灵敏度较低。器的灵敏度较低。（3）差动式）差动式有两个完全相同的线圈和一个公共衔铁。衔铁移动时，有两个完全相同的线圈和一个公共衔铁。衔铁移动时，可以使两个线圈的间隙一个增加，一个减小。可以使两个线圈的间隙一个增加，一个减小。 （4）单螺管线圈式）单螺管线圈式当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单，制造

16、容易，但灵敏度低，适用变化。这种传感器结构简单，制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移（数毫米）测量，线性度较差。于较大位移（数毫米）测量，线性度较差。(5)双螺管线圈差动型传感器双螺管线圈差动型传感器2 2）测量电路）测量电路3 3）特点与应用）特点与应用交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 优点优点结构简单、可靠，需要的测量力小；结构简单、可靠，需要的测量力小；分辨力高，可测机械位移为分辨力高，可测机械位移为0.1m0.1m，甚至更小，角

17、位移为，甚至更小，角位移为0.10.1角秒。角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mmmV/mm；重复性好，线性度优良，在几十重复性好，线性度优良，在几十mm到数百到数百mmmm的位移范围内，的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定；输出特性的线性度较好，且比较稳定；采用适当结构的可变磁阻式传感器工作温度可以超过采用适当结构的可变磁阻式传感器工作温度可以超过300300，使其在高温环境下得到广泛使用，如在喷气发动机中检测使其在高温环境下得到广泛使用，如在喷气发动机中检测涡轮的转速。涡轮的转速。 缺点缺点 需要附加信号处理电路，会引起价格上升，同时，输出需

18、要附加信号处理电路，会引起价格上升，同时，输出信号的大小正比于磁通变化率，对于磁通变化率较小的场合信号的大小正比于磁通变化率，对于磁通变化率较小的场合（如所测量转速接近于零时）测量，使得信号处理电路设计（如所测量转速接近于零时）测量，使得信号处理电路设计很困难。很困难。 应用应用 案例：案例： 无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测1）工作原理）工作原理2 .2 .涡流式电感传感器涡流式电感传感器 电涡流传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中电涡流传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的的涡电流效应涡电流效应，有高频反射式和低频透射式两种。

19、，有高频反射式和低频透射式两种。 图411 低频透射式涡流传感器2）电涡流式传感器的特点及应用）电涡流式传感器的特点及应用 （1 1）电涡流式传感器的特点）电涡流式传感器的特点电涡流式传感器线圈厚度小，灵敏度高。增大外径时，测量范围也将增电涡流式传感器线圈厚度小，灵敏度高。增大外径时，测量范围也将增大，但灵敏度低；大，但灵敏度低；被测对象的材质对灵敏度有影响，电导率高的材料，测量的灵敏度高，被测对象的材质对灵敏度有影响，电导率高的材料，测量的灵敏度高，磁导率高的材料，测量的灵敏度小，因而必须先进行消磁处理；磁导率高的材料，测量的灵敏度小，因而必须先进行消磁处理；被测体形状对灵敏度的影响，要求被

20、测体的表面积应大于线圈的表面积，被测体形状对灵敏度的影响，要求被测体的表面积应大于线圈的表面积，否则灵敏度下降。否则灵敏度下降。（2 2）电涡流式传感器的应用）电涡流式传感器的应用案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数（二）（二）互感型互感型互感现象互感现象WW1W21）工作原理）工作原理2）测量电路）测量电路图417 差动相敏检波电路原理厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量3) 应用应用三、三、 电容式传感器电容式

21、传感器 （一）（一） 变换原理变换原理将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AC0+A 当被测量当被测量、A 或或发生变化时，都会引起电容的变化。如果发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。参数的变化变换为单一电容量的变化。. . 极板间距变化式极板间距变化式+000AC 时，在电容式传感器类型电容式传感器类型 0000000/1/CAAC变化时，发生20000

22、1ACCS灵敏度）的测量适用于（取m10001. 01 . 00. .面积变化式面积变化式: :角位移角位移式式, ,平面线位移平面线位移式式, ,柱面线位移柱面线位移式式. .+对于角位移式电容式传感器对于角位移式电容式传感器 220rC 222)(202020rrrC常数220rddCS对于平面线位移式电容式传感器对于平面线位移式电容式传感器 bxC0 xbbxxxbC000)(常数bdxdCS0. . 介质变化型介质变化型xxlbC000)(xxxxalbbaC)/ln()(2)/ln(200dDhdDhCx（二）（二） 测量电路测量电路.电桥电路电桥电路 . 直流极化电路直流极化电路

23、. 谐振电路谐振电路 .调频电路调频电路 . 运算放大器电路运算放大器电路 （三）（三） 电容式传感器特点与应用电容式传感器特点与应用输入能量小而灵敏度高输入能量小而灵敏度高电参量相对变化大电参量相对变化大 动态特性好动态特性好能量损耗小能量损耗小结构简单，适应性好结构简单，适应性好 非线性大非线性大电缆分布电容影响大电缆分布电容影响大（1） 电容式传感器特点电容式传感器特点（2） 电容式传感器应用电容式传感器应用案例：案例：电容传声器电容传声器 案例案例: :液面高度测量液面高度测量四、四、 压电式传感器压电式传感器 （一）（一） 压电效应压电效应 某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几

24、何尺寸会发生变某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。回到原来的状态，这种现象称为压电效应。压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。图示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为

25、光轴，通过六棱线而垂直于光轴的X轴称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。 辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院如果从石英晶体中切下一个平行六面体(如下图所示）并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性，若对其施力，则有几种不同的效应。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。 辽宁工学院汽车与

26、交通学院辽宁工学院汽车与交通学院最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。 如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷量将保持不变。这时在极板上积聚的电荷与力的关系为 q=DF（二）（二） 压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院 上式表明，电荷量与作用力成正比。当然，在作用力终止时，电

27、荷就随之消失。显然，若要测得力值F，主要问题是如何测得电荷值。值得注意的是：利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。 辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院（二）（二） 压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路+F+串联串联并联并联q=DF辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院 在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，

28、常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。 （三）（三） 测量电路测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方先输入到高输入阻抗的前置放大器中，

29、经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。可输入到后续显示仪表中。 前置放大器电路有两种形式：一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院（三）（三） 测量电路测量电路 另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。fffoiofoiifoiicaiCqKCCCKqeKeeCeeCeCeeCCCeq，则放大器中，传感器输出的电荷量为)()()(ffCCKC在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量在一

30、定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，可以不考虑电缆分布电容的影响，其灵敏度也不会有明显变化，可以不考虑电缆分布电容的影响，其灵敏度也不会有明显变化，这是电荷放大器突出的优点。这是电荷放大器突出的优点。在电荷放大器中，由于采用电容负反馈，对直流工作点相在电荷放大器中，由于采用电容负反馈，对直流工作点相对于开路，因此，放大器零点漂移比较大。为减小零漂，使电对于开路，因此，放大器零点漂移比较大。为减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容荷放大器工作稳定，一般在反馈电容Cf的

31、两端并联一个大电阻的两端并联一个大电阻Rf（约（约10101014），其作用是提供直流反馈并改善低频特），其作用是提供直流反馈并改善低频特性。性。压电式传感器属发电类传感器，在无需外界供电情况下，传感器受力后压电式传感器属发电类传感器，在无需外界供电情况下，传感器受力后即有电荷输出。即有电荷输出。与其它类型传感器相比，压电式传感器的最大特点是固有频率高，而且与其它类型传感器相比，压电式传感器的最大特点是固有频率高，而且频带很宽。对于普通的压电式压力或力传感器，其固有频率可达频带很宽。对于普通的压电式压力或力传感器，其固有频率可达60kHz60kHz左左右，如果进一步减小传感器零件质量及增大预紧

32、力，固有频率可高达右，如果进一步减小传感器零件质量及增大预紧力，固有频率可高达200kHz200kHz以上。因此，压电式传感器主要用于测量动态量。以上。因此，压电式传感器主要用于测量动态量。压电式传感器与电荷放大器配套时，低频响应很好，但传感器本身常因压电式传感器与电荷放大器配套时，低频响应很好，但传感器本身常因绝缘阻抗不够高而存在漏电现象，进而影响低频特性，因此电荷传感器绝缘阻抗不够高而存在漏电现象，进而影响低频特性，因此电荷传感器不适于测量静态量。不适于测量静态量。由于压电式传感器有很高的绝缘电阻，对传感器零件间和引出线插座及由于压电式传感器有很高的绝缘电阻，对传感器零件间和引出线插座及电

33、缆都要求采取严格的绝缘措施，要求使用绝缘性能良好的材料。电缆都要求采取严格的绝缘措施，要求使用绝缘性能良好的材料。此外，压电式传感器还具有结构简单、灵敏度高，信噪比大，工作可靠，此外，压电式传感器还具有结构简单、灵敏度高，信噪比大，工作可靠，体积小，质量轻、使用寿命长等优点。因此，目前在测量加速度和动态体积小，质量轻、使用寿命长等优点。因此，目前在测量加速度和动态压力、力方面得到广泛应用。压力、力方面得到广泛应用。（四）（四） 压电式传感器特点与应用压电式传感器特点与应用 （1）特点）特点（2） 应用应用b) 压力变送器压力变送器a) 加速度计，力传感器加速度计，力传感器 c) 测量振动测量振

34、动压电式传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中，压电式传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中，在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用。到了广泛的应用。 五、五、 磁电式传感器磁电式传感器 1. 工作原理工作原理 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势 磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度有磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电

35、动势。关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 dtdWe磁电式传感器类型磁电式传感器类型 磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N（一）（一） 动圈式传感器动圈式传感器 sinWBlve sinWBAe 辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院一般情况下，感应电动势经放大检波后即可推动显示一般情况下，感应电动势经放大检波后即可推动显示仪表。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那仪表。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。么还可以用来测量位移或加速度。辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院（二）磁阻式传感器（二）磁阻式传感器 磁阻

36、式传感器又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。其结构原理如下图所示。图a为开路变磁通式传感器，线圈和磁铁静止不动，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。 辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院（二）磁阻式传感器（二）磁阻式传感器 图b为闭合磁路变磁通式传感器结构示意图，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮转

37、速n(r/min)成正比，即f=n/60。 转向力矩传感器为磁阻式传感器，其磁性转子和转向柱连转向力矩传感器为磁阻式传感器，其磁性转子和转向柱连接块为一体，磁阻传感元件和转向小齿轮连接块为一体，当接块为一体，磁阻传感元件和转向小齿轮连接块为一体，当转动方向盘时，转向柱连接块和转向小齿轮连接块反向运动，转动方向盘时，转向柱连接块和转向小齿轮连接块反向运动，即磁性转子和磁阻传感元件反向运动，因此转向力矩的大小即磁性转子和磁阻传感元件反向运动，因此转向力矩的大小可以被测量出来并传递给控制单元，其工作原理如上图所示。可以被测量出来并传递给控制单元，其工作原理如上图所示。 图（三）（三） 磁电式传感器特

38、点与应用磁电式传感器特点与应用磁电式传感器把被测量的变化转变为感应电动势，是磁电式传感器把被测量的变化转变为感应电动势，是一种机一种机- -电能量变换型传感器，不需要外部提供电源，电电能量变换型传感器，不需要外部提供电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围范围( (一般为一般为10 Hz10 Hz1000Hz)1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。由上述工作等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。原理可知，

39、磁电感应式传感器只适用于动态测量。（1）磁电式传感器特点）磁电式传感器特点（2） 磁电式传感器应用磁电式传感器应用测速电机测速电机磁电式车速传感器磁电式车速传感器辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院一、磁电转换元件一、磁电转换元件 4.4.半导体敏感元件半导体敏感元件1. 霍尔效应霍尔效应 siniBkVHH霍尔电动势，霍尔元件置于霍尔元件置于磁场中，通以磁场中，通以电流，在垂直电流，在垂直于电流和磁场于电流和磁场方向上产生电方向上产生电动势，即霍尔动势，即霍尔效应效应2. 测量电路测量电路 霍尔元件有分立元件型和集成型。分立元件是由单晶体制霍尔元件有分立元件型和集成型。分立元件是

40、由单晶体制成的，已普遍采用。集成霍尔元件是利用硅集成电路工艺制造，成的，已普遍采用。集成霍尔元件是利用硅集成电路工艺制造，其敏感部分与变换电路制作在同一基片上。其敏感部分与变换电路制作在同一基片上。 3. 霍尔传感器的特点及应用霍尔传感器的特点及应用 （1）霍尔式传感器特点）霍尔式传感器特点霍尔元件由于结构简单，体积小，频带宽，动态特性好，寿命长等许霍尔元件由于结构简单，体积小，频带宽，动态特性好，寿命长等许多优点。特别是霍尔传感器的输出是由磁通量决定的，所以，这种传感器多优点。特别是霍尔传感器的输出是由磁通量决定的，所以，这种传感器可以测量任意慢速运动的被测对象。可以测量任意慢速运动的被测对

41、象。但霍尔传感器的工作温度范围一般在但霍尔传感器的工作温度范围一般在40150，而且需要外接电，而且需要外接电源，这一点不及可变磁阻式传感器，限制了其应用。源，这一点不及可变磁阻式传感器，限制了其应用。 （2）霍尔式传感器应用）霍尔式传感器应用自动变速器上的速度传感器自动变速器上的速度传感器辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院2. 磁阻元件磁阻元件 二、二、 光电式传感器光电式传感器 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于

42、一些物质的光电效应。一些物质的光电效应。 1. 光电式传感器工作原理光电式传感器工作原理（1）外光电效应）外光电效应 在光线作用下在光线作用下,物质内的电子逸出物体物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象表面向外发射的现象,称为外光电效应。称为外光电效应。 （2）内光电效应）内光电效应 受光照物体受光照物体( (通常为半导体材料通常为半导体材料) )电导率电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。 （3）光生伏特效应）光生伏特效应 光生伏特效应指半导体材料光生伏特效应指半导体材料P-NP-N结受到结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。因此光生

43、伏特型光电光照后产生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器件是自发电式的器件是自发电式的, ,属有源器件。以可见光作光源的光电池属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件是常用的光生伏特型器件, ,硒和硅是光电池常用的材料硒和硅是光电池常用的材料, ,也可也可以使用锗。以使用锗。 2. 光电传感器的类型光电传感器的类型光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。反射式、辐射式四种基本形式。 (1) 模拟式光电传感器模拟式光电传感器（2）脉冲式光电传感器）脉冲式光电传感器 光敏电阻光敏电阻 光导效

44、应是指半导体材料受光导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子到光照时会产生电子-空穴对空穴对,使其使其导电性能增强导电性能增强,光线愈强光线愈强,阻值愈低阻值愈低,这种光照后电阻率发生变化的现这种光照后电阻率发生变化的现象象,称为光导效应。基于这种效应称为光导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。极管、光敏三极管。 光电管是利用外光电效应工光电管是利用外光电效应工作的，分为真空光电管和充气光作的，分为真空光电管和充气光电管，也称电子光电管和离子光电管，也称电子光电管和离子光电管两类。电管两类。光电管光电管光电池光电池 光生伏特效应指半导体材

45、料光生伏特效应指半导体材料P-NP-N结受到光照后产生一定方结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。伏特型器件。+-PN光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，其基本光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，其基本结构也是一个结构也是一个PNPN结，如图所示。它们的工作原理同样是基于结，如图所示。它们的工作原理同样是基于内光电效应。与光电池相比，重要的不同点是结面积小，因内光电效应。与光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此频率特性特别好。此频率特性特别好。光敏晶体管光敏晶体管 3. 光电式传感器应

46、用光电式传感器应用它可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光它可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来检验能转换成照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来检验能转换成光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。等。 电动助力转向系统（电动助力转向系统（EPS）上使用的光电传感器）上使用的光电传感器光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。

47、与光敏晶体管组合来测量位移。亮度传感器亮度传感器通过检测周围环境的亮度，再与内部设通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目有效利用自然光线，达到节约电能的目的。的。三、三、 热敏传感器热敏传感器1. 热电偶传感器热电偶传感器（1）热电势）热电势 热电式热电式热电效应，热电偶热电效应，热电偶热电阻式热电阻式热电阻效应，金属热电阻、半热电阻效应，金属热电阻、半导体热电阻导体热电阻热敏传感器热敏传感器TT 0自由端自由端工作端工作端)()(),(),()()(),(00000TeTeTTeTTeTeTeT

48、TEABABBAABABAB回路中热电偶总电动势接触电势接触电势温差电势温差电势（2）热电偶基本定律）热电偶基本定律 均质导体定律：如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，均质导体定律：如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。无论两接点的温度如何，热电动势为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同(称为称为同名极检验法同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。，也可以检查热电极材料的均匀性。 中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的

49、两接点温度相同，则回路中总的热电势不变，第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电势不变，如图如图4 45252所示。所示。 (a)(a)热电偶的接点处接入中间导体热电偶的接点处接入中间导体 （b b）一个热电极中接入中间导体一个热电极中接入中间导体 标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成的标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则由这两种导体组成的热电热电偶所产生的热电势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电势也就已知。偶所产生的热电势也就已知。),(),(),(000TTETTETTECBACAB),(),(),(00TTETTETTEnA

50、BnABAB中间温度定律中间温度定律 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电势与连接点温度无关，连接的两点温度相同，则总回路的热电势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。只与延长以后的热电偶两端的温度有关。（3）热电偶的类型）热电偶的类型 热电偶类型热电偶类型标准化热电偶（指

51、国家已经定型批量生产标准化热电偶（指国家已经定型批量生产的热电偶）的热电偶）非标准化热电偶（用于特殊用途）非标准化热电偶（用于特殊用途） （4）热电偶的特点）热电偶的特点测量精度高，因热电偶直接与被测对象接触，不受中间测量精度高，因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响；介质的影响；测量范围广，常用的热电偶从测量范围广，常用的热电偶从-50+1600均可连续测量均可连续测量 ；热电偶要求冷端温度恒定，所以在汽车上应用有限。热电偶要求冷端温度恒定，所以在汽车上应用有限。 2. 热电阻传感器热电阻传感器原理：热阻效应金属导体或半导体的电阻率随温度变化而原理：热阻效应金属导体或半导体的电阻率随

52、温度变化而变化的特性变化的特性 热电阻传感器热电阻传感器 金属热电阻金属热电阻 半导体热电阻热敏电阻半导体热电阻热敏电阻 (1)金属热电阻金属热电阻金属热电阻测温是根据金属导体的电阻值随温度变化的性金属热电阻测温是根据金属导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。在振动严重的情况下容易出现破损，这种传感器在汽车上在振动严重的情况下容易出现破损，这种传感器在汽车上应用较少。应用较少。 典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。度特性如图

53、所示。 (2) 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻热敏电阻负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻NTCNTC随温度升高其阻抗下降随温度升高其阻抗下降正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻PTCPTC温度超过某一温度后其阻抗急剧温度超过某一温度后其阻抗急剧增加的增加的临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻CTRCTR温度超过某一温度后其阻抗减小的温度超过某一温度后其阻抗减小的热敏电阻是非线性元件，其温度热敏电阻是非线性元件，其温度- -电阻关系是指数关系，通过热敏电阻电阻关系是指数关系，通过热敏电阻的电流和热敏电阻两端的电压不服从欧姆定律。的电流和热敏电阻两端的电压不服从欧姆定律。 辽宁工学院汽车与交通学

54、院辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院热敏电阻与金属丝电阻比较，具有下述优点：热敏电阻与金属丝电阻比较，具有下述优点：电阻温度系数大，灵敏度高，可测电阻温度系数大，灵敏度高，可测0.0010.0010.0050.005微小温度的微小温度的变化，比金属热电阻大变化，比金属热电阻大1010100100倍。由于灵敏度高，可以大大倍。由于灵敏度高，可以大大降低对后面调理电路的要求；降低对后面调理电路的要求；热敏电阻元件可制成片状、柱状，直径可达热敏电阻元件可制成片状、柱状，直径可达0.5mm0.5mm，由于结构，由于结

55、构简单，体积小，可测量点温度；简单，体积小，可测量点温度；热惯性小，响应速度快，时间常数可小到毫秒级，适宜动态测热惯性小，响应速度快，时间常数可小到毫秒级，适宜动态测量；量；元件本身的电阻可达元件本身的电阻可达3 3700k700k，在远距离测量时，导线电阻，在远距离测量时，导线电阻的影响可不考虑；的影响可不考虑；结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动，易于实现远距离结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动，易于实现远距离测量。测量。由于上述优点，这种传感器在汽车上得到了广泛应用。由于上述优点，这种传感器在汽车上得到了广泛应用。注意：除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合注意：除特殊高温热

56、敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0 0150150范围的温度测量。范围的温度测量。4. 热电式传感器的应用热电式传感器的应用3. PN结结半导体半导体PNPN结温度传感器是利用晶体二极管和晶体三极管的结温度传感器是利用晶体二极管和晶体三极管的PNPN结的结电压降随温度变化的特性而制成的温度敏感元件。结的结电压降随温度变化的特性而制成的温度敏感元件。PNPN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和轻巧结温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和轻巧等特点，在温度测量数字化、温度控制以及用微机进行温度实等特点，在温度测量数字化、温度控制以及用微机进行温度实时信号处理等方面，乃是其他温度传感器所

57、不能相比的。时信号处理等方面，乃是其他温度传感器所不能相比的。 热电偶、金属热电阻和热敏电阻等都可以用作温度传感热电偶、金属热电阻和热敏电阻等都可以用作温度传感器，各有优缺点，在汽车测试中得到了不同程度的应用。器，各有优缺点，在汽车测试中得到了不同程度的应用。温控器温控器热敏电阻热敏电阻辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院三、三、 气敏电阻传感气敏电阻传感器器（1） 气敏传感器及其分类气敏传感器及其分类 气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。在现代社会的生产和生活中，会接触到各种各样的气体，需要进行检测和控制。

58、比如化工生产中气体成分的检测与控制、煤矿瓦斯浓度的检测与报警、环境污染情况的监测、煤气泄漏、火灾报警、燃烧情况的检测与控制等。 气敏传感器的种类较多，主要包括敏感气体种类的气敏传感器、敏感气体量的真空度气敏传感器，以及检测气体成分的气体成分传感器。 辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院(2) 半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理 半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。半导体气敏传感器大体上可分为两类：电阻式和非电阻式。电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡(SnO2)、氧化锰(MnO2)等

59、金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然气、沼气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院(3) 应用应用 气敏传感器广泛应用于防灾报警，如可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、CO等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院 气敏传感器应用较广泛的

60、是用于防灾报警，如煤气、气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体气体测量、酒精浓度探测等方面。测量、酒精浓度探测等方面。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院七七. 电荷耦合器件电荷耦合器件- CCD固态图象传感器固态图象传感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构是在光敏元的结构是在半导体半导体(P型硅型硅)基片上形成一种氧化物基片上形成一种氧化物(如二氧化硅如二氧化硅)，在氧，在氧化物