传感自动检测技术期末复习说明

1、1传感器与自动检测技术传感器与自动检测技术复复 习习2第第1章传感器的基本知识章传感器的基本知识1传感器定义传感器定义传感器是与人的感觉器官相对应的元件。传感器是与人的感觉器官相对应的元件。 国家标准国家标准gb 7665-87对传感器下的定义是对传感器下的定义是: “传感器是指能够感受规定的被测量，并按照一定的传感器是指能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。规律转换成可用输出信号的器件或装置。” 具体的说，传感器就是利用物理效应、化学效应、生具体的说，传感器就是利用物理效应、化学效应、生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换物效应，把被测的物理量、

2、化学量、生物量等非电量转换成电量的器件或装置。成电量的器件或装置。3传感器传感器通常由敏感元件和转换元件组成。通常由敏感元件和转换元件组成。传感器组成方块图传感器组成方块图4传感器的分类：传感器的分类：按输入量分类按输入量分类:位移传感器、速度传感器、温度传感位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等器、压力传感器等按工作原理分类按工作原理分类:应变式、电容式、电感式、压电式、应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等热电式等按物理现象分类按物理现象分类:结构型传感器、特性型传感器结构型传感器、特性型传感器按能量关系分类按能量关系分类:能量转换型传感器、能量控制传感器能量转换型传感器、能量

3、控制传感器按输出信号分类按输出信号分类:模拟式传感器、数字式传感器模拟式传感器、数字式传感器51.21.2传感器的特性传感器的特性传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其基本特性，输入输出特性是其基本特性，输入输出特性是传感器的外部特性，输出特性是传感器的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。即输入量和输出量的对应关系。|线性度线性度：输入输入输出的线性程度输出的线性程度|迟滞迟滞：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞。中输出与输入

4、曲线不重合时称为迟滞。|重复性：重复性：传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。时所得特性曲线不一致的程度。|灵敏度灵敏度：传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。量之比。|分辨率分辨率：传感器能检测到的最小的输入增量。传感器能检测到的最小的输入增量。|阈值阈值：在传感器输入零点附近的分辨率称为在传感器输入零点附近的分辨率称为阈值阈值。传感器的静态特性传感器的静态特性6稳定性：稳定性：传感器在长时间工作情况是输出量发生的传感器在长时间工作情况是输出量发生的变化。变化。温度

5、稳定性：温度稳定性：又称为温度漂移。它是指传感器在外又称为温度漂移。它是指传感器在外界温度变化情况下输出量发生的变化。界温度变化情况下输出量发生的变化。静态误差：静态误差：传感器在其全量程内任一点的输出值与传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。其理论输出值的偏离程度。传感器的动态特性传感器的动态特性研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。经常采用的输入态响应法和频率响应法来分析。经常采用的输入信号为单位阶跃输入量和正弦输入量。信号为单位阶跃输入量和正弦输入量。7第第2 2章力、压力传感器章力、压力传感器

6、（一）（一） 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器：电阻式传感器：基本原理是将被测量（物理量）的变化转基本原理是将被测量（物理量）的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。量值的变化。应用范围：测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭应用范围：测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。矩、测温度等测试系统。2.12.1电位器式传感器电位器式传感器是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件一定函数关系的电阻或电压

7、输出的传感元件。它们主。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。测量电路：测量电路：电桥电桥82.1.1 2.1.1 应变效应应变效应 92.2 应变片式传感器应变片式传感器电阻应变片的工作原理：电阻应变片的工作原理：基于电阻应变效应，即在导体基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。只要测出只要测出 r r / /r r 或或 r r的数值，即可获知试件受力的数值，即可获知试件受力的大的大小小测量电路：电桥测量电路：电桥单臂电桥单臂电桥双臂电桥双臂电桥四臂全桥四臂全桥

8、用电路分析的方法分析电桥的灵敏度用电路分析的方法分析电桥的灵敏度应用范围：测力、测压、称重、测位移、测加速度、测应用范围：测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、扭矩、alrfrfrr或10 urrru240urrru20urru20urrrru22042urru0感受应变的感受应变的应变片数应变片数线路连接线路连接 输入输出关系输入输出关系 性能性能 1 1片片 非线性非线性 2 2片片 非线性非线性 2 2片片 线性线性 2 2片片非线性非线性4 4片片线性线性表表2-1 2-1 列出了电阻应变片连接方式、输入输出关系及性能列出了电阻应变片连接方式、输入输出关系及性能11 ）（1022

9、1 )rrx12）（112 exll ）（12221 )errxl13）（142 errklxb14压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。于压电材料的压电效应。第第2章力、压力传感器章力、压力传感器（二）（二） 压电式传感器压电式传感器 压电效应：压电效应：某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当

10、作用力方向改变电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。消失，称为逆压电效应。 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷

11、将由于率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。表面漏电而很快泄漏、消失。 压电式传感器只能用于动态测量压电式传感器只能用于动态测量!15压电材料：压电材料：压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 一类是压电晶体（如石英晶体）；一类是压电晶体（如石英晶体）； 另一类是另一类是 经过极经过极化处理的化处理的 压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。测量电路：电压放大器：其输出电压与输入电压测量电路：电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元压电元件的输出电压件的输出电压)成正比。成正比。电荷放大

12、器：其输出电压与输入电荷成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。应用：压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最应用：压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。终能转换为力的多种物理量。（动态量）（动态量） 在检测技术中，常用来测量力、振动和加速度。在检测技术中，常用来测量力、振动和加速度。16第第2章力、压力传感器章力、压力传感器（三）（三） 电容式传感器电容式传感器工作原理：工作原理： 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为器，如果不考虑其边缘效应，其电容为c= c= s s

13、/d /d 由上式可知，改变电容由上式可知，改变电容c c的方法有三种，其一为改变的方法有三种，其一为改变介质的介电常数介质的介电常数；其二为改变形成电容的有效面；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板间的距离。而得到电参数积；其三为改变两个极板间的距离。而得到电参数的输出为电容值的增量的输出为电容值的增量cc，这就成了电容式传感器。，这就成了电容式传感器。 测量电路：一般归结为两大类型测量电路：一般归结为两大类型1、调制型（调频、调幅、电桥等）、调制型（调频、调幅、电桥等） 2、脉冲型、脉冲型(或称为电容充放电器或称为电容充放电器)应用：测量力、压力、压差、物位等。应用：测量力、压

14、力、压差、物位等。17 电感式传感器：电感式传感器：是利用线圈是利用线圈自感或互感的变化来实现测量自感或互感的变化来实现测量的的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。矩、应变等多种物理量。 电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场作为媒介量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕

15、组。绕组。3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器的工作原理：自感式传感器的工作原理：是利用线圈自感的变化来实现测量的是利用线圈自感的变化来实现测量的一种装置。将被测参数的变化转换成自感的变化。一种装置。将被测参数的变化转换成自感的变化。00022lswl 变变s0、变、变l0 使的使的l变化变化第第2章力、压力传感器章力、压力传感器（四）（四） 电感式传感器电感式传感器18|自感式传感器测量电路：自感式传感器测量电路： | 自感式传感器实现了把被测量的变化自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了送入下

16、级电路进行放大变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理。就要用转换电路把电感变化转换和处理。就要用转换电路把电感变化转换成电压成电压( (或电流或电流) )变化。把传感器电感接入变化。把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将不同的转换电路后，原则上可将电感变化电感变化转换成电压转换成电压( (或电流或电流) )的幅值、频率、相位的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。电路。 19uszizxuo阻抗型传感器测量电路iixouzzuslrdsc00022lswl 电阻式传感器电容式传感器电感式传感器203.23.2变压器式传感器变压器

17、式传感器工作原理：工作原理：变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感m m的一种磁的一种磁电机构，很象变压器的工作原理，因此常称变压器式传电机构，很象变压器的工作原理，因此常称变压器式传感器。感器。这种传感器多采用差动形式。这种传感器多采用差动形式。气隙型差动变压器式传感器气隙型差动变压器式传感器截面积型差动变压器式传感器截面积型差动变压器式传感器21差动变压器式传感器测量电路差动变压器式传感器测量电路1 1、相敏检测电路：、相敏检测电路：如果在输出电压送到指如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，

18、则不但可以反映位移的大小（的幅值），还则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路电路称为相敏检波电路。2 2、差分整流电路、差分整流电路3 3、零点残余电压的电路、零点残余电压的电路电感式传感器应用：可以用来测量位移、振电感式传感器应用：可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。物理量。223.3 3.3 涡流式传感器涡流式传感器工作原理：工作原理： 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，

19、称之为电涡流或涡流。这种现象称为生感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。础上建立起来的。 当电涡流线圈与金属板的距离当电涡流线圈与金属板的距离x 减小时，电涡流线圈的等减小时，电涡流线圈的等效电感效电感l 减小，等效电阻减小，等效电阻r 增大。感抗增大。感抗xl 的变化比的变化比 r 的变化的变化 大大 得得 多，流过电涡流线圈的电流多，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。增大。 23涡流式传感器的测量电路：涡流式传感器的测量电路：被测量数变化可以转换成传感器线圈的品质被测量数变化可以转换

20、成传感器线圈的品质因素因素q q、等效阻抗、等效阻抗z z和等效电感和等效电感l l的变化。转换的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电压或电电路的任务是把这些种参数转换为电压或电流输出。流输出。一、桥路一、桥路 二、谐振调幅电路二、谐振调幅电路三、谐振调频电路三、谐振调频电路 应用：测量振动、位移、转速、测厚及探伤应用：测量振动、位移、转速、测厚及探伤等等24第第3 3章章 温度传感器温度传感器热电式传感器的定义：热电式传感器是将温度变化转换为电量变化热电式传感器的定义：热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达的装置，它利用敏感元件

21、的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。到测量目的。3.1 热电阻热电阻|热电阻测温的原理热电阻测温的原理：电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数：电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数|测温范围测温范围:-200+5000c|特点特点: 精度高，适宜于测低温精度高，适宜于测低温热电阻的材料：铂电阻、铜电阻热电阻的材料：铂电阻、铜电阻 铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度当温度t在在200 t 0时：时： )100(1 320ttctbtarrt当温度当温度t在在0 t 650时：时： 1 20tbtarrt铜电阻的阻

22、值与温度之间的关系为铜电阻的阻值与温度之间的关系为)1 (0trrt热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路热电阻测温电桥采用三线制接法，线路电阻变化不会影响测量精热电阻测温电桥采用三线制接法，线路电阻变化不会影响测量精度，即不会产生温度误差。度，即不会产生温度误差。25cdi1i2求出求出c、d间的开路电压间的开路电压ucd=i1(r3+r3)-i2(rt+r2+ra) = i1r3 + i1r3 -i2rt - i2r2 -i2 ra3311rrreitarrrrei222图8-2 热电阻测温电桥的三线连接法在电路设计时，使在电路设计时，使i1 = i2

23、； ucd=i1r3-i2(rt+ra) 与线路电阻与线路电阻r2、r3无关。无关。以以cd作为电桥的输出，接后续电路，线路电阻变化不影响电桥的输出电压，作为电桥的输出，接后续电路，线路电阻变化不影响电桥的输出电压，即不会产生温度误差。调零时使即不会产生温度误差。调零时使r3=rt+ra；有；有ucd=0263.2 热电偶热电偶工作原理：工作原理：利用热电效应进行温度测量。利用热电效应进行温度测量。热电效应：热电效应：两种不同的导体两种不同的导体a、b串接成一个闭合回路，使两个接串接成一个闭合回路，使两个接点处于不同的温度，回路中就会有电势产生，这一现象称为热电效点处于不同的温度，回路中就会有

24、电势产生，这一现象称为热电效应。应。热电偶的结构：热电偶的结构：两种不同的导体焊接而成。两种不同的导体焊接而成。对于匀质导体对于匀质导体a、b组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和。势之和。如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同(tt0)。但总输。但总输出电势仍为零。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。出电势仍为零。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零。如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零。 热电势的大小只与材料和结点温度有关，与

25、热电偶的尺寸、形状热电势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。及沿电极温度分布无关。27热电偶基本规律热电偶基本规律1、中间导体定律、中间导体定律 在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。可么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。可用式子表示为：用式子表示为： eabc(t,t0)=eab(t,t0)tabct0t0282、标准电极定律：、标准电极定律： 如果将导体如果将导体c(热电极，一般为纯铂丝热电极，一般为纯铂丝)作为标准电极作为标准电极(也称参考

26、电也称参考电极极)，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度温度(t，t0)下，任意两导体下，任意两导体a、b组成的热电偶，其热电势可由下组成的热电偶，其热电势可由下式求得式求得 eab(t,t0)=eac(t,t0)-ebc(t,t0)t ta ab bc ct t0 0c ca ab bt t0 0t t0 0t tt t29 连接导体定律和中间温度定律连接导体定律和中间温度定律 3、连接导体定律：、连接导体定律： 在热电偶回路中，如果热电极在热电偶回路中，如果热电极a、b分别与连接导线分别与连接导线a、b相连接，结点温

27、度分别为相连接，结点温度分别为t t、t tn n、t t0 0 ，那么回路的热电，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势势将等于热电偶的热电势e eabab( (t,tt,tn n ) ) 与连接导线与连接导线a、b在在温度温度t tn n、t t0 0 时热电势时热电势 e ea ab b( (t,tt,tn n ) ) 的代数和的代数和(见图见图8-10)，即即 eabba(t,tn,t0)=eab(t,tn)+eab(tn,t0)t ta ab bt tn nt t0 0t tn nab30 连接导体定律和中间温度定律连接导体定律和中间温度定律 4、中间温度定律：、中间温度定律：如果材料

28、如果材料a与与a相同，相同，b与与b相相同，热电偶在结点温度为同，热电偶在结点温度为t t、t t0 0时的热电势值时的热电势值e eabab(t,t(t,t0 0 ) )，等于热电偶在，等于热电偶在(t,t(t,tn n ) ) 、 (t(tn n,t,t0 0 ) ) 时相时相应的热电势应的热电势eab(t,t(t,tn n ) )与与 eab(t(tn n,t,t0 0 ) ) 的代数和。的代数和。如下式所示：如下式所示： eab(t,tn,t0)=eab(t,tn)+eab(tn,t0) （8-12） t ta ab bt tn nt t0 0t tn nabt ta ab bt tn

29、 nt t0 0t tn naba=ab=b热电偶延长导线(补偿导线)的理论依据313233热电偶参考端温度热电偶参考端温度 热电偶分度表给出的是在冷端为零度时的值，如果冷端热电偶分度表给出的是在冷端为零度时的值，如果冷端不为零度时必须进行修正。不为零度时必须进行修正。 热电偶参考端温度为热电偶参考端温度为tn时的补正方法时的补正方法 1、热电势补正法、热电势补正法由中间温度定律得知，参考端温度为由中间温度定律得知，参考端温度为tn时的热电势为：时的热电势为：eab（t，tn)= eab（t，t0)- eab（tn，t0)，当当参考端温度参考端温度t tn n 不等于零时热电偶的热电势将不等于

30、不等于零时热电偶的热电势将不等于e eabab（t t，t t0 0) )而引入误差。而引入误差。补正方法：将测量到的热补正方法：将测量到的热电势电势eab（t，tn)加上加上eab（tn，t0) 就可获就可获得所需的得所需的eab（t，t0)， eab（tn，t0) 可通过查分度表获得。可通过查分度表获得。即：即： eab（t，t0)= eab（t，tn) +eab（tn，t0)342、调整仪表起始点法、调整仪表起始点法采用直读式仪表时，先测量出参考端温度采用直读式仪表时，先测量出参考端温度tn ，并在测，并在测量线路短路时将仪表的起始点调整到量线路短路时将仪表的起始点调整到tn处即可。处即

31、可。 3 3、电桥补偿法：是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来、电桥补偿法：是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，冷端补偿器35冷端延长线法：冷端延长线法：被测量点与指示仪表之间往往有很长的距离，热电偶冷端位于生被测量点与指示仪表之间往往有很长的距离，热电偶冷端位于生产现场温度变化较大，热电偶材料较贵，采用冷端延长线将热电产现场温度变化较大，热电偶材料较贵，采用冷端延长线将热电偶的冷端延长到控制室中，温度较稳定，便于补偿。偶的冷端延长到控制室中，温度较稳定，便于补偿。1000c以下热电偶的热电势与响应

32、补偿导线的热电势近似相等。以下热电偶的热电势与响应补偿导线的热电势近似相等。tabtmtn二次二次仪表仪表生产生产现场现场控制室控制室冷端延长导线（冷端补偿导线）冷端延长导线（冷端补偿导线）abtmtn冷端冷端补偿补偿器器生产生产现场现场控制室控制室冷端延长导线（冷端补偿导线）冷端延长导线（冷端补偿导线）二次二次仪表仪表在二次仪表中补偿利用冷端补偿器补偿36 热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化。其特点是电阻随温度变化而显著变化。 利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成

33、由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结而由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结而 电阻与温度之间的关系可用下面公式来表示电阻与温度之间的关系可用下面公式来表示:r = aeb/t优优 点：点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单。结构简单。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差缺点：线性度较差，复现性和互换性较差3.3 热热 敏敏 电电 阻阻37正温度系数正温度系数(ptc)负温度系数负温

34、度系数(ntc) 临界温度系数临界温度系数(ctr)热敏电阻分类：应用：应用：利用热敏电阻对温度变化的高度敏感性能，可以制成利用热敏电阻对温度变化的高度敏感性能，可以制成测量点温、反应迅速的点温计。测量点温、反应迅速的点温计。测量电路：测量电路：根据具体的应用而定，温度控制：开关型、连续型、根据具体的应用而定，温度控制：开关型、连续型、带可控硅等等。带可控硅等等。38第4章 位移、物位传感器电位器式位移传感器电位器式位移传感器将机械位移转换为与其有一将机械位移转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起电路中输出定函数关系的电阻值的变化，从而引起电路中输出电压的变化。电压的变化。 光栅位移

35、传感器工作原理光栅位移传感器工作原理莫尔条纹：如果把两块莫尔条纹：如果把两块栅距栅距w w相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之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间有较小的夹角，这时光栅上会出现若干条明暗，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹。相间的条纹。 39莫尔条纹有两个重要的特性：莫尔条纹有两个重要的特性：（1 1）位移的方向性；）位移的方向性；（2 2）放大作用）放大作用 磁栅位移传感器磁栅位移传感器电磁感应原理，当线圈在一个周电磁感应原理，当线圈在一个周期性磁体表面附近匀速运动时，线圈上就会产生不期性磁体表面附近匀速运动时，线圈上就会产生不断变化的感应电动势。断变化

36、的感应电动势。 接近传感器接近传感器具有感知物体接近能力的器件。它利具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对接近的物体具有敏感特性来识别物用位移传感器对接近的物体具有敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号。体的接近，并输出相应开关信号。40光栅式传感器光栅式传感器工作原理：（测量位移或角度）光栅：光栅：在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，这在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。或者说：等节距的种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。或者说：等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件称为光栅。透光和不透

37、光的刻线均匀相间排列构成的光学元件称为光栅。计量光栅：计量光栅：利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量称为计量光栅。利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量称为计量光栅。 （角度）（角度）（转动）41计量光栅的种类：计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。计量光栅的种类：计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。按基体材料的不同主要可分为金属光栅和玻璃光栅；按刻线的形按基体材料的不同主要可分为金属光栅和玻璃光栅；按刻线的形式不同可分为振幅光栅和相位光栅；按光线的走向又可分为透射式不同可分为振幅光栅和相位光栅；按光线的走向又可分为透射光栅和反射光栅；按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。光栅和反射光栅；按其

38、用途可分为长光栅和圆光栅两类。莫尔条纹：莫尔条纹：均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动42横向莫尔条纹重要特性横向莫尔条纹重要特性:莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系莫尔条纹具有位移放大作用莫尔条纹具有位移放大作用 莫尔条纹具有平均光栅误差作用莫尔条纹具有平均光栅误差作用特例：当特例：当 =0, w1=w2 莫尔条纹间距莫尔条纹间距b= 光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距同步

39、性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角放大性：夹角很小很小 bw 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距b 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 43光栅的光光栅的光电信号转换原理电信号转换原理光栅输出电压信号的幅值为光栅位移量光栅输出电压信号的幅值为光栅位移量x的函数，即的函数，即将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路

40、和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积。当式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积。当栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小。栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小。辨向原理：辨向原理：在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数，这向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。完成这样一个辨向任务

41、的电路就是样就能得到正确的测量结果。完成这样一个辨向任务的电路就是辨向电路。辨向电路。细分电路细分电路 ：辨向逻辑电路的分辨力为一个光栅极距辨向逻辑电路的分辨力为一个光栅极距w，为了提高分，为了提高分辨力，可以增大刻线密度来减小栅距，但这种办法受到制造工艺的辨力，可以增大刻线密度来减小栅距，但这种办法受到制造工艺的限制。另一种方法是采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出限制。另一种方法是采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的几个脉冲，从而使分辨率提高到均匀分布的几个脉冲，从而使分辨率提高到wn。应用：测量位移、角度。应用：测量位移、角度。444.2 磁栅传感器磁栅传感器(magn

42、etic grating transducer) 磁栅传感器由磁栅（即磁盘）、磁头和检磁栅传感器由磁栅（即磁盘）、磁头和检测电路组成。磁栅用于记录一定功率的正弦或测电路组成。磁栅用于记录一定功率的正弦或矩形信号；磁头的作用是读写磁栅上的磁信号，矩形信号；磁头的作用是读写磁栅上的磁信号，并转换为电信号。并转换为电信号。4.2.1.磁栅的结构磁栅的结构磁栅结构如图磁栅结构如图12-11所示。所示。 45 （a）尺形长磁栅；（b）带形长磁栅（c）同轴形长磁栅；（d）圆磁栅图1211 几种常用的磁栅结构464.2.2 磁栅传感器的工作原理磁栅传感器的工作原理 磁栅传感器的磁头一般分为静态和动态两种，磁

43、栅传感器的磁头一般分为静态和动态两种，由读取信号的方式决定。由读取信号的方式决定。 静态磁头的结构如图静态磁头的结构如图12-13（a）所示，静态磁）所示，静态磁头与磁栅间无相对运动，一般由若干个磁头串行连头与磁栅间无相对运动，一般由若干个磁头串行连接构成多间隙静态磁头体。在接构成多间隙静态磁头体。在h铁心上绕激磁线圈铁心上绕激磁线圈l1和输出线圈和输出线圈l2，当在激磁绕组上施加交变激磁信，当在激磁绕组上施加交变激磁信号时，号时，h铁心的中间部分在每个周期内两次被激磁铁心的中间部分在每个周期内两次被激磁信号作用产生磁通导致饱和。此时因铁心的磁阻很信号作用产生磁通导致饱和。此时因铁心的磁阻很大

44、，磁栅上的信号磁通不能通过磁头大，磁栅上的信号磁通不能通过磁头,使得输出绕组使得输出绕组无感应电势输出。只有当激磁信号两次过零时，铁无感应电势输出。只有当激磁信号两次过零时，铁心不饱和，磁栅上的信号磁通才能通过铁心在输出心不饱和，磁栅上的信号磁通才能通过铁心在输出绕组上产生感应电势。绕组上产生感应电势。 47（a）静态1磁头；2磁栅；3输出波形图1213 静磁头的工作原理48 动态磁头仅有一组输出绕组，如动态磁头仅有一组输出绕组，如图图12-13（b）。动态磁头只有相对运）。动态磁头只有相对运动才有信号输出，输出信号的幅值随动才有信号输出，输出信号的幅值随运动速度而变化。为了保证一定幅值运动速

45、度而变化。为了保证一定幅值得输出，通常规定磁头以一定速度运得输出，通常规定磁头以一定速度运行。因此，动态磁头不适合长度测量。行。因此，动态磁头不适合长度测量。当磁头以一定速度运行时，磁头输出当磁头以一定速度运行时，磁头输出一定频率的正弦信号，且在一定频率的正弦信号，且在n-n处信号处信号达到正向峰值，在达到正向峰值，在s-s处信号达到负向处信号达到负向峰值。峰值。49（b）动态1磁头；2磁栅；3输出波形图1213 动态磁头的工作原理50v电容式物位传感器电容式物位传感器利用被测物不同，其介电常数利用被测物不同，其介电常数不同的特点进行检测的不同的特点进行检测的 导电式水位传感器导电式水位传感器

46、利用水的导电性。利用水的导电性。 液位传感器液位传感器压差式液位传感器压差式液位传感器 液面的高度与液压成比例的原理制成的。液面的高度与液压成比例的原理制成的。磁致伸缩液位（位移）传感器磁致伸缩液位（位移）传感器 磁致伸缩效应，即铁磁性物质在磁致伸缩效应，即铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。 流量传感器流量传感器流量流量流体在单位时间内通过管道某一截面的体积或质量数。流体在单位时间内通过管道某一截面的体积或

47、质量数。前者称为体积流量，后者称为质量流量。前者称为体积流量，后者称为质量流量。 电磁流量计电磁流量计根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e e。 涡流式流量传感器也是一种速度式流量传感器。它是通过测量安涡流式流量传感器也是一种速度式流量传感器。它是通过测量安装在管道中的涡轮转速而间接测量流体的流速，进而测得流量的。装在管道中的涡轮转速而间接测量流体的流速，进而测得流量的。 返回本章目录返回本章目录51第第5 5章章 光电式传感器光电式传感器工作原理：工作原理：

48、光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。传感器的基础是光电转换元件的光电效应。光电效应：光电效应：由于物体吸收了能量为由于物体吸收了能量为e的光后产生的电效应。的光后产生的电效应。外光电效应外光电效应:指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。增管均属这一类。内光电效应内光电效应:指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。类。光

49、生伏特效应光生伏特效应:在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。如光电池、光敏晶如光电池、光敏晶体管等体管等52光电器件光电器件光电管与光电倍增管：受光照射后产生电流光电管与光电倍增管：受光照射后产生电流光敏电阻：受光照射后电阻率发生改变光敏电阻：受光照射后电阻率发生改变光敏二极管和光敏三极管：受光照射后光敏二极管和光敏三极管：受光照射后pn结电流增大，光敏二极结电流增大，光敏二极管工作是加反向电压管工作是加反向电压光电池：受光照射后产生电压光电池：受光照射后产生电压测量电路：测量电路：根据不同的光电器件、不同的用途采用不同的电路。根据不同的光电器件

50、、不同的用途采用不同的电路。应用：应用：模拟式光电传感器：工作原理是基于光电元件的光电特性，其光通模拟式光电传感器：工作原理是基于光电元件的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故称为光电传感量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和辐射式。器的函数运用状态。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和辐射式。脉冲式光电传感器：光电元件的输出仅有两种稳定状态，即脉冲式光电传感器：光电元件的输出仅有两种稳定状态，即通通与与断断的开关状态，所以也称为光电元件的开关运用状态。的开关状态，所以也称为光电元件的开关运用状态。

51、53光纤传感器光纤传感器光纤传感器基本原理光纤传感器基本原理 光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。调器解调后，获得被测参数。光导纤维的结构光导纤维的结构 光纤由圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折

52、射率略大于包光纤由圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率层的折射率光导纤维的导光原理光导纤维的导光原理光纤工作的基础是光的光纤工作的基础是光的全反射全反射,入射光线必须在入射光线必须在2c c内才能发生全反射。内才能发生全反射。2cr纤芯包层n2n1n0n1n254光导纤维的种类光导纤维的种类按其折射（按其折射（n）变化情况分为：阶跃型、渐变型）变化情况分为：阶跃型、渐变型按其传输模式多少来分，则有单模和多模两种按其传输模式多少来分，则有单模和多模两种单模光纤：中心玻璃芯很细单模光纤：中心玻璃芯很细(芯径一般为芯径一般为9或或10m)，只能传，只能传一种模式的光。因此，其模间

53、色散很小，适用于远程通讯，一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，谱宽要窄，稳定性要好。谱宽要窄，稳定性要好。光源是激光光源是激光多模光纤：通常是指阶跃型光纤中纤芯直径很大通常是指阶跃型光纤中纤芯直径很大(50或62.5m) ，光纤传输模数很多，这种光纤性能较差，带宽较，光纤传输模数很多，这种光纤性能较差，带宽较窄，但由于纤芯面积大，容易制造，连接耦合也比较。窄，但由于纤芯面积大，容易制造，连接耦合也比较。光源光源是是led55光纤传感器按其工作原理来分有：光纤传感器按其工作原理来分有：1、功能型、功能型(或称物性型、传感型或称物性型、传感型) ：其光纤不仅作为光传播的波导：其光纤

54、不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。2、非功能型、非功能型(或称结构型、传光型或称结构型、传光型) ：其光纤只是作为传光的媒介，：其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。还需加上其他敏感元件才能组成传感器。测量电路：测量电路：模拟量测量、开关量测量：模拟量测量、开关量测量：

55、通过光电转换器件将光的变化转化成电的变化，因此测量电路与光通过光电转换器件将光的变化转化成电的变化，因此测量电路与光电传感器类似。电传感器类似。应用：可测量温度、力、位移、速度、加速度、流量等。应用：可测量温度、力、位移、速度、加速度、流量等。56电荷耦合器件（电荷耦合器件（ccd）电荷耦合器件电荷耦合器件(ccd)是典型的固体图象传感器，它与光敏二极管阵是典型的固体图象传感器，它与光敏二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的列集成为一体，构成具有自扫描功能的ccd图象传感器。它不仅作图象传感器。它不仅作为高质量固体化的摄象器件成功地应用于广播电视、可视电话和无为高质量固体化的摄象器件成功地

56、应用于广播电视、可视电话和无线电传真。线电传真。ccd的工作原理：的工作原理：ccd是一种半导体器件，在是一种半导体器件，在n型或型或p型硅衬底上生长一层很薄的型硅衬底上生长一层很薄的sio2，再在，再在sio2薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的mos电容阵列再加上两端的输入及输出二极管就构成了电容阵列再加上两端的输入及输出二极管就构成了ccd芯片。芯片。ccd可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉元的受光情况，脉冲幅度的

57、高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图象传感器的作用。冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图象传感器的作用。57 ccd器件有两个特点：器件有两个特点： 一、它在半导体硅片上制有成百上千个一、它在半导体硅片上制有成百上千个(甚至数百万个甚至数百万个)光敏元，光敏元，它们按线阵或面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像于半导它们按线阵或面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像于半导硅平面上时。这些光敏元就产生与照在它们上面的光强成正比硅平面上时。这些光敏元就产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷。的光生电荷。 二、它具有自扫描能力，亦即将光敏元上产生的光生电荷依次

58、二、它具有自扫描能力，亦即将光敏元上产生的光生电荷依次有规则地串行输出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成有规则地串行输出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成正比。由于它具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗和自正比。由于它具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗和自扫描能力等一系列优点。扫描能力等一系列优点。 应用：图象传感器应用：图象传感器 58 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、如振动、位移、转速等转速等)转换成电信号的一种传感器。转换成电信号的一种传感器。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器6.1 磁电感应式传感磁电感应式传感器器

59、 工作原理：磁电感应式传感器也称为电动式传感器，或工作原理：磁电感应式传感器也称为电动式传感器，或感应式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在感应式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势的。因此它是一种机一电能量换导体两端输出感应电势的。因此它是一种机一电能量换型传感器，不需供电电源，是直接从被测物体吸取机械型传感器，不需供电电源，是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出。能量并转换成电信号输出。若线圈相对磁场运动为速度若线圈相对磁场运动为速度v或角转度或角转度时，时， e-wblv 或或 e-wbs (5-2)在传感器中，当结构参数确定后即在传感器中，当结构

60、参数确定后即b、l、w、s均为定值，那均为定值，那么感应电势么感应电势e与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度(v或或)成正比。成正比。 根据上根据上述原理。人们设计了两种类型的结构：一种是变磁通式；另一种述原理。人们设计了两种类型的结构：一种是变磁通式；另一种是恒定磁通式。是恒定磁通式。dtdwdtde59磁电感应式传感器只适用于测量动态物理量，因此动态磁电感应式传感器只适用于测量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要性能。特性是这种传感器的主要性能。磁电感应式传感器测量电路方框图应用：磁电感应式传感器主要用来测量振动、频率、速应用：磁电感应式传感器主要用来测量振动、频率、速度