第3章 传感器

1、一、传感器定义一、传感器定义 GB7665-2005： 能够感受规定的被测量并按照一定的规律转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换成可用输出信号的器件或装置 。 第三章第三章 传感器传感器第一节第一节 概述概述二、传感器组成二、传感器组成 传感器组成：传感器组成：敏感器件与转换元件敏感器件与转换元件 敏感器件直接感受被测物理量；转换元件对信号进行敏感器件直接感受被测物理量；转换元件对信号进行转换输出。转换输出。dV第三章第三章 传感器传感器三、三、 传感器分类传感器分类(1)按被测物理量分类按被测物理量分类(用户用户) 位移位移,力力,温度温度(2)按工作原理分

2、类按工作原理分类(研究人员研究人员) 电阻式电阻式,电容式电容式,电感式电感式,磁电式磁电式(3)按输出信号分类按输出信号分类 模拟式传感器模拟式传感器,数字式传感器数字式传感器(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系 能量转换型能量转换型(发电型发电型)和能量控制型和能量控制型(参量型参量型)第三章第三章 传感器传感器 1. 变阻器变阻器(电位器电位器)式传感器式传感器 1) 工作原理工作原理 把被测量转换为电阻变化的传感器。把被测量转换为电阻变化的传感器。 按工作原理分为变阻器式按工作原理分为变阻器式(电位器式电位器式)、电阻应变式。、电阻应变式。 第二节

3、参量型传感器第二节参量型传感器一、电阻式传感器一、电阻式传感器2) 变阻器式传感器特点变阻器式传感器特点一、电阻式传感器一、电阻式传感器132(1)结构简单且性能稳定；结构简单且性能稳定；(2)受环境因素受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；影响小；(3)可以实现输出可以实现输出输入间任意函数关系；输入间任意函数关系；(4)输出信号强，一般不需放大。输出信号强，一般不需放大。优点：优点：缺点：缺点：(1)电刷与线圈或电阻膜之间存在摩擦磨损；电刷与线圈或电阻膜之间存在摩擦磨损；(2)分辨力较低（分辨力较低（e2输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比。输出电压

4、是交流量，其幅值与铁心位移成正比。 当当初级线圈初级线圈W加交流电时，次级线圈加交流电时，次级线圈W1、W2分别产生感应分别产生感应电势电势e1和和e2 。l 铁心铁心P在中间位置时，在中间位置时， e1=e2，输出，输出e0=0；l 铁心向上运动，铁心向上运动， e1e2 ，输出，输出e00 ；l 铁心向下运动，铁心向下运动， e1e2 ，输出，输出e00 。三、电感式传感器三、电感式传感器 a.输出电压用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移输出电压用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的极性。的大小，不能反映移动的极性。三、电感式传感器三、电感式传感器 b.交流电压

5、输出存在交流电压输出存在零点残余电压零点残余电压铁铁心在中间位置时，输出不为零。心在中间位置时，输出不为零。原因：原因：两个次级线圈结构不对称，以及两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。间分布电容等形成。解决措施：解决措施：后续电路采用后续电路采用差动直流电路差动直流电路，反映铁心位，反映铁心位移极性，补偿残余电压。移极性，补偿残余电压。 3)应用应用 厚度，角度，表面粗糙度；拉伸，压缩，垂直度；厚度，角度，表面粗糙度；拉伸，压缩，垂直度； 压力，压力，流量，液位；张力，重力，负荷量；扭矩，流量，液位；张力，重

6、力，负荷量；扭矩， 应力；温度应力；温度;振振动，速度，加速度动，速度，加速度应用一：应用一：钢板厚度测量钢板厚度测量 应用二：应用二：钢丝绳张力测量钢丝绳张力测量三、电感式传感器三、电感式传感器 一、一、 压电式传感器压电式传感器 1. 工作原理工作原理: 压电效应压电效应l 压电材料受到外力作用时，几何尺寸发生压电材料受到外力作用时，几何尺寸发生变化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又变化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态重新回到原来的状态正压电效应正压电效应。第三节第三节 发电型传感器发电型传感器l 压电效应可逆。压电效应可逆。l 逆压电效应逆压电效应将压将压电材料置于电

7、场中，其电材料置于电场中，其几何尺寸发生变化（机几何尺寸发生变化（机械变形）。械变形）。 2. 压电材料压电材料 具有压电效应的材料具有压电效应的材料压电材料。压电材料。 1)天然材料：石英、电石。天然材料：石英、电石。 2)合成材料合成材料 ：人造多晶体。钛酸钡、锆钛酸铅：人造多晶体。钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)。 3)高分子压电薄膜：聚偏二氟乙烯高分子压电薄膜：聚偏二氟乙烯(PVDF)，用于微压测量，用于微压测量和机器人触觉的新型压电材料。和机器人触觉的新型压电材料。 一、一、 压电式传感器压电式传感器 天然石英晶体结构形状为一个六角形晶柱，两端为一天然石英晶体结构形状为一个六角形晶柱，两端

8、为一对称对称棱锥棱锥。在晶体学中，用三根互相垂直的轴表示。纵。在晶体学中，用三根互相垂直的轴表示。纵轴轴Z称称光轴光轴，通过六棱线而垂直于光轴的，通过六棱线而垂直于光轴的X轴称轴称电轴电轴，与与X-X轴和轴和Z-Z轴垂直的轴垂直的Y-Y轴轴 (垂直于六棱柱体的棱面垂直于六棱柱体的棱面)称称机械轴机械轴。 一、一、 压电式传感器压电式传感器 从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于从石英晶体中切下一个平行六面体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，轴线。晶片在正常情况下呈现电性，若对其施力，则有不同的效应。则有不同的效应。l 通常把沿电轴

9、通常把沿电轴(X轴轴)方向的作用力产生的压电效应称方向的作用力产生的压电效应称“纵向压纵向压电效应电效应”，压电式传感器主要是，压电式传感器主要是利用纵向压电效应利用纵向压电效应。 l 把沿机械轴把沿机械轴(Y轴轴)方向的作用力产生的压电效应称方向的作用力产生的压电效应称“横向压电横向压电效应效应”；l 沿相对两棱加力时，产生沿相对两棱加力时，产生切向效应切向效应。l 沿光轴沿光轴(Z轴轴)方向的作用力不产生压电效应。方向的作用力不产生压电效应。一、一、 压电式传感器压电式传感器 如果施加于压电晶片的外力如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷又不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏无泄漏在

10、外力继续作用时，在外力继续作用时，电荷量保持不变。电荷量保持不变。 极板上积聚的电荷与力关系极板上积聚的电荷与力关系 q=dF 式中，式中，q为电荷量，为电荷量，C；F为作用力，为作用力，N；d为压电常数，为压电常数，C/N，与材质及切片方向有关。与材质及切片方向有关。 一、一、 压电式传感器压电式传感器l 要测得力值要测得力值F，主要是如何测得电荷值。，主要是如何测得电荷值。l 利用压电式传感器测量利用压电式传感器测量(准准)静态量值时，必须采取静态量值时，必须采取措施使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足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。够小程度。l 而在动态力作

11、用下，电荷可以得到不断补充而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充压电压电传感器传感器适宜动态测量适宜动态测量(测量频率下限测量频率下限0.1Hz)。 一、一、 压电式传感器压电式传感器2. 等效电路等效电路 第三节第三节 发电型传感器发电型传感器并联：并联： 电荷量电荷量电压电压电容电容2aCC aUU 2aQQ 串联：串联： 电荷量电荷量电压电压电容电容aQQ 2aUU /2aCC 2aCC l 并联：并联：电容量大，输出电荷量大，时间常数大，适电容量大，输出电荷量大，时间常数大，适于测量缓变信号，输出信号为电荷；于测量缓变信号，输出信号为电荷；l 串联：串联：电容量小，输出电压大，输出信号

12、为电压。电容量小，输出电压大，输出信号为电压。 传感器输出电信号微弱，通常把传感器信号先输入到传感器输出电信号微弱，通常把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换后，用一般高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换后，用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。 第三节第三节 发电型传感器发电型传感器 压电式传感器是一个具压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。有一定电容的电荷源。0aqUC3. 压电传感器应用注意问题压电传感器应用注意问题1) 不适用于静态、准静态信号测量；不适用于静态、准静态信号测量；2)电缆噪声易混入信

13、号中被放大电缆噪声易混入信号中被放大 减小电缆噪声减小电缆噪声方方法法：l 在使用中固定好传感器的引出电缆；在使用中固定好传感器的引出电缆；l 选用低噪声的同轴电缆。选用低噪声的同轴电缆。3)接地回路噪声接地回路噪声 压电传感器接入二次测量线路或仪表构成测试系统压电传感器接入二次测量线路或仪表构成测试系统后，由于不同电位处多点接地，形成接地回路和回路后，由于不同电位处多点接地，形成接地回路和回路电流所致。电流所致。 克服：克服：消除接地回路消除接地回路 一、一、 压电式传感器压电式传感器4. 应用应用2) 加速度计，力传感器加速度计，力传感器 1) 压力传感器压力传感器一、一、 压电式传感器压

14、电式传感器基本构成：基本构成：质量块、质量块、压电晶体、压紧弹簧、压电晶体、压紧弹簧、金属基座。金属基座。(一一)变换原理变换原理 基于电磁感应原理，把被测物理量转换为感应电动势基于电磁感应原理，把被测物理量转换为感应电动势的传感器。的传感器。 当匝数为当匝数为W的线圈切割磁力线运动或穿过线圈的的线圈切割磁力线运动或穿过线圈的磁通发生变化时，感应线圈的感应电动势磁通发生变化时，感应线圈的感应电动势e),(ddddvRBWemtt 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个参数，都会改变线圈的感应电动势。变其中一个参数，都会改变线圈

15、的感应电动势。 二、磁电式传感器二、磁电式传感器(二二) 分类分类 按照结构方式不同，分动圈式与磁阻式。按照结构方式不同，分动圈式与磁阻式。磁磁电电式式动圈式动圈式线速度型线速度型角速度型角速度型磁阻式磁阻式N二、磁电式传感器二、磁电式传感器1. 动圈式传感器动圈式传感器 在在B、L、W不变时，不变时，感应电动势与线圈相对磁场的运感应电动势与线圈相对磁场的运动速度成正比。动速度成正比。 若线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线时，若线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线时，则线圈产生的感应电势为则线圈产生的感应电势为sinsinddWBLvtxWBLe二、磁电式传感器二、磁电式传感器 若线

16、圈相对磁场作旋转运动切割磁力线时，则线圈若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线时，则线圈产生的感应电动势为产生的感应电动势为sinWBAe 在在B、A、W不变时，不变时，感应电动势与线圈相对磁场的角感应电动势与线圈相对磁场的角速度成正比。速度成正比。二、磁电式传感器二、磁电式传感器2. 磁阻式传感器磁阻式传感器(变磁通式传感器变磁通式传感器) 线圈和磁铁静止不动，利用导磁材料制成的测量齿轮线圈和磁铁静止不动，利用导磁材料制成的测量齿轮安装在被测旋转体上，不断改变磁路的磁阻，改变贯穿安装在被测旋转体上，不断改变磁路的磁阻，改变贯穿线圈的磁通量，使线圈产生感应电势。线圈的磁通量，使线圈产生感应电势。

17、二、磁电式传感器二、磁电式传感器图图 磁阻式传感器工作原理磁阻式传感器工作原理(a) (a) 测频数测频数 (b) (b) 测转速测转速 (c) (c) 偏心测量偏心测量 (d) (d) 振动测量振动测量2. 磁阻式传感器磁阻式传感器(变磁通式传感器变磁通式传感器)l 磁阻式传感器一般做成转速传感器，利用磁通变化磁阻式传感器一般做成转速传感器，利用磁通变化产生感应电动势。产生感应电动势。l 电势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通电势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。变化的频率。l 磁阻式转速传感器在结构上分开磁路和闭磁路两种。磁阻式转速传感器在结构上分开磁路和闭磁路两种

18、。二、磁电式传感器二、磁电式传感器 测量时，测量时，壳体壳体固定在一个试件上，固定在一个试件上，顶杆顶杆顶住另一试顶住另一试件，线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度。件，线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度。速度计的输出电压与两试件的相对速度成正比。速度计的输出电压与两试件的相对速度成正比。 相对式速度传感器可测量的最低频率接近于零。相对式速度传感器可测量的最低频率接近于零。 二、磁电式传感器二、磁电式传感器(三三) 应用应用l 磁电式相对速度传感器磁电式相对速度传感器二、磁电式传感器二、磁电式传感器l 弹簧片弹簧片1径向刚度很大，能将心轴组件可靠地支撑在所需的径向径向刚度很大，能将心

19、轴组件可靠地支撑在所需的径向位置上。位置上。l 当壳体当壳体3与被测物体一起振动，且振动频率较高时，由于与被测物体一起振动，且振动频率较高时，由于心轴组心轴组件质量很大件质量很大，产生很大的惯性力，阻止心轴随壳体一起运动。，产生很大的惯性力，阻止心轴随壳体一起运动。l 当当振动频率高到一定程度振动频率高到一定程度时，可认为心轴组件基本不动，只是壳时，可认为心轴组件基本不动，只是壳体随被测物体振动体随被测物体振动线圈与振动体的振动速度切割磁力线而产生感线圈与振动体的振动速度切割磁力线而产生感应电动势，测得物体的绝对振动速应电动势，测得物体的绝对振动速度。度。 1-弹簧片弹簧片; 2-心轴心轴;

20、3-外壳外壳; 4-阻尼器阻尼器; 5-磁钢磁钢; 6-工作线圈工作线圈;7-引线引线l 磁电式绝对速度传感器磁电式绝对速度传感器 1. 霍尔效应霍尔效应 将半导体薄片放入垂直于半导体表面的磁场中，在将半导体薄片放入垂直于半导体表面的磁场中，在半导体的半导体的(a,b)两端通以电流，则在半导体两侧面两端通以电流，则在半导体两侧面(c,d)产产生与控制电流和磁场强度乘积呈正比的电动势。生与控制电流和磁场强度乘积呈正比的电动势。 三、霍尔式传感器三、霍尔式传感器 半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象于电流和磁

21、场的方向上将产生电动势的现象霍尔霍尔效应。效应。 产生的电动势产生的电动势霍尔电势；霍尔电势； 半导体薄片半导体薄片霍尔元件。霍尔元件。 工作原理工作原理 当磁场垂直于半导体薄片作用，而在沿半导体长度方当磁场垂直于半导体薄片作用，而在沿半导体长度方向有电流流过时，由于半导体中的电子向有电流流过时，由于半导体中的电子(载流子载流子)在磁场在磁场中运动，使电子受到中运动，使电子受到洛伦兹力洛伦兹力FL作用。作用。 n型半导体材料，载流子为电子；型半导体材料，载流子为电子；p型半导体材料，载型半导体材料，载流子为空穴。流子为空穴。 三、霍尔式传感器三、霍尔式传感器洛伦兹力洛伦兹力 LFevBl 在洛

22、伦兹力作用下，电子被推向一侧形成电子积在洛伦兹力作用下，电子被推向一侧形成电子积（负电荷），在另一侧形成正电荷积累（负电荷），在另一侧形成正电荷积累电场电场。l 电场力电场力FE阻止电子向该侧面继续偏移。阻止电子向该侧面继续偏移。 三、霍尔式传感器三、霍尔式传感器l 洛伦兹力洛伦兹力FL = 电场力电场力FE时，电子积累达到动平衡。时，电子积累达到动平衡。l 此时在两侧面建立的电场此时在两侧面建立的电场霍尔电场，相应的电霍尔电场，相应的电势势霍尔电势霍尔电势UH 。 HEHUFeEebHUevBebHUbvB三、霍尔式传感器三、霍尔式传感器电场力电场力LFevB流经载流体的电流与载流子运动速度

23、之间关系流经载流体的电流与载流子运动速度之间关系 nevbdI nebdIv RH霍尔常数霍尔常数，取决于载流体材料物理性质，取决于载流体材料物理性质，RH= 1/ne；KH 霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度，表示霍尔元件在单位磁感应强度，表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势大小，和单位激励电流作用下霍尔电势大小，mV/mAT。KH= 1/ned 金属材料电子密度金属材料电子密度n大，不适合做霍尔元件；霍大，不适合做霍尔元件；霍尔元件做成薄片（尔元件做成薄片（d小）小）HHH1BIUR BIK BInedd三、霍尔式传感器三、霍尔式传感器HUbvB 基于霍尔效应工作的半导体器件

24、称为霍尔元件，霍基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用尔元件多采用n型半导体材料。型半导体材料。 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。 2. 霍尔元件结构霍尔元件结构三、霍尔式传感器三、霍尔式传感器 霍尔片是半导体单晶薄片霍尔片是半导体单晶薄片(一般一般4mm2mm0.1mm)，在其长度方向两端面上焊有在其长度方向两端面上焊有a、b两根引线两根引线(控制电流端引控制电流端引线线)，通常用红色导线，其焊接处称为，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极控制电极；在另两；在另两侧端面焊有侧端面焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其两根霍

25、尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为焊接处称为霍尔电极霍尔电极。 霍尔元件壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。霍尔元件壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。 三、霍尔式传感器三、霍尔式传感器3. 应用应用l 霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下；向向下；l从从 a端通电流端通电流i左半部产生霍尔电势左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电，右半部产生霍尔电势势VH2，其方向相反，其方向相反 c、d两端电势为两端电势为VH1 VH2 。l 如果霍尔元件在初始位置时如果霍尔元件在初始位置时VH1 = VH2 ，则输出

26、为零；，则输出为零；l 改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。其大小正比于位移量。 三、霍尔式传感器三、霍尔式传感器磁场变化磁场变化霍尔电势霍尔电势(a) (a) 角位移角位移 (b) (b) 线位移线位移 (c) (c) 加速度加速度 (d) (d) 零件计数零件计数 (e) (e) 转速转速 (f) (f) 压力压力霍尔元件工程测量应用霍尔元件工程测量应用将温度变化转换为电量变化的传感器将温度变化转换为电量变化的传感器热电偶温度计热电偶温度计 (一一)热电偶测温原理热电偶测温原理 基于两种不同材料的热

27、电效应：基于两种不同材料的热电效应：由两种不同的导体由两种不同的导体(或半导体或半导体)组成的闭合回路，当两导体组成的闭合回路，当两导体A和和B的两个结的两个结点处温度不同时，回路中产生热电势。点处温度不同时，回路中产生热电势。 简单热电测温系统简单热电测温系统 基本要求：基本要求：在所测温度范在所测温度范围内具有较好的灵敏度和围内具有较好的灵敏度和直线性；熔点足够高，物直线性；熔点足够高，物理化学性能稳定；导电性理化学性能稳定；导电性和抗氧化性能好，电阻温和抗氧化性能好，电阻温度系数小等度系数小等四、热电式传感器四、热电式传感器(二二) 热电势热电势1. 接触电势：电子从自由电子接触电势：电子从自由电子密度高的材料向低的材料流动。密度高的材料向低的材料流动。)( teAB)(0teAB2. 温差电势：电子从高温端向温差电势：电子从高温端向低温端流动。低温端流动。),(0tteA),(0tteB3. 总热电势总