第四章 传感器

1、中国矿业大学徐海学院4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 参量型传感器参量型传感器4.3 4.3 发电型传感器发电型传感器4.4 4.4 其他类型的传感器其他类型的传感器4.5 4.5 传感器的选用原则传感器的选用原则第四章、常用传感器及其变换原理第四章、常用传感器及其变换原理测试技术测试技术中国矿业大学徐海学院本章学习要求：本章学习要求：1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路第四章、常用传感器及其变换原理第四章、常用传感器及其变换原理中国矿业大学徐海学院第四章、常用传感器及其变换原理第四章、常用传感器及

2、其变换原理4.1 4.1 概述概述1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信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。种信息的装置。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。物理量物理量电量电量中国矿业大学徐海学院2. 2. 传感器的构成传感器的构成 传感器一般由传感器一般由敏感元件敏感元件与与转换元件转换元件

3、组成。组成。4.1 4.1 概述概述 敏感元件敏感元件(sensing element)(sensing element)是指传感器中能直是指传感器中能直接感受或响应被测量，并输出与被测量成确定关系接感受或响应被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量（一般为非电量）部分；的其他量（一般为非电量）部分； 转换元件转换元件(transduction element)(transduction element)是指传感器中是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号（一般为电信号）部分。或测量的可用输出信号（一般为电信号）部

4、分。 如：应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，如：应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它将被测压力转换成弹性膜片的变形。它将被测压力转换成弹性膜片的变形。 如：应变式压力传感器中的应变片就是转换元件，如：应变式压力传感器中的应变片就是转换元件，它将弹性膜片在压力作用下的变形转换成应变片电它将弹性膜片在压力作用下的变形转换成应变片电阻值的变化。阻值的变化。中国矿业大学徐海学院3. 3. 传感器的分类传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类: :(2)(2)按信号变换特征按信号变换特征: :(3)(3)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:

5、:位移位移, ,力力, ,温度等温度等. .物性型物性型传感器传感器, ,结构型结构型传感器传感器. .参量型传感器参量型传感器（也称无源传感器，或能量控制型）（也称无源传感器，或能量控制型）发电型传感器发电型传感器（也称有（也称有源传感器，或能量转换型）源传感器，或能量转换型）4.1 4.1 概述概述中国矿业大学徐海学院A A 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依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换实现信号变换. . 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

6、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. .4.1 4.1 概述概述中国矿业大学徐海学院B B 参量型和发电型传感器参量型和发电型传感器 参量型参量型: :借助辅助能源将输入的机械量转换为电量借助辅助能源将输入的机械量转换为电量输出。输出。 例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .电容传感器、电感传感器等。电容传感器、电感传感器等。 发电型发电型: :直接将被测对象输入能量转会为电量而直接将被测对象输入能量转会为电量而 不需外加能源。不需外加能源。 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计等压电式加速

7、度计等. .4.1 4.1 概述概述中国矿业大学徐海学院4 4、传感器的发展动向、传感器的发展动向 传感器技术的主要发展动向：一是传感器技术的主要发展动向：一是开展基础研究开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；二是重点研究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器实现传感器的智能化的智能化。（1 1）用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各）用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。种用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。 （2 2）传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。）传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。（3 3）发展智能型传

8、感器。）发展智能型传感器。 4.1 4.1 概述概述中国矿业大学徐海学院5. 5. 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, ,流流速速, ,流量流量; ; 声声: : 声压声压, ,噪声噪声. . 磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. . 温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. . 光：光： 亮度，色彩亮度，色彩4.1 4.1 概述概述中国矿业大学徐海学院4.2 4.

9、2 参量型传感器参量型传感器4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器4.2.4 4.2.4 涡流式传感器涡流式传感器第四章、传感器测量原理第四章、传感器测量原理中国矿业大学徐海学院4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传是把被测量转换为电阻变化的一种传感器感器, ,按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式热敏式、光敏式、电敏式.（a）（b）（c）1 1 变阻器

10、式传感器变阻器式传感器 (1) (1) 工作原理工作原理4.2 参量型传感器参量型传感器中国矿业大学徐海学院132xxp 图（图（a a）为直线位移型，当被测为直线位移型，当被测位移量位移量x x变化时，电刷触点变化时，电刷触点2 2沿变沿变阻器移动，则任意位置阻器移动，则任意位置2 2点与点与3 3点点之间的电阻值之间的电阻值lRk xldRSkdx传感器灵敏度传感器灵敏度图（图（b b）为旋转型变阻器式传感器，其电阻值随电为旋转型变阻器式传感器，其电阻值随电刷转角而变化。刷转角而变化。图（图（c c）是一种非线性变阻器式传感器，或称为函数是一种非线性变阻器式传感器，或称为函数电位器。电位器

11、。lk单位长度的电阻值单位长度的电阻值4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院 等效电路分析等效电路分析: Rp-总电阻总电阻;xp-变阻总长变阻总长;RL负载电负载电阻阻;x-电刷移动量。电刷移动量。132xxpEinEoutRxRLRp-Rx()(1)inxRppxxRxLpEoutE0 x 100%100%Output0负载效应负载效应4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器231中国矿业大学徐海学院优点：优点： (1)(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；稳定； (2)(2)受环境因素受环境因素(

12、 (如温度、湿度、电磁场干扰等如温度、湿度、电磁场干扰等) )影影响小；响小； (3)(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)(4)输出信号大，一般不需放大。输出信号大，一般不需放大。 （2 2）优缺点）优缺点缺点：缺点： 因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量

13、。慢的量。 4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器结构结构中国矿业大学徐海学院(5) (5) 应用应用案例：案例： 重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备重量设定重量设定原材料原材料 比较比较原理用弹簧将力转换为位移用弹簧将力转换为位移; ;再用变再用变阻器将位移转换为电阻的变化阻器将位移转换为电阻的变化4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化特点：特点：（1）测量量程大；）测量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低。钢丝钢

14、丝煤气包煤气包4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理原理直接将关节驱动电机的转动直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值角度变化转换为电阻器阻值变化变化4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 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，即金属导体在外力作用下发生机械变应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形形时，其电阻值随着它所

15、受机械变形( (伸长或缩伸长或缩短短) )的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。 4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院012(1 2 )dRcKR1) 工作原理工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为LAR 在外力作用下，导线变形，其长度、截面积、在外力作用下，导线变形，其长度、截面积、电阻率均将随导线的变形而变化，由此引起电阻率均将随导线的变形而变化，由此引起R的的变化变化由电阻丝几何尺寸改变所引起的；由电阻丝几何尺寸改变所引起的；由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。(12 ) (12 )c 4.2.

16、1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院 当当 不变时不变时)21 ( RdAdldRARlR金属应变计金属应变计当当 变化时变化时dRleAdRddRRE半导体应变计半导体应变计4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院2) 金属应变计金属应变计 金属应变计有金属应变计有: : 丝式、箔式和薄丝式、箔式和薄膜式膜式 优点优点: :稳定性和温稳定性和温度特性好度特性好. . 缺点缺点: :灵敏度系数灵敏度系数小小. .应变计4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院3) 半导体应变片半导体应变片 优点：优点：应变灵敏度大应

17、变灵敏度大; ;体积小体积小; ;机械滞后小、横机械滞后小、横向效应小；能制成具有一定应变电阻的元件向效应小；能制成具有一定应变电阻的元件. . 缺点：缺点：温度稳定性能差、灵敏度离散度大以及温度稳定性能差、灵敏度离散度大以及在较大应变作用下非线性误差大；可重复性不在较大应变作用下非线性误差大；可重复性不如金属应变片如金属应变片。dRleAdRddRRE4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器工作原理：半导体材料的压阻效应工作原理：半导体材料的压阻效应中国矿业大学徐海学院3) 3) 应变片的主要参数应变片的主要参数 1 1）几何参数：标距）几何参数：标距L L和丝栅宽度和丝栅宽度b b

18、，制造厂常用，制造厂常用L Lb b 表示。表示。 2 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。 3 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（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）。 4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到

19、桥梁固有频率。4) 应用应用4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院案例：案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院Fma4.2.1 4.2.1 电阻式传感器电阻式传感器中国矿业大学徐海学院4.2 4.2 参量型传感器参量型传感器4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 1.1.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: :0rAACd

20、d +dA 当被测量使当被测量使d d、A A或或发生变化时，都会发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参引起电容的变化。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。C电容量，电容量，F；极板间介质的介电常数，极板间介质的介电常数，F/mm；A极板相互遮盖面积，极板相互遮盖面积，m2 ；d极板间距离，极板间距离，m；r极板间介质的相对介电常数，对于空气，极板间介质的相对介电常数，对于空气， r 1；0真空介电常数，真空介电常数， 0 8.8510-12 F/mm。中国

21、矿业大学徐海学院2 2 分类分类 4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 a) a) 极距变化型极距变化型; ;+c) c) 介质变化型介质变化型0rAdC b)b)面积变化型面积变化型: :角位移型角位移型, ,平面线位移型平面线位移型, ,柱面线位移型柱面线位移型. .+中国矿业大学徐海学院3、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器如右图所示，设板间隙有一改变量如右图所示，设板间隙有一改变量d，则有：，则有：0ACdd+dA200001()CdddCddd，将上式按泰勒级数，将上式按泰勒级数Cd特性曲线特性曲线电容的增加值为电容的增加值为C：000AACCCddd0/1d d在在

22、展开为：展开为：4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院对于小的间隙变化，：即对于小的间隙变化，：即 ，上式可舍去高次，上式可舍去高次项，从而可得近似的线性关系式：项，从而可得近似的线性关系式：0/1d d00CdCd采用上述相同的方法，可以推导出在采用上述相同的方法，可以推导出在 的情况下，的情况下，极板间距增加极板间距增加 d 时的输出电容相对变化量为时的输出电容相对变化量为200001()CdddCddd0/1d d这时电容传感器的这时电容传感器的灵敏度灵敏度为：为：20CASdd4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院将变极距

23、型电容传感器做成将变极距型电容传感器做成差动差动形式可以形式可以减小减小非线性误差非线性误差和和增加灵敏度增加灵敏度。ddd dd d2C1C 差动平板电容传感器差动平板电容传感器4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院4、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 采用改变电容器极板面积是另一种获取电容传感采用改变电容器极板面积是另一种获取电容传感器输出变化的方法。下图示出几种改变面积的电容器输出变化的方法。下图示出几种改变面积的电容传感器。传感器。变面积型电容传感器变面积型电容传感器(a)平板线位移式；平板线位移式；(b)转角式；转角式；(c)圆柱体线位移式圆柱体

24、线位移式4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院 对平极板线位移型电容传感器（对平极板线位移型电容传感器（图图(a)(a)所示），所示），当动极板沿与极板平行方向移动时，遮盖面积发生当动极板沿与极板平行方向移动时，遮盖面积发生变化，其电容量为：变化，其电容量为：bxCddCbSconstdxd其灵敏度为：其灵敏度为： 采用变面积型电容传感器还可用于各种压力、加采用变面积型电容传感器还可用于各种压力、加速度等物理量的测量。速度等物理量的测量。4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院 这类传感器的最大这类传感器的最大优点优点：是其输入与输

25、出是一种：是其输入与输出是一种线性关系。线性关系。 缺点缺点：是电容的横向灵敏度较大；此外其机械结：是电容的横向灵敏度较大；此外其机械结构要求十分精确，因此相对于变极距型电容传感器，构要求十分精确，因此相对于变极距型电容传感器，测量精度较低。测量精度较低。 这种传感器的测量范围对于线位移型来说为几厘这种传感器的测量范围对于线位移型来说为几厘米，对转角型则为米，对转角型则为180180，测量的频率范围为，测量的频率范围为0Hz0Hz10104 4HzHz。 同样也可将这种传感器做成差动型。同样也可将这种传感器做成差动型。4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院5 5

26、、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器d0d1d2d0下图所示为变介电常数型电容传感器的两种形式：下图所示为变介电常数型电容传感器的两种形式：变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器(a)极板上覆盖有介质；极板上覆盖有介质；(b)介质可移动介质可移动4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院如上如上图图(a)所示，该电容器具有两不同的电介质。整个装置所示，该电容器具有两不同的电介质。整个装置可视为由两个电容器串联而成，其总电容量可视为由两个电容器串联而成，其总电容量 C由两电容器由两电容器的电容的电容C1和和C2所确定，由此得：所确定，由此得：1212

27、0121111()rrddCCCA01212rrACdd为分析方便起见，设介质为分析方便起见，设介质1为空气，即为空气，即 ，则上式变为：，则上式变为：因此因此002210222rrAACddddd11r4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院图图(b)的形式也可改变介质，这种结构相当于两电容器作并联，的形式也可改变介质，这种结构相当于两电容器作并联，此时的总电容量为：此时的总电容量为：01 0002 01200()rrb llb lCCCdd 0 0 000b lCdl为了分析方便起见，同样设介质为了分析方便起见，同样设介质1为空气，因此为空气，因此 ，又设介质

28、全部为空气的电容器的为又设介质全部为空气的电容器的为C0，则：，则：由于介质由于介质2的插入所引起的电容的插入所引起的电容C的相对变化的相对变化C/C0正比于插入正比于插入深度深度 :11r4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院00220000011rrCClllClCClll 利用这一原理常用于对非导电液体和松散物料的液位或填充利用这一原理常用于对非导电液体和松散物料的液位或填充高度的测量。高度的测量。测量非导电液体和松散物料的液位或测量非导电液体和松散物料的液位或填充高度的电容传感器填充高度的电容传感器4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿

29、业大学徐海学院 特点：特点：电容传感器的结构简单，可以进行无接电容传感器的结构简单，可以进行无接触测量；它的动态响应好，灵敏度高，分辨力强，触测量；它的动态响应好，灵敏度高，分辨力强，并能在恶劣的环境下工作；特别适合测量高频振并能在恶劣的环境下工作；特别适合测量高频振动下的位移。动下的位移。 6 6、 应用应用 应用：应用：位移、振动、角度、加速度、荷重、位移、振动、角度、加速度、荷重、压力、差压力、料位、成分含量等。压力、差压力、料位、成分含量等。4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院案例：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4.

30、2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院电容式位移传感器应用电容式位移传感器应用4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院 差动式电容压力传感器差动式电容压力传感器1 1、4 4隔膜片隔膜片 2 2、3 3基座基座5 5玻璃层玻璃层 6 6金属膜金属膜7 7弹性膜片弹性膜片 电容式加速度传感器电容式加速度传感器1 1绝缘体绝缘体 2 2固定电极固定电极3 3质量块质量块 4 4弹簧弹簧pHpL4.2.2 4.2.2 电容式传感器电容式传感器 中国矿业大学徐海学院4.2 4.2 参量型传感器参量型传感器4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感

31、式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被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量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。电感式传感器电感式传感器自感型自感型互感型互感型可变磁阻式可变磁阻式涡流式涡流式分类：分类：中国矿业大学徐海学院1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式(1)(1)工作原理工作原理组成：铁芯、线圈和衔铁组成：铁芯、线圈和衔铁 当线圈通以电流当线圈通以电流i i时，产生磁通时，产生磁通m m，其大小，其大小与电流成正比，即与电流成正比，即mWLi式中式中 W线圈匝数；线圈匝数； L比例系数，称为自感比例系数，称为自感根据磁路欧姆定律根据磁路欧姆定律m

32、mWiR式中式中 Wi磁动势；磁动势； Rm磁阻。磁阻。4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器中国矿业大学徐海学院4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器a)可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动中国矿业大学徐海学院自感自感 如果空气隙厚度如果空气隙厚度（如图如图）比较小，且不考虑磁）比较小，且不考虑磁路的铁损失，则磁阻路的铁损失，则磁阻Rm02mlRAA 磁路的磁阻效应有几何磁阻效应和物理磁阻效应。磁路的磁阻效应有几何磁阻效应和物理磁阻效应。基于物理磁阻效应原理构成磁弹性传感器（或称压基于物理磁阻效应原理构成磁弹性传感器（或称压磁传感器）磁传感器）202

33、WLlAA4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器2mWLR中国矿业大学徐海学院 通常导磁体磁阻（铁芯及衔铁磁阻）远小于空通常导磁体磁阻（铁芯及衔铁磁阻）远小于空气隙的磁阻，计算时可忽略，则气隙的磁阻，计算时可忽略，则202W AL 可变磁阻式传感器有可变磁阻式传感器有变气隙厚度型、变气隙面变气隙厚度型、变气隙面积型积型和和可动铁芯可动铁芯型三种。型三种。 对变气隙型电感传感器，当固定对变气隙型电感传感器，当固定A A，变化，变化时，时，L L与与呈非线性关系，此时传感器的灵敏度为：呈非线性关系，此时传感器的灵敏度为：2022WAS 4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器结构

34、结构中国矿业大学徐海学院 为了减小这一误差，通常规定在较小间隙范围内为了减小这一误差，通常规定在较小间隙范围内工作。例如，设间隙变化范围为（工作。例如，设间隙变化范围为（ ），），则灵敏度为：则灵敏度为：00，222000222000(12)22()2WAWAWAS 当当 时，由于时，由于 ，故，故灵敏度灵敏度S S趋于定值，即输出与输入近似成线性趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。关系。001 214.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器中国矿业大学徐海学院变面积型电感传感器，其自感变面积型电感传感器，其自感L和和A成线性关系。成线性关系。（如图如图）可动铁芯型电感传感器，由螺管线

35、圈和插入的铁芯可动铁芯型电感传感器，由螺管线圈和插入的铁芯（磁芯）构成。（磁芯）构成。（2 2）差动电感传感器）差动电感传感器4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器中国矿业大学徐海学院2 互感型互感型-差动变压器差动变压器工作原理工作原理: :互感现象互感现象.WW1W2x-xWW1W2e1e2e=e1- e2P4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器中国矿业大学徐海学院 厚度厚度, ,角度角度, ,表面粗糙度表面粗糙度; ;拉伸拉伸, ,压缩压缩; ;压力压力, ,流量流量, ,液位液位; ;张力张力, ,重力重力, ,负荷量负荷量; ;扭矩扭矩, ,应力应力; ;温度温度

36、; ;振动振动, ,速度速度, ,加速度加速度; ;等等. .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4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器中国矿业大学徐海学院差动压力传感器差动压力传感器4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器中国矿业大学徐海学院加速度传感器及测量电路加速度传感器及测量电路1 1弹性支撑弹性支撑 2 2差动变压器差动变压器4.2.3 4.2.3 电感式传感器电感式传感器中国矿业大学徐海学院4.2.4 涡流式传感器涡流式传感器1 1、工作原理、工作原理: :原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 1

37、 12 2I I1 1E EI I2 2涡流效应涡流效应4.2 4.2 参量型传感器参量型传感器中国矿业大学徐海学院 涡流传感器一般分为涡流传感器一般分为高频反射式高频反射式和和低频透射式低频透射式。以上介绍的为高频反射式，其激励电流以上介绍的为高频反射式，其激励电流i i为高频（兆为高频（兆赫兹以上）。这种传感器通常用来测量位移、振动等赫兹以上）。这种传感器通常用来测量位移、振动等物理量。物理量。 低频透射式涡流传感器多用于测量材料的厚度，低频透射式涡流传感器多用于测量材料的厚度，其工作原理如下图所示。其工作原理如下图所示。低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器4.2.4 4.2.4 涡流

38、式传感器涡流式传感器中国矿业大学徐海学院2 2、测量电路、测量电路 一般用一般用阻抗分压式调幅电路阻抗分压式调幅电路及及调频电路调频电路。下图是。下图是用于涡流测振仪上的分压式调幅电路。传感器的线圈用于涡流测振仪上的分压式调幅电路。传感器的线圈L L和电容和电容C C组成并联谐振回路，其谐振频率为：组成并联谐振回路，其谐振频率为：12fLC分压式调幅电路原理分压式调幅电路原理4.2.4 4.2.4 涡流式传感器涡流式传感器中国矿业大学徐海学院分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性(a) (a) 谐振曲线谐振曲线 (b) (b) 输出特性输出特性4.2.4 4.2.

39、4 涡流式传感器涡流式传感器中国矿业大学徐海学院调频电路工作原理调频电路工作原理 调频电路调频电路同样把传感器线圈接成一个同样把传感器线圈接成一个LCLC振荡回路。振荡回路。与调幅电路不同的是将回路的谐振频率作为输出量。与调幅电路不同的是将回路的谐振频率作为输出量。随着间隙随着间隙的变化，线圈电感的变化，线圈电感L L亦将变化，由此使振亦将变化，由此使振荡器的振荡频率荡器的振荡频率f f发生变化。采用鉴频器对输出频率发生变化。采用鉴频器对输出频率作频率作频率- -电压转换，即可得到与电压转换，即可得到与成正比的输出电压成正比的输出电压信号。信号。4.2.4 4.2.4 涡流式传感器涡流式传感器

40、中国矿业大学徐海学院优点优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。应用应用：位移、力、振动测量，测厚：位移、力、振动测量，测厚, ,材质判别材质判别3 3、涡流传感器的应用、涡流传感器的应用: :4.2.4 4.2.4 涡流式传感器涡流式传感器中国矿业大学徐海学院Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：案例：案例： 连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量4.2.4 4.2.4 涡流式传感器涡流式传感器中国矿业大学徐海学院案例：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

41、检测油管检测油管检测4.2.4 4.2.4 涡流式传感器涡流式传感器中国矿业大学徐海学院案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数4.2.4 4.2.4 涡流式传感器涡流式传感器中国矿业大学徐海学院4.3 4.3 发电型传感器发电型传感器4.3.1 4.3.1 压电式传感器压电式传感器4.3.2 4.3.2 磁电式传感器磁电式传感器4.3.3 4.3.3 霍尔式传感器霍尔式传感器4.3.4 4.3.4 热电式传感器热电式传感器第四章、常用传感器及变换原理第四章、常用传感器及变换原理中国矿业大学徐海学院第四章、常用传感器及变换原理第四章、常用传感器及变换原理4.3.1 压电式传感器压电

42、式传感器 1.1.变换原理变换原理: : 压电效应压电效应 某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺某些物质，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；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，又重新回到原来的状态，这种现象称为压当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。电效应。中国矿业大学徐海学院q=dF0rAC rA极板间距；极板间距；压电晶片工作面的面积。压电晶片工作面的面积。压电材料的相对介电常数；压电材料的相对介电常数；2 2、压电式传感器及等效电路、压电式传感器及等效电路d d压电常数，与材质及

43、切片方向有关。压电常数，与材质及切片方向有关。 压电式传感器适宜作动态参量的测量。压电式传感器适宜作动态参量的测量。4.3.1 4.3.1 压电式传感器压电式传感器 中国矿业大学徐海学院 实际压电传感器中，往往实际压电传感器中，往往用两个或两个以上的晶片进用两个或两个以上的晶片进行并联或串联。行并联或串联。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 4.3.1 4.3.1 压电式传感器压电式传感器 中国矿业大学徐海学院 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

44、。0aqUCp3 3、应用、应用4.3.1 4.3.1 压电式传感器压电式传感器 中国矿业大学徐海学院压电式加速度传感器设计模型压电式加速度传感器设计模型(a)(a)周边压缩式；周边压缩式；(b)(b)中心压缩式；中心压缩式；(c)(c)倒置式中心压缩式；倒置式中心压缩式；(d)(d)环形剪切式；环形剪切式；(e)(e)三角剪切式三角剪切式S S弹簧；弹簧；M M质量块；质量块；P P压电晶体；压电晶体；C C导线；导线；B B机座机座4.3.1 4.3.1 压电式传感器压电式传感器 中国矿业大学徐海学院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 4.3.1 4.3.

45、1 压电式传感器压电式传感器 中国矿业大学徐海学院案例：案例：飞机模态分析飞机模态分析模态分析技术的应用可归结为一下几个方面：模态分析技术的应用可归结为一下几个方面： 1) 1) 评价现有结构系统的动态特性；评价现有结构系统的动态特性； 2) 2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估在新产品设计中进行结构动态特性的预估 和优化设计；和优化设计； 3) 3) 诊断及预报结构系统的故障；诊断及预报结构系统的故障； 4) 4) 控制结构的辐射噪声；控制结构的辐射噪声； 5) 5) 识别结构系统的载荷。识别结构系统的载荷。 4.3.1 4.3.1 压电式传感器压电式传感器 中国矿业大学徐海学院4.3

46、 4.3 发电型传感器发电型传感器4.3.2 磁电式传感器磁电式传感器 1.1.变换原理变换原理: : 磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种转换器。又称为电磁感应式、电动力式势的一种转换器。又称为电磁感应式、电动力式ddteW 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 根据根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律，W匝线圈在磁场中匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，运动切割磁力线或线圈

47、所在磁场的磁通变化时，线圈中产生的感应电动势线圈中产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的大小决定于穿过线圈的磁通的磁通的变化率，即的变化率，即中国矿业大学徐海学院2 2、分类、分类 磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N4.3.2 4.3.2 磁电式传感器磁电式传感器 中国矿业大学徐海学院3、动圈式传感器、动圈式传感器 sinsindxeWBLWBLvdtsinsindeWBAWBAdt4.3.2 4.3.2 磁电式传感器磁电式传感器 中国矿业大学徐海学院4 4 磁阻式传感器磁阻式传感器 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

48、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4.3.2 4.3.2 磁电式传感器磁电式传感器 中国矿业大学徐海学院5 5 磁电式传感器的特点及应用磁电式传感器的特点及应用 绝对式振动速度传感器绝对式振动速度传感器1-1-弹簧片；弹簧片；2-2-永磁铁；永磁铁；3-3-阻尼环；阻尼环；4-4-支架；支架；5-5-中心轴；中心轴；6-6-外壳；外壳；7-7-线圈线圈sinsindxeWBLWBLvdtsinsindeWBAWBAdt4.3.2 4.3.2 磁电式传感器磁电式传感器 中国矿业大学徐海学院 测速电机测速电机磁电式车速传感器磁电式车

49、速传感器4.3.2 4.3.2 磁电式传感器磁电式传感器 中国矿业大学徐海学院4.3.3 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。力作用的结果。 霍尔元件及霍尔效应原理霍尔元件及霍尔效应原理(a) (a) 霍尔元件霍尔元件 (b) (b) 霍尔效应霍尔效应4.3 4.3 发电型传感器发电型传感器1 1、霍尔效应、霍尔效应c中国矿业大学徐海学院LFevB4.3.3 4.3.3 霍尔式传感器霍尔式传感器 HEHUFeEeb 任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直的方任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时，都

50、会受到磁场力向运动时，都会受到磁场力FL的作用，这个力又的作用，这个力又称为称为洛伦兹力洛伦兹力电场力电场力达到动平衡时达到动平衡时HHUevBeEeb则则HUbvB 霍尔电势的大小取决于载流体中电子运动的速度，霍尔电势的大小取决于载流体中电子运动的速度，它载流体材料有关。它载流体材料有关。中国矿业大学徐海学院 1HHHB IURB IKB In e ddRH霍尔常数，取决于载流体材料的物理性质；霍尔常数，取决于载流体材料的物理性质；KH霍尔元件灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感霍尔元件灵敏度，它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的大小。应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的

51、大小。Ivnebd流经载流体的电流流经载流体的电流I I与载流子速度之间有下述关系与载流子速度之间有下述关系4.3.3 4.3.3 霍尔式传感器霍尔式传感器 原理原理中国矿业大学徐海学院2 2、霍尔元件、霍尔元件霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。图所示。 4.3.3 4.3.3 霍尔式传感器霍尔式传感器 3 3、霍尔元件的应用、霍尔元件的应用中国矿业大学徐海学院霍尔元件工程测量应用霍尔元件工程测量应用(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

52、速转速 (f) (f) 压力压力4.3.3 4.3.3 霍尔式传感器霍尔式传感器 中国矿业大学徐海学院钢丝绳断丝检测仪工作原理钢丝绳断丝检测仪工作原理4.3.3 4.3.3 霍尔式传感器霍尔式传感器 中国矿业大学徐海学院4.3.4 4.3.4 热电式传感器热电式传感器1 1、工作原理、工作原理 热电式传感器是一种将温度的变化转换为电量热电式传感器是一种将温度的变化转换为电量变化的变换装置，它利用传感元件的电（磁）参数变化的变换装置，它利用传感元件的电（磁）参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。随温度变化而变化的特性来达到测量目的。 热电偶是由两种导体（或半导体）构成的回路，热电偶是由两种导

53、体（或半导体）构成的回路，如图所示如图所示AB12tt0eAB (t)eAB (t0)eB (t,t0)mV 热电效应热电效应热电效应：热电效应：4.3 4.3 发电型传感器发电型传感器eA (t,t0)中国矿业大学徐海学院热电偶总的热电势为：热电偶总的热电势为：e eABAB( (t t, ,t t0 0)= )= e eABAB( (t t) - ) - e eABAB( (t t0 0) -) -e eA A( (t t, ,t t0 0)+ )+ e eB B( (t t, ,t t0 0) ) 温差电势比接触电势小很多，可以忽略不计，则温差电势比接触电势小很多，可以忽略不计，则热电偶

54、的总的热电势可表示为：热电偶的总的热电势可表示为： e eABAB( (t t, ,t t0 0)= )= e eABAB( (t t) - ) - e eABAB( (t t0 0) )4.3.4 4.3.4 热电式传感器热电式传感器 热电偶所产生的热电势由两部分组成：热电偶所产生的热电势由两部分组成：（1 1）两种导体的接触电势（伯尔电势）两种导体的接触电势（伯尔电势）e eABAB(t(t) )（2 2）单一导体的温差电势（汤姆逊电势）单一导体的温差电势（汤姆逊电势） e eA A( (t t, ,t t0 0) )因此，在闭合回路中出现四个热电势，分别为因此，在闭合回路中出现四个热电势

55、，分别为e eABAB( (t t) )、e eABAB( (t t0 0) )、 e eA A( (t t, ,t t0 0) )和和e eB B( (t t, ,t t0 0) )，它们的代，它们的代数和不等于零。数和不等于零。中国矿业大学徐海学院2 2、热电偶基本定律、热电偶基本定律（3 3）中间温度定律）中间温度定律ABt1t2中间温度定律中间温度定律ABt1t3ABt3t2=+热电势为：热电势为：eAB (t1 ,t2)= eAB (t1,t3 ) + eAB (t3,t2)4.3.4 4.3.4 热电式传感器热电式传感器 （1 1）均匀回路定律）均匀回路定律（2 2）中间导体定律）

56、中间导体定律中国矿业大学徐海学院（4 4）标准电极定律）标准电极定律ABt1t2标准电极定律标准电极定律ACt1t2CBt1t2=+热电势为：热电势为：eAB (t1 ,t2)= eAC (t1,t2 ) + eCB (t1,t2)4.3.4 4.3.4 热电式传感器热电式传感器 中国矿业大学徐海学院3 3、热电偶传感器的结构及应用、热电偶传感器的结构及应用4.3.4 4.3.4 热电式传感器热电式传感器 中国矿业大学徐海学院 目前采用的数字式传感器主要有码盘、光栅、目前采用的数字式传感器主要有码盘、光栅、旋转变压器等。旋转变压器等。一、数字式传感器一、数字式传感器4.4 4.4 其他类型传感

57、器其他类型传感器 码盘是把被测转角直接转换成相应代码的检测码盘是把被测转角直接转换成相应代码的检测元件。码盘有元件。码盘有光电式、接触式和电磁式光电式、接触式和电磁式三种。三种。第四章、常用传感器及变换原理第四章、常用传感器及变换原理1 1 码盘码盘中国矿业大学徐海学院 工作时，码盘的一侧放置光源，另一侧放置光电工作时，码盘的一侧放置光源，另一侧放置光电接受装置，每个数位都对应有一个光电管及放大、接受装置，每个数位都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接收光信整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接收光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相号，并转成相应的电信号，

58、经放大整形后，成为相应数码电信号。应数码电信号。 右图所示为四位二进制码右图所示为四位二进制码盘，码盘上各圆环分别代表盘，码盘上各圆环分别代表一位二进制的数字码道，在一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑（图中同一个码道上印制黑（图中表示为红色）白等间隔图案，表示为红色）白等间隔图案，形成一套编码。黑色不透光形成一套编码。黑色不透光区和白色透光区分别代表二区和白色透光区分别代表二进制的进制的“0”0”和和“1”1”。 4.4 4.4 其它类型的传感器其它类型的传感器 中国矿业大学徐海学院四位二进制循环码盘四位二进制循环码盘 带判位光电装置的带判位光电装置的二进制循环码盘二进制循环码盘 4.

59、4 4.4 其它类型的传感器其它类型的传感器 中国矿业大学徐海学院3602n若采用若采用n n位码盘，则分辨的角度为：位码盘，则分辨的角度为：位数位数n n越大，能分辨的角度越小，测量也就越精确。越大，能分辨的角度越小，测量也就越精确。4.4 4.4 其它类型的传感器其它类型的传感器 2 2 光栅光栅 光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为用于位移测量的光栅称为计量光栅计量光栅。计量光栅分。计量光栅分为为透射式透射式及及反射式反射式两种。两种。中国矿业大学徐海学院 光栅主要由光栅主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光标尺光栅、

60、指示光栅、光路系统和光电元件电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。必要时，标尺光栅还可接长。指示光栅比标尺光栅必要时，标尺光栅还可接长。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样栅距。短得多，但两者刻有同样栅距。 测量线位移的光栅称为直光栅，测量角位移的光测量线位移的光栅称为直光栅，测量角位移的光栅称为圆形光栅。在直光栅中，若栅称为圆形光栅。在直光栅中，若a为刻线宽度，为刻线宽度，b为缝隙宽度，则为缝隙宽度，则Wa+b称为光栅的栅距称为光栅的栅距(也称光栅也称光栅常数常数)。 4.4 4.4 其它类型的传感器其它类型的传感器 中国矿业大学徐海学院4