第三章 常用传感器3

1、第三章、常用传感器及敏感元件 本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌握常用传感器测量原理及应用掌握常用传感器测量原理及应用3.3.了解常用传感器测量电路了解常用传感器测量电路第一节 概述1.1.传感器定义传感器定义传感器传感器(sensor)(sensor)是直接作用于被测量，并按一定是直接作用于被测量，并按一定规律将一种形式的信息转换成另一种信息的规律将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。装置。狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。成电信号的装置。被测量被测量传感器传感器（器件、装置（器

2、件、装置）输出量输出量易检测、处理易检测、处理多为电学量多为电学量非电量非电量被测非被测非电量电量电量电量传 感 器2. 传感器的构成敏感器件敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。转换元件：转换元件：感受敏感元件的输出，然后输出电学量感受敏感元件的输出，然后输出电学量辅助器件辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。以便于后续仪表接入。另一种另一种非电量非电量敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助器件辅助器件 R1R2R4R3EAB3. 分类分类(1)(1)

3、按被测物理量来分按被测物理量来分位移传感器位移传感器 速度传感器速度传感器 温度传感器温度传感器 (2)(2)按传感器工作的物理原理来分按传感器工作的物理原理来分机械式机械式 电气式电气式辐射式辐射式 流体式流体式 (3)(3)按信号变换特征来分按信号变换特征来分物性型物性型 结构型结构型 (4)(4)按按传感器的能量转换传感器的能量转换情况情况来分来分能量转换型能量转换型 能量控制型能量控制型 (5)(5)按输出信号来分：按输出信号来分：模拟式和数字式模拟式和数字式 所谓所谓物性型传感器物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例

4、如，用水银温度计测温。是利用了水银化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温。是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应等。等。 所谓所谓结构型传感器结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位变化

5、而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。移引起自感或互感的变化等。 物性型与结构性物性型与结构性 能量转换型与能量控制型能量转换型与能量控制型能量转换型传感器能量转换型传感器 (或称或称)，是直接由被测对象，是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。被测物体的能量，容易造成测量误差。 能量控制型传感器能量控制型传感器 (或称或称)，是从外部供给辅助，是从外部供

6、给辅助能量使传感器工作的，并由被测量来控制外部供给能量能量使传感器工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由被测量变化所引起的电阻变化作能源由外部供给，而由被测量变化所引起的电阻变化去控制电桥输出。去控制电桥输出。第二节 机械式传感器 工作原理：工作原理：以弹性体作为传感器的敏感元件，对力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹性元件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。 机械式传感器 特点特点 优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观； 缺

7、点：弹性变形不宜大，放大和指示环节都是机械传动，宜受间隙影响，惯性大、固有频率低 应用应用：用于检测缓变或静态被测量 提高测量频率范围的方法提高测量频率范围的方法 被测量 变形（位移） 电信号弹性元件其他传感器第三节第三节 电阻、电容、与电感式传感器电阻、电容、与电感式传感器一、电阻式传感器一、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是把被测量转换为电阻变化电阻变化的一种传感器的一种传感器.按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。 1 变阻器式传感器变阻器式传感器结构组成：骨架，电阻元件（线圈等），电刷电刷可直线也可旋转运动直线位移型直线

8、位移型角位移型角位移型其中，其中， 电阻率；电阻率； l 导体长度；导体长度； A 导体截面积。导体截面积。 AlR导体电阻公式：导体电阻公式：（ ）当电阻丝直径和材质当电阻丝直径和材质一定时，一定时，Rl 直线位移型直线位移型 如图，当改变触点如图，当改变触点C的的位置时，位置时，AC间电阻值：间电阻值： x CxABCRxkl：单位长度内的电阻值。：单位长度内的电阻值。1、变阻器式电阻传感器变阻器式电阻传感器原理：原理：它通过改变电位器触头位置，把它通过改变电位器触头位置，把位移位移转换为转换为电阻的电阻的变化变化。Rx=(R/L)x=KLx当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线

9、性关系。当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。 传感器灵敏度：传感器灵敏度：（ /m） 角位移型角位移型 （ /rad） kR kddRs ： 角位移；角位移； k ：单位弧度对应：单位弧度对应 的电阻值。的电阻值。传感器灵敏度：传感器灵敏度：1 1、变阻器式电阻传感器、变阻器式电阻传感器)1)(pLppoyxxRRxxuux R U 变阻式传感器 电路 变阻器的总电阻 变阻器的总长度 后接电路的输入电阻 LRpxpRPLRR 输入输入(位移位移)和输出成线性关系和输出成线性关系只有 时 xxuupoy优点；结构简单，性能较稳定，优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。使用方便

10、。 缺点；受阻经直径影响，分辩率缺点；受阻经直径影响，分辩率不高，运用检测精度不高的场合，不高，运用检测精度不高的场合，噪声大噪声大.pyxudxdus0=常数 0 x 100%100%Output0应用：被用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于应用：被用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等伺服记录仪器或电子电位差计等2电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器分为电阻应变式传感器分为金属金属电阻应变片式与电阻应变片式与半导体半导体应变片式两类应变片式两类 .R应变式传感器是基于测量物体受力所产生应变的一种传感器 金属电阻应变片金属电阻应变片结构组成：基片

11、，电阻丝（片），覆盖层，引出线金属电阻应变片的金属电阻应变片的工作原理工作原理是基于金属是基于金属导体的导体的应变效应应变效应，即金属导体在外力作，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(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发的变化而发生变化的现象。生变化的现象。 丝式：丝式：敏感栅由金属电阻丝绕制而成。敏感栅由金属电阻丝绕制而成。箔式：箔式：敏感栅由金属电阻箔采用光刻技术制造。敏感栅由金属电阻箔采用光刻技术制造。AlR根据 长度为L，截面积为A，电阻率为， 如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积A变化dA，

12、电阻率变化d，因而引起电阻R变化 dRdAARdllRdR式中A=r，r为电阻丝的半径，所以上式为)2(2232drdrldlRdrldrrldlrdRdrdrldlRdR2电阻的相对变化当电阻丝沿轴向伸长时，必须沿径向缩小，两者之间的关系为 ldlrdrldldl/l电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变， dr/r电阻丝径向相对变形，或称横向应变,dp/p电阻丝电阻率相对变变化EdE电阻丝材料弹性模量 压阻系数 v电阻丝泊松比 EERdR)21 (2)21 ( RdR其中（其中（1+21+2）项是由电阻丝几何尺寸改变引起的。对于同项是由电阻丝几何尺寸改变引起的。对于同一电阻材料，一电阻材料，1+

13、21+2是常数。是常数。EE项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝来说，属电阻丝来说，EE是很小的，可忽略。这样上式就可简化为是很小的，可忽略。这样上式就可简化为 常数21/ldlRdRSg灵敏度上式表明电阻相对变化率上式表明电阻相对变化率dR/R与应变与应变成正比，且呈线性关系成正比，且呈线性关系 优点优点:稳定性好稳定性好.缺点缺点:灵敏度系数小（灵敏度系数小（1.73.6）半导体应变片半导体应变片工作原理工作原理:是基于半导体材料的是基于半导体材料的压阻效应压阻效应。所谓压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向

14、受到外力作用时，其电是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率阻率发生变化的现象。发生变化的现象。 结构组成: 胶膜衬底 半导体敏感栅（P-si）焊接端子P型硅单晶 EERdR)21 (2（1+2v）项是由几何尺寸改变引起项是由几何尺寸改变引起的，的，E项是由电阻率变化引起的。项是由电阻率变化引起的。对半导体而言，后者远远大于前者，对半导体而言，后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻变化的主要部它是半导体应变片电阻变化的主要部分分ERdRERdRSg/灵敏度=常数上式表明电阻相对变化率dR/R与应变成正比，且呈线性关系 半导体电阻材料的灵敏度比金属的要高5070倍。 优点：优点：灵

15、敏度大，机械滞后小，横向效应小，体积小灵敏度大，机械滞后小，横向效应小，体积小;缺点：缺点：温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重。温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重。 金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形变引起的电阻的变化，后者利用半前者利用导体形变引起的电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起的电阻的变化。导体电阻率变化引起的电阻的变化。 R 优点优点：应变片结构轻小，对试件影响小。频率响应好，适应变片结构轻小，对试件影响小。频率响应好，适 用于静态测量和动态测量。用于静态测量和动态测量。 测量应变的灵敏度和分辨力高

16、，可测量微应变，误测量应变的灵敏度和分辨力高，可测量微应变，误差小于差小于1。 测量范围广，既可测量弹性变形，也可测量塑性变测量范围广，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。形。 缺点缺点：大应变状态下具有较明显的非线性；大应变状态下具有较明显的非线性； 输出信号较弱。输出信号较弱。3.电阻应变式传感器的主要特点：电阻应变式传感器的主要特点：电阻应变式传感器 4.电阻应变式传感器的应用电阻应变片在使用时通常将其接入测量电桥，以便将电阻的变化电阻应变片在使用时通常将其接入测量电桥，以便将电阻的变化转换成电压量输出。金属应变片构成的这种电桥称为惠斯登电桥。转换成电压量输出。金属应变片构成的这种电桥称

17、为惠斯登电桥。可以采用电桥的一个桥臂为一片金属应变片、其他桥臂为固定电可以采用电桥的一个桥臂为一片金属应变片、其他桥臂为固定电阻的方法阻的方法图图 (a)，也可以采用在电桥上用，也可以采用在电桥上用2片或片或4片金属应变片片金属应变片组成的桥路结构，以此提高传感器的测量精度组成的桥路结构，以此提高传感器的测量精度图图 (b)。RU 电路 图 (b)图 (a)应变式电阻传感器的应用主要有两个方面：1) 直接测定结构的应力或应变 为了研究机械、建筑、桥梁等结构的某些部位或所有部位工作状态下的受力变形情况，往往将不同形状的应变片贴在结构的预定部位上，直接测得这些部位的拉、压应力、弯矩等，为结构设计、

18、应力校核或构件破坏及机器设备的故障诊断提供实验数据或诊断信息。如图 (a)，(b)所示给出了两种实际应用的例子。 (a)立柱应力 (b) 桥梁应力 2) 将应变片贴于弹性元件上制成多种用途的应变传感器 用应变片贴于弹性元件上制成的传感器可测量各种能使弹性元件产生应变的物理量，如压力、流量、位移、加速度等。因为这时被测的物理量使弹性元件产生与之成正比的应变，这个应变再由应变片转换成其自身电阻的变化。根据应变效应可知，应变片电阻的相对变化与应变片所感受的应变成比例，从而通过电阻与应变、应变与被测量的关系即可测得被测物理量的大小。 例：例：电阻应变式加速度传感器电阻应变式加速度传感器 应变式传感器的

19、典型应用应变式传感器的典型应用 图示为加速度传感器。它由质量块M、悬臂梁、基座组成当外壳与被测振动体一起振动时，质量块M的惯性力作用在悬臂梁上，梁的应变与振动体(即外壳)的加速度在一定频率范围内成正比，贴在梁上的应变片把应变转换成为电阻的变化。案例：案例：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转化将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。为电量输出。案例：汽车衡案例：汽车衡 4 4 电阻应变式传感器应用电阻应变式传感器应用 5.电阻应变式传感器应用注意事项 电阻应变片测出的是构件或弹性元件上某处的应变，而不是该处的应力、力或位移。 电阻应变片必须被粘

20、在试件或弹性元件上才能工作。粘合剂 和粘合技术对测量结果有着直接的影响。 用于动态测量时，应考虑应变片的动态响应特性。其中，限制应变片上限测量频率是所使用的电桥激励电源的频率和应变片的基长。一般上限测量频率应在电桥激励电源频率的1/51/10以下。基长愈短，上限测量频率可以愈高。一般基长为l0mm时，上限测量频率可高达25kHz。 要采取相应的温度补偿措施，以消除温度变化所造成的误差。AC0二、电容式传感器二、电容式传感器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。两极板间距离为有效覆盖面积为A极板间介质的相对介电系数真空介电常数 0 A C 如果在

21、如果在、A A、三个参数中保持其中的三个参数中保持其中的两个不变，而只改变一个参数，则电容器两个不变，而只改变一个参数，则电容器的电容量将随之发生变化。所以电容式传的电容量将随之发生变化。所以电容式传感器可以分成三种类型：感器可以分成三种类型：极距变化型极距变化型（变（变）、）、面积变化型面积变化型（变（变A A）和）和介质变化型介质变化型（变（变）。）。 +AdAdC2011.1.极距变化型极距变化型 当极距有微小变化d时，引起电容变化量dC为结构：动板，定板传感器灵敏度为201AddCS 电容量电容量C C与极距与极距呈呈非线性关系非线性关系 20)(1AddCS+A+极距变化极距变化S=

22、常数灵敏度00 可见，灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越可见，灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受极板间击穿电压的限制。此外，为了减高，但极距减小受极板间击穿电压的限制。此外，为了减小因灵敏度随极距变化导致的非线性误差，通常极距变化小因灵敏度随极距变化导致的非线性误差，通常极距变化范围范围/00.1。因此，此类电容传感器仅适于较小位移的。因此，此类电容传感器仅适于较小位移的测量测量（0.01m数百微米）。数百微米）。 优点：优点：可进行动态非接触式测量，灵敏度高，动态可进行动态非接触式测量，灵敏度高，动态响应快。响应快。缺点：缺点：非线性误差大，工作范围较小非

23、线性误差大，工作范围较小 。实际应用为采用差动式，以提高灵敏度，和扩实际应用为采用差动式，以提高灵敏度，和扩大测量范围大测量范围常数00dAdCS面积变化型面积变化型保持电容器极板距离、介质不变，仅改变极板间的相对覆盖面积。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. .+灵敏度优点：输出与输入成线性关系。优点：输出与输入成线性关系。 缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。 AC0常数00dAdCSAC0介质变化型介质变化型利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器常数00AddCS灵敏度优点：输出与输入成线性关系。优点：输出与输

24、入成线性关系。 缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。 电容传感器电容传感器主要优点主要优点 (2)电参量相对变化大。电参量相对变化大。(3) 动态特性好。动态特性好。(4) 能量损耗小。能量损耗小。(5)结构简单，适应性好。结构简单，适应性好。(6)可进行动态非接触式测量。可进行动态非接触式测量。 (1) 输入能量小而灵敏度高。输入能量小而灵敏度高。 主要缺点主要缺点: （1）非线性）非线性 （2）电缆分布电容影响大。）电缆分布电容影响大。2测量电路测量电路x c u电容传感器电容传感器电路电路x (被测量) u（电量） （1.）电桥型电路电桥型电路（2.）直流极化电路）直流极化电路（3.）谐

25、振电路）谐振电路（4.）调频电路）调频电路（5.）运算放大器电路运算放大器电路 （1.）电桥型电路）电桥型电路111cjz212cjzLjccRjccREUL)(1)(02121EUcccc)()(02121LR1C有两个桥臂有两个桥臂 和和 电容式传感器，电容值随被测量而变化。电容式传感器，电容值随被测量而变化。2C极距变化极距变化0 2001)(1AC2002)(1ACEUcccc)()(02121EUo0灵敏度常数00EUS输出输出U与输入与输入成线性关系。成线性关系。（5.）运算放大器电路）运算放大器电路输入阻抗采用固定电容C0反馈阻抗采用电容传感器 AC0AcuuOooy故AcuSO

26、oo灵敏度=常数输出电压输出电压 与极距与极距成线性关系成线性关系 激励电压为 时三、电感式传感器三、电感式传感器电感式传感器的工作原理：电感式传感器的工作原理：电感传感器的敏感元件是电感线圈，电感传感器的敏感元件是电感线圈，其转换原理基于其转换原理基于电磁感应原理电磁感应原理。它把被测量的变化转换成线圈自它把被测量的变化转换成线圈自感系数感系数L或互感系数或互感系数M的变化的变化(在电路中表现为感抗在电路中表现为感抗XL的变化的变化)而而实现把被测量实现把被测量转换为电感量变化的一种装置。转换为电感量变化的一种装置。 按照转换方式的按照转换方式的不同，可分为不同，可分为 用途用途：常用来测量

27、位移、振动、压力、应变、流量、比重：常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量参数。等物理量参数。可变磁阻式自感式电感式传感器涡电流式互感式1.自感型电感式传感器自感型电感式传感器 自感型电感传感器是一种改变自感系数的传感器。自感型电感传感器是一种改变自感系数的传感器。 按照工作原理的不同，其分类为：按照工作原理的不同，其分类为：（1）可变磁阻式）可变磁阻式结构：线圈 铁芯 衔铁mRNL2线圈自感量N线圈匝数线圈匝数Rm磁路磁阻磁路磁阻变气隙式可变磁阻式 变磁路面积式自感型螺管式电感传感器涡电流式)(2221100AlAlARm)(2221100AlAlAOOmAR2200 .2AN

28、L0空气磁导率A铁芯截面积气隙长度N线圈匝数222OoANddLS灵敏度L与与显非线性关系显非线性关系常数 第一项为 空气磁阻，第二，三项为铁心和衔铁的磁阻 。A0空气气隙导磁截面积差动变气隙型：提高灵敏度，改善非线性差动变气隙型：提高灵敏度，改善非线性 差动型差动型: 当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按 变化。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。)(2)(22100020002ANANLLL)(1 22200002AN0)(200000222ANS 000222ANLS灵敏度=常数常数差动式传感器差动式传感器单线圈传感器单线圈传感器灵敏度灵敏度222OoANS灵敏度提高一倍灵敏度提高一

29、倍线性范围线性范围00改善非线性改善非线性变面积式自感传感器变面积式自感传感器 若将变气隙式自感传感器的气隙厚若将变气隙式自感传感器的气隙厚度度保持不变，使气隙导磁截面积保持不变，使气隙导磁截面积A随被随被测非电量而变，即构成变面积式自感传测非电量而变，即构成变面积式自感传感器。感器。螺管式自感传感器螺管式自感传感器： 当铁芯在线圈中运动时，将改变磁当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，结构简单、制造容易，另外由于空气隙另外由于空气隙大，磁路磁阻大，其灵敏度较前两种低，大，磁路磁阻大，其灵敏度较前两种低，但线性范围

30、大；但线性范围大；适用于较大位移适用于较大位移(数毫米数毫米)测量测量。 （2）电涡流式传感器）电涡流式传感器(涡流式涡流式 )涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的磁场中的涡电流效应涡电流效应。涡电流产生交变磁场涡电流产生交变磁场1根据楞次定律，涡电流（电根据楞次定律，涡电流（电涡流）的交变磁场与线圈的涡流）的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，磁场变化方向相反，1 总总是抵抗是抵抗 的变化。的变化。 由于涡流磁场的作用使原由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗线圈的等效阻抗Z发生变化，发生变化，变化程度变化程度主要主要与气隙长度与气隙长度有

31、关。有关。),(xfZ 分析表明：由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化。Z的变化与金属板的电阻率、磁导率以及线圈激磁圆频率等有关。改变其中某一因素，即可达到不同的变换目的。变化，可作为位移，振动测量。变化或，可作为材质鉴别或探伤等。优点：用于动态非接触测量，结构简单，使用方便，不受油液等介质影响，分辨率高。低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器的工作原理的工作原理 发射线圈发射线圈 1 1和接收线圈和接收线圈 2 2分别放在被测材料分别放在被测材料G G的上下的上下方，低频方，低频( (音频范围音频范围) )电压加到电压加到线圈线圈1 1的两端后，在周围空的两端后，在周围空间产生一

32、交变磁场，并在被测间产生一交变磁场，并在被测材料材料G G中产生涡流中产生涡流 ，此涡流损，此涡流损耗了部分能量，使贯穿耗了部分能量，使贯穿 2 2的磁力线减少，从而使的磁力线减少，从而使2 2产生的感应电势产生的感应电势e e2 2 减小。减小。 e e2 2的大小与的大小与G G的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，的厚度及材料性质有关，实验与理论证明， 随材料厚度随材料厚度h h增加增加e e2 2按负指数规律减小。因而若金属板材按负指数规律减小。因而若金属板材料的性质一定，按料的性质一定，按 e e2 2的变化便可测得材料的厚度。的变化便可测得材料的厚度。涡电流式传感器的应用：涡电流式

33、传感器的应用： 涡涡电电流式传感器可用来测量各种形状金属导体试件的位流式传感器可用来测量各种形状金属导体试件的位移量。如汽轮机主轴的轴向位移，液压先导阀的位移和金属移量。如汽轮机主轴的轴向位移，液压先导阀的位移和金属试件的热膨胀系数等。测量位移范围可以从试件的热膨胀系数等。测量位移范围可以从01mm到到022mm，分辨力为，分辨力为0.1m。 涡涡电电流式传感器可用于动态非接触性测量，如下：流式传感器可用于动态非接触性测量，如下：2互感型互感型差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器工作原理：是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故

34、又称差动变压器式传感器。当线圈W1输入交流电流i1时，线圈W2产生感应电动势e12 ，其大小与电流i1的变换率成正比，即 dtdiMe112式中 M比例系数，称为互感，表明两线圈之间的耦合程度。0e21122111eeedtdiMedtdiMeox当铁芯在中间时M1=M2，则eo=0,铁芯向上e1e2铁芯向下e1Z0， 则有则有: euL 00ZCjc与频率与频率等有关，低频较好，高频较差。等有关，低频较好，高频较差。2、磁阻式、磁阻式物体运动物体运动 磁路磁阻改变磁路磁阻改变 磁通变化磁通变化 产生感应电动势产生感应电动势dtdNe二、压电式传感器二、压电式传感器利用某些物质的压电效应将被测

35、量转换为电量的一种传感器。 1 1、压电效应、压电效应压电效应压电效应:某些材料，在某一方向受力时，某些材料，在某一方向受力时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也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，这种现掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。其表面产生的电荷，象称为压电效应。其表面产生的电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即电荷量的改变与受力情况有关，即 q = DFD：压电系数；：压电系数；F：施加力的大小：施加力的大小2 2、压电材料、压电材料常用的压电材料大致分为三类：压电单晶(石英晶

36、体 人工晶体等)、压电陶瓷（钛酸钡 ）和有机压电薄膜（高分子聚合物薄膜 ）。 3 3、压电传感器及其等效电路、压电传感器及其等效电路(b)也可等效为一个电压源U和一个电容器C串联的等效电路 从能量转换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从从能量转换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为结构上看，它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源一个电荷源Q与电容与电容C的并联电路或电压源的并联电路或电压源U和电容和电容C的串联的串联电路。电路。(a)压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器C并联的等效电路 RaCaua等效电压源等效电

37、压源等效电荷源等效电荷源压电元件并联连接和串联连接压电元件并联连接和串联连接 并联连接并联连接：两压电元件的负：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出此时电容量大，输出电荷量电荷量大大，适用于测量缓变信号和，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。以电荷为输出的场合。 串联连接串联连接：上极板为正极，：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身极相连接，此时传感器本身电容小，电容小，输出电压大输出电压大，适用，适用

38、于要求以电压为输出的场合，于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入并要求测量电路有高的输入阻抗。阻抗。 4、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先输入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，方可输入到到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。前置放大器有后续显示仪表中。前置放大器有电压放大器电压放大器和和电荷放大器电荷放大器。 电压放大器电路电压放大器电路CaRa电压放大电路电压放大电路CcRiCi-Auiuo设作用于压电晶片上的力设作用于压电晶片上的力F=F0sin

39、t。则：。则： q = dc F = dc F0sin t= q0sin t ，0sinqCUidtCRiidtqtq忽略过度过程，其稳态解为02221FdCRRUcim 输入端电压幅值：输入端电压幅值：其中，其中，R = Ra/Ri，C = Ca + Cc + Ci。 当作用力频率当作用力频率 与电路时间常数与电路时间常数RC足够大时，足够大时，1)(2RC 00FCCCdFCdUicaccim icacuCCCdS电压灵敏度电压灵敏度：0dFdUSimu0222sin1qiwtR C电压灵敏度电压灵敏度与与电电 缆缆电容电容Cc有关，当改变电缆长度或布有关，当改变电缆长度或布线方法时，线方

40、法时，电压灵敏度电压灵敏度都会改变，从而导致测量误差。都会改变，从而导致测量误差。对动态测量，对动态测量， 较大，易满足较大，易满足( RC)2 1，此时，此时电压电压灵敏度灵敏度近似与近似与 无关，即压电传感器具有良好的高频无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。响应特性。电荷放大器电路电荷放大器电路fyiicaicuucccuq)()(fyiicuucu)()(icacccciyAuuffyACCCAqu)()(ffccAcfyCquCaRaqCcRiCi-AuiuyCf输出电压与传感器的电荷量近似输出电压与传感器的电荷量近似正比，且只与反馈电容有关，与正比，且只与反馈电容有关，与电缆电

41、容电缆电容C Cc c值无关。值无关。5.压电传感器应用 应用领域应用领域 常用来测量力、压力、振动的加速度，也用于声学(包括超声)和声发射等测量 压电传感器类型压电传感器类型 压电式力传感器：10-3N到104 kN，动态范围一般为60dB；测量方向有单方向的，也有多方向的。 压电式压力传感器：1）利用膜片式弹性元件；2)利用活塞 压电式加速度传感器：系列产品（不同灵敏度、不同量程、不同大小），灵敏阈达10-6 gn产品产品加速度计加速度计力传感器力传感器 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 三、热电式传感器三、热电式传感器将被测量（温度）转换为电量的传感器将被测量（温度）转换为电量的传感

42、器热电势效应原理热电势效应原理可分为热电偶和热电阻可分为热电偶和热电阻 1.1.热电偶工作原理：热电偶工作原理：热电偶是热电偶是基于热电势效应原理的测温用基于热电势效应原理的测温用传感器，把两种不同的导体或传感器，把两种不同的导体或半导体连接如图，若半导体连接如图，若1 1、2 2点温点温度不同，回路中有电流产生，度不同，回路中有电流产生，称之为热电势。对于某个确定称之为热电势。对于某个确定的热电偶，当某一端温度的热电偶，当某一端温度T T0 0恒恒定时，热电势仅与测量端温度定时，热电势仅与测量端温度T T有关，故可测温度有关，故可测温度T T。热电势。热电势由两部分组成：接触电势；由两部分组

43、成：接触电势；温差电势。温差电势。 接触电势：接触电势：A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生接触电势：附近产生接触电势： 温差电势：温差电势：当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。 显然，当显然，当ABAB材料已定时，接触电势与温度材料已定时，接触电势与温度T T（绝对温度）有关。所以，（绝对温度）有关。所以，当两种材料当两种材料ABAB组成一个闭合回路时，设组成一个闭合回路时，设0 0时，回路中总电势为时，回路中总电势为 )()(),(0TCTfTTEAB由于接触电势大于温差电

44、势，若忽略温差电势的影响。由于接触电势大于温差电势，若忽略温差电势的影响。 热电偶的材料有许多种，一般金属有镍铬热电偶的材料有许多种，一般金属有镍铬镍铝硅、铜、康镍铝硅、铜、康铜，贵重金属有铂铑铜，贵重金属有铂铑铂、铂铑铂、铂铑3，铂铑，铂铑6以及钨、钼等。热电偶以及钨、钼等。热电偶的种类也比较多，构成基本相同：由热电极材料、绝缘材料、保的种类也比较多，构成基本相同：由热电极材料、绝缘材料、保护材料和引线装置等组成。护材料和引线装置等组成。 热电偶是一种发电型传感器，其输出信号可直接接入记录仪热电偶是一种发电型传感器，其输出信号可直接接入记录仪器。利用热电偶还可测量两点温差及温度场中多点的平均

45、温度，器。利用热电偶还可测量两点温差及温度场中多点的平均温度，有关方面知识还可参考其它专著。有关方面知识还可参考其它专著。 温度温度T0恒定恒定2 2、热电阻、热电阻 金属热电阻（热电阻）与半导体热电阻（热敏电阻）两类它具有负的电阻温度系数它具有负的电阻温度系数,随随温度的上升而阻值下降。温度的上升而阻值下降。（1）铂电阻)1 (20BtAtRRt（2）铜电阻)1 (0tRRt金属热电阻原理：热能原理：热能 热电阻热电阻 电阻值电阻值温度温度 热电阻热电阻 阻值阻值 半导体热电阻RT第五节第五节 光电传感器光电传感器 首先把被测量的变化转换成光信号的变化，光电传感器是将光首先把被测量的变化转换

46、成光信号的变化，光电传感器是将光量转换为电量。光电器件的物理基础是光电效应。量转换为电量。光电器件的物理基础是光电效应。一、光电测量原理一、光电测量原理1. 外光电效应外光电效应在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象，在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象，称为外光电效应。如光电管、光电倍增管。称为外光电效应。如光电管、光电倍增管。 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) )电导率发生变化或产生光电电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。如光敏电阻等。动势的效应称为内光电效应。如光敏电阻等。 3.光生伏特效应

47、光生伏特效应 在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象；如光电在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象；如光电池、光敏晶体管等。池、光敏晶体管等。 光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。 恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、

48、表面缺陷、表面位移等。 被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。 被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。 第六节第六节 光纤传感器以光信号为变换和传输的载体

49、，利用光导光纤传感器以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维传输光信号。纤维传输光信号。 光纤传感器通过将被测量变换为光波的光纤传感器通过将被测量变换为光波的强度、频率、强度、频率、相位相位或或偏振态偏振态四个参数之一的变化进行测量。通常四个参数之一的变化进行测量。通常将光波随被测量的变化而变化称为对光波进行调制。将光波随被测量的变化而变化称为对光波进行调制。相应地，光纤传感器可分为：相应地，光纤传感器可分为：强度调制型、频率调强度调制型、频率调制型、相位调制型制型、相位调制型及及偏振态调制型。偏振态调制型。 )sin(tAE光的电矢量的振动光的电矢量的振动偏振态（矢量偏振态（矢量A的方向的方

50、向) 可分为：功能型、传光型。可分为：功能型、传光型。功能型：功能型：是利用光纤将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型。传光型：传光型：光纤仅作为光的传播媒质，由光检测元件调制的光信号。 光纤由内芯（折射率光纤由内芯（折射率n1、直径几十、直径几十 m）、包层（折射率）、包层（折射率n2n1、外径、外径n2）组成。）组成。 光导纤维结构光导纤维结构222110sinnn

51、nic定义定义NA =为光纤的数值孔径为光纤的数值孔径cnsin0NA是标志光纤接受能力的重要参数。作为传感器的光是标志光纤接受能力的重要参数。作为传感器的光 纤纤0.2 NA0.4。 光纤传感器的特点光纤传感器的特点 光波传输，抗扰能力强光波传输，抗扰能力强 无火花、无短路故障，可用于易燃、易爆环境无火花、无短路故障，可用于易燃、易爆环境 化学性能稳定，耐高压、耐腐蚀化学性能稳定，耐高压、耐腐蚀 重量轻、体积小、可挠性好，利于在狭窄空间重量轻、体积小、可挠性好，利于在狭窄空间 使用使用 频带宽、动态特性好，可实现非接触测量频带宽、动态特性好，可实现非接触测量 易于实现远距离测量易于实现远距离

52、测量 技术复杂、成本高技术复杂、成本高 第七节第七节 半导体传感器半导体传感器利用半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等物利用半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等物理量的敏感性制成的物性型敏感器件。理量的敏感性制成的物性型敏感器件。 半导体的特点半导体的特点是他们是一些物性型传感器，通常可以是他们是一些物性型传感器，通常可以作成结构简单、体积小、重量轻的器件，他们的功耗作成结构简单、体积小、重量轻的器件，他们的功耗低、安全可靠、寿命长；他们对被测量敏感，响应速低、安全可靠、寿命长；他们对被测量敏感，响应速度快；易于实现集成化。度快；易于实现集成化。一、磁敏式传感器一、磁敏式传感器1 霍尔

53、元件霍尔元件工作原理：工作原理：霍尔效应霍尔效应 置于均匀磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁场的方置于均匀磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁场的方向产生横向电场的现象称为向产生横向电场的现象称为霍尔效应霍尔效应，相应电场称为，相应电场称为霍尔电场霍尔电场。 霍尔元件霍尔元件是一种半导体磁电转换元件，将霍尔元件置于磁场B中，如果在a，b端通以电流i，在c，d端就会出现电位差，称为霍尔电势HV 其中，其中，k：霍尔常数，取决于材质、温度、元：霍尔常数，取决于材质、温度、元 件尺寸（厚度）件尺寸（厚度） B B：磁感应强度：磁感应强度 ： 电流与磁场方向的夹角。电流与磁场方向的夹角。 显然，改变

54、显然，改变i或或B，即可改变，即可改变VH。 aiBkVBHsin霍尔电势霍尔电势 热敏式传感器热敏式传感器 气敏式传感器气敏式传感器 湿敏式传感器湿敏式传感器第第8节节 红外测试系统红外测试系统第第 节节 激光测试传感器激光测试传感器第十节第十节 传感器的选用原则传感器的选用原则q 灵敏度灵敏度 q 响应特性响应特性 q 线性范围线性范围 q 可靠性可靠性q 精确度精确度 q 测量方式测量方式 q 其它（体积、价格、易维护性等）其它（体积、价格、易维护性等）1 1、灵敏度、灵敏度S 理论上讲，我们希望传感器的灵敏度越高越好。灵敏理论上讲，我们希望传感器的灵敏度越高越好。灵敏度越高，意味着被测

55、量发生很小变化，传感器就可以有较度越高，意味着被测量发生很小变化，传感器就可以有较大的输出。但是，大的输出。但是，灵敏度高，与测量信号无关的外界干灵敏度高，与测量信号无关的外界干扰也跟着混入，因此要求输入信号信噪比扰也跟着混入，因此要求输入信号信噪比(SNR)高一些，高一些，而且传感器本身必须干扰噪声小，相应的设备复杂，造价而且传感器本身必须干扰噪声小，相应的设备复杂，造价高；高；和灵敏度紧密相关的就是测量范围，前面已讲过，和灵敏度紧密相关的就是测量范围，前面已讲过，理想的测试装置应是线性的，实际测试时，输入量中含有理想的测试装置应是线性的，实际测试时，输入量中含有被测量，也有干扰噪声，二者之和不可以进入非线