第三讲 常用传感器

1、第三讲第三讲 常用传感器常用传感器概述概述电阻式传感器电阻式传感器电感式传感器电感式传感器电容式传感器电容式传感器其他传感器其他传感器 传动器的选用原则传动器的选用原则激励激励被测被测对象对象传感器传感器中间变中间变换装置换装置显示、记录显示、记录装置装置被测物被测物理量理量电量电量测试系统测试系统 传感器是借助于传感器是借助于检测元件检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的所获取的信息转换信息转换成另一种信息的装置。成另一种信息的装置。 第一节第一节 概述概述传感器一般由传感器一般由敏感器件敏感器件与其它与其它辅助器件辅助器件组成。组成。1 1

2、、传感器是什么、传感器是什么第一节第一节 概述概述 敏感器件敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。量，并将信号进行必要的转换输出。 辅助器件辅助器件包括信号调理与转换电路等，它们是一些能把敏包括信号调理与转换电路等，它们是一些能把敏感器件输出的信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电感器件输出的信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。信号的装置。 集成传感器集成传感器把一些处理电路和传感器集成在一起构成。把一些处理电路和传感器集成在一起构成。 智能传感器智能传感器将传感器和微处理器相结合。具有一定

3、的信号将传感器和微处理器相结合。具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。定的辨认、识别、判断的功能。 这种集成化、智能化的发展，无疑对现代工业技术的发展这种集成化、智能化的发展，无疑对现代工业技术的发展将发挥重要的作用。将发挥重要的作用。2 2、传感器的分类、传感器的分类按被测物理量：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、按被测物理量：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、 力传感器、温度传感器等力传感器、温度传感器等 。按信号变换特征：物性型按信号变换特征：物性型(温度计温度计)和结构型

4、和结构型(电容式传感器电容式传感器) 。按传感器与被测量的关系：能量转换型和能量控制型按传感器与被测量的关系：能量转换型和能量控制型 。按传感器输出量的性质：模拟式和数字式按传感器输出量的性质：模拟式和数字式 。按传感器的工作原理：机械式、电气式、辐射式等。按传感器的工作原理：机械式、电气式、辐射式等。第一节第一节 概述概述3 3、传感器的性能要求、传感器的性能要求灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；噪声小，并具有抗外部噪声的能力；噪声小，并具有抗外部噪声的能力；滞后、漂移误差小；滞后、漂移误差小；动态特性良好；动态特性良好；接入测量系统

5、时，对被测量影响小；接入测量系统时，对被测量影响小；功耗小。功耗小。第一节第一节 概述概述4 4、传感器的发展方向、传感器的发展方向 传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，重点研究传感器的传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。 (1)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。传感器技术的重要基础工作。(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

6、展。(3)发展智能型传感器。智能型传感器是一种带有微处理器并兼有检测和发展智能型传感器。智能型传感器是一种带有微处理器并兼有检测和信息处理功能的传感器。信息处理功能的传感器。第一节第一节 概述概述第二节第二节 传感器选用原则传感器选用原则 主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。等六个方面的问题。 1. 灵敏度灵敏度 一般说来，一般说来，传感器灵敏度越高越好传感器灵敏度越高越好，灵敏度越高，就意味着传感器所能感，灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大

7、的输出。知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。 灵敏度越大，噪声干扰也被放大。因此，为了既能使传感器检测到有用的灵敏度越大，噪声干扰也被放大。因此，为了既能使传感器检测到有用的微小信号，又能使噪声干扰小，就要求传感器的微小信号，又能使噪声干扰小，就要求传感器的信噪比愈大愈好信噪比愈大愈好。2. 响应特性响应特性 响应特性必须在所测响应特性必须在所测频率范围频率范围内，内，保持不失真保持不失真的测量条的测量条件。此外，实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，件。此外，实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，只是希望只是希望延迟的时间越短越好延迟的时间越短越好。 一般物

8、性型传感器一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率宽；而结构型传感器，如电感、电容、响应时间短，工作频率宽；而结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响和机械系统惯性的磁电等传感器，由于受到结构特性的影响和机械系统惯性的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。限制，其固有频率低，工作频率范围窄。 第二节第二节 传感器选用原则传感器选用原则3. 线性范围线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，例关系，线性范围愈宽线性范

9、围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。性区域内，是保证测量精度的基本条件。 4. 稳定性稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。 为了保证稳定性，在选择传感器时，根据环境条件选择传感器。为了保证稳定性，在选择传感器时，根据环境条件选择传感器。 第二节第二节 传感器选用原则传感器选用原则5. 精确度精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与

10、被测量的对应程度。由于传感传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。由于传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。测试系统具有直接的影响。 6. 测量方式测量方式 测量方式不同，所选用的传感器也应不同。测量方式不同，所选用的传感器也应不同。 在机械系统中，对运动部件的被测参数往往采用非接触测量方式，如在机械系统中，对运动部件的被测参数往往采用非接触测量方式，如采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器很方便，若选用电阻应变采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器很方便，

11、若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。片，则需配以遥测应变仪。 第二节第二节 传感器选用原则传感器选用原则第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器 基本原理：基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化。经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化。 按其工作原理可分为按其工作原理可分为电阻应变式电阻应变式、压阻式压阻式和和变阻器式变阻器式(电电位器式位器式)传感器三种。传感器三种。 1、电阻应变式传感、电阻应变式传感器器应变片应变片 金属导体的金属导体的应变效应：应变效应：机械变形机械变形电阻值发生变

12、化。电阻值发生变化。 原理原理金属电阻值：金属电阻值： LRA2dRdLdAddLdrdRLALr微微分分 轴向应变轴向应变 径向应径向应变变 drdLrL1 2dRdR 01 2dR RdS 泊松比泊松比灵敏度灵敏度为常数，为常数，S0=1.7-3.6第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器灵敏度物理意义是：单位应变所引起的电阻相对变化应变片的应变片的结构结构 金属电阻应变片分为金属电阻应变片分为丝式丝式、箔式箔式两种。两种。 金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金

13、属箔式应变片具有属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片。目前使用的多为金属箔式应变片。 第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器应变片的参数应变片的参数 第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器应变片的应变片的测量电路测量电路 第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器 优点优点：精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性：精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在

14、恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。样化等。 缺点：缺点：是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。采取一定的补偿措施。 广泛应用于自动测试和控制技术中。广泛应用于自动测试和控制技术中。特点第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面：电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面： 1）将应变片粘贴于被测构件上将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和，直接用来测定构件的应变和应力。应力。2）将应变片贴于弹性

15、元件上将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，数。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。应用第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器应变式力传感器应变式力传感器第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器荷重传感器荷重传感器第三节第三节 电阻式传感器

16、电阻式传感器汽车称重系统汽车称重系统第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器应变式加速度传感器应变式加速度传感器第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器悬臂梁式位移传感器悬臂梁式位移传感器第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器2、压阻式传感器、压阻式传感器 原理原理半导体材料的半导体材料的压阻效应：压阻效应：应力应力电阻率变化电阻率变化12LLdRddER 0LdR RSE S0=50-100 最常用的半导体电阻材料有硅和锗。由于半导体是各向异性材料，最常用的半导体电阻材料有硅和锗。由于半导体是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、

17、温度和材料类型有关，还与晶向有关向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器特点特点灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，例如测量压力时可测出分辨率高，例如测量压力时可测出1020Pa的微压；的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。第三节第三节 电阻

18、式传感器电阻式传感器应用应用固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器3、变阻式传感器、变阻式传感器 也称也称电位器式传感器电位器式传感器工作原理：物体的位移转换为电阻的变化。工作原理：物体的位移转换为电阻的变化。 第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器ABLRRxK xL灵敏度灵敏度LdRSKconstdx灵敏度灵敏度dRSKconstd2ACRx第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器任意函数特点特点优点：优点：(1) 结构简单、价格低廉且性能稳定；结构简单、价格低廉且性能稳定；(2) 受环境因素

19、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) 输出信号大，一般不需放大。输出信号大，一般不需放大。缺点：缺点：(1) 因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较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；大的输入能量；(2) 由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降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，所以分辨力较低；低测量精度，所以分辨力较低；(3) 动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。第

20、三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器应用应用变阻式传感器常用来测量变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度位移、压力、加速度等参量。等参量。 被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器机器人关节转角测量机器人关节转角测量第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器煤气包储量检测煤气包储量检测第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器第四节第四节 电感式传感器电感式传感器电磁感应原理电磁感应原理：被测量：被测量电感量电感

21、量工作原理工作原理差动变压器型差动变压器型电感式传感器电感式传感器自感型自感型互感型互感型压磁型压磁型可变磁阻式可变磁阻式涡流式涡流式1、自感型传感器、自感型传感器可变磁阻式可变磁阻式 2mLWR线圈自感可表示为：线圈自感可表示为：如果空气隙如果空气隙较小，而且不考虑磁较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为：路的铁损时，则磁路总磁阻为：000022mlRAAA2002LWA线圈匝数空气磁导率横截面积气隙第四节第四节 电感式传感器电感式传感器2002LWA灵敏度：灵敏度：20022WAdLSd 特点：特点：线圈自感与气隙变化成线圈自感与气隙变化成非线性非线性关系关系 ；灵敏度灵敏度S与气隙

22、的初始取值与气隙的初始取值有关，有关， 愈小，灵敏度愈高，为保证足够愈小，灵敏度愈高，为保证足够 灵灵敏度，敏度， 一般取值为一般取值为0.1 0.5mm；为限制非线性误差，衔铁在为限制非线性误差，衔铁在的方向上的变化量同样受到限制的方向上的变化量同样受到限制，一般，一般取取/0.1(1) 变间隙型变间隙型第四节第四节 电感式传感器电感式传感器 将将固定，变化空气隙导磁截面积固定，变化空气隙导磁截面积A0 。(2) 变面积型变面积型2002LWA特点：特点：线圈自感与覆盖面积的变化具有线圈自感与覆盖面积的变化具有线性关线性关系系；灵敏度灵敏度S仍然与气隙仍然与气隙有关，但灵敏度比气隙变化型小；

23、有关，但灵敏度比气隙变化型小；量程范围大。量程范围大。第四节第四节 电感式传感器电感式传感器 衔铁随被测对象移动，线圈电感发生变化，电感大小与衔铁插入线圈的衔铁随被测对象移动，线圈电感发生变化，电感大小与衔铁插入线圈的深度有关。深度有关。(3) 螺管型螺管型特点：特点：传感器的传感器的灵敏度较低灵敏度较低；具有良好的线性性具有良好的线性性，且，且量程大量程大；结构简单，结构简单，易于制造和批量生产易于制造和批量生产，是使用最为广泛的一种电感式传感器。，是使用最为广泛的一种电感式传感器。第四节第四节 电感式传感器电感式传感器 实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式电实际使用

24、中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器。感传感器。(4) 差动式差动式 差动式电感传感器可以提高传感器的灵敏度和线性性，并可对温度变差动式电感传感器可以提高传感器的灵敏度和线性性，并可对温度变化等影响进行补偿，从而减少测量误差。化等影响进行补偿，从而减少测量误差。第四节第四节 电感式传感器电感式传感器应用应用压力测量压力测量电感测微仪电感测微仪第四节第四节 电感式传感器电感式传感器1、自感型传感器、自感型传感器涡流式涡流式 涡流式传感器的变换原理是利用金涡流式传感器的变换原理是利用金属导体的属导体的涡流效应涡流效应。金属导体在变化的。金属导体在变化的磁场中或在磁场中运动

25、时，会产生感应磁场中或在磁场中运动时，会产生感应电流的现象。电流的现象。 涡流的大小与金属板的电阻率涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率磁导率、厚度、厚度h、金属板与线圈的距离、金属板与线圈的距离、激励电流角频率、激励电流角频率等参数有关。若改等参数有关。若改变其中的某项参数，而固定其它参数不变其中的某项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。变，就可根据涡流的变化测量该参数。 涡流式传感器可分为涡流式传感器可分为高频反射式高频反射式和和低频透射式低频透射式两种。两种。 第四节第四节 电感式传感器电感式传感器 高频高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于激励

26、电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集集肤效应肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗或阻抗ZL的变化。线圈自感的变化。线圈自感L或阻抗或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、磁导率、激励电流、激励电流i及角频率及角频率等等有关，若只改变距离有关，若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。圈自感的变化，通过测量

27、电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器多用于位移测量多用于位移测量。(1) 高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器第四节第四节 电感式传感器电感式传感器(2) 低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 发射线圈发射线圈1和接收线圈和接收线圈2分别置于被测金属板材料分别置于被测金属板材料G的上、下方。由的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围音频范围)电压电压e1加到线圈加到线圈1 的的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈使线圈2 产生感应电产生感应电动势动势

28、e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板减少，当金属板材料材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2 越小。因此，越小。因此， e2 的大小与的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度随材料厚度h的增加按负指数规的增加按负指数规律减少律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2 的变化即的变化即可测量其厚度。可测量其厚度。 第四节第四节 电感式传感器电感式传感器应用应用第四节第四节 电

29、感式传感器电感式传感器涡流式电感传感器主要用于涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量。厚度等参数的测量。 应用应用第四节第四节 电感式传感器电感式传感器应用应用主轴轴向位移测量主轴轴向位移测量水位测量水位测量第四节第四节 电感式传感器电感式传感器应用应用探伤探伤转速测量转速测量第四节第四节 电感式传感器电感式传感器应用应用厚度测量厚度测量第四节第四节 电感式传感器电感式传感器2、互感型、互感型(差动变压器式差动变压器式)传感器传感器 互感型电感传感器是利用互感的变化来反映被测量的变化。这种传感互感型电感传感器是利用互感的变化来反映被测量的变化。

30、这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。 差动变压器式传感器具有精度高，线圈变化范围大，结构简单，稳定性好差动变压器式传感器具有精度高，线圈变化范围大，结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量。等优点，被广泛应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量。特点特点第四节第四节 电感式传感器电感式传感器应用应用板厚测量板厚测量第四节第四节

31、 电感式传感器电感式传感器应用应用第四节第四节 电感式传感器电感式传感器测量力测量力应用应用张力测量张力测量第四节第四节 电感式传感器电感式传感器应用应用微压力传感器微压力传感器第四节第四节 电感式传感器电感式传感器应用应用加速度传感器加速度传感器第四节第四节 电感式传感器电感式传感器应用应用锅炉自动连续给水控制装置锅炉自动连续给水控制装置第四节第四节 电感式传感器电感式传感器3、压磁式传感器、压磁式传感器原理原理压磁效应压磁效应 某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而导致磁导率的改变。力，从而导致磁导率的改变。磁致伸缩磁致

32、伸缩 某些铁磁物质在外界磁场作用下会产生变形，有些会伸长，某些铁磁物质在外界磁场作用下会产生变形，有些会伸长，有些则会压缩。有些则会压缩。第四节第四节 电感式传感器电感式传感器 单位机械应力，所引起的磁导率的相对变化。单位机械应力，所引起的磁导率的相对变化。 压磁式传感器可用来测量压力、拉力、弯矩、力矩等。压磁式传感器可用来测量压力、拉力、弯矩、力矩等。灵敏度灵敏度其变换链为：其变换链为：第四节第四节 电感式传感器电感式传感器工作原理工作原理电容式传感器是将被测量物理量转换为电容量变化的装置。电容式传感器是将被测量物理量转换为电容量变化的装置。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为：在忽

33、略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为： 0AC 0真空的介电常数，真空的介电常数， 0 =8.85410-12F/m； A 极板的遮盖面积，极板的遮盖面积，m2； 极板间介质的相对介电系数，在空气中，极板间介质的相对介电系数，在空气中，=1； 两平行极板间的距离，两平行极板间的距离，m。 根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为分为极距变化型极距变化型、面积变化型面积变化型和和介质变化型介质变化型三种，三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。其中极距变化型和面积变化型应用较广。 第五节第五节 电容式传感器电容式传感器1、极距变化型电容传感器、极

34、距变化型电容传感器面积面积A、极间介质不变，极距、极间介质不变，极距发生变化时：发生变化时：02AdCd 02AdCCSd 灵敏度：灵敏度： 极距极距 S ； 存在非线性误差，规定测量范围存在非线性误差，规定测量范围0 0.1； 采用差动式电容传感器。采用差动式电容传感器。第五节第五节 电容式传感器电容式传感器2、面积变化型电容传感器、面积变化型电容传感器 改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。型两种。 第五节第五节 电容式传感器电容式传感器 线位移型线位移型平面型平面型0bxC 0bdCSconstdx 灵

35、敏度：灵敏度：b: 极板宽度极板宽度x: 覆盖长度覆盖长度第五节第五节 电容式传感器电容式传感器 角位移型角位移型202rC 202rdCSconstd 灵敏度：灵敏度：:两极板覆盖角度两极板覆盖角度 r :极板半径极板半径 线位移型线位移型圆柱型圆柱型0212lnxCr r 0212lndCSconstdxr r 灵敏度：灵敏度：x: 覆盖长度覆盖长度r1, r2: 圆筒孔径和圆圆筒孔径和圆柱外径柱外径 面积变化型电容传感器的优点是面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系输出与输入成线性关系，但与极板，但与极板变化型电容式传感器相比，变化型电容式传感器相比，灵敏度较低，适用于较大量程

36、范围的角位移灵敏度较低，适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量和直线位移的测量。 第五节第五节 电容式传感器电容式传感器3、介质变化型电容传感器、介质变化型电容传感器 利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。 大多用于测量电介质的厚度大多用于测量电介质的厚度(图图a)、位移、位移(图图b)、液位、液位(图图c)，还可根据，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量度、容量(图图d)等。等。 第五节第五节 电容式传感器电容式传感器3、介

37、质变化型电容传感器、介质变化型电容传感器 电容为：电容为：第五节第五节 电容式传感器电容式传感器液面高度进入长度厚度电容传感器的特点电容传感器的特点 优点：优点：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力损耗小能力损耗小结构简单，适应性好结构简单，适应性好纳米测量技术应用纳米测量技术应用第五节第五节 电容式传感器电容式传感器 缺点：缺点：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电容式料位传感器电容式料位传感器应用应用第五节第五节 电容式传感器电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、速度、压力、转速、流量、液位、料位、成分分析等差

38、动式电容压力传感器差动式电容压力传感器应用应用第五节第五节 电容式传感器电容式传感器差动式电容加速度传感器差动式电容加速度传感器应用应用第五节第五节 电容式传感器电容式传感器电容式传声器电容式传声器应用应用第五节第五节 电容式传感器电容式传感器1. 压电式传感器压电式传感器 压电效应：压电效应：受到外力表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的受到外力表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态。状态。逆压电效应逆压电效应或或电致伸缩效应：电致伸缩效应：由外电场作用导致物质由外电场作用导致物质 (物体）产生机械变物体）产生机械变形的现象。形的现象。压电材料：压电材料：具有压电效应的物

39、质具有压电效应的物质(物体物体)。常见的压电材料可分为两类，即。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。压电单晶体和多晶体压电陶瓷。 第六节第六节 其他传感器其他传感器机械能和电能的相互转换压电式刀具切削力测量压电式刀具切削力测量应用应用 由于压电陶瓷元件的自振频率高由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化特别适合测量变化剧烈的载荷。剧烈的载荷。第六节第六节 其他传感器其他传感器玻璃破碎探测器玻璃破碎探测器应用应用 利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。破碎时产生的振动波。第六节第六节 其他传感器

40、其他传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器应用应用第六节第六节 其他传感器其他传感器2. 磁电传感器磁电传感器 通过磁电作用将被测物理量的变化转换为感应电动势的变化。常用的有通过磁电作用将被测物理量的变化转换为感应电动势的变化。常用的有磁电感应式磁电感应式和和霍尔式霍尔式两种。两种。工作原理工作原理（1）磁电感应式）磁电感应式 利用利用电磁感应原理电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成感应电动将被测量（如振动、位移、转速等）转换成感应电动势，是一种机势，是一种机-电转换型传感器，无需外部供电，属于有源传感器。其尺电转换型传感器，无需外部供电，属于有源传感器。其尺寸及质量都较大。

41、寸及质量都较大。deWdt感应电动势：感应电动势：磁电感应式传感器有磁电感应式传感器有 变磁通式变磁通式和和恒磁通式恒磁通式两种结构。两种结构。第六节第六节 其他传感器其他传感器磁电感应式磁电感应式-恒磁通式恒磁通式 它的磁路系统产生恒定的直流磁场它的磁路系统产生恒定的直流磁场, 磁路中的工作气隙固定不变磁路中的工作气隙固定不变, 因而气隙中磁通也是恒定不变的。因而气隙中磁通也是恒定不变的。eWBlvekWBA感应电动势：感应电动势：第六节第六节 其他传感器其他传感器磁电感应式磁电感应式-变磁通式变磁通式 变磁通式磁电传感器，主要用来测量旋转物体的角速度。它又分变磁通式磁电传感器，主要用来测量

42、旋转物体的角速度。它又分为开磁路和闭磁路两种：为开磁路和闭磁路两种：变磁通式磁电传感器变磁通式磁电传感器第六节第六节 其他传感器其他传感器 基于基于霍尔效应霍尔效应原理将被测量转换成电动势输出的一种传感器。原理将被测量转换成电动势输出的一种传感器。 霍尔效应霍尔效应（2）霍尔传感器）霍尔传感器 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁金属或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，这种物理现象称为场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应。 第六节第六节 其他传感器其他传感器分类分类霍尔传感器分为霍尔传感器分为线性型霍尔传感

43、器线性型霍尔传感器和和开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器两种。两种。n 线性型霍尔传感器输出模拟量。线性型霍尔传感器输出模拟量。n 开关型霍尔传感器输出数字量。开关型霍尔传感器输出数字量。第六节第六节 其他传感器其他传感器应用应用磁场测量磁场测量 将霍尔传感器置于待测磁场中，控制电极两端通以恒定将霍尔传感器置于待测磁场中，控制电极两端通以恒定电流，则其输出电压就反映了磁场的大小。该方法亦可用电流，则其输出电压就反映了磁场的大小。该方法亦可用来来测量电流测量电流。第六节第六节 其他传感器其他传感器应用应用位移测量位移测量第六节第六节 其他传感器其他传感器应用应用霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器转速

44、测量转速测量第六节第六节 其他传感器其他传感器应用应用霍尔式计数器霍尔式计数器计数计数第六节第六节 其他传感器其他传感器应用应用压力测量压力测量第六节第六节 其他传感器其他传感器3. 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能量，并能将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。其工作原理是基于一些物质的能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应光电效应。由于被。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的

45、光电效应分为：面后产生的光电效应分为：外光电效应外光电效应、内光电效应内光电效应。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。称为外光电效应。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)电阻率发生变化或产生光电电阻率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。导效应和光生伏特效应。第六节第六节 其他传感器其他传感器光电导效应光电导效应。光

46、电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对空穴对，使其导电性使其导电性能增强能增强，光线愈强光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象, 称为光电称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻(光电导型光电导型)和反向工作的和反向工作的光敏二光敏二极管极管、光敏三极管光敏三极管(光电导结型光电导结型)。第六节第六节 其他传感器其他传感器 光敏电阻光敏电阻：又称光导管，没有极性，纯粹是一个电阻器件。又称光导管，没有极性，纯粹是一个电阻器件。它在无光照时，光

47、敏电阻值很大，电路中电流很小。当光敏电阻它在无光照时，光敏电阻值很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时受到一定波长范围的光照时, 它的电阻率急剧减少它的电阻率急剧减少, 从而导致电阻从而导致电阻急剧减少，因此电路中电流迅速增大。急剧减少，因此电路中电流迅速增大。 不同的光敏电阻对于不同波长的入射光其相对灵敏度是不同的，因此，不同的光敏电阻对于不同波长的入射光其相对灵敏度是不同的，因此，在选用光敏电阻时，应当把元件的光谱特性与光源的类型结合起来，才能在选用光敏电阻时，应当把元件的光谱特性与光源的类型结合起来，才能得到良好的效果得到良好的效果。 第六节第六节 其他传感器其他传感器

48、光敏二极管及三极管光敏二极管及三极管第六节第六节 其他传感器其他传感器光电池光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源。电池在有光线作用下实质就是电源。 光电池的工作原理是基于光电池的工作原理是基于“光生伏特效应光生伏特效应”。 第六节第六节 其他传感器其他传感器应用应用 光电传感器按其工作形式，可分为模拟式光电传感器按其工作形式，可分为模拟式光电传感器及脉冲式光电传感器。光电传感器及脉冲式光电传感器。 模拟式光电传感器的几种工作方式模拟式光电传感器的几种工作方式 第六节第六节 其他传感器其他传感器应用应用

49、 脉冲式光电传感器是光电元件的输出仅有脉冲式光电传感器是光电元件的输出仅有“通通”和和“断断”两种状态，称为两种状态，称为光电敏感开光电敏感开关关。 用于检测是否存在阻挡光路的物体或检测引起光束反射的用于检测是否存在阻挡光路的物体或检测引起光束反射的物体物体，具体应用包括产品计数、光控开关、光电编码器、光电，具体应用包括产品计数、光控开关、光电编码器、光电报警器等。常用方法有对射式与反射式等。报警器等。常用方法有对射式与反射式等。 光电开关常用发光二极管作为光源。当采用红外光，特别光电开关常用发光二极管作为光源。当采用红外光，特别是调制的红外光作为光源时，可有效避免环境光照变化引起的是调制的红

50、外光作为光源时，可有效避免环境光照变化引起的干扰。干扰。 第六节第六节 其他传感器其他传感器应用应用第六节第六节 其他传感器其他传感器应用应用 是利用遮光原理进行角位移检测的一种传感器。可将是利用遮光原理进行角位移检测的一种传感器。可将角位移信号直接转换成数字信号输出，而不需要模数转换。角位移信号直接转换成数字信号输出，而不需要模数转换。它分为它分为绝对式旋转编码器绝对式旋转编码器与与增量式旋转编码器增量式旋转编码器两种。两种。光电式旋转编码器光电式旋转编码器第六节第六节 其他传感器其他传感器应用应用光电耦合器光电耦合器 光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内光电耦合器的发光和接收元件都

51、封装在一个外壳内, 一般一般有金属封装和塑料封装两种。有金属封装和塑料封装两种。 光电耦合器实际上是一个光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器电量隔离转换器, 它具有抗干扰它具有抗干扰性能和单向信号传输功能性能和单向信号传输功能, 广泛应用在电路隔离、电平转换、广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。 由发光元件和光电接收元件合并使用由发光元件和光电接收元件合并使用, 以光作为媒介传递以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管的发光二极管,

52、光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。敏三极管或光可控硅等。第六节第六节 其他传感器其他传感器4. 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体。一般称为半导体热敏电阻，或简称热敏电阻。它具有负的电阻温半导体。一般称为半导体热敏电阻，或简称热敏电阻。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。度系数，随温度上升而阻值下降。 5. 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。在现代社会的生将检

53、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。比如化工产和生活中，会接触到各种各样的气体，需要进行检测和控制。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。况的监测、煤气泄漏、火灾报警、燃烧情况的检测与控制等。 第六节第六节 其他传感器其他传感器1、MEMS技术与微型传感器技术与微型传感器微型传感器的诞生依赖于微机电系统（Micro Elector-Mechanical System，M

54、EMS）技术的发展。MEMS概念起源于美国物理学家、诺贝尔奖获得者Richard P. Feynman在1959年提出的微型机械的设想，是当今高科技发展的热点之一。 完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口电源等部件组成的一体化的微型器件系统，如图所示。 MEMS系统原理与构成 第七节第七节 微型传感器微型传感器 微机电系统典型的特性有：微机电系统典型的特性有：微型化零件；由于受制造工艺和方法的限制，结构零件大部分分为两维、扁平零件；系统所用材料基本上为半导体材料；机械和电子被集成为相应独立的子系统，如传感器、执行器和处理器。 MEMS器件制造中的四种主流技术：器件制造中的四种主流技术： 超精密加工及特种加工； 表面微加工； 体微加工； LIGA技术。第七节第七节 微型传感器微型传感器 空间占有率小，对被测对象的影响小，能在不扰乱周围环境， 接近自