安全检测技术2章_常用传感器

1、第二章 安全检测常用传感器 n第一节 传感器的作用及分类 n第二节 结构型传感器 n第三节 物性传感器 n第四节 其他类型传感器 n第五节 传感器的选用原则 第一节 传感器的作用及分类n1.1、传感器的基本概念n1.2、传感器的作用n1.3、传感器的分类1.1、传感器的基本概念1、敏感原件n定义：能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。n例如：铂电阻： 温度敏感元件 弹性膜盒： 压力敏感元件n注意：减少敏感元件受环境因素的影响1.1、传感器的基本概念n2、传感器n从广义上讲从广义上讲，传感器是将被测物理量按一定规律转换为与其对应的另一种(或同种)物理量输出的装置 n通常的定义通常的定义，传感器

2、是将被测非电物理量(如力、压力、重力、力矩、应力、应变、位移、速度、加速度、流量、振动、噪声等)转换成与之对应的并易于精确处理的电量或电参量(如电流、电压、电阻、电感、电容、电荷、频率、阻抗等)输出的一种检测装置。1.1、传感器的基本概念3、变送器n凡输出标准信号的传感器就称为变送器。n标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。n例如：直流电压 010vn优点：便于把各种变送器和其他仪表组成监测系统1.1、传感器的基本概念n4、信号转换器n是指将一种信号转换成另一种信号的装置。信号是信息存在的形式或载体。在自动化仪表设备和自动控制系统中，常将一种信号转换成另一种与标准量或参考量比较

3、后的信号，以便将两类仪表联接起来，因此，转换器常常是两个仪表（或装置）间的中间环节。1.2、传感器的作用n传感器是获得信息的正确与否，关系到整个检测与控制系统的精度。如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器、指示仪等的精度再高也将难以提高整个检测系统的精度。 1 13 3传感器的构成传感器的构成敏感元件敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。 转换元件转换元件： 敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。转换电路转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。膜盒就是敏感元件,其外部与大气压pa相通,内部感受被测压力p,当p

4、变化时,引起膜盒上半部移动,即输出相应的位移量。可变电感3是转化元件,它把输入的位移量转换成电感的变化。5即为转换电路。 由一个敏感元件(兼转换元件)组成,它感受被测量时直接输出电量 1.传感器的分类1按输入量（被测对象)分类n输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。n其中，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等等。这种分类方法给使用考提供了方便，容易根据被测对象选择所需要的传感器。1.传感器的分类2按转换原理分类n从传感器的转换原理来说，通常分为结构型、物性型两大类。n结构型：结构型传感器是利用机械构件(如金属膜片等)在动

5、力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。n物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应(即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等)实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。1.传感器的分类n3按能量转换的方式分类n按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等(如磁电式、压电式、光电池、热电偶等)。n无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。凡是不利用电路自身

6、电流(电压)而受感自身能产生自感式电位信号的传感器均是无源传感器。1.传感器的分类4按输出信号的形式分类n按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式。5按输入和输出的特性分类n按输入、输出特性，传感器可分为线性和非线性两类。第二节 结构型传感器n2.1 电阻式传感器n2.2 电容式传感器n2.3 电感式传感器n2.4 磁电式传感器2.1 电阻式传感器n电阻式传感器是将非电量(如力、位移、形变、速度、加速度和扭矩等参数)转换为电阻变化的传感器。其核心转换元件是电阻元件，将非电量的变化转换成相应的电阻值的变化，通过电测技术对电阻值进行测量，以达到对上述非电量测量的目的。2.1 电阻式传感

7、器n1电阻式传感器原理n从上式可见，若导体的三个参数(电阻率、长度和截面积)中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。例如，若改变长度L，则可形成电位器式传感器，改变L 、A和则可做成电阻应变片；改变则可形成热敏电阻、光导性光检测器等。下面介绍两种最常用的电阻式传感器：电位器式传感器和应变片式传感器。2.1 电阻式传感器n2电位器式传感器n电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。n电位器式传感器分为线绕式和非线绕式两大类。线绕电位器是最基本的电位器式传感器；非线绕式电阻传感器则是在线绕

8、电位器的基础上，在电阻元件的形式和工作方式上有所发展，包括薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器等。n线绕电位器式传感器的核心，即转换元件是精密电位器。 2.1 电阻式传感器n线绕电位器式传感器原理图 2.1 电阻式传感器n线绕电位器主要由骨架、绕组、电刷、导电环及转轴等部分组成。线绕电位器的骨架一般由胶木等绝缘材料或表面覆有绝缘层的金属骨架构成。根据需要，骨架可做成不同的形状，如环带状、弧状、长方体或螺旋状等 特点：特点： 优点：优点：结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定； 受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小； 可以实现输出输入间任意函数关系； 输出信号大，一般不需放大。

9、 缺点：缺点：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命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: : 1) 1)线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性); 4); 4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; ; 2) 2) 分辨率分辨率; 5); 5)电阻温度系数电阻温度系数; ; 3) 3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差; 6); 6)寿命寿命; ;变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类按测量类型：按测量类型：单圈电位器单圈电位器多圈电位器多圈

10、电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器按制作方式：按制作方式：线绕电位器线绕电位器导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电导电材料粉材料粉变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻案例：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：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻2.1 电阻

11、式传感器n3电阻应变式传感器n组成：弹性敏感元件和电阻应变片n原理：当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电阻的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，从而确定被测量的大小。2.1 电阻式传感器主要优点是：n(1)由于电阻应变片尺寸小、重量轻，因而具有良好的动态特性。而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布基本上没有影响，适用于静态和动态测量；n(2)测量应变的灵敏度和精度高，可测量12m应变，误差小于12；n(3)测量范围上，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形，变形范围从120；n(4)能适应各种环境，可在高(低)温、超

12、低压、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。缺点：输出信号微弱，在大应变状态下具有较明显的非线性等 电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力组成：弹性元件、应变片、外壳弹性元件：被测量应变量应变片：应变量电阻量的变化承载能力大弹性元件中部的外侧面上轮辐式悬臂梁式：灵敏度高，小载荷高精度测量固有频率高，可承受大载荷重型载荷的电子秤环式：中小载荷，稳定性好案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量固有频率改变结构改变结构安全检查重要桥梁通常每年进行一次用载重20吨、30吨、.的卡车以每小时40公里、80公里的速度通过大桥在桥梁中部的桥面上设置一个三角枕木障碍，当前

13、进中的汽车遇到障碍时对桥梁形成一个冲击力，激起桥梁的脉冲响应振动。应变信号桥梁的固有频率案例：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。案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。2.2 电容式传感器电容式传感器n1，电容式传感器的工作原理和结构n电容式传感器常用的是平板电容器和圆筒形电容器。n1)

14、平板电容器n平板电容器由两个金属平行板组成，通常以空气为介质 C电容量(F)；0真空介电常数；r极板间介质的相对介电常数；A极板的有效面积(m2)；d两平行极板间的距离(m) 2.2 电容式传感器电容式传感器电容式传感器可依此划分为三种类型:n变间隙型(d变化)、n变面积型(A变化)n变介质型(变化)。 在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于另两种型式，变间隙型电容传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A的变面积型电容传感器只适用于测量厘米数量级的位移。 2.2 电容式传感器电容式传感器n2)圆筒形电容器n圆筒形电容器由内外两个金属圆筒组成，

15、设动极筒的外半径为r，定极筒的内半径为R，动极筒伸进定极筒的长度为l 2.2 电容式传感器电容式传感器n变极距型电容传感器n变极距型电容传感器如图38所示，它有一个固定极板和可动极板，其间为空气介质。当传感器的0和A为常数、初始极距为d时，其初始电容量为 2.2 电容式传感器电容式传感器n差动变极距型电容传感器n上下为定极板，中间为动极板，在初始位置时，d1=d2=d，C1C2C差动式电容传感器比单个电差动式电容传感器比单个电容传感器的灵敏度提高一倍，容传感器的灵敏度提高一倍，非线性误差大大降低，减小一非线性误差大大降低，减小一个数量级。与此同时，差动电个数量级。与此同时，差动电容传感器还能减

16、小静电引力给容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效地进测量带来的影响，并有效地进行温度补偿。行温度补偿。2.2 电容式传感器电容式传感器n4电容式传感器测量电路n电容式传感器将被测量转换成电容量的变化，但由于电容及其变化量均很小，因此必须借助测量电路检测出这一微小电容及增量，并将其转换成电压、电流或频率，以便于显示、记录或传插。电容式传感器的测量电路种类很多，除电桥电路外，还可采用运算放大器电路、调频电路和差动脉冲宽度调制电路等。2.2 电容式传感器电容式传感器n电容传感器测量电路具有如下特点：n(1)不论是极距变化型或面积变化型，其输入与输出变化量都呈线性关系，而且脉冲宽度调制电路

17、对传感元件的线性要求不高；n(2)不需要解调电路，只要经过低通滤波器就可以得到直流输出；n(3)调宽脉冲频率的变化对输出无影响；n(4)由于采用直流稳压电源供电，不存在对其波形及频率的要求。n所有这些特点都是其他电容测量电路无法比拟的。47电容式位移传感器48电容式差压传感器 这种传感器结构简单，灵敏度高，响应速度快(约100ms)，能测微小差压(00.75Pa)。 49差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器50电容式料位传感器测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。当罐内放入被测物料时, 由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化，电容量变化的大小与被

18、测物料在罐内高度有关，且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。 电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化，发生变化，膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声音电路中的电流也相应变化，

19、负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声音信号与电信号的转换。信号与电信号的转换。电容式加速度传感器电容式加速度传感器 1C2Cam1C2C加速度传感器在汽车中的应用 装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊电容测厚仪电容测厚仪CBRR0C1C2C1L2L 电容式荷重传感器电容式荷重传感器F绝缘材料绝缘材料动极板动极板定极板定极板极板支架极板支架弹性体弹性体当被测液体的页面上升时，引起棒状电当被测液体的页面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变化。极与导电液体之间的电容变化。 液位限位传感器与液位变送器的区别液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开在于：它不给出

20、模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。的型号。电容式液位计（变介质型）电容式液位计（变介质型）振荡电路振荡电路感应电极感应电极被测物体被测物体电容式接近开关电容式接近开关 测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介介电常数发生变化，电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化发生变化. .由此便可由此便

21、可控制开关的接通和关断控制开关的接通和关断; ;接近开关接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。或粉状物体。电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式转速传感器电容式转速传感器 电容式键盘电容式键盘 常规的键盘有机械按键和常规的键盘有机械按键和电容按键两种。电容按键两种。 电容式键盘电容式键盘是基于是基于电容式电容式开关开关的键盘，原理是通过按键的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过

22、的条件。这种开关是无许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。触点非接触式的，磨损率极小。电容式指纹传感器电容式指纹传感器n指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。2.3 电感式传感器电感式传感器n电感式传感器是利用电感元件把被测物理量的变化转换成电感的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压(或电流)信号。它可把各种物理量如位移、压力、流量等参数转换成电输出。因此，能满足信息的远距

23、离传输、记录、显示和控制等方面的要求，在自动控制系统中应用十分广泛。电感式传感器有如下几个特点：n(1)结构简单，无活动电触点，工作可靠，寿命较长；n(2)灵敏度和分辨率高。电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出；n(3)线性度和重复性比较好，在一定位移(如几十微米至几毫米)内，传感器非线性误差可做到0.050.1，并且稳定性好。2.3 电感式传感器电感式传感器n1自感式电感传感器n1)自感式电感传感器原理n自感式电感传感器主要用来测量位移或者是可以转换成位移的被测量，如振动、厚度、压力、流量等。工作时，衔铁通过测杆与被测物体相接触，被测物体的位移将引起线圈电感量的变化，当传感器线圈接入

24、测量转换电路后，电感的变化将被转换成电压、电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。2.3 电感式传感器电感式传感器n2互感式电感传感器n互感式电感传感器是利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的变化。互感式电感传感器实际上是一个具有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。变压器初级线圈接入交流电源时，次级线圈因互感作用产生感应电动势，当互感变化时，输出电势亦发生变化。由于它的两个次级线圈常接成差动的形式，故又称为差动变压器式电感传感器，简称差动变压器。 差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器稳压电源稳压电源振荡器振荡器检检波波器器滤滤波波器器220Va输出输出1 1 悬臂梁；悬臂梁；2

25、 2 差动变压差动变压器；器；3 3 衔铁衔铁1 12 2a3 3 用于测定振动物体的频率用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振精确的测量结果。可测量的振幅为幅为(0.1(0.15)mm5)mm，振动频率为，振动频率为(0(0150)Hz150)Hz。1 1 接头；接头；2 2 膜盒；膜盒；3 3 底座；底座；4 4 线路板；线路板；5 5 差动变压器；差动变压器；6 6 衔铁；衔铁；7 7 罩壳罩壳1 12 23 34 45 56 67 7 微压力变送器微压力变送器可分档测量可分

26、档测量(5(510105 56 610105 5)N/m)N/m2 2压力，输压力，输出信号电压为出信号电压为(0(050)mV50)mV，精度为，精度为1.51.5级。级。电感测微仪电感测微仪探头探头测量测量电桥电桥交流交流放大放大相敏相敏检波检波指示器指示器振荡器振荡器测量力或压力测量力或压力张力测量张力测量2.4 磁电式传感器磁电式传感器n磁电传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械能转换为易于测量的电信号，是一种有源传感器，有时也称为电动式或感应式传感器。制作磁电式传感器的材料有导体、半导体、磁性体、超导体等。n利用导体和

27、磁场的相对运动产生感应电动势的电磁感应原理，可制成各种类型的磁电式传感器和磁记录装置；利用强磁性体金属的各向异性磁阻效应，可制成强磁性金属磁敏器件；利用半导体材料的磁阻效应可制成磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三圾管等。 磁电感应式传感器的应用1.振动测量 磁铁与线圈之间相对运动，运动速度接近振动速度，磁路气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势 2 磁电式扭矩传感器3 电磁流量计电磁流量计第三节 物性传感器n3.1 压电式传感器n3.2 半导体敏感元件n3.3 光电传感器n3.4霍尔传感器3.1 压电式传感器n某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，某些电介质，当沿着一定方向

28、对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为态，这种现象称为压电效应压电效应。当作用力方向改变时，。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。电荷极性也随着改变。 n 逆向压电效应逆向压电效应是指当某晶体沿一定方向受到电场作是指当某晶体沿一定方向受到电场作用时，相应地在一定的晶轴方向将产生机械变形或机用时，相应地在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力，又称电致伸缩效应。当外加电场撤去后，晶械应力，又称电致伸缩效应。当外

29、加电场撤去后，晶体内部的应力或变形也随之消失。体内部的应力或变形也随之消失。 3.1 压电式传感器压电材料n具有压电效应的电介质叫压电材料，常见的压电材料分为三类：压电晶体、多晶压电陶瓷和新型压电材料。1)压电晶体n石英是典型的压电晶体，石英具有很大的机械强度，在研磨质量好时，可以承受7001000 kgmm2的压力，并且机械性质也较稳定。n除天然石英和人造石英晶体外，近年来铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、锗酸锂LiGeO3等许多压电单晶在传感技术中也获得广泛应用。3.1 压电式传感器n2)多晶压电陶瓷n多晶压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体，主要有极化的铁电陶瓷(钛酸钡)等。由于

30、压电陶瓷的压电常数大，灵敏度高，价格低廉，在一般情况下，都采用它作为压电式传感器的压电元件。 3.1 压电式传感器n3)新型压电材料n新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。有机压电薄膜是由某些高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成的具有压电特性的薄膜，如聚仿氟乙烯、聚氖乙烯等。n压电半导体是指既具有半导体特性又具有压电特性的材料，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。3.1 压电式传感器n压电传感器的测量电路n压电传感器的输出信号很微弱，而且内阻很高，一般不能直接显示和记录，需要采用低噪声电缆把信号送到具有高输入阻抗的前置放大器。前置放大器有两个作用，一是放大压电传感器的微弱输出信号；另一作用

31、是把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。图图1 压力式单向测力传感器结构图压力式单向测力传感器结构图 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm0.10.5mm，外力作用使它产生弹性变形，将力传，外力作用使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用递到石英晶片上。石英晶片采用xyxy切型，切型， 利用其纵利用其纵向压电效应，向压电效应， 通过通过d d1111实现力实现力电转换。电转换。下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。压电元件、质量块、

32、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 图图2 压电式加速度传感器结压电式加速度传感器结构图构图 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，此惯性力是加速度的函数， 即即 式中：式中：F质量块产生的惯性力；质量块产生的惯性力； m质量块的质量；质量块的质量； a加速度。加速度。 与加速度与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的成正比。因此，测得加速度传感器输出的电

33、荷便可知加速度的大小。电荷便可知加速度的大小。 此时惯性力此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，当传感器选定后，m为常数，为常数， 则传感器输出电荷为则传感器输出电荷为madFdq3333 SPdFdq111122vtLLvtLLBA 当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器波。所以，换能器S1是声频信号发生器是声频信号发生器。 当当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器发出

34、的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，时，空气振动产生的压力作用在空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器所以，换能器S2是声频信号接收器是声频信号接收器。3.2 半导体敏感元件半导体敏感元件n随着材料科学的发展，各种新型半导体材料不断被研制出来，以这些新型半导体材料制成的各种类型的传感器，按照前面的分类方法，也可以分为结构型(如各种电阻敏感元件及敏感电极等)和物性型(如各种光电、热电、磁电转换元件)两大类。3.2 半导体敏感元件半导体敏感元件n1半导体热敏

35、电阻n1)分类及特性n半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型，即负电阻温度系数热敏电阻(NTC)、正电阻温度系数热敏电阻(PTC)和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻(CTR)。使用CTR组成热控制开关是十分理想的，但在温度测量中，则主要采用NTC 3.2 半导体敏感元件半导体敏感元件2)使用时的注意事项 在使用热敏电阻时，也要注意到自热效应问题, 但是，必须特别注意的有如下两点热敏电阻温度特性的非线性n热敏电阻随温度变化呈指数规律，也就是说，其非线性是十分严重的。当需要进行线性转换时，就应考虑其线性化处理 II热敏电阻器特性的稳定性和老化问题n早期热敏电阻器的

36、应用曾因其特性的不稳定、分散性、缺乏互换性和老化问题而受到限制。近十几年来，随着半导体工艺水平的提高，产品性能已得到很大的改善。现在已研制出精度优于热电偶，并具有互换性的热敏电阻，而且还能制造出300以下可忽略老化影响的产品。但不同厂家产品质量差异还比较大，使用时仍应认真选择。3.2 半导体敏感元件半导体敏感元件n2气敏电阻n气敏电阻是由金属氧化物烧结而成的半导体电阻元件，当环境中气体的成分或浓度发生变化时，导致气敏电阻的阻值发生变化，其变化范围在103105数量级之间。n气敏电阻半导体材料亦分为N型半导体与P型半导体两种。N型材料如SnO2、ZnO、CdO、W2O3、MnO2、ThO2、Ti

37、O2等；P型材料如MoO2、NiO、CoO、Cu2O、Cr2O3等，均为金属氧化物。n其工作机理主要是由于各种可燃性气体的离解能比较小，容易失去电子，在遇到N型半导体材料时，由于其晶格氧离子缺位，气体中的电子向半导体移动，使半导体中载流子浓度增加，内阻减小；当遇到P型导体材料时，由于其阳离子缺位，呈空穴导电性，使半导体中载流子浓度下降，内阻增加。3.2 半导体敏感元件半导体敏感元件n气敏电阻的结构如图所示。图中1为气敏半导体材料，体积很小，直径在1mm以内；2为加热电极；3为引出端电极，均为0.05mm铂电阻丝。在四个电极的支摔下封装在不锈钢防爆网内，构成气敏电阻。n 应用举例n 1） 低功耗

38、超温报警器n 在日常生活和生产实践中, 有许多需要对环境温度进行监视、报警和控制的例子, 例如防火、大棚温度、冷库、宾馆和粮仓等。 利用温敏Z元件, 可以研制出多种低功耗控温及报警装置。 n 图 10.3 的报警器中, 温度传感器使用温敏Z元件, 而且是反向使用。Z元件的反向电流是随着环境温度的升高而增大。 图10.3 低功耗超温报警器电路 Z12 VV1R1R2A1R4R5C1URR3HAHLSCRV2V3n 2） 冰柜温控器 n 随着人们生活水平的提高, 对低温冷藏类家用电器的需求日益增加。Z元件低温工作性能独特, 非常适合开发各种低温工作的温控器。 n 图10.4温控器的温度传感器使用温

39、敏Z元件, 其工作方式为M1区向 M3区转换而输出的“+”跳变信号, 用以触发可控硅V8从而使继电器J1动作, J1的触点JI-1接通致冷泵M, 使其运转, 而触点J1-2断开。 图10.4 冰柜温控器电路 J1MR1R3R2R4R5V1V2V3V4J1-1J1-2C3220 VACV5V8R6V6ZV7R7R8R9C2C4V9R10C13.3 光电传感器光电传感器n光电传感器能将被测量的变化通过光信号的变化转换成电信号电压、电流、电阻等)。n具有这种功能的材料称为光敏材料，用光敏材料制成的器件称光敏器件 n光传感器的精度高，分辨力高、可靠性高、抗干扰能力强，并可进行非接触测量。除可直接检测光

40、信号外，还可间接测量位移、速度、加速度、温度、压力等物理量，所以它的发展很快，获得广泛应用 3.3 光电传感器光电传感器n光的特性n光具有波粒二象性，既具有波动的本性，又具有粒子的特性 n1光电管光电管n（1）结构 光电阴极有的是帖附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上。阴极对光敏感的一面是内向的。在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。光电阳极真空玻璃泡光电阴极光电阳极光电阴极n（）原理 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。 3.3 光电传感器光电传感器n充气光电管的结构基本与真空光电管相同，只是管内充以少

41、量的惰性气体，如氖气等。n当光电管阴极被光线照射产生电子后，在趋向阳极的过程中，由于电子对气体分子的撞击，将使惰性气体分子电离，从而得到正离子和更多的自由电子，使电流增加，提高了光电管的灵敏度。但充气光电管的频率特性较差，温度影响大，伏安特性为非线性等，所以在自动检测仪表中多采用真空光电管。3.3 光电传感器光电传感器n1)结构和原理n光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，

42、漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小 3.3 光电传感器光电传感器1)结构及工作原理n光敏二极管的结构与一般二极管相似，它装在透明玻璃外壳中，PN结位于管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，反向电流也叫暗电流，这时光敏二极管处于截止状态。当光照射时，光敏二极管处于导通状态，工作原理与光电池类似。n光敏三极管的结构与一般三极管很相似，有PNP型和NPN型两种 光电传感器的应用n光电传感器应用举例n1反射式烟雾报警器 （a）

43、结构 （b）电路 图3.45 烟雾报警器光电传感器的应用n 2光电转速计n 光电转速计如图6.22所示。在待测转速铀上固定一带孔的设置盘，在设置盘一边为恒光源，另一边接光电转换器。当光电转换器V1无光照时，V1、T1、T2截止，T3饱和，UO为低电平。当恒光源产生的光通过小孔照到光电传感器上，即V1有光照时，V1、T1、T2导通、T3截止，UO为高电平，因此转轴每转一周，电路就输出一个脉冲信号，送入计数器进行计数，通过计算可以得出转速，并可通过显示器进行显示。 光电传感器的应用图 3.46 光电转速计 光电传感器的应用 n3条形码扫描笔n 扫描笔的结构如图6.23所示，前方为光电读入头，当扫描

44、笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管发出的光线将被黑线吸收，光敏三极管接受不到反射光，呈现高阻抗，处于截止状态；当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管，光敏三极管产生光电流而导通。整个条形码被扫描笔扫过之后，光敏三极管将条形码变成了一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成了脉冲列，再经计算机处理后，完成对条形码信息的识读。图 6.23 条形码扫描笔3.4霍尔传感器霍尔传感器n1霍尔效应n 1879年，霍尔发现在通有电流的金属板上加一匀强磁场，当电流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的金属板的两表面间出现电势差，这个现象称为霍尔效应，这个电势差称为霍

45、尔电动势。3.4霍尔传感器霍尔传感器n2霍尔元件n由于导体的霍尔效应很弱，霍尔元件都用半导体材料制作。目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的霍尔灵敏度系数、温度特性、线性度均较好。3.4霍尔传感器霍尔传感器霍尔元件的应用 1)利用U与I的关系n当磁场恒定时，在一定温度下，霍尔电势U与控制电流I呈很好的线性关系，利用这一特性，霍尔元件可用于直接测量电流，也可用于测量能转换为电流的其他物理量。2)利用U与B的关系n当控制电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比。利用这个关系可以测量交、直流磁感应强度、磁场强度等。 3.4霍尔传感器霍尔传感器n3)利用U与I、B的关系n如果控制电流为I1，磁感应强度B由

46、励磁电流I2产生，则霍尔电势可表示为n利用上述乘法关系，将霍尔元件与激励线圈、放大器等组合起来，可以做成模拟运算的乘法器、开方器、平方器、除法器等各种运算器。21IKIU 霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值霍尔转速表霍尔转速表60 22fn 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器

47、件输出的微小脉冲信号经隔而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。准霍尔元件时，输出为低电平。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮

48、被抱死，将产生危若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。态有助于控制刹车力的大小。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔电势的变化，产生转速信号。 霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无采用霍尔

49、式无触点电子点火装置触点电子点火装置能较好地克服汽车能较好地克服汽车合金触点点火时间合金触点点火时间不准确、触点易烧不准确、触点易烧坏、高速时动力不坏、高速时动力不足等缺点。足等缺点。 汽车点火线圈汽车点火线圈高压输出高压输出接头接头12V低压电源低压电源输入接头输入接头霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。点火时间准确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1-1-触发器叶片触发器叶片 2- -槽口槽口 3- -分电器转轴分

50、电器转轴 4- -永久磁铁永久磁铁 5- -霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNP型霍尔型霍尔IC） a a）带缺口的触发器叶片）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系 c c）叶片位置与点火正时的关系）叶片位置与点火正时的关系 霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）续） 当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔ICIC面前时，面前时，PNPPNP型霍尔型霍尔ICIC的输出为低电平，的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大

51、电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。 汽车电子点火电路及波形汽车电子点火电路及波形 1点火开关点火开关 2达林顿晶体管功率开关达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧点火线圈低压侧 4点火线圈铁心点火线圈铁心 5点火线圈高压侧点火线圈高压侧 6分火头分火头 7火花塞火花塞 a a）电路）电路 b）霍尔）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形及点火线圈高压侧输出波形 当叶片槽口转到霍当叶片槽口转到霍尔尔IC面前时，霍尔面前时，霍尔IC输输出跳变为高电平，经反出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈管截止

52、，切断点火线圈的低压侧电流。由于没的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出场能量在高压侧感应出3050kV的高电压。的高电压。 汽车电子点火装置使用的汽车电子点火装置使用的 点火控制器、霍尔传感器及点火总成点火控制器、霍尔传感器及点火总成磁铁磁铁点火总成点火总成霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而

53、控整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在问题，所以它在录像机、录像机、CD唱唱机机、光驱等家用电器中得到越、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。来越广泛的应用。 普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 无刷直流电动机无刷直流电动

54、机的的外转子采用高性能外转子采用高性能钕钕 位置传感器产生位置传感器产生六个状态编码信号，六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子通断，使三相内定子线圈与外转子之间产线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠率高、无火花、可靠性强等特点。性强等特点。电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路 去速度去速度控制器控制器 利用利用PWM调调速速光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接并达到动作距离时，霍尔

55、式接近开关动作。霍尔接近开关一近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。般还配一块钕铁硼磁铁。霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。 在右图中，当磁铁在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔近开关几毫米时，霍尔ICIC的的输出由高电平变为低电平，输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移释放，控制运动部件停

56、止移动（否则将撞坏霍尔动（否则将撞坏霍尔ICIC）起）起到限位的作用。到限位的作用。 霍尔式接近开关用于转霍尔式接近开关用于转速测量演示速测量演示n= = 6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的导将被测电流的导线穿过霍尔电流传感线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电器的检测孔。当有电流通过导线时，在导流通过导线时，在导线周围将产生磁场，线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍生与电流成正比的霍尔电压。尔电压。

57、霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KH IB 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：其他霍尔电流传感器其他霍尔电流传感器其他霍尔电流其他霍尔电流传感器（续）传感器（续）霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A量程量程被测电流的被测电流的导线未放入导线未放入铁心时示值铁心时示值为零为零70.9A70.9A钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开， 导线由此穿过导线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示霍尔钳形霍尔钳形

58、 电流表演示电流表演示70.9A70.9A霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到钳形表的环形铁心中 将空调电源的将空调电源的“三芯护套三芯护套线线”夹到钳形表的环形铁心中，夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？钳形表的示值为多少？为什么？霍尔钳形电流表的使用（续）霍尔钳形电流表的使用（续） 叉形叉形钳形表钳形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量

59、 电动机的相电流电动机的相电流霍尔式电流霍尔式电流谐波分析仪谐波分析仪 被测电流的被测电流的谐波频谱谐波频谱铁心的铁心的 开合缝隙开合缝隙 铁心的铁心的 杠杆压舌杠杆压舌第四节第四节 其他类型传感器其他类型传感器一、超生波传感器一、超生波传感器n为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。n超声波测距原理：超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再返回到接收探头。n超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头，它是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电

60、振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可作为接收探头。 1. 1. 超声检测仪超声检测仪超声检测设备和器材包括超声波检测仪、探头、试块、耦合剂超声检测设备和器材包括超声波检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫查装置等。和机械扫查装置等。超声检测仪和探头对超声检测系统的性能起着超声检测仪和探头对超声检测系统的性能起着关键性的作用，是产生超声波并对经材料中传播后的超声波信号进关键性的作用，是产生超声波并对经材料中传播后的超声波信号进行接收、处理、显示的部分。由这些设备组成一个综合的超声检测行接收、处理、显示的部分。由这些设备组成一个综合的