测试与传感技术常用传感器

1、12传传 感感 器器要求：要求：一、了解传感器的含义和分类；一、了解传感器的含义和分类；二、掌握常用传感器的工作原理和检测方法。二、掌握常用传感器的工作原理和检测方法。传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节 3第一节第一节 传感器的分类传感器的分类一、传感器的作用一、传感器的作用传传感感器器是是获获取取信信息息的的重重要要手手段段! !4二、二、 传感器定义传感器定义(Sensor、Transducer)定义的具体含义定义的具体含义.1.1.传感器是传感器是测量装置测量装置, ,能完成检测任务能完成检测任务2.2.它的它的输入量输入量是

2、某一被测量是某一被测量, ,可能是物理量可能是物理量( (如如长、热、力、电、时间、频率等长、热、力、电、时间、频率等), ),也可能是也可能是化学量、生物量等化学量、生物量等3.3.它的它的输出量输出量是某种物理量是某种物理量, ,这种量要便于传这种量要便于传输、转换、处理、显示等输、转换、处理、显示等, ,可以是气、光、可以是气、光、电量电量, ,但主要是电量但主要是电量4.4.输出与输入有一定的输出与输入有一定的对应关系对应关系, ,且应有一定且应有一定的精确度的精确度能能感受感受规定规定的被测量并的被测量并按按一定规律一定规律转换成同一转换成同一种或另一种种或另一种输出信号的输出信号的

3、器件或装置器件或装置5荧光生物传感器荧光生物传感器气敏、味敏传感器气敏、味敏传感器电阻式、压电式传感器电阻式、压电式传感器物性型物性型电容、电感传感器电容、电感传感器结构型结构型按信号变换效应按信号变换效应模拟式光电传感器、光码盘模拟式光电传感器、光码盘模拟式、数字式传感器模拟式、数字式传感器按按输出信号特征输出信号特征离心转速表、离心转速表、闪光转速表闪光转速表机械式、应变式、电学机械式、应变式、电学式、磁学式、光电式传式、磁学式、光电式传感器等感器等按工作原理按工作原理位移传感器、测力仪、点温位移传感器、测力仪、点温计计位移、速度、加速度、位移、速度、加速度、力、温度传感器力、温度传感器按

4、按被测物理量被测物理量示示 例例类类 型型分类方法分类方法物理型物理型化学型化学型生物型生物型荧光生物传感器荧光生物传感器气敏、味敏传感器气敏、味敏传感器电阻式、压电式传感器电阻式、压电式传感器物性型物性型电容、电感传感器电容、电感传感器结构型结构型按信号变换效应按信号变换效应模拟式光电传感器、光码盘模拟式光电传感器、光码盘模拟式、数字式传感器模拟式、数字式传感器按按输出信号特征输出信号特征离心转速表、离心转速表、闪光转速表闪光转速表机械式、应变式、电学机械式、应变式、电学式、磁学式、光电式传式、磁学式、光电式传感器等感器等按工作原理按工作原理位移传感器、测力仪、点温位移传感器、测力仪、点温计

5、计位移、速度、加速度、位移、速度、加速度、力、温度传感器力、温度传感器按按被测物理量被测物理量示示 例例类类 型型分类方法分类方法物理型物理型化学型化学型生物型生物型压电式、热电偶传感器压电式、热电偶传感器电容式传感器电容式传感器电阻式、电感式传感器电阻式、电感式传感器按被测量与输出按被测量与输出量的能量转换情量的能量转换情况况示示 例例类类 型型分类方法分类方法能量控制型能量控制型能量转换型能量转换型第二节第二节 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器原理：根据电阻式传感器原理：根据电阻定律电阻定律而设计的传感器而设计的传感器。学习要求学习要求：1 1、掌握电阻式传感器的工作原理、掌握电阻式传

6、感器的工作原理2 2、了解电阻式传感器的结构、分类、了解电阻式传感器的结构、分类3 3、掌握变阻式传感器（电位器式）、电阻应变、掌握变阻式传感器（电位器式）、电阻应变式传感器在结构和工作原理的相同点和不同点式传感器在结构和工作原理的相同点和不同点4 4、了解电阻式传感器的应用、了解电阻式传感器的应用一、电阻式传感器分类：一、电阻式传感器分类：11二、二、 电位器式传感器电位器式传感器电位器式传感器也称电位器式传感器也称变阻器式传感器变阻器式传感器，它是在一个电阻，它是在一个电阻元件上装上一个元件上装上一个电刷电刷( (活动触头活动触头) )构成构成的，可以将直线位移、角的，可以将直线位移、角位

7、移转换为与其成为一定函数关系的电阻或电压输出位移转换为与其成为一定函数关系的电阻或电压输出利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器 12 变阻器式传感器的优点是结构简单，价格低廉，性变阻器式传感器的优点是结构简单，价格低廉，性能稳定，能稳定， 输出信号大，其缺点是分辨率较低，一般精输出信号大，其缺点是分辨率较低，一般精度不高，动态响应较差，度不高，动态响应较差， 适合于测量变化较慢的量。适合于测量变化较慢的量。 13 变阻式传感器用来测量位移、压力、加速度等参量变阻式传感器用来测量位移、压力、加速度等参量 被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带

8、动电刷在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滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥臂出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥臂，构成电桥测量电路，构成电桥测量电路 三、电阻应变式传感器三、电阻应变式传感器1、工作原理、工作原理由欧姆定律知导体电阻：由欧姆定律知导体电阻：AlR横截面积长度，电阻率，其中：AldAAldAldlAdR2电阻的变化：电阻的变化：AdAdldlRdR其相对变化其相对变化：rdrdldlRdR2令令A=r2，有：有：Edldlrdrldl，由材料力学可知：由材料力学可知

9、：则有：则有：ERdR21说明：说明：(1+2)：表示由于：表示由于材料的几何尺寸的变化材料的几何尺寸的变化而引起的电阻相而引起的电阻相对变化量；对变化量；E：表示由于材料的：表示由于材料的电阻率的变化电阻率的变化而引起的电阻相对变化而引起的电阻相对变化量；量；16 工作原理工作原理：基于金属导体的基于金属导体的应变效应应变效应，即金属导体在，即金属导体在外力作用下发生外力作用下发生机械变形机械变形时，其电阻值随着它所受机械时，其电阻值随着它所受机械变形变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。 工作原理：半导体材料有明显的工作原理：半导体材料有明显的

10、压阻效应压阻效应，即单晶半，即单晶半导体材料在沿某一轴向方向受外力作用下，半导体材导体材料在沿某一轴向方向受外力作用下，半导体材料的电阻率随作用应力而变化。料的电阻率随作用应力而变化。（1）金属电阻应变片）金属电阻应变片 金属电阻应变片的电阻变化主要是由几何尺寸的变化引金属电阻应变片的电阻变化主要是由几何尺寸的变化引起的，故有：起的，故有：SRdR21金属电阻应变片分为金属电阻应变片分为丝式、箔式、薄膜式丝式、箔式、薄膜式三种三种1) 1) 丝式电阻应变片丝式电阻应变片特点：特点：制作方便，应变制作方便，应变横向效应大横向效应大 实际使用的电阻应变片都是将金属导体实际使用的电阻应变片都是将金属

11、导体( (丝或箔片丝或箔片) )在绝在绝缘缘基底基底上制成栅状，称为上制成栅状，称为敏感栅敏感栅。敏感栅的两端焊接有。敏感栅的两端焊接有引引线线，敏感栅的上面有保护的覆盖层。，敏感栅的上面有保护的覆盖层。2) 箔式应变片箔式应变片普通型应变片普通型应变片测扭矩应变片测扭矩应变片测流体压力应变片测流体压力应变片优点：优点：n1.1.能适应不同的测量要求。能适应不同的测量要求。n2.2.粘和面积大，粘结性能好粘和面积大，粘结性能好n3.3.散热性能好散热性能好n4.4.疲劳寿命高，有取代丝式应变片的趋势疲劳寿命高，有取代丝式应变片的趋势金属箔式应变片的敏感栅，则是用金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅

12、状金属箔片栅状金属箔片代代替栅状金属丝。金属箔栅采用替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造光刻技术制造203）金属薄膜式应变片）金属薄膜式应变片 金属薄膜式应变片是采用金属薄膜式应变片是采用真空镀膜真空镀膜(如蒸如蒸发或沉积等发或沉积等)方式将金属材料在基底材料方式将金属材料在基底材料(如如表面有绝缘层的金属、有机绝缘材料或玻表面有绝缘层的金属、有机绝缘材料或玻璃、石英、云母等无机材料璃、石英、云母等无机材料)上制成一层很上制成一层很薄的薄的敏感电阻膜敏感电阻膜(膜厚在膜厚在0.l以下以下)而构成的一而构成的一种应变片。种应变片。（2）半导体应变片）半导体应变片d RESR 半导体电阻应变片其

13、尺寸上的变化很小，故有：半导体电阻应变片其尺寸上的变化很小，故有： 常用硅、锗等材料的体电阻制成粘常用硅、锗等材料的体电阻制成粘贴式应变片，贴式应变片， 其使用方法与金属应其使用方法与金属应变片相同变片相同特点：特点：灵敏度高；稳灵敏度高；稳定性差，灵敏定性差，灵敏度分散度大，度分散度大，非线性误差大非线性误差大薄膜型薄膜型扩散型扩散型223 3、 应变片测量电路应变片测量电路132401423RRRREERRRRy()()2223132401423()()yR RR REERRRR令：令：RR 1dRRR3RRR420)()(ERRdRRRRRdRRREyRdRE40)21(dRR金属丝应变

14、片：金属丝应变片：V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变234、应用实例、应用实例（1 1）直接测定结构的应力或应变）直接测定结构的应力或应变立柱应力立柱应力 桥梁应力桥梁应力 （2 2）应变式拉）应变式拉( (压压) )力传感器：力传感器：测力原理： 被测外力通过螺纹作用在弹性圆筒上，圆筒变形，应变片电阻变化，接线座将信号引出。其电阻的变化与被测外力成正比。26由由悬臂梁、质量块、基座悬臂梁、质量块、基座组成。组成。 测量时，基座固定在振动体上，测量时，基座固定在振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂

15、梁则相当于惯性系统的悬臂梁则相当于惯性系统的“弹弹簧簧”，在惯性力作用下产生弯曲，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成频率范围内与振动体的加速度成正比。正比。 （2）应变式加速度传感器）应变式加速度传感器（3 3）电阻应变式位移传感器）电阻应变式位移传感器测量原理：测量原理：将应变片贴在悬臂梁（弹性元件）上，当被测物移动，测杆移动，弹簧伸长，使悬臂梁变形，从而引起应变片电阻变化；这种方法可用于测力，位移，压力，加速度等物理参数。28质量传感器质量传感器 29二、热电阻温度计二、热电阻温度计 热电阻温度计是利用金属导体或半导体

16、的感温电热电阻温度计是利用金属导体或半导体的感温电阻，把阻，把温度的变化温度的变化转换成转换成电阻值变化电阻值变化的传感器。的传感器。与电位器和应变片不同，热电阻和热敏电阻正是与电位器和应变片不同，热电阻和热敏电阻正是利用利用电阻率的温度系数电阻率的温度系数，随温度的变化而变化的，随温度的变化而变化的特点而工作的热阻效应。特点而工作的热阻效应。 301.1.金属热电阻金属热电阻 常用的金属热电阻材料有铂、铜、镍、铟、锰、常用的金属热电阻材料有铂、铜、镍、铟、锰、碳等碳等。 因为铂的物理和化学性能稳定，抗氧化能力强，因为铂的物理和化学性能稳定，抗氧化能力强，电阻率高，且材料易于提纯，复制性、工艺

17、性好，电阻率高，且材料易于提纯，复制性、工艺性好，作为测温电阻十分理想。作为测温电阻十分理想。在国际实用温标中，从在国际实用温标中，从 温度范围温度范围内，以铂电阻温度计作为标准仪器。内，以铂电阻温度计作为标准仪器。C7463034259.热电阻温度计的测量电路最常用的是热电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路电桥电路。31 半导体热敏电阻半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体。在某一温度范围内，根据测量热敏电阻阻值导体。在某一温度范围内，根据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被

18、测介质的温度变化。的变化，便可知被测介质的温度变化。 2 2、热敏电阻、热敏电阻32 气敏、湿敏传感器气敏、湿敏传感器是一种将检测到的是一种将检测到的气体成分气体成分和浓度和浓度转换为转换为电信号电信号的传感器。的传感器。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器33 利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应还原反应，放，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化出热量，使元件温度相

19、应增高，电阻发生变化 气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、监测、COCO气体测量、酒精浓度探测等方面。气体测量、酒精浓度探测等方面。34燃气报警器燃气报警器烟雾报警器烟雾报警器 3435酒精传感器酒精传感器35应用36 湿度传感器湿度传感器是利用是利用湿敏元件湿敏元件进行湿度测量和控制进行湿度测量和控制的。湿敏元件利用湿敏材料的。湿敏元件利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化本身电阻值发生变化的原理而制成的的原理而制成的 。 分类

20、：氯化锂湿敏元件、半导体陶瓷湿敏元件、分类：氯化锂湿敏元件、半导体陶瓷湿敏元件、热敏电阻湿敏元件、高分子膜湿敏元件等。热敏电阻湿敏元件、高分子膜湿敏元件等。37毛发湿度计毛发湿度计电容式湿度传感器电容式湿度传感器电容式湿度传感器电容式湿度传感器电容式湿度传感器电容式湿度传感器电容式湿度传感器电容式湿度传感器干湿球干湿球第三节第三节 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器是把被测物理量转换为电容式传感器是把被测物理量转换为电容变化电容变化的传感器，其实质是一个的传感器，其实质是一个可变参数电容可变参数电容。学习要求学习要求：1.1.掌握电容式传感器工作原理掌握电容式传感器工作原理 2.2.了解电

21、容式传感器的分类、及它们各自的特点了解电容式传感器的分类、及它们各自的特点3.3.了解电容式传感器的测量电路了解电容式传感器的测量电路一、工作原理一、工作原理0AC说明：说明：由上式可见，电容值与电容的板间距离、极板相互遮盖由上式可见，电容值与电容的板间距离、极板相互遮盖的面积和极板间介质的介电常数有关系，故相应的电容传感器的面积和极板间介质的介电常数有关系，故相应的电容传感器分为分为变极距型、变面积型和变介质型变极距型、变面积型和变介质型三种。三种。+A以平板电容器来说明以平板电容器来说明1 1、变极距型、变极距型 保持电容器两极板相互遮盖的面积保持电容器两极板相互遮盖的面积A A及极板间的

22、介质及极板间的介质 不变，不变，则电容器的值是极板间距离的单值函数。则电容器的值是极板间距离的单值函数。位移变化时所引起的电容量变化为：位移变化时所引起的电容量变化为：dAdCAC200灵敏度：灵敏度：20AddC二二. . 分类分类 差动电容结构差动电容结构 为了改善非线性，提高传感器灵敏度，常采用差动为了改善非线性，提高传感器灵敏度，常采用差动结构的变极距型电容式传感器。结构的变极距型电容式传感器。C+CC-C差动电容结构原理图差动电容结构原理图灵敏度灵敏度 200022ACCS 当极距变化式电容器做成差动结当极距变化式电容器做成差动结构时，不仅其灵敏度提高了一倍，构时，不仅其灵敏度提高了

23、一倍， 而且线性度误差也将大大减小。而且线性度误差也将大大减小。 极距变化式电容传感器的灵敏度极距变化式电容传感器的灵敏度高，可利用高，可利用被测部件作为动极板实被测部件作为动极板实现非接触测量现非接触测量，常用于压力及小位，常用于压力及小位移的测量。移的测量。 422 2、变面积型、变面积型 保持电容器其它两项参数不变，仅改变两极板相互遮盖的保持电容器其它两项参数不变，仅改变两极板相互遮盖的面积。面积。3 3、变介质型、变介质型变介质型：保持电容器其它两项变介质型：保持电容器其它两项参数不变，仅改变两极板之间的参数不变，仅改变两极板之间的介质介质。)ln(2)ln()(21220121021

24、RRxRRxhCCCxRRRRh)ln()(2)ln(2121201210圆柱型电容圆柱型电容C C跟液面高度跟液面高度x x呈线性关系呈线性关系三、测量电路三、测量电路 电容传感器常用的后续电路有：电容传感器常用的后续电路有：电桥电路、调频电电桥电路、调频电路、放大电路和直流极化电路路、放大电路和直流极化电路等。等。45四、应用实例四、应用实例旋转轴的偏心量的测量旋转轴的偏心量的测量 第四节第四节 电感式传感器电感式传感器学习要求学习要求：1.1.掌握电感式传感器的工作原理掌握电感式传感器的工作原理2.2.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动

25、变压器式传感器的特点感器和差动变压器式传感器的特点3.3.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的应用感器和差动变压器式传感器的应用 电感式传感器是一种以电感式传感器是一种以电磁感应原理电磁感应原理为基础，为基础，把被测物理量转换为把被测物理量转换为电感量变化电感量变化，再通过测量电，再通过测量电路转换为电压或电流的装置。路转换为电压或电流的装置。50电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻式可变磁阻式涡流式涡流式互感型互感型涡流式涡流式一、自感型传感器一、自感型传感器1 1、 变磁阻式传感器变磁阻式传感器自感系数：自感系数：m

26、RNL2磁路总磁阻：磁路总磁阻：000022AAAlRm代入，有自感系数：代入，有自感系数：20022ANRNLm52灵敏度为：灵敏度为： 0001LLK 由此可见，变隙式传感器的测量范围与灵敏度及由此可见，变隙式传感器的测量范围与灵敏度及线性度之间存在矛盾。线性度之间存在矛盾。 因此，变隙式电感传感器用于测量微小位移量的因此，变隙式电感传感器用于测量微小位移量的场合。场合。 L L与与的双曲线关系的双曲线关系 53差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器sUL1L2RoRooU122131铁 芯 ；2线 圈 ；3衔 铁为减小非线性误差，实际测量中广泛采用为减小非线性误差，实际测量中广泛采用差

27、动变隙式自差动变隙式自感传感器感传感器。54双螺管线圈差动型，较之单双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，线性，被用于电感测微计上，其测量范围为其测量范围为0 0300m300m，最小分辨力为最小分辨力为0.5m0.5m。这种。这种传感器的线圈接于电桥上，传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感构成两个桥臂，线圈电感L L1 1、L L2 2随铁芯位移而变化，随铁芯位移而变化，二、互感型传感器二、互感型传感器 互感型传感器是利用互感型传感器是利用互感现象互感现象将被测物理量变化将被测物理量变化转换成线圈互感变化的传感器转换成线圈

28、互感变化的传感器。这种传感器是根据这种传感器是根据变变压器的基本原理压器的基本原理制成的制成的e 互感型传感器主要由互感型传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成三部分组成线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈 ，组成差动形，组成差动形式，常称为式，常称为差动变压器差动变压器，以，以螺管形应用较为普遍螺管形应用较为普遍 5657零点残余电压危害零点残余电压危害： 使传感器输出特性在零点附近的范围内不使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。灵敏，限制着分辨力的提高。 零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵零点残余

29、电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。变化。 58零点残余电压产生原因零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的：主要是由传感器的两次级绕组的电气电气参数和几何尺寸不对称参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的，以及磁性材料的非线性非线性等引起的。等引起的。零点残余电压的波形十分复杂，主要由零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波基波和高次谐波组成。组成。基波产生的主要原因基波产生的主要原因是：是： 传感器的两次级绕组的电气参数、几传感器的两次

30、级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，何尺寸不对称， 导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，因此不论怎样调整衔铁位置， 两线圈中感应电势都不能完全抵两线圈中感应电势都不能完全抵消。消。高次谐波（主要是三次谐波）产生原因高次谐波（主要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。的非线性（磁饱和、磁滞）。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小法减小UxUx，否则将会影响传感器的测量结果。，否则将会影响传感器的测量结果。59

31、差动式变压器测量电路差动式变压器测量电路 两个目的：两个目的： 辨别移动方向辨别移动方向 消除零点残余电压消除零点残余电压 两种方法：两种方法： 差动整流电路差动整流电路 相敏检波电路相敏检波电路6068242UUU61差动变压器式传感器的后续电路差动变压器式传感器的后续电路小位移的差动相敏检波电路的工作原理：当没有信号输入小位移的差动相敏检波电路的工作原理：当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻时，铁芯处于中间位置，调节电阻R R，使零点残余电压减，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波

32、后得到直流输出。由表头指示输流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向入位移量的大小和方向 62应用应用: : 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, ,垂直度垂直度; ; 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, ,动力动力; ;气压气压, ,温度温度; ;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 电感式压力传感器电感式压力传感器原理：原理：中间模片在压差中间模片在压差(P1-P2)(P1-P2)的作

33、用下产生位移，通过连杆的作用下产生位移，通过连杆带动铁芯运动，从而将压差力转换成变压器的电压输出。带动铁芯运动，从而将压差力转换成变压器的电压输出。三、电涡流传感器三、电涡流传感器 涡流式传感器的变换原理涡流式传感器的变换原理: :利用金属导体在交流磁场中的利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应涡电流效应, ,将被测量变化转换为阻抗变化的传感器。将被测量变化转换为阻抗变化的传感器。65原理： 原线圈的阻抗:Z=Z(,h,f)，固定其它值，则Z是的单值函数。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 h、金属板金属板与线圈的距离与线圈的距离 、激励电流角频率

34、激励电流角频率 等参数有关。等参数有关。66等效电路图等效电路图M67 发射线圈发射线圈 1 1和接收线圈和接收线圈 2 2分别置于被测金属板材料分别置于被测金属板材料GG的上、的上、下方。下方。 当低频当低频( (音频范围音频范围) )电压电压e e1 1加到线圈加到线圈 1 1的两端后，所产生磁力的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料线的一部分透过金属板材料G,G,使线圈使线圈 2 2产生感应电动势产生感应电动势e e2 2。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e e2 2减少，当金减少，当金属板材料属板材料G G越厚时，损耗的能量越大，输

35、出电动势越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e e2 2越小。越小。因此，因此，e e2 2的大小与的大小与G G的厚度及材的厚度及材料的性质有关，试验表明，料的性质有关，试验表明，e e2 2随随材料厚度材料厚度h h的增加按负指数规律的增加按负指数规律减少，因此，若金属板材料的性减少，因此，若金属板材料的性质一定，则利用质一定，则利用e e2 2的变化即可测的变化即可测量其厚度。量其厚度。电涡流传感器的结构电涡流传感器的结构结构图结构图产品外观图产品外观图优点：线性范围大，灵敏度高，频率范围宽，抗干扰能力强，优点：线性范围大，灵敏度高，频率范围宽，抗干扰能力强，能实现非接触式测量。能实现非接

36、触式测量。69优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。70涡流式传感器工程应用涡流式传感器工程应用 71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。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测第五节第五节 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器是利用磁电式传感器是利用电磁感应电磁感应原理将被测量原理将被测量转换成转换成感应电动势感应电动势。学习要求学习要求：1.1.了解磁电式传感器变换原理了解磁电式传感器变换原理 2.2.了解动圈式传感器的基本结构和工作原理了解动圈式传感器的基本结构和工作原理 3.3.了解磁阻式传感器的基本结构和工

37、作原理了解磁阻式传感器的基本结构和工作原理 一、工作原理一、工作原理dtdNe感应电动势：感应电动势： 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有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关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 74二、二、 分类分类 磁磁电电式式动圈式磁阻式线速度型角速度型N75（1 1）动圈式传感器）动圈式传感器 76测速电机测速电机77变磁通式磁电传感器结构图变磁通式磁电传感器结构图(a) (a) 开磁路；开磁路； (b) (b) 闭磁路闭磁路 78 线圈和磁铁静止不动，测量齿轮由导磁材料制成，安线圈和磁铁静止不动，

38、测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。6 0Z nf79频率频率f与测量齿轮转速与测量齿轮转速n(r/min)成正比，即成正比，即f=n/60。80 三、测量电路三、测量电路 1、 磁电式相对加速度计磁电式相对加速度计四、四、 应用实例应用实例82测频数测频数 测转速测转速 偏心测量偏心测量 振动测量振动测量 第六节第六节 压电式传感

39、器压电式传感器学习要求学习要求 ： 1.1.掌握压电式传感器的工作原理掌握压电式传感器的工作原理 2.2.了解压电式传感器的等效电路了解压电式传感器的等效电路3.3.了解压电式传感器的测量电路了解压电式传感器的测量电路 压电式传感器是利用某些晶体材料受力后产压电式传感器是利用某些晶体材料受力后产生电荷的生电荷的压电效应压电效应将被测物理量转换为电信号的将被测物理量转换为电信号的传感器。传感器。 一、压电效应一、压电效应 正压电效应正压电效应：一些晶体材料，如石英、钛酸钡等，当：一些晶体材料，如石英、钛酸钡等，当沿着一定方向受外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，沿着一定方向受外力作用时，不仅几何

40、尺寸会发生变化，晶体内部也会产生晶体内部也会产生极化现象极化现象，同时在某两个表面上出现，同时在某两个表面上出现符号相反的电荷；当外力撤去后，又恢复到不带电的状符号相反的电荷；当外力撤去后，又恢复到不带电的状态。态。 逆压电效应逆压电效应：某些晶体材料放置在交流电场中，晶：某些晶体材料放置在交流电场中，晶体本身会产生机械变形的现象。体本身会产生机械变形的现象。F+85分类分类 天然物质：石英晶体天然物质：石英晶体压电效应弱，但稳定，压电效应弱，但稳定， 可用作标准的加速度计可用作标准的加速度计人工制造：压电陶瓷人工制造：压电陶瓷压电效应强，但稳定性差，压电效应强，但稳定性差， 用作工作时的加速

41、度计用作工作时的加速度计 二、压电材料二、压电材料压电材料的性能指标包括：压电材料的性能指标包括： 压电常数、介电常数、电阻率、机械强度、耐湿性、耐压电常数、介电常数、电阻率、机械强度、耐湿性、耐温性、居里点和时间稳定性。温性、居里点和时间稳定性。86 Z-ZZ-Z轴轴光轴光轴 X-XX-X轴轴电轴电轴 Y-YY-Y轴轴机械轴机械轴87l Z-ZZ-Z轴：轴：光轴光轴，该轴方向无压电效应和，该轴方向无压电效应和无双折射无双折射现象；现象；l X-XX-X轴：轴：电轴电轴，垂直于此轴的棱面上，垂直于此轴的棱面上压电效应最压电效应最强强； “ “纵向电压效应纵向电压效应” 压电式传感器主要是利用纵

42、向压电效应压电式传感器主要是利用纵向压电效应l Y-YY-Y轴：轴：机械轴机械轴，在电场作用下，沿该轴方向的，在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显机械变形最明显。 “ “横向压电效应横向压电效应”三、压电传感器的等效电路三、压电传感器的等效电路ACa0等效电容等效电容： 压电常数ddFq压电晶体在受外力作用时产生电荷：压电晶体在受外力作用时产生电荷： 压电式传感器可以等效为：压电式传感器可以等效为：l 与电容并联的与电容并联的电荷源电荷源l 与电容串联的与电容串联的电压源电压源 90 压电式传感器在测量时要与测量电路相连接压电式传感器在测量时要与测量电路相连接，所以实际传感器需考虑连接，所

43、以实际传感器需考虑连接电缆电容电缆电容Cc、放大放大器输入电阻器输入电阻Ri和输入电容和输入电容Ci，以及压电式传感器的，以及压电式传感器的泄漏电阻泄漏电阻Ra。 (a)电压源电压源 (b)电荷源电荷源实际测试等效电路实际测试等效电路压电晶片特点：阻抗大，输出信号能量小。压电晶片特点：阻抗大，输出信号能量小。解决方法：输出端先接前置放大器，再接一般放大解决方法：输出端先接前置放大器，再接一般放大电路。电路。压电传感器压电传感器一般仪器一般仪器前置放大器前置放大器前置放大器作用：前置放大器作用：l放大传感器输出的微弱信号放大传感器输出的微弱信号l将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输入将传感器的高阻抗

44、输出变为低阻抗输入92i0cia0/ RRRCCCCa)RR/(RRRiaia带带电阻反馈电阻反馈的电压放大器，其的电压放大器，其输出电压与输入电压输出电压与输入电压( (即传感器的输出电压即传感器的输出电压) )成正成正比比()/ /ciaCCCC93当略去传感器的漏电阻当略去传感器的漏电阻Ra时时 qtei(Ca+Cc+Ci) 当略去电荷放大器的输入电阻当略去电荷放大器的输入电阻Ri的影响时的影响时qf(ei-ey)Cf 则整个电路中的电荷为：则整个电路中的电荷为： qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf 式中，式中，ei为放大器的输入

45、端电压；为放大器的输入端电压；ey为放大器输出端电压；为放大器输出端电压；Cf为电荷放大为电荷放大器的反馈电容。器的反馈电容。 94ey=-Kei 其中，其中，K K为放大器的开环放大倍数为放大器的开环放大倍数 qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf ffyKCCCKqe)(所以所以 ffCCKCfyCqe开环增益开环增益K足够大足够大系统的灵敏度为：系统的灵敏度为： fCS1在一定条件下，电荷放在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关；缆的分布电容无关；

46、系统输出灵敏度取决系统输出灵敏度取决于反馈电容，所以可以于反馈电容，所以可以通过调节反馈电容通过调节反馈电容 ei=(q+eyCf)/(C+Cf)四、压电晶片的连接方式四、压电晶片的连接方式 实际工作中，常采用多片性能相同的晶片串接或并接，实际工作中，常采用多片性能相同的晶片串接或并接，以增大信号输出。以增大信号输出。96b) 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 四、应用实例四、应用实例第七节第七节 光电传感器光电传感器 光电传感器通常是指能敏感到由光电传感器通常是指能敏感到由紫外紫外线到红外线光线到红外线光的光能量，并能将光能转的光能量，并能将光能转化成电信号的器

47、件。其工作原理是基于化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的一些物质的光电效应光电效应。光电效应光电效应：指物质（金属或半导体）在光的照射下，：指物质（金属或半导体）在光的照射下，引起其特性（如电子发射，电导率，电位电流等）引起其特性（如电子发射，电导率，电位电流等） 发发生变化的现象。生变化的现象。981 1、光敏电阻、光敏电阻 2、光敏二极管、光敏二极管 没有光照射时，其反向电阻大，反向电流小（没有光照射时，其反向电阻大，反向电流小（暗暗电流电流），处于截止状态；有光照射时，），处于截止状态；有光照射时，PNPN结光电流增结光电流增加，并随入射光照度变化。加，并随入射光照度变化。注意：

48、光敏二极管中注意：光敏二极管中PNPN结一般处于结一般处于反向工作状态反向工作状态。1013、光敏三极管、光敏三极管 光敏三极管特点：光敏三极管特点：光敏三极管具有放光敏三极管具有放大作用，它的优点大作用，它的优点是电流灵敏度比二是电流灵敏度比二极管高，但稳定性极管高，但稳定性差，其它与二极管差，其它与二极管相同。相同。4 4、光电池、光电池 光生伏特效应光生伏特效应指半导体材料指半导体材料P-NP-N结受到光照后产生结受到光照后产生一定方向的一定方向的电动势的效应电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。特点：能直接将光照度转换

49、为电动势。特点：能直接将光照度转换为电动势。+-PN 103提供大电流的大提供大电流的大面积光电池外形面积光电池外形1045、应用、应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。、反射式、辐射式四种基本形式。105106 开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏

50、元件圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即即 n=f/N107光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LEDLED与光敏晶体管组合来测量位移。与光敏晶体管组合来测量位移。亮度传感器：亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的然光线，达到节约电能的目的。108第八节第八节

51、热电传感器热电传感器分类分类： 热电式热电式-利用热电效应：将热直接转换为电量利用热电效应：将热直接转换为电量输出。如热电偶。输出。如热电偶。 热电阻式热电阻式-利用热利用热-电阻效应：将热转换为材电阻效应：将热转换为材料的电阻变化。料的电阻变化。 按热敏材料不同：按热敏材料不同： 金属导体热电阻金属导体热电阻 半导体热敏电阻半导体热敏电阻109一、热电偶传感器一、热电偶传感器1 1、 热电效应热电效应 将两种将两种不同材料不同材料的金属导体或半导体的金属导体或半导体A A、B B，连接成闭合回路，把两个结点分别至于连接成闭合回路，把两个结点分别至于不同的不同的热源热源中，则回路中就会产生电势

52、，同时，回路中，则回路中就会产生电势，同时，回路中就有电流，称中就有电流，称热电效应热电效应。110接触电势接触电势（珀耳贴电（珀耳贴电势）势）热电势热电势温差电势温差电势1111 1）接触电势（珀耳贴电势）接触电势（珀耳贴电势）接触电势是由于互相接触的两种金属导体内接触电势是由于互相接触的两种金属导体内自由自由电子的密度不同电子的密度不同造成的。造成的。 1122 2）温差电势（汤姆逊电势）温差电势（汤姆逊电势）在组成热电偶的每种材料中，若同一材料两端温在组成热电偶的每种材料中，若同一材料两端温度不同，则高温端自由电子具有的动能大度不同，则高温端自由电子具有的动能大, ,就会向低温就会向低温

53、端端扩散扩散，高温端因失去电子而带正电，而低温端因得，高温端因失去电子而带正电，而低温端因得到电子而带负电，从而形成了到电子而带负电，从而形成了温差电势温差电势。113由由A、B两种金属组成的热电偶，其总热电势为各两种金属组成的热电偶，其总热电势为各个接触电势和温差电势的代数和，即个接触电势和温差电势的代数和，即 EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)+EB(T,T0)-EA(T, T0) 讨论：讨论： 热电偶的材料相同时，热电偶的材料相同时， EAB(T,T0)= 0 热电偶的两个节点所处的温度相同时热电偶的两个节点所处的温度相同时 ， EAB(T,T0)= 0 形成热电势的两个必

54、要条件：形成热电势的两个必要条件：两种导体的材料不同两种导体的材料不同 节点所处的温度不同节点所处的温度不同114S型型(铂铑铂铑10-铂铂)热电偶分度表热电偶分度表 115 若组成热电偶回路的两种若组成热电偶回路的两种导体相同导体相同，不论其截面、，不论其截面、长度如何以及各处温度分布如何，都长度如何以及各处温度分布如何，都不会产生热电不会产生热电势势。 2 2、热电偶的基本定律、热电偶的基本定律1 1）均质导体定律）均质导体定律说明：说明： 热电偶必须由两种不同性质的热电极组成；热电偶必须由两种不同性质的热电极组成； 提供了一种检查热电极材料均匀性的办法提供了一种检查热电极材料均匀性的办法

55、。热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一116 若两结点处若两结点处温度相同温度相同，则尽，则尽管导体管导体A A、B B的材料不同，的材料不同， 热电偶回路内的热电偶回路内的总电势亦为零总电势亦为零。 2 2）热电势定律）热电势定律说明：说明： 用热电偶测温时，只需要关注接点温度，其他用热电偶测温时，只需要关注接点温度，其他部位以及引线所处的温度环境，都不会影响测部位以及引线所处的温度环境，都不会影响测量结果。量结果。1173 3）中间导体定律）中间导体定律在热电偶回路中加入在热电偶回路中加入第三种均质材料第三种均质材料，只要第三，只

56、要第三种导线种导线两端温度相同两端温度相同，则第三种导线的引入不会产，则第三种导线的引入不会产生附加的热电势输出。生附加的热电势输出。 1184 4）中间温度定律）中间温度定律 某热电偶接点温度为某热电偶接点温度为T T1 1和和T T2 2时的热电势为时的热电势为E E1 1，接，接点温度为点温度为T T2 2和和T T3 3时的热电势为时的热电势为E E2 2，则当接点温度为，则当接点温度为T T1 1和和T T3 3时的热电势为时的热电势为E E1 1+E+E2 2。119 例：用镍铬例：用镍铬镍硅热电偶测量炉温时，当镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度冷端温度T0=30时，测得热电势时，测

57、得热电势E(T,T0)=39.17mv，求实际炉温。，求实际炉温。 由由T0 =30查分度表得查分度表得E（30，0）=1.2mv，根据中间温度定律得，根据中间温度定律得: E（T，0）=E（T，30）+E（30，0）= 39.17+1.2 = 40.37(mv) 则查表得炉温则查表得炉温T=946。120120普通热电偶普通热电偶1-1-热电极热电极 2-2-绝缘套管绝缘套管 3-3-保护管保护管 4-4-接线盒接线盒 5-5-接线盒盖接线盒盖3、热电偶的结构形式、热电偶的结构形式1214、热电偶冷端的延长、热电偶冷端的延长 1225、热电偶的冷端温度补偿、热电偶的冷端温度补偿 1 1）冷端

58、恒温法）冷端恒温法 * *将热电偶的冷端置于装有将热电偶的冷端置于装有冰水混合物冰水混合物的恒温的恒温容器中，使冷端的温度保持在容器中，使冷端的温度保持在0 0 C C不变。此法也称不变。此法也称冰浴法冰浴法 * *将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如的温度略高于环境温度的上限（例如4040 C C）。）。 * *将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。端温度恒定。1232 2）计算修正法）计算修正法 可以利用下式计算并修正测量误差可以利用下式计算并修正测量误差EAB（t，0

59、C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C） 3 3）仪表机械零点调整法）仪表机械零点调整法 进行仪表机械零点调整时，首先必须将仪表的电进行仪表机械零点调整时，首先必须将仪表的电源及输入信号切断，然后用螺钉旋具调节仪表面板上源及输入信号切断，然后用螺钉旋具调节仪表面板上的螺钉使指针指到的螺钉使指针指到t t0 0的刻度上。的刻度上。4 4）电桥补偿法）电桥补偿法 电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。化值。第九节第九节 磁敏传感器磁敏传感器利用磁场作

60、用使利用磁场作用使半导体材料性能半导体材料性能发生改变，发生改变，从而将被测量转换为电信号。从而将被测量转换为电信号。一、霍尔传感器一、霍尔传感器1251)1)霍尔效应霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流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，这种物理现象称为电动势，这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应。 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力洛伦兹力作用的结果作用的结果126磁场作用力磁场作用力( (即洛伦兹力即洛伦兹力) )fL，其大小为，其大小为 fL=qv