自动检测概要

1、功能 传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系、且便于应用的某些物理量（通常是电量）的检测装置。 检测电路：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。 输出单元：指示仪、记录仪（为自动检测系统）、累加器（自动计量系统）、报警器（自动保护系统或自动诊断系统）、数据处理电路（部分数据分析系统）等。 系统误差出现的原因：检测装置不完善、测量方法不完善、操作使用不当、环境影响等。 消除系统误差的方法：实验、分析、找原因、总结规消除系统误差的方法：实验、分析、找原因、总结规律、修正律、修正。 系统误差的大小表明多次测

2、量结果距离真值的准确度，有确定规律的系统误差越小，准确度越高。随机误差出现的原因：测量过程中一些独立、微小、偶然因素的综合结果。随机误差不可避免。消除随机误差的方法：利用概率理论和统计学的方法，消除随机误差的方法：利用概率理论和统计学的方法，分析随机误差的分布特性，减小误差的影响。（多次分析随机误差的分布特性，减小误差的影响。（多次测量求平均值）测量求平均值）随机误差的大小表明多次测量结果重复一致的程度，称为精密度，当测量结果分散时，当测量结果集中，重复性好时，则认为精密度高。 准确度精密度测量精确度（精度）a a规律性系统误差小规律性系统误差小 准确度高准确度高。 结果分散性大结果分散性大

3、随机误差大随机误差大 精密度低精密度低。b b规律性系统误差大规律性系统误差大 准确度低准确度低。 结果重复性好结果重复性好 随机误差小随机误差小 精密度高精密度高。c c规律性系统误差小规律性系统误差小 准确度高准确度高。 结果重复性好结果重复性好 随机误差小随机误差小 精密度高精密度高。被测非电量：静态量和动态量1.静态量：不随时间变化的信号或变化极其缓慢的信号2.动态量：周期信号、瞬变信号、随机信号静态特性指标主要包括线性度、灵敏度、静态特性指标主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等迟滞、重复性、漂移等传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度灵敏度灵敏度：输出变化与

4、输入变化的比值。相当于放大倍数。(分辨率：输入量最小增加多少，能被测量出来。)重复性：重复性：是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度零点漂移：零点漂移：传感器无输入时，每隔一段时间读数，其输出偏离零值。温度漂移：温度漂移：温度变化时，传感器输出值的偏离程度传感器的动态特性分类：瞬态响应法（时域）和频率响应法（频域）对于正弦输入信号, 传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号, 则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。（1 1）时间常数）时间常数 一阶传感器时间常数越小, 响应速度越快。 （2 2）响应时间）响应时间t ts s 传感器从阶跃输入开始进

5、入稳态值所规定的范围内所需的时间。 （3 3）上升时间）上升时间t tr r 传感器输出达到稳态值的90%所需时间。（4 4）峰值时间）峰值时间tptp 阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。 （5 5）延时时间）延时时间 传感器输出达到稳态值的50%所需时间。 （6 6） 超调量超调量 传感器输出超过稳态值的最大值与稳态值的百分比。一阶传感器的超调量为零。传感器频率响应特性指标传感器频率响应特性指标（1）频带（2）时间常数（3）固有频率第二章第二章 电阻式传感器原理与应用电阻式传感器原理与应用 电阻式传感器的基本原理电阻式传感器的基本原理是将被测量的是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，

6、再经过变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。转换电路变成电信号输出。 （1 1）电阻式应变片）电阻式应变片 （2 2）压阻式）压阻式 （3 3）热电阻式）热电阻式测量参数：形变、压力、力、位移、加速度、测量参数：形变、压力、力、位移、加速度、温度温度 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。 一、金属的应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。 取一根长度为L，截面积为S，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R为ALR2.1.1金属电阻金属电阻 应变片的工作原理应变片的工作原理F l、A 、 R2.1.2 应变片的应

7、变片的温度误差补偿温度误差补偿1. 1. 应变片的温度误差应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有以下两方面。1)1) 电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响2) 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响2. 2. 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法1)1)电桥补偿电桥补偿2)2)热敏电阻补偿热敏电阻补偿3 3）应变片的自补偿（书上有，老师）应变片的自补偿（书上有，老师PPTPPT无）无） 2.1.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 作用：将电阻的变化转

8、换为电压输出。作用：将电阻的变化转换为电压输出。 一、一、 直流电桥直流电桥 空载电压：空载电压： 直流电源直流电源U输输出出电电压压DBCBCDUUUU0443221RRRURRRUURRRRRRRRU)(432132410R直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥3241RRRR直流电桥平衡条件：直流电桥平衡条件： 1）若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不一致，输出电压为两者之和。 2）若相对两桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之和，反之为两者之差。 3）电桥的供电电压U越高，输出电压越大，但太大则电流也大，传感器会出现蠕变和零飘。 4）

9、增大灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。 *合理利用上述特性，可进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏度。xyK二、非线性误差及其补偿二、非线性误差及其补偿当当 时时, ,电桥的输出电压与应变成线性关系，电桥的输出电压与应变成线性关系，否则成非线性关系。否则成非线性关系。，RRi相对非线性误差是：相对非线性误差是：KUU21100为了消除非线性误差，实际应用中，采用半桥差动为了消除非线性误差，实际应用中，采用半桥差动或全桥差动电路，改善非线性误差和提高输出灵敏或全桥差动电路，改善非线性误差和提高输出灵敏度。度。半桥差动电路：半桥差动电路：(一个受拉，一个受压）一个受拉，一个受压）全桥差动电路：全桥差

10、动电路：RRUUKU2)(4210RRUU0半桥差动电路不仅消除非线性误差，使输出灵敏度半桥差动电路不仅消除非线性误差，使输出灵敏度提高一倍，同时起温度补偿作用提高一倍，同时起温度补偿作用 与单臂应变相比，灵敏度扩大与单臂应变相比，灵敏度扩大4 4倍！倍！R1R2F 2.1.4、电阻应变式传感器的应用测量参数测量参数：形变、压力、力、位移、加速度、温度：形变、压力、力、位移、加速度、温度应用：应用：（一）、测力与称重传感器（一）、测力与称重传感器（二）、压力传感器（二）、压力传感器（三）、加速度传感器（低频（三）、加速度传感器（低频1060H1060HZ Z应用广泛）应用广泛）（四）、位移传感

11、器（四）、位移传感器二、压力传感器二、压力传感器 补偿片补偿片工作片工作片膜片膜片应变片应变片插座插座压力敏感（弹性）元件为压力敏感（弹性）元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧膜片或膜盒、波纹管、弹簧管管等等第二节第二节 压阻式传感器压阻式传感器 -半导体传感器半导体传感器 压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象叫压阻效应变化，这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。特别强。半导体压阻式传感器分类半导体压阻式传感器分类粘贴式应变片粘贴式应变片扩散硅型压阻传感器扩散硅型压阻传感器 特点：特点：灵敏系数大，分辨率高

12、，动态响应快，体积灵敏系数大，分辨率高，动态响应快，体积小，温度范围宽，便于批量生产，易于集成化、智能小，温度范围宽，便于批量生产，易于集成化、智能化化（优点）。它主要用于测量压力、加速度和载荷等（优点）。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的感器的温度误差较大，必须要有温度补偿（缺点）温度误差较大，必须要有温度补偿（缺点）。第三章 变阻抗式传感器原理及应用 变阻抗式传感器的基本原理是将被测量变阻抗式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成的变化转换成线圈电感量线圈电感量（自感或互感）、（自感或互感）、

13、电容量电容量等的变化，再经过转换电路变成电信等的变化，再经过转换电路变成电信号输出。号输出。（1 1）自感式传感器）自感式传感器（2 2）差动变压器）差动变压器（3 3）电容传感器）电容传感器（4 4）电涡流传感器）电涡流传感器（5 5）压磁式传感器）压磁式传感器利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。流量等参数进行测量。它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到

14、广泛的应用。在机电控制系统中得到广泛的应用。它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大，分且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大，分辨率低，反之则高。辨率低，反之则高。第一节第一节 自感式电感传感器自感式电感传感器分类：分类：1.变间隙型变间隙型2.变面积型变面积型3.螺线管型螺线管型4.差动型差动型线圈电感算式：线圈电感算式： W W -线圈匝数。线圈匝数。 R Rm m - - 磁路总磁阻。磁路总磁阻。mRWL2由线圈、铁芯和衔铁三部分组成由线圈、铁芯和衔铁三部分组成AAlAlRm0222111

15、2AAlAlWRWLm0222111222 磁路总磁阻：磁路总磁阻：故：故：可以看出，改变可以看出，改变气隙厚度气隙厚度 或或气隙截面积气隙截面积A A都会导致自感系数都会导致自感系数变化。因此自感式传感器又可分变化。因此自感式传感器又可分为变气隙厚度为变气隙厚度 和变气隙面积和变气隙面积A A 的传感器。目前使用最广泛的是的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度的自感式传感器。变气隙厚度的自感式传感器。 结论：结论：变间隙型自感传感器的测量范围与灵敏度变间隙型自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，变间隙型自感传感器适用于测及线性度相矛盾，变间隙型自感传感器适用于测量微小位移。为了减小非线

16、性误差，实际测量中量微小位移。为了减小非线性误差，实际测量中采用采用差动变隙式自感传感器差动变隙式自感传感器 结论：结论：差动变隙式自感传感器，改善了灵敏度及差动变隙式自感传感器，改善了灵敏度及线性度线性度 相敏检波电路中：电压表读数大小反映衔铁的位移；电压表极性反映移动方向。 使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响，第二节第二节 差动变压器（概念）差动变压器（概念）差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制

17、成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。器式传感器。差动变压器结构形式：有变隙式变面积式螺线管式等 差动变压器差动变压器运行中存在的问题运行中存在的问题： 零点残余电压：零点残余电压： 由于差动变压器无法做到两个副边的感应电动势完全对称，所由于差动变压器无法做到两个副边的感应电动势完全对称，所以即使以即使没有位移输入，电路也会输出一定的电动势没有位移输入，电路也会输出一定的电动势U0U0。 零点残余电压产生原因：零点残余电压产生原因： (1)(1)传感器的两个次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，传感器的两个次级绕组的电气参数

18、和几何尺寸不对称， (2) (2) 磁性材料的非线性磁性材料的非线性, ,产生高次谐波不同，不能互相抵消。产生高次谐波不同，不能互相抵消。减小零点残余电压的方法：减小零点残余电压的方法：1.1.从制造工艺上减小残余电动势。从制造工艺上减小残余电动势。2.2.采用拆圈实验方法，使两个次级绕组的等效参数相等。采用拆圈实验方法，使两个次级绕组的等效参数相等。3.3.采用补偿电路采用补偿电路, ,调整元件参数调整元件参数, ,消除残余电动势。消除残余电动势。零点残余电压的危害零点残余电压的危害（一般（一般在几十毫伏以下在几十毫伏以下）：）：并联电阻：消除基波正交分量；并联电阻：消除基波正交分量；并联电

19、容：消除高次谐波；并联电容：消除高次谐波；串联电阻、并联电容：消除基波同相成分。串联电阻、并联电容：消除基波同相成分。1. 力和力矩的测量2. 微小位移的测量3. 压力测量4. 加速度传感器差动变压器应用差动变压器应用第三节第三节 电容式传感器电容式传感器分类：分类：1.变面积式电容传感器 2.变极距式电容传感器 3.变介电常数式电容传感器 一、电容传感器工作原理0 rSSCdd dS 电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。*采用差动结构可提高灵敏度（提高一倍）和改采用差动结构可提高灵敏度（提高一倍）和改善非线性善非线性三、三、电容式传

20、感器的特点和设计要点电容式传感器的特点和设计要点1 1、特点、特点电容传感器与电阻、电感等传感器相比的优点：电容传感器与电阻、电感等传感器相比的优点：（1 1）温度稳定性好）温度稳定性好（2 2）结构简单，适应性强）结构简单，适应性强（3 3）动态响应好）动态响应好（4 4）可实现非接触测量）可实现非接触测量主要缺点：主要缺点：（1 1）输出阻抗高，负载能力差）输出阻抗高，负载能力差（2 2）寄生电容影响大）寄生电容影响大2 2、设计要点、设计要点（1 1）减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝）减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能缘材料的绝缘性能（2 2）消除和

21、减小边缘效应）消除和减小边缘效应（3 3）消除和减小寄生电容）消除和减小寄生电容（4 4）采用差动结构，减小非线性误差，提高灵敏度）采用差动结构，减小非线性误差，提高灵敏度第四节第四节 电涡流式传感器原理电涡流式传感器原理 置于变化磁场中的块状金属导体或在磁场中作切割磁力线的置于变化磁场中的块状金属导体或在磁场中作切割磁力线的块状金属导体，则在此块状金属导体内将会产生旋涡状的感应电块状金属导体，则在此块状金属导体内将会产生旋涡状的感应电流的现象称为流的现象称为电涡流效应电涡流效应，该旋涡状的感应电流称为电涡流，简，该旋涡状的感应电流称为电涡流，简称涡流。称涡流。 电磁炉电磁炉 高频电流通过励磁

22、高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内自行发热，烧开锅内的的 食物。食物。 一、高频反射式一、高频反射式1 1、基本原理、基本原理 将一个通以高频电流将一个通以高频电流i is s，频率为，频率为f f，外半，外半径为径为r ras as 的电感线圈置于金属导体附近，的电感线圈置于金属导体附近，则线圈周围空间将产生一个高频磁场则线圈周围空间将产生一个高频磁场H H，使金属导体使金属导体中感应电涡流中感应电涡流i i，i i又产生与又产生与H H 方向相反的交变磁场方向相反的交变磁场H H

23、 ，如图所示。，如图所示。根据愣次定律，根据愣次定律，H H 的反作用必然削弱线圈的磁场的反作用必然削弱线圈的磁场H H。由于磁场。由于磁场H H 的作用，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化取的作用，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率率 、磁导率、磁导率 以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率中激磁电流频率f f 有关，同时还与线圈与导体间的距离有关，同时还与线圈与导体间的距离x x 有关

24、。有关。 线圈置于金属导体附近：线圈置于金属导体附近： 线圈中通以高频信号线圈中通以高频信号 i1 正弦交变磁场正弦交变磁场 H1 金属导体内就会产生涡流金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场涡流产生电磁场 反作用于线圈，改变了电感反作用于线圈，改变了电感 结论：由电涡流产生反磁场的去磁作用将使线圈电感量减小，从结论：由电涡流产生反磁场的去磁作用将使线圈电感量减小，从而引起线圈等效阻抗而引起线圈等效阻抗Z及等效品质因数及等效品质因数Q值的变化。所以凡是能引值的变化。所以凡是能引起电涡流变化的非电量，均可通过测量线圈的等效电阻起电涡流变化的非电量，均可通过测量线圈的等效电阻R、等效电、等效电感感

25、L、等效阻抗、等效阻抗Z及等效品质因数及等效品质因数Q来测量。来测量。五、五、 涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用x, x被 测 参 数变 换 量特 征位移、厚度、振动 （1） 非接触测量，连续测量 （2） 受剩磁的影响。表面温度、电解质浓度、材质判别、速度（温度） （1） 非接触测量，连续测量； （2） 对温度变化进行补偿应力、硬度 （1） 非接触测量，连续测量； （2） 受剩磁和材质影响探伤 可以定量测量电涡流式传感器的应用 1 1、测量位移、测量位移 2 2、测量振动、测量振动 3 3、测量转速、测量转速 4 4、测量厚度、测量厚度 5 5、测量温度、测量温度第四章 光电传感器原理及应

26、用第一节第一节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件1.外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。例如：光电管、光倍增管等外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。例如：光电管、光倍增管等2.内光电效应：在光线作用下物体的电阻率改变。例如光敏电阻内光电效应：在光线作用下物体的电阻率改变。例如光敏电阻3.光生伏特效应：在光线作用下物体产生一定方向的电动势。例如：光电池、光光生伏特效应：在光线作用下物体产生一定方向的电动势。例如：光电池、光敏晶体管等敏晶体管等2x辐射源光学通路光电元件1x12I采用光电元件作为检测元件的传感器被称为光电传感采用光电元件作为检测元件的传感器被称为光电传感器。光电

27、传感器由器。光电传感器由光源光源、光学通路光学通路和和光电元件光电元件组成。组成。（二）特性参数（二）特性参数 1.暗电阻与亮电阻暗电阻与亮电阻 暗电阻暗电阻-在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如如MG41-42型光敏电阻的暗阻大于等于型光敏电阻的暗阻大于等于0.1兆欧。兆欧。 亮电阻亮电阻-在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。例如例如MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于型光敏电阻的亮阻小于等于1000欧。欧。 光敏电阻接在电路上，亮电流（大）与暗电流（小）光敏电阻接在电路上，亮电流（大）与暗电流（小）之差被称为光

28、电流。之差被称为光电流。 光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，灵敏度越高。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，灵敏度越高。 2.伏安特性曲线伏安特性曲线光照度小光照度小光照度大光照度大 在一定照度下，光敏电在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光阻两端所加的电压与光电流之间的关系电流之间的关系 在给定的偏压下，光照度越大，光电流也就越大；在给定的偏压下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热

29、条件等因素有关。耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。第三节第三节 光导纤维传感器光导纤维传感器 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学

30、测量的特点。时具有光纤及光学测量的特点。 工作原理工作原理（利用光的完全内反射原理）（利用光的完全内反射原理）光纤传感器光纤传感器传光型：作为光学通路传输光信号。传光型：作为光学通路传输光信号。功能型：被测信号功能型：被测信号 光纤及传输特性变化。光纤及传输特性变化。 包层包层2.2.光导光导纤维纤维低折射率低折射率高折射率高折射率1.1.光源光源3.3.光探光探测器测器4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率（n2n1） 4.4.3 光纤传感器结构原理 把被测量的状态转变为可测的光信号的装置把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 光受到被

31、测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。 传统传感器（电为基础）？传统传感器（电为基础）？信号处理信号处理电电 源源信号接收信号接收敏感元件敏感元件（a a）传统传感器）传统传感器 导线导线光的电矢量光的电矢量E)sin(tBE被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的调制过程就是将一携带信

32、息的信号叠加到载波光光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。检测。(1) 光纤的传感器中的作用功能型功能型非功能型非功能型拾光型拾光型 功能型（全光纤型）光纤传感器功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特或特殊光纤殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传

33、传”和和“感感”合为一体的传合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素素(弯曲、相变弯曲、相变)的作用下，其光学特性的作用下，其光学特性(光强、相位、偏光强、相位、偏振态等振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器非功能型（或称传光型）光纤传感器非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感

34、感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤 拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计

35、、辐射式光激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。纤温度传感器等。 信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非干干涉涉型型光纤传感器强度调制光纤传感器强度调制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变化半导体透射率

36、的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,

37、abbb光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb注：注：MM多模光纤；多模光纤；SM单模光纤；单模光纤；PM偏振保持光纤偏振保持光纤 (2) 根据光受被测对象的调制形式 4.4.6 光纤传感器的应用强度调制型：强度调制型：基于弹性元件受压变形，将压力信号转基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；光纤检测技术；相位调制型：相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；利用光纤本身作为敏

38、感元件；偏振调制型：偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。主要是利用晶体的光弹性效应。光纤压力传感器光纤压力传感器第五章 电动势式传感器1 1、磁电式传感器（概念）、磁电式传感器（概念）2 2、霍尔传感器、霍尔传感器3 3、压电式传感器、压电式传感器第一节 磁电式传感器原理dtdkE法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：iN通过一个闭合回路的磁通量发生变化时， 回路中就有感应电流产生该现象称为电磁感应现象。产生的电流称为感应电流，相应的电动势为感应电动势。 磁电式传感器：基于电磁感应原理而制造。是通过磁电磁电式传感器：基于电磁感应原理而制造。是通过磁电作用将被测量（如振动、转速、扭矩）转换

39、成电势信号的传感作用将被测量（如振动、转速、扭矩）转换成电势信号的传感器。结构简单、工作稳定、灵敏度高。器。结构简单、工作稳定、灵敏度高。dtdNesinBlvNe sinBAe - -+ +ueivBle 磁通量的变化实现办法: 磁铁与线圈之间作相对运动； 磁路中磁阻的变化； 恒定磁场中线圈面积的变化.一、一、动圈式动圈式磁电传感器（磁电传感器（恒磁通式恒磁通式） 1 1、 原理原理动圈式磁电传感器原理图 sinaNBlE 当当90，线圈的感应电动势为：线圈的感应电动势为：aNBlE 输出线输出线弹簧片弹簧片线圈线圈芯轴芯轴磁钢磁钢阻尼环阻尼环壳体壳体SNNS注意兰色可移动部分！注意兰色可移

40、动部分！输出：输出：感应电动势感应电动势-正比于机械振动。正比于机械振动。一、一、动圈式动圈式磁电传感器（磁电传感器（恒磁通式恒磁通式） 2 2、结构、结构磁电式传感器构成： 1、磁路系统 产生恒定直流磁场。一般采用永久磁铁； 2、线圈 由它运动切割磁力线产生感应电动势。二、二、磁阻式磁阻式磁电传感器（磁电传感器（变磁通式变磁通式） 线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁能量，在线圈中产生感应电动势。用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。 结构：开磁路、闭磁路 置于磁

41、场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应霍尔效应。dIBRUHH第二节、霍尔传感器原理第二节、霍尔传感器原理 三、霍尔元件的三、霍尔元件的主要特性参数(1) 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 输入电阻：输入电阻：控制电极间的电阻 输出电阻：输出电阻：霍尔电极之间的电阻可以在无磁场即可以在无磁场即B0和室温（和室温（20 + -5）时，用欧姆时，用欧姆表等测量。表等测量。(2)

42、 额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流：额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10温升时，对应的控制电流值 最大允许控制电流：最大允许控制电流：以元件允许的最大温升为限制 所对应的控制电流值 （3 3）不等位电势和不等位电阻）不等位电势和不等位电阻当磁感应强度为零，霍尔元件的激励电流为额定值时，当磁感应强度为零，霍尔元件的激励电流为额定值时，则其输出的霍尔电势应该为零，但实际不为零，用直流则其输出的霍尔电势应该为零，但实际不为零，用直流电位差计可以测得空载霍尔电势，这时测得的空载霍尔电位差计可以测得空载霍尔电势，这时测得的空载霍尔电势称为

43、不等位电势。电势称为不等位电势。产生不等位电势的主要原因产生不等位电势的主要原因有：有： 霍耳电极安装位置不霍耳电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；对称或不在同一等电位面上； 半导体材料不均匀造成半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； 激励电极接触激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。不良造成激励电流不均匀分布等。r 0称不等位电阻称不等位电阻 00NUrI 四、霍尔元件的误差及补偿四、霍尔元件的误差及补偿1) 不等位电势的补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用

44、补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍耳元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。 霍尔元件的等效电路不等位电势的补偿电路不等位电势的补偿电路 对称补偿的温度稳定性要好些对称补偿的温度稳定性要好些 2) 2) 温度补偿温度补偿霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。电阻相对变化电阻相对变化温度低温度低-温度高温度高升温减小升温减小负温度系数负温度系数升温增大升温增大正温度系数正温度系数温度低温度低-温度高温度高霍耳电压相对变化霍耳电压相对变化砷化铟砷化

45、铟硅硅锗锗碲化铟碲化铟锗锗为了减小霍尔元件的温度误差，选用温度系数小的元件温度系数小的元件采用恒温措施恒温措施由UH=KHIB 可看出：采用恒流源供电恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I 的变化的影响。霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系 )1 (TKKHOH大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数是正值时，是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加（它们的霍尔电势随

46、温度的升高而增加（1+t）倍。）倍。同时，让控制电流同时，让控制电流I相应地减小，能保持相应地减小，能保持KHI不变就不变就抵消了灵敏系数值增加的影响抵消了灵敏系数值增加的影响 恒流源温度补偿电路 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流UH=KHIB 霍耳传感器的应用霍耳传感器的应用 优点优点: 结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长寿命长 应用：应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度

47、、有功功电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。自动检测系统：多用于位移、压力的测量。霍尔传感器的应用 测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。 应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度 1. 微位移和压力的测量2. 磁场的测量在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。cosBIKUHH霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线

48、方向之间夹角的函数。霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器第三节 压电式传感器一一 压电式传感器原理压电式传感器原理 1 1、压电效应、压电效应 压电式传感器：当外力作用于某些晶体时，发生压电压电式传感器：当外力作用于某些晶体时，发生压电效应，在晶体表面产生电荷，通过检测发电电荷量的效应，在晶体表面产生电荷，通过检测发电电荷量的大小测出作用力的大小。大小测出作用力的大小。 可制成力、压力、加速度等传感器。可制成力、压力、加速度等传感器。 体积小、轻便、频带宽、灵敏度高。体积

49、小、轻便、频带宽、灵敏度高。压电效应：某些晶体在一定方向上受到外力作用压电效应：某些晶体在一定方向上受到外力作用时，内部产生极化现象，相应在晶体的两个表面时，内部产生极化现象，相应在晶体的两个表面上产生符号相反的电荷。当外力除去时，电荷消上产生符号相反的电荷。当外力除去时，电荷消失；当外力反向时，电荷极性也反向。被称为压失；当外力反向时，电荷极性也反向。被称为压电效应。电效应。 2 2、石英晶体的压电效应、石英晶体的压电效应 石英：二氧化硅单晶，石英：二氧化硅单晶， 六角棱柱体，六角棱柱体， X、Y、Z三个晶轴。三个晶轴。x光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴坐标轴坐标轴晶体切块晶体切块1 1、X X

50、向应力向应力-纵向压电效应纵向压电效应xxxxxFdq电荷计算：电荷计算：2 2、Y Y向应力向应力横向压电效应横向压电效应光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴晶体切块晶体切块压力压力拉力拉力xxqyxyxyFbadqxyq压力压力拉力拉力xxd分别为两个方向的压电系数。分别为两个方向的压电系数。xydxxxydd且：且：石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 （a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在）在X轴方向压缩，表面轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。表面呈现正电荷。（c）沿）沿Y轴方向压缩，在轴方向压缩，

51、在A和和B表面上分别呈现正电荷和负电荷表面上分别呈现正电荷和负电荷 石英晶体石英晶体一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。优点： 转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度变化而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。3 3、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷：多晶体，具有电畴（分子自发形成的电场压电陶瓷：多晶体，具有电畴（分子自发形成的电场区域）结构的压电材料。正常状态下对外不呈现电荷。区域）结构的压电材料。正常状态下对外不呈现电荷。 在一定温度下，对压电陶

52、瓷加强电场进行极化处理，在一定温度下，对压电陶瓷加强电场进行极化处理，内部电畴的排列被人为地规则化，当强电场撤消后，压电陶内部电畴的排列被人为地规则化，当强电场撤消后，压电陶瓷就具有了压电特性。瓷就具有了压电特性。 多晶铁电体多晶铁电体在强电场中极化在强电场中极化电畴排列规则化电畴排列规则化压电陶瓷的正压电效应 压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象充电现象。 放电电荷的多少与外力的大小

53、成比例关系放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 FdQ33二二 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路1. 压电元件的等效电路hshsCra0aCQU 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 压电式传感器可以等效为电荷源和压电元件电容器的并联电路；压电式传感器可以等效为电荷源和压电元件电容器的并联电路；也可以等效为电压源和电容器的串联电路。也可以等效为电压源和电容器的串联电路。(a)等效为一个电荷源等效为一个电荷源Q与一个电容与一个电容Ca并联的电路并联的电路 (b) 等效成一个电源等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容和一个电容Ca的串联电路的串联电路 两个压电片的联接方式 （a

54、） “并联并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b） “串联串联” Q=Q，U=2U，C=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。地方。（1）电压放大器Ca：传感器的电容：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容：连接电缆的等效电容Ri：放大

55、器的输入电阻：放大器的输入电阻Ci：输入电容：输入电容iaiaRRRRRicaCCCCuaCaCcCiRaRiR1R2+-uaCaCRui前置放大器输入电压前置放大器输入电压 RCjRiUi1压电元件的力压电元件的力 F=FF=Fm msintsint压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d d1111，产生的电荷为，产生的电荷为Q = dQ = d1111FF。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdUi111。2211)()(1icamimCCCRRFdu输入电压的幅值输入电压的幅值 当作用力是静态力（当作用力是静态力（=0） 时，前置放大器的输入电压为零。时，前置放大器的

56、输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。 电缆长度会影响灵敏度！电缆长度会影响灵敏度！（2）电荷放大器压电式传感器另一种专用的前置放大器。能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。使用电荷放大器突出的一个优点：使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。压电传感器与电荷放大器连接等效电路 K是放大器的开环增益，

57、（是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相，）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地地”电位。电位。 1、压电式加速度传感器2、压电式力传感器3、压电式压力传感器三三 压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电元件由两块压电片组成，在压电片的两个表面上镀银并焊接输出引线，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电元件上，以一定的预紧力安装一惯性质量块，整个组件装在一个厚基座的金属壳体中。第三节 热电偶传感器一一 热电偶的工作原理热电偶的工作原理1.两种不同导体两种不同导体 2.接成闭合回路接成闭合

58、回路 3.两个接点处温度不同两个接点处温度不同 1 1、热电效应、热电效应 回路中会产生热电动势。回路中会产生热电动势。必要条件必要条件 热电偶传感器基于热电偶传感器基于热电效应热电效应原理而工作。属于有源传感原理而工作。属于有源传感器，使用时不需要外加电源，可以方便地测量炉子、管器，使用时不需要外加电源，可以方便地测量炉子、管道中的气体或液体温度，也可以测量固体表面温度。道中的气体或液体温度，也可以测量固体表面温度。 结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小、便于远距离传送。性小、便于远距离传送。热电动势热电动势（电荷扩散）（电荷扩散）温差电动

59、势温差电动势: 同一导体上因两端温度不同引起。同一导体上因两端温度不同引起。接触电动势接触电动势: 两种不同导体的接触引起。两种不同导体的接触引起。BtAtABte)(000)(BtAtABte00),(AtAtAtte00),(BtBtBtteBt0BtAt0At 热电极A和B为同一种材料，NA=NB, A=B，则 EAB(T, T0)=0。 若热电偶两端处于同一温度下， T=T0 ，EAB(T, T0)=0 。 热电势存在必须具备两个条件热电势存在必须具备两个条件：一、两种不同的金属材料组成热电偶，一、两种不同的金属材料组成热电偶，二、它的两端存在温差。二、它的两端存在温差。 TTBABA

60、BAABABBABAABABdt)(NNln)TT(ek)T ,T(e)T ,T(e)T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(E0000000002. 热电偶回路的总热电势 1. 匀质导体定律2. 中间导体定律3. 连接导体定律二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律为解决测量中的实为解决测量中的实际问题提供理论依际问题提供理论依据据利用该定律，可以检查两种热电极材料是否相同，利用该定律，可以检查两种热电极材料是否相同，或一种热电极材料是否均匀或一种热电极材料是否均匀。 1. 匀质导体定律 由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，