第二、三讲_常用传感器原理及应用

1、第二讲第二讲 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用1 1 概述概述2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器3 3 电感式传感器电感式传感器4 4 电容式传感器电容式传感器5 5 压电式传感器压电式传感器6 6 磁敏传感器磁敏传感器7 7 光电式传感器光电式传感器8 8 应用举例应用举例1 1 概述概述一、传感器的定义一、传感器的定义 传感器（传感器（transducer/senortransducer/senor）是将）是将被测量被测量按一定规律转换按一定规律转换成成便于应用的某种物理量便于应用的某种物理量的装置。通常将传感器看作是一个把的装置。通常将传感器看作是一个把被测被测非电量非电量

2、转换成转换成电量电量的装置。的装置。测力计测力计压力计压力计温度计温度计二、传感器的组成二、传感器的组成传感器通常由三部分组成：传感器通常由三部分组成：敏感元件：敏感元件： 直接感受被测量直接感受被测量, ,输出与被测量成确定关系。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敏感元件的输出就是转换元件的输入, ,它把输入转它把输入转 换成电量参量。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。示、记录或控制的有用的电信号的电路。三、传感器的类型三、

3、传感器的类型1 1、按被测对象分：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位、按被测对象分：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、加速度传感器、转矩传移传感器、流量传感器、液位传感器、加速度传感器、转矩传感器等；感器等；2 2、按工作原理分：电阻应变式、电感式、电容式和压电式等；、按工作原理分：电阻应变式、电感式、电容式和压电式等；3 3、按被测量的转换特征分：结构型和物性型。、按被测量的转换特征分：结构型和物性型。（1 1）结构型传感器：是依靠传感器结构参数的变化而实现信号）结构型传感器：是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。转换的。例如，例如，电容式传感

4、器电容式传感器依靠依靠极板间距离变化极板间距离变化引起引起电容量变化电容量变化；电电感式传感器感式传感器依靠依靠衔铁位移衔铁位移引起引起自感或互感变化自感或互感变化等。等。（2 2）物性型传感器：是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化）物性型传感器：是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。来实现信号变换的。例如利用水银的热胀冷缩现象制成水银温度计来测温；利用石例如利用水银的热胀冷缩现象制成水银温度计来测温；利用石英晶体的压电效应制成压电测力计等。英晶体的压电效应制成压电测力计等。 4、按照能量的传递方式分：能量控制型和能量转换型。、按照能量的传递方式分：能量控制型和能量转换型。 能

5、量控制型传感器是从外部供给辅助能量使其工作的，并能量控制型传感器是从外部供给辅助能量使其工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化；由被测量来控制外部供给能量的变化； 能量转换型传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的，能量转换型传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等例如，热电偶温度计、弹性压力计等 。三、传感器的类型三、传感器的类型2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器( (具体见另一个课件具体见另一个课件) )4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量如位移等，电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量如

6、位移等，转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自自感式感式（包括可变磁阻式与涡流式）和（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式互感式（差动变压器式）两（差动变压器式）两种。种。 一、自感式传感器（可变磁阻式传感器一、自感式传感器（可变磁阻式传感器 ）可变磁阻式传感器自感 自感L与气隙成反比，而与气隙导磁截面积S0成正比。0空气导磁率；W线圈匝数。1 1、变气隙式、变气隙式L L 与与呈非线性（双曲线）关系。传感器的灵敏度为：呈非线性（双曲线）关系。传感器的灵敏度为： 灵敏度灵敏度S S与气隙长度与气隙长度的平方成反比，的平方成反比

7、，愈小，灵敏度愈小，灵敏度S S愈高。愈高。这种传感器适用于这种传感器适用于较小位移的测量较小位移的测量，一般约为，一般约为0.0010.0011 mm1 mm。2 2、变面积式、变面积式自感L与S0呈线性关系，这种传感器灵敏度较低。3 3、螺管式、螺管式单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于度低，适用于较大位移较大位移( (数毫米数毫米) )测量。测量。 双螺管线圈差动型，较之单螺双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈

8、型有较高灵敏度及线性，管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于被用于电感测微计电感测微计上，其测量上，其测量范围为范围为0 0300m300m，最小分辨，最小分辨力为力为0.5m0.5m。线圈电感。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. .测量精度高，量程较大。测量精度高，量程较大。二、差动变压器式传感器（互感式）二、差动变压器式传感器（互感式）三、电涡流式传感器三、电涡流式传感器 高频（数高频（数MHzMHz以上）以上）激励电流激励电流i i施加于邻近施加于邻近金属板一侧的线圈，由金属板一侧的线圈，由线圈产生的高频电磁场线圈产生的高频电磁场作用于金属板的表面。作用于金

9、属板的表面。在金属板表面薄层内产在金属板表面薄层内产生涡流生涡流i i，涡流，涡流i i又产生又产生反向的磁场，反作用于反向的磁场，反作用于线圈上，由此引起线圈线圈上，由此引起线圈自感自感L L或线圈阻抗或线圈阻抗z z的变的变化。化。L L的变化程度取决的变化程度取决于线圈至金属板之间的于线圈至金属板之间的距离距离、金属板的电阻、金属板的电阻率率、磁导率、磁导率以及激以及激励电流励电流i i的幅值与角频的幅值与角频率率等。等。 当被测位移量发生变化时，使线当被测位移量发生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻抗致线圈阻抗z z的变化，通过测量电路

10、的变化，通过测量电路转化为电压输出。高频反射式涡流式转化为电压输出。高频反射式涡流式传感器常用于传感器常用于位移测量。位移测量。 低频透射式涡流传感器多用低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度于测定材料厚度。发射线圈。发射线圈1 1 和接收线圈和接收线圈22分别放在被测材料分别放在被测材料G G的上下，低频的上下，低频( (音频范围音频范围) )电压电压e1e1加到线圈加到线圈1的两端后，在周围空的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材间产生一交变磁场，并在被测材料料G G中产生涡流中产生涡流i i，此涡流损耗了，此涡流损耗了部分能量，使贯穿部分能量，使贯穿2 的磁力线的磁力线减少，从而

11、使减少，从而使2产生的感应电势产生的感应电势e2e2减小。减小。e2e2的大小与的大小与G G的厚度及材的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，料性质有关，实验与理论证明，e2e2随材料厚度随材料厚度h h增加按负指数规律增加按负指数规律减小。因而按减小。因而按e2 e2 的变化便可测得的变化便可测得材料的厚度。材料的厚度。（两部分视频可用）4.4 4.4 电容式传感器（具体见另一个课件）电容式传感器（具体见另一个课件）4.5 4.5 压电式传感器压电式传感器压电式传感器是以某些材料的压电式传感器是以某些材料的压电效应压电效应为基础，在为基础，在外力外力的作用下，的作用下，这些材料的表面产生这些

12、材料的表面产生电荷电荷，从而实现，从而实现非电量到电量非电量到电量的转换。的转换。一、一、 压电效应与压电材料压电效应与压电材料 1 1、压电效应与逆压电效应、压电效应与逆压电效应 某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为这种现象称为压电效应压电效应。 如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形方向上产

13、生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应逆压电效应，或称之为电，或称之为电致伸缩效应。致伸缩效应。 明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。常用的压电材料有：常用的压电材料有：压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。此。此外，聚偏二氟乙烯外，聚偏二氟乙烯(PVDF)(PVDF)作为一种新型的高分子物性型传感材料得作为一种新型的

14、高分子物性型传感材料得到广泛的应用。（到广泛的应用。（新型材料新型材料）二、等效电路二、等效电路 压电元件等效为一个压电元件等效为一个电荷源电荷源Q Q和一个和一个电容器电容器C C0 0并联的等效电路。并联的等效电路。也可等效为一个也可等效为一个电压源电压源U U和一个和一个电容器电容器C C0 0串联的等效电路串联的等效电路 。 由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；而在作动态测量时，电测

15、量电路的漏失减小到足够小的程度；而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，故压电式传故压电式传感器适宜作动态测量。感器适宜作动态测量。 三、压电元件常用的结构形式三、压电元件常用的结构形式 在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足够在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用两片或两片以上两片或两片以上压电元件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此连压电元件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种：接方法有两

16、种：并联连接和串联连接并联连接和串联连接。并联连接：并联连接：两压两压电元件的负极集电元件的负极集中在中间极板上，中在中间极板上，正极在上下两边正极在上下两边并连接在一起，并连接在一起，此时此时电容量大，电容量大，输出电荷量大输出电荷量大，适用于测量缓变适用于测量缓变信号和以电荷为信号和以电荷为输出的场合输出的场合。 串联连接：串联连接：上极板上极板为正极，下极板为为正极，下极板为负极，在中间是一负极，在中间是一元件的负极与另一元件的负极与另一元件的正极相连接，元件的正极相连接，此时传感器本身此时传感器本身电电容小，输出电压大容小，输出电压大，适用于要求以电压适用于要求以电压为输出的场合，并为

17、输出的场合，并要求测量电路有高要求测量电路有高的输入阻抗的输入阻抗。 4.6 4.6 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器的磁敏传感器的磁敏元件磁敏元件对磁场敏感，能够将磁学物理量转换成对磁场敏感，能够将磁学物理量转换成电信号。磁敏元件有霍尔元件、磁敏电阻、磁敏管等。电信号。磁敏元件有霍尔元件、磁敏电阻、磁敏管等。一、霍尔效应一、霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直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，这种物理现象称为于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔霍尔效应。效应。二、霍尔元件二、霍尔元件基于霍尔效应工作的半

18、导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用采用N N型半导体材料。霍尔元件越薄型半导体材料。霍尔元件越薄( (d d越小越小) )，kHkH就越大，薄就越大，薄膜霍尔元件厚度只有膜霍尔元件厚度只有1m1m左右。左右。目前最常用的霍尔元件材料有锗目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)(InSb)、砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)等半导体材料。等半导体材料。三、应用举例三、应用举例 a a端通入电流端通入电流I I，根据霍尔效，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势应，左半部产生霍尔电势V VH1

19、H1，右半部产生右半部产生霍霍尔电势尔电势V VH2H2，其，其方向相反。因此，方向相反。因此，c c、d d两端两端电势为电势为V VH1H1V VH2H2。如果霍尔元。如果霍尔元件在初始位置时件在初始位置时V VH1=H1=V VH2H2，则，则输出为零；当改变磁极系统输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压即可得到输出电压。 霍尔元件可以用来测量磁场强度、位移、力等，体积小，使用霍尔元件可以用来测量磁场强度、位移、力等，体积小，使用方便，无接触测量。方便，无接触测量。4.7 4.7 光电传感器光电传感器1.热释电传感器简介热释电传感器简介

20、热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。红外线而输出电信号的传感器。 早在早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射。红外辐射。 热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。如：在房间上得到应用外，在更多的领域得到应用。如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断

21、无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用等等视器或自动门铃上的应用等等热释电传感器在人体检测、报警中的应用热释电传感器在人体检测、报警中的应用 热释电元件在红外线检测中得到广热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。门、自动灯的控制等。 热释电元件外形热释电元件外形 热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱热释电晶片表面必须罩上一块由一

22、组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是它是“视而不见视而不见”的。的。 菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片热释电晶片菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外

23、形 传感器不加菲涅传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距尔透镜时，其检测距离小于离小于2m，而加上该，而加上该透镜后，其检测距离透镜后，其检测距离可增加可增加3倍以上。倍以上。热释电套件热释电套件热释电报警器热释电报警器菲涅尔透菲涅尔透镜镜设定按钮设定按钮高分贝喇叭高分贝喇叭热释电报警器（续）热释电报警器（续）菲涅尔透镜菲涅尔透镜 5mm接插件接插件热释电报警器（续）热释电报警器（续） 吸顶式吸顶式 热释电报警热释电报警器器热释电传感器应用热释电传感器应用 热释电传感器热释电传感器用于自动亮灯，当用于自动亮灯，当然也可以用于防盗然也可以用于防盗 热释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围热释电感应

24、灯热释电感应灯热释电热释电传感器传感器自动感应灯自动感应灯（参考施特朗公司资料）（参考施特朗公司资料）热释电传感器在智能空调中的应用热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测智能空调能检测出屋内是否有人，微出屋内是否有人，微处理器据此自动调节处理器据此自动调节空调的出风量，以达空调的出风量，以达到节能的目的。到节能的目的。 空调中，热释电传感器的菲涅尔空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。是静止着还是走动着。上下范围上下范围左右范围左右范围2.2.红外线

25、辐射温度计：红外线辐射温度计： 红外辐射温度计既可用于高温测量，又可红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量。市售的红外辐射温用于冰点以下的温度测量。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从度计的温度范围可以从-30-3030003000，中间分，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。型号。红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光仅激光仅 用于瞄准用于瞄准红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度红外线辐射温度计计用于食品温度用于食品温度测量测量红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量 红外线辐射温度计在非接红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用触温度测量中的应用集成集成IC 温度测量温度测量 红外线辐射温度计在非接触温度测量红外线辐射温度计