常用传感器与非电量测量

关于常用传感器与非电量测量第一页，共五十七页，2022年，8月28日4.1概述传感器是一种能将特定的被测信息（包括物理量、化学量、生物量等），按一定规律转换成某种可用的输出信号的器件，又称为变换器、变送器。目前，可用信号是指各种电量（电压、电流）或电参数（电阻、电感、电容等），这是因为电信号易于处理，便于传输。随着科学技术的进步，可以预料传感器“可用信号”的内涵也会随之改变，如当人们跨入光子时代，则光信号将成为更便于快速处理与传输的“可用信号”了。第二页，共五十七页，2022年，8月28日常见传感器第三页，共五十七页，2022年，8月28日A从传感器输入端来看，一个指定的传感器只能感受或响应规定的物理量。如温度传感器只能用于测温，传感器所能感受或响应规定的物理量既可以是非电量也可是电量。B从输出端来看，传感器的输出信号为“可用信号”，这指传感器输出信号中不但载运待测的原始信息，而且是能够被远距离传送、后续测量环节便于接收做进一步处理的信号，包含：电信号、光信号、气动信号等。C从输入输出关系看，具有一定规律，可以通过数学解析方法或试验法确定模型来描述，具有规定的静态特性和动态特性，规律可以重复出现。传感器位于测试系统的最前端，主要为了获取检测信息和转换信息用。第四页，共五十七页，2022年，8月28日传感器的分类传感器的分类方法很多，了解传感器的分类旨在加深理解便于应用。按输入量可分为温度、压力、位移、速度、湿度等传感器；按测量原理可分为电位计式、应变式、电感式、差动变压器式、电涡流式、半导体力敏、热敏、光敏、气敏等传感器；按输出量分类有模拟式和数字式传感器等。按照传感器输出量变换原理分类，由于传感器可用输出信号的类型是有限的，如电压、电流、电阻、电荷，其中输出量为电参数的（电阻、电感、电容）称为电参数传感器；输出量为电量（电压、电流、电荷）称为电量型传感器。第五页，共五十七页，2022年，8月28日

传感器技术现状与发展目前，传感器技术正在飞速发展，出现了“多样化、新型化、集成化、智能化”的发展形势。多样化是指随着使用领域的不断扩大以及各个领域的不同需要，出现多种多样用途的传感器，种类有上千种。集成化包括传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。新型化是指由于科学技术的发展，许多物理效应的新发现、理论上的新突破、新工艺的提出、新材料的产生，发展了大量新型传感器。智能传感器，至今还没有公认的正式定义。一般认为：传感器与微处理器相结合所形成的不仅具有信号检测功能，而且具有信息处理功能的传感器系统就是智能传感器。

第六页，共五十七页，2022年，8月28日举例：汽车电子控制系统的信息源就是各种类型的传感器，数量多达几十至上百只各型传感器。第七页，共五十七页，2022年，8月28日4.2电参数型传感器电阻式温度传感器利用导体、半导体电阻随温度变化的特性，可以制作出测量温度的传感器：热电阻和热敏电阻。温度范围（－200～500）℃

1热电阻：纯金属制作的热电阻有正温度系数，温度每升高1℃

，电阻值增加约0.4%~0.6%。最广泛使用的是纯金属铂、铜热电阻。(1)铂电阻的R-t关系0℃

～850℃－200℃～0℃第八页，共五十七页，2022年，8月28日(2)铜电阻在（-50~150)℃内有较好的特性，价格便宜。其R-t特性为：2热敏电阻热敏电阻是将温度信号转变为电阻值变化的一种传感器。它可归类为电阻式传感器。这种热敏元件是半导体，称半导体热敏电阻。其优点有：具有较高的负电阻温度系数；灵敏度高于热电阻，在20℃时温度增加1℃，电阻值减少约2％～6％。常温下阻值大，可以忽略引线电阻的影响，体积小，动态特性好。测温范围（-100～300)℃。缺点：非线性大，长期稳定性差，互换性差。第九页，共五十七页，2022年，8月28日热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种，它们的阻值特性分别为：式中

——温度为时的电阻值；

——

常数；

——绝对温度。它们的温度系数可分别求出，即第十页，共五十七页，2022年，8月28日正温度系数热敏电阻的温度系数为正，且为常数(指在工作范围内)；负温度系数热敏电阻的温度系数为负，且与电阻温度的平方成反比，随温度降低而迅速增大，因而具有很高的灵敏度。所以，负温度系数热敏电阻的应用较广。对于热电阻和热敏电阻，通过它们的电流不能太大，否则引起自身发热，带来测试误差。4.2.2电桥法测电阻在输入信号的作用下，电参数型传感器输出为电参数电阻R、电感L、电容C的改变量，因此实现对R、L、C参数测量的检测电路可用来作为与传感器相配接的信号调理电路。第十一页，共五十七页，2022年，8月28日电桥是将电阻、电感、电容及阻抗参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路，精度与灵敏度高，根据激励源的性质可分为直流电桥与交流电桥；按输出方式，可分为平衡电桥和不平衡电桥。对电阻式传感器既可采用直流电桥，又可采用交流电桥；对于电感、电容式传感器则应选用交流电桥。一般主要采用不平衡电桥。1电压源供电下图中，桥路电流，为：第十二页，共五十七页，2022年，8月28日其中和上的电压降分别为：则输出电压第十三页，共五十七页，2022年，8月28日2恒流源供电桥路电流分别为：输出电压则为：第十四页，共五十七页，2022年，8月28日几种电桥电路第十五页，共五十七页，2022年，8月28日4.3电量型传感器

电量型传感器的输出都是电量（电压、电流），如磁电式变换器、压电式变换器、热电式变换器、光电式变换器，可以不需要外界激励电源而从被测对象直接获取信息能量，从而获得电量信号。

这些都属于能量转换型传感器，另一些电量型传感器如PN结、集成电路温度传感器，它们的输出量也分别为电压、电流，但其属于能量控制型传感器。第十六页，共五十七页，2022年，8月28日磁电式传感器基于电磁感应原理，把被测非电量变换为感应电势的传感器称为磁电式传感器。工作原理由电磁感应定律可知：

式中

——感应电势（V）；

——磁通量（Wb）；

——时间（s）；

——线圈匝数。

第十七页，共五十七页，2022年，8月28日可见，只要改变磁通量，就能得到感应电势，而改变的办法很多，如改变磁路中的磁阻，改变和磁场垂直的线圈面积(线圈在恒定磁场中旋转)，或者使磁铁对线圈作相对运动，等等，都能达到改变通过线圈磁通量的目的。因此，可以制造出不同类型的磁电式传感器。若线圈在恒定磁场中作垂直切割磁力线的直线运动，线圈两端的感应电势可由下式导出式中——磁场的磁感应电势；

——线圈与磁场相对运动的位移；

——每匝线圈的平均长度。

第十八页，共五十七页，2022年，8月28日在磁场一定的条件下，测定感应电势，就能测定线圈移动的速度。在线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，并且线圈平面的法线方向与磁场方向呈90°，则线圈的感应电势为式中—旋转角速度；

—每匝线圈的界面积。在磁场一定、线圈一定的条件下，和为常数，测定感应电势便能测定出线圈旋转的角速度。

第十九页，共五十七页，2022年，8月28日如下图所示分别为被测量为线速度和角速度时，磁电式传感器的工作原理。在实践中还有许多方法改变通过线圈的磁通量，都可按电磁感应关系式推导出相应感应电势的表达式。通过对的测定，能相应地测定使磁通量改变的物理量。

第二十页，共五十七页，2022年，8月28日磁电式传感器的选用

磁电式传感器最大的特点是：它能将作为输入信号的机械速度直接转换成线圈中的感应电势输出，它不需要外加电源，而是直接将被测物体的机械能转换成电信号输出，这一特点使它大受使用者的欢迎。因此，它在测量速度、转速时被广泛选用。

如果在测量线路中对信号作积分和微分，又能非常方便地得到被测物体的加速度和位移(角加速度和转角)，因此，常用于加速度、振动、位移等测量，特别是作为振动传感器使用。磁电式传感器的工作温度不高，磁电式传感器的频率范围也有限，一般只能测10—2000Hz内的机械振动,在体积、重量上则大大不如压电式传感器；而且结构复杂，还要有可动部分，所以既容易磨损使性能变化，又不坚固可靠。

第二十一页，共五十七页，2022年，8月28日热电式传感器热电偶式传感器热电偶式传感器是基于热电效应，将温度信号转换为电信号的一种传感器。1工作原理

热电偶式传感器的工作原理基于热电效应。如图所示，将两种材料不同的导体的两个端点焊接在一起，构成一个闭合回路。如果两连接点1和2温度不同，回路中就会有一个电动势，并在闭合回路中产生电流。第二十二页，共五十七页，2022年，8月28日这个电势和电流与两种导体的性质和两个接点间的温度差有关。这种现象就称为热电效应或塞贝克效应。

A和B两种导体叫做热电极，它们合称热电偶。若接点1和2的温度分别为和，且>，接点1称热端或称工作端，接点2称冷端，或称自由端。如果对于某一确定的热电偶，冷端温度固定，则热电偶回路中的热电势就只和热端温度呈一一对应关系，测定热电势就能测定热端温度。

第二十三页，共五十七页，2022年，8月28日热电势是由接触电势(又称珀尔帖电势)和单一导体的温差电势(又称汤姆逊电势)组成。接触电势产生的原理在于不同的导体具有不同的自由电子浓度。当两种不同导体接触后，自由电子便从浓度高的一方向浓度低的一方扩散，结果在界面附近一方失去电子，带正电；另一方得到电子带负电，在两导体的接触面上形成电位差。这种电位差阻碍电子的扩散，当达到动平衡时，即在界面上形成一接触电势。由于接触电势的形成和扩散有关，显然当两导体材料确定后，接触电势只和接触面的温度成正比，记为，热电偶中有两个接触面，温度分别为和，对应的接触电势为和。

第二十四页，共五十七页，2022年，8月28日温差电势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。由于两端温度不同，导体内自由电子的运动速度不同，高温端的电子运动速度比低温端的电子运动速度要大。因此，电子将从速度大的区域向速度小的区域扩散，结果高端失去电子而带正电，低端得到电子而带负电，从而在导体的两端形成电势差，

即温差电势，记为

第二十五页，共五十七页，2022年，8月28日因此，在和两个导体组成的热电偶回路中，总的热电势为

实际上，上图热电偶中所形成的热电势是无法测量的，要测量就必须接入电表，电表的接线端是铜导体，势必在A和B导体中又要介入第三导体，这时会不会影响原来回路中的热电势？为答复这一问题，下面介绍热电偶的中间金属定律。中间金属定律：在由A和B两种导体组成的热电偶回路中，不管从何处接入第三导体，只要保证接入导体两端的温度相同，则接入导体时将不影响原来回路中的热电势。

第二十六页，共五十七页，2022年，8月28日要测量热电偶回路中的热电势，只要保证接入的仪表两接点温度相同，就能准确测量出原热电偶回路中的热电势。用热电偶测量温度十分简便，只要用电位差计等测出热电偶两端电动势，换算成温度即可。图中c为第三种金属等连接导线（如铜线）。

第二十七页，共五十七页，2022年，8月28日2使用时注意事项（1）特性分度表的使用。热电势（）是两个接点的温度。将冷端温度固定后，（）就为热端的单值函数。为了统一起见，一般手册上所提供的热电偶特性分度表是在保持热电偶冷温度℃条件下给出的热电势与热端温度的数值对照表。因此实际测温时，冷端温度若为0℃，则只要正确地测量热电势，查分度表，即可得到所测温度。但是，如果此时冷端温度不为0℃，而为室温就不能直接利用特性分度表。这时应测量室温（设为℃），利用特性分度表反查出其热电势值；将该热电势值与热电偶回路所测得的热电势相加，才是，即

第二十八页，共五十七页，2022年，8月28日然后再由之值查特性分度表，才能得到热电偶热点的实际温度。[例]有一镍铬-镍硅热电偶，其冷端温度℃，测得热电势为mV，则实际炉温是多少度？

[解]由℃查分度表mV，则

第二十九页，共五十七页，2022年，8月28日再用40.37mV查分度表得977℃，即实际炉温为977℃。（2）补偿导线的使用。热电偶传感器长度通常在1m左右，当测量高温时，冷端温度受热端温度影响较大，此时常用补偿导线将冷端远移到温度变化比较平缓的环境中去。补偿导线是和热电偶配用的双股导线。它的材料分别和热电偶的A和B导体材料一样。有多少类热电偶就有多少类配用的补偿导线。选用时，注意不要选错牌号和接错+、-极。最终原则是：当热电偶出线盒外接线时，热电偶的导体材料要分别和补偿导线的导体材料一致，这样才能保证在回路中不改变原来的热电势。

第三十页，共五十七页，2022年，8月28日（3）冷端补偿。在测量中也可想办法对冷端进行补偿，达到直读温度的目的。冷端补偿的办法常用以下三种：0℃恒温法：将热电偶的冷端保持在0℃器皿内。此法仅适用于实验室内，但它能使冷端温度误差完全消除。冷端恒温法：将热电偶的冷端接点置于一恒温器内，如恒定温度为℃，则冷端误差为冷端误差虽不为零，但是一个定值。只要在回路中加入相应的修正电压或调整指示装置的起始位置，即可达到完全补偿的目的。

第三十一页，共五十七页，2022年，8月28日冷端补偿器法：工业上常采用冷端补偿器法。冷端补偿器是一个四臂电桥，其中三个桥臂电阻的温度系数为零，另一桥臂采用铜电阻，放置于热电偶的冷接点处。当℃时，电桥平衡；当℃时，电桥将产生相应的不平衡电压。电桥的输出与热电势串连。只要满足热电偶的冷端误差就变成了定值，再进行定值误差的修正（见恒温法）即可获得冷端温度的完全补偿。

第三十二页，共五十七页，2022年，8月28日电桥的供电端A、C通过一可调电阻接直流电源；桥臂、、为锰铜线绕电阻，阻值可视为不随温度变化的固定电阻。为测温热电阻，用来测量冷端温度。热电偶冷端温度为，用补偿导线接出，其冷端温度为。

第三十三页，共五十七页，2022年，8月28日设在℃时电桥平衡，桥顶B、D输出电压；当温度升高，热电偶增大，电桥输出不平衡电压，且点B电位高于点D电位，于是测温仪测量的回路电势是热电偶两结点温度为，所产生的温差电势与电桥不平衡输出电压之和。根据中间金属定律，只要满足于是再进行定值误差的修正即可。

第三十四页，共五十七页，2022年，8月28日光电式传感器

光电式传感器是将光能转换为电能的一种传感器。通常只把具有光电效应的器件（如光敏电阻、光电池、光敏晶体管等）归于此类。但广义地说，凡是能将光信号转变为电信号的装置（如红外传感器，光栅传感器等）均可称为光电式传感器。光电效应传感器工作原理半导体光电效应传感器的工作原理是基于两个效应：光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：当光投射在半导体上时，光子的能量在半导体中激发出非平衡载流子而使载流子浓度加大，引起半导体电导率增加，这种现象称为光电导效应。第三十五页，共五十七页，2022年，8月28日光敏电阻就是利用这一效应制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，使用时可加直流电压，也可加交流电压。当无光照时，半导体中载流子浓度小，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到光照时，半导体中的载流子急剧增加，阻值(亮电阻)急剧减小，因此电路的电流迅速增加。第三十六页，共五十七页，2022年，8月28日光生伏特效应：在光线作用下使物体产生—定方向电动势的现象叫光生伏特效应。光电池、光敏二极管、光敏三极管都有至少一个PN结。光电池原理图光生伏特效应光敏二极管原理光敏三极管原理第三十七页，共五十七页，2022年，8月28日半导体光电效应传感器的选用(1)光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外区域延伸到红外区域，而且体积小、性能稳定、价格较低，所以被广泛地应用在自动化技术领域。但由于光敏电阻的光照特性曲线非线性，因此，它不宜作为线性测量用，只能作开关式光电信号传感器用。

(2)选用光电元件时应根据不同的光源，结合元件的特性参数来选用。例如，光源发出的是可见光，光电元件一般选用硅光敏二极管或三极管，也可选用频响高、灵敏度大的硅光电池。光敏电阻对不同波长的光灵敏度不同，因此，选用光敏电阻时也应结合光源来考虑。

第三十八页，共五十七页，2022年，8月28日使用时的注意事项

(1)不论是光敏电阻，还是光敏二极管、三极管，都要注意其规格和使用环境条件。例如，最高工作电压、耗散功率，光电流、环境温度、极间耐压等都是较重要的数据，在使用时不能超过规定值。

(2)光敏管的灵敏度与入射光的方向有关，因此光源与光敏管的相对位置应合适，且保持不变。

(3)光敏管要先进行老化处理，才能使性能稳定，特别是光敏电阻，在最初受到光照和外接负载后，灵敏度会明显降低。在人为地加温、光照和加负载情况下经一至二星期的老化，光电性能渐趋稳定，以后就基本不变了。

第三十九页，共五十七页，2022年，8月28日光电编码器光电式编码器是目前使用较多的编码式数字传感器。1光电式编码器的结构与工作原理光电式编码器由码盘与光电读出装置两部分组成。码盘采用照相腐蚀工艺，在一块圆形光学玻璃上刻有透光与不透光的码形。可以输出四位二进制数码的码盘和光电读出装置如图所示。由最外向内部依次为位，，

，位，码盘一侧放置光源，另一侧一个码道对应放置一个光电器件，图中为光电三极管。四个光电三极管的读出装置正处在码盘第8号角度位置，只有最里面码道的光电三极管对着不透光区(阴影区)，故不受光照，管子截止，输出电平为

第四十页，共五十七页，2022年，8月28日其他三个码道光电三极管均对着透光区(非阴影区)，故受光照而导通，输出电平均为[0]。因此，码盘的第8号角度位置对应的输出数码[，，，]为[1000]。码盘转动某一角度，光电读出装置就输出一个数码。码盘转动一周光电读出装置就输出16种不同的四位二进制数码。

第四十一页，共五十七页，2022年，8月28日2．提高分辨率的措施

二进制码盘所能分辨的旋转角度，即码盘的分辨率为

式中—数码的位数，若为四位码，则。因此，四位码，，五位码，，

由此可见，位数越多，码道数越多，能分辨的角度越小。为了提高角位移的分辨率，常规方法就是增加码盘的码道数。当然这要受到制作工艺的限制。一般可通过采用多级码盘，如两级码盘达到提高分辨率的目的。

第四十二页，共五十七页，2022年，8月28日设低位码盘有五条码道，其输出为5位数码[]，高位码盘有六条码道，输出6位数码[]，两个码盘的关系同钟表的分针与秒针的关系相似。同一个表盘，秒针移动60格(1圈)分针才移一格，分针移动一格代表一分，秒针移动一格代表一秒，分辨率提高60倍。同理，若低位码盘转了一圈后(输出＝32个数码)高位码盘才移动一个码位，或者说低位码盘转＝32圈，高位码盘才旋转—圈。那么分辨率将提高32倍，即可分辨的角位移是高位码盘分辨率的32分之1，即，这就是说由五条码道的低位码盘与六条码道的高位码盘相配合，可输出11位数码，角分辨率可达。

第四十三页，共五十七页，2022年，8月28日4.4主要非电参数的测量

概述非电参数是相对于电参数而言的一类被测参数。它在种类和数量上远比电参数多而复杂。许多领域需测试的非电参数：如机械参数（转速、转矩、压力等）、热学参数（温度等）、声学参数（噪声等）、光学参数等等，可以用非电测法（机械法或光学法）测试，也可用电测法测试，但后者要比前者优越得多，所以非电参数的电气测试应用极广。非电参数的电气测试法具有以下突出优点：1.将被测非电参数转换成电磁参数进行电气测试，可以充分发挥电气测试的各项优点；2.输出的电信号可作长距离传输，利用远距离操作与自动控制；第四十四页，共五十七页，2022年，8月28日3.既可作静态测试，也便于动态测试；4.在检测微弱信号及瞬态过程测试方面是其它非电测试方法所无法比拟的；5.由于可输出电信号易于和许多后续数据处理仪器或计算机联用，组成自动测试系统，对测试过程进行控制，对测试结果进行分析、运算及处理。一个完整的非电参数电测系统，如图所示。按信息流程来划分，由信息的获得（传感器）、信息的调理，以及信息的显示与处理三部分组成。它首先要获得被测参数的信息，把它变换成电参数，然后通过信息的调理，把获得的信息进行变换、放大，再用显示仪将信息显示出来，有的把信息加以处理，也有的把这三部分分别称为一次仪表、二次仪表及三次仪表。第四十五页，共五十七页，2022年，8月28日非电参数电测仪器的分类方法有两种：按被测参数分类(对使用对象比较明确)；按测量方法分类(对仪器的工作原理比较清楚)。但是在命名时，为了更加明确，习惯上常把两者结合起来命名，例如光电式转速计、电阻应变转换仪等等。非电参数电测技术总的趋向是朝小型轻量化、测试放大一体化、无接触化方向发展。第四十六页，共五十七页，2022年，8月28日转速的测量

转速是用单位时间内的转数表示，通常采用一分钟内的转数作为单位，符号为r/min，角速度用一秒钟内转过的弧度作单位，符号为rad/s。测试转速的方法很多，根据其工作原理可分为计数式、模拟式和同步式三大类。计数式方法是用某种方法读出一定时间内的总转数；模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量(如离心力、电机的输出电压)的变化；同步式方法是利用已知频率的闪光与旋转体的旋转同步来测试转速。第四十七页，共五十七页，2022年，8月28日电子计数式测速数字式测速是发展十分迅速的一种测速方法，测试结果直接以数字显示，它有如下特点：（1）

读数准确，消除了一般指针式仪表的刻度误差和视觉差；（2）

测试范围宽、精度高、速度快、显示字迹清晰；

(3)可进行瞬时转速的测试。一般瞬时角速度，当（或）取得极小时，常称为瞬时角速度。第四十八页，共五十七页，2022年，8月28日由于转速与频率具有共同的量纲[T-1]，因此可以利用测频率或测周期的方法得到转速。采用电子计数式频率计，配以转速传感器即可构成电子计数式转速表。为提高测试的准确度，一般对高、中转速采用测频法，对于低转速采用测周法。测频法是测量转速传感器所发出电信号频率的方法，即测量标准单位时间内电脉冲数。测周法是定角测时，即用时标填充的方法测相当于某一旋转角度的时间间隔，测周法可以在较短时间内获得较高的准确度和分辨率。这两类方法交替使用，相互补充，可以展宽测试范围，提高测试准确度。

第四十九页，共五十七页，2022年，8月28日(1)测频法(或称M法)测速1．数字式电子转速表数字式频率计的数字显示值与转速间的关系为式中N1—计数值；

n—每分钟转数(r／min)；

z—旋转体每转一周传感器发出的脉冲数；

t1—主闸门开启测定的时间(s)。为便于直接读出转速值，需使N1=n，则应满足zt1=60的条件。当传感器每转发出的脉冲数为60及主闸门开启测定的标准时间为1s，则计数器计的脉冲数就是旋转体每分种的转数。可见，z的数值最好是60或60的整倍数。

第五十页，共五十七页，2022年，8月28日为了减小数字式仪器±1个字的量化误差(即由于最小计数单位限制引起的误差)对测量准确度的影响，应使测量值远大于最小计数单位。对于数字式电子转速表来说，即要求计数值N1较大。当测定时间t1