第五章、传感器技术

第五章、传感器技术及机械量检测第一节、传感器概述一、传感器的定义及分类传感器是一种能按照一定规律将被测量转变成可以输出电信号的装置。现代控制技术的三大基础：信息采集，传输、处理。传感器是实现自动检测和控制的首要环节，其作用相当于人的五官。从外界获得信息，并从中提取有用信息的过程称为检测。一、传感器的定义及分类（一）、按照被测量进行分类温度压力流量位移速度加速度一、传感器的定义及分类（二）、按照工作原理应变式压电式热电式（三）、按照能量关系有源传感器无源传感器（四）、按技术阶段结构型物性型智能型一、传感器的定义及分类按输出信号的性质：开关型

模拟型

数字型

开关型

传感器输入物理量达到某个值以上，其输出为“1”(ON)，模拟型

输出是与输入量变化相对应的连续变化的电量。数字型

有计数型和代码型两类。计数型又称为脉冲数字型，实际上是一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数。如，检测传送带上产品的个数，或检测执行机构的位置。代码型传感器又称编码器，输入量按照某种规律变化时，输出量根据输入的变化规律，输出相应的数字代码。计数型代码型如图，当输入为k1时，输出为1010，当输入为k2时，输出为1011。二、传感器的转换原理1.光-电转换2.热-电转换3.力-电压转换4.力-电荷转换5.磁-电转换6.气体-电阻转换7.温度-电阻转换三、几种主要传感器工作原理1.光传感器光电效应所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧化物或半导体材料释放电子的现象。光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物体表面，而只在物体的内部运动并使物体的电学特性发生变化的现象叫做内光电效应，内光电效应多产生于半导体材料内。15内光电效应器件(1).光敏电阻光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点2023/2/316光敏电阻的原理和结构。光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因而其导电性能增强而电阻R0值下降，所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压会发生变化。一般而言，光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应会立即消失，电阻又恢复原值。2023/2/317光敏电阻

当光敏电阻受到光照时，阻值减小。2023/2/318光敏电阻的基本特性和主要参数光敏电阻的伏安特性。光敏电阻的伏安特性暗电阻、亮电阻与光电流。光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。在没有受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流被称为暗电流。2023/2/319(2)．光敏晶体管光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。2023/2/320光敏三极管集电极电流是原始光电电流的β倍。因此，光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高许多倍。光敏三极管2023/2/321②光敏三极管外形

2.温度传感器3.压力传感器4.磁传感器5.气体传感器

四、传感器基本特性当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其输入输出关系特性称为静态特性。传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性，即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测量）x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所示。2023/2/323四、传感器基本特性传感器的静态特性：1.测量范围：传感器所能测量到的最小输入量

与最大输入量

之间的范围称为传感器的测量范围。2.量程：传感器测量范围的上限值

与下限值

的代数差-称为量程。3.精度：传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差。

4.灵敏度：灵敏度是指传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比，即

，如右图所示。2023/2/324四、传感器基本特性5.线性度：指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。这样，线性度就用输入-输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。

式中，

为非线性最大误差(最大偏差);为满量程输出值。常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等，如图1-7所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。2023/2/325四、传感器基本特性2023/2/326机电一体化对检测系统的基本要求

精度、灵敏度、分辨率高；线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；静、动态特性好。此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等。第二节、位置、位移传感器一、位置检测传感器接触式非接触式光电开关的结构和分类

光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。

光电开关外形遮断型光电开关示意图遮断报警遮断式光电开关原理ObjectReceiver遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。被检测物体光发射器光接收器光电开关在流水线上的应用送料器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料口遮断式光电开关（计数）反射型光电开关反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。

反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感。定区域反射式光电开关原理

定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。检测距离检测距离反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜集发射、接收器于一身光电断续器光电断续器可分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测。光电断续器外形光电断续器外形（续）红色光柱

齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。光电断续器的应用请写出转速与频率的关系式n=？n

当工件经过光电断续器时，接收器即产生一个计数脉冲。光电断续器的应用（续）二、位移传感器角位移线性位移1、电位差计（可变电位器）2、差动变压器

差动变压器是把被测的非电量变化转换为传感器线圈的互感系数的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组常用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。

工作原理１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为W1初级绕组；５-匝数为W2a的次级绕组；６-匝数为W2b的次级绕组差动变压器输出电压特性曲线3.光栅式位移传感器光栅式位移传感器的分类1测量线位移的长光栅2测量角位移的圆光栅光栅传感器的结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。光源：钨丝灯泡；半导体发光器件光电元件：光电池；光敏二极管光栅式位移传感器的工作原理长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，刻上相同均匀密集的平行细线。将两块玻璃板或金属板重叠放置，并使他们的刻线间有一微小夹角θ，此时，由于光的干涉效应，在与光栅栅线近似垂直方向上将产生明暗相间的条纹，这些条纹称为莫尔条纹，根据莫尔条纹设计了光栅传感器。莫尔条纹形成的原理横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定莫尔条纹技术的特点（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。

光栅副：指示光栅＋主光栅a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2光栅副：指示光栅＋主光栅

测量电路当位移量X变化一个栅距时，其输出信号变化一个周期，整形后变化为一个周期的脉冲输出，则位移量为：X＝NW径向光栅进行角度测量当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。

4、光电编码器脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在机器人及数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。编码器1认识编码器2编码器的测量对象3编码器测量直线位移的方式4绝对式测量5增量式测量6编码器在数字测速中的应用7编码器在主轴控制中的应用1认识编码器（编码器在机器人控制中的应用）编码器伺服电机伺服电机编码器伺服电机伺服电机编码器编码器编码器播放2编码器的测量对象编码器轴式套式电信号二进制编码脉冲3编码器测量直线位移的方式（1）编码器装在丝杠末端

编码器位置反馈x通过测量滚珠丝杠的角位移，间接获得工作台的直线位移x，构成位置半闭环伺服系统。x＝t/360×（2）丝杠螺距编码器螺母丝杠螺距x=？

设:螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈，求:丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫米？螺母移动的平均速度v又为多少？螺距

编码器（3）编码器和伺服电动机同轴安装位置反馈xx＝t/360×（4）编码器和伺服电动机同轴安装编码器工作台丝杠伺服电动机编码器导轨（5）编码器和伺服电动机同轴安装

编码器光电编码器伺服电动机联轴器滚珠丝杠滑块光电编码器信号输出伺服电动机电源（6）编码器两种安装方式比较编码器xx

编码器装在丝杠末端与前端（和伺服电动机同轴）在位置控制精度上有什么区别？4绝对式测量（ABS）（1）信号性质编码器00000000122.50010451111337.5

输出n位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。（2）接触式绝对码盘编码器4个电刷

4位二进制码盘

最小分辨角＝360°／2n

当n＝4，＝360°／24＝22.5°导电为“1”，非导电为“0”（3）绝对式光电码盘编码器LED光敏元件5增量式测量（INC）

（1）信号性质编码器

输出信号为一串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角，对脉冲进行计数N，就是对的累加，即，角位移＝N。如：＝0.352，脉冲N＝1000，则：

＝0.352×1000＝352（2）增量式光电编码器的结构编码器码盘光栏板LED零位标志（一转脉冲）光敏元件＝360°／条纹数＝360°／1024＝0.352°透光条纹（3）辨向编码器90ABAB

光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辨向。当码盘正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。（4）辨向信号编码器ABABA超前于B90°，正向A滞后于B90°，反向（5）倍频（细分）编码器/4细分前4细分后

在现有编码器的条件下，通过细分技术能提高编码器的分辨力。细分前，编码器的分辨力只有一个分辨角的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于将原编码器的分辨力提高了3倍，测量分辨角是原来的1/4，提高了测量精度。（6）零标志（一转脉冲）编码器

一转（360）CC

在码盘里圈，还有一条狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。（7）零标志在回参考点中的作用编码器Z轴参考点X轴参考点Y轴参考点回参考点方式SINUMERIK数控系统工作方式开关（8）回参考点减速开关编码器限位开关参考点减速开关滑块（9）回参考点示意图编码器减速寻找零标志零标志找到参考点位置速度慢速快速行程碰到参考点减速开关播放6编码器在数字测速中的应用

（1）模拟测速和数字测速的比较编码器MTGU测速发电机nU∝nMPCn光电编码器ff∝n（2）M法测速（适合于高转速场合）编码器

m1T有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：n=60×65536/（1024×5）=768r/min

编码器每转产生N个脉冲，在T

时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为:n=60m1/（NT）（3）T法测速（适合于低转速场合）编码器编码器输出脉冲时钟脉冲fc

m2

编码器每转产生N

个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2，则转速(r/min)为：

n=60fc/（Nm2）

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz

，则转速（r/min)为：n=60fc/（Nm2）=60×106/（1024×3000）=19.53r/min7编码器在主轴控制中的应用

(1)主轴编码器编码器（2）主轴编码器用于C轴控制编码器主轴编码器回转刀盘自驱刀头CZn工件卡盘主轴（3）主轴编码器用于螺纹车削编码器

车削螺纹时，为保证每次切削的起刀点不变，防止“乱牙”，主轴编码器通过对起刀点到退刀点之间的脉冲进行计数来达到车削螺纹的目的。播放起刀点退刀点小结编码器1.

编码器用来测量角位移。在数控机床直线进给运动控制中，通过测量角位移间接测量出直线位移，表达式为x＝t/360×。2.

绝对式编码器输出二进制编码，增量式编码器输出脉冲。3.

增量式编码器输出信号要进行辨向、零标志和倍频等处理。4.

编码器用于数字测速，有M法和T法等方式；在数控车床中用于C轴控制和螺纹切削。

增量式码盘的规格及分辨率

规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从36线/转到10万线

/转都有；选择：①伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。

分辨率（分辨角）α设增量式码盘的规格为n线/转：光电编码器的特点非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；允许测量转速高，精度较高；。光电转换，抗干扰能力强；体积小，便于安装，适合于机床运行环境；结构复杂，价格高，光源寿命短；码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。第三节、测力传感器(一)、应变式力传感器(二）、压电式力传感器（一）、应变式力传感器1.电阻应变片2.电阻应变传感器测量电路

2.1、单臂桥

2.2、半桥

2.3、全桥3.电阻应变传感器的应用3.1、应变式力传感器3.2、应变式压力传感器3.3、应变式加速度传感器

各种电子秤广泛应用于－高精度电子汽车衡

动态电子秤电子天平电阻应变传感器电阻应变传感器：利用电阻应变片将应变转换为电阻变化测量对象：任何可以转化为应变量的非电量主要特点：①结构简单，使用方便，性能稳定、可靠②灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量③环境适应性好

1.电阻应变片

电阻应变传感器组成:弹性元件、电阻应变片和测量电路弹性元件：感受被测量的变化电阻应变片：粘贴在弹性元件上将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化测量电路：将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量电阻应变片的种类:电阻应变片分类金属电阻应变片半导体电阻应变片金属丝应变片 金属箔应变片 金属薄膜应变片

体型半导体应变片扩散型半导体应变片薄膜型半导体应变片P型应变片N型应变片一、金属电阻应变片

1．金属丝电阻应变效应

金属导体的电阻值随其机械变形而发生变化的现象FFLL+dL2r2(r-dr)ρ:电阻系数L:金属导线长度S:金属导线截面积 泊松比： 表示导体横向应变量与纵向应变量的比例 “－”号表示变形方向相反

金属丝应变灵敏系数为物理含义是单位纵向应变引起电阻的相对变化量应变灵敏系数主要决定于金属导体的几何尺寸发生的变化式中——决定于导体几何尺寸发生的变化

——决定于导体导电性能发生的变化

2．金属丝电阻应变片结构金属丝电阻应变片的基本结构如图2－1所示。二、电阻应变传感器测量电路机械应变引起的电阻值变化量很小－一般满量程2%

难以用测阻表作精确测量采用电桥将电阻变化转换成电压或电流

放大测量测量电桥：分为直流电桥和交流电桥测量电桥输出接高输入电阻放大器－>电桥视作开路

电桥投入测量之前，应将电桥调平衡，以消除电桥因不平衡而产生的零漂

电桥的平衡条件为R1R3=R2R4

应变测量电桥三种接法：单臂桥半桥全桥

当ΔR＜＜R时单臂电桥灵敏度：单臂桥： 输出电压小，灵敏度低 具有一定非线性

2、半桥半桥：双臂桥 两个相邻桥臂接应变片：一个正应变、一个负应变

ΔR1=ΔR，ΔR2=-ΔR

接R1的桥臂为拉应变，接R2的桥臂为压应变。R1=R2=R3=R4=R

半桥：输出电压和灵敏度都比单臂桥大一倍输出线性

半桥的灵敏度3、全桥四个桥臂都接有应变片相邻桥臂所接的应变片承受相反应变

相对桥臂所接的应变片承受相同应变

R1=R2=R3=R4=R、ΔR1=ΔR3=ΔR、ΔR2=ΔR4=-ΔR

全桥输出电压和灵敏度比半桥大一倍输出线性全桥的灵敏度为测量对象：应力、力、扭矩、加速度及压力(压强)、位移

1、应变式力传感器柱式力传感器、环式力传感器、悬臂梁式传感器。三、电阻应变传感器的应用

⑴根据测力现场需要选择弹性元件⑵根据所选的弹性元件正确地布片：尽量使应变片保持与拉压力平行或垂直

⑶根据应变片的布片正确地接桥：尽量接成差动测量电桥

相邻桥臂所接的应变片承受相反应变相对桥臂所接的应变片承受相同应变应变片受拉压力所产生的应变：（1）与轴向任意角α方向的应变为式中ε—沿轴向的应变；

μ—弹性元件的泊松比

a.柱式力传感器

弹性元件：实心或空心圆柱R1R2R3R4载荷大静载称重b.环式力传感器

弹性元件是圆形或扁形吊环轴向应变正负应变相同

3.悬臂梁式传感器悬臂梁分等强度梁和等载面梁（1）等强度梁它适于测量500Kg以下的载荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等特点。2023/2/3114二、压电式传感器2023/2/3115引言压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。2023/2/3116主要内容1压电式传感器的原理及材料2压电式传感器测量电路3压电式传感器的应用2023/2/31171压电式传感器的原理及材料1．压电效应的概念某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。1.1压电效应2023/2/3118压电效应可逆性（二）、压电式力传感器1.压电效应某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力作用而发生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态。这种将机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。相反，在电介质的极化方向上施加电场，电介质会产生机械变形；当外加电场去掉后，电介质的变形也随之消失。这种将电能转换为机械能的现象称为”逆压电效应“。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用2023/2/31202.压电效应原理具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六角棱柱体。石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和z轴。z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴：y轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。2023/2/3121石英晶体及切片2023/2/3122石英晶体的压电效应与其内部结构有关，产生极化现象的机理可说明。石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成队出现的）。沿光轴看去，可以等效地认为正六边形排列结构。2023/2/3123石英晶体的压电效应机理2023/2/3124分析说明（1）在无外力作用时（2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形（3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形（4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。2023/2/3125结论沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关，式中的负号说明沿机械轴的压力引起的电荷极性与沿电轴的压力引起的电荷极性恰好相反。2023/2/31261.2压电材料石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有3类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。2023/2/3127石英晶体天然形成的石英晶体外形2023/2/3128压电陶瓷外形

2023/2/3129可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

2023/2/3130压电式脚踏报警器

2023/2/31311.3压电式传感器的应用压缩式压电加速度传感器的结构图2023/2/31321.3压电式传感器的应用压缩式压电加速度传感器的结构图第四节、转速传感器一、光电式转速传感器光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得到了更广泛的应用。2023/2/31341、光电转速传感器

如图所示为在待测转速轴上固定一带孔的转盘，在转盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达由光敏晶体管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。3.转速传感器的测量电路1.计数测频法2.周期测量法第六节、温度传感器温度传感器就是一种能将温度变化转换为电量变化的装置，它是利用敏感元件的电参数随温度变化的特性来达到测量的目的。本节主要介绍热电偶、热敏电阻传感器的原理、测量电路及其应用。2023/2/3137（一）热电偶测量原理1．热电效应热电效应就是把两种不同的导体或半导体（A和B）串接成一个闭合回路，如果两导体接点处温度不同，则两点之间便产生电动势，从而在回路中便形成了电流的现象。由此效应产生的电动势

通常称为热电动势。1821年由Seeback发现，的，故又称为赛贝克效应。一、热电偶传感器2023/2/3138热电势由两部分组成两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。1392．接触电势当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷。于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。2023/2/3140接触电势大小1413．温差电动势温差电动势是同一导体（热电极）的两端因其温度不同而产生的一种电动势。由于温度不同，低温端的电子数会比高温端的电子数多，结果高温端因少出电

子而带正电，低温端因多出电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。其大小可表示为

2023/2/31424．热电偶的电势设导体A、B组成热电偶的两结点温度分别为T和T0，热电偶回路所产生的总电动势，热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为，2023/2/3143结论（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总电势为0。（2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总热电势为0。（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差。（4）如果使冷端温度Ｔ0保持不变，则热电动势便成为热端温度Ｔ的单一函数。2023/2/3144（二）、热电偶结构及种类1热电偶的基本结构形式2热电偶材料3常用热电偶2023/2/31451.热电偶的基本结构形式热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。热电偶的种类虽然很多，但通常由金属热电极、绝缘子、保护套管及接线装置等部分组成。2023/2/3146普通型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。普通型热电偶结构图2023/2/3147普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰2023/2/3148普通装配型热电偶的

结构放大图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

2023/2/3149铠装型热电偶铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体.它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。2023/2/3150铠装型热电偶结构

1—接线盒2—金属套管3—固定装置4—绝缘材料5—热电极2023/2/3151铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面2023/2/31522.热电偶材料1．对热电极材料的一般要求2．电极材料的分类2023/2/3153对热电极材料的一般要求（1）配对的热电偶应有较大的热电势，并且热电势对温度尽可能有良好的线性关系。（2）能在较宽的温度范围内应用，并且在长时间工作后，不会发生明显的化学及物理性能的变化。（3）电阻温度系数小，电导率高。（4）易于复制，工艺性与互换性好，便于制定统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。2023/2/3154电极材料的分类（1）一般金属，如镍铬-镍硅，铜-镍铜，镍铬-镍铝，镍铬-考铜等。（2）贵金属，这类热电偶材料主要是由铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成，如铂铹-铂、铱铑-铱等。（3）难熔金属，这类热电偶材料系由钨、钼、铌、铼、锆等难熔金属及其合金组成，如钨铼-钨铼、铂铑-铂铑等热电偶。（三）、热电偶测量电路1.测量单点温度的基本测温电路2.测量两点间温差大电路3.测量平均温度的电路2023/2/3156二、热敏电阻传感器工作原理

热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。金属导体的电阻值随温度的升高而增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急剧减小，在温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻的10倍，因此可以用它来测量0.01℃或更小的温度。2023/2/3157结构类型及特点热敏电阻是由一些金属氧化物，如锰、镍等氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状和垫状等各种形状。其主要由热敏探头、引出线、壳体构成。如图所示。2023/2/3158热敏电阻的温度特性曲线

2023/2/3159热敏电阻的温度特性曲线

第七节、气敏传感器1.产生原因:为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便、费用低等特点。2.发展过程:半导体气敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是SnO2薄膜元件。它是利用加热条件下SnO2薄膜电