第6章传感器原理与测量电路1

第六章

传感器主要内容1.

传感器概述2.

电容式传感器3.

电感式传感器4.

压电式传感器5.

磁电式传感器7.

光栅式传感器8.

光纤式传感器6.

霍尔式传感器21.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路本章学习要求3正在给主人敬送饮料的机器人6.1概述传感器技术——信息采集——“感官”通信技术———信息传输——“神经”计算机技术——信息处理——“大脑”4传感器按感官的归类6.1概述人的感觉人的感官信号形态转换相关器件物理现象视觉眼光→电流光→电阻光→电流光电池光敏电阻器光电晶体管光电动势光导效应听觉耳位移→电压位移→电阻位移→电压位移→电容压电器件应变计霍尔元件压变电容器压电效应压阻效应霍尔效应压力引起电容量变化温觉与触觉皮肤温度→电压温度→电阻压力→电阻压力→电容压力→电压压力→电压热电偶热敏电阻器应变计压变电容器压电传感器电感式传感器塞贝克效应温度引起载流子数的变化压阻效应压力引起电容量的变化压电效应嗅觉鼻气体→电阻气体→电流半导体气敏元件电化学气体传感器表面吸附现象电化学反应味觉舌化学变化→电离子电极酶传感器5传感器是将被测量转换成为与之有确定对应关系的、容易测量、传输或处理的另一种形式的量（大多为电量）的装置。6.1概述传感器定义物理量电量传感器电压、电流、频率、脉冲等尺寸、位移、温度、力等66.1概述传感器组成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感元件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。7——按被测物理量分类6.1概述传感器分类机械量：长度，厚度，位移，速度，加速度，旋转角，转数，质量，重量，力，压力，真空度，力矩，风速，流速，流量；声：声压，噪声；磁:

磁通，磁场；光：亮度，色彩；温度：温度，热量，比热。86.1概述——按传感原理分类传感器分类电容式传感器电阻式传感器压电式传感器磁电式传感器电感式传感器光电式传感器光纤式传感器光栅式传感器96.1概述——按信号变换特征传感器分类能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。例如热电偶温度计,压电式加速度计。能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。例如电阻应变片。106.1概述基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：容许各项抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其它环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：供电方式

（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等116.1概述

1.发展、利用新效应；2.开发新材料；3.提高传感器性能和检测范围；4.微型化与微功耗；5.集成化与多功能化；6.传感器的智能化；7.传感器的数字化和网络化。传感器的发展趋势126.2电容式传感器一、电容传感器概述、工作原理和类型；二、电容传感器输出特性；三、电容式传感器的特点；四、电容传感器测量电路；五、电容式传感器的应用举例。主要内容学习要求1.掌握电容式传感器工作原理；2.掌握电容式传感器的分类、及它们各自的特点；3.了解电容式传感器的测量电路。13电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置，实质上是一个具有可变参数的电容器。6.2电容式传感器介电常数变化型面积变化型极距变化型146.2电容式传感器极距变化型OΔδCδΔC156.2电容式传感器讨论要提高传感器灵敏度S应减小初始极距,但极距也要受电容击穿电压限制。非线性随相对位移的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移。初始极距与S，与线性度相矛盾，决定了极距变化型电容传感器只适合测小位移（在0.01微米至零点几毫米）。为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。16极距变化型电容传感器Δδδ0δ0C1C2差动式极距变化型17差动式极距变化型传感器灵敏度可提高一倍，而非线性可大大减小。极距变化型电容传感器18

极距变化型电容式传感器的优点是动态响应快，灵敏度高，可进行非接触测量。但由于输出非线性特性、传感器杂散电容对灵敏度和测量精度的影响，以及与传感器配合使用的电子线路比较复杂等缺点，因此使用范围受到一定限制。差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，非线性误差减小。特点1.主要用于小位移量测量，0.01μm到数百μm。2.分辨力可达0.1μm，灵敏度较高。极距变化型电容传感器19

面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用下改变极板的有效面积。常用的有角位移型和线位移型两种。优点是输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较低。适用于较大角位移及直线位移的测量。面积变化型电容传感器20α定板动板覆盖面积电容量灵敏度电容量灵敏度面积变化型电容传感器21特点输出特性为线性，灵敏度S为常数，适合测量大位移。

2.与极距变化型相比，灵敏度较低

应用举例

——检测齿轮转速面积变化型电容传感器22介电常数变化型电容传感器23介电常数变化型电容传感器非线性板材测厚24介电常数变化型电容传感器位移测量线性25电容式传感器的等效电路Rs为引线,电容器支架和极板的电阻。Rp

为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和极板间的介质损耗。通常在低频时较大。电感L由电容器本身的电感和外部引线的电感所组成。低频时很小，在很高的频率工作时需要加以考虑。电容传感器谐振频率通常为几十兆赫，通常工作点应在其谐振频率的1/21/3，且使用条件必须与标定条件相同。AB传感器等效电容：26电容式传感器的等效电路驱动电缆技术消除寄生电容的影响27电容式传感器的常用转换电路电桥电路，

28二极管双T型电路电容式传感器的常用转换电路29电容式传感器的常用转换电路运算放大器式电路C0CxUsUo-Kixi0ai=030电容式传感器的特点主要优点主要缺点1.温度稳定性好；2.结构简单，适应性强；3.动态响应好；4.可以实现非接触测量，具有平均效应。输出阻抗高，负载能力差；2.寄生电容影响大。3132电容式位移传感器电容式传感器应用举例33电容式差压传感器

这种传感器结构简单，灵敏度高，响应速度快(约100ms)，能测微小差压(0~0.75Pa)。

34电容式加速度传感器它有两个固定极板（与壳体绝缘）,中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。35差动式电容测厚传感器36电容式料位传感器测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。当罐内放入被测物料时,由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化，电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关，且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。电容式传声器（Microphone）电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声音信号与电信号的转换。电容式传声器（Microphone）双联电容器——变面积的电容传感器当顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A，电容量C也就越来越小，谐振频率也随之改变。圆柱型电容传感器圆柱型，当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化各种电容式压力变送器外形电容式加速度传感器加速度传感器在汽车中的应用装有传感器的假人气囊电容测厚仪电容式荷重传感器F绝缘材料动极板定极板极板支架弹性体当被测液体的页面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变化。液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。电容式液位计（变介质型）振荡电路感应电极被测物体电容式接近开关测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.由此便可控制开关的接通和关断;接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式转速传感器电容式键盘常规的键盘有机械按键和电容按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。电容式指纹传感器指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。本讲要点总结1．电容传感器工作原理和类型2.电容传感器输出特性和测量电路3.电容式传感器的应用62电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类：电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型6.3电感式传感器636.3电感式传感器铁芯衔铁线圈变磁阻式电感传感器N——线圈匝数；Rm——磁路的总磁阻；64变磁阻式电感传感器传感器类型可变导磁面积型可变气隙厚度型差动型65灵敏度与气隙厚度的平方成反比。为了减小非线性误差，提高灵敏度，通常使这种传感器在小气隙状态下工作，其测量范围在0.001mm与lmm之间。变气隙型自感传感器非差动式66当衔铁位于中间位置(位移为零)时，两线圈自感相等，i1＝i2，△i=0，输出电压U＝0。当衔铁有位移时，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小，U的大小表示了衔铁位移量，极性表示了衔铁移动方向。若位移使i1增大，则必定使i2减小相同的值，于是灵敏度增加一倍。变气隙型自感传感器差动式67主要特点：具有较好的线性，测量范围也比较大，但它的灵敏度比不上改变气隙厚度的电感传感器。变面积型自感传感器68螺线管式电感传感器是一种开磁路电感传感器，其工作原理是基于线圈漏磁路径中的磁阻变化。由于空气通路长，使得磁路的磁阻比较高，因此这种传感器的灵敏度比较低，对于小位移测量意义不大。主要用于较大位移的测量，可达数毫米到数百毫米。可动铁芯螺管型自感传感器69这种传感器实际上是个变压器，初级线圈Wl通电后，次级线圈W2便感应出电压。被测量的变化使初、次级线圈间互感发生变化，感应电压也产生相应变化。由于这种传感器常制成差动的形式，故称差动变压器。差动变压器式传感器x次级线圈W1初级线圈W次级线圈W2铁芯P70x次级线圈W1初级线圈W次级线圈W2铁芯P前提：M1＝M2＝M1、铁芯位于中间e1=e2，eo=02、铁芯上移，e1↑e2↓,eo与e1同相3、铁芯下移，e2↑e1↓,eo与e2同相螺线管式差动变压器式传感器71测量转换电路

交流电桥交流电桥等效电路交流电桥式72测量转换电路谐振式调幅电路谐振式调频电路谐振式73电涡流式传感器原理:涡流效应74高频(1MHz以上)激励电流i施加于邻近金属板一侧的线圈，由线圈产生的高频电磁场作用于金属板的表面。金属板表面感应的涡流产生的电磁场又反作用于线圈上，改变了电感的大小。当线圈与金属板的距离发生变化时，导致耦合系数k、线圈自感L、线圈阻抗ZL的相应变化。高频反射式涡流传感器75多用于测定材料厚度。当激励低频电压e1加到发射线圈W1上后，在被测材料中产生涡流i而损耗部分能量，导致接收线圈W2上产生的感应电动势e2减小。其减小量与材料的厚度和材料性质有关，对一定的材料，e2随厚度呈指数规律减小。低频透射式涡流传感器76不同频率下的e=f(h)曲线77CCD应用举例78连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle应用举例79火车轮检测油管检测应用举例80优点：结构简单可靠，没有触点摩擦，灵敏度、分辨率都比较高，输出功率也比较大，测量准确度也比较高。缺点：对激磁电源的频率和振幅的稳定性要求比较高。6.3电感式传感器利用电磁感应原理将被测量（位移、压力等）转换为线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出，这种将被测非电量转换为电感变化的装置称为电感式传感器。816.5压电式传感器压电效应

某些物质在沿一定方向上施加外力使之变形时，其内部电荷分布将发生变化，使得表面的金属电极产生电荷。在外力除去后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象称为正压电效应。

相反，如果把这些物质置于电场中，其几何尺寸也将发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。82压电材料天然晶体(如天然石英晶体)——性能稳定，机械性能好，广泛应用于振荡器、谐振器等元件材料。人造晶体(如钛酸钡、锆钛酸钡等)——灵敏度较高，性能存在缺陷，已逐渐被取代。压电陶瓷（锆钛酸铅、氧化锌等）——现今大多采用的材料。压电高聚物薄膜（聚偏二氟乙烯）——压电性强、柔性好，已得到应用。具有这种压电效应的物质称为压电材料或压电元件。83通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光抽z方向受力时不产生压电效应。压电效应84不受力时：大小相等，相互夹角，因此，。石英晶体极化效应85把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。纵向压电效应86把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。横向压电效应87作用力越大，产生的电偶极矩越大，极板上出现的电荷越多。石英晶体极化效应88单个晶片的等效电路Ca压电元件两电极间的石英晶体或压电陶瓷为绝缘体，因此就构成一个电容器。压电元件的开路电压：89++++++++++FF晶片并接CaRaqea灵敏度：特点1.电荷得到放大。2.适用于测量缓变信号和以电荷为输出量的场合。90晶片串接++++++++++FFCaRaea灵敏度：特点1.电压得到放大。2.适用于以电压为输出量、测量电路有高输入阻抗的场合。

91测量电路——电压放大器U-A传感器电缆电压放大器RaRiCaCcCiUiUo92q－AUoCaCcCiCfUi传感器电缆电荷放大器测量电路——电荷放大器开环增益足够大时，即，可简化为:93压电式传感器是一种典型的自发电式传感器，常用来测量力、压力、振动加速度，也用于声学(包括超声)、声发射及几何量等的测量。压电式传感器94压电式加速度传感器956.7霍尔传感器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，这种物理现象称为霍尔效应。966.7霍尔传感器霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。976.7霍尔传感器测量电路986.7霍尔传感器电流传感器当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。996.7霍尔传感器叶片和齿轮位置传感器1006.7霍尔传感器汽车速度测量101型式测量范围精确度直线性特点电感式自感式变气隙型±0.2mm±1%±3%只宜用于微小位移测量螺管型1.5~2mm测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差特大型300~2000mm①0.15%~1%差动变压器±0.08~75mm①±0.5％±0.5%分辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽涡电流式±2.5~±250mm①±1%~3%＜3%分辨力好，受被测物体材料、形状、加工质量影响同步机360°±0.1°~±7°±0.5%可在1200r/min转速工作，坚固，对温度和湿度不敏感微动同步器±10°±1%±0.05%非线性误差与变压比和测量范围有关旋转变压器±60°±0.1%电容式变面积10-3~103mm①±0.005%±1%受介电常数因环境温度、湿度而变化的影响变间距10-3~10mm①0.1%分辨力很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保存线性霍尔元件±1.5mm0.5%结构简单，动态特性好102光栅的基本测量原理在光源照射下，在与两光栅线纹角θ的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条纹——莫尔条纹（横向莫尔条纹），两条亮（暗）纹间的距离称莫尔条纹宽度

w

。6.4光栅均匀刻线标尺光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动dw6.4光栅莫尔条纹特性：（1）光学放大作用放大比k为若d=0.01mm，θ＝0.01rad，则w＝1mm，k＝100

6.4光栅x（2）均化误差作用莫尔条纹→大量光栅线纹形成→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度

（3）莫尔条纹移动与栅距移动成比例（同步性）光栅移动一栅距d

→莫尔条纹移动一个间距w光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。在一个栅距d内，光电元件所检测的光强变化为正弦（或余弦）变化。6.4光栅6.8光栅传感器圆光栅1076.8光栅传感器辨向原理B1/4BY1Y2微分微分u1’u2’光敏元件莫尔条纹指示栅1086.8光栅传感器细分技术细分技术是应用数字传感器时常用的一种技术，其目的是提高测量的分辨率和准确度。各种数字传感器的输出均为脉冲，每个脉冲间隔相当于一定的被测量，称为脉冲当量。脉冲当量即为该传感器的分辨率。所谓细分，就是在原信号的一个脉冲间隔内，均分出n个脉冲间隔，使脉冲当量减小至原来的1／n，将分辨率提高n倍。也即计数脉冲的频率提高n倍，故也称为n倍频。常用的方法有：直接倍频、位置细分、电桥细分、鉴幅细分和微机细分等。109细分技术位置细分基本原理是在一个信号周期内安放两个以上检测元件。6.8光栅传感器110细分技术位置细分加计数脉冲Q＋,减计数脉冲Q－和主计数脉冲Q的计算6.8光栅传感器111细分技术鉴幅细分鉴幅细分是利用基准信号在不同细分点的不同幅值来进行细分。6.8光栅传感器1126.9光纤传感器光纤结构及其导光示意图n1>n21136.9光纤传感器数值孔径1146.9光纤传感器根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可以分为功能型光纤传感器、非功能型、（传光型）光纤传感器和拾光型光纤传感器三类。1156.9光纤传感器功能型传感器利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，它不仅起传输光波的作用，还起着敏感元件的作用。光源光敏元件被测对象测得信息光导纤维1166.9光纤传感器传光型传感器光纤仅仅起传光媒介的作用，在光纤中断部的端面加装其它敏感元件构成传感器。光源光敏元件被测对象测得信息