传感器原理与应用

传感器原理与应用第1页，共158页，2023年，2月20日，星期三主要参考书电子测量——北京交通大学电气工程学院2《传感器原理、设计与应用》，刘迎春，叶湘滨编著，国防科技大学出版社教学目的掌握不同物理量的测量方法掌握不同物理量的传感器的原理、结构、特性、转换电路和典型应用方法能根据不同的应用要求，设计和选用传感器及其应用电路第2页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院3一、传感器技术基础传感器的概念与定义传感器组成与分类传感器的地位与作用传感器的现状与发展动向第3页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院4（一）

传感器的概念与定义人体的感知过程：外界信息→感觉器官→脑→躯体→外部对象

视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉测控系统的感知过程：外界信息→传感器→计算机→执行机构→外部对象传感器相当于人的五官，在系统中实现信息的采集与转换第4页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院5传感器的定义能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。

——国家标准GB7665-87感：能感受到被测量的信息传：能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出器：一种装置第5页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院6（二）传感器组成一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成敏感元件能灵敏地感受被测变量，并对被测变量产生响应的元件温度升降改变铂电阻的阻值，铂电阻是一种温度敏感元件话筒中的压电晶体或电容，是声音的敏感元件例如电荷变化电容变化第6页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院7对敏感元件的要求只对被测量敏感——不受或少受环境因素的影响足够的灵敏度

——输出信号的信噪比高输出响应与输入变量之间具备明确的关系——最好是线性关系转换元件将敏感元件的输出转换成便于应用或处理的形式转换电路即信号调理环节，用以得到便于测量的电信号电压/电流（幅值、相位、频率）信号模拟/数字信号第7页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院8（三）

传感器分类按感知的被测量分类位移、力、速度、温度、流量、气体成份、……按工作原理分类电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、热电、……按输出信号分类模拟式、数字式按物理现象分类结构型、物性型按能量关系分类能量转换型、能量控制型第8页，共158页，2023年，2月20日，星期三为什么分类传感器种类繁多为满足区分、研究、应用的不同需要分类的主观性、多样性分类的角度和方法多样，具有主观性、随意性对于学习、研究，常按工作原理分类对于选型、应用，常按被测量分类本章以工作原理分类为主，兼顾被测量分类电子测量——北京交通大学电气工程学院9第9页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院10传感器实例——日常生活第10页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院11传感器实例——工业应用第11页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院12传感器实例——工业应用第12页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院13机器人技术视觉:

平面、立体非视觉：触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、…第13页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院14医疗诊断中的应用第14页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院15门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统指纹锁密码锁磁卡锁第15页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院16环境及安防应用半导体温度传感器第16页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院17航空航天第17页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院18农业国防交通航海第18页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院19起到人类五官的作用延长人类五官的感知范围磁场、不可见光、超声、射线、无味气体等检测各学科领域获取信息的主要途径与手段科技发展的推动力量国家综合实力的重要标志信息技术的三大支柱之一传感器的重要作用信息采集、传输、处理传感器、通讯、计算机感官、神经、大脑第19页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院20传感器发展方向以电量作为为输出量的传感器得到飞速发展提高与改善传感器的技术指标发现新现象、开发新材料、研究新技术和新工艺航空航天传感器生物、化学传感器细微加工技术集成化、多功能化数字化、智能化、网络化差动技术、平均技术、补偿修正技术隔离与干扰抑制、稳定性处理，…第20页，共158页，2023年，2月20日，星期三二、电阻应变式传感器电子测量——北京交通大学电气工程学院21第21页，共158页，2023年，2月20日，星期三二、电阻应变式传感器应变式传感器的组成、原理与结构弹性元件的特性测量电路电阻应变式传感器的应用电子测量——北京交通大学电气工程学院22第22页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院23（一）概述电阻式传感器的是将被测量的变化转换成元件的电阻值的变化，经过转换电路变成电信号输出的一类传感器。电阻式传感器的类型很多，常用来测量应变、力、压力、位移、扭矩、加速度等，是目前使用最广泛的传感器之一。第23页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院24电阻式传感器实例电阻应变式血压换能器电子秤电子汽车衡微型硅应变式压力传感器TY2015A型电阻应变式称重传感器第24页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院25电阻式传感器实例S型称重传感器

悬臂梁称重传感器柱式称重传感器轮辐式称重传感器压力传感器液位传感器扭矩传感器扭矩扳手第25页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院26电阻式传感器实例电位器——将关节驱动电机的转动角度变化转换为电位器阻值的变化以下主要讨论电阻应变式传感器……第26页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院27（二）电阻应变式传感器的组成和原理举例：称重传感器应变片的布置弹性敏感元件组成：弹性敏感元件（一个）

应变片（若干）转换电路（一套）柱体展开图结构设计有哪些特殊的考虑？——克服偏心造成的误差第27页，共158页，2023年，2月20日，星期三组成和原理（续）转换电路一般采用电桥电路电子测量——北京交通大学电气工程学院28

力

弹性敏感元件变形和应力应力应变片电阻值变化电阻值变化电桥电压变化电压变化

“力”的大小Fm=f1(ΔUo)=f1(f2(ΔR))=f1(f2(f3(ε))))=))=f1(f2(f3(f4(F))))可用于测量力、压力、加速度、转矩、应变、位移第28页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院29涉及的问题应变片的工作原理电阻的变化量的测量方法弹性敏感元件的选择应变片与弹性体的粘合非测量因素（例如温度）影响的消除各种力学量的测量方法——如何应用？第29页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院301.金属应变片的工作原理

——金属的电阻应变效应

金属导体的电阻值随着机械变形（拉伸或压缩）的而发生相应变化的现象，称为金属的电阻应变效应。

导体受力变形，l→l+Δl，S→S－ΔS，ρ→ρ+Δρ则其电阻将产生变化即：R→R+ΔR产生的机理第30页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院31导体电阻变化的通用公式不妨设导体截面为半径为r的圆形，则

定义变量εx=Δl/l，εy=Δr/r，分别为导体的轴向应变和径向应变，且εy=

-μεx

，μ称为导体材料的泊松系数，则第31页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院32金属导体的电阻变化公式对于金属材料，Δρ/ρ可忽略，于是——金属导体的电阻变化率与其应变成正比，并且与金属导体的材料性质有关。(

1+2μ)称为金属（丝）导体的应变灵敏度系数，记为Ks在拉伸极限内，Ks为定值，一般在1.7～3.6

的范围内第32页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院332.金属应变片的结构初始电阻值为R0的金属导体，应变εx的造成的电阻变化量为⊿R=(1+2μ)R0

εx其中，K=(1+2μ)R0称为应变片的灵敏度系数。

为提高K，除可选择高μ

材料外，还可以增大R0，即提高电阻率ρ

、增加导体长度l、减小导体的截面积S应变片通常采用ρ较高的极细（Ф=0.025mm）的金属丝构金属丝盘成栅网状，粘贴于绝缘基底上，覆盖保护层，连出引线，就构成了电阻丝应变片第33页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院34金属应变片的结构——丝式应变片第34页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院35金属应变片的结构——箔式应变片利用照相制版或光刻腐蚀的方法，在绝缘基底上生成各种特定形状的、金属层厚度为1μm～10μm的电阻应变片。——箔膜式应变片，应变花单轴四栅全桥单轴单栅三轴45°圆膜栅第35页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院36箔式应变片的优点敏感栅的尺寸准确，图形可以根据应用需要灵活选择便于粘贴，动态性能和传递性能好（质量小，轻而薄）便于散热，允许通过较大的工作电流可以忽略横向效应蠕变、滞后小，疲劳寿命长在普通测量条件下取代了丝式应变片便于规模化生产第36页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院373.半导体应变片的原理与结构压阻效应由于外力作用而引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应在半导体材料上施加作用力，晶体除产生应变外，其电阻也会发生变化，即：对于半导体材料，前一项可忽略，后一项起主要作用。π—材料的压阻系数，σ—应力E—半导体元件的弹性模量，ε—应变第37页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院38半导体应变片的结构π与材料的性质、晶体的切割方向、环境温度等因素有关

——温度稳定性差，元件的一致性差，线性差，误差较大单个元件的应用较少，通常采用多个元件的集成了膜片式结构第38页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院39例子：固态压阻式压力传感器其核心是扩散了半导体应变片的硅膜片，与壳体一起构成高、低压腔，用于测量膜片两侧的压力差。应变片在内部接成电桥，通过引线与外部测量电路连接。引线低压腔高压腔硅环硅膜片电阻优点电阻同时生成，参数分散性小外界因素对测量结果的影响大大降低便于集成化、微型化可将转换电路、处理电路集成为一体，并采用多种输出形式第39页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院404.半导体应变片的特点灵敏度很高，一般在50～200之间采用集成电路工艺生产，因此成本低、同批次产品的一致性好温度稳定性较差因为π与材料的掺杂浓度、温度、晶向等因素有关线性度较差，误差较大通过构造差动传感器加以可以改善上述两个缺点第40页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院415.应变片的主要参数初始阻值：60，120，350，600，1000Ω绝缘电阻值：>1010Ω灵敏度系数：要求大且稳定允许电流：25mA(静态)；75～100mA(动态)应变极限机械滞后，零漂和蠕变第41页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院42（二）

弹性敏感元件作用：将力转化为变形（应变）特性：刚度k=dF/dx,弹性滞后（迟滞现象）固有振动频率材料：合金钢（不锈钢）、铜合金

——良好的弹性、足够的精度和稳定性灵敏度S=dx/dF弹性后效第42页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院43常用弹性元件的应变、应力计算1.圆柱（实心和空心）其中，α—研究的截面与轴线的夹角，A---圆柱的横截面积

σα—α截面上的应力；εα—α截面上的应变

μ—材料的泊松系数；E—材料的弹性模量灵敏度结构系数应力、应变与圆柱的长度、截面的形状无关第43页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院442.等截面悬臂梁b—梁宽，h—梁厚，E—弹性模量l0—观测点与力F作用点的距离——各处应变不等3.等强度梁（变截面梁）令l0/b=C（常数），则——各处应变相等第44页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院454.圆形膜片半径为R的圆形膜片在压力P的作用下变形，在半径r的圆上产生径向应变εr和切向应变εt分别是PhRo圆形金属膜片径向应变切向应变h—膜片厚度，E—弹性模量，μ—材料的泊松系数第45页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院465.薄壁圆筒薄壁圆筒受压力P作用时，轴向应变εx和周向应变εr

分别为：E—弹性模量，μ—材料的泊松系数r0—圆筒的内半径，h—圆筒的壁厚第46页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院47(三）应变式传感器的转换电路——非平衡电桥采用性能相同的四个应变片构成电桥，设它们的初始电阻为R1=R2=R3=R4=R单桥臂测量

被测量变化→电阻变化→电压或电流变化仅使R1感受应变，其它作为补偿片，可以写出输出电压的表达式为——存在非线性问题第47页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院48半差动桥

将桥中的两个应变片贴在弹性元件的不同部位，使其中一个受拉、一个受压，阻值变化相反，则灵敏度系数比单桥臂提高了一倍非线性误差得到了消除温度变化的影响大大降低全差动桥第48页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院49（四）应变式传感器的应用

一.构件应变的测量

将应变片贴于弹性构件上，测量构件的应变和变形二.力、力矩的测量利用弹性元件将这些量转换为应变，用应变片进行测量三、加速度、压力、液体高度测量

将这些量依次转换为力、应变，然后利用应变片进行测量四.振动（幅值、频率）上述测量的一种应用，从测量结果中提取振动信息第49页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院501.桥梁的变形、振动测量桥梁固有频率测量第50页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院512.力、力矩测量（一）测力、称重弹性元件的形式应变片的布置

克服偏心造成的误差第51页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院522.力、力矩测量（二）在弹性梁的给定位置的上、下表面分别粘贴两个应变片，构成差动全桥，就可以构成测力的传感器。第52页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院532.力、力矩测量（三）一般采用异形梁，以满足一定的测量精度和测量范围的要求双孔悬臂梁双孔S形梁第53页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院54异形梁力传感器举例第54页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院552.力、力矩测量（四）轮辐式力传感器利用辐条两面不同方向的应变片受到的剪切力大小相等，方向相反的性质，构成差动全桥，达到称重、测力的目的。轮辐式称重传感器第55页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院562.力、力矩测量（五）扭矩测量

利用传动轴作为弹性敏感元件，在轴的表面45o和135o方向分别贴应变片，则这两组应变片的电阻变化大小与扭矩大小成正比，且变化的方向相反。将这两组应变片构成差动全桥，可达到测量扭矩的目的。扭矩传感器第56页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院573.压力测量（一）膜片式压力传感器PhRo圆形金属膜片径向应变切向应变R1R20.58rR3R4膜片式压力传感器第57页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院583.压力测量（二）膜片式微压力传感器结构图应力分布膜片及应变花电阻应变式血压换能器第58页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院593.压力测量（三）压阻式压力传感器无运动部件频响范围宽，可达1.5MHz

体积小、功耗低、灵敏度高各部分一体化，便于实现智能化、集成化、特性补偿等温度特性较差；工艺复杂被测气体P高压腔空气硅膜片低压腔微型硅应变式压力传感器应用领域：航空工业，生物医学兵器工业，防爆检测第59页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院603.压力测量（四）筒式压力传感器轴向和周向的应变分别为第60页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院614.加速度测量壳体与被测物体一起作加速度运动悬臂梁在质量块的惯性作用下作反方向运动梁体变形，应变片阻值变化通过测量阻值的变化求出被测物体的加速度。壳体机座aFR1R2m充满硅油由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组成。第61页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院62加速度传感器的其它形式第62页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院635.液位测量思考：应变式液位传感器的原理？用前面讲述的内容，设计两种液位传感器，画出结构示意图，简述其原理。液位传感器第63页，共158页，2023年，2月20日，星期三三、电容式传感器电子测量——北京交通大学电气工程学院64第64页，共158页，2023年，2月20日，星期三三、电容式传感器电容式传感器的原理（变δ、S

、ε型

）转换电路及其工作原理典型应用电子测量——北京交通大学电气工程学院65第65页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院66（一）概述电容式传感器是以电容作为敏感元件，将被测量转变为电容的变化量，进而将电容变化转换为电信号输出的一类传感器。应用领域：位移、角度、振动、力、加速度、压力、压差液位高度、湿度、成份含量等测量第66页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院67电容传感器及应用实例电容式指纹传感器电容式差压传感器液位高度测量湿度传感器电容式接近开关第67页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院68电容传感器及应用实例（续）电容传声器（话筒）加速度传感器电容式压力传感器压差传感器触摸输入板第68页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院69（二）原理、分类和特性原理：将被测量的变化转化为电容量的变化分类（1）变极距型（变δ型

）dS+++C与极距d呈双曲线关系

——非线性

灵敏度随被测量呈平方反比关系快速变化第69页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院701.变极距型（续

）

差动结构采用差动结构，并在电路上构造两个差动电容相减的结果，可提高灵敏度并减小非线性误差含有固体介质的变δ

型传感器——结构上的考虑第70页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院712.变面积型电容传感器线位移角位移轴向线位移轴向差动线位移(1)结构形式第71页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院722.变面积型电容传感器(续）a.平行极板φb.平行扇形极板结论：灵敏度系数是常数，线性很好。(2)电容量及灵敏度系数第72页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院732.变面积型电容传感器(续）c.轴向位移式d.轴向差动位移式结论：变面积型都具有很好的线性(2)电容量及灵敏度系数第73页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院743.变介电常数型电容传感器（1）结构形式及可检的测量厚度、位移、液位硬度、湿度、温度介质厚度测量位移测量介质特性测量液面高度测量第74页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院75交流电桥的各种形式(三）电容式传感器的转换电路作用：将电容变化转变为电压、电流信号

——幅值、频率、相位1.电桥电路第75页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院76变压器电桥的原理电桥的输出电压为对于差动式变δ

型传感器对于差动式变S型传感器结论：变压器电桥可将差动电容的输出线性化需恒频、恒幅、稳定的电源第76页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院772.运算放大器式电路例：对于变δ

型传感器，有∴∵

可以看出，传感器的输出是线性的，并且利用C0可以方便地得到所需要的灵敏度系数。该电路特别适合于被测量在分母上的电容式传感器。第77页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院783.

调频电路4.谐振电路5.二极管双T型电路6.脉宽调制电路——PWM电路RS触发器第78页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院79（四）应用举例应用领域位移、角位移厚度、液位、表面状况（平整度）、距离、振动湿度（含水量）、硬度、温度应用原理电容量随位移改变电容量随介质特性改变将被测量转变为位移或介质特性的变化，以改变电容量第79页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院801.钢板轧制厚度测量与控制上下两个测试板直接相连，作为电容的一个电极带材作为电容的另一个电极，总输出电容为C1+C2带材上下波动时，总的电容量不变带材的厚度变化使电容C1+C2变化。

→第80页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院812.振动及位移测量振动幅度和频率测量轴的偏心动态测量（动平衡测量）第81页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院823.长位移测量——容栅传感器位移第82页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院834.转速测量第83页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院845.接近开关第84页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院856.物料料位测量用于水泥、化工、罐装等料位测量第85页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院867.电容式压力传感器单电容变δ型单只变间隙型

在两个玻璃球面上镀金属膜构成两个固定电极，金属弹性膜片作为可变电极。当存在气压差时，膜片变形，使电容发生变化。差动变δ型P1P2差动变间隙式圆形垫圈玻璃基片金属涂层金属膜片过滤器第86页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院878.电容式加速度传感器aC1C2第87页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院889.电容式荷重传感器F第88页，共158页，2023年，2月20日，星期三四、电感式传感器电子测量——北京交通大学电气工程学院89第89页，共158页，2023年，2月20日，星期三四、电感式传感器基本原理：被测量→自感或互感变化分类自感式互感式电涡流式电子测量——北京交通大学电气工程学院90第90页，共158页，2023年，2月20日，星期三（一）自感式传感器——变磁阻式传感器设线圈匝数为W，磁路总磁阻为RM

，

则线圈电感L为L=W2/RM其中所以——改变气隙厚度、气隙截面积及磁导率，均可改变电感L电子测量——北京交通大学电气工程学院91dxS1SLWμiμ0S2μ0—空气磁导率S—气隙部分的截面积d—气隙厚度W—线圈匝数第91页，共158页，2023年，2月20日，星期三自感式传感器的三种形式变气隙厚度型电子测量——北京交通大学电气工程学院92xL——电感量非线性变化变气隙截面积xLab变磁导率——压磁式传感器第92页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院93自感式传感器的转换电路

电桥调幅电路调频电路调相电路输出幅值随电感L变化谐振频率随电感L变化第93页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院94调相电路——测量φ

求L的轨迹是一个半径为U/2的圆第94页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院951.原理根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接被测非电量的变化→线圈互感量变化多采用螺线管式结构，可测量1~100mm范围内的机械位移。次级2次级1初级铁心次级1次级2初级（二）互感式传感器——差动变压器第95页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院96差动变压器的其它结构形式第96页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院972.基本特性输出电压幅值与铁心位移之间的关系如右图所示。位移的方向可由输出电压与电源电压之间的相位关系确定：

Uo与Ui同相→

x为正

Uo与Ui反相→

x为负实际上，零位移时仍有一个最小的输出电压——零点残余电压输出电压幅值与位移的关系输出电压的幅值为副10uoe21e22x副2原线圈第97页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院98（三）涡流式传感器1.基本原理——涡流效应导体置于交变磁场中，将在导体内感应出电流——电涡流利用电涡流效应可制作传感器——电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;形成电涡流必须具备两个条件：①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中第98页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院992.高频反射式涡流传感器组成：感应/检测线圈+金属导体等效电路：将导体看作一个线圈，则传感器可等效为两个线圈之间的相互作用。涡流作用的效果，相当于改变了线圈的阻抗第99页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1003.低频透射式涡流传感器组成：发射线圈＋被测导体＋接收线圈原理：发射线圈产生频率较低的磁场，可以穿透一定厚度的被测导体接收线圈的输出电压与穿透过来的磁场强度成正比两线圈位置固定时，接收线圈的输出与被测导体的厚度有关可应用于导体厚度测量第100页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院101（四）电感式传感器应用举例应用领域位移、距离、金属厚度——直接应用加速度、压力、压差、振动、荷重、流量、液位、转速

——扩展应用特点：输出功率大，输出阻抗低，抗干扰能力强结构简单，性能稳定——对环境要求不高，工作可靠精度及灵敏度高，分辨力强，线性较好零位误差较大频响范围低，不适合做快速动态测量第101页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1021.位移测量探头测量电桥交流放大相敏检波显示振荡器——电感测微仪第102页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院103位移测量（续）

这是一款由英国吉儿公司生产的可测量60mm线位移的扁电感直线位移传感器，由两部分组成：扁电感传感器＋与被测体连接的U型金属移动体。这款非接触传感器摒弃了机械连接，耐用并能抵御各种恶劣环境（灰尘、潮湿、高温、振动）。带串行输出异步接口。相关信息在

第103页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1042.角位移测量变磁阻型旋转变压器——微动同步器第104页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1052.加速度测量弹性支承差动变压器a

可测量0.1～5mm的振幅，频率为0～150Hz的振动。差动变压器的激磁频率必须在振动频率的十倍以上稳压电源振荡器检波器滤波器～220V输出第105页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1063.微压力测量

将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。

这种变送器可分档测量(–5～6)×105N/m2的压力，输出信号电压为0～50mV，精度为1.5级。

当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，位移与压差成正比。第106页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1074.厚度测量~第107页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1085.接近开关振荡↔停振第108页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1096.转速测量7.振动测量第109页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院110涡流式安检系统——金属探测第110页，共158页，2023年，2月20日，星期三五、压电式传感器电子测量——北京交通大学电气工程学院111第111页，共158页，2023年，2月20日，星期三五、压电式传感器1.原理：压电效应某些材料构成的物体在受到一定方向的力的作用而发生变形时，会在某相应的表面上产生电荷；当外力撤除后，物体会重新回到不带电状态。这一现象称为——（正）压电效应。电子测量——北京交通大学电气工程学院112同样的力作用在不同方向，产生的电荷数目不一定相同某些方向受力作用时，甚至不产生电荷——各向异性单位面积上的电荷密度

q=djiσ第112页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院113压电效应产生的机理1.石英晶体不受外力作用时，正、负电荷中心重合，电偶极矩平衡，对外不显电荷受外力作用时，原子间发生相对位移，正、负电荷中心不对称，电偶极矩处于不平衡状状态，对外显示电荷x、

y方向都会产生压电效应，但有强弱差别z方向无压电效应SiO2第113页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院114压电效应产生的机理（续）2.压电陶瓷多种氧化物粉末混合烧结成的多晶体，晶粒组成大量的电畴高温烧结过程中，在外部强电场下极化，电畴规律排列外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，具备一定的剩余电荷被外界离子中和外力改变电畴排列，失去对电荷的束缚，失去电子而“带电”极化前剩余极化极化过程第114页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院115逆压电效应——电致伸缩效应在压电材料的某个方向上施加电场，压电材料就会在相应方向上产生机械变形（压缩或伸长），这种现象称为电致伸缩效应常用压电材料：石英晶体：d11=2.31pc/N，σmax=95～100MN/m2

εr=4.5，ρ>1012Ω∙m，T>500℃（居里点温度）钛酸钡BaTiO3：d=107pc/N，σmax=76MN/m2

εr=1200，ρ>1010Ωm，T>80℃锆钛酸铅Pb(Zr∙Ti)O3——PZT铌酸盐系列KN3O3+PbNbO3第115页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院116压电式传感器是一种以压电效应为基础、实现非电量测量的典型发电型传感器可以实现各种动态的

力、机械冲击和振动的测量，在声学、医学、力学、导航方面已得到广泛的应用概述第116页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1172.等效电路第一

种等效电路：力控电荷源并联电容器Q=d∙F第二种等效电路：力控电压源串联电容器U=d∙F/Ca第117页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院118压电晶体的串、并联并联：电容量加倍、电荷量加倍，输出电压不变串联：电容量减半、电荷量不变，输出电压加倍——提高灵敏度系数并联串联第118页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1193.转换电路之一——电压放大器电路

设电压晶体上作用一个周期变化的力，大小为F=Fmsinωt

，则q=d∙F=d∙Fmsinωt。可以计算输出电压的幅值为ω=0时，Uom=0，因此压电式传感器不可以测静态力（例如称重）第119页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院120转换电路之二——电荷放大器电路——用电容作反馈元件的深度负反馈、高增益放大电路。第120页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1214.压电式传感器的应用举例应用领域：动态变化的力学量测量力、加速度、压力、振动频率压电换能器发射（扬声器）、接收（麦克风）超声波探头（雷达）血压测量安防：例如，压电式玻璃破碎报警器第121页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1221.压电式压力传感器——不可测液面高度，例如水位2.流速、流量测量流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射在管外一定距离的两点安装压电超声传感器，分别充当发射器和接收器。发射和接收的相位差与流速成正比。在顺流和逆流的情况，发射和接收互换一次，即可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。换能器第122页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1233.压电式加速度传感器便于集成化、小型化第123页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1244.压电式玻璃破碎报警器5.声控开关6.电子血压计7.汽车撞击保护系统第124页，共158页，2023年，2月20日，星期三六、热电式传感器电子测量——北京交通大学电气工程学院125——温度传感器第125页，共158页，2023年，2月20日，星期三六、热电式传感器温度传感器的常见种类：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体温度传感器液体温度计、双金属温度计红外温度传感器光电式传感器重点关注：原理、特性（测量范围、精度、线性）、应用方法电子测量——北京交通大学电气工程学院126第126页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院127液体温度计、双金属温度计热电偶热电阻热敏电阻红外温度传感器集成温度传感器

利用晶体管PN结的电流、电压随温度变化。集成化、体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。二、温度传感器的分类红外辐射金属温差电动势电阻率随温度变化半导体材料的特性随温度变化热胀冷缩第127页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院128（一）

热电偶1.原理—热电效应两种不同材料的导体构成闭合回路，当两个接触点所处温度不同时，两导体间会产生电势和回路电流，这一现象称为热电效应，或塞贝克效应电子浓度不同的两种金属接触，电子扩散，在接触面产生稳定的电场和电势——珀尔帖效应，接触电势单一金属导体，高温端电子向低温端运动，导致两端产生电势差——汤姆孙效应，温差电势第128页，共158页，2023年，2月20日，星期三热电效应（续）接触电势：温差电势：总热电势：nA、nB——电子浓度；σA、σB——汤姆逊系数；

T、

T0——（绝对）温度；k=1.38×10-23J/K；e=1.60×10-19C电子测量——北京交通大学电气工程学院129第129页，共158页，2023年，2月20日，星期三热电效应（续）热电势的大小只与两种导体的材料差别、两接触点的温度差有关，与导体的尺寸、形状、温度的梯度分布情况无关如果两种材料的参数已知，则热电势EAB(T,T0)将是T－T0的单调线性函数欲求T，需知T0

——冷端补偿问题材料配伍已标准化——标准热电偶电子测量——北京交通大学电气工程学院130第130页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1312.常用热电偶及测温范围贵金属热电偶铂铑30—铂铑6

（600～1800）℃铂铑10——铂（0～1600）℃普通金属热电偶镍铬——镍硅（-200～1200）℃镍铬——镍铜（-40～750）℃铁——康铜（0～400）℃热电偶可以测量上千度高温且精度较高，机械性能好，是其它温度传感器无法替代的。对于500℃以下的中、低温精确测量，用热电偶不一定恰当第131页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1323.结构形式普通热电偶薄膜热电偶铠装热电偶4.测量方案电位差计数字电压表（DVM）计算机自动测量系统第132页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院133（二）热电阻1.原理

材料的电阻率随温度变化：

ρ=a+bT+cT2

大多数金属有0.3—0.6%/℃的正温度系数,因而可构造热电阻温度传感器。2.特点：精度高；测量范围大（尤其低温测量）3.应用领域：-200～500℃

可扩展至1~3K及1000～1200℃范围第133页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1344、常用材料及特点铂，铜，铁，镍铂0.39%/0C-200～6500C性能稳定，重复性好，昂贵。铜0.43%/0C-50～1500C线性好，但易氧化。镍0.6%/0C-60～1800C稳定性和线性较差，适于精度要求不高的场合。第134页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1355.结构

直径0.02—0.07mm的高纯度金属丝（如99.99%），绕在云母、陶瓷或玻璃骨架上，然后做出引线，外包陶瓷或不锈钢套管。

——不耐冲击6.测量方案电桥第135页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院136（三）热敏电阻热敏电阻一般是指采用多种金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结成的半导体材料构成的一类热电阻，其阻值随温度变化显著根据其特性，分为三种类型：正温度系数热敏电阻——PTCPositiveTemperatureCoefficientresistor负温度系数热敏电阻——NTCNegativeTemperatureCoefficientresistor临界温度热敏电阻——CTRCriticalTemperatureResistor第136页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1371.正温度系数热敏电阻——PTCρ随T增加而上升，温度系数比金属的高10~100倍以上。通常在BaTiO3中掺入稀土元素构成，分为缓变型和突变型，以突变型最为常用。通过改变材料配方，可以每10oC为一档改变Tc，做成系列产品，测温范围0~340℃。

设冷态时的电阻值为Rmin，称Rc=2Rmin为开关电阻值，对应的温度称为开关温度Tc，表示电阻发生阶跃式增大时的最高温度。第137页，共158页，2023年，2月20日，星期三2.负温度系数热敏电阻——NTC材料受热时，电子由价带跃迁到导带，使电阻率降低电子测量——北京交通大学电气工程学院138ΔE——材料的激活能令B=

ΔE/2k,温度T0时的电阻值为R0，则温度T1时的电阻值为第138页，共158页，2023年，2月20日，星期三负温度系数热敏电阻（续）常用材料：多种陶瓷材料例如

CdO—Sb2O3—WO3

CdO—SnO2—WO3特性：在-100～300℃范围内，R—T

大体呈线性关系，温度系数较为稳定，例如-0.4%/℃电子测量——北京交通大学电气工程学院139第139页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1403.临界温度热敏电阻——CTR特点：在一定温度范围内，电阻值随温度降低在某一温度点的很窄范围（几℃）内，电阻会发生3～4个数量级的突变机理：半导体→导体常用材料：V2O3

（氧化钒）用途：定温检测，火灾报警——可看作是NTC的一个派生品种第140页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院141热敏电阻外形示实例贴片式薄膜式

大功率

第141页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院142热敏电阻外形示实例第142页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院1434.热敏电阻的特点结构简单，体积小电阻率高、热惯性小，可用于动态测量电阻温度系数高，灵敏度高，是金属的10～100倍非线性严重测温范围窄稳定性和重复性差，互换性不好精度差，不适于精密测量第143页，共158页，2023年，2月20日，星期三5.应用举例应用领域

家电：彩电，冰箱、电饭煲、空调等的温控安防：火灾报警电器设备、电路的电压冲击保护、过热保护

电子测量——北京交通大学电气工程学院144第144页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院145应用举例温度继电器恒温控制装置单相电机自动启动超温报警测温电路第145页，共158页，2023年，2月20日，星期三电子测量——北京交通大学电气工程学院146（四）半导体集成温度传感器1.三极管的温度特性Ies—发射结反向饱和电流q---电子电量；k---波尔兹曼常数；T---绝对温度