传感器与检测技术（项目式）PPT完整全套教学课件

传感器与检测技术（项目式）（微课版）1.1.1传感器的作用1.1.2传感器的基本知识1.1.3传感器的特性分析1.2检测系统与信号处理2.1.1电阻应变式传感器测量力（结构与工作原理）2.1.2电阻应变式传感器测量力（电路与补偿）2.1.3电阻应变式传感器测量力（应用）2.2.1压电式传感器测量力（压电效应）2.2.2压电式传感器测量力（压电材料及应用）3.1.1光电式传感器测量转速原理3.1.2光电式传感器测量转速应用3.2磁电式传感器测量转速3.3.1霍尔传感器测量转速原理3.3.2霍尔传感器测量转速应用4.1.1自感式传感器测量位移4.1.2互感式传感器测量位移4.1.3电感式传感器测量位移应用4.2.1光栅传感器测量位移（光栅的结构）4.2.2光栅传感器测量位移4.3光电编码器测量位移4.4.1电涡流传感器定位检测4.4.2电涡流传感器应用5.1.1电容式传感器测量原理5.1.2电容式传感器测量电路5.1.3电容式传感器的应用5.2超声波传感器测量液位6.1.1热电偶测温度6.1.2热电偶的温度补偿6.2.1热电阻测温度6.2.2热敏电阻测温度7.1可燃气体检测7.2物料与环境湿度检测全套PPT课件

项目——传感器与检测技术基础任务——传感器的认知传感器的认知传感器传感器的认知►任务导入力传感器流量传感器位移传感器

（1）机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。密歇根大学的机械手装配模型►传感器的使用——工业自动化广州中鸣数码的机器狗传感器的认知

（2）AGV自动送货车

超声波测距传感器：判断建筑物内人和物所在的位置；

红外线色彩传感器：用于AVG小车运动轨迹和位置识别；

条形码传感器：识别货品类别。►传感器的使用——工业自动化传感器的认知香港理工AGV模型

（3）生产加工过程监测

►传感器的使用——工业自动化检查轴承/滚珠是否脱漏检查容器内的液位传感器的认知►传感器的使用——流程工业设备运行状态监控●石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。传感器的认知►传感器的使用——产品质量测量汽车出厂检验原理框图●测量参数：润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。●

通过测试，工程师可以了解汽车出厂的质量。传感器的认知►传感器的使用——楼宇控制与安全防护●该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。楼宇自动化系统传感器的认知烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器►传感器的使用——家庭与办公自动化●全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器（洗净度)液位传感器，电阻传感器（衣物烘干检测)。传感器的认知►传感器的使用——家庭与办公自动化传感器的认知指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器►传感器的使用——其他作用

传感器的认知航天农业交通医学电量（电信号或其他形式信息）非电量信息（如温度、压力、流量、位移等）人体与自控系统的对应关系传感器与检测技术被测温度值液面示值被测物理量电量感谢参加

《传感器与检测技术》课堂学习传感器与检测技术●项目——传感器与检测技术基础●任务——传感器的认知传感器的基本知识►任务导入●机器人的感知●了解传感器的概念、组成、分类等知识传感器的基本知识►传感器的定义传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。传感器非电量电量传感器的基本知识►传感器的定义（1）传感器是一种能够检测被测量的器件或装置；（2）被测量可以是物理量、化学量或生物量等；（3）输出信号要便于传输、转换、处理、显示等，一般电参量；（4）输出信号要正确地反映被测量的数值、变化规律等，即两者之间要有确定的对应关系，且应具有一定的精确度。传感器的基本知识►传感器的组成●敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。辅助电源敏感元件转换元件转换电路被测量电量●转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。●转换电路：将转换元件输出的电参量转换为电压、电流或频率。►传感器的分类01电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热电式、波式和辐射式等。020304√按照工作原理不同：位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等。√按照被测量不同：结构型传感器物性型传感器√按照工作机理不同：能量变换型（发电型）能量控制型（参量型）√按照转换能量供给形式不同：传感器的基本知识►传感器的发展利用新材料微机械加工技术集成传感器智能化传感器发现并利用新现象内容内容内容内容√

研究发现新现象与新效应是研究开发新型传感器的基础。√由于材料科学的进步，人们可制造出各种新型传感器。√半导体技术中的加工方法已引进到传感器制造容。√

集成传感器将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能。内容√

智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，兼有检测、判断和信息处理功能。传感器的基本知识●项目——传感器与检测技术基础●任务——传感器的认知传感器的特性分析►任务导入●任务要求：实时监测一个高温箱的温度，测量温度大约为50℃～80℃，检测结果的精度要达到1℃。●现有条件：现有三种带数字显示表的温度传感器，它们的量程分别是0℃～500℃、0℃～300℃、0℃～100℃，精度等级分别是0.2级、0.5级和1.0级。●传感器特性：输出与输入之间的关系。可用数学函数、坐标曲线、图表等方式表示。►传感器的基本特性根据被测量状态的不同●静态特性——当输入量为常量或变化极慢时，即被测量处于稳定状态时的输入、输出关系。●动态特性——输入量随时间快速变化（如机械振动）时，传感器的输入、输出关系。分类1.线性度2.迟滞3.重复性4.灵敏度5.分辨力和阈值6.稳定性7.漂移线性度●传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。拟合曲线实际曲线●可用一条直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段，这条直线称为拟合直线。●静态特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常取其最大偏差与理论满量程之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。迟滞●迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入—输出特性曲线不重合的程度，对于同一大小的输入量，传感器正反行程的输出量的大小不等。●原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等。灵敏度●灵敏度：灵敏度是指传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入量变化Δx之比，用K来表示。(a)线性传感器

(b)非线性传感器灵敏度就是它的静态特性的斜率即K为常数灵敏度为一变量用K=dy/dx表示分辨力●分辨力：在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量，是传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。阈值稳定性●阈值：如果传感器的输入量从零值开始缓慢地增加时，在达到某一最小值后才能测出输出变化，这个最小值就是传感器的阈值。●稳定性：指传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。漂移●漂移：指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。

●传感器的最小可测出的输入量●传感器的最小可测出的输入变化量●表示：室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异稳定性误差●原因：仪器自身参数的变化、周围环境对传感器的输出造成影响。传感器的特性分析►传感器的标定对新研发的传感器进行全面的技术性能鉴定，并将鉴定的数据进行量值传递；对经过一段时间储存或使用后的传感器进行复测，通过再次鉴定来判定被复测的传感器是否可以继续使用；对可以继续使用但某些指标发生了变化的传感器，则需要重新标定并修正相应的原始数据项目——传感器与检测技术基础任务——检测系统与信号处理检测数据处理►任务导入●检测：人们借助于仪器、设备，利用各种物理效应，采用一定的方法，将被测量的有关信息通过检查与测量获取定性或定量信息的过程。►检测的概念检查测量●检测技术：以研究检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论与技术为主要内容的一门应用技术学科。测量原理测量方法检测系统数据处理检测数据处理►检测系统►测量基本知识——测量方法的分类检测数据处理●测量方法：实现被测量与标准量比较得出比值的方法。按测量过程的特点按测量仪表的特点按测量对象的特点●直接测量法●间接测量法●组合测量法●接触测量法●非接触测量法●静态测量●动态测量►测量基本知识——测量方法的分类检测数据处理●直接测量法●在使用仪表进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算，就能直接表示测量所需要的结果，称为直接测量。电子卡尺►测量基本知识——测量方法的分类检测数据处理●间接测量法●有的被测量无法或不便于直接测量，这就要求在使用仪表进行测量时，首先对与被测物理量有确定函数关系的几个量进行测量，然后将测量值代入函数关系式，经过计算得到所需的结果，这种方法称为间接测量。阿基米德测量皇冠的比重►测量基本知识——测量方法的分类检测数据处理●组合测量法●在应用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过求解联立方程组，才能得到最后结果，则称这样的测量为组合测量（又称联立测量）。一般需要改变测试条件，才能获得一组联立方程所需要的数据►测量基本知识——测量方法的分类检测数据处理●接触测量法与非接触测量法

►接触测量法►非接触测量法温计测体温雷达测速、车载电子警察►测量基本知识——测量方法的分类检测数据处理●静态测量与动态测量√静态测量——被测量在测量过程中认为是固定不变的，这种测量称为静态测量。静态测量不需要考虑时间因素对测量的影响。√动态测量——若被测量在测量过程中是随时间不断变化的，这种测量称为动态测量。●用激光干涉仪对建筑物的缓慢沉降作长期的监测●用光导纤维陀螺仪测量火箭的飞行速度、方向检测数据处理►测量误差及分类——测量误差●测量误差：是测量值与真实值之间的差值，它反映了测量的精度。测量误差可用绝对误差表示，也可用相对误差表示。●真值：在一定的时间及空间(位置或状态)条件下，被测量所体现的真实数值。理论真值约定真值相对真值检测数据处理►测量误差及分类——误差的表示方法●绝对误差绝对误差是指测量值与真值之间的差值，它反映了测量值偏离真值的多少，即

√Ax：测量值√Δ：绝对误差√A0：被测量的真值，可为约定真值或相对真值检测数据处理►测量误差及分类——误差的表示方法●相对误差相对误差是绝对误差与被测量的真值之比。相对误差有以下表现形式（a)实际相对误差（b)标称(示值)相对误差（b)满度(引用)相对误差

检测数据处理►测量误差及分类——误差的表示方法●相对误差相对误差是绝对误差与被测量的真值之比。相对误差有以下表现形式实际相对误差标称相对误差满度相对误差最大满度相对误差检测数据处理►测量误差及分类——测量误差的分类●按误差表现的规律划分系统误差随机误差粗大误差检测数据处理►测量误差及分类——测量误差的分类●按被测量与时间关系划分静态误差在被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差。动态误差当被测量随时间迅速变化时，系统的输出在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。●项目——力的检测●任务——物体重量检测任务——物体重量检测►任务导入生活中常用的电子秤是怎样制作的？任务——物体重量检测►应变式传感器常用弹性敏感元件●弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。√具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。√良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。√弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。√抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。任务——物体重量检测●变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件指输入量为力F，输出量为应变或位移的弹性敏感元件。变换力的弹性敏感元件(a)实心轴；(b)空心轴；(c)、(d)等截面圆环；(e)变形的圆环；(f)等截面悬梁；(g)等强度悬臂梁；(h)变形的悬臂梁；(i)扭转轴►应变式传感器常用弹性敏感元件任务——物体重量检测►应变式传感器常用弹性敏感元件●变换压力的弹性元件均匀分布作用于物体的力称为压力。例如气体或液体的压力等。变换压力的弹性元件。

变换压力的弹性敏感元件(a)弹簧管；(b)波纹管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圆筒；(f)薄壁半球►电阻应变式传感器的工作原理——电阻应变效应●金属导体或半导体在外力（如压力等）作用时，会产生机械变形，其电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。任务——物体重量检测●长度为L、横截面积为S、电阻率为ρ的金属丝其电阻为R。►电阻应变式传感器的工作原理——电阻应变效应●长度为L、横截面积为S、电阻率为ρ的金属丝其电阻为R。►电阻应变式传感器的工作原理——电阻应变效应►结论：金属丝受拉时：L变长、S变小，导致R变大。●金属导体的电阻与材料、长度、截面积和温度有关。在温度一定时，其电阻定律为：►电阻应变式传感器的工作原理——电阻应变效应●当沿金属丝长度方向施加力时，其几何尺寸和电阻率都会变化，从而导致电阻值的变化。（K：应变灵敏度系数）►结论：应变与电阻变化率呈线性关系●应变效应——通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应力转换为电阻的变化再进行电量测量的装置。►电阻应变式传感器的工作原理——测量原理

电阻应变片

测量电桥U或I

弹性敏感元件力F

应变ε△R电阻应变式传感器电阻应变片结构（1）敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制成，它被粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。（2）基底保持电阻丝固定形状、尺寸和位置。（3）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。（4）引线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。引线覆盖层敏感栅基底电阻应变式传感器●电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。●金属电阻应变片又有：丝式、箔式和薄膜式等结构形式。►电阻应变式传感器——其他各种电阻应变传感器(a)箔式压力(b)柱式(c)悬臂梁式(d)桥式(e)轮辐式(f)S型拉压式●项目——力的检测●任务——物体重量检测任务——物体重量检测►电阻应变式传感器测量电路机械应变一般都很小，该如何考虑？直流电桥和交流电桥把微小应变引起的微小电阻变化测量出来。要把电阻相对变化ΔR/R转换为电压或电流的变化。应该采用什么测量转换电路？直流电桥电路R3R1R4R2BDACEiEo特点：当被测量无变化，四桥臂满足一定的关系，即输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。即为电桥平衡状态

直流电桥电路R1+△RR2BDACEiEo输出电压电源R3R4R1R1——电阻应变片。起始时，应变片未承受应变，电桥平衡：R1=

R2=R3=R4，此时Eo=0。当应变片承受应变时，则R1增大为R1+ΔR，对于等臂电桥和输出对称电桥，此时的输出电压为：单臂电桥直流电桥电路●在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,接入电桥相邻桥臂,称为半桥差动电路。

差动电桥●电阻R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。当应变片承受应变时，R1增大为R1+ΔR，同时R2减小为R2－ΔR，此时的输出电压为单臂工作时的两倍。即：直流电桥电路●电阻R1、R2、R3、R4均为应变片，且差动工作，当应变片承受应变时，则R1和R4增大ΔR，R2和R3减小ΔR，此时的输出电压为单臂工作时的四倍。则有

差动全桥●定义：外界温度的变化会给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。●原因：因环境温度改变引起敏感栅电阻值的变化。补偿片法自补偿法任务——物体重量检测►温度误差及其补偿●引起电阻变化的主要因素有：1.应变片电阻丝的温度系数；2.电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。温度误差及其补偿●R1为工作片，RB为补偿应变片，R3、R4为固定电阻。工作片R1粘贴在被测试件上需要测量应变的地方，补偿片RB粘贴在补偿块上，与被测试件温度相同，但不承受应变。补偿片法温度误差及其补偿●R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K

和初始电阻值。●粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，二者的线膨胀系数相同。●两应变片应处于同一温度场中。补偿片法●项目——力的检测●任务——物体重量检测任务——物体重量检测►任务实施●电子秤的核心是称重传感器（电阻应变片），主要由称重传感器、放大电路、A/D转换电路、显示或控制电路组成。电子屏具体制作►电子秤电路原理图任务——物体重量检测►电子秤具体制作——元件选择IC1选用传感器R1选用各电阻元件选用RP1选用电容C的选用任务——物体重量检测►电子秤具体制作——电子线路及变形钢件制作电子线路的制作变形钢件的制作元件布置应横平竖直，间距适当；控制焊点大小，注意虚焊。任务——物体重量检测►电子秤具体制作——电子秤的调试1.试件的表面处理。为了保证一定的粘合强度，必须将试件表面处理干净，清除杂质、油污及表面氧化层等。2.确定贴片位置。在应变片上标出敏感栅的纵、横向中心线，在试件上按照测量要求划出中心线。3.

粘贴应变片。首先用甲苯、四氯化碳等溶剂清洗试件表面。如果条件允许，也可采用超声清洗。应变片的底面也要用溶剂清洗干净，然后在试件表面和应变片的底面各涂一层薄而均匀的胶水等。贴片后，在应变片上盖上一张聚乙烯塑料薄膜并加压，将多余的胶水和气泡排出。任务——物体重量检测►电子秤具体制作——电子秤的调试4.固化处理。贴好应变片后，根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化处理和时效处理。5.粘贴质量检查。检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡和漏贴，敏感栅是否有短路或断路现象，以及敏感栅的绝缘性能等。6.

引线的焊接与防护。检查合格后即可焊接引出线。任务——物体重量检测►电阻应变式传感器的应用——柱式力传感器●分别为实心柱式、空心筒式，其结构是在圆筒或圆柱上按一定方式粘贴应变片，圆柱（筒）在外力作用下产生形变。应变片一般对称地贴在应力均匀的圆柱表面的中间部分，可对称地粘贴多片，构成差动式，提高了灵敏度，横向粘贴的应变片同时作为温度补偿。任务——物体重量检测►电阻应变式传感器的应用——悬臂梁式力传感器●采用弹性梁和应变片作转换元件，当力作用在弹性元件（梁）上时，弹性元件（梁）与应变片一起变形使应变片的电阻值变化，应变电桥输出与力成正比的电压信号。●悬臂梁主要有两种形式：等截面梁、等强度梁。●结构特征：弹性元件一端固定，力作用在自由端。F应变片任务——物体重量检测►电阻应变式传感器的应用——轮辐式测力传感器（剪切力）●主要由5个部分组成，轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片。轮辐条可以是四根或八根成对称形状，轮轱由顶端的钢球传递重力，圆球的压头有自动定位的功能。任务——物体重量检测►应变式加速度传感器●主要由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组成。●基本工作原理：当壳体与被测物体一起作加速度运动时，悬臂梁在质量块的惯性作用下作反方向运动，使梁体发生形变，粘贴在梁上的应变片阻值发生变化。任务——物体重量检测►位移传感器●应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用于近测或远测静态或动态的位移量。任务——物体重量检测►应变式扭矩传感器●应变式扭矩传感器利用应变片将扭矩产生的剪应变转换为电阻值的变化。弹性元件为整体式薄壁筒，应变片在薄壁筒的同一圆周线上成45°和135°方向粘贴。1—应变片；2—薄壁筒●项目——力的测量●任务——大气压力检测大气压力检测►任务导入

大气压力如何检测？►压电式传感器大气压力检测●压电式传感器：一种典型的自发电式传感器，它是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。可以测量最终能变换为力的各种非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。●优点：体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高大气压力检测►压电效应●正压电效应：某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。●逆压电效应：在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“逆压电效应”，也叫做“电致伸缩效应”。

利用压电效应的可逆性，可以实现机——电能量的相互转换大气压力检测►压电效应●力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，外力去掉后，电荷消失。大气压力检测►石英晶体的压电效应

(b)切割方向(a)晶体外形

(c)晶片●x轴：电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴。●y轴：机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。●z轴：光轴，它与晶体的纵轴线方向一致。大气压力检测►石英晶体的压电效应——石英晶体的纵、横向压电效应●当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。●沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。●当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。大气压力检测►石英晶体的压电效应——石英晶体的纵、横向压电效应●当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷●当沿机械轴方向加作用力Fy时，则仍在与电轴垂直的平面上产生电荷

压电系数（C/N）√产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸有关。√产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。大气压力检测►石英晶体的压电效应——压电晶片产生电荷的极性与受力●若沿晶片的x轴施加压力Fx，则在加压的两表面上分别出现正负电荷。●若沿晶片的y轴施加压力Fy时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直x轴的表面上，只是电荷的极性相反。●若将x、y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置不变，只是电荷的极性相反。●

压电陶瓷：人工制造的具有电畴结构的多晶压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。大气压力检测►压电陶瓷的压电效应不具有压电效应有了压电特性原始的压电陶瓷外加直流电场极化电场去除后，电畴方向基本不变，留下了很强的剩余极化。极化过的压电陶瓷受力后产生电荷。●

极化处理：在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如20～30kv/cm直流电场）。大气压力检测►压电陶瓷的极化处理外力作用极化处理的压电陶瓷外加直流电场●

原因：陶瓷内部的电畴的极化方向在外电场作用下都趋向于电场的方向，这个方向就是压电陶瓷的极化方向。压电效应(a)未极化

(b)电极化压电式传感器测量电路1、把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；2、放大传感器输出的微弱信号。前置放大器作用前置放大器形式1、电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；2、电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。大气压力检测►测量电路压电传感器与电荷放大器连接的等效电路图电荷放大器的反馈电容反馈电阻●项目——力的测量●任务——压电式传感器测量力压电材料（1）压电常数。压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2）弹性常数。压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4）机械耦合系数。在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根，它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）绝缘电阻。电阻压电材料的绝缘电阻能减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点。压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。主要特性参数►压电材料——压电材料的分类及特性压电式传感器测量力晶振石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。►压电材料——压电材料的分类及特性压电式传感器测量力锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）妮酸盐系列压电陶瓷铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）钛酸钡压电陶瓷●压电陶瓷√优点：很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。√缺点：是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。√压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。√可以获得不同性能的PZT材料。√是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。√以铁电体铌酸钾（KNbO3）和铌酸铅（PbNbO3）为基础。√具有较高的压电常数（d11=（800~900）×10-12C/N）和居里点（260℃），它能在压力大至70MPa时正常工作►压电材料——压电元件的结构形式压电式传感器测量力●基本原理：利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷（或电压)输出。并联接法√两个压电片的负端粘接在一起，中间插入的金属电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上。√

电容量增加了1倍，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，输出电压与单片时相同。►压电材料——压电元件的结构形式压电式传感器测量力●基本原理：利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷（或电压)输出。串联接法√两压电片不同极性端粘接在一起，从电路上看是串联的。√

两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的1/2，输出电压增大了1倍。压电式传感器测量力►压电式传感器的应用——压电式力传感器●压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力-电转换装置。●常用的形式：荷重垫圈式，它由基座、盖板、石英晶片、电极以及引出插座等组成。●主要用于频率变化不太高的动态力的测量。传力上盖压电片电极电极引出插头绝缘材料底座绝缘材料压电式传感器测量力►压电式传感器的应用——压电式力传感器压电传感器刀架车刀工件压电传感器刀具切削力信号压电式传感器测量力►压电式传感器的应用——压电式加速度传感器●优点：灵敏度高、体积小、重量轻、测量频率上限高、动态范围大。●缺点：易受外界干扰，在测量前需进行各种校验。●压电式加速度传感器的主要由：压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。压电式传感器测量力►压电式传感器的应用——压电式加速度传感器●作用：对质量块加载，产生预压力，以保证在作用力变化时晶片始终受到压缩●惯性力F＝maq＝d33F＝d33ma►任务实施压电点火器煤气灶电子点火装置●煤气灶电子点火装置原理是利用高压跳火来点燃煤气←●项目——速度检测●任务——光电式传感器转速检测►任务导入在各种车辆的运转、机械设备的运行中，都需要对转速进行检测。

光电式传感器转速检测►光电传感器光电式传感器转速检测●定义：将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号的器件，称为光电传感器或光电元件。优点应用√结构简单√精度高√响应快√非接触√计算机、自动检测√控制系统►光电效应光电式传感器转速检测●工作原理：基于光电效应。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串具有一定能量的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。外光电效应内光电效应光生伏特效应►光电效应——外光电效应光电式传感器转速检测物体在光线作用下，内部电子吸收能量后，逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A0和动能电子质量电子逸出速度物体的表面电子逸出功►光电效应——外光电效应光电式传感器转速检测不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发电子，此频率限成为“红限”。光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A0和动能电子质量电子逸出速度物体的表面电子逸出功●光电管由一个阴极和一个阳极构成，并密封在一支真空玻璃管内。光电管的阴极是接受光的照射，它决定了器件的光电特性。阳极由金属丝做成，用于收集电子。►光电效应——外光电效应

1.光电管真空光电管的结构和实物图a)中心阳极型b)半圆柱面阴极型c)实物图接受光的照射，它决定了器件的光电特性由金属丝做成，用于收集电子光电式传感器转速检测●当阴极受到适当波长的光线照射时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有了电子流，在外电路中便产生了电流。

1.光电管——工作原理►光电效应——外光电效应光电式传感器转速检测●由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象选择不同阴极材料的光电管。

1.光电管——工作原理►光电效应——外光电效应光电式传感器转速检测►光电效应——外光电效应2.光电倍增管K光电阴极若干倍增极阳极倍增极上的涂料在电子轰击下能发射更多电子，倍增极之间有依次增大的加速电压。►光电效应——外光电效应2.光电倍增管●光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出

K►光电效应——内光电效应●定义：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。光敏电阻光敏二极管光敏三极管光电式传感器转速检测►光电效应——内光电效应●光敏电阻是采用半导体材料制成的利用内光电效应工作的光电器件，又称光导管。1.光敏电阻√电导率增大电阻值变小√纯电阻元件，其材料有金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料光电式传感器转速检测●在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。►光电效应——内光电效应1.光敏电阻——光敏电阻的结构光敏电阻的结构1-玻璃；2-光电导层；3-电极；4-绝缘衬底；5-金属壳；6-黑色绝缘玻璃；7-引线光电式传感器转速检测►光电效应——内光电效应1.光敏电阻——光敏电阻的原理●工作时，光敏电阻两电极间加上电压，其中便有电流通过。√无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小；√当有光照时，由于光电导效应，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加，电流随着光强的增加而变大，实现了光电转换。光电式传感器转速检测►光电效应——内光电效应1.光敏电阻——光敏电阻的参数光电流亮电阻暗电阻和暗电流光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，

此时光敏电阻的灵敏度高。光电式传感器转速检测光电式传感器转速检测●定义：光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。►光电效应——内光电效应2.光敏二级管光电式传感器转速检测►光电效应——内光电效应2.光敏二级管光敏二极管的符号和接线●光敏二极管工作在反向状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，处于截止状态。●有光照时，半导体内受激发产生电子—空穴对，少数载流子浓度大大增加，在反向电压的作用下，形成光电流，处于导通状态。光的照度越大，光电流越大。►光电效应——光生伏特效应●定义：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。光电式传感器转速检测光电式传感器转速检测►光电效应——光生伏特效应1.光电池●定义：光电池是一种利用光生伏特效应把光直接转换成电能的半导体光电器件。●实质：在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。硒光电池砷化镓光电池硅光电池锗光电池●它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。►光电效应——光生伏特效应1.光电池光电式传感器转速检测+光PN－SiO2RLI光PN(a)光电池的结构图(b)光电池的工作原理示意图►光电池的示意图●项目——速度与位置的测量●任务——光电式传感器转速检测►光源光电式传感器转速检测01020304热辐射光源气体放电光源电致发光器件激光器►光源原理特点代表热物体都会向空间发出一定的光辐射物体温度越高辐射能量越大白炽灯卤钨灯1.热辐射光源►光源原理特点代表电流通过气体会产生发光现象改变气体成分、压力、电流、阴极材料和放电电流的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体日光灯2.气体放电光源►光源原理特点代表固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光体积小寿命长工作电压低响应速度快发光二极管3.电致发光器件►光源定义特点分类能够产生光受激辐射放大现象的器件单色性好方向性好亮度高固体激光器气体激光器半导体激光器液体激光器4.激光器光电传感器转速测量►光电传感器组成光源光学通路光电元件光电传感器转速测量►光电传感器组成Ф1是光源发出的光信号，Ф2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号。光电传感器转速测量►光电传感器——光电传感器的类型光源本身是被测物被测物吸收光通量●这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计●恒定光源发射的光穿过被测物其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上。●可用于测量透明度、混浊度光电传感器转速测量►光电传感器——光电传感器的类型被测物体反射光通量被测物吸收光通量●恒定光源发射的光通量投射到被测物上由被测物表面反射后再投射到光电元件上。●可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等●从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。●这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。被测物具有反射能力的表面被测物遮蔽光通量●发出的光线经过透镜1会聚为平行光束，投向透镜2，随后被会聚到光敏电阻上。●在平行光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。光电传感器的应用1.光电式带材跑偏检测器●光源出发的光线经半透半反镜分成两束强度相等的光线：√一路光线直接到达光敏三极管上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号。√一路光线穿过破测烟尘到达光敏三极管上，其中一部分光线被烟尘吸收或折射，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光敏三极管的光通量就越小。两路光线均转换成电压信号U1、U2，由运算器计算出U1、U2的比值，并进一步算出被测烟尘的浓度。光电传感器的应用2.光电式烟尘浓度计光电传感器的应用3.烟雾报警器烟雾●无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。●而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。●光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速►光电传感器的应用光电传感器转速测量n=60(f/z)

4.光电转速表光电式传感器转速检测►光电传感器的应用5.光电开关●定义：光电开关用来检测物体的靠近、通过等状态的光电传感器。检测距离可达几米至几十米。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。√遮断型光电开关光电式传感器转速检测►光电传感器的应用5.光电开关●定义：光电开关用来检测物体的靠近、通过等状态的光电传感器。检测距离可达几米至几十米。反射型光电开关单侧安装，反射型光电开关的检测距离与被测物的黑度有关，它的检测距离一般为几百毫米到几米。√反射型光电开关●当充填高度ｈ偏差太大时，光电开关没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等。►光电传感器的应用5.光电开关光电式传感器转速检测►借助光电检测技术控制充填高度的原理光电开关►任务实施——机床转速测量●在机床转轴上固定一个带孔的转盘，转盘的一边由发光管产生恒定光，透过转盘小孔照射在光敏二极管或光敏三极管上，转换成电信号输出，经放大整形电路输出电脉冲信号，脉冲频率的大小即反映了转速的大小。光电式传感器转速检测●光电晶体管测速

遮断型►任务实施——机床转速测量●在待测转速轴上固定一个涂有黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率，当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光敏晶体管通过转盘反射接收光信号，并转换为电脉冲信号。光电式传感器转速检测●光电晶体管测速

反射型►任务实施——机床转速测量●光电断续器是将光电发射器、光电接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，两者能可靠地对准。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。光电式传感器转速检测●光电断续器测速光电断续器测速●项目——速度检测●任务——磁电式传感器转速测量►任务导入●在各种车辆的运转、机械设备的运行中，都需要对转速进行检测。

导体在磁场中运动切割磁力线，或者通过闭合线圈的磁通发生变化时，在导体两端或线圈内将产生感应电动势，电动势的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。——法拉第电磁感应定律磁电式传感器工作原理●在恒磁通式结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割磁力线而产生。恒磁通式恒磁通式结构

动圈式动铁式●当壳体随被测振动体一起振动时,由于弹簧较软,运动部件质量相对较大。●当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时,运动部件惯性很大,来不及随振动体一起振动,近乎静止不动,振动能量几乎全被弹簧吸收,永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度,磁铁与线圈的相对运动切割磁力线,从而产生感应电势。►磁电式传感器工作原理——恒磁通式恒磁通式结构

动圈式动铁式磁电式传感器转速测量►磁电式传感器工作原理——变磁通式●工作原理：线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随之一起转动。每转动一个齿,齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次,磁通也就变化一次,线圈中产生感应电势,其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。●特点：传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。（1）开磁路式磁电式传感器转速测量►磁电式传感器工作原理——变磁通式（1）开磁路式磁电式传感器转速测量►磁电式传感器工作原理——变磁通式（2）闭磁路式●由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。●外齿轮不动,内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感生电动势。●感应电势的频率与被测转速成正比●用于测量振动速度时，能量全被弹簧吸收，磁铁与线圈之间相对运动速度接近于振动速度，磁路间隙中的线圈切割磁力线时，产生正比于振动速度的感应电动势，直接输出速度信号。►磁电式传感器测量电路测量电路磁电式传感器转速测量●磁电感应式振动传感器工作时，将传感器固定在被测振动体上，永磁体、铝架、壳体一起随被测体振动，由于质量块的惯性，产生惯性力，而弹簧片又非常柔软，因此，当振动频率远大于传感器的固定频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永磁体运动，以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势，并通过引线输出到测量电路。►磁电式传感器应用磁电式传感器转速测量►磁电式传感器应用●磁电感应式传感器的永磁体产生的磁通与齿形圆盘交链，当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中产生出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转速的乘积。●当扭矩作用在扭转轴上时,两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。磁电感应式扭矩传感器►任务导实施磁电式传感器转速测量●变磁通式转速传感器对环境条件要求不高，结构简单、工作可靠、价格便宜。但输出电势取决于切割磁力线的速度，转速太低时，输出感应电势很小，导致无法测量。●项目——速度检测●任务——霍尔传感器汽车车速测量霍尔传感器转速测量►任务导入在汽车用速度及里程仪表中速度传感器是十分重要的部件。车速传感器控制器脉冲信号霍尔式接近开关传感器汽车行驶过程中的实时速度采集器►霍尔传感器霍尔传感器转速测量●定义：霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种非接触式传感器特点多种非电量测量制作高斯计、电流表、接近开关等结构简单体积小动态特性好寿命长√直接测量磁场及微小位移量√间接测量液位、压力等工业生产过程参数，特别是在检测微位移、大电流、微弱磁场等方面得到了广泛应用霍尔效应霍尔传感器霍尔效应是磁电效应的一种这一现象是美国物理学家霍尔(A.H.Hall)1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这一现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。►霍尔传感器工作原理●置于磁场中的导体或半导体内通入电流，如电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应霍尔传感器转速测量1.霍尔效应►霍尔传感器工作原理——霍尔效应N型半导体薄片●在垂直于该半导体薄片平面的方向上，施加磁感应强度为B的磁场，在薄片左右两端通以控制电流I，N型半导体的导电机制是自由电子沿着与电流I相反的方向运动，受力方向可由左手定则判定，即使磁力线穿过左手掌心，四指指向电流方向，则拇指就指向多数载流子所受洛伦兹力FL的方向。霍尔传感器转速测量N型半导体薄片●由于洛仑兹力FL的作用，自由电子会向一侧发生偏转（如图中虚线所示），结果在半导体的前端面上电子积累带负电，而后端面缺少电子带正电，在前后断面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE和FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。►霍尔传感器工作原理——霍尔效应霍尔传感器转速测量N型半导体薄片霍尔系数，材料确定后为常数灵敏度系数对于导体，霍尔系数一般较小，故霍尔元件一般用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高。►霍尔传感器工作原理——霍尔效应霍尔传感器转速测量►霍尔传感器工作原理——霍尔元件霍尔传感器转速测量●定义：基于霍尔效应制成半导体元件称为霍尔元件。1.霍尔元件结构由霍尔片、引线和壳体组成霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。√a、b两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；√c、d引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。（a）（b）►霍尔传感器工作原理——霍尔元件霍尔传感器转速测量●定义：基于霍尔效应制成半导体元件称为霍尔元件。1.霍尔元件结构霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成（c）►霍尔传感器工作原理——霍尔元件霍尔传感器转速测量●定义：基于霍尔效应制成半导体元件称为霍尔元件。2.霍尔元件主要特性参数霍尔灵敏系数输入电阻、输出电阻等位电势和不等位电阻寄生直流电势霍尔电势温度系数额定激励电流和最大允许激励电流基本电路控制电流由电源E供给，RP为调节电阻，调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载Rf，Rf可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，I或B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B或两者的乘积。►霍尔传感器测量电路——基本电路及原理霍尔传感器转速测量►霍尔传感器测量电路——温度误差及补偿温度误差霍尔元件测量的关键是霍尔效应，而霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数（如霍尔电势和输入、输出电阻等）成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差。为减小霍尔元件温度误差，需要对基本测量电路进行温度补偿的改进，可以采用的补偿方法有许多种，常用的有以下方法：采用恒流源提供控制电流，选择合理的负载电阻进行补偿，利用霍尔元件回路的串联或并联电阻进行补偿，也可以在输入回路或输出回路中加入热敏电阻进行温度误差的补偿。温度误差的补偿霍尔传感器转速测量►霍尔传感器工作原理——不等位电势及补偿霍尔传感器转速测量●当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值IH时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势。1.不等位电势霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等不等位电势产生示意图a）两电极点不在统一等位面

b）等位面歪斜►霍尔传感器工作原理——不等位电势及补偿●A、B为控制电极，C、D为霍尔电极，在极间分布的电阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情况是R1＝R2＝R3＝R4，即零位电势为零（或零位电阻为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻不等。ABCDIR1R2R3R42.不等位电势的补偿霍尔传感器转速测量►霍尔传感器工作原理——不等位电势及补偿●补偿原理：将R1、R2、R3、R4其视为电桥的四个臂，即电桥不平衡，为使其平衡可在阻值较大的臂上并联电阻，或在两个臂上同时并联电阻。ABCDIR1R2R3R42.不等位电势的补偿霍尔传感器转速测量●项目——速度与位置的测量●任务——霍尔传感器转速测量应用►霍尔集成传感器霍尔传感器转速测量●定义：是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。特点由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性具有体积小、质量轻、功耗低等优点线性型开关型●分类►霍尔集成传感器——线性霍尔集成传感器霍尔传感器转速测量●定义：是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。霍尔元件恒流源线性差动放大器●应用：广泛用于位置、力、质量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。线性型三端霍尔集成电路－＋×稳压整形VCC输出地123霍尔元件放大●组成：它由霍尔元件、放大器、输出晶体管、施密特电路和稳压电源等组成，与线性集成传感器不同之点是增设了施密特电路，通过晶体管的集电极输出。开关集成传感器►霍尔集成传感器——开关集成霍尔传感器霍尔传感器转速测量►霍尔集成传感器——开关集成霍尔传感器－＋×稳压整形VCC输出地123霍尔元件放大●开关集成传感器只有一个输出端，是以一定磁场电平值进行开关工作的。由于内设有施密特电路，开关特性具有时滞性，因此有较好的抗噪声效果。开关集成传感器霍尔传感器转速测量►霍尔集成传感器——开关集成霍尔传感器转速测定里程测定机械设备的限位开关按钮开关电流的检测与控制位置及角度的检测保安系统汽车点火系统霍尔传感器转速测量►霍尔传感器的应用010203激励电流不变，霍尔电势正比于磁场强度，可进行位移、加速度、转速测量。磁场强度不变时，传感器输出正比于激励电流，可检测与电流有关的物理量，并可直接测量电流。激励电流与磁场强度都为变量，传感器输出与两者乘积成正比，可测量乘法运算的物理量，如功率。霍尔传感器转速测量●在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。►霍尔传感器的应用——测转角或转速SN线性霍尔磁铁●霍尔转速表霍尔传感器转速测量

在被测体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适用于低转速，体积小、安装方便，对环境无要求，适合各种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜长期工作。

●霍尔式转速计►霍尔传感器的应用——测转角或转速霍尔传感器转速测量

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。

●霍尔转速传感器在汽车防抱死装置的应用►霍尔传感器的应用——测转角或转速带有微型磁铁的霍尔传感器霍尔传感器转速测量霍尔传感器转速测量弹性元件霍尔元件磁路系统用来感受压力并把压力转换成为位移量通常把霍尔元件固定在弹性元件上，当弹性元件产生位移时，将带动霍尔元件在具有均匀梯度的磁场中移动，从而产生霍尔电势的变化，完成将压力（或压差）变换成电量的转换过程。►霍尔传感器的应用——测位移●霍尔无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子电路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。►霍尔传感器的应用——霍尔无刷电动机霍尔传感器转速测量►霍尔传感器的应用——霍尔无刷电动机●无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；●三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩。霍尔传感器转速测量●当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。►霍尔传感器的应用——霍尔式接近开关霍尔传感器转速测量►霍尔传感器的应用——霍尔式接近开关●霍尔式接近开关应用于限位●当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC），起限位的作用。霍尔传感器转速测量►任务实施霍尔传感器转速测量用霍尔线性电路检测铁磁物体用霍尔线性电路检测齿口的线路●汽车用霍尔转速计是在霍尔式接近开关线性电路背面偏置一个永磁体。可以检测铁磁物体的缺口进行计数，也可以检测齿轮的齿计数。霍尔元件的输出通过检测电路可以测出齿轮的转速。●项目——位移检测●任务——轴承滚柱直径检测电感式传感器测量位移►任务导入●在装配轴承滚柱时，为保证轴承的质量，一般要先对滚柱的直径进行分选，各滚柱直径的误差在几个微米，因此要进行微位移检测。►电感式传感器●电磁感应：当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电磁感应。电感式传感器测量位移电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈电感（或互感系数）的变化的一种机电转换装置。电感式传感器输入的各种机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、比重等参数电能量自感式互感式►自感式传感器工作原理自感式传感器被测量的变化自感L的变化自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。铁芯和衔铁由导磁性材料制成，其结构如图所示。在铁芯和衔铁之间有气隙，气自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。铁芯和衔铁由导磁性材料制成，其结构如图所示。在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。►自感式传感器工作原理δ线圈铁芯衔铁Δδ●自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。●铁芯和衔铁由导磁性材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。●当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。铁芯和衔铁由导磁性材料制成，其结构如图所示。在铁芯和衔铁之间有气隙，气自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。铁芯和衔铁由导磁性材料制成，其结构如图所示。在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。►自感式传感器工作原理δ线圈铁芯衔铁Δδ►自感式传感器工作原理δ线圈铁芯衔铁Δδ变气隙式变截面积式螺线管式►自感式传感器工作原理1.变气隙式自感传感器●基本工作原理：力F将活动铁心（称为衔铁）往下按，毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。电感式传感器测量位移F►自感式传感器工作原理电感量与气隙厚度成反比电感式传感器测量位移√气隙厚度大，电感量变小，感抗小，线路电流大√气隙厚度小，电感量变大，感抗大，线路电流小●变隙式传感器灵敏度●灵敏度与初始气隙厚度有关，呈非线性，为了保证一定的线性度，变气隙式自感传感器只能工作在一段很小的区域，因而只能用于微小位移的测量。为减小误差实际测量多采用差动形式。►自感式传感器工作原理●在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。电感式传感器测量位移1.变气隙式自感传感器——差动式自感式传感器1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件优点优点√可以改善线性提高灵敏度√温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差►自感式传感器工作原理●在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。电感式传感器测量位移1.变气隙式自感传感器——差动式自感式传感器●差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成，测量时，

衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等,方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。●差动变隙式传感器灵敏度：提高一倍自感式传感器工作原理2.变截面积式自感传感器●铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面积改变，导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器。由于漏感等因素，变截面积式电感传感器在S0为0时，仍有较大的电感，所以其线性区较小，且灵敏较低。►自感式传感器工作原理3.螺线管式自感传感器●其主要元件在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。传感器工作时，衔铁在线圈中深入长度的变化将引起螺线管电感量的变化。电感式传感器测量位移螺线管式电感传感器►自感式传感器工作原理3.