检测与控制-第二章：常用传感器课件

第二章材料成形及控制工程常用传感器

第一节概述化学变化电PH计、微生物传感器舌味觉气体吸附电阻电气味传感器鼻嗅觉压（力）电阻电应变计、压敏元件触觉声压电耳听觉光电位置、速度电CCD编码器眼视觉物理量的变换传感器举例感官表2-1人体五感与传感器1检测与控制-第二章：常用传感器一、传感器的分类

1、按传感器输入端被测物理量（用途）分类

（1）机械量：质量、力、扭矩、应力等；

（2）热工量：热量、热流、温度、流速、流量等；

（3）物性参量：密度、粘度、酸碱度等；

（4）光学量：光强、光通量、辐射能量等；

（5）化学量：气体的组分、液体的组分等。

2检测与控制-第二章：常用传感器

2、按传感器输出端被测物理量分类

（1）电参数型传感器：电阻式、电容式、电感式；

（2）电量型传感器：感应式、压电式、热电式、光电式等；

3检测与控制-第二章：常用传感器

3、按能量关系分类

（1）能量转换型（有源型、发生器型）：如热电偶、光电池等。

（2）能量控制型：如R、L、C电参数型传感器，必须由外部提供激励源（电源）。4检测与控制-第二章：常用传感器

4、按传感器结构是否变化分类

（1）结构型：由敏感元件（如弹性元件）和变换器（如电阻式变换器）组成。

（2）物性型：只有变换器，如热电偶（既是变换器也是传感器）

5检测与控制-第二章：常用传感器二、传感器技术的现状与发展

（1）小型轻量化；

（2）数字化；

（3）多样化；

（4）集成化；

（5）新型化；

（6）智能化。

6检测与控制-第二章：常用传感器第二节电参数型传感器其输出量为电参数：电阻、电感、电容、互感。一、电阻式传感器被测非电量的变化引起电阻器阻值改变的变换元件。原理：R=L/A

其中，R—电阻值；L—导线长度；—电阻率；A—导线截面积。7检测与控制-第二章：常用传感器电阻式传感器的类型有以下三种：1）电位器式传感器：利用电刷来回移动，改变电阻器长度L2）电阻应变式传感器：利用应力应变使电阻丝产生变形，使电阻丝长度L、截面积A和电阻率

均发生改变。3）利用热或其它物理量使传感器的电阻率

发生变化8检测与控制-第二章：常用传感器1、电位器式传感器按其输出特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。（1）线性线绕电位器

原理：Uo=xUi/L（见图2-1，P21）其中，Uo—电刷行至x处对应的电压；

x—电刷行程；

Ui—电位器输入电压；

L—电位器总行程；9检测与控制-第二章：常用传感器（2）非线性线绕电位器（函数电位器）

输出电压（或电阻）与电刷行程之间呈非线性关系，可以实现指数、对数、三角及其它任意非线性函数的输出。分为变骨架式和变节距式。

1）变骨架式非线性线绕电位器

在其它结构参数不变的条件下，通过改变骨架高度来实现非线性函数的关系变换（见图2-3a)，P22）。

2）变节距式非线性线绕电位器在其它结构参数不变的条件下，通过改变绕线节距来实现非线性函数的关系变换（见图2-3b)，P22）。10检测与控制-第二章：常用传感器2、电阻应变式传感器将应变量输入转换为电量输出。（1）构成及其工作原理

由电阻应变片、弹性元件和粘接剂三部分组成。作用力弹性元件应变应变片应变应变片阻值变化11检测与控制-第二章：常用传感器（2）电阻应变片的分类及其构造由敏感元件、基片、覆盖片和引出线四部分组成。

1）电阻丝式应变片：敏感元件为金属丝（U、V和H，见图2-4a)、b)、c)，P23）。

2）箔式应变片：敏感元件为采用光刻及腐蚀技术而制成的金属箔柵（单应力、扭矩和压力，见图2-5a)、b)、c)，P24）。

箔式应变片比电阻丝式应变片性能好。

3）半导体应变片：原理：半导体单晶的压阻效应（结构见图2-5a)、b)、，P25）。优点：灵敏度高。12检测与控制-第二章：常用传感器3、热电阻和热敏电阻

原理：金属和半导体的电阻率随温度的变化而变化。

（1）金属丝热电阻：常用的测温的金属丝有：铂、铜、铁和镍等。其电阻与温度的关系为：

Rt=R0(1+t)其中，Rt、R0—温度为t和t0时的电阻值；

—电阻温度系数，随材料不同而异。半导体热敏电阻的热敏温度系数为正值。13检测与控制-第二章：常用传感器（2）半导体热敏电阻：锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，按一定比例混合烧结而成。其外形有珠状、片状和柱状（如图2-8：a)、b)、c)，P26）。基本特性是电阻与温度之间的关系，即

R=Aexp(B/T)其中，A—与热敏电阻尺寸、形式及半导体物理性能有关的常数；

B—与半导体物理性能有关的常数；

T—热敏电阻热力学温度。半导体热敏电阻的热敏温度系数为负值。14检测与控制-第二章：常用传感器4、气敏电阻传感器

原理：吸附气体引起敏感元件的电阻值发生变化。

图2-9为常见的检测可燃性气体的气敏元件：a)多孔质烧结体型；b)薄膜型；c)厚膜型。一般有加热器，以烧去附在元件表面的油污和尘埃。15检测与控制-第二章：常用传感器二、电容式传感器

原理：C=

0

rS/d

其中，S—两金属板间相对有效面积；

d—两金属板间距离；

r—极板间介质相对介电常数；

0—真空介电常数。改变r（改变介电常数）

、S（改变面积）、d（改变极距）中的任意参数，即可使电容C发生变化。1、改变极板间距离的电容式传感器（图2-10，P28）

C1=C0SlnC0

/

0(

C1与有近似线性关系）在实际应用中，为了提高灵敏度（比单一电容提高一倍），做成差动形式（图2-11，P29）。16检测与控制-第二章：常用传感器2、改变极板有效面积的电容式传感器（图2-12，P30）

图2-12为一种电容式角位移传感器，当动片有一角位移时，与定片相叠部分的面积S发生变化，从而使两极板间电容量发生变化。

C1=C0-C0

/

(其中

C0=

S/

0）

图2-13为一种筒形线位移传感器，当内、外相叠长度l与筒间隙（=R-r）相比大很多时，电容增量为

C=C

l

/l

(其中

C=2

l

/(lnR/r)）在实际应用中，常做成差动形式，以改善其线性度。17检测与控制-第二章：常用传感器二、电感式传感器

原理：依据电磁感应的原理，把被测位移变化转换为自感系数L或互感系数M的变换。前者称为自感传感器，后者称为互感传感器或变压器式传感器。1、自感式传感器（1）改变气隙厚度的自感传感器

线圈绕在铁心上，铁心与衔铁之间有一气隙，其厚度为

（见图2-14，P31），线圈的电感值L为：

LW20S/（2

）电感量L与气隙厚度成反比。其缺点是非线性严重（图2-15，P31）18检测与控制-第二章：常用传感器（2）改变通磁气隙截面积的自感传感器

由公式LW20S/（2

）知，电感量L与气隙厚度成反比。改变通磁气隙截面积S可使L发生变化，并且电感量L与S在一定范围内具有良好的线性关系。（图2-16a)，P31）。图2-16b)给出了其工作原理：当衔铁随测杆产生一定位移后，使通磁气隙截面积S发生相应变化，从而改变线圈的电感量L。（3）螺线管式自感传感器

工作原理如图2-17（P32）所示，当测杆有一定位移时，带动铁心在螺线管中移动，使线圈的电感量发生变化。由于其磁力线路径不规则，很难用数学公式描述线圈电感量与铁心位移之间的关系，故设计时一般靠经验数据和实验来确定。19检测与控制-第二章：常用传感器2、互感式传感器把位移量变化转换为线圈互感系数M变化，其本身为一个变压器。（1）改变气隙厚度

的互感式传感器

与自感式传感器工作原理相似（图2-18，P32）。可以证明：输出电压Usc与传感器变压比W2/W1、衔铁偏移量、激励电压E成正比，与磁路气隙厚度0成反比。（2）螺线管型差动变压器式传感器

主要由线圈、线圈框架和铁心组成（图2-19，P33）。一次线圈(W1)通电激励所引起磁场的强度在二次线圈(W21和W22）中的分布，与铁心所处位置有关。20检测与控制-第二章：常用传感器第三节电量型传感器

电量型传感器的输出量是电量（电压、电流、电荷）。一、磁电（感应）式传感器

1、基本原理利用电磁感应原理，将运动速度转换为线圈中的感应电动势输出。

原理：E=-Nd/dt

其中，N—线圈匝数；—磁通。从上式可知，线圈中感应电动势E的大小，取决于匝数N和穿过先圈的磁通变化率。21检测与控制-第二章：常用传感器2、磁电式传感器的基本结构形式

（1）线速度型磁路系统由圆柱型永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭以及圆筒形空气隙组成。空气隙中磁感应强度B呈辐射状，线圈以垂直切割磁力线方向相对磁铁运动速度为v,如图2-22（P35）所示。

对于N匝线圈，在线圈中产生的感应电动势e为：

e=-Nd/dt=-NBldx/dt=-kv

其中，k—线速度型灵敏度常数，k=NBl。从上式可知，当N、B、L均为常数时，e与线圈对磁场的相对运动的速度v成正比，因此可以构成线速度传感器。在测量电路中接一积分单元，则输出电压与位移成正比；接一微分单元，则输出电压与加速度成正比。因此可测位移、速度和加速度。22检测与控制-第二章：常用传感器（2）角速度型如图2-23（P36）所示。

对于N匝线圈，在线圈中产生的感应电动势e为：

e=-Nd/dt=-NBhbd/dt=-NBA

其中，A=hb—单匝线圈的截面积；

—角速度从上式可知，当N、B、A均为常数时，e与线圈对磁场的相对运动的角速度成正比，因此可以构成转速传感器。（3）磁阻式(变磁通式）

在这种结构中，线圈与磁铁之间没有相对运动，由运动者的被测物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻，引起磁通量变化，从而在线圈中产生感应电动势。

图2-24中所示的永久磁铁及缠绕其上的线圈组成此种传感器。其中图2-24a为频率传感器，当齿轮旋转时，在线圈中感应出交流电势E，其频率便等于齿轮的齿数和转速的乘积。

23检测与控制-第二章：常用传感器二、压电式传感器

利用压电材料的压电效应而制成的一种变换器，当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）产生。

如图2-25a（P37）所示，压电晶片受力F后产生电荷Q，其值与所加的力成正比。若压电晶片的电容为C，则其输出电压U为

U=Q/C=(k/C)F=KUF

其中，KU—压电系数。图2-25b（P37）是压电加速度的原理。当加速度计与被测件一起以加速度a运动时，重块就以F=ma作用在压电晶片上。在压电晶片两端面产生的电荷（或电压）与加速度成正比。24检测与控制-第二章：常用传感器三、压磁式传感器某些铁磁性物质，在外界机械力的作用下其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变，这种改变导磁性质的物理现象称为“压磁效应”。

压磁式传感器就是利用上述原理制成的。在一定形状硅钢片上交叉绕上两个绕组，即构成压磁式传感器的检测元件（图2-26，P38）。通过测量感应出的电流I或U，即可测定作用力F的大小。25检测与控制-第二章：常用传感器四、霍尔元件式传感器

利用霍尔效应（图2-27，P39）而制成。实践证明，霍尔电压E与电流I、磁感应强度B成正比，即

E=kIB

当移动产生磁场的磁铁或者移动霍尔片时，就相当于改变磁感应强度B，从而使霍尔电压E改变，起到了将位移量转换成电压量的作用。一般根据上述原理制造测力、测位移