传感器技术与应用全书课件整本书电子教案

传感器技术与应用学习目标：使学生了解传感器的组成和各组成部分的作用。学习重点：

传感器的基本构成和选用。学习难点：

传感器的选用。

传感器的组成传感器：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为另一种与之有确定对应关系的、并且便于测量的量的装置。传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。

（1）敏感元件：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。（2）转换元件：将敏感元件的输出量转换成电路参数量。（3）转换电路：电参量转换成可直接利用的电信号。

敏感元件

传感元件

测量转换电路非电量非电量电参量电量（被测量）人与机器的机能对应关系

分类：（1）按照被测物理量：温度、压力、位移、转速、加速度、位置、湿度、气体浓度、流量、流速等传感器。（2）按照传感器的工作原理（3）转换能量（4）转换机理传感器的样式细长型压力传感器位移传感器温度传感器传感器的发展

1．发现并利用新现象

利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。

传感器的发展

2．利用新材料

传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。

传感器的发展

3．微机械加工技术半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺，各向异性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。

传感器的发展

4.集成传感器集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器，其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，它可降低成本、增加产量，美国LUCAS、NOVASENSOR公司开发的这种血压传感器，每星期能生产1万只。

传感器的发展

5.智能化传感器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，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点。美国HONYWELL公司ST-3000型智能传感器，芯片尺寸才有3×4×2mm3，采用半导体工艺，在同一芯片上制成CPU、EPROM、静压、压差、温度等三种敏感元件，把传感器、信号调节电路、单片机集成在一芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器。

检查轴承/滚珠是否脱漏检查容器内的液位传感器定义传感器（Sensor）是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或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

日常生活中也大量使用了各种传感器，如全自动洗衣机、音响设备、计算机、打印机、遥控电视等。例如电视机遥控器就是利用红外光（红外线）接收、发射传感器来控制电视的。

霍尔传感器磁敏传感器温度传感器

超声波传感器压力传感器压电传感器

气敏传感器液位传感器传感器的选择原则

1．测试条件与目的（1）测试的目的；（2）被测量的选择；（3）测量范围；（使用的指示在满量程的50%以上，以保证其精度。）（4）过载的发生频率；（5）输入信号频带；（6）测量要求的精度；（7）测量时间；传感器的选择原则2．传感器的性能（1）精度；（2）稳定性；（3）响应速度；（4）输出信号类型（模拟或数字）；（5）静态特性、动态特性和环境特性；（6）传感器的工作寿命和循环寿命；（7）标定周期；（8）信噪比；

传感器的选择原则3．传感器的使用条件（1）所测量的流体、固体对传感器的影响；（2）传感器队被测对象的质量（负荷）效应；（3）安装现场条件及环境条件（温度、湿度、振动等）；（4）信号的传输距离；（5）传感器的输出端的连接方式；（6）传感器队所测量物理量的实际值的影响；（7）传感器是否符合国家标准或工业规范；（8）传感器的失效形式；（9）传感器的维护、安装、使用工作人员所具备的最低技术能力；（10）传感器的标定方法；（12）传感器的安装方式；（13）过载保护；传感器的选择要求4．传感器所连接数据采集系统及辅助设备（1）传感器所连接数据系统一般性质；（2）数据系统主要单元的性质，其中包括数据传输连接方式、数据处理方法、数据存储方法和数据显示方法等。（3）数据系统的精确性和频率响应特性；（4）传感器连接数据系统的负荷阻抗特性；（5）传感器的输出是否需要进行频率滤波和幅值变换及其处理方法；（6）数据系统对传感器输出误差监测或校正能力；

传感器的选择要求5．传感器的购置及维护（1）传感器的价格；（2）出厂日期；（3）服务体制；（4）备件；（5）保修时间；

传感器的常用使用方法使用前必须要认真阅读使用说明书。正确的选择安装点和正确安装传感器。安装失误不仅会影响测量精度，而且会影响其使用寿命，甚至会损毁传感器。保证传感器的使用安全性。传感器和测量仪表必须可靠连接，系统应有良好的接地，远离强电磁场，传感器和仪表应远离强腐蚀性物体，远离易燃易爆物品。

传感器的常用使用方法仪器的输入端和输出端必须保持干燥和清洁，传感器在不用时，保持传感器的插头和插座的清洁。精度较高的传感器传感器需要定期校准，一般3~6周校准一次。个准传感都有银锭的过载能力，但使用时应尽量不要超量程。传感器不使用时，应存放在温度为10~35℃，相对湿度不大于85%，无酸、无碱、无腐蚀性气体的房间内。

学习目标：使学生了解炉温检测器件、测温范围、和测温电路。学习重点：

（1）热电偶的四个基本定律；（2）热电偶的冷端补偿；（3）热电偶分度表的应用。学习难点：

热电偶的冷端补偿和基本定律的应用。任务提出：

盐浴加热炉是在规定时间内使炉温达到要求的温度。加热炉的炉温在150～1300℃之间，它要跟随轧机轧制节奏的变化来随时调节，所以能否有效地控制加热炉的温度，直接影响钢坯的质量和成本，而对温度进行精确地测量是控制的前提。

资讯

热电偶传感器是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出。使用十分方便，常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。它的测温范围很广，常用的热电偶测温范围为－50℃～＋1600℃，某些特殊热电偶最低可测－270℃，最高可达＋2800℃。接线盒引出线套管不锈钢保护套管热电偶工作端固定螺纹普通装配型热电偶的外形各种铠装型热电偶各种防爆型热电偶热电偶的结构

（a）（b）（a）普通热电偶；（b）铠装热电偶标准型热电偶及基本特性热电偶名称分度号测温范围特点铂铑30-铂铑6B200~1700℃测温上限高，性能稳定，精度高，热电势小，价格贵。铂铑13-铂R0~1600℃性能稳定，精度高，复现性好；热电势较小，价格贵，不能在金属蒸气和还原性气体中使用。铂铑10-铂S0~1600℃同上。在所有热电偶中，准确度最高，用作标准标准温度计使用。镍铬-镍硅K-200~1200℃测温范围宽，热电势大且近似为线性，价格便宜，性能稳定，应用最广。镍铬-康铜E-200~800℃线性好，热电势最大，价格便宜。铁-康铜J-200~750℃价格便宜，热电势较大，极易氧化。铜-康铜T-200~400℃精度高，性能稳定，线性好，适用于低温测量。镍铬硅-镍硅N-200~1200℃新型热电偶，性能优于K型。（二）热电偶工作原理一、热电效应：由两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中，回路中产生一个方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关的电动势，这种效应称为“热电效应”，或称温差电效应。

1．热电偶：导体A、B组成的回路。2．热电极：两种导体A、B。3．热电势：闭合回路中的电势。4．测量端（工作端、热端）：置于被测温度（T）中。5．参考端（自由端、冷端）：置于恒定温度（T0）中。（三）热电偶的基本定律一、均质导体定律：如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电偶回路内的总热电动势均为零。

实际应用可以用来测什么？机电设备中传感器的连接与信号获取二、中间导体定律：在热电偶A、B回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的电动势不变。在回路中接入各种仪表，会不会影响回路的电动势？三、标准电极定律：

如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶的热电动势也就已知。应用：测得各种金属与纯铂组成的热电动势，则各种金属相互组成的热电偶的热电动势也可知。四、中间温度定律：

热电偶在两接点温度T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时的相应热电动势的代数和。

决策与计划

根据盐浴炉的测温范围及使用要求，结合热电偶的相关知识，选用性价比最优的镍铬－镍硅（K）热电偶作为测温传感器。

如下图所示，将热电偶的热端插入炉内检测炉温T，冷端通过补偿导线与测量仪表的输入铜导线相连，并插入冰瓶，保证T0＝0℃，此时通过测量仪表测得的热电势即可确定炉内的实际温度。假如冷端温度T0不能保证为0℃，则须进行计算修正。

测量炉温示意图实施热电偶的选择、安装使用和校验：热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。安装点要代表性，安装方法要正确。一般将热电偶安装在管道的中心线位置上，并使热电偶测量端面向流体，使测量端充分与被测介质接触，提高测量准确性，尽可能测得介质的真实温度。为保证测温精度，热电偶要定期校验。校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶在同一校验炉或恒温水槽中进行比对。检查与评价热电偶测温误差原因：1.热电偶的非均匀性分度误差：由于热电偶材料粗细不均匀或不纯等原因，使热电偶温差电特性与统一的分度表有一定的误差。2.冷端不为零。3.热电偶长期处于高温环境下已氧化变质。4.各连接点接触不良。学习目标：使学生了解数字节能电冰箱温度检测点，测温范围、测温器件和测温电路。。学习重点：

（1）热敏电阻的测温范围及性能；

（2）热敏电阻的测温电路分析。学习难点：

热敏电阻的测温电路分析。任务提出：

在家用电器中，大量设备如电冰箱、电饭煲、空调器、热水器、电熨斗、洗衣机等，都要对温度进行测量。现在冰箱要求保鲜功能越来越精确。对温度控制要求也更高资讯

数字节能电冰箱中就有四个感温探头，其中两个感温探头感测冷藏室上部和下部温度，另一个感温头感测冷冻室温度，还有一个位于台面的感温头感测环境温度。通过四个探头感测到环境、冷藏、冷冻的温度，再传输到控制系统进行处理，根据结果精确控制电冰箱的工作。

热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化较显著的特点制成的一种热敏元件。它的测温范围在－50～350℃。它具有灵敏度高；热惯性小，反应速度快；体积小，使用方便；制作简单，价格低廉，易于大批量生产等优点。热敏电阻的外形结构及符号ａ）圆片型b）柱型c）珠型d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1-热敏电阻；2-玻璃外壳；3-引出线；4-紫铜外壳；5-传热安装孔各种热敏电阻的外形图各种热敏电阻的外形图（二）热敏电阻的工作原理

半导体材料的电阻率温度系数有从－（1～6）％/℃～60％/℃范围内的各种数值，它为金属材料的温度系数的10～100倍。热敏电阻就是利用半导体材料的电阻值随温度的变化而显著变化的这一特性制成的测温传感器。热敏电阻的分类温度系数负指数型负突变型（CTR）负温度系数热敏电阻（NTC）正温度系数的热敏电阻（PTC）线性型突变型各种热敏电阻的特性一、负温度系数热敏电阻NTC：

电阻率ρ随着温度的增加比较均匀的减小的热敏电阻。主要用于温度测量和补偿，测温范围一般为–50～350℃，温度系数为－（1～6）％/℃。应用负温度系数热敏电阻器（NTC）一般用于各种电子产品中作微波功率测量、温度检测、温度补偿、温度控制及稳压用，选用时应根据应用电路的需要选择合适的类型及型号。二、正温度系数热敏电阻PTC：

一种新型的测温器件，温度变化与电阻率变化之间呈线性关系。应用正温度系数热敏电阻器（PTC）一般用于电冰箱压缩机起动电路、彩色显像管消磁电路、电动机过电流过热保护电路、限流电路及恒温电加热电路。三、PTC（突变）、CTR热敏电阻：电阻率ρ随着温度的变化而变化，当超过某一温度值时，电阻率发生急剧变化的热敏电阻，具有开关特性。在某一较窄温度范围内做温度控制开关或监测，应选用哪一种？决策与计划

冰箱冷藏室的温度范围一般在0℃～＋10℃；冷冻室温度范围在0℃～－30℃；环境温度在－10℃～＋40℃。结合热敏电阻的相关知识，可选用负温度系数热敏电阻NTC作为测温传感器。

由于热敏电阻的热电特性具有非线性，因此在选用时，要挑选在使用温度范围内线性变化，且寿命长，不易损坏的热敏电阻。在一些场合，要外加线性化电路或通过查表，才能得到准确的温度值。

热敏电阻温度控制电路检查与评价

传感器接地应可靠，传感器的导线连接不得短路。

学习目标：：使学生了解空调温度检测点，测温范围、测温器件和测温电路。学习重点：

（1）集成温度传感器的测温范围及性能；

（2）集成温度传感器的测温电路分析。

学习难点：

集成温度传感器的测温电路分析。任务提出：在空调器、精密数字温度计、复印机、电冰箱和热电偶的冷端补偿等很多应用场合，要求测温精度高，线性好、能直接与数字电路相连接。空调温度的控制精度取决于温度信号的检测。

资讯

变频空调有多个感温探头，一个安装在空调器室内蒸发器进风口上，用于检测室内环境温度；一个安装在室内蒸发器管道上，直接与盘管接触，用于检测制冷系统蒸发温度；一个安装在室外散热器上，用于检测室外环境温度；一个安装在室外散热器盘管上，用于检测室外管道温度；还有一个安装在室外压缩机上，用于检测压缩机排气管温度。多个感温探头精确检测到的温度送入控制器处理后，可精确控制空调的运行。

集成温度传感器是将温度敏感元件和放大、运算及补偿电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上，从而构成集测量、放大、电源供电回路于一体的高性能温度传感器，又称温度IC集成温度传感器模拟集成温度传感器数字集成温度传感器集成温度传感器测温精度高、重复性好、线性优、体积小、响应速度快、输出阻抗低，与数字电路可直接连接。工作温度范围较窄（－55℃～＋150℃）。集成温度传感器的分类空调温度传感器外形图

AD590是电流输出型集成温度传感器，其输出电流与环境绝对温度成正比，可直接制成绝对温度仪。它有I、J、K、L、M等五档型号。其系列产品的外形及符号如图所示。它共有三个管脚：1脚为正极，2脚为负极，3脚接管壳。使用时将3脚接地，可起屏蔽作用。AD590系列集成温度传感器

1．测温范围：－55℃～＋150℃；图2-29AD590系列产品的外形及符号2．非线性：I：±3℃；J：±1.5℃；K：±0.8℃；L：±0.4℃；M：±0.3℃；3．二端器件：电压输入，电流输出；4．额定温度系数：K；5．额定输出电流（25℃）：298.2；6．最大正向电压：44V；7．最大反向电压：－20V。AD590系列集成温度传感器外形图参

数IJKLM工作电压+4～+30V25℃电流输出298.2

A温度系数1

A/K25℃可校正误差

10℃

5.0℃

2.5℃

1.0℃

0.5℃非线性误差

3.0℃

1.5℃

0.8℃

0.4℃

0.3℃长期漂移

0.1℃输出阻抗＞10M

+4～+5V0.5

A/V+5～+15V0.2

A/V+15～+30V0.1

A/V最大正向电源+44V最大反向电源-20V应用AD590是一种电流型的温度传感器，它具有较强的抗干扰能力，特别适用于远距离温度测量和控制。

AD590电流电压转换电路AN6701S集成温度传感器它是电压输出型集成温度传感器，其输出电压与环境绝对温度成正比。引脚符号功能1VCC电源正极2U0电压输出3GND接地4外接RC改变RC可改变工作温度范围和灵敏度5～8NC空脚

电阻RC用来调整25℃下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范围内。这时灵敏度可达109~110mV/℃，在-10~80℃范围内，RC的值与输出特性的关系如右图。AN6701S有很好的线性，非线性误差不超过0.5%。若在25℃时借助RC将输出电压调整到5V，则RC的值约在3~30kΩ间，相应的灵敏度为109~110mV/℃。校准后，在-10~80℃范围内，基本误差不超过±1℃。

AN6791S输入特性三、主要特性：1．工作温度范围：－10℃～＋80℃2．非线性：±0.5℃3．灵敏度：（105～114）mV/℃4．额定输出电流：±1005．工作电压范围：5V～15V决策与计划空调器的控温范围为＋16℃～＋30℃，各测温探头的测温范围在－10℃～＋50℃之间。在这样的测温范围下，用热敏电阻固然可以，但用集成温度传感器，它的检测精度更高，线性更好，外围器件很少，结合集成温度传感器的相关知识，可选用AN6701S型集成温度传感器作为空调测温传感器。

实施

AN6701S集成温度传感器的接线方式

接线方式有如下图所示的三种：正电源供电（图a）、负电源供电（图b）和输出极性倒置（图c）。由实验得出：环境温度为20℃时，当RC＝1KΩ时，AN6701S的输出电压为3.189V；当RC＝10KΩ时，AN6701S的输出电压为4.792V；当RC＝100KΩ时，AN6701S的输出电压为6.175V。因此，对于检测一般环境温度，AN6701S只要适当调整RC，可省去后续放大器，直接输出。AN6701S集成温度传感器接线图检查与评价1．在接触式测温中，测温元件要与被测对象接触良好，使两者达到同一温度。2．测温元件热容量要小。3．防止测温元件被腐蚀。汽车空调温度传感器AD590简易温度计电路●

学习目标：使学生认识、了解气敏电阻；了解气敏电阻的工作原理和特性。能分析应用电路。●

学习重点：

（1）气敏电阻的工作原理；

（2）气敏电阻的应用。●

学习难点：

气敏电阻的应用电路分析。任务提出：

一般家庭厨房烹调热源有煤气、天然气、石油液化气等，由于这些可燃气体的泄漏、点火失误等原因，造成爆炸、火灾和中毒死伤事故的数字十分惊人。为了保障生命财产安全，要对厨房可燃气体泄漏进行检测。

资讯

在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。它有半导体式、接触燃烧式、固体电解质式、电化学式、集成式等类型。

常用气敏传感器接触燃烧式气体传感器电化学气敏传感器半导体气敏传感器等。检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。

一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之分。

（ａ）酒精传感器（ｂ）甲烷传感器（ｃ）空气质量传感器（d）氧气浓度传感器(e)可燃气体传感器气敏电阻的外形侧视图和底视引脚图f-f：加热电极；AA、BB：气敏电阻电极气敏电阻的符号气敏电阻的基本工作电路：

如右图所示，其中的Uf为气敏电阻的加热电源，U+为气敏电阻的测量电源。工作原理：

气敏电阻是一种半导体敏感器件，它利用半导体材料对气体的吸附而使自身电阻率发生变化的机理进行测量的元件。制作气敏电阻的氧化物半导体材料主要有SnO2、ZnO及Fe2O3等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，材料中还掺入催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等，它们的添加物质不同，能检测的气体也不同。温度特性

在室温下吸收某种气体后，其电导率变化不大，输出电压很小且几乎不变。若保持气体浓度不变，输出电压随温度升高而增大，即该气敏元件的电导率变化很大，灵敏度大幅提高。因此气敏电阻工作时必须加热，它能烧去气敏元件附着的油污、尘埃等，起到清洗作用，并加速被测气体的吸附、脱出过程。控制不同的加热温度，能对不同的被测气体具有选择作用。加热温度与元件输出灵敏度有关，一般为200~400℃。决策与计划

根据厨房可燃气体泄漏检测的使用要求，结合气敏传感器相关知识，选用半导体电阻式气敏传感器。1．厨房使用煤气和天然气：由于该类气体比空气轻，应将报警器安装在靠近天花板处，这样容易积聚上升的气体。2．厨房使用液化石油气：由于该类气体的主要成分为丙烷，比空气重，容易沉积到地面上，因此报警器要安装在接近地面处。A使用煤气和天然气B使用液化石油气实施一、气敏电阻使用时一定要加热：

一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电阻的特性影响很大，因此加热器的加热电压必须恒定。二、温度补偿：

半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和湿度较低时，电阻值较大；温度和湿度较高时，电阻值较小。因此，即使气体浓度相同，电阻值也会不同，需要进行温度补偿。常用的温度补偿电路如右图所示。

制作参考电路制作参考电路常温型半导体气敏传感器生活中实际安装报警器检查与评价厨房气体报警器的性能指标：1．精度：可燃气体的体积百分率达到0.1～0.3％时，能可靠报警。2．工作温度：－10℃～＋40℃。学习目标：使学生认识、了解湿敏传感器；了解湿敏传感器的工作原理和特性。能分析应用电路。学习重点：

（1）湿敏传感器的基本工作原理；

（2）湿敏传感器的应用。学习难点：

湿敏传感器的基本工作原理。任务提出：

在工农业生产和人们的日常生活中，对湿度都有严格的要求。例如在集成电路制造车间，由于湿度与静电电荷有直接的关系，要求低湿度环境；粮仓必须保持干燥的环境，否则粮食容易霉变；空调系统除了调节温度以外，还要控制相对湿度在一定的范围内，才使人感觉舒适；浴室的湿度很大，但其中的镜面如果有水气，则无法发挥其功能。因此湿度的检测和控制是非常重要的。资讯

湿度传感器是基于某些材料能产生与湿度有关的物理效应或化学反应，将湿度的变化转换成某个电量的变化的器件。按输出电量可以分为电阻型、电容型和频率型等；按敏感材料的性质可分为电解质型、陶瓷型、有机高分子型、半导体型等。相关概念1．湿度：是指大气中水蒸气的含量，常用绝对湿度、相对湿度和露点等表示。2．绝对湿度：指单位体积空气中含有水蒸气的重量，单位为g/m3。3．相对湿度：被测气体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压比值的百分比，无量纲。相对湿度表示大气的潮湿程度，被广泛使用。4．露点：指具有某湿度值的气体在压力保持一定的条件下进行冷却，这时包含在气体中的水蒸气饱和凝缩进而结成露，此时的温度称为露点。常用湿敏电阻外形图常用湿敏电容

一、高分子电阻湿敏传感器：1、结构示意图：如右图所示。2、组成：由感湿层、电极和具有一定机械强度的绝缘基片等组成。3．工作原理：高分子电解质感湿材料吸收水分后引起两电极间电阻的变化，将相对湿度的变化转换成电阻阻值的变化。电阻湿敏传感器结构示意图1-感湿层2-电极3-基片二、高分子电容湿敏传感器：

电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的传感器。这类湿敏元件实际上是一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器。吸湿件电介质材料(感湿材料)主要有高分子聚合物(例如乙酸—丁酸纤维求和乙酸—丙酸纤维素)和金属氧化物(例如多孔氧化铝)等。工作原理：当环境相对湿度增大时，环境气氛中的水分子沿着电极的毛细微孔进入感湿膜面被吸附，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。而感湿膜只有一层呈微孔结构的薄膜，因此吸湿和脱湿容易。因此这类传感器的响应速度快。

电容湿敏传感器结构示意图半导体陶瓷湿敏传感器结构示意图a）吸湿单元；b）卸去外壳后的结构；c）外形图；d）局部结构图1-引线；2-多孔性电极；3-多孔陶瓷；4-底座；5-镍铬加热丝；6-外壳；7-引脚；8-气孔半导体陶瓷湿敏传感器组成：由多孔感湿陶瓷薄片的两面加上两个电极，再焊出引线；外面围绕镍镉加热丝，并由引脚引出；把它们固定在绝缘陶瓷底座上组成的。工作原理：当环境湿度发生改变时，多孔感湿陶瓷吸湿，电阻值随之变化。为了防止电阻极化，测量时必须是交流。另外，在高温、高湿环境下，要定期加热清洗，使传感器恢复性能。湿敏传感器的使用一、电源选择：湿敏电阻必须工作在交流回路中。若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣；若交流电源频率过高，由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性。因此应以不产生正、负离子积聚为原则，使电源频率尽可能低。对于离子导电型湿敏元件，电源频率一般以1kHz为宜。对于电子导电型湿敏元件，电源频率应低于50Hz。二、线性化处理：一般湿敏元件的特性均为非线性，为准确地获得湿度值，要加入线性化电路，使输出信号正比于湿度的变化。湿敏传感器的使用三、测量湿度范围：电阻式湿敏元件在湿度超过95％RH时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化，若反复结露与潮解，特性将变坏而不能复原。电容式湿敏元件在80％RH以上高湿及100％RH以上结露或潮解状态下，也难以检测。另外，不能将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，也不能用手摸或用嘴吹其表面。四、温度补偿：通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻温度系数为0.1～0.3，在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。决策与计划

浴室中的水蒸气很大，会使其中的镜子功能丧失，当浴室的湿度达到一定程度时，镜面会结露，表面一层雾气，市场上没有所谓的不结露镜面，而是都要安装镜面水汽清除器。

一般在常温洁净环境，连续使用的场合，应选用高分子湿度传感器，这类精度高，稳定性好。在高温恶劣环境，应选用加热清洗的陶瓷湿度传感器，这类传感器耐高温，通过定期清洗能除去吸附在敏感体表面的灰尘、气体、油雾等杂物，使性能恢复。由于浴室的特定环境，结合湿敏传感器的相关知识，选用结露型传感器为主要器件制作浴室镜面水汽清除器。电容湿度传感器应用电路实施B为结露控制器HDP-07型结露传感器，用来检测浴室内空气的水汽。VT1和VT2组成施密特电路，它根据结露传感器感知水汽后的阻值变化，实现两种稳定的状态。当玻璃镜面周围的空气湿度变低时，结露传感器阻值变小，此时VTl的基极电位约0.5V，VT2的集电极为低电位，VT3和VT4截止，双向晶闸管不导通。如果玻璃镜面周围的湿度增加，使结露传感器的阻值增大到时，VT1导通，VT2截止，其集电极电位变为高电位，VT3和VT4均导通，触发晶闸管VS导通，加热丝通电，使玻璃镜面加热。随着镜面温度逐步升高，镜面水汽被蒸发，从而使镜面恢复清晰。加热丝加热的同时，指示灯VD2点亮。调节的阻值，可使加热丝在确定的某一相对湿度条件下开始加热。

1.控制电路控制电路的电源由降压，经整流、滤波和VD3稳压后供给

。2.使用时，通过改变电阻的阻值，可使加热器的通、断预先确定在某相对温度范围内

总结调试1．元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决。2．加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳。3．负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度。4．环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。5．避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网。6．使用条件:温度-15～35℃;相对湿度45～75%RH;大气压力80～106KPa。

房间湿度控制器电路检查与评价1、一般在常温洁净环境，连续使用的场合，应选择高分子湿度传感器。这类传感器精度高，稳定性好。2、在高温恶劣环境，应选用加热清洗的陶瓷湿度传感器。这类传感器耐高温，通过定期清洗能除去吸附在敏感体表面的灰尘、气体、油雾等杂物，使性能恢复。学习目标：使学生了解压电式传感器的特点、工作原理和应用。学习重点：

（1）压电式传感器的特点和工作原理。

（2）压电式传感器的应用。学习难点：

压电式传感器的工作原理。＊任务提出：生活中，煤气灶点火可以利用压电装置来完成。资讯

当某些电介质在一定的方向上受到外力作用而变形时，内部产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力消失时，电荷也消失；又回到原来不带电的状态，这种机械能转变为电能的现象，称为正压电效应，简称压电效应。相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象称为逆压电效应。具有压电效应的电介质称为压电材料。典型的压电材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等。各种压电材料的外形图（ａ）天然石英晶体（b）石英晶体薄片（c）压电陶瓷（d）高分子压电薄膜石英晶体的外形、坐标轴和切片X轴——电轴，垂直于X轴晶面上的压电效应最显著。Y轴——机械轴，在电场作用下，此轴的机械变形最显著。Z轴——光轴（中性轴），该轴方向上无压电效应。1．纵向压电效应：沿着X轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。如下图（a）（b）所示。产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。2．横向压电效应：沿着Y轴对晶片施加压力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。如下图（c）（d）所示。产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸有关。晶片受力方向与电荷极性的关系（a）x轴方向受压（b）x轴方向受拉（c）y轴方向受压（d）y轴方向受拉压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷是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。原始的压电陶瓷由于内部各个电畴无规则排列，极化效应抵消，因此不具有压电效应。当外加直流电场时，使得电畴规则排列，这时压电陶瓷就有了压电特性。在极化电场去除后，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就产生了电荷。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的压电系数大得多，因此其灵敏度较高。压电陶瓷

压电传感器的等效电路a)电荷源b)电压源压电陶瓷制品正压电效应的应用主要用于燃气点火器，基本工作原理是，由外力压缩一个弹簧并释放，推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压并形成放电火花，点燃可燃气体；

逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器，基本工作原理为，当压电陶瓷片施加交变电场时，压电陶瓷片产生形变即振动，如果振动频率在音频范围内就会发出声音。应用此特性制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电子元件。（a）（b）在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如右图所示。图a为并联接法，图中b为串联接法。图（a）从电路上看，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图（b）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，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。

各种型号压电加速度计压电传感器的应用压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于测量振动、冲击等信号。其外形见下图。应用压电手电筒压电野营点火器应用压电传感器的测量电路电压放大器电荷放大器

决策与计划

压电点火器是以压电效应为理论基础、以压电陶瓷为介质而生产的手动点火装置，多用于各种燃气具，如燃气灶、燃气热水器、燃气冰箱等。实施当使用者将开关往里按时，有一很大的力冲击压电陶瓷，由于压电效应，在压电陶瓷上产生数千伏高压脉冲，通过电极尖端放电，产生了电火花；将开关旋转，把气阀门打开，电火花就将燃烧气体点燃了。煤气灶电子点火装置示意图压电点火器检查与评价

压电传感器的工作原理是基于压电效应，但压电传感器不能用于静态测量，这是因为当外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，这实际上是不可能的，所以压电元件不能用于静态测量。而在交变力的作用下，电荷可以不断补充，瞬时的电荷输出正比于外部作用力，故能用于动态测量。压电陶瓷点火最大优点是不需要电池。不过点火的成功率与环境湿度有关，湿度大时不易点着。此外，点火的时候需要按住开关才能打着火，没有电子脉冲点火那么快。学习目标：使学生了解称重传感器的组成、工作原理及性能指标；称重测量电路的作用及性能。学习重点：

（1）称重传感器的工作原理（2）电桥测量电路的作用及分析。学习难点：称重传感器的工作原理。

＊任务提出：

在生活、生产中，常常需要对物体的重量进行检测。资讯

力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。它是生产过程中自动化检测的重要部件。它的种类很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等，有经弹性敏感元件或其它敏感元件变换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。它主要用于两个方面：测力和称重。（一）测力传感器的弹性敏感元件一、弹簧管压力表的组成：弹簧管是弹性敏感元件，它能感受压力并产生自身的弹性变形。当被测压力作用于弹簧管时，弹簧管便产生相应的变形，通过机械传动机构，使标尺指针偏移角度，从而得到压力的数值。弹簧管压力表的组成框图（一）测力传感器的弹性敏感元件二、弹性敏感元件的基本概念：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。如果变形后的物体在外力去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。（1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。（2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。（一）测力传感器的弹性敏感元件三、弹性敏感元件的基本要求及类型：刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。当刚度和灵敏度为常数时，作用力F与变形X成线性关系，此种元件称为线性弹性元件。（1）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。（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。（3）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。（4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。弹性敏感元件的基本要求（1）变换力（力矩）弹性元件：等截面柱式、悬臂梁、圆环式和等截面薄板等。（2）变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管、膜片（力、压力均可以变换）等。弹性元件输入量

（二）电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的传感器。工作原理：1、电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。（二）电阻应变式传感器2、工作原理：电阻应变式传感器是通过弹性敏感元件将外部的应力转换成应变ε，再根据电阻应变效应，由电阻应变片将应变转换成电阻值的微小变化，通过测量电桥转换成电压或电流的输出。

电阻应变式传感器原理框图

电阻应变片

测量电桥U或i

弹性敏感元件压力P

（d）（e）（f）各种应变式电阻传感器的外形图(a)箔式压力；(b)柱式；(c)悬臂梁式；(d)桥式；(e)轮辐式；(f)S型拉压式金属箔式压力传感器：采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，具有精度高、温度特性好等特点。适用于电子皮带秤、配料秤等场所。柱式传感器：将箔式应变片贴在合金钢制作的圆柱弹性体中段较细的部位。这类传感器结构简单，加工容易，可拉、可压或拉压两用，可承受很大的负载，具有长期稳定性好、密封性好、灵敏度和精度较低等特点。适用于地中衡、料斗秤、汽车衡、轨道衡等场所。悬臂梁式传感器：它将箔式应变片贴在合金钢制作的弹性体的上下两面，弹性体一端固定、一端加载，拉、压均可。具有精度高、密封性好、易安装等特点。适用于电子秤、料斗秤等小量程的称重场合。桥式传感器：采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性能好、抗侧向力和抗偏载能力强等特点。适用于各种汽车衡、轨道衡、料斗秤等场所。轮辐式传感器：承载连接采用钢球或SR球面结构。有较好的自动复位能力，有良好的抗侧抗偏载能力；高精度高灵敏，适用于汽车秤，平台秤，料斗秤，轨道衡等电子衡器。S型拉压式传感器：采用S型结构，由于其载荷的作用点和支撑点在同一轴线上，因此它的受力稳定，称重时，利用其弯曲变形，产生信号。这种传感器拉压均可使用，应用于高湿度环境，具有优越的抗扭、抗侧、抗偏载能力，输出对称性好，精度高、结构紧凑等特点。适用于配料秤、料斗秤、机电结合秤、吊钩秤等场所。金属电阻应变片的结构

金属电阻应变片的结构如右图所示，它由敏感栅、基体、覆盖层（保护片）和引出线四部分组成电阻应变式传感器原理框图

（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）基体起绝缘作用。（金属丝式应变片的结构图）（3）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。（4）引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。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。（二）电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的传感器。工作原理：1、电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。（三）压阻式传感器压阻效应是在半导体材料上施加作用力时，其电阻率将发生显著变化的现象。它有两种类型，一种是利用半导体材料的体电阻，制作成半导体应变计，其灵敏度比金属应变计高两个数量级；另一种是利用半导体集成工艺中的扩散技术，将四个半导体应变电阻制作在同一硅片上，而制成扩散硅压阻式传感器。

决策与计划

根据实际应用，选择电阻应变式传感器实施电阻应变式传感器是将力的变化转换为应变片电阻值的变化，由于电阻值的变化范围很小，最常用的测量电路为电桥电路。

电桥电路：如右图当R1=R2=R3=R4=R时，为等臂电桥。当R1=R2=R；R3=R4=R’时，为输出对称电桥。当R1=R3=R；R2=R4=R’时，为电源对称电桥。由分析可知：当R1R4=R2R3时，电桥平衡，输出电压UO=0。电桥电路

单臂电桥：如右图

R1为电阻应变片。起始时，应变片未承受应变，电桥平衡：R1R4=R2R3，此时UO=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：

单臂电桥双臂电桥（差动半桥）：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。差动半桥差动全桥：电阻R1、R2、R3、R4均为应变片。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。差动全桥差动全桥工作方式的灵敏度最高，差动半桥次之，单臂电桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度变化的自动补偿。因此，一般采用差动全桥电路。

数显电子秤电路原理图检查与评价1.选择称重传感器一定要考虑环境因素、适用范围和精度要求。2.选用的称重传感器一般工作在满量程的30～70％之间。3.称重传感器使用中最大载荷不能超过满量程的120％。4.传感器和仪表应定期进行标定，确保使用精度。5.电桥电压要稳定，稳漂、时漂要小，否则会引起测量误差。学习目标：使学生了解超声波的概念。掌握超声波的传播特性。了解超声波的应用。学习重点：

（1）超声波的传播特性及应用（2）超声波传感器的应用案例分析。学习难点：超声波的发生接收器的工作原理。＊任务提出：

在工业生产中，经常会使用各种密闭容器来储存高温、有毒、易挥发、易燃、易爆、强腐蚀性等液体介质，对这些容器的液位检测必须使用非接触式测量。资讯

超声波是一种机械波，它方向性好，穿透力强，遇到杂质或分界面会产生显著的反射。利用这些物理性质，可把一些非电量转换成声学参数，通过压电元件转换成电量。超声波传感器就是利用超声波的特性，将非电量转换为电量的测量元件。

超声波的特性声波：

是一种机械波，由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动，并由近及远的传播。人耳能听到的声波频率：20HZ～20kHZ范围内。频率超过20KHZ称为超声波，低于20HZ称为次声波。检测中常用的超声波频率范围为几十kHZ到几十MHZ。。超声波的传播特性：

1、传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比。λ为超声波的波长；f为超声波的频率2、通过两种不同的介质时，超声波产生反射和折射现象。但当它由气体传播到液体或固体中，或由固体、液体传播到气体中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。3、通过同种介质时，超声波随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而衰减。超声波在气体中衰减很快，当频率较高时衰减更快。因此，超声波仪器主要用于固体和液体中。超声波的反射和折射超声检测是一种无损检测。广泛用于金属构件、混凝土制品、塑料制品、陶瓷制品的探伤及厚度检测，以及物位、液位、流量、流速检测和防盗报警等许多领域。应用ERW管材焊缝超声检测系统

采用超声检测分析仪检测混凝土(a)磁致伸缩线性位移传感器（b）超声波液位传感器超声波距离传感器以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。超声探头的外形图超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的。超声波传感器的特性

具有小角度，小盲区，测量准确，无接触，防水，防腐蚀，低成本等优点。可应于液位，物位检测，可保证在液面有泡沫或大的晃动，不易检测到回波的情况下有稳定的输出。超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。超声波传感器测距的工作原理超声波传感器的使用1．使用超声波传感器的基本原则2．

超声波传感器选型要点超声波探测用耦合剂超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。决策与计划

根据密闭罐的检测要求，结合超声波传感器相关知识，选用超声波液位传感器进行检测。

静电超声传感器工作原理与电容式麦克风相似：只在一边镀有一层金属的薄介电薄膜形成传感器的活动元件，用来发射和/或接收超声信号。中心开槽的固定底板主要用来集中声束以冲击薄膜。静电传感器更高的灵敏度可转换成比压电传感器更长距离的探测能力（或短距离应用时的更低增益接收电路），以及更为可靠的探测小型及吸声目标的能力。带适当驱动和接收电路的单个静电传感器，可覆盖短至1英寸、长至60英尺的探测距离，使其成为储罐液位测量应用的理想选择。实施工作原理

在液罐下方安装了超声波发射器和接收器。超声波传感器发射出的超声波在液面被反射，经过时间t后，探头接收到从液面反射回的回音脉冲，这样探头到液面的距离L由下式可得：c为超声波在被测介质中的传播速度；t为从发出超声波到接收到超声波的时间。超声波测液位示意图超声波液位传感器安装示意图探头安装要求：

（1）对于铁质容器，可以给探头工作端面涂上硅脂并用磁性吸盘将其直接贴在容器底部即可；若容器外壳是玻璃等其它材料，可以用胶将探头粘贴固定或用支架固定于容器底部。探头指向须与所测距离在同一直线上。

（2）探头正上方无盘管等遮挡物；

（3）远离罐底进液口，以避免进液剧烈流动对测量的影响；（4）远离罐顶进液口下方位置，以避免进液冲击使液面剧烈波动影响测量；

（5）高于出液口或排污口，以避免罐底长期沉积污物对测量的影响.如不满足条件，则应有措施保证定期清除罐底污物；

（6）液位测量头用磁性或焊/粘接固定方式安装时，容器壁上的安装表面尺寸应不小于Ф80的圆面，表面粗糙度应达到1.6，倾斜度应小于3°(旁通管除外)。任务实施图5-28超声波液位检测接收电路检查与评价非接触式超声传感器与接触式机械传感器相比具有很多优势，因为它们可以避免机械活动元件与液体长时间接触而产生的磨损、黏结或腐蚀等。学习目标：使学生了解电容式传感器的工作原理、测量电路及应用电路。学习重点：

（1）电容式传感器的工作原理；

（2）电容式传感器的测量电路和应用。学习难点：

电容式传感器的测量电路和应用。＊任务提出：

各种汽车、飞机的仪表盘上都有油箱油量的指示表，它是驾驶员要掌握的重要参数之一。检测油箱液位的高低。资讯

电容式传感器是把被测非电量转换为电容量变化的一种传感器。它具有高阻抗，小功率；动态范围大，响应速度快；几乎没有零漂；结构简单、适应性强，可在恶劣的环境下使用等优点，但它具有分布电容影响严重的缺点。电容式传感器的工作原理

平板式电容器的电容量：

A为两极板相互覆盖的有效面积；d为两极板间的距离；为极板间介质的介电常数。变间隙式（或变极距式）变面积式变介电常数式+++dA

各种电容式传感器的结构示意图变极距(δ)型：(a)、(e)；变面积(S)型：(b)、(c)、(d)、(f)、(g)、（h）；变介电常数(ε)型：（i）～（l）一、变间隙式电容传感器dΔdd取值不能大，否则将降低灵敏度,实际应用常采用差动式结构差动式结构优点：1、减小非线性误差2、提高传感器灵敏度3、减小寄生电容的影响4、减小温度、湿度等环境因素的影响C2C1d1d2ε0ε0Δδ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。应用直线位移型电容传感器角位移型电容传感器二、变面积式电容传感器变介电常数式电容传感器三、变介电常数式电容传感器

应用：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.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振荡电路感应电极被测物体电容式传感器的测量电路电桥电路运放电路双T电路调频（谐振）电路脉冲宽度调制电路运算放大器式电路调频电路原理框图电容式液位传感器的外形图电容式液位传感器的外形图，主要有棒式和缆式两种

电容式液位传感器探头类型及应用探头类型典型应用金属裸棒探头非导电介质＋导电容器全绝缘棒式探头导电介质或非导电介质＋导电容器带同轴接地管金属裸棒探头介电常数«5的非导电非结晶液体介质；非导电非结晶液体介质＋非导电容器；非导电非结晶液体介质＋容器虽导电但径向尺寸较小且形状不规则带同轴接地管全绝缘探头导电非结晶液体介质＋容器导电但径向尺寸较小且形状不规则金属裸缆探头非导电介质＋导电容器全绝缘缆式探头导电介质或非导电介质＋大型导电容器带参考电极金属裸棒双杆探头非导电易结晶液体介质＋非导电容器带参考电极全绝缘棒式双杆探头导电且易结晶液体介质＋非导电容器；导电且易结晶液体介质＋容器导电但径向尺寸较小且形状不规则整体聚四氟乙烯包覆探头导电或非导电强腐蚀性介质而且环境有腐蚀性挥发物，腐蚀性蒸汽环境决策与计划

电容式液位传感器不仅能测量腐蚀性液体，还能测量粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。选用带同轴接地管全绝缘探头。实施棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变化。注意：（a）屏蔽和接地（b）增加初始电容值，降低容抗。（c）导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。（d）尽可能一点接地，避免多点接地。生产中电容式液位传感器检查与评价消除寄生电容方法1、减小连线电缆长度;2、采用等电位驱动技术学习目标：使学生了解磁电传感器；了解磁电式传感器的工作原理、特点和应用。学习重点：

磁电传感器的应用。学习难点：

磁电传感器的工作原理。

＊任务提出：

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。资讯

磁电式传感器也称电磁感应传感器，它是基于电磁感应的传感器。利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势。磁电传感器的外形图磁电式传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应原理。当匝数为N的线圈在磁场中运动而切割磁力线，或通过闭合线圈的磁通量ф发生变化时，线圈中将产生感应电势eB与V的示意图一、线圈在恒定均匀磁场作直线运动并且切割磁力线θ：线圈运动方向与磁场方向的夹角；B：磁感应强度；x：位移；l：每匝线圈的平均长度；右图B与V的示意图V：线圈与磁场相对运动的速度。线圈相对磁场旋转切割磁力线示意图二、线圈相对磁场旋转切割磁力线

θ为线圈平面的法线方向与磁场方向的夹角；A：线圈截面积；ω：旋转运动角速度变磁通式恒磁通式

产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，通过磁通Φ的变化产生感应电动势e。常用于角速度的测量。工作气隙中的磁通保持不变，线圈相对永久磁铁运动，并切割磁力线而产生感应电势。磁电转速传感器工作示意图决策与计划

用于测速的传感器，一般使用变磁通式磁电传感器。实施

磁电式转速传感器根据磁路的不同，分成开磁路式和闭磁路式两种。

开磁路式由固定不动的永久磁铁、感应线圈、软磁铁和外壳等组成。齿轮安装在被测转轴上并随转轴一起转动。

闭磁路式由内外齿轮、线圈和永久磁铁等组成。变磁通式磁电转速传感器的结构图（a）开磁路式（b）闭磁路式1-齿轮；2-线圈；3-软磁铁；4-永久磁铁；5-外齿轮；6-内齿轮开磁路变磁通式转速传感器

安装时把永久磁铁产生的磁力线所通过的软磁铁端部对准齿轮的齿顶。当齿轮旋转时，齿的凹凸使空气间隙产生变化，从而使磁路磁阻变化，引起磁通量变化，而产生感应电动势。闭磁路变磁通式转速传感器

闭磁路变磁通式转速传感器的内外齿轮的齿数相同，它被安装在被测轴上，内齿轮与被测轴一起旋转，外齿轮不动，由于内外齿轮的相对运动使磁路间隙发生变化，从而在线圈中产生交变的感应电势。检查与评价1、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。2、闭磁路式的最低下限工作频率为30Hz；开磁路式的最低下限工作频率为50Hz，且被测轴振动较大时传感器输出波形失真较大。3、随着转速下降，磁电式转速度传感器输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值将会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。学习目标：使学生了解磁栅传感器的组成和特点。了解磁栅、磁头的结构和工作原理。学习重点：

磁栅传感器测量位移的工作原理。学习难点：磁栅传感器测量位移的工作原理。＊任务提出：各种数控机床的位移检测也常用磁栅式位移传感器。资讯

磁栅传感器也是一种用于检测位移的传感器。它的价格低于光栅，具有制作简单，易于安装，调整方便，测量范围宽（0.001ｍｍ～十几ｍ），抗干扰能力强等特点。磁栅可分为长磁栅和圆磁栅，长磁栅主要用于直线位移的测量，圆磁栅主要用于角位移的测量。磁栅传感器在大型机床的数字检测和自动化机床的自动控制等方面得到广泛应用。磁栅传感器的外形结构磁尺静态磁头固定孔磁栅结构长磁栅圆磁栅尺型同轴型带型长磁栅示意图（a）尺型；（b）同轴型；（c）带型圆磁栅示意图

磁盘圆柱面上的磁信号由磁头读取，安装时在磁头与磁盘之间应有微小的间隙以免磨损。磁头的结构和原理

磁栅上的磁信号先由录磁头录好，再由读磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头可分为动态磁头和静态磁头两种。动态磁头静态磁头

只有一组绕组绕在磁头铁心上，当磁头磁栅有相对运动时，切割磁力线，就有信号输出。故不适用于速度不均匀、时走时停的设备。录音机信号属于此类。磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下，也有信号输出。它有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为输出绕组。

磁栅传感器的组成和测量原理1．组成：磁栅式传感器主要由磁栅、磁头和检测电路组成。2．测量原理：磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号(正弦波或矩形波)用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。当磁栅传感器工作时，磁头相对于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成了电信号。决策与计划

数控机床的线位移检测，根据磁栅传感器的相关知识，可选用静态磁头长磁栅位移传感器。实施磁栅来检测位移，并用数显表显示，代替了传统的标尺刻度读数，提高了加工精度和加工效率。图示以y轴运动为例，磁尺固定在立柱上，磁头固定在主轴箱上，当主轴箱沿着机床立柱上下移动时，数显表显示出位移量。

磁栅数显表检测机床进给轴坐标的示意图1-磁栅；2-显示面板；3-立柱；4-主轴箱；5-工作台；6-床身检查与评价

当需要时，可将原来的磁信号（磁栅）抹去，重新录制。还可以安装在机床上后再录制磁信号，这对于消除安装误差和机床本身的几何误差，以及提高测量精度都是十分有利的。并且可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺,因而精度较高,可达±0.01毫米／米，分辨率为1～5微米。

学习目标：使学生了解电涡流传感器的工作原理、测量电路及应用电路。学习重点：

（1）电涡流传感器的工作原理；

（2）电涡流传感器的测量电路。学习难点：

电涡流传感器的工作原理。＊任务提出：

在工业生产线中，工件的位置检测很重要。

资讯电涡流是块状金属导体处于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生的呈涡旋状的感应电流。电涡流效应是由于电涡流的产生必然要消耗一部分能量，使产生磁场的线圈阻抗发生变化的物理现象。电涡流式传感器是利用电涡流效应，将非电量转换成阻抗的变化而进行测量的一种传感器。

高频反射式低频透射式

电涡流式传感器电涡流式传感器的工作原理

在金属导体上方放置一个线圈，当线圈中通以电流时，线圈的周围空间就产生了交变磁场H1，在金属导体内就会产生电涡流，由产生反向电磁场H2，由于H2与H1方向相反，H2抵消了部分原磁场H1，使导电线圈的阻抗发生了变化。电涡流式工作原理图怎样利用电涡流现象来测距离变化？高频反射式电涡流传感器在线圈前面放一块金属导体，电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是非接触磁性耦合。当高频电流施加在电感线圈上时，线圈产生的高频磁场作用于被测金属导体表面，形成电涡流，电涡流产生的磁场又反作用于线圈，从而改变了线圈的电感。电感量由线圈与金属导体的距离决定。通过测量电感量的变化就可确定电涡流传感器探头与金属板之间的距离。被测物的电导率越高，传感器灵敏度越高。低频透射式电涡流传感器

低频透射式电涡流传感器采用低频激励，贯穿深度较大，适合测量金属材料的厚度。其工作原理如右图所示。被测金属板是如何影响电感？电涡流传感器的测量电路

电感线圈的阻抗变化还要通过后续的测量电路转换为容易测量的电压的变化。常用的测量电路有以下三种。一、电桥测量电路：

输出电压是如何反映被测量的变化？二、定频调幅测量电路：

指示表是如何反映被测量的变化？三、调频式测量电路：调频式测量电路原理如右图所示。传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，由于电涡流的影响，L改变，导致振荡器频率改变。该频率可由数字频率计直接测量或通过频率电压变换后，再由电压表测得。一、被测导体厚度的选择：高频反射式电涡流传感器测距时，应使导体厚度远大于电涡流的轴向贯穿深度；低频透射式电涡流传感器