传感器与自动检测技术(第二版)全书课件整本书电子教案

普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术（第二版）

普通高等教育“十一五”国家级规划教材第一章传感器与自动检测技术的基本概念本章学习的主要内容：1.传感器简述2.自动检测系统概述3.测量误差与精度4.检测系统中的弹性敏感元件普通高等教育“十一五”国家级规划教材§1－1传感器简述

一、传感器的定义与组成传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成有用输出电信号的器件或装置。敏感元件

传感元件

测量转换电路

非电量被测量非电量电参量电量传感器组成框图普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、传感器的分类及命名（1）按工作原理划分

参量传感器

发电传感器

特殊传感器

电阻式传感器电感式传感器电容式传感器等热电偶传感器压电式传感器霍尔式传感器等超声波探头激光检测等1.分类普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）按被测量性质来分机械量传感器热工量传感器成分量传感器状态量传感器探伤传感器等如：扭力传感器、倾角传感器等如：温度传感器、流量传感器等如：气敏传感器等如：各种接近开关

等如：超声波探伤仪等

普通高等教育“十一五”国家级规划教材（3）按输出量种类来分模拟传感器数字传感器（4）按传感器结构来分直接传感器补偿传感器差动传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器常常按工作原理及被测量性质两种分类方式合二为一进行命名。例如：①电感式位移传感器

②光电式转速计

③压电式加速度计光电式转速计（2）命名普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.精度τ

三、传感器的基本特性精度分为准确度δ和精密度ε（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高εδ普通高等教育“十一五”国家级规划教材2．稳定性（1）稳定度则稳定度为1.3mV/h。

【例1】某仪表电压指示值每小时变化1.3mV（2）环境影响系数则环境影响系数表达为0.02mA/（V±10%）【例2】某仪表由于电源电压变化10%而引起指示值变化0.02mA普通高等教育“十一五”国家级规划教材3．可靠性表征传感器可靠性最基本的尺度是可靠度，它是衡量传感器能够正常工作并完成其功能的程度。例如：三菱公司生产的F系列PLC的可靠性就很高，平均无故障时间高达30万小时关于可靠性问题本课程将在第八章第二节中介绍普通高等教育“十一五”国家级规划教材（1）线性度传感器输出－输入的实际特性曲线和拟合直线之间的最大偏差与输出量程范围之比。

输入输出特性动态特性静态特性线性度灵敏度迟滞分辨率4．输入输出特性普通高等教育“十一五”国家级规划教材

线性度概念动画演示线性度表达式为普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）灵敏度

传感器在稳定标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值（3）迟滞

传感器的正向特性与反向特性的不一致程度。普通高等教育“十一五”国家级规划教材（5）动态特性反映了当被测量随时间迅速变化时，指示值与被测量值之间的关系。

（4）分辨率与分辨力【例3】一光栅传感器，测量长度10mm，最小测量距离0.1um则分辨率为0.1％，分辨力为0.1um普通高等教育“十一五”国家级规划教材四、对传感器的要求

对传感器的具体要求因使用条件不同而异，主要从基本特性、使用性能、方便程度等方面提出要求。一般要求传感器特性好、性能优、使用方便易维修；体积小、重量轻、价格便宜寿命长。

普通高等教育“十一五”国家级规划教材§1－2自动检测系统概述一、自动检测系统的组成

传感器

转换电路

显示记录

数据处理

执行机构

被测量

普通高等教育“十一五”国家级规划教材自动检测系统组成的动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材

二、自动检测系统的功能

1．变换功能2．选择功能选择有用输入信号抑制其它一切无用影响因素普通高等教育“十一五”国家级规划教材3．比较功能4．显示功能模拟式仪表，比较过程由测量者在读数时执行数字仪表,标准量比较，然后变换成数码指针的转动指示图像显示三、自动检测系统的基本特性

自动检测系统的基本特性与传感器的基本特性相似。数字值及符号文字显示记录笔移动的痕迹普通高等教育“十一五”国家级规划教材§1－3测量误差与精度、测量误差的基本概念检测包括：检查与测量。测量过程实际上是一个比较过程。测量误差为测量值与真值之间的偏差。

（1）真值（2）约定真值

（3）实际值（4）标称值（示值）（5）测量误差有关测量的部分名词术语：普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、误差的分类1.按表示方法划分

2.按误差出现的规律划分

绝对误差相对误差系统误差随机误差粗大误差实际相对误差标称相对误差满度相对误差普通高等教育“十一五”国家级规划教材3.按被测量随时间变化的速度划分

4.按使用条件划分静态误差动态误差基本误差附加误差普通高等教育“十一五”国家级规划教材（1）绝对误差

某采购员分别在A

、B

、C

三家商店购买100kg牛肉干、10kg牛肉干、1kg牛肉干，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对C家卖牛肉干的商店意见最大，是何原因？

【例1】普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）相对误差①实际相对误差②标称相对误差③满度（或引用）相对误差普通高等教育“十一五”国家级规划教材当Δ取为Δm时，满度（或引用）相对误差就被用来确定仪表的精度等级S：我国电工仪表等级分为七级，即：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级

普通高等教育“十一五”国家级规划教材【例2】今有0.5级的0～300℃和1.0级的0

～100℃两个温度计，要测80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？解：用0.5级仪表测量时，最大标称相对误差为：

用1.0级仪表测量时，最大标称相对误差为：

显然本例中用1.0级仪表比用0.5级仪表更合适。

普通高等教育“十一五”国家级规划教材三、仪表精度与测量精度1．仪表精度与测量精度的关系测量精度是实际相对误差（基本误差+附加误差），而仪表精度是最大引用相对误差。2．附加误差对实际测量精度的影响普通高等教育“十一五”国家级规划教材【例3】上例中1.0级温度仪表最大标称相对误差为±1.25％，若电源电压变化为±10％时产生的附加误差≤±0.5％，试估算实际测量误差解：按最坏的情况考虑，每次误差都达到技术指标规定的极限值，即：这样处理的结果比较符合实际情况。基本误差附加误差求其均方根值为：普通高等教育“十一五”国家级规划教材§1－4检测系统中的弹性敏感元件

变形：物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状弹性变形：外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状的变形弹性元件：具有弹性变形这类特性的物体弹性敏感元件：在传感器中用于测量的弹性元件普通高等教育“十一五”国家级规划教材一、弹性敏感元件的基本特性1．刚度

2．灵敏度灵敏度为常数，此弹性特性是线性例：木块刚度小，铁块刚度大弹性特性曲线图

普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、弹性敏感元件的形式及应用范围

1．弹性敏感元件的形式变换力变换压力等截面轴环状弹性敏感元件悬臂梁扭转轴弹簧管波纹管等截面薄板波纹膜片和膜盒薄壁圆筒和薄壁半球普通高等教育“十一五”国家级规划教材

2．变换力的弹性敏感元件（1）等截面轴力F应变ε

等截面轴受力动画演示等截面轴示意图普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）环状弹性敏感元件

较小力F应变ε

环状弹性敏感元件受力动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材（3）悬臂梁悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁受力动画演示悬臂梁示意图力F应变ε

或力F位移

x

普通高等教育“十一五”国家级规划教材（4）扭转轴转矩T

应变ε

扭转轴受力动画演示扭转轴示意图普通高等教育“十一五”国家级规划教材3．变换压力的弹性敏感元件（1）弹簧管压力p

中心角角位移△γ

弹簧管受力动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）波纹管压力p

自由端的位移x波纹管受力动画演示波纹管示意图普通高等教育“十一五”国家级规划教材（3）等截面薄板（4）波纹膜片和膜盒压力p

位移x压力差p

位移x等截面薄板示意图膜盒示意图应变ε压力p

或者

普通高等教育“十一五”国家级规划教材（5）薄壁圆筒和薄壁半球压力p

应变ε薄壁圆筒和薄壁半球示意图普通高等教育“十一五”国家级规划教材休息一下普通高等教育“十一五”国家级规划教材光敏电阻铂电阻测温传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材电感式传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材陶瓷压力电容传感器硅电容差压传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材普通装配型热电偶普通高等教育“十一五”国家级规划教材压电式振动加速度传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材霍尔接近开关霍尔电流传感器

普通高等教育“十一五”国家级规划教材超声波传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材激光测距仪激光扫描传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材扭力传感器倾角传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材pt100温度传感器涡轮流量传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材乙炔传感器半导体气敏传感器

普通高等教育“十一五”国家级规划教材电感式接近开关普通高等教育“十一五”国家级规划教材超声波探伤仪普通高等教育“十一五”国家级规划教材温湿度计指针千分表普通高等教育“十一五”国家级规划教材数字人体称重仪

数字压力变送器普通高等教育“十一五”国家级规划教材指针千分表普通高等教育“十一五”国家级规划教材数字压力变送器普通高等教育“十一五”国家级规划教材内窥镜图像显示系统普通高等教育“十一五”国家级规划教材心电图仪

传感器与自动检测技术（第二版）

第二章参量传感器本章学习的主要内容：1.电阻应变式传感器2.热电阻传感器3.气敏、湿敏电阻传感器4.差分变压器式传感器5.电涡流式传感器6.电容式传感器§2－1电阻应变式传感器弹性敏感元件（或试件）电阻应变式传感器是一种电阻传感器。→电阻应变片→测量转换电路材料应变的测量一、应变效应导体或半导体材料受力→机械变形→电阻值发生变化由电工学知，有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为

的金属单丝，阻值为:

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。实验证明K—灵敏度，其中金属在2～3.6；半导体在100上下。应变片原理动画演示二、结构类型与粘贴金属应变片半导体应变片金属丝式箔式薄膜式1．结构类型l－称应变片的标距或工作基长B－称应变片的工作宽度b×l－称应变片的规格（1）金属丝式1－引线

2、3－基底

4－敏感元件（2）箔式

通过光刻、腐蚀而成

散热条件好

电流密度、灵敏度高

可制任意形状。（3）薄膜式

真空蒸镀技术制成，在薄的绝缘基片上蒸镀金属材料薄膜，最后加保护层形成。硅薄膜式测风传感器或者：根据半导体硅制成的薄膜在受应变时其电阻改变的原理制作并封装后形成的相应物理量的薄膜式应变电阻传感器。（4）半导体应变片半导体应变片外形应变片主要性能指标一览表参数名称电阻Ω灵敏度电阻温度系数1/0C极限工作温度0C最大工作电流mAPZ-120型1201.9～2.120×10-6-10～4020PJ-120型1201.9～2.120×10-6-10～4020BX-200型2001.9～2.2—-30～6025BA-120型1201.9～2.2—-30～20025BB-350型3501.9～2.2—-30～17025PBD-1K型1000±10%140±5%<0.4%<6015PBD-120型120±10%120±5%<0.2%<6025应变片粘贴过程动画演示2．应变片的粘贴①应变片的检查与选择步骤：②试件的表面处理③底层处理④贴片⑤固化⑥粘贴质量检查⑦引线焊接与组桥连线应变片的粘贴位置１．桥式电路得三、测量转换电路２．电桥分类电压源电流源按电源分类单臂桥

半桥

按工作桥臂分类全桥

第一类差动桥

第二类差动桥对臂桥交流直流交流直流（1）单臂电桥

此时有R1=R0+ΔR1

，R2=R3=R4

=R0，代入前式3.电桥特性分析灵敏度非线性误差

（2）半桥

①第一类差动桥此时R1=R0+ΔR1

，R2=R0+

ΔR2

，R3=R4

=R0，取ΔR1=－ΔR2=ΔR

灵敏度非线性误差

②第二类差动桥此时有R1=R0+ΔR1

，R4=R0

+

ΔR4

，R2=R3=R0【思考】此时电桥灵敏度和非线性误差如何？取ΔR1=－ΔR4=ΔR

③对臂差动桥此时有R1=R0+ΔR1

，R3=R0

+

ΔR3

，R2=R4=R0取ΔR1=ΔR3=ΔR

【思考】此时电桥灵敏度和非线性误差又如何？（3）全桥

此时R1=R3=R0+ΔR，R2=R4=R0－ΔR

，灵敏度相对误差

各类电桥性能比较表电桥类型灵敏度非线性误差各桥臂典型电阻值单臂桥Ui/4R1=R0+△RR2=R3=R4

=R0半桥第一差动桥Ui

/20R1=R0+△R，R2=R0－△RR3=R4

=R0第二差动桥Ui

/2R1=R0+△R，R4=R0－△RR2=R3

=R0对臂桥Ui

/2R1=R3=R0+△RR2=R4=R0全桥Ui

0R1=R3=R0+△RR2=R4=R0－△R

调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3，电桥趋于平衡，实现调零。4.电桥的调零四、温度补偿1．补偿块补偿法补偿块温度补偿示意图1—试件2—补偿块ΔR1ε—试件受力后应变片R1产生的电阻增量；ΔR1t、ΔR2t—由温度变化引起的R1、R2的电阻增量。试件与补偿块必须同质同温全桥电路同样能克服温漂。2．桥路自补偿R1=R0+ΔR1+ΔRt

，R2=R0+ΔR2+ΔRt

，R3=R4=R0，而ΔR1=-ΔR2=ΔR

以第一类差动桥为例五、应用形式：电阻应变式传感器主要包括：弹性敏感元件、应变片和测量电路，其形式可分为两大类：第一类，粘贴式第二类，非粘贴式

用途：①测力②测压力③测加速度④测扭矩⑤测位移1．形式与用途应变片测力动画演示（1）力和扭矩的测量2．应用举例悬臂梁称重动画演示各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2

R4汽车衡汽车衡称重系统电子天平人体秤

应变式数显扭矩扳手

用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。（2）压力的测量组合式压力传感器示意图组合式压力传感器压力测量动画演示筒式压力传感器1－工作应变片2－补偿应变片小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器（3）加速度的测量加速度测量动画演示加速度传感器示意图1－应变片2－基座3－质量块4－悬梁臂§2－2热电阻传感器热电阻传感器主要用于对温度或和温度有关的参量进行检测。在工业上被广泛用来测量－200℃～+500℃范围内的温度。金属热电阻（热电阻）半导体热电阻（热敏电阻）按性质分类热敏电阻用于电热水器的温度控制一、热电阻绝大部分金属热电阻阻值是随温度升高而增大的。【例】取一只100W/220V

灯泡，计算得到的额定

热态电阻值应为484

，而用万用表测量其

电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧

姆。

1．材料：要求有大的、稳定的温度系数，线性好，性能稳定，便于生产。如铜、铂、镍。

材料温度t/℃电阻率ρ/10-8Ω·m电阻温度系数α/℃-1银201.5860.0038（20℃）铜201.6780.00393（20℃）金202.40.00324（20℃）镍206.840.0069（0℃～100℃）铂2010.60.00374（0℃～60℃）表2－2热电阻的主要技术性能对照表

材料铂（WZP）铜（WZC）使用温度范围(oC)-200～＋960-50～+150电阻率(Ω·m×10-6)0.0981～0.1060.0170℃～100℃间电阻温度系数平均值(1/℃)0.00392～0.003980.00425～0.00428化学稳定性在氧化性介质中较稳定，不能在还原性介质中使用，尤其在高温情况下超过100℃易氧化特性特性近于线性、性能稳定，精度高线性较好，价格低廉应用可作标准测温装置适于测量低温、无水分、无侵蚀性介质的温度2．特点：▽测温精度较高，▽范围广（－200～6000C），▽稳定性、重复性好，▽热惯性大，灵敏度低。（1）公式法3．计算方法①铜电阻适用范围：－50～1500C，精度要求不高的场合其中α＝４.25～４.28×10-3/0C阻值与温度的函数关系为:②铂电阻纯度以R100/R0来表示，国际标准R100/R0≥1.3925

（99.995%），其阻值与温度的函数关系为:其中：A,B,C

为常数（2）查表法铂热电阻分度表小型铂热电阻

4．各类热电阻防爆型铂热电阻

汽车用水温传感器铜热电阻可设定温度的温度控制箱旋转式机械设定开关拨码式设定开关热敏电阻的外形、结构及符号

二、热敏电阻阻值与温度满足以下关系：其中R0为T0时的电阻，T为绝对温度，B=1500～3000K或右图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？1.按温度系数分类稳定性差，一致性差（同一型号差3~5%）；灵敏度高（可测量0.001～0.005度的微小变化）；热惯性小，结构简单，使用广泛。2.特点NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而下降，一般－50～300℃；PTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而升高；CTR：具有临界温度系数，温度变化具有突变性。3.热敏电阻外形玻璃封装NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻其它热敏电阻热电阻测温电路图其中r1、r2、r3为引线电阻r1r2r3三、热电阻传感器的应用1、金属热电阻传感器（1）温度测量热电阻的三线制：工业上用的铂电阻的引线多为三根，目的是消除连接线电阻的影响。（2）流量测量RT1RT2RwR1R2热电阻流量计电原理图热敏电阻温度面板表热敏电阻LCD（1）温度测量2．热敏电阻传感器热敏电阻体温表热敏电阻用于CPU的温度测量【例】电阻温度补偿（2）温度补偿双桥温差测量电路（3）温差测量§2－3气敏、湿敏电阻传感器功用：检测环境气体成分及浓度、检测环境湿度，并对其进行控制和显示的重要器件。应用领域：在环境保护、家用电器、消防、农业生产和安全生产等方面。家庭用煤气报警器一、气敏电阻传感器

气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻）：主要可分为：测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。

气体的成分、浓度等参数变化电阻发生变化转换为电流、电压信号↓↓气敏电阻工作原理动画演示1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。

MQN型气敏电阻结构及测量电路1－引脚2－塑料底座3－烧结体4－不锈钢网罩5－加热电极6－工作电极7－加热回路电源8－测量回路电源加热、工作回路工作回路NH3传感器甲烷传感器酒精传感器其他还原性气体传感器手持数字酒精测试仪呼气管酒精传感器的选择性家庭用液化气报警器一氧化碳检测仪2．二氧化钛氧浓度传感器（TiO2）对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变半导体的电阻率，使其阻值增大。

TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路a）结构b）测量转换电路

1－外壳（接地）2－安装螺栓3－搭铁线4－保护管

5－补偿电阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏电阻8－进气口9－引脚氧浓度传感器外形

（可用于汽车尾气测量）二、湿敏电阻传感器

相对湿度是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。湿度绝对湿度：指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量（克数）相对湿度：大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比湿度检测动画演示1．水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害如在热工设备里会引起受热局部不均2．湿度对电子元件的影响物体表面会附着一层水膜，并渗入材料内部；降低绝缘强度，造成漏电、击穿和短路现象；加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。3．湿度对人体的影响秋冬季空气干燥，人易上火、皮肤易干燥；夏季雷雨前空气潮湿，人会感觉呼吸不畅等。湿敏电阻外形图湿敏电阻工作过程：水分子极易吸附于固体表面→渗透到固体内部→半导体的电阻值降低可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。湿敏电阻外形结构示意图封装后的外形机械式、电子式温湿度计对比降低温度会产生结露现象。测量露点的仪器露点传感器§2－4差分变压器式传感器电感式传感器是利用线圈的自感、互感或阻抗的变化来实现非电量检测的一种装置。差分变压器式传感器是一种电感式传感器，它是根据互感的变化来感知被检测量的。

一、电感式传感器简述

自感式－把被测位移量转换为线圈的自感变化电感式传感器电涡流式－把被测位移量转换为线圈的阻抗变化互感式－把被测位移量转换为线圈间的互感变化差分变压器传感器产品TD－1油动机行程阀位位移传感器交流差分变压器式角位移传感器

GA系列差分变压器位移传感器二、差分变压器式传感器的工作原理1．结构：可分间隙式和螺管式两种

差分变压器的结构示意图图中：1－一次绕组2、3－二次绕组4－衔铁以螺管式为例2．工作原理

差分变压器等效电路把铁芯位移量转换成初级线圈及次级线圈互感系数的变化，图中M1、M2与位移x有关。当位移x很小时：Uo=k|x|

（无法判别位移方向）差分变压器原理动画演示差分变压器输出特性

1－理想特性2－实际特性

问题：①零点残余电压E0②超过一定范围为非线性减小零残电压的方法：①提高对称性；②减少电源谐波成分；③使衔铁工作在磁化线性区；④采用电路补偿等。产生零残电压的主要原因：①结构不对称；②存在寄生参数；③电源有高次谐波；④磁路的磁化曲线非线性。三、基本特性1．灵敏度2．线性范围线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右，只有中间部分线性较好。为了获得高的灵敏度，尽量提高励磁电压，电源频率以400Hz到10kHz为佳。灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。四、测量转换电路差分相敏检波电路差分整流电路常用测量转换电路全波电流输出型电流输出型电压输出型差分整流电路半波电流输出型全波电压输出型半波电压输出型差分变压器对测量转换电路的要求为：①判别衔铁位移方向及大小；②消除零点残余电压。以全波电流输出型差分整流电路为例说明其工作原理：（1）铁芯在中心位置时：（u21=u22）

Uac=Uda可调节R1=R2使ImA=I1－I2=0全波电流输出型差分整流电路mAcabdR1R2●●●●●●●●●若u21≠u22

则Uac≠Uda

调节RP有R1≠R2

使ImA=I1－I2=0I1I2消除了零点残余电压（2）铁芯上移（u21>u22）：

Uac>Uda

则ImA=I1－I2>0（3）铁芯下移(u21<u22)：

Uac<Uda

则ImA=I1－I2<0

判别了位移方向和大小同理，半波电流电压输出差分整流电路全波电压输出型差分整流电路及后续电路钢板厚度的测量五、差分变压器式传感器的应用以YST－1型差分压力变送器为例1－接头2－膜盒3－导线4－印刷线路板5－差分线圈6－衔铁7－电源变压器8－罩壳9－指示灯10－安装座11－底座

YST－1型差分压力变送器线路原理图变压整流滤波多谐振荡器差分变压器差分整流电路输出显示YST－1型差分压力变送器线路原理框图§2－5电涡流式传感器电涡流式传感器的特点：可以实现非接触测量；灵敏度高、抗干扰能力强；频率响应宽、体积小等。

——电涡流在我们日常生活中应用干净、高效的电磁炉电涡流探雷器一、基本工作原理

电涡流线圈与金属板的距离x减小↓电涡流线圈的等效电感L

减小、等效电阻R

增大XL的变化比R的变化大得多流过电涡流线圈的电流i1

增大。↓↓电涡流效应动画演示等效电路原理示意图

i→Φi→ie→Φe→原线圈L变化当传感器与被测导体靠近时，传感器的等效阻抗Z将发生变化，可表示为：可用函数式表示如下：电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理图二、结构与测量转换电路

电涡流探头外形交变磁场1．电涡流式传感器的结构电涡流探头内部结构

1－线圈2－线圈管架3－壳体

4－输出电缆5－接插件6－瓷罩表2－5CZF－1系列传感器的性能分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？型号线性范围/µm线圈外径/mm分辨力/µm线性误差(％)使用温度/℃CZF1-10001000Ф71<3-15~+80CZF1-30003000Ф153<3-15~+80CZF1-50005000Ф285<3-15~+80（1）调幅式（AM）电路2．测量转换电路调幅式转换电路原理框图并联谐振回路的谐振频率设电涡流线圈的电感量L=0.8mH，微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f

。（2）调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）调频式转换电路原理框图（1）应用场合定量测量：金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。定性测量：开关、报警等。

三、电涡流式传感器的应用

1．位移测量（2）几种实例4~20mA电涡流位移传感器外形图（3）传感器外形V系列电涡流位移传感器外形图V系列电涡流位移传感器性能一览表

（摘自洞头开关厂资料）

（4）四线制电涡流位移传感器的接线说明2.振幅测量偏心和振动检测汽轮机叶片测试3．转速测量转速测量类型1－传感器2－被测体转速n（单位为r/min）的计算公式为电涡流传感器转速测量动画演示齿轮转速测量示意图【例】下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n

。用于ABS系统的速度传感器4．电涡流表面探伤手持式裂纹测量仪油管探伤用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹电涡流传感器探伤检测动画演示5．厚度测量测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度－输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。电涡流涂层厚度仪电涡流传感器测量厚度动画演示

该测厚仪与前面镀层测厚有何区别？

６．其它应用电涡流传感器计数动画演示电涡流传感器轴心轨迹测量动画演示§2－6电容式传感器电容传感器液位计一、工作原理及结构形式电容传感器的理想公式为

d——极板间距离；

A——极板面积；ε——电容极板间介质的介电常数。改变d、A、

三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C

改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。电容传感器声波测量动画演示几种不同电容式传感器的原理结构图1．变极距式电容传感器变极距式电容传感器原理动画演示变极距式电容传感器结构及特性曲线结构示意图1－定极板2－动极板

电容量与极板距离的关系2．变面积式电容式传感器变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。xθa))/1()/1(00pqpqee-=-==CdSCdSCx3．变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感器原理动画演示经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：其中A、B均为与结构和介质有关的常数三种电容式传感器比较表类型变间隙变面积变介电常数应用场合线位移角位移或较大线位移物位、湿度、密度是否线性非线性关系。灵敏度也不是常数。线性关系

线性关系

1．变压器电桥电路二、测量转换电路缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波后，才能辨别位移方向。对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：

优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线性关系

转化为位移与输出电压的线性关系。可得：2．调频电路3．脉冲宽度调制电路经分析推导得：脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：①消除了非线性；②不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；③电路只采用直流电源，不需要频率发生器；④频率对输出无影响；⑤对输出矩形波纯度要求不高。公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输出的是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。1．压力测量电容式压力传感器结构图三、电容式传感器的应用高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器外形图电容式差压变送器内部结构图

1－高压侧进气口

2－低压侧进气口

3－过滤片

4－空腔

5－柔性不锈钢波纹隔离膜片

6－导压硅油

7－凹形玻璃圆片

8－镀金凹形电极

9－弹性平膜片

10－

腔各种电容式差压变送器外形图利用电容差压变送器测量液体的液位差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：p=

gh投入式电容水位计外形图家用电器压力检测示意图2．加速度测量电容传感器加速度测量动画演示电容式加速度传感器1－绝缘体2－固体电极3－质量块（动电极）4－弹簧片硅微加工加速度传感器原理

1－加速度测试单元

2－信号处理电路

3－衬底

4－底层多晶硅（下电极）

5－多晶硅悬臂梁

6－顶层多晶硅（上电极）硅微加工电容加速度传感器微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g

量程：10g频率范围：0.5-2000Hz安装谐振点:8kHz

分辨力：0.00004g

重量：200g

安装螺纹：M5mm

线性误差：≤1%加速度传感器在汽车中的应用装有传感器的假人气囊汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置3．转速测量电容传感器转速测量动画演示

电容料位测量示意图1－极棒2－容器壁4．料位和液位测量AM90系列电容物位仪

聚四氟乙烯外套液位计设定按钮电容式油量表原理图

电容式接近开关外形图齐平式非齐平式5．电容式接近开关M18M30Ø40mm40mmx

40mm工作距离5mm10mm20mm20mm工作电压10-65VDC10-65VDC，20-250VAC10-65VDC，20-250VAC10-65VDC，20-250VAC导线数量3线制2、4线制2、4线制2、4线制输出pnppnppnppnp常开触点常开、常闭触点，常开和常闭接点，常开或常闭接点常开和常闭接点，常开或常闭接点常开和常闭接点，常开或常闭接点安装嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式连接电缆电缆接线端子格接线端子格接线端子格SIMATICPXC200电容式接近开关使用一览表电容式接近开关SIMATICPXC是非接触型传感器，适用于具有各种形状和表面的导电和非导电金属，可测量传导和非传导性物料，如固体、粉末或液体等。奶盒中的牛奶检测电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容指纹识别动画演示6．其它测量电容角位移测量动画演示电容传感器地应力测量动画演示电容地应力传感器安装动画演示三星SPH－V6800手机采用电容传感器控制某些功能，取代了部分机械按键普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术（第二版）

普通高等教育“十一五”国家级规划教材第三章发电传感器

本章学习的主要内容：1.热电偶传感器

2.霍尔式传感器

3.压电式传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材热处理温控系统动画演示§3－1热电偶传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材一、热电偶传感器的工作原理1.热电势效应

符号两种不同材料结点温度不同组成闭合回路热电势效应动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材热电偶的热电动势EAB(t，t0)接触电动势EAB（也称珀尔电动势）温差电动势E(t，t0)（也称汤姆逊电动势）总热电动势为两者之代数和。

普通高等教育“十一五”国家级规划教材（1）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。2.热电偶回路的主要性质

EABC（t，t0）=EAB（t，t0）（C两端接点温度相同）

CABtt0普通高等教育“十一五”国家级规划教材应用举例:测量液态金属的平均温度金属壁面进行温度测量普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）中间温度定律

热电偶AB在接点温度为t1、t3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为t1、t2和t2、t3时的热电动势总和

EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)

t1t3ABt1t2ABt2t3AB=+普通高等教育“十一五”国家级规划教材当工作端和自由端温度为t和t0时，用导体A、B组成热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。或（3）标准电极定律普通高等教育“十一五”国家级规划教材【例1】如图为铂铑10－铂（S）热电偶，A’、B’为补偿导线，温度t1=50℃，t2=0℃，t3=30℃，

t0＝0℃。（1）当U0=934μV时，求被测点温度t。（2）如果A’、B’改为铜导线，此时U0=810μV，再求温度t。普通高等教育“十一五”国家级规划教材【分析】（1）根据中间导体定律：U2＝U0而A’、B’为补偿导线，视同热电偶A、B所以EAB(t,t2)＝U2＝U0＝934（μV）∵t2=0℃，∴直接查表可得温度t=138℃（2）根据中间导体定律：U1＝U0EAB(t,t1)＝U1＝U0，根据中间温度定律EAB(t,0℃)＝EAB(t,t1)＋EAB(t1,0℃)

＝U0＋EAB(50℃,0℃)＝1109μV直接查表可得温度t=160℃普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、热电偶的种类及结构1.热电偶的结构热电极绝缘套管保护套管接线盒热电偶外形和结构图普通高等教育“十一五”国家级规划教材接线盒引出线套管

不锈钢保护管

固定螺纹

热电偶工作端（热端）

标准热电偶普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.热电偶的种类普通型热电偶标准化热电偶铠装热电偶非标准化热电偶普通高等教育“十一五”国家级规划教材三、热电偶自由端温度的补偿热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势是被测温度的单一函数，必须保持自由端（冷端）的温度恒定。热电偶的分度表

由图表可知：根显示仪表都是以热电偶的自由端温度等于0℃为条件的。如果自由端温度不是0℃，尽管被测温度不变，热电动势也将随自由端温度而变化，必须消除或补偿这一测量误差。

普通高等教育“十一五”国家级规划教材

（1）仪表调零修正法在t0基本不变的情况下，仪表预先机械调零到t0处，即仪表预先输入E（t0，0℃）则指针指向t0

。指针被预调到室温（40

C

）可补偿冷端损失1.补偿方法普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）冷端温度自动补偿一般采用电桥补偿法：在热电偶回路中串入一个自动补偿的电位差信号来补偿热电势的变化值。E（t，0℃）=E（t，t0）+Uab

XT－WBC热电偶冷端补偿器普通高等教育“十一五”国家级规划教材常用的国产冷端补偿器性能比较表型号配用热电偶补偿范围(℃)电桥平衡时温度(℃)电源(V)内阻(Ω)功耗(VA)补偿误差（mV）WBC－01铂铑10－铂0～5020～2201＜8±0.045WBC－02镍铬－镍硅(铝)±0.16WBC－03镍铬－考铜±0.18WBC-57-LB铂铑10－铂0～402041＜0.25±(0.015+0.0015Δt)①WBC-57-EU镍铬－镍硅(铝)±(0.04+0.004Δt)WBC-57-EA镍铬－考铜±(0.065+0.0065Δt)①Δt为与20℃之差的温度数值。普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.补偿导线延引电极自由端高温热源的影响自由端温度要求基本保持恒定热电偶做得长，贵重金属的耗费加大。（1）问题的提出（2）解决办法温度范围（0℃～100℃）热电特性相近的材料自由端延长，用补偿导线相连普通高等教育“十一五”国家级规划教材A’B’屏蔽层保护层补偿导线外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材常用热电偶补偿导线的特性配用热电偶正-负补偿导线正-负导线外皮颜色100℃热电势（mV）150℃热电势（mV）20℃时的电阻率(Ω·m)正负铂铑10－铂铜－铜镍①红绿0.645±0.0231.029+0.024-0.055＜0.0484×10-6镍铬－镍硅铜－康铜红蓝4.095±0.156.137±0.20＜0.634×10-6镍铬－考铜镍铬－考铜红黄6.95±0.3010.69±0.38＜1.25×10-6钨铼5－钨铼20铜－铜镍②红蓝1.337±0.045－－普通高等教育“十一五”国家级规划教材四、热电偶的应用1.热电偶的测温线路冷端温度相同热电动势与温度呈线性关系注意：普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.热电偶热电动势的测量动圈式仪表电位差计电子电位差计微机识别，输出显示

测量方式：普通高等教育“十一五”国家级规划教材XCZ系列指针式显示仪表电路图1－热电偶2－补偿导线3－冷端补偿器4－外接调整电阻5－铜导线6－动圈7－张丝8－磁钢（极靴）9－指针10－刻度面板

普通高等教育“十一五”国家级规划教材电位差计热电偶测温电路图线路电阻对测量结果有没有影响？提问：普通高等教育“十一五”国家级规划教材XMZ系列智能

数字显示仪表外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材一、霍尔元件的工作原理及结构1．霍尔效应

§3－2

霍尔式传感器

霍尔电压UH为：

e——电子电量

KH——霍尔元件灵敏度式中n——载流子数浓度KH＝1/ned霍尔效应动画演示

普通高等教育“十一五”国家级规划教材霍尔元件示意图（a）霍尔元件结构示意图（b）图形符号（c）外形

普通高等教育“十一五”国家级规划教材霍尔元件图片普通高等教育“十一五”国家级规划教材3．基本电路注意：时间短（约10-12s～10-14s之间）频率高（几千兆赫）。普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿1．基本参数（1）输入电阻Ri；（2）输出电阻R0；（3）最大激励电流IM；（4）灵敏度KH；（5）最大磁感应强度BM；（6）不等位电势；（7）霍尔电势温度系数普通高等教育“十一五”国家级规划教材2．温度误差及其补偿半导体对温度很敏感特性参数为温度的函数产生原因：处理方法：普通高等教育“十一五”国家级规划教材三、集成霍尔元件1.线性型集成霍尔元件普通高等教育“十一五”国家级规划教材线性型集成霍尔元件输出特性普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.开关型集成霍尔元件输出特性普通高等教育“十一五”国家级规划教材1．应用类型

四、霍尔式传感器的应用（1）利用霍尔电势正比于磁感强度的特性来测量磁场及与之有关的电量和非电量。如磁场计、方位计、电流计、微小位移计、非接触开关等。

（3）利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘积的规律制成乘算器、除算器、开方器、功率计等，也可以作混频、调制、斩波、解调等用途。

（2）利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回转器、隔离器、电流控制装置等。

普通高等教育“十一五”国家级规划教材霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件普通高等教育“十一五”国家级规划教材霍尔角位移测量动画演示12.应用举例（1）角位移测量仪普通高等教育“十一五”国家级规划教材霍尔角位移测量动画演示2普通高等教育“十一五”国家级规划教材霍尔转速测量动画演示

（2）霍尔转速表普通高等教育“十一五”国家级规划教材霍尔式微压力传感器原理示意图

（3）霍尔式微压力传感器

普通高等教育“十一五”国家级规划教材霍尔钳形电流表的使用叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便用钳形表测量电动机的相电流（4）霍尔钳形电流表普通高等教育“十一五”国家级规划教材§3－3压电式传感器

压电传感器振动分析动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材一、基本工作原理1．压电效应电介质在沿一定方向上受到外力

产生变形

外力去掉，回到不带电状态

内部产生极化现象，表面产生电荷

压电效应动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.逆压电效应极化方向上施加交变电场

产生机械变形

去外加电场，变形消失

逆压电效应动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材3．压电材料（1）压电晶体石英晶体外形图压电晶体是一种单晶体例如：石英晶体；酒石酸钾钠等

普通高等教育“十一五”国家级规划教材天然形成的石英晶体外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）压电陶瓷压电陶瓷是一种人工制造的多晶体例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等

压电陶瓷外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材高分子压电材料外形图（3）有机压电材料有机压电材料属于新一代的压电材料主要有压电半导体和高分子压电材料

普通高等教育“十一五”国家级规划教材4．压电材料的主要特性指标（1）压电系数d

（2）刚度H（3）介电常数ε（4）电阻R（5）居里点普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、测量转换电路1．压电元件的等效电路提问：压电式传感器能用于静态测量吗？提示：电荷有无泄漏？转换电路的输入阻抗是否无限大？普通高等教育“十一五”国家级规划教材无放大电荷的作用（Q/U转换器）输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关电缆长度影响小2.电荷放大器注意：电荷放大器等效电路普通高等教育“十一五”国家级规划教材电荷放大器外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材三、压电式传感器的结构和应用1．压电元件常用的结构形式并联接法C’＝2CU’＝UQ’=2Q（1）串联（2）并联U’＝2UQ’=Q普通高等教育“十一五”国家级规划教材2．压电式传感器的应用（1）压电式力传感器压电式力传感器测力动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）压电式加速度传感器1－基座2－引出电极3－压电晶片4－质量块5－弹簧6－壳体普通高等教育“十一五”国家级规划教材压电式振动加速度传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材休息一下普通高等教育“十一五”国家级规划教材铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材普通热电偶的外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材小形K型热电偶其他热电偶外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材

铂铑10－铂热电偶分度表分度号：S

（自由端温度为0℃）IPTS-68℃热电动势(μV)IPTS-68℃0－1－2－3－4－5－6－7－8－9010203040506070809010011005511317323529936543250257364571956111917924130537143950958065372711671251852473123784465165876607341672131191254318385453523594667742227813719726032539146053060267574927841422032663313984675376096827573390148210273338405474544616690764389515421627934541248155162369777244101161222286351419488558631704780501071672282923584254955666387127870102030405060708090100110普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术（第二版）

普通高等教育“十一五”国家级规划教材第四章光电式传感器本章学习的主要内容：

1.光电效应及其光电元件2.光电式传感器的应用普通高等教育“十一五”国家级规划教材罐装生产流水线动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材、光电效应1.外光电效应§4－1光电效应及其光电元件

在光线作用下，物体吸收光能量而产生相应电效应的一种物理现象。在光线作用下，电子从物体表面逸出的物理现象

外光电效应动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材各种光电管外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.内光电效应光电导效应光敏晶体管效应光生伏特效应内光电效应动画演示在光线作用下，物体电导性能发生变化或产生一定方向电动势的现象普通高等教育“十一五”国家级规划教材光敏电阻外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材光敏二极管外形图光敏三极管外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材各种光电池外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编HIGHEREDUCATIONPRESS二、光电元件1.光电管（1）原理：基于外光电效应真空管、光电阴极K和光电阳极A（2）符号与结构：光电管外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材

（3）特点：灵敏度高、光电特性线性较好I0/μAΦ/lm光电管的光电特性

普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.光敏电阻（1）原理：内光电效应的光电导效应（2）符号与外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材（3）特性参数暗电阻:置于室温、全暗条件伏安特性亮电阻:置于室温、一定光照条件普通高等教育“十一五”国家级规划教材光电特性：非线性光谱特性响应时间：温度特性:10-1s～10-3s

温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降光敏电阻的光谱特性普通高等教育“十一五”国家级规划教材（5）适用场合：常用于对测量要求不高的场合（4）特点：价格便宜、光电特性非线性、响应时间长、受温度影响大3.光敏晶体管（1）原理：内光电效应的光电晶体管效应光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管（2）种类、符号与外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材外形图（3）主要特性：光谱特性：硅管峰值波长为0.9μm锗管峰值波长为1.5μm普通高等教育“十一五”国家级规划教材光电特性：输出电流Ie和光照度Ee呈线性关系伏安特性：普通高等教育“十一五”国家级规划教材温度特性：温度对输出电流影响小，由光照度决定响应时间：二极管10-4s～10-6s、三极管10-3s～10-5s

（5）适用场合：适用于模拟量测量及要求快速响应的场合（4）特点：光电特性线性好、受温度影响小、响应时间短

普通高等教育“十一五”国家级规划教材4.光电池（1）原理：内光电效应的光生伏特效应（2）符号与外形：普通高等教育“十一五”国家级规划教材（3）主要特性光谱特性：硅光电池0.45μm～1.1μm硒光池0.34μm～0.57μm光电特性：普通高等教育“十一五”国家级规划教材频率特性：硅光电池频率响应高，硒光电池频率响应差温度特性：温度t上升，开路电压U快速下降，

短路电流I

缓慢上升。普通高等教育“十一五”国家级规划教材（4