常用的传感器

常用的传感器1第1页，课件共128页，创作于2023年2月传感器定义

传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。物理量电量2第2页，课件共128页，创作于2023年2月传感器的构成

传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。

3第3页，课件共128页，创作于2023年2月3.1传感器的分类位移,力,温度等.机械式,电气式,光学式,流体式等.物性型,结构型.能量转换型和能量控制型.(1)按被测物理量分类:(2)按工作原理分类:(3)按信号变换特征:(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:4第4页，课件共128页，创作于2023年2月A物性型与结构型传感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如:水银温度计,压电测力计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.B能量转换型和能量控制型传感器能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.

例如:电阻应变片.5第5页，课件共128页，创作于2023年2月常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量.声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩.6第6页，课件共128页，创作于2023年2月机械式传感器通常指以弹性体作为敏感元件，输出为弹性体弹性变形的传感器，通常用来检测力、压力、温度等物理量。3.2机械式传感器几种常用的机械式传感器(测力计)7第7页，课件共128页，创作于2023年2月3.3电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器一、变阻器式传感器按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式.通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。常用的有直线位移型、角位移型和非线性型等8第8页，课件共128页，创作于2023年2月直线位移型传感器的输出(电阻)与输入(位移)成正比132直线位移型9第9页，课件共128页，创作于2023年2月传感器的输出(电阻)与输入(角位移)成线性关系角位移型123旋转型10第10页，课件共128页，创作于2023年2月

传感器的输出(电阻)与输入(位移)的关系与变阻器的骨架形状有关，可根据需要的输入输出之间的关系确定变阻器的骨架形状。非线性型：11第11页，课件共128页，创作于2023年2月等效电路分析:132xxpEinEoutRxRLRp-RxRp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.12第12页，课件共128页，创作于2023年2月变阻器式传感器的优点：(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出—输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需放大。变阻器式传感器的缺点(1)因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；(2)由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；(3)动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。13第13页，课件共128页，创作于2023年2月案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化14第14页，课件共128页，创作于2023年2月二、电阻应变式传感器电阻应变片式传感器分为金属电阻应变片式和半导体应变片式。可用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。将被测试件的应变量转换成电阻变化的传感器。15第15页，课件共128页，创作于2023年2月（一）金属电阻应变片金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。16第16页，课件共128页，创作于2023年2月金属应变片有:丝式、箔式和薄膜式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度小.17第17页，课件共128页，创作于2023年2月电阻应变片的工作原理金属应变片的电阻R为-—电阻丝轴向相对变形，即纵向应变-—电阻丝径向相对变形，即横向应变轴向伸长时，必沿径向缩小，有—电阻丝材料的泊桑比E：弹性模量；λ：压阻系数电阻丝电阻率相对变化与轴向所受正压力σ有关。18第18页，课件共128页，创作于2023年2月对金属材料而言，相对很小，可忽略较小，一般在1.7～3.6之间为应变片的应变系数或灵敏度19第19页，课件共128页，创作于2023年2月（二）半导体应变片半导体应变片的使用方法与金属应变片相同，但其工作原理是基于半导体材料的压阻效应，即单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。与金属应变片基于材料的几何尺寸变形的工作原理不同。半导体压阻效应的物理本质：单晶半导体在外力的作用下，原子的点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。720第20页，课件共128页，创作于2023年2月半导体应变片的灵敏度对半导体而言，远远大于因此，忽略这一值比金属应变片大50～70倍21第21页，课件共128页，创作于2023年2月半导体应变片的特点（1）体积小，灵敏度高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量，横向效应小；（2）半导体温度系数大，需要温度补偿；（3）灵敏度的非线性较大。22第22页，课件共128页，创作于2023年2月（三）电阻应变式传感器的应用两种应用方式直接用来测定结构的应变或应力23第23页，课件共128页，创作于2023年2月粘贴在弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理量的传感器。24第24页，课件共128页，创作于2023年2月采用单晶硅做成的悬臂梁式弹性元件，采用平面扩散工艺技术，在它上面形成四个性能一致的电阻，构成全桥；在梁的自由段连接敏感质量块，组成悬臂梁应变式加速度传感器。

25第25页，课件共128页，创作于2023年2月电阻应变片测出的是构件或弹性元件的应变，而不是应力。只有通过换算，才能得到相应的应力、力和位移。粘合剂和粘合技术对测量结果有着直接影响。因此，粘合剂的选择、粘合前试件表面的清理、粘合的方法和粘合后的固化处理、防潮处理应认真对待。应变片用于动态测试时，应考虑应变片本身的动态响应特性。应注意应变片工作温度对应变片阻值的影响。26第26页，课件共128页，创作于2023年2月案例：电子秤原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。应用27第27页，课件共128页，创作于2023年2月（四）测量电路（4.1电桥）电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出既可用仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。电桥的电路形式简单，具有较高的精确度和灵敏度，因此在测量装置中被广泛应用。28第28页，课件共128页，创作于2023年2月

电桥的分类

按其激励电压的性质分直流电桥和交流电桥。按其输出方式分不平衡桥式电路和平衡桥式电路729第29页，课件共128页，创作于2023年2月一、直流电桥U0UyabcdR1R4R2R3

1.工作原理要使电桥平衡，输出为零，应满足：或30第30页，课件共128页，创作于2023年2月2.直流电桥的分类根据工作中，电阻值参与变化的桥臂数分为半桥式连接和全桥式连接U0UyabcdR1R4R2R331第31页，课件共128页，创作于2023年2月（1）半桥单臂联接R1=R2=R3=R4=R0其灵敏度为：bU0UyacdR1RR4R2R332第32页，课件共128页，创作于2023年2月

特点：

1.需高精度的直流电源

2.有非线性误差33第33页，课件共128页，创作于2023年2月（2）半桥双臂联接bU0UyacdR1＋RR4R2

－RR334第34页，课件共128页，创作于2023年2月半桥双臂与半桥单臂相比，有：1.灵敏度提高一倍，且是线性的。2.具有温度补偿功能。35第35页，课件共128页，创作于2023年2月灵敏度比半桥双臂提高一倍，无非线性误差；具有温度补偿作用。（3）全桥联接U0bUyacdR1＋RR4－RR2

－RR3＋R36第36页，课件共128页，创作于2023年2月以上电桥是在不平衡条件下工作的，其输出与电源及其它电阻值有关，所以当电源不稳定就会产生测量误差。

平衡电桥可以有效地解决这一问题

电桥接法不同，输出电压也不同。半桥单臂灵敏度最小，半桥双臂提高一倍，全桥接法，灵敏度最大，因而激励电压相同的条件下，输出电压最大。37第37页，课件共128页，创作于2023年2月平衡电桥

H的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故H的指示值可以直接表达被测量的数值。这种测量法的特点是在读数时电表G始终指零，因此为“零位测量法”，其测量误差取决于可调电位器的精确度一般静态应变仪往往采用这种平衡电桥，并以手动实现平衡。在电子电位差计或X-Y记录仪中，通常是以伺服电动机来调整电位器的位置，实现自动调节器平衡。38第38页，课件共128页，创作于2023年2月平衡电桥和不平衡电桥精度的影响因素因不平衡电桥的输出电压与激励电压有关，故其精度受激励电压的稳定性的影响。平衡电桥因电桥最终输出为零，其输出与电桥激励电压无关，故其测量精度只与可调电位器的精度有关。负载影响小。39第39页，课件共128页，创作于2023年2月二、交流电桥

一般而言，电桥输出电压极小，需加放大器，但通用直流放大器容易产生零漂，因此目前通常采用交流放大器，这时电桥需采用交流电源供电。40第40页，课件共128页，创作于2023年2月1交流电桥的平衡条件

交流电桥的四个臂可为电感、电容或电阻，此时电桥平衡时应满足交流电桥平衡满足:相对两臂阻抗之模的乘积相等且其阻抗角之和也相等。则电桥平衡时必须同时满足以下两式：41第41页，课件共128页，创作于2023年2月

为满足交流电桥的平衡条件，交流电桥各臂有不同的组合，常用的电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接相同性质的阻抗以保持阻抗角相同。42第42页，课件共128页，创作于2023年2月对于右图所示电容电桥，R1、R4为电容介质损耗的等效电阻。平衡条件实部虚部分别相等，则：43第43页，课件共128页，创作于2023年2月2.交流电桥的平衡调节

电桥起始时，很难保证处于平衡状态，产生零位输出，所以必须设置调平衡电路。44第44页，课件共128页，创作于2023年2月交流电桥的激励电压均采用单一频率的正弦电压。3.交流电桥的激励电压

45第45页，课件共128页，创作于2023年2月将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥三、带感应耦合臂电桥46第46页，课件共128页，创作于2023年2月3.4电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型47第47页，课件共128页，创作于2023年2月（一）可变磁阻式一、自感型可变磁阻式传感器：将被测量的变化转变为磁路磁阻的变化，进而转换为电感量的变化。可变磁阻式的组成及工作原理由线圈、铁心和衔铁组成48第48页，课件共128页，创作于2023年2月铁芯线圈电路中，线圈自感量L为：i磁通量磁通势=电流*线圈匝数磁路磁阻所以原理:49第49页，课件共128页，创作于2023年2月L：线圈的电感量；W：线圈的匝数；Rm:磁路的总磁阻；：铁心和衔铁的磁导率；l:铁心和衔铁总导磁长度；

0：空气的磁导率；：气隙长度；A：铁心导磁截面积；A0：空气隙导磁截面积。铁心磁阻远小于空气隙的磁阻50第50页，课件共128页，创作于2023年2月变气隙式灵敏度为δ越小，灵敏度越高。为减小线性误差，常规定在较小间隙范围内工作。适用于较小位移的测量，一般约为0.001~1mm.51第51页，课件共128页，创作于2023年2月输出电感量与气隙

成反比，与气隙导磁截面积A0成正比。灵敏度与气隙

的平方成反比，

愈小，灵敏度越高。如以气隙为输入量，因灵敏度不是常数，故会出现线性误差，这限制了传感器的工作范围。可变磁阻式传感器的特点52第52页，课件共128页，创作于2023年2月可变导磁面积型53第53页，课件共128页，创作于2023年2月差动型衔铁移动时，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减少。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可增加一倍。54第54页，课件共128页，创作于2023年2月差动型的特点：1.灵敏度提高一倍；2.非线性误差减小，差动式的线性度得到明显改善；3.两边结构对称，温度引起的误差可相互补偿掉。55第55页，课件共128页，创作于2023年2月单螺管线圈型结构简单，制造容易。灵敏度低，适用于较大位移(数毫米）的测量。56第56页，课件共128页，创作于2023年2月双螺管线圈差动型灵敏度高，线性度好。双螺管线圈差动测量电路采用电桥电路，如图为带感应耦合的电桥。857第57页，课件共128页，创作于2023年2月（二）涡流式1.原理：金属体在可变磁场中的涡流效应根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，叫涡电流，此现象称为电涡流效应58第58页，课件共128页，创作于2023年2月原线圈的等效阻抗Z变化：涡流传感器的原理：线圈中通高频电流，产生Φ，Φ贯通导体，导体内产生电涡流，电涡流产生相反的Φ1

使线圈阻抗改变。由于线圈的阻抗不仅与线圈金属板间的距离有关，还与金属板的电阻率和磁导率以及线圈激磁角频率有关，因此，涡流传感器可以用来测量位移和振动、鉴别材质或探伤。59第59页，课件共128页，创作于2023年2月2.涡流式传感器的测量电路阻抗分压式调幅电路涡流式传感器的测量电路有：阻抗分压式调幅电路及调频电路。60第60页，课件共128页，创作于2023年2月61第61页，课件共128页，创作于2023年2月调频电路与调幅法不同的是以回路的谐振频率作为输出量。再通过鉴频电路进行频率—电压转换，从而得到与距离成比例的输出电压。2.涡流式传感器的测量电路62第62页，课件共128页，创作于2023年2月3.涡流式传感器的特点结构简单、使用方便；可非接触测量；不受油液介质影响，抗干扰能力强。位移、力、振动测量，测厚,材质判别，探伤。4.应用：63第63页，课件共128页，创作于2023年2月案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测64第64页，课件共128页，创作于2023年2月案例：测厚案例：零件计数65第65页，课件共128页，创作于2023年2月二、互感型－－差动变压器工作原理:利用电磁感应中的互感现象。将被测物理量的变化转换成线圈互感的变化。当线圈W1输入交流电流时，线圈2产生感应电动势，其大小与电流i1的变化率成正比M，比例系数，称为互感（H），其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的耦合程度。其实质是一个变压器，当初级线圈接入稳定交流电，被测参数使互感M变化时，次级输出电压随着变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称为差动变压器式传感器。66第66页，课件共128页，创作于2023年2月WW1W2结构:由初级线圈，两个对称的次级线圈，骨架，衔铁组成。两个参数完全相同的次级线圈W1和W2反极性串联。67第67页，课件共128页，创作于2023年2月差动变压器是一种互感型电感式传感器，其结构类似于变压器，由初级线圈、次级线圈和铁芯组成，铁芯是活动的，初级线圈与次级线圈之间耦合的紧密程度受到铁芯位置的影响。在初级线圈加固定交变电压，次级线圈的输出电压幅值与铁芯的位置有一定的关系，从而将铁芯的位置信号转变为输出电压信号。由于常常采用两个次级线圈组成差动方式，即当铁芯的位置朝某一方向运动时一个次级输出的电压幅值增加而另一个输出的幅值减小，当铁芯的运动方向改变时，两个次级线圈电压幅值的增减也正好相反，因此这种传感器被称作差动变压器式传感器。

差动变压器式传感器的工作原理：968第68页，课件共128页，创作于2023年2月输出电压e0是两个次级线圈感应电压之差，即e0=e1-e2Ewe1e2e069第69页，课件共128页，创作于2023年2月输出交流电压，且其幅值与铁心位移成正比，但只反映位移的大小，不能反映移动的方向。存在由两个次级线圈结构不对称以及初级线圈铜损、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因形成的零点残余电压。差动变压器的特性：70第70页，课件共128页，创作于2023年2月测量电路差动变压器式电感传感器测量位移的原理框图71第71页，课件共128页，创作于2023年2月差动变压器式传感器的特点：结构简单，性能可靠；精确度高(0.1m)，灵敏度高；线性范围大（0～750mm）

；稳定度好；使用方便。72第72页，课件共128页，创作于2023年2月应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度等.案例：板的厚度测量~案例：张力测量73第73页，课件共128页，创作于2023年2月3.5电容式传感器

一、变换原理:

将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++

A

真空中介电常数介质的相对介电常数当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为电容量的变化。（实质上是一个具有可变参数的电容器）74第74页，课件共128页，创作于2023年2月分类:

a)极距变化型:c)介质变化型:+++b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++75第75页，课件共128页，创作于2023年2月（一）极距变化型工作原理由电容量表达式可知，如两极板互相覆盖面积及极间介质不变，则电容量与极距呈非线性关系。且传感器的灵敏度为:+++与极距平方成反比，即传感器灵敏度随极距而变化，这将带来线性误差。因此，通常规定在较小的间隙变化范围内工作，以便获得近似线性关系。一般取极距变化范围为:76第76页，课件共128页，创作于2023年2月实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构，在差动式电容器中，当动极板位移时，电容器C1的间隙1变为0－，电容器C2的间隙2变为0

＋。可以推导出，两个参数相同的电容采用差动连接组成的传感器的灵敏度是使用其中单个电容器组成传感器的2倍。线性误差也减小。77第77页，课件共128页，创作于2023年2月可进行动态非接触式测量；动态响应好，具有很高的固有频率；灵敏度高，适用于小位移（0.01微米～数百微米）的测量；存在线性误差；杂散电容对灵敏度和测量精度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂。极距变化型电容传感器的特点：78第78页，课件共128页，创作于2023年2月角位移型、平面线位移型、柱面线位移型.++++++如右图，两极板的覆盖面积所以电容量灵敏度为常数（二）面积变化型面积变化型也可以采用差动式79第79页，课件共128页，创作于2023年2月面积变化型的特点：输出与输入成线性关系；灵敏度较低，适用于较大直线位移或角位移的测量。80第80页，课件共128页，创作于2023年2月这是一种利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。可用来测量电介质的液位或某些材料的厚度等，也可用来测量空气的湿度。测纸张、电影胶片等的通过垂直放入液体中，可测量浸入的液面高度（三）介质变化型981第81页，课件共128页，创作于2023年2月电容式传感器特点：1.动态响应好，具有小的静电力，小的可动质量（两极板间的静电引力小，活动极板的质量很小，两块极板很轻，所以有很高的固有频率，动态响应快）2.介质损耗小，无发热问题。3.结构简单，适应性强，可实现非接触测量。4.传感器的电容值一般很小（几十～几百p），引线电容可造成很大的误差。5.主要用于小位移的测量。82第82页，课件共128页，创作于2023年2月二、测量电路（一）电桥型电路将电容传感器作为电桥的一部分，将电容变化转换为电桥的电压输出。通常采用电阻、电容、或电感、电容组成的交流电桥。83第83页，课件共128页，创作于2023年2月由高频振荡器输入稳定的振荡信号，幅值和频率恒定，当被测量使电容值发生变化时，则谐振电路的阻抗发生变化，并转换成电压或电流输出。经放大、检波可得到输出（二）谐振电路：84第84页，课件共128页，创作于2023年2月当被测量使电容值发生变化时，振荡器的频率产生相应的变化，即振荡器输出受被测信号调制的调频波，该调频波经过鉴频器变为电压变化。这种电路具有抗干扰性强、灵敏度高等优点，可测0.01微米的位移。但缺点是电缆电容的影响较大，使用中有些麻烦。（三）调频电路：85第85页，课件共128页，创作于2023年2月输入阻抗采用固定电容C0，反馈阻抗采用电容传感器C，由运算放大器的运算关系得输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。（四）运算放大器电路：极距变化型电容传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传感器的应用受到一定限制。采用比例运算放大器可得到输出与位移之间的线性关系86第86页，课件共128页，创作于2023年2月三、测量电路设计中应注意的问题注意传感器板极与周围元件之间以及连接电缆存在的分布和寄生电容的影响。为减小或消除上述因素的影响，常采用缩短传感器和测量电路之间的电缆。采用专用的驱动电缆。87第87页，课件共128页，创作于2023年2月应用案例:液面高度测量88第88页，课件共128页，创作于2023年2月3.6压电式传感器

一、工作原理:

压电效应：某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。

压电式传感器是利用某些物质的压电效应，把被测量的变化转换为电荷量变化的传感器。相反，如果将这些物质置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由于外电场的作用导致物质的机械变形称为逆压电效应，或称为电致伸缩。89第89页，课件共128页，创作于2023年2月q=dcFF+—电荷量—压电常数—作用力沿x轴方向受力Fx，垂直x轴的平面产生电荷，称纵向效应沿y轴方向受力Fy，垂直x轴的平面产生电荷，称横向效应沿相对两棱受力产生切向效应90第90页，课件共128页，创作于2023年2月二、压电材料压电材料大致有三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜压电单晶：代表性的如石英晶体，稳定性好，但压电常数不高压电陶瓷：压电常数比石英高数百倍，应用最广有机压电薄膜：高分子压电薄膜的压电特性并不太好，但它可以大量生产，具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人触觉。1091第91页，课件共128页，创作于2023年2月三、等效电路在压电晶片的两个工作面进行金属蒸镀，引出电极，就成了压电传感器因此压电传感器可以看成是电荷发生器，或电容器92第92页，课件共128页，创作于2023年2月当压电传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容和后续电路的输入阻抗就形成传感器的负载。此时有以下电荷平衡关系当输入力为正弦力时，输出电荷亦为正弦变化量，即可容易求出（稳态）电压为93第93页，课件共128页，创作于2023年2月在测试动态量时，为了建立一定的输出电压并为了不失真地测量，压电式传感器的后续测量电路必须有高输入阻抗，在输入端并联一定的电容以加大时间常数。但并联电容过大也会使输出电压降低过多，降低了测量装置的灵敏度。94第94页，课件共128页，创作于2023年2月粘结的方法有两种，即并联和串联。并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。

在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。95第95页，课件共128页，创作于2023年2月四、测量电路

压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。

压电式传感器的测量放大电路通常有两种形式，其一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出）成正比。由上页公式可以看出，由于电压与电容有关，而电容C中的最大成份是电缆对地的分布电容，因此整个测量系统对分布电容的变化非常敏感，连接电缆的长度和形态变化，都会导致传感器输出电压的变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化。

其二是电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用广泛。

96第96页，课件共128页，创作于2023年2月

可见，此时输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆对地电容无关。因此采用电荷放大器时，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化。

考虑到运放的开环增益A非常大，输入阻抗很高，有97第97页，课件共128页，创作于2023年2月五、应用b)压力变送器a)加速度计，力传感器

98第98页，课件共128页，创作于2023年2月磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。磁电式传感器是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。

3.6磁电式传感器

根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即

1.工作原理及分类:

磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

99第99页，课件共128页，创作于2023年2月磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。

100第100页，课件共128页，创作于2023年2月2动圈式传感器

匝数

磁感应强度

线圈有效长度

相对运动速度

结构系数

单匝线圈截面

感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。101第101页，课件共128页，创作于2023年2月动圈式磁电传感器等效电路其等效电路的输出电压为

忽略Cc，RL»Z0102第102页，课件共128页，创作于2023年2月3.磁阻式传感器

线圈与铁芯不作相对运动，由运动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻磁阻式传感器又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。

103第103页，课件共128页，创作于2023年2月图a为开路变磁通式传感器，线圈和磁铁静止不动，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。

图b为闭合磁路变磁通式传感器结构示意图，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮转速n(r/min)成正比，即f=n/60。

104第104页，课件共128页，创作于2023年2月3.磁阻式传感器

105第105页，课件共128页，创作于2023年2月第三章常用传感器3.8半导体传感器

工作原理利用半导体对光、热、力、磁、气体、湿度等物理化学量的敏感特性，将非电量转换为电量。106第106页，课件共128页，创作于2023年2月3.8半导体传感器

半导体传感器的特点：半导体传感器是物性型传感器；可做成结构简单、体积小、重量轻的器件；功耗低、安全可靠、寿命长；对被测量敏感、响应快；易实现集成化；半导体传感器的缺点：非线性严重；受温度影响大；性能参数分散性大。107第107页，课件共128页，创作于2023年2月3.8半导体传感器一、磁敏传感器

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

1.霍尔元件

霍尔常数磁感应强度电流与磁场方向的夹角霍尔电势利用半导体材料的霍尔效应进行工作。108第108页，课件共128页，创作于2023年2月基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料，由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。109第109页，课件共128页，创作于2023年2月应用举例：将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1－VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。

110第110页，课件共128页，创作于2023年2月磁阻元件利用半导体材料的磁阻效应来工作。磁阻效应通有电流的金属或半导体片的电阻随外磁场而变化，与材料和几何形状有关。磁阻元件的应用位移、力和加速度等参数的测量；接近开关和无触点开关。2.磁阻元件特点：电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；温度系数影响大；磁感应的范围比霍尔元件大。3.8半导体传感器

10111第111页，课件共128页，创作于2023年2月二、光电转换元件

光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。1)光敏电阻

光敏电阻是一种光电导元件，指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。3.8半导体传感器

112第112页，课件共128页，创作于2023年2月2)光电池光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+++---PN113第113页，课件共128页，创作于2023年2月3)应用光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式（透射式）、遮光式、反射式、辐射式（直射式）四种基本形式。常用于测量混合气体、液体的透明度、浓度等用于测量工件表面粗糙度及测量转速等常用于测量位置、位移、振动、频率等常用于温度测量114第114页，课件共128页，创作于2023年2月直射式光电转速传感器的结构如图。由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速。应用

n=f/N

n—转速；f—脉冲频率；N—圆盘开孔数。

115第115页，课件共128页，创作于2023年2月三、热敏电阻传感器

半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。

3.8半导体传感器

116第116页，课件共128页，创作于2023年2月(1)电阻温度系数大，灵敏度高，可测量微小的温度变化值。例如，可以测出0.001～0.005℃的温度变化。

(2)体积小，热惯性小，响应快。例如，直径可小到0.5mm，响应时间可短到毫秒级。

(3)元件本身的电阻值可达3～700kΩ，当远距离测量时，导线电阻的影响可不考虑。

(4)在-50～350℃的温度范围内，具有较好的稳定性。

半导体热敏电阻的特点：117第117页，课件共128页，创作于2023年2月应用温控器热敏电阻3.8半导体传感器

118第118页，课件共128页，创作于2023年2月四、气敏传感器

气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锌等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。

气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO2气体测量、酒精浓度探测等方面。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器3.8半导体传感器

119第119页，课件共128页，创作于2023年2月5CCD固态图象传感器MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元(MOS)。在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。3.8半导体传感器

120第120页，课件共128页，创作于2023年2月CCD传感器的应用

CCD传感器依照其像素排列方式的不同主要分为线阵、面阵两种。CCD传感器用于非电量的测量，主要用途大致归纳为以下三个方面：

(1)组成测试