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51常用传感器范文 测试技术基础机械工程及自动化学院周正干xx-4-151测试技术基础第五章常用传感器5.1传感器作用及分类5.2发电型传感器5.3参量型传感器xx-4-152传感器作用及分类5.1传感器的作用与分类5.1.1传感器的基本概念人的五官眼睛耳朵鼻子舌头皮肤感觉视觉听觉嗅觉味觉触觉传感器功能定义传感器是一种把特定的被测信息量按照一定规律转换成为可用信号输出的器件或装置。 xx-4-153传感器作用及分类被测量物理量、化学量、生物量可用信号便于处理和传输的非噪声信号（电信号、光信号）规律确定规律，可以重复（线性、非线性、周期）传感器传-传递信息；感-感受被测量；器-器件例热敏电阻-温度变化-电阻变化xx-4-15R4传感器作用及分类xx-4-155传感器作用及分类5.1.2传感器的构成型式被测量敏感元件变换元件被测量传感器敏感感受被测量变化，并输出相对应的电信号“转换电路”例电阻应变片（应变-电阻）元件又称“转换元件”或xx-4-156传感器作用及分类变换把敏感元件输出的电信号变换成为便于记录、元件显示、处理和控制的可用信号的电路，又称“信号调理电路”或“测量电路”例电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。 传感器的敏感元件与变换元件，二者有时很容易分开，有时合二为一。 xx-4-157传感器作用及分类5.1.3传感器的作用传感器是控制系统中的第一个环节，它具有两个作用1.敏感作用感受物理量的变化，以完成对被测信号的拾取。 2.变换作用将非电量变换成电量。 xx-4-158传感器作用及分类5.1.4传感器的分类1.按输出信号是模拟量还是数字量，可分成模拟传感器与数字传感器。 （I(t)、V(t)，数字量、频率量）2.按变换原理，可分为参量型与发电型。 参量型被测量使传感器本身的电参量R、L、C改变，这种传感器工作时必须有外加电源，故又称为无源型，通常将其接入电桥，谐振电路等信号调节器中，再变换成电压或电流量。 xx-4-159传感器作用及分类发电型被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可直接接入放大器或记录仪器，所以又称为有源型，一般不需外加电源，如热电偶、压电型传感器等。 但由于能量有限，通常还要接放大器。 发电型参量型xx-4-1510传感器作用及分类xx-4-1511传感器作用及分类分类法按基本效应分类按构成原理分类型式物理型化学型生物型结构型物性型电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式说明采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按工作原理分类xx-4-1512传感器作用及分类分类法按能量关系分类型式能量转换型能量控制型说明传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制长度、角度、振按输入量动、位移、压力、温度、流量、距分类离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、）输出量为数字信号（脉冲、编码、）xx-4-1513传感器作用及分类5.1.3传感器工作原理与标定任何一种传感器其工作原理都是基于某一种物理现象或化学现象。 这种现象抽象成若干个物理量（其中有一个电量）按一定规律相互影响，可用一个数学公式来表示（建立一个数学模型），即通常为电量的y=f(x1,x2,x3,.,x n)L如R=就描述了四个物理量间的关系。 Sxx-4-1514（通常为非电量）传感器作用及分类如果我们能够让被测量影响某一个参数，而通过另一个电参数的变化来反映被测量的大小，那么一个传感器就制造出来了。 所以一种传感器的设计、研制都要基于某种物理效应，在此基础上再设计出敏感部分的结构以及变换部分的结构。 我们在下面介绍的各种传感器都是从某一基本的物理概念或原理出发，根据物理量间的关系来分析相应的传感器结构及特点。 xx-4-1515传感器作用及分类传感器在使用之前一般要进行标定，即确定输入与输出的关系，通常由于制作误差和原理的理想化，使输入输出不能严格满足理想的物理公式。 所以，只有给定已知输入，确定输入、输出二者间关系后才能使用。 xx-4-1516发电型传感器5.2发电型传感器简介5.2.1电动式传感器（磁电式传感器）1.工作原理根据电磁感应定理，一个匝数为w的线圈，当穿过该线圈的磁通发生变化时，其感应电动势的大小为de=wdtxx-4-1517发电型传感器电动势与磁通变化率有关。 导致磁通变化的原因有多种，当线圈的匝数及磁场强度不变时，磁通的变化率与磁路的磁阻及线圈在磁场中的运动速度有关。 改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 根据利用被测量改变线圈速度或磁阻的方式，可将电动式传感器分成动圈式和变磁阻式。 xx-4-1518发电型传感器线速度型线速度型动圈式动圈式磁磁电电式式角速度型角速度型变磁阻式变磁阻式Nxx-4-1519发电型传感器动圈式工作原理a.线圈在磁场中作直线运动e=wBlv其中，w线圈匝数，B磁感应强度，l单匝线圈有效长度，v线圈与磁场的相对速度。 b.线圈在磁场中作旋转运动e=kWBA其中，k与结构有关的系数（），A线圈的截面积，角速度。 xx-4-1520发电型传感器动圈式传感器xx-4-1521发电型传感器角速度型测速电机xx-4-1522发电型传感器变磁阻式工作原理一般通过改变传感器到被测对象间的气隙厚度等方法来改变磁路磁阻。 变磁阻式传感器磁电式车速传感器xx-4-1523发电型传感器2.电动式传感器的构成及其应用振动测量z动圈式相对速度传感器由两部分组成，一部分安装在被测物体上，通常是磁铁与壳体，另一部分是线圈，固定在参照物体上；当两个物体产生相对运动时，便产生电压量输出。 （P104图5-40）xx-4-1524发电型传感器z动圈式绝对速度传感器传感器壳体固定在被测振动物理上，当壳体以大于某一频率点的频率振动时，线圈芯轴系统（质量大，惯性力大）相对于大地是静止的，因此壳体磁钢与线圈之间的相对速度就是被测物体的绝对速度，线圈以这一速度切割磁力线，产生的电动势的大小即反应了被测对象的运动速度。 （P104图541）xx-4-1525发电型传感器z变磁阻式电动式传感器探头的磁极与振动物体间有一气隙，当振动物体振动时，气隙变化引起磁路磁阻改变，线圈磁通发生变化，输出电动势与振幅成比例。 （P104图5-42）xx-4-1526发电型传感器xx-4-1527发电型传感器转速传感器及转速测量?测速发电机工作原理与发电机原理相同。 e=kWBA?开磁路转速传感器（如图所示）齿轮旋转时，探头与齿轮间气隙发生变化，引起磁阻改变。 线圈中的感应电动势的频率与转速的关系式为f其中，f感应电势频率N齿数n转速【演示】xx-4-1528发电型传感器xx-4-1529发电型传感器xx-4-1530发电型传感器5.2.2压电式传感器1工作原理压电效应某些材料，如石英晶体和钛酸钡陶瓷，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；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。 其表面产生电荷量的改变与受力情况有关，即D压电系数；F施加力的大小Q=DF不同的材料虽然压电机理不同，但最终产生的效应是等同的。 xx-4-1531发电型传感器F+串联+q=DFxx-4-15并联32发电型传感器2压电变换元件的应用特性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。 xx-4-1533发电型传感器压电变换元件相当于电荷源，其等效电路为C=C0+C iR=R0/R i电路方程Q(t)=Cv+i.dtxx-4-1534发电型传感器dQ(t)dv dvv=C+i=C+两边进行拉普拉斯变换有dt dtdt R1SQ(s)=CSV(s)+V(s)RV(s)RSH(s)=Q(s)RCS+11/CH(j)=11+jCRxx-4-151C11+RSC当输入F(t)=F0sin0t时35发电型传感器Q(t)=DF0sin0t=Q0sin0t输出u(t)=Q0|H(j0)|sin0t+?(0)Q0/C DF0/C=其幅值V0=12121+()1+()CR0CR0可见，若想使输出信号保持一定的幅值，有一个范围，或者说RC?1时V0Q0/C所以必须有足够大的时间常数RC，但C大，V0小，相当于灵敏度低，所以，要求R大。 而对于频率较低或直流信号，用这种压电机理构成的传感器，就不能测量或误差很大。 【演示】xx-4-1536发电型传感器xx-4-1537发电型传感器产品压力变送器加速度计力传感器xx-4-1538发电型传感器5.2.3热电偶式传感器1.工作原理热电偶是基于热电势效应原理的测温用传感器，如图，若 1、2点温度不同，回路中有电流产生，称之为热电势。 对于某个确定的热电偶，当某一端温度T0恒定时，热电势仅与测量端温度T有关，故可测温度T。 热电势由两部分组成接触电势；温差电势。 xx-4-1539发电型传感器接触电势A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生接触电势(T)e ABKT nA=lnq n B式中，波尔茨曼常数，电子电荷量，A、B电子浓度，绝对温度。 热电势的方向与导体电子浓度n有关。 显然，当AB材料已定时，接触电势与温度T（绝对温度）有关。 xx-4-1540发电型传感器温差电势当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。 e n(T,T0)=TT0dt式中，汤姆逊系数，与材料性质及导体两端平均温度有关xx-4-1541发电型传感器所以，当两种材料AB组成一个闭合回路时，设0时，回路中总电势为E AB(T,T0)=e AB(T)?e AB(T0)+e B(T,T0)?e A(T,T0)由于接触电势大于温差电势，所以，当0时，A为正极，B为负极。 若忽略温差电势的影响，并设AB，通常可写作E AB(T1,T0)=K AB(T1?T0)式中，AB为热电偶灵敏度。 xx-4-1542发电型传感器2.热电偶基本定理均匀电路定律由单一的金属构成的回路中不存在热电势。 中间金属定律在由A、B两种导体组成的热电偶回路中，将冷端断开，接入第三种或更多种导体，只要保证接入端的温度相同，则回路总电势不变。 xx-4-1543发电型传感器证明E=e AB(t)+e BC(t0)+e CA(t0)+e B(t,t0)+e C(t0,t0)+e A(t0,t)t t0t0kT nA kT0n BkT0n C=ln+(ln+ln)+B dt+C dt+A dtt0t0tq nB q n Cq nAt0kT nA kT0n Bt=ln+ln+B dt+A dttqnBqnAt0=e AB(T)?e AB(T0)+e B(t,t0)?e A(t,t0)xx-4-1544发电型传感器中间温度定理E AB(t1,t2)=E AB(t1,t3)+E AB(t3,t2)一般热电偶的分度表（输出特性）是在冷端为0时给出的，若测量时冷端不为0，则可据此修正。 xx-4-1545发电型传感器热电偶相配定理E AB(t1,t2)=E AC(t1,t2)+E CB(t1,t2)t2t1有时热电偶的两个极AB的分度表不知，但知道AC、BC的分度表，据此则可获得A、B的分度表。 xx-4-1546发电型传感器3.热电偶传感器及其应用热电偶的材料有许多种，一般金属有镍铬镍铝硅、铜、康铜，贵重金属有铂铑铂、铂铑3，铂铑6以及钨、钼等。 热电偶的种类也比较多，构成基本相同由热电极材料、绝缘材料、保护材料和引线装置等组成。 热电偶是一种发电型传感器，其输出信号可直接接入记录仪器。 利用热电偶还可测量两点温差及温度场中多点的平均温度，在实际使用时，还可利用不同被测对象构成热电偶，如测磨削温度；可用车刀与零件构成一对热电偶，有关方面知识还可参考其它专著。 xx-4-1547发电型传感器xx-4-1548发电型传感器5.2.4半导体光电效应式传感器光电导效应光的照射使半导体载流子（电子空穴）浓度加大，电导率增加，根据光电导效应可以制成光敏电阻。 光电导效应的特点a.驰豫现象光电导值改变滞后于光强的变化。 因此其具有低频响应好，高频响应不好的特点。 在使用中要注意信号的变化频率。 b.光谱特性电导率的增量与光的频率有关。 不同的半导体