常用传感器PPT课件

1、10/25/2021110/25/202125.1 传感器作用及分类传感器作用及分类5.2 发电型传感器发电型传感器5.3 参量型传感器参量型传感器10/25/202135.1 传感器的作用与分类传感器的作用与分类5.1.1 传感器的作用传感器的作用2. 变换作用：将非电量变换成电量。变换作用：将非电量变换成电量。传感器是控制系统中的第一个环节，它具有两个作用：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。敏感作用：感受物理量的变化，以完成对被测信号的拾取。对应这两个作用，传感器一般由两部分对应这两个作用，传感器一般由两部分组成，即敏

2、感元件与变换元件，二者有组成，即敏感元件与变换元件，二者有时很容易分开，有时合二为一。时很容易分开，有时合二为一。10/25/202145.1.2 传感器的分类传感器的分类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，频率量数字量，频率量）。）。按变换原理，可分为参量型与发电型。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，谐振器工作时必须有

3、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。电路等信号调节器中，再变换成电压或电流量。 发电型：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可直接接入发电型：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、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。压电型传感器等。但由于能量有限，通常还要接放大器。 发电型发电型参量型参量型10/25/202155.1.3 传感器工作原理与标定传感器工作原理与标定 任何一种传感器其工作原理

4、都是基于某一种物理现象或化学现象。这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：用一个数学公式来表示（建立一个数学模型），即： 通常为通常为电量电量的的 y=f(x1,x2,xn) （通常为非电量）（通常为非电量） 如：如： r=l/a 就描述了四个物理量间的关系。就描述了四个物理量间的关系。 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

5、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、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。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。 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，通常传感器在使用之前

6、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。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。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。10/25/202165.2 发电型传感器简介发电型传感器简介 5.2.1 电动式传感器（磁电式传感器）电动式传感器（磁电式传感器） 1. 工作原理：工作原理：根据电磁感应定理，一个匝数为根据电磁感应定理，一个匝数为w的线圈，当穿过该线圈的的线圈，当穿过该线圈的磁通磁通发生变化时，其感应电动势的大小为：

7、发生变化时，其感应电动势的大小为： etwdd 电动势电动势与与磁通变化量磁通变化量有关。导致磁通变化的原因有多种，当线圈的有关。导致磁通变化的原因有多种，当线圈的匝匝数数及及磁感应强度磁感应强度不变时，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。根据利用被测量改变线圈速度或磁阻的方式，可将电动式传动速度有关。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感器分成动圈式动圈式和和变磁阻式变磁阻式。 10/25/20217 动圈式工作原理动圈式工作原理 a. 线圈在磁场中作直线运动线圈在磁场中作直线运动 ewblv其中，其

8、中，w线圈匝数，线圈匝数，b磁感应磁感应强度，强度，l单匝线圈有效长度，单匝线圈有效长度，v线圈与磁场的相对速度。线圈与磁场的相对速度。 b. 线圈在磁场中作旋转运动线圈在磁场中作旋转运动 ekwba其中，其中，k与结构有关的系数与结构有关的系数（），（），a线圈的截面积，线圈的截面积，角速度。角速度。 10/25/20218变磁阻式工作原理：变磁阻式工作原理：一般通过改变传感器到被测对象间的一般通过改变传感器到被测对象间的气隙厚气隙厚度度等方法来改变磁路磁阻等方法来改变磁路磁阻。 2. 电动式传感器的构成及其应用电动式传感器的构成及其应用 振动测量振动测量动圈式相对速度传感器：动圈式相对速度

9、传感器：由两部分组成，一部分安装在被测物体上，通由两部分组成，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。生相对运动时，便产生电压量输出。（p104 图图540）动圈式绝对速度传感器：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）（质量大，惯性力大）相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

10、是被测物体对于大地是静止的，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。了被测对象的运动速度。 （p104 图图541）变磁阻式电动式传感器：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。势与振幅成比例。 （p104 图图542） 【演示】【演示】10/25

11、/2021910/25/202110 转速传感器及转速测量转速传感器及转速测量u 测速发电机：工作原理与发电机原理相同。测速发电机：工作原理与发电机原理相同。ekwbau开磁路转速传感器（如图所示）：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感应电动势的频率与转速的关系式为为 f其中，其中，f：感应电势频率：感应电势频率 n：齿数：齿数 n：转速【演示】：转速【演示】10/25/20211110/25/2021125.2.2 压电式传感器压电式传感器压电效应

12、，某些材料，如石英晶体和钛酸钡陶瓷，在某一方向受压电效应，某些材料，如石英晶体和钛酸钡陶瓷，在某一方向受力时，其表面产生电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即力时，其表面产生电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即 qdf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。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。1工作原理工作原理d：压电系数；：压电系数；f：施加力的大小：施加力的大小10/25/2021132压电变换元件的应用特性：压电变换元件的应用特性：压电变换元件相当于电荷源，其等效电路为：压电变换元件相当于电荷源，其等效电路为： 00/iicccrrr电路方程：电路方程： (

13、 ).q tcvi dt10/25/202114( )dq tdvdvvcicdtdtdtr 两边进行拉普拉斯变换有：两边进行拉普拉斯变换有： 1( )( )( )1( )( )1( )11sq scsv sv srv srsch sq srcsrsc1/()11ch jjcr当输入当输入 00( )sinf tft时时 10/25/2021150000( )sinsinq tdftqt输出输出： 0000( )|() | sin()u tqh jt 其幅值：其幅值： 0002200/111()1()qcdfcvcrcr可见，若想使输出信号保持一定的幅值，可见，若想使输出信号保持一定的幅值，有

14、一个范围，或者说有一个范围，或者说 1rc时时 00/vqc所以必须有足够大的时间常数所以必须有足够大的时间常数rc，但，但c大，大，v0小，相当于灵敏度小，相当于灵敏度低，所以，要求低，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。理构成的传感器，就不能测量或误差很大。【演示】【演示】10/25/20211610/25/2021175.2.3 热电偶式传感器热电偶式传感器1. 工作原理：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，热电偶是基于热电势效应原理的测温用传感器，如图，若若1、2点温

15、度不同，回路中有电流产生，称之为热电势。对于某个点温度不同，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恒定时，热电势仅与测量端温度t有关，故可测温度有关，故可测温度t。热电势由两部分组成：。热电势由两部分组成：接触电势；接触电势；温差温差电势。电势。 10/25/202118 接触电势：接触电势：a、b两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生接触电势：附近产生接触电势： ( )lntaabbktneqn式中，波尔茨曼常数，电子电荷量，式中，波尔茨曼常数，电子电荷量，a

16、a、b b电子浓度，电子浓度，绝对温度。绝对温度。 温差电势：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。当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。 00( ,)tnte t tdt式中，式中，汤奴逊系数，与材料汤奴逊系数，与材料性质及导体两端平均温度有关性质及导体两端平均温度有关 热电势的方向与导体电子浓度热电势的方向与导体电子浓度n有关。显然，当有关。显然，当ab材料已定时，材料已定时，接触电势与温度接触电势与温度t（绝对温度）有关。（绝对温度）有关。 10/25/202119所以，当两种材料所以，当两种材料ab组成一个闭合回路时，设组成一个闭合回路时，设0时，回路

17、时，回路中总电势为中总电势为 0000( ,)( )()( ,)( ,)abababbaet tetetet tet t由于接触电势大于温差电势，所以，当由于接触电势大于温差电势，所以，当0时，时，a为正极，为正极，b为为负极。若忽略温差电势的影响，并设负极。若忽略温差电势的影响，并设ab，通常可写作：，通常可写作： 1010(,)()ababet tktt式中，式中，ab为热电偶灵敏度为热电偶灵敏度。10/25/202120 中间金属定律：中间金属定律：在由在由a、b两种导体组成的热电偶回路中，将冷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，端断

18、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。则回路总电势不变。 2. 热电偶基本定理热电偶基本定理 均匀电路定律：均匀电路定律：由单一的金属构成的回路中不存在热电势。由单一的金属构成的回路中不存在热电势。10/25/202121000000000000000000( )( )( )( ,)( ,)( , )ln(lnln)lnln( )()( ,)( ,)abbccabcatttabcbcatttbcattabbattbaababbaeetetetet tettettktnktnktndtdtdtqnqnqnktnktndtdtqnqnetetet tet t证明：

19、证明： 10/25/202122中间温度定理中间温度定理121332( ,)( ,)( ,)abababet tet tet t 一般热电偶的分度表（输出特性）是在冷端为一般热电偶的分度表（输出特性）是在冷端为0时给出的，若时给出的，若测量时冷端不为测量时冷端不为0，则可据此修正。，则可据此修正。 10/25/202123热电偶相配定理热电偶相配定理 12122( ,)( ,)( ,)abaccbet tet tet t 有时热电偶的两个极有时热电偶的两个极ab的分度表不知，但知道的分度表不知，但知道ac、bc的的分度表，据此则可获得分度表，据此则可获得a、b的分度表。的分度表。 2110/2

20、5/2021243. 热电偶传感器及其应用热电偶传感器及其应用 热电偶的材料有许多种，一般金属有镍铬热电偶的材料有许多种，一般金属有镍铬镍铝硅、铜、康镍铝硅、铜、康铜，贵重金属有铂铑铜，贵重金属有铂铑铂、铂铑铂、铂铑3，铂铑，铂铑6以及钨、钼等。热电偶以及钨、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。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，器。利

21、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。它专著。 10/25/2021255.2.4 半导体光电效应式传感器半导体光电效应式传感器光电导效应光电导效应光的照射使半导体载流子（电子空穴）浓度加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。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：光电导效应的特

22、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。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。不同的半导体元件对光谱特性：电导率的增量与光的频率有关。不同的半导体元件对不同波长的光敏感程度不一样，因此，在使用时，应选择最佳频不同波长的光敏感程度不一样，因此，在使用时，应选择最佳频率的关源。率的关源。 光生伏特效应：光生伏特效应：光线照射在半导体的光线照射在半导体的pn结上时，在结附结上时，在结附近激发出电子空穴对，在

23、结电场的作用下，电子向近激发出电子空穴对，在结电场的作用下，电子向n区运动，区运动，使使p区剩下空穴，从而区剩下空穴，从而n区带负电，区带负电，p区带正电，形成光生电区带正电，形成光生电动势。由此可制成光电池，光敏三极管，二极管等。动势。由此可制成光电池，光敏三极管，二极管等。10/25/202126应用应用函数运用状态：用被测量改变光照强度，从而使输出电流函数运用状态：用被测量改变光照强度，从而使输出电流与光照成比例，可以测量水的透明度，位移等。与光照成比例，可以测量水的透明度，位移等。开关运用状态：判断光的有无，如开门，关门，转速测量，开关运用状态：判断光的有无，如开门，关门，转速测量，产

24、品技术，水压。产品技术，水压。10/25/2021275.3 参量型传感器简介参量型传感器简介5.3.1 电涡流式传感器电涡流式传感器 电涡流效应电涡流效应 如图所示，线圈中通过交变电流，产生交变磁通；如图所示，线圈中通过交变电流，产生交变磁通；当交变磁通通过导体时，交变磁通使导体内部产生闭合电流，当交变磁通通过导体时，交变磁通使导体内部产生闭合电流，称之为电涡流，电流方向随磁通方向变化而改变。称之为电涡流，电流方向随磁通方向变化而改变。 通常交变磁通借助于通过交变电流的线圈来产生，设线圈产生的通常交变磁通借助于通过交变电流的线圈来产生，设线圈产生的磁通为磁通为1，1作用在导体中产生的电涡流同

25、样产生磁通作用在导体中产生的电涡流同样产生磁通2，且，且与与1方向相反。由于方向相反。由于2对线圈的反作用，导致线圈的阻抗发生变对线圈的反作用，导致线圈的阻抗发生变化。化。 一般来说，线圈的阻抗与许多参数有关。一般来说，线圈的阻抗与许多参数有关。 1. 1. 工作原理工作原理：10/25/20212810/25/202129 z = f（，f 以及表面状况以及表面状况） - 距离，距离，- 磁导率，磁导率，-电导率，电导率，f - 频率频率, 如果这些参数中有某个发生变化，线圈阻抗便会发生变化，通如果这些参数中有某个发生变化，线圈阻抗便会发生变化，通过测线圈的阻抗，便能测定相应的物理量。过测线

26、圈的阻抗，便能测定相应的物理量。 线圈的等效阻抗线圈的等效阻抗 将产生电涡流的导体看作是一个封闭回路，根将产生电涡流的导体看作是一个封闭回路，根据等效电路可列出回路方程：据等效电路可列出回路方程： 1 11 12122220r ij l ij miuj mir ij l i10/25/2021302222211212221212221222222222()()()()()()uirrjllmzrrjmmrlllkkrrlkl由上式可看出：原线圈阻抗由上式可看出：原线圈阻抗 z0=r1+j l1由于电涡流的影响由于电涡流的影响, z1变成变成 z1=(r1+kr2)+j (l1-kl2)式中：式

27、中：kr2:涡流反射电阻，涡流反射电阻， kl2:反射电感反射电感 10/25/202131谐振回路法测量原理谐振回路法测量原理 谐振法电路就是利用线圈电感与一个电容器相并联，组成一个并联谐振法电路就是利用线圈电感与一个电容器相并联，组成一个并联谐振回路，这时，谐振回路的复阻抗为：谐振回路，这时，谐振回路的复阻抗为：211/11j lj lj czj lj clcj lj c2|1lzlcz的幅频特性的幅频特性10/25/20213200| 01,|,| 0zzlcz 当线圈靠近导体时，由于涡流反射电感的作用，使线圈的等当线圈靠近导体时，由于涡流反射电感的作用，使线圈的等效电感发生变化，其变化

28、情况分两种：效电感发生变化，其变化情况分两种：a. 被测导体为非导磁体：被测导体为非导磁体： 22122222()mlllrl谐振频率谐振频率 0，即输入电流频率为，即输入电流频率为 0时，谐振回路阻抗值为最大。时，谐振回路阻抗值为最大。10/25/20213301lcb.被测导体为导磁体：被测导体为导磁体：01lcm lzm lrmlz10/25/202134电涡流传感器在使用时应保证被测导体的面积要比线圈的面积大，否则灵电涡流传感器在使用时应保证被测导体的面积要比线圈的面积大，否则灵敏度下降。另外，对于不同的材料，由于磁导率、电导率不同，也会导致敏度下降。另外，对于不同的材料，由于磁导率、

29、电导率不同，也会导致灵敏度不同，因此，在使用前应对传感器进行标定。灵敏度不同，因此，在使用前应对传感器进行标定。 电涡流传感器通常可用来测量：电涡流传感器通常可用来测量： 位移、振幅；位移、振幅； 转速；转速； 表面裂纹、厚度；表面裂纹、厚度； 材料分选、表面不平度等，还可以进行零件计数。材料分选、表面不平度等，还可以进行零件计数。 2. 2. 应用应用3. 3. 应用特点应用特点线圈厚度小，灵敏度高；线圈厚度小，灵敏度高；外径大，测量范围大，但灵敏度低外径大，测量范围大，但灵敏度低；被测对象的材质对灵敏度的影响：被测对象的材质对灵敏度的影响：电导率高，灵敏度高；磁导率高，灵敏电导率高，灵敏度

30、高；磁导率高，灵敏度小，因而必须先进行消磁处理。度小，因而必须先进行消磁处理。被测体形状对灵敏度的影响：被测体形状对灵敏度的影响：被测体的表面积应大于线圈的表面积。被测体的表面积应大于线圈的表面积。 10/25/2021355.3.2 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器可分为电阻式传感器可分为电位计式电位计式和和应变式应变式，这里仅介绍电位计式。，这里仅介绍电位计式。电位电位计式传感器计式传感器通常用电阻丝绕在框架上，改变电阻丝的接入长度，引起输通常用电阻丝绕在框架上，改变电阻丝的接入长度，引起输出电阻的改变。出电阻的改变。特点：特点：结构简单、性能稳定、可靠，结构简单、性能稳定、可靠，但精

31、度低，动态响应差。且由于磨但精度低，动态响应差。且由于磨损与尘埃等，引起接触电阻变化，损与尘埃等，引起接触电阻变化，引入噪声。引入噪声。 灵敏度：灵敏度： 应用：应用：可用来测位移及可变成位移的物理量。可用来测位移及可变成位移的物理量。 1. 1. 工作原理工作原理：drdrskdxdl为常数，因此，具有良好的线性。为常数，因此，具有良好的线性。 10/25/2021365.3.3.电感式传感器电感式传感器1.1.自感式传感器自感式传感器 1) 工作原理：工作原理：线圈的自感与磁路的磁阻有关。线圈的自感与磁路的磁阻有关。2mwlr其中其中w线圈匝数，线圈匝数，rm磁路磁阻磁路磁阻 磁阻磁阻rm

32、与磁路各段的性质有关，磁路通常由铁芯及铁芯间的空气隙与磁路各段的性质有关，磁路通常由铁芯及铁芯间的空气隙组成。组成。0iimiiilraai, 0分别为铁芯和空气隙的磁导率。分别为铁芯和空气隙的磁导率。ai为各段铁芯及空气隙的截面积。为各段铁芯及空气隙的截面积。li和和i分别为铁芯长度和空气隙厚度。分别为铁芯长度和空气隙厚度。 10/25/202137在变压器中，铁芯为闭合回路，因此空气磁阻为在变压器中，铁芯为闭合回路，因此空气磁阻为0，而在传感器中，而在传感器中，则利用空气磁阻，在磁阻的表达式中。则利用空气磁阻，在磁阻的表达式中。0i, 即即rm主要由空气的磁阻构成。主要由空气的磁阻构成。 200imiiiwrlaa通常只要（设法）使空气隙的厚度通常只要（设法）使空气隙的厚度和截面积和截面积ai发生变化，便可以使发生变化，便可以使自感发生变化，因此可构成下列三种传感器。自感发生变化，因此可构成下列三种传感器。 变气隙式变气隙式 工作原理及结构：工作原理及结构：10/25/20213820022mwarla灵敏度：灵敏度： 2022wadlld 呈非线性。呈非线性。 10/25/202139变气隙截面式：变气隙截面式：202wal可知，输出为线性。可知，输出为线性。由由 10/25/202140螺管式：在螺管线圈