常用传感器Guo

1、2021-11-191传感器作用及分类传感器作用及分类发电型传感器发电型传感器参量型传感器参量型传感器2021-11-1925.1 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. 变换作用变换作用：将非电量变换成电量。对应这两个作用，传感器一般由两部分组成，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。 传感器是控制系统中的第一个环节，它具有两个作用：1. 敏感作用敏感作用：感受物理量的变化，以完成对被测信号的拾取。2021-11-1935.1.2 传感器的分类传感器的分类1. 按输出信号形式(模拟量，数字量)分模拟传感器与数字传感器。（I(t)，V(t)

2、，数字量，频率量）。2. 按变换原理，分参量型与发电型。 参量型参量型：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。 发电型发电型：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2021-11-1943. 按输入量（被测量）分位移、压力、温度、流量、加速度等传感器。2021-11-1955.1.3 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

3、作原理都是基于某一种物理现象或化学现象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,xn) （xi通常为非电量） 如： R=L/A 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电参数，通过这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。下面介绍的各种传感器都是从某一基本的物理原理出发，根据物理量间的关系来分析相应的传感器结构及特点。 传感器在使用之前

4、一般要进行标定标定，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、输出二者间的关系后才能使用。2021-11-1965.2 电阻式传感器电阻式传感器 5.2.1 电位计式电阻传感器电位计式电阻传感器 按结构形式分：直线式和旋转式；按工艺特点分：绕线式和薄膜式。特点：结构简单、性能稳定、可靠，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，引入噪声。 2021-11-1975.2.2 应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器 2()LRARRRLLL dLdAddRdLdAddLdAdLAAAALAAeed

5、dE 与正应力 有关：（压阻效应）2222dAdrdrdLArArrLdAdLAL ， 泊松效应得：2021-11-1980/(12 )/edR RkEdL L定义电阻丝的灵敏系数：000(12 )1.7 3.6 70kkkee为压阻系数。对金属材料，主要取决于的值，对半导体材料，主要取决于E的值，是金属应变片的50倍。(12 )edRER 第一项由几何尺寸变化引起，第二项由电阻率随应变而改变引起2021-11-1995.3 电感式传感器电感式传感器 5.3.1 自感式传感器自感式传感器20,2mmimiiWLIWIRWLLRlRAA 线圈自感系数 磁路欧姆定律 磁阻变化则 变化。通常铁芯的磁

6、阻远小于空气隙的磁阻，故：02mRA2021-11-19102200222WAdLWALLSd ，灵敏系数 为了限制非线性误差，只能测量小位移。三种结构：变气隙式、变气隙截面式、螺管式2021-11-19112LS 灵敏系数 为单边变气隙式的2倍。差动自感式传感器：在初始位置，衔铁位于气隙的中间，L1=L2=L总电感的变化量：dLS=L1-L2=0当被测量使衔铁偏离中间位置时， L1=L+dL, L2=L-dL 由于两个电感量一个增加，一个减小，因此称之为差动式。总的电感变化量：dLS=L1-L2=2dL 其灵敏度 22sdLdLLdd 其输出特性为：Ls2021-11-19125.3.2 互

7、感式（变压器式）传感器互感式（变压器式）传感器1111/()()()oaaiobbiiiabooaobabiiEj M IEj M IIERj LMMEEEjMMIERj L 常采用两个次级线圈反向串接组成差动式。，2211,0,2,()aboabiooaMMMEMMMMMMMEEeRL 当铁芯处于中间位置时，当铁芯上移到某一位置时，输出电压有效值：相位与相同。2021-11-1913,abooaMMMMMMEe 当铁芯下移到某一位置时，=（同前），但相位与相反。由此可见，输出电压的幅值与M成正比，而相位与铁芯位移方向有关。特点：灵敏度与激励频率有关,一般采用40010kHz。5.4 电容式传

8、感器电容式传感器0rAC ，三种类型：变极距型（变 ）；变面积型（变A）；变介电常数型（变 ）可构成单边与差动式2021-11-19145.5 压电式传感器。压电式传感器。1工作原理：工作原理：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 iDF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。2021-11-19152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： 00/iiCCCRRR电路方程： ( )Q tCvidt2021-11-1916( )dQ tdvdvvCiCdtdtd

9、tR 两边进行拉普拉斯变换有： 1( )( )( )1( )( )1( )11SQ sCsV sV sRV sRsCH sQ sRCsRCs1/()11CH jjRC当输入 00( )sinF tFt时 2021-11-19170000( )sinsinQ tDFtQt输出： 000( )|() | sin()u tQH jt 其幅值： 002200/111()1()QCDFCVCRCR可见，若想使输出信号保持一定的幅值，有一个范围，或者说 1RC时 00/VQCV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，因此要求R要很大（R0和Ri都得大）。而对于频率较低或直流信号用这

10、种压电机理构成的传感器，就不能测量或误差很大。【演示演示】2021-11-19182021-11-19195.6 电动式传感器（磁电式传感器）电动式传感器（磁电式传感器） 5.6.1 工作原理工作原理：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： dewdt电动势与磁通变化量有关。导致磁通变化的原因有多种，当线圈的匝数及磁感应强度不变时，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动圈式动圈式和变磁阻式变磁阻式。 2021-11-1920 动圈式工作原理动圈式工作原理 a.线圈在

11、磁场中作直线运动线圈在磁场中作直线运动 eWBlv其中，W线圈匝数，磁感应强度，单匝线圈有效长度，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，与结构有关的系数（），线圈的截面积，角速度。 2021-11-1921变磁阻式变磁阻式工作原理：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。 5.6.2 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动圈式相对速度传感器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。

12、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体上，当壳体以大于某一频率点的频率振动时，线圈芯轴系统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。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。【演示演示】2021-11-19222021-11-1923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。ekWBAu开磁路转速传感器（

13、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其中，f：感应电动势频率 N：齿数 n：转速,r/s【演示演示】2021-11-19242021-11-19255.7 电涡流式传感器电涡流式传感器 1. 工作原理工作原理：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；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。 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1，1作用在导体中产生的电涡流同样产生磁通2，且与1方向相反。由于2对线圈的反作用，导致线圈

14、的阻抗发生变化。 一般来说，线圈的阻抗与许多参数有关。 2021-11-19262021-11-1927Z=f（距离），（距离），（磁导率），（磁导率），（电导率），（电导率），f（频率）以及表面状况（频率）以及表面状况）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，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。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，根据等效电路可列出回路方程： 1 112122220R Ij L Ij MIuj MIR Ij L I2021-11-192

15、81222212122222222222112122222()()()()()()uIMMRRjLLRLRLMZRkRjLkLkRL由上式可看出：原线圈阻抗Z0=R1+jwL1由于电涡流的影响,Z0变成Z1=(R1+kR2)+jw(L1-kL2)式中：式中：kR2:涡流反射电阻，kL2:涡流反射电感 2021-11-1929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，组成一个并联谐振回路，这时，谐振回路的复阻抗为：211/11j Lj Lj cZj Lj cLcj Lj c2|1LZLc2021-11-1930000| 01,|,| 0ZZLCZ 当

16、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，其变化情况分两种：a.被测导体为非导磁体： 22122222()MLLLRL2021-11-193101Lcb.被测导体为导磁体：01LcM LZM L磁阻磁阻RmL (L1 )Z2021-11-1932 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： 位移、振幅； 转速； 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。 2. 应用应用3. 应用特点应用特点

17、线圈厚度小，灵敏度高；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：电导率高，灵敏度高；磁导率高，灵敏度小，因而必须先进行消磁处理。被测体形状对灵敏度的影响：被测体的表面积应大于线圈的表面积。 2021-11-19335.8 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。 B eA(T,T0) eAB(T0) eAB(T) eB(T,T0)

18、A 2021-11-1934接触电势接触电势：A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生接触电势： ( )lnAABBKTneTqn式中，波尔茨曼常数，电子电荷量，A、B电子浓度，绝对温度。 接触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。 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。 00( ,)TATeT Tdt式中，汤奴逊系数，与材料性质及导体两端平均温度有关 2021-11-1935所以，当两种材料AB组成一个闭合回路时，设时，回路中总电势为 0000( ,)( )()( ,)( ,)ABABABBAET

19、TeTeTeT TeT T由于接触电势大于温差电势，所以，当时，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： 00( ,)()ABABET TKTT式中，AB为热电偶灵敏度。0000(, )( ,)( ,)( ,)ABABBAABET TET TET TET T 热电势：2021-11-19362. 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。中间导体（金属）定律中间导体（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，也可将A或B的中间断开，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。

20、2021-11-1937000000000000000000( )( )( )( ,)( ,)( , )ln(lnln)lnln( )()( ,)( ,)ABBCCABCAtttABCBCAtttBCAttABBAttBAABABBAEetetetet tettettkTnkTnkTndtdtdtqnqnqnkTnkTndtdtqnqneTeTet tet t证明：证明： 2021-11-1938 中间温度定理中间温度定理1213321323( ,)( ,)( ,)( ,)( ,)ABABABABABEt tEt tEt tEt tEtt 一般热电偶的分度表（输出特性）是在冷端为0时给出的，若

21、测量时冷端不为0，则可据此修正。 2021-11-1939热电偶相配定理热电偶相配定理 1212121212( ,)( ,)( ,)( ,)( ,)ABACCBACBCEt tEt tEt tEt tEt t 有时热电偶的两个极的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。 2021-11-19403. 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：一般金属有镍铬镍硅、镍铬镍铝、镍铬康铜，贵重金属有铂铑10铂、铂铑30 铂铑6，等。基本组成：由热电极材料、绝缘材料、保护材料和引线装置等组成。型式：普通金属丝热电偶，薄膜式热电偶。是一种发电型传感器，

22、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。 2021-11-19415.9 半导体传感器。半导体传感器。由半导体敏感器件构成，能把力、热、光、磁、温度、气体、射线、离子等非电量变换成电信息。5.9.1 半导体光电效应传感器。半导体光电效应传感器。光电效应：光电效应：光电导效应光电导效应和和光生伏特效应。光生伏特效应。1、光电导效应：光的照射使半导体载流子（电子、光电导效应：光的照射使半导体载流子（电子-空穴）浓度加大，电导空穴）浓度加大

23、，电导率增加。率增加。光电导效应的特点：光电导效应的特点：a. 驰豫现象驰豫现象：光电导的改变落后于光照的变化。在动态测量时要考虑其响：光电导的改变落后于光照的变化。在动态测量时要考虑其响应速度，即要考虑灵敏度与光照变化频率间的关系。应速度，即要考虑灵敏度与光照变化频率间的关系。b. 光谱特性光谱特性：电导率的增量与光的波长有关。不同的半导体元件对不同：电导率的增量与光的波长有关。不同的半导体元件对不同波长的敏感程度不一样，因此在使用时应选择最佳波长的光源。波长的敏感程度不一样，因此在使用时应选择最佳波长的光源。利用光电导效应可制成光敏电阻，暗电阻越大越好，亮电阻越小越好。利用光电导效应可制成光敏电阻，暗电阻越大越好，亮电阻越小越好。2021-11-19422、光生伏特效应、光生伏特效应：在光线作用下使半