合工大传感器原理及应用

1、宣 城 校 区传感器原理及应用宣 城 校 区传感器原理及应用1.1 传感器分类传感器分类按被测物理量分类按被测物理量分类测量位移：电容传感器，电感传感器测量位移：电容传感器，电感传感器, ,霍尔传感器，光电开关，角霍尔传感器，光电开关，角编码器，光栅，容栅。编码器，光栅，容栅。测量线速度测量线速度/ /角速度：超声波传感器，电涡流传感器，霍尔传感器，角速度：超声波传感器，电涡流传感器，霍尔传感器，光电开关，角编码器。光电开关，角编码器。测量加速度：电容传感器，压电传感器。测量加速度：电容传感器，压电传感器。测量质量：应变片传感器，电容式传感器，电感式传感器。测量质量：应变片传感器，电容式传感器

2、，电感式传感器。测量流量：超声波传感器，霍尔传感器，电容传感器。测量流量：超声波传感器，霍尔传感器，电容传感器。测量磁通量：电感式传感器，霍尔传感器。测量磁通量：电感式传感器，霍尔传感器。测量温度：热敏电阻，热电偶，光电池。测量温度：热敏电阻，热电偶，光电池。第一章：检测技术的基本概念第一章：检测技术的基本概念宣 城 校 区传感器原理及应用1 1 灵敏度灵敏度 灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率，线的斜率，如右图所示，可表示为：如

3、右图所示，可表示为： dyyKdxx线性传感器的灵敏度为常数；线性传感器的灵敏度为常数；非线性传感器的灵敏度随输入量的非线性传感器的灵敏度随输入量的变化而变化。变化而变化。输出曲线看，曲线越陡，灵敏度越高输出曲线看，曲线越陡，灵敏度越高1.2 传感器的特性参数传感器的特性参数xyx1xy0切点切点xmax作图法求灵敏度作图法求灵敏度宣 城 校 区传感器原理及应用2 2 分辨力分辨力指传感器能检出被测信号的最小变化量。指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。输入量的变化无任何反应。对数字仪表而对数字仪表而

4、言，如果没有其他附加说明，可以认为该言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的表的最后一位所表示的数值就是它的分辨最后一位所表示的数值就是它的分辨力力。一般地说，。一般地说，分辨力的数值小于仪表的分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差最大绝对误差。右表的分辨力为多少？。右表的分辨力为多少？ 宣 城 校 区传感器原理及应用分辨率：将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。 右表的右表的满量程为满量程为99.9A99.9A，问：该表的分辨，问：该表的分辨力、分辨率为多少？力、分辨率为多少？解：分辨力解：分辨力=0.1A=0.1A分辨率分辨率=0.1A=0.

5、1A99.90.1%99.90.1%宣 城 校 区传感器原理及应用1.3 测量误差表示方法及数据处理测量误差表示方法及数据处理 绝对误差：被测量值绝对误差：被测量值Ax与真值与真值A0之间总是存在着一个之间总是存在着一个差值，这种差值称为绝对误差，用差值，这种差值称为绝对误差，用表示：表示： =Ax0 真值有理论真值、约定真值、相对真值之分。准确真值有理论真值、约定真值、相对真值之分。准确度高度高2级以上的仪表的误差与准确度低的仪表的误差相级以上的仪表的误差与准确度低的仪表的误差相比，则高一级仪表的测量值可以认为是相对真值。比，则高一级仪表的测量值可以认为是相对真值。 某采购员分别在三家商店购

6、买某采购员分别在三家商店购买100kg大米大米、10kg苹果苹果、1kg巧克力巧克力，发现，发现均缺少约均缺少约0.5kg（绝对误差相绝对误差相同同），但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何），但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？原因？ 宣 城 校 区传感器原理及应用相对误差及准确度等级相对误差及准确度等级 示值相对误差：示值相对误差：引用误差引用误差m（也称满度相对误差）：（也称满度相对误差）： 准确度等级准确度等级S 我国的工业模拟仪表有下列常用的我国的工业模拟仪表有下列常用的7种等级：种等级： 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。 100%xxAmm100

7、%A100mmAS（m为最大绝对误差）为最大绝对误差）宣 城 校 区传感器原理及应用例例 某压力表准确度为某压力表准确度为2.5级级,量程为量程为01.5MPa，求，求:1）可能出现的最大满度相对误差）可能出现的最大满度相对误差m。2）可能出现的最大绝对误差）可能出现的最大绝对误差m为多少千帕？为多少千帕？3）测量结果显示为）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对时，可能出现的最大示值相对误差误差x。解解: 1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即得到，即m2 5%。 2）mmAm2 5 1.5MPa 0.037

8、5MPa37.5kPa 3）0.0375100%100%5.36%0.70mxxA 宣 城 校 区传感器原理及应用测量误差的分类静态误差（粗大误差，系统误差，随机误差）1.粗大误差 超出在规定条件下预计的误差，或明显偏离真值的误差称超出在规定条件下预计的误差，或明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差、疏忽误差或粗差。为粗大误差，也叫过失误差、疏忽误差或粗差。粗大误差主粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等

9、造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。 真值：真值： 5测量值：测量值：5，5.5，5，6，15，5，6，5比如：罗纳尔比如：罗纳尔多射门打飞了多射门打飞了宣 城 校 区传感器原理及应用 在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。 凡误差的数值固定或按一定规律变化者，多属于系统误差。凡误差的数值固定或

10、按一定规律变化者，多属于系统误差。 系统误差是有规律性的系统误差是有规律性的, ,因此可以通过实验的方法或引入修因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正正值的方法计算修正, ,也可以重新调整测量仪表的有关部件予也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。以消除。 2.系统误差： 真值：真值： 5测量值：测量值：8，8.5，8，9，8.5，8，9，8 均值均值8.375，系统误差为，系统误差为3.375比如：球门框的位比如：球门框的位置被移动了置被移动了宣 城 校 区传感器原理及应用3.随机误差随机误差 在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量在同一条件下，多次测量同一被测量，有时

11、会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。变化，该误差称为随机误差。 存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布多数随机误差都服从正态分布规律规律。测量值的随机误差测量值的随机误差=测量结果算术平均值测量结果算术平均值 真值：真值： 5测量值：测量值：5.5，4.5，4.5，5，6，4.5，

12、5，6 均值均值5.125，系统误差为，系统误差为0.125比如：每次射门的比如：每次射门的进球位置会有变化进球位置会有变化宣 城 校 区传感器原理及应用1拉伸前拉伸前 2拉伸后拉伸后电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电阻变大。电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电阻变大。2rlAlR第二章：电阻传感器第二章：电阻传感器1. 应变片式传感器应变片式传感器宣 城 校 区传感器原理及应用金属丝受拉后的电阻变化金属丝受拉后的电阻变化 设有一长度为设有一长度为l、截面积为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻、电阻率为率为 的金属单丝，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R及相对变化可表示及相对变化可表示为为

13、 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时,上式中上式中 、r、l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R发生发生变化。变化。 当金属丝受拉时当金属丝受拉时,l 将增加、将增加、r 变小，均导致变小，均导致R变大。变大。 2RlrRlr2 rlAlR宣 城 校 区传感器原理及应用电阻相对变化量与力的关系电阻相对变化量与力的关系 电阻丝的电阻相对变化量电阻丝的电阻相对变化量 R/R，与材料力学中的轴向应变，与材料力学中的轴向应变 x的关系在很大范围内是线性的，即的关系在很大范围内是线性的，即 x =F/(AE），设），设K为灵敏度

14、，金属材料的面积为为灵敏度，金属材料的面积为A，弹性模量，弹性模量 为为E，则，则 R/R又可表示为又可表示为 = xRFKKRAE对于金属材料，对于金属材料，K值一般为值一般为2左右。左右。宣 城 校 区传感器原理及应用非平衡电桥的结构非平衡电桥的结构非平衡电桥由四个电阻非平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四边形组成一个四边形的回路，每一边称作电桥的的回路，每一边称作电桥的“桥臂桥臂”。有。有4个结点个结点a、b、c、d。在在a、c结点之间接入电源结点之间接入电源Ui，而另一对结点（，而另一对结点（b、d）之间的）之间的电压差作为输出电压电压差作为输出电压Uo端。端。b、d点对

15、负极（点对负极（a点）的电点）的电压相等时称作压相等时称作 “电桥平衡电桥平衡”；反之，称作反之，称作“电桥不平衡电桥不平衡”。 电桥平衡的条件是：电桥平衡的条件是：上下两个桥臂的左右桥臂的上下两个桥臂的左右桥臂的电阻比例相等。即：电阻比例相等。即：R1/R2=R4/R3或或R1R3=R4R2宣 城 校 区传感器原理及应用非平衡电桥可以分为单臂、双臂、全桥非平衡电桥可以分为单臂、双臂、全桥单臂半桥单臂半桥:四个桥臂中，只有一个四个桥臂中，只有一个电阻的电阻可变，电阻的电阻可变， R2为应为应变片，变片， R3、R4为固定电阻为固定电阻（低温漂的锰合金电阻）桥（低温漂的锰合金电阻）桥路的输出电压

16、为：路的输出电压为： 441i11ioKURRUU单臂半桥的单臂半桥的灵敏度最低，温漂最大灵敏度最低，温漂最大。宣 城 校 区传感器原理及应用非平衡电桥的输出电压非平衡电桥的输出电压 3i124o1234() 2-34RURRRURRRR 若桥路的若桥路的4个桥臂相邻个桥臂相邻电阻的电阻值变化趋势电阻的电阻值变化趋势相同，桥路的输出电压相同，桥路的输出电压为零。为零。 若相邻电阻的电阻值若相邻电阻的电阻值变化趋势相反，桥路就变化趋势相反，桥路就产生输出电压：产生输出电压：宣 城 校 区传感器原理及应用四臂全桥四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，片，如果

17、设法使试件受力后，应变片应变片R1 R4产生的电阻产生的电阻增量（或感受到的增量（或感受到的应变应变 1 4）正负号相间，就可以使输出正负号相间，就可以使输出电压电压Uo成倍地增大。成倍地增大。 )(444332211ioRRRRRRRRUU输出电压：输出电压：宣 城 校 区传感器原理及应用全桥的温度自补偿原理全桥的温度自补偿原理当环境温度升高时，四个当环境温度升高时，四个桥臂上的应变片温度同时升桥臂上的应变片温度同时升高，假设温度引起的电阻值高，假设温度引起的电阻值漂移数值一致，就可以相互漂移数值一致，就可以相互抵消，所以全桥能实现温度抵消，所以全桥能实现温度自补偿：自补偿：3i124o12

18、34() =04RURRRURRRR宣 城 校 区传感器原理及应用应变片的结构应变片的结构 1引出线引出线 2覆盖层覆盖层 3基底基底 4电阻丝电阻丝l ：应变片的工作基长，：应变片的工作基长，b ：应变片基宽，：应变片基宽，bl：应变片的有效使用面积：应变片的有效使用面积。宣 城 校 区传感器原理及应用金属丝式应变片的结构金属丝式应变片的结构宣 城 校 区传感器原理及应用管桩材料的受压应变测量管桩材料的受压应变测量 预应力管桩的受力预测：预应力管桩的受力预测： 工作人员正在贴应变片工作人员正在贴应变片 应变片粘贴在管桩上，四片应应变片粘贴在管桩上，四片应变片可组成全桥变片可组成全桥宣 城 校

19、 区传感器原理及应用应变式荷重传感器应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4宣 城 校 区传感器原理及应用金属热电阻的正温度系数金属热电阻的正温度系数温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，称其为正温宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。 2. 2. 金属热电阻金属热电阻宣 城 校 区传感器原理及应用金

20、属丝电阻随温度增高而变大的演示金属丝电阻随温度增高而变大的演示 22220484100URP取一只取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发灯泡，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，而计算得到的额定热态电阻值应现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为为484。请说明钨丝的温度系数的。请说明钨丝的温度系数的正正负。负。 宣 城 校 区传感器原理及应用易提纯、复现性好易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作的金属材料才可用于制作热电阻热电阻 制作热电阻的材料必须具有制作热电阻的材料必须具有电阻温度系数大、线性好、性能电阻温度系数大、线性好、性能稳

21、定、一致性好、使用温度范围宽、加工容易稳定、一致性好、使用温度范围宽、加工容易等特点。等特点。（ ）宣 城 校 区传感器原理及应用金属热电阻材料的主要技术性能金属热电阻材料的主要技术性能 宣 城 校 区传感器原理及应用热电阻的阻值热电阻的阻值Rt与温度与温度t的关系表达式的关系表达式R t =R0(1+At+Bt 2+Ct 3+Dt 4)式中式中 R t 热电阻在热电阻在t时的电阻值；时的电阻值；R0热电阻在热电阻在0时的电阻值；时的电阻值；A、B、C、D温度系数温度系数热电阻的阻值热电阻的阻值Rt与与t之间并不完全呈线性关系。在规定的测温之间并不完全呈线性关系。在规定的测温范围内，根据国际电

22、工委员会（范围内，根据国际电工委员会（IEC）颁布的分度表数值，列出）颁布的分度表数值，列出每隔每隔1的的Rt电阻值，这种表格称为电阻值，这种表格称为热电阻分度表，见附录热电阻分度表，见附录C。在工程中，若不考虑线性度误差的影响，有时也可以在工程中，若不考虑线性度误差的影响，有时也可以利用温利用温度系数度系数来近似计算来近似计算热电阻的阻值热电阻的阻值Rt。即：。即：R t =R0(1+t）。）。宣 城 校 区传感器原理及应用铂热电阻分度表铂热电阻分度表宣 城 校 区传感器原理及应用被测物体被测物体位移等的变化位移等的变化转换为线圈转换为线圈电感量的变化电感量的变化，再将电感量的变化转，再将电

23、感量的变化转换为换为电流、电压或者频率的变化电流、电压或者频率的变化，实现非电量到电量的转换。，实现非电量到电量的转换。电感传感器可分为自感式和互感式两大类。电感式传感器通常是指自感电感传感器可分为自感式和互感式两大类。电感式传感器通常是指自感传感器。自感系数常用传感器。自感系数常用L来表示，简称自感或电感。来表示，简称自感或电感。自感的单位是亨利自感的单位是亨利,简称亨简称亨,符号是符号是H。常用的较小的单位有毫亨。常用的较小的单位有毫亨(mH)和和微亨微亨(H)。自感传感器的数值多为。自感传感器的数值多为mH数量级。数量级。 铁心铁心I铁心铁心I衔铁衔铁测杆测杆被测物被测物变间隙式自感变间

24、隙式自感传感器传感器第三章：电感传感器第三章：电感传感器202NAL宣 城 校 区传感器原理及应用1-线圈绕组线圈绕组 2-铁心铁心 3-衔铁衔铁变间隙式电感传感器的特性近似双曲线变间隙式电感传感器的特性近似双曲线202NAL其灵敏度为：其灵敏度为：2002=2NALdLKd 气隙越小，灵敏度越高，因此适合小量程位移的测量。气隙越小，灵敏度越高，因此适合小量程位移的测量。宣 城 校 区传感器原理及应用螺线管式电感传感器螺线管式电感传感器螺线管是具有多重卷绕的导线，卷绕内螺线管是具有多重卷绕的导线，卷绕内部可以是空心的，或者有一个磁芯。当有电部可以是空心的，或者有一个磁芯。当有电流通过导线时，螺

25、线管中间部位会产生比较流通过导线时，螺线管中间部位会产生比较均匀的磁场。作为传感器，螺线管电感传感均匀的磁场。作为传感器，螺线管电感传感器的主要元器件是一只螺线管和一根可移动器的主要元器件是一只螺线管和一根可移动的圆柱形衔铁。衔铁插入绕组后，将引起螺的圆柱形衔铁。衔铁插入绕组后，将引起螺线管内部的磁阻的减小，电感随插入的深度线管内部的磁阻的减小，电感随插入的深度而增大。而增大。L空心空心螺线管螺线管x螺线管越长，线性区就越大。螺线管式电感传感器的线性区约为螺线管长度螺线管越长，线性区就越大。螺线管式电感传感器的线性区约为螺线管长度的的1/101/10。宣 城 校 区传感器原理及应用当衔铁偏离中

26、间位置时，两个绕组的电感一个增加当衔铁偏离中间位置时，两个绕组的电感一个增加,一个减小一个减小,形成差动形式。形成差动形式。 差动电感传感器差动电感传感器a)变隙式差动传感器变隙式差动传感器b)螺线管差动传感器螺线管差动传感器1上差动绕组上差动绕组 2铁心铁心 3衔铁衔铁 4下差动绕组下差动绕组 5测杆测杆 6工件工件 7基座基座宣 城 校 区传感器原理及应用电感传感器的交流电桥电感传感器的交流电桥 21021-1=2+ABZ ZUUUZZ衔铁上移：衔铁上移：00=-2ZUUZ0000=-2LUULrL衔铁下移：衔铁下移：00=2ZUUZ0000=2LUULrL宣 城 校 区传感器原理及应用1

27、衔铁的位移曲线衔铁的位移曲线 2激励源波形激励源波形 3交流电桥的输出波形交流电桥的输出波形4普通检波之后的直流平均值普通检波之后的直流平均值 5相敏检波之后的直流平均值相敏检波之后的直流平均值t0衔铁上下位移到达差动螺线管绕组衔铁上下位移到达差动螺线管绕组中间位置的时刻中间位置的时刻e0零点残余电压的瞬时值零点残余电压的瞬时值 E0零点残余电压的平均值零点残余电压的平均值宣 城 校 区传感器原理及应用采用相敏检波电路的必要性采用相敏检波电路的必要性检波：将交变信号转换为直流平均值。检波：将交变信号转换为直流平均值。检波电路的作用是将电感的变化转换成直流电压或检波电路的作用是将电感的变化转换成

28、直流电压或电流，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路配以电流，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路配以普通的检波电路，则普通的检波电路，则只能判别位移的大小只能判别位移的大小，却，却无法判别无法判别输出电压的相位和位移的方向输出电压的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则位的检波电路，则不但可以反映幅值（位移的大小），不但可以反映幅值（位移的大小），还可以反映输出电压的相位（位移的方向）还可以反映输出电压的相位（位移的方向）。这种检波。这种检波电路称为相敏检波电路。电路称为相敏检波电路。宣 城 校 区传感器

29、原理及应用差动变压器传感器的工作原理差动变压器传感器的工作原理 差动变压器是把差动变压器是把被测位移量被测位移量转换为一次线圈与二次绕组间的转换为一次线圈与二次绕组间的互感量互感量M的变化的变化的装置。由于两个二次线圈采用差动接法，故称的装置。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。器。 在差动变压器的线框上绕有一个输入绕组（称一次绕组）；在差动变压器的线框上绕有一个输入绕组（称一次绕组）；在同一线框的上端和下端再绕制在同一线框的上端和下端再绕制两个完全对称的绕组两个完全对称的绕组（称

30、二次（称二次线圈），它们线圈），它们反向串联反向串联（输出电压相互抵消输出电压相互抵消），组成），组成差动输出差动输出形式形式。线性差动变压器：线性差动变压器： Linear Variable Differential Transformer，LVDT 宣 城 校 区传感器原理及应用差动变压器式传感器的等效电路及接线差动变压器式传感器的等效电路及接线 结构特点：结构特点： 两个二次绕组两个二次绕组反向串联，组成差反向串联，组成差动输出形式。动输出形式。 请将二次绕组请将二次绕组N21、N22的有关端的有关端点正确地连接起来，点正确地连接起来，并指出哪两个为输并指出哪两个为输出端点。出端点。差动

31、接法的输出电压为差动接法的输出电压为uo= u21-u22宣 城 校 区传感器原理及应用差动变压器的输出波形差动变压器的输出波形宣 城 校 区传感器原理及应用第四章：电涡流传感器第四章：电涡流传感器宣 城 校 区传感器原理及应用趋肤效应（集肤效应）趋肤效应（集肤效应）交变磁场的频率交变磁场的频率f 越高，电涡流的渗透深越高，电涡流的渗透深度就越浅，趋肤效应越严重。可以利用趋肤度就越浅，趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应来控制非电量的检测深度。效应来控制非电量的检测深度。当当100kHz2MHz信号源产生的交变电压施加到电感线圈信号源产生的交变电压施加到电感线圈L1上时，就产生一次电流上时，就产生

32、一次电流i1 ，在线圈周围产生交变磁场，在线圈周围产生交变磁场H1。如果将。如果将线圈靠近一块金属导体，金属导体表面就产生电涡流线圈靠近一块金属导体，金属导体表面就产生电涡流i2。i2在金在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为趋肤效应。面，这称为趋肤效应。 宣 城 校 区传感器原理及应用电涡流线圈等效阻抗分析电涡流线圈等效阻抗分析 .设电涡流线圈在高频时的等效电阻为设电涡流线圈在高频时的等效电阻为R1（大于直流电阻），（大于直流电阻），电感为电感为L1。当有被测导体靠近电涡流线圈时，则被测导体等效。当有被测

33、导体靠近电涡流线圈时，则被测导体等效为一个短路环，电涡流线圈为一个短路环，电涡流线圈L1与导体之间存在一个互感与导体之间存在一个互感M。互互感随线圈与导体之间距离的减小而增大感随线圈与导体之间距离的减小而增大。宣 城 校 区传感器原理及应用电涡流线圈的等效阻抗电涡流线圈的等效阻抗式中式中 R、L电涡流线圈靠近被测导体时的等效电阻和等电涡流线圈靠近被测导体时的等效电阻和等效电感。效电感。 当被测物与电涡流线圈的间距当被测物与电涡流线圈的间距减小时，电涡流线圈与被测减小时，电涡流线圈与被测金属的互感量金属的互感量M增大，增大，等效电感等效电感L减小，减小，等效电阻等效电阻R增大，增大，品质品质因数

34、因数Q值降低：值降低：Q=L/RL/R等效电阻上消耗的有功功率等效电阻上消耗的有功功率P P 增大：增大：P=I 2R222211212222212222 jjUMMZR RLLRLIRLRL 宣 城 校 区传感器原理及应用电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流线圈与当电涡流线圈与金属板的距离金属板的距离x 减小减小时，电涡流线圈的时，电涡流线圈的等等效电感效电感L 减小，减小，等效等效电阻电阻R 增大增大，Q值降值降低，流过电涡流线圈低，流过电涡流线圈的的电流电流 i1 增大增大。 宣 城 校 区传感器原理及应用调频（调频（FM）式电路）式电路当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的

35、距离x 变小时，电涡流线圈的电感变小时，电涡流线圈的电感量量L 也随之变小（非铁质），同时引起也随之变小（非铁质），同时引起LC 振荡器的输出电压及振荡器的输出电压及频率变高。如果希望用模拟仪表进行显示或记录时，使用频率变高。如果希望用模拟仪表进行显示或记录时，使用“鉴鉴频器频器”，可以将，可以将 f 转换为电压转换为电压 Uo 。 宣 城 校 区传感器原理及应用并联谐振回路的谐振频率并联谐振回路的谐振频率 设电涡流线圈的初始电感量设电涡流线圈的初始电感量L=0.8mH，微调电容，微调电容C0=200pF（1pF10-12F）求：探头中的振荡器的初始频率求：探头中的振荡器的初始频率f 0 。（

36、一般将振荡器的频率控制在几百千赫兹）（一般将振荡器的频率控制在几百千赫兹）012fLC解：解：-3-121=560kHz20.81010010f 宣 城 校 区传感器原理及应用电涡流表面探伤电涡流表面探伤 Eddy currents are distorted by the crack, this changes the magnetic field of the eddy currents from HB to HC thereby changing the loading on the coil. The coil impedance changes to Zcrack. 宣 城 校 区传

37、感器原理及应用手持式手持式裂纹测量仪裂纹测量仪油管油管探伤探伤宣 城 校 区传感器原理及应用轴承滚子涡流探伤机轴承滚子涡流探伤机轴承滚子涡流探伤机轴承滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出设备，可探出深深 30m的的表面微小裂纹。表面微小裂纹。宣 城 校 区传感器原理及应用电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，其电容为缘效应时，其电容为 式中式中 A两极板相互遮盖的有效面积（两极板相互遮盖的有效面积

38、（m2）；）； d两极板间的距离，也称为极距（两极板间的距离，也称为极距（m）；）； 两极板间介质的介电常数（两极板间介质的介电常数（F/m）；）； r两极板间介质的相对介电常数；两极板间介质的相对介电常数； 0真空介电常数真空介电常数,0=8.85 10-12(F/m)0rAACdd 第五章：电容传感器第五章：电容传感器宣 城 校 区传感器原理及应用三种类型的电容传感器三种类型的电容传感器在在A、d、三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容C 改变。也就是说，改变。也就是说，电容电容C 是是A、d、的函数的函数，这就是电容传感，这就是电容传感器的基

39、本工作原理。固定三个参量中的两个，可以制作成以下器的基本工作原理。固定三个参量中的两个，可以制作成以下三种类型的电容传感器：三种类型的电容传感器：变面积式电容传感器、变面积式电容传感器、变极距式电容传感器变极距式电容传感器 、变介电常数式电容传感器。变介电常数式电容传感器。宣 城 校 区传感器原理及应用变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感器的特性曲线 a） 结构示意图结构示意图 b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1定极板定极板 2动极板动极板 3弹性膜片弹性膜片实际使用时，总是使实际使用时，总是使初始极距初始极距d0尽量小些尽量小些，以，以提高灵敏度提高灵敏度，但这也，

40、但这也带来了变极距式电容器的带来了变极距式电容器的行程较小的缺点行程较小的缺点。当当xd0时，有时，有：00 xCKd 宣 城 校 区传感器原理及应用变面积式电容传感器的特性总结变面积式电容传感器的特性总结变面积式电容传感器的输出特性在一小段范围内是线性的，变面积式电容传感器的输出特性在一小段范围内是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、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。尺寸等参量。CAA1-实际特性实际特性 2-理论特性理论特性00021 ln/xhxxCCR rh宣 城 校 区传感器原理及应用电容式液位计电容式液位计(可以理解为变面积

41、或变介电原理可以理解为变面积或变介电原理)a)同轴内外金属管式同轴内外金属管式 b)金属管外套聚四氟金属管外套聚四氟乙烯套管式乙烯套管式 c)带底座的电容液位带底座的电容液位传感器的结构传感器的结构1内圆筒内圆筒 2外圆筒外圆筒 3被测被测绝缘绝缘液体液体 4被测导电液体被测导电液体5聚四氟乙烯套管聚四氟乙烯套管 6顶盖顶盖 7绝缘底座绝缘底座 8信号传输屏蔽电缆信号传输屏蔽电缆宣 城 校 区传感器原理及应用电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路桥式电路桥式电路U2U2U 0012012000=222xxxxCCCCCCUUC UUCCCCCCC 电桥的输出电压与电容的变化量呈现

42、电桥的输出电压与电容的变化量呈现线性关系线性关系。宣 城 校 区传感器原理及应用调频（调频（FM）电路）电路电容式传感器的调频电路与电涡流传感器的调频电路电容式传感器的调频电路与电涡流传感器的调频电路有何区别？上式中有何区别？上式中哪个量是变量哪个量是变量？调频电路是将电容传感器作为调频电路是将电容传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，振荡器谐振回路的一部分，当电容当电容Cx变大时，振荡器的频率变大时，振荡器的频率f 变低。由于振荡器的频率变低。由于振荡器的频率受电容传感器的调制，实现受电容传感器的调制，实现C /f 的变换。的变换。宣 城 校 区传感器原理及应用“三明治三明治”摆式硅微电容加

43、速度传感器结构摆式硅微电容加速度传感器结构1加速度测试单元加速度测试单元 2信号调理单元信号调理单元 3衬底衬底 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极）5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极） a）贴片封）贴片封装外形装外形 b）“三明三明治治”多晶硅多晶硅多层结构多层结构 c）加速度）加速度测试单元的测试单元的工作原理工作原理FmaFkx宣 城 校 区传感器原理及应用宣 城 校 区传感器原理及应用宣 城 校 区传感器原理及应用压电效应（压电效应（Piezoelectricity ）Jacques Curie & Piere Curie1880年，年，

44、 Jacques Curie 与与 Piere Curie发现了压电效应发现了压电效应石英等部分晶体与材料在受到压力时，晶格产生变形，表面产石英等部分晶体与材料在受到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，这种现象称为生电荷，这种现象称为压电效应压电效应。电介质材料中一种机械能与。电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。电能互换的现象。 第六章：压电传感器第六章：压电传感器宣 城 校 区传感器原理及应用1正电荷等效中心正电荷等效中心 2负电荷等效中心负电荷等效中心 晶体沿晶体沿x面受压力时面受压力时的带电情况分析的带电情况分析石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看，石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上

45、看，x面的上表面带正电，下表面带负电面的上表面带正电，下表面带负电Q=d1111Fxd11 ：压电常数：压电常数宣 城 校 区传感器原理及应用石英晶体的压石英晶体的压电效应演示电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与与动态力的频率相同；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。并消失。所以压电元件不可用于静态力的测量。所以压电元件不可用于静态力的测量。宣 城 校

46、 区传感器原理及应用电荷放大器基本电路电荷放大器基本电路1压电传感器压电传感器 2屏蔽电缆线屏蔽电缆线 3传输线分布电容传输线分布电容 4电荷放大器电荷放大器SC灵敏度选择开关灵敏度选择开关 SR带宽选择开关带宽选择开关 Cf Cf 在放大器输入端的密勒等效电容在放大器输入端的密勒等效电容 CfCf在放大器输出端的密勒等效电容在放大器输出端的密勒等效电容宣 城 校 区传感器原理及应用压电传感器的输出电压与等效电容的关系压电传感器的输出电压与等效电容的关系如果压电元件直接与放大器配套使用，除了极间电容，还如果压电元件直接与放大器配套使用，除了极间电容，还应考虑到传输屏蔽电缆芯线对接地屏蔽层的分布

47、电容应考虑到传输屏蔽电缆芯线对接地屏蔽层的分布电容Cc的影的影响。如果忽略响。如果忽略Ra和放大器的输入电阻和放大器的输入电阻Ri的影响，则有的影响，则有式中式中Ci电压放大器的输入电容；电压放大器的输入电容；Q压电元件输出的电荷量。压电元件输出的电荷量。屏蔽电缆的对地分布电容大约为屏蔽电缆的对地分布电容大约为100pF/m。当屏蔽电缆较。当屏蔽电缆较长时，长时，Cc显著增大，放大器的输入电压显著增大，放大器的输入电压U i 将比压电传感器空将比压电传感器空载时的输出载时的输出U o小很多，且不稳定。小很多，且不稳定。iaciQQUCCCC总宣 城 校 区传感器原理及应用电荷放大器原理电荷放大

48、器原理电荷放大器是一个具有反馈电容电荷放大器是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器电路。的高增益运算放大器电路。当放大器开环增益当放大器开环增益A和输入电阻和输入电阻R i、反馈电阻、反馈电阻Rf（用于防止放（用于防止放大器的直流饱和）相当大时，大器的直流饱和）相当大时，放大器的输出电压放大器的输出电压Uo正比于输入正比于输入电荷电荷Q，反比于反馈电容，反比于反馈电容Cf，而基本上与，而基本上与Cc 、 Ca 、 Ci无关无关： off1AQQUA CC 宣 城 校 区传感器原理及应用压电式动态力传感器压电式动态力传感器以及在车床中用于动以及在车床中用于动态切削力的测量态切削力的测量 一体化

49、车刀动态一体化车刀动态力测量力测量宣 城 校 区传感器原理及应用a）原理图）原理图 b）中心压缩式压电加速度传感器结构）中心压缩式压电加速度传感器结构 c）环形剪切式压电加速度传感器结构）环形剪切式压电加速度传感器结构 d）外形）外形1基座基座 2引出电极引出电极 3压电晶片压电晶片 4质量块质量块 5弹簧弹簧 6壳体壳体 7固定螺孔固定螺孔常用的常用的压电式振动加速度传感器压电式振动加速度传感器宣 城 校 区传感器原理及应用（1）灵敏度）灵敏度K 压电式加速度传感器的输出为电荷量，以压电式加速度传感器的输出为电荷量，以pC为单位（为单位（1pC=10-12C）。而。而输入量为加速度，单位为输

50、入量为加速度，单位为m/s2,所以所以灵敏度以灵敏度以pC/ms-2为单位为单位,或用重力加速度或用重力加速度pC/g。灵敏度的灵敏度的范围约为范围约为10100pC/g。目前许多压电加速度传感器的输出是电压，所以目前许多压电加速度传感器的输出是电压，所以灵敏度单灵敏度单位也可以为位也可以为mV/g，通常为，通常为101000mV/g。（2）频率范围）频率范围 常见的压电加速度传感器的频率范围为常见的压电加速度传感器的频率范围为0.01Hz20kHz。（3）动态范围）动态范围 常用的测量范围为常用的测量范围为0.1100g，或，或1000m/s2。测量测量冲击振动时应选用冲击振动时应选用100

51、10000g的高频加速度传感器的高频加速度传感器；而；而测量桥梁、地基等测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择微弱振动往往要选择0.00110g的高灵敏度的高灵敏度的低频加速度传感器的低频加速度传感器。压电振动加速度传感器的性能指标压电振动加速度传感器的性能指标宣 城 校 区传感器原理及应用 声波的分类：次声波、可闻声波与超声波。声波的分类：次声波、可闻声波与超声波。 频率高于频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。的机械振动波称为超声波。 超声波的特性：指向性好，能量集中。超声波的特性：指向性好，能量集中。1MHz的超声波的能量的超声波的能量,相相当于振幅相同当于振幅相同,频率为频率为1000

52、Hz可闻声波的可闻声波的100万倍万倍,能穿透几米厚的能穿透几米厚的钢板钢板,而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面(例如钢板与空例如钢板与空气的交界面气的交界面)时时,能产生明显的反射和折射现象。能产生明显的反射和折射现象。第七章：超声波传感器第七章：超声波传感器宣 城 校 区传感器原理及应用超声波的波型分类超声波的波型分类 1超声波发生器超声波发生器 2钢材钢材纵波纵波纵波质点的运动方向纵波质点的运动方向表面波在钢材表面的传播表面波在钢材表面的传播 纵波在钢材中的传播纵波在钢材中的传播 横波横波 宣 城 校 区传感器原理及应用超声波入射角与反射角、折射

53、角超声波入射角与反射角、折射角Pc入射波入射波 入射角入射角 Pr反射波反射波 r反射角反射角 Ps折射波折射波 折射角折射角宣 城 校 区传感器原理及应用3、超声波测距、超声波测距/避障避障 空气超声探头空气超声探头 测距精度可达高到测距精度可达高到3mm 测量范围：测量范围：2cm-300cm 淘宝参考价：淘宝参考价：RMB 4元元 宣 城 校 区传感器原理及应用Distance = （Time/2）* 340M/s 电平法电平法宣 城 校 区传感器原理及应用7、超声波无损探伤、超声波无损探伤超声波探伤原理动画超声波探伤原理动画起始波起始波 缺陷缺陷反射波反射波 底波底波工件工件缺陷缺陷宣

54、 城 校 区传感器原理及应用第八章：霍尔传感器第八章：霍尔传感器宣 城 校 区传感器原理及应用1.电子电子2.导体导体3.磁铁磁铁4.磁场磁场5.电源电源 金属中含有自由电子（价电子）以及相应的金属中含有自由电子（价电子）以及相应的金属阳离子金属阳离子 电子所受洛伦兹力与霍尔电场力的平衡电子所受洛伦兹力与霍尔电场力的平衡 宣 城 校 区传感器原理及应用霍尔元件的工作原理分析霍尔元件的工作原理分析 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方

55、向上将产生电动势的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。 磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b宣 城 校 区传感器原理及应用磁感应强度磁感应强度B 较大时的情况较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IBabcd宣 城 校 区传感器原理及应用霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧（d 侧）偏移，在半

56、导体薄片侧）偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起方向的端面之间建立起霍尔电势。霍尔电势。cdabdabc宣 城 校 区传感器原理及应用线性型霍尔器件其外加磁感应强度与输出电线性型霍尔器件其外加磁感应强度与输出电压之间的关系压之间的关系宣 城 校 区传感器原理及应用霍尔转速表霍尔转速表60 22fn 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出动使磁路的磁阻随气隙的改变

57、而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。此处应采用线性霍尔传感器。此处应采用线性霍尔传感器。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁宣 城 校 区传感器原理及应用工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：(a)对移；对移；(b)侧移；侧移；(c)旋转；旋转；(d)遮断。遮断。 在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当翼片进入间用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部

58、件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高，在测精度很高，在125的温度范围内，翼片的位置重复精度可的温度范围内，翼片的位置重复精度可达达50m。 宣 城 校 区传感器原理及应用热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电效应热电效应 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在路，并用酒精灯加热

59、其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转。说明回路中产生了什么？回路中的指南针发生偏转。说明回路中产生了什么？ 1工作端工作端 2热电极热电极A 2热电极热电极B 4指南针指南针 5参考端参考端 ？Thomas Johann Seebeck 第九章：热电偶传感器第九章：热电偶传感器宣 城 校 区传感器原理及应用 自由自由电子电子ABeAB（ T T ）T T热电偶的热电偶的图形符号图形符号宣 城 校 区传感器原理及应用有关热电动势的几个结论有关热电动势的几个结论 1）如果热电偶两根电极材料相同，即使两端温度不同）如果热电偶两根电极材料相同，即使两端温度不同（tt0），但总输出

60、热电动势仍为零。），但总输出热电动势仍为零。因此必须由两种不同材料因此必须由两种不同材料才能构成热电偶才能构成热电偶。 2）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电动势必）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电动势必然等于零。然等于零。两结点温差越大，热电动势越大两结点温差越大，热电动势越大。 如果以摄氏温度为单位，如果以摄氏温度为单位，EAB(T，T0)也可以写成也可以写成EAB(t，t0)，其，其物理意义虽然有所不同，但电动势的数值是相同的。物理意义虽然有所不同，但电动势的数值是相同的。温标用温标用t表示，开氏温标用表示，开氏温标用T表示。根据表示。根据273.15K=0，可得，可得两者的换算关