第4章传感器基本原理

1、1. 电阻式传感器2. 电感式传感器3. 电容式传感器4. 压电式传感器5. 磁电式传感器6. 霍尔效应传感器7. 光电式传感器8. 传感器选用原则 14.1 4.1 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为相应电阻变化的是把被测量转换为相应电阻变化的一种传感器一种传感器, ,按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :变阻式、电阻变阻式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式应变式、热敏式、光敏式、电敏式. 物理学原理：R=L SR导体电阻值，；L导体长度，m；S导体横截面面积，mm2；导体电阻率， mm2 /m。2一、变阻式传感器一、变阻式传感器 变阻器式传感器也称电位

2、器式传感器，其工作原理是变阻器式传感器也称电位器式传感器，其工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化。将物体的位移转换为电阻的变化。 3 直线位移型、角位移型、非线性型。直线位移型、角位移型、非线性型。 联接电路不同：串联可变电阻式、电位计式、电桥式。联接电路不同：串联可变电阻式、电位计式、电桥式。4 串联可变电阻式串联可变电阻式: :电流电流I I与位移存在一定关系，与位移存在一定关系，I=fI=f（x x）, ,可把电表可把电表读数转换成位移。读数转换成位移。IRxxEAiXRRREI电流表内阻；电源内阻为；电源电压ARiRExARR/EIRi可得；、忽略xLR Rx x5 电位计式电位计式

3、: :L-L-变阻器总长变阻器总长; ;x-x-电刷移动量电刷移动量. .R-R-总电阻总电阻; ;又又Rx与位移与位移X呈线性关系：呈线性关系： R=K*LLx=RRx=U1U2U2=U1 /R *RxU1U2R Rx xx电位计式电位计式6U2 =（ U1 / L ） x = Kx0 LU1U2xK电位器的电压灵敏度。 7U2 =f=f（x x）U1RxR-RxRLULU1R并并R-RxUL负载电阻有后级负载电阻的等效电路有后级负载电阻的电位计式电路xLxLR RRRR并81xLxLLxLxxLR RRRUUR RRRRRn 负载电阻负载电阻RL相对相对R越大，非线性误差就越小。越大，非线

4、性误差就越小。n 则输出电压UL：1LxLLxxR RUUR RRRRn 同除以RLR：1/1/1xLxxLRRUUR RRRR R令/LxmR RnRR11(1)LnUUmnn11xLRUn UURn 当负载电阻RLR时，m接近于0： 一般情况下，测量的非线性误差要求一般情况下，测量的非线性误差要求在在1 12 2之内时，之内时，R RL L101020R20R。误差要求高时，。误差要求高时，可采用非线性可变电阻器补偿的可采用非线性可变电阻器补偿的方法。方法。9代入代入R R与位移与位移x x的关系的关系，即可得到输出电压与位移，即可得到输出电压与位移的转换关系。的转换关系。 电桥式电桥式A

5、BCD0 x初始电桥平衡：初始电桥平衡：4321RRRR假定：负载电阻极大；且假定：负载电阻极大；且0BDURRRRR4321当当D D点有位移点有位移X XR02URRUBD负载RL10变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: : 1) 1)线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性); 4); 4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; ; 2) 2)分辨力分辨力; 5); 5)电阻温度系数电阻温度系数; ; 3) 3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差; 6); 6)寿命寿命; ;u角位移（旋转式）可变电阻传感器可根据同样原角位移（旋转式）可变电阻传感器可根据同样原理转换。理转换

6、。u电桥式接法测量的灵敏度和线性度都很高电桥式接法测量的灵敏度和线性度都很高，所以，所以测量技术上经常采用。后级负载阻抗不大时，中间测量技术上经常采用。后级负载阻抗不大时，中间必须加阻抗变化装置。必须加阻抗变化装置。11变阻式传感器的优点：变阻式传感器的优点： 结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定； 受环境因素受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；影响小； 可以实现输出可以实现输出输入间任意函数关系；输入间任意函数关系； 输出信号大，一般不需放大。输出信号大，一般不需放大。缺点：缺点： 因为存在电刷与线圈

7、或电阻膜之间摩擦，因此需要较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；大的输入能量； 由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降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；低测量精度，所以分辨力较低； 动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。 1213变阻式传感器的应用变阻式传感器的应用变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品14案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原

8、材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻15案例：案例：液位检测液位检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻16二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理是基于金属导体的是基于金属导体的应变效应应变效应，即金即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。 电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等电阻应变式传感器

9、主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。组成。 由电阻应变片和应变仪组成的测试系统可以用来测量应由电阻应变片和应变仪组成的测试系统可以用来测量应变。许多参数如：力、压力、位移、振动等都可以转换成应变。许多参数如：力、压力、位移、振动等都可以转换成应变进行测量。变进行测量。选煤厂中电子胶带称、压力测量。选煤厂中电子胶带称、压力测量。 17常用电阻应变片分金属电阻应变片和半导体金属电阻应变片和半导体应变片两大类。应变片两大类。分为丝式、箔式丝式、箔式两种。典型结构如图。典型结构如图。18金属箔式应变片金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。片代替栅状金属丝

10、。金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变目前使用的多为金属箔式应变片，片，其结构见下图。其结构见下图。 19 半导体应变片半导体应变片敏感元件由敏感元件由P型硅单晶片半导体材料制成。型硅单晶片半导体材料制成。优点：灵敏度大，体积小；优点：灵敏度大，体积小；缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。20半导

11、体应变片的结构和外形半导体应变片的结构和外形2.2.电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为SlR代入代入SlR/式中R金属丝的电阻值，； 金属丝的电阻率，mm2/m；L金属丝的长度，m；S金属丝的截面积，mm2。 dSSldlSdSldR221SdSldldRdR则有：则有：金属丝：金属丝：2rS金属丝体积不变，由横向应变与纵向应变的关系：金属丝体积不变，由横向应变与纵向应变的关系：22ldlSdSldlrdr泊松比泊松比可得可得ldl长度的变化率称为纵向应变，以长

12、度的变化率称为纵向应变，以表示，即：表示，即：22222dSrdrdrSrrVCVdd电阻率的变化率电阻率的变化率dr/ /r与材料有关与材料有关。对于金属电阻晶格的变。对于金属电阻晶格的变化与体积的变化有关。即：化与体积的变化有关。即：金属丝体积：金属丝体积：2Vrl(2)(12 )ddVCCCVldlrdr可得可得ldlC-C-比例常数，对于一定的材料为定值比例常数，对于一定的材料为定值2322222dVlrdrr dldrdlVr lrldVV有：有：dRdR2K K0 0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。由式可

13、以看出，起的电阻相对变化。由式可以看出，金属材料的灵敏系金属材料的灵敏系数受两个因素影响：数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸变化一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即所引起的，即 项；另一个是受力后材料的电阻率项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即变化所引起的，即 项。对于金属材料项。对于金属材料 项项比比 项大得多。项大得多。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即即K K0 0=1+2=1+2为常数。通常金属电阻丝的为常数。通常金属电阻

14、丝的K K0 0=1.7=1.73.63.6。 或：或：(12)dC240(12)dR RdK 应变计金属应变计产品金属应变计产品25半导体应变计半导体应变计drdrldlRdR2简化为：简化为：E但对于半导体材料，电阻的变化即：由半导体理论可知 式中式中e沿某晶向沿某晶向L的压阻系数；的压阻系数； 应力；应力； E半导体材料的弹性模量。半导体材料的弹性模量。/ed dRdR226半导体材料的灵敏系数半导体材料的灵敏系数K0为：为： 例如半导体材料，则例如半导体材料，则K0=eE60170。半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高5070倍。倍。 (12)e

15、dRER则：则：0/12eedRRKEE但对于半导体材料，但对于半导体材料， ，即因机械变形引起即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻变化主要是由电阻率的变化的电阻变化可以忽略，电阻变化主要是由电阻率的变化引起的。引起的。273.3.电阻应变片的特征及主要参数电阻应变片的特征及主要参数 1 1）灵敏度）灵敏度 n根据分析，假设一段电阻丝直接受到应力产生应变时，应变片的转换灵根据分析，假设一段电阻丝直接受到应力产生应变时，应变片的转换灵敏度敏度K K0 0为：为： 表示单位应变所产生的电阻变化率表示单位应变所产生的电阻变化率。n在实际应用中不是一段电阻丝，且其应变是由试件传递给应变片的。电在实

16、际应用中不是一段电阻丝，且其应变是由试件传递给应变片的。电阻应变片的灵敏度阻应变片的灵敏度K K应表示为：应表示为： 其灵敏度的含义为：当应变片的纵轴与试件应力方向一致时应变片的电其灵敏度的含义为：当应变片的纵轴与试件应力方向一致时应变片的电阻变化率与试件主应力方向的应变值的比值。阻变化率与试件主应力方向的应变值的比值。KK0,K基长基长l, ,高频信号时高频信号时应采用短基长的应变片。测试应采用短基长的应变片。测试值是该瞬时基长值是该瞬时基长l范围内试件应范围内试件应变的平均值变的平均值4 4）应变片的线性）应变片的线性 严格来说应变片的电阻变化率与试件应变之间不是线性严格来说应变片的电阻变

17、化率与试件应变之间不是线性关系；关系； 实际表明非线性误差很小。可通过反复加载、卸载改善实际表明非线性误差很小。可通过反复加载、卸载改善线性关系。线性关系。l29主要参数主要参数 4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、迟滞、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、迟滞、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 1 1）几何参数：基长）几何参数：基长l l和丝栅宽度和丝栅宽度b b，制造厂常用，制造厂常用b bl l表示，如表示，如2.8x15 2.8x15 5% mm5% mm2 2。2 2）电阻值：应变计的原始电阻值，）电阻值：应变计的原始电阻值，

18、6060、120120、350350、600600等，同一测试中，应变片差值等，同一测试中，应变片差值0.50.5欧。欧。3 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数，）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数，一般一般K=2K=2。 30314. 电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 u 目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。u 用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.应变方向应变方向32电阻应变片的选择电阻应变片的选择:3334 2.2.贴片：贴片：在应变片在应变片的表面和处理过的的表面和处理过的粘贴表面上，

19、各涂粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片，用镊子将应变片放上去，并调好位放上去，并调好位置，然后盖上塑料置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的滚压，排出下面的气泡气泡 。35 3. 3.测量测量 ：从分开的从分开的端子处，预先用万用端子处，预先用万用表测量应变片的电阻表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏，发现端子折断和坏的应变片。的应变片。 应变片阻值不应产应变片阻值不应产生较大的变化，用兆生较大的变化，用兆欧表检查应变片与试欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，件之间的绝缘组织，应大于应大于500M500M欧。欧。364.焊接：焊接： 将

20、引将引线和端子用烙线和端子用烙铁焊接起来，铁焊接起来，注意不要把端注意不要把端子扯断。子扯断。 37 38应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，转

21、换元件就是应变片，般为各种弹性体，转换元件就是应变片，测量转换测量转换电路一般为桥路；电路一般为桥路；第二类是第二类是将应变片贴于被测试件将应变片贴于被测试件上，然后将其接上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。变量。 电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力39压力传感器压力传感器 转矩传感器转矩传感器 4041应变式力传感器应变式力传感器 FFFFFR1R2 R442FF4344 FF固定点固定点固定点固定点电缆45 质量传感器质量传感器 位移传感器位移传感器 加速度计加速度计 压力传感器压力传感器 46案

22、例：案例：电子称电子称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。47案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。4849三、测温热电阻传感器三、测温热电阻传感器1. 金属热电阻金属热电阻 温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，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从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出碍增大，宏观上表现出电阻率变大电阻率变大，电阻值增加电阻

23、值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。趋势相同。 50 51 52 5354 55 铜热电阻铜热电阻56 旋转式机械旋转式机械 设定开关设定开关拨码式拨码式设定开关设定开关57 热敏电阻：热敏电阻：对热敏感的半导体电阻，其阻值随温对热敏感的半导体电阻，其阻值随温度变化的曲线呈非线性。度变化的曲线呈非线性。 热敏电阻热敏电阻有负温度系数（有负温度系数（NTCNTC）和正温度系数（）和正温度系数（PTCPTC）之分）之分。 正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTCPTC）在温度越高时电）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏

24、电阻器（阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTCNTC）在温度）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。58 a a）圆片型热敏电阻）圆片型热敏电阻 b b）柱型热敏电阻）柱型热敏电阻 c c）珠型热敏电）珠型热敏电阻阻 d d）铠装型）铠装型 e e）厚膜型）厚膜型 f f）图形符号）图形符号1 1热敏电阻热敏电阻 2 2玻璃外壳玻璃外壳 3 3引出线引出线 4 4紫铜紫铜外壳外壳 5 5传热安装孔传热安装孔 59 MF12 MF12型型 NTCNTC热敏电阻热敏电阻聚脂塑料封装热敏聚脂塑料封装热敏电阻电阻 玻璃封装玻璃封装 NTC热敏电阻热敏电阻

25、MF58 型热敏电阻型热敏电阻60带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率大功率PTC热敏电阻热敏电阻6162 贴片式贴片式NTC热敏电阻热敏电阻63 MF58型（珠形）型（珠形）高精度负温度系数高精度负温度系数热敏电阻热敏电阻MF5A-3型热敏电阻型热敏电阻（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）646566热敏电阻热敏电阻 LCD6768（参考小熊在线公司资料）（参考小熊在线公司资料）69 使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻

26、变化量，再转换为电流、电压信号。再转换为电流、电压信号。 气敏电阻品种繁多，气敏电阻品种繁多，主要主要有可有可测量还原性气体测量还原性气体和测量和测量氧氧气气浓度浓度的两大类的两大类。 1.1.还原性气体传感器还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2（

27、氧化锡）、（氧化锡）、ZnO或或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。 三、气敏电阻三、气敏电阻7071a a）气敏烧结体）气敏烧结体 b b）气敏电阻外形）气敏电阻外形 c c）基本测量转换电路）基本测量转换电路 11引脚引脚 22塑料底座塑料底座 33烧结体烧结体 44不锈钢网罩不锈钢网罩 55加热加热电极电极 6 6工作电极工作电极 7 7加热回路电源加热回路电源 8 8测量回路电源测量回路电源 MQN型气敏半导体器件是型气敏半导体器件是由塑料底

28、座、电极引线、不锈由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组一组铂丝为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。为加热电极兼工作电极。 气敏电阻工作时必须加热到气敏电阻工作时必须加热到200 300，其目的是加速，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。物（起清洁作用）。 酒精传感器酒精传感器 其他可燃性气体其他可燃性气体传感器传感器7273呼气管呼气管7475767778NHNH3 3传感器

29、传感器甲烷传感器甲烷传感器792.2.二氧化钛氧浓度传感器二氧化钛氧浓度传感器 半导体材料二氧化钛（半导体材料二氧化钛（TiO2）属于）属于N型半导体，型半导体，对对氧气十分敏感氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。的氧气浓度。 当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。 80a a）结构）结构 b b）测量转换电路）测量转换电路 1 1外壳（接地）外壳（接地）2 2安装螺栓安装螺栓 3 3搭铁线搭铁线4 4保护管保护管 5

30、 5补补偿电阻偿电阻 6 6陶瓷片陶瓷片 7 7TiOTiO2 2氧敏电阻氧敏电阻 8 8进气口进气口9 9引脚引脚 l二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，量减小时，RTiO2的阻值减小，的阻值减小，Uo增大。增大。l与与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温度补偿作用。当环境温度升高起温度补偿作用。当环境温度升高时，时，TiO2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根也以同样的比例减小，根据分压比定律，据分压比定律，Uo不受温

31、度影响，减小了测量误差不受温度影响，减小了测量误差。 81可用于汽车尾气可用于汽车尾气测量测量8283电感式传感器的工作原理：电感式传感器的工作原理：它是利用电磁感应原理，将被它是利用电磁感应原理，将被测参数转换成电感元件电感量的变化，实现非电量电测。测参数转换成电感元件电感量的变化，实现非电量电测。4.2 4.2 电感式传感器电感式传感器xU84电感线圈等效电路电感线圈等效电路8586气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小 用途及特点用途及特点：常用来测量位移、振动、：常用来测量位移、振动、 压力、应变、流量、比重等物理量参数。压力、应变、流量、比重等物理量参数。 优点优点

32、：具有结构简单、工作可靠、寿命：具有结构简单、工作可靠、寿命 长、适用于静态和动态测量，使用范围广；长、适用于静态和动态测量，使用范围广； 缺点缺点：要求电压与频率稳定；不适宜高频动态测量。：要求电压与频率稳定；不适宜高频动态测量。 分类分类：按工作原理分为：按工作原理分为自感式、互感式和压磁式自感式、互感式和压磁式三种。三种。87 自感式电感传感器是将被测参数转换成电感元件自感的变化自感式电感传感器是将被测参数转换成电感元件自感的变化，通，通常采用改变磁阻的方法来实现。常见的几种形式如图所示。它由线圈、常采用改变磁阻的方法来实现。常见的几种形式如图所示。它由线圈、铁芯及衔铁组成。铁芯及衔铁组

33、成。2r2l1l2xxx(a)(b)(c)88 变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 1、变空气隙式自感传感器、变空气隙式自感传感器式中，式中，W线圈匝数线圈匝数; L线圈电感，单位为亨线圈电感，单位为亨(H)；Rm磁路总磁阻。磁路总磁阻。l根据磁路的基本定律，线圈电感根据磁路的基本定律，线圈电感(自感自感)可用下式计算可用下式计算:l假设铁芯和衔铁材质相同、截面积也相同，空气隙假设铁芯和衔铁材质相同、截面积也相同，空气隙 较小，不考较小，不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为：虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为：式中式中: l导磁体导磁体 (铁芯铁芯)的长度的长度(m)； 铁芯导磁率铁芯

34、导磁率(H/m)；S铁芯导磁横截面积铁芯导磁横截面积(m2)，Sab; 空气隙长度空气隙长度(m); 0 空气导磁率；空气导磁率； S0空气隙导磁横截面积空气隙导磁横截面积(m2)。89002SSlRm2mWLR因为因为0，则，则因此，自感因此，自感L可写为：可写为：002SRm2002SWL 90l 请分析电感量请分析电感量L与气隙厚度与气隙厚度 及气隙的有效截面积及气隙的有效截面积S0之间的关系。之间的关系。变气隙式自感传感器工作原理动画演示变气隙式自感传感器工作原理动画演示91因此，自感因此，自感L公式，可得：公式，可得：u灵敏度灵敏度K与气隙长度的平方成反比，与气隙长度的平方成反比，

35、愈小，灵敏度愈愈小，灵敏度愈高。由于高。由于K不是常数，故会出现非线性误差，通常规定不是常数，故会出现非线性误差，通常规定 在较小的范围内工作。在较小的范围内工作。dSWdL20022该传感器的灵敏度该传感器的灵敏度K为为9220022SWddLK例如，若间隙变化范围为（例如，若间隙变化范围为（ ），则灵敏度为），则灵敏度为: 由上式可以看出，当由上式可以看出，当 时，由于时，由于 ，故灵敏，故灵敏度度K趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。实际应用趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。实际应用中，一般取中，一般取 。这种传感器适用于较小位移的测。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为量，一

36、般约为0.0011 mm.93K 请分析：灵敏度、请分析：灵敏度、 线性度线性度有何变化有何变化曲线曲线1、2为为L1、L2 的特性，的特性，3为为差动特性差动特性 在变隙式差动电感传感在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。减小，形成差动形式。 1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 94 n 从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化

37、、电源频率的变化等基本上可响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。减小了测量误差。n 从曲线图可以看出，从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍，非线性误差减小一个数量级。传感器的两倍，非线性误差减小一个数量级。n 差动接法是一种普遍采用的接法。差动接法是一种普遍采用的接法。 952、变面积式自感传感器、变面积式自感传感器 若将变气隙式自感传感器的气隙厚度若将变气隙式自感传

38、感器的气隙厚度 0保持不变，使气隙导磁截面积保持不变，使气隙导磁截面积S随被测参数变化而变，即构成变面积式自感传感器。随被测参数变化而变，即构成变面积式自感传感器。 一般一般W、0 0、 0、a都是固定值，所以电感都是固定值，所以电感L与与b呈线性关系。该类传呈线性关系。该类传感器输出特性呈线性，因此测量范围大。与变气隙式相比，其灵敏度较低。感器输出特性呈线性，因此测量范围大。与变气隙式相比，其灵敏度较低。baWL0022963、具有可动铁芯的自感传感器：、具有可动铁芯的自感传感器： 螺线管中插入铁芯可改变磁阻，使电感发生变化。如不考虑磁场强度螺线管中插入铁芯可改变磁阻，使电感发生变化。如不考

39、虑磁场强度分布不均匀性，可得到电感变化量与铁芯位移的关系：分布不均匀性，可得到电感变化量与铁芯位移的关系：2210222)(llrWL 忽略磁场不均匀性，位移变化与电感变化呈线性关系。忽略磁场不均匀性，位移变化与电感变化呈线性关系。 该电感式传感器的灵敏度不高，可用来测量较大位移。该电感式传感器的灵敏度不高，可用来测量较大位移。如浮标位移的测量。如浮标位移的测量。在实际应用时为提高灵敏度，减小非在实际应用时为提高灵敏度，减小非线性误差，往往接成差动形式线性误差，往往接成差动形式。式中，式中，WW线圈匝数线圈匝数; ; r2r2铁芯半径；铁芯半径；铁芯导磁率；铁芯导磁率； 0 0 空气导磁率；空

40、气导磁率； l1 1线圈的长度；线圈的长度；l2 2铁芯插入深度的变化量，即位移变化量。铁芯插入深度的变化量，即位移变化量。2r2l1l2x9798将被测参数转换成互感的变化。将被测参数转换成互感的变化。差动变压器式传感器差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线

41、圈采用采用差动接法，故称为差动变压器。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器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。 U1e99100 由图可见，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零。这种零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作U0，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。当活动衔铁的位置居中时，输出电压为零；活动衔铁的位置往当活动衔铁的位置居中时，输出电压为零；活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化，其输

42、出电压是两个线圈电压复变化，其输出电压也随之变化，其输出电压是两个线圈电压变化绝对量之和。变化绝对量之和。 差动变压器是一种性能良好的传感器，性能稳差动变压器是一种性能良好的传感器，性能稳定，使用方便；灵敏度和精度较高；测量范围大。定，使用方便；灵敏度和精度较高；测量范围大。 差动变压器的灵敏度一般可达差动变压器的灵敏度一般可达0.55V/mm，行，行程越小，灵敏度越高。程越小，灵敏度越高。 为了提高灵敏度，励磁电压在为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。左右为宜。电源频率以电源频率以110kHz为好。为好。 差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10

43、左右左右。 分析该类型传感器在选煤厂中的应用？分析该类型传感器在选煤厂中的应用？101三、压磁式传感器三、压磁式传感器 u 压磁效应：压磁效应：某些铁磁材料（如正磁致伸缩材料）受某些铁磁材料（如正磁致伸缩材料）受压缩时，其导磁率沿应力方向下降，而沿着与应力压缩时，其导磁率沿应力方向下降，而沿着与应力垂直的方向则增加。材料受拉时，导磁率变化正好垂直的方向则增加。材料受拉时，导磁率变化正好相反。相反。u 磁致伸缩效应：磁致伸缩效应：是亚磁效应的逆效应，即某些铁磁是亚磁效应的逆效应，即某些铁磁性材料在外磁场作用下，导磁率发生变化，而导致性材料在外磁场作用下，导磁率发生变化，而导致自感或互感的变化。自

44、感或互感的变化。u 该类传感器可用于测量力、压力、扭矩等，具有输该类传感器可用于测量力、压力、扭矩等，具有输出较大、温度干扰小等优点，但非线性误差较大。出较大、温度干扰小等优点，但非线性误差较大。102103板的厚度测量板的厚度测量 四、电感式传感器的应用四、电感式传感器的应用 n差动变压器式传感器具有精度高达0.lm量级，线圈变化范围大(可扩大到士l00mm，视结构而定)结构简单，稳定性好等优点。n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.104 1 1引线电缆引线电缆 2 2固定磁筒固定

45、磁筒 3 3衔铁衔铁 4 4线圈线圈 5 5测力弹簧测力弹簧 6 6防转销防转销 7 7钢球导轨（直线轴承）钢球导轨（直线轴承） 8 8测杆测杆 9 9密封套密封套 1010测端测端 1111被测工件被测工件 1212基准面基准面 105滚柱直径分选装置滚柱直径分选装置 1 1气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被测滚柱被测滚柱 5 5落料管落料管 6 6电感测微器电感测微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位挡板限位挡板 9 9电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 106测微仪测微仪圆柱滚子圆柱滚子107108落料振动台落料振动台滑道滑道11个分选仓位个分选仓位（参

46、考无锡市通达滚（参考无锡市通达滚子有限公司资料）子有限公司资料）废料仓废料仓109旋转盘旋转盘测量头测量头1104.3 电容式传感器电容式传感器n 是将被测量转换成电容量变化的传感器，可用于测量位移、振动、转角是将被测量转换成电容量变化的传感器，可用于测量位移、振动、转角等，在选煤厂普遍用来测量液位、料位以及压力等。等，在选煤厂普遍用来测量液位、料位以及压力等。n 以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为：下，平板电容器的电容量为： 式中式中S极板的遮盖面积（极板的遮盖面积（m2)；

47、极板间介质的介电常数，极板间介质的介电常数，F/m； d两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（m）。）。 dSCn上式中，哪几个参量是变量？上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传可以做成哪几种类型的电容传感器？感器？ 111+ + + d s dSCn 改变改变S S、d d、 三个参量中的任意一个量，均可三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量使平板电容的电容量C C 改变。改变。n 固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。电容传感器。n 根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可

48、分为：分为：面积变化型、极距变化型和介质变化型面积变化型、极距变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。112n该类电容式传感器有：该类电容式传感器有：直线位移型、角位移型、液位电极型直线位移型、角位移型、液位电极型。n直线位移型直线位移型其工作原理是两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数其工作原理是两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，改变了极板有效面积，引起电容量的变化为：作用下发生位移，改变了极板有效面积，引起电容量的变化为：图（图（a）电容量为：）电容量为：x xa ab b(a)d

49、xaadxbaC0式中：式中：C 电容变化量；电容变化量； a0 初始电容，初始电容， ；介电常数。介电常数。 n由上式可知电容的变化量与位移呈线性关系。由上式可知电容的变化量与位移呈线性关系。 dbaa/0dxaC113n图图(b)为初始覆盖面积为零为初始覆盖面积为零，随位移增，随位移增加，电容增加，其电容量为：加，电容增加，其电容量为：x xa ab b(b)dxaCn由上式可知电容的变化量与位移呈线性关系。由上式可知电容的变化量与位移呈线性关系。n其灵敏度为其灵敏度为 是一常数，增加极板宽度、减小极板是一常数，增加极板宽度、减小极板间距可提高灵敏度。间距可提高灵敏度。 da /114柱面

50、线位移型柱面线位移型圆柱形电容器的电容量计算公式：圆柱形电容器的电容量计算公式：12ln2DDlCD1lxD2n 可知，位移与电容成线性关系，同样可以接成差动形式，提高灵敏度。该类传感器可用于较大位移的测量。C1xC2115角位移型角位移型+2222rrS极板覆盖面积（有效面积）：极板覆盖面积（有效面积）：电容量：电容量：2222rrCddn 可知，角位移与电容量成可知，角位移与电容量成线性关系。线性关系。116液位电极型电容传感器液位电极型电容传感器120ln2DDHCC12ln2DDHCp分析该类传感器在选煤厂中可用在那些方面？分析该类传感器在选煤厂中可用在那些方面？117l导电液体作为一

51、个电导电液体作为一个电极，可用于测量导电液极，可用于测量导电液体的液位。体的液位。n棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套118n 智能化液位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：方法十分简单：n 用手指压住设定按钮，当用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。报警信号和控制信号。设定按钮设定按钮119二、极距变化型

52、二、极距变化型+2ddSCdd +ddddp 可知电容变化与极距的变化近似成线性关系。可知电容变化与极距的变化近似成线性关系。120n从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d d0 0小小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d d0 0较小时，它的测量范围变大还是变小？较小时，它的测量范围变大还是变小？ 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 121n 通常该类传感器用来测量微小位移，一般为初始极距的1/151/100以内。122三、介质变

53、化型三、介质变化型dSChdaC0u电容变化量与液位之间成电容变化量与液位之间成成线性关系成线性关系l对于非导电液的液位测量：对于非导电液的液位测量：123几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数l分析不同介质对变介电常数电容器的影响。该类传感器在选煤厂可用于测量什么非电量？1240=8.85410-12 (F/m) 电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）产品应用产品应用电容式水温水位电容式水温水位传感器传感器125电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个

54、极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。1261271282.4 2.4 压电式传感器压电式传感器129n 压电式传感器是一种发电型的可逆换能器，它利用了某些晶体材料所具有的压电效应，既可以把机械能（力、压力等）转换成电能（电荷、电压等），也可以把电能转换

55、成机械能。n 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度、压力等，但不能用于静态参数的测量。并在声学、医学、力学、宇航等方面得到了非常广并在声学、医学、力学、宇航等方面得到了非常广泛的应用。泛的应用。一、基本原理一、基本原理u压电效应：压电效应：某些晶体或陶瓷材料，当沿着一定方向对其施力某些晶体或陶瓷材料，当沿着一定方向对其施力而使之变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上而使之变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力消失后，又恢复到不带电状态。产生符号相反的电荷，当外力消失后，又恢复到不带电状

56、态。这种现象称之为这种现象称之为压电效应压电效应。u逆压电效应：逆压电效应：如果将这些物质如果将这些物质 ( (物体物体) )置于电场中，其几何置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质 ( (物体物体) )产生产生机械变形的现象，称之为机械变形的现象，称之为逆压电效应逆压电效应，或称之为或称之为电致伸缩效应。电致伸缩效应。u压电材料：压电材料：具有压电效应的物质具有压电效应的物质( (物体物体) )称为压电材料称为压电材料( (或称或称为压电元件为压电元件) )。 130电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压

57、电单晶体有石英压电单晶体有石英( (包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英) )、水溶性、水溶性压电晶体压电晶体( (包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵；酒石酸二包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵；酒石酸二钾、硫酸锤等钾、硫酸锤等) )；压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压

58、电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。l常见的压电材料可分为两类，即常见的压电材料可分为两类，即压电单晶压电单晶体和多晶体压电陶瓷。体和多晶体压电陶瓷。131 光光 轴轴 纵向轴纵向轴, , Z Z- -Z Z 轴；轴； 电电 轴轴 过正六面体棱线并垂直于光轴过正六面体棱线并垂直于光轴, , X X- -X X 轴；轴； 机械轴机械轴 与光轴和电轴垂直的轴，与光轴和电轴垂直的轴，Y Y- -Y Y 轴。轴。 正六面体正六面体 天然结构的石英晶体天然结构的石英晶体 力沿光轴力沿光轴( (Z Z轴轴) )作用时，不产生压电效应作用时，不产生压电效应

59、 力沿电轴力沿电轴( (X X轴轴) )作用时，产生的压电效应称纵向压电效应作用时，产生的压电效应称纵向压电效应 力沿机械轴力沿机械轴( (Y Y轴轴) )作用时，产生的压电效应称横向压电效应作用时，产生的压电效应称横向压电效应 沿相对两棱加力时，沿相对两棱加力时， 则产生切向效应则产生切向效应132石英晶体压电效应的机理石英晶体压电效应的机理n 石英晶体的压电效应是由于石英晶体在外力作用下石英晶体的压电效应是由于石英晶体在外力作用下，晶格发生变化所造成的。，晶格发生变化所造成的。n 石英晶体由硅离子石英晶体由硅离子SiSi4 4+ +和氧离子和氧离子O O2 2- -组成，在组成，在Z Z平

60、面平面的投影为的投影为133 设设 为三对电偶极矩，当没有外为三对电偶极矩，当没有外力作用时，它们互成力作用时，它们互成120120的夹角，所以有的夹角，所以有 134当晶体沿当晶体沿 x x 方向受压时，方向受压时，有：有：此时在此时在x x轴方向出现正电荷。轴方向出现正电荷。 135当晶体沿当晶体沿x x方向受拉时，方向受拉时，有有: :此时在此时在x x轴方向出现负电荷。轴方向出现负电荷。 136石英晶体切片的方法一般有两种:(1)x(1)x切片切片l 两个端面与x 轴垂直。切片的两个面镀有金属银，使之成为电极板。 n 即压电材料受力时所产生的电荷与作用力之间即压电材料受力时所产生的电荷