测控技术与仪器专业导论第三章传感器

1、第第3 3章章 测控系统中的常用传感器测控系统中的常用传感器3.1.13.1.1传感器（传感器（Transducer/Sensor)Transducer/Sensor)的定义的定义我国国家标准（我国国家标准（GB7665-87）中对传感器的定）中对传感器的定义是：义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置换成可用输出信号的器件或装置”。这一定义包含。这一定义包含了以下几方面的意思：了以下几方面的意思：1、传感器是测量装置，能完成检测任务。、传感器是测量装置，能完成检测任务。2、它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能、它的输

2、入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。是化学量、生物量等。3、它的输出量是某种物理量，要便于传输、转换、处、它的输出量是某种物理量，要便于传输、转换、处理，主要是电、气、光。理，主要是电、气、光。4、输入输出有对应关系，且能保证一定的精度。、输入输出有对应关系，且能保证一定的精度。敏感敏感元件元件转换转换元件元件转换转换电路电路被测量被测量电量电量敏感元件敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件转换元件：把敏感元件的输出转换成电路参量。把敏感元件的输出转换成电路参量。

3、转换电路转换电路：将上述电路参量转换成电量输出。将上述电路参量转换成电量输出。有些传感器的敏感元件和转换元件合二为一，有些有些传感器的敏感元件和转换元件合二为一，有些传感器则将上述三个环节合为一体。传感器则将上述三个环节合为一体。3.1.23.1.2传感器传感器的组成的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。组成。如图是一种气体压力传感器的示意图。如图是一种气体压力传感器的示意图。膜盒是敏感元件，其外部通大气压力膜盒是敏感元件，其外部通大气压力pa，内部，内部感受被测压力感受被测压力p，当，当p 变化时引起膜盒上半部移动，变化时引

4、起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。转换元件是可变电感线圈即输出相应的位移量。转换元件是可变电感线圈3，它把位移量转换成电感量的变化，接入转换电路便它把位移量转换成电感量的变化，接入转换电路便可转换成电量输出。可转换成电量输出。膜盒膜盒2的下部与壳体的下部与壳体1固固接，上部通过连杆与磁芯接，上部通过连杆与磁芯4相相连，磁芯连，磁芯4置于两个电感线圈置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路中，后者接入转换电路5。3.1.33.1.3传感器传感器的分类的分类由于被测量内容广泛、传感器的工作原理各不相同，有不由于被测量内容广泛、传感器的工作原理各不相同，有不同角度的分类法同角度的分类法。.按被测量

5、分类：位移、压力、流量、温度、速度等。按被测量分类：位移、压力、流量、温度、速度等。.按工作原理分类：热电式、电感式、电容式、光电式、按工作原理分类：热电式、电感式、电容式、光电式、压电式、应变式等。压电式、应变式等。.按敏感机理分类：结构型（敏感元件的结构在被测量作按敏感机理分类：结构型（敏感元件的结构在被测量作用下发生形变）；物性型（敏感元件的固有性质在被测量作用下用下发生形变）；物性型（敏感元件的固有性质在被测量作用下发生变化）发生变化） 。.按能量关系分类：能量控制型（传感器输出能量由外源按能量关系分类：能量控制型（传感器输出能量由外源供给，但受被测量控制）；能量转换型（不需外源）。供

6、给，但受被测量控制）；能量转换型（不需外源）。 .按输出信号分类：模拟式、数字式。按输出信号分类：模拟式、数字式。3.1.43.1.4传感器传感器的一般指标的一般指标各种传感器的使用环境、条件、目的不同，但各种传感器的使用环境、条件、目的不同，但基本要求却是共同的。传感器的一般指标包括：基本要求却是共同的。传感器的一般指标包括：（1）精度）精度（2）线性度）线性度（3）灵敏度）灵敏度（4）稳定性）稳定性（5）反应速度）反应速度（6）抗干扰能力）抗干扰能力（7）可靠性）可靠性3.1.53.1.5传感器的选用原则传感器的选用原则如何根据具体的测量目的、测量对象以及测如何根据具体的测量目的、测量对象

7、以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。选用传感器时要考虑：量时首先要解决的问题。选用传感器时要考虑：（1 1）传感器的类型）传感器的类型（2 2）量程范围）量程范围（3 3）精度）精度（4 4）灵敏度）灵敏度（5 5）反应时间）反应时间（6 6）稳定性）稳定性3.2 3.2 常见传感器的转换原理常见传感器的转换原理传感器种类繁多，传感器种类繁多，传感器技术传感器技术融合了多学科融合了多学科的知识。在此的知识。在此按工作原理来简单介绍工业中常用按工作原理来简单介绍工业中常用传传感器的转换原理。感器的转换原理。3.2.1电阻

8、式传感器电阻式传感器电阻式传感器通过形变把被测量的变化转换电阻式传感器通过形变把被测量的变化转换为电阻值的变化。电阻传感器常用于测量物体的位为电阻值的变化。电阻传感器常用于测量物体的位移、受力、机械变形等参数。移、受力、机械变形等参数。1.滑线式变阻器滑线式变阻器滑线式变阻器又称电位器。这种传感器可以滑线式变阻器又称电位器。这种传感器可以用来测量线性位移，在输入量变化时，其输出电阻用来测量线性位移，在输入量变化时，其输出电阻可以在很大的区间内变化，属于大电阻变化式传感可以在很大的区间内变化，属于大电阻变化式传感器。器。2.电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器属于微电阻变化式传感器。

9、电阻应变式传感器属于微电阻变化式传感器。就是将弹性金属材料做成应变片，当其受力而产生就是将弹性金属材料做成应变片，当其受力而产生变形时电阻值发生变化，通过电路测出其电阻值变变形时电阻值发生变化，通过电路测出其电阻值变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度等多种物理量。等多种物理量。金属应变片有金属丝和或金属箔两类。金属应变片有金属丝和或金属箔两类。纵向纵向R=L/S金属电阻应变原理金属电阻应变原理： 当金属应变片产生纵向拉伸变形时，当金属应变片产生纵向拉伸变形时，L变大、变大、S变小，其阻值增加；当应变片产生纵向压缩变变小，其阻值增加；当应变片

10、产生纵向压缩变形时，形时，S 变大、变大、 L变小，其阻值减小。变小，其阻值减小。金属应变片的应用金属应变片的应用金属应变片使用时要紧贴在应变物上，如贴金属应变片使用时要紧贴在应变物上，如贴在梁上测其受力。在梁上测其受力。案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量应变片应变片1、2、3、4、5、6、7案例：案例：电子秤电子秤原理：将物品重量通过原理：将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。应变片转化为电量输出。案例：冲床生产记数和生产过程监测案例：冲床生产记数和生产过程监测若没有应变物，则要专门制作，如测气体的若没有应变物，则要专门制作，如测气体的

11、压力要借助于应变筒。压力要借助于应变筒。P应变片应变片r1轴向贴轴向贴压缩阻值变小压缩阻值变小应变片应变片r2径向贴径向贴拉伸阻值变大拉伸阻值变大1-应变筒应变筒2-外壳外壳 3-膜片膜片P-被测压力被测压力 应变片电阻的变化可用电桥测出。应变片电阻的变化可用电桥测出。 r1和和r2的变的变化，使桥路失去平衡，有不平衡电压化，使桥路失去平衡，有不平衡电压U输出。输出。 应变片应变片r2应变片应变片r1U3.2.23.2.2电容式传感器电容式传感器电容式传感器是将被测量（如位移、压力等）电容式传感器是将被测量（如位移、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。其本质就的变化转换成电容变化量的一

12、种传感器。其本质就是一个可变电容器。是一个可变电容器。平行板电容器的电容为：平行板电容器的电容为：Ac A-极板间距离极板间距离 A A-极板遮盖面积极板遮盖面积-电介质介电常数电介质介电常数3.2.23.2.2电容式传感器电容式传感器电容式传感器是将被测量（如位移、压力等）电容式传感器是将被测量（如位移、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。其本质就的变化转换成电容变化量的一种传感器。其本质就是一个可变电容器。是一个可变电容器。平行板电容器的电容为：平行板电容器的电容为：Ac A-极板间距离极板间距离 A A-极板遮盖面积极板遮盖面积-电介质介电常数电介质介电常数电容式传感器可以用于测

13、量部件的位移、振动、电容式传感器可以用于测量部件的位移、振动、厚度等机械量，以及测量压力、荷重、液位；还可厚度等机械量，以及测量压力、荷重、液位；还可根据电容极板间介质的介电常数随温度、湿度改变根据电容极板间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量温度、湿度；甚至还可以转换声音、而改变来测量温度、湿度；甚至还可以转换声音、辨别指纹。辨别指纹。1.1.电容式位移传感器电容式位移传感器2）直线位移传感器）直线位移传感器1）角位移传感器）角位移传感器Ac 通过改变电容极板的遮盖面积从而改变电容通过改变电容极板的遮盖面积从而改变电容量，又称面积型传感器。量，又称面积型传感器。通过改变电容极板的遮盖面

14、积从而改变电容通过改变电容极板的遮盖面积从而改变电容量，又称面积型传感器。量，又称面积型传感器。3 3）测厚传感器）测厚传感器极板间介质板的厚度变化也可以改变电容极极板间介质板的厚度变化也可以改变电容极板间的介电常数从而改变电容量。如图所示，轧制板间的介电常数从而改变电容量。如图所示，轧制金属板时，让板材通过电容式测厚仪的传感电容的金属板时，让板材通过电容式测厚仪的传感电容的两极板之间，监测电容的变化，就可以实现板材厚两极板之间，监测电容的变化，就可以实现板材厚度的在线监测。度的在线监测。Ac 2.2.电容式压力传感器电容式压力传感器电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感电容式压力传感器属于

15、极距变化型电容式传感器，可以测量压力、压差、荷重等参数。如：器，可以测量压力、压差、荷重等参数。如：1 1）压力传感器）压力传感器改变不同参数，可做成不同类型的电容式传感改变不同参数，可做成不同类型的电容式传感器。如改变极板间距离器。如改变极板间距离()()的极距型传感器：的极距型传感器：Ac 2.2.电容式压力传感器电容式压力传感器电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可以测量压力、压差、荷重等参数。如：器，可以测量压力、压差、荷重等参数。如：1 1）压力传感器）压力传感器改变不同参数，可做成不同类型的电容式传感改变不同参数，可做成不同类型的电容

16、式传感器。如改变极板间距离器。如改变极板间距离()()的极距型传感器：的极距型传感器：Ac 2 2）荷重传感器）荷重传感器单电容式压力传感电容可以用于重负载的称重，单电容式压力传感电容可以用于重负载的称重，如地磅秤。荷重传感电容由受力弹簧（可动电极）如地磅秤。荷重传感电容由受力弹簧（可动电极）与固定电极构成，等距离分布在称重台内，如图所与固定电极构成，等距离分布在称重台内，如图所示。受力弹簧在重力示。受力弹簧在重力F F的作用下变形，使传感电容极的作用下变形，使传感电容极板间距离板间距离d d发生变化，引起电容发生变化，引起电容C C的变化，就可以知的变化，就可以知道道F F的值。的值。3 3

17、）差压传感器）差压传感器电容式差压传感器是将弹性金属膜片作为动电电容式差压传感器是将弹性金属膜片作为动电极夹在两个固定电极之间，构成一对差动电容。极夹在两个固定电极之间，构成一对差动电容。在在两边被测压力两边被测压力PL、PH的作用下，两个的作用下，两个电容电容的电容量的电容量一个增大，一个减小，通过引出线将这两个电容引一个增大，一个减小，通过引出线将这两个电容引出，测出电容的变化便可知道差压的数值。出，测出电容的变化便可知道差压的数值。 4 4）电容式传声器）电容式传声器传声器（传声器（MicrophoneMicrophone）俗称话筒，是一种声）俗称话筒，是一种声/ /电换能器电换能器件，

18、也是传感器，大多数是靠电容量变化而起换能作用的。件，也是传感器，大多数是靠电容量变化而起换能作用的。4 4）电容式传声器）电容式传声器如图，如图，话筒表面的振膜（动电极）和里面的背极（固话筒表面的振膜（动电极）和里面的背极（固定电极）构成可变电容，声音产生的压力使膜片振动，使电定电极）构成可变电容，声音产生的压力使膜片振动，使电容两极板间的距离随振动而变化，电容量也随之变化。后级容两极板间的距离随振动而变化，电容量也随之变化。后级电路将电容量变化信号检出，送到放大器放大后，再通过喇电路将电容量变化信号检出，送到放大器放大后，再通过喇叭还原成声音。叭还原成声音。3.3.电容式振动传感器电容式振动

19、传感器电容式振动传感器也属于极距变化型电容式电容式振动传感器也属于极距变化型电容式传感器，可以测量振动加速度、振幅等参数。如：传感器，可以测量振动加速度、振幅等参数。如：1）振动加速度传感器）振动加速度传感器2）振动振幅传感器）振动振幅传感器4.4.电容式物位传感器电容式物位传感器电容式物位传感器是电容式物位传感器是利用改变电容极板的遮盖面利用改变电容极板的遮盖面积从而改变电容量，或者利积从而改变电容量，或者利用改变电容极板间的介电常用改变电容极板间的介电常数从而改变电容量。可以测数从而改变电容量。可以测量液位、料位、界位参数等。量液位、料位、界位参数等。如：如：4.4.电容式物位传感器电容式

20、物位传感器电容式物位传感器是利用改变电容极板的遮盖电容式物位传感器是利用改变电容极板的遮盖面积从而改变电容量，或者利用改变电容极板间的面积从而改变电容量，或者利用改变电容极板间的介电常数从而改变电容量。可以测量液位、料位、介电常数从而改变电容量。可以测量液位、料位、界位参数等。如：界位参数等。如：1）导电液位传感器）导电液位传感器 2）非导电液位传感）非导电液位传感器器4.4.电容式物位传感器电容式物位传感器电容式物位传感器是利用改变电容极板的遮盖电容式物位传感器是利用改变电容极板的遮盖面积从而改变电容量，或者利用改变电容极板间的面积从而改变电容量，或者利用改变电容极板间的介电常数从而改变电容

21、量。可以测量液位、料位、介电常数从而改变电容量。可以测量液位、料位、界位参数等。如：界位参数等。如：3）容器为金属）容器为金属 4）容器为非金属导）容器为非金属导5.5.电容式湿度传感器电容式湿度传感器电容极板间介质的相对湿度变化可以改变介质电容极板间介质的相对湿度变化可以改变介质介电常数从而改变电容量。利用这一机理可以测量介电常数从而改变电容量。利用这一机理可以测量环境空气的相对湿度，还可以测量谷物的含水量。环境空气的相对湿度，还可以测量谷物的含水量。A6.6.电容式指纹传感器电容式指纹传感器指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系

22、统。称为第二代指纹识别系统。 IBMThinkpadT42/T43的指纹识别传感器指纹识别所用的电容传感器是一个大约有数万指纹识别所用的电容传感器是一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面。当个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面。当用户的手指放在上面时，金属导体阵列用户的手指放在上面时，金属导体阵列/ /绝缘物绝缘物/ /皮皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。不同而变化。电容点阵的电容信号可复原成指纹成像图。经电容点阵的电容

23、信号可复原成指纹成像图。经过图像处理后可清晰地展现指纹图，用来和存储的过图像处理后可清晰地展现指纹图，用来和存储的指纹图比对。指纹图比对。经过处理后的指纹成像图经过处理后的指纹成像图触摸屏体与导体之间会产生寄生电容，而当手指导体接近不同电压的感测导体时，也会产生感应电容变化。电容感测效应便是如何在较大的寄生电容值（30 pF）下，侦测到0。12个pF单位微小的感应电容变化。电容触控技术较为稳定、可靠度高，藉由人体该身就是一个 电容体的特性，在接触触控面板时所产生的电容变化达到感测触控效果。 3.2.33.2.3电感式传感器电感式传感器电感式传感器建立在电磁感应基础上，利用线电感式传感器建立在电

24、磁感应基础上，利用线圈电感或互感的改变来实现对非电量的测量，可以圈电感或互感的改变来实现对非电量的测量，可以进行位移、振动、压力、流量、比重等参数的测量。进行位移、振动、压力、流量、比重等参数的测量。电感传感器的主要特征是具有电感绕组。利用电感传感器的主要特征是具有电感绕组。利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量变化这一物理现象来实现测量。而导致线圈电感量变化这一物理现象来实现测量。电感式传感器又分为自感式和互感式两大类。电感式传感器又分为自感式和互感式两大类。1.1. 自感式传感器自感式传感器原理简介：原理简介：工作时衔铁

25、与被测物体连接，被测工作时衔铁与被测物体连接，被测 物体的位移将引起空气隙的磁阻发生变化，导致线物体的位移将引起空气隙的磁阻发生变化，导致线圈电感量的变化。圈电感量的变化。线圈的电感可用下式表示：线圈的电感可用下式表示：式中：式中：N线圈匝数线圈匝数 Rm 磁路总磁阻磁路总磁阻测量时空气隙有不测量时空气隙有不同的变化方式。同的变化方式。mRNL2 1 1） 变间隙型变间隙型结构示意图如右图所示。结构示意图如右图所示。被被测物体的位移使空气隙的长度测物体的位移使空气隙的长度变变化，引起气隙磁阻的变化，导致化，引起气隙磁阻的变化，导致线圈电感量的变化。线圈电感量的变化。2 2）变面积型变面积型如右

26、图所示，被测物体的位如右图所示，被测物体的位移使铁心与衔铁之间相对覆盖面移使铁心与衔铁之间相对覆盖面积变化，引起气隙磁阻的变化，积变化，引起气隙磁阻的变化，导致线圈的电感量发生变化。导致线圈的电感量发生变化。3 3） 螺管型螺管型如右图所示，线圈中放入如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，圆柱形衔铁，被测物体的位移被测物体的位移使衔铁左右位移，自感量将相使衔铁左右位移，自感量将相应变化。应变化。下图所示是一个测量位移用的轴向自感式传感器下图所示是一个测量位移用的轴向自感式传感器 测头测头测杆测杆电感线圈电感线圈磁芯磁芯2.互感式传感器互感式传感器互感式传感器把被测物理量如力、位移等转换互感式传感器

27、把被测物理量如力、位移等转换为传感器互感系数的变化，本质上是一个互感系数为传感器互感系数的变化，本质上是一个互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压，互感变化时，感应电压将相线圈将产生感应电压，互感变化时，感应电压将相应变化。很多互感式传感器设置两个二次线圈，以应变化。很多互感式传感器设置两个二次线圈，以差动方式接线，故也可以称作是变压器式传感器。差动方式接线，故也可以称作是变压器式传感器。 差动式传感器差动式传感器轴向式差动变压器式传感器轴向式差动变压器式传感器总行程： 100mm 线性度：0.15% 总行程： 2 7

28、mm 测量力：0.91.2N示值变动性：0.5m旁向式旁向式差动变压器式传感器差动变压器式传感器总行程： 1.5mm 测量力：0.40.7N示值变动性：0.2m轴向式差动变压器式传感器轴向式差动变压器式传感器总行程： 3mm 测量力：0.450.65N示值变动性：0.03m总行程：1.5mm 测量力：0.120.18N示值变动性：0.05m案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 3.3.电涡流式传感器电涡流式传感器把成块的金属放在变化着的磁场中，或者在固把成块的金属放在变化着的磁场中，或者在固定的磁场中运动，金属体内就会产生感应电流，此定的磁场中运动，金属体内就会产生感应电流，此电流的流线在金属

29、体内是闭合的，呈漩涡状，被称电流的流线在金属体内是闭合的，呈漩涡状，被称为涡流。这种现象称为涡流效应。为涡流。这种现象称为涡流效应。涡流效应的本质是互感作用。可涡流效应的本质是互感作用。可实现对位移、实现对位移、厚度、振动、表面温度、速度、温度、应力、电解厚度、振动、表面温度、速度、温度、应力、电解质浓度等参数的测量。质浓度等参数的测量。反射式反射式涡流传感器涡流传感器当线圈中通有交变电流当线圈中通有交变电流I I1 1时，线圈周围就产生时，线圈周围就产生交变磁场交变磁场H H1 1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流流I I2 2及磁场及磁场H H2 2

30、，H H2 2与与H H1 1方向相反，因而抵消部分方向相反，因而抵消部分H H1 1磁磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。若将被测导体上形成的电涡流等效成一个短路若将被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环，就可得到如图环，就可得到如图b b的电感等效电路。的电感等效电路。当其它条件一定时，线圈的阻抗是被测距离当其它条件一定时，线圈的阻抗是被测距离H H的单值函数。即通过线圈的交变电流的单值函数。即通过线圈的交变电流I I1 1一定时，测一定时，测线圈两端电压线圈两端电压U U1 1即得被测距离即得被测距离M M。此方法可测位移、振幅、转速及无损探伤等。此方法

31、可测位移、振幅、转速及无损探伤等。b)电涡流传感器等效电路图电涡流传感器等效电路图a)电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图涡流传感器应用涡流传感器应用案例：案例：测量旋转轴振幅测量旋转轴振幅零件计数案例：无损探伤案例：无损探伤 原理：裂纹检测，缺陷造成涡流变化。原理：裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，可以采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，可以测量金属材料的厚度。测量金属材料的厚度。如图，传感器上、下方分别设置发射线圈和接如图，传感器上、下方分别设置发射线圈和接收线圈。发射线圈收线圈。

32、发射线圈L1两端加两端加激励电压激励电压u1，接收线圈，接收线圈L2两端将产生感应电压两端将产生感应电压u u2 2。 两线圈间的被测导两线圈间的被测导体越薄，则体越薄，则L1的磁力能的磁力能较多穿过较多穿过L2，在，在L2上产上产生的感应电压生的感应电压u2越大。越大。输出特性输出特性磁电式传感器是利用磁电相互作用的现象将磁电式传感器是利用磁电相互作用的现象将被测量转换成电信号的一种传感器。磁电式传感被测量转换成电信号的一种传感器。磁电式传感器不需要辅助电源就能把被测对象的机械能转换器不需要辅助电源就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。成易于测量的电信号，是一种有源

33、传感器。磁电式传感器只适合进行动态测量，如振动磁电式传感器只适合进行动态测量，如振动、速度、扭矩等参数的测量，如果在其测量电路、速度、扭矩等参数的测量，如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。量位移或加速度。 3.2.4 3.2.4 磁电式传感器磁电式传感器1. 1. 动圈式传感器动圈式传感器磁电式传感器用来测速度时，其传感部件是一磁电式传感器用来测速度时，其传感部件是一个置于固定磁场中的线圈。线圈运动时，穿过它的个置于固定磁场中的线圈。线圈运动时，穿过它的磁通量发生变化，线圈就会产生感应电动势。动圈磁通量发生变化，线

34、圈就会产生感应电动势。动圈式传感器能直接测量线速度或角速度。式传感器能直接测量线速度或角速度。a. 线速度型线速度型 b.角速度型角速度型动圈式传声器动圈式传声器 电容式传声器电容式传声器 2. 2. 磁阻式传感器（自感式传感器）磁阻式传感器（自感式传感器）磁阻式传感器，又称为变磁通式传感器或变气磁阻式传感器，又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的转速。如图隙式传感器，常用来测量旋转物体的转速。如图3.363.36所示，磁铁外绕线圈固定在旋转物体旁边，旋所示，磁铁外绕线圈固定在旋转物体旁边，旋转物体用导磁材料制成并有齿口。物体旋转时，每转物体用导磁材料制成并有齿口。物体旋转

35、时，每到齿口处就改变一次磁路的磁阻，即改变了贯穿线到齿口处就改变一次磁路的磁阻，即改变了贯穿线圈的磁通量，从而使线圈产生感应电动势。圈的磁通量，从而使线圈产生感应电动势。 3. 电磁流量传感器电磁流量传感器当被测流体介质是具有导电性的液体介质时，当被测流体介质是具有导电性的液体介质时，可以用电磁感应的方法来测量流量的大小。可以用电磁感应的方法来测量流量的大小。3.2.5 3.2.5 压电式传感器压电式传感器某些晶体电介质材料，在沿一定方向上受到外某些晶体电介质材料，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出

36、现正负相反的电荷；外力在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷；外力去掉后又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正去掉后又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后变形随场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。之消失，这种现象称为逆压电效应。F FF F+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -具有压电效应的材料称为压电材料，压电材具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料有天然的单晶体，如石英（二氧化硅）等；还料有天然的单晶体

37、，如石英（二氧化硅）等；还有压电陶瓷，即人工制造的多晶体，如钛酸钡、有压电陶瓷，即人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅等。压电陶瓷烧制方便、易成型、耐湿锆钛酸铅等。压电陶瓷烧制方便、易成型、耐湿、耐高温且灵敏度较高，得到广泛应用。压电陶、耐高温且灵敏度较高，得到广泛应用。压电陶瓷片的结构和实物如图：瓷片的结构和实物如图：1. 压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电材料做敏感元件压电式压力传感器是利用压电材料做敏感元件，依据电介质的正压电效应研制的一类传感器。压，依据电介质的正压电效应研制的一类传感器。压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器电材料受力后表面产生电荷，此

38、电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换后就成为正比于所受外力的和测量电路放大和变换后就成为正比于所受外力的电量输出。电量输出。所以，压电式压力传感器用于测量力和能变换所以，压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、液位、振动、加速度为力的非电物理量，如压力、液位、振动、加速度、声音等；又可以做成压电换能器发出超声波来探、声音等；又可以做成压电换能器发出超声波来探查物体内部组织结构。查物体内部组织结构。压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器压电陶瓷致动器压电陶瓷致动器压电陶瓷六维台压电陶瓷六维台压电式点火器压电式点火器直流发电片直流发电片压电式喷头的作用频率约14000次s，即它每秒钟可以喷出

39、14 000个墨滴 有些材料同时具有半导体特性和压电特性，有些材料同时具有半导体特性和压电特性，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等，利用这种材料可如硫化锌、氧化锌、硫化钙等，利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，体积更小、性能更优越。传感器，体积更小、性能更优越。1）压力传感器）压力传感器2）加速度传感器）加速度传感器2.超声波传感器超声波传感器超声波传感器是以超声波作为探测信号，利用超声波传感器是以超声波作为探测信号，利用压电材料的压电效应研制的一类传感器，也可以归压电材料的压电效应研制的一类传感器，也可以归类为压电式传感器。给压电

40、晶片的极化方向上施加类为压电式传感器。给压电晶片的极化方向上施加高频交变电压，压电材料发生振动、发出超声波；高频交变电压，压电材料发生振动、发出超声波；超声波碰到阻碍物形成反射回波，压电材料接受到超声波碰到阻碍物形成反射回波，压电材料接受到回波后又会产生感应电荷。完成这种发射、接受功回波后又会产生感应电荷。完成这种发射、接受功能的装置称为超声换能器，或者称超声探头。能的装置称为超声换能器，或者称超声探头。1）B型超声诊断仪（型超声诊断仪（B超）超）超声波传感技术已经成为现代临床医学中不超声波传感技术已经成为现代临床医学中不可缺少的诊断方法。可缺少的诊断方法。B超是由探头、发射电路、超是由探头、

41、发射电路、接收电路和显示系统组成，利用脉冲回波成像技接收电路和显示系统组成，利用脉冲回波成像技术显示人体组织的断层图像。诊断的依据是断层术显示人体组织的断层图像。诊断的依据是断层图像的特征，如图像形态、辉度、内部结构、边图像的特征，如图像形态、辉度、内部结构、边界回声、回声总体、脏器后方情况以及周围组织界回声、回声总体、脏器后方情况以及周围组织表现等。表现等。2）超声波探伤仪）超声波探伤仪在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料组织在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料组织的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据超声波在

42、两种。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据超声波在两种不同的声阻抗介质的交界面上发生反射，反射回来不同的声阻抗介质的交界面上发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关这个原理设计的。界面的取向、大小有关这个原理设计的。 3.2.6 3.2.6 热电式传感器热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的装置。它是利用金属材料和半导体材料的电特性随装置。它是利用金属材料和半导体材料的电特性随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化

43、转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。热电式传感器主要应用于对温度的检测，广泛热电式传感器主要应用于对温度的检测，广泛应用于冶金、锻造、化工、电子、环境监测、温控应用于冶金、锻造、化工、电子、环境监测、温控等领域。等领域。1热电偶传感器热电偶传感器热电偶是以热电效应为基础来测温的。热电偶是以热电效应为基础来测温的。工作原理：工作原理：当两种不同的导体连接成闭合回路时当两种不同的导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中会产生热电势。将热，若两个接点温度不同，

44、回路中会产生热电势。将热电势引出，经转换电路处理后，便可显示或输出。电势引出，经转换电路处理后，便可显示或输出。热热端端 t冷端冷端 t02热电阻传感器热电阻传感器大多数金属电阻的阻值随温度升高而增大。具大多数金属电阻的阻值随温度升高而增大。具有正温度系数。用来测温的金属电阻称为热电阻。有正温度系数。用来测温的金属电阻称为热电阻。如铂电阻的电阻温度关系：如铂电阻的电阻温度关系：R t =R0 1+At+Bt2+C(t-100)t3 (-2000)R t =R0 (1+At+Bt2) ( 0850) 3.3.热敏电阻热敏电阻传感器传感器有些半导体材料的电阻值具有负温度系数，可有些半导体材料的电阻

45、值具有负温度系数，可以作温度传感元件，热敏电阻的特点是：以作温度传感元件，热敏电阻的特点是：温度()1081061041021001601208040电阻()负温度系数热敏电阻特性负温度系数热敏电阻特性 电阻率大电阻率大电阻体积小，响应快；电阻体积小，响应快； 温度系数大温度系数大灵敏度高；灵敏度高； 非线性严重非线性严重影响精度。影响精度。 温度特性分散温度特性分散互换性差互换性差 4.4.集成温度传感器集成温度传感器晶体管是半导体器件，其电流放大倍数随温度晶体管是半导体器件，其电流放大倍数随温度而变化。将热敏晶体管和外围电路集成在一个芯片而变化。将热敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成集

46、成温度传感器。可直接输出电压、电流或上构成集成温度传感器。可直接输出电压、电流或数字信号。数字信号。特点：体积小、反特点：体积小、反应快、线性好、价格便应快、线性好、价格便宜，后接电路简单。测宜，后接电路简单。测温范围为温范围为-50150。 5 5红外温度传感器红外温度传感器由于分子的热运动，温度高于绝对零度（由于分子的热运动，温度高于绝对零度（- -273.15273.15）的物体都在不停地向周围辐射包括红外）的物体都在不停地向周围辐射包括红外波段在内的电磁波。辐射能量的大小与该物体的温波段在内的电磁波。辐射能量的大小与该物体的温度关系符合普朗克（度关系符合普朗克（PlankPlank）定

47、律。）定律。红外温度传感器顶部开有窗口。被测物体的红外温度传感器顶部开有窗口。被测物体的辐射能经过窗口和光阑聚焦在受热片上，受热片上辐射能经过窗口和光阑聚焦在受热片上，受热片上有多只串联的热电偶。每只热电偶的热端在受热片有多只串联的热电偶。每只热电偶的热端在受热片的中央部位围成一圈，焊接在一起，从引线就可以的中央部位围成一圈，焊接在一起，从引线就可以得到所有电偶的热电势之和。得到所有电偶的热电势之和。1 1）红外辐射体温计）红外辐射体温计红外辐射体温计是通过光学组件将人体表面发红外辐射体温计是通过光学组件将人体表面发射和反射的能量汇集到传感器上，传感器将此能量射和反射的能量汇集到传感器上，传感

48、器将此能量转换成电信号，经过放大处理，然后根据人体表面转换成电信号，经过放大处理，然后根据人体表面的温度与体温的关系得到人体的实际体温信号。在的温度与体温的关系得到人体的实际体温信号。在人流密度大的公共场合，常用其快速检测人体温度。人流密度大的公共场合，常用其快速检测人体温度。2 2）红外成像仪）红外成像仪红外成像仪是采用面式测温方式，通过红外探红外成像仪是采用面式测温方式，通过红外探器对物体整个表面的热辐射进行探测，将物体热辐器对物体整个表面的热辐射进行探测，将物体热辐射的功率信号转换成电信号，经过处理就可以得到射的功率信号转换成电信号，经过处理就可以得到与物体表面热分布相应的温度分布信号，

49、即温度场。与物体表面热分布相应的温度分布信号，即温度场。通过热图像技术，给出热辐射体的温度值及温度场通过热图像技术，给出热辐射体的温度值及温度场分布图，并转换成可见的热像图。分布图，并转换成可见的热像图。3.2.7 3.2.7 光电式传感器光电式传感器光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号转变成为电信号的器换的关键元件，它是把光信号转变成为电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。1 1外光电效应外光电效应在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出在光照作用下，物体内的电子从物体表

50、面逸出的现象称为外光电效应。光电效应可以把光信号转的现象称为外光电效应。光电效应可以把光信号转变成电信号，光电管就是利用光电效应的一种传感变成电信号，光电管就是利用光电效应的一种传感器。器。光电管可以用在自动控制的机械中，由光照光电管可以用在自动控制的机械中，由光照控制电路的接通和断开。如热金属检测器就是基控制电路的接通和断开。如热金属检测器就是基于光电管实现的一种红外开关。其工作原理是透于光电管实现的一种红外开关。其工作原理是透镜将红外线辐射传送到红外检测器，当辐射量达镜将红外线辐射传送到红外检测器，当辐射量达到触发点时，电子开关输出线路就被触发。红外到触发点时，电子开关输出线路就被触发。红

51、外开关特别适合于轧钢厂、焦炉、锻压铸造等恶劣开关特别适合于轧钢厂、焦炉、锻压铸造等恶劣的环境中使用。的环境中使用。2 2光电导效应光电导效应光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。即光电导效应是光照射到某些物体上后，电导效应。即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率

52、增大。基于这种效应工增大，因而导致材料电导率增大。基于这种效应工作器件有光敏电阻（光电导型）和反向工作的光敏作器件有光敏电阻（光电导型）和反向工作的光敏二极管、光敏三极管（光电导结型）。二极管、光敏三极管（光电导结型）。1 1）光敏电阻）光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。光敏电阻的材料主入射光的强弱而改变的电阻器。光敏电阻的材料主要是金属硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常要是金属硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电

53、阻体即梳状欧姆电极，然后封装在具有薄的光敏电阻体即梳状欧姆电极，然后封装在具有透光镜的密封壳体内。在黑暗中，光敏电阻的阻值透光镜的密封壳体内。在黑暗中，光敏电阻的阻值很高，受到光照时，由光子激发产生的电子很高，受到光照时，由光子激发产生的电子-空穴空穴对使其导电能力增强，光照愈强，阻值愈低。入射对使其导电能力增强，光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，阻值恢复原值。光消失后，阻值恢复原值。2 2）光敏二极管）光敏二极管无光照时，光敏二极管截止，只有很小的饱和反向漏电无光照时，光敏二极管截止，只有很小的饱和反向漏电流，即暗电流。当光线照射流，即暗电流。当光线照射PNPN结时，结时，PNPN结中产生电

54、子结中产生电子- -空穴空穴对，使少数载流子的密度增加。对，使少数载流子的密度增加。3 3）光敏三极管）光敏三极管光敏三极管的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，光敏三极管的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。光敏三极管的基极管通常不引出，同时也受光辐射的控制。光敏三极管的基极管通常不引出，有些光敏三极管的基极有引出，是用于温度补偿和附加控制有些光敏三极管的基极有引出，是用于温度补偿和附加控制等作用。等作用。4 4）图像传感器）图像传感器CCD( (ChargeCharge Coupled DeviceCoupled Device，电荷藕合器件，电荷藕合器件) )与与

55、CMOS( (ComplementaryComplementary Metal-Oxide Semiconductor Metal-Oxide Semiconductor，互，互补性氧化金属半导体）传感器是当前被普遍采用的补性氧化金属半导体）传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管进行光两种图像传感器，两者都是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据。电转换，将图像转换为数字数据。(a ) CCD (b) CMOS3 3光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。当电动势的现象。当P P型和

56、型和N N型半导体结合在一起时，型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面会形成一个特殊的薄层，界在两种半导体的交界面会形成一个特殊的薄层，界面的面的P P型一侧带负电，型一侧带负电，N N型一侧带正电。这是由于型一侧带正电。这是由于P P型半导体多空穴，型半导体多空穴，N N型半导体多自由电子，出现了型半导体多自由电子，出现了浓度差。当光照射到浓度差。当光照射到PNPN结的一个面，例如结的一个面，例如P P型面时，型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P P型型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空

57、穴，电子子- -空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。1 1）光电池）光电池光电池的工作原理就是基于光电池的工作原理就是基于“光生伏特效应光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的。它实质上是一个大面积的PNPN结，能将光能转化为结，能将光能转化为电能。有的光电池能将可见光转化为直流电；有的电能。有的光电池能将可见光转化为直流电；有的光电池能将红外光和紫外光转化为直流电；有的光光电池能将红外光和紫外光转化为直流电；有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又电池可以直接把

58、太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。叫太阳能电池。2 2）照度计）照度计照度计是专门测量光照强度照度计是专门测量光照强度( (照度照度) )的仪表。照的仪表。照度是物体表面所得到的光通量与被照面积之比。照度是物体表面所得到的光通量与被照面积之比。照度计通常是由硒光电池或硅光电池和微安表组成。度计通常是由硒光电池或硅光电池和微安表组成。当光线射到硒光电池表面时，入射光透过金属薄膜当光线射到硒光电池表面时，入射光透过金属薄膜到达半导体硒层和金属薄膜的分界面上，在界面上到达半导体硒层和金属薄膜的分界面上，在界面上产生光电效应。产生电位差的大小与光电池受光表产生光电效应。产生电位差的大小与光电

59、池受光表面上的照度有一定的比例关系，光电流通过以勒克面上的照度有一定的比例关系，光电流通过以勒克斯（斯（LxLx）为刻度的微安表指示。）为刻度的微安表指示。光强计光强计3.2.8 3.2.8 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器是基于霍尔效应工作的。霍尔式传感器是基于霍尔效应工作的。霍尔效应：将一霍尔效应：将一半导体半导体（如锗）材料制成的薄片（如锗）材料制成的薄片（霍尔片）置于磁场（霍尔片）置于磁场B中，当沿垂直于磁场方向通过中，当沿垂直于磁场方向通过电流电流I时，电子在霍尔片中的运动方向会发生偏转，时，电子在霍尔片中的运动方向会发生偏转，从而在垂直于电流方向产生霍尔电势。从而在垂直于电流方向产生霍尔电势。UHUH RH I B 式中：式中：UH 霍尔电势；霍尔电势； RH 霍尔常数；霍尔常数； I 通过电流；通过电流； B 磁感应强度。磁感应强度。 检测齿轮的转速、齿数、齿形检测齿轮的转速、齿数、齿形许多测量仪器都是基于霍耳效应，如转速表、许多测量仪器都是基于霍耳效应，如转速表、计数器、磁强计，压力传感器、电流传感器、接近计数器、磁强计，压力传感器、电流传感器、接近开关等。开关等。霍尔片霍尔片被测电流