第三章常用传感器02

1、1 13.1 3.1 概述概述一、什么叫传感器一、什么叫传感器 传感器是获取信息的工具。传感器是获取信息的工具。 传感器传感器（ Transducer 或或 Sensor ），俗），俗称探头，称探头，有时亦被称为换能器、变换器、变有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器。送器或探测器。 指那些对某一指那些对某一确定确定的信息具有感受（或的信息具有感受（或响应）与检出功能，并按照一定规律转换成响应）与检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的与之对应的有用有用输出信号的元器件或装置。输出信号的元器件或装置。2 23.1 3.1 概述概述 传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律传感器是能感受

2、规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成组成(GB766-87)(GB766-87)。 狭义上，狭义上，非电信号非电信号 电信号电信号。3 33.1 3.1 概述概述密封型压力变送器密封型压力变送器 压阻式压力传感器压阻式压力传感器电容式差压变送器电容式差压变送器4 43.1 3.1 概述概述 旋转差动变压器旋转差动变压器电涡流传感器电涡流传感器电感式接近开关电感式接近开关5 53.1 3.1 概述概述热电偶热电偶热敏电阻热敏电阻光敏电阻光敏电阻6 63.1 3.1 概述概述光敏三极管光敏

3、三极管压电加速度传感器压电加速度传感器7 73.1 3.1 概述概述激光位移传感器激光位移传感器霍尔电压传感器霍尔电压传感器温度传感器温度传感器8 8二、传感器的构成二、传感器的构成 并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。 如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如：压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形如：压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传

4、感器。式的传感器。 9 9二、传感器的构成二、传感器的构成 例如应变式力传感器。例如应变式力传感器。1010三、传感器的分类三、传感器的分类 1 1 按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量有常见的被测物理量有- 如位移，速度，加速度，旋转角，转速，力，压力，力矩，温度，声压，声强等1111三、传感器的分类三、传感器的分类 2 2 按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类如机械式如机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等。流体式等。1212三、传感器的分类三、传感器的分类 物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信

5、号变换。如实现信号变换。如: :水银温度计。水银温度计。 结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。 例如例如: :电容式和电感式传感器。电容式和电感式传感器。3 3 按信号变换特征分类按信号变换特征分类 物性型与结构性物性型与结构性 所谓所谓物性型传感器物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温。是利用了水银化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温。是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利

6、用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应等。等。 所谓所谓结构型传感器结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。移引起自感或互感的变化等。 4 4 按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系14

7、14三、传感器的分类三、传感器的分类 能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作。直接由被测对象输入能量使其工作。 例如热电偶温度计例如热电偶温度计, ,压电式加速度计。压电式加速度计。 能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化。例如供给能量的变化。例如: :电阻应变片。电阻应变片。 能量转换型与能量控制型能量转换型与能量控制型能量转换型传感器能量转换型传感器 (或称或称)，是直接由被测，是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于

8、这类传感器在转换过程中直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。 能量控制型传感器能量控制型传感器 (或称或称)，是从外部供给，是从外部供给辅助能量使传感器工作的，并由被测量来控制外部供辅助能量使传感器工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，给能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由被测量的变化所引起电桥工作能源由外部供给，而由被测量的变化所引起的电阻变化去控制电桥输出。的电阻变化去控制电桥输出。 机械式传感器是以弹性体作为传感器的敏机

9、械式传感器是以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力，感元件。它的输入量可以是力， 压力、温度压力、温度等物理量，输出则是弹性元件本身的弹性变形。等物理量，输出则是弹性元件本身的弹性变形。3.2 机械式传感器机械式传感器 机械式传感器做成的机械式指示仪表具有结机械式传感器做成的机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。但弹性变形不宜大观等优点。但弹性变形不宜大 , , 以减小线性以减小线性误差。此外误差。此外 , , 由于放大和指示环节多为机械由于放大和指示环节多为机械传动，不仅受间隙影响传动，不仅受间隙影响 , ,

10、而且惯性大而且惯性大 , , 固有固有频率低频率低 , , 只宜用于检测缓变或静态被测量。只宜用于检测缓变或静态被测量。典型机械式传感器典型机械式传感器微型探测开关微型探测开关1919 电阻式传感器电阻式传感器 能把能把转换为转换为变化的一种传感器。变化的一种传感器。3.3.1 3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器3.3 按工作的原理可分为按工作的原理可分为: : 变阻器式变阻器式（大电阻式）（大电阻式）、电阻应变式、电阻应变式（微电阻式）（微电阻式）AlR2020一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器电阻式传感器电阻式传感器1 1 类型类型2121一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器2 2 结

11、构和工作原理结构和工作原理2222一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器3 3 后接电路后接电路xPx1ueuo xxPRLRp+ +xPx()-V VRL2323一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器负载效应负载效应0 xuo2424一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器2525一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器2626一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器实际实际2727一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器2828一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器 电位器拉线式位移传感器电位器拉线式位移传感器 工作原理：被测物体移动时通过钢丝绳带动传感器的拉线盘使电位器旋转，电位器接在高精密的信号源上，其滑动

12、头上的电位变化通过V/I变换器变换成 4 20 mA 输出。 主要特色：电位器为高精密线绕式多圈电位器，其线绕电阻丝为合金丝，精密可靠耐用，尤其适用于频繁动作的场合。变送器为高精密的V/I变换器模块，其变换精度可高达十万分之五。 适用范围：水轮机调速器的接力器和闸门行程，以及计算机监控系统中的位移测量。 2929案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻3030二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片1 1 工作原理工作原理 导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，产生机械变形，机械变形导致其

13、阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。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, ,求偏微分求偏微分金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR/dAldAAldlAdR+2二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片31311 1 工作原理工作原理代入代入AlR/dRdldAdRlA+二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片32321 1 工作原理工作原理二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片33331 1 工作原理工作原理drdrldlRdR+2金属丝径向相对变形：金属丝径向相对变形：ldlrdr

14、二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片34341 1 工作原理工作原理dE 电阻率相对变化：电阻率相对变化：(12)dRER+ 对金属材料，主要考虑其对金属材料，主要考虑其引起电引起电阻变化：阻变化：(12)d RR +2 金属电阻应变片金属电阻应变片二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片3535被称为灵敏度，其值为被称为灵敏度，其值为1.73.6之间。之间。21 +二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片3636二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片37373 半导体应变片半导体应变片dRER 二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变

15、片应变片3838(12)dRER+ 对半导体材料，主要考虑其电阻率变化引对半导体材料，主要考虑其电阻率变化引起电阻变化。起电阻变化。3 半导体应变片半导体应变片二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片39394 4 应变片的主要参数应变片的主要参数 4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 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：表距）几何参数：表距L L和丝栅和丝栅 宽度宽度b b，制造厂常用，制造厂常用b bL L 表示。表示。2 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）

16、电阻值：应变计的原始电阻值。 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。 二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片40405 电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片4141二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片42425 电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 6 6 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4343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二二 电阻应变式传感

17、器电阻应变式传感器44446 6 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器45456 6 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4646标准产品标准产品6 6 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器47476 6 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4848n 轴剪切力传感器（应变片式扭矩传感器）6 6 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4949n 轴剪切力传感器（应变片式

18、扭矩传感器）6 6 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器5050案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器5151案例：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。二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器5252案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片5353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。

19、洞、爆破等破坏行为均可及时发现。二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器5454二二 电阻应变式传感器电阻应变式传感器55553.3.2 3.3.2 电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AC0+ A 、A A或或发生变发生变化时，都会引起化时，都会引起电容的变化。电容的变化。一、一、变极距型变极距型5757AC002AdCd +20AddCS二、二、变面积型变面积型5858AC00dAdCS常数0S平面线位移型平面线位移型5959二、二、变面积型

20、变面积型定极板定极板动极板动极板柱面线位移型柱面线位移型二、二、变面积型变面积型6060三、三、介质变化型介质变化型6161AC0常数AS0( 一一 ) 电桥型电路电桥型电路 将电容传感器作为电桥的一部分将电容传感器作为电桥的一部分 , ,由电容变由电容变化转换为电桥的电压输出。通常采用电阻、电化转换为电桥的电压输出。通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。容或电感、电容组成的交流电桥。 二、测量电路二、测量电路电桥型电路电桥型电路( ( 二二 ) ) 谐振电路谐振电路 电容传感器的电容电容传感器的电容 C Cx x 作为谐振电路调谐电容的作为谐振电路调谐电容的一部分。此谐振回路通过电压

21、藕合一部分。此谐振回路通过电压藕合 , , 从稳定的高频振从稳定的高频振荡器获得振荡电压。当传感电容荡器获得振荡电压。当传感电容C Cx x 发生变化发生变化 , , 谐振谐振回路的阻抗发生相应变化回路的阻抗发生相应变化 , , 并被转换成电压或电流输并被转换成电压或电流输出出 , , 经过放大、检波即可得到输出。经过放大、检波即可得到输出。 ( 三三 ) 调频电路调频电路 传感器电容是振荡器谐振回路的一部分。传感器电容是振荡器谐振回路的一部分。当输入量使传感器电容量发生变化时当输入量使传感器电容量发生变化时 , , 振振荡器的振荡频率发生变化。频率的变化经过荡器的振荡频率发生变化。频率的变化

22、经过鉴频器变为电压变化鉴频器变为电压变化 , , 再经过放大后由记再经过放大后由记录器记录或显示仪表指示。录器记录或显示仪表指示。 xyCCuu00000yCuuA 传感器电容固定电容( 四四 ) 运算放大器电路运算放大器电路 极距变化型电容传感器的极距变化与电容变化极距变化型电容传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系量成非线性关系 , 这一缺点使电容传感器的应用受这一缺点使电容传感器的应用受到一定限制。采用比例运算放大器电路可得到输到一定限制。采用比例运算放大器电路可得到输出电压出电压 uy 和位移量的线性关系。和位移量的线性关系。 五、电容传感器应用五、电容传感器应用67671、转速测量

23、60Nfn6868 2、电容测厚仪69693.3.3 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电感式传感器是基于，它是把，它是把被测量转化为电感量的一种装置。被测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型一、自感型一、自感型1.1.可变磁阻式可变磁阻式70702mNLR7171002mlRAA+ 002mRA72722002ANL 20022NAdLd 20022ANddLS可变磁阻式电感传感器典型结构可变磁阻式电感传感器典型结构7373a)是可变导磁面积型；b)差动型；c)单螺管线圈型；d) 双螺管线圈型 双螺

24、管线圈差动型电桥电路及输出特性双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性7474应用：应用：电感式圆度仪电感式圆度仪75757676一、自感型一、自感型2.2.涡流式涡流式高频反射式高频反射式高频交流电高频交流电i交变磁通量交变磁通量涡流涡流i1交变磁通量交变磁通量1 11 1总是抵抗总是抵抗的变化，的变化，从而导致原线圈等效从而导致原线圈等效阻抗阻抗Z Z发生变化：发生变化：),(ZZ 3.3.3 3.3.3 电感式传感器电感式传感器低频透射式低频透射式e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。3.3.3 3.3.3 电感

25、式传感器电感式传感器7979LCf21uL涡流式传感器的测量电路涡流式传感器的测量电路 电路中由振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电路中由振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电源频率相同时电源频率相同时 , 输出电压输出电压 U 最大。测量时，传感器线圈阻抗最大。测量时，传感器线圈阻抗随随而改而改 ,LC 回路失谐回路失谐 , 输出信号输出信号 U (t) 频率虽然仍为振荡器的频率虽然仍为振荡器的工作频率工作频率 , 但幅值随但幅值随而变化。它相当于一个调幅波。此调幅波而变化。它相当于一个调幅波。此调幅波经放大、检波、经放大、检波、 滤波后即可以得到气隙滤波后即可以得到气隙的

26、动态变化的信息。的动态变化的信息。 8080LCf21调频电路工作原理调频电路工作原理 把传感器线圈接入把传感器线圈接入 LC LC 振荡回路振荡回路 , , 当金属板至传当金属板至传感器之间的距离感器之间的距离发生变化时发生变化时 , , 将引起线圈电感变化将引起线圈电感变化 , , 从而使振荡器的振荡频率从而使振荡器的振荡频率 f f 发生变化发生变化 , , 再通过鉴再通过鉴频器进行频率一电压转换频器进行频率一电压转换 , , 即可得到与即可得到与成比例的输成比例的输出电压。出电压。 8282涡流式传感器应用涡流式传感器应用案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车

27、轮检测火车轮检测8383一、自感型一、自感型涡流式油管检测油管检测案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。8484一、自感型一、自感型涡流式案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。8585一、自感型一、自感型涡流式二、互感型二、互感型差动变压器式传感器差动变压器式传感器i1 原理原理： 利用电磁感应中的互感现象，当利用电磁感应中的互感现象，当线圈线圈 W1 W1 输入交流电流输入交流电流 i i1 1 时时 , , 线圈线圈 W2 W2 产生产生感应电动势感应电动势 e e1212 , ,其大小与电流其大小与电流i i1 1的变化率成的变化率成正比正比

28、, , 即即 dtdiMe112 互感型传感器就是利用这一原理，将被测互感型传感器就是利用这一原理，将被测位移量转换为线圈互感的变化，互感变化引位移量转换为线圈互感的变化，互感变化引起副线圈输出电压产生相应变化。因常常将起副线圈输出电压产生相应变化。因常常将两个次级线圈组成差动式，又称为差动变压两个次级线圈组成差动式，又称为差动变压器式传感器器式传感器。二、二、互感型互感型-差动变压器差动变压器8888后接电路：后接电路：. 右图( 差动变压器式力传感器)所示差动变压器式力传感器的弹性元件是簿壁圆筒，在外力作用下，变形使差动变压器的铁芯介质微位移，变压器次级产生相应电信号。 差动变压器式测力传

29、感器差动变压器式测力传感器3.4.1 3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。应电动势的一种转换器。ddteN 感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为: :磁通变化率磁通变化率与与磁场强度磁场强度、磁阻磁阻、线圈运动速度线圈运动速度有有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 ( , )dmdtB R90903.4磁电、压电、与热电传感器磁电、压电、与热电传感器磁磁电电式式动动圈圈式式二、分类二、分类9191线速度型线速度型角速度型角速度型磁阻

30、式磁阻式1.1.线速度型传感器工作原理。在永久磁铁线速度型传感器工作原理。在永久磁铁产生的直流磁场内产生的直流磁场内 , , 放置一个可动线放置一个可动线圈圈 , , 当线圈在磁场中作直线运动时当线圈在磁场中作直线运动时 , , 它所产生的感应电动势为它所产生的感应电动势为B磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度 ; ;l l单匝线圈有效长度单匝线圈有效长度 ; ;W W线圈匝数线圈匝数 ; ;v v线圈与磁场的相对运动速度线圈与磁场的相对运动速度 ; ; 线圈运动方向与磁场方向的夹角线圈运动方向与磁场方向的夹角。sinWBlve 2.2.角速度型传感器工作原理。线圈在磁场角速度型传感器工作原理。线

31、圈在磁场中转动时产生的感应电动势中转动时产生的感应电动势 角速度角速度 ; ;A A单匝线圈的截面积单匝线圈的截面积 ; ;k k与结构有关的系数与结构有关的系数 KWBAe 二、二、磁阻式磁阻式 磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动 , , 由运动着的物体由运动着的物体 ( ( 导磁材料导磁材料 ) ) 来改变磁路的磁来改变磁路的磁阻阻 , , 而引起磁力线增强或减弱而引起磁力线增强或减弱 , , 使线圈产生感应使线圈产生感应电动势。电动势。nnma)测频数 b)测转速 c)偏心测量 d)振动测量 压电式传感器是一种可逆型换能压电式传感器是一种可逆

32、型换能器器 , , 既可以将机械能转换为电能既可以将机械能转换为电能 , , 又可以将电能转换为机械能。被广又可以将电能转换为机械能。被广泛用于力、压力、加速度测量泛用于力、压力、加速度测量 , , 也也被用于超声波发射与接收装置。被用于超声波发射与接收装置。 压电式传感器的工作原理是利用压电式传感器的工作原理是利用某些物质的压电效应。某些物质的压电效应。3.4.2 3.4.2 压电传感器压电传感器 l压电效应压电效应正压电效应逆压电效应l正压电效应正压电效应 某些电介质受外力作用时，在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态的现象。2022-5-2499l逆压电效应逆

33、压电效应 当在某些电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形的现象。压电元件机械量电量正压电效应正压电效应逆压电效应101 常见压电材料 石英晶体 压电陶瓷 石英晶体 化学式：SiO2 形状：六角形晶柱，两端为一对称棱锥。 三个垂直轴： z轴：光轴 x轴：电轴（经过任一棱线） y轴：机械轴（垂直于棱面）压电效应模型压电效应模型2022-5-24传感器原理与应用103厚度 纵向压电效应 沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应。 横向压电效应 沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应。xxFdq11yyFbadq12电荷量y方向受力的压电系数，d12=-d11作用力长度x方向受力的压电

34、系数 在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀, , 形成金属膜形成金属膜, , 构成两个电极。当晶片受到外力作构成两个电极。当晶片受到外力作用时用时, , 在两个极板上积聚数量相等、而极性相反在两个极板上积聚数量相等、而极性相反的电荷的电荷, , 形成了电场。因此压电传感器可以看作形成了电场。因此压电传感器可以看作是电荷发生器是电荷发生器 , , 它又是一个电容器它又是一个电容器。三、压电传感器及等效电路其电容量为：其电容量为：压电材料的相对介电常数压电材料的相对介电常数 , , 石英晶体石英晶体 =4.5; =4.5;钛酸钡钛酸钡 =1200; =1200;

35、 极板间距极板间距 , , 即晶片厚度即晶片厚度 ; ; A A压电晶片工作面的面积压电晶片工作面的面积 。AC0并联，适宜于以电荷作为输出的场合。串联，适宜于以电压作为输出的场合。实际压电传感器中，往往用两个和两个以上的串接和并接。等效电路等效电路 压电式传感器是具有一定电容的电荷源压电式传感器是具有一定电容的电荷源Ca: 传感器电容Ci: 外界电路输入电容Cc: 电缆分布电容Ra: 传感器漏电阻Ri: 输入阻抗考虑负载影响3.4.2 压电式传感器压电式传感器 简化简化等效电路等效电路0/aciiaCCCCRRR=+= 压电传感器的输出电压压电传感器的输出电压 当外力为正弦当外力为正弦力力F

36、 F0 0sinsin t t时时,为外力为外力的圆频率，根据电荷平衡建立的方程式的圆频率，根据电荷平衡建立的方程式为为 : : qCuidt+000sinsin/cqd Ftqtiu R由于3.4.2 压电式传感器压电式传感器 00sinCR iidtqt+020sin()1 ()qitCR+00cosdiCRiqtdt+ 其稳态解为：00201sin()11 ()quR itCCR+01arctanCR 上式表明：压电元件的输出电压受回路的时间常数 R0C的影响。在测试动态量时，为了建立一定的输出电压并实现不失真测量，压电传感器的测量电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电容Ci以加大时

37、间常数R0C.但并联电容过大也会使输出电压降低过多，降低了测量电路的灵敏度。四、测量电路四、测量电路1 1、测量电路概述、测量电路概述1）压电传感器对测量电路的要求：压电传感器对测量电路的要求： 压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显示和记录，而需经过二次仪表进行阻抗变换和信号放大。压电传感器需后接高输入阻抗的前置放大器。压电传感器需后接高输入阻抗的前置放大器。2）前置放大器的作用：前置放大器的作用：阻抗变换（高输出阻抗 低输出阻抗）放大微弱信号3）前置放大器的形式：前置放大器的形式：电压放大器：电荷放大器：电阻反馈；输出电压与输入电压成正比。带电容负反馈的高增益运放；输出电压与

38、输入 电荷成正比。2、使用电压放大器 使用电压放大器时，放大器输入电压为00201sin()11 ()quR itCCR+ 由于电容 包含了 、 和 ， 其中 比 都大，故整个测量系统对电缆对地的电容 的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态的变化，都会导致传感器输出电压的变化。 CcCaCiCcCaCiCcC3、 电荷放大器电荷放大器 等效电路等效电路 电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器，当略去传感器的漏电阻及电荷放大器的输入电阻时，其等效电路如下图所示。 由于电压放大器输出电压与输入电压（传感器的输出）成正比，所以电压放大器的输出电压也会受到连接电缆的影响，其长度和形态的变化，都会导

39、致传感器输出电压的变化。 Ca q Cc Ci -Aui uy Cf 由电荷平衡建立方程式：fyiifyiicaiCuuCucuucccuq+yiuAu= -ffyACCCAqu+ffCCAC+fyCqu如果放大倍数足够大如果放大倍数足够大,则有则有上式简化为上式简化为: 输出电压与传感器的电荷量近似正比，且只与反馈电容有关，输出电压与传感器的电荷量近似正比，且只与反馈电容有关，不受电缆电容的影响。不受电缆电容的影响。五、压电式传感器的应用五、压电式传感器的应用 压电式传感器常用来测量压电式传感器常用来测量力、压力、振动的加速度力、压力、振动的加速度 , , 也也用于声学用于声学 ( ( 包括

40、超声包括超声 ) ) 和声发和声发射等测量。压电效应是一种力一射等测量。压电效应是一种力一电荷变换电荷变换 , , 可直接用作力的测可直接用作力的测量。量。产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器 115115 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。 它利用某种材料或元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。例如将温度转化为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由这些电参数的变化来表达所测温度的变化。 在各种热电式传感器中，以把温度变化转换为电阻和电势变化的

41、方法最为普遍。将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶。 116116热电式传感器热电式传感器 工作原理117117热电式传感器热电式传感器 接触电势1181183.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器 接触电势 BABAABlnnnnnekTTE TEnnekTTEABABBAln119119热电式传感器热电式传感器 温差电势TTTTTE0d,A0ATTTTTE0d,B0B120120热电式传感器热电式传感器 总热电势 0A0B0ABAB0AB,TTETTETETETTE+00AB0ABAB0ABA0ABB( ,)( )()()d(

42、)ln()dTTTTET TETETTnkTTTen121121热电式传感器热电式传感器 测温原理)()()()(),(00ABTCTETETETTE),(),(),(0AB0BA0ABTTETTETTE122122热电式传感器热电式传感器 基本定律123123热电式传感器热电式传感器 基本定律 0CA0BCABTETETEE+ 00CA0BC0AB+TETETEE 0AB0CA0BCTETETE+ 0BAAB0ABABTETETETEE+124124热电式传感器热电式传感器 基本定律 0BA1CB1BCABTETETETEE+ 1CB1BCTETE 0BAABTETEE+125125热电式传

43、感器热电式传感器 00,TTETTETTTEnBAnABnABAB+0ABAB0AB,TTETTETTTEnnn+126126热电式传感器热电式传感器 0ACAC0AC,TETETTE 0ABAB0AB,TETETTE TETETEBCABAC 0AB0ACABAC0AB0AC,TETETETETTETTE 0BC0BCBC0AB0AC,TTETETETTETTE 0BC0AB0ACTETETE127127热电式传感器热电式传感器 实物1281283.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器 常用热电偶2）镍铬镍铝热电偶（WREU型）是非贵重金属热电偶中性能最稳定的一种，因此应用最广。可长

44、时间工作在1000，短时间可到1300。与铂铑铂热电偶相比具有接近直线的分度曲线。在相同温差下，它的热电势要比铂铑铂的热电势大45倍。缺点是热电极不易做得均匀，但由于它的热电势较大，还是可以保证有足够的精度，其误差一般在68范围内。因属于普通金属，价格较为便宜，故它的电极制作得比较粗（3mm），这样便带来很多优点，如使用寿命长、强度高等。 129129热电式传感器热电式传感器 常用热电偶130130热电式传感器热电式传感器 冷端补偿131131热电式传感器热电式传感器 冷端补偿132132热电式传感器热电式传感器 冷端补偿MCZ0AB,RRRTTEI+133133 热电式传感器热电式传感器 冷

45、端补偿134134热电式传感器热电式传感器 冷端补偿)0 ,(),()0 ,(ABABABnnTETTETE)0 ,21()21,()0 ,(ABABABETETEmV584. 0mV119. 0mV465. 0)0(+，TEAB135135热电式传感器热电式传感器 冷端补偿 将光信号转换为电信号的传感器。用这种传感器测量其他非电量时，只需将这些非电量的变化先转换为光信号的变化。 优点： 响应快，可靠性高 结构简单，使用方便 可以实现非接触式测量 工作的物理基础是光电效应。3.5 3.5 光电传感器光电传感器光电效应： 外光电效应 内光电效应光电效应分两大类型：光电效应分两大类型：外光电效应外

46、光电效应和和内光电效应内光电效应1.外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。光子的能量：Eh光的频光的频率率普朗克常数普朗克常数20012hmvA+逸出功逸出功初始动能初始动能光照射物体：说明：光子能量必须超过逸出功，才能产生光电子。光电子逸出后具有初始动能 ，因此，不加阳极电压也会有光电流产生。欲使电流为零，需加负的截止电压。2021mv2. 内光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。 分为：光电导效应 光生伏特效应光电导效应： 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发电子-空穴对，使导电性增加。 应用：光敏电阻、

47、光敏二极管、光敏晶体管 光生伏特效应 在光线的作用下，能够使物体产生一定方向的电动势的现象。 应用：光电池（1）光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管； 几乎都是用半导体材料制成； 没有极性，可加直流或交流电压； 无光照时，电阻较大；有光照时，电阻急剧变小。（2）光敏电阻的主要参数 暗电阻： 不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时的电流称为暗电流。 亮电阻： 受光照射时的阻值称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。 光电流： 亮电流与暗电流之差称为光电流。4、光敏二极管和光敏三级管、光敏二极管和光敏三级管 光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的，其差别只是光照在半导体结上而已。 INPN型光敏晶体管结

48、构简图和基本电路 NPc光Nebbec(a)(b)RLENP光RLE光敏二极管结构简图、符号和接线图 是一种直接将光能转换为电能的光电器件。 实质上是一个大面积的PN结。 工作原理是基于“光生伏特效应”。 种类较多： 硒光电池 硅光电池+-PN 由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件组成。分为： 实现电隔离的实现电隔离的光电耦合器光电耦合器 检测有无物体的检测有无物体的光电开关光电开关输入输出输入输出(a)(b)光电耦合器组合形式 光电传感器的应用光电传感器的应用 按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。1.）模拟式光电传感器模拟式光电传感器 被测物体位于恒定光源与光电元件之间,

49、根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量如测量液体、气体的透明度、混浊液体、气体的透明度、混浊度度,对气体进行成分分析对气体进行成分分析,测测定液体中某种物质的含量等定液体中某种物质的含量等。 恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测例如测量零件的表面粗糙度、表面量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。缺陷、表面位移等。 被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可利用这

50、一原理可以测量长度、厚度、线位移、以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等角位移、振动等。 被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。等均属于这一类。这种方式也可以用于等。 表面缺陷检测表面缺陷检测光电转速计工作原理光电转速计工作原理 如图所示为直射式光电转速传感器的结构原理。它是由装在输入轴上的开孔盘、光源、光敏元件以及缝隙板开孔盘、光源、光敏元件以及缝隙板所组成所组成，输入轴与被测轴相连接。 从光源发射的光，通过开孔盘和缝隙 照射到光敏元件上，使光敏元件感光。 开孔盘上开有一定数量的小孔，当开 孔盘转动一周，光敏元件感光的次数 与盘的开孔数

51、相等，因此产生相应数 量的电脉冲信号。 2.2.） 脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。主要用于零主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。光电报警装置等方面。 3.6 3.6 光纤传感器光纤传感器 光纤传感器以光学量转换为基础，以光信号为变光纤传感器以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，是利用光导纤维输送光信号的传换和传输的载体，是利用光

52、导纤维输送光信号的传感器。感器。 优点 不受电磁干扰；体积小、重量轻；灵敏度高、耐腐蚀；集传感与传输于一体；应用领域广 温度、压力、应变1. 光纤结构154光纤的基本结构纤 芯n1包 层n2保 护 层n1略大于略大于n22. 光纤传光原理2022-5-24155光纤的传光原理2ciin0n2n1纤芯包层1562ciin0n2n1纤 芯包 层sinsinsinsin2110nnnnii折射定律：全反射：1sinn0sinin1sin2in1cosin211sinin22111sinnnn90221201arcsininnn1. 数值孔径（NA） 表征光纤集光本领。 只有入射角处于2c内光纤才能导

53、光。 大的数值孔径有利于提高耦合效率。 数值孔径也不能过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值。222101sinnnnNAc2. 光纤模式 指光波传播的途径和方法； 单模光纤 只能传输一种模式 传播性能好：畸变小、信息量大 制造、连接、耦合困难 多模光纤 传输模式较多 性能差 制造、连接、耦合比较容易158 光纤传感器 传感型（功能型）传感器 利用光纤利用光纤本身的本身的某种某种敏感特性敏感特性或或功能功能制成。制成。 传光型（非功能型）传感器 光纤仅仅起光纤仅仅起传输光传输光的作用。的作用。 两种传感器都利用光探测器将光纤的输出变成电信号。被 测 对 象光 纤 敏 感 元 件光

54、 源光 探 测 器至 信 号 处 理 系 统光 纤光 源光 探 测 器至 信 号 处 理 系 统光 纤被 测 对 象光 敏 感 元 件(a)(b)光纤传感器组成示意图（a） 传感型； （b） 传光型 调制器调制器光源入射光纤出射光纤光探测器输出光源入射光纤出射光纤光探测器输出调制器几种常用的光纤传感器几种常用的光纤传感器1 光纤加速度传感器光纤加速度传感器 2 光纤位移传感器光纤位移传感器 光纤位移传感器是利用光导纤维传输光信号的功能，根据光纤位移传感器是利用光导纤维传输光信号的功能，根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。入射光纤接收光

55、纤光源被测物体x位移dd位移光电流输出axmImd0入射光纤接收光纤被测物体dAB利用光导纤维传输光利用光导纤维传输光信号的功能，根据探信号的功能，根据探测到的反射光的强度测到的反射光的强度来测量被测反射表面来测量被测反射表面的距离。的距离。霍尔元件及霍尔效应原理霍尔元件及霍尔效应原理3.7 霍尔传感器霍尔传感器金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应。 abcd1霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑兹洛仑兹力作用力作用的结果。霍尔效应霍尔效应LEFF电 子 积 累 达 到 动 态 平 衡 ：sinHHUk iB此时相应的霍尔电势为：kH霍尔常数。决定于温度、材质、元件尺寸；B磁感应强度；电流与磁场方向的夹角。典型应用：典型应用：霍尔式位移传感器：霍尔式位移传感器：测量磁场；检测电流；测量微小位移，压力，机械振动。从从 a端通人电流端通人电流I根据霍尔效应，左半部产生霍尔电根据霍尔效应，左半部产生