热能与动力工程测试技术 第2版 教学课件 严兆大 主编 　传感器的基本类型及其工作原理

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或者直接输入下面地址：07236-04a第四章传感器的根本类型及其工作原理第一节概述

第二节电阻式传感器

第三节电感式传感器

第四节电容式传感器

第五节压电式传感器

第六节磁电式传感器

第七节热电式传感器

第八节光电式传感器

第九节霍尔传感器

第十节数字式传感器

第十一节传感器信号处理电路07236-04a第一节概述1)易于实现集中检测、控制和远距离测量。

2)响应速度快，可以测量瞬态值及动态过程。

3)传感器提供了被研究对象的测量、调节和控制设备之间最方便可靠的联系方式，因而使热能与动力工程测试的连续测量、自动记录和自动控制成为可能。

4)测量的准确度和灵敏度高，可以测量微弱信号并将其放大与进行长距离传输。

5)电信号易于和计算机等进行连接，记录和处理数据方便。07236-04a第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器

二、半导体压阻式传感器

三、电位计式传感器

四、气敏传感器

五、湿敏电阻传感器07236-04a一、金属应变式传感器1.工作原理

2.应变片的结构

3.应变片的温度补偿07236-04a1.工作原理金属应变式传感器的工作原理基于金属的电阻应变效应，即导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，电阻值也随之产生相应的变化。07236-04a2.应变片的结构图4-1电阻应变片的构造

1—基底2—敏感栅

3—覆盖层4—引出线07236-04a3.应变片的温度补偿图4-2桥式补偿电路07236-04a3.应变片的温度补偿图4-3双金属丝敏感栅07236-04a3.应变片的温度补偿图4-4热敏电阻补偿法07236-04a二、半导体压阻式传感器1)灵敏度高。

2)固有频率高，响应快。

3)结构简单，可实现微型化。

4)精度高。07236-04a二、半导体压阻式传感器4M5.tif图4-5硅压阻式传感器结构图

1—低压腔2—高压腔3—硅圆环

4—引出线5—硅膜片6—扩散电阻07236-04a三、电位计式传感器图4-6位移量x与电阻值成正比07236-04a三、电位计式传感器图4-7电位计式传感器原理图07236-04a四、气敏传感器1.工作原理

2.常用半导体气敏传感器及其结构07236-04a1.工作原理表4-1半导体气敏传感器的分类07236-04a2.常用半导体气敏传感器及其结构图4-8外表型电阻式传感器敏感元件的结构

a)烧结元件b)薄膜元件c)厚膜元件d)多层结构元件07236-04a2.常用半导体气敏传感器及其结构图4-9QN型气敏半导体传感器

a)结构外形b)测量电路07236-04a五、湿敏电阻传感器1.工作原理

2.几种常用的湿敏电阻传感器07236-04a1.工作原理图4-10钯-MOS二极管传感器的结构07236-04a1.工作原理图4-11应用光电动势作用的07236-04a2.几种常用的湿敏电阻传感器图4-12氯化锂湿敏传感器结构

a)登莫式湿敏传感器结构b)浸渍式湿敏传感器结构07236-04a2.几种常用的湿敏电阻传感器图4-13镍铁氧体湿敏传感器结构示意图07236-04a第三节电感式传感器一、自感式电感传感器

二、互感式电感传感器07236-04a一、自感式电感传感器1.变气隙式电感传感器

2.变截面式电感传感器

3.螺管式电感传感器07236-04a一、自感式电感传感器图4-14自感式传感器示意图

a)变气隙式b)变截面式c)螺管式

1—线圈2—铁心3—衔铁4—测杆5—被测件07236-04a1.变气隙式电感传感器图4-15变气隙式电

感传感器特性曲线07236-04a2.变截面式电感传感器图4-16变面积式电

感传感器特性曲线07236-04a二、互感式电感传感器图4-17差动变压器结构及电路示意图07236-04a二、互感式电感传感器图4-18差动变压器输出特性07236-04a第四节电容式传感器一、变极板间隙型电容传感器

二、变面积型电容传感器

三、变介电常数型电容传感器07236-04a一、变极板间隙型电容传感器图4-19变极板间隙型电容传感器结构07236-04a一、变极板间隙型电容传感器4M20.tif07236-04a一、变极板间隙型电容传感器图4-21差动电容传感器

连接成电桥测量电路07236-04a二、变面积型电容传感器图4-22变面积型电容传感器原理图07236-04a三、变介电常数型电容传感器图4-23电容液面计原理图07236-04a三、变介电常数型电容传感器07236-04a第五节压电式传感器一、工作原理

二、压电传感器的测量电路07236-04a一、工作原理图4-25石英晶体

a)石英晶体的结晶形状与切片方向b)压电元件受力简图与等效电路07236-04a一、工作原理图4-26压电晶体的组合方式

a)、c)并联组合b)串联组合07236-04a二、压电传感器的测量电路1.电压放大器

2.电荷放大器07236-04a1.电压放大器图4-27压电传感器、电缆、放大器输入端组成的等效电路07236-04a2.电荷放大器图4-28电荷放大器等效电路07236-04a第六节磁电式传感器图4-29磁电式传感器结构原理图07236-04a第七节热电式传感器一、热电阻传感器

二、热电偶07236-04a一、热电阻传感器图4-30金属热电阻特性曲线07236-04a一、热电阻传感器图4-31半导体热电阻特性曲线07236-04a二、热电偶(一)热电效应和热电偶的根本定律

(二)对热电极材料的要求

(三)热电偶冷端温度补偿

(四)热电动势的测量07236-04a(一)热电效应和热电偶的根本定律图4-32热电偶原理07236-04a(一)热电效应和热电偶的根本定律图4-33在热电偶中插入第三种导07236-04a(一)热电效应和热电偶的根本定律图4-34第三种导体插在一种导体的中间07236-04a(一)热电效应和热电偶的根本定律图4-35中间温度定律示意图07236-04a(三)热电偶冷端温度补偿图4-36保持冷端温度为0℃的测温方法

1—工作端2—铜导线3—测温电压计

4—试管5—冰块6—真空保温瓶07236-04a(三)热电偶冷端温度补偿图4-37带有冷端补偿器的测量电路

1—补偿导线2—连接导线3—高温电压计

4—冷端补偿器5—电桥电源6—工作热电偶07236-04a(三)热电偶冷端温度补偿表4-2常用热电偶的补偿导线07236-04a(四)热电动势的测量图4-38热电偶与电压计的连接电路图07236-04a第八节光电式传感器一、工作原理

二、光电转换元件07236-04a一、工作原理1)在光线的作用下能使电子逸出物质外表的称为外光电效应，属于外光电效应的转换元件有光电管、光电倍增管等。

2)在光线作用下使物体电阻率改变的称为内光电效应，属于内光电效应的光电转换元件有光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管等。

3)在光线作用下使物体产生一定方向电动势的称为光生伏特效应，属于光生伏特效应的转换元件有光电池和光敏晶体管等。

1)辐射源A发出的光通量直接作用到光电元件上并转换为电信号(图4-39a)。

2)一定强度的光通量通过被测物体B后到达光电元件，作用在光电元件上的光通量大小反映了被测物体对光的吸收程度(图4-39b)，透光式烟度计就是利用这一原理制成的。

3)光电元件所感受的光通量是被测物体C的外表反射过来的，故光电元件感受的光通量的大小反映了反射外表的性质或状态(图4-39c)。

4)光线被物体D所阻挡，光电元件感受的光通量随物体D的位移或几何尺寸而变化(图4-39d)，如测量位移的传感器等5)光电元件反响出在单位时间内通过光脉冲的数量(图4-39e)，如光电转速计等传感器。07236-04a一、工作原理图4-39光电传感器的几种形式07236-04a二、光电转换元件(一)光电管

(二)光敏电阻

(三)光电池

(四)光敏晶体管07236-04a(一)光电管图4-40光电管光谱特性与人视

觉光谱特性的比较

Ⅰ—铯氧银阴极Ⅱ—锑铯阴极

Ⅲ—人的视觉光谱特性07236-04a(一)光电管图4-41光电管的光电特性曲线07236-04a(一)光电管图4-42光电管的伏安特性曲线07236-04a(二)光敏电阻图4-43硫化镉光敏电阻的光照特性曲线07236-04a(二)光敏电阻图4-44光敏电阻的光谱特性曲线07236-04a(二)光敏电阻图4-45光敏电阻的光谱温度特性曲线07236-04a(二)光敏电阻图4-46光敏电阻的伏安特性曲线07236-04a(二)光敏电阻图4-47光敏电阻的频率特性曲线07236-04a(三)光电池图4-48硅光电池的光照特性曲线07236-04a(三)光电池图4-49光电池的光谱特性曲线07236-04a(三)光电池图4-50光电池的频率特性曲线

1—硒光电池2—硅光电池07236-04a(三)光电池图4-51光电池的温度特性曲线07236-04a(三)光电池图4-52光敏晶体管的结构原理图07236-04a(四)光敏晶体管图4-53光敏晶体管的光照特性曲线07236-04a(四)光敏晶体管图4-54光敏晶体管的光谱特性曲线07236-04a(四)光敏晶体管图4-55光敏晶体管的伏安特性曲线07236-04a(四)光敏晶体管图4-56光敏晶体管的频率特性曲线07236-04a(四)光敏晶体管图4-57光电开关管07236-04a第九节霍尔传感器一、霍尔效应

二、霍尔元件

三、霍尔传感器的典型应用07236-04a一、霍尔效应图4-58霍尔效应原理图07236-04a一、霍尔效应4M58.tif07236-04a一、霍尔效应图4-59霍尔元件的结构07236-04a二、霍尔元件图4-60霍尔元件根本电路07236-04a二、霍尔元件表4-3常用国产霍尔元件的技术参数07236-04a三、霍尔传感器的典型应用1.转速测量

2.位移测量

3.接近开关07236-04a1.转速测量图4-61霍尔转速传感器的工作原理

1—霍尔元件2—永久磁体3—被测物体07236-04a2.位移测量图4-62霍尔位移传感器原理图07236-04a2.位移测量图4-63霍尔接近开关工作原理07236-04a第十节数字式传感器一、增量式角数字编码器

二、绝对式角数字编码器07236-04a第十节数字式传感器图4-64数字式传感器工作原理

a)代码型b)计数型07236-04a一、增量式角数字编码器图4-65脉冲盘式角

数字传感器圆盘07236-04a二、绝对式角数字编码器1.接触式编码器

2.光电式和磁电式编码器07236-04a1.接触式编码器图4-66接触式码盘结构示意图

a)接触式四位二进制码盘b)四位循环码盘07236-04a1.接触式编码器图4-67光电式编码器的工作原理图

1—光源2—柱面透镜3—编码盘4—狭缝板5—光电元件07236-04a第十一节传感器信号处理电路一、电桥电路

二、放大器

三、滤波器07236-04a一、电桥电路1.单臂工作

2.半桥工作

3.全桥工作07236-04a一、电桥电路图4-68直流电桥07236-04a一、电桥电路电桥电路是传感器电路中应用极为普遍的根本电路，它具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现补偿等优点。电桥电路可以方便地检测出某些电参量(如电阻、电容、电感等)的微小变化，使这些电参量的变化通过电桥转换为电压或电流输出，并且可以很方便地进行测量电路的零点调节。例如，测量应变常用的电阻应变仪和采用电阻应变片的测力传感器就是基于电桥电路原理的测量仪器。07236-04a1.单臂工作当电桥只有一个桥