05-《传感器原理与应用》项目五

传感器原理与应用目录项目一

传感器的基础项目二

电阻式传感器项目三

电容式传感器项目四

电感式传感器项目五

磁电式传感器项目六热电式传感器项目七光电式传感器项目八声波式和辐射式传感器项目九其他传感器项目十传感器综合应用2磁电式传感器项目五客舱安全管理与应急处置签到扫码下载文旌课堂APP扫码签到（202X.X.XXXX:00至202X.X.XXXX:10）签到方式教师通过“文旌课堂APP”生成签到二维码，并设置签到时间，学生通过“文旌课堂APP”扫描“签到二维码”进行签到。。常见的磁电式传感器有基于磁电感应原理制成的磁电感应式传感器，以及基于半导体的霍尔效应制成的霍尔式传感器。本项目主要介绍这两种传感器。本项目主要介绍一般电容式传感器、硅电容式集成传感器两种传感器。项目导读项目导读第5页学习目标知识目标能够测试磁电感应式传感器的性能能够制作与调试转速测量装置技能目标养成脚踏实地、求真务实的职业素养弘扬科学严谨、精益求精的创新精神践行团结协作、顾全大局的团队精神素质目标掌握磁电感应式传感器敏感元件的基本结构和工作原理理解磁电感应式传感器的测量电路了解磁电感应式传感器的应用掌握霍尔式传感器敏感元件的基本结构和工作原理理解霍尔式传感器的测量电路了解霍尔式传感器的应用第6页目录任务一认识磁电感应式传感器任务二认识霍尔式传感器任务一认识磁电感应式传感器8学习目标任务工单本任务要求学生正确认识磁电感应式传感器，掌握磁电感应式传感器的工作原理及应用。第9页任务引入思考：什么是磁电感应式传感器？生活中还有哪些常见的磁电感应式传感器？10任务实施——测试磁电感应式传感器的性能1．实施目的（1）了解磁电感应式传感器的结构。（2）理解磁电感应式传感器的工作原理。2．实施器材磁电感应式传感器，差动放大器，低通滤波器，低频振荡器，电涡流式传感器，电涡流式传感器实验模块，示波器。第11页任务实施——测试磁电感应式传感器的性能3．实施步骤将学生以3～5人为一组进行分组。各组按照以下步骤进行磁电感应式传感器的性能测试。（1）观察磁电感应式传感器结构。（2）按照如图所示连接电路，将磁电感应式传感器两端接差动放大器的输入端，然后经低通滤波器接入示波器的一个通道。第12页任务实施——测试磁电感应式传感器的性能3．实施步骤将学生以3～5人为一组进行分组。各组按照以下步骤进行磁电感应式传感器的性能测试。（3）调节差动放大器，使其增益适中，然后开启主机和低频振荡器，调节低频振荡器的振幅与频率，观察示波器中的波形变化情况。（4）在振动平台旁的支架上安装好电涡流式传感器与电涡流式传感器实验模块，安装位置以平台振动时不碰到线圈为宜。第13页任务实施——测试磁电感应式传感器的性能3．实施步骤将学生以3～5人为一组进行分组。各组按照以下步骤进行磁电感应式传感器的性能测试。（5）将电涡流式传感器的输出端接入示波器的另一个通道，调节低频振荡器的振幅与频率，观察示波器中两个波形的变化情况，并进行比较。通过比较可知：磁电式传感器对速度敏感；电涡流式传感器对位移敏感。第14页任务实施——测试磁电感应式传感器的性能4．任务评价评价项目评价标准满分实际得分教师评语技能操作正确认识磁电感应式传感器20

正确连接电路20

正确调试电路20

正确分析磁电感应式传感器与电涡流式传感器的信号输出特点20参与程度认真参加活动，积极思考，主动与同学、指导教师进行交流，善于发现和解决问题10

职业素养具有团队协作精神和责任意识，具有一定的创新思维10

总分100

个人总结

第15页相关知识一、敏感元件磁电感应式传感器的敏感元件部分是由永磁体、感应线圈和铁芯组成的。根据法拉第电磁感应定律可知，当通过闭合线圈的磁通发生变化时，线圈内将产生感应电压，感应电压的大小与穿过线圈的磁通变化率有关，即:

u

感应电压N线圈的匝数穿过线圈的磁通第16页相关知识一、敏感元件1．恒磁通式敏感元件恒磁通式敏感元件的结构如图所示。它由永磁体、线圈、弹簧片（或弹簧）、金属壳体等部件组成。第17页相关知识一、敏感元件1．恒磁通式敏感元件恒磁通式敏感元件的运动部件可以是线圈，也可以是永磁体。动圈型动铁型恒磁通式敏感元件：两种敏感元件的运动部件不同，但它们的磁路系统都产生恒定的磁场，磁路中的空气间隙均固定不变，空气间隙中的磁通也是恒定不变的。第18页相关知识一、敏感元件1．恒磁通式敏感元件--动圈型恒磁通式敏感元件动圈型恒磁通式敏感元件的运动部件是线圈，永磁体与金属壳体固定，线圈与金属骨架用弹簧片支撑，如图所示。第19页相关知识一、敏感元件1．恒磁通式敏感元件--动圈型恒磁通式敏感元件根据法拉第电磁感应定律，感应电压与磁感应强度、线圈匝数、相对运动速度有关，若线圈和永磁体有相对运动，则线圈中产生的感应电压u与磁感应强度B、每匝线圈的长度l、线圈匝数N、线圈切割磁力线的速度v成正比，即:

第20页相关知识一、敏感元件1．恒磁通式敏感元件--动铁型恒磁通式敏感元件动铁型恒磁通式敏感元件的运动部件是永磁体，线圈、金属骨架与金属壳体固定，永磁体用弹簧支撑，如图所示。第21页相关知识一、敏感元件2．变磁通式敏感元件变磁通式敏感元件开磁路型闭磁路型根据磁路系统结构的不同，变磁通式敏感元件可分为开磁路型和闭磁路型两种类型。第22页相关知识一、敏感元件2．变磁通式敏感元件

第23页相关知识一、敏感元件2．变磁通式敏感元件--开磁路型变磁通式敏感元件开磁路型变磁通式敏感元件由永磁体、软磁体、线圈、测量齿轮（导磁材料）等组成，如图所示。第24页相关知识一、敏感元件2．变磁通式敏感元件--开磁路型变磁通式敏感元件测量齿轮的凹凸结构会使空气间隙大小发生改变，影响磁路磁阻的变化，从而使线圈中产生感应电压。感应电压的变化频率

f

等于被测转速r、齿轮齿数的乘积n，即

第25页相关知识一、敏感元件2．变磁通式敏感元件--闭磁路型变磁通式敏感元件闭磁路型变磁通式敏感元件由装在转轴上的定子和转子、线圈、永磁体等部分组成，如图所示。第26页相关知识一、敏感元件2．变磁通式敏感元件--闭磁路型变磁通式敏感元件当转子和定子的齿凸相对时，空气间隙最小，磁通最大；当转子与定子的齿凹相对时，空气间隙最大，磁通最小。这样，定子不动，转子旋转时，磁通就会发生周期性变化，从而在线圈中产生近似正弦波的感应电压。第27页相关知识二、测量电路磁电感应式传感器可直接输出感应电压，且具有较高的灵敏度，因此对放大电路的要求不高，但磁电感应式传感器只能用于测量动态量。第28页相关知识二、测量电路将积分电路和微分电路置于两级放大器之间敏感元件产生的电信号直接经主放大器输出输出信号为速度信号敏感元件产生的电信号接入积分电路输出信号为位移信号敏感元件产生的电信号接入微分电路输出信号为加速度信号第29页相关知识二、测量电路磁电感应式传感器的测量电路第30页相关知识二、测量电路1．积分电路已知速度v、位移x、时间

t

的关系为：

设敏感元件的输出电压为积分电路的输入电压ui，则积分电路的输出电压为：

第31页相关知识二、测量电路2．微分电路已知加速度a、速度v、时间t的关系为：

设敏感元件的输出电压为微分电路的输入电压ui，则微分电路的输出电压

第32页相关知识三、磁电感应式传感器的应用1．磁电感应式振动传感器磁电感应式振动传感器由钢制圆形外壳制成，里面用铝支架将圆柱形永磁体与外壳固定成一体，永磁体中间有一个小孔，穿过小孔的芯杆两端通过弹簧片支撑并架空，以架起线圈和阻尼器，弹簧片与外壳相连。第33页相关知识三、磁电感应式传感器的应用1．磁电感应式振动传感器工作时，磁电感应式振动传感器与被测物体刚性连接。当被测物体振动时，磁电感应式振动传感器的外壳和永磁体随之振动，而架空的芯杆、线圈和阻尼器因惯性不随之振动。这样磁路空气间隙中的线圈切割磁感线，产生正比于振动速度的感应电压，线圈输出的感应电压通过引线送到测量电路。第34页相关知识三、磁电感应式传感器的应用1．磁电感应式振动传感器测量电路中不含积分电路和微分电路磁电感应式振动传感器输出的是振动速度信号敏感元件产生的电信号接入积分电路磁电感应式振动传感器输出的是位移信号在测量电路中接入微分电路磁电感应式振动传感器输出的是加速度信号第35页相关知识三、磁电感应式传感器的应用2．磁电感应式扭矩传感器在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，齿形圆盘的径向侧装有两个磁电感应式扭矩传感器。磁电感应式扭矩传感器中的永磁体产生的磁感线与齿形圆盘交链。第36页相关知识三、磁电感应式传感器的应用2．磁电感应式扭矩传感器当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凹凸变化引起磁路空气间隙的变化，磁通量也随之发生改变，线圈中感应出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转数的乘积。第37页相关知识三、磁电感应式传感器的应用2．磁电感应式扭矩传感器

第38页相关知识三、磁电感应式传感器的应用3．电磁流量计目前常用的电磁流量计是基于电磁感应原理的一种流量测量装置，它由产生匀强磁场的磁路系统、用不导磁材料制成的测量管道、管道横截面上的导电电极等组成。第39页相关知识三、磁电感应式传感器的应用3．电磁流量计电磁流量计在工作时要求磁场方向、管道轴线和电极连线三者在空间上互相垂直。

（a）外形

（b）结构示意图

（c）工作原理第40页相关知识三、磁电感应式传感器的应用3．电磁流量计当被测导电流体在管道中以一定流速v流动时，导电流体切割磁感线。在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，若管道内导电流体的流速分布均匀，则两电极之间产生感应电压u，其值与被测流体的流速成正比，即：

式中：D

——管道内径；v

——导电流体的平均流速。第41页相关知识三、磁电感应式传感器的应用3．电磁流量计相应地，导电流体的体积流量可表示为：

由式，导电流体的体积流量与感应电压、管道内径成正比，与磁场的磁感应强度成反比。第42页相关知识三、磁电感应式传感器的应用3．电磁流量计电磁流量计具有压力损失小、适用范围广等优点，而且它的测量管道内没有任何阻力件，适用于各种酸、碱、盐等腐蚀性介质或有悬浮颗粒的浆流等的流量测量。第43页敏感元件测量电路磁电感应式传感器的应用任务二认识霍尔式传感器学习目标任务工单本任务要求学生正确认识霍尔式传感器，掌握霍尔式传感器的结构、工作原理及应用。第46页任务引入日常生活中，我们可以将霍尔式传感器放在电动自行车中，做成控制电动自行车行驶速度的转把。电动自行车的骑行者通过转动转把来调节电动自行车的行驶速度。转动转把会带动内部磁钢转动，从而使磁场产生变化。转把内的霍尔式传感器将根据该磁场的磁场强度和极性的不同，输出不同的电压值，并将其作为速度信号送到控制器中，进而控制电动机的转速。第47页任务引入思考：什么是霍尔式传感器？它的工作原理是什么？第48页任务实施——制作与调试转速测量装置1．实施目的（1）了解霍尔式传感器的结构。（2）掌握霍尔式传感器的工作原理。2．实施器材钕铁硼强力磁铁，霍尔模块，电源，电阻器，发光二极管，饮料瓶盖，牙签，502胶水，细导线，电烙铁，焊锡丝，万能板。第49页任务实施——制作与调试转速测量装置3．实施步骤将学生以3～5人为一组进行分组。各组按照以下步骤制作与调试转速测量装置。1）认识霍尔传感器霍尔模块由ES3144芯片（霍尔式传感器，见图）、LM393芯片（双电压比较器）、电阻器搭建而成。第50页任务实施——制作与调试转速测量装置3．实施步骤2）认识霍尔模块霍尔模块其电路如图所示。霍尔模块有4个引脚，引脚1为数字信号输出端，引脚2接电源正极，引脚3接电源负极，引脚4为模拟信号输出端。第51页任务实施——制作与调试转速测量装置3．实施步骤（1）在饮料瓶盖圆心处打孔，插入牙签，使牙签能带动瓶盖自由转动。将钕铁硼强力磁铁的N极用502胶水粘在饮料瓶盖一侧，并使S极朝外。3）制作与调试转速测量装置第52页任务实施——制作与调试转速测量装置3．实施步骤（2）按照如图所示连接电路3）制作与调试转速测量装置第53页任务实施——制作与调试转速测量装置3．实施步骤3）制作与调试转速测量装置（3）将霍尔模块ES3144芯片印字面对准饮料瓶盖侧面的钕铁硼强力磁铁，距离控制在3mm以内。缓慢转动牙签，带动瓶盖转动，观察发光二极管LED亮暗程度。将瓶盖旋转圈数与LED点亮次数记录在表中。瓶盖旋转圈数123456LED点亮次数

第54页任务实施——制作与调试转速测量装置3．实施步骤3）制作与调试转速测量装置（4）当增大旋转速度时，LED亮暗变化现象变得不明显，可将霍尔模块的信号输出端接单片机（AT89S52）的P3.2引脚，通过单片机的外部中断接口INT0记录脉冲个数，用定时器记录时间，从而计算出转速，霍尔模块与单片机接口电路如图所示。第55页任务实施——制作与调试转速测量装置4．任务评价评价项目评价标准满分实际得分教师评语技能操作正确认识霍尔式传感器与霍尔模块20

正确连接电路20

正确调试电路20

正确测量转速20参与程度认真参加活动，积极思考，主动与同学、指导教师进行交流，善于发现和解决问题10

职业素养具有团队协作精神和责任意识，具有一定的创新思维10

总分100

个人总结

第56页相关知识一、敏感元件霍尔式传感器是利用霍尔效应，将被测量的变化转换成可用输出电信号的传感器。它广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。第57页相关知识一、敏感元件当电流通过一个位于磁场中的导体时，磁场会对导体中且与磁场方向垂直的电子产生一个垂直于电子运动方向的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电荷积累，形成电压，这一现象被称为霍尔效应。1．霍尔效应第58页相关知识一、敏感元件当电子所受到的电场力FE与洛仑兹力FL相等时，电子的积累便达到了动态平衡。此时，在横向两个面之间建立的电场称为霍尔电场EH，产生的电压称为霍尔电压UH，如图所示。1．霍尔效应第59页相关知识一、敏感元件霍尔电压UH满足关系：1．霍尔效应

式中：

霍尔电压主要由3个因素决定，即电源电流I、半导体材料所处磁场的磁感应强度B及其厚度d。第60页相关知识一、敏感元件2．霍尔元件霍尔式传感器的敏感元件为霍尔元件。霍尔元件是一种基于霍尔效应制成的半导体元件。霍尔元件最常用的半导体材料

锗（Ge）硅（Si）

锑化铟（InSb）砷化铟（InAs）不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In型固熔体可以用于检测磁场及磁场的变化，因此适用于各种与磁场有关的场合。第61页相关知识一、敏感元件2．霍尔元件--结构霍尔元件是一种四端型元件，由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片。（a）外形

（b）结构

（c）图形符号

第62页相关知识一、敏感元件2．霍尔元件--主要特性参数（1）霍尔元件的灵敏度系数磁感应强度方向与霍尔片法向平行时，在单位控制电流和单位磁感应强度的作用下，霍尔元件所具有的霍尔电压称为霍尔元件的灵敏度系数。它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力。第63页相关知识一、敏感元件2．霍尔元件--主要特性参数（2）额定控制电流和最大允许控制电流霍尔元件在空气中产生的温升为10℃时，所对应的控制电流称为额定控制电流。以霍尔元件允许的最大温升为限制，所对应的控制电流称为最大允许控制电流。第64页相关知识一、敏感元件2．霍尔元件--主要特性参数（3）输入电阻和输出电阻霍尔元件的两个控制电极间的电阻称为输入电阻。两个霍尔电极间的电阻称为输出电阻。第65页相关知识一、敏感元件2．霍尔元件--主要特性参数（4）霍尔电压温度系数

第66页相关知识二、测量电路霍尔式传感器的基本测量电路如图所示。引线中，a、a’两端接电源E，可通过调节电阻器R的电阻来控制电流

I；b、b’两端连接负载电阻器RL。第67页相关知识二、测量电路霍尔式传感器的基本测量电路如图所示。在实际应用中，可以将作为输入，也可将I或B单独作为输入，输出电压与电流I和磁感