《常用传感器》课件

第三章常用传感器本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路3.1概述3.2电阻式传感器3.3电感式传感器3.4电容式传感器3.5压电式传感器3.6磁电式传感器3.7半导体敏感元件传感器3.8其它类型传感器3.9传感器选用原则

第三章常用传感器本章学习要求：3.1概述3.3电3.1.1传感器定义3.1.2传感器的构成3.1.3传感器的分类3.1.4常见的被测物理量3.1概述第三章常用传感器3.1.1传感器定义3.1概述第三章常用传感器

传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。3.1.1传感器定义3.1概述传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并3.1.2传感器的构成3.1概述

传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。

dV3.1.2传感器的构成3.1概述传感器3.1.3传感器的分类3.1概述(1)按被测物理量分类:(2)按工作的物理基础分类:(3)按信号变换特征:(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:位移,力,温度等.机械式,电气式,光学式,流体式等.物性型,结构型.能量转换型和能量控制型.3.1.3传感器的分类3.1概述(1)按被测物理量分类3.1概述A物性型与结构型传感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如:水银温度计,压电测力计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.B能量转换型和能量控制型传感器能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型: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:电阻应变片.3.1概述A物性型与结构型传感器B能量转换型和能量控制3.1.4常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量.声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩.3.1概述3.1.4常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度3.2电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器.按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.第三章常用传感器3.2.1变阻器式传感器3.2.2电阻应变式传感器3.2电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一3.2.1变阻器式传感器（1）工作原理3.2电阻式传感器R3.2.1变阻器式传感器（1）工作原理3.2电阻式传等效电路分析:Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0x100%100%Output0负载效应3.2电阻式传感器等效电路分析:Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;(2)变阻器式传感器的性能参数:

1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;(3)变阻器式传感器的分类:3.2电阻式传感器变阻器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕电位器按电位器结构分(2)变阻器式传感器的性能参数:(3)变阻器式传感器的分类(4)变阻器式传感器的特点：3.2电阻式传感器电阻器制作特点绕线式直径0.012-0.1mm的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘的胶木板等卷心上而制作电阻温度系数非常好，为±(5－20)×10-6/℃；精度、稳定性、重复性比薄膜式好；分辨力低于薄膜式金属陶瓷式电阻胶印在陶瓷基板上，并用高温烧制而成分辨力高，环境适应性强，电阻温度系数为±200×10-6/℃左右导电-塑料式将基板的树脂与电阻膜制成一体，或将电阻胶涂于薄膜基片上分辨力高，寿命长，线响应特性好，电阻温度系数为±400×10-6/℃混合式导电型树脂涂于线绕式电阻元件上兼有绕线式、导电－塑料式的优点，电阻温度系数为±150×10-6/℃(4)变阻器式传感器的特点：3.2电阻式传感器电阻器制作特(5)应用案例1：重量的自动检测--配料设备设定值原材料

比较3.2电阻式传感器(5)应用案例1：重量的自动检测--配料设备设定值原材料(5)应用案例1：重量的自动检测--配料设备设定值原材料

比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化3.2电阻式传感器(5)应用案例1：重量的自动检测--配料设备设定值原材料案例2：煤气包储量检测原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化煤气包钢丝特点：（1）测量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。3.2电阻式传感器案例2：煤气包储量检测原理煤气包钢丝特点：3.2电阻式传感案例3：玩具机器人（广州中鸣数码）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化3.2电阻式传感器案例3：玩具机器人（广州中鸣数码）原理3.2电阻式传感器3.2.2电阻应变式传感器--应变片金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。3.2电阻式传感器3.2.2电阻应变式传感器--应变片金属电1）工作原理金属应变片的电阻R为纵向应变泊松比弹性模量压阻系数3.2电阻式传感器1）工作原理金属应变片的电阻R为纵向应变泊松比弹性模量压阻系(1)当不变时金属应变计(2)当变化时半导体应变计3.2电阻式传感器(1)当不变时金属应变计(2)当变化时半导体应变计3.22）金属应变片应变计3.2电阻式传感器金属应变片有：丝式、箔式优点：稳定性和温度特性好缺点：灵敏度系数小2）金属应变片应变计3.2电阻式传感器金属应变片有3）半导体应变片应变计3.2电阻式传感器优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片.3）半导体应变片应变计3.2电阻式传感器优点：应变灵敏度大4）应变片的主要参数1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4）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）。

3.2电阻式传感器4）应变片的主要参数1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂5）应变片的测量电路第四章中“电桥”内容3.2电阻式传感器5）应变片的测量电路第四章中“电桥”内容3.2电阻式传感6）应用案例1：桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。3.2电阻式传感器6）应用案例1：桥梁固有频率测量原理3.2电阻式传感器案例2：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。3.2电阻式传感器案例2：电子称原理3.2电阻式传感器案例3：桶式测力传感器3.2电阻式传感器案例3：桶式测力传感器3.2电阻式传感器电桥1）直流电桥信号放大电路

平衡条件电桥1）直流电桥信号放大电路平衡条件信号放大电路

直流电桥的连接方式a)半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥(a)半桥单臂(b)半桥双臂(c)全桥信号放大电路直流电桥的连接方式(a)半桥单臂(b)半桥双臂直流电桥平衡条件优点：所需的高稳定直流电源较易获得；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。缺点：直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。信号放大电路

平衡电桥直流电桥平衡条件优点：所需的高稳定直流电源较易获得；电桥输出信号放大电路

2）交流电桥●平衡条件交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定度。信号放大电路2）交流电桥交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，3.3电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型3.3电感式传感器电感式传感器是基于电磁感3.3电感式传感器1自感型--可变磁阻式原理:电磁感应线圈匝数磁路总磁阻铁芯导磁长度铁芯导磁率铁芯导磁截面积气隙长度空气导磁率气隙导磁截面积3.3电感式传感器1自感型--可变磁阻式原理:电磁感应3.3电感式传感器a）导磁面积变化b）δ变化3.3电感式传感器a）导磁面积变化b）δ变化3.3电感式传感器d）双螺管线圈差动c）单螺管线圈型b）差动型δ0-Δδδ0+Δδ测量电路：将两线圈分别接到电桥的相邻桥臂上，输出灵敏度可提高一倍。3.3电感式传感器d）双螺管线圈差动c）单螺管线圈型b）差3.3电感式传感器双螺管线圈差动型传感器及测量电路双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性；用于电感测微计上，其测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化。3.3电感式传感器双螺管线圈差动型传感器及测量电路双螺管线3.3电感式传感器2涡流式原理:涡流效应原线圈的等效阻抗Z变化：3.3电感式传感器2涡流式原理:涡流效应原线圈的等效阻抗高频反射式涡流传感器

。。如图所示，高频(>1MHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i及角频率ω等有关。若只改变距离δ而保持其它参数不变，则可将位移变化转换为线圈自感变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

3.3电感式传感器高频反射式涡流传感器。。如图所示，高频(>1MHz)激励电低频透射式涡流传感器

低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈ω2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,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电感式传感器低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器的3.3电感式传感器案例1：测厚3.3电感式传感器案例1：测厚3.3电感式传感器案例2：零件计数3.3电感式传感器案例2：零件计数3.3电感式传感器案例2：零件计数3.3电感式传感器案例2：零件计数3.3电感式传感器案例3：测转速3.3电感式传感器案例3：测转速3.3电感式传感器案例4：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测3.3电感式传感器案例4：无损探伤原理火车轮检测油管检测3.3电感式传感器优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。应用：位移、力、振动测量，NDT，测厚,材质判别案例5：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：3.3电感式传感器优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质测量电路：1）阻抗分压式调幅电路3.3电感式传感器调制解调上图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，输出电压最大。测量时，传感器线圈阻抗随x而改变，LC回路失谐，输出信号频率仍然为振荡器的工作频率，但幅值随x而变化。它相当于一个调幅波。此调幅波经放大、检波、滤波后即可以得到气隙x的动态变化信息。右图是谐振曲线和输出特性。测量电路：1）阻抗分压式调幅电路3.3电感式传感器调制3.3电感式传感器测量电路：2）阻抗分压式调频电路该方法也将传感器线圈接入LC振荡电路，与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离x发生变化时，将引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率f发生变化，再通过鉴频器进行频率－电压转换，即可得到与x成比例的输出电压。3.3电感式传感器测量电路：2）阻抗分压式调频电路3.4电容式传感器1.变换原理:

将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++

A

当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。相对介电常数，空气中为1真空介电常数极板面积极板间距离3.4电容式传感器1.变换原理:将被测量的变化转化为电2分类

3.4电容式传感器

a)极距变化型+++为减少线性误差，一般取极距变化范围2分类3.4电容式传感器a)极距变化型+为减少线性3.4电容式传感器

b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型3.4电容式传感器b)面积变化型:角位移型,平面线位移型3.4电容式传感器

c)介质变化型变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。3.4电容式传感器c)介质变化型变介电3.4电容式传感器

若忽略边缘效应，图a、图b、图c所示传感器的电容量与被测量的关系为式中δ、h、ε0——两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数； δx、hx、ε——被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数； l、b、ax——固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）； r1、r2——内、外极筒的工作半径。案例:液面高度测量3.4电容式传感器若忽略边缘效应，图a、图b、图c所示传3测量电路3.4电容式传感器

a)电桥电路

电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，下图所示为一种由电感、电容组成的电桥。电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。3测量电路3.4电容式传感器a)电桥电路电容传感器3.4电容式传感器

b)谐振电路

右图所示为谐振式电路的原理框图，电容传感器的电容Cx作为谐振回路(L2、C2、Cx)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。这种电路的优点是比较灵活；缺点是工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的杂散电容对电路的影响较大，同时为了提高测量精度，要求振荡器的频率具有很高的稳定性3.4电容式传感器b)谐振电路右图所3.4电容式传感器

c)调频电路

传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化时，振荡器的振荡频率将发生变化，频率的变化经过鉴频器转换为电压的变化，经过放大处理后输入显示或记录等仪器。（课本P72图3-28）3.4电容式传感器c)调频电路传感器的3.4电容式传感器

d)运算放大器电路前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。思考：是否意味着可用于长距测量？（当极距增加时Cx↓Uy↑饱和）3.4电容式传感器d)运算放大器电路前面4应用3.4电容式传感器

案例1：电容传声器

案例2:转速测量4应用3.4电容式传感器案例1：电容传声器案例2:转3.4电容式传感器

动手做：观察你计算机上使用的麦克风，并用它测量你自己的声音，绘出频谱。3.4电容式传感器动手做：观察你计算机上使用的麦克风，并第三章常用传感器机械工程测试技术基础本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路3.5压电式传感器3.6磁电式传感器3.1概述3.2电阻式传感器3.3电感式传感器3.4电容式传感器3.7半导体敏感元件传感器3.8其它类型传感器3.9传感器选用原则

第三章常用传感器机械工程测试技术基础本章学习要求：3.53.5压电式传感器1.变换原理:

某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。3.5压电式传感器1.变换原理:某些F+最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。工作原理：在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起（即并联和串联），组成压电式传感器。F+最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。+并联+串联并联和串联：并联时串联时设单片压电元件的电容为，电荷为，电压为，则当两片叠加后电荷灵敏度高电压灵敏度高+并联+串联并联和串联：并联时串联时设单片压电元件的电容为+并联+串联并联和串联：压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

并联时，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。

串联时，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。+并联+串联并联和串联：压电效应是压电传感器3.5压电式传感器

2、测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。

3.5压电式传感器2、测量电路压电式传感3.5压电式传感器

电容泄漏电阻压电元件产生的电荷传感器电容电缆电容外接电路的输入端电容泄漏电流qCR0ui电压放大器3.5压电式传感器电容泄漏电阻压电元件产生的电荷传感器电容3.5压电式传感器

由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。

若放大器开环增益足够大，则ACf>>(C+Cf)

传感器电容电缆电容外接电路输入端电容在一定情况下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。3.5压电式传感器由于电荷放大器电路的电缆长度变化3应用b)压力变送器3.5压电式传感器

a)加速度计，力传感器

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。3应用b)压力变送器3.5压电式传感器a)加速度计，产品压力变送器加速度计力传感器3.5压电式传感器

产品压力变送器加速度计力传感器3.5压电式传感器案例：飞机模态分析3.5压电式传感器

案例：飞机模态分析3.5压电式传感器案例：热轧设备诊断3.5压电式传感器

案例：热轧设备诊断3.5压电式传感器第三章常用传感器本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路3.5压电式传感器3.6磁电式传感器3.1概述3.2电阻式传感器3.3电感式传感器3.4电容式传感器3.7半导体敏感元件传感器3.8其它类型传感器3.9传感器选用原则

第三章常用传感器本章学习要求：3.5压电式传感器3.1.了解磁电式传感器变换原理

2.了解动圈式传感器的基本结构和工作原理

3.了解磁阻式传感器的基本结构和工作原理

3.6磁电式传感器第三章、传感器测量原理完成本节内容的学习后应能做到：1.了解磁电式传感器变换原理

2.了解动圈式传感器的基本结1.变换原理:

磁电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。感应线圈的感应电动势e为

磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

3.6磁电式传感器

1.变换原理:磁电式传感器简称感应式传感器2分类

3.6磁电式传感器

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型2分类3.6磁电式传感器磁电式动圈式磁阻式线速度型角3动圈式传感器（恒定磁通式）3.6磁电式传感器

3动圈式传感器（恒定磁通式）3.6磁电式传感器3.6磁电式传感器

当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度ω表示，则所产生的感应电动势e为：在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、A均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。单匝线圈有效长度线圈与磁场的相对运动速度单匝线圈的截面积角速度3.6磁电式传感器当线圈在垂直于磁场方向动圈式磁电传感器等效电路如下图所示，其等效电路的输出电压

3.6磁电式传感器

发电线圈感应电动势线圈电阻，一般为0.1～3KΩ负载电阻（放大器输入电阻）一般Cc=70pF/m一般Rc=0.03Ω/m可测量速度、加速度和位移。动圈式磁电传感器等效电路如下图所示，其等效电路的输出电压34磁阻式传感器（变磁通式—常用来测量旋转物体的角速度）3.6磁电式传感器

左图为开路变磁通式，线圈和磁铁静止，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。右图为闭合磁路变磁通式，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮转速n(r/min)成正比，即f=n/60。4磁阻式传感器（变磁通式—常用来测量旋转物体的角速度）35应用b)测速电机a)磁电式车速传感器3.6磁电式传感器

变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。

5应用b)测速电机a)磁电式车速传感器3.6磁电式传感c)磁电式转速表3.6磁电式传感器

c)磁电式转速表3.6磁电式传感器第三章常用传感器本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路3.7半导体敏感元件传感器3.1概述3.2电阻式传感器3.3电感式传感器3.4电容式传感器3.5压电式传感器3.6磁电式传感器3.8其它类型传感器3.9传感器选用原则3.7.1磁电转换元件传感器3.7.2光电转换元件第三章常用传感器本章学习要求：3.7半导体敏感元件传第三章、传感器测量原理3.7半导体敏感元件传感器物性型传感器；结构简单、体积小、重量轻；功耗低、安全可靠、寿命长；响应快；易于实现集成化；半导体传感器与前面介绍的传感器相比，有很多明显的特点：输出一般是非线性的，需要采用线性化电路；受温度影响大，须采用温度补偿措施；性能参数分散性较大。第三章、传感器测量原理3.7半导体敏感元件传感器物性型传第三章、传感器测量原理1磁电转换元件传感器1)霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。第三章、传感器测量原理1磁电转换元件传感器1)霍尔传感器第三章、传感器测量原理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。

霍尔效应霍尔常数，决定与材质、温度、元件尺寸，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔电势的大小磁场和薄片法线第三章、传感器测量原理金属或半导体薄片置于磁霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图:3.7半导体敏感元件传感器

霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图:3.7半导体敏3.7半导体敏感元件传感器

应用右图是一种霍尔效应位移传感器工作原理。将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1－

VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。1、位移传感器3.7半导体敏感元件传感器应用右图是一3.7半导体敏感元件传感器

2、测速传感器3.7半导体敏感元件传感器2、测速传感器3、测转角3.7半导体敏感元件传感器

3、测转角3.7半导体敏感元件传感器4、电流传感器

当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。

3.7半导体敏感元件传感器

4、电流传感器

5、管道裂纹检测3.7半导体敏感元件传感器

原理磁场强度变化检测5、管道裂纹检测3.7半导体敏感元件传感器原理6、汽车速度测量3.7半导体敏感元件传感器

6、汽车速度测量3.7半导体敏感元件传感器2)磁电阻元件3.7半导体敏感元件传感器

磁阻效应

--++lwx特点电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；温度系数影响大；磁感应的范围比霍尔元件大。

R-5-4-3-2-1012345应用磁头；接近开关和无触点开关。2)磁电阻元件3.7半导体敏感元件传感器磁阻效应-3)磁感应半导体元件分类3.7半导体敏感元件传感器

磁感应半导体元件体元件霍尔IC结型元件霍尔元件磁电阻元件磁敏二极管磁晶体管磁半导体开关其它开关线性3)磁感应半导体元件分类3.7半导体敏感元件传感器磁感3.7半导体敏感元件传感器

2光电转换元件

光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。1)光敏电阻

光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。3.7半导体敏感元件传感器2光电转换元件3.7半导体敏感元件传感器

2)光电池光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+++---PN3.7半导体敏感元件传感器2)光电池3.7半导体敏感元件传感器

3)应用光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。3.7半导体敏感元件传感器3)应用光电传感器3.7半导体敏感元件传感器

案例：直射式光电转速传感器开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收