机械工程测试技术（第2版）课件：常用传感器变换原理

常用传感器的变换原理机械工程测试技术（第2版）MechanicalEngineeringTestingTechnology学习导航3.1传感器概述(Theoverviewforsensor)3.2电阻式传感器(Resistivesensor)3.3电感式传感器(InductiveSensors)3.4电容传感器(Capacitancesensor)3.5压电传感器(Piezoelectricsensors)3.6磁电式传感器(Magneticsensors)3.7光电传感器(Photoelectricsensor)3.8光纤传感器(Fiberopticsensors)3.9新型传感器(Newtypesofsensors)知识导图

3.1.1传感器的定义与组成传感器定义：传感器是一种能感受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，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器组成：敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。转换电路：有的传感器具有转换电路，是把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。3.1传感器概述敏感元件转换元件转换电路

传感器被测量输出传感器组成实例拳击袋测力传感器的工作原理3.1传感器概述

3.1.2传感器的分类

A按传感器的工作机理：分为物理型、化学型和生物型。按传感器的输入量：分为位移、压力、温度、流量、加速度等。按传感器的输出量：分为模拟式传感器和数字式传感器。按转换过程是否可逆：分为双向传感器、单向传感器。3.1传感器概述3.1.2传感器的分类

B

按传感器的构成原理：分为物性型和结构型两大类。按传感器的能量转换情况：分为能量转换型和能量控制型。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传感器概述按传感器的工作原理分为：电阻式传感器压电式传感器磁电式传感器光电式传感器气电式传感器热电式传感器射线式传感器波式传感器半导体式传感器其他原理传感器

3.1.2传感器的分类C3.1传感器概述3.1.3传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标量程指标:量程范围、过载能力等灵敏度指标:灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等精度有关指标:精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性等动态性能指标:固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间、过冲量、稳态误差温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标:允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差等其它环境参数:抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标:供电方式(直流、交流、频率及波形等)、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等结构方面指标:外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装连接方面指标:安装方式、馈线电缆等3.1传感器概述传感器选用原则

灵敏度:高，测量范围，方向性

响应特性:快，不失真

线性范围：工作量程

稳定性：时间和环境

精确度：高，但要考虑经济性1确定测试方式和初步确定传感器类型2分析测试环境和干扰因素3根据测试范围确定某种传感器4确定测量方式

5体积、价格、易维护性等3.1传感器概述3.1.4传感器技术的主要应用及发展趋势（1）在工业生产过程的测量与控制方面的应用（2）在汽车电控系统中的应用（3）在现代医学领域的应用（4）在环境监测方面的应用（5）在军事方面的应用（6）在家用电器方面的应用（7）在学科研究方面的应用（8）在智能建筑领域中的应用1.传感器技术的主要应用传感器的发展趋势采用新原理、开发新型传感器；大力开发物性型传感器(结构型满足不了要求)；传感器的集成化；传感器的多功能化；传感器的智能化(SmartSensor)；研究生物感官，开发仿生传感器。3.1传感器概述3.2电阻式传感器

基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路将电阻变化变换为电压或电流进行测量。按工作原理分1应变式电阻传感器2变阻器式电阻传感器3.2电阻式传感器3.2.1电阻应变传感器应变传感器特点及使用特点：①性能稳定，精度高;②测量范围宽;③频率响应较好,可用于静态、动态测量;④体积重量小，结构简单，价格低,品种多样,便于选择和大量使用；⑤对环境适应能力强。缺点：输出信号微弱。使用：①直接粘在被测试件上；②粘在弹性体上，构成各种物理传感器。3.2电阻式传感器电阻式传感器的工作原理（1）设电阻应变片的初始阻值为：变形时，

、l、A将同时发生变化，从而导致R改变。若

、l、A的变化量为d

、dl、dA，则：即：对半径为r的金属电阻丝有：从而：3.2电阻式传感器电阻应变计的工作原理（2）金属的电阻应变效应：导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随所受机械变形（应变）的变化而发生变化的现象。其中，由电阻丝几何尺寸随应变改变所引起。对于同一电阻材料，为常数。由电阻率随应变的改变引起，对金属电阻丝，很小。3.2电阻式传感器即电阻相对变化与应变成正比。比值K0称为电阻应变片的应变系数或灵敏度。通常：K0=1.7～3.6。电阻应变计的工作原理（3）从而：3.2电阻式传感器电阻应变式传感器结构组成：l称为栅长(标距)，b称为栅宽(基宽)，

b×l称为应变片的使用面积。应变片的规格以面积和电阻值表示，如3mm×20mm，120Ω。3.2电阻式传感器

丝式应变片

结构：将高电阻率金属丝（康铜、镍铬、卡玛合金等，直径为0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，引出导线接于电路中。金属电阻应变片分为丝式、箔式和膜式等。电阻应变片的分类及材料3.2电阻式传感器丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。金属丝式应变片有回线式和短接式两种。回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大；短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。丝式应变片安全电流：10～50mA，电阻：50～1000

（典型120

）。金属丝式应变片3.2电阻式传感器

箔式应变片由厚度为0.003～0.01mm的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔片。箔式应变片适于大批量生产，可制成多种复杂形状，线条均匀，敏感栅尺寸准确，栅长最小可到0.2mm；散热好，允许电流大；横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。

箔式应变片3.2电阻式传感器箔式应变片样品3.2电阻式传感器膜式应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1

m以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达－197～317℃。

膜式应变片3.2电阻式传感器电阻应变式传感器分类2按基底不同：纸基、胶基，金属基。被测量应力场不同：单向应力的应变计、平面应力应变计。3.2电阻式传感器电阻应变片的性能参数（1）应变片电阻值(R0)（2）几何尺寸（3）绝缘电阻（4）灵敏度系数（K）（5）允许电流（6）机械滞后（7）应变极限（8）零漂和蠕变（9）热滞后（10）疲劳寿命应用：直接用来测量结构的应变或应力

电阻应变式传感器的应用A轧机立柱上应变计的布置和接线方式3.2电阻式传感器

将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器

电阻应变式传感器的应用B3.2电阻式传感器利用半导体单晶的压阻效应使阻值变化。压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率

发生变化的现象。单晶半导体在外力作用下的电阻变化量仍为：对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化，远远大于形变引起的电阻变化从而得：3.2.2压阻式传感器3.2电阻式传感器半导体硅的灵敏度50-100。半导体应变片的灵敏度比金属丝应变片大50～70倍。不同材料的半导体、不同载荷施加方向，压阻效应不同，灵敏度也不同。两种类型：半导体应变计、固态压阻传感器。固态压阻传感器是在半导体材料基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，亦称扩散型压阻传感器，或固态压阻传感器。主要用于测量压力和加速度等。半导体式应变片结构3.2电阻式传感器优点灵敏度高：有时传感器的输出不需放大可直接用于测量分辨率高，例如测量压力时，可测出10～20Pa的微压；机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高、易于集成化缺点：温度稳定性能差；灵敏度分散度大；大应力作用，非线性误差大；机械强度低。半导体式应变片特点3.2电阻式传感器变阻器式传感器原理

变阻器式传感器是精密线绕电位器，通过改变电位器触头位置将位移转换为电阻变化。其中，

：电阻率；

l：导体长度；

A：导体截面积。显然，若导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。

导体电阻公式：（

）3.2.3变阻式传感器3.2电阻式传感器变阻式传感器结构与分类用途：除可以测量线位移或角位移外,还可以测量可以转换为位移的其它物理量参数,如压力、加速度等。

变阻式传感器分类：按结构形式不同,可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按其特性曲线不同,则可分为线性电位器和非线性电位器。

3.2电阻式传感器如图，当改变触点C的位置时，AC间电阻值：kl：单位长度内的电阻值，材质均匀时为常数。当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。

传感器灵敏度：（

/m）

xCxABCRR=klxS=dR/dx=kl直线位移型3.2电阻式传感器直线位移型电位器的输出端电压：当负载电阻RL→∞，相应位移x的电压输出式中KL为电压灵敏度。电位器的输出电压电位器传感器负载特性3.2电阻式传感器（

/rad）

：角位移；k

：单位弧度对应的电阻值，材质均匀时为常数。传感器灵敏度：角位移型图为回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化，故为角位移型。

3.2电阻式传感器非线性电位器

非线性电位器，又称函数电位器。是其输出电阻与电刷位移(包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器。它可以实现指数函数、三角函数、对数函数等变换，也可以是其它任意函数。若输出量为，电位计的骨架应采用三角形；

输出量为，电位计的骨架应采用抛物线型。3.2电阻式传感器(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低且性能稳定；(2)受环境因素(温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出—输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需放大。变阻式传感器的优点3.2电阻式传感器变阻式传感器的缺点

（1）因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；（2）由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较低；（3）动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。3.2电阻式传感器变阻式传感器应用实例

变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。气缸行程电阻位移传感器(瑞典REGAL公司）3.2电阻式传感器3.3电感传感器

概述电感传感器将被测量，如位移或能转换成位移的机械量，转换为电感量的变化。其变换的基础是电磁感应原理。按照变换方式的不同可分为：自感型（包括可变磁阻式与电涡流式）、互感型（差动变压器式）。

3.3.1自感式传感器

1可变磁阻式传感器的构造如图，由线圈、铁芯和衔铁组成。在铁芯与衔铁之间存在气隙。

3.3电感式传感器1可变磁阻式传感器传感器灵敏度与气隙长度的平方成反比。若固定导磁截面积A0

，变化

时3.3电感式传感器为了减小非线性误差，通常使这种传感器在较小间隙范围内工作。设间隙变化范围为（

0，

0+

），实际应用中，取

/

0

0.1。变气隙长度式传感器适用于微小位移的测量，测量范围：0.001～1mm。

变磁阻式传感器—变化

3.3电感式传感器如果将δ固定，变化空气隙导磁截面积时，自感L与呈线性关系。

变磁阻式传感器—变化截面积

3.3电感式传感器

1）可变导磁面积型：线性，灵敏度低2）差动型：提高灵敏度，改善线性特性2.可变磁阻式传感器典型结构3.3电感式传感器

3）单螺管线圈型：结构简单、易制造，灵敏度低，适于较大位移（数毫米）测量

4）双螺管差动型：提高灵敏度，改善线性变磁阻式传感器—螺管线圈型3.3电感式传感器应用-电感测微仪工作原理测量杆2与衔铁7相连，工件1的尺寸变化或微小位移经过测量杆2带动衔铁7上下移动，使两线圈4的电感量发生差动变化，其交流阻抗发生相应的变化，通过后续的电路，将得到一个与衔铁唯一相对应的直流信号，通过指示仪表5显示出来。3.3电感式传感器2差动变压器式电感传感器

原理:由互感现象，传感器初级线圈W1输入交流电流时，次级线圈W2产生感应电动势，其大小与初级线圈电流的变化率成正比。即：M为两线圈的互感，其大小与两线圈的相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关。3.3电感式传感器当被测量转换为衔铁位移时，传感器两线圈的互感改变，导致输出相应改变。实际的互感传感器通常采用两个次级线圈，并接成差动式，故称为差动变压器式传感器。

差动变压器式传感器原理A

3.3电感式传感器差动变压器式传感器原理动画3.3电感式传感器输出是交流，只反映大小，不能反映极性；输出存在零点残余电压；后接电路解决以上问题。下图为用于小位移测量的差动相敏检波电路，其中R用于调节零点残余电压的大小。

差动变压器相敏检波电路3.3电感式传感器差动相敏检波电路动画3.3电感式传感器

精度高(0.1

m数量级，最高可达0.01

m)，高精度型非线性误差可达0.1%

线性范围大（可达

100mm）稳定性好，结构简单，使用方便因包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量差动变压器特点3.3电感式传感器应用1案例：板的厚度测量

~案例：张力测量3.3电感式传感器应用2振动和加速度的测量衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。液位测量采用了电感式传感器的沉筒式液位计。由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变成衔铁的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。3.3电感式传感器电涡流式传感器当金属板置于变化着的磁场中时，或者在磁场中运动时，在金属板上产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，所以称为涡流。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度t以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。若固定其他参数，仅仅改变其中某一参数，就可以根据涡流大小测定该参数。涡流式电感传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。3电涡流式传感器3.3电感式传感器高频反射式电涡流式传感器动画3.3电感式传感器金属板置于线圈附近，相互间距为

。当线圈中通入高频交变电流i时，产生磁通

，此交变磁通作用于邻近的金属板（由于趋肤效应，仅作用于金属板表面的薄层内），使金属板产生“旋涡状”的闭合感应电流i1（称为涡电流或涡流）。该电流也产生交变磁通

1，反作用于线圈，根据楞次定律，涡流的交变磁场变化方向与线圈磁场变化方向相反，

1总是抵抗

的变化，从而导致原线圈等效阻抗发生变化。高频反射式电涡流式传感器原理3.3电感式传感器传感器等效阻抗的变化程度与线圈尺寸、距离

、金属板电阻率

和磁导率

、线圈激励电流i及其频率

有关。通常线圈尺寸、激励电流i及其频率

一定，若金属板材料一定，变化

可以用来测量位移、振动等参量。若

一定，变化

或

可实现材质鉴别或无损探伤。

高频反射式电涡流式传感器特性3.3电感式传感器如图W1和W2分别为发射线圈和接收线圈，两线圈间存在金属板G，低频（音频）交流电流流经W1产生交变磁场穿过金属板作用于W2，并产生感应电压E2。由于金属板产生的涡流消耗了一部分磁场能量，从而使E2有所降低，板越厚，E2

越低。即E2

的大小间接反映了金属板的厚度。

低频透射式涡流传感器原理厚度h（越大）,涡流（）,e２（）。

思考：（越大）（越小）3.3电感式传感器动态、非接触测量灵敏度高分辨力高，检测范围：

1mm~

10mm，最高分辨力可达lμm。结构简单，使用方便，不受油液等介质影响涡流传感器测量特点3.3电感式传感器涡流传感器应用①利用位移x作为变换量，做成测量位移、厚度、振动、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；②利用材料电阻率ρ作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器；③利用材料导磁率μ作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；④利用变换量μ，ρ，x的综合影响，可以做成探伤装置。3.3电感式传感器回转轴振动测试回转轴误差测量厚度测量零件计数接近开关表面裂纹或缺陷检测材质判别涡流传感器实用领域油管检测3.3电感式传感器涡流传感器的应用动画演示3.3电感式传感器3.4电容式传感器

1工作原理及类型电容式传感器实质是一具有可变参数的电容器。中间充满介质的两块平行金属极板构成的电容器，其电容量为：式中，

：介质相对真空的介电常数，空气

1；

0：真空的介电常数，

0=8.85

10-12F/m；

：极板间距；

A：极板面积。当被测量使

、A或

发生变化时，都会引起C的变化。实际使用中，通常仅改变一个参数，根据变化参数的不同，可分为三类：改变极板间距的极距变化型改变极板相互遮盖面积的面积变化型改变极板间介质的介质变化型（改变

）工作原理及类型3.4电容式传感器初始电容：显然，C与极距成反比（如图）。1）极距变化型电容器3.4电容式传感器灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受极板间击穿电压的限制。为了减小因灵敏度随极距变化导致的非线性误差，通常极距变化范围

/

0

0.1。此类电容传感器仅适于较小位移的测量（0.01

m～数百微米）。灵敏度：当两极板在被测参数作用下发生位移时,引起电容的变化为：极距变化型电容器灵敏度3.4电容式传感器实际应用中，为了提高灵敏度、线性及克服某些外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响常采用差动式（如右图）。此时灵敏度提高一倍，非线性误差减小。差动式极距变化型电容器3.4电容式传感器其它极距变化型电容器图例3.4电容式传感器包括角位移型和线位移型（平面线位移和圆柱体线位移）两种。角位移型1—动板

2—定板其中，

：覆盖面积对应的中心角；

r：极板半径。2）面积变化型电容式传感器3.4电容式传感器1—动板

2—定板其中，b：极板宽度。平面线位移型电容式传感器3.4电容式传感器1—动板

2—定板其中，D：圆筒孔径；

d：圆柱外径。面积变化型电容传感器输入输出成线性关系，但灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。圆柱线位移型电容式传感器3.4电容式传感器其它面积变化型电容器图例3.4电容式传感器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。

变介电常数型电容传感器3.4电容式传感器

输入能量小（极板间静电引力小）、灵敏度高；2)电参量相对变化大；3)动态特性好（可动质量小，固有频率高）；4)发热小，能量损耗小；5)结构简单、适应性好，可在高、低温、强辐射环境中工作；6)可实现非接触测量。1.主要优点3.4.2电容式传感器特点与应用3.4电容式传感器①非线性大：对于极距变化型电容传感器非线性大；解决办法：差动电路（不能完全消除）

比例运算放大器电容式传感器缺点及解决办法（１）3.4电容式传感器②电缆分布电容影响大。传感器两极板之间的电容很小，仅几十个pF，小的甚至只有几个pF。而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容，如屏蔽线的电容最小的l米也有几个pF，最大的可达上百个pF。

解决办法：

1)利用集成电路(微型集成块植入传感器内以减少寄生电容的影响)；

2)利用双屏蔽传输电缆。应用：电容式测厚仪3.4电容式传感器应用：电容式转速传感器3.4电容式传感器电容式测力传感器3.4电容式传感器3.5

压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。压电效应变换原理某些晶体在外力作用下，不仅产生形变，而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷，形成电场；去掉外力后又重新回到不带电的平衡状态，这种现象称为压电效应。与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体置于电场中，在一定方向上产生机械变形或机械应力，撤去外电场，变形和应力消失，这种现象为逆压电效应。具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料。常用的压电材料:压电单晶体:如石英、酒石酸钾钠等;多晶压电陶瓷:如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等,又称为压电陶瓷。聚偏二氟乙烯(PVDF)

:一种新型的高分子物性型传感材料逆压电效应3.5压电式传感器理想形状：中间为六棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。

石英晶体的压电效应光轴电轴机械轴光轴：

z轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿z轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称为中性轴。3.5压电式传感器电轴：

x轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形。石英晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。

石英晶体的压电效应3.5压电式传感器压电效应模型纵向压电效应：沿x轴加力，电荷出现在垂直于x轴的表面。横向压电效应：沿y轴加力，电荷仍出现在垂直于x轴的表面。切向压电效应：沿x轴或y轴施加垂直于z轴的剪切力，在垂直于x轴的晶体表面产生电荷。3.5压电式传感器压电式传感器及其等效电路

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。

压电元件的开路电压：Ua=q/Ca3.5压电式传感器若考虑负载（测量电路），等效电路如下：假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：其中，Cc、Ci分别为电缆寄生电容及后续测量电路的输入电容。压电式传感器及其等效电路

3.5压电式传感器由于电荷泄漏，静态测量或准静态量值时,必须采取一定措施,使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；动态测量时,电荷可以不断补充,从而供给测量电路一定的电流,故压电式传感器适宜作动态测量。压电式传感器的使用3.5压电式传感器压电元件的串联++++++++++----------FFa)串联压电式传感器有电荷及电压两种输出方式。为了增大输出值，压电传感器往往用两个（较多见）或两个以上的晶体串接或并接：

n个晶体串接时，输出电荷量与单片晶体电荷相同，总电容为单片晶体电容的1/n，

输出电压为单片晶体电压的

n倍。

串接时，输出电压大、电容小、时间常数小，适宜测量迅变信号和以电压输出的场合。

3.5压电式传感器++++++++++----------FFb)并联

n个晶体并接时，输出电荷量为单片晶体电荷n倍，总电容为单片晶体电容n倍，输出电压等于单片晶体电压。

并接时，输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。压电元件的并联3.5压电式传感器压电元件的串并联动画3.5压电式传感器特点能量转换型（发电型）传感器;体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围;灵敏度高，稳定性好，可靠;有比较理想的线性，没有滞后现象;主要用于动态测量;

压电式传感器的特点及应用

应用广泛应用于冲击、振动及动态力的测量。3.5压电式传感器几种压电式传感器3.5压电式传感器压电式加速度传感器3.5压电式传感器3.6磁电式传感器

磁电式传感器将被测物理量转换为感应电动势，也称为感应式或电动式传感器。磁电式传感器包括：①磁电感应式传感器；②霍尔式传感器它把被测物理量的变化转变为感应电动势。根据法拉第电磁感应定律，W匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即

由公式可以看出，凡是能够引起磁通变化率的参数，都可以改变线圈的感应电动势。我们知道磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关。1．工作原理：3.6.1磁电感应传感器3.6磁电式传感器分类磁电式

恒定磁通式变磁通式线速度型角速度型N3.6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，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、W、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。在测量电路中接入积分电路或微分电路，还可以用来测量位移或加速度。磁电感应式传感器只适用于动态测量。1）恒定磁通式感应传感器3.6磁电式传感器动圈式线速度角速度传感器动画3.6磁电式传感器动铁式磁电感应式传感器3.6磁电式传感器变磁阻式又称变磁通式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度。（2）变磁阻式传感器线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮1（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。

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,不影响测量精度,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。

3.6磁电式传感器磁电式传感器。它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。3.6.2霍尔传感器置于均匀磁场中的通电半导体（锗、锑化铟、砷化铟等），在垂直于电场和磁场的方向产生横向电场的现象称为霍尔效应，相应电场称为霍尔电场。3.6磁电式传感器霍尔效应的产生是运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。假设一通以固定电流i的N型半导体薄片置于与薄片厚度方向平行的磁场B中，则其中运动的载流子（电子）将受到洛伦兹力FL的作用向一边偏移，并形成电子累积，另一边积累正电荷，产生电场。该电场对电子产生电场力FE，阻止运动电子的继续偏转，当FE=FL时，电子积累达到动态平衡。此时电场即为霍尔电场。霍尔传感器原理3.6磁电式传感器VH=(RH/d)iBcos=kHiBcos

其中，kH：灵敏度系数，取决于材质、温度、元件尺寸；

：薄片法线与磁场方向的夹角。显然，改变i或B，即可改变VH。

霍尔传感器工作原理霍尔电场对应的电势称为霍尔电势（VH），其大小为：3.6磁电式传感器霍尔元件基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。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。3.6磁电式传感器从a端通入电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势UH1，，右半部产生霍尔电势UH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为UH1-UH2。如果霍尔元件在初始位置时UH1=UH2，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。霍尔位移传感器abcd3.6磁电式传感器霍尔转速传感器3.6磁电式传感器应用3案例：电流传感器案例：管道裂纹检测原理磁场强度变化检测VH=(RH/d)iBcos=kHiBcos

3.6磁电式传感器3.7光电式传感器

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。光电器件的物理基础是光电效应。

外光电效应：在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象；如光电管、光电倍增管。光电导效应：在光线作用下使物体电阻率改变的现象；如光敏电阻等。光生伏特效应：在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象；如光电池、光敏晶体管等。也称阻挡层光电效应。4.7.1光电效应及光电器件

真空光电管：在一个真空的玻璃泡内装有两个电极,一个是光电阴极,一个是光电阳极。光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料(如铯Cs)。当光线照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。1外光电效应（光电管和光电倍增管）若在外电路串入一定阻值的电阻，则在该电阻上的电压降或电路中的电流大小都与光强成函数关系，从而实现光电转换。3.7光电式传感器受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：①光电导效应；②光生伏特效应①光电导效应：半导体材料受到光照时电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。应用：基于这种效应的光电器件有：a.光敏电阻(光电导型)

b.反向工作的光敏二极管、光敏三极管2内光电效应3.7光电式传感器1）光敏电阻(光导管)

在黑暗的环境下，它的阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，电阻率变小。光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)。光敏电阻3.7光电式传感器案例：亮度传感器通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。光敏二极管3.7光电式传感器3光生伏特效应硅光电池也称硅太阳能电池，它是用单晶硅制成，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的P-N结，P层做得很薄,从而使光线能穿透到P-N结上。硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。因此凡是不能铺设电缆的地方都可采用太阳能电池，尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。光生伏特效应：在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象。3.7光电式传感器光电式传感器的工作形式A按接收状态：模拟式和脉冲式。模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性,其光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数。光电传感器有如下几种工作方式：吸收式：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。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。3.7光电式传感器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。如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等光电式传感器的形式B反射式光电传感器3.7光电式传感器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。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。

被测物体本身就是辐射源,作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。

光电式传感器的形式C遮光式光电传感器辐射式光电传感器3.7光电式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“通”、“断”的开关状态，也称为光电元件的开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高。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、光电编码器及光电报警装置等方面。光电测速计、光电式转速计就是这方面的应用实例。光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器