传感器原理及应用 第4版 课件 于彤 第5-10章 位置传感器-传感器综合应用

位置传感器2接近开关的类型电感式电容式霍尔式光电式红外(热释电)式非金属(包括金属)√01非金属(包括金属)√02磁场(铁磁性物体)03对光的敏感特性04红外辐射(温度)05电感、电容式接近开关原理特性主要内容接线方式主要参数4啤酒生产线562.电感接近开关原理--电涡流效应金属物体靠近接近开关时，金属内部产生涡流。涡流反作用于接近开关，使内部线圈电感量变化，经信号变换，输出开关信号(通断)。三极管开关作用电涡流效应电感接近开关原理框图被测金属物体感应磁罐检测距离高频振荡电路整形检波信号处理开关量输出三极管的开关作用3.接线规则“棕正、蓝负、黑输出”关注135产品说明书接线图4.电容式接近开关5.接近开关主要参数额定检测距离额定输出电流工作频率回差14知识小结01接近开关类型、用途03电感接近开关原理——电涡流效应04电容接近开关原理——电容效应02接线规则（三线式）电容式传感器的结构形式改变A、d、

三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C

改变。变面积式电容传感器1特性线性较好，灵敏度为常数。应用检测直线位移、角位移、尺寸等。变面积式电容传感器变极距式电容传感器2工程设计：使初始极距d0尽量小，以提高灵敏度，但会使量程减小。金属膜片M

和固定电极

N

形成电容器,M

在声波作用下振动,电容量发生周期性变化，从电阻R

上得到变化的电压。绝缘支架应用实例——电容式话筒变介电常数式3常见介质的相对介电常数聚四氟乙烯外套电容式传感器的应用电容液位计1棒状电极外面包裹聚四氟乙烯套管液面电极与导电液体间电容量

电容液位计安装示意图电容式差压传感器2电容式加速度传感器3测量振动、惯性力、加速度工作电压2.7～5.25V加速度测量范围为数个g可输出PWM脉冲装有传感器的假人安全气囊加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器安装位置延时起爆的钻地炸弹湿敏电容4吸水高分子薄膜相对湿度电极间介电常数电容量电容介质吸湿绝缘材料多孔电极湿度传感器模块湿敏电容传感器的应用在野外的使用带报警器的家庭使用型电容式油量表5电容式测厚仪6基本霍尔元件四端元件霍尔传感器可测量地磁（电子罗盘）、高斯计、无刷电动机、接近开关等通有电流I的半导体片垂直置于磁场B中，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称霍尔效应，霍尔电动势EH=KHIB1.霍尔效应分为线性型和开关型两大类2.霍尔集成电路

线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为1～10V。线性型三端霍尔集成电路开关型霍尔集成电路霍尔传感器的应用由EH=KHIBcos知，

霍尔传感器用于测量能够转换为磁场的其他物理量霍尔元件①霍尔特斯拉计（高斯计）

齿盘的转动使磁路的气隙周期性变化，霍尔元件输出脉冲信号，从而确定被测物的转速SN线性霍尔磁铁②霍尔转速表

t

当齿轮齿尖对准霍尔元件时，磁场较强，输出高电平；当齿轮齿槽对准霍尔元件时，磁场较弱，输出低电平霍尔转速表原理NS磁体霍尔元件齿圈NS磁体霍尔元件齿圈霍尔传感器钢质汽车防抱死装置（ABS）中的应用霍尔传感器用于检测车轮转速，由ECU控制制动力，实现制动防抱死。汽车点火线圈高压输出接头12V电源输入③汽车发动机点火装置传统机械点火缺点：点火时间不准确（影响发动机效率）、触点易烧坏

霍尔式电子点火装置a）触发器

b）安装关系

c）点火正时示意图

霍尔式电子点火装置原理a）电路

b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形

霍尔式电子点火电路原理直流电动机取消换向器和电刷，用霍尔元件检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号控制电枢电流换向，使电动机正常运转。在DVD机、光驱等设备中广泛应用。④霍尔式无刷电动机去速度控制器PWM调速电动自行车的无刷电动机及控制电路光驱用的无刷电动机内部结构

当磁铁的有效磁极接近并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关需配置磁铁。⑤霍尔式接近开关开关型霍尔IC

软铁分流翼片

霍尔式转速测量铁心线性霍尔IC

EH=KHI

BII⑥霍尔电流传感器光电开关原理光电开关应用发射器接收器当被检测物体位于发射器和接收器之间时，光线被阻断，接收器接收不到红外线而产生开关信号。光电开关的应用方式（1）遮断式由相对安装的光发射器和光接收器组成反射式光电开关光电开关有一个设定的检测区域，只有经过该区域的被测物体，才会由传感器检测到反射信号。也称定区域式。（2）反射式用偏光三角棱镜制成反射镜，将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面有一层偏光透镜，只能接收反射镜反射回来的偏振光。（3）镜反射式自动水龙头当被测物经过时，发射器发出的光经被测物表面反射到接收器，产生开关信号。（4）漫反射式光发射器和光接收器集于一体机床安全区域保护门禁和预警保护将遮断式光电开关组合在一起，常用于安全门禁系统和物体外观尺寸的检测。（5）光幕发射器接收器测量转速测量长度（6）光电断续器原理与光电开关相同，但其发射和接收器做在体积很小的同一塑料壳体内。光电断续器有遮断型和反射型两种类型，检测距离为几毫米至几十毫米。小练习A.遮断式光电开关B.反射镜反射式光电开关C.定区域反射式光电开关D.漫反射式光电开关选择题：对透明物体进行计数，应选择()。1简单说明光电断续器用于透明薄膜长度检测的原理。2热释电元件外形热释电传感器热释电元件用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。热释电传感器的内部电路返回热释电传感器工作原理具有红外辐射的目标在探头前的某视角范围移动时，光线经菲涅尔透镜投射到热释电元件口，元件输出交变电荷（电压）信号。若目标静止不动，热释电元件无输出信号。菲涅尔透镜热释电元件菲涅尔透镜与热释电元件实例：热释电感应灯热释电传感器自动调节出风量菲涅尔透镜检测室内人员及移动上下范围左右范围实例：智能空调中的应用位移和速度传感器位移检测位移检测分为测量尺寸和机械位移两种位移传感器分为模拟式和数字式两种类型位移传感器介绍位移传感器模拟式电位器、电感、电容式、电涡流、应变式、霍尔式、自整角机…数字式角编码器、光栅尺、磁栅、容栅…位移传感器数字式——便于将信号直接送入计算机系统、发展迅速、应用广泛。位移传感器的应用01小位移应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器…02大位移感应同步器、光栅、容栅、磁栅…03光栅易于数字化、精度高、抗干扰力强、方便可靠类型测量范围精度线性度特点电位器式线绕式1~300mm0.1%±0.1%简单、有磨损非线绕式1~1000mm0.5%±0.5%分辨力低电阻应变0.1μm~0.1mm<2%0.1%~0.5%分辨力高温度影响自感式±25μm~±50mm0.1μm灵敏度高频响低电容式1μm~10mm0.005%±1%分辨力高温度影响光栅式1μm~10m3μm/m分辨力高磁栅式1m~20m5μm/m速度快激光式20m分辨力0.2μm位移传感器的应用电位器式传感器01特性电位器通过改变滑动臂的位置，可以改变电路分压比；02类型直线式用于测量直线位；圆盘式用于角位移测量；03性能电位器传感器的精度要求高、温漂小；电位器传感器结构电位器式传感器电位器传感器外形直线式角位移式角位移式电位器电源输出接地直线式电位器运动方向电位器与仪表

位移测量原理电位器两端加上电源Ei后，根据电阻分压关系，输出Uo与位移x相关直线式电位器：角位移式电位器：位移测量原理

t

角位移电位器测量直线位移钢丝绕在圆盘形电位器转轴上x-线位移n-圈数（角度）D-直径x=n×

D×π电位器传感器的应用A/D转换器D/A转换器驱动器气源直滑式电位器控制气缸活塞行程1.气缸2.活塞3.直线轴承4.气缸推杆5.电位器滑杆6.直滑式电位器传感器7.滑动触点（电刷）8.9.进/出气孔10.12.消音器11.进气孔13.电磁线圈14.电动比调节阀15.气源处理三联件16.阀心17.阀心杆18.电磁阀壳体19.永久磁铁电位器传感器的应用差动变压器的应用测微计流水线检测测厚测压力………电感测微器结构②固定磁筒③衔铁④线圈⑤测力弹簧⑥防转销①引线电缆⑦钢球导轨（直线轴承）⑧测杆⑨密封套⑩测端⑪被测工件⑫基准面①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫电感式滚柱直径分选装置滚柱直径分选装置①气缸②活塞③推杆④被测滚柱⑤落料管⑥电感测微器⑦钨钢测头⑧限位挡板⑨电磁翻板⑩容器（料斗）

直径分选装置中的电感测微器测微器圆柱滚子差动变压器式厚度测量原理差动变压器式厚度测量原理数字式位移传感器角编码器将被测角位移转换成二进制码或脉冲角编码器原理转轴盘码光敏元件光栏及狭缝LEDABC零位标志ABC光电式角编码器透光区不透光区零位标志10码道光电绝对式码盘4位二进制码盘+5V输入公共码道编码器演示4个电刷最小分辨角度α=360°/2n

编码器的分辨力测量的最小角度——角分辨力α=360°/2n10码道的角编码器，角分辨力是

α=360°÷210≈0.35°若要分辨力达0.1°，则需要

360°÷2n≤0.1°即n≥12，码道数至少12.例编码器在定位加工中的应用伺服电机中的角编码器010203转速测量转子磁极位置测量角位移测量程序控制器控制信号电机转速(角)数码光栅传感器光栅外观角编码器原理指示光栅主光栅主光栅指示光栅（扫描头）莫尔条纹现象98莫尔条纹现象99透射式光栅刻线宽度W条纹宽度L莫尔条纹的光学放大作用L≈W/θ

，（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）101光栅传感器原理光栅测量举例某光栅50/mm，则分辨力

=0.02mm,①若计数器显示为“3”，则被测位移：

x=0.02×3=0.06mm②用4细分电路：则分辨力为0.02mm/4=0.005mm=5

m

采用细分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高为4倍。防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器数控机床中的光栅容栅结构变面积式电容传感器，电极排列为栅状特点小巧、价低、省电、量程几百毫米以下应用电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪各种容栅数显卡尺特点成本低、使用方便、测量范围宽、抗干扰力强类型磁栅可分为长磁栅和圆磁栅用途长磁栅主要用于直线位移测量圆磁栅主要用于角位移测量磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔磁栅外形及结构尺身读数头数显表XY两维磁栅尺数显表磁栅在机床上的安装磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示磁尺与磁头接触

磁头鉴相型磁栅数显表原理框图压板磁头磁尺磁栅测量系统2026/9/8112磁尺磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺数显表磁栅在铣床直线位移测量中的应用新型传感器光纤的应用光纤之父1966年英籍华人高琨博士提出光纤可以象铜线传导电子一样传导光波。

1970年光纤损耗问题得到突破，使光纤作为信息载体成为可能的现实。

2009年高琨获得诺贝尔物理学奖。高琨博士被称为“光纤之父”光纤的特点1灵敏度高、响应快、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性、易于远传01应用：位移、速度、压力、液位、流量、温度02光纤的两种类型2物性型光纤（传感器）①物性型光纤压力传感器原理入射光透射光入射光透射光压力压力压力(a)施加均衡压力(b)施加点压力利用光纤对环境变化的敏感性，将被测量变换为调制的光信号光纤的两种类型2结构型光纤②光纤仅作为光的传播媒质，也称传光型或非功能型光纤光纤结构与原理3光纤结构示意图缓冲层硅树脂类材料包层125~350㎛石英纤芯5~125㎛石英玻璃光纤传光原理（全反射）光纤传光机理示意图

光纤的主要参数4数值孔径：光纤的有效进光入射角

光纤的应用5物性型应用——传感器01结构型应用——传光工具02光纤温度传感器保护管内高温光纤低温光纤标志孔

光纤耦合器传输光纤出射光纤光纤式光电开关电路板标志检测当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确光纤式光电开关光纤内窥镜将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可测得透射光相位的变化光纤陀螺CMOS图像传感器CCD图像传感器一名称电荷耦合器件CCDM功能光电转换信息存贮传输G特点功耗小分辨力高T应用摄影通信光学检测Y基本原理1CCD器件=光敏元+转移栅+移位寄存器+I/O电路CCD光敏元阵列光信号电荷寄存器显示器或存储单元01020304工作流程分类2线阵面阵在x、y两个方向扫描，获得二维图像基本特性3动态范围、信噪比、芯片尺寸…像素数一定时，像素元大的CCD芯片可以获得更好的拍摄效果。应用4扫描仪中的应用（线阵CCD）

数码相机中的应用（线阵CCD）CCD数码相机结构CCD芯片内的基本电路CMOS

图像传感器二认识CMOS图像传感器成像质量比CCD略低成像质量比CCD略低特性视频摄像头应用①保护膜②镜头组③对焦马达④红外线滤光片⑤影像传感器⑥线路连接基板手机中的CMOS图像传感器CMOS摄像头智能传感器与无线传感器网络

1智能传感器的基本特征和组成方法

2无线传感器网络组成、传感器节点作用什么是智能传感器智能传感器是具备记忆、分析和思考能力、输出期望值的传感器。智能传感器：

除产生一个被测量或被控量的正确表示之外，还能简化换能器的综合信息，以用于网络环境的传感器。CMOS图像传感器智能红外测温仪原理框图实例:智能红外测温仪智能传感器的功能01提供全面、真实的信息，消除异常值或例外值。02进行信号处理，包括温度补偿、线性化等。03随机调整和自适应功能。04存储、识别和自诊断功能。05有特定算法并可根据需要改变算法。人类智能的构成智能传感器的实现智能传感器的三个层次实现传感器智能化的途径利用计算机智能合成传感器与微处理器的结合1利用特殊功能材料智能材料如固定在生物传感器顶端的酶2利用功能化几何结构智能结构利用传感器的结构处理信号3

以微处理器为核心，对燃油液位、电池电压、水温、机油压力、车速等信息进行采集、处理、显示和报警，同时接收GPS信息并显示。实例：车载信息系统发动机传感器及ECUMEMS被测量微传感器微处理器微执行器输出信号MEMSMicroElectro-MechanicalSystem微机电系统基本结构硅基片上集成制造机械（敏感）零件和电子元件主要功能检测被测信息、信号处理器、执行组成单元微传感器、处理电路、微执行器、接口、电源微型传感器传感器网络单独传感器数据采集从分布式数据采集系统到传感器2信号处理计算机执行器执行器信号处理传感器1计算机传感器3信号处理计算机执行器传输线无线传感器网络(WSN)发展的三阶段1-的传感器系统（热带树…）2-分布式传感器网络3-传输、低功耗节点发展三阶段无线传感器网络——继互联网之后的第二大网络无线传感器网络的特点特点大面积空间分布能源受限制网络自动管理网络结构变化迅速网络自动配置无线传感器网络节点的结构数据采集模块数据处理模块无线通信模块传感器数据处理无线通信供电模块节点电源模块实例：农业种植监测管理传感器与机器人思考一你见过机器人吗？你知道机器人是怎么模仿人的吗？机器人的分类国际上没有制定统一的标准按自由度分按结构分按负载重量分按控制方式分按应用领域分可以视觉传感器1触觉传感器2金属圆顶式接触传感器触觉传感器视频矩阵分布式接触传感器压觉传感器3矩阵压觉

传感器导电橡胶

压觉传感器压觉传感器3智能式高密度压觉传感器硅电容压觉传感器力觉传感器4支座力传感器02这是一种用来测量机械手与支座间的作用力，从而推算出机械手施加在工件上力的传感器腕力传感器01它是检测机器人终端环节与手爪之间力的传感器滑觉传感器5滚球滑觉传感器滑觉传感器5滚轴式滑觉传感器接近觉传感器6电磁感应式接近觉传感器光纤接近觉传感器反射式接近觉传感器其它机器人传感器嗅觉传感器②听觉传感器①味觉传感器③光谱图X射线可见光紫外线Gamma红外线FM短波雷达波TVAM380nm760nmC

可见光区域紫外线红外线

红外温度计红外辐射式温度计的测量范围为30~3000℃，以温度段分为若干不同规格型号。红外线辐射温度计外形激光用于测量瞄准红外线辐射温度计用于人体额温测量手持红外体温计红外测温仪（门）T/(K)=t/(℃)+273.15红外辐射温度计的测温原理被测物体红外传感器主控CPU蜂鸣器按键液晶显示红外数字信号驱动驱动一切高于0K（-273℃）的物体都有红外辐射，物体的红外辐射能量及其波长分布与其表面温度有关。测出目标在其波段范围内的红外辐射量，再计算出温度。红外测温仪原理T/(K)=t/(℃)+273.15表面温度与红外辐射波长分布的关系传感器信号处理17501电桥电路02调制与解调03滤波器04信号的显示和记录05抗干扰技术思考一各种传感器如电阻应变式传感器、电容式传感器，常采用什么测量电路，将信号变换成电压输出？直流电桥应用电阻应变式传感器处理电路电桥输出电压直流电桥调零电位器RW101单臂半桥02输出电压：03平衡电桥被测量等于0时

电桥平衡

仪表G及H指零当某一桥臂变化时

电桥失衡调节R5

电桥重新平衡，仪表G回零H标度与桥臂阻值变化成正比H指示值=

被测值交流电桥采用交流激励，四个桥臂可为电感、电容或者电阻电容式和电感式传感器常用的测量电路思考二无线电设备如电视机如何将无线电信号变换成音像输出？调频台FM103.9广播是什么含义？调制与解调调制被调信号的参数在调制信号控制下发生变化名词载波、调制波、已调制波目的便于放大和传输解调从已调制波中恢复出调制信号种类调幅（AM）、调频（FM）调制举例——调幅解调举例——相敏检波思考三压电传感器测振——怎样滤除信号电压中的高（低）频成分？滤波器分类低通、高通、带通、和带阻滤波器

实际RC调谐式滤波器低通滤波前后波形示波器波形截图——低通滤波思考四检测过程存在声、光、电、磁等各种干扰，怎么处理和预防？抗干扰技术干扰来源外部：系统装置外部侵入的干扰内部：系统电子器件自身的噪声

形成干扰的条件干扰源、干扰途径、接收电路抑制干扰的方法消除或抑制干扰源破坏干扰途径削弱接收电路的敏感性传感器仪表01动圈指示调节仪02自动平衡显示仪表03电动单元组合仪表04电磁式和电动式仪表模拟式仪表1、动圈指示调节仪动圈式仪表测量机构线圈的转动角度与线圈中的电流成正比测量电路01规定外部电阻15