传感器及应用

第1章传感器的定义与分类1.1传感器的定义与分类1.2传感器的基本特性1.3传感器的基本误差1.4传感器中的弹性敏感元件1.1传感器的定义与分类1.1.1传感器的定义国家标准GB7665-1987对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”1.1.2传感器的分类

1.根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类(1)物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。(2)化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为下一页返回1.1传感器的定义与分类因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

2.按照其用途分类压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。

3.以其输出信号为标准分类

(1)模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

(2)数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。

上一页下一页返回1.1传感器的定义与分类(3)膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。(4)开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阂值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

4.从所应用的材料观点出发分类(1)按照其所用材料的类别分金属聚合物陶瓷混合物(2)按材料的物理性质分导体绝缘体半导体磁性材料(3)按材料的晶体结构分单晶多晶非晶材料

5.与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。

上一页下一页返回1.1传感器的定义与分类探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。

6.按照其制造工艺分类

(1)集成传感器用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

(2)薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用棍合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

(3)厚膜传感器利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上上一页下一页返回1.1传感器的定义与分类制成的，基片通常是氧化铝制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

(4)陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶一凝胶等)生产。上一页返回1.2传感器的基本特性1.2.1传感器静态特性

1.测量范围和量程传感器所能测量的最大被测量的数值为测量上限，最小被测量称为测量下限。测量上限和测量下限所构成的区间称为测量范围。测量上限和测量下限的代数差称为量程，即量程=测量上限-测量下限。

2.传感器的线性度理想情况下，如图1-1所示，传感器的静态特性输出是条直线;但通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，如图1-2所示。下一页返回1.2传感器的基本特性3.传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△Y对输入量变化△x的比值。

4.传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超分辨力时，其输出才会发生变化。

5.迟滞迟滞现象是指传感器正向特险曲线(输入量增大)和反向特性曲线(输入量减小)的不一致程度。如图1-3所示。上一页下一页返回1.2传感器的基本特性

6.传感器的精度等级传感器的精度等级是为了简单表示传感器测量结果的可靠程度而引用的。常见的精度等级有0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级、2.5级、5.0级。数值越小，精度等级越高，测量越精确。

1.2.2传感器动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。上一页下一页返回1.2传感器的基本特性最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

1.阶跃响应输入为阶跃信号时，传感器的响应被称为阶跃响应。从阶跃响应中我们可以得到传感器在时间域内的响应特性。如图1-4所示输入信号是幅值为A的阶跃信号，此时传感器阶跃响应如图1-5所示。

2.频率响应将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入到传感器，传感器的输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。其中输出信号的幅值与输入信号的频率的关系称为幅频响应;输出信号的相位与输入信号的频率的关系称为上一页返回下一页1.2传感器的基本特性相频特性。频率响应是通过研究稳态过程来分析传感器的动态特性的，它可以通过对传感器在频域响应过程中的波形参数进行计算，并对响应特性曲线进行分析;也可通过对频率响应性能指标(如频率响应范围、幅值误差、相位误差等)的考核来完成。返回上一页1.3传感器的基本误差1.3.1传感器的基本误差任何测量都不可能绝对准确，都存在误差，只要误差在允许范围内即可认为符合标准，传感器也不例外。所谓传感器的误差，即传感器的输出值与理论输出值的差值。因此要求设计与制造传感器时，允许有误差，但必须在规定误差的范围之内。为了使传感器能满足一定的精度要求，我们要掌握误差的种类及分析产生误差的原因、克服与减少误差的方法。1.测量误差的基本概念由传感器的定义得知，传感器是将未知的物理量转换成人们可知的电信号，实际上传感器就是一种测量器具，所以传感器的误差也就是测量误差。下面介绍有关测量的部分名词。下一页返回1.3传感器的基本误差

2.误差的分类在测量中由不同因素产生的误差是混合在一起同时出现的。为了便于分析研究误差的性质、特点和消除方.法，下面将对各种误差进行分类讨论。(1)按表示方法分类①绝对误差—指示值与约定真值

的差值，即量中常使用修正值。只要得到修正值

示值

，便可得知约定真值。②相对误差—针对绝对误差有时不足以反映示值偏离约定真值大小程度而设定的，在实际测量中相对误差有下列表示形式:上一页下一页返回1.3传感器的基本误差(2)按误差出现的规律分类①系统误差—指误差的数值是一个常数或按一定规律变化的值。它又可分为恒值误差和变值误差。②随机误差—由于偶然因素的影响而引起的，其数值大小和正负号不定，而且难以估计。但是总体仍服从一定统计规律，它不能通过实验方法加以消除，但能运用统计处理方法减少其影响。随机误差表现了测量结果的分散性。在误差理论中常用精密度来表征随机误差的大小。随机误差愈小，精密度愈高。③粗大误差—指在一定的条件下测量结果显著地偏离其实际值时所对应的误差。从性质上看，粗大误差并不是单独的类别，它本身既具有系统误差的性质，也可能具有随机误差的性质，只不过在一定测量条件下其绝对值特别大而已。上一页下一页返回1.3传感器的基本误差粗大误差是由于测量方法不妥、各种随机因素的影响以及测量人员粗心所造成的。(3)按被测量随时间变化的速度分类①静态误差—指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差。②动态误差—在被测量随时间变化时所测得的误差。例如用笔式记录仪测得的结果，由于记录笔有惯性量，输出量在时间上不能与被测量的变化一致，而造成的误差就属于动态误差。动态误差是在动态测量时产生的，动态测量的优点是检测效率高和环境影响小。(4)按使用条件分类①基本误差—指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。上一页返回下一页1.3传感器的基本误差②附加误差—当使用条件偏离规定标准条件时，除基本误差外还会产生附加误差，例如由于温度超过标准引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使用时会叠加到基本误差上去。1.3.2仪表精度与测量精度

1.仪表精度与测量精度的关系仪表精度一般分为七个等级，实际上就是取最大满度(引用)相对误差，对于数字仪表和光学仪表等还具有更高精度的等级。一般而言，七个等级在工业仪表中是具有代表性的。而真正反映测量精度的是实际相对误差。从最大满度(引用)误差和实际相对误差的定义公式不难看出，被测量的大小愈接近量程，相对误差就愈接近于最大满度(引用)误差，因此下一页返回上一页1.3传感器的基本误差对于同等级精度的仪表，选择适当的量程，使被测量位于仪表量值的上限附近，将能充分利用仪表精度获得较精确的测量结果。

2.附加误差对实际测量精度的影响在检测仪表的技术说明书中，除了给出基本误差外，还给出了工作条件变化时可能产生的附加误差。如果实际工作条件不是仪表规定的标准状态，这时必须考虑到附加误差的影响。上一页返回1.4传感器中的弹牲敏感元件1.4.1弹性敏感元件的基本特性物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，具有‘这类特性的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。1.刚度刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的外部作用力(或压力)，其表达式为式中k为刚度;F为作用于弹性元件上的外力;x为弹性元件产生的变形。

下一页返回1.4传感器中的弹牲敏感元件

2.灵敏度灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件在承受单位输入量(力、压力等)时所产生的变形大小，一般用K表示，即在非电量检测中往往希望弹性灵敏度为常数，此时弹性敏感元件的弹性特性是线性的，即1.4.2弹性敏感元件的形式及应用范围根据弹性敏感元件在传感器中的作用，对它提出了一些要求，如具有好的弹性特性、足够的精度、长期使用和温度变化时的稳定性等。因而对制作弹性敏感元件的材料提出了多方面的要求，如弹性模量的温度系数要小、线膨胀系数小且恒定、有良好的机械加工和热处理性能等。我国通常使用合金钢、碳钢、铜合金和铝合金等材料。上一页下一页返回1.4传感器中的弹牲敏感元件

1.弹性敏感元件的形式传感器中弹性敏感元件的输入量通常是力(力矩)或流体压力(统称压力)，即使其他非电被测量输入给弹性敏感元件时，也是先将它们变换成力或压力再输入给弹性敏感元件。

2.变换力的弹性元件

(1)等截面轴等截面轴又称柱式弹性敏感元件，可以是实心柱体或空心圆柱体，如图1-7所示。实心等截面轴在力的作用下弹性敏感元件的位移很小，因此常用它的应变作输出量。其主要的优点是结构简单、加工方便、测量范围宽，可承受数万牛顿的载荷，但其灵敏度小。上一页下一页返回1.4传感器中的弹牲敏感元件

(2)环状弹性敏感元件环状弹性敏感元件多做成等截面圆环，如图1-8(a),(b)所示，圆环有较高的灵敏度，因而它多用于测量较小的力。圆环的缺点是加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。

(3)悬臂梁悬臂梁是一端固定、另一端自由的弹性敏感元件。按截面形状又可分为等截面矩形悬臂梁和变截面等强度悬臂梁，如图1-9所示。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，常用于较小力的测量。

(4)扭转轴如图1-10所示为扭转轴式弹性敏感元件，当自由端受到转矩的作用时，扭转轴的表面会产生拉伸或压缩应变，在轴表面上与轴线成方向(图1-10的AB方向)产生应变。，而图1-10中AC方向所产生的应变与AB方向的应变大小相等，符号相反。上一页下一页返回1.4传感器中的弹牲敏感元件3.变换压力的弹性敏感元件(1)弹簧管弹簧管又称波登管，通常是一根弯成C形的空心扁管，管子的截面形状有椭圆形、平椭圆形、D形、8字形等，如图1-11所示。弹簧管的另一端(自由端)密封并与传感器其他部分相连。

(2)波纹管波纹管是一种圆柱管状的弹性敏感元件，其表面上有许多与圆柱同心的环状皱纹(如图1-12所示)，管的一端封闭，另一端开口并与被测压力相通。

(3)等截面薄板等截面薄板又称平膜片，是一种抗弯刚度可以忽略的周边固定的圆形薄膜，它能将输入信号(压力或压差)转化为位移信号。当膜片的两侧面受到不同的压力时，膜片的中心将向压力低的一侧产生一定的位移，如图1-13所示。上一页返回下一页1.4传感器中的弹牲敏感元件

(4)波纹膜片和膜盒波纹膜片是一种压有环形同心波纹的圆形薄膜，为了便于与传感器相连接，在膜片的中央留有一个光滑的部分，有时还在中心处焊接一块圆形金属片为膜片的硬心。其波纹的形状有正弦形、梯形、锯齿形等多种形式，如图1-14所示。为了进一步提高灵敏度，可将两个波纹膜片焊在一起，制成膜盒，如图1-15所示。在同样大小的压力(或压差)作用下，它的中心位移量是单个膜片的两倍。由于膜盒本身是一个封闭的整体，所以周边不需要固定，给安装带来方便，它的应用比波纹膜片广泛。

(5)薄壁圆筒和薄壁半球薄壁圆筒和薄壁半球的应用不是很广泛，原因是这两种弹性敏感元件的灵敏度较低，它们的形状如图1-16所示。它们的厚度一般要小于直径的1/20，当下一页返回上一页1.4传感器中的弹牲敏感元件被测压力通入薄壁圆筒和薄壁半球的内腔中时，圆筒和半球均匀地向外扩张，产生拉伸应力或应变。它们在轴向的应变和圆周方向的应变是不相等的。薄壁圆筒和薄壁半球虽然灵敏度较低，但坚固性较好，适用于特殊结构要求的场合。上一页返回图1-1传感器理想线性图返回图1-2特性曲线与线性度关系曲线返回图1-4幅值为A的阶跃信号返回

第2章常用传感器及测量转换电路2.1电阻应变式传感器2.2热电阻传感器2.3热电偶传感器2.4电涡流式传感器2.5电容式传感器2.6电感式传感器2.7压电式传感器2.8磁电式传感器2.1电阻应变式传感器2.9光电式传感器2.10数字式传感器2.11霍尔传感器2.12差分变压器式传感器2.13气敏传感器

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(1)这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。

(2)易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测。

(3)灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。

(4)可以测量各种物理量。因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而豁结在弹性敏感元件表面上的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此，电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。下一页返回2.1电阻应变式传感器短接式应变片两端用直径比栅线直径大5~10倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。常用材料:康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。

2.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度0.003~0.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。3.金属薄膜应变片薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是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以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加上保护层。上一页返回下一页2.1电阻应变式传感器4.半导体应变片半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。所有材料在某种程度上都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。2.1.4测量转换电路应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为变形，然后利用导体的应变效应，将力转变成电阻的变化，最终利用测量电路得到被测量(力)的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。2.1.5温度补偿在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，图2-5温度下一页返回上一页2.1电阻应变式传感器

2.1.6电阻应变式传感器的应用电固应变刻专感器中的各种弹胜胜元件一般为敏感元件，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为电桥电路。电阻应变刻专感器通常可用来测量应变以外的物理量，例如力、扭矩、加速度和压力等。把应变片料视占到弹胜胜敏感元件上，使弹性毓惑元件的应变与被测量成比例关系。

1.力和扭矩传感器图2-6所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如图2-6(a),(b)所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的横向应变，从而构成差动式。另一种弯曲梁和上一页下一页返回2.1电阻应变式传感器扭转轴上的应变片也均可构成差分式，如图2-6(c),(d)所示。另外用环状弹性敏感元件测拉(压)力也是比较普遍的，如图2-6(e)所示。

2.压力传感器应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量。图2-7中给出了组合式压力传感器示意图。图中应变片R粘贴在悬臂梁上，悬臂梁的刚度应比压力敏感元件更高，这样可降低这些元件所固有的不稳定性和迟滞。图2-8所示是筒式压力传感器。被测压力P作用于筒内腔，使筒发生变形，工作应变片1贴在空心的筒壁外感受应变，补偿应变片2贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。一般可用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒腔内压力等。上一页下一页返回2.1电阻应变式传感器

3.加速度传感器加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如图2-9所示。测量时，将基座固定在被测对象上，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力而使悬臂梁变形。通过应变片检测出悬臂梁的应变值，而应变值是与加速度成正比的。上一页返回2.2热电阻传感器热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前应用较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。2.2.1热电阻热电阻主要是利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的。目前广泛应用的热电阻材料是铂和铜，它们的电阻温度系数在‘范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。铂的性能最稳定，采用特殊的结构可制成标准铂电阻温度计，它的适用范围为。铜电阻价廉并且线性好，返回下一页2.2热电阻传感器但温度高时易氧化，故用于温度较低的环境中。表2-1列出了热电阻的主要技术性能。

2.2.2热敏电阻热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。一般按温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系数热敏电阻(PTC)和临界温系数热敏电阻(CTR)。这三类热敏电阻的电阻率P与温度t的变化曲线如图2-10所示。从图中可以看出这些曲线都呈非线性。热敏电阻除按温度系数区分外，还有以下三种分类方法:按结构形式可分为体型、薄膜型、厚膜型三种;按工作方式可分为直热式、旁热式、延迟电路三种;按工作温度区可分为常温区、高温、低温区热敏电阻。热敏电阻可根据使用要求下一页返回上一页2.2热电阻传感器封装加工成各种形状的探头，如珠状、片状、杆状、锥状、针状等，如图2-11所示。几种常用的热敏电阻的型号及其主要参数列于表2-2.2.2.3热电阻传感器的应用

1.金属热电阻传感器在工业上广泛应用金属热电阻传感器进行温度测量，用电桥作为测量电路。在进行测量时，总要采用连接导线，但由于金属电阻本身阻值很小，所以引线电阻及其变化就不能忽略。为了消除或减少引线电阻的影响，通常采用三线制连接法，如图2-12所示。

2.半导体热电阻传感器热敏电阻传感器应用范围广，具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点。下面介绍几种常见的应用。上一页下一页返回2.2热电阻传感器

(1)温度测量作为测量温度的热敏电阻一般结构简单。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方，密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以使用在任何环境下。由于热敏电阻的阻值很大，故其连接导线的电阻和接触电阻可忽略。因此热敏电阻可以在距离长达几千米的远距离测量温度，测量电路多采用桥路。图2-13给出一种双桥温差测量电路。

(2)温度补偿仪表中通常用的一些零件多数是金属丝做成的，例如线圈、线绕电阻等。金属一般具有正温度系数，采用负温度系数热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联，如图2-14所示。在三极管电路、对数放大器等电路中也常用热敏电阻补偿由于温度引起的漂移误差。上一页下一页返回2.2热电阻传感器

(3)工业控制将开关型的热敏电阻埋设在被测物中，并与继电器串联，给电路加上恒定电压，当周围介质温度升到一定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，引起继电器动作，从而实现温度控制或过热保护等。上一页返回2.3热电偶传感器热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温传感器。它与其他测温装置比较，具有精度高、测温范围宽、结构简单、使用方便、可远距离测量等优点。在轻工、冶金、机械及化工等工业领域中被广泛用于温度的测量、调节和自动控制等方面。2.3.1热电偶传感器的工作原理

1.热电势效应将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温度不同，则回路中会产生电动势，从而形成电流，这个物理现象称为热电势效应，简称热电效应。图2-15所示为热电偶回路及符号。

2.热电偶回路的主要性质下一页返回2.3热电偶传感器(1)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体C，只要第三种导体的两端温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小。即

其中C导体两端温度相同。从实用观点看，这个性质很重要，正是由于这个性质存在，才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等，而不必担心会对热电动势有影响，而且也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶。同时应用这一性质可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，如图2-16所示。只要保证两热电极A,B插入地方的温度一致，则对整个回路的总热电动势将不产生影响。上一页返回下一页2.3热电偶传感器机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。热电偶长度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中的插入深度来决定。

(2)绝缘套管绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为20mm，使用时根据热电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是氧化铝、耐火陶瓷等。

(3)保护套管保护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管后再装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据上一页下一页返回2.3热电偶传感器几种常用标准化热电偶的测温范围及特点。非标准化热电偶有钨锌丝热电偶、铱铬丝热电偶、铁一康铜丝热电偶等。非标准化热电偶在高温、低温、超低温、真空和核辐射等特殊环境中使用具有良好的性能。它们在节约贵重稀有金属方面具有重要意义。这类热电偶无统一分度表。

(2)普通型热电偶普通型热电偶外形如图2-18所示，这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度。根据测温范围和测温环境不同，可选择合适的热电偶和保护套。按其安装时的连接形式可分为螺纹连接和法兰连接两种。按使用状态的要求又可分为密封式和高压固定螺纹式。

(3)恺装热电偶恺装热电偶的外形像电缆，也称缆式热电偶。它是由金属套管、绝缘材料和热电偶丝三者组合而成一体的特殊结构的热电偶。热电偶的套管外径最细能达0.25上一页返回下一页2.3热电偶传感器振动、抗冲击、可挠性好、便于安装等优点，因此特别适用于复杂结构(如狭小弯曲管道内)的温度测量。使用时，可以根据需要截取一定长度，将一端护套剥去，露出热电极，焊成结点，即成热电偶。恺装热电偶外形及结构如图2-19所示。此外，还有快速测量各种表面温度的薄膜型热电偶，为测量各种固体表面温度的表面热电偶，为测量钢水和其他熔融金属温度而设计的消耗式热电偶，以石墨和难熔化合物为高温热电偶材料的非金属热电偶等。2.3.3热电偶自由端温度的补偿热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势仅与被测温度有关，必须保持自由端(冷端)的温度恒定。下一页返回上一页2.3热电偶传感器1.仪表调零修正法当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的自由端温度基本恒定，对测量精度要求又不高时，可将仪表的机械零点调至热电偶自由端温度的位置上.2.自由端温度自动补偿上述方法是要求在恒定自由端温度To的条件下得以实现的。若此条件不能满足，或要求被测温度的信号立即传人控制装置，以便进行实时控制时，这一方法就难以实现。如果在热电偶与仪表之间接入一个补偿装置，这个补偿装置在热电偶自由端温度为To时，产生一个电动势为，并随To变化而相应改变，这样就可实现热电偶自由端温度的自动补偿。电桥补偿法是最常用的自由端温度自动补偿的方法。它是利用直流电桥的不平衡电压来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电动势变化值。如图2-20所示。下一页返回上一页2.3热电偶传感器用于电桥补偿法的装置称为热电偶冷端补偿器。表2-4列出了常用的国产冷端补偿器性能。冷端温度补偿器通常使用在热电偶与动圈式显示仪表配套的测温系统中。而自动电子电位差计或温度变送器以及数字式仪表等的测量线路里已设置了冷端温度补偿电路，故热电偶与它们相配套使用时不必另行配置冷端补偿器了。3.延引电极法为了使热电偶自由端不受高温热源的影响，自由端温度基本保持恒定或波动较小，可把热电偶做得很长，这样势必引起使用贵重金属热电偶的成本加大。导线。用补偿导线制成的热电偶与工作热电偶相连，它既可把工作热电偶的原自由端延长到新的自由端，节省了贵重金属，又不会由于引入该导线而给工作热电偶带来测量误差。可见，使用补偿导线仅上一页下一页返回2.3热电偶传感器起延长热电偶的作用，不起任何温度补偿作用，将其称为“补偿导线”是名不副实的习惯用语。常用热电偶补偿导线见表2-5。2.3.4热电偶的应用热电偶是工业生产中应用最广泛的一种测温传感器，几乎用于工业生产的各个领域，下面简要介绍热电偶应用中的一些基本知识。

1.热电偶的测温线路如图2-21所示，热电偶可用于测量两点温度之和以及之差。其中图2-21(a)是两支同型号的热电偶正向串联，用来测量两点温度之和。则当使用多根热电偶串联测温时，就能成倍地提高总的热电动势的输出，大大提高测量的灵敏度，上一页下一页返回2.3热电偶传感器2.热电偶热电动势的测量热电偶输出的热电动势与被测温度有对应关系，热电动势的测量可用动圈式仪表、电位差计、电子电位差计，或通过微机识别后输出，显示温度值。采用动圈式仪表测量热电动势时，由于线路中电阻的影响，将使仪表指示值与实际热电动势不一致，特别是外接电阻较大时，测量误差不容忽视。上一页返回2.4电涡流式传感器由表2-6可知，电涡流传感器的线圈外径越大，线性范围也越大，但分辨率差(灵敏度低)。线圈阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高。但被测体为磁性材料时，其效果则相反。因此，与非磁性材料相比，磁性材料的灵敏度低。为了充分利用电涡流效应，被测体环的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则将导致灵敏度降低。被测体为圆柱体时，它的直径必须为线圈直径的3.5倍以上，才不影响测量结果。而且被测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要厚度在0.2mm以上，测量就不受影响。另外在测量时，传感器线圈周围除被测导体外，应尽量避开其他导体，以免干扰磁场，引起线圈的附加损失。

2.测量转换电路电涡流传感器的测量转换电路有‘电桥法、调幅法和调频下一页返回2.4电涡流式传感器法。下面简要介绍调频法的工作原理，其转换电路原理框图如图2-26所示。并联谐振回路的谐振频率为

当电涡流线圈与被测体的距离s改变时，电涡流线圈的等效电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率改变，此频率可直接用频率计测量。但多数情况下是通过鉴频器将频率的变化转换为输出电压的变化。调频法的特点是受温度、电源电压等外界因素的影响较小。

2.4.3电涡流式传感器的应用电涡流式传感器由于结构简单，又可实现非接触测量，因此得到广泛的应用，下面列举一些主要的应用。上一页下一页返回2.4电涡流式传感器1.位移测量如图2-27所示，电涡流式传感器可用来测量各种形状金属导体试件的位移量。如汽轮机主轴的轴向位移、磨床换向阀及先导阀的轴位移和金属试件的热膨胀系数等。2.振幅测量如图2-28(a)所示，电涡流式传感器可以无接触地测量旋转轴的径向振动，也可以测量汽轮机涡轮叶片的振幅，如图2-28(b)所示。有时为了解轴的振动形状，可用数个电涡流传感器并排地安置在附近测量，如图2-28(c)所示。3.转速测量在旋转体上开一条或数条槽或做成齿状，旁边安装一个电涡流式传感器，如图2-29所示，当转轴转动时，传感器周期地改变着与转轴之间的距离，于是它的输出也周期性地发生变化。上一页下一页返回2.4电涡流式传感器4.电涡流探伤利用电涡流式传感器可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤时，传感器应与被测导体保持距离不变。检测时，由于裂陷出现，将引起导体的电导率、磁导率的变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压的突变，达到探伤的目的。上一页返回2.5电容式传感器电容式传感器是一种能将被测非电量转换成电容量变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。它具有‘以下优点:(1)高阻抗，小功率，仅需很低的输入能量。

(2)可获得较大的变化量，从而具有较高的信噪比和系统稳定性。

(3)动态响应快，工作频率可达几兆赫，可非接触测量，被测物是导体或非导体均可。

(4)结构简单，适应性强，可在高低温、强辐射等恶劣的环境下工作。因此它在非电量测量和自动检测中得到广泛应用，可测量月功、位移、振动、角度、加速度、液位、湿度、成分含量等参数。下一页返回2.5电容式传感器

2.5.1电容式传感器的工作原理和特性电容式传感器的基本原理如图2-30所示，它是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为:式中—电容极板间介质的介电常数，为真空介电常数，，为极板间介质相对介电常数;A一平行板所覆盖的面积;d一两平行板之间的距离。上一页下一页返回2.5电容式传感器当被测参数变化使得上式中的A,d或二发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种类型。2.5.2电容式传感器的测量转换电路电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有电桥电路(调幅电路)、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。以下以电桥电路为例介绍其转换原理。上一页返回下一页2.5电容式传感器1.电桥电路(调幅电路)图2-31所示为电桥电路。电容电桥的主要特点有:.电桥输出调幅波，其幅值与被测量成比例，因此电桥电路又称为调幅电路;.输出电压与电源电压成比例，因此要求电源采用稳幅、稳频等措施;.传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性将增大。在要求精度高的场合(如飞机用油量表)应采用自动平衡电桥;.输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。由电桥电路组成的系统原理如图2-32所示。下一页返回上一页2.5电容式传感器

2.5.3电容式传感器的应用电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.0lm至数百微米、精度可达0.O1m、分辨率可达0.001m。变面积型的能测量较大的位移，量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.O1-0.001m。

1.电容式差压传感器图2-33是电容式差压传感器结构示意图。这种传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)、能测微小压差(0~0.75Pa)。上一页下一页返回2.5电容式传感器

2.电容式测厚传感器如图2-34所示为电容式侧厚传感器在板材轧制装置中的应用的工作原理。在被测带材的上、下两侧各置一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样，极板与带材就构成了两个独立电容器。

3.电容式力和压力传感器为大吨位电子吊秤用电容式称重传感器。扁环形弹性元件上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板。称重时，弹性元件受力变形，使动极板位移，导致传感器电容量变化，从而引起由该电容组成的振荡频率变化。频率信号经计数、编码，传输到显示部分。图2-36为一种典型的小型差动电容式压力传感器结构。加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元件，同时作为上一页下一页返回2.5电容式传感器可变电容的活动极板。电容的两个固定极板是在玻璃基片上镀有金属层的球面极片。在压差作用下，膜片凹向压力小的一面，导致电容量发生变化。球面极片(图中被夸大)可以在压力过载时保护膜片，并改善性能。其灵敏度取决于初始间隙s,s越小，灵敏度越高。其动态响应主要取决于膜片的固有频率。上一页返回2.6电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种传感器。由铁芯和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。2.6.1自感式电感传感器自感式传感器实质上是一个带气隙的铁芯线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面积式与螺管式三种;按组成方式分，有单一式与差动下一页返回2.6电感式传感器式两种。

1.自感式传感器的结构及工作原理自感式电感传感器的基本结构如图2-37所示，主要由线圈、铁芯和衔铁以及测杆组成。自感式传感器主要用于测量位移量或者是易于转换成位移量的被测量。工作时衔铁通过测杆与被测物体接触，被测物体位移将带动可动衔铁移动，从而导致线圈电感量发生变化。当线圈接入测量转换电路后，电感量的变化将转换成电压、电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。2.自感式电感器的种类自感式电感传感器按原理可分为变气隙型、变截面型和螺线管型三种基本类型。上一页返回下一页2.6电感式传感器(1)变气隙型传感器由

可知，若A为常数，则L与气隙

成反比。故输入输出是非线性关系。

越小，灵敏度越高。为提高灵敏度，保证一定的线性度，变气隙式电感传感器只能工作在很小的区间，因此只能用于微小位移量的测量。

(2)变截面型传感器由公式可知传感器工作时，若气隙间距s保持不变，则线圈电感量L与截面积A成正比，输入与输出是一种线性关系，灵敏度是一常数。为提高灵敏度，常将s做得很小。这种类型的传感器由于结构的限制，量程一般也不大，故在实际应用中并不多。

(3)螺线管型电感式传感器螺线管型电感式传感器由一只螺管线圈和一根柱形衔铁组成。当被测量引起衔铁移动时，会引起衔铁在线圈中的长度变化，从而引起螺管线圈的电感量的变化。下一页返回上一页2.6电感式传感器机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。热电偶长度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中的插入深度来决定。

(2)绝缘套管绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为20mm，使用时根据热电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是氧化铝、耐火陶瓷等。

(3)保护套管保护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管后再装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据上一页下一页返回2.6电感式传感器在实际使用中，通常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动电感传感器。结构如图2-38所示。

3.自感式传感器的测量电路

(1)交流电桥交流电桥是电感式传感器的最常用的测量电路，它将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。自感式传感器常用的交流电桥有以下两种。

(2)谐振电路谐振电路如图2-40(a)所示。图中Z为传感器线圈，E为激励电源。设图2-40(b)中曲线1为图2-40(a)回路的谐振曲线。若激励源的频率为f，当传感器线圈电感量变化时，谐振曲线将左右移动，于是输出电压的幅值就发生相应变化。这种电路灵敏度很高，但非线性严重，常与单线圈自感传感器配合，用于测量范围小或线性度要求不高的场合。

上一页下一页返回2.6电感式传感器(3)恒流源电路这种电路与大位移(螺管式)自感传感器配用，见图2-41。2.6.2互感式传感器1.工作原理互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。其原理类似于变压器。互感式传感器的初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。差动变压器和自感传感器一样，也有变气隙式、变面积式和螺管式三种类型，目前应用最广泛的是螺管式差动变压器传感器。如图2-42所示。2.测量电路由上述的分析可知，差动变压器的输出电压其实是一个受衔铁位移控制的调幅波，目前常用的测量电路有‘相敏检波上一页返回下一页2.6电感式传感器电路、差动整流电路等。

(1)相敏检波电路相敏检波电路。

(2)差动整流电路差动整流电路是差动变压器常用的测量电路，这种电路结构简单，使用非常方便。如图2-44所示，差动变压器两个输出线圈的电压分别整流后，再进行差动输出。该电路不需要考虑相位调整和零位输出电压的影响，而且输出信号可进行远距离的传输。几种典型的电路如图2-44所示。2.6.3电感式传感器的应用电感式传感器主要用于测量位移量，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。上一页下一页返回2.6电感式传感器(1)位移的测量图2-45是电感式测位仪的原理框图。测量时探头与被测对象连接，被测对象的微小移动将使衔铁位置发生改变，线圈的电感随之发生变化。通过交流电桥将这一变化转换能够成反映被测对象位移的电压信号。再经过交流放大和相敏检波最后通过指示仪表将测量结果显示出来。

(2)液位的测量液位的测量其实是位移测量的具体应用之一。图2-46为电感式浮筒液位计的原理示意图。液位发生变化时，浮筒的所受浮力将产生变化，并带动差动变压器的衔铁发生位移变化，从而改变了差动变压器输出电压。这个输出值反映了液面的变化值。

(3)力的测量图2-47是差动变压器式力传感器。当力作用于传感器时，弹性元件发生形变，从而导致衔铁相对线圈产生位移。线圈电感量的变化通过测量电路转换为输出电压信号，其大小反映了受力的大小。上一页下一页返回2.6电感式传感器

(4)加速度的测量图2-48为差动变压器式加速度传感器的结构示意图和测量电路原理框图。当该传感器受到加速度作用时，衔铁会对弹性支撑片产生与加速度成正比的反作用力。弹性支撑片受力后发生形变，于是衔铁与线圈产生相对位移。差动变压器输出正比于加速度的检测电压。上一页返回2.7压电式传感器压电式传感器是将被测量变化转换成材料受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器。它是一种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器。压电式传感器具有‘使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞跃发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电式传感器在工程力学、各种动态力、机械冲击与振动测量、生物医学、电声学、宇航等许多技术领域获得广泛的应用。2.7.1压电式传感器的工作原理

1.压电效应压电效应是一种机械能与电能之间的藕合效应。压电效应是可逆的，即有两种压电效应:正压电效应和逆压电效应。下一页返回2.7压电式传感器

2.压电材料具有压电效应的电介质物质称为压电材料。常见的压电材料有单晶和多晶两种，前者以石英晶体为代表还有水溶式压晶体、妮酸铿晶体;后者以错钦酸铅压电陶瓷为代表，还有妮美酸铅压电陶瓷、钦酸钡压电陶瓷等。

2.7.2压电传感器的等效电路当压电式传感器的压电元件受力时，在电极表面就会出现电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，可以把压电式传感器看作是一个电荷源，而压电元件是绝缘体，在这一过程中，它又可以看成是一个电容器，其电容量

为上一页返回下一页2.7压电式传感器—压电元件电极面的面积—压电元件厚度(m);—压电材料的相对介电常数;—真空介电常数。从性质上讲，压电元件实际上是一个有源电容器。当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图2-49(a)所示。在开路状态时，其输出端电荷为。当需要压电元件输出电压时，又可以把它等效成一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路，如图2-49(b)所示。在开路状态时，其输出端电压为下一页返回上一页2.7压电式传感器

2.7.3压电式传感器的测量电路由于压电式传感器的输出信号非常微弱，电缆的分布电容及噪声将严重影响其输出特性，因此需将电信号放大后才能检测出来;由于其内阻抗很高，所以需要压电器件的负载电阻必须具有极高的值。因此与压电元件配套使用的测量电路，其前置放大器必须有两个作用:信号放大和阻抗匹配。由于压电元件既可看作电压源，又可看作电荷源，所以前置放大器有两种:电压放大器和电荷放大器。它们的共同作用都是将压电元件输出的微弱信号放大，将压电元件的高阻抗转换为低阻抗输出。由于线性集成运算放大器的飞速发展，出现了一些输入阻抗很高的器件，因而由集成运算放大器构成的电荷放大器便有了良好的基础和发展前景。故目前多上一页下一页返回2.7压电式传感器采用电荷放大器。电荷放大器实际上是一个具有‘深度电容负反馈的高增益放大器。电荷放大器的原理如图2-50所示。2.7.4压电式传感器的应用

1.压电式加速度传感器图2-51是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即式中—质量块产生的惯性力;m—质量块的质量;上一页下一页返回2.7压电式传感器a—加速度。此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。2.压电式声传感器图2-52是压电陶瓷换能器结构图。当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷上一页下一页返回2.7压电式传感器片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。上一页返回2.8磁电式传感器磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。有时也称作电动式或感应式传感器，只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单;零位及性能稳定;工作频带一般为10~1000Hz。磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。

2.8.1工作原理当一个匝数为W的线圈作切割磁力线运动时，或者穿过线圈的磁通少发生变化时，线圈中产生感应电动势，其大小由下式决定:下一页返回2.8磁电式传感器式中

为磁通变化率，与磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度有关，只要改变其一，就会改变。根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构:变磁通式和恒磁通式。

1.变磁通式磁电传感器图2-53是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。2.恒磁通式磁电传感器图2-54为恒磁通式磁电传感器典型结构，它由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈(动圈式)，也可以是磁铁(动铁式)，动圈式(图2-54(a))上一页返回下一页2.8磁电式传感器和动铁式(图2-54(b))的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大。当振动频率足够高(远大于传感器固有频率)时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为式中:—工作气隙磁感应强度;—每匝线圈平均长度;—线圈在工作气隙磁场中的匝数;—相对运动速度。下一页返回上一页2.8磁电式传感器2.8.2磁电感应式传感器的测量电路磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。图2-55为一般测量电路方框图。2.8.3非线性误差磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是:由于传感器线圈内有电流1流过时，将产生一定的交变磁通，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化如图2-56所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感生电势E和较大的电流1，由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了上一页下一页返回2.8磁电式传感器工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。

2.8.4磁电感应式传感器的应用磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。如航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。上一页返回2.9光电式传感器光电式传感器是将被测参数的变化转换成光通量的变化，再通过光电元件转换成电信号的一种传感器。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等优点，故在传感器技术中得到广泛的应用。2.9.1光电效应光电元件的理论基础是光电效应。光电效应就是在光线作用下，物体吸收光能量而产生相应电效应的一种物理现象，通常可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种类型。

(1)外光电效应在光线作用下，电子从物体表面逸出的物理现象称为外光电效应，也称光电发射效应。基于外光电效应的光电元件有光电管和光电倍增管。下一页返回2.9光电式传感器(2)内光电效应在光线作用下，物体电阻率发生变化的现象称为内光电效应，又称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻和光敏晶体管。

(3)光生伏特效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件是光电池。2.9.2光电元件及特性

1.光电管和光电倍增管

(1)光电管以外光电效应原理制作的光电管的结构是由真空管、光电阴极K和光电阳极A组成，其符号及基本工作电路如图2-57所示。当一定频率光照射到光电阴极时，阴极发射的电子在电场作用下被阳极所吸引，光电管电路中形成上一页下一页返回2.9光电式传感器电流，称为光电流。不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象是红外光、可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。

(2)光电倍增管光电倍增管有放大电流的作用，灵敏度高、信噪比大、线性好，多用于微光测量。图2-58是光电倍增管符号及工作原理示意图。

2.光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下:(1)暗电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。上一页返回下一页2.9光电式传感器

(2)亮电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。

(3)伏安特性光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如图2-60所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。

(4)光电特性在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。

(5)光电特性外编寸光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光电特性。使用时可根据被测光的波长范围，选择不同材料的光敏电阻。下一页返回上一页2.9光电式传感器

(6)响应时间光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间(上升时间)才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间(下降时间)才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性。

3.光电池光电池的工作原理是基于光生伏特效应。它的种类很多，有硅、硒、硫化铭、磅化福等，其感光灵敏度随材料和工艺方法的不同而有差异，目前应用最广泛的是硅光电池，它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高等优点，但对光的响应速度还不够高。另外，由于硒光电池的光谱峰值位置在人眼的视觉范围内，所以很多分析仪器、测量仪器也常用到它。下面着重介绍硅光电池的基本特性。上一页下一页返回2.9光电式传感器(1)图2-61所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相对灵敏度凡和入射光波长人之间的关系曲线。从曲线上可看出，不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的。例如硅光电池可在0范围内使用，而硒;合也只能在范围内使用。

(2)光电特性图2-62所示为硅光电池的光电特性曲线，其中光生电动势U与照度Ee间的特性曲线称为开路电压曲线;光电流强度1e与E。间的特性曲线称为短路电流曲线。

4.光敏晶体管光敏晶体管是光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管的总称。它的工作原理也是基于光生伏特效应。光敏二极管的结构与一般二极管相似，它的PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般上一页下一页返回2.9光电式传感器处于反向工作状态，如图2-63(b)所示。在图2-63(a)中给出光敏二极管的结构示意图及符号，图2-63(b)中给出光敏二极管的接线图，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。光敏三极管有PNP型和NPN型两种，它的结构、等效电路、图形符号及应用电路如图2-64所示。光敏三极管工作原理是由光敏二极管与普通三极管的工作原理组合而成。如图2-64(b)所示，光敏三极管在光照作用下，产生基极电流，即光电流，与普通三极管的放大作用相似，在集电极上则产生是光电流的刀倍的集电极电流，所以光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。下面着重介绍光敏晶体管的基本特性。

(1)光谱特性光敏晶体管硅管的峰值波长为0.9左右，锗管的峰值波长为1.5左右。由于锗管的暗电流比硅管大，上一页返回下一页2.9光电式传感器(3)光电特性光敏晶体管的输出电流1e和照度E。之间关系可近似地看作线性关系。

(4)温度特性锗光敏晶体管的温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定，而暗电流随温度变化很大。所以在使用时应在线路上采取措施进行温度补偿。

(5)响应时间硅和锗光敏二极管的响应时间分别为10-6s和10-4s，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或入射光调制频率较高时选用硅光敏二极管较合适。2.9.3光电式传感器的应用类型光电式传感器实际上是由光电元件、光源和光学元件组成的光路系统结合相应的测量转换电路而构成的。常用光源有各种白炽灯和发光二极管，常用光学元件有多种反射镜、上一页下一页返回2.9光电式传感器透镜和半透半反镜等。关于光源、光学元件的参数及光学原理，读者可参阅有关书籍。但要特别指出的是，光源与光电元件在光谱特性上应基本一致，即光源发出的光应该在光电元件接收灵敏度最高的频率范围内。光电式传感器的测量属于非接触式测量，目前越来越广泛地应用于生产的各个领域。因光源对光电元件作用方式不同而确定的光学装置是多种多样的，按其输出量性质可分为:模拟输出型光电传感器和数字输出型光电传感器两大类。无论是哪一种，依被测物与光电元件和光源之间的关系，光电式传感器的应用可分为以下四种基本类型:

.光辐射本身是被测物，由被测物发出的光通量到达光电元件上。光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，见图2-66(a)。如:光电比色温度计、光照度计等。上一页下一页返回2.9光电式传感器恒光源发出的光通量穿过被测物，部分被吸收后到达光电元件上。吸收量决定于被测物的某些参数，见图2-66(b)。如:测液体、气体透明度、混浊度的光电比色计等。

.恒光源发出的光通量到达被测物，再从被测物体反射出来投射到光电元件上。光电元件的输出反映了被测物的某些参数，见图2-66(c)。如:测量表面粗糙度、纸张白度等。

.从恒光源发射到光电元件的光通量遇到被测物被遮档了一部分，由此改变了照射到光电元件上的光通量。光电元件的输出反映了被测物尺寸等参数，见图2-66(d)。如:振动测量、工件尺寸测量等。2.9.4光电式传感器的应用举例

1.光电比色温度计上一页下一页返回2.9光电式传感器光电比色温度计是根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温的一个典型例子。根据有关的热辐射定律，物体在两个特定波长,上的、之比与该物体的温度成指数关系。即式中,—与,及物体的黑度有关的常数。因此，只要测出与之比，就可根据上式算出物体的温度T。图2-67是光电比色温度计的原理图。2.光电式烟尘浓度计工厂烟囱烟尘的排放是环境污染的重要来源，为了控制和减少烟尘的排放量，对烟尘的监测是必要的。图2-68所示为光电式烟尘浓度计的原理图。上一页返回下一页2.9光电式传感器光源1发出的光线经半透半反镜3分成两束强度相等的光线，一路光线直接到达光电三极管7上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号。另一路光线经反射镜4穿过被测烟尘5到达光电三极管6上，其中一部分光线被烟尘吸收或折射，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光电三极管6的光通量就越小。

3.光电式转速表由于机械式转速表和接触式电子转速表精度不高，且影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速表有反射式和透射式两种，它可以在距被测物数十毫米处非接触地测量其转速。由于光电器件的动态特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不影响被测物的转动，图2-69是反射式光电转速表的原理图。下一页返回上一页2.9光电式传感器

4.光电式边缘位置检测器光电式边缘位置检测器是用来检测带形材料在生产过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。例如，在冷轧带钢厂中，某些工艺采用连续生产方式，如连续酸洗、退火、镀锡等。带钢在上述运动过程中易产生走偏。带材走偏时，边缘便常与传送机械发生碰撞而出现卷边，造成废品。在其他工业部门如印染、造纸、胶片、磁带等生产过程中也会发生类似问题。图2-70(a)是光电式边缘位置检测器的原理图。光源1发出的光线经透镜2会聚为平行光束射向透镜3，从而又被会聚到光敏电阻4(R,)上。在平行光束到达透镜3的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，从而使到达光敏电阻的光通量减小。图2-70(b)是测量电路简图。上一页下一页返回2.9光电式传感器(1)图2-61所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相对灵敏度凡和入射光波长人之间的关系曲线。从曲线上可看出，不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的。例如硅光电池可在0范围内使用，而硒;合也只能在范围内使用。

(2)光电特性图2-62所示为硅光电池的光电特性曲线，其中光生电动势U与照度Ee间的特性曲线称为开路电压曲线;光电流强度1e与E。间的特性曲线称为短路电流曲线。

4.光敏晶体管光敏晶体管是光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管的总称。它的工作原理也是基于光