传感器原理模板

1、传感器原理,传感器定义,传感器：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。 注1：敏感元件指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。 注2：转换元件指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测 量转换成适于传输或测量的电信号部分。 注3：当输出为规定的标准信号时，则称为变送器,传感器分类,传感器有许多分类方法，各种分类方法都有各自的特点，经常使用的有以下几种： 按敏感元件的结构材料分类，如将传感器分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器等类型，此分类方法可帮助我们从传感器的物理性质来认识传感器。 按敏感元件的工作原理分类，如将传感器分为光电传感器、热电传

2、感器、压电传感器、霍尔传感器等类型，该分类方法指出了传感器工作原理，说明了敏感元件工作的物理效应。 按敏感元件输入信号的性质分类，如将传感器分为温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器等类型，敏感元件输入的量就是要测量的量，这种分类方法有利于使用者从传感器名称上就得知传感器的用途。 按敏感元件输出量分类，如将传感器分为电荷传感器、电容传感器、频率传感器等类型，这样分类有益于电路设计者进行电路设计。 按传感器输出是模拟量或数字量可将传感器分为模拟传感器和数字传感器。,传感器分类,传感器分类方法有很多种，最常见最常用的分类方法一般是按使用方法分类，这样做即既指明了传感器变换的物理效应也指明传

3、感器用途。例如，光电位移传感器、热电温度传感器、光电温度传感器等。,传感器一般要求,通用性 小的轮廓尺寸 低成本 低能耗,可靠性 静态精度 动态性能 抗干扰能力,传感器一般特性,传感器特性主要是指传感器输出与输入的关系。一般分为静态特性和动态特性。 静态特性：当输入为常量或变化极慢时传感器输入与输出的关系称为静态特性。 动态特征：当输入随时间变化时传感器输入与输出的关系称为动态特性。 传感器除了描述输入与输出关系的特性外还有使用条件、使用环境、使用要求等特性。,传感器静态特性,线性：传感器输入与输出呈直线性关系。可以用一个多项式来描述它们的关系。,线性,迟滞,迟滞是一种误差也叫回程误差，是由传

4、感器在正（输入量增大）反（输入量减少）行程中输入与输出曲线不重合造成的误差。一般以满量程的百分数表示。,重复性,指传感器在输入按同一方向全量程连续多次变动时所得的特征曲线不一致的程度。,灵敏度,分辨率与阀值,时间稳定性,温度稳定性,抗干扰性,静态误差,传感器介绍,按传感器敏感元件及输出形式进行分类介绍,电阻性传感器,电阻性传感器一般由应变式传感器、压阻式传感器和电位器式传感器三类传感器组成。 传感原理：将被测量的变化转化成传感元件的电阻值变化。,应变式传感器,原理：当金属丝在外力作用下发生机械形变引起其阻值变化。,从上式可以看出金属丝的电阻除与材料的电阻率有关外还与金属丝的长度成正比与金属丝的

5、截面积成反比。当金属丝被外力拉长时电阻将变大。,应变式传感器,应变式传感器的实质是一段被折叠的电阻丝,转换电路,设R1为应变电阻，当测量电桥平衡时负载电阻RL两端电压为零，当R1电阻变大RL将上正下负，当R1电阻变小RL将上负下正，通过这种电桥电路可将施加在应变电阻上的力转化为电信号实现力的测量。,压阻式传感器,原理：半导体材料在受到应力作用时其电阻率会发生变化。,压阻式传感器类型,压阻式传感器特点,转换方式,可使用电桥电路实现转换。,电位器传感器,原理：,电位器传感器特点,电位器传感器结构简单，价格低廉，性能稳定，对环境条件要求不高，输出信号大。但存在摩擦和分辨率有限，一般精度不高动态响应较

6、差，适应测量变化缓慢的量,电感式传感器,电感式传感器,自感传感器,自感传感器,自感传感器,差动式自感传感器是将两个相同的传感器组合在一起，灵敏度提高一倍，输出线性得到改善。,转换电路,交流电桥,转换电路,变压器交流电桥,转换电路,谐振式调幅电路,转换电路,谐振式调频电路,差动变压器传感器,等效电路,变换电路,半波整流电压输出电路,变换电路,半波整流电流输出电路,变换电路,全波整流电压输出电路,变换电路,全波整流电流输出电路,电涡流传感器,电涡流传感器原理,电涡流传感器原理,变换电路,电容式传感器,电容式传感器,电容式传感器,电容传感器特点,温度稳定性好； 结构简单、适应性强； 动态响应好； 可

7、实现非接触测量； 输出阻抗高、负载能力低； 寄生电容影响大；,等效电路,C为传感器电容； Rp为电极间等效漏电阻。,转换电路,电桥电路,转换电路,调频电路,转换电路,运放电路,磁电传感器,原理,磁电感应式传感器,磁电感应式传感器,磁电感应式传感器类型 磁电感应式传感器分恒定磁通和变磁通两类。 恒磁通型：,磁电感应式传感器,变磁通型,转换电路,磁电感应式传感器,霍尔传感器,磁电感应式传感器,等效原理,转换方法举例,压电传感器,压电传感器,压电原理,压电传感器,压电传感器,等效电路,转换电路,转换电路,热电式传感器,热电式传感器组成 热电偶传感器 热电阻传感器 热敏电阻传感器,热电式传感器,热电偶

8、传感器原理,常用热电偶,分度表,热电阻传感器,热电阻传感器,分度表,热敏电阻传感器,转换电路,温度变送器：将温度信号转换成标准的电流信号传输。,光电传感器,原理,光电传感器,器件种类 光敏电阻 光敏晶体管 光电池,光敏电阻,光敏晶体管,光敏晶体管,光电池,转换电路,光栅传感器,转换电路,利用摩尔条纹在光电器件上产生光电效应实现将移动距离变换成电信号。,数值传感器,定义：将被测量直接或间接地转换成数字量（中间不经过模拟量、没有A/D转换）的传感器。,分类： 按数字量取得的方法数字传感器分为直接 数字传感器和间接数字传感器,数字传感器,直接数字传感器,间接数字传感器,绝对式角度数字编码器,周期计数

9、式,频率式,增量式角度数字编码器,磁 栅,光 栅,感应同步器,压电谐振式,震荡调频式,光电码盘式编码器,基本结构,光电增量编码器,增量式编码器：将位移转换成周期性电信号，再将这个电信号转换成计数脉冲，用脉冲个数来表示位移多少。增量式编码器通过计数设备来确定其位置，编码器不动或停电期间依靠内部记忆装置来记住位置，当停电期间有移动或工作期间有干扰丢失脉冲，就会造成计数设备零点偏移使测量产生误差。,光电增量编码器,工作原理: 中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得若干组方波信号，组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D

10、信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。 由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。,光电增量编码器,单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。 A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。,光电增量编码器,光电绝对值编码器,绝对值编码器：编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，它的示值只与测量的起始与终止位置有关，与测量的中间过程无关。,光电绝对值编码器,结构 绝对值编码器与增量编码器结构相识，区别在于码盘和信号处

11、理方法。 码盘结构,光电绝对值编码器,光电绝对值编码器,灵敏度： 绝对值传感器的灵敏度与码盘的位数（圈数）有关。 信号输出： 信号输出有两种方法一种是按编码位数并行输出，第二种方法是将并行码变换成串行形式输出。,传感器实例,温度测量实现方法 膨胀式温度传感器 气体膨胀式：利用气体受热膨胀原理制作。,温度测量,液体温度传感器,利用液体受热膨胀原理制作,固体传感器,利用复合双金属片受热变形原理制作,热电偶传感器,原理：利用两种导体或半导体组成闭合回路，两接点温度不同时该回路产生电动势。,热电阻传感器,原理：利用导体或半导体电阻值随温度变化的特性进行测量。,热电阻传感器,接线方式： 两线制：引线电阻

12、对测量影响较大，用于测温要求不高场合。 三线制：可减少测温电阻与测量仪表连接导线因环境温度变化引起的误差。 四线制：可完全消除引线电阻引起的误差。,压力传感器,弹性式压力表 弹簧管式压力表 压阻式压力传感器 应变式传感器 石英谐振压力传感器,流量传感器,检测方法 速度式、容积式、质量式。 速度式原理：测量流体在管道内通过已知截面流速大小进行测量；形式：孔板、涡轮等。 容积式原理：已知容积的容器在单位时间内排出流体的体积进行测量；形式：旋转活塞、刮板等 质量式原理：间接质量流量传感器、直接质量流量传感器。,流量传感器,压差（节流）式流量传感器：利用节流装置将管道流体流量转换成节流装置前后的压力差

13、进行测量。,流量传感器,节流元件形式,流量传感器,电磁流量传感器 原理：根据电磁感应原理进行导电流体的流量测量。,流量传感器,涡轮流量传感器 原理：类似叶轮式水表。在管道内安装一个可自由转动叶轮，流体进过叶轮时流速越高叶轮转速越高。通过测量叶轮转速或频率就可确定流过管道的流体流量。,位移传感器,大位移传感器常用感应同步器、光栅、磁栅、磁致伸缩、编码器，电位器器件来实现。 感应同步器：利用两个绕组互感随位置不同而不同的原理将位移转化成电信号。有直线型和旋转型两种。直线型由定尺和滑尺组成；旋转型由定子和转子组成。,感应同步器,基本结构,感应同步器,测量方法,磁栅位移传感器,原理：利用磁电感应原理制

14、成的传感器，类似于录音机。 结构：由磁尺、磁头和转换电路组成。 磁尺：磁尺由复合材料制成，上面按一定节距录制有矩形或正弦波磁化信号，类似于录音机磁带。 磁头：读出磁尺上的信号。 转换电路：将磁头读出的信号转化为位移量。,磁栅位移传感器,磁致伸缩传感器,在铁磁质中磁化方向的改变会导致介质晶格间距的变化，因而使得铁磁质的长度和体积发生变化，即：磁致伸缩现象，也称为威德曼效应 。 磁致伸缩位移传感器的原理：利用两个不同磁场相交时产生的应变脉冲信号被检测到的时间来计算出磁场相交点的准确位置。,磁致伸缩传感器,磁致伸缩传感器,一个磁场来自传感器电子仓的电子部件所产生的脉冲激励，该激励脉冲产生的磁场沿着传

15、感器测杆内用高磁致伸缩材料制成的波导丝以光速自电子仓端向尾端前进，当与活动的永久磁场（该永磁铁一般安装在需要检测位置的动板上）相交时，由于磁致伸缩现象，波导丝在相交点产生一个机械应变脉冲，并以声速从此点经波导丝向电子仓端回传，该应变脉冲被电子仓中的检测电路探测到。因此，从发射一个主动脉冲波到接收到一个应变脉冲波，这之间的时间就是声速在波导丝中传递的时间（此处已忽略了主动波运行的时间，实际影响只有0.0001%），已知声速（固定量为3000m/s）和传递时间，这一距离就当然确定了。当永磁铁运动至新的位置时，重新确定上述测量。,接近开关,1、涡流式接近开关 这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用

16、导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。,接近开关,2、电容式接近开关 这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等,

17、接近开关,3、霍尔接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。,接近开关,4、光电式接近开关 利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。,接近开关,5、热释电式接近开关 用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。,接近开关,6、其它型式的接近开关 当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接近到的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。,接近开关,接近开关的选型 对于不同的材质