課件第三章常用傳感器

1、第一節(jié)第一節(jié) 常用傳感器分類常用傳感器分類第四節(jié)第四節(jié) 電感電感式傳感器式傳感器第五節(jié)第五節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 機械式傳感器機械式傳感器第六節(jié)第六節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器第八節(jié)第八節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器第七節(jié)第七節(jié)磁電式傳感器磁電式傳感器第十節(jié)第十節(jié) 傳感器的選用原則傳感器的選用原則第九節(jié)第九節(jié) 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器工程上通常把直接作用于被測量，能按工程上通常把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律一定規(guī)律將其將其轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成成同種或別同種或別種量值輸出種量值輸出的器件，稱為傳感器。的器件，稱為傳感器。傳感器的作用類似于人的感覺器官，

2、它把被測量轉(zhuǎn)換為易測信號，傳傳感器的作用類似于人的感覺器官，它把被測量轉(zhuǎn)換為易測信號，傳送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié)。送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié)。傳感器也可以認為是人類感官的延伸，是人們認識自然界的有力工具，傳感器也可以認為是人類感官的延伸，是人們認識自然界的有力工具，是測量儀器與被測事物之間的接口。是測量儀器與被測事物之間的接口。在工程上也把提供在工程上也把提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的器件，稱為測量變的器件，稱為測量變換器。傳感器就是輸入量為被測量的測量變換器換器。傳感器就是輸入量為被測量的測量變換器第一節(jié)第一節(jié) 常用傳感器分類常用傳感器分類一、按被測物理量的不同

3、分為移位傳感器、力傳感器、溫度傳感器等；二、按傳感器的工作原理的不同可分為機械傳感器、電氣式傳感器、光學(xué)式傳感器、流體式傳感器等；三、按信號變換特征的不同可分為物性傳感器與結(jié)構(gòu)型傳感器；物性型傳感器：依靠敏感元件材料本身物理化學(xué)性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號的變換的傳感器，例如用水銀溫度計測量、壓電測力計。結(jié)構(gòu)型傳感器：依靠結(jié)構(gòu)參量的變化而實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的傳感器，例如，電容式傳感器、電感式傳感器。四、按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系可分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器與能量控制型傳感器；能量轉(zhuǎn)換型傳感器(無源傳感器)：是直接由被測對象輸入能量使其工作的傳感器，例如：熱電偶溫度計、彈性壓力計；能量控制型傳感器(有源傳感

4、器)：從外部供給輔助能量使傳感器工作，并且由被測量來控制外部供給能量變化的傳感器，例如，電阻應(yīng)變計，如圖3-1。第一節(jié)第一節(jié) 常用傳感器分類常用傳感器分類圖3-1 能量控制型傳感器工作方式五、按輸出信號分類可分為模擬式傳感器和數(shù)字型傳感器等。需要指出的是，不同情況下，傳感器可能只有一個，也可能有幾個換能元件件，也可能是一個小型裝置。例如，電容式位移傳感器、電容式壓力傳感器、電容型伺服式加速度計。圖3-2 伺服式加速度計框圖第二節(jié)第二節(jié) 機械式傳感器機械式傳感器機械式傳感器應(yīng)用很廣。在測試技術(shù)中，常常以彈性體作為傳感器的敏感元件，故又稱之為彈性敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，而

5、輸出則為彈性元件本身的彈性變形。這種變形經(jīng)放大后可成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測量的大小。這種傳感器的典型應(yīng)用例有：用于測力或稱重的環(huán)形測力計、彈簧稈等；用于測量流體壓力的波紋膜片、波紋管等；用于溫度測量的雙金屬片等，如圖3-3所示。機械式傳感器做成的機械式指示儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點。但彈性變形不宜大，以減小線性誤差。此外，由于放大和指示環(huán)節(jié)多為機械傳動，不僅受間隙影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變成靜態(tài)被測量。為了提高機械傳感器測量頻率范圍，可先用彈性元件將被測量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他型式的傳感器(如電阻、電容、電渦流式等)將位移量轉(zhuǎn)

6、換成電信號輸出。使用機械傳感器時還必須注意彈性元件的蠕變、彈性后效等現(xiàn)象對傳感器的輸出與輸入線性關(guān)系的影響。第二節(jié)第二節(jié) 機械式傳感器機械式傳感器圖 3-3 典型機械式傳感器 a) 測力計 b)壓力計 c)溫度計1-酒精 2-感溫筒 3-毛細管 4-波登管微型探測開關(guān)亦被看作機械式傳感器。微型探測開關(guān)如圖3-4所示。第二節(jié)第二節(jié) 機械式傳感器機械式傳感器圖3-4 微型探測開關(guān)1-工件 2-電磁鐵 3-導(dǎo)槽 4-彈簧片開關(guān) 5一電極 6惰性氣體 7簧片鋼制工件鋼制工件1有效有效第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器一、變阻器式傳感器常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等，如圖3-5

7、所示。) 13( AlR式中 R導(dǎo)線電阻，單位為歐姆(W)； l導(dǎo)線長度，單位為米(m)；A導(dǎo)線橫截面面積，單位為平方米(m2)；導(dǎo)線材料的電阻率，單位為歐姆/米(W/m)。電阻式傳感器是一種把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和電阻應(yīng)變式兩類。變阻器式傳感器也稱為電位差計式傳感器，它通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。導(dǎo)線的電阻滿足下式：圖 3-5 變阻器式傳感器a)直線位移 b)角位移 c)非線性型1、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)形式第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器一、變阻器式傳感器圖3-5a為直線位移型，當(dāng)被測位移變動時，觸點C沿變阻器移動。移動x，則C點與A點

8、之間電阻值xkRl傳感器靈敏度S)23( lkdldRS圖3-5b為回轉(zhuǎn)型變阻器式傳感器，其電阻值隨轉(zhuǎn)角而變化。其靈敏度) 33( kddRS式中 kl單位長度內(nèi)的電阻值。當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時，kl為一常數(shù)。這時傳感器的輸出(電阻)與輸入(位移)成線性關(guān)系。式中 轉(zhuǎn)角(rad)；k單位弧度對應(yīng)的電阻值。圖3-5c是一種非線性變阻器式傳感器，其骨架形狀需根據(jù)所要求的輸出f(x)來確定。拋物線形骨架；直角三角形骨架；32)()(kxxfkxxf1、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)形式式(3-3)表明，為減小后接電路的影響，應(yīng)使RLRP。第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器一、變阻器式傳感器2、后接電路、后接電路圖3-

9、6 電阻分壓電路) 33()1)(pLppoyxxRRxxuu式中 Rp變阻器的總電阻；xp變阻器的總長度；RL后接電路的輸入電阻。變阻器式傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。缺點是分辨力不高，因為受到電阻絲直徑的限制。提高分辨力需使用更細的電阻絲，其繞制較困難。所以變阻器式傳感器的分辨力很難優(yōu)于20mm。由于結(jié)構(gòu)上的特點，這種傳感器還有較大的噪聲。電刷和電阻元件之間接觸面的變動和磨損、塵埃附著等，都會使電刷在活動中的接觸電阻發(fā)生不規(guī)則的變化，從而產(chǎn)生噪聲。變阻器式傳感器被用于線位移、角位移測量，在測量儀器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計等。第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器二、電

10、阻應(yīng)變式傳感器常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式兩種。電阻絲應(yīng)變片如圖3-7所示。(一) 金屬電阻應(yīng)變片圖 3-7 電阻絲應(yīng)變片1-電電絲 2-基片 3-覆蓋層 4-引出線高電阻率的金屬絲(康銅或鎳鉻合金等，直徑為0.025mm)圖3-8 箔式應(yīng)變片a)單軸 b)測扭轉(zhuǎn)軸 c)多軸(應(yīng)變花) d)平行軸多柵 e)同軸多柵1、結(jié)構(gòu)箔片厚約1mm10mm第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器(一) 金屬電阻應(yīng)變片2、工作原理)43( dRdAARdllRdR對于橫截面是圓形的電阻絲來講2rlR)121(12121232drdrdllRdRrdrRdllRdrldrrldlrdR由

11、此可得)53()2(drdrldlRdR。壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)電阻絲的彈性模量有關(guān)，即正應(yīng)力率，與電阻絲縱向所受電阻絲電阻率相對變化是電阻絲材料的泊桑比式中合縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變符電阻絲橫向應(yīng)變電阻絲縱向應(yīng)變式中EEdldlrdrdrdrldl第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器(一) 金屬電阻應(yīng)變片2、工作原理)83()21 (ERdR分析式(3-8)，(1+2)項是由電阻絲幾何尺寸改變所引起的。對于同一電阻材料1+2是常數(shù)。E項是由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變而引起的。對于金屬電阻絲來說E是很小的，可忽略。這樣式(3-8)簡化為)93()21 (RdR式(3-9)表明了電

12、阻相對變化率與應(yīng)變成正比；比值Sg一般稱為電阻應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)或靈敏度，用于制作電阻應(yīng)變片的電阻絲的靈敏度多在1.73.6之間。)103(21/ldlRdRSg一般市售電阻應(yīng)變片的標準阻值有60W、120W、350W、和1000W等。其中以 120W為最常用。應(yīng)變片的尺寸可根據(jù)使用要求來選定。第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器(一) 金屬電阻應(yīng)變片3、常用金屬電阻應(yīng)變片參數(shù)第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器(二)半導(dǎo)體應(yīng)變片1、結(jié)構(gòu)圖3-9 半導(dǎo)體應(yīng)變片1-膠膜底 2-P-Si 3-內(nèi)引線 4-焊接板 5一外引線2、工作原理半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理

13、是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)是指單品半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。倍。絲電阻應(yīng)變片的半導(dǎo)體的靈敏度是金屬）（7050123/)113(gERdRSERdR以上分析表明，金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別在于：前者利用導(dǎo)體形變引起電阻的變化，后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻的變化。第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器(二)半導(dǎo)體應(yīng)變片3、常用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片參數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點是靈敏度高。另外，由于機械滯后小、橫向效應(yīng)小以及它本身的體積小等特點，擴大了半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用范圍。其最大缺點是溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度分散度大

14、(由于晶向、雜質(zhì)等因素的影響)以及在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大等缺點。第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器(三)電阻式應(yīng)變片的使用實例 1、直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。圖3-10 構(gòu)件應(yīng)力測定的應(yīng)用例a)齒輪輪齒彎矩 b)飛機機身應(yīng)力測量c)立柱應(yīng)力 d)橋梁應(yīng)力第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器(三)電阻式應(yīng)變片的使用實例2、將應(yīng)變片貼于彈件元上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。 圖 3-11 典型應(yīng)變式傳感器a)位移傳感器 b)加速度傳感器 c)柱式測力傳感器 d)扭矩傳感器e)簡式壓力傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻

15、式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器(三)電阻式應(yīng)變片的使用注意事項1.電阻應(yīng)變片必須被粘在試件或彈性元件上才能工作。粘合劑和粘合技術(shù)對測量結(jié)果有著直接影響，因此，粘合劑的選擇，粘合前試件表面的清理、粘合的方法和粘合后的固化處理、防潮處理都必須認真做好；2.電阻應(yīng)變片用于動態(tài)測量時，應(yīng)當(dāng)考慮應(yīng)變片本身的動態(tài)響應(yīng)特性。其中，限制應(yīng)變片上限測量頻率是所使用的電橋激勵電源的頻率和應(yīng)變片的基長。一般上限測量頻率應(yīng)在電橋激勵電源頻率的1/51/10以下?；L愈短，上限測量頻率可以愈高。一般基長為10mm時，上限測量頻率可高達25KHz。3.應(yīng)當(dāng)注意到，溫度的變化會引起電阻值的變化，從而造成應(yīng)變測量結(jié)果的誤差。由

16、溫度變化所引起的電阻變化與由應(yīng)變引起的電阻的變化往往具有同等數(shù)量級，通常要采取相應(yīng)的溫度補償措施，以消除溫度變化所造成的誤差。第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器(四)典型動態(tài)電阻應(yīng)變儀第四節(jié)第四節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器是把被測量，如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。其變換是基于電磁感應(yīng)原理：按照變換方式的不同可分為自感型(包括可變磁阻式與渦流式)與互感型(差動變壓器式)。一、自感型(一)可變磁阻式1、工作原理圖3-12 可變磁服式傳感器基本原理 1-線卷 2-鐵心 3一銜鐵)133(1m2HRNRNLm磁路總磁阻線卷匝數(shù)空氣隙導(dǎo)磁橫截面積；空氣導(dǎo)磁率，

17、氣隙長度；鐵心導(dǎo)磁截面積，鐵心磁導(dǎo)率；鐵心導(dǎo)磁長度；070000104-baA-A)143(2AlAAlRmmmmmm因為鐵心磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的計算時可忽略，故)163(2)153(200200mmANLARm自感量L：總磁阻Rm:一、自感型(一)可變磁阻式1、工作原理)173(22002mAWS2、結(jié)構(gòu)S與間隙關(guān)系為非線性的圖3-23 可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu)a)可變導(dǎo)磁面積型 b)差動型 c)單螺管線卷型 d)雙螺管線卷差動型較大位移(數(shù)毫米)，靈敏度低小位移，靈敏度高線性，靈敏度低較小位移（0300mm），靈敏度較高圖3-14 雙螺管線圈差動型電橋電路及輸出特性。一般為且1m

18、m0.001.1,0/,000一、自感型(二)渦流式渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦流效應(yīng)，如圖3-24所示。圖圖3-24 高頻反射式渦流傳感器原理高頻反射式渦流傳感器原理影響線卷阻抗Z的因素：m和線卷的激磁頻率磁導(dǎo)率、金屬板的電阻率距離1、工作原理測量范圍m0.1mm101m，最高分辨率：）（2、處理電路圖圖3-25 分壓式調(diào)幅電路分壓式調(diào)幅電路調(diào)幅電路：一、自感型(二)渦流式2、處理電路圖圖3-26 分壓式調(diào)幅電路的諧振曲線及輸出特性分壓式調(diào)幅電路的諧振曲線及輸出特性a 諧振曲線b 輸出特性LC21f諧振頻率：調(diào)幅電路：調(diào)頻電路：圖圖3-27 調(diào)頻電路工作原理調(diào)頻電路工

19、作原理一、自感型(二)渦流式3、工程應(yīng)用圖 3-28 渦流式傳感器工程應(yīng)用實例徑向擺動軸心軌跡測速測厚計數(shù)表面裂紋二、互感型差動變壓器式電感傳感器這種傳感器利用了電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。如下圖所示。dtdiMe112圖3-29 互感現(xiàn)象影響因素：兩線卷相對位置、周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等。1、工作原理二、互感型差動變壓器式電感傳感器2、工程結(jié)構(gòu)圖3-30 差動變壓器式傳感器工作原理 a)、b)工作原理 c)輸出特性實際應(yīng)用較多的是螺管形差動變壓器，其工作原理如圖3-30a、b所示。二、互感型差動變壓器式電感傳感器3、處理電路圖3-31是一種利用小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理圖。圖32l 差動相敏

20、檢波電路工作原理線性測量范圍100mm、分辨率0.1mm，測試頻率不高。第五節(jié)第五節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器一、變換原理電容式傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。從物理學(xué)可知，由兩個平行極板組成的電容器其電容量CF13)-(30AC 式中 極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，在空氣中=1； 0真空中介電常數(shù)，08.8510-12F/m； 極板間距離(m)； A極板面積(m2)。1、極距變化型、極距變化型極距變化型電容傳感器及輸出特性如下所示。20ddC1AS靈敏度測量范圍較小，一般為0.01幾百微米1 . 0/0使用差動結(jié)構(gòu)消除非線性度、提高靈敏度和消除電源

21、等外界條件的影響。第五節(jié)第五節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器一、變換原理2、面積變化型、面積變化型面積變化型電容傳感器如圖3-13所示。在變換極板面積的電容傳感器中，一般常用的有角位移型和線位移型兩種。對于角位移型傳感器)153(22rA)163(2r20S靈敏度第五節(jié)第五節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器一、變換原理2、面積變化型、面積變化型對于平面線位移型傳感器)183(b0常數(shù)靈敏度S)173(bx0C對于圓柱體線位移型傳感器)203()/ln(20常數(shù)靈敏度dDS)193()/ln(x20dDC面積變化型電容式傳感器線性度較好，測量范圍大，但是靈敏度低。3、介質(zhì)變化型、介質(zhì)變化型利用介質(zhì)介電常數(shù)

22、變化將被測量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。用于測試某些材料的溫度、濕度、液體的液位和材質(zhì)的厚度。圖圖3-14介質(zhì)變化型電容傳感器應(yīng)用實例介質(zhì)變化型電容傳感器應(yīng)用實例二.測量原理1、電橋型電路、電橋型電路圖圖3-15 電橋型電路電橋型電路將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出。通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋，如上圖所示，屬于調(diào)幅測試電路。二.測量原理此電路又稱為靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器，如圖3-16所示。2、直流極化電路、直流極化電路圖圖3-16 直流極化電路直流極化電路dtAdREdtdCRE000gu由此可見，輸出電壓ug和膜片移動速度成

23、正比，因此這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動速度，進而得到壓力。圖3-17為諧振電路原理及其工作特性。3、諧振電路、諧振電路圖圖3-17諧振電路及其工作特性諧振電路及其工作特性二.測量原理為了獲得較好的線性度，一般工作點應(yīng)選擇在諧振曲線邊的準線性區(qū)域內(nèi)。這種電路比較靈敏，但工作點不好選，變化范圍較窄，傳感器聯(lián)接電纜的分散電容影響較大。調(diào)頻電路的工作原理如圖3-18所示。4、調(diào)頻電路、調(diào)頻電路圖圖3-18 調(diào)頻電路工作原理調(diào)頻電路工作原理二.測量原理這種電路具有抗干擾性強、靈敏度高等點，可測0.01mm的位移量。但缺點是電纜電容的影響較大，使用中有些麻煩。這種電路用于位移測量傳感器，運算放大

24、器電路如圖3-19所示，其中u0是交流激勵電壓，C0是偶合電容。5、運算放大器電路、運算放大器電路圖圖3-19 運算放大電路運算放大電路二.測量原理)223(00000ACuuCCuxg三、電容集成壓力傳感器運用集成電路工藝可以把電容敏感元件電路制作在一起：構(gòu)成電容集成壓力傳感器。圖3-20a 壓力敏感電容器。圖3-20b 集成電路原理圖。圖圖3-20 電容集成壓力傳感器工作原理電容集成壓力傳感器工作原理靈敏度可達1mV/Pa。1、工作原理、工作原理一、磁電式傳感器第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電式傳感器是把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種傳感器，又稱電磁感應(yīng)式或電動力式傳感器。從電工學(xué)已

25、知，對于一個匝數(shù)為W的線卷，當(dāng)穿過該線圈的磁通f發(fā)生變化時，其感應(yīng)電動勢)303( dtdNef可見，線圈感應(yīng)電動勢的大小，取決于匝數(shù)和穿過線圈的磁通變化率。磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關(guān)，故若改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。按照結(jié)構(gòu)方式不同，磁電式傳感器可分為動卷式與磁阻式。2、動圈式、動圈式一、磁電式傳感器動圈式又可分為線速度與角速度型。 圖3-32a表示線速度型傳感器工作原理。 圖3-32b是角速度型傳感器工作原理，線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器圖3-32 動卷式磁電傳感器工作原理 a)線速度型 b)角速度型)(sin

26、磁場強度與線速度垂直NBlvNBlvekNBAe 2、動圈式、動圈式一、磁電式傳感器 動圈磁電式傳感等效電路如圖3-33所示。圖圖3-33 動圈磁電式傳感器等效電路動圈磁電式傳感器等效電路第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器測得的速度是線卷相對于磁場的相對速度磁電式傳感器工作可逆，既可以工作于發(fā)電狀態(tài)，又可以工作于電動狀態(tài)，前者用作傳感器后者用作激振器。3、磁阻式、磁阻式磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對運動。由運動著的物體改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器一、磁電式傳感器 圖

27、3-37 磁阻式傳感器工作原理及應(yīng)用例a)測頻數(shù) b)測轉(zhuǎn)速 c)偏心測量 d)振動測量1.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器二、壓電式傳感器某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等晶體，當(dāng)受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，某些表面上出現(xiàn)電荷。晶體的這一性質(zhì)稱為壓電性，具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能。這種性質(zhì)使它被廣泛用于力、壓力、加速度測量，也被用于超聲波發(fā)射與接收裝置。這種傳感器具有體積小、重量輕，精確度及靈敏度高等優(yōu)點。現(xiàn)在與其配套的后續(xù)儀器，如電

28、荷放大器等的技術(shù)性能日益提局，使這種傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。壓電式傳感器的工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。圖 3-31 石英晶體a)石英晶體 b)光軸z、電軸x和機械軸y1.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)二、壓電式傳感器圖圖3-36圖圖 3-32 壓電效應(yīng)模型壓電效應(yīng)模型a)縱向效應(yīng)縱向效應(yīng) b)橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) c)切向效切向效應(yīng)應(yīng)第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器zyxxxxxllFddP1111極化強度：2.壓電材料壓電材料二、壓電式傳感器常用的壓電材料可分為三類：壓電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電薄膜(聚偏二氟乙烯)。第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式

29、傳感器3.壓電式傳感器及其等效電路壓電式傳感器及其等效電路二、壓電式傳感器在壓電晶體片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，如圖3-37所示。圖3-38 壓電晶片及等效電路a)壓電晶片 b)并聯(lián) c)串接 d)等效電荷源第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器)363(0ACa0RCqu02000200000001)cos()1(11)cos()(1cossinsinCRarctgtCRCqiRutCRqitqidtdiCRidtiCRidtCutqtdFq為什么在放大電路輸入端并聯(lián)一個大電容？電容越大越好否？4.測量電路測量電路二、壓電式傳感器電荷放大器是一個高增益帶電容反饋的運

30、算放大器。略去傳感器漏電阻及電荷放大器輸入電阻時，它的等效電路如圖3-38所示。第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器圖3-38 電荷放大器等效電路由于壓電式傳感器的輸出電信號是很微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃?，?jīng)過阻抗變換以后，方可用一般的放大、檢波電路將信號輸給指示儀表或記錄器。前置放大器的主要作用有兩點：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；其次是放大傳感器輸出的微弱電信號。前置放大器電路有兩種形式：其一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸

31、出)成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。5.壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用二、壓電式傳感器壓電式傳感器常用來測量應(yīng)力、第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器fyffffyiyyifiyificaiCquthenCCACifACCCAquAuuuuCCuuuCCCCuq)()()()(4.測量電路測量電路壓力、振動加速度。壓電式傳感器也用于聲、超聲和聲發(fā)射等測量。1.熱電偶傳感器熱電偶傳感器三、熱電式傳感器（1） 熱電偶工作原理熱電偶工作原理如果將它們的兩個節(jié)點分別置于溫度為T及T0的熱源中：則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢。在圖3-39

32、所示的熱電偶回路中，所產(chǎn)生的熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分組成第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器熱電式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電量的一種變換裝置，其變換基于金屬的熱電效應(yīng)。按照變換方式的不同，可分為熱電偶與熱電阻傳感器。圖3-39 熱電偶回路BAnnekTTln)(eAB接觸電勢：k-波爾茲曼常數(shù)；nA、nB-電子密度。TTdT0ABE溫差電勢：湯姆孫系數(shù)，與材料及其兩端溫差有關(guān)TTBABABAABdTnnekTnnekTTTE0)(lnln),(00由此得到什么結(jié)論？1.熱電偶傳感器熱電偶傳感器三、電熱式傳感器三、電熱式傳感器（1） 熱電偶工作原理熱電偶工作

33、原理在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線的兩端溫度相同：第三種導(dǎo)線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢，這一性質(zhì)稱為中間導(dǎo)體定律。應(yīng)用這一定律可以采用開路熱電偶對液態(tài)金屬和金屬壁面進行穩(wěn)定度測量如圖3-40所示。圖圖3-40第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器1.熱電偶傳感器熱電偶傳感器三、電熱式傳感器三、電熱式傳感器（2） 熱電偶分類熱電偶分類1） 鉑銠鉑熱電阻 小于1500度，短時1600度2） 鎳鉻鎳硅熱電偶 小于900度，短時1200度，測量某些材料小于500度3） 鎳鉻考銅熱電偶 小于600度，短時800度4） 鉑銠30鉑銠6熱電偶 小于1600度，

34、短時1800度第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器2.熱電阻傳感器熱電阻傳感器三、電熱式傳感器三、電熱式傳感器（1）鉑電阻）鉑電阻鉑電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。圖圖3-42 WZB型鉑電阻體型鉑電阻體第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器利用電阻隨溫度變化的特點制成的傳感器就是熱電阻傳感器。)1 (20BtAtRRt1-鉑絲 2-鉚釘 3-銀導(dǎo)絲 4-絕緣片 5-夾持件 6-骨架2.熱電阻傳感器熱電阻傳感器三、電熱式傳感器三、電熱式傳感器（2）銅電阻）銅電阻銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價格便宜的等優(yōu)點。圖圖3-43 銅電阻

35、體銅電阻體第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器)1 (0tRRt1-線卷骨架 2-銅熱電阻絲 3-補償電阻 4-銅引出線2.熱電阻傳感器熱電阻傳感器三、電熱式傳感器三、電熱式傳感器（3）其他電阻體）其他電阻體1） 銦電阻一種高精度低溫?zé)犭娮琛Ｈ秉c是材料很軟，復(fù)制性差。2） 錳電阻電阻隨溫度變化很大，靈敏度高；受磁場的影響小，且有規(guī)律。錳電阻的缺點是脆性大，難以拉制成絲。3） 碳電阻適合作液氦溫閾溫度計。其缺點是熱穩(wěn)定性差。第六節(jié)第六節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器1.外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)第七節(jié)第七節(jié) 光電傳感器光電傳感器一、光電測量原理一、光電測量

36、原理在光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。2.內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)(光導(dǎo)效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng))在光線照射下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)?；诠馍蛐?yīng)的器件有光電池、可見光電池等。在光照作用下，物體的導(dǎo)電性能如電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱內(nèi)光電效應(yīng)。3.光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(yīng)光的波長。光速；光的頻率；光子能量；出功；c212hAAmhvE光電元件或光電陰極的紅限：AhcAchh000截止電壓：emvUUemv/21|212002常見的硅光電池結(jié)構(gòu)如圖3-44所示。第七節(jié)第七節(jié) 光電傳感器光電傳感器一、光電測量原理一、光電測量原理圖圖3-44 硅光電池硅光電

37、池1.真空光電管或光電管真空光電管或光電管第七節(jié)第七節(jié) 光電傳感器光電傳感器二、光電元件二、光電元件光電管主要有兩種結(jié)構(gòu)形式如圖3-45。圖圖3-45 光電管的結(jié)構(gòu)形式光電管的結(jié)構(gòu)形式1.真空光電管或光電管真空光電管或光電管第七節(jié)第七節(jié)光電傳感器光電傳感器二、光電元件二、光電元件真空光電管的特性如圖3-46所示。圖圖3-46 真空光電管特性真空光電管特性a) 光電特性 b)伏安特性輸入特性輸出特性2.光電倍增管光電倍增管第七節(jié)第七節(jié)光電傳感器光電傳感器二、光電元件二、光電元件光電倍增管的結(jié)構(gòu)及電路如圖3-47所示。圖圖3-47 光電倍增管結(jié)構(gòu)及電路光電倍增管結(jié)構(gòu)及電路1-入射光 2-第一倍增極

38、 3-第三倍增極4-陽極 5-第四倍增極 6-第二倍增極7-陰極3.光敏電阻光敏電阻第七節(jié)第七節(jié) 光電傳感器光電傳感器二、光電元件二、光電元件光敏電阻使用半導(dǎo)體的確內(nèi)光電效應(yīng)或光導(dǎo)效應(yīng)，其特點是靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬?？蓮淖贤庖恢钡郊t外，且體積小，性能穩(wěn)定、廣泛應(yīng)用于測試技術(shù)。4.光敏晶體管光敏晶體管使用晶體管的光生伏打效應(yīng)(Photovoltaic effect)，分光敏二極管和光敏晶體管。光電流、暗電流、光電阻、暗電阻光照特性 光電流-光通量伏安特性 光電流-電壓光譜特性 光電阻-光譜光譜溫度特性 溫度對光敏電阻的影響圖3-37 光敏電阻圖 3-38 光敏電阻材料感光特性光電流=亮電流-

39、暗電流光敏二極管，其結(jié)構(gòu)原理如圖3-48。第七節(jié)第七節(jié)光電傳感器光電傳感器二、光電元件二、光電元件圖圖3-48 光敏二極管光敏二極管 光敏晶體管，其結(jié)構(gòu)原圖3-49所示。第七節(jié)第七節(jié)光電傳感器光電傳感器二、光電元件二、光電元件圖3-49 光敏晶體管按光纖的作用，光纖傳感器可分為功能型和傳光型兩種，如圖3-56。第八節(jié)第八節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器一、分類一、分類圖3-56 光纖傳感器種類a) 功能型 b)、c)傳導(dǎo)型1-光源 、2-光敏元件 3-光纖4-被測對象、5-電輸出、6-敏感元件7-發(fā)光元件功能型：頻率、相位、強度和偏振光波沿光纖的傳播是以全反射方式進行的。光的折射過程如圖3-57所示。

40、第八節(jié)第八節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器二、光纖導(dǎo)光原理二、光纖導(dǎo)光原理圖圖3-57 光的折射光的折射大折射率小折射率臨界角全反射光線在光纖中的傳播如圖3-58所示。第八節(jié)第八節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器二、光纖導(dǎo)光原理二、光纖導(dǎo)光原理圖圖3-58光線在光纖中的傳播光線在光纖中的傳播4 . 02 . 0sin1sin2221022210光纖數(shù)值孔徑nnnNAnnnicicin1n2下面介紹幾種光纖位移傳感器。第八節(jié)第八節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器三、光纖傳感器的應(yīng)用三、光纖傳感器的應(yīng)用圖圖3-59 一種最簡單的光纖位移傳感器。一種最簡單的光纖位移傳感器。下面介紹幾種光纖位移傳感器。第八節(jié)第八節(jié) 光纖傳感器光

41、纖傳感器三、光纖傳感器的應(yīng)用三、光纖傳感器的應(yīng)用圖圖3-60 一種反射式光纖位移傳感器。一種反射式光纖位移傳感器。圖3-61所示的液位光纖傳感器的端部，有一個全反射棱鏡。 第八節(jié)第八節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器三、光纖傳感器的應(yīng)用三、光纖傳感器的應(yīng)用圖圖3-61 光纖液位計光纖液位計全反射全反射光強式光纖傳感器最常用的是微彎式光纖傳感器。全反射（1） 不受電磁干擾，電氣絕緣性能好。（2） 光波傳輸無電能和電火花。（3） 工作性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器。（4） 重量輕，體積小。（5） 具有良好的幾何形狀適應(yīng)性。（6） 頻帶寬、動態(tài)范圍大。 （7） 易于實現(xiàn)遠距離測控。第八節(jié)第八節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器四、光

42、纖傳感器的特點四、光纖傳感器的特點1.霍爾元件霍爾元件第九節(jié)第九節(jié) 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器一、磁敏傳感器一、磁敏傳感器霍爾元件是一種半導(dǎo)體材料的磁電轉(zhuǎn)換元件。它們利用霍爾效應(yīng)進行工作。圖圖3-62霍爾元件及霍爾效應(yīng)原理霍爾元件及霍爾效應(yīng)原理利用半導(dǎo)體材料對光、熱、力、滋、氣體、濕度等理化量的敏感性的特性制作的傳感器就是半導(dǎo)體傳感器。該類型傳感器屬于物性傳感器，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕；功耗低、安全可靠、壽命長；對被測量敏感，響應(yīng)快；與被測量具有非線性，對溫度比較敏感，離散性大。利用半導(dǎo)體材料的磁敏特件來工作的傳感器有霍爾元件、磁阻元件和磁敏管等?；魻栯妱菁椿魻栃?yīng)電流與磁場方向的夾角磁感應(yīng)強度寸；取決于材料、溫度和尺霍爾常數(shù)，BkiBkVBBHsin1.霍爾元件霍爾元件第九節(jié)第九節(jié) 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器一、磁敏傳感器一、磁敏傳感器圖圖3-63 霍爾元件用于測量的各種實例?；魻栐糜跍y量的各種實例。測角度測位移測加速度測零件數(shù)測轉(zhuǎn)速測壓力1.霍爾元件霍爾元件第九節(jié)第九節(jié) 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器一、磁敏傳感器一、磁敏傳感器利用霍爾元件測試鋼絲繩斷絲的工作原理，如圖3-64所示。圖3-64 鋼絲繩斷絲檢測原理2.磁阻元件磁阻元件第九節(jié)第九節(jié) 半