傳感器類型及原理--工作

1、傳感器傳感器基本類型及其工作原理基本類型及其工作原理1.1.傳感器的分類傳感器的分類 2.2.常用傳感器測(cè)量原理常用傳感器測(cè)量原理3.3.傳感器測(cè)量電路傳感器測(cè)量電路1. 1. 傳感器定義傳感器定義 傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成（元件和轉(zhuǎn)換元件組成（GB7665GB76658787）。 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)

2、轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。物理量物理量電參量電參量2. 2. 傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成 敏感元件敏感元件（或稱預(yù)變換器，也統(tǒng)稱彈性敏感元件）（或稱預(yù)變換器，也統(tǒng)稱彈性敏感元件） 在進(jìn)行由非電量到電量的變換時(shí)，有時(shí)需利用彈性敏感元件，在進(jìn)行由非電量到電量的變換時(shí)，有時(shí)需利用彈性敏感元件，先將被測(cè)非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量先將被測(cè)非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量（例如應(yīng)變或位移），然后再利用傳感元件，將這種非電量（例如應(yīng)變或位移），然后再利用傳感元件，將這種非電量變換成電量。變換成電量。彈性敏感元件是傳感器的心臟彈性敏感元件是傳感器的心臟部分，在電測(cè)技

3、術(shù)中占有極為部分，在電測(cè)技術(shù)中占有極為重要的地位。它常由金屬或非重要的地位。它常由金屬或非金屬材料做成，當(dāng)承受外力作金屬材料做成，當(dāng)承受外力作用時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)用時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)去除外力后，彈性變形消失并去除外力后，彈性變形消失并能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀。右圖為彈簧管壓力計(jì)。狀。右圖為彈簧管壓力計(jì)。 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件 （或稱（或稱傳感傳感元件）元件） 凡是能將感受到的非電量（如力、壓力、溫度梯度等）直接凡是能將感受到的非電量（如力、壓力、溫度梯度等）直接變換為電參量的元件。例如應(yīng)變計(jì)、壓電晶體、壓磁式器件、變換為電參量的元件。例如應(yīng)變計(jì)、壓電晶體、

4、壓磁式器件、光電元件及熱電偶等。光電元件及熱電偶等。 它利用各種物理效應(yīng)或化學(xué)效應(yīng)等原理制成的。它利用各種物理效應(yīng)或化學(xué)效應(yīng)等原理制成的。 說明說明: : 并不是所有的傳感器都包括并不是所有的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分。有時(shí)不需要進(jìn)兩部分。有時(shí)不需要進(jìn)行預(yù)變換這一步，例如熱敏電阻、光電器件等。另外一些傳感器，敏感元行預(yù)變換這一步，例如熱敏電阻、光電器件等。另外一些傳感器，敏感元件與件與轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換元件合二為一，如固態(tài)壓阻式壓力傳感器等元件合二為一，如固態(tài)壓阻式壓力傳感器等。3. 3. 傳感器的分類傳感器的分類1)1)按被測(cè)物理量分類按被測(cè)物理量分類常見的被測(cè)物理量常見的

5、被測(cè)物理量機(jī)械量機(jī)械量: :長(zhǎng)度長(zhǎng)度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角, ,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,重量重量, ,力力, ,力矩力矩; ;熱工量熱工量: :溫度、熱量、比熱容、熱流、溫度、熱量、比熱容、熱流、 熱熱分布、壓力（壓強(qiáng)）、壓差、真空度、流分布、壓力（壓強(qiáng)）、壓差、真空度、流量、流速、物位、量、流速、物位、 液位、界面、噪聲液位、界面、噪聲電阻式電阻式, ,電感式電感式, ,電容式電容式, ,磁電式磁電式, ,熱電式熱電式, ,光電式等光電式等. .2)2)按傳感器的工作原理分類按傳感器的工作原理分類: :能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)

6、換型和能量控制型. .3)3)按信號(hào)變換特征按信號(hào)變換特征: :能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: : 直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì), ,磁電式位移計(jì)磁電式位移計(jì). .能量控制型能量控制型: : 從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例如例如: :電容式聲級(jí)計(jì)電容式聲級(jí)計(jì). .4)4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來 實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)

7、變換. .如如: :水銀溫度計(jì)水銀溫度計(jì). .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. . 電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器, , 按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :電位計(jì)式、電阻應(yīng)變式、電位計(jì)式、電阻應(yīng)變式、 壓阻式、壓阻式、熱電阻式、濕（氣、光）敏電阻式。熱電阻式、濕（氣、光）敏電阻式。4.1 4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器1 1 電位計(jì)式傳感器電位計(jì)式傳感器4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器EE1V VR

8、mRxR-Rx1EE1= =xLRmR+ +Lx()-案例：案例：重量的自動(dòng)檢測(cè)重量的自動(dòng)檢測(cè)-配料設(shè)備配料設(shè)備 比較比較重量設(shè)定原材料原材料4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器原理：原理： 彈簧彈簧-力力-位移位移-電位器電位器-電阻電阻 電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形( (伸長(zhǎng)或縮短伸長(zhǎng)或縮短) )的的變化而發(fā)生變化。變化而發(fā)生變化。 2 2 金屬應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變式傳感器4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器1) 1

9、) 工作原理工作原理上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化, ,求導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)數(shù)金屬應(yīng)變片的電阻金屬應(yīng)變片的電阻R R為為AlR/=dAldAAldlAdR+=2代入代入AlR/=dRAdARldlRdR+=4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器dAdAldlRdR+=有：有：金屬絲：金屬絲：2rA=drdrldlRdR+=2金屬絲體積不變：金屬絲體積不變：=ldlrdr4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器有：有：dRdR+=2對(duì)金屬材料，導(dǎo)電率不變：對(duì)金屬材料，導(dǎo)電率不變：)21(+=RdR金屬絲應(yīng)變片：金屬絲應(yīng)變片：4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)

10、變片4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 雙臂電橋雙臂電橋 R1、 R2為應(yīng)變片，為應(yīng)變片， R3、R4為固定電阻為固定電阻 。應(yīng)變片應(yīng)變片R1 、R2 感受到感受到的應(yīng)變的應(yīng)變 1 2以及產(chǎn)生以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號(hào)相的電阻增量正負(fù)號(hào)相間，可以使輸出電壓間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。成倍地增大。4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器四臂全橋四臂全橋 全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R R1 1 R R4 4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變應(yīng)變 1 1 4 4）正負(fù)號(hào)相間，就可以）正負(fù)號(hào)相間，就可以使

11、輸出電壓使輸出電壓U Uo o成倍地增大。上述三成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。補(bǔ)償。4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器全橋的溫度補(bǔ)償原理全橋的溫度補(bǔ)償原理 當(dāng)環(huán)境溫度升高當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，溫度溫度同時(shí)升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂消，所以全橋的溫漂較??；半橋也同樣

12、能較小；半橋也同樣能克服溫漂。克服溫漂。 4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器案例：案例：電子稱電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器人體秤人體秤 4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器3 3 半導(dǎo)體壓阻式傳感器半導(dǎo)體壓阻式傳感器drdrldlRdR+=2簡(jiǎn)化為：簡(jiǎn)化為：(12)d REER=+優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大; ;體積小體積小; ;固有頻率高；固有頻率高

13、；缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。對(duì)半導(dǎo)體壓阻材料，電阻率變化大：對(duì)半導(dǎo)體壓阻材料，電阻率變化大：壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng):固體材料受到應(yīng)力作用后，電阻率會(huì)發(fā)生固體材料受到應(yīng)力作用后，電阻率會(huì)發(fā)生變化。變化。E為 壓 阻 效 應(yīng) ， 其 值 遠(yuǎn) 大 于 前 兩 項(xiàng)4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器壓阻式壓力傳感器的隔離、承壓膜片壓阻式壓力傳感器的隔離、承壓膜片 隔離、承壓膜片可以將腐蝕隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片性的氣體、液體與硅膜片 隔隔離開來。離開來。 4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅

14、片利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好。上，工藝一致性好。 4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：內(nèi)部結(jié)構(gòu)：信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器高壓進(jìn)氣口高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器投入式液位計(jì)外形投入式液位計(jì)外形壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器 光柱光柱 顯示器顯示器 橡膠背壓管橡膠背壓管 h=h0+h1=h0+p1 /（ g） 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器4 4 氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器 使用氣敏電阻傳感器（以下簡(jiǎn)稱

15、氣敏電阻），可以把某使用氣敏電阻傳感器（以下簡(jiǎn)稱氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號(hào)。流、電壓信號(hào)。 還原性氣體傳感器還原性氣體傳感器 所謂還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價(jià)所謂還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價(jià)升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。 測(cè)量還原性氣體的氣敏電阻一般是用測(cè)量還原性氣體的氣敏電阻一般是用S

16、nO2、ZnO或或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。 4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器a a）氣敏燒結(jié)體）氣敏燒結(jié)體 b b）氣敏電阻外形）氣敏電阻外形 c c）基本測(cè)量轉(zhuǎn)換電路）基本測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 11引腳引腳 22塑料底座塑料底座 33燒結(jié)體燒結(jié)體 44不銹鋼網(wǎng)罩不銹鋼網(wǎng)罩 55加熱電極加熱電極6 6工作電極工作電極 7 7加熱回路電源加熱回路電源 8 8測(cè)量回路電源測(cè)量回路電源 MQN型氣敏半導(dǎo)體器件是由塑料底座、電極引線、不銹鋼網(wǎng)罩、氣敏燒結(jié)

17、型氣敏半導(dǎo)體器件是由塑料底座、電極引線、不銹鋼網(wǎng)罩、氣敏燒結(jié)體以及包裹在燒結(jié)體中的兩組鉑絲組成。一組鉑絲為工作電極，另一組（圖中體以及包裹在燒結(jié)體中的兩組鉑絲組成。一組鉑絲為工作電極，另一組（圖中的左邊鉑絲）為加熱電極兼工作電極。的左邊鉑絲）為加熱電極兼工作電極。 氣敏電阻工作時(shí)必須加熱到氣敏電阻工作時(shí)必須加熱到200 300，其目的是加速被測(cè)氣體的化學(xué)吸，其目的是加速被測(cè)氣體的化學(xué)吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。 4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器氣敏電阻外形氣敏電阻外形 酒精傳感器酒精傳感器 其他可燃性其他可燃性氣

18、體傳感器氣體傳感器4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器酒精測(cè)試儀酒精測(cè)試儀呼氣管呼氣管4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器家庭用液化氣報(bào)警器家庭用液化氣報(bào)警器煙霧報(bào)警器煙霧報(bào)警器一氧化碳傳感器一氧化碳傳感器家庭用煤氣報(bào)警器家庭用煤氣報(bào)警器4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器5 5 濕敏電阻傳感器濕敏電阻傳感器 絕對(duì)濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大絕對(duì)濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質(zhì)量氣中所含水汽的質(zhì)量( (克數(shù)克數(shù)) )。 相對(duì)濕度：是大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時(shí)溫度下飽和水相對(duì)濕度：是大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時(shí)溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。汽壓

19、的百分比，是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)100%100%時(shí)，稱飽和狀態(tài)。時(shí)，稱飽和狀態(tài)。 濕敏電阻的原理：水是一種強(qiáng)極性的電解質(zhì)。水分濕敏電阻的原理：水是一種強(qiáng)極性的電解質(zhì)。水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部，引起半導(dǎo)體子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部，引起半導(dǎo)體的電阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等的電阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。吸濕材料制作濕敏電阻。 4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器濕度傳感器的分類濕度傳感器的分類 4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器6 6 熱電阻傳感器熱電阻傳感器 導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的電

20、阻率與溫度有關(guān)，金屬的電阻隨溫度升高而導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的電阻率與溫度有關(guān)，金屬的電阻隨溫度升高而變大，而半導(dǎo)體的電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)。變大，而半導(dǎo)體的電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)。 導(dǎo)體的電阻在一定溫度范圍內(nèi)與溫度具有線性關(guān)系導(dǎo)體的電阻在一定溫度范圍內(nèi)與溫度具有線性關(guān)系 半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鐵等金屬氧化物按一半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。而阻值下降。 )11(00TTeRR=RT負(fù)溫度系數(shù)（負(fù)溫度系數(shù)（NTC）4.1 電

21、阻式傳感器電阻式傳感器熱敏電阻外形熱敏電阻外形 MF12 MF12型型 NTCNTC熱敏電阻熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏聚脂塑料封裝熱敏電阻電阻4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器溫控器溫控器應(yīng)應(yīng)用用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器汽車發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器水溫感應(yīng)塞水溫感應(yīng)塞還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等4.1 電阻式傳感器電阻式傳感器4.2 4.2 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置?；癁殡姼辛康囊环N裝置。分類分類: :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流

22、式渦流式互感型互感型4.2 電感式傳感器電感式傳感器1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型差動(dòng)型差動(dòng)型2002ANL =原理原理: :電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)2 2 渦流式渦流式原理原理: :渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)4.2 電感式傳感器電感式傳感器原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(ZZ=4.2 電感式傳感器電感式傳感器4.2 電感式傳感器電感式傳感器2 2 互感型互感型-差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象.EwEout4.2 電感式傳感器電感式傳感器單螺管線圈型單螺管線圈型螺管線圈差動(dòng)螺管線圈差動(dòng)雙螺管線圈差動(dòng)型

23、傳感雙螺管線圈差動(dòng)型傳感器測(cè)量電路器測(cè)量電路4.2 電感式傳感器電感式傳感器差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器測(cè)量電路測(cè)量電路4.2 電感式傳感器電感式傳感器差動(dòng)變壓器位移傳感器差動(dòng)變壓器位移傳感器4.2 電感式傳感器電感式傳感器4.3 4.3 電容式傳感器電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,它的它的電容量為電容量為: :AC0=+ A 、A A或或發(fā)生變化發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。的變化。4.3 電容式傳感器電容式傳感器 a)a)極距極距變化型變化型+AC0=+駐極體電容傳聲

24、器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 4.3 電容式傳感器電容式傳感器 b)b)面積變化型面積變化型AC0=角位移型角位移型+4.3 電容式傳感器電容式傳感器 AC0=平面線位移型平面線位移型4.3 電容式傳感器電容式傳感器 柱面線位移型柱面線位移型. .AC0=4.3 電容式傳感器電容式傳

25、感器 c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型AC0=4.3 電容式傳感器電容式傳感器 4.4 壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。 壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。 壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。 4.4 壓電式傳感器 一、工作原理壓電效應(yīng) 天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓

26、力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。 若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。 石英晶體的壓電效應(yīng)演示 當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。4.4 壓電式傳感器 壓電效應(yīng)的應(yīng)用原理力電軸縱向壓電效應(yīng)，在電軸方向產(chǎn)生電效應(yīng)力力軸橫向壓電效應(yīng)，在電軸方向產(chǎn)生電效應(yīng)， 極性與相反力光軸無壓電效應(yīng)電電軸逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變光光軸

27、無雙折射現(xiàn)象4.4 壓電式傳感器 壓電材料的分類及特性 壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：第一類是壓電晶體（如石英晶體）； 第一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。4.4 壓電式傳感器 4.5 磁電式傳感器 1.變換原理: 磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。dtdWe=感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 cos=SB),(mdtdRB2 分類 磁電式動(dòng)圈式磁阻式線速度型角速度型N4.5 磁電式傳感器 動(dòng)圈式傳感器 線速度型 4.5 磁電式傳感器 角速度型測(cè)速電機(jī)4.5 磁電式

28、傳感器 磁阻式傳感器 磁電式車速傳感器4.5 磁電式傳感器 4.6 熱電式傳感器 1.變換原理: 熱電式傳感器是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器，分為熱電阻（見4.2）和熱電偶。熱電效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。4.6 熱電式傳感器 熱電偶工作原理演示 結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 熱電極A右端為：自由端（參考端、冷端） 左端為：測(cè)量端（工作端、熱端） 熱電極B熱電勢(shì)AB 1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)

29、放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）。 熱電效應(yīng)也叫賽貝克效應(yīng)。熱電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)4.6 熱電式傳感器 結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱電勢(shì)的微觀解釋及圖形符號(hào) 兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢(shì)。 自由電子ABTie4.6 熱電式傳感器 BAABNNekTTEln)(=ABTT0k玻耳茲曼常數(shù)，e電子電荷量，T接觸處的溫度，NA，NB分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。BAABNNekTTEln)(00= 熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)等于熱端熱電勢(shì)與冷端熱電勢(shì)之差，是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差t 的函數(shù)： EAB（T，T0）=EAB （ T ）- EAB （ T0 ）熱電勢(shì)大致與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差t 成正比4.6 熱電式傳感器 4.6 熱電式傳感器 熱電偶測(cè)溫基本定律1)均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回