第二、三講_常用傳感器原理及應用

1、第二講第二講 常用傳感器原理及應用常用傳感器原理及應用1 1 概述概述2 2 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器3 3 電感式傳感器電感式傳感器4 4 電容式傳感器電容式傳感器5 5 壓電式傳感器壓電式傳感器6 6 磁敏傳感器磁敏傳感器7 7 光電式傳感器光電式傳感器8 8 應用舉例應用舉例1 1 概述概述一、傳感器的定義一、傳感器的定義 傳感器（傳感器（transducer/senortransducer/senor）是將）是將被測量被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成成便于應用的某種物理量便于應用的某種物理量的裝置。通常將傳感器看作是一個把的裝置。通常將傳感器看作是一個把被測被測非電量非電量

2、轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電量電量的裝置。的裝置。測力計測力計壓力計壓力計溫度計溫度計二、傳感器的組成二、傳感器的組成傳感器通常由三部分組成：傳感器通常由三部分組成：敏感元件：敏感元件： 直接感受被測量直接感受被測量, ,輸出與被測量成確定關系。輸出與被測量成確定關系。 轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn)換元件： 敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入, ,它把輸入轉(zhuǎn)它把輸入轉(zhuǎn) 換成電量參量。換成電量參量。轉(zhuǎn)換電路：轉(zhuǎn)換電路： 把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號轉(zhuǎn)換為便于處理、顯把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號轉(zhuǎn)換為便于處理、顯 示、記錄或控制的有用的電信號的電路。示、記錄或控制的有用的電信號的電路。三、傳感器的類型三、

3、傳感器的類型1 1、按被測對象分：溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位、按被測對象分：溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等；感器等；2 2、按工作原理分：電阻應變式、電感式、電容式和壓電式等；、按工作原理分：電阻應變式、電感式、電容式和壓電式等；3 3、按被測量的轉(zhuǎn)換特征分：結構型和物性型。、按被測量的轉(zhuǎn)換特征分：結構型和物性型。（1 1）結構型傳感器：是依靠傳感器結構參數(shù)的變化而實現(xiàn)信號）結構型傳感器：是依靠傳感器結構參數(shù)的變化而實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的。轉(zhuǎn)換的。例如，例如，電容式傳感

4、器電容式傳感器依靠依靠極板間距離變化極板間距離變化引起引起電容量變化電容量變化；電電感式傳感器感式傳感器依靠依靠銜鐵位移銜鐵位移引起引起自感或互感變化自感或互感變化等。等。（2 2）物性型傳感器：是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化）物性型傳感器：是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換的。來實現(xiàn)信號變換的。例如利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象制成水銀溫度計來測溫；利用石例如利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象制成水銀溫度計來測溫；利用石英晶體的壓電效應制成壓電測力計等。英晶體的壓電效應制成壓電測力計等。 4、按照能量的傳遞方式分：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。、按照能量的傳遞方式分：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。 能

5、量控制型傳感器是從外部供給輔助能量使其工作的，并能量控制型傳感器是從外部供給輔助能量使其工作的，并由被測量來控制外部供給能量的變化；由被測量來控制外部供給能量的變化； 能量轉(zhuǎn)換型傳感器是直接由被測對象輸入能量使其工作的，能量轉(zhuǎn)換型傳感器是直接由被測對象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計、彈性壓力計等例如，熱電偶溫度計、彈性壓力計等 。三、傳感器的類型三、傳感器的類型2 2 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器( (具體見另一個課件具體見另一個課件) )4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器的工作原理是電磁感應。它是把被測量如位移等，電感式傳感器的工作原理是電磁感應。它是把被測量如

6、位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自自感式感式（包括可變磁阻式與渦流式）和（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式互感式（差動變壓器式）兩（差動變壓器式）兩種。種。 一、自感式傳感器（可變磁阻式傳感器一、自感式傳感器（可變磁阻式傳感器 ）可變磁阻式傳感器自感 自感L與氣隙成反比，而與氣隙導磁截面積S0成正比。0空氣導磁率；W線圈匝數(shù)。1 1、變氣隙式、變氣隙式L L 與與呈非線性（雙曲線）關系。傳感器的靈敏度為：呈非線性（雙曲線）關系。傳感器的靈敏度為： 靈敏度靈敏度S S與氣隙長度與氣隙長度的平方成反比，的平方成反比

7、，愈小，靈敏度愈小，靈敏度S S愈高。愈高。這種傳感器適用于這種傳感器適用于較小位移的測量較小位移的測量，一般約為，一般約為0.0010.0011 mm1 mm。2 2、變面積式、變面積式自感L與S0呈線性關系，這種傳感器靈敏度較低。3 3、螺管式、螺管式單螺管線圈型，當鐵芯在線圈中運動時，單螺管線圈型，當鐵芯在線圈中運動時，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。這將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。這種傳感器結構簡單、制造容易，但靈敏種傳感器結構簡單、制造容易，但靈敏度低，適用于度低，適用于較大位移較大位移( (數(shù)毫米數(shù)毫米) )測量。測量。 雙螺管線圈差動型，較之單螺雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈

8、型有較高靈敏度及線性，管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于被用于電感測微計電感測微計上，其測量上，其測量范圍為范圍為0 0300m300m，最小分辨，最小分辨力為力為0.5m0.5m。線圈電感。線圈電感L L1 1、L L2 2隨鐵芯位移而變化隨鐵芯位移而變化. .測量精度高，量程較大。測量精度高，量程較大。二、差動變壓器式傳感器（互感式）二、差動變壓器式傳感器（互感式）三、電渦流式傳感器三、電渦流式傳感器 高頻（數(shù)高頻（數(shù)MHzMHz以上）以上）激勵電流激勵電流i i施加于鄰近施加于鄰近金屬板一側的線圈，由金屬板一側的線圈，由線圈產(chǎn)生的高頻電磁場線圈產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板的表面。作用于金

9、屬板的表面。在金屬板表面薄層內(nèi)產(chǎn)在金屬板表面薄層內(nèi)產(chǎn)生渦流生渦流i i，渦流，渦流i i又產(chǎn)生又產(chǎn)生反向的磁場，反作用于反向的磁場，反作用于線圈上，由此引起線圈線圈上，由此引起線圈自感自感L L或線圈阻抗或線圈阻抗z z的變的變化?；?。L L的變化程度取決的變化程度取決于線圈至金屬板之間的于線圈至金屬板之間的距離距離、金屬板的電阻、金屬板的電阻率率、磁導率、磁導率以及激以及激勵電流勵電流i i的幅值與角頻的幅值與角頻率率等。等。 當被測位移量發(fā)生變化時，使線當被測位移量發(fā)生變化時，使線圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導致線圈阻抗致線圈阻抗z z的變化，通過測量電路

10、的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出。高頻反射式渦流式轉(zhuǎn)化為電壓輸出。高頻反射式渦流式傳感器常用于傳感器常用于位移測量。位移測量。 低頻透射式渦流傳感器多用低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度于測定材料厚度。發(fā)射線圈。發(fā)射線圈1 1 和接收線圈和接收線圈22分別放在被測材料分別放在被測材料G G的上下，低頻的上下，低頻( (音頻范圍音頻范圍) )電壓電壓e1e1加到線圈加到線圈1的兩端后，在周圍空的兩端后，在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場，并在被測材間產(chǎn)生一交變磁場，并在被測材料料G G中產(chǎn)生渦流中產(chǎn)生渦流i i，此渦流損耗了，此渦流損耗了部分能量，使貫穿部分能量，使貫穿2 的磁力線的磁力線減少，從而

11、使減少，從而使2產(chǎn)生的感應電勢產(chǎn)生的感應電勢e2e2減小。減小。e2e2的大小與的大小與G G的厚度及材的厚度及材料性質(zhì)有關，實驗與理論證明，料性質(zhì)有關，實驗與理論證明，e2e2隨材料厚度隨材料厚度h h增加按負指數(shù)規(guī)律增加按負指數(shù)規(guī)律減小。因而按減小。因而按e2 e2 的變化便可測得的變化便可測得材料的厚度。材料的厚度。（兩部分視頻可用）4.4 4.4 電容式傳感器（具體見另一個課件）電容式傳感器（具體見另一個課件）4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器是以某些材料的壓電式傳感器是以某些材料的壓電效應壓電效應為基礎，在為基礎，在外力外力的作用下，的作用下，這些材料的表面產(chǎn)生這些

12、材料的表面產(chǎn)生電荷電荷，從而實現(xiàn)，從而實現(xiàn)非電量到電量非電量到電量的轉(zhuǎn)換。的轉(zhuǎn)換。一、一、 壓電效應與壓電材料壓電效應與壓電材料 1 1、壓電效應與逆壓電效應、壓電效應與逆壓電效應 某些物質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r，在一某些物質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，定表面上將產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為壓電效應壓電效應。 如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場，這些物質(zhì)就在一定如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應力，當外電場撤去時，這些變形方向上產(chǎn)

13、生機械變形或機械應力，當外電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為或應力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應逆壓電效應，或稱之為電，或稱之為電致伸縮效應。致伸縮效應。 明顯呈現(xiàn)壓電效應的敏感功能材料叫壓電材料。明顯呈現(xiàn)壓電效應的敏感功能材料叫壓電材料。常用的壓電材料有：常用的壓電材料有：壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；多晶壓多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為壓電陶瓷電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為壓電陶瓷。此。此外，聚偏二氟乙烯外，聚偏二氟乙烯(PVDF)(PVDF)作為一種新型的高分子物性型傳感材料得作為一種新型的

14、高分子物性型傳感材料得到廣泛的應用。（到廣泛的應用。（新型材料新型材料）二、等效電路二、等效電路 壓電元件等效為一個壓電元件等效為一個電荷源電荷源Q Q和一個和一個電容器電容器C C0 0并聯(lián)的等效電路。并聯(lián)的等效電路。也可等效為一個也可等效為一個電壓源電壓源U U和一個和一個電容器電容器C C0 0串聯(lián)的等效電路串聯(lián)的等效電路 。 由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測量靜由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)量值時，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經(jīng)態(tài)或準靜態(tài)量值時，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠小的程度；而在作動態(tài)測量時，電測

15、量電路的漏失減小到足夠小的程度；而在作動態(tài)測量時，電荷可以不斷補充，從而供給測量電路一定的電流，荷可以不斷補充，從而供給測量電路一定的電流，故壓電式傳故壓電式傳感器適宜作動態(tài)測量。感器適宜作動態(tài)測量。 三、壓電元件常用的結構形式三、壓電元件常用的結構形式 在實際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產(chǎn)生足夠在實際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產(chǎn)生足夠的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：接方法有兩

16、種：并聯(lián)連接和串聯(lián)連接并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。并聯(lián)連接：并聯(lián)連接：兩壓兩壓電元件的負極集電元件的負極集中在中間極板上，中在中間極板上，正極在上下兩邊正極在上下兩邊并連接在一起，并連接在一起，此時此時電容量大，電容量大，輸出電荷量大輸出電荷量大，適用于測量緩變適用于測量緩變信號和以電荷為信號和以電荷為輸出的場合輸出的場合。 串聯(lián)連接：串聯(lián)連接：上極板上極板為正極，下極板為為正極，下極板為負極，在中間是一負極，在中間是一元件的負極與另一元件的負極與另一元件的正極相連接，元件的正極相連接，此時傳感器本身此時傳感器本身電電容小，輸出電壓大容小，輸出電壓大，適用于要求以電壓適用于要求以電壓為輸出的場合，并為

17、輸出的場合，并要求測量電路有高要求測量電路有高的輸入阻抗的輸入阻抗。 4.6 4.6 磁敏傳感器磁敏傳感器磁敏傳感器的磁敏傳感器的磁敏元件磁敏元件對磁場敏感，能夠?qū)⒋艑W物理量轉(zhuǎn)換成對磁場敏感，能夠?qū)⒋艑W物理量轉(zhuǎn)換成電信號。磁敏元件有霍爾元件、磁敏電阻、磁敏管等。電信號。磁敏元件有霍爾元件、磁敏電阻、磁敏管等。一、霍爾效應一、霍爾效應 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾霍爾效應。效應。二、霍爾元件二、霍爾元件基于霍爾效應工作的半

18、導體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多基于霍爾效應工作的半導體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用采用N N型半導體材料?；魻栐奖⌒桶雽w材料。霍爾元件越薄( (d d越小越小) )，kHkH就越大，薄就越大，薄膜霍爾元件厚度只有膜霍爾元件厚度只有1m1m左右。左右。目前最常用的霍爾元件材料有鍺目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)(InSb)、砷化銦砷化銦(InAs)(InAs)等半導體材料。等半導體材料。三、應用舉例三、應用舉例 a a端通入電流端通入電流I I，根據(jù)霍爾效，根據(jù)霍爾效應，左半部產(chǎn)生霍爾電勢應，左半部產(chǎn)生霍爾電勢V VH1

19、H1，右半部產(chǎn)生右半部產(chǎn)生霍霍爾電勢爾電勢V VH2H2，其，其方向相反。因此，方向相反。因此，c c、d d兩端兩端電勢為電勢為V VH1H1V VH2H2。如果霍爾元。如果霍爾元件在初始位置時件在初始位置時V VH1=H1=V VH2H2，則，則輸出為零；當改變磁極系統(tǒng)輸出為零；當改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓即可得到輸出電壓。 霍爾元件可以用來測量磁場強度、位移、力等，體積小，使用霍爾元件可以用來測量磁場強度、位移、力等，體積小，使用方便，無接觸測量。方便，無接觸測量。4.7 4.7 光電傳感器光電傳感器1.熱釋電傳感器簡介熱釋電傳感器簡介

20、熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。紅外線而輸出電信號的傳感器。 早在早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應探測年，有人提出過利用熱釋電效應探測紅外輻射。紅外輻射。 熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關、防盜報警以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域得到應用。如：在房間上得到應用外，在更多的領域得到應用。如：在房間無人時會自動停機的空調(diào)機、飲水機；電視機能判斷無人時會自動停機的空調(diào)機、飲水機；電視機能判斷

21、無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關機的電路；開啟監(jiān)無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關機的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應用等等視器或自動門鈴上的應用等等熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應用熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應用 熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應用。它可用于能產(chǎn)生遠紅外輻射泛的應用。它可用于能產(chǎn)生遠紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。門、自動燈的控制等。 熱釋電元件外形熱釋電元件外形 熱釋電傳感器工作原理熱釋電傳感器工作原理 熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一

22、組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角，當人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運動不大的視場角，當人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運動時，順次地進入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上時，順次地進入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，號。當然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是它是“視而不見視而不見”的。的。 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片熱釋電晶片菲涅爾透鏡外形菲涅爾透鏡外

23、形 傳感器不加菲涅傳感器不加菲涅爾透鏡時，其檢測距爾透鏡時，其檢測距離小于離小于2m，而加上該，而加上該透鏡后，其檢測距離透鏡后，其檢測距離可增加可增加3倍以上。倍以上。熱釋電套件熱釋電套件熱釋電報警器熱釋電報警器菲涅爾透菲涅爾透鏡鏡設定按鈕設定按鈕高分貝喇叭高分貝喇叭熱釋電報警器（續(xù)）熱釋電報警器（續(xù)）菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡 5mm接插件接插件熱釋電報警器（續(xù)）熱釋電報警器（續(xù)） 吸頂式吸頂式 熱釋電報警熱釋電報警器器熱釋電傳感器應用熱釋電傳感器應用 熱釋電傳感器熱釋電傳感器用于自動亮燈，當用于自動亮燈，當然也可以用于防盜然也可以用于防盜 熱釋電傳感器熱釋電傳感器的感應范圍的感應范圍熱釋電感應

24、燈熱釋電感應燈熱釋電熱釋電傳感器傳感器自動感應燈自動感應燈（參考施特朗公司資料）（參考施特朗公司資料）熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應用熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應用 智能空調(diào)能檢測智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，微出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風量，以達空調(diào)的出風量，以達到節(jié)能的目的。到節(jié)能的目的。 空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。是靜止著還是走動著。上下范圍上下范圍左右范圍左右范圍2.2.紅外線

25、輻射溫度計：紅外線輻射溫度計： 紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量。市售的紅外輻射溫用于冰點以下的溫度測量。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從度計的溫度范圍可以從-30-3030003000，中間分，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。型號。紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計外形 激光僅激光僅 用于瞄準用于瞄準紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計外形 紅外線輻射溫度紅外線輻射溫度計計用于食品溫度用于食品溫度測量測量紅外線輻射溫度計紅外線輻射溫度計在非接觸體溫測量中的應用在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀耳溫儀紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量 紅外線輻射溫度計在非接紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用觸溫度測量中的應用集成集成IC 溫度測量溫度測量 紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量紅外線輻射溫度計