合工大傳感器原理及應(yīng)用

1、宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用1.1 傳感器分類傳感器分類按被測物理量分類按被測物理量分類測量位移：電容傳感器，電感傳感器測量位移：電容傳感器，電感傳感器, ,霍爾傳感器，光電開關(guān)，角霍爾傳感器，光電開關(guān)，角編碼器，光柵，容柵。編碼器，光柵，容柵。測量線速度測量線速度/ /角速度：超聲波傳感器，電渦流傳感器，霍爾傳感器，角速度：超聲波傳感器，電渦流傳感器，霍爾傳感器，光電開關(guān)，角編碼器。光電開關(guān)，角編碼器。測量加速度：電容傳感器，壓電傳感器。測量加速度：電容傳感器，壓電傳感器。測量質(zhì)量：應(yīng)變片傳感器，電容式傳感器，電感式傳感器。測量質(zhì)量：應(yīng)變片傳感器，電容式傳感器

2、，電感式傳感器。測量流量：超聲波傳感器，霍爾傳感器，電容傳感器。測量流量：超聲波傳感器，霍爾傳感器，電容傳感器。測量磁通量：電感式傳感器，霍爾傳感器。測量磁通量：電感式傳感器，霍爾傳感器。測量溫度：熱敏電阻，熱電偶，光電池。測量溫度：熱敏電阻，熱電偶，光電池。第一章：檢測技術(shù)的基本概念第一章：檢測技術(shù)的基本概念宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用1 1 靈敏度靈敏度 靈敏度是指傳感器或檢測系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化和靈敏度是指傳感器或檢測系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化和引起此變化的輸入量變化的比值。它是輸入與輸出特性曲引起此變化的輸入量變化的比值。它是輸入與輸出特性曲線的斜率，線的斜率，如右圖所示，可表示為：如

3、右圖所示，可表示為： dyyKdxx線性傳感器的靈敏度為常數(shù)；線性傳感器的靈敏度為常數(shù)；非線性傳感器的靈敏度隨輸入量的非線性傳感器的靈敏度隨輸入量的變化而變化。變化而變化。輸出曲線看，曲線越陡，靈敏度越高輸出曲線看，曲線越陡，靈敏度越高1.2 傳感器的特性參數(shù)傳感器的特性參數(shù)xyx1xy0切點(diǎn)切點(diǎn)xmax作圖法求靈敏度作圖法求靈敏度宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用2 2 分辨力分辨力指傳感器能檢出被測信號(hào)的最小變化量。指傳感器能檢出被測信號(hào)的最小變化量。當(dāng)被測量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)當(dāng)被測量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。輸入量的變化無任何反應(yīng)。對(duì)數(shù)字儀表而對(duì)數(shù)字儀表而

4、言，如果沒有其他附加說明，可以認(rèn)為該言，如果沒有其他附加說明，可以認(rèn)為該表的表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力力。一般地說，。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對(duì)誤差最大絕對(duì)誤差。右表的分辨力為多少？。右表的分辨力為多少？ 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用分辨率：將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數(shù)。 右表的右表的滿量程為滿量程為99.9A99.9A，問：該表的分辨，問：該表的分辨力、分辨率為多少？力、分辨率為多少？解：分辨力解：分辨力=0.1A=0.1A分辨率分辨率=0.1A=0.

5、1A99.90.1%99.90.1%宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用1.3 測量誤差表示方法及數(shù)據(jù)處理測量誤差表示方法及數(shù)據(jù)處理 絕對(duì)誤差：被測量值絕對(duì)誤差：被測量值A(chǔ)x與真值與真值A(chǔ)0之間總是存在著一個(gè)之間總是存在著一個(gè)差值，這種差值稱為絕對(duì)誤差，用差值，這種差值稱為絕對(duì)誤差，用表示：表示： =Ax0 真值有理論真值、約定真值、相對(duì)真值之分。準(zhǔn)確真值有理論真值、約定真值、相對(duì)真值之分。準(zhǔn)確度高度高2級(jí)以上的儀表的誤差與準(zhǔn)確度低的儀表的誤差相級(jí)以上的儀表的誤差與準(zhǔn)確度低的儀表的誤差相比，則高一級(jí)儀表的測量值可以認(rèn)為是相對(duì)真值。比，則高一級(jí)儀表的測量值可以認(rèn)為是相對(duì)真值。 某采購員分別在三家商店購

6、買某采購員分別在三家商店購買100kg大米大米、10kg蘋果蘋果、1kg巧克力巧克力，發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)均缺少約均缺少約0.5kg（絕對(duì)誤差相絕對(duì)誤差相同同），但該采購員對(duì)賣巧克力的商店意見最大，是何），但該采購員對(duì)賣巧克力的商店意見最大，是何原因？原因？ 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用相對(duì)誤差及準(zhǔn)確度等級(jí)相對(duì)誤差及準(zhǔn)確度等級(jí) 示值相對(duì)誤差：示值相對(duì)誤差：引用誤差引用誤差m（也稱滿度相對(duì)誤差）：（也稱滿度相對(duì)誤差）： 準(zhǔn)確度等級(jí)準(zhǔn)確度等級(jí)S 我國的工業(yè)模擬儀表有下列常用的我國的工業(yè)模擬儀表有下列常用的7種等級(jí)：種等級(jí)： 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。 100%xxAmm100

7、%A100mmAS（m為最大絕對(duì)誤差）為最大絕對(duì)誤差）宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用例例 某壓力表準(zhǔn)確度為某壓力表準(zhǔn)確度為2.5級(jí)級(jí),量程為量程為01.5MPa，求，求:1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差m。2）可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差）可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差m為多少千帕？為多少千帕？3）測量結(jié)果顯示為）測量結(jié)果顯示為0.70MPa時(shí)，可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)時(shí)，可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差誤差x。解解: 1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差可以從準(zhǔn)確度等級(jí)直接）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差可以從準(zhǔn)確度等級(jí)直接得到，即得到，即m2 5%。 2）mmAm2 5 1.5MPa 0.037

8、5MPa37.5kPa 3）0.0375100%100%5.36%0.70mxxA 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用測量誤差的分類靜態(tài)誤差（粗大誤差，系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差）1.粗大誤差 超出在規(guī)定條件下預(yù)計(jì)的誤差，或明顯偏離真值的誤差稱超出在規(guī)定條件下預(yù)計(jì)的誤差，或明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差、疏忽誤差或粗差。為粗大誤差，也叫過失誤差、疏忽誤差或粗差。粗大誤差主粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強(qiáng)要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的。如測錯(cuò)、讀錯(cuò)、記錯(cuò)、外界過電壓尖峰大的干擾所引起的。如測錯(cuò)、讀錯(cuò)、記錯(cuò)、外界過電壓尖峰干擾等

9、造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時(shí)，應(yīng)予以剔除。常條件下的誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時(shí)，應(yīng)予以剔除。 真值：真值： 5測量值：測量值：5，5.5，5，6，15，5，6，5比如：羅納爾比如：羅納爾多射門打飛了多射門打飛了宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用 在重復(fù)性條件下，對(duì)同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得在重復(fù)性條件下，對(duì)同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差。結(jié)果的平均值與被測量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差。 凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，多屬于系統(tǒng)誤差。凡誤差的數(shù)值固定或

10、按一定規(guī)律變化者，多屬于系統(tǒng)誤差。 系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的, ,因此可以通過實(shí)驗(yàn)的方法或引入修因此可以通過實(shí)驗(yàn)的方法或引入修正值的方法計(jì)算修正正值的方法計(jì)算修正, ,也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予以消除。以消除。 2.系統(tǒng)誤差： 真值：真值： 5測量值：測量值：8，8.5，8，9，8.5，8，9，8 均值均值8.375，系統(tǒng)誤差為，系統(tǒng)誤差為3.375比如：球門框的位比如：球門框的位置被移動(dòng)了置被移動(dòng)了宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用3.隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差 在同一條件下，多次測量同一被測量，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)測量在同一條件下，多次測量同一被測量，有時(shí)

11、會(huì)發(fā)現(xiàn)測量值時(shí)大時(shí)小，誤差的絕對(duì)值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式值時(shí)大時(shí)小，誤差的絕對(duì)值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差。變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差。 存在隨機(jī)誤差的測量結(jié)果中，雖然單個(gè)測量值誤差的出存在隨機(jī)誤差的測量結(jié)果中，雖然單個(gè)測量值誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，既現(xiàn)是隨機(jī)的，既不能用實(shí)驗(yàn)的方法消除，也不能修正不能用實(shí)驗(yàn)的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律規(guī)律。測量值的隨機(jī)誤差測量值的隨機(jī)誤差=測量結(jié)果算術(shù)平均值測量結(jié)果算術(shù)平均值 真值：真值： 5測量值：測量值：5.5，4.5，4.5，5，6，4.5，

12、5，6 均值均值5.125，系統(tǒng)誤差為，系統(tǒng)誤差為0.125比如：每次射門的比如：每次射門的進(jìn)球位置會(huì)有變化進(jìn)球位置會(huì)有變化宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用1拉伸前拉伸前 2拉伸后拉伸后電阻絲受拉后，長度增加，直徑變小，電阻變大。電阻絲受拉后，長度增加，直徑變小，電阻變大。2rlAlR第二章：電阻傳感器第二章：電阻傳感器1. 應(yīng)變片式傳感器應(yīng)變片式傳感器宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用金屬絲受拉后的電阻變化金屬絲受拉后的電阻變化 設(shè)有一長度為設(shè)有一長度為l、截面積為、截面積為A、半徑為、半徑為r、電阻、電阻率為率為 的金屬單絲，它的電阻值的金屬單絲，它的電阻值R及相對(duì)變化可表示及相對(duì)變化可表示為為

13、 當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí),上式中上式中 、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生發(fā)生變化。變化。 當(dāng)金屬絲受拉時(shí)當(dāng)金屬絲受拉時(shí),l 將增加、將增加、r 變小，均導(dǎo)致變小，均導(dǎo)致R變大。變大。 2RlrRlr2 rlAlR宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用電阻相對(duì)變化量與力的關(guān)系電阻相對(duì)變化量與力的關(guān)系 電阻絲的電阻相對(duì)變化量電阻絲的電阻相對(duì)變化量 R/R，與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變，與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變 x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即 x =F/(AE），設(shè)），設(shè)K為靈敏度

14、，金屬材料的面積為為靈敏度，金屬材料的面積為A，彈性模量，彈性模量 為為E，則，則 R/R又可表示為又可表示為 = xRFKKRAE對(duì)于金屬材料，對(duì)于金屬材料，K值一般為值一般為2左右。左右。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用非平衡電橋的結(jié)構(gòu)非平衡電橋的結(jié)構(gòu)非平衡電橋由四個(gè)電阻非平衡電橋由四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4組成一個(gè)四邊形組成一個(gè)四邊形的回路，每一邊稱作電橋的的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂橋臂”。有。有4個(gè)結(jié)點(diǎn)個(gè)結(jié)點(diǎn)a、b、c、d。在在a、c結(jié)點(diǎn)之間接入電源結(jié)點(diǎn)之間接入電源Ui，而另一對(duì)結(jié)點(diǎn)（，而另一對(duì)結(jié)點(diǎn)（b、d）之間的）之間的電壓差作為輸出電壓電壓差作為輸出電壓Uo端。端。b、d點(diǎn)對(duì)

15、負(fù)極（點(diǎn)對(duì)負(fù)極（a點(diǎn)）的電點(diǎn)）的電壓相等時(shí)稱作壓相等時(shí)稱作 “電橋平衡電橋平衡”；反之，稱作反之，稱作“電橋不平衡電橋不平衡”。 電橋平衡的條件是：電橋平衡的條件是：上下兩個(gè)橋臂的左右橋臂的上下兩個(gè)橋臂的左右橋臂的電阻比例相等。即：電阻比例相等。即：R1/R2=R4/R3或或R1R3=R4R2宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用非平衡電橋可以分為單臂、雙臂、全橋非平衡電橋可以分為單臂、雙臂、全橋單臂半橋單臂半橋:四個(gè)橋臂中，只有一個(gè)四個(gè)橋臂中，只有一個(gè)電阻的電阻可變，電阻的電阻可變， R2為應(yīng)為應(yīng)變片，變片， R3、R4為固定電阻為固定電阻（低溫漂的錳合金電阻）橋（低溫漂的錳合金電阻）橋路的輸出電壓

16、為：路的輸出電壓為： 441i11ioKURRUU單臂半橋的單臂半橋的靈敏度最低，溫漂最大靈敏度最低，溫漂最大。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用非平衡電橋的輸出電壓非平衡電橋的輸出電壓 3i124o1234() 2-34RURRRURRRR 若橋路的若橋路的4個(gè)橋臂相鄰個(gè)橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢電阻的電阻值變化趨勢相同，橋路的輸出電壓相同，橋路的輸出電壓為零。為零。 若相鄰電阻的電阻值若相鄰電阻的電阻值變化趨勢相反，橋路就變化趨勢相反，橋路就產(chǎn)生輸出電壓：產(chǎn)生輸出電壓：宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用四臂全橋四臂全橋全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變?nèi)珮虻乃膫€(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，片，如果

17、設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片應(yīng)變片R1 R4產(chǎn)生的電阻產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的增量（或感受到的應(yīng)變應(yīng)變 1 4）正負(fù)號(hào)相間，就可以使輸出正負(fù)號(hào)相間，就可以使輸出電壓電壓Uo成倍地增大。成倍地增大。 )(444332211ioRRRRRRRRUU輸出電壓：輸出電壓：宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用全橋的溫度自補(bǔ)償原理全橋的溫度自補(bǔ)償原理當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，四個(gè)當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，四個(gè)橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，假設(shè)溫度引起的電阻值高，假設(shè)溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，就可以相互漂移數(shù)值一致，就可以相互抵消，所以全橋能實(shí)現(xiàn)溫度抵消，所以全橋能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償：自補(bǔ)償：3i124o12

18、34() =04RURRRURRRR宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 1引出線引出線 2覆蓋層覆蓋層 3基底基底 4電阻絲電阻絲l ：應(yīng)變片的工作基長，：應(yīng)變片的工作基長，b ：應(yīng)變片基寬，：應(yīng)變片基寬，bl：應(yīng)變片的有效使用面積：應(yīng)變片的有效使用面積。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用管樁材料的受壓應(yīng)變測量管樁材料的受壓應(yīng)變測量 預(yù)應(yīng)力管樁的受力預(yù)測：預(yù)應(yīng)力管樁的受力預(yù)測： 工作人員正在貼應(yīng)變片工作人員正在貼應(yīng)變片 應(yīng)變片粘貼在管樁上，四片應(yīng)應(yīng)變片粘貼在管樁上，四片應(yīng)變片可組成全橋變片可組成全橋宣 城 校

19、 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用應(yīng)變式荷重傳感器應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2 R4宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用金屬熱電阻的正溫度系數(shù)金屬熱電阻的正溫度系數(shù)溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，稱其為正溫宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。 2. 2. 金屬熱電阻金屬熱電阻宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用金

20、屬絲電阻隨溫度增高而變大的演示金屬絲電阻隨溫度增高而變大的演示 22220484100URP取一只取一只 100W/220V 燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為為484。請(qǐng)說明鎢絲的溫度系數(shù)的。請(qǐng)說明鎢絲的溫度系數(shù)的正正負(fù)。負(fù)。 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用易提純、復(fù)現(xiàn)性好易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作的金屬材料才可用于制作熱電阻熱電阻 制作熱電阻的材料必須具有制作熱電阻的材料必須具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)

21、定、一致性好、使用溫度范圍寬、加工容易穩(wěn)定、一致性好、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。等特點(diǎn)。（ ）宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用金屬熱電阻材料的主要技術(shù)性能金屬熱電阻材料的主要技術(shù)性能 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用熱電阻的阻值熱電阻的阻值Rt與溫度與溫度t的關(guān)系表達(dá)式的關(guān)系表達(dá)式R t =R0(1+At+Bt 2+Ct 3+Dt 4)式中式中 R t 熱電阻在熱電阻在t時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值；R0熱電阻在熱電阻在0時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值；A、B、C、D溫度系數(shù)溫度系數(shù)熱電阻的阻值熱電阻的阻值Rt與與t之間并不完全呈線性關(guān)系。在規(guī)定的測溫之間并不完全呈線性關(guān)系。在規(guī)定的測溫范圍內(nèi)，根據(jù)國際電

22、工委員會(huì)（范圍內(nèi)，根據(jù)國際電工委員會(huì)（IEC）頒布的分度表數(shù)值，列出）頒布的分度表數(shù)值，列出每隔每隔1的的Rt電阻值，這種表格稱為電阻值，這種表格稱為熱電阻分度表，見附錄熱電阻分度表，見附錄C。在工程中，若不考慮線性度誤差的影響，有時(shí)也可以在工程中，若不考慮線性度誤差的影響，有時(shí)也可以利用溫利用溫度系數(shù)度系數(shù)來近似計(jì)算來近似計(jì)算熱電阻的阻值熱電阻的阻值Rt。即：。即：R t =R0(1+t）。）。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用鉑熱電阻分度表鉑熱電阻分度表宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用被測物體被測物體位移等的變化位移等的變化轉(zhuǎn)換為線圈轉(zhuǎn)換為線圈電感量的變化電感量的變化，再將電感量的變化轉(zhuǎn)，再將電

23、感量的變化轉(zhuǎn)換為換為電流、電壓或者頻率的變化電流、電壓或者頻率的變化，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感傳感器可分為自感式和互感式兩大類。電感式傳感器通常是指自感電感傳感器可分為自感式和互感式兩大類。電感式傳感器通常是指自感傳感器。自感系數(shù)常用傳感器。自感系數(shù)常用L來表示，簡稱自感或電感。來表示，簡稱自感或電感。自感的單位是亨利自感的單位是亨利,簡稱亨簡稱亨,符號(hào)是符號(hào)是H。常用的較小的單位有毫亨。常用的較小的單位有毫亨(mH)和和微亨微亨(H)。自感傳感器的數(shù)值多為。自感傳感器的數(shù)值多為mH數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。 鐵心鐵心I鐵心鐵心I銜鐵銜鐵測桿測桿被測物被測物變間隙式自感變間

24、隙式自感傳感器傳感器第三章：電感傳感器第三章：電感傳感器202NAL宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用1-線圈繞組線圈繞組 2-鐵心鐵心 3-銜鐵銜鐵變間隙式電感傳感器的特性近似雙曲線變間隙式電感傳感器的特性近似雙曲線202NAL其靈敏度為：其靈敏度為：2002=2NALdLKd 氣隙越小，靈敏度越高，因此適合小量程位移的測量。氣隙越小，靈敏度越高，因此適合小量程位移的測量。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用螺線管式電感傳感器螺線管式電感傳感器螺線管是具有多重卷繞的導(dǎo)線，卷繞內(nèi)螺線管是具有多重卷繞的導(dǎo)線，卷繞內(nèi)部可以是空心的，或者有一個(gè)磁芯。當(dāng)有電部可以是空心的，或者有一個(gè)磁芯。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時(shí)，螺

25、線管中間部位會(huì)產(chǎn)生比較流通過導(dǎo)線時(shí)，螺線管中間部位會(huì)產(chǎn)生比較均勻的磁場。作為傳感器，螺線管電感傳感均勻的磁場。作為傳感器，螺線管電感傳感器的主要元器件是一只螺線管和一根可移動(dòng)器的主要元器件是一只螺線管和一根可移動(dòng)的圓柱形銜鐵。銜鐵插入繞組后，將引起螺的圓柱形銜鐵。銜鐵插入繞組后，將引起螺線管內(nèi)部的磁阻的減小，電感隨插入的深度線管內(nèi)部的磁阻的減小，電感隨插入的深度而增大。而增大。L空心空心螺線管螺線管x螺線管越長，線性區(qū)就越大。螺線管式電感傳感器的線性區(qū)約為螺線管長度螺線管越長，線性區(qū)就越大。螺線管式電感傳感器的線性區(qū)約為螺線管長度的的1/101/10。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用當(dāng)銜鐵偏離中

26、間位置時(shí)，兩個(gè)繞組的電感一個(gè)增加當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)繞組的電感一個(gè)增加,一個(gè)減小一個(gè)減小,形成差動(dòng)形式。形成差動(dòng)形式。 差動(dòng)電感傳感器差動(dòng)電感傳感器a)變隙式差動(dòng)傳感器變隙式差動(dòng)傳感器b)螺線管差動(dòng)傳感器螺線管差動(dòng)傳感器1上差動(dòng)繞組上差動(dòng)繞組 2鐵心鐵心 3銜鐵銜鐵 4下差動(dòng)繞組下差動(dòng)繞組 5測桿測桿 6工件工件 7基座基座宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用電感傳感器的交流電橋電感傳感器的交流電橋 21021-1=2+ABZ ZUUUZZ銜鐵上移：銜鐵上移：00=-2ZUUZ0000=-2LUULrL銜鐵下移：銜鐵下移：00=2ZUUZ0000=2LUULrL宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用1

27、銜鐵的位移曲線銜鐵的位移曲線 2激勵(lì)源波形激勵(lì)源波形 3交流電橋的輸出波形交流電橋的輸出波形4普通檢波之后的直流平均值普通檢波之后的直流平均值 5相敏檢波之后的直流平均值相敏檢波之后的直流平均值t0銜鐵上下位移到達(dá)差動(dòng)螺線管繞組銜鐵上下位移到達(dá)差動(dòng)螺線管繞組中間位置的時(shí)刻中間位置的時(shí)刻e0零點(diǎn)殘余電壓的瞬時(shí)值零點(diǎn)殘余電壓的瞬時(shí)值 E0零點(diǎn)殘余電壓的平均值零點(diǎn)殘余電壓的平均值宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用采用相敏檢波電路的必要性采用相敏檢波電路的必要性檢波：將交變信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流平均值。檢波：將交變信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流平均值。檢波電路的作用是將電感的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓或檢波電路的作用是將電感的變化轉(zhuǎn)換成

28、直流電壓或電流，以便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路配以電流，以便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路配以普通的檢波電路，則普通的檢波電路，則只能判別位移的大小只能判別位移的大小，卻，卻無法判別無法判別輸出電壓的相位和位移的方向輸出電壓的相位和位移的方向。如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個(gè)能判別相如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個(gè)能判別相位的檢波電路，則位的檢波電路，則不但可以反映幅值（位移的大?。?，不但可以反映幅值（位移的大?。€可以反映輸出電壓的相位（位移的方向）還可以反映輸出電壓的相位（位移的方向）。這種檢波。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。電路稱為相敏檢波電路。宣 城 校 區(qū)傳感器

29、原理及應(yīng)用差動(dòng)變壓器傳感器的工作原理差動(dòng)變壓器傳感器的工作原理 差動(dòng)變壓器是把差動(dòng)變壓器是把被測位移量被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次繞組間的轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次繞組間的互感量互感量M的變化的變化的裝置。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱的裝置。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱為差動(dòng)變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動(dòng)變壓為差動(dòng)變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動(dòng)變壓器。器。 在差動(dòng)變壓器的線框上繞有一個(gè)輸入繞組（稱一次繞組）；在差動(dòng)變壓器的線框上繞有一個(gè)輸入繞組（稱一次繞組）；在同一線框的上端和下端再繞制在同一線框的上端和下端再繞制兩個(gè)完全對(duì)稱的繞組兩個(gè)完全對(duì)稱的繞組（稱

30、二次（稱二次線圈），它們線圈），它們反向串聯(lián)反向串聯(lián)（輸出電壓相互抵消輸出電壓相互抵消），組成），組成差動(dòng)輸出差動(dòng)輸出形式形式。線性差動(dòng)變壓器：線性差動(dòng)變壓器： Linear Variable Differential Transformer，LVDT 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路及接線差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路及接線 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 兩個(gè)二次繞組兩個(gè)二次繞組反向串聯(lián)，組成差反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。動(dòng)輸出形式。 請(qǐng)將二次繞組請(qǐng)將二次繞組N21、N22的有關(guān)端的有關(guān)端點(diǎn)正確地連接起來，點(diǎn)正確地連接起來，并指出哪兩個(gè)為輸并指出哪兩個(gè)為輸出端點(diǎn)。出端點(diǎn)。差動(dòng)

31、接法的輸出電壓為差動(dòng)接法的輸出電壓為uo= u21-u22宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用差動(dòng)變壓器的輸出波形差動(dòng)變壓器的輸出波形宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用第四章：電渦流傳感器第四章：電渦流傳感器宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)）趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)）交變磁場的頻率交變磁場的頻率f 越高，電渦流的滲透深越高，電渦流的滲透深度就越淺，趨膚效應(yīng)越嚴(yán)重。可以利用趨膚度就越淺，趨膚效應(yīng)越嚴(yán)重。可以利用趨膚效應(yīng)來控制非電量的檢測深度。效應(yīng)來控制非電量的檢測深度。當(dāng)當(dāng)100kHz2MHz信號(hào)源產(chǎn)生的交變電壓施加到電感線圈信號(hào)源產(chǎn)生的交變電壓施加到電感線圈L1上時(shí)，就產(chǎn)生一次電流上時(shí)，就產(chǎn)生

32、一次電流i1 ，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場H1。如果將。如果將線圈靠近一塊金屬導(dǎo)體，金屬導(dǎo)體表面就產(chǎn)生電渦流線圈靠近一塊金屬導(dǎo)體，金屬導(dǎo)體表面就產(chǎn)生電渦流i2。i2在金在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱為趨膚效應(yīng)。面，這稱為趨膚效應(yīng)。 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用電渦流線圈等效阻抗分析電渦流線圈等效阻抗分析 .設(shè)電渦流線圈在高頻時(shí)的等效電阻為設(shè)電渦流線圈在高頻時(shí)的等效電阻為R1（大于直流電阻），（大于直流電阻），電感為電感為L1。當(dāng)有被測導(dǎo)體靠近電渦流線圈時(shí)，則被測導(dǎo)體等效。當(dāng)有被測

33、導(dǎo)體靠近電渦流線圈時(shí)，則被測導(dǎo)體等效為一個(gè)短路環(huán)，電渦流線圈為一個(gè)短路環(huán)，電渦流線圈L1與導(dǎo)體之間存在一個(gè)互感與導(dǎo)體之間存在一個(gè)互感M?；セジ须S線圈與導(dǎo)體之間距離的減小而增大感隨線圈與導(dǎo)體之間距離的減小而增大。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用電渦流線圈的等效阻抗電渦流線圈的等效阻抗式中式中 R、L電渦流線圈靠近被測導(dǎo)體時(shí)的等效電阻和等電渦流線圈靠近被測導(dǎo)體時(shí)的等效電阻和等效電感。效電感。 當(dāng)被測物與電渦流線圈的間距當(dāng)被測物與電渦流線圈的間距減小時(shí)，電渦流線圈與被測減小時(shí)，電渦流線圈與被測金屬的互感量金屬的互感量M增大，增大，等效電感等效電感L減小，減小，等效電阻等效電阻R增大，增大，品質(zhì)品質(zhì)因數(shù)

34、因數(shù)Q值降低：值降低：Q=L/RL/R等效電阻上消耗的有功功率等效電阻上消耗的有功功率P P 增大：增大：P=I 2R222211212222212222 jjUMMZR RLLRLIRLRL 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用電渦流效應(yīng)演示電渦流效應(yīng)演示 當(dāng)電渦流線圈與當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離金屬板的距離x 減小減小時(shí)，電渦流線圈的時(shí)，電渦流線圈的等等效電感效電感L 減小，減小，等效等效電阻電阻R 增大增大，Q值降值降低，流過電渦流線圈低，流過電渦流線圈的的電流電流 i1 增大增大。 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用調(diào)頻（調(diào)頻（FM）式電路）式電路當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離當(dāng)電渦流線圈與被測體的

35、距離x 變小時(shí)，電渦流線圈的電感變小時(shí)，電渦流線圈的電感量量L 也隨之變?。ǚ氰F質(zhì)），同時(shí)引起也隨之變小（非鐵質(zhì)），同時(shí)引起LC 振蕩器的輸出電壓及振蕩器的輸出電壓及頻率變高。如果希望用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，使用頻率變高。如果希望用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，使用“鑒鑒頻器頻器”，可以將，可以將 f 轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為電壓 Uo 。 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用并聯(lián)諧振回路的諧振頻率并聯(lián)諧振回路的諧振頻率 設(shè)電渦流線圈的初始電感量設(shè)電渦流線圈的初始電感量L=0.8mH，微調(diào)電容，微調(diào)電容C0=200pF（1pF10-12F）求：探頭中的振蕩器的初始頻率求：探頭中的振蕩器的初始頻率f 0 。（

36、一般將振蕩器的頻率控制在幾百千赫茲）（一般將振蕩器的頻率控制在幾百千赫茲）012fLC解：解：-3-121=560kHz20.81010010f 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用電渦流表面探傷電渦流表面探傷 Eddy currents are distorted by the crack, this changes the magnetic field of the eddy currents from HB to HC thereby changing the loading on the coil. The coil impedance changes to Zcrack. 宣 城 校 區(qū)傳

37、感器原理及應(yīng)用手持式手持式裂紋測量儀裂紋測量儀油管油管探傷探傷宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用軸承滾子渦流探傷機(jī)軸承滾子渦流探傷機(jī)軸承滾子渦流探傷機(jī)軸承滾子渦流探傷機(jī)是由計(jì)算機(jī)控制的軸承滾是由計(jì)算機(jī)控制的軸承滾子表面微裂紋探傷的專用子表面微裂紋探傷的專用設(shè)備，可探出設(shè)備，可探出深深 30m的的表面微小裂紋。表面微小裂紋。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理 電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。當(dāng)忽略邊電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容為緣效應(yīng)時(shí)，其電容為 式中式中 A兩極板相互遮蓋的有效面積（兩極板相互遮蓋的有效面積

38、（m2）；）； d兩極板間的距離，也稱為極距（兩極板間的距離，也稱為極距（m）；）； 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；）； r兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； 0真空介電常數(shù)真空介電常數(shù),0=8.85 10-12(F/m)0rAACdd 第五章：電容傳感器第五章：電容傳感器宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用三種類型的電容傳感器三種類型的電容傳感器在在A、d、三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容C 改變。也就是說，改變。也就是說，電容電容C 是是A、d、的函數(shù)的函數(shù)，這就是電容傳感，這就是電容傳感器的基

39、本工作原理。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以制作成以下器的基本工作原理。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以制作成以下三種類型的電容傳感器：三種類型的電容傳感器：變面積式電容傳感器、變面積式電容傳感器、變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 、變介電常數(shù)式電容傳感器。變介電常數(shù)式電容傳感器。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用變極距式電容傳感器的特性曲線變極距式電容傳感器的特性曲線 a） 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 b）電容量與極板距離的關(guān)系）電容量與極板距離的關(guān)系1定極板定極板 2動(dòng)極板動(dòng)極板 3彈性膜片彈性膜片實(shí)際使用時(shí)，總是使實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距初始極距d0盡量小些盡量小些，以，以提高靈敏度提高靈敏度，但這也，

40、但這也帶來了變極距式電容器的帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)行程較小的缺點(diǎn)。當(dāng)當(dāng)xd0時(shí)，有時(shí)，有：00 xCKd 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用變面積式電容傳感器的特性總結(jié)變面積式電容傳感器的特性總結(jié)變面積式電容傳感器的輸出特性在一小段范圍內(nèi)是線性的，變面積式電容傳感器的輸出特性在一小段范圍內(nèi)是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。尺寸等參量。CAA1-實(shí)際特性實(shí)際特性 2-理論特性理論特性00021 ln/xhxxCCR rh宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用電容式液位計(jì)電容式液位計(jì)(可以理解為變面積

41、或變介電原理可以理解為變面積或變介電原理)a)同軸內(nèi)外金屬管式同軸內(nèi)外金屬管式 b)金屬管外套聚四氟金屬管外套聚四氟乙烯套管式乙烯套管式 c)帶底座的電容液位帶底座的電容液位傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器的結(jié)構(gòu)1內(nèi)圓筒內(nèi)圓筒 2外圓筒外圓筒 3被測被測絕緣絕緣液體液體 4被測導(dǎo)電液體被測導(dǎo)電液體5聚四氟乙烯套管聚四氟乙烯套管 6頂蓋頂蓋 7絕緣底座絕緣底座 8信號(hào)傳輸屏蔽電纜信號(hào)傳輸屏蔽電纜宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路橋式電路橋式電路U2U2U 0012012000=222xxxxCCCCCCUUC UUCCCCCCC 電橋的輸出電壓與電容的變化量呈現(xiàn)

42、電橋的輸出電壓與電容的變化量呈現(xiàn)線性關(guān)系線性關(guān)系。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用調(diào)頻（調(diào)頻（FM）電路）電路電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器的調(diào)頻電路電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器的調(diào)頻電路有何區(qū)別？上式中有何區(qū)別？上式中哪個(gè)量是變量哪個(gè)量是變量？調(diào)頻電路是將電容傳感器作為調(diào)頻電路是將電容傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容當(dāng)電容Cx變大時(shí)，振蕩器的頻率變大時(shí)，振蕩器的頻率f 變低。由于振蕩器的頻率變低。由于振蕩器的頻率受電容傳感器的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)受電容傳感器的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)C /f 的變換。的變換。宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用“三明治三明治”擺式硅微電容加

43、速度傳感器結(jié)構(gòu)擺式硅微電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)1加速度測試單元加速度測試單元 2信號(hào)調(diào)理單元信號(hào)調(diào)理單元 3襯底襯底 4底層多晶硅（下電極）底層多晶硅（下電極）5多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6頂層多晶硅（上電極）頂層多晶硅（上電極） a）貼片封）貼片封裝外形裝外形 b）“三明三明治治”多晶硅多晶硅多層結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu) c）加速度）加速度測試單元的測試單元的工作原理工作原理FmaFkx宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用壓電效應(yīng)（壓電效應(yīng)（Piezoelectricity ）Jacques Curie & Piere Curie1880年，年， Jac

44、ques Curie 與與 Piere Curie發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)石英等部分晶體與材料在受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)石英等部分晶體與材料在受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。電介質(zhì)材料中一種機(jī)械能與。電介質(zhì)材料中一種機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象。電能互換的現(xiàn)象。 第六章：壓電傳感器第六章：壓電傳感器宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用1正電荷等效中心正電荷等效中心 2負(fù)電荷等效中心負(fù)電荷等效中心 晶體沿晶體沿x面受壓力時(shí)面受壓力時(shí)的帶電情況分析的帶電情況分析石英晶體的正負(fù)電荷中心分離，宏觀上看，石英晶體的正負(fù)電荷中心分離，宏觀上看，x面

45、的上表面帶正電，下表面帶負(fù)電面的上表面帶正電，下表面帶負(fù)電Q=d1111Fxd11 ：壓電常數(shù)：壓電常數(shù)宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用石英晶體的壓石英晶體的壓電效應(yīng)演示電效應(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)施加靜態(tài)力時(shí)，在初始瞬間，產(chǎn)生與與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)施加靜態(tài)力時(shí)，在初始瞬間，產(chǎn)生與力成正比的電荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，力成正比的電荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，并消失。并消失。所以壓電元件不可用于靜態(tài)力的測量。所以壓電元件不可用于靜態(tài)力的測量。宣 城 校 區(qū)傳感

46、器原理及應(yīng)用電荷放大器基本電路電荷放大器基本電路1壓電傳感器壓電傳感器 2屏蔽電纜線屏蔽電纜線 3傳輸線分布電容傳輸線分布電容 4電荷放大器電荷放大器SC靈敏度選擇開關(guān)靈敏度選擇開關(guān) SR帶寬選擇開關(guān)帶寬選擇開關(guān) Cf Cf 在放大器輸入端的密勒等效電容在放大器輸入端的密勒等效電容 CfCf在放大器輸出端的密勒等效電容在放大器輸出端的密勒等效電容宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用壓電傳感器的輸出電壓與等效電容的關(guān)系壓電傳感器的輸出電壓與等效電容的關(guān)系如果壓電元件直接與放大器配套使用，除了極間電容，還如果壓電元件直接與放大器配套使用，除了極間電容，還應(yīng)考慮到傳輸屏蔽電纜芯線對(duì)接地屏蔽層的分布電容應(yīng)考

47、慮到傳輸屏蔽電纜芯線對(duì)接地屏蔽層的分布電容Cc的影的影響。如果忽略響。如果忽略Ra和放大器的輸入電阻和放大器的輸入電阻Ri的影響，則有的影響，則有式中式中Ci電壓放大器的輸入電容；電壓放大器的輸入電容；Q壓電元件輸出的電荷量。壓電元件輸出的電荷量。屏蔽電纜的對(duì)地分布電容大約為屏蔽電纜的對(duì)地分布電容大約為100pF/m。當(dāng)屏蔽電纜較。當(dāng)屏蔽電纜較長時(shí)，長時(shí)，Cc顯著增大，放大器的輸入電壓顯著增大，放大器的輸入電壓U i 將比壓電傳感器空將比壓電傳感器空載時(shí)的輸出載時(shí)的輸出U o小很多，且不穩(wěn)定。小很多，且不穩(wěn)定。iaciQQUCCCC總宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用電荷放大器原理電荷放大器原理電

48、荷放大器是一個(gè)具有反饋電容電荷放大器是一個(gè)具有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器電路。的高增益運(yùn)算放大器電路。當(dāng)放大器開環(huán)增益當(dāng)放大器開環(huán)增益A和輸入電阻和輸入電阻R i、反饋電阻、反饋電阻Rf（用于防止放（用于防止放大器的直流飽和）相當(dāng)大時(shí)，大器的直流飽和）相當(dāng)大時(shí)，放大器的輸出電壓放大器的輸出電壓Uo正比于輸入正比于輸入電荷電荷Q，反比于反饋電容，反比于反饋電容Cf，而基本上與，而基本上與Cc 、 Ca 、 Ci無關(guān)無關(guān)： off1AQQUA CC 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測量態(tài)切削力的測量 一體化車刀動(dòng)態(tài)

49、一體化車刀動(dòng)態(tài)力測量力測量宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用a）原理圖）原理圖 b）中心壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)）中心壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu) c）環(huán)形剪切式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)）環(huán)形剪切式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu) d）外形）外形1基座基座 2引出電極引出電極 3壓電晶片壓電晶片 4質(zhì)量塊質(zhì)量塊 5彈簧彈簧 6殼體殼體 7固定螺孔固定螺孔常用的常用的壓電式振動(dòng)加速度傳感器壓電式振動(dòng)加速度傳感器宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用（1）靈敏度）靈敏度K 壓電式加速度傳感器的輸出為電荷量，以壓電式加速度傳感器的輸出為電荷量，以pC為單位（為單位（1pC=10-12C）。而。而輸入量為加速度，單位為輸入量為加

50、速度，單位為m/s2,所以所以靈敏度以靈敏度以pC/ms-2為單位為單位,或用重力加速度或用重力加速度pC/g。靈敏度的靈敏度的范圍約為范圍約為10100pC/g。目前許多壓電加速度傳感器的輸出是電壓，所以目前許多壓電加速度傳感器的輸出是電壓，所以靈敏度單靈敏度單位也可以為位也可以為mV/g，通常為，通常為101000mV/g。（2）頻率范圍）頻率范圍 常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.01Hz20kHz。（3）動(dòng)態(tài)范圍）動(dòng)態(tài)范圍 常用的測量范圍為常用的測量范圍為0.1100g，或，或1000m/s2。測量測量沖擊振動(dòng)時(shí)應(yīng)選用沖擊振動(dòng)時(shí)應(yīng)選用1001000

51、0g的高頻加速度傳感器的高頻加速度傳感器；而；而測量橋梁、地基等測量橋梁、地基等微弱振動(dòng)往往要選擇微弱振動(dòng)往往要選擇0.00110g的高靈敏度的高靈敏度的低頻加速度傳感器的低頻加速度傳感器。壓電振動(dòng)加速度傳感器的性能指標(biāo)壓電振動(dòng)加速度傳感器的性能指標(biāo)宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用 聲波的分類：次聲波、可聞聲波與超聲波。聲波的分類：次聲波、可聞聲波與超聲波。 頻率高于頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲波。的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲波。 超聲波的特性：指向性好，能量集中。超聲波的特性：指向性好，能量集中。1MHz的超聲波的能量的超聲波的能量,相相當(dāng)于振幅相同當(dāng)于振幅相同,頻率為頻率為1000Hz可聞

52、聲波的可聞聲波的100萬倍萬倍,能穿透幾米厚的能穿透幾米厚的鋼板鋼板,而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面(例如鋼板與空例如鋼板與空氣的交界面氣的交界面)時(shí)時(shí),能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象。能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象。第七章：超聲波傳感器第七章：超聲波傳感器宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用超聲波的波型分類超聲波的波型分類 1超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器 2鋼材鋼材縱波縱波縱波質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向縱波質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向表面波在鋼材表面的傳播表面波在鋼材表面的傳播 縱波在鋼材中的傳播縱波在鋼材中的傳播 橫波橫波 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用超聲波入射角與反射角、折射角超聲波

53、入射角與反射角、折射角Pc入射波入射波 入射角入射角 Pr反射波反射波 r反射角反射角 Ps折射波折射波 折射角折射角宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用3、超聲波測距、超聲波測距/避障避障 空氣超聲探頭空氣超聲探頭 測距精度可達(dá)高到測距精度可達(dá)高到3mm 測量范圍：測量范圍：2cm-300cm 淘寶參考價(jià)：淘寶參考價(jià)：RMB 4元元 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用Distance = （Time/2）* 340M/s 電平法電平法宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用7、超聲波無損探傷、超聲波無損探傷超聲波探傷原理動(dòng)畫超聲波探傷原理動(dòng)畫起始波起始波 缺陷缺陷反射波反射波 底波底波工件工件缺陷缺陷宣 城 校

54、 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用第八章：霍爾傳感器第八章：霍爾傳感器宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用1.電子電子2.導(dǎo)體導(dǎo)體3.磁鐵磁鐵4.磁場磁場5.電源電源 金屬中含有自由電子（價(jià)電子）以及相應(yīng)的金屬中含有自由電子（價(jià)電子）以及相應(yīng)的金屬陽離子金屬陽離子 電子所受洛倫茲力與霍爾電場力的平衡電子所受洛倫茲力與霍爾電場力的平衡 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用霍爾元件的工作原理分析霍爾元件的工作原理分析 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場中，磁場方向垂的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)

55、生電動(dòng)勢的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B B為零時(shí)的情況為零時(shí)的情況c cd da ab b宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B 較大時(shí)的情況較大時(shí)的情況 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也就越越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢高。霍爾電勢EH可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IBabcd宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用霍爾效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示 當(dāng)磁場垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)當(dāng)磁場垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)（d 側(cè)）偏移，在半導(dǎo)體薄片

56、側(cè)）偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起方向的端面之間建立起霍爾電勢。霍爾電勢。cdabdabc宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用線性型霍爾器件其外加磁感應(yīng)強(qiáng)度與輸出電線性型霍爾器件其外加磁感應(yīng)強(qiáng)度與輸出電壓之間的關(guān)系壓之間的關(guān)系宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表60 22fn 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性

57、地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。此處應(yīng)采用線性霍爾傳感器。此處應(yīng)采用線性霍爾傳感器。S SN N線性霍爾線性霍爾磁鐵磁鐵宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用工作磁體和霍爾器件間的運(yùn)動(dòng)方式有：工作磁體和霍爾器件間的運(yùn)動(dòng)方式有：(a)對(duì)移；對(duì)移；(b)側(cè)移；側(cè)移；(c)旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)；(d)遮斷。遮斷。 在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)翼片進(jìn)入間用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)翼

58、片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調(diào)節(jié)工作磁場。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在翼片上。這種方法的檢調(diào)節(jié)工作磁場。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在翼片上。這種方法的檢測精度很高，在測精度很高，在125的溫度范圍內(nèi)，翼片的位置重復(fù)精度可的溫度范圍內(nèi)，翼片的位置重復(fù)精度可達(dá)達(dá)50m。 宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回年，德國物理學(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)放在路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)

59、接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。說明回路中產(chǎn)生了什么？回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。說明回路中產(chǎn)生了什么？ 1工作端工作端 2熱電極熱電極A 2熱電極熱電極B 4指南針指南針 5參考端參考端 ？Thomas Johann Seebeck 第九章：熱電偶傳感器第九章：熱電偶傳感器宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用 自由自由電子電子ABeAB（ T T ）T T熱電偶的熱電偶的圖形符號(hào)圖形符號(hào)宣 城 校 區(qū)傳感器原理及應(yīng)用有關(guān)熱電動(dòng)勢的幾個(gè)結(jié)論有關(guān)熱電動(dòng)勢的幾個(gè)結(jié)論 1）如果熱電偶兩根電極材料相同，即使兩端溫度不同）如果熱電偶兩根電極材料相同，即使兩端溫度不同（tt0），但總輸出熱電動(dòng)勢

60、仍為零。），但總輸出熱電動(dòng)勢仍為零。因此必須由兩種不同材料因此必須由兩種不同材料才能構(gòu)成熱電偶才能構(gòu)成熱電偶。 2）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路總的熱電動(dòng)勢必）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路總的熱電動(dòng)勢必然等于零。然等于零。兩結(jié)點(diǎn)溫差越大，熱電動(dòng)勢越大兩結(jié)點(diǎn)溫差越大，熱電動(dòng)勢越大。 如果以攝氏溫度為單位，如果以攝氏溫度為單位，EAB(T，T0)也可以寫成也可以寫成EAB(t，t0)，其，其物理意義雖然有所不同，但電動(dòng)勢的數(shù)值是相同的。物理意義雖然有所不同，但電動(dòng)勢的數(shù)值是相同的。溫標(biāo)用溫標(biāo)用t表示，開氏溫標(biāo)用表示，開氏溫標(biāo)用T表示。根據(jù)表示。根據(jù)273.15K=0，可得，可得兩者的換算關(guān)