常用傳感器-Guo20072008200920112012-14-15

1、2022-7-41傳感器作用及分類傳感器作用及分類發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器參量型傳感器參量型傳感器2022-7-425.1 傳感器的作用與分類傳感器的作用與分類5.1.1傳感器的作用傳感器的作用2. 變換作用變換作用：將非電量變換成電量。對(duì)應(yīng)這兩個(gè)作用，傳感器一般由兩部分組成，即敏感元件與變換元件，二者有時(shí)很容易分開(kāi)，有時(shí)合二為一。 傳感器是控制系統(tǒng)中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它具有兩個(gè)作用：1. 敏感作用敏感作用：感受物理量的變化，以完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的拾取。2022-7-435.1.2 傳感器的分類傳感器的分類1. 按輸出信號(hào)形式(模擬量，數(shù)字量)分模擬傳感器與數(shù)字傳感器。（I(t)，V(t)，數(shù)字量，頻

2、率量）。2. 按變換原理，分參量型與發(fā)電型。 參量型參量型：被測(cè)量使傳感器本身的電參量R、L、C改變，這種傳感器工作時(shí)必須有外加電源，故又稱為無(wú)源型，通常將其接入電橋，諧振電路等信號(hào)調(diào)節(jié)器中，再變換成電壓或電流量。 發(fā)電型發(fā)電型：被測(cè)量使傳感器產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)、電流、電荷，可直接接入放大器或記錄儀器，所以又稱為有源型，一般不需外加電源，如熱電偶、壓電型傳感器等。但由于能量有限，通常還要接放大器。 發(fā)電型參量型2022-7-443. 按輸入量（被測(cè)量）分位移、壓力、溫度、流量、加速度等傳感器。2022-7-455.1.3 傳感器工作原理與標(biāo)定傳感器工作原理與標(biāo)定 任何一種傳感器其工作原理都是基于某一種

3、物理現(xiàn)象或化學(xué)現(xiàn)象物理現(xiàn)象或化學(xué)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象抽象成若干個(gè)物理量（其中有一個(gè)電量）按一定規(guī)律相互影響，可用一個(gè)數(shù)學(xué)公式來(lái)表示（建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型），即：通常為電量的 y=f(x1,x2,xn) （xi通常為非電量） 如： R=L/A 就描述了四個(gè)物理量間的關(guān)系。 如果我們能夠讓被測(cè)量影響某一個(gè)電參數(shù)，通過(guò)這個(gè)電參數(shù)的變化來(lái)反映被測(cè)量的大小，那么一個(gè)傳感器就制造出來(lái)了。所以傳感器的設(shè)計(jì)、研制都要基于某種物理效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)出敏感部分的結(jié)構(gòu)以及變換部分的結(jié)構(gòu)。下面介紹的各種傳感器都是從某一基本的物理原理出發(fā)，根據(jù)物理量間的關(guān)系來(lái)分析相應(yīng)的傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。 傳感器在使用之前一般要進(jìn)行標(biāo)定標(biāo)定，

4、即確定輸入與輸出的關(guān)系。通常由于制作誤差和原理的理想化，使輸入輸出不能嚴(yán)格滿足理想的物理公式，所以，只有給定已知輸入，確定輸入、輸出二者間的關(guān)系后才能使用。2022-7-465.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 5.2.1 電位計(jì)式電阻傳感器電位計(jì)式電阻傳感器 按結(jié)構(gòu)形式分：直線式和旋轉(zhuǎn)式；按工藝特點(diǎn)分：繞線式和薄膜式。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠，但精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。且由于磨損與塵埃等，引起接觸電阻變化，引入噪聲。 2022-7-475.2.2 應(yīng)變片式電阻傳感器應(yīng)變片式電阻傳感器 2()LRARRRLLL dLdAddRdLdAddLdAdLAAAALAAeeddE 與正應(yīng)力 有關(guān)：（壓阻

5、效應(yīng)）2222dAdrdrdLArArrLdAdLAL ， 泊松效應(yīng)得：2022-7-480/(12 )/edR RkEdL L定義電阻絲的靈敏系數(shù)：000(12 )1.7 3.6 70kkkee為壓阻系數(shù)。對(duì)金屬材料，主要取決于的值，對(duì)半導(dǎo)體材料，主要取決于E的值，是金屬應(yīng)變片的50倍。(12 )edRER 第一項(xiàng)由幾何尺寸變化引起，第二項(xiàng)由電阻率隨應(yīng)變而改變引起2022-7-495.3 電感式傳感器電感式傳感器 5.3.1 自感式傳感器自感式傳感器20,2mmimiiWLIWIRWLLRlRAA 線圈自感系數(shù) 磁路歐姆定律 磁阻變化則 變化。通常鐵芯的磁阻遠(yuǎn)小于空氣隙的磁阻，故：02mRA

6、2022-7-4102200222WAdLWALLSd ，靈敏系數(shù) 為了限制非線性誤差，只能測(cè)量小位移。三種結(jié)構(gòu)：變氣隙式、變氣隙截面式、螺管式2022-7-4112LS 靈敏系數(shù) 為單邊變氣隙式的2倍。差動(dòng)自感式傳感器：在初始位置，銜鐵位于氣隙的中間，L1=L2=L總電感的變化量：dLS=L1-L2=0當(dāng)被測(cè)量使銜鐵偏離中間位置時(shí)， L1=L+dL, L2=L-dL 由于兩個(gè)電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，因此稱之為差動(dòng)式?？偟碾姼凶兓浚篸LS=L1-L2=2dL 其靈敏度 22sdLdLLdd 其輸出特性為：Ls2022-7-4125.3.2 互感式（變壓器式）傳感器互感式（變壓器式）傳感器1

7、111/()()()oaaiobbiiiabooaobabiiEj M IEj M IIERj LMMEEEjMMIERj L 常采用兩個(gè)次級(jí)線圈反向串接組成差動(dòng)式。，2211,0,2,()aboabiooaMMMEMMMMMMMEEeRL 當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，當(dāng)鐵芯上移到某一位置時(shí)，輸出電壓有效值：相位與相同。2022-7-413,abooaMMMMMMEe 當(dāng)鐵芯下移到某一位置時(shí)，=（同前），但相位與相反。由此可見(jiàn)，輸出電壓的幅值與M成正比，而相位與鐵芯位移方向有關(guān)。特點(diǎn)：靈敏度與激勵(lì)頻率有關(guān),一般采用40010kHz。5.4 電容式傳感器電容式傳感器0rAC ，三種類型：變極距型（變

8、）；變面積型（變A）；變介電常數(shù)型（變 ）可構(gòu)成單邊與差動(dòng)式2022-7-4145.5 壓電式傳感器。壓電式傳感器。1工作原理：工作原理：壓電效應(yīng)，某些材料，如石英晶體和鈦酸鋇陶瓷，在某一方向受力時(shí)，其表面產(chǎn)生電荷，電荷量的改變與受力情況有關(guān)，即 iDF不同的材料雖然壓電機(jī)理不同，但最終產(chǎn)生的效應(yīng)是等同的。2022-7-4152壓電變換元件的應(yīng)用特性：壓電變換元件的應(yīng)用特性：壓電變換元件相當(dāng)于電荷源，其等效電路為： 00/iiCCCRRR電路方程： ( )Q tCvidt2022-7-416( )dQ tdvdvvCiCdtdtdtR 兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換有： 1( )( )( )1( )(

9、)1( )11SQ sCsV sV sRV sRsCH sQ sRCsRCs1/()11CH jjRC當(dāng)輸入 00( )sinF tFt時(shí) 2022-7-4170000( )sinsinQ tDFtQt輸出： 000( )|() | sin()u tQH jt 其幅值： 002200/111()1()QCDFCVCRCR可見(jiàn)，若想使輸出信號(hào)保持一定的幅值，有一個(gè)范圍，或者說(shuō) 1RC時(shí) 00/VQCV所以必須有足夠大的時(shí)間常數(shù)RC，但C大，V0小，相當(dāng)于靈敏度低，因此要求R要很大（R0和Ri都得大）。而對(duì)于頻率較低或直流信號(hào)用這種壓電機(jī)理構(gòu)成的傳感器，就不能測(cè)量或誤差很大。【演示演示】2022-

10、7-4182022-7-4195.6 電動(dòng)式傳感器（磁電式傳感器）電動(dòng)式傳感器（磁電式傳感器） 5.6.1 工作原理工作原理：根據(jù)電磁感應(yīng)定理，一個(gè)匝數(shù)為w的線圈，當(dāng)穿過(guò)該線圈的磁通發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為： dewdt電動(dòng)勢(shì)與磁通變化量有關(guān)。導(dǎo)致磁通變化的原因有多種，當(dāng)線圈的匝數(shù)及磁感應(yīng)強(qiáng)度不變時(shí)，磁通的變化率與磁路的磁阻及線圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。根據(jù)利用被測(cè)量改變線圈速度或磁阻的方式，可將電動(dòng)式傳感器分成動(dòng)圈式動(dòng)圈式和變磁阻式變磁阻式。 2022-7-420 動(dòng)圈式工作原理動(dòng)圈式工作原理 a.線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng) eWBlv其中，W線圈匝數(shù)，磁感應(yīng)強(qiáng)度，

11、單匝線圈有效長(zhǎng)度，線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)速度。 b.線圈在磁場(chǎng)中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。線圈在磁場(chǎng)中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 ekWBA其中，與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)（），線圈的截面積，角速度。 2022-7-421變磁阻式變磁阻式工作原理：一般通過(guò)改變傳感器到被測(cè)對(duì)象間的氣隙厚度等方法來(lái)改變磁路磁阻。 5.6.2 電動(dòng)式傳感器的構(gòu)成及其應(yīng)用電動(dòng)式傳感器的構(gòu)成及其應(yīng)用振動(dòng)測(cè)量動(dòng)圈式相對(duì)速度傳感器動(dòng)圈式相對(duì)速度傳感器：由兩部分組成，一部分安裝在被測(cè)物體上，通常是磁鐵與殼體，另一部分是線圈，固定在參照物體上；當(dāng)兩個(gè)物體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生電壓量輸出。動(dòng)圈式絕對(duì)速度傳感器動(dòng)圈式絕對(duì)速度傳感器：傳感器殼體固定在被測(cè)振動(dòng)物體上，當(dāng)殼體以大

12、于某一頻率點(diǎn)的頻率振動(dòng)時(shí)，線圈芯軸系統(tǒng)相對(duì)于大地是靜止的，因此殼體磁鋼與線圈之間的相對(duì)速度就是被測(cè)物體的絕對(duì)速度，線圈以這一速度切割磁力線，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的大小即反應(yīng)了被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度。變磁阻式電動(dòng)式傳感器變磁阻式電動(dòng)式傳感器：探頭的磁極與振動(dòng)物體間有一氣隙，當(dāng)振動(dòng)物體振動(dòng)時(shí)，氣隙變化引起磁路磁阻改變，線圈磁通發(fā)生變化，輸出電動(dòng)勢(shì)與振幅成比例。【演示演示】2022-7-4222022-7-423轉(zhuǎn)速傳感器及轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速傳感器及轉(zhuǎn)速測(cè)量u測(cè)速發(fā)電機(jī)：工作原理與發(fā)電機(jī)原理相同。ekWBAu開(kāi)磁路轉(zhuǎn)速傳感器（如圖所示）：齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，探頭與齒輪間氣隙發(fā)生變化，引起磁阻改變。線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與轉(zhuǎn)

13、速的關(guān)系式為其中，f：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率 N：齒數(shù) n：轉(zhuǎn)速,r/s【演示演示】2022-7-4242022-7-4255.7 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 1. 工作原理工作原理：電渦流效應(yīng)。電渦流效應(yīng)。如圖所示，線圈中通過(guò)交變電流，產(chǎn)生交變磁通；當(dāng)交變磁通通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，交變磁通使導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生閉合電流，稱之為電渦流，電流方向隨磁通方向變化而改變。 通常交變磁通借助于通過(guò)交變電流的線圈來(lái)產(chǎn)生，設(shè)線圈產(chǎn)生的磁通為1，1作用在導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流同樣產(chǎn)生磁通2，且與1方向相反。由于2對(duì)線圈的反作用，導(dǎo)致線圈的阻抗發(fā)生變化。 一般來(lái)說(shuō)，線圈的阻抗與許多參數(shù)有關(guān)。 2022-7-4262022-7-427Z=

14、f（距離），（距離），（磁導(dǎo)率），（磁導(dǎo)率），（電導(dǎo)率），（電導(dǎo)率），f（頻率）以及表面狀況（頻率）以及表面狀況）如果這些參數(shù)中有某個(gè)發(fā)生變化，線圈阻抗便會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)線圈的阻抗，如果這些參數(shù)中有某個(gè)發(fā)生變化，線圈阻抗便會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)線圈的阻抗，便能測(cè)定相應(yīng)的物理量。便能測(cè)定相應(yīng)的物理量。 線圈的等效阻抗線圈的等效阻抗:將產(chǎn)生電渦流的導(dǎo)體看作是一個(gè)封閉回路，根據(jù)等效電路可列出回路方程： 1 112122220R Ij L Ij MIuj MIR Ij L I2022-7-4281222212122222222222112122222()()()()()()uIMMRRjLLRLRLMZ

15、RkRjLkLkRL由上式可看出：原線圈阻抗Z0=R1+jwL1由于電渦流的影響,Z0變成Z1=(R1+kR2)+jw(L1-kL2)式中：式中：kR2:渦流反射電阻，kL2:渦流反射電感 2022-7-429諧振回路法測(cè)量原理：諧振回路法測(cè)量原理： 諧振法電路就是利用線圈電感與一個(gè)電容器相并聯(lián)，組成一個(gè)并聯(lián)諧振回路，這時(shí)，諧振回路的復(fù)阻抗為：211/11j Lj Lj cZj Lj cLcj Lj c2|1LZLc2022-7-430000| 01,|,| 0ZZLCZ 當(dāng)線圈靠近導(dǎo)體時(shí)，由于渦流反射電感的作用，使線圈的等效電感發(fā)生變化，其變化情況分兩種：a.被測(cè)導(dǎo)體為非導(dǎo)磁體： 22122

16、222()MLLLRL2022-7-43101Lcb.被測(cè)導(dǎo)體為導(dǎo)磁體：01LcM LZM L磁阻磁阻RmL (L1 )Z2022-7-432 電渦流傳感器在使用時(shí)應(yīng)保證被測(cè)導(dǎo)體的面積要比線圈的面積大，否則靈敏度下降。另外，對(duì)于不同的材料，由于磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率不同，也會(huì)導(dǎo)致靈敏度不同，因此，在使用前應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。 電渦流傳感器通?？捎脕?lái)測(cè)量： 位移、振幅； 轉(zhuǎn)速； 表面裂紋、厚度； 材料分選、表面不平度等，還可以進(jìn)行零件計(jì)數(shù)。 2. 應(yīng)用應(yīng)用3. 應(yīng)用特點(diǎn)應(yīng)用特點(diǎn)線圈厚度小，靈敏度高；外徑大，測(cè)量范圍大，但靈敏度低；被測(cè)對(duì)象的材質(zhì)對(duì)靈敏度的影響：電導(dǎo)率高，靈敏度高；磁導(dǎo)率高，靈敏度小，因而

17、必須先進(jìn)行消磁處理。被測(cè)體形狀對(duì)靈敏度的影響：被測(cè)體的表面積應(yīng)大于線圈的表面積。 2022-7-4335.8 熱電偶式傳感器熱電偶式傳感器1. 工作原理：工作原理：熱電偶是基于熱電勢(shì)效應(yīng)原理的測(cè)溫用傳感器，如圖如圖，若1、2點(diǎn)溫度不同，回路中有電流產(chǎn)生，稱之為熱電勢(shì)。對(duì)于某個(gè)確定的熱電偶，當(dāng)某一端溫度t0恒定時(shí)，熱電勢(shì)僅與測(cè)量端溫度t有關(guān)，故可測(cè)溫度t。熱電勢(shì)由兩部分組成：接觸電勢(shì)；溫差電勢(shì)。 B eA(T,T0) eAB(T0) eAB(T) eB(T,T0) A 2022-7-434接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)：A、B兩導(dǎo)體接觸后，由于電子濃度不同，在截面附近產(chǎn)生接觸電勢(shì)： ( )lnAABBKTne

18、Tqn式中，波爾茨曼常數(shù)，電子電荷量，A、B電子濃度，絕對(duì)溫度。 接觸電勢(shì)的方向與導(dǎo)體電子濃度n有關(guān)。顯然，當(dāng)AB材料已定時(shí)，接觸電勢(shì)與溫度T（絕對(duì)溫度）有關(guān)。 溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)：當(dāng)一塊導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)，在導(dǎo)體兩端形成溫差電勢(shì)。 00( ,)TATeT Tdt式中，湯奴遜系數(shù)，與材料性質(zhì)及導(dǎo)體兩端平均溫度有關(guān) 2022-7-435所以，當(dāng)兩種材料AB組成一個(gè)閉合回路時(shí)，設(shè)時(shí)，回路中總電勢(shì)為 0000( ,)( )()( ,)( ,)ABABABBAET TeTeTeT TeT T由于接觸電勢(shì)大于溫差電勢(shì)，所以，當(dāng)時(shí)，A為正極，B為負(fù)極。若忽略溫差電勢(shì)的影響，并設(shè)AB，通?？蓪?xiě)作： 00( ,

19、)()ABABET TKTT式中，AB為熱電偶靈敏度。0000(, )( ,)( ,)( ,)ABABBAABET TET TET TET T 熱電勢(shì)：2022-7-4362. 熱電偶基本定理熱電偶基本定理均勻電路定律均勻電路定律：由單一的金屬構(gòu)成的回路中不存在熱電勢(shì)。中間導(dǎo)體（金屬）定律中間導(dǎo)體（金屬）定律：在由A、B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，將冷端斷開(kāi)，也可將A或B的中間斷開(kāi)，接入第三種或更多種導(dǎo)體，只要保證接入端的溫度相同，則回路總電勢(shì)不變。 2022-7-437000000000000000000( )( )( )( ,)( ,)( , )ln(lnln)lnln( )()( ,)(

20、 ,)ABBCCABCAtttABCBCAtttBCAttABBAttBAABABBAEetetetet tettettkTnkTnkTndtdtdtqnqnqnkTnkTndtdtqnqneTeTet tet t證明：證明： 2022-7-438 中間溫度定理中間溫度定理1213321323( ,)( ,)( ,)( ,)( ,)ABABABABABEt tEt tEt tEt tEtt 一般熱電偶的分度表（輸出特性）是在冷端為0時(shí)給出的，若測(cè)量時(shí)冷端不為0，則可據(jù)此修正。 2022-7-439熱電偶相配定理熱電偶相配定理 1212121212( ,)( ,)( ,)( ,)( ,)ABAC

21、CBACBCEt tEt tEt tEt tEt t 有時(shí)熱電偶的兩個(gè)極的AB的分度表不知，但知道AC、BC的分度表，據(jù)此則可獲得A、B的分度表。 2022-7-4403. 熱電偶傳感器及其應(yīng)用熱電偶傳感器及其應(yīng)用 熱電偶的材料有許多種：一般金屬有鎳鉻鎳硅、鎳鉻鎳鋁、鎳鉻康銅，貴重金屬有鉑銠10鉑、鉑銠30 鉑銠6，等?；窘M成：由熱電極材料、絕緣材料、保護(hù)材料和引線裝置等組成。型式：普通金屬絲熱電偶，薄膜式熱電偶。是一種發(fā)電型傳感器，其輸出信號(hào)可直接接入記錄儀器。利用熱電偶還可測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差及溫度場(chǎng)中多點(diǎn)的平均溫度，在實(shí)際使用時(shí)，還可利用不同被測(cè)對(duì)象構(gòu)成熱電偶，如測(cè)磨削溫度；可用車刀與零件構(gòu)成

22、一對(duì)熱電偶，有關(guān)方面知識(shí)還可參考其它專著。 2022-7-4415.9 半導(dǎo)體傳感器。半導(dǎo)體傳感器。由半導(dǎo)體敏感器件構(gòu)成，能把力、熱、光、磁、溫度、氣體、射線、離子等非電量變換成電信息。5.9.1 半導(dǎo)體光電效應(yīng)傳感器。半導(dǎo)體光電效應(yīng)傳感器。光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)。1、光電導(dǎo)效應(yīng)：光的照射使半導(dǎo)體載流子（電子、光電導(dǎo)效應(yīng)：光的照射使半導(dǎo)體載流子（電子-空穴）濃度加大，電導(dǎo)空穴）濃度加大，電導(dǎo)率增加。率增加。光電導(dǎo)效應(yīng)的特點(diǎn)：光電導(dǎo)效應(yīng)的特點(diǎn)：a. 馳豫現(xiàn)象馳豫現(xiàn)象：光電導(dǎo)的改變落后于光照的變化。在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)要考慮其響：光電導(dǎo)的改變落后于光照的變化。在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)要考慮其響應(yīng)速度，即要考慮靈敏度與光照變化頻率間的關(guān)系。應(yīng)速度，即要考慮靈敏度與光照變化頻率間的關(guān)系。b. 光譜特性光譜特性：電導(dǎo)率的增量與光的波長(zhǎng)有關(guān)。不同的半導(dǎo)體元件對(duì)不同：電導(dǎo)率的增量與光的波長(zhǎng)有關(guān)。不同的半導(dǎo)體元件對(duì)不同波長(zhǎng)的敏感程度不一樣，因此在使用時(shí)應(yīng)選擇最佳波長(zhǎng)的光源。波長(zhǎng)的敏感程度不一樣，因此在使用時(shí)應(yīng)選擇最佳波長(zhǎng)的光源。利用光電導(dǎo)效應(yīng)可制成光敏電阻，暗電阻越大越好，亮電阻越小越好。利用光電導(dǎo)效應(yīng)可制成光敏電阻，暗電阻越大越好，亮電阻越小越好。2022-7-4422、光生伏特效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)：在光線作用下使半導(dǎo)體產(chǎn)