機(jī)械工程測試技術(shù)（第3版）課件：傳感器

傳感器本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類

2.掌握常用傳感器的測量原理、適用場合

3.了解傳感器測量電路傳感器在機(jī)器人

身上的分布視覺：光敏傳感器觸覺：溫度傳感器

壓力傳感器嗅覺：氣敏傳感器濕度傳感器聽覺：聲敏傳感器味覺：味覺傳感器人的五種感覺與傳感器傳感器是人類五官的延伸利用物理定律或物質(zhì)的物理特性、化學(xué)特性或生

物效應(yīng)，將待測非電量(壓力、溫度、位移等)及其變化轉(zhuǎn)換為電量，輸出電信號的器件。4.1概述一、傳感器的定義電量非電物理量傳感器非電學(xué)量→

傳感器→

電學(xué)量傳感器功用：一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。角度

位移

速度

壓

力

溫度

濕度

聲

強(qiáng)

光照傳感電壓電流電阻電容器二、傳感器在測控系統(tǒng)中的地位、作用測控對象計(jì)算機(jī)傳感器信號

調(diào)理數(shù)據(jù)

采集執(zhí)行

機(jī)構(gòu)功率

驅(qū)動(dòng)邏輯

控制三、傳感器的組成基本組成＝敏感元件＋傳感元件輔助組成＝外加電源、測量電路、外殼四、傳感器的分類1(廣告上)按被測物理量分類位移~、速度~、力~。表明了傳感器的用途2按工作原理分電阻式~、電感式~、電容式~、....能量轉(zhuǎn)換型(有源、自源傳感器):有電能輸出。如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì)、光電池能量控制型(無源、外源傳感器):需外加能量才能

工作。如:電阻應(yīng)變片、電感式傳感器、電容式傳感器3

按信號變換特征:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換。如:水銀溫度計(jì)，壓力加速度計(jì)(石英晶體的壓電效應(yīng))，光敏電阻(材料受光照時(shí)其電阻發(fā)生改變)

等。結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。如:電容式、電感式傳感器4按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:地面控制中心的醫(yī)生,怎樣才能時(shí)刻知道宇航員的身體狀況？專家推理：蒸汽機(jī)——工業(yè)革命計(jì)算機(jī)——信息革命傳感器——自動(dòng)化革命有人預(yù)言：誰掌握了傳感器技術(shù)誰就能夠支配新時(shí)代4.2電阻式傳感器電阻式傳感器:被測量電阻的變化工作

導(dǎo)體的電阻值：

R

=

(

)式中：R－電阻(Ω)；ρ－材料的電阻率(Ω·mm2/m

)

；l－導(dǎo)體的長度(m

)；A－導(dǎo)體的截面積(mm2

)?改變長度l

，可形成滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器或電位計(jì)；?改變l

、A和ρ,可做成電阻應(yīng)變片；?改變?chǔ)?，可形成熱敏電阻、光?dǎo)性光檢測器、壓阻應(yīng)變片、電阻式溫度檢測器。一個(gè)電原理kt為單位長度中的電阻。其靈敏度：?直線位移型：R=ktxs

==

kt滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器1.等效電路分析:?L-變阻器總長;

?x-電刷移動(dòng)量.

?R-總電阻;?RL

電刷電阻;

=

=

x=L*E1

/

EE1ERLRxLEER=K*l

l=R/KL1x2.

變阻器的性能參數(shù):1)線性(或曲線的一致性);4)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數(shù);3)整個(gè)電阻值的偏差;6)壽命;3.變阻器(電位器)的分類1)按測量類型：單圈電位器多圈電位器直線滑動(dòng)式電位器2)按制作方式：線繞電位器導(dǎo)電塑料電位器普通塑料基底導(dǎo)電材料粉R

=kx2A

C直線型

x

B231被測壓力p增大時(shí)，彈簧管撐直，通過齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)變阻器的電刷產(chǎn)生角位移。彈簧管實(shí)物關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)角變阻器電阻案例：玩具機(jī)械手原理二應(yīng)變式電阻傳感器1.應(yīng)變片1)工作原理－－電阻應(yīng)變效應(yīng):金屬或半導(dǎo)體材料的電阻值，隨著它所承受的機(jī)械變形(伸長或縮短)的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。覆蓋層

基片b

L

電阻絲敏感柵2)

應(yīng)變片的組成結(jié)構(gòu)：由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。引線3)應(yīng)變片的種類按敏感柵的材料分類：?(1)金屬電阻應(yīng)變片：絲式、箔式、薄膜式薄膜式應(yīng)變片是采用真空濺射或真空沉積技術(shù),在薄的絕

緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜(厚度在零點(diǎn)幾納米到幾百納米),再加上保護(hù)層制成。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,允許通過的電流密度大,工作溫度范圍廣,可工作于-197~317°C。?(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片箔式應(yīng)變片4)靈敏度分析應(yīng)變片的電阻計(jì)算公式：R

=p

.l

/A在外力作用下，引起p

、l

、A,均會(huì)引起電阻R的變化。求導(dǎo)數(shù)得：代入

R

=p

.l

/AdR

=dl

+dp

+dA

=dl

一dA

+

dpdR

=

R

一

R

+

R

=

一

+

A

=冗r

2

dA

=2冗rdr從而：

=

一

+

?金屬電阻應(yīng)變片對半徑為r

的金屬電阻絲有：

=

一

+

5)應(yīng)變片的主要參數(shù)(1)幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b

，制造廠常用b×L表示。圓弧敏感柵應(yīng)變片敏感柵基長L從圓弧頂部算起,箔式應(yīng)變片則從橫向粗線的內(nèi)沿算起。通常L

約2~30mm,箔式

應(yīng)變片最小可達(dá)0.2mm,長的達(dá)100mm或更長。(2)電阻值：應(yīng)變片在未安裝、不受外力的情況下,于室溫時(shí)測得的應(yīng)變片的原始電阻值。這是使用應(yīng)變片時(shí)應(yīng)知道的。國內(nèi)應(yīng)變片習(xí)慣上選用120、175、350、500、1000、1500Ω(3)靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變片變換性能的重要參數(shù)。(4)

最大工作電流：指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。工作電流大,應(yīng)變片輸出信號就大,靈敏度就高。2應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片的兩種用法：(1)單個(gè)應(yīng)變片－－需要貼片。(2)組件(應(yīng)變式傳感器)－－無需貼片。應(yīng)變式傳感器＝彈性敏感元件＋應(yīng)變片。

彈性敏感元件在被測物理量的作用下,產(chǎn)生一個(gè)

與它成正比的應(yīng)變,然后用應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件

將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。1)應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn):(a)(b)(c)柱式測力(稱重)傳感器(a)圓柱;(b)圓筒;(c)外形(1)應(yīng)變式測力與稱重傳感器應(yīng)變式傳感器舉例(2)應(yīng)變式壓力傳感器一般用來測較大的壓力。廣泛用于測量管道內(nèi)部壓力,

內(nèi)燃機(jī)燃?xì)獾膲毫?、壓差和噴射壓?發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈試

驗(yàn)中的脈動(dòng)壓力,各種領(lǐng)域中的流體壓力等。筒式壓力傳感器的彈性元件補(bǔ)償片工作片p(3)組合式壓力傳感器通常用于測量小壓力應(yīng)變片ppp標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品原理:物品重量通過懸臂梁的結(jié)構(gòu)變形，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。案例：電子秤質(zhì)量傳感器電子天平，精度可達(dá)十萬分之一人體秤汽車電子秤?測量原理－－利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量(位移、壓力、流量、振動(dòng))轉(zhuǎn)換成線圈自感L或互感

M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量

輸出。?優(yōu)點(diǎn)－結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、輸出功率較大；?缺點(diǎn)－靈敏度、線性度和測量范圍相互制約；傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適于快速動(dòng)態(tài)測量。?種類：按轉(zhuǎn)換方式分：自感式；互感式。按結(jié)構(gòu)分：變氣隙式；變截面式；螺線管式4.3電感式傳感器可變磁阻式傳感器基本原理1—線圈2—鐵芯3—銜鐵一、自感式1可變磁阻式輸出(電感L)與輸入(6、L

=A)之間的關(guān)系：N2

0A0

262可變磁阻式的結(jié)構(gòu)形式可變導(dǎo)磁面積型63自感式傳感器的應(yīng)用(a)測量透平軸與其殼體間的軸向相對伸長；(b)確定一磁性材料上非磁性涂層的厚度；(c)高壓蒸汽管道中閥的位置測量。變隙式差動(dòng)壓力傳感器L1

=L0

+L

L2

=L0

LL1

L2s1s2U.o電橋輸出電壓：Uo

PU.U.電感式滾柱直徑分選裝置--外形分選倉位軸承滾子外形中原量儀股份有限公司資料滑道仿形機(jī)床采用

閉環(huán)工作方式仿形銑床仿形頭

主

軸電感式圓度測試系統(tǒng)--外形(洛陽匯智測控技術(shù)有限公司資料)測量頭旋轉(zhuǎn)盤E二、互感型--差動(dòng)變壓器互感式傳感器，因其原理為變壓器原理，且次級線圈是差動(dòng)方式連接，故又稱差動(dòng)變壓器式電感傳感器。E-x

xEoutW1W2Wws原理－－電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象:當(dāng)線圈W1輸入交流電

流i1

時(shí)，線圈W2

中則產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e12

，其大小正比于電流i1

的變化率：

e

=

一M

式中M為比例系數(shù)，也稱互感(H)，是兩線圈W1和W2之間耦合程度的度量，其大小與兩線圈的相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁率諸因素有關(guān)。12121212121212互感現(xiàn)象案例：張力測量6、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電

容的變化。忽略邊緣效應(yīng)，兩平行極

板組成的電容器,它的電容

為:C

=

變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化64.4電容式傳感器cA+

+

+a)極距δ變化型C

=

三種結(jié)構(gòu)+++++

+b)面積變化型C

=

角位移型+

+

+c)

介質(zhì)變化型C

=

?電容傳感器的最大缺點(diǎn)：易

受連接電纜線形成的寄生電

容的影響。?消除寄生電容的方法：–將后續(xù)電路的前級放置在緊

靠電容傳感器的地方，以盡量減少電纜長度及位置變化帶來的影響。–采用等電位傳輸(亦稱驅(qū)動(dòng)電纜)技術(shù)。驅(qū)動(dòng)電纜工作原理廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測試中電容式傳感器的應(yīng)用被測物作為一個(gè)電極，微小的振動(dòng)位移，改變了被測物與傳感器電極間的極距，電容量發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)位移的測量。位移的測量內(nèi)部不銹鋼膜片的位置低壓側(cè)

進(jìn)氣口電容式差壓變送器高壓側(cè)

進(jìn)氣口電子線

路位置案例:全自動(dòng)洗衣機(jī)水位高度測量動(dòng)手做：觀察你計(jì)算機(jī)上使用的麥克風(fēng)，并用它測量你自己

的聲音，繪出頻譜。電容式傳感器水波

水面的漣漪

水渦流原理:電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)：當(dāng)金屬導(dǎo)體處于交變磁場中，或在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流在導(dǎo)體內(nèi)是閉合的，故稱為電渦流。電渦流產(chǎn)生的交變磁場使傳感器線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化。電渦流式傳感器：根據(jù)電渦流效應(yīng)制作4.5

渦流式傳感器電渦流的應(yīng)用---干凈、高效的電磁爐低頻透射式渦流傳感器：多用于測量材料的厚度械學(xué)院特點(diǎn)：檢測厚度范圍：1~100mm；被測金屬板L2接收線圈分辨率：0.1μm線性度：1％透射式電渦流厚度傳感器原理圖L1發(fā)射線圈U1U2測量磁性材料、介質(zhì)(液體或氣體)的溫度原理：溫度發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體的電阻率隨之變化，

渦流傳感器的輸出亦將發(fā)生變化，其變化量正比于溫度變化值。磁性及非磁性材料的溫度特性電渦流溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖輸入軸：由軟磁材料制成，軸上加工一個(gè)鍵槽，槽深d

，在距輸入軸表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。?當(dāng)被測軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電渦流傳感器與輸入軸的距離(x)在兩個(gè)值之

間切換：d0與d0+d

。由于電渦流效應(yīng)，傳感器線圈阻抗Z

隨x

的變化而變化，這將導(dǎo)致振蕩器諧振回路的振蕩頻率發(fā)生變化，

從而使振蕩器的輸出電壓幅值發(fā)生變化，經(jīng)過檢波、整形，輸出頻率為fn的脈沖信號，經(jīng)過計(jì)數(shù)器電路就可得到被測轉(zhuǎn)速。特點(diǎn)：非接觸式測量，

抗污染能力很強(qiáng)，可長期監(jiān)測轉(zhuǎn)速，最高測量轉(zhuǎn)速可達(dá)600000r/min。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器渦流式傳感器的應(yīng)用案例：

測厚案例：

零件計(jì)數(shù)電渦流表面探傷手持式裂紋測量儀油管探傷門的內(nèi)部有發(fā)射線圈、接收線

圈。當(dāng)有金屬物體通過時(shí)，交變磁場在該金屬表面產(chǎn)生

電渦流，會(huì)在接收線圈中感

應(yīng)出電壓，計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)

電壓的大小、相位來判定金

屬物體的大小。電渦流式通道安全檢查門4.6

壓電式傳感器一、變換原理--壓電效應(yīng)二、壓電效應(yīng)某些物質(zhì)(如石英)，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。?壓電傳感器：一種有源傳感器，亦即發(fā)電型傳感器。它利用某些材料的壓電效應(yīng)，這些材料在受到外力作用時(shí)，在材料的表面會(huì)產(chǎn)生電荷。三、壓電機(jī)理石英晶體為SiO2單晶體正六面體結(jié)構(gòu)。呈現(xiàn)各向異性(3個(gè)晶軸)：?光軸(縱向軸)Z

：沿Z軸方向加力，無壓電效應(yīng)。?電軸X：沿X軸方向施力，與X垂直的平面上壓電效應(yīng)最顯著

(縱向壓電效應(yīng))?機(jī)械軸Y：沿Y軸(切割方向)加力,在Y方向無壓電效應(yīng)(只產(chǎn)

生形變),在垂直于X的平面上產(chǎn)生壓電效應(yīng)(橫向壓電效應(yīng))壓電陶瓷?多晶體壓電材料，壓電系數(shù)高，靈敏度較石英材料高，但工作溫度低，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。?新型壓電陶瓷材料：研究發(fā)現(xiàn)：動(dòng)物的骨、腱、牙齒、皮膚、肌肉、血管、韌帶、毛發(fā)等，都程度不同地存在壓電效應(yīng)。長期停留在太空處于失重狀態(tài)下的宇航員，骨骼會(huì)受到一定程度的損害,受損傷最嚴(yán)重的是足跟骨。有的宇航員返回地面3個(gè)月后，足跟骨都未能恢復(fù)正常。這是由于宇航員在太空中長期失重的條件下，骨頭所受的壓力減少，使刺激骨頭生長的壓電效應(yīng)減弱了。壓電效應(yīng)控制骨骼生長6月29日，航天員：景海鵬、劉旺、劉洋出艙后敬禮致意。四、測量電路壓電傳感器內(nèi)阻較高，輸出電信號很微弱，應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換(將高輸出阻抗變換為低輸出阻抗)后，方可輸

入到后續(xù)顯示儀表中。?逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用：?壓電致動(dòng)器：施加一高頻交變電壓，可將壓電體作

成一振動(dòng)源，利用這一原理可制造高頻振動(dòng)臺、超

聲波發(fā)生器、揚(yáng)聲器、高頻開關(guān)等。?精密微位移裝置

：用于制成錄像帶頭定位器、點(diǎn)陣

式打印機(jī)頭、繼電器、電風(fēng)扇等。在交變電場作用下，壓電材料會(huì)發(fā)生幾何尺寸(體積)的改變(伸縮)。五、逆壓電效應(yīng)(電致伸縮效應(yīng))慣性式加速度傳感器的工作

頻段是在ω/ωn=0~1之間的平

坦段；在該平坦段內(nèi)，振動(dòng)位移xo正比于被測加速度。壓電加速度傳感器。壓電晶片受到動(dòng)壓力p=kx0

(x0

－質(zhì)量m的振動(dòng)位移)，由壓電效應(yīng)在晶片極面上產(chǎn)生電荷。慣性式傳感器(a

)線位移式(b)旋轉(zhuǎn)式六、壓電傳感器的應(yīng)用壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測量壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測量中的應(yīng)用壓電傳感器測量

雙腿跳的動(dòng)態(tài)力壓電式縱跳訓(xùn)

練分析裝置壓電式步態(tài)

分析跑臺壓電式腳踏報(bào)警器4.7熱敏傳感器溫度傳感器根據(jù)溫度變色的茶杯示溫涂料(變色涂料)裝滿熱水后圖案變得清晰可辨一、雙金屬溫度計(jì)兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊在一起?？蓪囟茸兓D(zhuǎn)換成位移的變化。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、牢固、可靠、防爆雙金屬溫度計(jì)

產(chǎn)品溫度傳感器的應(yīng)用---電飯鍋感溫鐵氧體的特點(diǎn)：常溫下能被磁體吸引，但溫度上升到約1030C時(shí)，就失去了鐵磁性，不能被磁體吸引了。這個(gè)溫度稱為該材料的“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。溫度升高到一定值時(shí)，感溫鐵氧體的磁性消失，感溫鐵氧體與磁鐵分離。溫度傳感器的應(yīng)用——測溫儀物體的溫度不同，發(fā)射紅外線的情況也

不同，因此利用紅外線敏感元件可以實(shí)現(xiàn)非接觸測溫測溫速度小于0.5s

，分辨力達(dá)到0.l℃B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)1、2的溫度不同時(shí)，在回路中就

會(huì)產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。華中科A大學(xué)機(jī)械學(xué)院

T0熱電效應(yīng)現(xiàn)象是1821年塞貝克(Seebeck)首先發(fā)現(xiàn)提出的，故又稱塞貝克效應(yīng)二、熱電偶1.熱電效應(yīng)TA2

熱電偶

T

B

T0根據(jù)熱電效應(yīng)原理制造。作端或熱端T),未焊接的另一端稱為冷端T0

T0

3

熱電勢

B

T0熱電偶產(chǎn)生的電勢＝(兩導(dǎo)體間的)接觸電勢＋(單根導(dǎo)體的)溫差電勢。EAB

(T,

T0

)~

(T

T0

)

賽貝克系數(shù)，0~80V/K

(金屬)兩種不同材料的導(dǎo)體的一端焊在一起(稱為工A

常用熱電偶的靈敏度＝(6.5~8.0)V/。C兩種導(dǎo)體稱為熱電極。

T

熱電偶2)中間導(dǎo)體定律接入第三種材料的導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體兩端的溫度

相等，該導(dǎo)體的接入，不影響總熱電動(dòng)勢。因此在回路中可以接入測量儀表。由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度、溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢。5、熱電偶測溫基本定律T1)均質(zhì)導(dǎo)體定律0V0TTT5

熱電偶工作的兩個(gè)必要條件I)兩個(gè)熱電極的材料不同II)兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不等一般金屬：鎳鉻—鎳鋁硅、銅、康銅；貴重金屬：鉑銠—鉑、鉑銠3，鉑銠6以及鎢、鉬等。熱電偶是一種發(fā)電型傳感器，其輸出信號可直接接儀。6.

熱電偶的材料器7.熱電偶外形安裝法蘭安裝螺紋煤氣灶當(dāng)按旋鈕，小火點(diǎn)燃時(shí)，熱電偶受其火焰加熱，產(chǎn)生熱電勢。熱電勢通過導(dǎo)線導(dǎo)入電磁線圈，產(chǎn)生磁場使電磁閥吸合，燃?xì)忾y開啟，燃燒通路打開，維持其正常燃燒。一旦遇到大風(fēng)或湯水等溢出，撲滅火焰，熱電偶的熱電勢很快下降到零，線圈失電，電磁閥失效，在彈簧作用下迅速復(fù)位，閥門關(guān)閉燃?xì)馔?，終止供氣，保證安全。煤氣灶中熱電偶的應(yīng)用根據(jù)電阻和溫度之間的函數(shù)關(guān)系，可以將溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電參量，從而實(shí)現(xiàn)溫度的測量。?利用這一原理制成的溫度敏感元件稱為熱電阻。幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨本身溫度的變化而變化----熱電阻效應(yīng)。三、熱電阻熱電阻利用導(dǎo)體、半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性。類型：熱電阻材料可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻。1

、金屬熱電阻原理：金屬材料的電阻率隨溫度升高而增加。2

、半導(dǎo)體熱電阻原理：半導(dǎo)體的電阻率隨溫度升高而顯著下降。(溫度升高時(shí)，載流子數(shù)目增加，電阻降低)TR(1)材料：用金屬做成(2)特性：金屬熱電阻的阻值隨著溫度的升高而增大，具有O

t

溫度金屬熱電阻R-t關(guān)系示意圖金屬熱電阻正溫度系數(shù)R溫度(熱量)的變化>電阻的變化溫度檢測-200~

+500℃熱電阻3

、熱電阻產(chǎn)品水溫感應(yīng)塞應(yīng)用變化著的電流；變化著的磁場；運(yùn)動(dòng)的恒定電流；運(yùn)動(dòng)的磁場；在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。1822年開始，法拉第在“磁轉(zhuǎn)化成電”方面，經(jīng)歷了10年的失敗后終于試驗(yàn)成功。1831年11月24日的論文中，法拉第把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況概括成五類：法拉第電磁感應(yīng)定律邁克爾·法拉第Michael

Faraday1791—1867法拉第

是英國著名的物理學(xué)家、化學(xué)家。他發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，提出電場和磁場的概念

，對近代物理的發(fā)展具有重大意義。他家境貧寒，出身于鐵匠家庭，未受過正規(guī)教育，但卻在眾多領(lǐng)域中作出驚人成就，堪稱刻

苦勤奮、探索真理、不計(jì)個(gè)人名利的典范，對于青少年富有教育意義。根據(jù)上述原理，可做2種磁電式傳感器：?恒磁通(動(dòng)圈式)：磁場恒定，線圈與磁鐵間有相對運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁力線產(chǎn)生與相對速度v成比例的感應(yīng)電勢e?變磁通(磁阻式)：線圈與磁鐵間無相對運(yùn)動(dòng)，被測物體(導(dǎo)磁材料)改變了磁路的磁阻，引起磁通量變化d

，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢e4.8

磁電式傳感器變換過程運(yùn)動(dòng)速度磁電式傳感器線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢0-穿過線圈的磁通；－磁通變化率一、原理：穿過線圈的磁通發(fā)生變化時(shí)線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢e:e

=

-W

d0

dtN磁阻式

(變磁通)線速度型角速度型磁電式動(dòng)圈式

(恒磁通)二、分類1.線圈作直線運(yùn)動(dòng)切割磁力線，e=WBLvsin9式中W—有效線圈匝數(shù)，參與切割磁力線的線圈匝數(shù)；B—磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)；L—單匝線圈的有效長度(m

)；v—線圈相對于磁場的速度(m/s

)

;θ—B與v

的夾角。將測得的速度v經(jīng)微分、積分運(yùn)算，可得到運(yùn)動(dòng)物

體的加速度a和位移x

，因此速度傳感器也可用來測量運(yùn)動(dòng)物體的位移和加速度。一般θ=90°,e=WBLv

，若傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(W

、B

、L)已定，則感應(yīng)電動(dòng)勢e

的大小正比于線圈的運(yùn)動(dòng)速度v

，由e測v－－絕對式磁電速度計(jì)的原理。三、線圈在恒定磁場B中運(yùn)動(dòng)恒磁通(動(dòng)圈式)華產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢：e=WBA

sin9式中W—參與切割磁力線的線圈匝數(shù)；B—磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)；A—單匝線圈的截面積(m2

)；ω—線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；θ—線圈平面法向與B的夾角。當(dāng)W、B、A不變時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢e與線圈相對

于磁場的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成正比。由e測----磁電式轉(zhuǎn)速計(jì)的原理2.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁力線恒磁通(動(dòng)圈式)華四、具體類型介紹1.動(dòng)圈式(恒磁通)

傳感器線速度型傳感器與被測物體剛性連接，物體振動(dòng)時(shí)傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng)，架空的中心軸、線圈、阻尼環(huán)因慣性不隨之振動(dòng)。因此，磁路空氣隙中的線圈切割磁力線產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電勢，通過引線輸出到測量電路。磁電式速度傳感器：1)絕對式速度傳感器；2)相對式速度傳感器絕對式振動(dòng)傳感器1－彈簧片2－永磁鐵3－阻尼環(huán)4－支架5－中心軸6－外殼7－線圈相對振動(dòng)速度傳感器1－頂桿2－彈簧片3－永磁鐵4－線圈5－引線6－殼體7－導(dǎo)磁體2.磁阻式(變磁通)傳感器變磁通(磁阻式)院五、磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式車速傳感器磁阻式(變磁通)傳感器：線圈與磁鐵固定不動(dòng)，由被測物體(導(dǎo)

磁材料)運(yùn)動(dòng)引起磁通量變化，從而造成磁場的強(qiáng)弱變化，

使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢?？蓽y轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、偏心量等。磁阻式傳感器工作原理及應(yīng)用(a

)測頻數(shù)(b)測轉(zhuǎn)速(c

)偏心測量(d)振動(dòng)測量鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條檢測磁電式傳感器應(yīng)用案例：SN4.9

霍爾

(Hall)

傳感器一、霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)在板的長度方向通以電流I

時(shí)，在板的寬度b方向產(chǎn)生電動(dòng)勢UH

(稱為霍爾電勢)，

這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。1bc是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場中洛侖茲力霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生，作用的結(jié)果。da1.在磁場中通以電流I時(shí)，半導(dǎo)體材料中的電子將沿I的反方向運(yùn)動(dòng)。2.電子在磁場中受洛倫茲力FL

的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使板的一側(cè)積聚大量電子，板的另一側(cè)因缺少電子而積累正電荷，從而在兩側(cè)面間形成一個(gè)電場E。3.電場E產(chǎn)生阻止電子偏轉(zhuǎn)的電場力FE

，隨著電荷積累的增加，F(xiàn)E也增大。4.當(dāng)電場力FE

＝FL

時(shí)，電子的積累達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，輸出霍爾電勢UH二、霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理三、霍爾元件

?霍爾元件(霍爾傳感器)：板厚d遠(yuǎn)小于板寬b和板長，屬半導(dǎo)體磁敏傳感器。?一般用砷化銦(InAs)、銻化銦(InSb)、鍺(Ge)

等高電阻率半導(dǎo)體材料制作霍爾元件。霍爾元件及霍爾效應(yīng)(a

)霍爾元件構(gòu)造(b)霍爾元件特性曲線四、霍爾電勢UH＝BIRH/d=KHBI其中RH=1/(ne)，KH=RH/dn---單位體積電子的數(shù)目，e---電子的電荷量，RH—霍爾常數(shù)，反映霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。KH

---霍爾元件的靈敏度，表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度B和單位控制電流I時(shí)，霍爾電勢的大小。KH越大越好。?電子濃度n越高，RH越小，使UH

，∴金屬導(dǎo)體

(電子濃度高)

不適于制作霍爾元件。?∵UH

1/d

，∴霍爾元件大都做成薄片(板厚較薄)?磁感應(yīng)強(qiáng)度B與霍爾板平面的法線呈θ角時(shí)，霍爾電勢

UH＝BIKHcosθ霍爾電勢是關(guān)于I

、B

、9三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos9使其中2個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定

其中1個(gè)量，其余2個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。五、霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器主要用于測量能夠轉(zhuǎn)換為磁場變化的物理量。?位置測量用作終端位置開關(guān)，用于無接觸地監(jiān)測機(jī)器部件的位置。霍爾元件的應(yīng)用領(lǐng)域測量磁場，檢測電流，測量微小位移、壓力、機(jī)械振動(dòng)霍爾傳感器測量物體位置從a端通入電流I

，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1

，右半部產(chǎn)生霍爾電勢VH2

，其方向相反。因此，c

、d兩端電勢為VH1—VH2

。如果霍爾元件在初始位置時(shí)VH1=VH2

，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。微位移測量UH

=f(x)(c)靈敏度高測量微位移及振動(dòng)(a)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)5mm分辨率0.001mm轉(zhuǎn)速測量零件計(jì)數(shù)?鐵磁物質(zhì)通過霍爾元件上方時(shí)，會(huì)導(dǎo)致磁場變化，從而使霍爾電勢發(fā)生變化，記錄電勢的變化可對通過的零件進(jìn)行計(jì)數(shù)。電流計(jì)

當(dāng)電流I流過導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場B，B與I成正比，該磁場可通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾元件進(jìn)行檢測。鋼絲繩斷絲檢測他把機(jī)械工程同控制論、信息論、系統(tǒng)論緊密結(jié)合，致力于同微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新興技術(shù)領(lǐng)域的交叉研究，特別是在先進(jìn)制造技術(shù)、設(shè)備診斷、信號處理、無損檢測新技術(shù)、人工智能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方面取得一系列成果。獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)、國家發(fā)明獎(jiǎng)、省部級科技獎(jiǎng)20項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文500余篇，出版專著教材12種。楊叔子，1933年9月生于江西省湖口縣，中國科學(xué)院院士，著名

機(jī)械工程專家、教育家，華中科技大學(xué)原校長。外光電效應(yīng)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)一、外光電效應(yīng)與光電管外光電效應(yīng)：光線照射到某些金屬(或金屬氧化物)，物體表層的電子吸收光子能量后，逸出物體表面、向外發(fā)射的現(xiàn)象。它是1887年由德國科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)的。基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。被測量光信號光電傳感器電信號4.10光電傳感器金屬底層光電管光透明光電管A——陽極，K——陰極倍增極上的涂料在電子轟擊下能發(fā)射更多電子；倍增極之間有依次增大的加速電壓?；谕夤怆娦?yīng)的器件1.光電管K光電管的應(yīng)用路燈光電控制器－－白天燈滅，天黑時(shí)燈亮2.光電倍增管AAAKK光電倍增管的外形二、內(nèi)光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，物體內(nèi)部的原子釋放出電子(電子仍留在物體內(nèi)部，不逸出),使其電阻值減小、或產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分：1.光電導(dǎo)效應(yīng)：在光照時(shí)，物體導(dǎo)電能力奇妙增加的現(xiàn)象?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的器件有：光敏電阻2.光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向

的電動(dòng)勢的現(xiàn)象。基于光生伏特效應(yīng)的器件有：光電池、光敏二極管、光敏三極管(1)光敏二極管(也叫光電二極管)光敏二極管的結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體二極管相似。光敏二極管裝在玻璃外殼中，光可直接照射其PN結(jié)。

光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)。NPN光敏二極管符號光敏二極管接線RL光光P光敏二極管光敏二極管(也叫光電二極管)的應(yīng)用機(jī)械學(xué)院電視機(jī)的遙控器(2)光敏三極管光敏三極管有PNP型、NPN型兩種，其結(jié)構(gòu)與一般三極管相似，具有電流增益，只是它的發(fā)射極做的很大，以擴(kuò)大光的照射

面積，而基極不接引線(基極開路)，集電極反向偏置。當(dāng)光線照射到集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)電場

作用下，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍。cP

N

bP

N

P

be

NERLe

c光敏三極管光敏三極管又稱光電三極管光電三極管的電流受外部光照控制，當(dāng)光照強(qiáng)弱變化時(shí)，電極之間的電阻會(huì)隨之變化。光電三極管內(nèi)部有兩個(gè)PN結(jié)，是在光電二極

管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，它具有放大功能，比光電二極管靈敏得多。光電三極管的工作有兩個(gè)過程：1.光電轉(zhuǎn)換---在集-基結(jié)內(nèi)進(jìn)行，把光信號變成電信號，與光電二極管相同。2.將光電流放大。與晶體三極管里集電極的作用一樣。光---電流變化---控制電路通斷非電學(xué)量----傳感器----電學(xué)量----控制電路通斷光電三極管的應(yīng)用：火災(zāi)報(bào)警器學(xué)機(jī)械學(xué)院光敏三極管發(fā)光二極管掃描筆條形碼卡片條形碼脈沖列條形碼掃描筆光電掃描筆掃描方向

OUTU工作原理?無光照時(shí)，阻值(暗電阻)很大(>1M

)，電路中的電流(暗電流)很小。?當(dāng)受到光照時(shí)，阻值(亮電阻)急劇減小(<1K)，電路中電流迅速增大。光敏電阻從電絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體。?光線越強(qiáng)、電流越大。光照停止后，電阻值恢復(fù)到暗電阻。三、光敏電阻(光導(dǎo)管)光電池以可見光作為光

源，在光的不斷照射下，可連續(xù)產(chǎn)生電流。阻擋層——內(nèi)建電場——PN結(jié)1.

原理：光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體材料PN

結(jié)受到光照后，產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢，P----

-+++++N+P--+--