電量型-電壓輸出型

傳統(tǒng)傳感器原理及應(yīng)用TraditionalTransducers2023/2/41傳統(tǒng)傳感器

電參量型傳感器

電量型傳感器2023/2/42電量型傳感器電量型傳感器是輸出為電量，即電壓、電流或電荷的傳感器的總稱。電量型傳感器有的屬于自源型，如熱電偶傳感器、壓電傳感器、光電池等；有的屬于帶激勵(lì)源型(輔助能源型，輔助能源可以是電源，也可以是磁源)，如差動(dòng)變壓器式傳感器、透射式電渦流傳感器、壓磁式、磁電式、霍爾式傳感器等。以上兩種類型，由于其轉(zhuǎn)換元件起著能量轉(zhuǎn)換的作用，故有時(shí)又統(tǒng)稱為“能量轉(zhuǎn)換型”。2023/2/43電壓輸出型傳感器電荷輸出型傳感器電量型傳感器測(cè)量電路電量型傳感器2023/2/44電壓輸出型傳感器磁電式傳感器壓磁式傳感器霍爾式傳感器熱電偶傳感器被測(cè)量變化能引起傳感器輸出電壓值變化的傳感器稱為電壓輸出型傳感器。傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件合二為一，輸出信號(hào)是直接的電壓信號(hào)，其后續(xù)測(cè)量電路只要將信號(hào)進(jìn)行放大、必要的解調(diào)(如輸出為調(diào)制波)就可以進(jìn)行顯示。2023/2/45應(yīng)用示例：動(dòng)圈式傳聲器磁電式傳感器2023/2/46磁電式傳感器(Magneto-electricSensor)利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度、加速度變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器，又稱為電動(dòng)式傳感器，或磁電感應(yīng)式傳感器。磁電式傳感器具有“雙向轉(zhuǎn)換”性能，能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電的雙向能量轉(zhuǎn)換，使得它可以作為力驅(qū)動(dòng)器、位移發(fā)生器和低頻振動(dòng)源?；驹恚弘姶鸥袘?yīng)：因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。磁電式傳感器磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。2023/2/47基本原理：分類：動(dòng)鐵式動(dòng)圈式磁電式恒磁通式變磁通式（變磁阻式）角速度型磁電式傳感器線速度型2023/2/48恒磁通式磁電傳感器磁電式傳感器應(yīng)用示例：圖4.1動(dòng)圈式傳聲器2023/2/49恒磁通式磁電傳感器(1)

測(cè)量原理在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙的磁通恒定，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)—線圈切割磁力線而產(chǎn)生的。分類：動(dòng)鐵式動(dòng)圈式恒磁通式線速度型角速度型磁電式傳感器2023/2/410恒磁通式磁電傳感器(2)

應(yīng)用特性磁通式磁電傳感器是線性測(cè)量，可以通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小即可知直線速度或角速度的大小。為提高靈敏度，應(yīng)選用磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長(zhǎng)度，以提高氣隙磁通密度B。增加la和W提高靈敏度，但它們受體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等因素的限制。

磁電式傳感器2023/2/411應(yīng)用案例：磁電式振動(dòng)傳感器12345611-彈簧；2-殼體；3-阻尼環(huán)；4-磁鋼；5-線圈；6-芯軸(a)動(dòng)圈式磁電速度傳感器結(jié)構(gòu)圖圖4.4磁電式傳感器振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)2023/2/412磁電式振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(b)動(dòng)鐵式磁電傳感器振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器線圈頻率計(jì)磁鋼圖4.4磁電式傳感器振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)2023/2/413變磁通式磁電傳感器磁電式傳感器應(yīng)用示例：2023/2/414變磁通式磁電傳感器(1)

測(cè)量原理磁路磁阻變化引起磁通變化，而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此又稱為變磁阻式磁電傳感器。 如圖（a）所示為測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度的旋轉(zhuǎn)式變磁通式結(jié)構(gòu)，則可得兩磁軛2上相互串聯(lián)的兩個(gè)線圈中的感應(yīng)電勢(shì)e為：

磁電式傳感器2023/2/415變磁通式磁電傳感器(1)

測(cè)量原理磁電式傳感器如圖（b）所示為測(cè)量振動(dòng)的平移型變磁通式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)及工作原理與變氣隙式電感傳感器相似。2023/2/416變磁通式磁電傳感器(2)

應(yīng)用特性變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零點(diǎn)穩(wěn)定，工作可靠。對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在-150～＋90℃的溫度工作，不影響測(cè)量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達(dá)100Hz。由于結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)使其具有輸出信號(hào)小、不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的缺點(diǎn)。磁電式傳感器2023/2/417變磁通式磁電傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)偏心測(cè)振動(dòng)測(cè)頻數(shù)磁電式傳感器2023/2/418應(yīng)用案例：磁脈沖式點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器2023/2/419磁電傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)：被測(cè)對(duì)象：動(dòng)態(tài)被測(cè)量，如速度，加速度、振動(dòng)等。輸出信號(hào)：電壓信號(hào)輸出，且輸出功率大，故配用電路較簡(jiǎn)單。零位及性能穩(wěn)定。具有雙向轉(zhuǎn)換功能，可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器。磁電式傳感器2023/2/420磁電式驅(qū)動(dòng)器磁電式傳感器可以實(shí)現(xiàn)機(jī)-電能量的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)用作傳感器時(shí)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)；當(dāng)用作驅(qū)動(dòng)器時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，工作于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。根據(jù)電磁力定律可知，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將會(huì)受到力的作用，可以制成各種類型電動(dòng)機(jī)(1)

基本原理磁電式傳感器2023/2/421直流電動(dòng)機(jī)圖4.8直流電動(dòng)機(jī)原理圖AB2023/2/422磁電式驅(qū)動(dòng)器(2)

應(yīng)用特性當(dāng)線圈中通以交流電流時(shí)，磁電驅(qū)動(dòng)器可作為激振器。根據(jù)簡(jiǎn)諧振動(dòng)原理設(shè)計(jì)的電磁激振器，主要工作形式有動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的兩種。磁電驅(qū)動(dòng)器輸出頻率低，一般為0～200Hz，個(gè)別的產(chǎn)品可達(dá)到1000Hz?？刂坪桶惭b形式可變、頻率、振幅可調(diào)，具有大距離直線往復(fù)推動(dòng)動(dòng)力的特點(diǎn)。

磁電式傳感器2023/2/423應(yīng)用案例：動(dòng)圈式揚(yáng)聲器圖4.9動(dòng)圈式揚(yáng)聲器2023/2/424應(yīng)用示例：壓磁式力傳感器壓磁式傳感器2023/2/425測(cè)量原理壓磁式傳感器(PiezomagneticSensor)又稱磁彈性式傳感器，是利用鐵磁材料的磁彈性效應(yīng)工作的傳感器。(1)

壓磁效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)壓磁效應(yīng)：某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率的改變，這種現(xiàn)象稱為“壓磁效應(yīng)”。磁致伸縮效應(yīng)：某些鐵磁物質(zhì)在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，在磁場(chǎng)方向會(huì)伸長(zhǎng)或縮短，這種現(xiàn)象稱為“磁致伸縮效應(yīng)”。壓磁式傳感器2023/2/426測(cè)量原理(1)

壓磁效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)壓磁式傳感器鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率μ變化與應(yīng)力σ之間的關(guān)系為：2023/2/427測(cè)量原理(2)

壓磁式傳感器的測(cè)量原理壓磁式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，通過測(cè)量線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小來實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的測(cè)量。壓磁式傳感器壓磁式測(cè)力傳感器的壓磁元件由具有正磁致伸縮效應(yīng)的硅鋼片粘疊而成。兩組線圈互相垂直繞于壓磁元件。一組接入交流激勵(lì)電流；另一組接輸出。當(dāng)壓磁元件感受應(yīng)力，自身的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，使激勵(lì)線圈周圍的磁力線發(fā)生畸變，致使其與感應(yīng)線圈交鏈，因此在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。2023/2/428測(cè)量原理(2)

壓磁式傳感器的測(cè)量原理壓磁式傳感器2023/2/429測(cè)量原理(3)

應(yīng)用特性利用超磁致伸縮材料的磁致伸縮正效應(yīng)或逆效應(yīng)可以制作檢測(cè)磁場(chǎng)、應(yīng)變、位移、扭矩、壓力和電流等的傳感器敏感元件。

壓磁式傳感器輸出的信號(hào)較大，一般不需放大。這種傳感器具有輸出功率大，抗干擾性能好，過載能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便、適宜在惡劣環(huán)境中可靠地運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。壓磁式傳感器2023/2/430測(cè)量原理(3)

應(yīng)用特性由于超磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下長(zhǎng)度發(fā)生變化，發(fā)生位移而做功；在交變磁場(chǎng)作用下,發(fā)生反復(fù)伸張與縮短，從而產(chǎn)生振動(dòng)或聲波，將電磁能(或電磁信號(hào))轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能(或機(jī)械位移信息,或聲信息)，利用材料的磁致伸縮效應(yīng)可制成磁致伸縮執(zhí)行器。磁致伸縮執(zhí)行器的基本工作原理：通過改變磁場(chǎng)的大小使磁致伸縮材料產(chǎn)生應(yīng)變，從而產(chǎn)生力或位移。

壓磁式傳感器2023/2/431支撐臂勵(lì)磁線圈振動(dòng)塊測(cè)量線圈非晶帶基座非晶帶加速度傳感器應(yīng)用案例①：非晶帶加速度傳感器2023/2/432超磁致伸縮薄膜（λ>0）超磁致伸縮薄膜（λ<0）基片薄膜式超磁致伸縮執(zhí)行器原理圖應(yīng)用案例②：磁致伸縮執(zhí)行器2023/2/433應(yīng)用示例：霍爾式傳感器壓力圖4.14霍爾式壓力傳感器UHUII霍爾片彈簧管磁鋼2023/2/434測(cè)量原理霍爾式傳感器(HallSensor)是基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量，如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。

(1)

霍爾效應(yīng)霍爾式傳感器霍爾效應(yīng)：半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流I流過時(shí)，只要電流方向不與磁場(chǎng)方向重合，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。相應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)UH。

2023/2/435霍爾電勢(shì)產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)：

運(yùn)動(dòng)電荷受到磁場(chǎng)中洛倫茲力的作用，是洛倫茲力和電場(chǎng)力綜合作用的結(jié)果。FLFE----++++-霍爾式傳感器測(cè)量原理(1)

霍爾效應(yīng)2023/2/436霍爾式傳感器測(cè)量原理(1)

霍爾效應(yīng)2023/2/437結(jié)構(gòu)：霍爾元件的結(jié)構(gòu)如圖所示，由具有霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體薄片、電極引線及殼體組成。abcdBiiiUH圖4.16

霍爾元件用來制造霍爾元件的半導(dǎo)體片，幾何形狀對(duì)輸出的霍爾電勢(shì)也有一定的影響。l/b0.51.01.52.02.53.04.0f(l/b)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996霍爾式傳感器測(cè)量原理(2)

霍爾元件2023/2/438不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償不等位電勢(shì)：當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，元件通以額定激勵(lì)電流時(shí)，霍爾電極間的空載電勢(shì)稱為不等位電勢(shì)，或者叫零位電勢(shì)?；魻柺絺鞲衅鳒y(cè)量原理(3)

不等位電勢(shì)和溫度誤差的補(bǔ)償2023/2/439不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償產(chǎn)生原因：由于制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾輸出電極對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上。其次，材料不均勻或者工藝不良等原因?qū)Σ坏任浑妱?shì)也有一定影響。此外，因控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布也造成不等位電勢(shì)輸出。補(bǔ)償方法：電橋補(bǔ)償方法?；魻柺絺鞲衅鳒y(cè)量原理(3)

不等位電勢(shì)和溫度誤差的補(bǔ)償2023/2/440溫度誤差及其補(bǔ)償霍爾電勢(shì)、輸入電阻、輸出電阻也都是溫度的函數(shù)，從而在使用中產(chǎn)生溫度誤差。

霍爾式傳感器測(cè)量原理(3)

不等位電勢(shì)和溫度誤差的補(bǔ)償補(bǔ)償方法：采用溫度系數(shù)小的元件；根據(jù)精度要求進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償——電橋補(bǔ)償法2023/2/441霍爾傳感器是以霍爾元件為核心構(gòu)成的一種磁敏傳感器，它是基于測(cè)量霍爾電勢(shì)UH=(RH/d)IBsina進(jìn)行工作的。參數(shù)—電流I、磁場(chǎng)B、角度a中兩個(gè)保持不變，只要被測(cè)量能夠引起另一個(gè)參數(shù)變化就能使霍爾電勢(shì)發(fā)生變化，通過測(cè)量霍爾電勢(shì)的大小即可測(cè)得被測(cè)量大小。

I不變，VH正比于B：測(cè)量交、直流磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等，及可以轉(zhuǎn)化為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的物理量，如位移、角度、轉(zhuǎn)速和加速度等。B不變，VH正比于I：測(cè)量交、直流電流、電壓等參數(shù)，及可以轉(zhuǎn)換為電流變化的物理量。測(cè)可以轉(zhuǎn)換為乘法的物理量（如功率）?；魻柺絺鞲衅鲬?yīng)用特性2023/2/442霍爾傳感器測(cè)量位移及其應(yīng)用2023/2/443應(yīng)用案例(1)：霍爾式微壓力傳感器(a)工作過程(b)輸出特性圖4.19霍爾式微壓力傳感器工作原理2023/2/444軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾元件

霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量原理2023/2/445應(yīng)用案例(2)：霍爾式角度傳感器ωω圖4.20霍爾式角度傳感器霍爾元件2023/2/446應(yīng)用案例(3)：霍爾式點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器1-觸發(fā)葉輪；2-霍爾集成塊；3-信號(hào)觸發(fā)開關(guān)；4-永久磁鐵；5-導(dǎo)磁板；6-導(dǎo)線圖4.21霍爾式點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器的組成和原理(a)(b)(c)2023/2/447應(yīng)用示例：熱處理溫控系統(tǒng)熱電偶傳感器熱電偶溫控儀熱處理爐子溫度曲線圖4.22熱處理溫控系統(tǒng)2023/2/448測(cè)量原理熱電偶傳感器(Thermocouple)是熱電式傳感器的一種，其變換是基于金屬的熱電效應(yīng)，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化的傳感器。(1)熱電效應(yīng)熱電偶傳感器熱電效應(yīng)：將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A、B組成閉合回路，如果兩結(jié)點(diǎn)的溫度T和T0不同，則在回路中有電勢(shì)產(chǎn)生，形成一定大小的電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝爾效應(yīng)。相應(yīng)的電勢(shì)稱為熱電勢(shì)，產(chǎn)生的電流稱為熱電流。2023/2/449

(1)熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩部分組成：接觸電勢(shì)（珀?duì)柼妱?shì)）和溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）。接觸電勢(shì)：當(dāng)兩種不同金屬接觸時(shí)，在接觸處形成的電勢(shì)，稱為接觸電勢(shì)。熱電偶傳感器測(cè)量原理2023/2/450(1)

熱電效應(yīng)溫差電勢(shì)：對(duì)于單一金屬，如果兩端的溫度不同，則溫度高端的自由電子向低端遷移，使單一金屬兩端產(chǎn)生不同的電位，形成電勢(shì)，稱為溫差電勢(shì)。熱電偶傳感器測(cè)量原理2023/2/451(1)

熱電效應(yīng)回路熱電勢(shì)：熱電偶傳感器測(cè)量原理2023/2/452

結(jié)論：如果熱電偶兩電極材料相同，即NA=NB，δA=δB

則閉合回路的總熱電勢(shì)為零。因此，熱電偶必須用兩種不同材料作電極。如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫度相同，即T=T0，閉合回路中也不產(chǎn)生熱電勢(shì)。即熱電偶兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，才有熱電勢(shì)輸出。必須形成閉合回路才有熱電勢(shì)產(chǎn)生。熱電偶傳感器(1)

熱電效應(yīng)測(cè)量原理2023/2/453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右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB2023/2/454四大工作定律：中間導(dǎo)體定律連接導(dǎo)體定律中間溫度定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律熱電偶傳感器(2)

工作定律測(cè)量原理2023/2/455熱電偶傳感器中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時(shí)，只要保持其兩端溫度相同，則對(duì)回路總熱電勢(shì)無影響，這就是中間導(dǎo)體定律。應(yīng)用：將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度一致，就可以完成熱電勢(shì)的測(cè)量而不影響熱電偶的輸出。(2)

工作定律測(cè)量原理2023/2/456熱電偶傳感器連接導(dǎo)體定律：應(yīng)用：連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)之一。(2)

工作定律測(cè)量原理2023/2/457當(dāng)A`與A、B`與B相同時(shí)：熱電偶傳感器中間溫度定律：應(yīng)用：中間溫度定律為制訂分度表奠定了理論基礎(chǔ)。連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律是補(bǔ)償導(dǎo)線法冷端溫度補(bǔ)償?shù)睦碚摶A(chǔ)。由連接導(dǎo)體定律：(2)

工作定律測(cè)量原理2023/2/458熱電偶傳感器標(biāo)準(zhǔn)電極定律：應(yīng)用：利用該定律可大大簡(jiǎn)化熱電偶選配工作，只要知道有關(guān)電極與標(biāo)準(zhǔn)電極配對(duì)的熱電勢(shì)，即可求出任何兩種熱電極配對(duì)的熱電勢(shì)而不需要測(cè)定。(2)

工作定律測(cè)量原理2023/2/459熱電偶傳感器熱電偶的結(jié)構(gòu)通常分為普通工業(yè)用熱電偶和鎧裝熱電偶兩種。普通熱電偶通常主要由熱端、熱偶絲、不銹鋼保護(hù)管、安裝固定件和接線盒組成。

結(jié)構(gòu)和類型安裝固定件電偶絲絕緣套筒不銹鋼套管引線