機械工程測試技術（第2版）課件：常用傳感器變換原理

常用傳感器的變換原理機械工程測試技術（第2版）MechanicalEngineeringTestingTechnology學習導航3.1傳感器概述(Theoverviewforsensor)3.2電阻式傳感器(Resistivesensor)3.3電感式傳感器(InductiveSensors)3.4電容傳感器(Capacitancesensor)3.5壓電傳感器(Piezoelectricsensors)3.6磁電式傳感器(Magneticsensors)3.7光電傳感器(Photoelectricsensor)3.8光纖傳感器(Fiberopticsensors)3.9新型傳感器(Newtypesofsensors)知識導圖

3.1.1傳感器的定義與組成傳感器定義：傳感器是一種能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器組成：敏感元件：直接感受被測量,輸出與被測量成確定關系。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入,它把輸入轉(zhuǎn)換成電量參量。轉(zhuǎn)換電路：有的傳感器具有轉(zhuǎn)換電路，是把轉(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。3.1傳感器概述敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路

傳感器被測量輸出傳感器組成實例拳擊袋測力傳感器的工作原理3.1傳感器概述

3.1.2傳感器的分類

A按傳感器的工作機理：分為物理型、化學型和生物型。按傳感器的輸入量：分為位移、壓力、溫度、流量、加速度等。按傳感器的輸出量：分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。按轉(zhuǎn)換過程是否可逆：分為雙向傳感器、單向傳感器。3.1傳感器概述3.1.2傳感器的分類

B

按傳感器的構(gòu)成原理：分為物性型和結(jié)構(gòu)型兩大類。按傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況：分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型。A物性型與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型: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.

例如:水銀溫度計,壓電測力計.結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.

例如:電容式和電感式傳感器.B能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.

例如:電阻應變片.3.1傳感器概述按傳感器的工作原理分為：電阻式傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器光電式傳感器氣電式傳感器熱電式傳感器射線式傳感器波式傳感器半導體式傳感器其他原理傳感器

3.1.2傳感器的分類C3.1傳感器概述3.1.3傳感器的技術指標基本參數(shù)指標環(huán)境參數(shù)指標可靠性指標其它指標量程指標:量程范圍、過載能力等靈敏度指標:靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關指標:精度、誤差、線性、滯后、重復性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動態(tài)性能指標:固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時間、過沖量、穩(wěn)態(tài)誤差溫度指標:工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標:允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差等其它環(huán)境參數(shù):抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁干擾能力等工作壽命、平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關指標:供電方式(直流、交流、頻率及波形等)、功率、各項分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等結(jié)構(gòu)方面指標:外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點等安裝連接方面指標:安裝方式、饋線電纜等3.1傳感器概述傳感器選用原則

靈敏度:高，測量范圍，方向性

響應特性:快，不失真

線性范圍：工作量程

穩(wěn)定性：時間和環(huán)境

精確度：高，但要考慮經(jīng)濟性1確定測試方式和初步確定傳感器類型2分析測試環(huán)境和干擾因素3根據(jù)測試范圍確定某種傳感器4確定測量方式

5體積、價格、易維護性等3.1傳感器概述3.1.4傳感器技術的主要應用及發(fā)展趨勢（1）在工業(yè)生產(chǎn)過程的測量與控制方面的應用（2）在汽車電控系統(tǒng)中的應用（3）在現(xiàn)代醫(yī)學領域的應用（4）在環(huán)境監(jiān)測方面的應用（5）在軍事方面的應用（6）在家用電器方面的應用（7）在學科研究方面的應用（8）在智能建筑領域中的應用1.傳感器技術的主要應用傳感器的發(fā)展趨勢采用新原理、開發(fā)新型傳感器；大力開發(fā)物性型傳感器(結(jié)構(gòu)型滿足不了要求)；傳感器的集成化；傳感器的多功能化；傳感器的智能化(SmartSensor)；研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。3.1傳感器概述3.2電阻式傳感器

基本原理：將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應的測量電路將電阻變化變換為電壓或電流進行測量。按工作原理分1應變式電阻傳感器2變阻器式電阻傳感器3.2電阻式傳感器3.2.1電阻應變傳感器應變傳感器特點及使用特點：①性能穩(wěn)定，精度高;②測量范圍寬;③頻率響應較好,可用于靜態(tài)、動態(tài)測量;④體積重量小，結(jié)構(gòu)簡單，價格低,品種多樣,便于選擇和大量使用；⑤對環(huán)境適應能力強。缺點：輸出信號微弱。使用：①直接粘在被測試件上；②粘在彈性體上，構(gòu)成各種物理傳感器。3.2電阻式傳感器電阻式傳感器的工作原理（1）設電阻應變片的初始阻值為：變形時，

、l、A將同時發(fā)生變化，從而導致R改變。若

、l、A的變化量為d

、dl、dA，則：即：對半徑為r的金屬電阻絲有：從而：3.2電阻式傳感器電阻應變計的工作原理（2）金屬的電阻應變效應：導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨所受機械變形（應變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。其中，由電阻絲幾何尺寸隨應變改變所引起。對于同一電阻材料，為常數(shù)。由電阻率隨應變的改變引起，對金屬電阻絲，很小。3.2電阻式傳感器即電阻相對變化與應變成正比。比值K0稱為電阻應變片的應變系數(shù)或靈敏度。通常：K0=1.7～3.6。電阻應變計的工作原理（3）從而：3.2電阻式傳感器電阻應變式傳感器結(jié)構(gòu)組成：l稱為柵長(標距)，b稱為柵寬(基寬)，

b×l稱為應變片的使用面積。應變片的規(guī)格以面積和電阻值表示，如3mm×20mm，120Ω。3.2電阻式傳感器

絲式應變片

結(jié)構(gòu)：將高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑為0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，引出導線接于電路中。金屬電阻應變片分為絲式、箔式和膜式等。電阻應變片的分類及材料3.2電阻式傳感器絲式應變片制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。金屬絲式應變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式應變片因圓弧部分參與變形，橫向效應較大；短接式應變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大5～10倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點是克服了橫向效應。絲式應變片安全電流：10～50mA，電阻：50～1000

（典型120

）。金屬絲式應變片3.2電阻式傳感器

箔式應變片由厚度為0.003～0.01mm的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。箔式應變片適于大批量生產(chǎn)，可制成多種復雜形狀，線條均勻，敏感柵尺寸準確，柵長最小可到0.2mm；散熱好，允許電流大；橫向效應、蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長；柔性好（可貼于形狀復雜的表面），傳遞試件應變性能好。目前使用的應變片大多是金屬箔式應變片。

箔式應變片3.2電阻式傳感器箔式應變片樣品3.2電阻式傳感器膜式應變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1

m以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。優(yōu)點是應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達－197～317℃。

膜式應變片3.2電阻式傳感器電阻應變式傳感器分類2按基底不同：紙基、膠基，金屬基。被測量應力場不同：單向應力的應變計、平面應力應變計。3.2電阻式傳感器電阻應變片的性能參數(shù)（1）應變片電阻值(R0)（2）幾何尺寸（3）絕緣電阻（4）靈敏度系數(shù)（K）（5）允許電流（6）機械滯后（7）應變極限（8）零漂和蠕變（9）熱滯后（10）疲勞壽命應用：直接用來測量結(jié)構(gòu)的應變或應力

電阻應變式傳感器的應用A軋機立柱上應變計的布置和接線方式3.2電阻式傳感器

將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器

電阻應變式傳感器的應用B3.2電阻式傳感器利用半導體單晶的壓阻效應使阻值變化。壓阻效應：單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率

發(fā)生變化的現(xiàn)象。單晶半導體在外力作用下的電阻變化量仍為：對半導體而言，電阻率變化引起的電阻變化，遠遠大于形變引起的電阻變化從而得：3.2.2壓阻式傳感器3.2電阻式傳感器半導體硅的靈敏度50-100。半導體應變片的靈敏度比金屬絲應變片大50～70倍。不同材料的半導體、不同載荷施加方向，壓阻效應不同，靈敏度也不同。兩種類型：半導體應變計、固態(tài)壓阻傳感器。固態(tài)壓阻傳感器是在半導體材料基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，亦稱擴散型壓阻傳感器，或固態(tài)壓阻傳感器。主要用于測量壓力和加速度等。半導體式應變片結(jié)構(gòu)3.2電阻式傳感器優(yōu)點靈敏度高：有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量分辨率高，例如測量壓力時，可測出10～20Pa的微壓；機械滯后小、橫向效應小、體積小、頻響高、易于集成化缺點：溫度穩(wěn)定性能差；靈敏度分散度大；大應力作用，非線性誤差大；機械強度低。半導體式應變片特點3.2電阻式傳感器變阻器式傳感器原理

變阻器式傳感器是精密線繞電位器，通過改變電位器觸頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。其中，

：電阻率；

l：導體長度；

A：導體截面積。顯然，若導體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導線長度而線性變化。

導體電阻公式：（

）3.2.3變阻式傳感器3.2電阻式傳感器變阻式傳感器結(jié)構(gòu)與分類用途：除可以測量線位移或角位移外,還可以測量可以轉(zhuǎn)換為位移的其它物理量參數(shù),如壓力、加速度等。

變阻式傳感器分類：按結(jié)構(gòu)形式不同,可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按其特性曲線不同,則可分為線性電位器和非線性電位器。

3.2電阻式傳感器如圖，當改變觸點C的位置時，AC間電阻值：kl：單位長度內(nèi)的電阻值，材質(zhì)均勻時為常數(shù)。當導線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關系。

傳感器靈敏度：（

/m）

xCxABCRR=klxS=dR/dx=kl直線位移型3.2電阻式傳感器直線位移型電位器的輸出端電壓：當負載電阻RL→∞，相應位移x的電壓輸出式中KL為電壓靈敏度。電位器的輸出電壓電位器傳感器負載特性3.2電阻式傳感器（

/rad）

：角位移；k

：單位弧度對應的電阻值，材質(zhì)均勻時為常數(shù)。傳感器靈敏度：角位移型圖為回轉(zhuǎn)型變阻器式傳感器，其電阻值隨轉(zhuǎn)角而變化，故為角位移型。

3.2電阻式傳感器非線性電位器

非線性電位器，又稱函數(shù)電位器。是其輸出電阻與電刷位移(包括線位移或角位移)之間具有非線性函數(shù)關系的一種電位器。它可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、對數(shù)函數(shù)等變換，也可以是其它任意函數(shù)。若輸出量為，電位計的骨架應采用三角形；

輸出量為，電位計的骨架應采用拋物線型。3.2電阻式傳感器(1)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價格低且性能穩(wěn)定；(2)受環(huán)境因素(溫度、濕度、電磁場干擾等)影響小；(3)可以實現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關系；(4)輸出信號大，一般不需放大。變阻式傳感器的優(yōu)點3.2電阻式傳感器變阻式傳感器的缺點

（1）因為存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；（2）由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量精度，分辨力較低；（3）動態(tài)響應較差，適合于測量變化較緩慢的量。3.2電阻式傳感器變阻式傳感器應用實例

變阻式傳感器常用來測量位移、壓力、加速度等參量。被測位移使測量軸沿導軌軸向移動時，帶動電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。氣缸行程電阻位移傳感器(瑞典REGAL公司）3.2電阻式傳感器3.3電感傳感器

概述電感傳感器將被測量，如位移或能轉(zhuǎn)換成位移的機械量，轉(zhuǎn)換為電感量的變化。其變換的基礎是電磁感應原理。按照變換方式的不同可分為：自感型（包括可變磁阻式與電渦流式）、互感型（差動變壓器式）。

3.3.1自感式傳感器

1可變磁阻式傳感器的構(gòu)造如圖，由線圈、鐵芯和銜鐵組成。在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙。

3.3電感式傳感器1可變磁阻式傳感器傳感器靈敏度與氣隙長度的平方成反比。若固定導磁截面積A0

，變化

時3.3電感式傳感器為了減小非線性誤差，通常使這種傳感器在較小間隙范圍內(nèi)工作。設間隙變化范圍為（

0，

0+

），實際應用中，取

/

0

0.1。變氣隙長度式傳感器適用于微小位移的測量，測量范圍：0.001～1mm。

變磁阻式傳感器—變化

3.3電感式傳感器如果將δ固定，變化空氣隙導磁截面積時，自感L與呈線性關系。

變磁阻式傳感器—變化截面積

3.3電感式傳感器

1）可變導磁面積型：線性，靈敏度低2）差動型：提高靈敏度，改善線性特性2.可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu)3.3電感式傳感器

3）單螺管線圈型：結(jié)構(gòu)簡單、易制造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測量

4）雙螺管差動型：提高靈敏度，改善線性變磁阻式傳感器—螺管線圈型3.3電感式傳感器應用-電感測微儀工作原理測量桿2與銜鐵7相連，工件1的尺寸變化或微小位移經(jīng)過測量桿2帶動銜鐵7上下移動，使兩線圈4的電感量發(fā)生差動變化，其交流阻抗發(fā)生相應的變化，通過后續(xù)的電路，將得到一個與銜鐵唯一相對應的直流信號，通過指示儀表5顯示出來。3.3電感式傳感器2差動變壓器式電感傳感器

原理:由互感現(xiàn)象，傳感器初級線圈W1輸入交流電流時，次級線圈W2產(chǎn)生感應電動勢，其大小與初級線圈電流的變化率成正比。即：M為兩線圈的互感，其大小與兩線圈的相對位置及周圍介質(zhì)的導磁能力等因素有關。3.3電感式傳感器當被測量轉(zhuǎn)換為銜鐵位移時，傳感器兩線圈的互感改變，導致輸出相應改變。實際的互感傳感器通常采用兩個次級線圈，并接成差動式，故稱為差動變壓器式傳感器。

差動變壓器式傳感器原理A

3.3電感式傳感器差動變壓器式傳感器原理動畫3.3電感式傳感器輸出是交流，只反映大小，不能反映極性；輸出存在零點殘余電壓；后接電路解決以上問題。下圖為用于小位移測量的差動相敏檢波電路，其中R用于調(diào)節(jié)零點殘余電壓的大小。

差動變壓器相敏檢波電路3.3電感式傳感器差動相敏檢波電路動畫3.3電感式傳感器

精度高(0.1

m數(shù)量級，最高可達0.01

m)，高精度型非線性誤差可達0.1%

線性范圍大（可達

100mm）穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便因包含機械結(jié)構(gòu)，頻率響應較低，不宜測量高頻動態(tài)參量差動變壓器特點3.3電感式傳感器應用1案例：板的厚度測量

~案例：張力測量3.3電感式傳感器應用2振動和加速度的測量銜鐵受振動和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜鐵的位移大小反映了振動的幅度和頻率以及加速度的大小。液位測量采用了電感式傳感器的沉筒式液位計。由于液位的變化，沉筒所受浮力也將產(chǎn)生變化，這一變化轉(zhuǎn)變成銜鐵的位移，從而改變了差動變壓器的輸出電壓，這個輸出值反映了液位的變化值。3.3電感式傳感器電渦流式傳感器當金屬板置于變化著的磁場中時，或者在磁場中運動時，在金屬板上產(chǎn)生感應電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導率、厚度t以及金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關。若固定其他參數(shù)，僅僅改變其中某一參數(shù)，就可以根據(jù)渦流大小測定該參數(shù)。渦流式電感傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。3電渦流式傳感器3.3電感式傳感器高頻反射式電渦流式傳感器動畫3.3電感式傳感器金屬板置于線圈附近，相互間距為

。當線圈中通入高頻交變電流i時，產(chǎn)生磁通

，此交變磁通作用于鄰近的金屬板（由于趨膚效應，僅作用于金屬板表面的薄層內(nèi)），使金屬板產(chǎn)生“旋渦狀”的閉合感應電流i1（稱為渦電流或渦流）。該電流也產(chǎn)生交變磁通

1，反作用于線圈，根據(jù)楞次定律，渦流的交變磁場變化方向與線圈磁場變化方向相反，

1總是抵抗

的變化，從而導致原線圈等效阻抗發(fā)生變化。高頻反射式電渦流式傳感器原理3.3電感式傳感器傳感器等效阻抗的變化程度與線圈尺寸、距離

、金屬板電阻率

和磁導率

、線圈激勵電流i及其頻率

有關。通常線圈尺寸、激勵電流i及其頻率

一定，若金屬板材料一定，變化

可以用來測量位移、振動等參量。若

一定，變化

或

可實現(xiàn)材質(zhì)鑒別或無損探傷。

高頻反射式電渦流式傳感器特性3.3電感式傳感器如圖W1和W2分別為發(fā)射線圈和接收線圈，兩線圈間存在金屬板G，低頻（音頻）交流電流流經(jīng)W1產(chǎn)生交變磁場穿過金屬板作用于W2，并產(chǎn)生感應電壓E2。由于金屬板產(chǎn)生的渦流消耗了一部分磁場能量，從而使E2有所降低，板越厚，E2

越低。即E2

的大小間接反映了金屬板的厚度。

低頻透射式渦流傳感器原理厚度h（越大）,渦流（）,e２（）。

思考：（越大）（越?。?.3電感式傳感器動態(tài)、非接觸測量靈敏度高分辨力高，檢測范圍：

1mm~

10mm，最高分辨力可達lμm。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不受油液等介質(zhì)影響渦流傳感器測量特點3.3電感式傳感器渦流傳感器應用①利用位移x作為變換量，做成測量位移、厚度、振動、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關、計數(shù)器等；②利用材料電阻率ρ作為變換量，可以做成溫度測量、材質(zhì)判別等傳感器；③利用材料導磁率μ作為變換量，可以做成測量應力、硬度等傳感器；④利用變換量μ，ρ，x的綜合影響，可以做成探傷裝置。3.3電感式傳感器回轉(zhuǎn)軸振動測試回轉(zhuǎn)軸誤差測量厚度測量零件計數(shù)接近開關表面裂紋或缺陷檢測材質(zhì)判別渦流傳感器實用領域油管檢測3.3電感式傳感器渦流傳感器的應用動畫演示3.3電感式傳感器3.4電容式傳感器

1工作原理及類型電容式傳感器實質(zhì)是一具有可變參數(shù)的電容器。中間充滿介質(zhì)的兩塊平行金屬極板構(gòu)成的電容器，其電容量為：式中，

：介質(zhì)相對真空的介電常數(shù)，空氣

1；

0：真空的介電常數(shù)，

0=8.85

10-12F/m；

：極板間距；

A：極板面積。當被測量使

、A或

發(fā)生變化時，都會引起C的變化。實際使用中，通常僅改變一個參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不同，可分為三類：改變極板間距的極距變化型改變極板相互遮蓋面積的面積變化型改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型（改變

）工作原理及類型3.4電容式傳感器初始電容：顯然，C與極距成反比（如圖）。1）極距變化型電容器3.4電容式傳感器靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距減小受極板間擊穿電壓的限制。為了減小因靈敏度隨極距變化導致的非線性誤差，通常極距變化范圍

/

0

0.1。此類電容傳感器僅適于較小位移的測量（0.01

m～數(shù)百微米）。靈敏度：當兩極板在被測參數(shù)作用下發(fā)生位移時,引起電容的變化為：極距變化型電容器靈敏度3.4電容式傳感器實際應用中，為了提高靈敏度、線性及克服某些外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對測量精度的影響常采用差動式（如右圖）。此時靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。差動式極距變化型電容器3.4電容式傳感器其它極距變化型電容器圖例3.4電容式傳感器包括角位移型和線位移型（平面線位移和圓柱體線位移）兩種。角位移型1—動板

2—定板其中，

：覆蓋面積對應的中心角；

r：極板半徑。2）面積變化型電容式傳感器3.4電容式傳感器1—動板

2—定板其中，b：極板寬度。平面線位移型電容式傳感器3.4電容式傳感器1—動板

2—定板其中，D：圓筒孔徑；

d：圓柱外徑。面積變化型電容傳感器輸入輸出成線性關系，但靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測量。圓柱線位移型電容式傳感器3.4電容式傳感器其它面積變化型電容器圖例3.4電容式傳感器多用于測量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)；還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖d)等。

變介電常數(shù)型電容傳感器3.4電容式傳感器

輸入能量小（極板間靜電引力?。?、靈敏度高；2)電參量相對變化大；3)動態(tài)特性好（可動質(zhì)量小，固有頻率高）；4)發(fā)熱小，能量損耗??；5)結(jié)構(gòu)簡單、適應性好，可在高、低溫、強輻射環(huán)境中工作；6)可實現(xiàn)非接觸測量。1.主要優(yōu)點3.4.2電容式傳感器特點與應用3.4電容式傳感器①非線性大：對于極距變化型電容傳感器非線性大；解決辦法：差動電路（不能完全消除）

比例運算放大器電容式傳感器缺點及解決辦法（１）3.4電容式傳感器②電纜分布電容影響大。傳感器兩極板之間的電容很小，僅幾十個pF，小的甚至只有幾個pF。而傳感器與電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容，如屏蔽線的電容最小的l米也有幾個pF，最大的可達上百個pF。

解決辦法：

1)利用集成電路(微型集成塊植入傳感器內(nèi)以減少寄生電容的影響)；

2)利用雙屏蔽傳輸電纜。應用：電容式測厚儀3.4電容式傳感器應用：電容式轉(zhuǎn)速傳感器3.4電容式傳感器電容式測力傳感器3.4電容式傳感器3.5

壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽帜軐㈦娔苻D(zhuǎn)變成機械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應。壓電效應變換原理某些晶體在外力作用下，不僅產(chǎn)生形變，而且內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，形成電場；去掉外力后又重新回到不帶電的平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。與壓電效應相反，如果將具有壓電效應的晶體置于電場中，在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應力，撤去外電場，變形和應力消失，這種現(xiàn)象為逆壓電效應。具有壓電效應的敏感功能材料稱為壓電材料。常用的壓電材料:壓電單晶體:如石英、酒石酸鉀鈉等;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。聚偏二氟乙烯(PVDF)

:一種新型的高分子物性型傳感材料逆壓電效應3.5壓電式傳感器理想形狀：中間為六棱柱，兩端為對稱的棱錐，共30個晶面。

石英晶體的壓電效應光軸電軸機械軸光軸：

z軸，與晶體縱軸方向一致。光線沿z軸方向通過晶體不發(fā)生雙折射。沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應，故又稱為中性軸。3.5壓電式傳感器電軸：

x軸，通過兩個相對的六角棱線并垂直于光軸的軸線。垂直于此軸的晶面上有最強的壓電效應。機械軸：y軸，垂直于x軸和z軸所在平面的軸線。在電場作用下，y軸具有最明顯的機械變形。石英晶體z軸僅一個，x軸和y軸各有3個。

石英晶體的壓電效應3.5壓電式傳感器壓電效應模型縱向壓電效應：沿x軸加力，電荷出現(xiàn)在垂直于x軸的表面。橫向壓電效應：沿y軸加力，電荷仍出現(xiàn)在垂直于x軸的表面。切向壓電效應：沿x軸或y軸施加垂直于z軸的剪切力，在垂直于x軸的晶體表面產(chǎn)生電荷。3.5壓電式傳感器壓電式傳感器及其等效電路

在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個電極。當壓電晶片受到壓力F的作用時，分別在兩個極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場。

壓電元件的開路電壓：Ua=q/Ca3.5壓電式傳感器若考慮負載（測量電路），等效電路如下：假設一恒定力F作用于壓電器件，產(chǎn)生電量q，則輸出電壓：其中，Cc、Ci分別為電纜寄生電容及后續(xù)測量電路的輸入電容。壓電式傳感器及其等效電路

3.5壓電式傳感器由于電荷泄漏，靜態(tài)測量或準靜態(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；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,故壓電式傳感器適宜作動態(tài)測量。壓電式傳感器的使用3.5壓電式傳感器壓電元件的串聯(lián)++++++++++----------FFa)串聯(lián)壓電式傳感器有電荷及電壓兩種輸出方式。為了增大輸出值，壓電傳感器往往用兩個（較多見）或兩個以上的晶體串接或并接：

n個晶體串接時，輸出電荷量與單片晶體電荷相同，總電容為單片晶體電容的1/n，

輸出電壓為單片晶體電壓的

n倍。

串接時，輸出電壓大、電容小、時間常數(shù)小，適宜測量迅變信號和以電壓輸出的場合。

3.5壓電式傳感器++++++++++----------FFb)并聯(lián)

n個晶體并接時，輸出電荷量為單片晶體電荷n倍，總電容為單片晶體電容n倍，輸出電壓等于單片晶體電壓。

并接時，輸出電荷量大、電容大、時間常數(shù)大，適宜測量緩變信號和以電荷輸出的場合。壓電元件的并聯(lián)3.5壓電式傳感器壓電元件的串并聯(lián)動畫3.5壓電式傳感器特點能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器;體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍;靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠;有比較理想的線性，沒有滯后現(xiàn)象;主要用于動態(tài)測量;

壓電式傳感器的特點及應用

應用廣泛應用于沖擊、振動及動態(tài)力的測量。3.5壓電式傳感器幾種壓電式傳感器3.5壓電式傳感器壓電式加速度傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電式傳感器

磁電式傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應電動勢，也稱為感應式或電動式傳感器。磁電式傳感器包括：①磁電感應式傳感器；②霍爾式傳感器它把被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘妱觿荨８鶕?jù)法拉第電磁感應定律，W匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應電動勢e的大小決定于穿過線圈的磁通量Φ的變化率，即

由公式可以看出，凡是能夠引起磁通變化率的參數(shù)，都可以改變線圈的感應電動勢。我們知道磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關。1．工作原理：3.6.1磁電感應傳感器3.6磁電式傳感器分類磁電式

恒定磁通式變磁通式線速度型角速度型N3.6磁電式傳感器當線圈在垂直于磁場方向作直線運動或旋轉(zhuǎn)運動時，產(chǎn)生的感應電動勢e為

在傳感器中當結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、W、A均為定值，感應電動勢e與線圈相對磁場的運動速度(v或ω)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。在測量電路中接入積分電路或微分電路，還可以用來測量位移或加速度。磁電感應式傳感器只適用于動態(tài)測量。1）恒定磁通式感應傳感器3.6磁電式傳感器動圈式線速度角速度傳感器動畫3.6磁電式傳感器動鐵式磁電感應式傳感器3.6磁電式傳感器變磁阻式又稱變磁通式或變氣隙式，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。（2）變磁阻式傳感器線圈3和磁鐵5靜止不動，測量齒輪1（導磁材料制成）每轉(zhuǎn)過一個齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈3產(chǎn)生的感應電動勢的變化頻率等于測量齒輪1上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。

變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高,能在-150～＋90℃的溫度下工作,不影響測量精度,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100Hz。

3.6磁電式傳感器磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。3.6.2霍爾傳感器置于均勻磁場中的通電半導體（鍺、銻化銦、砷化銦等），在垂直于電場和磁場的方向產(chǎn)生橫向電場的現(xiàn)象稱為霍爾效應，相應電場稱為霍爾電場。3.6磁電式傳感器霍爾效應的產(chǎn)生是運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。假設一通以固定電流i的N型半導體薄片置于與薄片厚度方向平行的磁場B中，則其中運動的載流子（電子）將受到洛倫茲力FL的作用向一邊偏移，并形成電子累積，另一邊積累正電荷，產(chǎn)生電場。該電場對電子產(chǎn)生電場力FE，阻止運動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當FE=FL時，電子積累達到動態(tài)平衡。此時電場即為霍爾電場?；魻杺鞲衅髟?.6磁電式傳感器VH=(RH/d)iBcos=kHiBcos

其中，kH：靈敏度系數(shù)，取決于材質(zhì)、溫度、元件尺寸；

：薄片法線與磁場方向的夾角。顯然，改變i或B，即可改變VH。

霍爾傳感器工作原理霍爾電場對應的電勢稱為霍爾電勢（VH），其大小為：3.6磁電式傳感器霍爾元件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N型半導體材料?；魻栐奖?d越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導體材料。3.6磁電式傳感器從a端通入電流I，根據(jù)霍爾效應，左半部產(chǎn)生霍爾電勢UH1，，右半部產(chǎn)生霍爾電勢UH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為UH1-UH2。如果霍爾元件在初始位置時UH1=UH2，則輸出為零；當改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量?；魻栁灰苽鞲衅鱝bcd3.6磁電式傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器3.6磁電式傳感器應用3案例：電流傳感器案例：管道裂紋檢測原理磁場強度變化檢測VH=(RH/d)iBcos=kHiBcos

3.6磁電式傳感器3.7光電式傳感器

光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。光電器件的物理基礎是光電效應。

外光電效應：在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象；如光電管、光電倍增管。光電導效應：在光線作用下使物體電阻率改變的現(xiàn)象；如光敏電阻等。光生伏特效應：在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象；如光電池、光敏晶體管等。也稱阻擋層光電效應。4.7.1光電效應及光電器件

真空光電管：在一個真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極,一個是光電陰極,一個是光電陽極。光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料(如銫Cs)。當光線照射到光敏材料上便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。1外光電效應（光電管和光電倍增管）若在外電路串入一定阻值的電阻，則在該電阻上的電壓降或電路中的電流大小都與光強成函數(shù)關系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。3.7光電式傳感器受光照物體(通常為半導體材料)電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的效應稱為內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應按其工作原理分為兩種：①光電導效應；②光生伏特效應①光電導效應：半導體材料受到光照時電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光電導效應。應用：基于這種效應的光電器件有：a.光敏電阻(光電導型)

b.反向工作的光敏二極管、光敏三極管2內(nèi)光電效應3.7光電式傳感器1）光敏電阻(光導管)

在黑暗的環(huán)境下，它的阻值很高；當受到光照并且光輻射能量足夠大時，電阻率變小。光敏電阻常用的半導體材料有硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)。光敏電阻3.7光電式傳感器案例：亮度傳感器通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的。光敏二極管3.7光電式傳感器3光生伏特效應硅光電池也稱硅太陽能電池，它是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個大面積的P-N結(jié)，P層做得很薄,從而使光線能穿透到P-N結(jié)上。硅太陽能電池具有輕便、簡單，不會產(chǎn)生氣體或熱污染，易于適應環(huán)境。因此凡是不能鋪設電纜的地方都可采用太陽能電池，尤其適用于為宇宙飛行器的各種儀表提供電源。光生伏特效應：在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。3.7光電式傳感器光電式傳感器的工作形式A按接收狀態(tài)：模擬式和脈沖式。模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性,其光通量是隨被測量而變,光電流就成為被測量的函數(shù)。光電傳感器有如下幾種工作方式：吸收式：根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)。如測量液體、氣體的透明度、混濁度,對氣體進行成分分析,測定液體中某種物質(zhì)的含量等。3.7光電式傳感器被測物體把部分光通量反射到光電元件上,根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和性質(zhì)。如測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等光電式傳感器的形式B反射式光電傳感器3.7光電式傳感器光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮去其一部分,使作用在光電元件上的光通量減弱,減弱的程度與被測物在光學通路中的位置有關。利用這一原理可以測量長度、厚度、線位移、角位移、振動等。

被測物體本身就是輻射源,作用在光電元件上。光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。這種方式也可以用于防火報警和構(gòu)成光照度計等。

光電式傳感器的形式C遮光式光電傳感器輻射式光電傳感器3.7光電式傳感器脈沖式光電傳感器

脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有“通”、“斷”的開關狀態(tài)，也稱為光電元件的開關運用狀態(tài)。這類傳感器要求光電元件靈敏度高,而對光電特性的線性要求不高。主要用于零件或產(chǎn)品的自動計數(shù)、光控開關、電子計算機的光電輸入設備、光電編碼器及光電報警裝置等方面。光電測速計、光電式轉(zhuǎn)速計就是這方面的應用實例。光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應快等優(yōu)點，加之激光光源、光柵、光學碼盤、CCD器件、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應用，使得光電傳感器