常用传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 常用传感器,*,序言,工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。,传感器的作用类似于人的感觉器官。它把被测量，如力、位移、温度等，转换为易测信号，传送给测量系统的信号调理环节。,传感器也可以认为是人类感官的延伸，因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物，例如，用热电偶可以测得炽热物体的温度；用超声波探测器可以测量海水深度；用红外遥感器可从高空探测地面上的植被和污染情况，等等。因此，可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。,在工程上也把提供与输入量有给定关系的输出量的器件，称为测量变换器。传感器就是输入量为被测量的测量变换器。,传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。,近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素，被视为,90,年代的关键技术之一受到了普遍重视。,2/8/2026,1,第三章 常用传感器,基 本 概 念,传感器的定义,把直接作用于被测量，能按一定规律将其转变成同种或别种量值输出的器件,传感器的作用,把被测量转换为易测信号，传送给测量系统的信号调理环节,测量变换器,提供与输入量有给定关系的输出量的器件,传感器就是输入量为被测量的测量变换器；,位于测试装置的输入端,2/8/2026,2,第三章 常用传感器,按,被测量分类,位移、速度、加速度、力、温度,按传感器工作原理分类,机械、电器、光学、流体式,按信号变换特征分类,物性型、结构型,根据敏感元件与被测对象之间的能量关系分类,能量转换（无源传感器）、能量控制型（有源传感器）,按输出信号分类,模拟式、数字式,第一节 传感器的分类,2/8/2026,3,第三章 常用传感器,物性型传感器,是依靠敏感元件材料本身的物理化学性质的变化来实现信号的变换的。,水银温度计,：,水银的热胀冷缩现象,压力测力计,：,石英晶体的压电效应,结构型传感器,是依靠传感器结构参数变化而实现信号转换的。,电容式传感器,：,极板距离 电容变化,电感式传感器,：,衔铁位移 自感或互感变化,第一节 传感器的分类,2/8/2026,4,第三章 常用传感器,能量转换型（无源）传感器,：直接由被测对象输入能量使其工作；热电偶温度计、弹性压力计等,能量转换型（有源）传感器,：,由外部供给能量使传感器工作，并且由被测量来控制外部供给能量的变化；电阻应变计,+,电桥,第一节 传感器的分类,2/8/2026,5,第三章 常用传感器,第一节 传感器的分类,需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个、也可能有几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式位移传感器是位移,电容变化的能量控制型传感器，可以直接测量位移。而电容式压力传感器，则经过压力,膜片弹性变形（位移）,电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量一机械量的换能件，由它实现第一次变换；它同时与另一极板构成电容器，用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速度计（也称为力反馈式加速度计），实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统，如图所示。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。,测量,对象,传感器,辅助,能源,输入,输出,图,3-1,能源控制型传感器工作方式,加速度,质量,弹性件,电容传感器,电路,力发生器,电流力变换器,力,位移,电容,电流,输出,R,+,-,图,3-2,伺服式加速度计,2/8/2026,6,第三章 常用传感器,第一节 传感器的分类,类型,名称,变换量,被测量,应用举例,性能指标（一般参考,),机械式,测力环,弹簧,波纹管,波登管,波纹膜片,双金属片,微型开关,力位移,力位移,压力位移,压力位移,压力位移,温度位移,力位移,力,力,压力,压力,压力,温度,物体尺寸、位,位置、有无,三等标准测力仪,弹簧秤,压力表,压力表,压力表,温度计,测量范围,10,10,5,N,，,示值误差,(0.3,0.5)%,500Pa,0.5MPa,0.5MPa,1000MPa,测量范围,R,p,。,2/8/2026,12,第三章 常用传感器,变阻式传感器的特点应用,特点,：,优点是结构简单，性能稳定，使用方便。缺点是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。提高分辨力需使用更细的电阻丝，其绕制较困难。所以变阻器式传感器的分辨力很难优于,20,m,。由于结构上的特点，这种传感器还有较大的噪声。,应用,：,被用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。,第三节 电阻式传感器,2/8/2026,13,第三章 常用传感器,第三节 电阻式传感器,二、电阻应变式传感器,电阻应变式传感器可以用于,测量应变、力、位移、加速度、扭矩,等参数。具有体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等优点。在航空、船舶、机械、建筑等行业里获得广泛应用。,电阻应变式传感器可分为,金属电阻应变片式,与,半导体应变片式,两类。,（一）金属电阻应变片,常用的金属电阻应变片有,丝式,和,箔式,两种。其工作原理都是基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。,金属丝电阻应变片（又称电阻丝应变片）出现得较早，现仍在广泛采用。其典型结构如图所示。把一根具有高电阻率的金属丝（康铜或镍铬合金等，直径,0.025mm,左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。,金属箔式应变片则是用栅状金属筒片代替栅状金属丝。金属箔栅系用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约,110,m,，,散热好，粘结情况好，传递试件应变性能好。因此目前使用的多系金属箔式应变片，如图所示。,2/8/2026,14,第三章 常用传感器,第三节 电阻式传感器,把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝即随同该物体一起变形，其电阻值发生相应变化。由此，将被测量转换为电阻变化。由于电阻值,R,=,l,/,A,，,其中长度,l,、,截面积,A,、,电阻率,均将随电阻丝的变形而变化。,2/8/2026,15,第三章 常用传感器,第三节 电阻式传感器,当每一可变因素分别有一增量,d,l,，,d,A,，,d,时，所引起的电阻增量为：,式中，,A,=,r,2,，,r,为电阻丝半径，则有：,电阻的相对变化,：,轴向应变；,/,径向应变；泊桑比；,d,/,电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力,有关；压阻系数。,由此可得电阻的相对变化,：,电阻应变片的应变系数或灵敏度：,用于制造电阻应变片的电阻丝的灵敏度,S,g,多在,1.7,3.6,之间。,2/8/2026,16,第三章 常用传感器,第三节 电阻式传感器,常用电阻丝物理性能参数,材料名称,成分,灵敏度,电阻率,电阻温度系数,线涨系数,元素,S,g,mm,2,/m,10,-6,/,C,10,-6,/,C,康铜,Cu,Ni,57,43,1.7,2.1,0.49,-20,20,14.9,镍铬合金,Ni,Cr,80,20,2.1,2.5,0.9,1.1,110,150,14.0,镍铬铝合金,Ni,Cr,Al,Fe,73,20,34,余量,2.4,1.33,-10,10,13.3,一般市售电阻应变片的标准阻值有,60,、,120,、,350,、,600,、,1000,等。其中以,120,为最常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。,2/8/2026,17,第三章 常用传感器,第三节 电阻式传感器,（二）半导体应变片,半导体应变片最简单的典型结构如图所示。半导体应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元件或被测物体上，其电阻值随被测试件的应变而变化。,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓,压阻效应,是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率,发生变化的现象。,从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使其电阻率,发生很大变化。分析表明，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。,金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。半导体应变片灵敏度这一数值比金属丝电阻应变片大,50,70,倍。,半导体应变片,1,胶膜衬底,2-P-Si,3-,内引线,4-,焊接板,5-,外引线,半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，其最大缺点是温度稳定性能差、灵敏度分散度大（由于晶向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下，非线性误差大等，这些缺点也给使用带来一定困难。目前国产的半导体应变片大都采用,P,型硅单晶制作。随着集成电路技术和薄膜技术的发展，出现了扩散型、外延型、薄膜型半导体应变片。它们对实现小型化，改善应变片的特性等方面有良好的作用。,近来，已研制出在同一硅片上制作扩散型应变片和集成电路放大器等，即集成应变组件。这对于自动控制与检测技术将会有一定推动作用。,2/8/2026,18,第三章 常用传感器,第三节 电阻式传感器,（三）电阻应变式传感器的应用实例,l,）,直接用来测定结构的应变或应力。,2,）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。,构件应力测定,典型应变式传感器,a),位移传感器；,b),加速度传感器；,c),柱式测力传感器；,d),扭矩传感器；,e),筒式压力传感器,2/8/2026,19,第三章 常用传感器,第三节 电阻式传感器,（四）典型动态电阻应变仪,2/8/2026,20,第三章 常用传感器,第四节 电容式传感器,一、变换原理,电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。,从物理学可知，由两个平行极板组成的电容器其电容量,F,：,C,=,0,A,/,式中，,极板间介质的相对介电常数，在空气中,1,；,0,真空介电常数，,0,8.85,10,-12,F/m,；,极板间距；,A,极板面积。,（一）极距变化型,电容变化量：,灵敏度：,可以看出，灵敏度,与极距平方成反比，极距越小灵敏度越高。显然，由于灵敏度随极距而变化，这将引起线性误差。为了减小这一误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作，以便获得近似线性关系。一般取极距变化范围约为,/,0,0.,l,。,在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件（如电源电压。环境温度等）的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。,2/8/2026,21,第三章 常用传感器,极距变化型电容传感器,优点：,是可进行动态非接触式测量，对被测系统的影响小；灵敏度高，适用于较小位移（,0.01,m,数百微米,）的测量。,缺点：,这种传感器有线性误差、传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精确度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂。因此使用范围受到一定限制。,第四节 电容式传感器,2/8/2026,22,第三章 常用传感器,第四节 电容式传感器,（二）面积变化型,在变换极板面积的电容传感器中，一般常用的有角位移型和线位移型两种。,图,3-23a,为角位移型。,电容：,灵敏度：,图,3-23b,为平面线位移型电容传感器：,电容：,灵敏度：,图,3-23C,为圆柱体线位移型电容传感器：,电容：,灵敏度：,图,3-23,面积变化型电容传感器：,1-,动板；,2-,定板,2/8/2026,23,第三章 常用传感器,面,积变化型电容式传感器,特点,：输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移的测量。,第四节 电容式传感器,2/8/2026,24,第三章 常用传感器,第四节 电容式传感器,（三）介质变化型,这是一种利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。可用来测量电介质的液位或某些材料的厚度、温度和湿度等，也可用来测量空气的湿度。图,3,24,是这种传感器的典型实例。图中,3,24a,是在两固定极板间有一介质层（如纸张、电影胶片等）通过。当介质层的厚度、温度或湿度发生变化时，其介电常数发生变化，引起电容量的变化。图,3,24b,是一种电容式液面计。当液面位置发生变化时，两电极的浸入高度也发生变化，引起电容量的变化。,2/8/2026,25,第三章 常用传感器,二、,电容式传感器测量电路,电容式传感器将被测量转换成电容量的变化之后，由后续电路转换为电压、电流或频率信号。常用的电路有下列几种。,（一）电桥型电路,将电容传感器作为电桥的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出。通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。图,3-25,是一种电感、电容组成的桥路。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，再推动显示仪表。,第四节 电容式传感器,2/8/2026,26,第三章 常用传感器,第四节 电容式传感器,（二）直流极化电路,这一电路，多用于电容传声器或压力传感器中。如图,3-26,所示，弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。电容器接于具有直流极化电压马的电路中，电容的变化由高阻值电阻,B,转换为电压变化。分析表明，输出电压,u,y,和膜片移动速度近似成一阶系统的关系。,图,3-26,直流极化电路,2/8/2026,27,第三章 常用传感器,（三）谐振电路,此电路的原理和工作特性见图,3,27,。电容传感器的电容,C,x,作为谐振电路（,L,2,、,C,2,/,C,x,或,C,2,+,C,x,）,调谐电容的一部分。此谐振回路通过电压耦合，从稳定的高频振荡器获得振荡电压。当传感电容,C,发生变化，谐振回路的阻抗发生相应变化，并被转换成电压或电流输出，经过放大、检波即可得到输出。为了获得较好的线性，一般工作点应选择在谐振曲线一边的准线性区域内。这种电路比较灵敏，但工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的杂散电容影响也较大。,第四节 电容式传感器,2/8/2026,28,第三章 常用传感器,第四节 电容式传感器,(,四）调频电路,如图,3,28,所示，传感器电容是振荡器谐振回路的一部分。当输入量使传感器电容量发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经过放大后由记录器记录或显示仪表指示。这种电路具有抗干扰性强、灵敏度高等点，可测,0.01,m,的位移量。但缺点是电缆电容的影响较大，使用中有些麻烦。,图,3-28,调频电路工作原理,2/8/2026,29,第三章 常用传感器,（五）运算放大器电路,如前所述，极距变化型电容传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传感器的应用受到一定限制。采用比例运算放大器电路可得到输出电压,u,y,和位移量的线性关系。如图,3,29,所示，输入阻抗采用固定电容,C,0,，,反馈阻抗采用电容传感器,C,x,，,根据比例器的运算关系，有：,第四节 电容式传感器,由上式可知，输出电压,uy,与电容传感器间隙,成线性关系。这种电路被用于,位移测量传感器,。,u,0,-,激励电压,图,3-29,运算放大器电路,2/8/2026,30,第三章 常用传感器,第四节 电容式传感器,值得注意：,一方面，电容传感器的电容量很小，一般只有几十或几百,pF,，,测量时电容量的变化更小，常在,1pF,以下；另一方面传感器板极与周围元件之间以及连接电缆都存在着寄生电容，其电容值甚大且不稳定。这就使测量精确度受到严重影响，甚至无法工作。为此必须采取适当的技术措施来减小或消除寄生电容的影响。,常用的措施有：,缩短传感器和测量电路之间的电缆，甚至将测量电路的一部分和传感器做成一体或采用专用的驱动电缆。,图,3,30,为驱动电缆的工作原理。它采用双层屏蔽电缆。其中用一个增益为,1,的放大器，放大器输入端接于芯线，输出端接于内屏蔽线，用芯线的电位来驱动内屏蔽线的电位。当放大器严格保持增益为,1,和相移为零时，内屏蔽线和芯线等电位，可以免除芯线和内屏蔽线之间的容性漏电流，从而消除了两者之间寄生电容的影响。若放大器增益非,1,或相移非零，芯线和内屏蔽线的电位仍有差别。,2/8/2026,31,第三章 常用传感器,第五节 电感式传感器,电感式传感器是把被测量，如位移等，转换为电感量变化的一种装置。其变换是基于电磁感应原理。,一、自感型,（一）可变磁阻式,可变磁阻式传感器的构造原理如图示。它由线圈、铁心和衔铁组成。在铁心和衔铁之间有气隙,。由电工学得知，线圈自感量,L,=,W,2,/,R,m,。,其中，,W,线圈匝数；,R,m,磁路总磁阻,H,1,。,如果空气隙,较小，而且不考虑磁路的铁损时，则总磁阻：,式中,l,铁心导磁长度；,铁心磁导率；,A,铁心导磁截面积，,A,a,b,；,气隙长度；,0,空气磁导率，,0,4,10,-7,；,A,0,空气隙导磁横截面积。则：,灵敏度：,一般实际应用中，取西,0,0.1,。,这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为,0.001,lmm,。,2/8/2026,32,第三章 常用传感器,第五节 电感式传感器,图中列出了几种常用可变磁阻式传感器的典型结构方案。,图,3,13a,是可变导磁面积型,，其自感,L,与,A,0,成线性关系，这种传感器灵敏度较低。,图,3,13b,是差动型,，衔铁位移时，可以使两个线圈的间隙按,0,+,、,0,-,变化。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。,图,3,13c,是单螺管线圈型,，当铁心在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移（数毫米）测量。,图,3,13d,是双螺管线圈差动型,，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为,0300,m,，最小分辨力为,0.5,m,。,2/8/2026,33,第三章 常用传感器,这种传感器的线圈接于电桥上（图,3,14a,），构成两个桥臂，线圈电感,L1,、,L2,随铁心位移而变化，其输出特性如图,3,14b,所示。,第五节 电感式传感器,2/8/2026,34,第三章 常用传感器,第五节 电感式传感器,（二）涡电流式,涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。如图,3-15,所示的是一个高频反射式涡电流传感器的工作原理。,涡电流式传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路。图,3,16,是用于涡流测振仪上的分压式调幅电路原理。图,3,17,是其谐振曲线和输出特性。传感器线圈,L,和电容,C,组成并联谐振回路，其谐振频率为,图,3-15,2/8/2026,35,第三章 常用传感器,第五节 电感式传感器,调频电路的工作原理如图,3,18,所示。这种方法也是把传感器线圈接入,LC,振荡回路，与调幅法不同之处是以回路的谐振频率作为输出量。当金属板至传感器之间的距离,发生变化时，将引起线圈电感变化，从而使振荡器的振荡频率,f,发生变化，再通过鉴频器进行频率,-,电压转换，即可得到与,成比例的输出电压。,图,3-18,调频电路工作原理,涡电流式传感器可用于动态非接触测量，测量范围随传感器结构尺寸、线圈匝数和激磁频率而异，从,lmm,到,10mm,不等，最高分辨力可达,1,m,。,此外，这种传感器还具有结构简单、使用方便、不受油液等介质影响等优点。,因此，近几年来涡电流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损探伤仪等在机械、冶金工业中日益得到广泛应用。实际上，这种传感器在径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都可应用。,2/8/2026,36,第三章 常用传感器,涡电流式传感器应用,用于动态非接触式测量，测量范围,1mm10mm,最高分辨力达,0.1,m,在径向摆动、回转轴误差运动、转速和厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都可应用。,第五节 电感式传感器,2/8/2026,37,第三章 常用传感器,第五节 电感式传感器,2/8/2026,38,第三章 常用传感器,第五节 电感式传感器,二、互感型,差动变压器式电感传感器,这种传感器是利用电磁感应中的互感现象，如图,3,19,所示。当线圈,W,1,输入交流电流,i,l,时，线圈,W,2,产生感应电动势,e,l2,，,其大小与电流,i,l,的变化率成正比，,即,e,l2,M,d,i,1,/d,t,。,式中,M,比例系数，称为互感（,H,），,其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的耦合程度。,互感型传感器就是利用这一原理，将被测位移量转换成线圈互感的变化。这种传感器实质上就是一个变压器，其初级线圈接入稳定交流电源，次级线圈感应产生一输出电压。当被测参数使互感,M,变化时，副线圈输出电压也产生相应变化。由于常常采用两个次级线圈组成差动式，故又称为差动变压器式传感器。,2/8/2026,39,第三章 常用传感器,第五节 电感式传感器,2/8/2026,40,第三章 常用传感器,第五节 电感式传感器,差动变压器的输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比，其输出电压如用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的方向性。其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压。零点残余电压是由于两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使铁心处于中间位置时，输出也不为零。为此，差动变压器式传感器的后接电路形式，需要采用既能反映铁心位移方向性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。,图,3-21,是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理。在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻,R,，,使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。,差动变压器式电感传感器具有精确度高（高到,0.1,m,数量级），线性范围大（可扩大到,100mm,），,稳定度好和使用方便的特点，被广泛应用于直线位移的测量。但其实际测量频率上限受制于传感器中所包含的机械结构。借助弹性元件可以将压力、重量等物理量转换成位移的变化，故也将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。,图,3-21,差动相敏检波电路工作原理,2/8/2026,41,第三章 常用传感器,差动变压器式传感器注意事项,输出电压是交流量,，其幅值与铁心位移成正比，其输出电压如用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的方向性。,交流电压输出存在一定的零点残余电压,。零点残余电压是由于两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使铁心处于中间位置输出也不为零。为此，差动变压器式传感器的,后接电路形式,，需要采用既能反映铁心位移方向性，又能补偿零点残余电压的,差动直流输出电路,。,第五节 电感式传感器,2/8/2026,42,第三章 常用传感器,差动变压器式传感器特点和应用,特点,：,具有精确度高,(,高到,0.1,m,数量级,),，线性范围大,(,可扩大到,100mm),，,稳定度好和使用方便；但其实际测量频率上限受制于传感器中所包含的机械结构,应用,：,广泛应用于直线位移的测量；借助于弹性元件可用于压力、重量的测量,第五节 电感式传感器,2/8/2026,43,第三章 常用传感器,第六节 磁电式传感器,磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。从电工学已知，对于一个匝数为,W,的线圈，当穿过该线圈的磁通自发生变化时，其感应电动势：,按照结构方式不同，磁电式传感器可分为,动圈式,与,磁阻式,。,一、动圈式,动圈式又可分为线速度型与角速度型。,图,3,35a,表示线速度型传感器工作原理。在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动线圈，当线圈在磁场中作直线运动时，它所产生的感应电动势：图,3-35b,是角速度型传感器工作原理。,2/8/2026,44,第三章 常用传感器,第六节 磁电式传感器,e=,WBl,sin,.,式中，,B,磁场的磁感应强度；,l,单匝线圈有效长度；,W,线圈匝数；,线圈与磁场的相对运动速度；,线圈运动方向与磁场方向的夹角,。,此式说明，当,W,、,B,、,l,均为常数时，感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比，这就是一般常见的惯性式速度计的工作原理。,e=,kWBA,.,式中，,角速度；,A,单匝线圈的截面积；,k,与结构有关的系数，,k,1,。,此式表明，当传感器结构一定时，,W,、,B,、,A,均为常数，感应电动势,e,与线圈相对磁场的角速度成正比，这种传感器被用于转速测量,2/8/2026,45,第三章 常用传感器,第六节 磁电式传感器,图,3-36,动圈磁电式传感器等效电路,将传感器中线圈产生的感应电势通过电缆与电压放大器联接时，其等效电路如图,3,36,所示。图中，,e,是发电线圈的感应电势；,Z,0,是线圈阻抗；,R,0,是负载电阻（含放大器输入电阻）；,C,c,是电缆导线的分布电容；,R,c,是电缆导线的电阻。,R,e,甚小可忽略，故等效电路中的输出电压,2/8/2026,46,第三章 常用传感器,第六节 磁电式传感器,二、磁阻式,磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。其工作原理及应用例如图,3,37,所示。此种传感器是由永久磁铁及缠绕其上的线圈组成。例如图,3,37a,可测旋转体频数，当齿轮旋转时，齿的凸凹引起磁阻变化，使磁通量变化，在线圈中感应出交流电动势，其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积。,磁阻式传感器使用简便、结构筒单，在不同场合下可用来测量,:,转速、偏心量、振动,等。,2/8/2026,47,第三章 常用传感器,第六节 磁电式传感器,2/8/2026,48,第三章 常用传感器,第七节 压电式传感器,压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。这种性质使它被广泛用于,力、压力、加速度测量，也被用于超声波发射与接收装置,。,这种传感器具有体积小、重量轻，精确度及灵敏度高等优点。现在与其配套的后续仪器，如电荷放大器等的技术性能日益提高，使这种传感器的应用越来越广泛。,压电式传感器的工作原理是利用某些物质的压电效应。,一、压电效应,某些物质，如石英、钛酸钡，铬钛酸铅（,PZT,）,等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料重新回复到原来状态，这种现象称为,压电效应,。相反，如果将这些物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为,逆压电效应,，或称为电致伸缩效应。,具有压电效应的材料称之为压电材料，石英是常用的一种压电材料。,2/8/2026,49,第三章 常用传感器,第七节 压电式传感器,石英（,SIO,2,）晶体结晶形状为六角形晶柱（图,3,3la,），两端为一对称的棱锥。六棱柱是它的基本组织。,纵轴线,z-z,称为,光轴,，,通过六角棱线而垂直于光轴的轴线,x,x,称作,电轴,，,垂直于棱面的轴线,y,y,称作,机械轴,，,如图,3,31b,所示。,光轴,电轴,机械轴,2/8/2026,50,第三章 常用传感器,第七节 压电式传感器,实验证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。若沿单一晶轴,x-x,方向加力,F,，,则在垂直于,x-x,方向的压电体表面上积聚的电荷量为,q,。,q,=,d,c,F,若压电体受到多方向的力，压电体各表面都会积聚电荷。每个表面上的电荷量不仅与作用于该面上的垂直力有关，而且还与压电体其它面上所受的力有关。,纵向效应 横向效应 切向效应,如果从晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于,z-z,、,y-y,、,x-x,轴线，这个晶片在正常状态下不呈现电性。当施加外力时，将沿,x-x,方向形成电场，其电荷分布在垂直于,x-x,轴的平面上。沿,x,轴加力产生纵向效应；沿,y,轴加力产生横向效应；沿相对两平面加力产生切向效应（图,3,32,）。,2/8/2026,51,第三章 常用传感器,第七节 压电式传感器,二、压电材料,常用的压电材料大致可分为三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。压电单晶为单晶体，常用的有石英晶体（,SiO,2,）、,铌酸锂（,LiNbO,3,）、,钽酸钾（,LiTaO,3,）,等。压电陶瓷为多晶体，常用的有钛酸钡（,BaTiO,3,）、,锆钛酸铅（,PZT,）,等。,石英是压电单晶中最有代表性的，应用广泛。除天然石英外，大量应用人造石英。石英的压电常数不高，但具有较好的机械强度和时间和温度稳定度。其它压电单晶的压电常数为石英的,2.5,3.5,倍，但价格较贵。水溶性压电晶体，如酒石酸钾钠,NaKO,4,H,4,O,5,4H,2,O,）,压电常数较高，但易受潮，机械强度低，电阻率低，性能不稳定。,现在声学和传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。近年来压电半导体也已开发成功。它具有压电和半导体两种特性，很易发展成新型的集成传感器。,2/8/2026,52,第三章 常用传感器,三、压电式传感器及其等效电路,在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极，如图,3,33,所示。当晶片受到外力作用时，在两个极板上积聚数量相等、而极性相反的电荷，形成了电场。因此压电传感器可以看作是谢超迫置，它又是一个电容器。其电容量按下式计算，即,C,=,0,A,/,式中，,压电材料的相对介电常数，石英晶体,4.5,；钛酸钡,1200,压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。电容器上的开路电压,u,0,与电荷,q,、,电容,C,a,存在下列关系：,u,0,q,/,C,a,第七节 压电式传感器,2/8/2026,53,第三章 常用传感器,第七节 压电式传感器,当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容就形成传感器的并联寄生电容,C,c,，,后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄漏电阻,R,。，,如图,3,33d,所示。当考虑负载影响时，根据电荷平衡建立的方程式为：,图,3-33,压电晶片及等效电路,a),压电晶片；,b),并接；,c),串接；,d),等效电荷源,电容值上的电压：,2/8/2026,54,第三章 常用传感器,第七节 压电式传感器,四、测量电路,由于压电式传感器的输出电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。,前置放大器的主要作用有两点：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其次是放大传感器输出的微弱电信号。,前置放大器电路有两种形式：其一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出）成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,上式表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点。但与电压放大器比较，其电路复杂，价格昂贵。,2/8/2026,55,第三章 常用传感器,第七节 压电式传感器,五、压电式传感器的应用,压电式传感器常用来,测量力、压力、振动的加速度，也用于声学（包括超声）和声发射,等测量。,压电效应是一种力一电荷变换，可直接用作力的测量。现在已形成系列的压电式力传感器，测量范围从微小力值,10,-3,N,到,10,4,kN,，,动态范围一般为,60dB,；,测量方向有单方向的，也有多方向的。,压电式压力传感器有两种形式：一种是利用膜片式弹性元件，通过膜片承压面积将压力转化,为力,。膜片中可看凸台，凸台背面放置压电片。力通过凸台作用于压电片上，使之产生相应的电荷量。另一种是利用活塞的承压面承受压力，并使活塞所受的力通过在活塞另一端的顶杆作用在压电片上。测得此作用力便可推算出活塞所受的,压力,。,现在广泛采用压电式传感器来测量加速度。此种传感器的压电片处于其壳体和一质量块之间，用强弹簧（或预紧螺栓）将质量块、压电片紧压在壳体上。运动时，传感器壳体推动压电片和质量块一起运动。在加速时，压电片承受由质量加速而产生的惯性力。在第七章中将会进一步讨论加速度计的有关问题。,压电式传感器的工作原理是可逆的，施加电压于压电晶片，压电片便产生伸缩。所以压电片可以反过来做“驱动器”。例如对压电晶片施加交变电压则压电片可作为振动源，可用于,高频振动台、超声发生器、扬声器以及精密的微动装置,。,2/8/2026,56,第三章 常用传感器,热电式传感器,工作原理：,把被测量,(,主要是温度,),转换为电量变化的一种装置，其变换是基于金属的热电效应。,分类,（按照变换方式）：,热电偶,热电阻传感器,第八节 热电式传感器,2/8/2026,57,第三章 常用传感器,热 电 偶,1,工作原理：,热电偶属于结构型传感器；把两种不同的导体或半导体连接成图示的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度为,T,和,T,0,(,假定,T T,0,),的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称为,热电效应。,第八节 热电式传感器,2/8/2026,58,第三章 常用传感器,热 电 偶,2,温差电动势,是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电动势。,第八节 热电式传感器,2/8/2026,59,第三章 常用传感器,热电偶回路的特点,1,）若组成热电偶的回路的两种导体相同，无论两接点温度如何，热电偶回路中的总热电动势为零；,2,）若热电偶两接点温度相同，则尽管导体,A,、,B,的材料不同，热电偶回路中的总热电动势也为零；,3,）热电偶,AB,的热电动势与导体材料,A B,的中间温度无关，而只与接点温度有关；,第八节 热电式传感器,2/8/2026,60,第三章 常用传感器,热电偶回路的特点,2,4,）,热电偶,AB,在接点温度,T,1,、,T,3,时的热电动势，等于热电偶在接点温度,T,1,、,T,2,和,T,2,、,T,3,时的热电动势总合；,5,）在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同，第三种导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称中间导体定律。,6,）当温度为,T,1,、,T,2,时，用导体,A,、,B,组成的热电偶的热电动势等于,AC,热电偶和,CB,热电偶的热电动势的和。,第八节 热电式传感器,2/8/2026,61,第三章 常用传感器,中间导体定律的应用,第八节 热电式传感器,2/8/2026,62,第三章 常用传感器,热电偶分类,铂铑,铂热电偶,镍铬,镍硅,(,镍铬一镍铝,),热电偶,镍铬,考铜热电偶,铂铑,30,铂铑,6,热电偶,选用时需考虑：测温范围、测温状态和介质情况。,第八节 热电式传感器,2/8/2026,63,第三章 常用传感器,热电阻传感器,利用电阻随温度变化的特点制成的传感器叫热电阻传感器，它主要用于对温度和与温度有关的参数测定。按热电阻的性质来分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为,热电阻,，后者称为,热敏电阻,。,热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成，其中，电阻体是热电阻的最主要部分。铂电阻、铜电阻等。,热敏电阻属于半导体传感器。,第八节 热电式传感器,2/8/2026,64,第三章 常用传感器,第九节 光电传感器,一、光电测量原理,光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器。光电传感器的工作基础是光电效应。,图,3-44,硅光电池的结构,2/8/2026,65,第三章 常用传感器,第九节 光电传感器,二、光电元件,1,真空光电管或光电管 光电管主要两种结构形式（见图,3-45),，图,a,中光电管的光电阴极,K,由半圆筒形金属片制成，用于在光照射下发射电子。阳极,A,为位于阴极轴心的一根金属丝，用于接收阴