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第三章第三章 常用的传感器常用的传感器本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路1 1概述概述第一节第一节 概述概述一一.传感器定义传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息按一定的规律转换成另一种信息的装置。物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。二二.传感器的构成传感器的构成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。dV1 1概述概述三三.传感器的分类传感器的分类1.1.按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量：机械量、声、磁、温度、光等2.2.按工作的物理基础按工作的物理基础:机械式,电气式,光学式,流体式等.1 1概述概述3.3.按信号变换特征按信号变换特征:结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。例如:电容式和电感式传感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。如:水银温度计1 1概述概述4.4.按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。例如:电阻应变片能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作。例如:热电偶温度计5.5.按输出信号按输出信号:模拟式和数字式模拟式和数字式1 1概述概述2 2机械式机械式传感器传感器第二节第二节 机械式传感器机械式传感器弹性体弹性体作为传感器敏感元件输入输入：力、压力、温度等输出：输出：弹性元件本身变形优点：优点：简单、可靠、方便、廉价缺点：缺点：线性范围小、固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。一、弹性敏感元件式传感器一、弹性敏感元件式传感器 测力计测力计 压力计压力计 温度计温度计2 2机械式机械式传感器传感器二、二、微型探测开关微型探测开关 把物体的运动、位置或尺寸变化转换为接通、断开信号。可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等。3 3电阻式电阻式传感器传感器第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。传感器。按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式变阻器式、电阻应变式。一一.变阻器式传感器（电位差计式传感器）变阻器式传感器（电位差计式传感器）1.1.工作原理：工作原理：一个电导体的电阻值：式中：R电阻；材料的电阻率；l导体的长度；A导体的截面积面积和材质一定时，电阻值随导线长度而变化。位移 电阻 3 3电阻式电阻式传感器传感器常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。2.2.直线位移型直线位移型灵敏度单位长度内的电阻值3.3.角位移型角位移型灵敏度单位弧度对应的电阻值3 3电阻式电阻式传感器传感器4.4.测量电路（电阻分压电路）测量电路（电阻分压电路）UiU1RxR-RxL负载负载效应效应减小负载效应的影响3 3电阻式电阻式传感器传感器5.5.变阻器式传感器的特点变阻器式传感器的特点优点：优点：简单、可靠、输出功率大缺点：缺点：精度低、动态响应差6.6.变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品3 3电阻式电阻式传感器传感器7.7.变阻器式传感器应用案例变阻器式传感器应用案例 比较比较重量设定原材料原材料1 1）重量的自动检测）重量的自动检测-配料设备配料设备 弹簧弹簧 电位器电位器原理：力原理：力 位移位移 电阻电阻3 3电阻式电阻式传感器传感器2 2）玩具机器人）玩具机器人原理：电机原理：电机-转角转角-电位器电位器-电阻电阻二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器 3 3电阻式电阻式传感器传感器电阻应变式传感器可分为金属电阻应变式和半导体应变电阻应变式传感器可分为金属电阻应变式和半导体应变式两类。式两类。1.1.金属电阻应变片金属电阻应变片 基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。（1 1）工作原理：）工作原理：金属应变片的电阻R为上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数代入3 3电阻式电阻式传感器传感器金属丝：dl/l=为电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变；dr/r为电阻丝径向相对变化，或称横向应变金属丝体积不变：电阻丝材料的泊松比d/反映了电阻丝的电阻率的相对变化，它与电阻丝纵向所受的应力有关纵向压阻系数；E材料的弹性模量3 3电阻式电阻式传感器传感器对金属材料，电阻率的变化很小，可以忽略：应变系数或灵敏度（2 2）常用的金属应变片：丝式和箔式）常用的金属应变片：丝式和箔式3 3电阻式电阻式传感器传感器2.2.半导体应变片半导体应变片 基于半导体材料的压阻效应，即单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率随之发生变化。(1)(1)工作原理：工作原理：对于半导体应变片灵敏度(2)(2)特点：特点：优点：灵敏度高、体积小、动态响应快、测量精度高、使用简单缺点：温度稳定性差、灵敏度分散度大3 3电阻式电阻式传感器传感器3.3.电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用（1 1）直接用于测定结构的应变或应力）直接用于测定结构的应变或应力应用案例：应用案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量3 3电阻式电阻式传感器传感器（2 2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、）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位移、压力、加速度等物理参数的传感器应用案例：应用案例：加速度传感器加速度传感器振动体加速度振动体加速度应变应变电阻值的相对变化电阻值的相对变化3 3电阻式电阻式传感器传感器应用案例：应用案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。3 3电阻式电阻式传感器传感器应用案例：应用案例：冲床生产记数和生产过程监测冲床生产记数和生产过程监测4 4电容式电容式传感器传感器第四节第四节 电容式传感器电容式传感器电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。种传感器。工作原理：工作原理：+A 两平行极板组成的电容器其电容量为:A极板面积（m2）；0真空介电常数,0=8.8510-1 2(F/m);极板间介质的介电常数，在空气中=1；两极板间距离（m）。、A A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。4 4电容式电容式传感器传感器 根据电容器变化的参数可分为根据电容器变化的参数可分为:极距极距变化型、面积变化型和介质变化型变化型、面积变化型和介质变化型。一一.极距变化型极距变化型灵敏度1.1.工作原理：工作原理：灵敏度随极距变化线性误差取极距变化范围/=0.12.2.特点：特点：可进行动态非接触式测量；灵敏度高，适于较小位移的测量。4 4电容式电容式传感器传感器3.3.应用案例应用案例电容传声器电容传声器4 4电容式电容式传感器传感器二二.面积变化型面积变化型面积变化型电容传感器中常用的有角位移型和线位移型。面积变化型电容传感器中常用的有角位移型和线位移型。+1.1.角位移型角位移型-公共覆盖面积对应的中心角；r-半圆形极板半径。灵敏度常数4 4电容式电容式传感器传感器2.2.线位移型线位移型平面线位移型平面线位移型柱面线位移型柱面线位移型b-极板宽度灵敏度常数D-圆筒孔径：d-圆柱外径。灵敏度常数4 4电容式电容式传感器传感器3.3.特点：特点：输出与输入成线性关系；灵敏度低，适于较大直线位移及角位移的测量。4.4.产品产品陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力作用在陶瓷膜片的液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。表面，使膜片产生位移。4 4电容式电容式传感器传感器三三.介质变化型介质变化型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。产品产品电容式液位传感器电容式液位传感器（液位计（液位计/料位计）料位计）4 4电容式电容式传感器传感器应用案例应用案例全自动洗衣机全自动洗衣机5 5电感式电感式传感器传感器第五节第五节 电感式传感器电感式传感器电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的一电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的一种传感器。其变换是基于电磁感应原理。种传感器。其变换是基于电磁感应原理。按变换方式不同可分为按变换方式不同可分为:自感型、互感型自感型、互感型。一一.自感型自感型自感型又包括可变磁阻式与涡流式。自感型又包括可变磁阻式与涡流式。1.1.可变磁阻式可变磁阻式（1 1）工作原理：）工作原理：W线圈匝数；0空气导磁率,0=410-7(H/m);A0空气隙导磁横截面积(m2)。气隙长度(m)；5 5电感式电感式传感器传感器灵敏度灵敏度随气隙长度变化线性误差取气隙长度变化范围/0.1（2 2）典型结构：）典型结构：差动型差动型面积A0变化灵敏度低一个线圈自感增加，一个线圈自感减小。改善了线性特性，并提高了灵敏度。5 5电感式电感式传感器传感器（3 3）应用案例）应用案例电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）被测物体构成电感器的衔铁，当物体移向接近传感器时，物体和接近传感器间的间隙变化，使得线圈的自感量发生变化。接近开关的检测物体，只限于金属导体。5 5电感式电感式传感器传感器2.2.涡电流式涡电流式（1 1）工作原理：）工作原理：基于金属体在交变磁场中的涡电流效应。当线圈中通以一交变高频电流 i时，会引起一交变磁通。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流i1，该电流i1即为涡流。根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁通1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即1将抵抗的变化。由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻抗发生变化，其变化的程度除了与两者间的距离有关外，还与金属导体的电阻率、磁导率以及线圈的激磁电流圆频率等有关。5 5电感式电感式传感器传感器（2 2）测量电路）测量电路涡流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。分压式调幅电路原理调频电路工作原理5 5电感式电感式传感器传感器测厚仪测厚仪（3 3）应用案例）应用案例V 检波检波 检波检波 金属板金属板比较比较电压电压加法器加法器dD5 5电感式电感式传感器传感器无损探伤无损探伤原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。油管油管检测检测5 5电感式电感式传感器传感器二二.互感型（差动变压器式电感传感器）互感型（差动变压器式电感传感器）1.1.工作原理工作原理电磁感应中的互感现象：电磁感应中的互感现象：当线圈W1输入有交流电流i1时，在线圈W2中则产生感应电动势e12，其大小正比于电流i1的变化率：式中M为比例系数，也称互感（H），是两线圈W1和W2之间耦合程度的度量，其大小与两线圈的相对位置及周围介质的导磁率诸因素有关。5 5电感式电感式传感器传感器应用较多的是螺管形差动变压器5 5电感式电感式传感器传感器2.2.测量电路测量电路3.3.差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器的特点的特点测量精度高（可达0.1m量级）；线性量程大（可达100mm）；稳定性好，使用方便，广泛应用于直线位移的测量。差动相敏检波电路差动相敏检波电路5 5电感式电感式传感器传感器4.4.应用案例应用案例板的厚度测量板的厚度测量 5 5电感式电感式传感器传感器张力测量张力测量6 6压电式压电式传感器传感器第六节第六节 压电式传感器压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器，既可将机械压电式传感器是一种可逆型换能器，既可将机械能转换为电能，又可将电能转换为机械能。能转换为电能，又可将电能转换为机械能。一一.变换原理：压电效应变换原理：压电效应 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。石英晶体石英晶体纵轴ZZ称为光轴，XX轴称为电轴，而垂直于XX轴和ZZ轴的YY轴称为机轴。沿电轴XX方向作用的力所产生的压电效应称为纵向压电效应，而将沿机轴YY方向作用的力所产生的压电效应称为横向压电效应。当沿光轴ZZ方向作用有力时则并不产生压电效应。6 6压电式压电式传感器传感器其中dc为压电常数，与材质和切片方向有关。q=dcF二二.压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路6 6压电式压电式传感器传感器压电传感器可视为一个电荷发生器，也是一个电容器。压电传感器等效电路压电传感器等效电路q压电元件所产生的电荷量；C等效电路总电容，C=Ca+Cc+Ci；u电容上建立的电压；i泄漏电流;R0 泄漏电阻。代入传递函数6 6压电式压电式传感器传感器频率响应函数当测量的外力为一动态交变力F=F0sin0t时幅频特性稳定输出的幅值v压电传感器适用于高频信号的测量，若用于低频信号，则要求R0、C大。v为了不失真地测量，压电传感器的测量电路应具有高输入阻抗，并在输入端并联一定的电容Ci以加大时间常数R0C。但并联电容过大会使输出电压降低过多。输出输入成线性关系，则6 6压电式压电式传感器传感器三三.产品产品加速度计加速度计力传感器力传感器 压力变送器压力变送器6 6压电式压电式传感器传感器四四.应用案例应用案例飞机模态分析飞机模态分析7 7磁电式磁电式传感器传感器第七节第七节 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器是把被测量转换为感应电动势的一磁电式传感器是把被测量转换为感应电动势的一种传感器。种传感器。工作原理：工作原理：当穿过线圈的磁通发生变化时，线圈中所感应产生的电动势磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。改变其中一个因素，都会改变感应电动势。7 7磁电式磁电式传感器传感器 根据结构方式不同可分为根据结构方式不同可分为:动圈式、动圈式、磁阻式磁阻式。一一.动圈式动圈式动圈式又可分为线速度型和角速度型。动圈式又可分为线速度型和角速度型。1.1.线速度型线速度型 工作原理：工作原理：B磁场的磁感应强度（T）；l单匝线圈的有效长度（m）；W有效线圈匝数；v线圈相对于磁场的运动速度（m/s）；线圈运动方向与磁场方向的夹角。当=90时，上式可写为7 7磁电式磁电式传感器传感器2.2.角速度型角速度型工作原理：工作原理：线圈转动的角频率；A单匝线圈的截面积（m2）；k依赖于结构的参数，k1。7 7磁电式磁电式传感器传感器3.3.应用案例：应用案例：动圈式传声器动圈式传声器7 7磁电式磁电式传感器传感器二二.磁阻式磁阻式1.1.工作原理：工作原理：运动的物体改变磁路的磁阻磁通改变产生感应电动势2.2.应用：应用：测频数测频数7 7磁电式磁电式传感器传感器测转速测转速偏心测量偏心测量振动测量振动测量