測試技術(shù)(第六章 常用傳感器)

1、工程測試技術(shù)郭世偉第六章第六章 常用傳感器常用傳感器一、前言一、前言 1、概述、概述 傳感器是人類感官的擴(kuò)展和延伸，借助傳感器，人傳感器是人類感官的擴(kuò)展和延伸，借助傳感器，人類可以去探測那些無法直接用感官獲取的信息。例如，類可以去探測那些無法直接用感官獲取的信息。例如，用超聲波探測器可以探測海水的深度，用紅外遙感器用超聲波探測器可以探測海水的深度，用紅外遙感器可以從高空探測地球上的植被和污染信況等等?？梢詮母呖仗綔y地球上的植被和污染信況等等。 在自動控制領(lǐng)域中，自動化程度越高，控制系統(tǒng)在自動控制領(lǐng)域中，自動化程度越高，控制系統(tǒng)對傳感器的依賴性就越大，因此，傳感器對控制系統(tǒng)對傳感器的依賴性就越大

2、，因此，傳感器對控制系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮起著決定性的作用。功能的正常發(fā)揮起著決定性的作用。 傳感器是測量變換器，它是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。傳感器是測量變換器，它是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件?，F(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是：信息采集（傳感器），現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是：信息采集（傳感器），通訊技術(shù)（含網(wǎng)絡(luò)），計(jì)算機(jī)技術(shù)。它們分別構(gòu)成信通訊技術(shù)（含網(wǎng)絡(luò)），計(jì)算機(jī)技術(shù)。它們分別構(gòu)成信息技術(shù)系統(tǒng)的息技術(shù)系統(tǒng)的“感官感官”、“神經(jīng)神經(jīng)”和和“大腦大腦”，如果，如果“感官感官”除出了毛病，不能對被測信號進(jìn)行準(zhǔn)確可靠除出了毛病，不能對被測信號進(jìn)行準(zhǔn)確可靠地捕捉和轉(zhuǎn)換，再聰明的地捕捉和轉(zhuǎn)換，再聰明的“大腦大腦”也無能為力。也無

3、能為力。 2、傳感器的發(fā)展、傳感器的發(fā)展 高性能、新型傳感器的研制開發(fā)和應(yīng)用，對科研、生產(chǎn)過高性能、新型傳感器的研制開發(fā)和應(yīng)用，對科研、生產(chǎn)過程的自動化、智能化，對人類認(rèn)識研究改造自然事物的深度和程的自動化、智能化，對人類認(rèn)識研究改造自然事物的深度和廣度都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。廣度都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 當(dāng)今，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向有兩個(gè)方向：當(dāng)今，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向有兩個(gè)方向： （1）開展基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)研究傳感器的新材料和新工藝）開展基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)研究傳感器的新材料和新工藝 用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)設(shè)計(jì)制作各種用途的傳用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)設(shè)計(jì)制作各種用途的傳感器，這是傳

4、感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)工作。例如，利用某些材料感器，這是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)工作。例如，利用某些材料的化學(xué)反應(yīng)制成的能識別氣體的的化學(xué)反應(yīng)制成的能識別氣體的“電子鼻電子鼻”；利用超導(dǎo)技術(shù)研；利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功的高溫超導(dǎo)磁傳感器等。制成功的高溫超導(dǎo)磁傳感器等。 （2）實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化、智能化。隨著集成電路制造技）實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化、智能化。隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能把一些處理電路和傳感器集成在一起，術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能把一些處理電路和傳感器集成在一起，構(gòu)成構(gòu)成集成傳感器集成傳感器。進(jìn)一步的發(fā)展是將傳感器和微處理器相結(jié)合，。進(jìn)一步的發(fā)展是將傳感器和微處理器相結(jié)合，裝在一個(gè)檢測器中形成一

5、種新型的裝在一個(gè)檢測器中形成一種新型的“智能傳感器智能傳感器”。它將具有。它將具有一定的信號調(diào)理、信號分析、誤差校證、環(huán)境適應(yīng)等能力，甚一定的信號調(diào)理、信號分析、誤差校證、環(huán)境適應(yīng)等能力，甚至具有一定的辨認(rèn)、識別、判斷的功能。這種集成化、智能化至具有一定的辨認(rèn)、識別、判斷的功能。這種集成化、智能化的發(fā)展，無疑對現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展將發(fā)揮重要的作用。的發(fā)展，無疑對現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展將發(fā)揮重要的作用。 3、工程測試中的傳感器、工程測試中的傳感器 本章主要從實(shí)際應(yīng)用的角度介紹機(jī)械工程測量中本章主要從實(shí)際應(yīng)用的角度介紹機(jī)械工程測量中常用的傳感器。一般的傳感器是指把被測的非電量轉(zhuǎn)常用的傳感器。一般的傳感器

6、是指把被測的非電量轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的、易于處理的電參量?；癁榕c之對應(yīng)的、易于處理的電參量。 這里的非電量一般有：力矩、應(yīng)變、位移、速度、這里的非電量一般有：力矩、應(yīng)變、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、液位等。加速度、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、液位等。 電參量主要有：電壓、電流、電阻、電感、電容、電參量主要有：電壓、電流、電阻、電感、電容、頻率等。頻率等。 對于進(jìn)行測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的用戶來說，主要了解其對于進(jìn)行測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的用戶來說，主要了解其工作原理，使用中的注意事項(xiàng)，關(guān)心其測量范圍、測工作原理，使用中的注意事項(xiàng)，關(guān)心其測量范圍、測量精度等性能參數(shù)，測量電路、接口電路的設(shè)計(jì)等。量精度等性能

7、參數(shù)，測量電路、接口電路的設(shè)計(jì)等。 往往一種被測量可應(yīng)用多種類型的傳感器來檢測，往往一種被測量可應(yīng)用多種類型的傳感器來檢測，需要根據(jù)工作原理、實(shí)際測試等情況選用。需要根據(jù)工作原理、實(shí)際測試等情況選用。 4、傳感器的分類、傳感器的分類按傳感器的應(yīng)用按傳感器的應(yīng)用用于哪種被測物理量的測用于哪種被測物理量的測量分類；量分類；按傳感器的工作原理分；按傳感器的工作原理分；按傳感器的構(gòu)造原理分；按傳感器的構(gòu)造原理分；按信號的轉(zhuǎn)換效應(yīng)分；按信號的轉(zhuǎn)換效應(yīng)分；按敏感元件的材料分；按敏感元件的材料分；按能量觀點(diǎn)分，能量轉(zhuǎn)換型（無源型）、能量按能量觀點(diǎn)分，能量轉(zhuǎn)換型（無源型）、能量控制型（有源型）；控制型（有源型

8、）；按輸出信號類型分，等。按輸出信號類型分，等。 5、傳感器的構(gòu)成、傳感器的構(gòu)成 傳感器完成非電量的電量轉(zhuǎn)換，這里的電量有電能量（如傳感器完成非電量的電量轉(zhuǎn)換，這里的電量有電能量（如電壓、電流、電場強(qiáng)度和電功率等）和電參量（如電阻、電容、電壓、電流、電場強(qiáng)度和電功率等）和電參量（如電阻、電容、電感、電頻率和相位等）之分，后者在測試過程中還需進(jìn)一步電感、電頻率和相位等）之分，后者在測試過程中還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電能量。轉(zhuǎn)換為電能量。 傳感器一般由敏感器件與其它輔助器件組成。傳感器一般由敏感器件與其它輔助器件組成。 敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，敏感器件是傳感器的核心，它的作用

9、是直接感受被測物理量，并將信號進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換輸出。完成非電量的電量轉(zhuǎn)換，該變并將信號進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換輸出。完成非電量的電量轉(zhuǎn)換，該變換稱為一次變換（對應(yīng)為換稱為一次變換（對應(yīng)為“一次儀表一次儀表”）。如應(yīng)變式壓力傳感）。如應(yīng)變式壓力傳感器的彈性膜片是敏感元件，它的作用是將壓力轉(zhuǎn)換為彈性膜片器的彈性膜片是敏感元件，它的作用是將壓力轉(zhuǎn)換為彈性膜片的形變，并將彈性膜片的形變轉(zhuǎn)換為電阻的變化而輸出。的形變，并將彈性膜片的形變轉(zhuǎn)換為電阻的變化而輸出。 一般把信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路歸為輔助器件，對轉(zhuǎn)換成的電參一般把信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路歸為輔助器件，對轉(zhuǎn)換成的電參量的進(jìn)一步量的進(jìn)一步“加工處理加工處理”稱為二次變換

10、，由測量電路（調(diào)理電稱為二次變換，由測量電路（調(diào)理電路）實(shí)現(xiàn)（對應(yīng)為路）實(shí)現(xiàn)（對應(yīng)為“二次儀表二次儀表”）。變換有微弱信號放大、濾）。變換有微弱信號放大、濾波處理、調(diào)制解調(diào)等，它們把敏感器件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便波處理、調(diào)制解調(diào)等，它們把敏感器件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理等有用的電信號的裝置。于顯示、記錄、處理等有用的電信號的裝置。二、常用傳感器二、常用傳感器（一）電阻應(yīng)變片式傳感器（一）電阻應(yīng)變片式傳感器 電阻應(yīng)變片是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，可用以測量應(yīng)變、電阻應(yīng)變片是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，可用以測量應(yīng)變、力、力矩、位移、壓力等。力、力矩、位移、壓力等。 1、工作原理、工

11、作原理 電阻應(yīng)變片的敏感元件是電阻絲，工作原理電阻應(yīng)變片的敏感元件是電阻絲，工作原理是其是其電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)。即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，。即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化。的變化而發(fā)生變化。 22(12)(12 )llRArRRRdRdldrdlrdRdldrdERlr 對于金屬絲來說，靈敏度S=1+22(12)dRdldrdEERlr 對于半導(dǎo)體材料來說，其壓阻系數(shù)很大。在力的作用下，半導(dǎo)對于半導(dǎo)體材料來說，其壓阻系數(shù)很大。在力的作用下，半導(dǎo)體應(yīng)變片因電阻率變化引起的阻值變化

12、項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于幾何尺寸變化項(xiàng)，體應(yīng)變片因電阻率變化引起的阻值變化項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于幾何尺寸變化項(xiàng)，故故SE則靈敏度 這比金屬絲電阻應(yīng)變片的靈敏度大幾十倍。2、應(yīng)變片的種類、應(yīng)變片的種類絲式金屬應(yīng)變計(jì)箔式半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)各自特點(diǎn)介紹各自特點(diǎn)介紹 壓阻式傳感器即為半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，利用的是半導(dǎo)體材料的壓阻式傳感器即為半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，利用的是半導(dǎo)體材料的壓阻壓阻效應(yīng)效應(yīng)，即半導(dǎo)體材料的電阻率隨所受壓力的變化而變化，而金屬電，即半導(dǎo)體材料的電阻率隨所受壓力的變化而變化，而金屬電阻應(yīng)變計(jì)電阻的變化主要是由于金屬絲幾何尺寸變化引起的。阻應(yīng)變計(jì)電阻的變化主要是由于金屬絲幾何尺寸變化引起的。 與金屬電阻應(yīng)變計(jì)相比，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的靈

13、敏度很大，分辨率與金屬電阻應(yīng)變計(jì)相比，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的靈敏度很大，分辨率高，易于實(shí)現(xiàn)小型化、集成化，但溫度穩(wěn)定性差，靈敏度分散度大，高，易于實(shí)現(xiàn)小型化、集成化，但溫度穩(wěn)定性差，靈敏度分散度大，大應(yīng)變時(shí)的非線性誤差大。大應(yīng)變時(shí)的非線性誤差大。a)為絕對壓力傳感器為絕對壓力傳感器b)為表壓力傳感器為表壓力傳感器c)為測壓力差為測壓力差d)為外形圖為外形圖半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)3、電阻應(yīng)變片式傳感器及其應(yīng)用舉例、電阻應(yīng)變片式傳感器及其應(yīng)用舉例原理原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變化為結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。片轉(zhuǎn)化為電量輸出。橋梁固有

14、頻率測量橋梁固有頻率測量原理在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時(shí)的沖擊對橋梁進(jìn)行激勵，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。4、應(yīng)變片式傳感器的測量電路、應(yīng)變片式傳感器的測量電路差動輸入差動輸入（二）電容式傳感器（二）電容式傳感器 1.變換原理變換原理: 將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,它的電容量為它的電容量為: :AC0+A 當(dāng)被測量當(dāng)被測量、A或或發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容的變化。發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參

15、數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。2 分類分類 a) a) 極距變化型極距變化型; ;0AC 021dCSAd 靈敏度 極距變化式的傳感器靈敏度高，但有線性誤差，適于小位移極距變化式的傳感器靈敏度高，但有線性誤差，適于小位移的測量，也可采用差動式減小非線性誤差。的測量，也可采用差動式減小非線性誤差。b)b)面積變化型面積變化型: :平面線位移型平面線位移型, ,角位移型角位移型, , 柱面線位移型柱面線位移型. .靈敏度為常數(shù)，一般不會產(chǎn)生非線性誤差。,bxbCS對于上圖的線位移型傳感器 22,22rrCS 對于上圖的角位移型傳感器 c)

16、c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型3、電容式傳感器的測量電路（1）電橋型電路交流電橋?qū)崬檎{(diào)交流電橋?qū)崬檎{(diào)幅式的幅式的（2） 諧振電路諧振電路 調(diào)幅式調(diào)幅式（4）運(yùn)算放大器電路）運(yùn)算放大器電路可改善非線性關(guān)系可改善非線性關(guān)系（3）調(diào)頻電路）調(diào)頻電路調(diào)頻式調(diào)頻式4、應(yīng)用、應(yīng)用測介質(zhì)厚度測介質(zhì)厚度例例: :液面高度測量液面高度測量例：例：電容傳聲器電容傳聲器 （三）電感式傳感器（三）電感式傳感器 電磁感應(yīng)為其理論基礎(chǔ)。利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實(shí)電磁感應(yīng)為其理論基礎(chǔ)。利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)非電量測量?，F(xiàn)非電量測量。 按照變換方式的不同，電感式傳感器又分為可變磁阻式、渦流按照變換方式的不同，電

17、感式傳感器又分為可變磁阻式、渦流式、差動變壓器式。式、差動變壓器式。分類分類:電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型 以下圖結(jié)構(gòu)為例說明原理：以下圖結(jié)構(gòu)為例說明原理： 自感系數(shù)自感系數(shù) 。氣隙厚度很小，且忽略掉鐵心和銜鐵的。氣隙厚度很小，且忽略掉鐵心和銜鐵的磁阻，有磁阻，有 2mWLR002mRA2002AWL,那么 可見改變氣隙厚度、氣隙截面積可見改變氣隙厚度、氣隙截面積和磁路材料磁導(dǎo)率均可改變自感值。和磁路材料磁導(dǎo)率均可改變自感值。氣隙厚度變化型時(shí)，氣隙厚度變化型時(shí)， 氣隙厚度變化式的傳感器靈敏度氣隙厚度變化式的傳感器靈敏度高，有線性誤差，適于小位

18、移的測量。高，有線性誤差，適于小位移的測量。氣隙截面積變化式傳感器線性度好，氣隙截面積變化式傳感器線性度好，但靈敏度小。但靈敏度小。 1、可變磁阻式傳感器、可變磁阻式傳感器200212dLSAWd 靈敏度 與極距變化型電容與極距變化型電容傳感器比較！傳感器比較！ 上圖上圖c)也稱為單螺管線圈型傳感器。也稱為單螺管線圈型傳感器。 d)和下面的雙螺管線圈連接方式均為差動方式，連接和下面的雙螺管線圈連接方式均為差動方式，連接于電橋的相鄰橋臂上。于電橋的相鄰橋臂上。 差動連接方式的優(yōu)點(diǎn)說明：提高靈敏度；改善線性度；差動連接方式的優(yōu)點(diǎn)說明：提高靈敏度；改善線性度；提高抗干擾能力（溫度補(bǔ)償?shù)龋Ｌ岣呖垢蓴_

19、能力（溫度補(bǔ)償?shù)龋?、電渦流式電感傳感器、電渦流式電感傳感器 （1）原理）原理 以渦流效應(yīng)為變換原理，渦流的交變磁通與線圈磁以渦流效應(yīng)為變換原理，渦流的交變磁通與線圈磁通相互作用，使線圈等效阻抗通相互作用，使線圈等效阻抗Z發(fā)生變化（主要是自感的變化），發(fā)生變化（主要是自感的變化），且有且有),(ZZ 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可用于動態(tài)非接觸測量，接構(gòu)簡單，使用方便，不：可用于動態(tài)非接觸測量，接構(gòu)簡單，使用方便，不受油污、介質(zhì)影響。受油污、介質(zhì)影響。應(yīng)用應(yīng)用：位移、力、振動位移測量，測厚：位移、力、振動位移測量，測厚,材質(zhì)判別材質(zhì)判別（2 2）應(yīng)用舉例：）應(yīng)用舉例： 例例 連續(xù)油管的橢圓度測量連續(xù)油管的橢圓

20、度測量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：該類傳感器的特點(diǎn)該類傳感器的特點(diǎn)例：例： 無損探傷無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測火車輪檢測油管檢測油管檢測反射式探測器，只能檢測表面損傷！反射式探測器，只能檢測表面損傷！例：例： 測厚測厚例：例： 零件計(jì)數(shù)零件計(jì)數(shù)為接近開關(guān)的用法為接近開關(guān)的用法（3）測量電路）測量電路（可與電容傳感器測量電路比較！）（可與電容傳感器測量電路比較?。?即是后續(xù)的自感測量電路。一般有阻抗分壓式調(diào)幅電路和調(diào)頻即是后續(xù)的自感測量電路。一般有阻抗分壓式調(diào)幅電路和調(diào)頻電路。電路。調(diào)幅式調(diào)幅式調(diào)頻式調(diào)頻式3、

21、差動變壓器式電感傳感器、差動變壓器式電感傳感器 （1）原理）原理 該類傳感器實(shí)為一個(gè)變壓器，它的次級是兩個(gè)參數(shù)該類傳感器實(shí)為一個(gè)變壓器，它的次級是兩個(gè)參數(shù)完全相同，反極性串聯(lián)的兩線圈。完全相同，反極性串聯(lián)的兩線圈。120120120000eeeeeeeee鐵心居中時(shí)，鐵心下移時(shí)，鐵心上移時(shí)，可見，輸出電壓與位移成對應(yīng)關(guān)系。與（雙螺管線圈）差動式電感傳感器比較！與（雙螺管線圈）差動式電感傳感器比較！（2）應(yīng)用）應(yīng)用 厚度厚度,角度角度,表面粗糙度表面粗糙度;拉伸拉伸,壓縮壓縮,垂直度垂直度;壓力壓力,流量流量,液位液位;張力張力,重力重力,負(fù)荷量負(fù)荷量;扭矩扭矩,應(yīng)力應(yīng)力,動力動力;氣壓氣壓,溫

22、度溫度;振動振動,速度速度,加速度加速度;等等.例：例：板的厚度測量板的厚度測量 例：例：張力測量張力測量與前面幾種測厚方與前面幾種測厚方法的比較！法的比較！可變鐵心式電感測微計(jì)可變鐵心式電感測微計(jì)（四）磁電式傳感器（四）磁電式傳感器1、變換原理、變換原理: 電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理 磁感應(yīng)電式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動式傳磁感應(yīng)電式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動式傳感器。感器。磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。它勢的一種轉(zhuǎn)換器。它是一種機(jī)是一種機(jī)-電能量變換型傳感器，不需電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路

23、簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，適要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。 ),(,cos,mdtddtdRBABWe匝數(shù)為匝數(shù)為W的感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢為的感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢為 磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。改變其中一個(gè)因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。 只適用于動態(tài)測量，測量速度量！只適用于動態(tài)測量，測量速度量！ 2、分類、分類 按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和

24、變磁通式，即動圈式傳感器和磁阻式傳感器。式和變磁通式，即動圈式傳感器和磁阻式傳感器。 磁磁電電式式動圈式動圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角速度型N動圈式傳感器動圈式傳感器 WBLve kWBAe 磁阻式傳感器磁阻式傳感器 磁阻式傳感器又稱為變磁通式傳感器或變氣隙式傳感器，常磁阻式傳感器又稱為變磁通式傳感器或變氣隙式傳感器，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。左圖為開路變磁通式傳感器，線圈用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。左圖為開路變磁通式傳感器，線圈和磁鐵靜止不動，測量齒輪由導(dǎo)磁材料制成，安裝在被測旋轉(zhuǎn)體和磁鐵靜止不動，測量齒輪由導(dǎo)磁材料制成，安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁

25、路磁阻變化一次，上，隨之一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，進(jìn)行測速。進(jìn)行測速。 右圖為閉合磁路變磁通式傳感器，被測轉(zhuǎn)軸帶動橢圓形測量右圖為閉合磁路變磁通式傳感器，被測轉(zhuǎn)軸帶動橢圓形測量齒輪在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度周期性變化，因而齒輪在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度周期性變化，因而磁路磁阻也周期性變化，磁通同樣周期性變化，則在線圈中產(chǎn)生磁路磁阻也周期性變化，磁通同樣周期性變化，則在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其頻率感應(yīng)電動勢，其頻率f與測量齒輪轉(zhuǎn)速與測量齒輪轉(zhuǎn)速n成正比。成正比。與可變磁阻式電感傳感器比較！與可變磁阻式電感傳感器比較！比較以下兩種傳感器的工作原理，說明其區(qū)

26、別！比較以下兩種傳感器的工作原理，說明其區(qū)別！例：例：3、應(yīng)用、應(yīng)用b) 測速電機(jī)測速電機(jī)a)磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器（五）壓電晶體傳感器（五）壓電晶體傳感器 1、 利用壓電材料的壓電效應(yīng)利用壓電材料的壓電效應(yīng)某些物質(zhì)如石英單晶體、多某些物質(zhì)如石英單晶體、多晶壓電陶瓷，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而晶壓電陶瓷，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會被極化，表面會產(chǎn)生電荷，形成電場；當(dāng)外力去掉時(shí)，且內(nèi)部也會被極化，表面會產(chǎn)生電荷，形成電場；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有逆壓電效又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有逆

27、壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。壓電式傳感器為一種可逆型換能器。應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。壓電式傳感器為一種可逆型換能器。 利用逆壓電效應(yīng)可將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，產(chǎn)生利用逆壓電效應(yīng)可將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，以此作為超聲波的接收器。超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，以此作為超聲波的接收器。 測試技測試技術(shù)中廣泛利用其正壓電效應(yīng)進(jìn)行力、壓力、加速度的測量。術(shù)中廣泛利用其正壓電效應(yīng)進(jìn)行力、壓力、加速度的測量。 以石英晶體為例，切片使用時(shí)應(yīng)注意方向，有縱向壓電效應(yīng)、以

28、石英晶體為例，切片使用時(shí)應(yīng)注意方向，有縱向壓電效應(yīng)、橫向壓電效應(yīng)、切向壓電效應(yīng)。橫向壓電效應(yīng)、切向壓電效應(yīng)。 外力作用于晶片表面時(shí)，可看作是電荷發(fā)生器，又是一個(gè)電容外力作用于晶片表面時(shí)，可看作是電荷發(fā)生器，又是一個(gè)電容器，是一個(gè)具有一定電容的電荷源。它產(chǎn)生的電荷與作用力成正比器，是一個(gè)具有一定電容的電荷源。它產(chǎn)生的電荷與作用力成正比關(guān)系。關(guān)系。AqCqD FuC電容量，電荷，開路電壓實(shí)際應(yīng)用中有串聯(lián)和并聯(lián)連接方法：實(shí)際應(yīng)用中有串聯(lián)和并聯(lián)連接方法：壓電式傳感器適宜于動態(tài)測量。壓電式傳感器適宜于動態(tài)測量。2、測量電路、測量電路 壓電式傳感器內(nèi)阻很高，電荷信號又很微弱，故需經(jīng)過放壓電式傳感器內(nèi)阻很高

29、，電荷信號又很微弱，故需經(jīng)過放大和阻抗變換，才可再進(jìn)行后續(xù)處理。大和阻抗變換，才可再進(jìn)行后續(xù)處理。 目前均用電荷放大器作目前均用電荷放大器作為前置放大器。電荷放大器為一個(gè)高增益帶電容反饋的運(yùn)算放為前置放大器。電荷放大器為一個(gè)高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器，略去電路中的電阻量后的等效電路為下圖所示。大器，略去電路中的電阻量后的等效電路為下圖所示。()()()iaciiyfiiyfqe CCCee CeCee C-iyyiaciacifeeek ekCCCCCCCC放大器輸入端電壓放大器輸出端電壓，放大器開環(huán)增益壓電晶片電容連接電纜的等效電容放大器輸入等效電容電荷放大器的反饋電容yffyyfkqeC

30、CkCqkeeqCC整理得：足夠大時(shí)得： 與 成正比，而與 無關(guān)。3、應(yīng)用、應(yīng)用b) 壓力變送器壓力變送器a) 加速度計(jì)，力傳感器加速度計(jì)，力傳感器 例：例：飛機(jī)模態(tài)分析飛機(jī)模態(tài)分析 頻率曲線的共振頻率決定了加速度計(jì)的使用上限頻率，且頻率曲線的共振頻率決定了加速度計(jì)的使用上限頻率，且與加速度計(jì)的固定狀況有很大關(guān)系。與加速度計(jì)的固定狀況有很大關(guān)系。（六）霍爾效應(yīng)傳感器（六）霍爾效應(yīng)傳感器 半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。是因磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)

31、。是因?yàn)檫\(yùn)動的電荷受磁場的洛倫茲力的作用結(jié)果。為運(yùn)動的電荷受磁場的洛倫茲力的作用結(jié)果。 以以N型半導(dǎo)體為例說明。型半導(dǎo)體為例說明。siniBKVHH1、霍爾元件、霍爾元件霍爾元件為一種半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件。工作原理是霍爾效應(yīng)。霍爾元件為一種半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件。工作原理是霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的霍爾電場的產(chǎn)生的霍爾電場的電勢為：電勢為： 改變改變B、i 即可改變即可改變電勢值，電勢值，B為位移函數(shù)為位移函數(shù)時(shí)可測位移值時(shí)可測位移值2、霍爾傳感器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用、霍爾傳感器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖所示?；魻栐苫魻柶⑺母€和殼體組成，如圖所示。 案例：案例：電流傳感器電流傳感器案

32、例：案例：管道裂紋檢測管道裂紋檢測原理原理磁場強(qiáng)度變化檢測磁場強(qiáng)度變化檢測 由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨(dú)特能力，并且由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波從直流到微波)、動、動態(tài)范圍大態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達(dá)輸出電勢變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長等特點(diǎn)，因此獲、壽命長等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。得了廣泛應(yīng)用。 例如，在測量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量例如，在測量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器；在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開

33、方、乘方以及的傳感器；在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。 3、 磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類磁感磁感應(yīng)半應(yīng)半導(dǎo)體導(dǎo)體元件元件體元件體元件霍爾霍爾IC結(jié)型元件結(jié)型元件霍爾元件霍爾元件磁電阻元件磁電阻元件磁敏二極管磁敏二極管磁晶體管磁晶體管磁半導(dǎo)體開關(guān)磁半導(dǎo)體開關(guān)其它其它開關(guān)開關(guān)線性線性4、 磁電阻元件磁電阻元件磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng))1 ()1 (cos/2202020BRRRR- -+ +lwx特點(diǎn)特點(diǎn) 電阻的增量與磁電阻的增量與磁 場的平方成正比；場的平方成正比； 與磁場的正負(fù)無關(guān)；與磁場的正負(fù)無關(guān)； 溫度系數(shù)影響大；溫度系

34、數(shù)影響大； 磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。 R-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5應(yīng)用應(yīng)用 磁頭；接近開關(guān)；無觸點(diǎn)開關(guān)。磁頭；接近開關(guān)；無觸點(diǎn)開關(guān)。（七）（七）光電轉(zhuǎn)換元件光電轉(zhuǎn)換元件 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。電效應(yīng)。 1、光敏電阻、光敏晶體管、光敏電阻、光敏晶體管 光電導(dǎo)效應(yīng)是指半導(dǎo)體材光電導(dǎo)效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會產(chǎn)生電子料受到光照時(shí)會產(chǎn)生電

35、子-空空穴對穴對,使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)使其導(dǎo)電性能增強(qiáng),光線光線愈強(qiáng)愈強(qiáng),阻值愈低阻值愈低,這種光照后電這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為光稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有電器件有光敏電阻、光敏二極光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。管、光敏三極管。 2 、光電池、光電池 光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。是常用的光生伏特型器件。+-PN3 、應(yīng)用、應(yīng)用 光敏二極管、光敏三極管均為

36、近紅外接收管，用于紅外光敏二極管、光敏三極管均為近紅外接收管，用于紅外線遙控器（用于電視機(jī)、錄象機(jī)等的遙控），光纖通訊，光線遙控器（用于電視機(jī)、錄象機(jī)等的遙控），光纖通訊，光電轉(zhuǎn)換器，光電耦合器，光電傳感器（光電開關(guān)），光電讀電轉(zhuǎn)換器，光電耦合器，光電傳感器（光電開關(guān)），光電讀出裝置（條形碼讀出器、自動評閱機(jī)等）。出裝置（條形碼讀出器、自動評閱機(jī)等）。 光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。反射式、輻射式四種基本形式。 例：例：光電鼠標(biāo)就是利用光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來測量位移。與光敏晶體管組合

37、來測量位移。例：例：亮度傳感器：亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達(dá)到有效利用自然光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。節(jié)約電能的目的。（八）（八） 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器 半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。 典型的熱敏電阻元件有圓形、

38、桿形和珠形等，其結(jié)典型的熱敏電阻元件有圓形、桿形和珠形等，其結(jié)構(gòu)及溫度特性如圖所示。構(gòu)及溫度特性如圖所示。 應(yīng)用應(yīng)用 溫控器溫控器熱敏電阻熱敏電阻（九）氣敏電阻傳感器（九）氣敏電阻傳感器 氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳等金屬氧化物制成敏感元件，當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，錳等金屬氧化物制成敏感元件，當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時(shí)，會發(fā)生還原反應(yīng)，放出熱量，使元如一氧化碳、醇等時(shí)，會發(fā)生還原反應(yīng)，放出熱量，使元件溫度相應(yīng)增高，電阻發(fā)生變化。件溫度相應(yīng)增高，電阻發(fā)生變化。 氣敏傳感器應(yīng)用較廣泛的是用于防災(zāi)報(bào)警，如煤氣、氣敏傳感器應(yīng)

39、用較廣泛的是用于防災(zāi)報(bào)警，如煤氣、或有毒氣體報(bào)警，也可用于對大氣污染監(jiān)測、或有毒氣體報(bào)警，也可用于對大氣污染監(jiān)測、CO氣體氣體測量、酒精濃度探測等方面。測量、酒精濃度探測等方面。煙霧報(bào)警器煙霧報(bào)警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化碳傳感器（十）（十） CCD固態(tài)圖象傳感器固態(tài)圖象傳感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)是在光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體半導(dǎo)體(P型硅型硅)基片上形成一種氧化物基片上形成一種氧化物(如二氧化硅如二氧化硅)，在氧，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個(gè)金屬化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個(gè)金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

40、元半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 (MOS)。 在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。元上就會感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。01111100光敏管陣光敏管陣列列并聯(lián)串聯(lián)轉(zhuǎn)換器運(yùn)算電路顯示電路結(jié)束信號驅(qū)動脈沖CCD 特點(diǎn)特點(diǎn):(1) 非接觸檢測非接觸檢測;(2) 響應(yīng)快響應(yīng)快;(3) 可靠性高可靠性高,為修簡便為修簡便;(4) 測量精度高測量精度高;(5) 體積小體積小,重量輕重量輕; 容易與計(jì)算機(jī)連接

41、容易與計(jì)算機(jī)連接(6) 對被測物體需要強(qiáng)光照射對被測物體需要強(qiáng)光照射;(7) 受被測物體以外的光的影響受被測物體以外的光的影響. 應(yīng)用應(yīng)用:(1) (1) 寬度測量寬度測量; (2) ; (2) 外徑測量外徑測量; (3) ; (3) 主軸徑向跳動測量主軸徑向跳動測量.（十一）熱輻射檢測傳感器（十一）熱輻射檢測傳感器 絕對零度以上的物體都有輻射，其強(qiáng)度依賴于物體的溫絕對零度以上的物體都有輻射，其強(qiáng)度依賴于物體的溫度度(K)，在此僅考慮黑體也稱全輻射體的輻射能和波長的關(guān)，在此僅考慮黑體也稱全輻射體的輻射能和波長的關(guān)系。根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達(dá)式：系。根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達(dá)式：應(yīng)用：應(yīng)用

42、： 冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。態(tài)溫度場的檢測問題。（十二）超聲波檢測傳感器（十二）超聲波檢測傳感器 1、聲波及其分類、聲波及其分類(1)次聲波，振動頻率低于次聲波，振動頻率低于l6Hz的機(jī)械波。的機(jī)械波。(2)聲波聲波:振動頻率在振動頻率在16Hz20KHz之間的機(jī)械波。之間的機(jī)械波。(3)超聲波超聲波:高于高于20KHz的機(jī)械波。的機(jī)械波。2、超聲波的物理性質(zhì)、超聲波的物理性質(zhì) 超聲波與一般聲波比較，振動頻率高，波長短，因超聲波與一般聲波比較，振動頻率高，波長短，因而具有束射特性，方向性強(qiáng)，可以定向

43、傳播，其能量遠(yuǎn)而具有束射特性，方向性強(qiáng)，可以定向傳播，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的一般聲波，并具有很高的穿透能力。遠(yuǎn)大于振幅相同的一般聲波，并具有很高的穿透能力。 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)存在反射、折射、擴(kuò)散、散超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)存在反射、折射、擴(kuò)散、散射等物理性質(zhì)。射等物理性質(zhì)。 3、 超聲波傳感器及應(yīng)用超聲波傳感器及應(yīng)用 (1)超聲波傳感器對超聲波傳感器對(2)超聲波探傷超聲波探傷超聲波的發(fā)射與接受超聲波的發(fā)射與接受案例：案例：輸油管檢測檢測機(jī)器人4、聲發(fā)射檢測傳感器、聲發(fā)射檢測傳感器 材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱無聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱無聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻到超聲頻，但多數(shù)金射的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻到超聲頻，但多數(shù)金屬屬(如鋼、鐵等如鋼、鐵等)的聲發(fā)射頻帶，均在超聲范圍內(nèi)。的聲發(fā)射頻帶，均在超聲范圍內(nèi)。 聲發(fā)射分聲發(fā)射分:1）連續(xù)發(fā)射）連續(xù)發(fā)射;2）