材料成型控制工程基礎(chǔ) 第三章

1、第3章 材料成型控制常用傳感器 3.1傳感器基礎(chǔ) 3.2 電參量型傳感器 3.3 電量型傳感器 3.4 材料成型常用傳感器3.1傳感器基礎(chǔ) 3.1.1 傳感器的概念傳感器是“能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。變換形式只有四種:非電非電;非電電;電電;電非電變 3.1.2 傳感器的組成 傳感器主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成。各部分作用如下：傳感器主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成。各部分作用如下：（1）敏感元件 直接感受被測量的變化，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件，是 傳感器的核心 。（2）轉(zhuǎn)換元件 將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成

2、適于傳輸或測量的電信號。 （3）測量電路 將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進行進一步的轉(zhuǎn)換和處理，如放大、濾波、線性化、 補償?shù)龋垣@得更好的品質(zhì)特性，便于后續(xù)電路實現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能。 3.1.3 傳感器的分類1. 按傳感器輸入端被測物理量分類按傳感器輸入端被測物理量分類（1）機械量：力參量、質(zhì)量、力、扭矩、應(yīng)力等。（2）熱工量：熱量、溫度、壓力、流速、流量、液位、物位等。（3）物性參量：密度、濃度、粘度、PH值等。（4）光學(xué)量：光強、輻射能量等。（5）化學(xué)量：氣體的組分、液體的組分等。2. 按傳感器輸出端被測物理量分類按傳感器輸出端被測物理量分類（1）輸出量為電參量（電阻、電感、電容、互

3、感），電阻式、電容式和電感式。（2）輸出量為電量（電壓、電流、電荷），感應(yīng)式、壓電式、熱電式、光電式等。3. 按能量關(guān)系分類按能量關(guān)系分類（1）能量轉(zhuǎn)換型：傳感器將從被測對象獲取的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號能量，如熱電偶、光電池等。有源型或發(fā)生器型。（2）能量控制型：傳感器從被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信號。此類傳感器必須由外部提供激勵源，如電源、光源、聲源等，才能輸出信號，如R、L、C電參量型傳感器。 4. 按傳感器結(jié)構(gòu)參量是否變化分類按傳感器結(jié)構(gòu)參量是否變化分類（1）結(jié)構(gòu)型 敏感元件（彈性元件）由彈性元件將力、質(zhì)量、壓力等多種被測

4、信號轉(zhuǎn)換為中間變量，如膜片的變形和應(yīng)力。（2）物性型 傳感器依賴物理屬性的改變直接將輸入信號轉(zhuǎn)換為輸出信息。它沒有中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，只有變送器，如測溫?zé)犭娮?、熱電偶，它們既是變換器也是傳感器。3.1.4 傳感器的基本特性傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)系特性，即系統(tǒng)輸出信號y(t)與輸入信號(被測量)x(t)之間的關(guān)系 1)測量范圍(measuring range) 2)量程(span) 3) 精度(accuracy) 4) 線性度(linearity) 5) 靈敏度(sensitivity) 6) 分辨率和閾值(resolution and threshold) 7) 重復(fù)性(repeata

5、bility) 8) 遲滯(hysteresis) 9) 穩(wěn)定性(stability) 10) 漂移(drift) 當(dāng)傳感器的輸入信號是常量，不隨時間變化(或變化極緩慢)時，其輸出輸入關(guān)系特性稱為靜態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能來描述。 3.2 電參量型傳感器3.2.1 電阻式傳感器定義：被測非電量的變化引起電阻器阻值改變的變換元件為電阻式傳感器。電阻式傳感器類型有三種：（1）利用電刷來回移動，改變電路中電阻器長度L，從而實現(xiàn)電阻值R的改變。電位器式傳感器，適用與測量線位移和角位移等參量。（2）利用應(yīng)力應(yīng)變使電阻絲產(chǎn)生變形，使電阻絲長度L、截面積A和電阻率均發(fā)生改變，從而實現(xiàn)R的改

6、變。電阻應(yīng)變式傳感器，適用于檢測應(yīng)力、應(yīng)變等參量。（3）利用熱或其它物理量使傳感器的電阻率發(fā)生改變，從而使電阻發(fā)生改變。一般適用于檢測溫度。本文主要介紹四類電阻傳感器：本文主要介紹四類電阻傳感器：電位器式傳感器；電阻應(yīng)變式傳感器；熱電阻和熱敏電阻；氣敏電阻傳感器。 1. 電位器式傳感器電位器式傳感器有四種：旋轉(zhuǎn)電位器，角度傳感器，直滑式電位器和位移傳感器。電位器式傳感器分:線性線繞電位器和非線性線繞電位器。2.電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變量輸入轉(zhuǎn)換為電量輸出的變換期間，一般可用于測量力，位移，速度，加速度和扭矩等參量。1）傳感器的構(gòu)成及工作原理）傳感器的構(gòu)成及工作原理傳感器的構(gòu)成：

7、電阻應(yīng)變片，彈性元件和粘接劑。工作原理:在外力作用下，彈性元件將產(chǎn)生一定應(yīng)變，使粘接其上的應(yīng)變片也產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，從而使電阻應(yīng)變片的阻值也發(fā)生變化，那么阻值大小反映了力的大?。ń饘俚碾娮钁?yīng)變效應(yīng)）。應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時，將產(chǎn)生機械變 形，機械變形會導(dǎo)致其電阻值變化。2)電阻應(yīng)變片的分類及其構(gòu)造電阻應(yīng)變片的分類及其構(gòu)造電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)主要由:敏感器件、基片、覆蓋片和引出線所組成。分類:電阻絲式應(yīng)變片，箔式應(yīng)變片，半導(dǎo)體式應(yīng)變片。(1)電阻絲式應(yīng)變片主要形狀:U形，V形，H形。(2)箔式應(yīng)變片 與絲式應(yīng)變片相比，金屬箔式應(yīng)變片具有散熱性能好，允許電流大，靈

8、敏度高，壽命長，可制成任意形狀，易加工，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點 箔式應(yīng)變片的種類分為：單應(yīng)力應(yīng)變片、扭矩應(yīng)變片和壓力傳感器應(yīng)變片三種。(3)半導(dǎo)體式應(yīng)變片 工作原理:在于半導(dǎo)體單晶體具有壓阻效應(yīng)， 即對一塊半導(dǎo)體的某一軸向施加 一定載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時，其電阻 率會發(fā)生一定變化。對于P型硅半導(dǎo)體，(111)晶周軸方向的壓阻效應(yīng)最大，對于N型硅半導(dǎo)體，(100)晶周軸方向的壓阻效應(yīng)最大。3）電阻應(yīng)變片特性）電阻應(yīng)變片特性 (1)機械滯后應(yīng) 變片安裝在試件上以后，在加載和卸載過程中，對同一機械應(yīng)變量，兩過程的特性曲線并不重合，卸載時的指示應(yīng)變高于加載時的指示應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的機械滯后(2)零漂 已粘

9、貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定，試件上沒有機械應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示會隨著時間增長而逐漸變化，這就是應(yīng)變片的零點漂移，簡稱零漂。 (3)蠕變 已粘貼的應(yīng)變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機械應(yīng)變長時間作用下，應(yīng)變片的指示會隨時間的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為蠕變。 (4)溫度效應(yīng) 當(dāng)環(huán)境溫度變化時，會引起電阻的相對變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。(5)應(yīng)變極限、疲勞壽命 應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件的真實應(yīng)變的相對誤差達到規(guī)定值(一般為10%)時的真實應(yīng)變值。對于已安裝的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N稱為應(yīng)

10、變片的疲勞壽命 (6)絕緣電阻和最大工作電流 應(yīng)變片的絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測件之間的電阻值。通常要求在50M 100M以上。絕緣電阻下降將使測量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。對于已安裝的應(yīng)變片，最大工作電流是指允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。工作電流的選取要根據(jù)試件的導(dǎo)熱性能及敏感柵形狀和尺寸來決定。 (7)應(yīng)變片的電阻值 指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力的情況下，于室溫測得的電阻值。目前常用的電阻系列有：60、120、200、350、500、1000、1500等，其中以120最常用。 3. 熱電阻和熱敏電阻1)金屬絲熱電阻 可用于測溫的金屬絲材料很多，

11、大多為純金屬有鉑、銅、鐵和鎳等。其電阻與溫度的關(guān)系為: Rt= R0 (1十a(chǎn)t)22ttRRRR Rt，R0分別為溫度為t和t0時的電阻值；a為電阻溫度系數(shù)，隨材料不同而異，以下是幾種純金屬的電阻率比與溫度之間的關(guān)系曲線。2)半導(dǎo)體熱敏電阻 制造熱敏電阻的材料主要有錳、鎳、銅和鉻等氧化物，將它們按一定比例混合后壓制成形，然后在高溫下(如1000左右)焙燒而成。其外形有珠狀、圓片狀和柱狀等。熱敏電阻的基本特性是電阻與溫度之間的關(guān)系，這一長系反映了熱敏電阻的性質(zhì)，即公式： exp(/)RAB T式中： A 與熱敏電阻尺寸、形式及半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)； B 與半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)；T 熱敏

12、電阻熱力學(xué)溫度。 熱敏電阻除有靈敏度高的特點外，還有電阻值高、體積小、熱容量小、熱慣性小、動態(tài)特性較好等特點，故得到了廣泛應(yīng)用。缺點是互換性差，非線性也較大。實現(xiàn)熱敏電阻輸出特性線性化的簡單方法，是用溫度系數(shù)很小的電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)，從而使等效電阻與溫度關(guān)系在一定溫度范圍內(nèi)保持線性。 3)熱敏電阻的伏安特性將熱敏電阻接上一個恒流源，并在它兩端測得端電壓，便得到了熱敏電阻的伏安特性，曲線分四段：0a階段：電流小于Ia，元件功耗小，電流不足以使熱敏電阻發(fā)熱， 元件上的濕度基本上是環(huán)境溫度，電壓與電流之間符合歐姻定律。ab階段：隨著電流增加，熱敏電阻功耗增加，導(dǎo)致電流加熱引起熱敏電阻自身溫度超

13、過 環(huán)境溫度(介質(zhì)溫度)，其阻值降低，因此出現(xiàn)非線性電阻區(qū)。bc階段：當(dāng)電流為Im時，電壓達到最大值電流繼續(xù)增加，熱敏電阻本身加溫更為 劇烈，使其阻值迅速成小。cd階段：由于熱敏電阻的溫度系數(shù)較大，隨著溫度升高，阻值減小的速度超過電流增加 速度，所以出現(xiàn)負阻區(qū)。4. 氣敏電阻傳感器 氣敏電阻傳感器是采用半導(dǎo)體氣敏器件對氣體進行檢測分析。半導(dǎo)體氣體傳感器的種類大體上分:電阻式和非電阻式。 電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料來制作敏感元件，利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。 氣敏元件有三種結(jié)構(gòu)類型：燒結(jié)體型、薄膜型和厚膜型。氣敏電阻傳感器有測氧傳感器，測Co傳感器等。5.

14、電阻應(yīng)變片溫度誤差及補償在理想情況下，應(yīng)變片的輸出電阻是應(yīng)變的一元函數(shù)，即RRf()，但實際上，應(yīng)變片輸出電阻還和溫度有關(guān)，即RR=g(，t)溫度的變化引起電阻的變化主要有兩點： 1）電阻絲電阻本身就是溫度的函數(shù) 2）試件材料與應(yīng)變片材料熱膨脹系數(shù)不同 10Ra TR a為溫度系數(shù)， T為溫度的變化值，R0為T0的電阻，R1為T1電阻值。（1）自補償法，即利用自身具有溫度補償作用的應(yīng)變片進行補償。 選擇式自補償法，又稱單絲自補償法。這種的自補償應(yīng)變片容易加工，成本低，缺點是只適用特定材料，溫度補償范圍也較窄。 組合式自補償，又稱雙絲自補償法，敏感柵由兩種不同溫度系數(shù)的電阻絲組成。（2）線路補償

15、法 常用電橋補償法， 其中R1是工作應(yīng)變片，安裝在被測試件上，RB是補償應(yīng)變片，安裝在補償塊上，與被測試件溫度相同，但不承受應(yīng)變。R1、RB 接入電橋相鄰兩臂，因 故輸出電壓U0不受溫度變化影響。 1BttRR3）差動電橋補償法 在應(yīng)變測試的某些條件下，可通過改變應(yīng)變片的粘貼位置，實現(xiàn)溫度補償，同時還可提高應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 測量時可將R貼在被測試件的下面，接入電橋電路中。 由于在外力F的作用下， RB與R1的變化值大小相等符號相反， 電橋的輸出電壓增加一倍。此時RB既起到了溫度補償作用， 又提高了靈敏度， 同時可補償非線性誤差。 6. 電阻式傳感器的應(yīng)用 電阻式傳感器應(yīng)用范圍很廣，主要用于檢

16、測力、壓力、扭矩、位移、加速度等參數(shù)。 1）電位器式壓力傳感器 電位器式壓力傳感器是利用彈性元件(如彈簧管、膜片或膜盒)把被測的壓力信號變換為彈性元件的位移，然后再將此位移轉(zhuǎn)換為電刷觸點的移動，從而引起輸出電壓或電流相應(yīng)的變化。 YCD150型遠程壓力傳感器原理圖 膜盒電位器式壓力傳感器原理圖 2) 柱(筒)式力傳感器 柱式傳感器分為柱形和圓筒形兩種，應(yīng)變片一般對稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面的中間部分，可對稱地粘貼多片，構(gòu)成差動式，提高了靈敏度，橫向粘貼的應(yīng)變片同時作為溫度補償。 柱式力傳感器的截面積隨載荷改變可導(dǎo)致非線性，需對此進行補償。筒式結(jié)構(gòu)可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來，改善了應(yīng)

17、力線分布，同時在筒壁上還能開孔，可減少偏心載荷、非均布載荷的影響，從而使引起的誤差更小。3)懸臂梁式傳感器 懸臂梁式傳感器是一種高精度、抗偏、抗側(cè)性能優(yōu)越的稱重測力傳感器。采用彈性梁及電阻應(yīng)變片作敏感轉(zhuǎn)換元件，組成全橋電路。當(dāng)垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時，電阻應(yīng)變片隨金屬彈性梁一起變形，其應(yīng)變使電阻應(yīng)變片的阻值變化，因而應(yīng)變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號。配以相應(yīng)的應(yīng)變儀，數(shù)字電壓表或其他二次儀表，即可顯示或記錄重量(或力)。懸臂梁式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)變片容易粘貼，靈敏度高等特點。 3.2.2電容式傳感器 電容式傳感器不但廣泛用于精密位移、振動、角速度、加速度等機械量檢測，而

18、且可以測量壓力、液位、料位、成分含量等參量。 電容式傳感器原理圖 電容式傳感器的基本原理:在S、d、r三個參量中，只要改變其中任意一個參數(shù)，即可使電容量C發(fā)生變化.根據(jù)這一原理，電容式傳感器可以制成三種形式：改變極距；改變面積；改變介電常數(shù)。1. 改變極距的電容式傳感器電容式傳感器 為了提高傳感器的靈敏度，減小初始極間距，在兩極板之間加絕緣介質(zhì)（如云母片），提高耐擊穿電壓。差動式電容傳感器原理:中間為一動片，兩側(cè)為定片，與動片形成兩個電容器。其電容量分別為C1和C0 差動式電容傳感器 2. 改變極板有效面積的電容式傳感器 四種通過改變截面積的電容式傳感器，其工作原理是保持其介質(zhì)介電常數(shù)和極板間

19、距不變，則電容器的電容C只隨極板相對覆蓋面積S而改變，而且成正比關(guān)系。這種轉(zhuǎn)換器可用來檢測線位移和角位移， 改受極板面積式電容傳感器的優(yōu)點為輸出與輸入呈線性關(guān)系；但其缺點為靈敏度低 。 電容式傳感器1-定片 2-動片1）角位移傳感器 當(dāng)動片有一角位移時，與定片相疊部分的面積S發(fā)生變化，從而使兩極板間電容C發(fā)生改變 電容式傳感器 2）線位移傳感器圓筒式電容傳感器 l兩筒間相對有效面積；r內(nèi)筒半徑（m）；極板問介質(zhì)相對介電常數(shù)；R外筒半徑（m） 3. 改變介質(zhì)電容式傳感器1）極板間充滿一種介質(zhì)的電容器(a)檢測厚度 (b)檢測物體 (c)檢測液體 (d)檢測氣體2）兩種介質(zhì)構(gòu)成的電容串聯(lián)形式的傳感

20、器這種傳感器可以用來測量紙張、塑料薄膜、合成纖維或絲線的厚度為了提高靈敏度，減小非線性誤差，一般做成差動式結(jié)構(gòu)。(a)變極距型差動傳感器 (b) 變面積型差動傳感器4. 電容式傳感器的應(yīng)用1）電容式液位傳感器 電容式液位傳感器，通過檢測電容極板間液體介質(zhì)充滿量進行檢測電容的大小，從而來反映出液位的大小。電容式液位傳感器 2）電容式溫度傳感器 電容式溫度傳感器，該種傳感器是屬于變介質(zhì)型電容傳感器，主要利用電容器的中間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度變化而改變的原理進行測量。 3.2.3電感式傳感器 電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用線圈自感或互感的改變來實現(xiàn)非電量的檢測。1. 自感式傳感器 自感式傳

21、感器是把被測量的變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。 按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有變氣隙式、變截面積式和螺線管式三種。1) 改變氣隙厚度的自感傳感器 電感量與氣隙厚度關(guān)系圖1-線圈 2鐵芯 3銜鐵 4測桿2) 改變通磁氣隙截面積的自感傳感器電感量與氣隙面積關(guān)系圖 3) 螺線管式自感傳感器螺線管式自感傳感器1-測桿 2鐵芯 3線圈 2. 互感式傳感器 互感式傳感器是把位移量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感系數(shù)M變化的一種器件，其本身為一個變壓器，在一次側(cè)線圈接入交流電源后，二次側(cè)線圈感應(yīng)出電壓。當(dāng)互感系數(shù)發(fā)生變化時，輸出電壓亦作相應(yīng)變化。由于這種傳感器常作

22、成差動形式，又稱為差動變壓器式傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測精度高、靈敏度高和檢測范圍廣等優(yōu)點。1) 改變氣隙厚度的互感式傳感器改變氣隙厚度的互感式傳感器2) 螺線管型差動變壓器式傳感器螺線管型差動變壓器式傳感器 3)差動變隙式電感傳感器 差動變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖 3. 電渦流式傳感器1) 高頻反射式電渦流傳感器傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 1線圈； 2框架； 3框架襯套； 4支架； 5電纜； 6插頭2)低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 4.電感式傳感器的應(yīng)用3) 力平衡式差壓計自感式壓力傳感器 2) 加速度傳感器加速度傳感器1定桿 2線圈1)自感式壓力傳感器 力平衡式差壓計 4

23、) 張力傳感器張力傳感器 自感式傳感器一般用于接觸測量，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量，它主要用于位移測量，也可用于振動、壓力、荷重、流量、液位等參數(shù)測量。 由定桿和線圈組成，在上下加速運動過程中，由于慣性，使鐵心相對于線圈位置發(fā)生改變，從而可檢測加速度 由動鐵和膜盒組成，在壓力P1和P2不平衡時，使膜盒發(fā)生上下移動， 從而使鐵心相對于 線圈位置發(fā)生改變， 從而可檢測力平衡程度 當(dāng)負載變化時，在形變板簧發(fā)生位移，從而使鐵心相對于線圈位置發(fā)生改變，從而可檢測張力大小 5) 電渦流式傳感器 可以用來測量位移、振幅、尺寸、厚度、熱膨脹系數(shù)、軸心軌跡和金屬件探傷等 6) 振動傳感器 位移傳感器 當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤振動時，

24、使極板間距發(fā)生改變，從而可檢測振動大小。 振動傳感器 7) 厚度傳感器 測厚傳感器 當(dāng)板厚不同時，相當(dāng)于極板間距發(fā)生改變，從而可檢測板厚大小。 8)渦流探傷 電渦流式傳感器可以對被測對象進行非破壞性的探傷 目前，應(yīng)用比較廣泛的有接近開關(guān)，也可用于技術(shù)金屬零件的計數(shù)。 3.3 電量型傳感器電量型傳感器的輸出量是電量(電壓、電流、電荷)，如磁電式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器。本節(jié)主要介紹磁電式傳感器、壓電式傳感器、壓磁式傳感器、霍爾元件式傳感器和光電式傳感器的原理及應(yīng)用。 3.3.1磁電式傳感器磁電式傳感器又稱感應(yīng)式傳感器，它利用電磁感應(yīng)原理，將運動速度轉(zhuǎn)換為線圈中的感應(yīng)電動勢

25、輸出。常用于測量線速度和角速度。1. 基本原理 磁電傳感器以導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生電動勢為基礎(chǔ)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，具有N匝線圈中感應(yīng)電勢E的大小取決于貫穿線圈磁通的變化率即 dENdt 磁電式傳感器四種基本形式 (a)動圈式 (b)動磁鋼式 (c)動銜鐵式 (d)旋轉(zhuǎn)式2. 磁電式傳感器的基本結(jié)構(gòu)形式磁電式傳感器的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極掌、圓筒形，磁軛以及圓筒形空氣隙組成 1)線速度型線速度型動圈式線速度型1彈簧 2極掌 3線圈 4磁軛2)角速度型角速度型 動圈式角線速度型 3)磁阻式磁阻式 磁阻式變換器的幾種應(yīng)用形式，用來檢測頻率、轉(zhuǎn)速、偏心度和振動速度 磁阻式變換器的幾種應(yīng)用形

26、式 磁阻式變換器的幾種對應(yīng)的輸出曲線 3.3.2 壓電式傳感器 壓電式傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)而制成的一種變換器件，當(dāng)有力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷(或電壓)產(chǎn)生。當(dāng)沿一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)材料施加壓力或拉力使之變形時，與受力的垂直表面會產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力撤消時，又恢發(fā)到不帶電狀態(tài)。壓電式測力傳感器 某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時，表面會產(chǎn)生電荷；外力撤銷后，又回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性隨之改變，把這種機械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”，反之，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效

27、應(yīng)”。 壓電式傳感器原理 3.3.3壓磁式傳感器壓磁式傳感器是一種測力傳感器。它是利用鐵磁材料磁彈性效應(yīng)，將被測力轉(zhuǎn)換為電信號，具有輸出幅值大和輸出阻抗低的特點。 壓磁效應(yīng)規(guī)律：鐵磁材料受到拉力時，在作用力方向磁導(dǎo)率提高，而在與作用力相垂直的方向，磁導(dǎo)率略有降低；受壓力作用時，其效果與上述相反。 (a)沒通電 (b)輸入端通電 (c)施加壓力壓磁傳感器原理3.3.4霍爾元件式傳感器 霍爾元件式傳感器原理 霍爾效應(yīng)：把一霍爾片(半導(dǎo)體片)放在磁場中，并使霍爾片平面垂直于磁場方向，如果在其橫向a、b端點通以電流i，那么在其縱向c、d端點就會產(chǎn)生一電動勢E。 3.3.5 光電式傳感器光電效應(yīng)分類：外

28、光電效應(yīng)；光電導(dǎo)效應(yīng)；光生伏特效應(yīng)。 外光電效應(yīng)：在光線照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也叫光電發(fā)射效應(yīng) 。光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量后而引起物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 光生伏特效應(yīng)：在光線照射下，半導(dǎo)體材料吸收光能后，引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。 電子能級示意圖 光生伏特效應(yīng)原理圖 1. 光電管與光電倍增管1)光電管利用光電效應(yīng)，在光線照射下，光電管便逸出電子，即產(chǎn)生電流 (a)光電管結(jié)構(gòu) (b)光電管電路外光電效應(yīng)器件2）光電倍增管 光電倍增管的工作原理：光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，將光電流在管內(nèi)部進行放大。 光

29、電倍增管原理圖 外光電效應(yīng)器件的應(yīng)用如煙塵濁度監(jiān)測儀 煙塵濁度監(jiān)測儀示意圖 2. 光敏電阻光敏電阻是基于物質(zhì)內(nèi)光電效應(yīng)而制成的種光電元件又稱為光導(dǎo)管 光敏電阻的工作原理 光敏電阻具有靈敏度高，可靠性好以及光譜特性好，精度高、體積小、性能穩(wěn)定、價格低廉等特點。因此，廣泛應(yīng)用于光探測和光自控領(lǐng)域。如：照相機、驗鈔機、石英鐘、音樂杯、禮品盒、迷你小夜燈、光聲控開關(guān)、路燈自動開關(guān)以及各種光控動物玩具，光控?zé)麸棢艟叩确矫?。光敏電阻的外型與結(jié)構(gòu)光電導(dǎo)層；玻璃；金屬殼；電極；絕緣襯底；黑色絕緣玻璃；引線3. 光敏晶體管光敏晶體管包括光敏二極管和光敏三極管 光敏二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)光敏二極管工作時外加反向工

30、作電壓，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，此時光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有光照射時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和空穴對，從而形成由N區(qū)指向P區(qū)的光電流，此時光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)入射光的強度發(fā)生變化時，光生電子和空穴對的濃度也相應(yīng)發(fā)生變化，因而通過光敏二極管的電流也隨之發(fā)生變化，光敏二極管就實現(xiàn)了將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕妮敵?。光敏二極管的工作原理和結(jié)構(gòu) 光敏三極管的工作原理和結(jié)構(gòu)當(dāng)光照射在基極-集電結(jié)上時，就會在集電結(jié)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對，從而形成基極光電流。集電極電流是基極光電流的倍。這一過程與普通三極管放大基極電流的作用很相似。所以光敏三極管放大了基極光電流，它的靈敏度比光敏

31、二極管高出許多。 (a) 結(jié)構(gòu) (b) 工作原理光敏三極管的工作原理和結(jié)構(gòu)光敏二極管和光敏三極管的光照特性如圖。從圖中可以看出，光敏二極管的光照特性曲線的線性比光敏三極管好。但是，光敏三極管的光電流比光敏二極管大，因為光敏三極管具有電流放大倍數(shù)。因此，光敏三極管的信噪比要比光敏二極管小。(a) 光敏三極管的光照特性 (b) 光敏二極管的光照特性光敏二極管和光敏三極管的光照特性 4. 光電池光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的元件。(a) 工作原理 (b)光電池的結(jié)構(gòu) (c)電路 光電池的結(jié)構(gòu)及原理當(dāng)入射光照在PN結(jié)上時，PN結(jié)附近激發(fā)出電子空穴對，在PN結(jié)勢壘電場作用下，將光生電

32、子拉向N區(qū)，光生空穴推向P區(qū)，形成P區(qū)為正、N區(qū)為負的光生電動勢。若將PN結(jié)與負載相連接，則在電路上有電流通過。5. 光電耦合器件 光電耦合器件是由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。 1) 光電耦合器 光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。耦合器常見的組合形式如 光電耦合器常見的組合形式 2) 光電開關(guān) 光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”

33、、“關(guān)”信號的器件。 (a) 透射式的光電開關(guān) (b) 反射式的光電開關(guān)光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖6.光電式傳感器的應(yīng)用1)模擬式光電傳感器的應(yīng)用 模擬式光電傳感器的作用原理是基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化，是光通量的函數(shù)。這類傳感器大都用于測量位移、表面粗糙度、振動等參數(shù)。 根據(jù)被測物、光源、光電器件三者之間的關(guān)系，模擬式光電傳感器通常有如下四種測量方式 模擬式光電傳感器 2)脈沖式光電傳感器的應(yīng)用 脈沖式光電傳感器的作用原理是光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)，即光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。屬于這一類的大多是作為繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測量線位移、線速度、角位移、角速度的光電脈沖傳感器等。 光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表工作原理 3.4 材料成型常用傳感器材料成型常用傳感器3.4.1溫度傳感器1. 熱電偶 塞貝克效應(yīng) 在由兩種導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A、B組成的閉合回路，如果對接點1加熱，使得接點1與2的溫度不同，那么回路中就會有電流產(chǎn)生，按在回路中的電流表指針會發(fā)小偏轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。相應(yīng)的電動勢稱為溫差電動勢或塞貝克電動勢，它在回路中產(chǎn)生的電流，稱為熱電流。A、B稱為熱電極。理論證明