常用的傳感器

常用的傳感器1第1頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一傳感器定義

傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。物理量電量2第2頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一傳感器的構(gòu)成

傳感器一般由敏感器件與輔助器件組成。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，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。

3第3頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3.1傳感器的分類位移,力,溫度等.機械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.物性型,結(jié)構(gòu)型.能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.(1)按被測物理量分類:(2)按工作原理分類:(3)按信號變換特征:(4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:4第4頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一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(yīng)變片.5第5頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,流量.聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩.6第6頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一機械式傳感器通常指以彈性體作為敏感元件，輸出為彈性體彈性變形的傳感器，通常用來檢測力、壓力、溫度等物理量。3.2機械式傳感器幾種常用的機械式傳感器(測力計)7第7頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3.3電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器一、變阻器式傳感器按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式.通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。常用的有直線位移型、角位移型和非線性型等8第8頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一直線位移型傳感器的輸出(電阻)與輸入(位移)成正比132直線位移型9第9頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一傳感器的輸出(電阻)與輸入(角位移)成線性關(guān)系角位移型123旋轉(zhuǎn)型10第10頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

傳感器的輸出(電阻)與輸入(位移)的關(guān)系與變阻器的骨架形狀有關(guān)，可根據(jù)需要的輸入輸出之間的關(guān)系確定變阻器的骨架形狀。非線性型：11第11頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一等效電路分析:132xxpEinEoutRxRLRp-RxRp-總電阻;xp-變阻總長;RL負(fù)載電阻;x-電刷移動量.12第12頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一變阻器式傳感器的優(yōu)點：(1)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩(wěn)定；(2)受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響??；(3)可以實現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關(guān)系；(4)輸出信號大，一般不需放大。變阻器式傳感器的缺點(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，所以分辨力較低；(3)動態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的量。13第13頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一案例：玩具機器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化14第14頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一二、電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片式傳感器分為金屬電阻應(yīng)變片式和半導(dǎo)體應(yīng)變片式。可用于測量應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)。將被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。15第15頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一（一）金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。16第16頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一金屬應(yīng)變片有:絲式、箔式和薄膜式優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點:靈敏度小.17第17頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一電阻應(yīng)變片的工作原理金屬應(yīng)變片的電阻R為-—電阻絲軸向相對變形，即縱向應(yīng)變-—電阻絲徑向相對變形，即橫向應(yīng)變軸向伸長時，必沿徑向縮小，有—電阻絲材料的泊桑比E：彈性模量；λ：壓阻系數(shù)電阻絲電阻率相對變化與軸向所受正壓力σ有關(guān)。18第18頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一對金屬材料而言，相對很小，可忽略較小，一般在1.7～3.6之間為應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)或靈敏度19第19頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一（二）半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用方法與金屬應(yīng)變片相同，但其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，即單晶半導(dǎo)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。與金屬應(yīng)變片基于材料的幾何尺寸變形的工作原理不同。半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)的物理本質(zhì)：單晶半導(dǎo)體在外力的作用下，原子的點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度的變化，從而引起電阻率的變化。720第20頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度對半導(dǎo)體而言，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于因此，忽略這一值比金屬應(yīng)變片大50～70倍21第21頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點（1）體積小，靈敏度高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量，橫向效應(yīng)小；（2）半導(dǎo)體溫度系數(shù)大，需要溫度補償；（3）靈敏度的非線性較大。22第22頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一（三）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用兩種應(yīng)用方式直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力23第23頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一粘貼在彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理量的傳感器。24第24頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一采用單晶硅做成的懸臂梁式彈性元件，采用平面擴散工藝技術(shù)，在它上面形成四個性能一致的電阻，構(gòu)成全橋；在梁的自由段連接敏感質(zhì)量塊，組成懸臂梁應(yīng)變式加速度傳感器。

25第25頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一電阻應(yīng)變片測出的是構(gòu)件或彈性元件的應(yīng)變，而不是應(yīng)力。只有通過換算，才能得到相應(yīng)的應(yīng)力、力和位移。粘合劑和粘合技術(shù)對測量結(jié)果有著直接影響。因此，粘合劑的選擇、粘合前試件表面的清理、粘合的方法和粘合后的固化處理、防潮處理應(yīng)認(rèn)真對待。應(yīng)變片用于動態(tài)測試時，應(yīng)考慮應(yīng)變片本身的動態(tài)響應(yīng)特性。應(yīng)注意應(yīng)變片工作溫度對應(yīng)變片阻值的影響。26第26頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一案例：電子秤原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。應(yīng)用27第27頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一（四）測量電路（4.1電橋）電橋是將電阻、電感、電容等電參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。其輸出既可用儀表直接測量，也可以送入放大器進(jìn)行放大。電橋的電路形式簡單，具有較高的精確度和靈敏度，因此在測量裝置中被廣泛應(yīng)用。28第28頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

電橋的分類

按其激勵電壓的性質(zhì)分直流電橋和交流電橋。按其輸出方式分不平衡橋式電路和平衡橋式電路729第29頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一一、直流電橋U0UyabcdR1R4R2R3

1.工作原理要使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿足：或30第30頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一2.直流電橋的分類根據(jù)工作中，電阻值參與變化的橋臂數(shù)分為半橋式連接和全橋式連接U0UyabcdR1R4R2R331第31頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一（1）半橋單臂聯(lián)接R1=R2=R3=R4=R0其靈敏度為：bU0UyacdR1RR4R2R332第32頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

特點：

1.需高精度的直流電源

2.有非線性誤差33第33頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一（2）半橋雙臂聯(lián)接bU0UyacdR1＋RR4R2

－RR334第34頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一半橋雙臂與半橋單臂相比，有：1.靈敏度提高一倍，且是線性的。2.具有溫度補償功能。35第35頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一靈敏度比半橋雙臂提高一倍，無非線性誤差；具有溫度補償作用。（3）全橋聯(lián)接U0bUyacdR1＋RR4－RR2

－RR3＋R36第36頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一以上電橋是在不平衡條件下工作的，其輸出與電源及其它電阻值有關(guān)，所以當(dāng)電源不穩(wěn)定就會產(chǎn)生測量誤差。

平衡電橋可以有效地解決這一問題

電橋接法不同，輸出電壓也不同。半橋單臂靈敏度最小，半橋雙臂提高一倍，全橋接法，靈敏度最大，因而激勵電壓相同的條件下，輸出電壓最大。37第37頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一平衡電橋

H的標(biāo)度與橋臂電阻值的變化成比例，故H的指示值可以直接表達(dá)被測量的數(shù)值。這種測量法的特點是在讀數(shù)時電表G始終指零，因此為“零位測量法”，其測量誤差取決于可調(diào)電位器的精確度一般靜態(tài)應(yīng)變儀往往采用這種平衡電橋，并以手動實現(xiàn)平衡。在電子電位差計或X-Y記錄儀中，通常是以伺服電動機來調(diào)整電位器的位置，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)器平衡。38第38頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一平衡電橋和不平衡電橋精度的影響因素因不平衡電橋的輸出電壓與激勵電壓有關(guān)，故其精度受激勵電壓的穩(wěn)定性的影響。平衡電橋因電橋最終輸出為零，其輸出與電橋激勵電壓無關(guān)，故其測量精度只與可調(diào)電位器的精度有關(guān)。負(fù)載影響小。39第39頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一二、交流電橋

一般而言，電橋輸出電壓極小，需加放大器，但通用直流放大器容易產(chǎn)生零漂，因此目前通常采用交流放大器，這時電橋需采用交流電源供電。40第40頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一1交流電橋的平衡條件

交流電橋的四個臂可為電感、電容或電阻，此時電橋平衡時應(yīng)滿足交流電橋平衡滿足:相對兩臂阻抗之模的乘積相等且其阻抗角之和也相等。則電橋平衡時必須同時滿足以下兩式：41第41頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

為滿足交流電橋的平衡條件，交流電橋各臂有不同的組合，常用的電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻，而另外兩臂接相同性質(zhì)的阻抗以保持阻抗角相同。42第42頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一對于右圖所示電容電橋，R1、R4為電容介質(zhì)損耗的等效電阻。平衡條件實部虛部分別相等，則：43第43頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一2.交流電橋的平衡調(diào)節(jié)

電橋起始時，很難保證處于平衡狀態(tài)，產(chǎn)生零位輸出，所以必須設(shè)置調(diào)平衡電路。44第44頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一交流電橋的激勵電壓均采用單一頻率的正弦電壓。3.交流電橋的激勵電壓

45第45頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一將感應(yīng)耦合的兩個繞組作為橋臂而組成的電橋三、帶感應(yīng)耦合臂電橋46第46頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3.4電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型47第47頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一（一）可變磁阻式一、自感型可變磁阻式傳感器：將被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榇怕反抛璧淖兓?，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電感量的變化?？勺兇抛枋降慕M成及工作原理由線圈、鐵心和銜鐵組成48第48頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一鐵芯線圈電路中，線圈自感量L為：i磁通量磁通勢=電流*線圈匝數(shù)磁路磁阻所以原理:49第49頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一L：線圈的電感量；W：線圈的匝數(shù)；Rm:磁路的總磁阻；：鐵心和銜鐵的磁導(dǎo)率；l:鐵心和銜鐵總導(dǎo)磁長度；0：空氣的磁導(dǎo)率；：氣隙長度；A：鐵心導(dǎo)磁截面積；A0：空氣隙導(dǎo)磁截面積。鐵心磁阻遠(yuǎn)小于空氣隙的磁阻50第50頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一變氣隙式靈敏度為δ越小，靈敏度越高。為減小線性誤差，常規(guī)定在較小間隙范圍內(nèi)工作。適用于較小位移的測量，一般約為0.001~1mm.51第51頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一輸出電感量與氣隙成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。靈敏度與氣隙的平方成反比，愈小，靈敏度越高。如以氣隙為輸入量，因靈敏度不是常數(shù)，故會出現(xiàn)線性誤差，這限制了傳感器的工作范圍?？勺兇抛枋絺鞲衅鞯奶攸c52第52頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一可變導(dǎo)磁面積型53第53頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一差動型銜鐵移動時，一個線圈自感增加，另一個線圈自感減少。將兩線圈接于電橋的相鄰橋臂時，其輸出靈敏度可增加一倍。54第54頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一差動型的特點：1.靈敏度提高一倍；2.非線性誤差減小，差動式的線性度得到明顯改善；3.兩邊結(jié)構(gòu)對稱，溫度引起的誤差可相互補償?shù)簟?5第55頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一單螺管線圈型結(jié)構(gòu)簡單，制造容易。靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米）的測量。56第56頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一雙螺管線圈差動型靈敏度高，線性度好。雙螺管線圈差動測量電路采用電橋電路，如圖為帶感應(yīng)耦合的電橋。857第57頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一（二）渦流式1.原理：金屬體在可變磁場中的渦流效應(yīng)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，叫渦電流，此現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)58第58頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一原線圈的等效阻抗Z變化：渦流傳感器的原理：線圈中通高頻電流，產(chǎn)生Φ，Φ貫通導(dǎo)體，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流，電渦流產(chǎn)生相反的Φ1

使線圈阻抗改變。由于線圈的阻抗不僅與線圈金屬板間的距離有關(guān)，還與金屬板的電阻率和磁導(dǎo)率以及線圈激磁角頻率有關(guān)，因此，渦流傳感器可以用來測量位移和振動、鑒別材質(zhì)或探傷。59第59頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一2.渦流式傳感器的測量電路阻抗分壓式調(diào)幅電路渦流式傳感器的測量電路有：阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。60第60頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一61第61頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)頻電路與調(diào)幅法不同的是以回路的諧振頻率作為輸出量。再通過鑒頻電路進(jìn)行頻率—電壓轉(zhuǎn)換，從而得到與距離成比例的輸出電壓。2.渦流式傳感器的測量電路62第62頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3.渦流式傳感器的特點結(jié)構(gòu)簡單、使用方便；可非接觸測量；不受油液介質(zhì)影響，抗干擾能力強。位移、力、振動測量，測厚,材質(zhì)判別，探傷。4.應(yīng)用：63第63頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測油管檢測64第64頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一案例：測厚案例：零件計數(shù)65第65頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一二、互感型－－差動變壓器工作原理:利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。當(dāng)線圈W1輸入交流電流時，線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小與電流i1的變化率成正比M，比例系數(shù)，稱為互感（H），其大小與兩線圈相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，它表明兩線圈之間的耦合程度。其實質(zhì)是一個變壓器，當(dāng)初級線圈接入穩(wěn)定交流電，被測參數(shù)使互感M變化時，次級輸出電壓隨著變化。由于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱為差動變壓器式傳感器。66第66頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一WW1W2結(jié)構(gòu):由初級線圈，兩個對稱的次級線圈，骨架，銜鐵組成。兩個參數(shù)完全相同的次級線圈W1和W2反極性串聯(lián)。67第67頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一差動變壓器是一種互感型電感式傳感器，其結(jié)構(gòu)類似于變壓器，由初級線圈、次級線圈和鐵芯組成，鐵芯是活動的，初級線圈與次級線圈之間耦合的緊密程度受到鐵芯位置的影響。在初級線圈加固定交變電壓，次級線圈的輸出電壓幅值與鐵芯的位置有一定的關(guān)系，從而將鐵芯的位置信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷盒盘?。由于常常采用兩個次級線圈組成差動方式，即當(dāng)鐵芯的位置朝某一方向運動時一個次級輸出的電壓幅值增加而另一個輸出的幅值減小，當(dāng)鐵芯的運動方向改變時，兩個次級線圈電壓幅值的增減也正好相反，因此這種傳感器被稱作差動變壓器式傳感器。

差動變壓器式傳感器的工作原理：968第68頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一輸出電壓e0是兩個次級線圈感應(yīng)電壓之差，即e0=e1-e2Ewe1e2e069第69頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一輸出交流電壓，且其幅值與鐵心位移成正比，但只反映位移的大小，不能反映移動的方向。存在由兩個次級線圈結(jié)構(gòu)不對稱以及初級線圈銅損、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因形成的零點殘余電壓。差動變壓器的特性：70第70頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一測量電路差動變壓器式電感傳感器測量位移的原理框圖71第71頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一差動變壓器式傳感器的特點：結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠；精確度高(0.1m)，靈敏度高；線性范圍大（0～750mm）

；穩(wěn)定度好；使用方便。72第72頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩,應(yīng)力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度等.案例：板的厚度測量~案例：張力測量73第73頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3.5電容式傳感器

一、變換原理:

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,它的電容量為:+++A真空中介電常數(shù)介質(zhì)的相對介電常數(shù)當(dāng)被測量δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為電容量的變化。（實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器）74第74頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一分類:

a)極距變化型:c)介質(zhì)變化型:+++b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.++++++75第75頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一（一）極距變化型工作原理由電容量表達(dá)式可知，如兩極板互相覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，則電容量與極距呈非線性關(guān)系。且傳感器的靈敏度為:+++與極距平方成反比，即傳感器靈敏度隨極距而變化，這將帶來線性誤差。因此，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作，以便獲得近似線性關(guān)系。一般取極距變化范圍為:76第76頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一實際應(yīng)用中，為提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結(jié)構(gòu)，在差動式電容器中，當(dāng)動極板位移時，電容器C1的間隙1變?yōu)?－，電容器C2的間隙2變?yōu)?

＋?？梢酝茖?dǎo)出，兩個參數(shù)相同的電容采用差動連接組成的傳感器的靈敏度是使用其中單個電容器組成傳感器的2倍。線性誤差也減小。77第77頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一可進(jìn)行動態(tài)非接觸式測量；動態(tài)響應(yīng)好，具有很高的固有頻率；靈敏度高，適用于小位移（0.01微米～數(shù)百微米）的測量；存在線性誤差；雜散電容對靈敏度和測量精度有影響，與傳感器配合使用的電子線路也比較復(fù)雜。極距變化型電容傳感器的特點：78第78頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一角位移型、平面線位移型、柱面線位移型.++++++如右圖，兩極板的覆蓋面積所以電容量靈敏度為常數(shù)（二）面積變化型面積變化型也可以采用差動式79第79頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一面積變化型的特點：輸出與輸入成線性關(guān)系；靈敏度較低，適用于較大直線位移或角位移的測量。80第80頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一這是一種利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。可用來測量電介質(zhì)的液位或某些材料的厚度等，也可用來測量空氣的濕度。測紙張、電影膠片等的通過垂直放入液體中，可測量浸入的液面高度（三）介質(zhì)變化型981第81頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一電容式傳感器特點：1.動態(tài)響應(yīng)好，具有小的靜電力，小的可動質(zhì)量（兩極板間的靜電引力小，活動極板的質(zhì)量很小，兩塊極板很輕，所以有很高的固有頻率，動態(tài)響應(yīng)快）2.介質(zhì)損耗小，無發(fā)熱問題。3.結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，可實現(xiàn)非接觸測量。4.傳感器的電容值一般很小（幾十～幾百p），引線電容可造成很大的誤差。5.主要用于小位移的測量。82第82頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一二、測量電路（一）電橋型電路將電容傳感器作為電橋的一部分，將電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出。通常采用電阻、電容、或電感、電容組成的交流電橋。83第83頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一由高頻振蕩器輸入穩(wěn)定的振蕩信號，幅值和頻率恒定，當(dāng)被測量使電容值發(fā)生變化時，則諧振電路的阻抗發(fā)生變化，并轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。經(jīng)放大、檢波可得到輸出（二）諧振電路：84第84頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)被測量使電容值發(fā)生變化時，振蕩器的頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化，即振蕩器輸出受被測信號調(diào)制的調(diào)頻波，該調(diào)頻波經(jīng)過鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?。這種電路具有抗干擾性強、靈敏度高等優(yōu)點，可測0.01微米的位移。但缺點是電纜電容的影響較大，使用中有些麻煩。（三）調(diào)頻電路：85第85頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一輸入阻抗采用固定電容C0，反饋阻抗采用電容傳感器C，由運算放大器的運算關(guān)系得輸出電壓與電容傳感器的間隙成線性關(guān)系。（四）運算放大器電路：極距變化型電容傳感器的極距變化與電容變化量成非線性關(guān)系，這一缺點使電容傳感器的應(yīng)用受到一定限制。采用比例運算放大器可得到輸出與位移之間的線性關(guān)系86第86頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一三、測量電路設(shè)計中應(yīng)注意的問題注意傳感器板極與周圍元件之間以及連接電纜存在的分布和寄生電容的影響。為減小或消除上述因素的影響，常采用縮短傳感器和測量電路之間的電纜。采用專用的驅(qū)動電纜。87第87頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)用案例:液面高度測量88第88頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3.6壓電式傳感器

一、工作原理:

壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時，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；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

壓電式傳感器是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)，把被測量的變化轉(zhuǎn)換為電荷量變化的傳感器。相反，如果將這些物質(zhì)置于電場中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種由于外電場的作用導(dǎo)致物質(zhì)的機械變形稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮。89第89頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一q=dcFF+—電荷量—壓電常數(shù)—作用力沿x軸方向受力Fx，垂直x軸的平面產(chǎn)生電荷，稱縱向效應(yīng)沿y軸方向受力Fy，垂直x軸的平面產(chǎn)生電荷，稱橫向效應(yīng)沿相對兩棱受力產(chǎn)生切向效應(yīng)90第90頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一二、壓電材料壓電材料大致有三類：壓電單晶、壓電陶瓷和有機壓電薄膜壓電單晶：代表性的如石英晶體，穩(wěn)定性好，但壓電常數(shù)不高壓電陶瓷：壓電常數(shù)比石英高數(shù)百倍，應(yīng)用最廣有機壓電薄膜：高分子壓電薄膜的壓電特性并不太好，但它可以大量生產(chǎn)，具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點，可用于微壓測量和機器人觸覺。1091第91頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一三、等效電路在壓電晶片的兩個工作面進(jìn)行金屬蒸鍍，引出電極，就成了壓電傳感器因此壓電傳感器可以看成是電荷發(fā)生器，或電容器92第92頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)壓電傳感器接入測量電路，連接電纜的寄生電容和后續(xù)電路的輸入阻抗就形成傳感器的負(fù)載。此時有以下電荷平衡關(guān)系當(dāng)輸入力為正弦力時，輸出電荷亦為正弦變化量，即可容易求出（穩(wěn)態(tài)）電壓為93第93頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一在測試動態(tài)量時，為了建立一定的輸出電壓并為了不失真地測量，壓電式傳感器的后續(xù)測量電路必須有高輸入阻抗，在輸入端并聯(lián)一定的電容以加大時間常數(shù)。但并聯(lián)電容過大也會使輸出電壓降低過多，降低了測量裝置的靈敏度。94第94頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號。串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。

在實際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。95第95頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一四、測量電路

壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。

壓電式傳感器的測量放大電路通常有兩種形式，其一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出）成正比。由上頁公式可以看出，由于電壓與電容有關(guān)，而電容C中的最大成份是電纜對地的分布電容，因此整個測量系統(tǒng)對分布電容的變化非常敏感，連接電纜的長度和形態(tài)變化，都會導(dǎo)致傳感器輸出電壓的變化，從而使儀器的靈敏度也發(fā)生變化。

其二是電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器應(yīng)用廣泛。

96第96頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

可見，此時輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜對地電容無關(guān)。因此采用電荷放大器時，即使連接電纜長達(dá)百米以上，其靈敏度也無明顯變化。

考慮到運放的開環(huán)增益A非常大，輸入阻抗很高，有97第97頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一五、應(yīng)用b)壓力變送器a)加速度計，力傳感器

98第98頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一磁電式傳感器是把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種傳感器。磁電式傳感器是一種機-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍(一般為10～1000Hz)，適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。

3.6磁電式傳感器

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，N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(yīng)電動勢e的大小決定于穿過線圈的磁通量Φ的變化率，即

1.工作原理及分類:

磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關(guān)，故若改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。

99第99頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N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變磁通式，即動圈式傳感器和磁阻式傳感器。

100第100頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一2動圈式傳感器

匝數(shù)

磁感應(yīng)強度

線圈有效長度

相對運動速度

結(jié)構(gòu)系數(shù)

單匝線圈截面

感應(yīng)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。101第101頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一動圈式磁電傳感器等效電路其等效電路的輸出電壓為

忽略Cc，RL?Z0102第102頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3.磁阻式傳感器

線圈與鐵芯不作相對運動，由運動著的物體（導(dǎo)磁材料）來改變磁路的磁阻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。

103第103頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖a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)體上，隨之一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一個齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的變化頻率等于測量齒輪上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。

圖b為閉合磁路變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，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f與測量齒輪轉(zhuǎn)速n(r/min)成正比，即f=n/60。

104第104頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3.磁阻式傳感器

105第105頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一第三章常用傳感器3.8半導(dǎo)體傳感器

工作原理利用半導(dǎo)體對光、熱、力、磁、氣體、濕度等物理化學(xué)量的敏感特性，將非電量轉(zhuǎn)換為電量。106第106頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3.8半導(dǎo)體傳感器

半導(dǎo)體傳感器的特點：半導(dǎo)體傳感器是物性型傳感器；可做成結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的器件；功耗低、安全可靠、壽命長；對被測量敏感、響應(yīng)快；易實現(xiàn)集成化；半導(dǎo)體傳感器的缺點：非線性嚴(yán)重；受溫度影響大；性能參數(shù)分散性大。107第107頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3.8半導(dǎo)體傳感器一、磁敏傳感器

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，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)。

1.霍爾元件

霍爾常數(shù)磁感應(yīng)強度電流與磁場方向的夾角霍爾電勢利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作。108第108頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料，由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖所示。109第109頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)用舉例：將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從a端通人電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生霍爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1－VH2。如果霍爾元件在初始位置時VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)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。

110第110頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一磁阻元件利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)來工作。磁阻效應(yīng)通有電流的金屬或半導(dǎo)體片的電阻隨外磁場而變化，與材料和幾何形狀有關(guān)。磁阻元件的應(yīng)用位移、力和加速度等參數(shù)的測量；接近開關(guān)和無觸點開關(guān)。2.磁阻元件特點：電阻的增量與磁場的平方成正比；與磁場的正負(fù)無關(guān)；溫度系數(shù)影響大；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。3.8半導(dǎo)體傳感器

10111第111頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一二、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，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)。1)光敏電阻

光敏電阻是一種光電導(dǎo)元件，指半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導(dǎo)電性能增強,光線愈強,阻值愈低,這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。3.8半導(dǎo)體傳感器

112第112頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一2)光電池光生伏特效應(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。+++---PN113第113頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一3)應(yīng)用光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式（透射式）、遮光式、反射式、輻射式（直射式）四種基本形式。常用于測量混合氣體、液體的透明度、濃度等用于測量工件表面粗糙度及測量轉(zhuǎn)速等常用于測量位置、位移、振動、頻率等常用于溫度測量114第114頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖。由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出的光，通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號轉(zhuǎn)為電信號輸出。開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測轉(zhuǎn)速。應(yīng)用

n=f/N

n—轉(zhuǎn)速；f—脈沖頻率；N—圓盤開孔數(shù)。

115第115頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一三、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、鈷、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。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。

3.8半導(dǎo)體傳感器

116第116頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，可測量微小的溫度變化值。例如，可以測出0.001～0.005℃的溫度變化。

(2)體積小，熱慣性小，響應(yīng)快。例如，直徑可小到0.5mm，響應(yīng)時間可短到毫秒級。

(3)元件本身的電阻值可達(dá)3～700kΩ，當(dāng)遠(yuǎn)距離測量時，導(dǎo)線電阻的影響可不考慮。

(4)在-50～350℃的溫度范圍內(nèi)，具有較好的穩(wěn)定性。

半導(dǎo)體熱敏電阻的特點：117第117頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)用溫控器熱敏電阻3.8半導(dǎo)體傳感器

118第118頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一四、氣敏傳感器

氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化鋅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，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。

氣敏傳感器應(yīng)用較廣泛的是用于防災(zāi)報警，如煤氣、或有毒氣體報警，也可用于對大氣污染監(jiān)測、CO2氣體測量、酒精濃度探測等方面。煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器3.8半導(dǎo)體傳感器

119第119頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一5CCD固態(tài)圖象傳感器MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體(P型硅)基片上形成一種氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬-氧化物-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MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。3.8半導(dǎo)體傳感器

120第120頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一CCD傳感器的應(yīng)用

CCD傳感器依照其像素排列方式的不同主要分為線陣、面陣兩種。CCD傳感器用于非電量的測量，主要用途大致歸納為