常用传感器汇总ppt课件.ppt

传感器是将被测物理量转化为与之相对应的的易传感器是将被测物理量转化为与之相对应的的易于检测、传输或处理的信号的装置于检测、传输或处理的信号的装置 。组成：组成：一般由敏感元件与其他辅助件组成。敏感元件是一般由敏感元件与其他辅助件组成。敏感元件是传感器的核心。传感器的核心。 作用：作用：（1）类似于人的感觉器官。将被测物理量转换）类似于人的感觉器官。将被测物理量转换成为可测信号并传给中间环节进行处理分析。成为可测信号并传给中间环节进行处理分析。（2）认为是人的感官延伸。可探索人们无法用）认为是人的感官延伸。可探索人们无法用感官直接测量的事物。感官直接测量的事物。第第4章章 常用传感器常用传感器4-1 传感器分类传感器分类（1）按被测物理量）按被测物理量位移传感器力传感器温度传感器加速度传感器（2）按输出量）按输出量电阻式电容式电感式（3）按能量转换原理分为有源传感器和无）按能量转换原理分为有源传感器和无源传感器源传感器有源传感器有源传感器：将非电量转化为电能量的传感器。如测速发电机、磁感式传感器等。 无源传感器无源传感器：将被测量转换为电参量（如电阻、电容、电感等）的变化。各类电阻（热敏电阻、压敏电阻、光敏电阻等）式传感器、电容式传感器、电感式传感器等。4.2 电阻式传感器电阻式传感器滑变电阻式传感器滑变电阻式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器压敏电阻式传感器压敏电阻式传感器热敏电阻式传感器热敏电阻式传感器光敏电阻式传感器光敏电阻式传感器 一、滑变电阻式传感器 滑变电阻式传感器又称电位计式传感器滑变电阻式传感器又称电位计式传感器，其工作原理是通过滑动触点改变电阻丝的长度来改变电阻滑动触点改变电阻丝的长度来改变电阻值的大小值的大小，进而将电阻值的变化转变为电压或电流的变化，如图4-1所示。图4-1 滑变电阻式传感器 （a）线位移型 （b）角位移型 图中变阻器的活动触C的滑动量分别为X（线位移型）和（角位移型）。固定触点A和活动触点C之间的电阻值分别为： 式中： 、 分别为线位移型和角位移型滑变电阻式传感器的输出电阻； 、 分别为单长度和单位弧度的电阻值； 、 分别是线位移和角位移。 滑变电阻式传感器的滑变电阻式传感器的输出（电阻）输出（电阻）与与输入（位移）输入（位移）呈线性关呈线性关系。传感器的灵敏度系。传感器的灵敏度 E E ： XKRlwKRRlRKwKXKaXdREllwKddRE线绕式结构的缺点：线绕式结构的缺点： 电阻的变化是台阶状电阻的变化是台阶状（当滑动触点从一圈导线移至下一圈时，电阻值不是连续变化，而是呈现出一个一个的台阶）。优点优点： 结构简单、性能稳定、使用方便结构简单、性能稳定、使用方便。在汽车领域得到了广泛地应用。 在汽车上的应用在汽车上的应用： 发动机节气门位置传感器、汽车侧滑试验台上的线位移传感器等多采用滑变电阻式传感器。 二、电阻应变片式传感器二、电阻应变片式传感器 由物理学之，金属丝的电阻与金属丝的长度、截面积及电阻率的关系如下： 式中： 电阻值， ； 电阻率， ； 金属丝的长度， ； 金属丝的截面积， 。 当金属丝受到拉伸或压缩时，由于金属丝的长度当金属丝受到拉伸或压缩时，由于金属丝的长度L L和截面和截面积积A A要发生变化，因此电阻值要发生变化，因此电阻值R R亦会发生变化亦会发生变化。为了了解其变化规律，下面对上式进行微分得： ALRRmmm /2LmA2mm2)(ALdALddLAdR 设金属丝的半径为r，则截面积 ，将其代入式中并整理得： 式中： 电阻丝的纵向应变 ，常用 表示； 金属丝的径向相对变化率，当金属丝沿轴向伸长时，径向必然会相对地缩小，其二者的关系为： 金属丝的泊松比； 金属丝电阻率的相对变化率，其大小与纵向所受的应力 有关。 与材料有关的纵向压阻系数； 材料的弹性模量。2rArdrdLdLRdR2LdLrdrLdLrdrdEdE整理得： 对于一般的金属材料而言，电阻率的变化率很小，即对于一般的金属材料而言，电阻率的变化率很小，即纵向压阻系数纵向压阻系数 很小，可忽略不计很小，可忽略不计。如此，上式就变为： 即金属丝的电阻变化率即金属丝的电阻变化率 与纵向应变与纵向应变 成正比，这就成正比，这就是金属丝的是金属丝的应变效应应变效应。利用应变效应制做的传感器称为。利用应变效应制做的传感器称为电电阻应变片式传感器阻应变片式传感器。 电阻应变片式传感器的灵敏度，用 表示。RdRRE)21 (ERdR)21 ( RdR21/RdRER 由基片由基片1 1、敏感栅、敏感栅2 2、盖片、盖片3 3和引线和引线4 4等部分组成等部分组成。敏敏感栅是由具有高电阻率的电阻丝绕制成栅形，粘接在基感栅是由具有高电阻率的电阻丝绕制成栅形，粘接在基片和盖片之间，在焊上引线片和盖片之间，在焊上引线4 4就构成电阻应变片。就构成电阻应变片。 电阻应变片的构造1 基底；2 敏感栅；3 盖片；4 引线2、电阻应变片的构造3 3、使用方法、使用方法 将应变片用将应变片用粘接剂粘贴粘接剂粘贴在在被测试件表面。在载荷或外界因被测试件表面。在载荷或外界因素作用下试件发生变形，粘贴在素作用下试件发生变形，粘贴在试件表面的电阻丝随试件一起发试件表面的电阻丝随试件一起发生变形，电阻值发生变化。生变形，电阻值发生变化。 于是就实现了将被测量转于是就实现了将被测量转化为电阻值的变化。通过测量电化为电阻值的变化。通过测量电阻应变片的阻应变片的电阻值的变化电阻值的变化，就可，就可以确定以确定被测量的大小被测量的大小。4、电阻应变片的种类、电阻应变片的种类（1）金属丝式）金属丝式回线式应变片 a、回线式应变片、回线式应变片 回线式应变片是将电阻丝绕制成敏感棚，然后粘回线式应变片是将电阻丝绕制成敏感棚，然后粘结在各种绝缘基底上而制成的，它是一种常用的应变结在各种绝缘基底上而制成的，它是一种常用的应变片。片。优点优点是制作简单、价格便宜；是制作简单、价格便宜；缺点缺点是是横向效应横向效应比较明显。比较明显。横向效应横向效应“横向效应横向效应”：将直的金属丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同（变化方向不一致，相互制约），应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因而灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。 由于横向效应的影响，应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金属丝的灵敏度系数。短接式应变片b、短接式应变片、短接式应变片 这种应变片是将敏感栅平行安放。两端用直径比这种应变片是将敏感栅平行安放。两端用直径比栅丝直径大栅丝直径大510倍的镀银丝短接起来而构成的。倍的镀银丝短接起来而构成的。 突出优点是克服了回线式应变片的横向效应。但突出优点是克服了回线式应变片的横向效应。但由于焊点多，在冲击、振动试验条件下，易在焊接点由于焊点多，在冲击、振动试验条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏。制造工艺要求高。处出现疲劳破坏。制造工艺要求高。 （2）金属箔式应变片）金属箔式应变片 这类应变片利用照相制版或光刻腐蚀的方法，在绝这类应变片利用照相制版或光刻腐蚀的方法，在绝缘基底上将厚度仅为缘基底上将厚度仅为1m10m的金属箔片制成各种图的金属箔片制成各种图形而成的应变片。形而成的应变片。优点：优点：不仅可制造出可满足各种不同测试要求的形状复杂的应变片，而且刻制出的线条均匀线条均匀、尺寸精度高，适于大批量制造大批量制造。 （3）薄膜应变片）薄膜应变片 薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，其厚度在薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，其厚度在 以下。它是采用以下。它是采用真空蒸发或真空沉积真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。m1 . 0四、半导体应变片四、半导体应变片用半导体材料切割、光刻成单条状敏感栅而成的应变片。用半导体材料切割、光刻成单条状敏感栅而成的应变片。是基于半导体材料的是基于半导体材料的“压阻效应压阻效应”而制成。而制成。 关于压阻效应：关于压阻效应：材料受外力的作用时，其电阻率发生变化的现象。材料受外力的作用时，其电阻率发生变化的现象。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著。的这种效应特别显著。 关于关于电阻值相对变化量：电阻值相对变化量： 其中受外力作用时受外力作用时rdrdldlRdR2Ed 那么那么 关于关于半导体应变片的灵敏度系数半导体应变片的灵敏度系数 :sK)21 (ERdR)21 (ERRKxdefBl受力后材料几何尺寸的变化受力后材料几何尺寸的变化, 即（即（1+2）;l受力后材料的电阻率发生的变化受力后材料的电阻率发生的变化, 即即 ;l对于半导体材料对于半导体材料 （1+2） l半导体应变片的灵敏度系数为常量半导体应变片的灵敏度系数为常量l电阻值相对变化量与应变系数的正比例关系电阻值相对变化量与应变系数的正比例关系ERRKxB结论：结论：EE结构形式结构形式 5、应变片的主要参数、应变片的主要参数（1）应变片的尺寸）应变片的尺寸 顺着应变片轴向敏感栅两端转向处之间的距离称为栅长栅长l。金属丝式l一般为5180mm，箔式的一般为0.3180mm。敏感栅的横向尺寸称为栅宽b 。 小栅长的应变片对制造要求高对粘贴的要求亦高。因此应尽量选要栅长大栅长大一些的片子，应变片的栅栅宽也以小一些宽也以小一些的为好。5 应变片的主要参数应变片的主要参数（2）应变片电阻值）应变片电阻值(R0) 它是指未安装的应变片，在不受外力的情况下，它是指未安装的应变片，在不受外力的情况下，室温条件购定的电阻值，也称原始阻值，单位以室温条件购定的电阻值，也称原始阻值，单位以 计。计。应变片电阻值己趋于标准化，有应变片电阻值己趋于标准化，有60 ，120 ，350 ，600 和和1000 各种阻值，其中各种阻值，其中l 20 为最常使用。为最常使用。（3）绝缘电阻）绝缘电阻 应变片引线和安装应变片的试件之间的电阻值称应变片引线和安装应变片的试件之间的电阻值称为绝缘电阻。此值常作为应变片粘结层固化程度和是为绝缘电阻。此值常作为应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。否受潮的标志。一般应大于一般应大于 。1010 （4）灵敏系数）灵敏系数(K) 灵敏系数指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的灵敏系数指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应单向应力作用力作用下，应变片的下，应变片的阻值相对变化阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域与试件表面上安装应变片区域的的轴向应变轴向应变之比。此值的准确性格直接影响测量精度，其误差大之比。此值的准确性格直接影响测量精度，其误差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志。同时要求小是衡量应变片质量优劣的主要标志。同时要求K值值尽量大尽量大而而稳稳定定。 （5）机械滞后机械滞后 对已安装的应变片，在恒定的温度环境下，对已安装的应变片，在恒定的温度环境下，加载加载和和卸载卸载过程过程中中同一载荷同一载荷下下指示应变指示应变的的最大差值最大差值，称为机械滞后。造成此现象，称为机械滞后。造成此现象的原因很多，如应变片本身特性不好；试件本身的材质不好；粘的原因很多，如应变片本身特性不好；试件本身的材质不好；粘结剂选择不当；固化不良；粘接技术不佳，部分脱落和粘结层太结剂选择不当；固化不良；粘接技术不佳，部分脱落和粘结层太厚等。厚等。 在测量过程中，为了减小应变片的机械滞后给测量结果带来在测量过程中，为了减小应变片的机械滞后给测量结果带来的误差，可对新粘贴应变片的试件反复加、卸载的误差，可对新粘贴应变片的试件反复加、卸载35次。次。（7）应变极限）应变极限 温度不变时使试件的应变逐渐加大，应变片的指温度不变时使试件的应变逐渐加大，应变片的指示应变与真实应变的相对误差（非线性误差）小于规示应变与真实应变的相对误差（非线性误差）小于规定值（一般为定值（一般为10%）情况下所能达到的最大应变值为）情况下所能达到的最大应变值为该应变片的应变极限。该应变片的应变极限。（6）零点漂移）零点漂移 零点漂移是指已粘贴好的应变片，在温度一定和零点漂移是指已粘贴好的应变片，在温度一定和试件不受力试件不受力时，指示应变随时间而变化。这是由于应时，指示应变随时间而变化。这是由于应变片的绝缘电阻过低及通过电流而产生热量等原因造变片的绝缘电阻过低及通过电流而产生热量等原因造成。成。6、应用举例、应用举例电阻应变式位移传感器电阻应变式位移传感器工作原理：工作原理：例例2 2：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。应应变变片片 三、 压敏电阻式传感器压敏电阻式传感器 压阻效应压阻效应：有些半导体材料在受到压力作用后，其有些半导体材料在受到压力作用后，其电阻率会发生变化电阻率会发生变化。 最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。1.工作原理工作原理rdrdldlRdR2xxBEKRR 压敏电阻常用来制造压力传感器，即压敏电阻式压力压敏电阻式压力传感器，又称为扩散硅压力传感器传感器，又称为扩散硅压力传感器。其核心件是一块沿某核心件是一块沿某晶向切割的晶向切割的 N N 型硅膜片型硅膜片, ,在膜片上利用集成电路工艺扩散在膜片上利用集成电路工艺扩散出四个阻值相同的出四个阻值相同的 P P 型电阻，型电阻，并将其连成一平衡电桥，膜片的四周用圆形硅环固定，如此便形成了上、下两腔，上腔为高压腔，下腔为低压腔。 1引线；2硅环；3高压腔；4低压腔；5硅膜片2.应用应用 四、热敏电阻式温度传感器 热敏电阻式温度传感器是利用某些金属氧化物或单晶锗、热敏电阻式温度传感器是利用某些金属氧化物或单晶锗、单晶硅等材料的电阻值随温度的变化而变化的特性工作的单晶硅等材料的电阻值随温度的变化而变化的特性工作的。不同材料制造热敏电阻具有不同的温度特性，即：正温度系数型（正温度系数型（PTCPTC）：电阻值随温度的上升而上升；负温度系数型（负温度系数型（NTCNTC）：电阻值随温度的上升而下降；临界温度型（临界温度型（CTRCTR）：在某一特定温度，电阻值发生突变。热敏电阻特性曲线1正温度系数型（PTC）；2负温度系数型（NTC）；3临界温度型（CTR） 汽车上各部位（如发动机温度、进气温度等）的温度测量几乎都采用负温度系数型（NTC）热敏电阻式温度传感器。下图某种轿车发动机进气温度传感器和水温度传感器，它主进气温度传感器和水温度传感器，它主要由热敏电阻、引线和外壳组成，负温度系数型热敏电阻温要由热敏电阻、引线和外壳组成，负温度系数型热敏电阻温度传感器的电阻值与温度的关系为：度传感器的电阻值与温度的关系为： 式中： 热敏电阻的电阻值； 、 与热敏电阻材料和制造工艺有关的常数； 被测温度。热敏电阻温度传感器(a) 进气温度传感器 (b)水温度传感器1外壳；2热敏电阻；3引线/B TRAeRABT2.2 电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AC0+A改变电容器的改变电容器的 、A或或时，都会引起电容量的变化。据此时，都会引起电容量的变化。据此便可制做出三种不同类型的电容式传感器，即：便可制做出三种不同类型的电容式传感器，即：A型电容型电容式传感器、式传感器、型电容式传感器和型电容式传感器和型电容式传感器。型电容式传感器。 一、A型电容式传感器 A型电容式传感器有三种不同的结构形式，即： 平移式平移式 旋转式旋转式 A型电容式传感器 （a）平板平移式 （b）圆柱平移式 （c）旋转式1 活动极板；2 固定极板1、平移式电容传感器 当活动极板1沿x方向移动时,电容器极板有效面积的变化量为： 由此带来电容量的变化为： 式中： 传感器的灵敏度。 对于某一具体的电容式传感器, 均为定值，即为常数。由此可见，该电容式传感器的输出与输入呈线性关系电容式传感器的输出与输入呈线性关系。 xbAcEcExbCr0bxCErc02、旋转式电容传感器 当动极板相对于固定板转过一定角度 时，两级板间的相对面积发生变化。221rA由此带来电容量的变化为： 2021rCr220rCErc =常数二、 型电容式传感器 图4-11(a)是一平板电容器的示意图，若电容器的两极板间的电介质不变（即 不变）及电容极板的有效面积不变，则该电容器的电容量为： 由上式知，当电容器极板间间距d改变时，电容量随电容量随d d的变化规律是的变化规律是一双曲线一双曲线，如图4-11（b）所示。图4-11 型电容式传感器(a) 型电容式传感器的结构示意图 (b) 型电容式传感器的特性曲线1 活动极板；2 固定极板rdKdACr10 上式表明，上式表明， 型电容式传感器的灵敏度与极板间距的型电容式传感器的灵敏度与极板间距的平方成反比，即极板间距越小，灵敏度越高。平方成反比，即极板间距越小，灵敏度越高。201AddCSr其灵敏度为：其灵敏度为：为减小非线性误差，要求为减小非线性误差，要求 ，即在较小的间，即在较小的间隙变化范围内工作以获得近似的线性误差。因此这隙变化范围内工作以获得近似的线性误差。因此这种传感器的测量范围有限。种传感器的测量范围有限。应用：测量较小位移应用：测量较小位移00.10.01 mm 几百 三、 型电容式传感器 两极板间存在厚度为B的介质时，电容器的电容量为式中，B-介质厚度，m； 为极板间的相对介电常数；rrrrBBAC/0 四、差动电容传感器 提高测试系统的灵敏度可提高系统的测试精度提高测试系统的灵敏度可提高系统的测试精度；此外任何任何电器元件通电时间延长时，温度会上升，电器件的性能会电器元件通电时间延长时，温度会上升，电器件的性能会发生变化，即会产生测试误差发生变化，即会产生测试误差。为了提高测试系统的灵敏度、消除温升所带来的误差，常将电容式传感器做成差动差动式结构式结构，如下图所示。差动结构的电容式传感器结论：结论：差动结构的电容式传感器，其灵敏度是相差动结构的电容式传感器，其灵敏度是相应单个电容传感器的两倍，而且还自动消除了温应单个电容传感器的两倍，而且还自动消除了温升所引起的测试误差升所引起的测试误差。C= C1- C221221121)(CCCCCCCCCTTTT当极板处于中间位置时，当极板处于中间位置时，C=0假设活动极板向右移动假设活动极板向右移动 时时 xxbCr0bxCSxbCCCCCCCrr0021222)(五、电容传感器特点五、电容传感器特点灵敏度高，分辨力高，动态特性好，可作非接触灵敏度高，分辨力高，动态特性好，可作非接触式测量式测量变极距型：小位移测量，高精度。变极距型：小位移测量，高精度。变面积型：大位移测量。变面积型：大位移测量。变介电常数型：位移测量，温度测量。变介电常数型：位移测量，温度测量。 振动时，质量块便上、下振动，两差动联接的电容器C1和C2便向外输出与振动加速度相对应的电容量。由于该传感器采用空气作为阻尼介质（气体粘度的温度系数比液体小得多），因此其测试精度较高。只要合理地设计弹性支承钢片的刚度，便可获得高的通频带宽，因此它可以测量较高频率的振动加速度。 图4-16 电容式加速度传感器 1下固定极板；2外壳；3弹性支承钢片；4质量块； 5上固定极板；6绝缘垫；A、B上、下活动极板六、电容式传感器的应用六、电容式传感器的应用电容式加速度传感器电容式加速度传感器2.3 电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理将被测的非电量转换为电感量的变化。电感应有自感自感和互感互感之分，与之对应的分别称为自感式自感式和互感式互感式传感器。 一、自感式传感器 由电磁感应原理可知,线圈1中电感 L为： 式中： 线圈的匝数； 磁路的磁阻。 式中： 空气隙厚度 ； 真空的导磁率； 空气隙的截面积。 将磁阻的公式代入电感公式，得 mRNL2NmRARm020A1线圈；2铁芯；3衔铁202ANL 由上式知，改变气隙厚度 及空气隙的截面积 A 均可改变电感 L。据此便可制造出两种不同的传感器，即: （1）变气隙厚度的自感式传感器，简称为变气隙厚度的自感式传感器，简称为 型自型自感式传感器感式传感器; ; （2）变气隙截面积的自感式传感器，简称为变气隙截面积的自感式传感器，简称为 A A 型型自感式传感器自感式传感器. . 202ANL 1、 自感式传感器 型自感式传感器的灵敏度为： 由上式表明 型自感式传感器的灵敏度与气型自感式传感器的灵敏度与气隙厚度隙厚度 成反比，成反比， 越小，灵敏度越高越小，灵敏度越高。2022ANddLEL2202ANL 变化过程：变化过程： 机械量机械量 变变 L 变变 当固定当固定 ，改变改变 0A变变 L 变变 位移传感器位移传感器 此传感器适此传感器适： 测较小位移，约为测较小位移，约为 0.0011 mm2.面积变化型（面积变化型（A型）自感式传感器型）自感式传感器机械量机械量 LAx02002ANL 常数202NdAdLELEL: 较低较低 3、差动式自感传感器 电感式传感器最突出的特点是，线圈通电后会产生温升，而温度的变化会带来输出特性的变化。此外，供电电压的波动也会给测试带来影响，为克服这些不足，提高传感器的灵敏度，在实际应用中，和电容式传感器一样，常采用差动式结构。图4-21 差动式自感传感器4 涡流式涡流式原理原理:涡流效应涡流效应),(ii 第四章第四章 常用的传感器常用的传感器原线圈的自感变化：原线圈的自感变化：),(ZZ 交流高频电流I1 交变线圈磁场B1交变涡流I2 交变涡流磁场B2B2与B1方向相反， B2总是抵抗B1的变化原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：涡流式传感器分为高频反射式和低频投射式涡流式传感器分为高频反射式和低频投射式高频反射式涡流传感器多用于位移测量高频反射式涡流传感器多用于位移测量 低频投射式低频投射式发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方 。 输出电动势e2的大小与G的厚度及材料的性质有关。试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少，如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数涡流式传感器的应用 二、互感式传感器二、互感式传感器 互感式传感器常采用两个次级线圈组成差动式结互感式传感器常采用两个次级线圈组成差动式结构，因此又称为差动变压器式传感器。构，因此又称为差动变压器式传感器。在结构上，差动变压器式传感器和差动式自感传感器基本相同，所不同的只是差动变压器式传感器在一个铁芯上绕制了初级线圈和次级线圈，两个次级线圈反向串连。 互感式传感器 二、互感式传感器二、互感式传感器 当给初级线圈 上加上交流电压 时，次级线圈 和 分别产生感应电动势 和 ，其大小与衔铁位移x有关。 当衔铁在中间位置时， ，输出电压 当衔铁向上偏离中心位置时， 当衔铁向下偏离中心位置时， wxU1w2w01U02U0201UU002010UUU0201UU0201UU0201UU002010UUU002010UUU 通常UO不直接作为传感器的输出电压，因为（1）传感器的输出是交流电压，其幅值与衔铁位移衔铁位移成正比，因此输出电压的大小只能反映衔铁的位置，而不能反映其运动的方向；（2）当衔铁经过中间位置时，其输出有一定的零点残余电压，因此，即使Uo1 和Uo2的有效值相等，由于其相位不相同，输出电压亦不等于零。 为此，互感式传感器的后接电路常采用能反映衔铁位置和运动方向的可补偿零点残余电压的相敏检波电路所示。 图4-22 互感式传感器 三、电感式传感器的应用 电感式传感器是一种结构简单、工作可靠、灵结构简单、工作可靠、灵敏度高、重复性好、精度高的传感器敏度高、重复性好、精度高的传感器，因此在汽车及工程领域应用十分广泛。 从电感式传感器的工作原理看，其输入方式与电容式传感器很相像，因此绝大多数可用电容式传绝大多数可用电容式传感器所测得的量均可用电感式传感器来测量（倾感器所测得的量均可用电感式传感器来测量（倾角的测量除外）角的测量除外）。即电感式传感器可用于测量位置、位移、振动、噪声和压力等。 2.4 2.4 压电式传感器压电式传感器 可逆型换能器可逆型换能器: : 机械能机械能 电能电能 工作原理：工作原理：某些物质的压电效应某些物质的压电效应 一一. . 压电效应压电效应压电效应压电效应: 某些物质，当受到外力作用时，不某些物质，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，会产生电荷；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。这种现象称为压电效应。 压电材料：压电材料：石英，钛酸钡等石英，钛酸钡等z zz: z: 光轴光轴x xx: x: 电轴电轴 y yy: y: 机械轴机械轴电荷量： Fdqccd：压电系数，与材质与切片方向有关 F：作用力 压电元件受压后所能产生的电荷量很小，在实际使用中，压电元件受压后所能产生的电荷量很小，在实际使用中，常把两片组合在一起使用，且根据输出的需要进行串连或并常把两片组合在一起使用，且根据输出的需要进行串连或并联联接。联联接。(a)串连 (b)并联为了能测量压电元件两工作表面上产生的电荷量，常用金属常用金属蒸镀法在压电晶片的两工作表蒸镀法在压电晶片的两工作表面上蒸镀一层金属薄膜，其材面上蒸镀一层金属薄膜，其材料多为银或金料多为银或金，从而构成两个相应的电极。2 应用应用b) 压力变送器压力变送器a) 加速度计，力传感器加速度计，力传感器 2.5 2.5 磁电式传感器磁电式传感器 被测物理量被测物理量 感应电动势感应电动势 原理原理：感应电动势：感应电动势 dtdNeN：线圈匝数：线圈匝数 ：磁通量：磁通量 影响磁通量影响磁通量 的因素的因素 1.磁场强度磁场强度 2.磁路磁阻磁路磁阻 3.线圈的运动速度线圈的运动速度磁阻式磁阻式 动圈式动圈式 磁电式传感器磁电式传感器 动圈式动圈式 磁阻式磁阻式 角速度型角速度型 线速度型线速度型 1.1.动圈式动圈式（1）线速度型）线速度型感应电动势：感应电动势： NBlve ve 惯性式速度计惯性式速度计 （2） 角速度型角速度型感应电动势：感应电动势： kWBAe 转速测量转速测量 当结构一定，当结构一定， W ,B, AW ,B, A 为常数时为常数时e2. 2. 磁阻式传感器磁阻式传感器工作原理：工作原理：线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体 （导磁材料）来（导磁材料）来改变磁路的磁阻改变磁路的磁阻，引起磁力，引起磁力 线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。60znf 3、磁电式传感器的应用 在汽车工程领域，磁电式传感器主要用于转速的测量。当被测量的变化缓慢时，由于磁通的变化率较小，因此其输出量亦很小。磁电式传感器若用于速度和转速的测量，显然它不适用于很小速度的测量，即磁电式传感器的低速特性不好。在选用传感器时对此应予以足够的重视。 发动机转速/上止点位置传感器是磁电式传感器的一个典型应用。发动机转速/上止点位置传感器 1-信号齿盘 2传感器探头2.6 霍尔效应式传感器霍尔效应式传感器 一、一、 霍尔元件霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。理现象称为霍尔效应。 1 霍尔效应霍尔效应abcdC 、D两端建立的电场两端建立的电场E成为霍尔电场，相应的成为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势电势称为霍尔电势VH，其大小为：其大小为：siniBkVHH如果改变如果改变B或或i，或者两者同时改变，就可以改变，或者两者同时改变，就可以改变U的值。的值。运用这一特性，可以把被测参数转化为电压量的变化。运用这一特性，可以把被测参数转化为电压量的变化。2霍尔电势霍尔电势abcd3. 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 从从 a端通人电流端通人电流I，根据霍尔效应，左，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势半部产生霍尔电势VH1，右半部产生，右半部产生露尔电势露尔电势VH2，其方向相反。因此，其方向相反。因此，c、d两端电势为两端电势为VH1 VH2。如果霍尔元。如果霍尔元件在初始位置时件在初始位置时VH1=VH2，则输出为，则输出为零；零；（1）位移传感器）位移传感器 （2 2）判缸传感器）判缸传感器 信号转子1通过减速机构与发动机曲轴相连或与发动机凸轮轴相连（曲轴转速与信号转子的转速比为2：1），即传感器的信号转子与曲轴具有固定不变的相对角位置关系。信号转子上的缺口数与发动机气缸数相同。当信号转子的缺口到达永磁体2和霍尔元件3之间时，由于磁场可以垂直作用到霍尔元件3上，因此在霍尔元件中便产生一霍尔电压信号；当缺口转离永磁体和霍尔元件时，由于磁力线遇到导磁材料时，其磁力线的路径发生变化，没有磁场作用到霍尔元件上，因此没有霍尔电压输出。 霍尔式判缸信号传感器1信号转子；2永磁体；3霍尔元件2.7 光电式传感器 光电传感器是利用光电效应来工作的。光电效应按其作用原理的不同分为： 外光电外光电效应效应 内光电效应内光电效应 光生伏特效应光生伏特效应 一、外光电效应 在光照作用下，物体内的在光照作用下，物体内的电子电子从物体表从物体表面面逸出逸出的现象称为外光电效应，又称为光电的现象称为外光电效应，又称为光电子发射效应子发射效应。外光电效应的实质是能量形式发生了变化，即光能转换为电磁能。典型的外光电效应器件有光电管、光电倍增管等。 二、内光电效应 在光照作用下，物体的在光照作用下，物体的导电性能导电性能发生发生变化的现象称为内光电效应，又称为光变化的现象称为内光电效应，又称为光导效应导效应。具有这种特性的器件有： 光敏电阻光敏电阻 光敏二极管光敏二极管 光敏三极管光敏三极管 1、光敏电阻 光敏电阻又称为光导管，它是利用某些半导体光敏电阻又称为光导管，它是利用某些半导体材料，受光照作用时电阻值随光照的增强而减小、材料，受光照作用时电阻值随光照的增强而减小、且光照停止后，电阻值又恢复原来数值的特性制造且光照停止后，电阻值又恢复原来数值的特性制造出来的出来的。 光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉(C(Cd dS S) )和硒和硒化镉化镉(CdSe(CdSe) )。 2、光敏二极管 光敏二极管与普通二极管相似。光敏二极管装在透明的玻璃外壳透明的玻璃外壳中，置于管顶的PN结可直接接受光的照射。光敏二极管在电路中处于反向工作状态。 无光照时，反向电阻大，反向电流很小，处于截止状态。当光照在PN结上，使PN结附近产生光生电子-空穴对时，使少数载流子（电子）的浓度增加，因此通过PN结的光电流也增加。 3、光敏三极管 光敏三极管与普通三极管相像，也有NPNNPN和PNPPNP两种类型。由于光敏三极管是光致导通的，因此它的发射极一边很小，以扩大其受光面积。当光敏三当光敏三极管的极管的 PN PN 结受光照射时，便产生电子空穴对，结受光照射时，便产生电子空穴对，在内电场的作用下便形成了光电流。如此在内电场的作用下便形成了光电流。如此 PN PN 结的结的反向电流显著增大反向电流显著增大。光照发射极所产生的电流相当光照发射极所产生的电流相当于三极管的基极电流，则集电极的输出电流为光电于三极管的基极电流，则集电极的输出电流为光电流的流的倍。这就是光电子三极管比光电二极管灵敏倍。这就是光电子三极管比光电二极管灵敏度高的原因度高的原因。 三、光生伏特效应 光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。 光照越强，产生的电动势越大。 四、光电式传感器的应用 光电传感器在汽车及各工程领域的应用十分广泛，它可用于速度、转速、位置、位移、汽车排放、汽车灯光等物理量的测量。下面是光电传感器在汽车上的几个应用实例。 光电转速传感器光电转速传感器 透光式烟度计透光式烟度计 汽车大灯检测仪汽车大灯检测仪 1、光电转速传感器 光电转速传感器由信号盘、光源和光电转换器件（光电元件）组成。光信号盘上的透光窗口转到光电元件处时，光源发射出的光经过信号盘上的透光窗口照射到光电元件上，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔。n=60f/N式中，f脉冲频率； N圆盘开孔数。 开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即 2、透光式烟度计 发动机排出的烟尘越浓，对光的吸收能力越强，透光能力越差。透光式烟度计是基于这一原理制成的。发动机排出的废气经采样头进入测试管6的过程中,恒定光源7发出的光透过测试管中的废气后到达光电元件5。废气中烟尘浓度的不同,透过测试管到达光电元件的光强亦有所不同。光电元件输出的电信号越强,光源发出的光被废气吸收的量越少，废气中烟尘浓度就低；反之，则废气中的烟尘浓度越高。透光式烟度计工作原理图1换向阀；2采样头；3测量室；4取样泵；5光电元件；6测试管；7光源 3、汽车大灯检测仪 汽车大灯检测仪所用的原理是光生伏特效应，其核心部件是四块性能完全相同的光电池，如图所示。汽车大灯检测仪1左、右偏指示计；2光电池；3上、下偏斜指示计 发光强度的检测 由前面介绍的光电池产生电动势的原理知，若汽车大灯照在光电池2上的光线越强，则光电池的电动势就越大，若设四块光电池在光照作用下产生的电动势分别为 、 、 和 ，则四块光电池产生的电动势之和即反映了汽车大灯发光强度的大小。1E2E3E4E 光轴偏斜量的检测 将四块光电池两两联成回路，如图所示。若汽车大灯的光轴中心不在四块光电池组成的靶板的中心，而向某一方向偏斜，则四块光电池因受光面积不等而输出的电流亦不相等。由于存在上与下和左与右之间的电流大小差异，就会使上、下偏斜指示计 3、左右偏斜指示计 1 的指针偏转。显然，两个方向的偏斜指示计的偏转方向反映了汽车大灯光轴的偏斜方向，两个回路中电流的大小反映了汽车大灯光轴偏移量的大小。 2.8 传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。的问题。 1、灵敏度、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但是，一般说来，传感器灵敏度越高越好，但是，在确定灵敏度时，要考虑灵敏度过高引起的干在确定灵敏度时，要考虑灵敏度过高引起的干扰问题。扰问题。 为了既能使传感器检测到有用的微小信号，为了既能使传感器检测到有用的微小信号，又能使噪声干扰小，就要求传感器的信噪比愈又能使噪声干扰小，就要求传感器的信噪比愈大愈好。大愈好。 传感器选用原则传感器选用原则 2 响应特性响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。但总希望延迟的时间越短越好。 3 线性范围线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。域内，是保证测量精度的基本条件。 传感器选用原则传感器选用原