第三章 常用传感器精选文档.ppt

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1、第三章 常用传感器本讲稿第一页，共七十一页传感器的构成传感器的构成传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件它的作用是直接感受被测物理量，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。接入。二者有时很容易分开，有时合二为一。二者有时很容易分开，有时合二为一。目前，传感器转换后的信号大多为电信目前，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

2、是把外界号。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。输入的非电信号转换成电信号的装置。本讲稿第二页，共七十一页第一节第一节 传感器的分类传感器的分类按被测量分按被测量分:位移式传感器位移式传感器,力传感器力传感器,温度传感器等温度传感器等按工作原理分按工作原理分:电阻式电阻式,电容式电容式,电气式电气式,光学式光学式,流体式等流体式等按信号变换特征分按信号变换特征分:物性型和结构型物性型和结构型物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如例如:水银温度计水银温度计,压电测力计压电测力计.结构型结构型

3、:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如例如:电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器.常用的分类常用的分类:工作原理工作原理+被测量被测量电阻式位移式传感器电阻式位移式传感器,压电式力传感器压电式力传感器本讲稿第三页，共七十一页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:能量转换型能量转换型与能量控制型与能量控制型能量转换型能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作.例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计.能量控制型能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变

4、化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.按输出信号分按输出信号分:模拟式和数字式模拟式和数字式 按变换原理按变换原理:可分为参量型与发电型。可分为参量型与发电型。发电型：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可直接发电型：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可直接接入放大器或记录仪器，所以又称为有源型，一般不需外加接入放大器或记录仪器，所以又称为有源型，一般不需外加电源电源.参量型：被测量使传感器本身的电参量参量型：被测量使传感器本身的电参量R、L、C改变，这改变，这种传感器工作时必须有外加电源，故又称为无源型种传感器工作时必须有外加电源，故又称为无

5、源型.本讲稿第四页，共七十一页第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器原理：原理：在测试技术中，以弹性体作为传感器的敏感元在测试技术中，以弹性体作为传感器的敏感元件，对力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹件，对力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹性元件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏性元件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。转，借助刻度指示出被测量的大小。优点：优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等 缺点：缺点：弹性变形不宜大，以减小线形误差。弹性变形不宜大，以减小线形误差

6、。此外，由于放大和指针环节多为机械传动，不仅受间隙的影此外，由于放大和指针环节多为机械传动，不仅受间隙的影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。测量。本讲稿第五页，共七十一页第三节第三节 电阻、电容、与电感式传感器电阻、电容、与电感式传感器一、电阻式传感器一、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传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器.按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。1 变阻器式传感器变阻器式传感器结构组成：骨架，电阻元件（线圈等）电刷电刷

7、可直线也可旋转运动本讲稿第六页，共七十一页原理：它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。根据下式 式中 电阻率 l 电阻丝长度 A 电阻丝截面积 x R R=K x K 是一常数 传感器的灵敏度传感器的灵敏度=常数=常数 输入(位移)和输出成线性关系 本讲稿第七页，共七十一页x R U 变阻式传感器 电路 x U 灵敏度 S=常数 变阻器的总电阻 变阻器的总长度 后接电路的输入电阻 本讲稿第八页，共七十一页输入输入(位移位移)和输出成线性关系和输出成线性关系灵敏度 S=常数 只有 时 优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。缺点；受阻经直径影响，分

8、辩率不高，运用检测缺点；受阻经直径影响，分辩率不高，运用检测精度不高的场合，噪声大精度不高的场合，噪声大.=常数 本讲稿第九页，共七十一页2电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器分为电阻应变式传感器分为金属金属电阻应变片式与电阻应变片式与半导体半导体应变片式两类应变片式两类.R应变式传感器是基于测量物体受力所产生应变的一种传感器 金属电阻应变片金属电阻应变片结构组成：基片，电阻丝（片），覆盖层，引出线金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应金属电阻应变片的工作原理是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，其电阻值随着它

9、所受机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。本讲稿第十页，共七十一页根据 长度为L，截面积为A，电阻率为，如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积A变化dA，电阻率变化，因而引起电阻R变化dR。式中A=r，r为电阻丝的半径，所以上式为本讲稿第十一页，共七十一页电阻的相对变化当电阻丝沿轴向伸长时，必须沿径向缩小，两者之间的关系为 dl/l电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变，dr/r电阻丝径向相对变形，或称横向应变,dp/p电阻丝电阻率相对变对置E电阻丝材料弹性模量压阻系数 v电阻丝泊桑比 本讲稿第十二页，共七十

10、一页其其中中（1+21+2）项项是是由由电电阻阻丝丝几几何何尺尺寸寸改改变变引引起起的的。对对于于同同一一电阻材料，电阻材料，1+21+2是常数。是常数。EE项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝来说，来说，EE是很小的，可忽略。这样上式就可简化为是很小的，可忽略。这样上式就可简化为 灵敏度上式表明电阻相对变化率上式表明电阻相对变化率dR/R与应变与应变成正比，且呈线性关系成正比，且呈线性关系 优点优点:稳定性好稳定性好.缺点缺点:灵敏度系数小灵敏度系数小本讲稿第十三页，共七十一页半导体应变片半导体应变片工作原理工作原理

11、:是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。结构组成:胶膜衬底 半导体敏感栅（P-si）焊接端子P型硅单晶（1+2）项是由几何尺寸改变引起的，项是由几何尺寸改变引起的，E项是由电阻率变化引起的。对半导体而言，项是由电阻率变化引起的。对半导体而言，后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻变化的主要部分变化的主要部分本讲稿第十四页，共七十一页灵敏度=常数上式表明电阻相对变化率dR/R与应

12、变成正比，且呈线性关系 半导体电阻材料的灵敏度比金属的要高5070倍。优点：优点：灵敏度大灵敏度大;缺点：缺点：稳定性不如金属应变片稳定性不如金属应变片。金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形变引起的电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化用导体形变引起的电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起的电阻的变化。引起的电阻的变化。R本讲稿第十五页，共七十一页电阻应变式传感器电阻应变式传感器优点：结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，动优点：结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，动态响应快态响应快;测量精度高测量精度高,性能稳

13、定可靠；使用简便。性能稳定可靠；使用简便。电阻应变片式传感器应用方式电阻应变片式传感器应用方式1 1）直接用来测定结构的应变或应力）直接用来测定结构的应变或应力 2 2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速）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。在这种情况下，弹性元件得到与被测量度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成正比的应变，在由应变片转换为电阻的变化。成正比的应变，在由应变片转换为电阻的变化。RU 电路 电阻应变式传感器 本讲稿第十六页，共七十一页二、电容式传感器二、电容式传感器1.变换原理变换原理:将被测量的变化转化

14、为电容量变化。将被测量的变化转化为电容量变化。两极板间距离为有效覆盖面积为A极板间介质的相对介电系数真空介电常数 A C 如果在如果在、A A、三个参数中保持其中的两个不三个参数中保持其中的两个不变，而只改变一个参数，则电容器的电容量将变，而只改变一个参数，则电容器的电容量将随之发生变化。所以电容式传感器可以分成三随之发生变化。所以电容式传感器可以分成三种类型：种类型：极距变化型极距变化型（变（变）、）、面积变化型面积变化型（变（变A A）和）和介质变化型介质变化型（变（变）。）。+A本讲稿第十七页，共七十一页1.1.极距变化型极距变化型 当极距有微小变化d时，引起电容变化量dC为结构：动板，

15、定板传感器灵敏度为常数 电容量电容量C C与极距与极距呈呈非线性关系非线性关系 本讲稿第十八页，共七十一页+A+极距变化极距变化S=常数灵敏度00 可见，灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，可见，灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受极板间击穿电压的限制。此外，为了减小因灵敏但极距减小受极板间击穿电压的限制。此外，为了减小因灵敏度随极距变化导致的非线性误差，通常极距变化范围度随极距变化导致的非线性误差，通常极距变化范围/00.1。因此，此类电容传感器仅适于较小位移的测量因此，此类电容传感器仅适于较小位移的测量（0.01m数百微数百微米）。米）。本讲稿第十九页，

16、共七十一页优点：优点：可进行动态非接触式测量，灵敏度高，动态响可进行动态非接触式测量，灵敏度高，动态响应快。应快。缺点：缺点：非线性误差大，工作范围较小非线性误差大，工作范围较小。实际应用为采用差动式，以提高灵敏度，和扩大实际应用为采用差动式，以提高灵敏度，和扩大测量范围测量范围本讲稿第二十页，共七十一页面积变化型面积变化型保持电容器极板距离、介质不变，仅改变极板间的相对覆盖面积。面积变化型面积变化型:角位移型角位移型,平面线位移型平面线位移型,柱面线位移型柱面线位移型.+灵敏度优点：输出与输入成线性关系。优点：输出与输入成线性关系。缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。本讲稿第二十一页，共七十

17、一页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灵敏度优点：输出与输入成线性关系。优点：输出与输入成线性关系。缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。本讲稿第二十二页，共七十一页电容传感器电容传感器主要优点主要优点(2)电参量相对变化大。电参量相对变化大。(3)动态特性好。动态特性好。(4)能量损耗小。能量损耗小。(5)结构简单，适应性好。结构简单，适应性好。（6）可进行动态非接触式测量。）可进行动态非接触式测量。(1)输人能量小而灵敏度高。输人能量小而灵敏度高。主要缺点主要缺点:（1）非线性）非线性（2）电缆分布电容影响大。）电缆分布电容影响大。本讲稿第二十三页，共七十一

18、页2测量电路测量电路x c u电容传感器电容传感器电路电路x(被测量)u（电量）（1.）电桥型电路电桥型电路（2.）直流极化电路）直流极化电路（3.）谐振电路）谐振电路（4.）调频电路）调频电路（5.）运算放大器电路运算放大器电路 本讲稿第二十四页，共七十一页（1.）电桥型电路）电桥型电路本讲稿第二十五页，共七十一页有两个桥臂有两个桥臂 和和 电容式传感器，电容式传感器，电容值随被测量而变化。电容值随被测量而变化。极距变化极距变化0 灵敏度输出输出U与输入与输入成线性关系。成线性关系。本讲稿第二十六页，共七十一页（5.）运算放大器电路）运算放大器电路输入阻抗采用固定电容C0反馈阻抗采用电容传感

19、器 灵敏度=常数输出电压输出电压 与极距与极距成线性关系成线性关系 激励电压为 时本讲稿第二十七页，共七十一页三、电感式传感器三、电感式传感器 电感式传感器的工作原理是电磁感应。把被测量转换成相应电感量(自感量或互感量)变化。电感式传感器可分为自感型和互感型两大类1自感型自感型（1）可变磁阻式）可变磁阻式结构：线圈 铁芯 衔铁线圈自感量N线圈匝数线圈匝数Rm磁路磁阻磁路磁阻本讲稿第二十八页，共七十一页空气磁导率A铁芯截面积气隙长度N线圈匝数灵敏度L与与显非线性关系显非线性关系常数 第一项为 空气磁阻，第二，三项为铁心磁阻。本讲稿第二十九页，共七十一页灵敏度S=常数0 0为了减小非线性误差，通常

20、使这种传感器在较小间隙为了减小非线性误差，通常使这种传感器在较小间隙范围内工作。设间隙变化范围为（范围内工作。设间隙变化范围为（0，0+），一般），一般实际应用中，取实际应用中，取/0 0.1。本讲稿第三十页，共七十一页差动变气隙型：提高灵敏度，改善非线性差动变气隙型：提高灵敏度，改善非线性 差动型差动型:当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按 变化。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。本讲稿第三十一页，共七十一页灵敏度=常数常数差动式传感器差动式传感器单线圈传感器单线圈传感器灵敏度灵敏度灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍线性范围线性范围改善非线性改善非线性本讲稿第三十二页，共七十一页（2）电涡流

21、式传感器）电涡流式传感器(涡流式涡流式)涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的磁场中的涡电流效应涡电流效应。涡电流产生交变磁场涡电流产生交变磁场1根据楞次定律，涡电流（电根据楞次定律，涡电流（电涡流）的交变磁场与线圈的涡流）的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，磁场变化方向相反，1 总电总电抵抗抵抗 的变化。的变化。由于涡流磁场的作用使原线圈由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗的等效阻抗Z发生变化，变化程发生变化，变化程度度主要主要与气隙长度与气隙长度有关。有关。本讲稿第三十三页，共七十一页分析表明：由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生

22、变化。Z的变化与金属板的电阻率、磁导率以及线圈激磁圆频率等有关。改变其中某一因素，即可达到不同的变换目的。变化，可作为位移，振动测量。变化或，可作为材质鉴别或探伤等。优点：用于动态非接触测量，结构简单，使用方便，不受油液等介质影响，分辨率高。本讲稿第三十四页，共七十一页2互感型互感型差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器工作原理：是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。当线圈W1输入交流电流i1时，线圈W2产生感应电动势e12，其大小与电流i1的变换率成正比，即 式中 M比例系数，称为互感本讲稿第三十五页，

23、共七十一页当铁芯在中间时M1=M2，则eo=0,铁芯向上e1e2铁芯向下e1Z0，则有则有:与频率与频率等有关，低频较好，高频较差。等有关，低频较好，高频较差。本讲稿第四十一页，共七十一页2、磁阻式、磁阻式物体运动物体运动 磁路磁阻改变磁路磁阻改变 磁通变化磁通变化 产生感应电动势产生感应电动势本讲稿第四十二页，共七十一页二、压电式传感器二、压电式传感器利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。1 1、压电效应、压电效应压电效应压电效应:某些材料，在某一方向受力时，不仅某些材料，在某一方向受力时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表

24、面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到表面会产生电荷；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。其表面原来的状态，这种现象称为压电效应。其表面产生的电荷，电荷量的改变与受力情况有关，产生的电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即即 q=DFD：压电系数；：压电系数；F：施加力的大小：施加力的大小2 2、压电材料、压电材料常用的压电材料大致分为三类：压电单晶(石英晶体 人工晶体等)、压电陶瓷（钛酸钡）和有机压电薄膜（高分子聚合物薄膜）。本讲稿第四十三页，共七十一页3 3、压电传感器及其等效电路、压电传感器及其等效电路(b)也可等效为一个电压源U和一个电容器C0串联的等效电路 压电传感

25、器相当于一个电荷发生器(a)压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器C0的等效电路 RaCaua等效电压源等效电压源等效电荷源等效电荷源本讲稿第四十四页，共七十一页压电元件并联连接和串联连接压电元件并联连接和串联连接 并联连接并联连接：两压电元件的负极集：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，边并连接在一起，此时电容量大，输出输出电荷量大电荷量大，适用于测量缓变，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。信号和以电荷为输出的场合。串联连接串联连接：上极板为正极，下：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的极板为负极，在中间是一元

26、件的负极与另一元件的正极相连接，负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身电容小，此时传感器本身电容小，输出电输出电压大压大，适用于要求以电压为输出，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。输入阻抗。本讲稿第四十五页，共七十一页4、测量电路、测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。前置抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。前置放大器有放大器有电压放大器电压放大器和和电荷放

27、大器电荷放大器。电压放大器电路电压放大器电路CaRa电压放大电路电压放大电路uaCcRiCi-Auiuo设作用于压电晶片上的力设作用于压电晶片上的力F=F0sin t。则：。则：q=dc F =dc F0sin t，本讲稿第四十六页，共七十一页输入端电压幅值：输入端电压幅值：其中，其中，R=Ra/Ri，C=Ca+Cc+Ci。当作用力频率当作用力频率 与电路时间常数与电路时间常数RC足够大时，足够大时，电压灵敏度电压灵敏度：本讲稿第四十七页，共七十一页电压灵敏度电压灵敏度与与电电 缆缆电容电容Cc有关，当改变电缆长度或布线方有关，当改变电缆长度或布线方法时，法时，电压灵敏度电压灵敏度都会改变，从

28、而导致测量误差。都会改变，从而导致测量误差。对动态测量，对动态测量，较大，易满足较大，易满足(RC)2 1，此时，此时电压灵敏度电压灵敏度近似与近似与 无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。本讲稿第四十八页，共七十一页电荷放大器电路电荷放大器电路电荷灵敏度电荷灵敏度=常数常数CaRaqCcRiCi-AuiuyCf本讲稿第四十九页，共七十一页在此式中，在此式中，电荷灵敏度电荷灵敏度与电与电 缆缆电容电容Cc值无关，值无关，改变电缆改变电缆长度或布线方法时，长度或布线方法时，电缆电容并无影响。与电压放大器比较，电缆电容并无影响。与电压放大器比较，这是一

29、个突出的优点，但是，电荷放大电路复杂，价格较高。这是一个突出的优点，但是，电荷放大电路复杂，价格较高。电压灵敏度电压灵敏度：电荷灵敏度电荷灵敏度 本讲稿第五十页，共七十一页 三、热电式传感器三、热电式传感器将被测量（温度）转换为电量的传感器将被测量（温度）转换为电量的传感器热电势效应原理热电势效应原理可分为热电偶和热电阻可分为热电偶和热电阻 1.1.热电偶工作原理：热电偶工作原理：热电偶是基于热电偶是基于热电势效应原理的测温用传感器，热电势效应原理的测温用传感器，把两种不同的导体或半导体连接如把两种不同的导体或半导体连接如图，若图，若1 1、2 2点温度不同，回路中有点温度不同，回路中有电流产

30、生，称之为热电势。对于某电流产生，称之为热电势。对于某个确定的热电偶，当某一端温度个确定的热电偶，当某一端温度T T0 0恒恒定时，热电势仅与测量端温度定时，热电势仅与测量端温度T T有有关，故可测温度关，故可测温度T T。热电势由两部。热电势由两部分组成：分组成：接触电势；接触电势；温差电势。温差电势。本讲稿第五十一页，共七十一页 接触电势：接触电势：A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生接触电势：接触电势：温差电势：温差电势：当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。显然，

31、当显然，当ABAB材料已定时，接触电势与温度材料已定时，接触电势与温度T T（绝对温度）有关。所以，当两（绝对温度）有关。所以，当两种材料种材料ABAB组成一个闭合回路时，设组成一个闭合回路时，设0 0时，回路中总电势为时，回路中总电势为 由于接触电势大于温差电势，若忽略温差电势的影响。由于接触电势大于温差电势，若忽略温差电势的影响。热电偶的材料有许多种，一般金属有镍铬热电偶的材料有许多种，一般金属有镍铬镍铝硅、铜、康铜，贵重金镍铝硅、铜、康铜，贵重金属有铂铑属有铂铑铂、铂铑铂、铂铑3，铂铑，铂铑6以及钨、钼等。热电偶的种类也比较多，构以及钨、钼等。热电偶的种类也比较多，构成基本相同：由热电极

32、材料、绝缘材料、保护材料和引线装置等组成。成基本相同：由热电极材料、绝缘材料、保护材料和引线装置等组成。热电偶是一种发电型传感器，其输出信号可直接接入记录仪器。利用热电偶热电偶是一种发电型传感器，其输出信号可直接接入记录仪器。利用热电偶还可测量两点温差及温度场中多点的平均温度，有关方面知识还可参考其它专还可测量两点温差及温度场中多点的平均温度，有关方面知识还可参考其它专著。著。温度温度T0恒定恒定本讲稿第五十二页，共七十一页2 2、热电阻、热电阻 金属热电阻（热电阻）与半导体热电阻（热敏电阻）两类它具有负的电阻温度系数它具有负的电阻温度系数,随温随温度的上升而阻值下降。度的上升而阻值下降。（1

33、）铂电阻（2）铜电阻金属热电阻原理：热能原理：热能 热电阻热电阻 电阻值电阻值温度温度 热电阻热电阻 阻值阻值 半导体热电阻RT本讲稿第五十三页，共七十一页第五节第五节 光电传感器光电传感器 首先把被测量的变化转换成光信号的变化，光电传感器是将光量转换为电量。首先把被测量的变化转换成光信号的变化，光电传感器是将光量转换为电量。光电器件的物理基础是光电效应。光电器件的物理基础是光电效应。一、光电测量原理一、光电测量原理1.外光电效应外光电效应在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象，称为在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象，称为外光电效应。如光电管、光电倍增管。外光电

34、效应。如光电管、光电倍增管。2.内光电效应内光电效应受光照物体受光照物体(通常为半导体材料通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。如光敏电阻等。的效应称为内光电效应。如光敏电阻等。3.光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象；如光电池、在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象；如光电池、光敏晶体管等。光敏晶体管等。本讲稿第五十四页，共七十一页光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被

35、测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。本讲稿第五十五页，共七十一页被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光

36、路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。本讲稿第五十六页，共七十一页第六节第六节 光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维光纤传感器以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维传输光信号。传输光信号。光纤传感器通过将被测量变换为光波的光纤传感器通过将被测量变换为光波的强度、频率、相位强度、频率、相位或或偏振态偏振态四个参数之一的变化进行测量。通

37、常将光波随被四个参数之一的变化进行测量。通常将光波随被测量的变化而变化称为对光波进行调制。相应地，光纤传测量的变化而变化称为对光波进行调制。相应地，光纤传感器可分为：感器可分为：强度调制型、频率调制型、相位调制型强度调制型、频率调制型、相位调制型及及偏振态调制型。偏振态调制型。光的电矢量的振动光的电矢量的振动偏振态（矢量偏振态（矢量A的方向的方向)本讲稿第五十七页，共七十一页光纤传感器光纤传感器光纤传感器光纤传感器可分为：功能型、传光型。可分为：功能型、传光型。功能型：功能型：是利用光纤将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁

38、场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型。传光型：传光型：光纤仅作为光的传播媒质，由光检测元件调制的光信号。光纤由内芯（折射率光纤由内芯（折射率n1、直径几十、直径几十 m）、）、包层（折射率包层（折射率n2n1、外径、外径n2）组成。）组成。光导纤维结构光导纤维结构本讲稿第五十八页，共七十一页定义定义NA=为光纤的数值孔径为光纤的数值孔径NA是标志光纤接受能力的重要参数。作为传感器的光是标志光纤接受能力的重要参数。作为传感器的光 纤纤0.2 NA0.4。光纤传感器的特点光纤传

39、感器的特点 光波传输，抗扰能力强光波传输，抗扰能力强 无火花、无短路故障，可用于易燃、易爆环境无火花、无短路故障，可用于易燃、易爆环境 化学性能稳定，耐高压、耐腐蚀化学性能稳定，耐高压、耐腐蚀 重量轻、体积小、可挠性好，利于在狭窄空间重量轻、体积小、可挠性好，利于在狭窄空间 使用使用 频带宽、动态特性好，可实现非接触测量频带宽、动态特性好，可实现非接触测量 易于实现远距离测量易于实现远距离测量 技术复杂、成本高技术复杂、成本高 本讲稿第五十九页，共七十一页第七节第七节 半导体传感器半导体传感器利用半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等物理量利用半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等物理量的

40、敏感性制成的物性型敏感器件。的敏感性制成的物性型敏感器件。半导体的特点半导体的特点是他们是一些物性型传感器，通常可以作成结是他们是一些物性型传感器，通常可以作成结构简单、体积小、重量轻的器件，他们的功耗低、安全可靠、构简单、体积小、重量轻的器件，他们的功耗低、安全可靠、寿命长；他们对被测量敏感，响应速度快；易于实现集成化。寿命长；他们对被测量敏感，响应速度快；易于实现集成化。本讲稿第六十页，共七十一页一、磁敏式传感器一、磁敏式传感器1 霍尔元件霍尔元件工作原理：工作原理：霍尔效应霍尔效应 置于均匀磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁场的方向产生横向电置于均匀磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁

41、场的方向产生横向电场的现象称为场的现象称为霍尔效应霍尔效应，相应电场称为，相应电场称为霍尔电场霍尔电场。霍尔元件霍尔元件是一种半导体磁电转换元件，将霍尔元件置于磁场B中，如果在a，b端通以电流i，在c，d端就会出现电位差，称为霍尔电势本讲稿第六十一页，共七十一页 其中，其中，k：霍尔常数，取决于材质、温度、元：霍尔常数，取决于材质、温度、元 件尺寸（厚度）件尺寸（厚度）B B：磁感应强度：磁感应强度 ：电流与磁场方向的夹角。电流与磁场方向的夹角。显然，改变显然，改变i或或B，即可改变，即可改变VH。霍尔电势霍尔电势 热敏式传感器热敏式传感器 气敏式传感器气敏式传感器 湿敏式传感器湿敏式传感器第

42、第8节节 红外测试系统红外测试系统第第9 9节节 激光测试传感器激光测试传感器本讲稿第六十二页，共七十一页第十节第十节 传感器的选用原则传感器的选用原则q 灵敏度灵敏度 q 响应特性响应特性 q 线性范围线性范围 q 可靠性可靠性q 精确度精确度 q 测量方式测量方式 q 其它（体积、价格、易维护性等）其它（体积、价格、易维护性等）本讲稿第六十三页，共七十一页1 1、灵敏度、灵敏度S 理论上讲，我们希望传感器的灵敏度越高越好。灵敏度越理论上讲，我们希望传感器的灵敏度越高越好。灵敏度越高，意味着被测量发生很小变化，传感器就可以有较大的输出。高，意味着被测量发生很小变化，传感器就可以有较大的输出。

43、但是，但是，灵敏度高，与测量信号无关的外界干扰也跟着混入，因此要灵敏度高，与测量信号无关的外界干扰也跟着混入，因此要求输入信号信噪比求输入信号信噪比(SNR)高一些，而且传感器本身必须干扰噪声小，高一些，而且传感器本身必须干扰噪声小，相应的设备复杂，造价高；相应的设备复杂，造价高；和灵敏度紧密相关的就是测量范围，和灵敏度紧密相关的就是测量范围，前面已讲过，理想的测试装置应是线性的，实际测试时，输入量前面已讲过，理想的测试装置应是线性的，实际测试时，输入量中含有被测量，也有干扰噪声，二者之和不可以进入非线性区域。中含有被测量，也有干扰噪声，二者之和不可以进入非线性区域。盲目地追求高的灵敏度，导致

44、可测量范围小，因此应折衷盲目地追求高的灵敏度，导致可测量范围小，因此应折衷考虑。考虑。本讲稿第六十四页，共七十一页2 2、响应特性（频率特性）、响应特性（频率特性）在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测试的条件，在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测试的条件，即：即：一般取动态测试误差为一般取动态测试误差为g=5%g=5%g g 很大就失去了测试的意义。很大就失去了测试的意义。实际传感器的响应总有一定的延迟时间，延迟时间越小越好实际传感器的响应总有一定的延迟时间，延迟时间越小越好。3 3、线性范围、线性范围任何传感器，其线性范围都是一定的。线性范围越宽，表明传任何传感器

45、，其线性范围都是一定的。线性范围越宽，表明传感器的工作量程愈大，只有在线性区域内，才能保证测量的精感器的工作量程愈大，只有在线性区域内，才能保证测量的精确。确。本讲稿第六十五页，共七十一页4 4、可靠性、可靠性对于传感器来说，可靠性就是其生命。传感器必须在规定的条对于传感器来说，可靠性就是其生命。传感器必须在规定的条件下，在规定的时间内，在允许的误差范围内完成其规定的功件下，在规定的时间内，在允许的误差范围内完成其规定的功能。因此，为了保证传感器在使用过程中可靠地完成任务，一能。因此，为了保证传感器在使用过程中可靠地完成任务，一方面，设计制造要良好，另一方面使用时必须当必，为其创造方面，设计制

46、造要良好，另一方面使用时必须当必，为其创造在规定范围内工作的条件，用后保养也要小心。例：在规定范围内工作的条件，用后保养也要小心。例：体重计：静态量测量，防冲击；体重计：静态量测量，防冲击；应变片式传感器：温度的变化会产生零漂应变片式传感器：温度的变化会产生零漂 湿度的变化会影响绝缘性能湿度的变化会影响绝缘性能 长期使用会产生蠕变长期使用会产生蠕变 磁电式传感器在电场磁场中工作会产生误差，甚至于不能正常磁电式传感器在电场磁场中工作会产生误差，甚至于不能正常工作。工作。本讲稿第六十六页，共七十一页5 5、精确度、精确度 表示输出量与被测量的一致程度。整个测试系统，传感器表示输出量与被测量的一致程

47、度。整个测试系统，传感器处于输出端最为前端，因此，其精确度影响整个测试系统。处于输出端最为前端，因此，其精确度影响整个测试系统。传感器的传感器的精确度并非越高越好精确度并非越高越好，越高则价格越高，因此，越高则价格越高，因此在选用时还要看你的测试目的是什么。在选用时还要看你的测试目的是什么。6 6、测量方式、测量方式 传感器在实际条件下的工作方式，接触与非接触测量、传感器在实际条件下的工作方式，接触与非接触测量、在线与非在线与非在线测量等，也是选用传感器时应考虑的重要因素。在线测量等，也是选用传感器时应考虑的重要因素。7 7、其它、其它 结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更结构

48、简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换。换。本讲稿第六十七页，共七十一页有一电阻应变片（题图），其灵敏度S=2，=120R，设工作时其应变为1000，问R=？设将此应变片接成如图所 示的电路，试求1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示 值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表 中读出？解：因为电阻应变片灵敏度系数 所以，电阻变化量无应变时电流表示值 第三章习题第三章习题本讲稿第六十八页，共七十一页 有应变时电流表示值 电流表指示值的相对变化量 不能，这个变化量是太小。本讲稿第六十九页，共七十一页3-6 一个电容测微仪其传感器的圆形极板的半径r=4mm，工作初始间隙=0.3mm，问：1）工作时，如果传感器与工件的间隙变化量=0.1n时，电容变化量是多少？2）如果测量电路的灵敏度S1=100V/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，当=0.1n时，读数仪表的指示值变化多少格？解：（1）介电常数 在空气中 本讲稿第七十页，共七十一页（2）设读数仪表指示值变化格数为y，则仪表指示的变化范围本讲稿第七十一页，共七十一页