工信版（中职）传感器及应用第二章教学课件.ppt

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1、Y CF（中职）传感器及应用第二章教学课件 第2 章常用传感器及测量转换电路 2.1 电阻应变式传感器 2.2 热电阻传感器 2.3 热电偶传感器 2.4 电涡流式传感器 2.5 电容式传感器 2.6 电感式传感器 2.7 压电式传感器 2.8 磁电式传感器2.1 电阻应变式传感器 2.9 光电式传感器 2.10 数字式传感器 2.11 霍尔传感器 2.12 差分变压器式传感器 2.13 气敏传感器 上一页 返回2.1 电阻应变式传感器(1)这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。(2)易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测。(3)灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。

2、(4)可以测量各种物理量。因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而豁结在弹性敏感元件表面上的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此，电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。下一页 返回2.1 电阻应变式传感器 短接式应变片两端用直径比栅线直径大510 倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。常用材料:康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。2.金属箔式应变片 箔式应变片是在

3、绝缘基底上，将厚度0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。3.金属薄膜应变片 薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1 以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加上保护层。上一页 返回 下一页2.1 电阻应变式传感器 4.半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。所有材料在某种程度上都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。2.1.4 测量转换电路 应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为变形，然后利用

4、导体的应变效应，将力转变成电阻的变化，最终利用测量电路得到被测量(力)的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。2.1.5 温度补偿 在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，图2-5 温度下一页 返回 上一页2.1 电阻应变式传感器 2.1.6 电阻应变式传感器的应用 电固应变刻专感器中的各种弹胜胜元件一般为敏感元件，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为电桥电路。电阻应变刻专感器通常可用来测量应变以外的物理量，例如力、扭矩、加速度和压力等。把应变片料视占到弹胜胜敏感元件上，使弹性毓惑元件的应变与被测量成比例关系。1.力和扭矩传感器 图2-6 所示列出了几种力和扭

5、矩传感器的弹性敏感元件。拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如图2-6(a),(b)所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的横向应变，从而构成差动式。另一种弯曲梁和上一页 下一页 返回2.1 电阻应变式传感器 扭转轴上的应变片也均可构成差分式，如图2-6(c),(d)所示。另外用环状弹性敏感元件测拉(压)力也是比较普遍的，如图2-6(e)所示。2.压力传感器 应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量。图2-7 中给出了组合式压力传感器示意图。图中应变片R 粘贴在悬臂梁上，悬臂梁的刚度应比压力敏感元件更高，这样可降低这些

6、元件所固有的不稳定性和迟滞。图2-8 所示是筒式压力传感器。被测压力P 作用于筒内腔，使筒发生变形，工作应变片1 贴在空心的筒壁外感受应变，补偿应变片2 贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。一般可用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒腔内压力等。上一页 下一页 返回2.1 电阻应变式传感器 3.加速度传感器 加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如图2-9 所示。测量时，将基座固定在被测对象上，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力而使悬臂梁变形。通过应变片检测出悬臂梁的应变值，而应变值是与加速度成正比的。上一页 返回2.2 热电阻传感器 热电阻传感器主要是利用电阻

7、值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前应用较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。2.2.1 热电阻 热电阻主要是利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的。目前广泛应用的热电阻材料是铂和铜，它们的电阻温度系数在 范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。铂的性能最稳定，采用特殊的结构可制成标准铂电阻温度计，它的适用范围为。铜电阻价廉并且线性好，返回 下一页2.2 热电阻传感器 但温度高

8、时易氧化，故用于温度较低的环境中。表2-1 列出了热电阻的主要技术性能。2.2.2 热敏电阻 热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。一般按温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系数热敏电阻(PTC)和临界温系数热敏电阻(CTR)。这三类热敏电阻的电阻率P 与温度t 的变化曲线如图2-10 所示。从图中可以看出这些曲线都呈非线性。热敏电阻除按温度系数区分外，还有以下三种分类方法:按结构形式可分为体型、薄膜型、厚膜型三种;按工作方式可分为直热式、旁热式、延迟电路三种;按工作温度区可分为常温区、高温、低温区热敏电阻。热敏电阻可根据使用要求下一页 返回 上一页2.2 热电阻传感器

9、封装加工成各种形状的探头，如珠状、片状、杆状、锥状、针状等，如图2-11 所示。几种常用的热敏电阻的型号及其主要参数列于表2-2.2.2.3 热电阻传感器的应用 1.金属热电阻传感器 在工业上广泛应用金属热电阻传感器进行温度测量，用电桥作为测量电路。在进行测量时，总要采用连接导线，但由于金属电阻本身阻值很小，所以引线电阻及其变化就不能忽略。为了消除或减少引线电阻的影响，通常采用三线制连接法，如图2-12 所示。2.半导体热电阻传感器 热敏电阻传感器应用范围广，具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点。下面介绍几种常见的应用。上一页 下一页 返回2.2 热电阻传感器(1)温度测量作为测量温度的热敏

10、电阻一般结构简单。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方，密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以使用在任何环境下。由于热敏电阻的阻值很大，故其连接导线的电阻和接触电阻可忽略。因此热敏电阻可以在距离长达几千米的远距离测量温度，测量电路多采用桥路。图2-13 给出一种双桥温差测量电路。(2)温度补偿仪表中通常用的一些零件多数是金属丝做成的，例如线圈、线绕电阻等。金属一般具有正温度系数，采用负温度系数热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联，如图2-14 所示。在三极管电路、对数放大器等电路中也常用热敏电阻补偿由于温

11、度引起的漂移误差。上一页 下一页 返回2.2 热电阻传感器(3)工业控制将开关型的热敏电阻埋设在被测物中，并与继电器串联，给电路加上恒定电压，当周围介质温度升到一定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，引起继电器动作，从而实现温度控制或过热保护等。上一页 返回2.3 热电偶传感器 热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温传感器。它与其他测温装置比较，具有精度高、测温范围宽、结构简单、使用方便、可远距离测量等优点。在轻工、冶金、机械及化工等工业领域中被广泛用于温度的测量、调节和自动控制等方面。2.3.1 热电偶传感器的工作原理 1.热电势效应 将两种不同材料的导体构成一闭合回路

12、，若两个接点处温度不同，则回路中会产生电动势，从而形成电流，这个物理现象称为热电势效应，简称热电效应。图2-15 所示为热电偶回路及符号。2.热电偶回路的主要性质 下一页 返回2.3 热电偶传感器(1)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体C，只要第三种导体的两端温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小。即 其中C 导体两端温度相同。从实用观点看，这个性质很重要，正是由于这个性质存在，才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等，而不必担心会对热电动势有影响，而且也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶。同时应用这一性质可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，如图

13、2-16 所示。只要保证两热电极A,B 插入地方的温度一致，则对整个回路的总热电动势将不产生影响。上一页 返回 下一页2.3 热电偶传感器 机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。热电偶长度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中的插入深度来决定。(2)绝缘套管绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为20 mm，使用时根据热电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是氧化铝、耐火陶瓷等。(3)保护套管保护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管

14、后再装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据上一页 下一页 返回2.3 热电偶传感器 几种常用标准化热电偶的测温范围及特点。非标准化热电偶有钨锌丝热电偶、铱铬丝热电偶、铁一康铜丝热电偶等。非标准化热电偶在高温、低温、超低温、真空和核辐射等特殊环境中使用具有良好的性能。它们在节约贵重稀有金属方面具有重要意义。这类热电偶无统一分度表。(2)普通型热电偶普通型热电偶外形如图2-18 所示，这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度。根据测温范围和测温环境不同，可选择合适的热电偶和保护套。按其安装时的连接形式可分为螺纹连接和法兰

15、连接两种。按使用状态的要求又可分为密封式和高压固定螺纹式。(3)恺装热电偶恺装热电偶的外形像电缆，也称缆式热电偶。它是由金属套管、绝缘材料和热电偶丝三者组合而成一体的特殊结构的热电偶。热电偶的套管外径最细能达0.25上一页 返回 下一页2.3 热电偶传感器 振动、抗冲击、可挠性好、便于安装等优点，因此特别适用于复杂结构(如狭小弯曲管道内)的温度测量。使用时，可以根据需要截取一定长度，将一端护套剥去，露出热电极，焊成结点，即成热电偶。恺装热电偶外形及结构如图2-19 所示。此外，还有快速测量各种表面温度的薄膜型热电偶，为测量各种固体表面温度的表面热电偶，为测量钢水和其他熔融金属温度而设计的消耗式

16、热电偶，以石墨和难熔化合物为高温热电偶材料的非金属热电偶等。2.3.3 热电偶自由端温度的补偿 热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势仅与被测温度有关，必须保持自由端(冷端)的温度恒定。下一页 返回 上一页2.3 热电偶传感器 1.仪表调零修正法 当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的自由端温度基本恒定，对测量精度要求又不高时，可将仪表的机械零点调至热电偶自由端温度的位置上.2.自由端温度自动补偿 上述方法是要求在恒定自由端温度To 的条件下得以实现的。若此条件不能满足，或要求被测温度的信号立即传人控制装置，以便进行实时控制时，这一方法就难以实现。如果在热电偶与仪表之间接入一个补偿装置，

17、这个补偿装置在热电偶自由端温度为To 时，产生一个电动势为，并随To 变化而相应改变，这样就可实现热电偶自由端温度的自动补偿。电桥补偿法是最常用的自由端温度自动补偿的方法。它是利用直流电桥的不平衡电压来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电动势变化值。如图2-20 所示。下一页 返回 上一页2.3 热电偶传感器 用于电桥补偿法的装置称为热电偶冷端补偿器。表2-4 列出了常用的国产冷端补偿器性能。冷端温度补偿器通常使用在热电偶与动圈式显示仪表配套的测温系统中。而自动电子电位差计或温度变送器以及数字式仪表等的测量线路里已设置了冷端温度补偿电路，故热电偶与它们相配套使用时不必另行配置冷端补偿器了。3

18、.延引电极法 为了使热电偶自由端不受高温热源的影响，自由端温度基本保持恒定或波动较小，可把热电偶做得很长，这样势必引起使用贵重金属热电偶的成本加大。导线。用补偿导线制成的热电偶与工作热电偶相连，它既可把工作热电偶的原自由端延长到新的自由端，节省了贵重金属，又不会由于引入该导线而给工作热电偶带来测量误差。可见，使用补偿导线仅上一页 下一页 返回2.3 热电偶传感器 起延长热电偶的作用，不起任何温度补偿作用，将其称为“补偿导线”是名不副实的习惯用语。常用热电偶补偿导线见表2-5。2.3.4 热电偶的应用 热电偶是工业生产中应用最广泛的一种测温传感器，几乎用于工业生产的各个领域，下面简要介绍热电偶应

19、用中的一些基本知识。1.热电偶的测温线路 如图2-21 所示，热电偶可用于测量两点温度之和以及之差。其中图2-21(a)是两支同型号的热电偶正向串联，用来测量两点温度之和。则当使用多根热电偶串联测温时，就能成倍地提高总的热电动势的输出，大大提高测量的灵敏度，上一页 下一页 返回2.3 热电偶传感器 2.热电偶热电动势的测量 热电偶输出的热电动势与被测温度有对应关系，热电动势的测量可用动圈式仪表、电位差计、电子电位差计，或通过微机识别后输出，显示温度值。采用动圈式仪表测量热电动势时，由于线路中电阻的影响，将使仪表指示值与实际热电动势不一致，特别是外接电阻较大时，测量误差不容忽视。上一页 返回2.

20、4 电涡流式传感器 由表2-6 可知，电涡流传感器的线圈外径越大，线性范围也越大，但分辨率差(灵敏度低)。线圈阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高。但被测体为磁性材料时，其效果则相反。因此，与非磁性材料相比，磁性材料的灵敏度低。为了充分利用电涡流效应，被测体环的半径应大于线圈半径的1.8 倍，否则将导致灵敏度降低。被测体为圆柱体时，它的直径必须为线圈直径的3.5 倍以上，才不影响测量结果。而且被测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要厚度在0.2 mm 以上，测量就不受影响。另外在测量时，传感器线圈周围除被测导体外，应尽量避开其他导体，以免干

21、扰磁场，引起线圈的附加损失。2.测量转换电路 电涡流传感器的测量转换电路有 电桥法、调幅法和调频下一页 返回2.4 电涡流式传感器 法。下面简要介绍调频法的工作原理，其转换电路原理框图如图2-26 所示。并联谐振回路的谐振频率为 当电涡流线圈与被测体的距离s 改变时，电涡流线圈的等效电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出频率改变，此频率可直接用频率计测量。但多数情况下是通过鉴频器将频率的变化转换为输出电压的变化。调频法的特点是受温度、电源电压等外界因素的影响较小。2.4.3 电涡流式传感器的应用 电涡流式传感器由于结构简单，又可实现非接触测量，因此得到广泛的应用，下面列举一些主要的应用。

22、上一页 下一页 返回2.4 电涡流式传感器 1.位移测量 如图2-27 所示，电涡流式传感器可用来测量各种形状金属导体试件的位移量。如汽轮机主轴的轴向位移、磨床换向阀及先导阀的轴位移和金属试件的热膨胀系数等。2.振幅测量 如图2-28(a)所示，电涡流式传感器可以无接触地测量旋转轴的径向振动，也可以测量汽轮机涡轮叶片的振幅，如图2-28(b)所示。有时为了解轴的振动形状，可用数个电涡流传感器并排地安置在附近测量，如图2-28(c)所示。3.转速测量 在旋转体上开一条或数条槽或做成齿状，旁边安装一个电涡流式传感器，如图2-29 所示，当转轴转动时，传感器周期地改变着与转轴之间的距离，于是它的输出

23、也周期性地发生变化。上一页 下一页 返回2.4 电涡流式传感器 4.电涡流探伤 利用电涡流式传感器可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤时，传感器应与被测导体保持距离不变。检测时，由于裂陷出现，将引起导体的电导率、磁导率的变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压的突变，达到探伤的目的。上一页 返回2.5 电容式传感器 电容式传感器是一种能将被测非电量转换成电容量变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。它具有 以下优点:(1)高阻抗，小功率，仅需很低的输入能量。(2)可获得较大的变化量，从而具有较高的信噪比和系统稳定性。(3)动态响应快，工作频率可达几

24、兆赫，可非接触测量，被测物是导体或非导体均可。(4)结构简单，适应性强，可在高低温、强辐射等恶劣的环境下工作。因此它在非电量测量和自动检测中得到广泛应用，可测量月功、位移、振动、角度、加速度、液位、湿度、成分含量等参数。下一页 返回2.5 电容式传感器 2.5.1 电容式传感器的工作原理和特性 电容式传感器的基本原理如图2-30 所示，它是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为:式中 电容极板间介质的介电常数，为真空介电常数，为极板间介质相对介电常数;A 一平行板所覆盖的面积;d 一两平行板之间的距离。上一页 下一页 返回2.5 电容式传感器 当被测参数

25、变化使得上式中的A,d 或二发生变化时，电容量C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种类型。2.5.2 电容式传感器的测量转换电路 电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有电桥电路(调幅电路)、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T 型交流电桥、

26、脉冲宽度调制电路等。以下以电桥电路为例介绍其转换原理。上一页 返回 下一页2.5 电容式传感器1.电桥电路(调幅电路)图2-31 所示为电桥电路。电容电桥的主要特点有:.电桥输出调幅波，其幅值与被测量成比例，因此电桥电路又称为调幅电路;.输出电压与电源电压成比例，因此要求电源采用稳幅、稳频等措施;.传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性将增大。在要求精度高的场合(如飞机用油量表)应采用自动平衡电桥;.输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。由电桥电路组成的系统原理如图2-32 所示。下一页 返回 上一页2.5 电容式传感器 2.5.3

27、 电容式传感器的应用 电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.0l m 至数百微米、精度可达0.O1 m、分辨率可达0.001 m。变面积型的能测量较大的位移，量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.O1-0.001 m。1.电容式差压传感器 图2-33 是电容式差压传感器结构示意图。这种传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)、能测微小压差(0 0.75 Pa)。上一页 下一页 返回2.5 电容式传感器 2.电容式测厚传感器 如图2-34 所示为电

28、容式侧厚传感器在板材轧制装置中的应用的工作原理。在被测带材的上、下两侧各置一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样，极板与带材就构成了两个独立电容器。3.电容式力和压力传感器 为大吨位电子吊秤用电容式称重传感器。扁环形弹性元件上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板。称重时，弹性元件受力变形，使动极板位移，导致传感器电容量变化，从而引起由该电容组成的振荡频率变化。频率信号经计数、编码，传输到显示部分。图2-36 为一种典型的小型差动电容式压力传感器结构。加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元件，同时作为上一页 下一页 返回2.5 电容式传感器 可变电容的活动极板。电容的两个固定极板是在玻璃基

29、片上镀有金属层的球面极片。在压差作用下，膜片凹向压力小的一面，导致电容量发生变化。球面极片(图中被夸大)可以在压力过载时保护膜片，并改善性能。其灵敏度取决于初始间隙s,s 越小，灵敏度越高。其动态响应主要取决于膜片的固有频率。上一页 返回2.6 电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L 或互感量M 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种传感器。由铁芯和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路

30、的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。2.6.1 自感式电感传感器 自感式传感器实质上是一个带气隙的铁芯线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面积式与螺管式三种;按组成方式分，有单一式与差动下一页 返回2.6 电感式传感器 式两种。1.自感式传感器的结构及工作原理 自感式电感传感器的基本结构如图2-37 所示，主要由线圈、铁芯和衔铁以及测杆组成。自感式传感器主要用于测量位移量或者是易于转换成位移量的被测量。工作时衔铁通过测杆与被测物体接触，被测物体位移将带动可动衔铁移动，从而导致线圈电感量发生变

31、化。当线圈接入测量转换电路后，电感量的变化将转换成电压、电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。2.自感式电感器的种类 自感式电感传感器按原理可分为变气隙型、变截面型和螺线管型三种基本类型。上一页 返回 下一页2.6 电感式传感器(1)变气隙型传感器由 可知，若A 为常数，则L 与气隙 成反比。故输入输出是非线性关系。越小，灵敏度越高。为提高灵敏度，保证一定的线性度，变气隙式电感传感器只能工作在很小的区间，因此只能用于微小位移量的测量。(2)变截面型传感器由公式可知传感器工作时，若气隙间距s 保持不变，则线圈电感量L 与截面积A 成正比，输入与输出是一种线性关系，灵敏度是一常数。为提高灵

32、敏度，常将s做得很小。这种类型的传感器由于结构的限制，量程一般也不大，故在实际应用中并不多。(3)螺线管型电感式传感器螺线管型电感式传感器由一只螺管线圈和一根柱形衔铁组成。当被测量引起衔铁移动时，会引起衔铁在线圈中的长度变化，从而引起螺管线圈的电感量的变化。下一页 返回 上一页2.6 电感式传感器 机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。热电偶长度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中的插入深度来决定。(2)绝缘套管绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为20 mm，使用时根据热

33、电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是氧化铝、耐火陶瓷等。(3)保护套管保护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管后再装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据上一页 下一页 返回2.6 电感式传感器 在实际使用中，通常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动电感传感器。结构如图2-38 所示。3.自感式传感器的测量电路(1)交流电桥交流电桥是电感式传感器的最常用的测量电路，它将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。自感式传感器常用的交流电桥有以下两种。(2)谐振电路谐振电路

34、如图2-40(a)所示。图中Z 为传感器线圈，E 为激励电源。设图2-40(b)中曲线1 为图2-40(a)回路的谐振曲线。若激励源的频率为f，当传感器线圈电感量变化时，谐振曲线将左右移动，于是输出电压的幅值就发生相应变化。这种电路灵敏度很高，但非线性严重，常与单线圈自感传感器配合，用于测量范围小或线性度要求不高的场合。上一页 下一页 返回2.6 电感式传感器(3)恒流源电路这种电路与大位移(螺管式)自感传感器配用，见图2-41。2.6.2 互感式传感器 1.工作原理 互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。其原理类似于变压器。互感式传感器的初、次级间的互感随衔铁移动而变，且

35、两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。差动变压器和自感传感器一样，也有变气隙式、变面积式和螺管式三种类型，目前应用最广泛的是螺管式差动变压器传感器。如图2-42 所示。2.测量电路 由上述的分析可知，差动变压器的输出电压其实是一个受衔铁位移控制的调幅波，目前常用的测量电路有 相敏检波上一页 返回 下一页2.6 电感式传感器 电路、差动整流电路等。(1)相敏检波电路相敏检波电路。(2)差动整流电路差动整流电路是差动变压器常用的测量电路，这种电路结构简单，使用非常方便。如图2-44 所示，差动变压器两个输出线圈的电压分别整流后，再进行差动输出。该电路不需要考虑相位调整和零位输出电压的影

36、响，而且输出信号可进行远距离的传输。几种典型的电路如图2-44 所示。2.6.3 电感式传感器的应用 电感式传感器主要用于测量位移量，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。上一页 下一页 返回2.6 电感式传感器(1)位移的测量图2-45 是电感式测位仪的原理框图。测量时探头与被测对象连接，被测对象的微小移动将使衔铁位置发生改变，线圈的电感随之发生变化。通过交流电桥将这一变化转换能够成反映被测对象位移的电压信号。再经过交流放大和相敏检波最后通过指示仪表将测量结果显示出来。(2)液位的测量液位的测量其实是位移测量的具体应

37、用之一。图2-46 为电感式浮筒液位计的原理示意图。液位发生变化时，浮筒的所受浮力将产生变化，并带动差动变压器的衔铁发生位移变化，从而改变了差动变压器输出电压。这个输出值反映了液面的变化值。(3)力的测量图2-47 是差动变压器式力传感器。当力作用于传感器时，弹性元件发生形变，从而导致衔铁相对线圈产生位移。线圈电感量的变化通过测量电路转换为输出电压信号，其大小反映了受力的大小。上一页 下一页 返回2.6 电感式传感器(4)加速度的测量图2-48 为差动变压器式加速度传感器的结构示意图和测量电路原理框图。当该传感器受到加速度作用时，衔铁会对弹性支撑片产生与加速度成正比的反作用力。弹性支撑片受力后

38、发生形变，于是衔铁与线圈产生相对位移。差动变压器输出正比于加速度的检测电压。上一页 返回2.7 压电式传感器 压电式传感器是将被测量变化转换成材料受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器。它是一种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器。压电式传感器具有 使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞跃发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电式传感器在工程力学、各种动态力、机械冲击与振动测量、生物医学、电声学、宇航等许多技术领域获得广泛的应用。2.7.1 压电式传感器的工作原理 1.压电效应 压电效应是一种机械能与电

39、能之间的藕合效应。压电效应是可逆的，即有两种压电效应:正压电效应和逆压电效应。下一页 返回2.7 压电式传感器 2.压电材料 具有压电效应的电介质物质称为压电材料。常见的压电材料有单晶和多晶两种，前者以石英晶体为代表还有水溶式压晶体、妮酸铿晶体;后者以错钦酸铅压电陶瓷为代表，还有妮美酸铅压电陶瓷、钦酸钡压电陶瓷等。2.7.2 压电传感器的等效电路 当压电式传感器的压电元件受力时，在电极表面就会出现电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，可以把压电式传感器看作是一个电荷源，而压电元件是绝缘体，在这一过程中，它又可以看成是一个电容器，其电容量 为上一页 返回 下一页2.7 压电式传感

40、器 压电元件电极面的面积 压电元件厚度(m);压电材料的相对介电常数;真空介电常数。从性质上讲，压电元件实际上是一个有源电容器。当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图2-49(a)所示。在开路状态时，其输出端电荷为。当需要压电元件输出电压时，又可以把它等效成一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路，如图2-49(b)所示。在开路状态时，其输出端电压为下一页 返回 上一页2.7 压电式传感器 2.7.3 压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出信号非常微弱，电缆的分布电容及噪声将严重影响其输出特性，因此需将电信号放大后才能检测出来;由于

41、其内阻抗很高，所以需要压电器件的负载电阻必须具有极高的值。因此与压电元件配套使用的测量电路，其前置放大器必须有两个作用:信号放大和阻抗匹配。由于压电元件既可看作电压源，又可看作电荷源，所以前置放大器有两种:电压放大器和电荷放大器。它们的共同作用都是将压电元件输出的微弱信号放大，将压电元件的高阻抗转换为低阻抗输出。由于线性集成运算放大器的飞速发展，出现了一些输入阻抗很高的器件，因而由集成运算放大器构成的电荷放大器便有了良好的基础和发展前景。故目前多上一页 下一页 返回2.7 压电式传感器 采用电荷放大器。电荷放大器实际上是一个具有 深度电容负反馈的高增益放大器。电荷放大器的原理如图2-50 所示

42、。2.7.4 压电式传感器的应用 1.压电式加速度传感器 图2-51 是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即 式中 质量块产生的惯性力;m 质量块的质量;上一页 下一页 返回2.7 压电式传感器 a 加速度。此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m 为常数，则传感器输出电荷为 与加速度a 成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。2.压电式声传感器 图

43、2-52 是压电陶瓷换能器结构图。当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷上一页 下一页 返回2.7 压电式传感器 片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。上一页 返回2.8 磁电式传感器 磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电

44、信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。有时也称作电动式或感应式传感器，只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单;零位及性能稳定;工作频带一般为101000Hz。磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。2.8.1 工作原理 当一个匝数为W 的线圈作切割磁力线运动时，或者穿过线圈的磁通 少发生变化时，线圈中产生感应电动势，其大小由下式决定:下一页 返回2.8 磁电式传感器 式中 为磁通变化率，与磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度有关，只要改变其一，就会改变。根据这一原理，可以设

45、计成两种磁电传感器结构:变磁通式和恒磁通式。1.变磁通式磁电传感器 图2-53 是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。2.恒磁通式磁电传感器 图2-54 为恒磁通式磁电传感器典型结构，它由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈(动圈式)，也可以是磁铁(动铁式)，动圈式(图2-54(a)上一页 返回 下一页2.8 磁电式传感器 和动铁式(图2-54(b)的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大。当振动频率足够高(远大于传感器固有频率)时

46、，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为 式中:工作气隙磁感应强度;每匝线圈平均长度;线圈在工作气隙磁场中的匝数;相对运动速度。下一页 返回 上一页2.8 磁电式传感器 2.8.2 磁电感应式传感器的测量电路 磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。图2-55 为一般测量电路方框图。2.8.3 非线性误差 磁电式传感器

47、产生非线性误差的主要原因是:由于传感器线圈内有电流1 流过时，将产生一定的交变磁通，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化如图2-56 所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感生电势E 和较大的电流1，由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了上一页 下一页 返回2.8 磁电式传感器 工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。2.8.4 磁电感应式传感器的应用 磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了

48、广泛的应用。如航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。上一页 返回2.9 光电式传感器 光电式传感器是将被测参数的变化转换成光通量的变化，再通过光电元件转换成电信号的一种传感器。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等优点，故在传感器技术中得到广泛的应用。2.9.1 光电效应 光电元件的理论基础是光电效应。光电效应就是在光线作用下，物体吸收光能量而产生相应电效应的一种物理现象，通常可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种类型。(1)外光电效应在光线作用下，电子从物体表

49、面逸出的物理现象称为外光电效应，也称光电发射效应。基于外光电效应的光电元件有光电管和光电倍增管。下一页 返回2.9 光电式传感器(2)内光电效应在光线作用下，物体电阻率发生变化的现象称为内光电效应，又称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻和光敏晶体管。(3)光生伏特效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件是光电池。2.9.2 光电元件及特性 1.光电管和光电倍增管(1)光电管以外光电效应原理制作的光电管的结构是由真空管、光电阴极K 和光电阳极A 组成，其符号及基本工作电路如图2-57 所示。当一定频率光照射到光电阴极时，阴极发射的电

50、子在电场作用下被阳极所吸引，光电管电路中形成上一页 下一页 返回2.9 光电式传感器 电流，称为光电流。不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象是红外光、可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。(2)光电倍增管光电倍增管有放大电流的作用，灵敏度高、信噪比大、线性好，多用于微光测量。图2-58 是光电倍增管符号及工作原理示意图。2.光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下:(1)暗电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电