第4章常用傳感器

1、第四章第四章 常用傳感器常用傳感器本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.掌握常用傳感器測量原理掌握常用傳感器測量原理4.了解傳感器測量電路了解傳感器測量電路4.1 概述概述4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器4.3 電感式傳感器電感式傳感器4.4 電容式傳感器電容式傳感器4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器4.8 其它類型傳感器其它類型傳感器4.9 傳感器選用原則傳感器選用原則 4.1.1 傳感器定義傳感器定義4.1.2 傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成4.1.3 傳感器的分類傳感器的分類4.1.4

2、 常見的被測物理量常見的被測物理量4.1 概述概述第三章第三章 常用傳感器常用傳感器 傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并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。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。物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從目前，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。號的裝置。4.1.1 傳感器定義傳感器定義4.1 概述概述4.1.2 傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成4.1 概述概述

3、 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。進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 dV4.1.3 傳感器的分類傳感器的分類4.1 概述概述(1)(1)按被測物理量分類按被測物理量分類: :(2)(2)按工作的物理基礎(chǔ)分類按工作的物理基礎(chǔ)分類: :(3)(3)按信號變換特征按信號變換特征: :(4)(4)按

4、敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系: :位移位移, ,力力, ,溫度等溫度等. .機(jī)械式機(jī)械式, ,電氣式電氣式, ,光學(xué)式光學(xué)式, ,流體式等流體式等. .物性型物性型, ,結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型. .能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型. .4.1 概述概述A A 物性型與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換. . 例如例如: :水銀溫度計(jì)水銀溫度計(jì), ,壓電測力計(jì)壓電測力計(jì). .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)

5、的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .B B 能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: :直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì), ,壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì). .能量控制型能量控制型: :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. . 例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片. .4.1.4 常見的被測物理量常見的被測物理量 機(jī)械量機(jī)械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速

6、度, ,加速度加速度, ,旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角, ,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), , 質(zhì)量質(zhì)量, ,重量重量, ,力力, ,壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風(fēng)速風(fēng)速, ,流速流速, , 流量流量. . 聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. . 磁磁: : 磁通磁通, ,磁場磁場. . 溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱比熱. . 光：光： 亮度，色彩亮度，色彩. .4.1 概述概述4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 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是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器. 按工作的原理可分為按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、變阻器式、電

7、阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式光敏式、電敏式.第三章第三章 常用傳感器常用傳感器4.2.1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器4.2.2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器4.2.1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器（1） 工作原理工作原理4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器RxklR )2(xkkR kR 等效電路分析等效電路分析: Rp-總電阻總電阻;xp-變阻總長變阻總長;RL負(fù)載電阻負(fù)載電阻;x-電刷移動量電刷移動量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx)1)(1pxxLRpRxpxinLRxRxRpRLRpRinLRxRLRxRxRpRinEEEoutE0 x 100%100%Output

8、0負(fù)載效應(yīng)負(fù)載效應(yīng)4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器(2) 變阻器式傳感器的性能參數(shù)變阻器式傳感器的性能參數(shù): 1) 線性線性(或曲線的一致性或曲線的一致性); 4) 移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍; 2) 分辨率分辨率; 5) 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù); 3) 整個電阻值的偏差整個電阻值的偏差; 6) 壽命壽命;(3)變阻器式傳感器的分類變阻器式傳感器的分類:4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器變阻器按電阻元件分單圈電位器直線滑動式電位器多圈電位器混合式電位器導(dǎo)電塑料電位器金屬陶瓷電位器線繞電位器按電位器結(jié)構(gòu)分(4)變阻器式傳感器的特點(diǎn)：變阻器式傳感器的特點(diǎn)：4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器

9、電阻器電阻器制作制作特點(diǎn)特點(diǎn)繞線式繞線式直徑0.012-0.1mm的鎳鉻合金的精密電阻絲繞在絕緣的薄膜銅絲或絕緣的膠木板等卷心上而制作電阻溫度系數(shù)非常好，為(520)10-6 /；精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性比薄膜式好；分辨力低于薄膜式金屬陶瓷式金屬陶瓷式電阻膠印在陶瓷基板上，并用高溫?zé)贫煞直媪Ω?，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，電阻溫度系數(shù)為20010-6 /左右導(dǎo)電導(dǎo)電-塑料式塑料式將基板的樹脂與電阻膜制成一體，或?qū)㈦娮枘z涂于薄膜基片上分辨力高，壽命長，線響應(yīng)特性好，電阻溫度系數(shù)為40010-6 /混合式混合式導(dǎo)電型樹脂涂于線繞式電阻元件上兼有繞線式、導(dǎo)電塑料式的優(yōu)點(diǎn)，電阻溫度系數(shù)為15010-6 /(5) 應(yīng)

10、用應(yīng)用案例案例1 1：重量的自動檢測重量的自動檢測-配料設(shè)備配料設(shè)備設(shè)定值原材料 比較4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器(5) 應(yīng)用應(yīng)用案例案例1 1：重量的自動檢測重量的自動檢測-配料設(shè)備配料設(shè)備設(shè)定值原材料 比較原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移;再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器)1)(0pxxLRpRxpxeye案例案例2 2：煤氣包儲量檢測煤氣包儲量檢測原理直接將代表煤氣包儲量的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化煤氣包鋼絲特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）測量量程大；）測量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低。4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器案例案例3

11、3：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼 ）原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器4.2.2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片應(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(jī)械變形時，其電效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生阻值隨著它所受機(jī)械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。變化的現(xiàn)象。 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器1）工作原理）工作原理金屬應(yīng)變片的電阻金屬應(yīng)變片的電阻R為

12、為AlRdRdAARdllRdRrA2drldrrldlrdR2322)2(drdrldlRldlldlrdrEd)21 (ER縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變泊松比泊松比彈性模量彈性模量壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器(1)(1)當(dāng)當(dāng) 不變時不變時)21 ( RdAARdllRdR金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)(2)(2)當(dāng)當(dāng) 變化時變化時ERdRdAldRdR半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器）常數(shù)（6 . 37 . 121/SgSgldlRdR）（一般SgSgEldlRdRSg7050/2）金屬應(yīng)變片）金屬應(yīng)變片應(yīng)變計(jì)4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 金屬應(yīng)變片有：金屬應(yīng)變片

13、有： 絲式、箔式絲式、箔式 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 穩(wěn)定性和溫度特性好穩(wěn)定性和溫度特性好 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 靈敏度系數(shù)小靈敏度系數(shù)小3）半導(dǎo)體應(yīng)變片）半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變計(jì)4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大應(yīng)變靈敏度大;體積小體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片.4）應(yīng)變片的主要參數(shù)）應(yīng)變片的主要參數(shù)1）幾何參數(shù)：表距）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度和絲柵寬度b，制造廠常用，制造廠常用bL 表示。表示。 2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。 3）靈敏系數(shù)：表示

14、應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。 4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。 4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器5）應(yīng)變片的測量電路）應(yīng)變片的測量電路第四章中第四章中“電橋電橋” 內(nèi)容內(nèi)容4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器6）應(yīng)用）應(yīng)用案例案例1 1：橋梁固有頻率測量橋梁固有頻率測量原理在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進(jìn)行激勵，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器案例案例2

15、 2：電子稱電子稱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。4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器案例案例3 3：桶式測力傳感器桶式測力傳感器4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器電橋電橋1）直流電橋）直流電橋信號放大電路信號放大電路 UIRRRRRRRRUIRRRRRRUbcUbaUO)34)(2(14231)344211(RRRR4231RRUII211RRUII344UIRRRRIUba21111UIRRRRIUbc34444平衡條件平衡條件信號放大電路信號放大電路 直流電橋的連接方式直流電橋的連接方式a)半橋單臂半橋單臂b)半橋雙臂半橋雙臂c)全橋全橋(a)半橋單臂半橋單臂U

16、IRRUIRRRUIRRRRRRRRUO04204)344211(RRRRR04321令RR0又因?yàn)?b)半橋雙臂半橋雙臂UIRRUO02(c) 全橋全橋UIRRUO0UIrRrRRrRrRrRrUbcUbaUO)344211(直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件4231RRRR優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：所需的高穩(wěn)定直流電源較易獲得；所需的高穩(wěn)定直流電源較易獲得；電橋輸出電壓是直流，可以用直流儀表測電橋輸出電壓是直流，可以用直流儀表測量；對從傳感器到測量儀表的連接導(dǎo)線要量；對從傳感器到測量儀表的連接導(dǎo)線要求較低，電橋的平衡電路簡單。求較低，電橋的平衡電路簡單。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：直流放大器比較復(fù)雜，易受零漂和直流放大器

17、比較復(fù)雜，易受零漂和接地電位的影響。接地電位的影響。信號放大電路信號放大電路 平衡電橋平衡電橋信號放大電路信號放大電路 2）交流電橋）交流電橋平衡條件平衡條件4231ZZZZ4231交流電橋的平衡問題較直流復(fù)雜得多，對交流電橋的平衡問題較直流復(fù)雜得多，對于交流電橋，除了進(jìn)行電阻平衡外，還要于交流電橋，除了進(jìn)行電阻平衡外，還要進(jìn)行電抗平衡。交流電橋?qū)τ诠螂娫匆M(jìn)行電抗平衡。交流電橋?qū)τ诠螂娫匆笠草^高，必須具有良好的電壓波形和頻求也較高，必須具有良好的電壓波形和頻率穩(wěn)定度。率穩(wěn)定度。4.3 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，

18、它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類分類:電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型4.3 電感式傳感器電感式傳感器1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式2002AWL 原理原理:電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)RmWL2AAAlRm002002線圈匝數(shù)磁路總磁阻鐵芯導(dǎo)磁長度鐵芯導(dǎo)磁率鐵芯導(dǎo)磁截面積氣隙長度空氣導(dǎo)磁率氣隙導(dǎo)磁截面積4.3 電感式傳感器電感式傳感器2002AWL 2020bWdadLAddLS20022AWddLS),(001 . 0/0a）導(dǎo)磁面積變化）導(dǎo)磁面積變化b）變化變化4.3 電感式傳感器電感式傳感器d）雙螺管線圈差動c

19、）單螺管線圈型)0(2002LAW左)0(2002L右AWb）差動型0-0+測量電路：將兩線圈分別接到電橋的相鄰橋臂上，輸出靈敏度可提高一倍。4.3 電感式傳感器電感式傳感器雙螺管線圈差動型傳感器及測量電路雙螺管線圈差動型傳感器及測量電路雙螺管線圈差動型，較之單雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型螺管線圈型 有較高靈敏度及線性；有較高靈敏度及線性； 用于電感測微計(jì)上，其測用于電感測微計(jì)上，其測量范圍為量范圍為0300m，最小分，最小分辨力為辨力為0.5m。這種傳感器的線圈接于電橋這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個橋臂，線圈電上，構(gòu)成兩個橋臂，線圈電感感L1、L2隨鐵芯位移而變化。隨鐵芯位移而變

20、化。4.3 電感式傳感器電感式傳感器2 渦流式渦流式原理原理:渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z變化：變化：),(ZZ 高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器 。如圖所示，如圖所示，高頻高頻(1MHz)激勵電激勵電流流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于面，由于集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)，在金屬板表面將，在金屬板表面將形成渦電流形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又的交變磁場又反作用反作用于線圈，引起線于線圈，引起線圈自感圈自感L或阻抗或阻抗ZL的的變化變化。線圈自感。線圈自感L或阻抗或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的的變化與距

21、離該金屬板的電阻率電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、激勵電流、激勵電流i及角及角頻率頻率等有關(guān)。若等有關(guān)。若只改變距離只改變距離而保而保持其它參數(shù)不變，則可將持其它參數(shù)不變，則可將位移變化轉(zhuǎn)位移變化轉(zhuǎn)換換為線圈為線圈自感變化自感變化，通過測量電路轉(zhuǎn)，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器器多用于位移測量多用于位移測量。 4.3 電感式傳感器電感式傳感器低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器 低頻透射式渦流傳感器的工作原低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖所示，理如圖所示，發(fā)射線圈發(fā)射線圈1和和接收線圈接收線圈2分別置于被測金屬板材料分別置于被測金屬板材料G的上、

22、的上、下方。由于低頻磁場下方。由于低頻磁場集膚效應(yīng)小集膚效應(yīng)小，滲滲透深透深，當(dāng)?shù)皖l，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍音頻范圍)電壓電壓e1加到線加到線圈圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料分透過金屬板材料G,使線圈使線圈2產(chǎn)生產(chǎn)生感感應(yīng)電動勢應(yīng)電動勢e2。但由于。但由于渦流消耗渦流消耗部分磁部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢場能量，使感應(yīng)電動勢e2減少，當(dāng)金減少，當(dāng)金屬板材料屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢輸出電動勢e2越小。因此，越小。因此，e2的大小與的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表明，明，e2隨材

23、料厚度隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少律減少,如圖所示，因此，若金屬板材如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可的變化即可測量其厚度。測量其厚度。 4.3 電感式傳感器電感式傳感器4.3 電感式傳感器電感式傳感器案例案例1 1： 測厚測厚4.3 電感式傳感器電感式傳感器案例案例2 2： 零件計(jì)數(shù)零件計(jì)數(shù)4.3 電感式傳感器電感式傳感器案例案例2 2： 零件計(jì)數(shù)零件計(jì)數(shù)4.3 電感式傳感器電感式傳感器案例案例3 3：測轉(zhuǎn)速：測轉(zhuǎn)速4.3 電感式傳感器電感式傳感器案例案例4 4： 無損探傷無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測火

24、車輪檢測油管檢測油管檢測4.3 電感式傳感器電感式傳感器優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：接構(gòu)簡單，使用方便，不受油污、介質(zhì)影響。：接構(gòu)簡單，使用方便，不受油污、介質(zhì)影響。應(yīng)用應(yīng)用：位移、力、振動測量，：位移、力、振動測量，NDT，測厚，測厚,材質(zhì)判別材質(zhì)判別案例案例5 5： 連續(xù)油管的橢圓度測量連續(xù)油管的橢圓度測量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：測量電路：測量電路：1）阻抗分壓式調(diào)幅電路）阻抗分壓式調(diào)幅電路4.3 電感式傳感器電感式傳感器調(diào)制調(diào)制解調(diào)解調(diào)LCf21 上圖振蕩器提供穩(wěn)定的高頻信號電源。上圖振蕩器提供穩(wěn)定的高頻信號電源。當(dāng)諧振頻率與該電源頻率相同

25、時，輸出電壓當(dāng)諧振頻率與該電源頻率相同時，輸出電壓最大。測量時，傳感器線圈阻抗隨最大。測量時，傳感器線圈阻抗隨x而改變，而改變，LC回路失諧，輸出信號頻率仍然為振蕩器的回路失諧，輸出信號頻率仍然為振蕩器的工作頻率，但幅值隨工作頻率，但幅值隨x而變化。它相當(dāng)于一個而變化。它相當(dāng)于一個調(diào)幅波。此調(diào)幅波經(jīng)放大、檢波、濾波后即調(diào)幅波。此調(diào)幅波經(jīng)放大、檢波、濾波后即可以得到氣隙可以得到氣隙x的動態(tài)變化信息。的動態(tài)變化信息。 右圖是諧振曲線和輸出特性。右圖是諧振曲線和輸出特性。4.3 電感式傳感器電感式傳感器測量電路：測量電路：2）阻抗分壓式調(diào)頻電路）阻抗分壓式調(diào)頻電路 該方法也將傳感器線圈接入該方法也將

26、傳感器線圈接入LC振蕩電路，與調(diào)幅法不同之振蕩電路，與調(diào)幅法不同之處是以回路的諧振頻率作為輸出量。當(dāng)金屬板至傳感器之間的處是以回路的諧振頻率作為輸出量。當(dāng)金屬板至傳感器之間的距離距離x發(fā)生變化時，將引起線圈電感變化，從而使振蕩器的振蕩發(fā)生變化時，將引起線圈電感變化，從而使振蕩器的振蕩頻率頻率f發(fā)生變化，再通過鑒頻器進(jìn)行頻率電壓轉(zhuǎn)換，即可得到發(fā)生變化，再通過鑒頻器進(jìn)行頻率電壓轉(zhuǎn)換，即可得到與與x成比例的輸出電壓。成比例的輸出電壓。 4.4 電容式傳感器電容式傳感器 1.變換原理變換原理: 將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器,

27、,它的電容量為它的電容量為: :AC0+A 當(dāng)被測量當(dāng)被測量、S或或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。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)，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)的變化變換為單一電容量的變化。就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。相對介電常數(shù)，空氣中為相對介電常數(shù)，空氣中為1真空介電常數(shù)真空介電常數(shù)mF /101285. 80極板面積極板面積極板間距離極板間距離2 分類分類 4.4 電容式傳感器電容式傳感器 a) a) 極距變化型極距變化型+20AddCS為減少線性誤差，一般取極距變化范圍為減少線性誤差，一般取極

28、距變化范圍1 . 00/AC04.4 電容式傳感器電容式傳感器 b)b)面積變化型面積變化型: :角位移型角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型柱面線位移型)22(rA2200rAC常數(shù)220rddCS)(bxA bxAC00常數(shù)bdxdCS0)/ln(20dDxC常數(shù))/ln(20dDdxdCS4.4 電容式傳感器電容式傳感器 c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型 變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。這種傳感變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度器大多用于測量電介質(zhì)的厚度(圖圖a)、位移、位移(圖圖b)、液位、液位(圖圖c)，還，還可

29、根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量來測量溫度、濕度、容量(圖圖d)等。等。 AC04.4 電容式傳感器電容式傳感器 若忽略邊緣效應(yīng)，圖若忽略邊緣效應(yīng)，圖a、圖、圖b、圖、圖c所示傳感器的電容量與被測量的關(guān)系為所示傳感器的電容量與被測量的關(guān)系為/0/ )(xxlbC0)(/0/ )(axlbxxaxbC)1/2ln()(02)1/2ln(02rrhxrrhC式中式中、h 、0兩固定極板間的距離、極間高度及間隙中空氣的介電常數(shù)；兩固定極板間的距離、極間高度及間隙中空氣的介電常數(shù)；x、hx、被測物的厚度、被

30、測液面高度和它的介電常數(shù)；被測物的厚度、被測液面高度和它的介電常數(shù)； l、b、ax固定極板長、寬及被測物進(jìn)入兩極板中的長度（被測值）；固定極板長、寬及被測物進(jìn)入兩極板中的長度（被測值）； r1、r2內(nèi)、外極筒的工作半徑。內(nèi)、外極筒的工作半徑。 )0/(0(AAC案例案例: :液面高度測量液面高度測量3 測量電路測量電路4.4 電容式傳感器電容式傳感器 a) 電橋電路電橋電路 電容傳感器為電橋的一部分。通常采用電阻、電容或電感、電容電容傳感器為電橋的一部分。通常采用電阻、電容或電感、電容組成交流電橋，下圖所示為一種由電感、電容組成的電橋。電容組成交流電橋，下圖所示為一種由電感、電容組成的電橋。電

31、容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，再推變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，再推動顯示、記錄儀器。動顯示、記錄儀器。 4.4 電容式傳感器電容式傳感器 b) 諧振電路諧振電路 右圖所示為諧振式電路的原理框右圖所示為諧振式電路的原理框圖，電容傳感器的電容圖，電容傳感器的電容Cx作為諧振回作為諧振回路路(L2、C2、Cx)調(diào)諧電容的一部分。調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感藕合，從穩(wěn)定的高諧振回路通過電感藕合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時，使得諧振回路的阻抗容發(fā)生變化時，使得諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，而

32、這個變化被轉(zhuǎn)換發(fā)生相應(yīng)的變化，而這個變化被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過放大、檢波即為電壓或電流，再經(jīng)過放大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出?？傻玫较鄳?yīng)的輸出。 為了獲得較好的線性關(guān)系，一般為了獲得較好的線性關(guān)系，一般諧振電路的工作點(diǎn)選在諧振曲線的線諧振電路的工作點(diǎn)選在諧振曲線的線性區(qū)域內(nèi)最大振幅性區(qū)域內(nèi)最大振幅70%附近的地方，附近的地方，且工作范圍選在且工作范圍選在BC段內(nèi)。段內(nèi)。 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是比較靈活；缺點(diǎn)是工作點(diǎn)不易選好，變化范圍也較窄，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是比較靈活；缺點(diǎn)是工作點(diǎn)不易選好，變化范圍也較窄，傳感器連接電纜的雜散電容對電路的影響較大，同時為了提高測量精度，要傳感器連接電纜的雜散電容對電路

33、的影響較大，同時為了提高測量精度，要求振蕩器的頻率具有很高的穩(wěn)定性求振蕩器的頻率具有很高的穩(wěn)定性4.4 電容式傳感器電容式傳感器 c)調(diào)頻電路調(diào)頻電路 傳感器的電容器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量傳感器的電容器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量使電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化，頻率的使電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)過鑒頻器轉(zhuǎn)換為電壓的變化，經(jīng)過放大處理后輸入顯示變化經(jīng)過鑒頻器轉(zhuǎn)換為電壓的變化，經(jīng)過放大處理后輸入顯示或記錄等儀器。（課本或記錄等儀器。（課本P72 圖圖3-28）4.4 電容式傳感器電容式傳感器 d)運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 前

34、面已經(jīng)敘述到，變極距型電容式傳感器的極距變化與電容變化量成非前面已經(jīng)敘述到，變極距型電容式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(diǎn)使電容式傳感器的應(yīng)用受到了一定的限制。采用比例運(yùn)線性關(guān)系。這一缺點(diǎn)使電容式傳感器的應(yīng)用受到了一定的限制。采用比例運(yùn)算放大器電路，可以算放大器電路，可以使輸出電壓與位移的關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系使輸出電壓與位移的關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系。如下圖所示，。如下圖所示，反饋回路中的反饋回路中的Cx為極距變化型電容式傳感器的輸入電路，采用固定電容為極距變化型電容式傳感器的輸入電路，采用固定電容C0，u0為穩(wěn)定的工作電壓。為穩(wěn)定的工作電壓。cxcuuy00/0AcxAcuuy00

35、020AddCS思考：是否意味著可用于長距測量？（當(dāng)極距增加時CxUy飽和）4 應(yīng)用應(yīng)用4.4 電容式傳感器電容式傳感器 案例案例1 1：電容傳聲器電容傳聲器 案例案例2:2:轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量4.4 電容式傳感器電容式傳感器 動手做：動手做：觀察你計(jì)算機(jī)上使用的麥觀察你計(jì)算機(jī)上使用的麥克風(fēng)，并用它測量你自己克風(fēng)，并用它測量你自己的聲音，繪出頻譜。的聲音，繪出頻譜。第三章第三章 常用傳感器常用傳感器機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.掌握常用傳感器測量原理掌握常用傳感器測量原理4.了解傳感器測量電路了解傳感器測量電路4.5

36、 壓電式傳感器壓電式傳感器4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器4.1 概述概述4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器4.3 電感式傳感器電感式傳感器4.4 電容式傳感器電容式傳感器4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器4.8 其它類型傳感器其它類型傳感器4.9 傳感器選用原則傳感器選用原則 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 1.變換原理變換原理: 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

37、來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。F+Fdcq 最簡單的壓電式傳感器的工作原理如圖所示。在壓電晶片最簡單的壓電式傳感器的工作原理如圖所示。在壓電晶片的兩個的兩個工作面上工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜金屬膜，構(gòu)成兩個，構(gòu)成兩個電極電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力當(dāng)壓電晶片受到壓力F的作用時，分別在兩個極板上積聚數(shù)量的作用時，分別在兩個極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場。因此，壓電傳感器可以看相等而極性相反的電荷，形成電場。因此，壓電傳感器可以看作是一個作是一個電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器，也可以看成是一個，也可以看成是一個電容器電容器。 工作原理：工作原理：

38、在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，常常在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起（即并聯(lián)和串聯(lián)），組將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起（即并聯(lián)和串聯(lián)），組成壓電式傳感器。成壓電式傳感器。 +并聯(lián)并聯(lián)+串聯(lián)串聯(lián)并聯(lián)和串聯(lián)：并聯(lián)和串聯(lián)：并聯(lián)時并聯(lián)時CaCaUaUaQQ2,2串聯(lián)時串聯(lián)時2/,2,CaCaUaUaQQ設(shè)單片壓電元件的電容為設(shè)單片壓電元件的電容為 ，電荷為，電荷為 ，電壓為，電壓為 ，則當(dāng)兩片疊加后，則當(dāng)兩片疊加后CaQUa電荷靈敏度高電荷靈敏度高電壓靈敏度高電壓靈敏度高+并聯(lián)并聯(lián)+串聯(lián)串聯(lián)并聯(lián)和串聯(lián)：并聯(lián)和串聯(lián)： 壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主

39、要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量得到保存，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)動態(tài)的應(yīng)力。的應(yīng)力。 并聯(lián)并聯(lián)時，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，故適用時，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，故適用于測量于測量緩變信號及電荷量輸出信號緩變信號及電荷量輸出信號。 串聯(lián)串聯(lián)時，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故適用于測時，傳感器本身的電

40、容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故適用于測量量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。4.5壓電式傳感器壓電式傳感器 2、測量電路、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先輸入到高輸入阻抗的前置放大器高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中?？奢斎氲胶罄m(xù)顯示儀表中。 4.5壓電式傳感器壓電式傳感器 idtCuq電容電容泄漏泄漏電阻電阻壓電元壓電元件產(chǎn)生件產(chǎn)生的電荷的電荷CiCcCaC傳感器傳感器電容電容電纜電容電纜電容外接電路的外接電路的輸入端電

41、容輸入端電容Fdcq tFFsin0tqtFdcqsin0sin0泄漏電流泄漏電流qCR0uiRui0/tqidtRisin00RCtRCqi01arctan)sin()0(210)sin()0(21100tRCCqRiu電壓放大器電壓放大器4.5壓電式傳感器壓電式傳感器 由于由于電荷放大器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(jì)，電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。 CfuouiCuiCfuouiCiCcCauiq)()()(CfACfCAquo)(uiAuo若放大器開環(huán)增益足夠大，則若放大器開環(huán)增益足夠大，

42、則ACf(C+Cf) Cfquo傳感器電容傳感器電容電纜電容電纜電容外接電路輸外接電路輸入端電容入端電容在一定情況下，電荷放大器的輸出在一定情況下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正此，并電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時，即使連接電纜長用電荷放大器時，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。3 應(yīng)用應(yīng)用b) 壓力變送器壓力變送器4.5壓電式傳感器壓電式傳感器 a) 加速度計(jì)，力傳感器加速度計(jì)，力傳感器 壓電傳感器主要應(yīng)用

43、在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。壓電式傳

44、感器也可以用來測量發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。微小的壓力。 產(chǎn)品產(chǎn)品壓力變送器壓力變送器加速度計(jì)加速度計(jì)力傳感器力傳感器 4.5壓電式傳感器壓電式傳感器 案例：飛機(jī)模態(tài)分析案例：飛機(jī)模態(tài)分析4.5壓電式傳感器壓電式傳感器 案例：熱軋?jiān)O(shè)備診斷案例：熱軋?jiān)O(shè)備診斷4.5壓電式傳感器壓電式傳感器 第三章第三章 常用傳感

45、器常用傳感器本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.掌握常用傳感器測量原理掌握常用傳感器測量原理4.了解傳感器測量電路了解傳感器測量電路4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器4.1 概述概述4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器4.3 電感式傳感器電感式傳感器4.4 電容式傳感器電容式傳感器4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器4.8 其它類型傳感器其它類型傳感器4.9 傳感器選用原則傳感器選用原則 1.了解磁電式傳感器變換原理了解磁電式傳感器變換原理 2.了解動圈式傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理了解動圈式傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 4.

46、了解磁阻式傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理了解磁阻式傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 第三章、傳感器測量原理第三章、傳感器測量原理完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：1.變換原理變換原理: 磁電式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動式傳感器。它把磁電式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動式傳感器。它把被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動勢感應(yīng)電動勢，是一種，是一種機(jī)機(jī)-電能量變換型電能量變換型傳感器，傳感器，不需要外部供電電源不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗，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)范圍小，又具有

47、一定的頻率響應(yīng)范圍(一般為一般為101000Hz)，適用于，適用于振振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。 ),(,mRBdtddtdNe感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e為為 磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 2 分類分類 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 磁磁電電式式動圈式動圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角速度型3 動圈式傳

48、感器動圈式傳感器 （恒定磁通式恒定磁通式 ）4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 當(dāng)線圈在垂直于磁場方向作直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，若以當(dāng)線圈在垂直于磁場方向作直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，若以線圈相對磁場運(yùn)動的速度線圈相對磁場運(yùn)動的速度v或角速度或角速度表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢電動勢e為：為： NBAeNBlve 在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N、A均為定值，感應(yīng)電動勢均為定值，感應(yīng)電動勢e與線圈相對磁場的運(yùn)動速度與線圈相對磁場的運(yùn)動速度(v或或)成正比，所以這類傳感器的基本形式是成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度

49、傳感器速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中接入積分接入積分電路或微分電路電路或微分電路，那么還可以用來，那么還可以用來測量位移或加速度測量位移或加速度。但由上述工作原理。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量動態(tài)測量。 單匝線圈有效長度單匝線圈有效長度線圈與磁場的相對運(yùn)動速度線圈與磁場的相對運(yùn)動速度單匝線圈的截面積單匝線圈的截面積角速度角速度動圈式磁電傳感器等效電路如下圖所示，其等效電路的輸出電壓動圈式磁電傳感器等效電路如下圖所示，其等效電路的輸出電壓 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感

50、器 ZCjRZeuCLL00011發(fā)電線圈感應(yīng)電動勢發(fā)電線圈感應(yīng)電動勢線圈電阻，一般為線圈電阻，一般為0.13KK負(fù)載電阻（放大器輸入電阻）負(fù)載電阻（放大器輸入電阻）一般一般C Cc c=70pF/m=70pF/m一般一般Rc=0.03/msCRusCRRZecLLcLc11000Rc0CcRZeuLL0011ZRL0euL0可測量速度、加速度可測量速度、加速度和位移。和位移。4 磁阻式傳感器（磁阻式傳感器（變磁通式變磁通式常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度） 4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 左圖為開路變磁通式，線圈和磁鐵靜止，測量齒輪由導(dǎo)磁材料制成，安左圖為開路變磁通式，

51、線圈和磁鐵靜止，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。乘積。 右圖為閉合磁路變磁通式，被測轉(zhuǎn)軸帶動橢圓形測量齒輪在磁場氣隙中右圖為閉合磁路變磁通式，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

52、中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其頻率同樣周期性變化，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)速與測量齒輪轉(zhuǎn)速n(r/min)成正比，即成正比，即f=n/60。 5 應(yīng)用應(yīng)用b) 測速電機(jī)測速電機(jī)a)磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器 變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，能在高，能在-15090的溫度下工的溫度下工作，也能在油、水霧、灰塵等條件作，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，下工作。但它的工作頻率下限較高，約為約為50Hz，上限可達(dá)，上限可達(dá)100Hz。 c)磁電式轉(zhuǎn)速表磁電式轉(zhuǎn)速表4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器

53、 第三章第三章 常用傳感器常用傳感器本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.掌握常用傳感器測量原理掌握常用傳感器測量原理4.了解傳感器測量電路了解傳感器測量電路4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器4.1 概述概述4.2 電阻式傳感器電阻式傳感器4.3 電感式傳感器電感式傳感器4.4 電容式傳感器電容式傳感器4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器4.6 磁電式傳感器磁電式傳感器4.8 其它類型傳感器其它類型傳感器4.9 傳感器選用原則傳感器選用原則4.7.1 磁電轉(zhuǎn)換元件傳感器磁電轉(zhuǎn)換元件傳感器4.7.2 光電轉(zhuǎn)換元件光電轉(zhuǎn)換元件第三章、傳感器測量原理第三章、

54、傳感器測量原理4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 物性型傳感器；物性型傳感器；結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕；結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕；功耗低、安全可靠、壽命長；功耗低、安全可靠、壽命長；響應(yīng)快；響應(yīng)快；易于實(shí)現(xiàn)集成化；易于實(shí)現(xiàn)集成化；半導(dǎo)體傳感器與前面介紹的傳感器相比，有很多明顯的特點(diǎn)：半導(dǎo)體傳感器與前面介紹的傳感器相比，有很多明顯的特點(diǎn)：輸出一般是非線性的，需要采用線性化電路；輸出一般是非線性的，需要采用線性化電路；受溫度影響大，須采用溫度補(bǔ)償措施；受溫度影響大，須采用溫度補(bǔ)償措施；性能參數(shù)分散性較大。性能參數(shù)分散性較大。第三章、傳感器測量原理第三章、傳感器測量原理1 磁電轉(zhuǎn)換元件

55、傳感器磁電轉(zhuǎn)換元件傳感器1)霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)原理而將被測量原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲具有感受磁場的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬小、頻率范圍寬(從直流到微波從直流到微波)、動態(tài)范圍大、動態(tài)范圍大(輸出電勢變化范輸出電勢變化范圍可達(dá)圍可達(dá)1000:1)、壽命長等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。、壽命長等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。 例如，在測量技術(shù)中用

56、于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為例如，在測量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器；在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、電量的傳感器；在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。第三章、傳感器測量原理第三章、傳感器測量原理 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)霍爾效應(yīng)。 sinIBHKHU霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 霍爾常數(shù)，決定與材質(zhì)、霍爾常數(shù)，決定與材質(zhì)、溫

57、度、元件尺寸，表示在溫度、元件尺寸，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時霍爾電勢的大小制電流時霍爾電勢的大小磁場和薄片法線磁場和薄片法線霍爾元件霍爾元件由由霍爾片、四根引線和殼體霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖組成，如圖:4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(一般為一般為4mm2mm0.1mm)，在它的長度方向，在它的長度方向兩端面上焊有兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對稱

58、地焊有接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對稱地焊有c、d兩兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾電極?；魻栐臍じ魻栞敵鲆€，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。目前最常用的霍爾元件材料有鍺體是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅、硅(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)、砷化銦、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。等半導(dǎo)體材料。 4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 應(yīng)用應(yīng)用 右圖是一種霍爾效應(yīng)位移傳感器工作右圖是一種霍爾效應(yīng)位移傳感器工作原理。將霍爾元件置于磁場中

59、，左半部磁原理。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，從場方向向上，右半部磁場方向向下，從 a端通人電流端通人電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生露爾電勢，右半部產(chǎn)生露爾電勢VH2，其方向相反。因此，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為兩端電勢為VH1 VH2。如果霍爾元件在初始位置時。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，其大的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。小正比于位移量。 1、位移傳感器、

60、位移傳感器4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 2、測速傳感器、測速傳感器3 3、測轉(zhuǎn)角、測轉(zhuǎn)角4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 4、電流傳感器、電流傳感器 當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測。測。 4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 5、管道裂紋檢測、管道裂紋檢測4.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 原理磁場強(qiáng)度變化檢