檢測與控制-第二章：常用傳感器課件

第二章材料成形及控制工程常用傳感器

第一節(jié)概述化學變化電PH計、微生物傳感器舌味覺氣體吸附電阻電氣味傳感器鼻嗅覺壓（力）電阻電應(yīng)變計、壓敏元件觸覺聲壓電耳聽覺光電位置、速度電CCD編碼器眼視覺物理量的變換傳感器舉例感官表2-1人體五感與傳感器1檢測與控制-第二章：常用傳感器一、傳感器的分類

1、按傳感器輸入端被測物理量（用途）分類

（1）機械量：質(zhì)量、力、扭矩、應(yīng)力等；

（2）熱工量：熱量、熱流、溫度、流速、流量等；

（3）物性參量：密度、粘度、酸堿度等；

（4）光學量：光強、光通量、輻射能量等；

（5）化學量：氣體的組分、液體的組分等。

2檢測與控制-第二章：常用傳感器

2、按傳感器輸出端被測物理量分類

（1）電參數(shù)型傳感器：電阻式、電容式、電感式；

（2）電量型傳感器：感應(yīng)式、壓電式、熱電式、光電式等；

3檢測與控制-第二章：常用傳感器

3、按能量關(guān)系分類

（1）能量轉(zhuǎn)換型（有源型、發(fā)生器型）：如熱電偶、光電池等。

（2）能量控制型：如R、L、C電參數(shù)型傳感器，必須由外部提供激勵源（電源）。4檢測與控制-第二章：常用傳感器

4、按傳感器結(jié)構(gòu)是否變化分類

（1）結(jié)構(gòu)型：由敏感元件（如彈性元件）和變換器（如電阻式變換器）組成。

（2）物性型：只有變換器，如熱電偶（既是變換器也是傳感器）

5檢測與控制-第二章：常用傳感器二、傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

（1）小型輕量化；

（2）數(shù)字化；

（3）多樣化；

（4）集成化；

（5）新型化；

（6）智能化。

6檢測與控制-第二章：常用傳感器第二節(jié)電參數(shù)型傳感器其輸出量為電參數(shù)：電阻、電感、電容、互感。一、電阻式傳感器被測非電量的變化引起電阻器阻值改變的變換元件。原理：R=L/A

其中，R—電阻值；L—導(dǎo)線長度；—電阻率；A—導(dǎo)線截面積。7檢測與控制-第二章：常用傳感器電阻式傳感器的類型有以下三種：1）電位器式傳感器：利用電刷來回移動，改變電阻器長度L2）電阻應(yīng)變式傳感器：利用應(yīng)力應(yīng)變使電阻絲產(chǎn)生變形，使電阻絲長度L、截面積A和電阻率

均發(fā)生改變。3）利用熱或其它物理量使傳感器的電阻率

發(fā)生變化8檢測與控制-第二章：常用傳感器1、電位器式傳感器按其輸出特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。（1）線性線繞電位器

原理：Uo=xUi/L（見圖2-1，P21）其中，Uo—電刷行至x處對應(yīng)的電壓；

x—電刷行程；

Ui—電位器輸入電壓；

L—電位器總行程；9檢測與控制-第二章：常用傳感器（2）非線性線繞電位器（函數(shù)電位器）

輸出電壓（或電阻）與電刷行程之間呈非線性關(guān)系，可以實現(xiàn)指數(shù)、對數(shù)、三角及其它任意非線性函數(shù)的輸出。分為變骨架式和變節(jié)距式。

1）變骨架式非線性線繞電位器

在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，通過改變骨架高度來實現(xiàn)非線性函數(shù)的關(guān)系變換（見圖2-3a)，P22）。

2）變節(jié)距式非線性線繞電位器在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，通過改變繞線節(jié)距來實現(xiàn)非線性函數(shù)的關(guān)系變換（見圖2-3b)，P22）。10檢測與控制-第二章：常用傳感器2、電阻應(yīng)變式傳感器將應(yīng)變量輸入轉(zhuǎn)換為電量輸出。（1）構(gòu)成及其工作原理

由電阻應(yīng)變片、彈性元件和粘接劑三部分組成。作用力彈性元件應(yīng)變應(yīng)變片應(yīng)變應(yīng)變片阻值變化11檢測與控制-第二章：常用傳感器（2）電阻應(yīng)變片的分類及其構(gòu)造由敏感元件、基片、覆蓋片和引出線四部分組成。

1）電阻絲式應(yīng)變片：敏感元件為金屬絲（U、V和H，見圖2-4a)、b)、c)，P23）。

2）箔式應(yīng)變片：敏感元件為采用光刻及腐蝕技術(shù)而制成的金屬箔柵（單應(yīng)力、扭矩和壓力，見圖2-5a)、b)、c)，P24）。

箔式應(yīng)變片比電阻絲式應(yīng)變片性能好。

3）半導(dǎo)體應(yīng)變片：原理：半導(dǎo)體單晶的壓阻效應(yīng)（結(jié)構(gòu)見圖2-5a)、b)、，P25）。優(yōu)點：靈敏度高。12檢測與控制-第二章：常用傳感器3、熱電阻和熱敏電阻

原理：金屬和半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而變化。

（1）金屬絲熱電阻：常用的測溫的金屬絲有：鉑、銅、鐵和鎳等。其電阻與溫度的關(guān)系為：

Rt=R0(1+t)其中，Rt、R0—溫度為t和t0時的電阻值；

—電阻溫度系數(shù)，隨材料不同而異。半導(dǎo)體熱敏電阻的熱敏溫度系數(shù)為正值。13檢測與控制-第二章：常用傳感器（2）半導(dǎo)體熱敏電阻：錳、銅、鎳、鈷和鈦等氧化物，按一定比例混合燒結(jié)而成。其外形有珠狀、片狀和柱狀（如圖2-8：a)、b)、c)，P26）。基本特性是電阻與溫度之間的關(guān)系，即

R=Aexp(B/T)其中，A—與熱敏電阻尺寸、形式及半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)；

B—與半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)；

T—熱敏電阻熱力學溫度。半導(dǎo)體熱敏電阻的熱敏溫度系數(shù)為負值。14檢測與控制-第二章：常用傳感器4、氣敏電阻傳感器

原理：吸附氣體引起敏感元件的電阻值發(fā)生變化。

圖2-9為常見的檢測可燃性氣體的氣敏元件：a)多孔質(zhì)燒結(jié)體型；b)薄膜型；c)厚膜型。一般有加熱器，以燒去附在元件表面的油污和塵埃。15檢測與控制-第二章：常用傳感器二、電容式傳感器

原理：C=

0

rS/d

其中，S—兩金屬板間相對有效面積；

d—兩金屬板間距離；

r—極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)；

0—真空介電常數(shù)。改變r（改變介電常數(shù)）

、S（改變面積）、d（改變極距）中的任意參數(shù)，即可使電容C發(fā)生變化。1、改變極板間距離的電容式傳感器（圖2-10，P28）

C1=C0SlnC0

/

0(

C1與有近似線性關(guān)系）在實際應(yīng)用中，為了提高靈敏度（比單一電容提高一倍），做成差動形式（圖2-11，P29）。16檢測與控制-第二章：常用傳感器2、改變極板有效面積的電容式傳感器（圖2-12，P30）

圖2-12為一種電容式角位移傳感器，當動片有一角位移時，與定片相疊部分的面積S發(fā)生變化，從而使兩極板間電容量發(fā)生變化。

C1=C0-C0

/

(其中

C0=

S/

0）

圖2-13為一種筒形線位移傳感器，當內(nèi)、外相疊長度l與筒間隙（=R-r）相比大很多時，電容增量為

C=C

l

/l

(其中

C=2

l

/(lnR/r)）在實際應(yīng)用中，常做成差動形式，以改善其線性度。17檢測與控制-第二章：常用傳感器二、電感式傳感器

原理：依據(jù)電磁感應(yīng)的原理，把被測位移變化轉(zhuǎn)換為自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變換。前者稱為自感傳感器，后者稱為互感傳感器或變壓器式傳感器。1、自感式傳感器（1）改變氣隙厚度的自感傳感器

線圈繞在鐵心上，鐵心與銜鐵之間有一氣隙，其厚度為

（見圖2-14，P31），線圈的電感值L為：

LW20S/（2

）電感量L與氣隙厚度成反比。其缺點是非線性嚴重（圖2-15，P31）18檢測與控制-第二章：常用傳感器（2）改變通磁氣隙截面積的自感傳感器

由公式LW20S/（2

）知，電感量L與氣隙厚度成反比。改變通磁氣隙截面積S可使L發(fā)生變化，并且電感量L與S在一定范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。（圖2-16a)，P31）。圖2-16b)給出了其工作原理：當銜鐵隨測桿產(chǎn)生一定位移后，使通磁氣隙截面積S發(fā)生相應(yīng)變化，從而改變線圈的電感量L。（3）螺線管式自感傳感器

工作原理如圖2-17（P32）所示，當測桿有一定位移時，帶動鐵心在螺線管中移動，使線圈的電感量發(fā)生變化。由于其磁力線路徑不規(guī)則，很難用數(shù)學公式描述線圈電感量與鐵心位移之間的關(guān)系，故設(shè)計時一般靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)和實驗來確定。19檢測與控制-第二章：常用傳感器2、互感式傳感器把位移量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感系數(shù)M變化，其本身為一個變壓器。（1）改變氣隙厚度

的互感式傳感器

與自感式傳感器工作原理相似（圖2-18，P32）?？梢宰C明：輸出電壓Usc與傳感器變壓比W2/W1、銜鐵偏移量、激勵電壓E成正比，與磁路氣隙厚度0成反比。（2）螺線管型差動變壓器式傳感器

主要由線圈、線圈框架和鐵心組成（圖2-19，P33）。一次線圈(W1)通電激勵所引起磁場的強度在二次線圈(W21和W22）中的分布，與鐵心所處位置有關(guān)。20檢測與控制-第二章：常用傳感器第三節(jié)電量型傳感器

電量型傳感器的輸出量是電量（電壓、電流、電荷）。一、磁電（感應(yīng)）式傳感器

1、基本原理利用電磁感應(yīng)原理，將運動速度轉(zhuǎn)換為線圈中的感應(yīng)電動勢輸出。

原理：E=-Nd/dt

其中，N—線圈匝數(shù)；—磁通。從上式可知，線圈中感應(yīng)電動勢E的大小，取決于匝數(shù)N和穿過先圈的磁通變化率。21檢測與控制-第二章：常用傳感器2、磁電式傳感器的基本結(jié)構(gòu)形式

（1）線速度型磁路系統(tǒng)由圓柱型永久磁鐵和極掌、圓筒形磁軛以及圓筒形空氣隙組成。空氣隙中磁感應(yīng)強度B呈輻射狀，線圈以垂直切割磁力線方向相對磁鐵運動速度為v,如圖2-22（P35）所示。

對于N匝線圈，在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e為：

e=-Nd/dt=-NBldx/dt=-kv

其中，k—線速度型靈敏度常數(shù)，k=NBl。從上式可知，當N、B、L均為常數(shù)時，e與線圈對磁場的相對運動的速度v成正比，因此可以構(gòu)成線速度傳感器。在測量電路中接一積分單元，則輸出電壓與位移成正比；接一微分單元，則輸出電壓與加速度成正比。因此可測位移、速度和加速度。22檢測與控制-第二章：常用傳感器（2）角速度型如圖2-23（P36）所示。

對于N匝線圈，在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e為：

e=-Nd/dt=-NBhbd/dt=-NBA

其中，A=hb—單匝線圈的截面積；

—角速度從上式可知，當N、B、A均為常數(shù)時，e與線圈對磁場的相對運動的角速度成正比，因此可以構(gòu)成轉(zhuǎn)速傳感器。（3）磁阻式(變磁通式）

在這種結(jié)構(gòu)中，線圈與磁鐵之間沒有相對運動，由運動者的被測物體（導(dǎo)磁材料）來改變磁路的磁阻，引起磁通量變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

圖2-24中所示的永久磁鐵及纏繞其上的線圈組成此種傳感器。其中圖2-24a為頻率傳感器，當齒輪旋轉(zhuǎn)時，在線圈中感應(yīng)出交流電勢E，其頻率便等于齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。

23檢測與控制-第二章：常用傳感器二、壓電式傳感器

利用壓電材料的壓電效應(yīng)而制成的一種變換器，當有力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷（或電壓）產(chǎn)生。

如圖2-25a（P37）所示，壓電晶片受力F后產(chǎn)生電荷Q，其值與所加的力成正比。若壓電晶片的電容為C，則其輸出電壓U為

U=Q/C=(k/C)F=KUF

其中，KU—壓電系數(shù)。圖2-25b（P37）是壓電加速度的原理。當加速度計與被測件一起以加速度a運動時，重塊就以F=ma作用在壓電晶片上。在壓電晶片兩端面產(chǎn)生的電荷（或電壓）與加速度成正比。24檢測與控制-第二章：常用傳感器三、壓磁式傳感器某些鐵磁性物質(zhì)，在外界機械力的作用下其內(nèi)部產(chǎn)生機械應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率的改變，這種改變導(dǎo)磁性質(zhì)的物理現(xiàn)象稱為“壓磁效應(yīng)”。

壓磁式傳感器就是利用上述原理制成的。在一定形狀硅鋼片上交叉繞上兩個繞組，即構(gòu)成壓磁式傳感器的檢測元件（圖2-26，P38）。通過測量感應(yīng)出的電流I或U，即可測定作用力F的大小。25檢測與控制-第二章：常用傳感器四、霍爾元件式傳感器

利用霍爾效應(yīng)（圖2-27，P39）而制成。實踐證明，霍爾電壓E與電流I、磁感應(yīng)強度B成正比，即

E=kIB

當移動產(chǎn)生磁場的磁鐵或者移動霍爾片時，就相當于改變磁感應(yīng)強度B，從而使霍爾電壓E改變，起到了將位移量轉(zhuǎn)換成電壓量的作用。一般根據(jù)上述原理制造測力、測位移