1、辅助电源辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路被测量被测量电量电量敏感元件，敏感元件，是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关 系的系的某一物理量的元件。某一物理量的元件。转换元件转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。路参量。基本转换电路：基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。路），便可转换成电量输出。传感器的组成传感器的组成 第一节第一节.概概 述述传感器的分类传感器的分类 第
2、一节第一节.概概 述述（1）按被测物理量分类）按被测物理量分类（2）按测量原理分类）按测量原理分类（3）按输出信号性质分类）按输出信号性质分类被测量为压力、温度、速度等物理量，相应的为压力被测量为压力、温度、速度等物理量，相应的为压力传感器、温度传感器等传感器、温度传感器等基于物理学现象，如电阻式传感器、电感式传感器、基于物理学现象，如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器等电容式传感器、压电式传感器等模拟式传感器、数字式传感器模拟式传感器、数字式传感器第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器n 电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变化的一种传感器。电阻式传感器：将被测的量转变为电
3、阻变化的一种传感器。一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器金属电阻应变计效应金属电阻应变计效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：slRdlF金属丝的原始电阻金属丝的原始电阻金属丝的原始电阻率金属丝的原始电阻率金属丝的原始长度金属丝的原始长度金属丝的原始横截面积金属丝的原始横截面积上式中：上式中：为导体的轴向应变量为导体的轴向应变量 ；为导体的横向应变量为导体的横向应变量 由材料力学得：由材料力学得：式
4、中：式中：为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为 0.30.5 左右左右可得到：可得到：上式说明：电阻应变效应主要取决于它的几何应变和本身特有的导电性能上式说明：电阻应变效应主要取决于它的几何应变和本身特有的导电性能第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器设金属丝在外力作用下沿轴线伸长，伸长量设为设金属丝在外力作用下沿轴线伸长，伸长量设为 l，并因此截面，并因此截面积变化积变化 A，电阻率的变化为，电阻率的变化为 ，相应的电阻变化为相应的电阻变化为 dR 。对。对式式 全微分得电阻变化率全微分得电阻变化率 dR/R
5、 为：为：lAdRlRs/dR R2dRdldrdRlrdl l12dRdR（）lr lr/dr r第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器1引出线引出线 2敏感栅敏感栅 3覆盖层覆盖层 4基底基底（a）金属丝短接式；（）金属丝短接式；（b）金属箔式；）金属箔式；（c）用于扭矩测量；（）用于扭矩测量；（d）用于流体压力测量）用于流体压力测量第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器粘贴技术粘贴技术（1）（2）（3）（4）（5）（6）第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器粘贴技术粘贴
6、技术（7）（8）（9）（10）（11）（12）为构件线胀系数为构件线胀系数第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器温度误差温度误差温度误差温度误差 温度变化引起的应变片电阻变化温度变化引起的应变片电阻变化 温度变化引起应变片变形，产生附加应变温度变化引起应变片变形，产生附加应变附加应变的影响附加应变的影响glg nlltlglglnn()tllt构件的线胀伸长量为构件的线胀伸长量为应变片处于自由状态应变片处于自由状态nln nllt为应变片线胀系数为应变片线胀系数ln应变片产生附加变形应变片产生附加变形温度对电阻的影响温度对电阻的影响tRRt温度引起的电阻
7、变化温度引起的电阻变化lgln()tRRkt第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器温度补偿温度补偿温度补温度补偿方法偿方法 桥路补偿法桥路补偿法 应变片自补偿法应变片自补偿法选择特定的应变片选择特定的应变片采用双金属敏感栅自补偿应变片采用双金属敏感栅自补偿应变片热敏电阻补偿热敏电阻补偿应变片测量电路应变片测量电路142301234()()R RR RUERRRR取值取值 则有：则有：1234RRRRR04RUR142301234()()R RR RUERRRR第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器温度补偿温度补偿选
8、择材料时满足选择材料时满足第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器应变片自补偿应变片自补偿 选择特定的应变片选择特定的应变片/()0lglnR Rkt()lglnk 采用双金属敏感栅自补偿应变片采用双金属敏感栅自补偿应变片选择材料时满足选择材料时满足12RR 则可实现则可实现温度补偿温度补偿双金属丝敏感栅双金属丝敏感栅 热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器二、半导体式压阻传感器二、半导体式压阻传感器很多固体材料受到应力作用，电阻率会发生变化，称为压阻效应很多固体材料受到应力作用，电阻率会发生变化，称为压阻效应半导体材料的压阻效
9、应最为明显，如硅半导体材料的压阻效应最为明显，如硅/锗压阻式传感器锗压阻式传感器）结构图）主要元件硅环）结构图）主要元件硅环 压力传感器压力传感器第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器二、半导体式压阻传感器二、半导体式压阻传感器压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器当质量块受加速度作用时，硅梁根部受应力作用当质量块受加速度作用时，硅梁根部受应力作用.第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器电阻式压力传感器电阻式压力传感器电阻式压力传感器电阻式压力传感器第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器三、电位计式传感器三、电位计式传感器n
10、 用于角位移和线位移测量的电阻式传感器用于角位移和线位移测量的电阻式传感器n 这类传感器通常以电位计的形式接入测量电路，称为这类传感器通常以电位计的形式接入测量电路，称为电位计式传感器电位计式传感器第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器三、电位计式传感器三、电位计式传感器电位计式传感器原理图电位计式传感器原理图非线性相对误差非线性相对误差 为：为：令令与与 呈非线性关系呈非线性关系/LxR RmRRx，(0,0;1,)xxxRxRR时时得1(1)LxUUmxxLU00000()()()100%1 100%()()11 100%1(1)LmLmLmLmLmUUUUUmxxx一、工作原理 石英晶体
11、前置放大器作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；半导体气敏元件与被测气体接触后，会造成半导体性质的变化，以此特性来检测气体的成分的传感器，称为气敏传感器。，运动方向和磁感应矢量间的夹角。势 为：一、互感式电感传感器 变面积式差动变压器二、光电转换元件 光敏晶体管，线圈导线总的长度；光电元件反应出在单位时间内，通过光脉冲的数量 应用，光电转速计变面积式差动变压器结构示意图二、光电转换元件 光敏晶体管特性光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性 测温范围内热电性能稳定，测量结果不随时间变化在信号采集系统中设计滤波器，以消除或抑制噪声信号数字传感器，如角数
12、字编码器、光栅传感器、感应同步器二、光电转换元件 光电管（7）（8）（9）螺线管式差动变压器结构示意图测量精度和分辨率高；它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好非线性相对误差非线性相对误差00000()()()100%1 100%()()11 100%1(1)LmLmLmLmLmUUUUUmxx第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器三、电位计式传感器三、电位计式传感器当位移量当位移量 时时,1/2x 得最大相对误差得最大相对误差 为为11(1)100%100%1144maxLmRRmax负载电阻负载电阻 越大，相对误差越小越大，相对误差越小 LR四、气敏传感器四、气敏传
13、感器第二节第二节.电阻式传感器电阻式传感器五、湿敏传感器五、湿敏传感器n 半导体气敏元件与被测气体接触后，会造成半导体性质半导体气敏元件与被测气体接触后，会造成半导体性质的变化，以此特性来检测气体的成分的传感器，称为气敏传的变化，以此特性来检测气体的成分的传感器，称为气敏传感器。感器。n 有些材料的电阻值会随空气湿度的变化而变化，利用此有些材料的电阻值会随空气湿度的变化而变化，利用此原理制成的传感器，称为湿敏电阻传感器。原理制成的传感器，称为湿敏电阻传感器。第三节第三节.电感式传感器电感式传感器 电感式传感器，利用线圈自感或互感的变化，把被测物电感式传感器，利用线圈自感或互感的变化，把被测物理
14、量如位移、振动、压力、流量等转换为线圈上电感量变理量如位移、振动、压力、流量等转换为线圈上电感量变化的传感器。化的传感器。电感式传感器电感式传感器互感式电感传感器互感式电感传感器自感式电感传感器自感式电感传感器变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器变截面式电感传感器变截面式电感传感器螺管式电感传感器螺管式电感传感器第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器自感式电感传感器的结构自感式电感传感器的结构2mNLR线圈电感量线圈电感量线圈匝数；线圈匝数；磁路的总磁阻磁路的总磁阻NmR如果气隙厚度如果气隙厚度 较小，则较小，则总磁
15、阻值总磁阻值为：为：0022imiilRAAA202NAL第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器灵敏度灵敏度S为为2022dLNASd 变隙式电压传感器变隙式电压传感器的的L-特性特性 难度可见难度可见值越小，灵值越小，灵敏度越高敏度越高 为了保证线性度，变为了保证线性度，变气隙式传感器只能工作气隙式传感器只能工作在一段比较小的区域内在一段比较小的区域内第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器的应用变气隙式电感传感器的应用变隙电感式压力传感器结构图变隙电感式压
16、力传感器结构图 线圈铁芯衔铁膜盒PUA线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁输出P第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器的应用变气隙式电感传感器的应用变隙式差动电感压力传感器变隙式差动电感压力传感器 第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 变截面式电感传感器变截面式电感传感器123 被测物体带动衔铁作线位移或角位移时，磁路被测物体带动衔铁作线位移或角位移时，磁路中气隙截面积发生变化，变化量为中气隙截面积发生变化，变化量为A20()2NAALL 202dLNSdA 上式中，线圈匝数上式中，线圈匝
17、数 ，气隙厚度，气隙厚度 不变，不变，L 是气隙截面积是气隙截面积 A 的函数的函数N 灵敏度灵敏度变截面式变截面式第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 螺管式电感传感器螺管式电感传感器rx螺旋管螺旋管铁心铁心单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图l 螺管型自感传感器：螺管型自感传感器：单线圈单线圈和和差动式差动式 单线圈螺管型传感器主要包括：螺管线圈和圆柱形铁芯单线圈螺管型传感器主要包括：螺管线圈和圆柱形铁芯 传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化，当用恒流源
18、激励时，则线圈的输出电压与线圈自感值的变化，当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关铁芯的位移量有关螺管线圈内磁场分布曲线螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（）INlx（l）u 铁芯在开始插入（铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。并且有较好的线性特性。第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一
19、、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 螺管式电感传感器螺管式电感传感器二、光电转换元件 光敏晶体管特性在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1-100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。当 时，传感器固定一块极板，而使另一块极板移动，从而来改变间隙以引起电容的变化变隙电感式压力传感器结构图开路电压曲线，光生电动势与照度之间的特性曲线如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；电桥ADC支路的R3上的电压降为：按物理特性，可分为三类：（3）按输出信号性质分类为了保证线性度，变气隙式传感器只能工作在一段比较小的区
20、域内一、霍尔传感器的典型应用 接近开关 伏安特性，光电管在光通量 一定的情况下，阳极电压与阳极电流的关系，称为伏安特性一、自感式电感传感器 变截面式电感传感器由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。入射光的波长缩短时，光子在半导体表面附近就被吸收，相对灵敏度也下降压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。热电势大，并与温度成单值线性关系串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热
21、电动势也就可知第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变应用最多的是螺线管式差动变压
22、器，压器，它可以测量它可以测量1-100mm机械位移，并具有测量精度高、机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。结构简单、性能可靠等优点。iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器 变隙式差动变压器结构变隙式差动变压器结构变隙式差动变压器结构示意图变隙式差动变压器结构示意图第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器(c)1U2U2U1U(d)螺线管式差动变压器结构示意
23、图螺线管式差动变压器结构示意图第三节第三节.电感式传感器电感式传感器2U1U01U2U(e)(f)一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器 变面积式差动变压器变面积式差动变压器变面积式差动变压器结构示意图变面积式差动变压器结构示意图第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器 工作原理工作原理工作原理变隙式差动变压器工作原理变隙式差动变压器 u 闭磁路变隙式差动变压器的结构如右图所示，在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反相串联。第三节第三节.电感式传
24、感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器oU12e2ae2be2a e2bUoO1理想特性；2实际特性变隙式差动变压器输出特性变隙式差动变压器输出特性 iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb变隙式差动变压器等效电路变隙式差动变压器等效电路 第四节第四节.电容式传感器电容式传感器 电容式传感器电容式传感器是将被测物理量的是将被测物理量的位移转换为电容量的变化位移转换为电容量的变化，再再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。上式中：上式中：0 真空的介电常数；真空的介电常数；s
25、极板的遮盖面积；极板的遮盖面积；极板间相对介电系数；极板间相对介电系数；两平行极板间的距离。两平行极板间的距离。0sC 两极板间的电容量两极板间的电容量第四节第四节.电容式传感器电容式传感器一、变极板间隙型电容传感器一、变极板间隙型电容传感器 传感器固定一块极板，而使另一传感器固定一块极板，而使另一块极板移动，从而来改变间隙块极板移动，从而来改变间隙以引起电容的变化以引起电容的变化 设间隙有一改变量设间隙有一改变量，则有：，则有：0AC 电容传感器的灵敏度电容传感器的灵敏度02CAS 实际应用中为提高传感器的灵实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构敏度，常采用差动式结构01222AC
26、CC 第四节第四节.电容式传感器电容式传感器二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器改变电容器极板面积获取电容传感器输出变化改变电容器极板面积获取电容传感器输出变化第四节第四节.电容式传感器电容式传感器三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器1 112211222()lnln22()lnlnhhhCRRrrhhRRrr 输出电容输出电容C与液面高度成线性关系与液面高度成线性关系容器内介质的介电常数容器内介质的介电常数容器上面气体介质介电常数容器上面气体介质介电常数21电感式传感器，利用线圈自感或互感的变化，把被测物理量如位移、振动、压力、流量等转换为线圈上电感量变化的传感器。一
27、、互感式电感传感器 螺线管式差动变压器转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。工作原理，利用某些金属或半导体物质的光电效应特性一、霍尔传感器的典型应用 位移测量金属电阻应变计效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。一、金属应变式传感器温度补偿根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构变隙式差动变压器结构示意图使电容 C 充电获得电压 e，通用测量放大器的电压放大倍数为数字传感器，如角数字编
28、码器、光栅传感器、感应同步器光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。一、工作原理 光电传感器的几种形式在-1900范围内为一、工作原理 压电效应(b)不同极性端粘结当质量块受加速度作用时，硅梁根部受应力作用.第四节第四节.电容式传感器电容式传感器 此方法可用来对不同材料如此方法可用来对不同材料如纸、塑料膜、合成纤维等的纸、塑料膜、合成纤维等的厚度进行测定厚度进行测定三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器 应用应用 此方法可用来测量位移此方法可用来测量位移第五节第五节.压电式传感器压电式传感器 一些物质在外力作用下表面会产生电荷；一些物质在外力作用下表面会产生电荷；压电传
29、感器工作原理，基于某些物质的压电效应；压电传感器工作原理，基于某些物质的压电效应；压电传感器是力敏感元件，主要用于测量可转换成力的物理压电传感器是力敏感元件，主要用于测量可转换成力的物理量，如压力、加速度等。量，如压力、加速度等。一、工作原理一、工作原理 压电效应压电效应u 压电效应：压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就时，内部就产生极化现象产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。压电材料
30、受力变形，在表面产生电荷压电材料受力变形，在表面产生电荷 正压电效应正压电效应 压电材料通电压，材料变形压电材料通电压，材料变形 逆压电效应逆压电效应 u 压电材料压电材料 压电晶体压电晶体 压电陶瓷压电陶瓷第五节第五节.压电式传感器压电式传感器一、工作原理一、工作原理 压电效应压电效应压电效应示意图压电效应示意图压电效应的可逆性压电效应的可逆性 逆压电效应逆压电效应正压电效应正压电效应第五节第五节.压电式传感器压电式传感器(a)晶体外形；晶体外形；(b)切割方向；切割方向；(c)晶片晶片 zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)一、工作原理一、工作原理 石英晶体石英晶体x方向方向,为
31、电轴；为电轴；y方向方向,为力轴；为力轴；Z方向方向,为光轴为光轴.第五节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 压电元件连接方式压电元件连接方式(a)相同极性端粘结相同极性端粘结(b)不同极性端粘结不同极性端粘结 并联接法输出电荷大并联接法输出电荷大，本身电本身电容大，容大，时间常数大，适宜用在测时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。量的场合。串联接法输出电压大串联接法输出电压大，本身电，本身电容小，适宜用于以电压作输出信容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。的场合。第五
32、节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路u 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器高输入阻抗前置放大器。u 前置放大器作用前置放大器作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。抗；二是放大传感器输出的微弱信号。u 压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此因此前置放大器也有两种
33、形式：电压放大器和电荷放大器前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。第五节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 电压放大器电压放大器pC等效等效等效电阻等效电阻pRcCiRpciCCCCiC传感器的电容值传感器的电容值传感器的绝缘电阻传感器的绝缘电阻传感器的分布电容传感器的分布电容放大器的输入电阻放大器的输入电阻放大器的输入电容放大器的输入电容pipiR RRRR等效电容等效电容第五节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 电压放大器电压放大器12QQQ压电常数压电常数pK总电荷量总电荷量12pQK FQQF1Q1eQ C经电阻经电阻 R 漏掉，获
34、得电压漏掉，获得电压 e，作用在晶片上的交变力作用在晶片上的交变力使电容使电容 C 充电获得电压充电获得电压 e，2Q2eRdQdtpdedFRCeK Rdtdt12dQdQdQRRRdtdtdt第五节第五节.压电式传感器压电式传感器pdedFRCeK Rdtdt二、工作原理二、工作原理 电压放大器电压放大器作用在压电晶片上的是交变力作用在压电晶片上的是交变力sinmFFt解微分方程得解微分方程得21()PmK F ReRC(1)0,(2)1,CRmPeK F R(3)1,CRPmK FeC不适合测静态信号不适合测静态信号0me 输出随输出随 F 变化，高频特性好变化，高频特性好 与与 成正比
35、，低频特性差成正比，低频特性差 F第五节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 电荷放大器电荷放大器n 电荷放大器是与输出电荷量成正电荷放大器是与输出电荷量成正的前置放大器。的前置放大器。n 将压电传感器视为将压电传感器视为电荷源电荷源。(1)iPciffQeCCCA CQC A放大器的输入端电压放大器的输入端电压放大器的输出端电压放大器的输出端电压(1)A0ifQee AC u 输出仅与电荷量输出仅与电荷量 Q 和反馈电容和反馈电容 Cf 有关，与增益有关，与增益 A 和和分布电容分布电容 Cc 无关无关.一、热电阻式传感器 半导体热电阻元件的控制电流 I 恒定时，沿 x
36、方向AA的磁感应强度的变化梯度 d 为常数根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量短路电流曲线，电流与照度之间的特性曲线 测量范围内，电极材料有足够的物理化学稳定性二、热电偶 冷端补偿器法压电陶瓷 光电元件反应出在单位时间内，通过光脉冲的数量 应用，光电转速计在信号采集系统中设计滤波器，以消除或抑制噪声信号用于角位移和线位移测量的电阻式传感器前置放大器作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；入射光的波长缩短时，光子在半导体表面附近就被吸收，相对灵敏度也下降二、光电转换元件 光敏晶体管特性光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。当电桥只
37、有一个 R1 为工作臂，其余各臂为固定电阻 R电桥ADC支路的R3上的电压降为：把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。原理：光电管的阴极受光照射后，向真空发射光电子，光电子向阳极作加速运动，形成空间电子流，光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强单线圈螺管型传感器结构图二、光电转换元件 光敏二极管第六节第六节.磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器，把被测参数的变化转换为感应电动势磁电式传感器，把被测参数的变化转换为感应电动势的传感器。的传感器。具有具有 匝线圈的感应电动势匝线圈的感应电动势 的值，取决于穿过线的值，取决于穿过线圈的磁通量的变华率，即圈的磁通量的变华率，即e
38、NdeNdt 感应电动势感应电动势磁通量变化率磁通量变化率线圈匝数线圈匝数磁场强度磁场强度磁路磁阻磁路磁阻线圈的运动速度线圈的运动速度第六节第六节.磁电式传感器磁电式传感器（1）传感器线圈在磁场中作直线运动，感应电动）传感器线圈在磁场中作直线运动，感应电动 势势 为：为：esineBlv ，磁场气隙磁感应强度；，磁场气隙磁感应强度；，线圈导线总的长度；，线圈导线总的长度；，线圈和磁铁间相对运动的线速度；，线圈和磁铁间相对运动的线速度；，运动方向和磁感应矢量间的夹角。，运动方向和磁感应矢量间的夹角。Blv（2）传感器线圈在磁场中作旋转运动，感应电动）传感器线圈在磁场中作旋转运动，感应电动 势势
39、为：为：esineBAw第六节第六节.磁电式传感器磁电式传感器 ，磁场气隙磁感应强度；，磁场气隙磁感应强度；，线圈导线总的截面积；，线圈导线总的截面积；，线圈和磁铁间相对运动的角速度；，线圈和磁铁间相对运动的角速度；，运动方向和磁感应矢量间的夹角。，运动方向和磁感应矢量间的夹角。BA（3）传感器的输出以感应电动势的频率）传感器的输出以感应电动势的频率 表示：表示：()f Hz60Nnf ，输出信号频率；，输出信号频率；，被测件的转速，被测件的转速(r/min)；，圆周上的齿数。，圆周上的齿数。fnN第六节第六节.磁电式传感器磁电式传感器u 几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化几乎所有物
40、质的电阻率都随本身温度的变化而变化 热电阻效应热电阻效应u 根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现电参量，从而实现温度的电测量温度的电测量u 利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻u 热电阻材料可分为热电阻材料可分为金属热电阻金属热电阻和和半导体热电阻半导体热电阻 热电式传感器，热电式传感器，将温度变化转化为电量变化的传感器。将温度变化转化为电量变化的传感器。第七节第七节.热电式传感器热电式传感器最常用的两种：最常用的两种：热电阻：热电阻：将温度变化转换为电阻
41、变化的传感器将温度变化转换为电阻变化的传感器 热电偶：热电偶：将温度变化转化为电动势变化将温度变化转化为电动势变化一、热电阻式传感器一、热电阻式传感器一、热电阻式传感器一、热电阻式传感器 金属热电阻金属热电阻第七节第七节.热电式传感器热电式传感器0(1)tRRt金属热电阻阻值金属热电阻阻值，温度为，温度为 t 时电阻值时电阻值 在在0630.74范围内可用下式表示范围内可用下式表示tR0R，温度为，温度为 0 时电阻值时电阻值，导体的电阻温度系数，导体的电阻温度系数230(1(100)tRRtttt20(1)tRRtt金属热电阻例金属热电阻例 铂电阻铂电阻 在在-1900范围内为范围内为第七节
42、第七节.热电式传感器热电式传感器金属热电阻例金属热电阻例 铜电阻铜电阻0(1)tRRt铜电阻阻值铜电阻阻值 在在-50150的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，其的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，其电阻与温度的函数表达式为电阻与温度的函数表达式为 热电阻的结构：热电阻的结构：（1）普通热电阻）普通热电阻（2）铠装热电阻）铠装热电阻（3）薄膜热电阻）薄膜热电阻第七节第七节.热电式传感器热电式传感器一、热电阻式传感器一、热电阻式传感器 半导体热电阻半导体热电阻 半导体热电阻半导体热电阻阻值，随温度升高而以阻值，随温度升高而以指数关系急剧下降指数关系急剧下降0B TTRR e半导体电阻阻值半导
43、体电阻阻值0RTRB，在某一温度，在某一温度 时的电阻值时的电阻值0()T k，绝对温度为，绝对温度为 T 时的电阻值时的电阻值，常数，常数 按物理特性，可分为三类：按物理特性，可分为三类：（）（）负温度系数的热敏电阻负温度系数的热敏电阻，多用于温度测量和补偿；，多用于温度测量和补偿；（）（）正温度系数的热敏电阻正温度系数的热敏电阻，用于恒温、加热控制或温度开关；，用于恒温、加热控制或温度开关；（）（）临界温度系数的热敏电阻临界温度系数的热敏电阻，用于温度开关。，用于温度开关。热电效应原理图热电效应原理图 热电效应：热电效应：两种两种不同不同的金属的金属A和和B构成闭合回路，将两个接点构成闭合
44、回路，将两个接点中的一个进行加热，使其温度为中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温，而另一点置于室温T0中，则中，则在回路中会产生热电势，形成热电流，这一现象称为在回路中会产生热电势，形成热电流，这一现象称为热电效应热电效应 热电偶：热电偶：通常把两种不同金属的这种组合叫做通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶热电偶，A、B叫做叫做热电极热电极，温度高的接点叫做，温度高的接点叫做热端或工作端热端或工作端，而温度低的接点，而温度低的接点叫做叫做冷端或自由端冷端或自由端第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶接触电势接触电势温差电势温差电势热电势热电势 EAB(T,T0
45、)T0eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)闭合回路总的热电势闭合回路总的热电势 AB0ABAB0B0A0ET,T=eTeT+eT,TeT,T第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 热电势热电势用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件当电桥两个桥臂 R1、R2 工作，其余各臂为固定电阻 R一、自感式电感传感器 螺管式电感传感器入射光调制频率/HZ，温度为 0 时电阻值已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：与 成正比，低频特性差短路电流曲线，电流与照度之间的特性曲线U=E(T，T0)+(UAUB)自感式电感传感器的结构输出随 F 变
46、化，高频特性好一、增量式角数字编码器数字式传感器具有以下优点：永磁铁与霍尔传感器的轴线处于同一直线上压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。短路电流曲线，电流与照度之间的特性曲线压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。一、霍尔传感器的典型应用 接近开关电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变化的一种传感器。基于物理学现象，如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器等第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电
47、偶二、热电偶 四条基本定律四条基本定律1.均质材料定律均质材料定律 如果热电偶回路中的如果热电偶回路中的两个热电极材料相同两个热电极材料相同，无论两接，无论两接点的温度如何，点的温度如何，热电动势均为零热电动势均为零；反之，如果有热电动势；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。产生，两个热电极的材料则一定是不同的。根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同（相同（称为同名极检验法称为同名极检验法），也可以检查热电极材料的均），也可以检查热电极材料的均匀性。匀性。第七节第七节.热电式传感器热电式传感器T0T0BTACT1C
48、T0T1TBA材料材料C在在A和和B之间之间材料材料C在某一种导体中间在某一种导体中间2.中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。二、热电偶二、热电偶 四条基本定律四条基本定律第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 四条基本定律四条基本定律3.中间温度定律中间温度定律热电偶在热电偶在两接点温度两接点温度分别为分别为T、T0时的热电动势等于该热电时的热电动势等于该热电偶在偶在接点温度接点温度分别为分别为T、Tn和接点
49、温度分别为和接点温度分别为Tn、T0时的相时的相应热电动势的代数和。应热电动势的代数和。即：即：0ABAB0ABEEETTTTTTnn，二、热电偶二、热电偶 四条基本定律四条基本定律第七节第七节.热电式传感器热电式传感器4.标准电极定律标准电极定律如果如果两种导体两种导体分别与分别与第三种导体第三种导体组成的热电偶所产生的热电组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由动势已知，则由这两种导体这两种导体组成的热电偶所产生的组成的热电偶所产生的热电动势热电动势也就可知也就可知T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC三种导体分别组成的热电偶三种导体分别组成的热
50、电偶第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 常用热电偶的结构常用热电偶的结构（1）普通装配式热电偶）普通装配式热电偶接线盒接线盒保险套管保险套管绝缘套管绝缘套管热电偶丝热电偶丝1323214（2）铠装热电偶）铠装热电偶（3）薄膜热电偶）薄膜热电偶第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 对热电极材料的要求对热电极材料的要求 测温范围内热电性能稳定，测量结果不随时间变化测温范围内热电性能稳定，测量结果不随时间变化 测量范围内，电极材料有足够的物理化学稳定性测量范围内，电极材料有足够的物理化学稳定性 热电势大，并与温度成单值线性关系热电势大，并与温度成单值线性
