1、中國礦業大學徐海學院4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 參量型傳感器參量型傳感器4.3 4.3 發電型傳感器發電型傳感器4.4 4.4 其他類型的傳感器其他類型的傳感器4.5 4.5 傳感器的選用原則傳感器的選用原則第四章、常用傳感器及其變換原理第四章、常用傳感器及其變換原理測試技術測試技術中國礦業大學徐海學院本章學習要求：本章學習要求：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3.了解傳感器測量電路了解傳感器測量電路第四章、常用傳感器及其變換原理第四章、常用傳感器及其變換原理中國礦業大學徐海學院第四章、常用傳感器及其變換原理第四章、常用傳感器及

2、其變換原理4.1 4.1 概述概述1. 1. 傳感器定義傳感器定義 傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規律將所獲取的信息轉換成另一息，并按一定的規律將所獲取的信息轉換成另一種信息的裝置。種信息的裝置。 目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。目前，傳感器轉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因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。號轉換成電信號的裝置。物理量物理量電量電量中國礦業大學徐海學院2. 2. 傳感器的構成傳感器的構成 傳感器一般由傳感器一般由敏感元件敏感元件與與轉換元件轉換元件

3、組成。組成。4.1 4.1 概述概述 敏感元件敏感元件(sensing element)(sensing element)是指傳感器中能直是指傳感器中能直接感受或響應被測量，并輸出與被測量成確定關系接感受或響應被測量，并輸出與被測量成確定關系的其他量（一般為非電量）部分；的其他量（一般為非電量）部分； 轉換元件轉換元件(transduction element)(transduction element)是指傳感器中是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的可用輸出信號（一般為電信號）部分。或測量的可用輸出信號（一般為電信號）部

4、分。 如：應變式壓力傳感器的彈性膜片就是敏感元件，如：應變式壓力傳感器的彈性膜片就是敏感元件，它將被測壓力轉換成彈性膜片的變形。它將被測壓力轉換成彈性膜片的變形。 如：應變式壓力傳感器中的應變片就是轉換元件，如：應變式壓力傳感器中的應變片就是轉換元件，它將彈性膜片在壓力作用下的變形轉換成應變片電它將彈性膜片在壓力作用下的變形轉換成應變片電阻值的變化。阻值的變化。中國礦業大學徐海學院3. 3. 傳感器的分類傳感器的分類(1)(1)按被測物理量分類按被測物理量分類: :(2)(2)按信號變換特征按信號變換特征: :(3)(3)按敏感元件與被測對象之間的能量關系按敏感元件與被測對象之間的能量關系:

5、:位移位移, ,力力, ,溫度等溫度等. .物性型物性型傳感器傳感器, ,結構型結構型傳感器傳感器. .參量型傳感器參量型傳感器（也稱無源傳感器，或能量控制型）（也稱無源傳感器，或能量控制型）發電型傳感器發電型傳感器（也稱有（也稱有源傳感器，或能量轉換型）源傳感器，或能量轉換型）4.1 4.1 概述概述中國礦業大學徐海學院A A 物性型與結構型傳感器物性型與結構型傳感器物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來 實現信號變換實現信號變換. . 例如例如: :水銀溫度計水銀溫度計, ,壓電測力計壓電測力計. .結構型結構型: :依靠傳感器結構參數的

6、變化實現信號轉變依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .4.1 4.1 概述概述中國礦業大學徐海學院B B 參量型和發電型傳感器參量型和發電型傳感器 參量型參量型: :借助輔助能源將輸入的機械量轉換為電量借助輔助能源將輸入的機械量轉換為電量輸出。輸出。 例如例如: :電阻應變片電阻應變片. .電容傳感器、電感傳感器等。電容傳感器、電感傳感器等。 發電型發電型: :直接將被測對象輸入能量轉會為電量而直接將被測對象輸入能量轉會為電量而 不需外加能源。不需外加能源。 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,壓電式加速度計等壓電式加速

7、度計等. .4.1 4.1 概述概述中國礦業大學徐海學院4 4、傳感器的發展動向、傳感器的發展動向 傳感器技術的主要發展動向：一是傳感器技術的主要發展動向：一是開展基礎研究開展基礎研究，重點研究傳感器的新材料和新工藝；二是重點研究傳感器的新材料和新工藝；二是實現傳感器實現傳感器的智能化的智能化。（1 1）用物理現象、化學反應和生物效應設計制作各）用物理現象、化學反應和生物效應設計制作各種用途的傳感器，這是傳感器技術的重要基礎工作。種用途的傳感器，這是傳感器技術的重要基礎工作。 （2 2）傳感器向高精度、一體化、小型化的方向發展。）傳感器向高精度、一體化、小型化的方向發展。（3 3）發展智能型傳

8、感器。）發展智能型傳感器。 4.1 4.1 概述概述中國礦業大學徐海學院5. 5. 常見的被測物理量常見的被測物理量 機械量機械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, ,旋轉角旋轉角, ,轉數轉數, ,質量質量, ,重量重量, ,力力, ,壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風速風速, ,流流速速, ,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 4.1 概述概述中國礦業大學徐海學院4.2 4.

9、2 參量型傳感器參量型傳感器4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器第四章、傳感器測量原理第四章、傳感器測量原理中國礦業大學徐海學院4.2.1 4.2.1 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換為電阻變化的一種傳是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器感器, ,按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :變阻器式、電阻應變式、變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、電敏式熱敏式、光敏式、電敏式.（a）（b）（c）1 1 變阻器

10、式傳感器變阻器式傳感器 (1) (1) 工作原理工作原理4.2 參量型傳感器參量型傳感器中國礦業大學徐海學院132xxp 圖（圖（a a）為直線位移型，當被測為直線位移型，當被測位移量位移量x x變化時，電刷觸點變化時，電刷觸點2 2沿變沿變阻器移動，則任意位置阻器移動，則任意位置2 2點與點與3 3點點之間的電阻值之間的電阻值lRk xldRSkdx傳感器靈敏度傳感器靈敏度圖（圖（b b）為旋轉型變阻器式傳感器，其電阻值隨電為旋轉型變阻器式傳感器，其電阻值隨電刷轉角而變化。刷轉角而變化。圖（圖（c c）是一種非線性變阻器式傳感器，或稱為函數是一種非線性變阻器式傳感器，或稱為函數電位器。電位器

11、。lk單位長度的電阻值單位長度的電阻值4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院 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負載電負載電阻阻;x-電刷移動量。電刷移動量。132xxpEinEoutRxRLRp-Rx()(1)inxRppxxRxLpEoutE0 x 100%100%Output0負載效應負載效應4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器231中國礦業大學徐海學院優點：優點： (1)(1)結構簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能結構簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩定；穩定； (2)(2)受環境因素受環境因素(

12、 (如溫度、濕度、電磁場干擾等如溫度、濕度、電磁場干擾等) )影影響小；響小； (3)(3)可以實現輸出可以實現輸出輸入間任意函數關系；輸入間任意函數關系； (4)(4)輸出信號大，一般不需放大。輸出信號大，一般不需放大。 （2 2）優缺點）優缺點缺點：缺點： 因為存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此因為存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；由于磨損不僅影響使用壽需要較大的輸入能量；由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量精度，所以分命和降低可靠性，而且會降低測量精度，所以分辨力較低；動態響應較差，適合于測量變化較緩辨力較低；動態響應較差，適合于測量變化較緩慢的量

13、。慢的量。 4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器結構結構中國礦業大學徐海學院(5) (5) 應用應用案例：案例： 重量的自動檢測重量的自動檢測-配料設備配料設備重量設定重量設定原材料原材料 比較比較原理用彈簧將力轉換為位移用彈簧將力轉換為位移; ;再用變再用變阻器將位移轉換為電阻的變化阻器將位移轉換為電阻的變化4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院案例：案例：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換為鋼絲的電阻變化特點：特點：（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。鋼絲鋼

14、絲煤氣包煤氣包4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院案例：案例：玩具機器人（廣州中鳴數碼玩具機器人（廣州中鳴數碼 ）原理原理直接將關節驅動電機的轉動直接將關節驅動電機的轉動角度變化轉換為電阻器阻值角度變化轉換為電阻器阻值變化變化4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院2 2 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器-應變片應變片 金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發生機械變應變效應，即金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形形時，其電阻值隨著它所

15、受機械變形( (伸長或縮伸長或縮短短) )的變化而發生變化的現象。的變化而發生變化的現象。 4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院012(1 2 )dRcKR1) 工作原理工作原理金屬應變片的電阻金屬應變片的電阻R R為為LAR 在外力作用下，導線變形，其長度、截面積、在外力作用下，導線變形，其長度、截面積、電阻率均將隨導線的變形而變化，由此引起電阻率均將隨導線的變形而變化，由此引起R的的變化變化由電阻絲幾何尺寸改變所引起的；由電阻絲幾何尺寸改變所引起的；由電阻絲的電阻率隨應變的改變而引起的。由電阻絲的電阻率隨應變的改變而引起的。(12 ) (12 )c 4.2.

16、1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院 當當 不變時不變時)21 ( RdAdldRARlR金屬應變計金屬應變計當當 變化時變化時dRleAdRddRRE半導體應變計半導體應變計4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院2) 金屬應變計金屬應變計 金屬應變計有金屬應變計有: : 絲式、箔式和薄絲式、箔式和薄膜式膜式 優點優點: :穩定性和溫穩定性和溫度特性好度特性好. . 缺點缺點: :靈敏度系數靈敏度系數小小. .應變計4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院3) 半導體應變片半導體應變片 優點：優點：應變靈敏度大應

17、變靈敏度大; ;體積小體積小; ;機械滯后小、橫機械滯后小、橫向效應小；能制成具有一定應變電阻的元件向效應小；能制成具有一定應變電阻的元件. . 缺點：缺點：溫度穩定性能差、靈敏度離散度大以及溫度穩定性能差、靈敏度離散度大以及在較大應變作用下非線性誤差大；可重復性不在較大應變作用下非線性誤差大；可重復性不如金屬應變片如金屬應變片。dRleAdRddRRE4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器工作原理：半導體材料的壓阻效應工作原理：半導體材料的壓阻效應中國礦業大學徐海學院3) 3) 應變片的主要參數應變片的主要參數 1 1）幾何參數：標距）幾何參數：標距L L和絲柵寬度和絲柵寬度b b

18、，制造廠常用，制造廠常用L Lb b 表示。表示。 2 2）電阻值：應變計的原始電阻值。）電阻值：應變計的原始電阻值。 3 3）靈敏系數：表示應變計變換性能的重要參數。）靈敏系數：表示應變計變換性能的重要參數。 4 4）其它表示應變計性能的參數（工作溫度、滯后、）其它表示應變計性能的參數（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）。 4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院案例：案例：橋梁固有頻率測量橋梁固有頻率測量原理在橋中設置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應變片測量橋梁動態變形，得到

19、橋梁固有頻率。4) 應用應用4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院案例：案例：電子稱電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院Fma4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業大學徐海學院4.2 4.2 參量型傳感器參量型傳感器4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 1.1.變換原理變換原理: : 將被測量的變化轉化為電容量變化將被測量的變化轉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, ,它的電容量為它的電容量為: :0rAACd

20、d +dA 當被測量使當被測量使d d、A A或或發生變化時，都會發生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變，而僅改變另一個參數，就可把該數不變，而僅改變另一個參數，就可把該參數的變化變換為單一電容量的變化。參數的變化變換為單一電容量的變化。C電容量，電容量，F；極板間介質的介電常數，極板間介質的介電常數，F/mm；A極板相互遮蓋面積，極板相互遮蓋面積，m2 ；d極板間距離，極板間距離，m；r極板間介質的相對介電常數，對于空氣，極板間介質的相對介電常數，對于空氣， r 1；0真空介電常數，真空介電常數， 0 8.8510-12 F/mm。中國

21、礦業大學徐海學院2 2 分類分類 4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 a) a) 極距變化型極距變化型; ;+c) c) 介質變化型介質變化型0rAdC 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. .+中國礦業大學徐海學院3、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器如右圖所示，設板間隙有一改變量如右圖所示，設板間隙有一改變量d，則有：，則有：0ACdd+dA200001()CdddCddd，將上式按泰勒級數，將上式按泰勒級數Cd特性曲線特性曲線電容的增加值為電容的增加值為C：000AACCCddd0/1d d在在

22、展開為：展開為：4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院對于小的間隙變化，：即對于小的間隙變化，：即 ，上式可舍去高次，上式可舍去高次項，從而可得近似的線性關系式：項，從而可得近似的線性關系式：0/1d d00CdCd采用上述相同的方法，可以推導出在采用上述相同的方法，可以推導出在 的情況下，的情況下，極板間距增加極板間距增加 d 時的輸出電容相對變化量為時的輸出電容相對變化量為200001()CdddCddd0/1d d這時電容傳感器的這時電容傳感器的靈敏度靈敏度為：為：20CASdd4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院將變極距

23、型電容傳感器做成將變極距型電容傳感器做成差動差動形式可以形式可以減小減小非線性誤差非線性誤差和和增加靈敏度增加靈敏度。ddd dd d2C1C 差動平板電容傳感器差動平板電容傳感器4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院4、變面積型電容傳感器、變面積型電容傳感器 采用改變電容器極板面積是另一種獲取電容傳感采用改變電容器極板面積是另一種獲取電容傳感器輸出變化的方法。下圖示出幾種改變面積的電容器輸出變化的方法。下圖示出幾種改變面積的電容傳感器。傳感器。變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器(a)平板線位移式；平板線位移式；(b)轉角式；轉角式；(c)圓柱體線位移式圓柱體

24、線位移式4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院 對平極板線位移型電容傳感器（對平極板線位移型電容傳感器（圖圖(a)(a)所示），所示），當動極板沿與極板平行方向移動時，遮蓋面積發生當動極板沿與極板平行方向移動時，遮蓋面積發生變化，其電容量為：變化，其電容量為：bxCddCbSconstdxd其靈敏度為：其靈敏度為： 采用變面積型電容傳感器還可用于各種壓力、加采用變面積型電容傳感器還可用于各種壓力、加速度等物理量的測量。速度等物理量的測量。4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院 這類傳感器的最大這類傳感器的最大優點優點：是其輸入與輸

25、出是一種：是其輸入與輸出是一種線性關系。線性關系。 缺點缺點：是電容的橫向靈敏度較大；此外其機械結：是電容的橫向靈敏度較大；此外其機械結構要求十分精確，因此相對于變極距型電容傳感器，構要求十分精確，因此相對于變極距型電容傳感器，測量精度較低。測量精度較低。 這種傳感器的測量范圍對于線位移型來說為幾厘這種傳感器的測量范圍對于線位移型來說為幾厘米，對轉角型則為米，對轉角型則為180180，測量的頻率范圍為，測量的頻率范圍為0Hz0Hz10104 4HzHz。 同樣也可將這種傳感器做成差動型。同樣也可將這種傳感器做成差動型。4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院5 5

26、、變介電常數型電容傳感器、變介電常數型電容傳感器d0d1d2d0下圖所示為變介電常數型電容傳感器的兩種形式：下圖所示為變介電常數型電容傳感器的兩種形式：變介電常數型電容傳感器變介電常數型電容傳感器(a)極板上覆蓋有介質；極板上覆蓋有介質；(b)介質可移動介質可移動4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院如上如上圖圖(a)所示，該電容器具有兩不同的電介質。整個裝置所示，該電容器具有兩不同的電介質。整個裝置可視為由兩個電容器串聯而成，其總電容量可視為由兩個電容器串聯而成，其總電容量 C由兩電容器由兩電容器的電容的電容C1和和C2所確定，由此得：所確定，由此得：1212

27、0121111()rrddCCCA01212rrACdd為分析方便起見，設介質為分析方便起見，設介質1為空氣，即為空氣，即 ，則上式變為：，則上式變為：因此因此002210222rrAACddddd11r4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院圖圖(b)的形式也可改變介質，這種結構相當于兩電容器作并聯，的形式也可改變介質，這種結構相當于兩電容器作并聯，此時的總電容量為：此時的總電容量為：01 0002 01200()rrb llb lCCCdd 0 0 000b lCdl為了分析方便起見，同樣設介質為了分析方便起見，同樣設介質1為空氣，因此為空氣，因此 ，又設介質

28、全部為空氣的電容器的為又設介質全部為空氣的電容器的為C0，則：，則：由于介質由于介質2的插入所引起的電容的插入所引起的電容C的相對變化的相對變化C/C0正比于插入正比于插入深度深度 :11r4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院00220000011rrCClllClCClll 利用這一原理常用于對非導電液體和松散物料的液位或填充利用這一原理常用于對非導電液體和松散物料的液位或填充高度的測量。高度的測量。測量非導電液體和松散物料的液位或測量非導電液體和松散物料的液位或填充高度的電容傳感器填充高度的電容傳感器4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦

29、業大學徐海學院 特點：特點：電容傳感器的結構簡單，可以進行無接電容傳感器的結構簡單，可以進行無接觸測量；它的動態響應好，靈敏度高，分辨力強，觸測量；它的動態響應好，靈敏度高，分辨力強，并能在惡劣的環境下工作；特別適合測量高頻振并能在惡劣的環境下工作；特別適合測量高頻振動下的位移。動下的位移。 6 6、 應用應用 應用：應用：位移、振動、角度、加速度、荷重、位移、振動、角度、加速度、荷重、壓力、差壓力、料位、成分含量等。壓力、差壓力、料位、成分含量等。4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院案例：案例：電容傳聲器電容傳聲器 案例案例: :液面高度測量液面高度測量4.

30、2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院電容式位移傳感器應用電容式位移傳感器應用4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院 差動式電容壓力傳感器差動式電容壓力傳感器1 1、4 4隔膜片隔膜片 2 2、3 3基座基座5 5玻璃層玻璃層 6 6金屬膜金屬膜7 7彈性膜片彈性膜片 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器1 1絕緣體絕緣體 2 2固定電極固定電極3 3質量塊質量塊 4 4彈簧彈簧pHpL4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業大學徐海學院4.2 4.2 參量型傳感器參量型傳感器4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感

31、式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉化為電感量的一種裝置。測量轉化為電感量的一種裝置。電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型互感型互感型可變磁阻式可變磁阻式渦流式渦流式分類：分類：中國礦業大學徐海學院1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式(1)(1)工作原理工作原理組成：鐵芯、線圈和銜鐵組成：鐵芯、線圈和銜鐵 當線圈通以電流當線圈通以電流i i時，產生磁通時，產生磁通m m，其大小，其大小與電流成正比，即與電流成正比，即mWLi式中式中 W線圈匝數；線圈匝數； L比例系數，稱為自感比例系數，稱為自感根據磁路歐姆定律根據磁路歐姆定律m

32、mWiR式中式中 Wi磁動勢；磁動勢； Rm磁阻。磁阻。4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業大學徐海學院4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器a)可變導磁面積型b）差動型c）單螺管線圈型d）雙螺管線圈差動中國礦業大學徐海學院自感自感 如果空氣隙厚度如果空氣隙厚度（如圖如圖）比較小，且不考慮磁）比較小，且不考慮磁路的鐵損失，則磁阻路的鐵損失，則磁阻Rm02mlRAA 磁路的磁阻效應有幾何磁阻效應和物理磁阻效應。磁路的磁阻效應有幾何磁阻效應和物理磁阻效應。基于物理磁阻效應原理構成磁彈性傳感器（或稱壓基于物理磁阻效應原理構成磁彈性傳感器（或稱壓磁傳感器）磁傳感器）202

33、WLlAA4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器2mWLR中國礦業大學徐海學院 通常導磁體磁阻（鐵芯及銜鐵磁阻）遠小于空通常導磁體磁阻（鐵芯及銜鐵磁阻）遠小于空氣隙的磁阻，計算時可忽略，則氣隙的磁阻，計算時可忽略，則202W AL 可變磁阻式傳感器有可變磁阻式傳感器有變氣隙厚度型、變氣隙面變氣隙厚度型、變氣隙面積型積型和和可動鐵芯可動鐵芯型三種。型三種。 對變氣隙型電感傳感器，當固定對變氣隙型電感傳感器，當固定A A，變化，變化時，時，L L與與呈非線性關系，此時傳感器的靈敏度為：呈非線性關系，此時傳感器的靈敏度為：2022WAS 4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器結構

34、結構中國礦業大學徐海學院 為了減小這一誤差，通常規定在較小間隙范圍內為了減小這一誤差，通常規定在較小間隙范圍內工作。例如，設間隙變化范圍為（工作。例如，設間隙變化范圍為（ ），），則靈敏度為：則靈敏度為：00，222000222000(12)22()2WAWAWAS 當當 時，由于時，由于 ，故，故靈敏度靈敏度S S趨于定值，即輸出與輸入近似成線性趨于定值，即輸出與輸入近似成線性關系。關系。001 214.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業大學徐海學院變面積型電感傳感器，其自感變面積型電感傳感器，其自感L和和A成線性關系。成線性關系。（如圖如圖）可動鐵芯型電感傳感器，由螺管線

35、圈和插入的鐵芯可動鐵芯型電感傳感器，由螺管線圈和插入的鐵芯（磁芯）構成。（磁芯）構成。（2 2）差動電感傳感器）差動電感傳感器4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業大學徐海學院2 互感型互感型-差動變壓器差動變壓器工作原理工作原理: :互感現象互感現象.WW1W2x-xWW1W2e1e2e=e1- e2P4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業大學徐海學院 厚度厚度, ,角度角度, ,表面粗糙度表面粗糙度; ;拉伸拉伸, ,壓縮壓縮; ;壓力壓力, ,流量流量, ,液位液位; ;張力張力, ,重力重力, ,負荷量負荷量; ;扭矩扭矩, ,應力應力; ;溫度溫度

36、; ;振動振動, ,速度速度, ,加速度加速度; ;等等. .案例：案例：板的厚度測量板的厚度測量 案例：案例：張力測量張力測量3、應用、應用4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業大學徐海學院差動壓力傳感器差動壓力傳感器4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業大學徐海學院加速度傳感器及測量電路加速度傳感器及測量電路1 1彈性支撐彈性支撐 2 2差動變壓器差動變壓器4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業大學徐海學院4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器1 1、工作原理、工作原理: :原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(ZZ 1

37、 12 2I I1 1E EI I2 2渦流效應渦流效應4.2 4.2 參量型傳感器參量型傳感器中國礦業大學徐海學院 渦流傳感器一般分為渦流傳感器一般分為高頻反射式高頻反射式和和低頻透射式低頻透射式。以上介紹的為高頻反射式，其激勵電流以上介紹的為高頻反射式，其激勵電流i i為高頻（兆為高頻（兆赫茲以上）。這種傳感器通常用來測量位移、振動等赫茲以上）。這種傳感器通常用來測量位移、振動等物理量。物理量。 低頻透射式渦流傳感器多用于測量材料的厚度，低頻透射式渦流傳感器多用于測量材料的厚度，其工作原理如下圖所示。其工作原理如下圖所示。低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器4.2.4 4.2.4 渦流

38、式傳感器渦流式傳感器中國礦業大學徐海學院2 2、測量電路、測量電路 一般用一般用阻抗分壓式調幅電路阻抗分壓式調幅電路及及調頻電路調頻電路。下圖是。下圖是用于渦流測振儀上的分壓式調幅電路。傳感器的線圈用于渦流測振儀上的分壓式調幅電路。傳感器的線圈L L和電容和電容C C組成并聯諧振回路，其諧振頻率為：組成并聯諧振回路，其諧振頻率為：12fLC分壓式調幅電路原理分壓式調幅電路原理4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業大學徐海學院分壓式調幅電路的諧振曲線及輸出特性分壓式調幅電路的諧振曲線及輸出特性(a) (a) 諧振曲線諧振曲線 (b) (b) 輸出特性輸出特性4.2.4 4.2.

39、4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業大學徐海學院調頻電路工作原理調頻電路工作原理 調頻電路調頻電路同樣把傳感器線圈接成一個同樣把傳感器線圈接成一個LCLC振蕩回路。振蕩回路。與調幅電路不同的是將回路的諧振頻率作為輸出量。與調幅電路不同的是將回路的諧振頻率作為輸出量。隨著間隙隨著間隙的變化，線圈電感的變化，線圈電感L L亦將變化，由此使振亦將變化，由此使振蕩器的振蕩頻率蕩器的振蕩頻率f f發生變化。采用鑒頻器對輸出頻率發生變化。采用鑒頻器對輸出頻率作頻率作頻率- -電壓轉換，即可得到與電壓轉換，即可得到與成正比的輸出電壓成正比的輸出電壓信號。信號。4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器

40、中國礦業大學徐海學院優點優點：接構簡單，使用方便，不受油污、介質影響。：接構簡單，使用方便，不受油污、介質影響。應用應用：位移、力、振動測量，測厚：位移、力、振動測量，測厚, ,材質判別材質判別3 3、渦流傳感器的應用、渦流傳感器的應用: :4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業大學徐海學院Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：案例：案例： 連續油管的橢圓度測量連續油管的橢圓度測量4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業大學徐海學院案例：案例： 無損探傷無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測火車輪

41、檢測油管檢測油管檢測4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業大學徐海學院案例：案例： 測厚測厚案例：案例： 零件計數零件計數4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業大學徐海學院4.3 4.3 發電型傳感器發電型傳感器4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器第四章、常用傳感器及變換原理第四章、常用傳感器及變換原理中國礦業大學徐海學院第四章、常用傳感器及變換原理第四章、常用傳感器及變換原理4.3.1 壓電式傳感器壓電

42、式傳感器 1.1.變換原理變換原理: : 壓電效應壓電效應 某些物質，如石英，當受到外力作用時，不僅幾何尺某些物質，如石英，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發生變化，而且內部也會被極化，表面會產生電荷；寸會發生變化，而且內部也會被極化，表面會產生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態，這種現象稱為壓當外力去掉時，又重新回到原來的狀態，這種現象稱為壓電效應。電效應。中國礦業大學徐海學院q=dF0rAC rA極板間距；極板間距；壓電晶片工作面的面積。壓電晶片工作面的面積。壓電材料的相對介電常數；壓電材料的相對介電常數；2 2、壓電式傳感器及等效電路、壓電式傳感器及等效電路d d壓電常數，與材質及

43、切片方向有關。壓電常數，與材質及切片方向有關。 壓電式傳感器適宜作動態參量的測量。壓電式傳感器適宜作動態參量的測量。4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業大學徐海學院 實際壓電傳感器中，往往實際壓電傳感器中，往往用兩個或兩個以上的晶片進用兩個或兩個以上的晶片進行并聯或串聯。行并聯或串聯。并聯：并聯： 電荷量電荷量電壓電壓電容電容2aCC aUU 2aQQ 串聯：串聯： 電荷量電荷量電壓電壓電容電容aQQ 2aUU /2aCC 4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業大學徐海學院 壓電式傳感器是一個具壓電式傳感器是一個具有一定電容的電荷源。有一定電容的電荷源

44、。0aqUCp3 3、應用、應用4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業大學徐海學院壓電式加速度傳感器設計模型壓電式加速度傳感器設計模型(a)(a)周邊壓縮式；周邊壓縮式；(b)(b)中心壓縮式；中心壓縮式；(c)(c)倒置式中心壓縮式；倒置式中心壓縮式；(d)(d)環形剪切式；環形剪切式；(e)(e)三角剪切式三角剪切式S S彈簧；彈簧；M M質量塊；質量塊；P P壓電晶體；壓電晶體；C C導線；導線；B B機座機座4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業大學徐海學院b) 壓力變送器壓力變送器a) 加速度計，力傳感器加速度計，力傳感器 4.3.1 4.3.

45、1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業大學徐海學院案例：案例：飛機模態分析飛機模態分析模態分析技術的應用可歸結為一下幾個方面：模態分析技術的應用可歸結為一下幾個方面： 1) 1) 評價現有結構系統的動態特性；評價現有結構系統的動態特性； 2) 2) 在新產品設計中進行結構動態特性的預估在新產品設計中進行結構動態特性的預估 和優化設計；和優化設計； 3) 3) 診斷及預報結構系統的故障；診斷及預報結構系統的故障； 4) 4) 控制結構的輻射噪聲；控制結構的輻射噪聲； 5) 5) 識別結構系統的載荷。識別結構系統的載荷。 4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業大學徐海學院4.3

46、 4.3 發電型傳感器發電型傳感器4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: : 磁電式傳感器是把被測物理量轉換為感應電動磁電式傳感器是把被測物理量轉換為感應電動勢的一種轉換器。又稱為電磁感應式、電動力式勢的一種轉換器。又稱為電磁感應式、電動力式ddteW 磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。 根據根據法拉第電磁感應定律法拉第電磁感應定律，W匝線圈在磁場中匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，運動切割磁力線或線圈

47、所在磁場的磁通變化時，線圈中產生的感應電動勢線圈中產生的感應電動勢e的大小決定于穿過線圈的大小決定于穿過線圈的磁通的磁通的變化率，即的變化率，即中國礦業大學徐海學院2 2、分類、分類 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N4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 中國礦業大學徐海學院3、動圈式傳感器、動圈式傳感器 sinsindxeWBLWBLvdtsinsindeWBAWBAdt4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 中國礦業大學徐海學院4 4 磁阻式傳感器磁阻式傳感器 圖圖 磁阻式傳感器工作原理磁阻式傳感器工作原理(a) (a) 測頻數測頻

48、數 (b) (b) 測轉速測轉速 (c) (c) 偏心測量偏心測量 (d) (d) 振動測量振動測量4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 中國礦業大學徐海學院5 5 磁電式傳感器的特點及應用磁電式傳感器的特點及應用 絕對式振動速度傳感器絕對式振動速度傳感器1-1-彈簧片；彈簧片；2-2-永磁鐵；永磁鐵；3-3-阻尼環；阻尼環；4-4-支架；支架；5-5-中心軸；中心軸；6-6-外殼；外殼；7-7-線圈線圈sinsindxeWBLWBLvdtsinsindeWBAWBAdt4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 中國礦業大學徐海學院 測速電機測速電機磁電式車速傳感器磁電式車

49、速傳感器4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 中國礦業大學徐海學院4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 霍爾效應的產生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲霍爾效應的產生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結果。力作用的結果。 霍爾元件及霍爾效應原理霍爾元件及霍爾效應原理(a) (a) 霍爾元件霍爾元件 (b) (b) 霍爾效應霍爾效應4.3 4.3 發電型傳感器發電型傳感器1 1、霍爾效應、霍爾效應c中國礦業大學徐海學院LFevB4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 HEHUFeEeb 任何帶電質點在磁場中沿著和磁力線垂直的方任何帶電質點在磁場中沿著和磁力線垂直的方向運動時，都

50、會受到磁場力向運動時，都會受到磁場力FL的作用，這個力又的作用，這個力又稱為稱為洛倫茲力洛倫茲力電場力電場力達到動平衡時達到動平衡時HHUevBeEeb則則HUbvB 霍爾電勢的大小取決于載流體中電子運動的速度，霍爾電勢的大小取決于載流體中電子運動的速度，它載流體材料有關。它載流體材料有關。中國礦業大學徐海學院 1HHHB IURB IKB In e ddRH霍爾常數，取決于載流體材料的物理性質；霍爾常數，取決于載流體材料的物理性質；KH霍爾元件靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感霍爾元件靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感應強度和單位激勵電流作用下霍爾電勢的大小。應強度和單位激勵電流作用下霍爾電勢的

51、大小。Ivnebd流經載流體的電流流經載流體的電流I I與載流子速度之間有下述關系與載流子速度之間有下述關系4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 原理原理中國礦業大學徐海學院2 2、霍爾元件、霍爾元件霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖所示。圖所示。 4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 3 3、霍爾元件的應用、霍爾元件的應用中國礦業大學徐海學院霍爾元件工程測量應用霍爾元件工程測量應用(a) (a) 角位移角位移 (b) (b) 線位移線位移 (c) (c) 加速度加速度 (d) (d) 零件計數零件計數 (e) (e) 轉

52、速轉速 (f) (f) 壓力壓力4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 中國礦業大學徐海學院鋼絲繩斷絲檢測儀工作原理鋼絲繩斷絲檢測儀工作原理4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 中國礦業大學徐海學院4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器1 1、工作原理、工作原理 熱電式傳感器是一種將溫度的變化轉換為電量熱電式傳感器是一種將溫度的變化轉換為電量變化的變換裝置，它利用傳感元件的電（磁）參數變化的變換裝置，它利用傳感元件的電（磁）參數隨溫度變化而變化的特性來達到測量目的。隨溫度變化而變化的特性來達到測量目的。 熱電偶是由兩種導體（或半導體）構成的回路，熱電偶是由兩種導

53、體（或半導體）構成的回路，如圖所示如圖所示AB12tt0eAB (t)eAB (t0)eB (t,t0)mV 熱電效應熱電效應熱電效應：熱電效應：4.3 4.3 發電型傳感器發電型傳感器eA (t,t0)中國礦業大學徐海學院熱電偶總的熱電勢為：熱電偶總的熱電勢為：e eABAB( (t t, ,t t0 0)= )= e eABAB( (t t) - ) - e eABAB( (t t0 0) -) -e eA A( (t t, ,t t0 0)+ )+ e eB B( (t t, ,t t0 0) ) 溫差電勢比接觸電勢小很多，可以忽略不計，則溫差電勢比接觸電勢小很多，可以忽略不計，則熱電偶

54、的總的熱電勢可表示為：熱電偶的總的熱電勢可表示為： e eABAB( (t t, ,t t0 0)= )= e eABAB( (t t) - ) - e eABAB( (t t0 0) )4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器 熱電偶所產生的熱電勢由兩部分組成：熱電偶所產生的熱電勢由兩部分組成：（1 1）兩種導體的接觸電勢（伯爾電勢）兩種導體的接觸電勢（伯爾電勢）e eABAB(t(t) )（2 2）單一導體的溫差電勢（湯姆遜電勢）單一導體的溫差電勢（湯姆遜電勢） e eA A( (t t, ,t t0 0) )因此，在閉合回路中出現四個熱電勢，分別為因此，在閉合回路中出現四個熱電勢

55、，分別為e eABAB( (t t) )、e eABAB( (t t0 0) )、 e eA A( (t t, ,t t0 0) )和和e eB B( (t t, ,t t0 0) )，它們的代，它們的代數和不等于零。數和不等于零。中國礦業大學徐海學院2 2、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律（3 3）中間溫度定律）中間溫度定律ABt1t2中間溫度定律中間溫度定律ABt1t3ABt3t2=+熱電勢為：熱電勢為：eAB (t1 ,t2)= eAB (t1,t3 ) + eAB (t3,t2)4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器 （1 1）均勻回路定律）均勻回路定律（2 2）中間導體定律）

56、中間導體定律中國礦業大學徐海學院（4 4）標準電極定律）標準電極定律ABt1t2標準電極定律標準電極定律ACt1t2CBt1t2=+熱電勢為：熱電勢為：eAB (t1 ,t2)= eAC (t1,t2 ) + eCB (t1,t2)4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器 中國礦業大學徐海學院3 3、熱電偶傳感器的結構及應用、熱電偶傳感器的結構及應用4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器 中國礦業大學徐海學院 目前采用的數字式傳感器主要有碼盤、光柵、目前采用的數字式傳感器主要有碼盤、光柵、旋轉變壓器等。旋轉變壓器等。一、數字式傳感器一、數字式傳感器4.4 4.4 其他類型傳感

57、器其他類型傳感器 碼盤是把被測轉角直接轉換成相應代碼的檢測碼盤是把被測轉角直接轉換成相應代碼的檢測元件。碼盤有元件。碼盤有光電式、接觸式和電磁式光電式、接觸式和電磁式三種。三種。第四章、常用傳感器及變換原理第四章、常用傳感器及變換原理1 1 碼盤碼盤中國礦業大學徐海學院 工作時，碼盤的一側放置光源，另一側放置光電工作時，碼盤的一側放置光源，另一側放置光電接受裝置，每個數位都對應有一個光電管及放大、接受裝置，每個數位都對應有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉到不同位置，光電元件接收光信整形電路。碼盤轉到不同位置，光電元件接收光信號，并轉成相應的電信號，經放大整形后，成為相號，并轉成相應的電信號，

58、經放大整形后，成為相應數碼電信號。應數碼電信號。 右圖所示為四位二進制碼右圖所示為四位二進制碼盤，碼盤上各圓環分別代表盤，碼盤上各圓環分別代表一位二進制的數字碼道，在一位二進制的數字碼道，在同一個碼道上印制黑（圖中同一個碼道上印制黑（圖中表示為紅色）白等間隔圖案，表示為紅色）白等間隔圖案，形成一套編碼。黑色不透光形成一套編碼。黑色不透光區和白色透光區分別代表二區和白色透光區分別代表二進制的進制的“0”0”和和“1”1”。 4.4 4.4 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 中國礦業大學徐海學院四位二進制循環碼盤四位二進制循環碼盤 帶判位光電裝置的帶判位光電裝置的二進制循環碼盤二進制循環碼盤 4.

59、4 4.4 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 中國礦業大學徐海學院3602n若采用若采用n n位碼盤，則分辨的角度為：位碼盤，則分辨的角度為：位數位數n n越大，能分辨的角度越小，測量也就越精確。越大，能分辨的角度越小，測量也就越精確。4.4 4.4 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 2 2 光柵光柵 光柵是在基體上刻有均勻分布條紋的光學元件。光柵是在基體上刻有均勻分布條紋的光學元件。用于位移測量的光柵稱為用于位移測量的光柵稱為計量光柵計量光柵。計量光柵分。計量光柵分為為透射式透射式及及反射式反射式兩種。兩種。中國礦業大學徐海學院 光柵主要由光柵主要由標尺光柵、指示光柵、光路系統和光標尺光柵、

60、指示光柵、光路系統和光電元件電元件等組成。標尺光柵的有效長度即為測量范圍。等組成。標尺光柵的有效長度即為測量范圍。必要時，標尺光柵還可接長。指示光柵比標尺光柵必要時，標尺光柵還可接長。指示光柵比標尺光柵短得多，但兩者刻有同樣柵距。短得多，但兩者刻有同樣柵距。 測量線位移的光柵稱為直光柵，測量角位移的光測量線位移的光柵稱為直光柵，測量角位移的光柵稱為圓形光柵。在直光柵中，若柵稱為圓形光柵。在直光柵中，若a為刻線寬度，為刻線寬度，b為縫隙寬度，則為縫隙寬度，則Wa+b稱為光柵的柵距稱為光柵的柵距(也稱光柵也稱光柵常數常數)。 4.4 4.4 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 中國礦業大學徐海學院4