1、第第4 4章章 常用傳感器常用傳感器Transducer4.1 傳感器概述傳感器概述 Introduction4.2 傳感器選用原則傳感器選用原則 Principle of Transducer Selection4.3 電阻式傳感器電阻式傳感器 Resistance Transducer4.4 電感式電感式傳感器傳感器 Inductance Transducer4.5 電容式傳感器電容式傳感器 Capacitance Transducer血糖乳酸測定流程血糖乳酸測定流程體育上耐力訓練體育上耐力訓練德國研發的環境廢水德國研發的環境廢水BODBOD分析儀分析儀手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(gluco

2、se)(glucose)分析儀分析儀工廠發酵車間化驗工廠發酵車間化驗員正在分析樣品員正在分析樣品發酵工廠谷氨酸發酵工廠谷氨酸- -葡萄糖分析葡萄糖分析4.1 傳感器概述傳感器概述1.傳感器概念 是指直接作用于被測量，并能按一定規律將其轉換成同種或別種量值輸出的器件。傳感器傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個測試裝置的工作質量。2.傳感器分類 按被測量分類位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。 按工作原理分類機械式、電氣式、光學式、化學型等。傳感器概述傳感器概述(2/5) 按信號變換特征分類物性型 依靠敏感元件本身的物理化學性質的變化實現信號變換。 如水銀溫度計、壓電式傳感器等

3、。結構型 依靠傳感器結構參量的變化實現信號轉換。如電容式、電感式傳感器等。 按能量變換關系分類能量轉換型(無源型、 發電型或主動傳感器）直接由被測對象輸入能量使其工作。 如熱電偶溫度計、彈性壓力計、壓電式傳感器。能量轉換型傳感器存在負載效應。能量控制型( 有源型、能量調節型或被動傳感器)由外部輔助能量使其工作，并由被測量控制外部供給能量的變化。如電橋式電阻應變計等。傳感器的換能元件可能不止一個（如電容式壓力傳感器），甚至是一個小型裝置（如力反饋式加速度計）。注意：傳感器概述傳感器概述(3/5)3.傳感器的性能要求（9）低成本、通用性強。（1）靈敏度高，輸入和輸出之間有較好的線性關系；（2）噪聲

4、小，并且具有抗外部噪聲的性能；（3）滯后、漂移誤差小；（4）動態特性良好；（5）在接入測量系統中，對被測量不產生影響；（6）功耗小，復現性好，有互換性；（7）防水及抗腐蝕等性能好，能長期使用；（8）結構簡單，容易維修和校正；傳感器概述傳感器概述(4/5)傳感器的技術指標基本參數指標環境參數指標可靠性指標其它指標量程指標量程指標:量程范圍、過載能力等靈敏度指標靈敏度指標: :靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關指標精度有關指標: :精度、誤差、線性、滯后、重復性、靈敏度誤差、穩定性等動態性能指標動態性能指標:固有頻率、阻尼比、時間常數、頻率響應范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩

5、定時間、過沖量、穩態誤差等溫度指標溫度指標:工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數、熱滯后等抗沖振指標抗沖振指標: :允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差等其它環境參數其它環境參數: :抗潮濕、抗介質腐蝕能力、抗電磁干擾能力等工作壽命、平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關指標使用有關指標: :供電方式(直流、交流、頻率及波形等)、功率、各項分布參數值、電壓范圍與穩定度等結構方面指標結構方面指標: :外形尺寸、重量、殼體材質、結構特點等安裝連接方面指安裝連接方面指標標: :安裝方式、饋線電纜等傳感器概述傳感器概述(5/5)4.傳感器的發展趨勢（6

6、）研究生物感官，開發仿生傳感器。（1）采用新原理、開發新型傳感器；（2）大力開發物性型傳感器(因為靠結構型有些滿足不了要求)；（3）傳感器的集成化；（4）傳感器的多功能化；（5）傳感器的智能化(Smart Sensor)；4.2 傳感器選用原則傳感器選用原則1.靈敏度傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小。 傳感器往往要求有較大的信噪比。傳感器的量程范圍與靈敏度密切相關。 過高的靈敏度會影響其適用的范圍。在測量過程中，傳感器在被測量方向上的靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好； 對于二維或三維向量的測量，傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。2.線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內輸出與

7、輸入成比例關系。 線性范圍越寬，傳感器的工作量程越大。傳感器選用原則傳感器選用原則(2/2)3.響應特性傳感器響應特性必須在所測頻率范圍內盡量保持不失真。實際傳感器的響應總有一定的延遲，但延遲時間越短越好。4.穩定性穩定性是指經過長期使用后，其輸出特性不發生變化的性能。影響傳感器穩定性的因素是時間和環境。5.精確度精確度表示傳感器輸出與被測量的對應程度。傳感器的精確度并非越高越好，選擇時應從實際出發。6.其它選用原則如實際測試條件下的工作方式等因素。4.3 電阻式傳感器電阻式傳感器 將被測量轉換成電阻變化量，再通過中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進行測量。電阻式傳感器電阻式傳感器按工作原

8、理可分為：（5）氣敏電阻式等（1）變阻器（電位器）式（2）應變片式（彈性電阻式）（3）熱敏電阻（4）磁敏電阻式電阻式傳感器電阻式傳感器(2/22)1.電阻應變式傳感器（1）應變式傳感器工作原理1）金屬的電阻應變效應 是指導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨所受機械變形（應變）的變化而發生變化的現象。電阻應變效應設金屬絲長度為L，截面積為A，電阻率為，AlR則其阻值為：金屬絲變形時，、l、A將同時發生變化，從而導致R改變。若、l、A的變化量為d、dl、dA，則：AdAdldlRdAARdRdllRdR電阻式傳感器電阻式傳感器(3/22)AdAdldlRdR即：對半徑為r的金屬電阻絲有：2r

9、ArdrdA2rdrdldlRdR2，ldl：電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應變。rdr：電阻絲徑向相對變形，或稱橫向應變。ldlrdr橫向應變與縱向應變間的關系為：式中為泊松比。負號表示兩者變化相反。d：電阻率相對變化，與電阻絲軸向所受正應力有關。電阻式傳感器電阻式傳感器(4/22)EdE為電阻絲材料的彈性模量；為壓阻系數，與材質有關。ERdR2121RdR受力后電阻絲幾何尺寸變化所引起，對于同一材料（1+2v）為常數。受力后電阻率的改變引起，對金屬材料，E很小。即，在電阻絲拉伸比例范圍內，電阻相對變化與其所受的軸向應變成正比。電阻式傳感器電阻式傳感器(5/22)constant21/ldlR

10、dRsg電阻應變片的應變系數或靈敏度sg定義為：通常，sg =1.74.6。2）應變片的基本結構及測量原理金屬絲應變片的典型結構：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑 0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導線接于電路中。測量原理： 應變式傳感器是將應變片粘貼羽壇星體表面或者直接將應變片粘貼與被測件上，彈性體的變形通過基底和粘結劑傳遞給敏感柵，使其阻值發生相應的變化，并通過轉換電路轉換為電壓或電流信號。電阻式傳感器電阻式傳感器(6/22)如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉換為應變，可以構成各種不同的傳感器。（2）電阻應變片的分類及材料金屬電阻

11、應變片分為絲式、箔式和膜式。1）絲式應變片金屬絲式應變片有回線式和短接式兩種。回線式短接式電阻式傳感器電阻式傳感器(7/22)絲式應變片制作簡單、性能穩定、成本低、易粘貼。回線式應變片因圓弧部分參與變形，橫向效應較大；短接式應變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大 510倍的鍍銀絲短接而成，其優點是克服了橫向效應。安全電流：1050mA，電阻：50 1000（典型120）。2）箔式應變片箔式應變片由厚度為 110m 的康銅箔或鎳鉻箔經光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。 大批量生產，可制成多種復雜形狀； 散熱好，允許電流大； 橫向效應、蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長； 柔性好（可貼于形狀復雜的表面

12、），傳遞試件應變性能好。電阻式傳感器電阻式傳感器(8/22)3）膜式應變片采用真空蒸發或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。 應變靈敏系數大； 允許電流密度大； 工作范圍廣，可達-197317。（3）電阻應變片的應用 直接用來測量結構的應變或應力； 將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數的傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器(9/22)齒輪輪齒彎矩x位移傳感器m質塊加速度傳感器F柱式測力傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器(10/22) 應用注意事項應變極限：機械滯后： 零漂和蠕變：零漂：恒定溫度，無機械應變時，應變片阻值隨時間變化

13、的特性。蠕變：恒定溫度、恒定應變時，應變片阻值隨時間變化的特性。 隨應變加大，應變片輸出的非線性加大，一般將誤差達到10% 時對應的應變，作為應變片的應變極限。 敏感柵、底基及膠粘層承受機械應變后，一般都會存在殘余變形，造成應變片的機械滯后最大工作電流：應變片正常工作允許通過的最大電流。通常靜態測量時為 25 mA， 動態測量時為 75100 mA。工作電流過大會導致應變片過熱、靈敏度變化、零漂和蠕變增加，甚至燒毀。電阻式傳感器電阻式傳感器(11/22)動態響應特性應變片柵長 (mm)0.20.51235101520最高工作頻率 (KHz) 125050025012583.3502516.61

14、2.5溫度影響：溫度變化導致應變片電阻變化與由應變引起的電阻變化往往具有同等數量級，須用適當電路進行溫度補償。（4）電阻應變片的特點 性能穩定、精度高，綜合誤差在 1.0% 0.1%，高精度力傳感器已能達到0.03% 0.01%； 測量范圍廣；壓力：104109Pa；力：0.1 107N。 能適應較大的振動和沖擊，抗輻射能力強。電阻式傳感器電阻式傳感器(12/22)2.壓阻式傳感器（1）基本工作原理 是指半導體材料受到應力作用時，其電阻率發生變化的現象。壓阻效應單晶半導體在外力作用下的電阻變化量仍為：ERdR21對半導體而言，電阻率變化引起的電阻變化E遠遠大于形變引起的電阻變化(1+2v) ，

15、則 實際上，任何材料都不同程度地呈現壓阻效應，但半導體材料的這種效應特別強。ddRdR)21 (電阻式傳感器電阻式傳感器(13/22)ERdRsLg/靈敏度系數：EdLL由半導體理論 E 半導體材料的彈性模量。L 沿某晶向L的壓阻系數； 沿某晶向L的應力；半導體電阻材料的靈敏系數比金屬絲要高5070倍。例：對于半導體硅，L=(4080)10-11m2/N，E=1.671011Pa，則Sg = LE50100。電阻式傳感器電阻式傳感器(14/22)（2）壓阻式傳感器類型與特點 壓阻式傳感器有兩種類型1）利用半導體材料的體電阻制成粘貼式的應變片，其使用方法與電阻應變片類似；2）在半導體材料的基片上

16、用集成電路工藝制成擴散電阻，作為測量傳感元件，測量壓力和加速度等物理量。 壓阻式傳感器的優點缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。1）靈敏度非常高；2）分辨率高，例如測量壓力時可測出1020Pa的微壓；3）測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應高；4）可測量低頻加速度和直線加速度。電阻式傳感器電阻式傳感器(15/22)3. 變阻器式傳感器（1）變阻器式傳感器的結構和原理變阻器式傳感器實際是精密線繞電位器，通過改變電位器觸頭位置將位移轉換為電阻變化。導體材質和截面積一定，其阻值隨導線長度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任何可以轉換為位移的物理參數，如壓力

17、、加速度等。1）直線位移型xCxABCR改變觸點C的位置時，AC間電阻值為xkRlkl：單位長度內的電阻值電阻式傳感器電阻式傳感器(16/22)lkdxdRs傳感器靈敏度：（/m）當導線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關系。2）角位移型kR ： 角位移；k：單位弧度電阻值。傳感器靈敏度：（/rad） kddRsACB電阻式傳感器電阻式傳感器(17/22)3）非線性型2kxR （2）變阻器式傳感器的特性變阻器式傳感器具有階梯特性和負載效應。xACB電阻式傳感器電阻式傳感器(18/22)階梯輸出特性 是指電位器觸點的最小位移為線圈的一匝，每當觸點移動一個節距，輸出電阻產生一匝電阻值的跳

18、躍，即輸出電阻值不是位移的連續函數，而是階梯形折線。理想電位器每個階梯大小均相同，通過每個階梯中點的直線即為理論特性曲線。xR01）階梯輸出特性電阻式傳感器電阻式傳感器(19/22)階梯誤差是指理想階梯特性線對理論直線的最大偏差。 階梯誤差%1002121nRnRej式中，n為總匝數。顯然，減小ej必須增加n，當骨架長度不變時，只有減小線徑。 分辨率（力）定義為電位器總匝數的倒數。分辨率例：1000匝直線型線繞電位器，分辨率為0.1%，即該電位器僅能檢測到它的總量程1/1000以上的位移量。電阻式傳感器電阻式傳感器(20/22) 線性度線性度 是指由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻導致階梯

19、特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性性。2）負載特性u0 xpxRLuy對于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器：0200uRRRRRRRuxxLLxy其中：R0：變阻器總電阻； Rx：x段的電阻。 電阻式傳感器電阻式傳感器(21/22)0RRrxpxxr 令，對直線位移型變阻器，0)1 (1urmrruyLRRm0于是：其中：0ruuyo易知，空載時： 。由此可見，接入負載電阻RL后，輸出uy與r不再保持線性關系。負載誤差由負載特性引起的非線性誤差。01102030405060m = 5m = 2m = 1m = 0.5m = 0.1m = 0reL%100)1 (111%100rmruuuey

20、oyoyL若整個行程內誤差不超過13%，必須有：RL (1020)R0。電阻式傳感器電阻式傳感器(22/22)因觸點與繞線間存在摩擦，動態響應較差。分辨力低，一般小于20m。噪聲大。 主要應用于線位移、角位移測量。或作為伺服記錄儀或電子電位差計。 （3）變阻器式傳感器特點優點：結構簡單，性能穩定，使用方便，輸出信號大，受外界條件影響小。缺點：（4）變阻器式傳感器的應用4.4 電感式傳感器電感式傳感器 將被測量，如位移或能轉換成位移的機械量，轉換為電感量的變化。電感式傳感器 互感型（差動變壓器式）按照變換方式的不同可分為： 自感型（包括可變磁阻式與渦電流式）1. 自感型傳感器（1）可變磁阻式傳感

21、器可變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵組成，在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙。電感式傳感器電感式傳感器(2/22)由電工學可知，線圈自感量：mRWiWL2W：線圈匝數；i ：線圈中流過的電流；：通過線圈的磁通量；Rm：磁路的總磁阻（H-1）； Rm= RF + RRF：鐵芯與銜鐵的磁阻；R：空氣隙磁阻。ix123L01-線圈 2-鐵心 3-銜鐵電感式傳感器電感式傳感器(3/22)其中：l1、l2 ：鐵芯和銜鐵的導磁長度； 1、2：鐵芯和銜鐵的磁導率； A1、A2：鐵芯和銜鐵的導磁截面積； ：氣隙長度； 0 ：空氣磁導率，0=410-7； A0 ：空氣隙導磁截面積。002221112AAlAlRm若不考慮

22、磁路的鐵損，且空氣隙較小時：002ARm一般，1和2遠遠大于0，即：RF R ，因此：電感式傳感器電感式傳感器(4/22)2002AWL 從而：自感L與氣隙成反比，與氣隙導磁截面積A0成正比。結論：當固定A0，變化時，L與成非線性關系，傳感器靈敏度：LAWLS20022為了減小非線性誤差，/00.1。變氣隙長度式傳感器適用于微小位移的測量，范圍：0.0011mm。傳感器靈敏度與氣隙長度的平方成反比。結論：電感式傳感器電感式傳感器(5/22)1）可變磁阻式傳感器典型結構 可變導磁面積型特點：線性，靈敏度低。 差動變氣隙型特點：提高靈敏度，改善線性性。xx00電感式傳感器電感式傳感器(6/22)特

23、點：結構簡單、易制造，靈敏度低，適于較大位移（數毫米）測量。 單螺管線圈型 雙螺管差動型特點：提高靈敏度，改善線性性。xx電感式傳感器電感式傳感器(7/22)2）差動變氣隙傳感器工作原理對差動式傳感器，當共用銜鐵位移時，兩線圈的間隙按0、0+變化，即一個線圈自感增加，另一個減小：1002111)(2LAWLLL1002221)(2LAWLLL 3211LL當/ e2，eo與e1同相。 ioeLRMe2222 鐵芯P下移：M1 = MM，M2 = M+M，e1 e2，eo0，eo與e2同相。 ioeLRMe2222顯然eo與M成正比。電感式傳感器電感式傳感器(21/22)（3）幾點說明 存在零點

24、殘余電壓（鐵芯位于中心處時，M1M2，eo0）； 傳感器輸出電壓包含了位移的大小及方向，但因其為交流信號，只有接入相應電路（相敏檢波），才能提取出這兩種信息。用于小位移測量，其中R用于調節零點殘余電壓的大小。放大器相敏檢波振蕩器差動相敏檢波電路工作原理xR電感式傳感器電感式傳感器(22/22)（4）差動變壓器式傳感器的優點 包含機械結構，頻率響應較低，不宜測量高頻動態參量。 精度高(0.1m 數量級，最高可達0.01m )，高精度型非線性誤差可達0.1%； 線性范圍大（可達100mm）； 穩定性好，結構簡單，使用方便； 第三章、傳感器測量原理第三章、傳感器測量原理3.4 3.4 電感式傳感器電

25、感式傳感器 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。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4.4 電感式傳感器電感式傳感器1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式可變導磁面積型可變導磁面積型差動型差動型2002ANL 原理原理: :電磁感應電磁感應電感式接近傳感器（金屬）電感式接近傳感器（金屬）3.4 電感式傳感器電感式傳感器教學用低成本四線制無二次儀表傳感器教學用低成本四線制無二次儀表傳感器3.4 電感式傳感器電感式傳感器2 2 渦流式渦流

26、式原理原理: :渦流效應渦流效應3.4 電感式傳感器電感式傳感器原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(ZZ 3.4 電感式傳感器電感式傳感器3.4 電感式傳感器電感式傳感器產品：產品：3.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：連續油管的橢圓度測量案例：連續油管的橢圓度測量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle3.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：無損探傷案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測火車輪檢測油管檢測油管檢測3.4 電感式傳感器電感式傳感器2 2 互感型互感型-差動變壓器差動變壓器WW1W2Esx-x工作原理工作原

27、理: :互感現象互感現象.EwEout3.4 電感式傳感器電感式傳感器單螺管線圈型單螺管線圈型螺管線圈差動螺管線圈差動雙螺管線圈差動型雙螺管線圈差動型傳感器測量電路傳感器測量電路3.4 電感式傳感器電感式傳感器差動變壓器差動變壓器測量電路測量電路3.4 電感式傳感器電感式傳感器差動變壓器位移傳感器差動變壓器位移傳感器3.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：案例：板的厚度測量板的厚度測量 3.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：案例：張力測量張力測量3.4 電感式傳感器電感式傳感器4.5 電容式傳感器電容式傳感器1.工作原理及分類電容式傳感器是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。A電容式傳感

28、器實質是一具有可變參數的電容器。AC0電容量為式中，：介質相對真空的介電常數，空氣1； 0：真空的介電常數，0=8.8510-12F/m； ：極板間距；A：極板面積。、A或發生變化都會引起C變化電容式傳感器電容式傳感器(2/12)實際使用中，通常僅改變一個參數，根據變化參數的不同，可分為三類： 改變極板間距的極距變化型； 改變極板相互遮蓋面積的面積變化型； 改變極板間介質的介質變化型（改變）； （1）極距變化型電容式傳感器000ACC 與極距成反比， 當極板間距減小時，電容為：00AC0C0C極距變化型電容傳感器電容式傳感器電容式傳感器(3/12) 30200001CC100000001/1/

29、CCCCCC電容增量為：當/01時，有：（近似線性） 00CC忽略非線性項，得： 403020非線性誤差為：20000ACCS靈敏度：電容式傳感器電容式傳感器(4/12)靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距受極板間擊穿電壓的限制。030200001 CC設間距增加 通常極距變化范圍/00.1，僅適于較小位移的測量（0.01m數百微米）。實際應用中，為了提高靈敏度、線性性及克服某些外界條件（如電源電壓、環境溫度等）的變化對測量精度的影響常采用差動式，靈敏度提高一倍，非線性誤差減小為： 705030221電容式傳感器電容式傳感器(5/12)（2）面積變化型電容式傳感器面積變化型電

30、容式傳感器的工作原理是在被測參數的作用下來變化極板的有效面積，常分為角位移型和線性位移型。1）角位移型 22rA220rC constant220rddCS：覆蓋面積對應的中心角；r： 極板半徑。1 動板 2 定板12電容式傳感器電容式傳感器(6/12) 2）平面線位移型bxA bxC0constant0bdxdCS其中，b：極板寬度。 xxxb121 動板 2 定板電容式傳感器電容式傳感器(7/12) 3）圓柱線位移型 )/ln(20dDxCconstant)/ln(20dDdxdCS其中，D：圓筒孔徑； d ：圓柱外徑。面積變化型電容傳感器輸入輸出成線性關系，但靈敏度較低，適用較大直線位移

31、及角位移測量。 dD12xl01 動板 2 定板電容式傳感器電容式傳感器(8/12)（3）介質變化型電容式傳感器厚度為2 的介質(介電常數2)在電容器中左右運動，電容器介質介電常數改變，電容量改變。介質2寬度大于等于b。10blC 無介質2時，存在介質2時，C=CA+CB （并聯）2121CCCCCA22112212)(bxbxb電容器極板寬度CACB12xl2電容式傳感器電容式傳感器(9/12)lxCCxlbCB001)(其中，1= - 2。212121001lxCCC21212101lCdxdCS顯然，靈敏度為常數，輸入輸出成線性關系。2.特點與應用 輸入能量小（極板間靜電引力小）、靈敏度

32、高動態特性好（可動質量小，固有頻率高）；1）特點電容式傳感器電容式傳感器(10/12) 可實現非接觸測量； 一般傳感器兩極板間電容很小（幾皮法 幾十皮法），不僅導致低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百M），負載能力弱，而且電纜分布電容（大且不穩定）影響大。2）測量電路電橋型電路L1L2C1C2放大相敏解調濾波電容式傳感器電容式傳感器(11/12)振蕩器C1L1L2C2Cx放大檢波輸出諧振電路調頻振蕩器限幅鑒頻放大輸出Cx傳感器調頻電路3）應用 電容式測厚；軋輥工作極板被測帶材電容式傳感器電容式傳感器(12/12) 轉速測量；12341 齒輪2 定極3 電容傳感器 4 頻率計4.6 4.6 壓電式傳感

33、器壓電式傳感器 1.1.工作原理工作原理: :壓電效應壓電效應 +串聯串聯+并聯并聯 某些物質，如石英，受到外力作用時，不僅幾某些物質，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發生變化，而且內部會被極化，表面產生何尺寸會發生變化，而且內部會被極化，表面產生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態，這電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態，這種現象稱為壓電效應。種現象稱為壓電效應。F+q=DFD：壓電系數；：壓電系數；F：施加力的大小：施加力的大小4.6壓電式傳感器壓電式傳感器 2 2、測量電路、測量電路 壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳感器信號先

34、輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經過阻抗變換后，方可輸入到后續顯示儀表中。過阻抗變換后，方可輸入到后續顯示儀表中。 產品產品壓力變送器壓力變送器加速度計加速度計力傳感器力傳感器 4.6壓電式傳感器壓電式傳感器 2022-6-21882壓電變換元件的應用特性：壓電變換元件的應用特性：壓電變換元件相當于電荷源，其等效電路為：壓電變換元件相當于電荷源，其等效電路為： 00/iiCCCRRR電路方程：電路方程： ( ).Q tCvi dt2022-6-2189( )dQ tdvdvvCiCdtdtdtR 兩邊進行拉普拉斯變換有：兩邊進行拉普拉斯變換有： 1(

35、 )( )( )1( )( )1( )11SQ sCSV sV sRV sRSCH sQ sRCSRSC1/()11CH jjcR當輸入當輸入 00( )sinF tFt時時 2022-6-21900000( )sinsinQ tDFtQt輸出輸出： 0000( )|() | sin()u tQH jt 其幅值：其幅值： 0002200/111()1()QCDFCVCRCR可見，若想使輸出信號保持一定的幅值，可見，若想使輸出信號保持一定的幅值，有一個范圍，或者說有一個范圍，或者說 1RC時時 00/VQC所以必須有足夠大的時間常數所以必須有足夠大的時間常數RC，但，但C大，大，V0小，相當于靈

36、敏度小，相當于靈敏度低，所以，要求低，所以，要求R大。而對于頻率較低或直流信號，用這種壓電機大。而對于頻率較低或直流信號，用這種壓電機理構成的傳感器，就不能測量或誤差很大。理構成的傳感器，就不能測量或誤差很大。【演示演示】案例：熱軋設備診斷案例：熱軋設備診斷4.6壓電式傳感器壓電式傳感器 2022-6-21924.7 4.7 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量的物理量轉換為感磁電式傳感器是把被測量的物理量轉換為感應電動勢的一種轉換器。應電動勢的一種轉換器。dtdWe感應線圈的感應電動勢感應線圈的感應電動勢e e為為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運

37、動速度有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，都會改變感應電動勢。關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。 cosSB),(mdtdRB2 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N4.7 磁電式傳感器磁電式傳感器 動圈式傳感器動圈式傳感器 線速度型線速度型4.7 磁電式傳感器磁電式傳感器 角速度型角速度型測速電機測速電機4.7 磁電式傳感器磁電式傳感器 磁阻式傳感器磁阻式傳感器 磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器4.7 磁電式傳感器磁電式傳感器 N NS S案例：鼠籠電機轉子斷細條檢測案例：鼠籠電機轉子斷細條檢測4.7 磁電

38、式傳感器磁電式傳感器 4.7.2 4.7.2 磁敏元件傳感器磁敏元件傳感器 sinIBKVHH 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應。電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應。 1 1 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，如圖示。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。 測轉角：測轉角：電流傳感器電流傳感器 當電流流過導線時，將在導線周圍產生磁場，當電流流過導線時，將在導線周圍產生磁場，磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場

39、磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。測。 鐵磁材料裂紋檢測鐵磁材料裂紋檢測 NS葉片和齒輪位置傳感器葉片和齒輪位置傳感器應用應用 案例：案例：汽車速度測量汽車速度測量:2 2 磁電阻元件磁電阻元件磁阻效應磁阻效應)1 ()1 (cos/2202020BRRRR- -+ +lwx特點特點 電阻的增量與磁場的平方成正比；電阻的增量與磁場的平方成正比； 與磁場的正負無關；與磁場的正負無關； 溫度系數影響大；溫度系數影響大； 磁感應的范圍比霍爾元件大。磁感應的范圍比霍爾元件大。應用應用 磁頭；接近開關和

40、無觸點開關。磁頭；接近開關和無觸點開關。3 3 磁感應半導體元件分類磁感應半導體元件分類霍爾元件霍爾元件磁電阻元件磁電阻元件磁敏二極管磁敏二極管磁晶體管磁晶體管磁半導體開關磁半導體開關產品產品案例：轉速測量案例：轉速測量4.8 4.8 光電傳感器光電傳感器 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。其工作原理是基于一些物質的光電效應。 內光電效應內光電效應 半導體材料受到光照時會產生電子半導體材料受到光照時會產生電子- -空穴對空穴對

41、, ,使其導電性能增強使其導電性能增強, ,光線愈強，阻值愈低，這種光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發生變化的現象光照后電阻率發生變化的現象, ,稱為稱為內光電效應內光電效應 。光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管3. 傳感器原理傳感器原理 3. 傳感器原理傳感器原理 照相機自動測光照相機自動測光光控燈光控燈工業控制工業控制光電池光電池 光生伏特效應指半導體材料光生伏特效應指半導體材料P-NP-N結受到光照后結受到光照后產生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源產生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。的光電池是常用的光生伏特型器

42、件。+-PN應用應用 光電傳感器在工業上的應用可歸納為輻射光電傳感器在工業上的應用可歸納為輻射式式( (直射式直射式) )、吸收式、遮光式、反射式、四種、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。基本形式。 案例：案例：光電鼠標就是利用光電鼠標就是利用LEDLED與光敏晶體管組合來與光敏晶體管組合來 測量位移。測量位移。亮度傳感器：亮度傳感器：通過檢測周圍環境的亮度，再與內部設定值相比通過檢測周圍環境的亮度，再與內部設定值相比較，調整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，較，調整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節約電能的目的。達到節約電能的目的。相機測距反射式光電傳感器相機測距反射式光電傳感

43、器光纖傳感器光纖傳感器 物性型光纖傳感器是利用光纖對環境變化物性型光纖傳感器是利用光纖對環境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。 1 1）物性型光纖傳感器）物性型光纖傳感器4.9 新型傳感器新型傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器 1.1.雙金屬溫度計雙金屬溫度計 把兩種膨脹系數不同的金屬薄片焊接在一起把兩種膨脹系數不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉換成機械量變化。化轉換成機械量變化。優點：優點：結構簡單結構簡單牢固牢固可靠可靠防爆防爆 熱敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感

44、器熒光燈啟輝器熒光燈啟輝器零線零線火線火線 當電路接通，啟輝器兩端極片得電，當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電），擊穿惰性氣體而導電（輝光放電），雙金屬片發熱彎曲而與靜觸板接通形雙金屬片發熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。電路中電流突然中斷，成閉合電路。電路中電流突然中斷，使鎮流器兩端產生一個比電源電壓高使鎮流器兩端產生一個比電源電壓高得多的感應電動勢，得多的感應電動勢，在強電場的作用在強電場的作用下，引起管內汞蒸氣電離而形成弧光下，引起管內汞蒸氣電離而形成弧光放電放電. .熱敏傳感器熱敏傳感器熒光燈啟輝器熒光燈啟輝器 啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯而成

45、輝光放電管內啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯而成輝光放電管內有一個有一個U形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻璃管內充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當電路接通，啟輝器兩璃管內充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電過程），雙金屬片發熱彎曲端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電過程），雙金屬片發熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經過雙金屬片與靜觸板流通，而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經過雙金屬片與靜觸板流通，惰性氣體失去作

46、用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經過惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經過18秒的時間，雙秒的時間，雙金屬片收縮回原來狀態，啟輝器停止工作。金屬片收縮回原來狀態，啟輝器停止工作。2. 2. 熱電溫度計熱電溫度計( (熱電偶熱電偶) ) 熱電效應熱電效應 將兩種不同材料的導體將兩種不同材料的導體A A和和B B串接成一個閉合串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。熱敏傳感器熱敏傳感器BAABNNekTTEln)(ABTT0k k玻耳茲曼常數，玻耳茲曼常

47、數，e e電子電荷量，電子電荷量，T T接觸處的溫度接觸處的溫度NANA，NBNB分別為導體分別為導體A A和和B B的自由電子密度。的自由電子密度。BAABNNekTTEln)(00熱敏傳感器熱敏傳感器熱電偶測溫基本定律熱電偶測溫基本定律1)1)均質導體定律均質導體定律 由一種均質導體組成的閉合回路，不論導由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。生熱電動勢。TT02)中間導體定律中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會

48、影響要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V熱敏傳感器熱敏傳感器3)3)參考電極定律參考電極定律 兩種導體兩種導體A,BA,B分別與參考電極分別與參考電極C C組成熱電偶，如組成熱電偶，如果他們所產生的熱電動勢為已知，果他們所產生的熱電動勢為已知，A A和和B B兩極配對后兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：的熱電動勢可用下式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACABABTT0=ACTT0CBTT0由于鉑的物理化學性質穩定、人們多采用鉑作為參考電極由于鉑的物理化學性質穩定、人們多采用鉑作為參考電極。熱敏傳感器熱敏傳感器熱

49、敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器3 3 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器 半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數，隨溫度上升而阻導體，它具有負的電阻溫度系數，隨溫度上升而阻值下降。值下降。 熱敏傳感器熱敏傳感器)11(00TTeRRRT熱敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器產品產品溫控器溫控器熱敏傳感器熱敏傳感器應用應用汽車發動機傳感器汽車發動機傳感器水溫感應塞水溫感應塞還廣泛應用于空調、暖氣、電子體溫計等還廣泛應

50、用于空調、暖氣、電子體溫計等氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器 氣體與人類日常生活密切相關，對氣體的檢氣體與人類日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態居住環境不可缺少手段，測已經是保護和改善生態居住環境不可缺少手段，氣敏傳感器發揮著極其重要的作用。氣敏傳感器發揮著極其重要的作用。 如生活環境中一氧化碳濃度達如生活環境中一氧化碳濃度達0.80.81.15 ml/L1.15 ml/L時，就會出現呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還時，就會出現呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。煙霧報警器煙霧報警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化

51、碳傳感器氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器 氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫、氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫、氧化錳。當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇氧化錳。當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發生變化。等時，電阻發生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。測氣體的濃度改變而變化。 氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器 氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器實驗室中的傳感器實驗室中的傳感器氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器燃氣報警器燃氣報警器煙霧報警器煙霧報警器 酒精傳感器酒精傳感器氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器光纖流速傳感器光

52、纖流速傳感器光纖傳感器光纖傳感器 結構型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖結構型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統。其中光傳輸回路及測量電路所組成的測量系統。其中光纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。功能型光纖傳感器。2 2）結構型光纖傳感器）結構型光纖傳感器光纖傳感器光纖傳感器光纖檢測型光電傳感器光纖檢測型光電傳感器作業件檢測作業件檢測顏色檢測顏色檢測光纖傳感器光纖傳感器超聲波檢測傳感器超聲波檢測傳感器 1)1)聲波及其分類聲波及其分類(1)(1)次聲波，振動頻率低于次聲波，振動頻率低于l6Hzl6H

53、z的機械波。的機械波。(2)(2)聲波聲波: :振動頻率在振動頻率在16Hz20KHz16Hz20KHz之間的機械波。之間的機械波。(3)(3)超聲波超聲波: :高于高于20KHz20KHz的機械波。的機械波。2 2）超聲波的物理性質）超聲波的物理性質 超聲波與聲波比，振動頻率高，波長短，具有超聲波與聲波比，振動頻率高，波長短，具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。遠大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。 超聲波檢測傳感器超聲波檢測傳感器聲壓聲壓 所謂聲壓，是指某點上各瞬間的壓力與大氣壓所謂聲壓，

54、是指某點上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為力之差值，單位為PaPa，1Pa =1N/m1Pa =1N/m2 2。聲強聲強 聲強是聲波在傳播方向上單位時間內通過單聲強是聲波在傳播方向上單位時間內通過單位面積的能量，單位為位面積的能量，單位為W/m2W/m2。聲功率聲功率 聲功率聲功率( (W W) )是聲源在單位時間內發射出的總能是聲源在單位時間內發射出的總能量，單位是量，單位是W W。超聲波傳感器原理超聲波傳感器原理 超聲波發射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，超聲波發射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產生機械振動，發射出超聲波。產生機械振動，發射出超聲波。 接收原理是當超聲波作用在磁致材料上時，使接收原理是當超聲波作用在磁致材料上時，使磁滯材料磁場變化，使線圈產生感應電勢輸出。磁滯材料磁場變化，使線圈產生感應電勢輸出。 超聲波檢測傳感器超聲波檢測傳感器超聲波傳感器對超聲波傳感器對超聲波檢測傳感器超聲波檢測傳感器超聲波傳感器應用超聲波傳感器應用 超