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傳感器及檢測技術緒論學習目標

了解檢測技術與傳感器的作用和地位。

了解檢測系統的組成及各組成部分的作用。

了解檢測技術與傳感器的發展方向。了解本課程的內容、任務和學習方法。緒論隨著現代科學技術的飛速發展，人類已進入了瞬息萬變的信息時代。人們在各種生產、科學研究和社會活動中無處不涉及信息的交換和利用，如何迅速獲取信息、正確處理信息和充分利用信息，直接影響到科學技術和國民經濟的發展，因此世界各國紛紛加快了信息化建設步伐。緒論緒論人類是通過耳、眼、鼻、舌、皮膚這“五官”所具有的聽、視、嗅、味、觸覺功能來感知外界事物的。在工農業生產、科學研究和日常生活中，來自生產過程和自然界的各種信息是通過傳感器進行采集的，通常人們把傳感器比作人的“五官”，計算機比作人的大腦，執行器比作人的四肢，如圖0-1所示。因此傳感器是系統對外獵取信息的窗口。一、檢測技術與傳感器的作用和地位緒論一、檢測技術與傳感器的作用和地位緒論工業生產采用各種檢測技術與傳感器對生產全過程進行檢查、監測，它是確保安全生產、保證產品質量、提高產品合格率、降低能耗和原材料消耗、提高勞動生產率和經濟效應的重要手段。各種現代裝備系統檢測技術與傳感器是其安全經濟運行的重要保證，是其先進性和實用性的重要標志。檢測系統的成本一般已達到所在裝備系統總成本的50%～70%，甚至更高。自動控制系統傳感器是不可缺少的組成部分。要實現自動化，只有通過傳感器精確檢測出被控對象的參數并轉換成易于處理的信號，控制系統才能正常地工作。現代國防,工業飛機、潛艇、火箭、導彈等都裝備了大量的傳感器，檢測技術水平越高，其性能就越好。醫療檢查檢測設備可大大地提高疾病的檢查、診斷速度和準確性。緒論1.檢測系統的組成框圖檢測系統的基本組成框圖如圖0-2所示。（一）檢測系統的組成二、檢測系統簡介緒論2.檢測系統的組成及功能檢測系統由傳感器、測量電路、輸出單元及電源等組成。它們分別完成信息的獲取、轉換、顯示和處理等功能。（一）檢測系統的組成二、檢測系統簡介緒論傳感器是一種以一定的精確度把被測量對象轉換為另一種與之有確定對應關系，并且便于測量的量的裝置。（二）傳感器二、檢測系統簡介緒論測量電路是將傳感器的輸出信號轉換成易于測量的電壓或電流信號的電路。通常傳感器輸出信號是很微弱的，需經測量電路放大、處理后才能顯示、記錄。不同的傳感器所要求的測量電路是不同的。（三）測量電路二、檢測系統簡介緒論輸出單元包括顯示、打印、記錄裝置、數據通信接口和控制執行器裝置等。它使人們能了解檢測數值的大小和變化，并能完成控制和保護操作等功能。（四）輸出單元二、檢測系統簡介緒論隨著時代的發展和現代化步伐的加快，人們對檢測技術與傳感器的要求越來越高。而科學技術，特別是微機電技術、大規模集成電路技術、新材料技術、計算機技術和網絡技術等的不斷進步，大大促進了檢測技術與傳感器的發展，主要表現在以下幾方面：三、檢測技術與傳感器的發展趨勢緒論（一）不斷提高傳感器檢測水平開發新材料采用新技術新工藝傳感器的集成化傳感器的智能化仿生傳感器發現新效應三、檢測技術與傳感器的發展趨勢緒論（二）不斷拓展測量范圍，提高檢測精度和可靠性隨著科學技術的不斷發展，對檢測系統的性能要求，特別是精度、測量范圍和可靠性指標的要求越來越高。如測高溫，盡管目前已能研制和生產最高上限超過2800℃的熱電偶，但測溫范圍一旦超過2500℃，其準確度將下降，而且極易氧化，嚴重影響測量的可靠性和使用壽命。三、檢測技術與傳感器的發展趨勢緒論（三）推進新的檢測方法：發展非接觸法檢測技術在檢測過程中，把傳感器置于被測對象上，可靈敏地感知被測量對象的變化，這種接觸式檢測方法直接、可靠，測量精度較高，但在某些情況下，傳感器的裝入會影響測量精度或根本不能裝入傳感器，這就要用非接觸式檢測。目前，已有光電傳感器、電渦流傳感器、超聲波傳感器、核輻射傳感器等非接觸式傳感器得到了廣泛的應用，今后將更快地發展非接觸法檢測技術，并改進和克服非接觸法檢測易受外界干擾及檢測絕對精度較低等問題。三、檢測技術與傳感器的發展趨勢緒論（四）實現檢測系統智能化隨著集成電路技術的快速發展，微處理器等電路的成本和價格不斷下降，集成度和功能不斷提高，為檢測系統的智能化創造了有利的條件。智能化檢測系統以計算機為中心，進行電量、非電量的多種測量；多輸入通道的多點測量；在線動態實時測量；信號的分析處理、排除噪聲干擾、消除偶然誤差、修正系統誤差等，以實現測量結果的高準確度和對被測信號的高分辨率。三、檢測技術與傳感器的發展趨勢緒論（五）實現無線網絡化以互聯網為代表的計算機網絡技術是20世紀計算機科學的一項偉大成果，它給人們的生活帶來了深刻的變化，然而網絡功能再強大，網絡世界再豐富，也終究是虛擬的，與人們所生活的現實世界還是相隔的，在網絡世界中，很難感知現實世界，很多事情還是不可能的。三、檢測技術與傳感器的發展趨勢緒論四、本課程的內容、任務和學習方法本課程是機電一體化、自動控制、電氣自動化、應用電子等專業的一門專業課程。要求學生能認識常用傳感器，掌握其工作原理、輸出特性、誤差補償，理解各種測量轉換電路，了解傳感器的典型應用等知識，達到能正確使用常用傳感器的目的。PPT模板下載：/moban/

傳感器及檢測技術項目一檢測技術與傳感器的認知項目一檢測技術與傳感器的認知目錄1任務一傳感器的認知2任務二測量誤差的認知及處理3任務三傳感器的特性及選用認知項目一檢測技術與傳感器的認知學習目標能掌握檢測技術與傳感器的基本概念。能了解檢測技術與傳感器的作用、地位和發展方向。能掌握傳感器的組成及各組成部分的作用。能掌握誤差的基本概念，熟悉幾種測量誤差的定義和表示。能區分各種測量誤差并進行處理。能掌握傳感器的基本特性和傳感器的選用原則。任務一傳感器的認知一、傳感器的定義根據國家標準（GB/T7665—2005）《傳感器通用術語》，傳感器（transducer/sensor感覺）的定義為：“能感受（或響應）規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用的輸出信號的轉換元件以及相應的電子線路所組成。”任務一傳感器的認知二、傳感器的組成傳感器從字面上理解，具有一感二傳的功能，即感受被測信息，再傳送出去，因此，傳感器由敏感元件和轉換元件組成。但由于它的輸出信號較弱，因此需要由后續的信號調節與轉換電路進行放大或轉換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的信號。隨著半導體和集成電路技術的發展，傳感器的信號調節與轉換電路往往直接安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件、轉換元件一起集成在同一芯片內，這樣，傳感器就由敏感元件、轉換元件和轉換電路組成。其組成框圖如圖1-1所示。任務一傳感器的認知二、傳感器的組成任務一傳感器的認知敏感元件敏感元件是直接感受被測量、并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。它是傳感器技術的核心，是設計和制作傳感器的關鍵。轉換元件轉換元件是將敏感元件的輸出量轉換成電路參數量的元件。轉換電路轉換電路是將電參量轉換成可直接利用的電信號的電路。需要說明的是有些被測非電量可直接變換為電參量，這時傳感器中的敏感元件和轉換元件就合二為一了。二、傳感器的組成任務一傳感器的認知三、傳感器的分類傳感器的種類繁多，即使同一種被測量也可以用不同類型的傳感器來測量，如位置檢測，可以用光電、磁電、電感、電容等多種傳感器進行測量；而一種傳感器又可測量多種物理量，如電容式傳感器可用來測位移、壓力、荷重、加速度等。因此，傳感器的分類方法很多，常用的分類方法有：任務一傳感器的認知按被測量分類按被測量分類，即按照傳感器的輸入信號分類，它能夠很方便地表示傳感器的功能，便于用戶的使用。可以分為溫度、壓力、位移、轉速、加速度、位置、濕度、氣體濃度、流量、流速等傳感器。按傳感器的工作原理分類按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、磁電式、光電式、壓電式、熱電式、霍爾式、超聲波、激光、光纖等傳感器。按能量關系分類按能量關系分類，可分為能量轉換型和能量控制型兩類。按信號轉換特征分類按信號轉換特征分類，可分為結構型和物性型兩類。結構型：通過傳感器的結構參量發生變化實現信號變換。物性型：利用某些物質的某些性質隨被測參數變化來實現信號變換。三、傳感器的分類任務二測量誤差的認知及處理一、測量的概念及方法測量是人們認識和改造客觀世界的一種必不可少的重要手段。它是把被測未知量與同性質標準量進行比較，確定被測量對標準量的倍數，并用數字表示這個倍數的過程。測量的步驟包括比較、示差、平衡和讀數四個步驟。以天平測量為例：①比較：被測量和標準量（砝碼）分別放到天平兩邊秤盤上比較。②示差：觀察指針位置的變化值，即示差。③平衡：調整砝碼數值，使之平衡。④讀數：根據砝碼多少，讀出物體質量的值，即讀數。（一）測量的概念任務二測量誤差的認知及處理一、測量的概念及方法（二）測量方法1.按測量手續分類（1）直接測量直接測量是用精度較高的設備直接對被測量進行測量并得到測量結果。例如：溫度計測溫、萬用表測電壓、卡尺測工件的長度等。（2）間接測量間接測量是在使用儀表進行測量時，首先對與被測量有函數關系的幾個量進行測量，將測量值代入函數關系式，經過計算得到測量所需要的結果。（3）聯立測量聯立測量是被測量與多個元素有關，必須經過求解聯立方程組才能得到最后的結果。任務二測量誤差的認知及處理（二）測量方法一、測量的概念及方法2.按測量方式分類（1）偏差法偏差法是在測量過程中，用儀表指針的位移決定被測量的測量方法。（2）零位法零位法是在測量過程中，用已知的標準量去平衡或抵消被測量的作用，并用指零儀表的零位指示測量系統的平衡狀態，在測量系統達到平衡時，用已知的基準量決定被測未知量的測量方法。（3）微差法微差法是零位法和偏差法的組合。將被測的未知量與已知的標準量進行比較，并取得差值后,再用偏差法測得此值。任務二測量誤差的認知及處理（二）測量方法一、測量的概念及方法3.其他測量方法（1）接觸測量和非接觸測量接觸測量是傳感器或測量器具的測量頭在一定測量力的作用下，與被測物體直接接觸的測量法。非接觸測量是傳感器或測量器具的測量頭與被測對象不發生機械接觸的測量。（2）靜態測量和動態測量靜態測量是指在測量期間的被測量是恒定值的測量。動態測量是為了確定隨時間變化的被測量的瞬時值而進行的測量。（3）被動測量和主動測量產品加工完成后的測量為被動測量；正在加工過程中的測量為主動測量。被動測量只能發現和挑出不合格品；而主動測量可通過測得值的反饋，控制設備的加工過程，預防和杜絕不合格品的產生。任務二測量誤差的認知及處理（一）測量誤差的基本概念1.測量誤差測量誤差是檢測結果與被測量的客觀真值之間的差值。2.真值真值是在確定的時間、地點和狀態下，被測量表現出來的實際大小。真值是客觀存在的，又是未知的。3.標稱值標稱值是計量或測量器具上標注的量值，如標準砝碼上標出的1kg。4.示值示值是由測量儀器給出或提供的量值，也稱測量值。二、測量誤差的認知任務二測量誤差的認知及處理二、測量誤差的認知（一）測量誤差的基本概念5.精確度（精度）精確度是測量結果中系統誤差與隨機誤差的綜合，表示測量結果與真值的一致程度。6.重復性重復性是在相同條件下，對同一被測量進行多次連續測量所得結果之間的一致性。7.誤差公理誤差公理是指一切測量都具有誤差，誤差自始至終存在于所有科學實驗的過程之中。任務二測量誤差的認知及處理（二）測量誤差的來源1.測量裝置誤差測量裝置誤差包括傳感器和測量儀器儀表的誤差、標準件的誤差以及裝卡附件的誤差。傳感器和測量儀器儀表的誤差如設計、制造誤差；標準件的誤差如標準量塊、標準線紋尺、標準電池、標準電阻、標準砝碼等所體現量值的誤差；裝卡附件的誤差如裝卡定位等造成的誤差。2.測量方法誤差測量方法不完善或測量所依據的理論公式本身的近似性引起的誤差。二、測量誤差的認知任務二測量誤差的認知及處理（二）測量誤差的來源3.環境誤差各種環境因素與規定的標準狀態不一致而引起的測量裝置和被測量本身的變化所造成的誤差。如溫度、濕度、氣壓、振動、照明、電磁場等所引起的誤差。4.人員誤差測量人員因技術能力、工作疲勞、固有習慣等因素引起的誤差。它的大小取決于測量人員的操作技能和其他主觀因素。二、測量誤差的認知任務二測量誤差的認知及處理（三）測量誤差的表示法1.絕對誤差絕對誤差Δx是指被測量的指示值ｘ與真值x0之間的差值。

由于真值是未知的，實際應用時用標準表的測量值代替真值，稱為實際值x0。絕對誤差Δx=指示值x－實際值x0二、測量誤差的認知任務二測量誤差的認知及處理（三）測量誤差的表示法2.相對誤差相對誤差γ是用絕對誤差Δx與真值（實際值）x0比值的百分數來表示的。因被測量指示值x與真值x0接近，可近似用絕對誤差與指示值的百分數來表示。二、測量誤差的認知任務二測量誤差的認知及處理（三）測量誤差的表示法3.引用誤差（或滿度相對誤差）引用誤差γn是絕對誤差Δx與儀器儀表量程xm比值的百分數。二、測量誤差的認知任務二測量誤差的認知及處理（三）測量誤差的表示法4.最大引用誤差最大引用誤差γnm是最大絕對誤差Δxm與儀器儀表量程xm比值的百分數。最大引用誤差常被用來確定儀表的精度等級K，即二、測量誤差的認知任務二測量誤差的認知及處理三、測量誤差的分類（一）按測量誤差出現的規律分類1.系統誤差在相同的條件下，多次重復測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變，或在條件改變時，遵循一定規律變化的誤差。系統誤差的產生原因是由測量儀器、量具本身制造、安裝、調整或者是使用方法不當造成的。系統誤差表明測量結果的準確度，即儀表指示值有規律地偏離真值的程度。系統誤差越小，測量結果準確度越高。任務二測量誤差的認知及處理（一）按測量誤差出現的規律分類2.隨機誤差在相同的條件下，多次重復測量同一量時，誤差的大小和符號均無規律變化的誤差。隨機誤差的產生原因是由周圍環境的隨機因素引起的。隨機誤差的大小表明測量結果重復一致的程度，即分散性，通常用精密度表示。隨機誤差越大，測量結果越分散，精密度就越低。測量的精密度和準確度的綜合反映，可用精確度（簡稱精度）來表示。三、測量誤差的分類任務二測量誤差的認知及處理（一）按測量誤差出現的規律分類精密度、準確度和精確度三者的示意圖如圖1-2所示。三、測量誤差的分類任務二測量誤差的認知及處理（一）按測量誤差出現的規律分類3.粗大誤差粗大誤差是明顯歪曲測量結果的誤差。粗大誤差的產生原因是由于外界重大干擾、儀器儀表故障或人為因素等造成的。含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值，應剔除。三、測量誤差的分類任務二測量誤差的認知及處理（二）按被測量與時間的關系分類測量誤差按被測量與時間的關系可分為靜態誤差與動態誤差兩大類。1.靜態誤差靜態誤差是在被測量不隨時間變化時測得的測量誤差。2.動態誤差動態誤差是在被測量隨時間變化過程中進行測量時所產生的附加誤差。它的大小為動態中測量和靜態中測量所得誤差值的差值。三、測量誤差的分類任務二測量誤差的認知及處理四、測量誤差的處理（一）系統誤差的處理系統誤差的特點是其出現的有規律性，因此對系統誤差的處理可通過理論分析和實驗方法來確定，采用修正值或補償矯正的方法進行消除或減小。1.測量前采用的方法①從產生系統誤差的來源上考慮，設法消除或盡量減小其影響。②采用修正方法來消除。在測量前，送計量部門鑒定或通過標準的儀器設備比對，得到修正值。任務二測量誤差的認知及處理（1）交換法在測量中將引起系統誤差的某些條件相互交換，而保持其他條件不變，使引起系統誤差的因素對測量結果起相反的作用，從而抵消系統誤差。（2）抵消法改變測量中的某些條件，使得前后兩次測量結果的誤差相反，取其平均值以消除系統誤差。（3）替代法在測量條件不變的情況下，用已知量替換被測量，達到消除系統誤差的目的。2.測量中采用的方法四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（4）對稱測量法對稱測量法用于消除線性變化的系統誤差。事實上，很多隨時間變化的系統誤差，在短時間內均可看成線性變化的。復雜變化的系統誤差，短時間內也可近似作為線性系統誤差。因此，一切精密實驗均可采用對稱測量法。（5）補償法在系統中采取補償措施，自動消除系統誤差。2.測量中采用的方法四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理存在隨機誤差的測量結果中，雖然單個測量值誤差的出現是隨機的，但就誤差的整體而言是服從一定的統計規律的。因此通過增加測量次數，利用概率論的一些理論和統計學的一些方法，可以掌握看似毫無規律的隨機誤差的分布特性，并進行測量結果的數據統計處理。四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理1.概率和正態分布曲線（1）概率概率是描述某一事件或現象出現的客觀可能性的大小。必然出現——概率＝1；必然不出現——概率＝0；可能出現的隨機事件——概率＝0～1。四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理例如：拋硬幣：我們會發現出現正面和反面的可能性是一樣的，即概率均為0.5。下面做一個試驗，若現在為北京時間九點整，我們統計了全班48位學生的手表指示值（總數ｎ=48），得到表1-1的數據。表中的頻率為指示值或隨機誤差落在某個區間的相對次數。如果以隨機誤差δi為橫坐標，頻率ni/n為縱坐標，畫出它們的關系曲線即為頻率直方圖，如圖1-4所示。四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理（2）正態分布曲線當測量次數n→∞，測量誤差Δδ→dδ時，無限多個直方圖的頂點的連線就稱為隨機誤差的正態分布曲線，如圖1-5所示。四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理2.隨機誤差的特性多數隨機誤差服從正態分布規律，測量結果符合正態分布曲線。對正態分布曲線進行分析，也就發現了隨機誤差對于單次測量具有隨機性，但當多次重復測量時，具有以下的特性：四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理（1）對稱性絕對值相等、符號相反的誤差在多次重復測量中出現的可能性相等，即正負誤差出現的概率相同。（2）有界性絕對值很大的誤差出現的概率趨于零，即誤差有一定的實際限度。（3）抵償性相同條件下，當n→∞時，隨機誤差的代數和等于零。（4）單峰性絕對值小的誤差出現的概率大，絕對值大的誤差出現的概率小。四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理3.算術平均值和標準誤差（1）算術平均值四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理3.算術平均值和標準誤差（2）標準誤差四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理3.算術平均值和標準誤差（3）算術平均值的標準誤差四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理4.測量結果的正確表示和置信度具有隨機誤差的測量結果，可用算術平均值替代真值，并用標準誤差給出可能范圍。具體表示如下：四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理由理論計算可得：當K=1時，測量結果落在±σ（x-）范圍內的概率為68．27%。當K=2時，測量結果落在±2σ（x-）范圍內的概率為95．45%。當K=3時，測量結果落在±3σ（x-）范圍內的概率為99．73%。四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（二）隨機誤差的處理四、測量誤差的處理任務二測量誤差的認知及處理（三）粗大誤差的處理在測量數據中發現有異常數據時，一般從以下兩方面來考慮：1.定性分析對測量設備、測量條件、測量步驟進行分析，看是否存在問題而引起出現異常數據。這種判斷無嚴格規則，屬于定性判斷。2.定量判斷用概率統計和誤差理論知識建立的粗大誤差判斷準則為依據，進行定量判斷，以確定該異常值是否應剔除。在工程上常用拉依達準則（3σ準則）來判斷粗大誤差。四、測量誤差的處理任務三傳感器的特性及選用認知一、傳感器的特性（一）靜態特性定義：當被測量不隨時間變化或變化緩慢時，認為傳感器與檢測系統的輸入量和輸出量都與時間無關。這樣確定的檢測裝置的性能參數稱為靜態特性。靜態特性主要由以下性能指標來描述。任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性1.線性度線性度又稱非線性度或非線性誤差，是指實際輸入輸出特性曲線與擬合直線（理想直線）之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出值的百分比，如圖1-7所示。線性度可用公式（1-13）表示：一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性2.遲滯性遲滯性又稱回差或滯后，表示傳感器與檢測系統在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中輸入輸出特性曲線之間最大差值與傳感器滿量程輸出值的百分比，如圖1-8所示。遲滯性可用公式（1-14）表示：一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性3.重復性重復性是指輸入量按同一方向作全量程連續多次測試時，所得特性曲線最大不重復誤差與傳感器滿量程范圍值的百分比，如圖1-9所示。重復性可用公式（1-15）表示：一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性4.靈敏度靈敏度是指傳感器與檢測系統對被測量變化的反應能力。當輸入量x有一個變化量Δx時，引起輸出量y有相應的變化量Δy，則輸入變化量與輸出變化量之比稱為靈敏度。靈敏度可用公式（1-16）表示：一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性靈敏度的注意點：①靈敏度S是有量綱的。但若x與y是同類量時，S無量綱，為放大倍數K。②若系統是有多個環節組成的串聯式系統，每個環節的靈敏度分別為S1、S2、S3，如圖110所示，則系統總靈敏度為各個環節靈敏度的乘積，即S＝S1S2S3。③靈敏度越高，測量精度越高，但測量范圍越窄，穩定性越差。一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性5.分辨率分辨率是指傳感器能夠檢測出被測量的最小變化量，是有量綱的數。當被測量的變化小于分辨率時，傳感器對輸入量的變化無任何反應，對數字式儀表，該表的最后一位數值就是它的分辨率；一般模擬式儀表分辨率為最小刻度分格數值的一半。靈敏度越高，分辨率越好。一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性6.測量范圍與量程傳感器所能測量的最大被測量稱為測量上限，最小被測量稱為測量下限。用測量上限和測量下限表示的測量區間稱為測量范圍。如某溫度計測量范圍為－20～＋200℃。測量上限和測量下限的代數差稱為量程。如上述溫度計量程為220℃。一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性7.穩定性穩定性是指傳感器在較長時間內保持其原性能的能力。即對于相同輸入量，其輸出量發生變化的程度。一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（一）靜態特性8.漂移漂移是指在外界干擾的情況下，在一定的時間間隔內，傳感器輸出量發生與輸入量無關的變化程度，包括時間漂移和溫度漂移。時漂是指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂是指周圍溫度變化引起的零點或靈敏度的變化。一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知（二）動態特性動態特性是指傳感器與檢測系統的被測量隨時間變化很快時，輸出對輸入的響應特性。其通常是用實驗方法求得的。一、傳感器的特性任務三傳感器的特性及選用認知二、傳感器的選用認知（一）傳感器的選擇要求由于傳感器在原理與結構上千差萬別，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用。如何合理選用傳感器，是應用時首先要解決的問題。一般傳感器的選擇應根據測量對象與測量環境，從測試條件與目的、傳感器的性能指標、傳感器的使用條件、數據采集和輔助設備配套情況，以及價格、備件和售后服務等多種因素綜合考慮。任務三傳感器的特性及選用認知（一）傳感器的選擇要求1.根據測量目的和測量對象確定傳感器類型①測量目的是要直接得到被測量，作為過程控制量或是其他用途。②測量對象為固體還是液體；采用接觸式還是非接觸式傳感器；靜態測量還是動態測量；有無負荷效應及對被測量的影響；被測位置對傳感器有無體積要求等。③測量環境包括安裝現場條件、環境條件（溫度、濕度和振動等）、過載保護、信號傳輸距離、與傳感器連接的系統負荷阻抗情況等。二、傳感器的選用認知任務三傳感器的特性及選用認知（一）傳感器的選擇要求2.根據傳感器技術指標確定傳感器種類①靜態特性要求，如測量范圍、測量精度、靈敏度、分辨率、遲滯性和重復性等。②動態特性要求，如快速性和穩定性等。③信息傳遞要求，如形式和距離等。④過載能力要求，如機械、電氣和熱的過載能力。二、傳感器的選用認知任務三傳感器的特性及選用認知（一）傳感器的選擇要求3.根據測量系統要求確定傳感器的種類①系統要求的信號形式，如實時與否，數字還是模擬等。②與傳感器連接的負荷阻抗特性等。③傳輸和連接接口等。二、傳感器的選用認知任務三傳感器的特性及選用認知（一）傳感器的選擇要求4.根據使用環境確定傳感器種類考慮溫度、濕度、大氣壓力、振動、磁場、電場、附近有無大功率用電設備、加速度、傾斜、防火、防爆、防化學腐蝕以及是否有害于周圍材料的壽命及操作人員的身體健康等。二、傳感器的選用認知任務三傳感器的特性及選用認知（一）傳感器的選擇要求5.電源的要求電源電壓形式、等級、功率、波動范圍、頻率及高頻干擾等。6.基本安全要求絕緣電阻、耐壓強度及接地保護等。7.可靠性要求抗干擾、使用壽命、無故障工作時間等。二、傳感器的選用認知任務三傳感器的特性及選用認知（一）傳感器的選擇要求8.管理要求要求結構簡單、模塊化，有自診斷能力和故障顯示等。9.購買與維修要求考慮價格、交貨方式與日期、保修期限、售后服務和零配件供應等。二、傳感器的選用認知任務三傳感器的特性及選用認知（二）傳感器的選用原則在現代社會，傳感器得到了廣泛應用。各類傳感器性能技術指標很多，如果要求一個傳感器具有全面良好的性能指標，不僅可能給設計、制造帶來困難，而且在實際應用中也沒有必要。因此應根據實際需要與可能，在確保主要指標實現的基礎上，放寬對次要指標的要求，以達到高的性能價格比。傳感器選用總的原則是：在滿足檢測系統對傳感器所有要求的情況下，價格低廉、工作可靠、容易維修。二、傳感器的選用認知任務三傳感器的特性及選用認知（二）傳感器的選用原則在具體選用傳感器時，可按下列步驟進行：①借助傳感器分類表，按被測量的性質，從典型應用中初步確定幾種可供選用的傳感器的類別。②借助常用傳感器比較表，按被測量的范圍、精度要求、環境要求等確定傳感器類別。③借助傳感器的產品目錄、選型樣本，最后查出傳感器的規格、型號、性能和尺寸。二、傳感器的選用認知PPT模板下載：/moban/

傳感器及檢測技術項目二速度檢測項目二速度檢測目錄1任務一電渦流傳感器用于轉速檢測2任務二汽車行車速度檢測3任務三磁電式傳感器用于轉速檢測4任務四光電傳感器用于轉速檢測項目二速度檢測學習目標能認識、了解檢測速度的傳感器器件，了解它們的特點和性能。能理解電渦流傳感器的工作原理、測量電路及應用電路。能掌握霍爾傳感器的工作原理和應用。了解磁電式傳感器的工作原理和它的特點。能理解變磁通式和恒磁通式磁電傳感器的工作原理和應用。掌握光電效應的三種類型和常用光電傳感器的工作原理。掌握光電傳感器的組成及理解光電傳感器的應用電路。項目二速度檢測在各種車輛的運轉、機械設備的運行中，都需要對旋轉軸的轉速進行測量，轉速一般以每分鐘的轉數來表達，單位為r/min。測量速度的方法很多，通常有霍爾傳感器測速、電渦流測速、磁電感應測速、光電測速、光電編碼器數字測速和測速發電機模擬測速等。這里介紹幾種主要的轉速測量方法。任務一電渦流傳感器用于轉速檢測機械設備的運行中，有大量涉及轉軸的轉速測量。當被測對象是導電良好的金屬物體時，一般可選用電渦流傳感器進行測速。任務提出任務一電渦流傳感器用于轉速檢測基于法拉第電磁感應原理，將塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內會產生呈渦旋狀的感應電流，該電流稱為電渦流。電渦流的產生必然要消耗一部分能量，使產生磁場的線圈阻抗發生變化的物理現象稱為電渦流效應。電渦流式傳感器就是利用電渦流效應，將非電量轉換成阻抗的變化而進行測量的一種傳感器。相關知識任務一電渦流傳感器用于轉速檢測一、電渦流傳感器外形結構和性能指標（一）電渦流傳感器的外形任務一電渦流傳感器用于轉速檢測（二）電渦流式傳感器的結構一、電渦流傳感器外形結構和性能指標任務一電渦流傳感器用于轉速檢測（三）V系列電渦流傳感器性能指標①線性距離：2~10mm。②精度：1．0%。③響應時間：5ms。④工作電壓：15~30VDC。⑤輸出電壓：0．1VDC。⑥輸出電流：≤5mA。⑦靜態功耗：≤0．8W。⑧環境溫度、濕度：－25～75℃、95%RH（25℃時）。⑨使用壽命：≥10000h。一、電渦流傳感器外形結構和性能指標任務一電渦流傳感器用于轉速檢測二、電渦流傳感器的工作原理如圖2-4所示，在金屬導體上方放置一個線圈L，當線圈中通以電流I1·時，線圈的周圍空間就產生了交變磁場H1，在金屬導體內就會產生電渦流I2·，由I2·任務一電渦流傳感器用于轉速檢測三、高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式電渦流傳感器的結構如圖2-3所示，在線圈前面放一塊金屬導體，電渦流傳感器的線圈與被測金屬導體間是非接觸磁性耦合。當高頻電流施加在電感線圈上時，線圈產生的高頻磁場作用于被測金屬導體表面，形成電渦流，電渦流產生的磁場又反作用于線圈，從而改變了線圈的阻抗。線圈阻抗由線圈與金屬導體的距離決定。通過測量線圈阻抗的變化就可確定電渦流傳感器探頭與金屬板之間的距離。被測物的電導率越高，傳感器的靈敏度越高。任務一電渦流傳感器用于轉速檢測四、低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器采用低頻激勵，貫穿深度較大，適合測量金屬材料的厚度。其工作原理如圖2-5所示。圖中發射線圈L1和接收線圈L2分別位于被測金屬板的兩側。當振蕩器產生的低頻電壓u1加到線圈L1上時，在其周圍產生一個交變磁場。若兩線圈間無金屬導體，則L1產生的磁力線能較多地穿過L2，在L2上產生的感應電壓u2最大。任務一電渦流傳感器用于轉速檢測四、低頻透射式電渦流傳感器任務一電渦流傳感器用于轉速檢測五、電渦流傳感器的測量電路（一）電橋測量電路電橋測量電路如圖2-6所示，它是將傳感器線圈的阻抗作為電橋的一個橋臂，或用兩個相同的電渦流線圈組成差動形式。初始狀態電橋平衡，無輸出。當測量時，線圈阻抗A、B發生差動變化，電橋失去平衡，輸出電壓的大小反映了被測量的變化。任務一電渦流傳感器用于轉速檢測（一）電橋測量電路五、電渦流傳感器的測量電路任務一電渦流傳感器用于轉速檢測（二）定頻調幅測量電路定頻調幅測量電路原理如圖2-7所示。傳感器線圈L和電容C并聯組成諧振電路，由石英晶體振蕩電路提供一個穩定的高頻激勵電流i。五、電渦流傳感器的測量電路任務一電渦流傳感器用于轉速檢測（三）調頻式測量電路調頻式測量電路原理如圖2-8所示。傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導體距離x改變時，由于電渦流的影響，L改變，將導致振蕩器頻率f=12πL（x）C跟隨改變。該頻率可由數字頻率計直接測量或通過頻率電壓變換后，再由電壓表測得。五、電渦流傳感器的測量電路任務一電渦流傳感器用于轉速檢測一、合理選擇電渦流傳感器旋轉軸的轉速測量，實際是檢測電渦流傳感器線圈與被測齒盤凹凸之間的間距的變化，根據電渦流式傳感器的相關知識，可選用高頻反射式電渦流傳感器。任務一電渦流傳感器用于轉速檢測二、正確使用電渦流傳感器電渦流傳感器測量旋轉軸轉速的工作原理如圖2-9所示，它由輸入盤、電渦流傳感器和測量電路等組成。由軟磁性材料做成的輸入盤上開有鍵槽，在距離輸入盤表面d處放置電渦流傳感器，輸入盤與被測旋轉軸相連。（一）電渦流傳感器測速原理任務一電渦流傳感器用于轉速檢測二、正確使用電渦流傳感器電渦流傳感器測量旋轉軸轉速的工作原理如圖2-9所示，它由輸入盤、電渦流傳感器和測量電路等組成。由軟磁性材料做成的輸入盤上開有鍵槽，在距離輸入盤表面d處放置電渦流傳感器，輸入盤與被測旋轉軸相連。（一）電渦流傳感器測速原理任務一電渦流傳感器用于轉速檢測二、正確使用電渦流傳感器使用電渦流式傳感器測距，傳感器線圈僅為實際測試系統的一部分，另一部分是被測體，因此在使用時必須注意線圈與被測導體的關系。1.被測導體厚度的選擇高頻反射式電渦流傳感器測距時，應使導體厚度遠大于電渦流的軸向貫穿深度；低頻透射式電渦流傳感器測厚時，應使導體厚度小于電渦流的軸向貫穿深度。（二）電渦流傳感器測速注意點任務一電渦流傳感器用于轉速檢測二、正確使用電渦流傳感器

2.勵磁電源頻率的選擇低頻透射式電渦流傳感器測厚時，由于電渦流的貫穿深度t符合下式：（二）電渦流傳感器測速注意點任務一電渦流傳感器用于轉速檢測二、正確使用電渦流傳感器3.被測導體材料與大小的確定線圈阻抗變化與導體的電導率、磁導率等有關。對于非磁性材料，被測體的電導率越高，靈敏度越高；而對于磁性材料，磁導率將影響線圈的阻抗。（二）電渦流傳感器測速注意點任務一電渦流傳感器用于轉速檢測二、正確使用電渦流傳感器4.電渦流傳感器的確定電渦流傳感器的線圈外徑越大，線性范圍越大，但靈敏度越低，分辨率越差。（二）電渦流傳感器測速注意點任務一電渦流傳感器用于轉速檢測二、正確使用電渦流傳感器①安裝探頭時，應調節夾住位置，使位移變化不超出測量范圍。②被測軸表面應光滑、清潔，不能有缺陷。③探頭線圈要通入合適的高頻電流。④系統接線牢固，接觸良好。（三）電渦流傳感器使用注意事項任務一電渦流傳感器用于轉速檢測其它案例軸的振動和偏心會影響零件的加工精度，因此要對振動和偏心進行檢測，轉軸的振動和偏心測量如圖2-10所示。（一）測量轉軸的振動和偏心任務一電渦流傳感器用于轉速檢測其它案例（二）測量振幅、波動和彎曲等任務一電渦流傳感器用于轉速檢測其它案例低頻透射式電渦流傳感器可以用于測量厚度，高頻反射式電渦流傳感器也可以用來測量厚度。如圖2-12所示為高頻反射式電渦流測厚儀的原理框圖。（三）高頻反射式電渦流測厚儀任務一電渦流傳感器用于轉速檢測其它案例如圖2-13所示為電渦流傳感器構成的液位監控系統。由浮筒與杠桿帶動渦流板上下移動，渦流板與電渦流傳感器的間距發生變化，從而使傳感器發出信號控制電動泵的開啟來保持一定高度的液位。（四）液位監控系統任務一電渦流傳感器用于轉速檢測其它案例安檢門是一種檢測通過人員是否攜帶金屬物品的探測裝置，又稱金屬探測門，它的示意簡圖如圖2-14所示，主要應用于機場、車站、海關和大型會議等重要場所，用來檢查通過人員隱藏的金屬物品，如槍支、管制刀具等。（五）安檢門任務一電渦流傳感器用于轉速檢測其它案例由于在較小的溫度范圍內，導體的電阻率與溫度之間有如下的關系：（六）測量溫度任務一電渦流傳感器用于轉速檢測訓練一下在實訓室借助電渦流傳感器及測量模塊、安裝有測速齒盤的電機、調節電機轉速的變頻器、計數器（或示波器）、電源等器件和設備，試著連接電路并進行測速。任務一電渦流傳感器用于轉速檢測用電渦流傳感器檢測位移了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。（一）實驗目的任務一電渦流傳感器用于轉速檢測用電渦流傳感器檢測位移①CSY—2000傳感器與檢測技術實驗臺。（＋15V電源，數顯電壓表）②電渦流傳感器實驗板。③電渦流傳感器。④測微頭。⑤鐵圓片。（二）需用器件與單元任務一電渦流傳感器用于轉速檢測用電渦流傳感器檢測位移探頭線圈通入高頻電流，產生磁場，當有被測導體接近時，導體內的渦流效應產生渦流損耗，而渦流效應的強弱與該導體與線圈的距離有關，因此通過檢測渦流效應的強弱即可以進行位移測量。（三）實驗原理任務一電渦流傳感器用于轉速檢測用電渦流傳感器檢測位移①根據圖2-17所示安裝電渦流傳感器。（四）實驗步驟任務一電渦流傳感器用于轉速檢測用電渦流傳感器檢測位移②根據圖2-18所示進行實驗連線：（四）實驗步驟任務一電渦流傳感器用于轉速檢測用電渦流傳感器檢測位移（a）將＋15V電源接入模板。（b）將模板輸出電壓V0接到數顯電壓表上。（c）將模板上高頻電流接入電渦流線圈中。③打開主控臺電源。（四）實驗步驟任務一電渦流傳感器用于轉速檢測用電渦流傳感器檢測位移④使測微頭與傳感器線圈頂部接觸，記錄數顯表的示數，然后每隔0．5mm讀一個數，記入表2-1，直到輸出幾乎不變為止。（四）實驗步驟任務一電渦流傳感器用于轉速檢測用電渦流傳感器檢測位移①根據表21數據，畫出Ux曲線。②計算量程為1mm、3mm和5mm時的靈敏度和線性度。③由實驗結果分析電渦流傳感器是如何測量軸的振動和偏心的。（五）實驗數據分析任務一電渦流傳感器用于轉速檢測用電渦流傳感器檢測位移①將上述被測體鐵圓片分別換成銅圓片和鋁圓片，重復實驗過程，實驗數據分別記入表2-2和表2-3。（六）被測體材質對電渦流傳感器特性的影響任務一電渦流傳感器用于轉速檢測用電渦流傳感器檢測位移②由表2-2和表2-3分別計算量程為1mm、3mm和5mm時的靈敏度和線性度。③比較三種被測體的實驗結果。（六）被測體材質對電渦流傳感器特性的影響

任務二汽車行車速度檢測

任務提出在汽車中，行車速度是一個很重要的參數。一般汽車發動機中都安裝有速度傳感器，輸出的速度信號輸入速度表、里程表指示，并用它來進行汽車的牽引控制、導航系統、發動機和變速箱的管理等。一般可使用霍爾傳感器。

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相關知識霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器，是目前應用最為廣泛的一種磁電式傳感器。它可以用來檢測磁場、微位移、轉速、流量、角度，也可以用于制作高斯計、電流表、接近開關等。

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一、霍爾傳感器的外形結構和性能（一）霍爾傳感器的外形

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一、霍爾傳感器的外形結構和性能（二）霍爾元件的結構和符號

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1.特點霍爾接近開關具有響應頻率高，重復定位精度高，抗干擾能力強，多種保護功能，有工作狀態指示燈，可以和控制器（PC）直接接口，可靠性高和使用壽命長等特點。（三）霍爾接近開關介紹一、霍爾傳感器的外形結構和性能

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2.技術參數（三）霍爾接近開關介紹一、霍爾傳感器的外形結構和性能

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3.使用要點①配套磁鋼：采用8×4釹鐵硼磁鋼S面（表面磁感應強度為0．3T）。②接線方式：紅線：電源（Vcc）；黃線：輸出（VOUT）；黑線：地線（GND）。（三）霍爾接近開關介紹一、霍爾傳感器的外形結構和性能

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3.使用要點③接線圖：如圖2-21所示。（三）霍爾接近開關介紹一、霍爾傳感器的外形結構和性能

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3.使用要點④觸發方式：如圖2-22所示。。（三）霍爾接近開關介紹一、霍爾傳感器的外形結構和性能

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霍爾傳感器的工作原理是基于霍爾效應。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發現了霍爾效應。所謂霍爾效應是置于磁場中的導體或半導體中流過電流時，若是沒有磁場的影響，則正電荷載流子能平穩地流過，此時輸出端（從載流導體上平行于電流和磁場方向的兩個面引出）的電壓為零。（一）霍爾效應二、霍爾傳感器的工作原理

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當加入一個與電流方向垂直的磁場時（圖2-23），電荷載流子會由于洛倫茲力的作用而偏向一邊，在輸出端產生電壓，即霍爾電壓。這一現象稱為霍爾效應。（一）霍爾效應二、霍爾傳感器的工作原理

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當電流I通過N型半導體時，導電載流子為電子。在磁場B的作用下，電子受到洛侖茲力的作用而偏向一側（左手定則）。這樣在兩個側面間產生了一個霍爾電場EH，該電場阻止電子的偏移，與洛侖茲力的作用力方向相反。最后電場力fE和洛侖茲力fL達到動態平衡。（一）霍爾效應二、霍爾傳感器的工作原理任務二汽車行車速度檢測（一）霍爾效應洛侖茲力：

式中，EH為霍爾電場強度；UH為霍爾電壓；b為霍爾片寬度。二、霍爾傳感器的工作原理

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由于UH=KHIB，所以霍爾元件產生的霍爾電壓主要由三個方面的因素決定：①與電源提供的電流的大小有關。②與霍爾元件所處磁場的強度有關。③與霍爾元件的物理尺寸有關。霍爾電壓是和元件厚度d成反比的，因此霍爾元件一般制作得較薄。（二）霍爾元件產生的霍爾電壓大小的決定因素二、霍爾傳感器的工作原理

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由于霍爾元件的靈敏度與材料的電阻率和電子遷移率（在單位電場強度作用下，載流子的平均速度值）成正比。若要霍爾效應強，制造霍爾元件材料的電阻率和電子遷移率要大。（三）霍爾元件二、霍爾傳感器的工作原理

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對于金屬導體，電子遷移率大，但電阻率很小；而絕緣材料電阻率極高，但電子遷移率極小。兩者都不適宜制作霍爾元件。只有半導體材料的電阻率和電子遷移率適中，且N型半導體的電子遷移率大于P型半導體的電子遷移率，因此一般用N型半導體制作霍爾元件。（三）霍爾元件二、霍爾傳感器的工作原理

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制作霍爾元件常用的材料有N型鍺、銻化銦、砷化銦、砷化鎵及磷砷化銦等。銻化銦產生的霍爾電勢較大，但溫度影響大；鍺及砷化銦受溫度影響小，線性好，但霍爾電勢小；砷化鎵溫度特性好，但價格貴；磷砷化銦的溫度特性最好。（三）霍爾元件二、霍爾傳感器的工作原理

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（一）霍爾傳感器的測量電路三、霍爾傳感器的測量電路及補償

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由于霍爾元件的基片是半導體材料，因而對溫度的變化很敏感。為了減小霍爾元件的溫度誤差，可采取：①選用溫度系數小的元件。②采用恒溫措施。③采用恒流源供電。（二）溫度誤差及補償三、霍爾傳感器的測量電路及補償

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1.零位特性零位特性是在無外加磁場或無控制電流的情況下，元件產生輸出電壓的特性。2.零位誤差零位誤差是零位特性產生的誤差。3.不等位電壓不等位電壓是霍爾元件的激勵電流為額定電流IN而磁感應強度為零時，所測到的空載霍爾電壓UO。4.不等位電阻不等位電阻R0：R0=UO/IN。（三）零位特性及補償三、霍爾傳感器的測量電路及補償

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不等位電壓產生的主要原因：霍爾電極安裝時不在同一個電位面上，兩者之間存在不等位電阻，如圖2-25所示。（三）零位特性及補償三、霍爾傳感器的測量電路及補償

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補償方法：利用橋路平衡的原理來補償，如圖2-26所示。（三）零位特性及補償三、霍爾傳感器的測量電路及補償

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用集成電路技術，將霍爾元件、放大器、溫度補償電路、施密特觸發器和穩壓電源等電路集成在一個芯片上，就構成了霍爾集成傳感器。這種傳感器具有可靠性高、體積小、重量輕、功耗低、無溫漂等優點。按照輸出信號的形式，可分為開關型和線性型兩種類型。（三）零位特性及補償四、霍爾集成傳感器

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它的輸出電壓與外加磁場之間的關系如圖2-27所示，具有開關特性，但導通磁感應強度和截止磁感應強度之間存在滯后效應，這一特性大大增強了電路的抗干擾能力，保證開關動作穩定，不產生振蕩現象。（三）零位特性及補償四、霍爾集成傳感器

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汽車發動機的轉速測量是利用了霍爾傳感器的開關特性，因此，宜選用霍爾開關集成傳感器。一、合理選擇霍爾傳感器的類型任務實施

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1.磁鐵在霍爾元件上的測速方式齒盤裝在被測軸上，隨被測軸一起旋轉，永久磁鐵裝在靠近齒盤的側面，磁鐵N極與S極的距離等于齒距，霍爾元件粘貼在N極的端面，如圖228a所示；或者將磁鐵固定在霍爾元件的背面，如圖2-28b所示。（一）霍爾傳感器測量轉速的方式二、正確使用霍爾傳感器

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二、正確使用霍爾傳感器

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2.磁鐵裝在轉盤上的測速方式將磁鐵裝在轉盤上，轉盤隨被測軸轉動，霍爾元件固定在轉盤附近，如圖2-29所示。當小磁鐵隨轉盤旋轉通過霍爾元件時，霍爾元件輸出一個脈沖，只要檢測出單位時間的脈沖數，就測出了轉速。（一）霍爾傳感器測量轉速的方式二、正確使用霍爾傳感器

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（一）霍爾傳感器測量轉速的方式二、正確使用霍爾傳感器

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霍爾傳感器用于汽車發動機測速的安裝結構如圖2-30所示。轉速盤如圖2-30a所示，由鋼板制成，盤中有六個齒，其中一個為40°寬齒，其他五個為20°的窄齒。（二）霍爾傳感器用于汽車發動機轉速測量二、正確使用霍爾傳感器

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如圖2-30b所示，霍爾傳感器和磁鋼安裝在鋁塊上，再固定在支架上；轉速盤與發電機安裝在一起，隨發電機轉動，此時霍爾傳感器輸出矩形脈沖信號，轉一周輸出六個脈沖。汽車轉速越快，單位時間內輸出脈沖越多。（二）霍爾傳感器用于汽車發動機轉速測量二、正確使用霍爾傳感器

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（二）霍爾傳感器用于汽車發動機轉速測量二、正確使用霍爾傳感器

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①采用不同的磁鐵，檢測距離有所不同，建議采用的磁鐵直徑和檢測對象的直徑相等。②當霍爾開關驅動感性負載時，要在負載兩端并接續流二極管，避免感性負載動作時的瞬態高壓脈沖對輸出級的沖擊，以保護霍爾開關。③為了保證不損壞接近開關，請務必在接通電源前檢查接線是否正確，核定電壓是否為額定值。（三）霍爾傳感器使用注意事項二、正確使用霍爾傳感器

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當控制電流I恒定時，由于UH=KHIB，霍爾輸出電壓UH與磁感應強度B成正比。霍爾傳感器特別適用于微小氣隙中的磁感應強度、高梯度磁場參數等的測量。（一）測量磁場其他案例

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如圖2-31所示為霍爾傳感器測量壓力的原理示意圖，它是先把壓力轉換成位移后，再應用霍爾電壓與位移關系來測量壓力。（二）測量壓力其他案例

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早期的計算機鍵盤采用機械接觸式按鍵，容易產生抖動噪聲，影響系統的可靠性。目前都使用無觸點鍵盤開關，在每個鍵上都有兩塊永久磁鐵，當鍵按下時，磁鐵的磁場作用在鍵下放的霍爾開關傳感器上，形成開關動作。由于霍爾開關傳感器具有滯后效應，故工作十分穩定可靠，且功耗低，使用壽命長。（三）霍爾接近開關用于計算機鍵盤其他案例

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霍爾電流傳感器的結構如圖2-32所示。用一環形導磁材料制成磁芯，套在被測電流流過的導線上（大電流）或通電導線繞在磁芯上（小電流），在磁芯上開一氣隙，內置一個霍爾傳感器。當導線中有電流流過時，便在磁芯中感生磁場，霍爾元件受到磁場的作用，輸出霍爾電壓。導線中電流越大，磁場越強，輸出霍爾電壓越大。由霍爾電壓的大小就可知電流的大小了。（四）霍爾電流傳感器其他案例

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（四）霍爾電流傳感器其他案例

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當磁場恒定時，霍爾電壓與控制電流之間成線性關系，可用它直接測量電流——鉗形電流表，如圖2-33所示。（四）霍爾電流傳感器其他案例

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如圖2-34所示為霍爾開關電子點火器分電盤及電路原理圖，在分電盤上裝幾塊磁鋼，磁鋼數與汽缸數相對應，在電盤上方安裝霍爾開關元件。當磁鋼轉到霍爾元件處時，輸出一個脈沖，經放大升壓送入點火線圈，使火花塞產生火花放電，完成點火過程。（五）霍爾開關電子點火器其他案例

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（五）霍爾開關電子點火器其他案例

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在實訓室借助霍爾開關型傳感器（UGN3020/3030）、電機及安裝在電機上的測速齒盤、調節電機轉速的變頻器、數字頻率計（或示波器）和電源等器件和設備，試著按照圖235所示連接電路并進行測速。訓練一下

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訓練一下

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（一）實驗目的了解霍爾式位移傳感器的原理與應用。（二）基本原理根據霍爾效應，霍爾電勢UH=KHIB，保持KH、I不變，若霍爾元件在梯度磁場B中運動，且B是線性均勻變化的，則霍爾電勢UH也將線性均勻變化，這樣就可以進行位移測量。實驗二直流激勵時用霍爾傳感器檢測位移

任務二汽車行車速度檢測

（三）需用器件與單元霍爾傳感器實驗模板，線性霍爾位移傳感器，±4V、±15V直流電源，測微頭，數顯單元。（四）實驗步驟①按圖236所示安裝霍爾傳感器，霍爾傳感器與實驗模板之間按圖2-37所示進行連接。1、3為電源±4V輸入，2、4為霍爾電壓輸出，R1與4之間的連線可暫時不接。實驗二直流激勵時用霍爾傳感器檢測位移

任務二汽車行車速度檢測

實驗二直流激勵時用霍爾傳感器檢測位移

任務二汽車行車速度檢測

實驗二直流激勵時用霍爾傳感器檢測位移

任務二汽車行車速度檢測

②開啟電源，接入±15V電源，將測微頭旋至10mm處，左右移動測微頭使霍爾片處在磁鋼中間位置，此時數顯表電壓絕對值為最小，擰緊測量架頂部的固定鏍釘，接入R1與4之間的連線，調節RW2使數顯電壓表指示為零（數顯表置于2V擋）。③旋轉測微頭，每轉動1mm或2mm記下數字電壓表的示數，并將讀數填入表2-4。將測微頭回到10mm處，反向旋轉測微頭，重復實驗過程，填入表2-4。實驗二直流激勵時用霍爾傳感器檢測位移

任務二汽車行車速度檢測

實驗二直流激勵時用霍爾傳感器檢測位移

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（五）實驗分析作出Ux曲線，計算不同線性范圍時的靈敏度S和非線性誤差δ。實驗二直流激勵時用霍爾傳感器檢測位移

任務三磁電式傳感器用于轉速檢測

測量機床等設備轉軸的轉速是一個很重要的任務，可以用多種速度傳感器進行測速，本節介紹用磁電式傳感器來測速。相關知識

任務三磁電式傳感器用于轉速檢測

磁電式傳感器也稱電磁感應傳感器，是利用導體與磁場發生相對運動而在導體兩端輸出感應電勢來進行測速的。它具有不需要供電電源、電路簡單、性能穩定、輸出阻抗小、輸出電壓靈敏度高、一定的工作帶寬（10～100Hz）等特點。根據電磁感應原理，該類傳感器僅適用于動態測量，被廣泛用來測量轉速、振動、扭矩等。相關知識

任務三磁電式傳感器用于轉速檢測

磁電式傳感器的工作原理是基于法拉第電磁感應原理。當匝數為N的線圈在磁場中運動而切割磁力線，或通過閉合線圈的磁通量Φ發生變化時，線圈中將產生感應電勢e，即：一、磁電式傳感器的工作原理

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當線圈在恒定均勻磁場中做直線運動并且切割磁力線時，會產生感應電勢。若線圈運動方向與磁場方向如圖238所示，B與v的夾角為θ，則線圈的磁通：一、磁電式傳感器的工作原理（一）線圈直線運動切割磁力線

任務三磁電式傳感器用于轉速檢測

當線圈在恒定均勻磁場中做直線運動并且切割磁力線時，會產生感應電勢。若線圈運動方向與磁場方向如圖238所示，B與v的夾角為θ，則線圈的磁通：一、磁電式傳感器的工作原理（一）線圈直線運動切割磁力線

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式中，θ為線圈運動方向與磁場方向的夾角；B為磁感應強度；x為位移；l為線圈的長度。一、磁電式傳感器的工作原理（一）線圈直線運動切割磁力線任務三磁電式傳感器用于轉速檢測（一）霍爾效應線圈兩端的感應電勢：式中，N為線圈的匝數；v為線圈與磁場相對運動的速度。當θ=90°時：一、磁電式傳感器的工作原理任務三磁電式傳感器用于轉速檢測（二）線圈旋轉切割磁力線當線圈旋轉切割磁力線時，線圈兩端的感應電勢：式中，θ為線圈平面的法線方向與磁場方向的夾角；A為線圈截面積；ω為旋轉運動角速度。當θ=90°時：一、磁電式傳感器的工作原理

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變磁通式磁電傳感器中產生磁場的永久磁鐵和線圈都固定不動，通過磁通Φ的變化產生感應電動勢e。它要求被測物體或與被測物體連接部分用導磁材料制成，當被測物體運動時，磁路的磁阻發生變化，使穿過線圈的磁通量變化，從而在線圈中產生感應電勢，所以變磁通式磁電傳感器又稱變磁阻式，常用于角速度的測量。二、變磁通式磁電傳感器

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在這類磁電式傳感器中，工作氣隙中的磁通保持不變，線圈相對永久磁鐵運動，并切割磁力線而產生感應電勢。三、恒磁通式磁電傳感器

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由上面的相關知識得知，磁電式傳感器有變磁通式和恒磁通式兩種類型。用于測速的傳感器，一般使用變磁通式磁電傳感器。任務實施一、合理選擇磁電傳感器的類型

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磁電式轉速傳感器根據磁路的不同，分成開磁路式和閉磁路式兩種。如圖2-39所示為兩種磁電式轉速傳感器的結構示意圖。開磁路式由固定不動的永久磁鐵、感應線圈、軟磁材料和外殼等組成。齒輪安裝在被測轉軸上并隨轉軸一起轉動。閉磁路式由內外齒輪、線圈和永久磁鐵等組成。二、正確使用變磁通式磁電傳感器（一）磁電式轉速傳感器的結構

任務三磁電式傳感器用于轉速檢測

二、正確使用變磁通式磁電傳感器（一）磁電式轉速傳感器的結構

任務三磁電式傳感器用于轉速檢測

1.工作原理框圖開磁路變磁通式轉速傳感器的工作原理框圖如圖2-40所示。二、正確使用變磁通式磁電傳感器（二）開磁路變磁通式轉速傳感器

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2.工作原理安裝時把永久磁鐵產生的磁力線通過軟磁材料端部對準齒輪的齒頂。當齒輪旋轉時，齒的凹凸使空氣間隙產生變化，從而使磁路磁阻變化，引起磁通量變化，而產生感應電動勢。二、正確使用變磁通式磁電傳感器（二）開磁路變磁通式轉速傳感器

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閉磁路變磁通式轉速傳感器的內外齒輪的齒數相同，它被安裝在被測軸上，內齒輪與被測軸一起旋轉，外齒輪不動，由于內外齒輪的相對運動使磁路間隙發生變化，從而在線圈中產生交變的感應電勢。二、正確使用變磁通式磁電傳感器（三）閉磁路變磁通式轉速傳感器

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變磁通式轉速傳感器對環境條件要求不高，結構簡單、工作可靠、價格便宜。但輸出電勢取決于切割磁力線的速度，轉速太低時，輸出感應電勢很小，導致無法測量。閉磁路式的最低下限工作頻率為30Hz；開磁路式的最低下限工作頻率為50Hz，且被測軸振動較大時傳感器輸出波形失真較大。二、正確使用變磁通式磁電傳感器（四）變磁通式轉速傳感器的特點和要求

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磁電式振動傳感器是一種恒磁通式磁電傳感器。它的氣隙磁通保持不變，感應線圈與磁鋼作相對運動，線圈切割磁力線產生感應電勢。其他案例（一）磁電式振動傳感器

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1.磁電式振動傳感器的結構磁電式振動傳感器的結構如圖2-41所示。其他案例（一）磁電式振動傳感器

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2.磁電式振動傳感器的組成磁電式振動傳感器由如下三部分組成：①固定部分：永久磁鐵、殼體。②可動部分：線圈、芯桿、阻尼環。③彈簧片。其他案例（一）磁電式振動傳感器

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3.磁電式振動傳感器的工作原理磁電式振動傳感器的工作原理框圖如圖2-42所示。其他案例（一）磁電式振動傳感器

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3.磁電式振動傳感器的工作原理①傳感器緊固在振動體上，外殼及磁鐵與振動體一起振動。②線圈與磁鐵作相對運動而切割磁力線。③線圈兩端產生電動勢e，且e∝v。④e的大小就代表了v的大小。⑤還可經過積分或微分電路測量位移或加速度。其他案例（一）磁電式振動傳感器

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如圖2-43所示為磁電式扭矩傳感器的結構示意圖，轉子和線圈固定在傳感器軸上，定子（永久磁鐵）固定在傳感器外殼上，轉子和定子上有對應的齒和槽。其他案例（二）磁電式扭矩傳感器

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其他案例

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如圖2-44所示為磁電式流量計示意圖，它是基于磁電感應原理工作的。在絕緣導管的上下方放置永久磁鐵，當被測導電液體流動而切割磁力線時，在水平方向上安置的兩個電極產生感應電勢。感應電勢與流體流速成正比，也與單位時間內通過導管橫截面的流體體積（流量）成正比。感應電勢經放大后輸出，由此可測出導管內流體的流量。其他案例（三）磁電式流量計

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其他案例

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在實訓室借助磁電式傳感器及測量模塊、電機及安裝在電機上的測速齒盤、調節電機轉速的變頻器、數字頻率計（或示波器）和電源等器件和設備，試著連接電路并進行測速。訓練一下任務四光電傳感器用于轉速檢測在機電設備的轉速測量中，對于一些檢測距離較大的場合，可用光電傳感器測量轉速，它可以在距被測物10mm，有的甚至可達10m外非接觸地測量轉速。任務提出任務四光電傳感器用于轉速檢測光電傳感器是將光信號轉換為電信號的一種傳感器，可用于檢測直接引起光強度變化的非電量，也可用來檢測能轉換為光量變化的其他非電量。光電傳感器具有高精度、高分辨率、高可靠性、非接觸、響應快和結構簡單等特點。相關知識任務四光電傳感器用于轉速檢測光照射在物體表面上可看成是物體受到一連串具有一定能量的光子轟擊，于是物體中的電子吸收了光子的能量，導致物體的電學性質發