傳統傳感器原理及應用TraditionalTransducers2023/2/41傳統傳感器

電參量型傳感器

電量型傳感器2023/2/42電量型傳感器電量型傳感器是輸出為電量，即電壓、電流或電荷的傳感器的總稱。電量型傳感器有的屬于自源型，如熱電偶傳感器、壓電傳感器、光電池等；有的屬于帶激勵源型(輔助能源型，輔助能源可以是電源，也可以是磁源)，如差動變壓器式傳感器、透射式電渦流傳感器、壓磁式、磁電式、霍爾式傳感器等。以上兩種類型，由于其轉換元件起著能量轉換的作用，故有時又統稱為“能量轉換型”。2023/2/43電壓輸出型傳感器電荷輸出型傳感器電量型傳感器測量電路電量型傳感器2023/2/44電壓輸出型傳感器磁電式傳感器壓磁式傳感器霍爾式傳感器熱電偶傳感器被測量變化能引起傳感器輸出電壓值變化的傳感器稱為電壓輸出型傳感器。傳感器的敏感元件和轉換元件合二為一，輸出信號是直接的電壓信號，其后續測量電路只要將信號進行放大、必要的解調(如輸出為調制波)就可以進行顯示。2023/2/45應用示例：動圈式傳聲器磁電式傳感器2023/2/46磁電式傳感器(Magneto-electricSensor)利用電磁感應原理，將輸入運動速度、加速度變換成感應電勢輸出的傳感器，又稱為電動式傳感器，或磁電感應式傳感器。磁電式傳感器具有“雙向轉換”性能，能實現機—電的雙向能量轉換，使得它可以作為力驅動器、位移發生器和低頻振動源。基本原理：電磁感應：因磁通量變化產生感應電動勢的現象。磁電式傳感器磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關。2023/2/47基本原理：分類：動鐵式動圈式磁電式恒磁通式變磁通式（變磁阻式）角速度型磁電式傳感器線速度型2023/2/48恒磁通式磁電傳感器磁電式傳感器應用示例：圖4.1動圈式傳聲器2023/2/49恒磁通式磁電傳感器(1)

測量原理在恒磁通式結構中，工作氣隙的磁通恒定，感應電動勢是由于永久磁鐵與線圈之間的相對運動—線圈切割磁力線而產生的。分類：動鐵式動圈式恒磁通式線速度型角速度型磁電式傳感器2023/2/410恒磁通式磁電傳感器(2)

應用特性磁通式磁電傳感器是線性測量，可以通過測量感應電動勢的大小即可知直線速度或角速度的大小。為提高靈敏度，應選用磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度B。增加la和W提高靈敏度，但它們受體積和重量、內電阻及工作頻率等因素的限制。

磁電式傳感器2023/2/411應用案例：磁電式振動傳感器12345611-彈簧；2-殼體；3-阻尼環；4-磁鋼；5-線圈；6-芯軸(a)動圈式磁電速度傳感器結構圖圖4.4磁電式傳感器振動測量系統2023/2/412磁電式振動測量系統(b)動鐵式磁電傳感器振動測量系統信號轉換器線圈頻率計磁鋼圖4.4磁電式傳感器振動測量系統2023/2/413變磁通式磁電傳感器磁電式傳感器應用示例：2023/2/414變磁通式磁電傳感器(1)

測量原理磁路磁阻變化引起磁通變化，而在線圈中產生感應電動勢，因此又稱為變磁阻式磁電傳感器。 如圖（a）所示為測量旋轉角速度的旋轉式變磁通式結構，則可得兩磁軛2上相互串聯的兩個線圈中的感應電勢e為：

磁電式傳感器2023/2/415變磁通式磁電傳感器(1)

測量原理磁電式傳感器如圖（b）所示為測量振動的平移型變磁通式結構，結構及工作原理與變氣隙式電感傳感器相似。2023/2/416變磁通式磁電傳感器(2)

應用特性變磁通式傳感器結構簡單，零點穩定，工作可靠。對環境條件要求不高，能在-150～＋90℃的溫度工作，不影響測量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達100Hz。由于結構本身特點使其具有輸出信號小、不宜測量高轉速的缺點。磁電式傳感器2023/2/417變磁通式磁電傳感器測轉速測偏心測振動測頻數磁電式傳感器2023/2/418應用案例：磁脈沖式點火信號發生器2023/2/419磁電傳感器的應用特點：被測對象：動態被測量，如速度，加速度、振動等。輸出信號：電壓信號輸出，且輸出功率大，故配用電路較簡單。零位及性能穩定。具有雙向轉換功能，可構成力（矩）發生器和電磁激振器。磁電式傳感器2023/2/420磁電式驅動器磁電式傳感器可以實現機-電能量的相互轉換。當用作傳感器時，將機械能轉換成電能，工作于發電機狀態；當用作驅動器時，將電能轉換成機械能，工作于電動機狀態。根據電磁力定律可知，載流導體在磁場中將會受到力的作用，可以制成各種類型電動機(1)

基本原理磁電式傳感器2023/2/421直流電動機圖4.8直流電動機原理圖AB2023/2/422磁電式驅動器(2)

應用特性當線圈中通以交流電流時，磁電驅動器可作為激振器。根據簡諧振動原理設計的電磁激振器，主要工作形式有動圈式和動鐵式的兩種。磁電驅動器輸出頻率低，一般為0～200Hz，個別的產品可達到1000Hz。控制和安裝形式可變、頻率、振幅可調，具有大距離直線往復推動動力的特點。

磁電式傳感器2023/2/423應用案例：動圈式揚聲器圖4.9動圈式揚聲器2023/2/424應用示例：壓磁式力傳感器壓磁式傳感器2023/2/425測量原理壓磁式傳感器(PiezomagneticSensor)又稱磁彈性式傳感器，是利用鐵磁材料的磁彈性效應工作的傳感器。(1)

壓磁效應和磁致伸縮效應壓磁效應：某些鐵磁物質在外界機械力的作用下，其內部產生機械應力，從而引起磁導率的改變，這種現象稱為“壓磁效應”。磁致伸縮效應：某些鐵磁物質在磁場中磁化時，在磁場方向會伸長或縮短，這種現象稱為“磁致伸縮效應”。壓磁式傳感器2023/2/426測量原理(1)

壓磁效應和磁致伸縮效應壓磁式傳感器鐵磁材料的相對磁導率μ變化與應力σ之間的關系為：2023/2/427測量原理(2)

壓磁式傳感器的測量原理壓磁式傳感器是利用電磁感應原理，通過測量線圈的感應電動勢的大小來實現被測量的測量。壓磁式傳感器壓磁式測力傳感器的壓磁元件由具有正磁致伸縮效應的硅鋼片粘疊而成。兩組線圈互相垂直繞于壓磁元件。一組接入交流激勵電流；另一組接輸出。當壓磁元件感受應力，自身的磁導率發生變化，使激勵線圈周圍的磁力線發生畸變，致使其與感應線圈交鏈，因此在感應線圈中產生感應電動勢。2023/2/428測量原理(2)

壓磁式傳感器的測量原理壓磁式傳感器2023/2/429測量原理(3)

應用特性利用超磁致伸縮材料的磁致伸縮正效應或逆效應可以制作檢測磁場、應變、位移、扭矩、壓力和電流等的傳感器敏感元件。

壓磁式傳感器輸出的信號較大，一般不需放大。這種傳感器具有輸出功率大，抗干擾性能好，過載能力強，壽命長、維護方便、適宜在惡劣環境中可靠地運行等優點。壓磁式傳感器2023/2/430測量原理(3)

應用特性由于超磁致伸縮材料在磁場作用下長度發生變化，發生位移而做功；在交變磁場作用下,發生反復伸張與縮短，從而產生振動或聲波，將電磁能(或電磁信號)轉換成機械能或聲能(或機械位移信息,或聲信息)，利用材料的磁致伸縮效應可制成磁致伸縮執行器。磁致伸縮執行器的基本工作原理：通過改變磁場的大小使磁致伸縮材料產生應變，從而產生力或位移。

壓磁式傳感器2023/2/431支撐臂勵磁線圈振動塊測量線圈非晶帶基座非晶帶加速度傳感器應用案例①：非晶帶加速度傳感器2023/2/432超磁致伸縮薄膜（λ>0）超磁致伸縮薄膜（λ<0）基片薄膜式超磁致伸縮執行器原理圖應用案例②：磁致伸縮執行器2023/2/433應用示例：霍爾式傳感器壓力圖4.14霍爾式壓力傳感器UHUII霍爾片彈簧管磁鋼2023/2/434測量原理霍爾式傳感器(HallSensor)是基于霍爾效應原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力、壓差、轉速等轉換成電動勢輸出的一種傳感器。

(1)

霍爾效應霍爾式傳感器霍爾效應：半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，當有電流I流過時，只要電流方向不與磁場方向重合，則在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢UH，這種現象稱為霍爾效應。相應的電勢稱為霍爾電勢UH。

2023/2/435霍爾電勢產生的實質：

運動電荷受到磁場中洛倫茲力的作用，是洛倫茲力和電場力綜合作用的結果。FLFE----++++-霍爾式傳感器測量原理(1)

霍爾效應2023/2/436霍爾式傳感器測量原理(1)

霍爾效應2023/2/437結構：霍爾元件的結構如圖所示，由具有霍爾效應的半導體薄片、電極引線及殼體組成。abcdBiiiUH圖4.16

霍爾元件用來制造霍爾元件的半導體片，幾何形狀對輸出的霍爾電勢也有一定的影響。l/b0.51.01.52.02.53.04.0f(l/b)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996霍爾式傳感器測量原理(2)

霍爾元件2023/2/438不等位電勢及其補償不等位電勢：當磁感應強度為零時，元件通以額定激勵電流時，霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢，或者叫零位電勢。霍爾式傳感器測量原理(3)

不等位電勢和溫度誤差的補償2023/2/439不等位電勢及其補償產生原因：由于制造工藝不可能保證將兩個霍爾輸出電極對稱地焊在霍爾片的兩側，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上。其次，材料不均勻或者工藝不良等原因對不等位電勢也有一定影響。此外，因控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布也造成不等位電勢輸出。補償方法：電橋補償方法。霍爾式傳感器測量原理(3)

不等位電勢和溫度誤差的補償2023/2/440溫度誤差及其補償霍爾電勢、輸入電阻、輸出電阻也都是溫度的函數，從而在使用中產生溫度誤差。

霍爾式傳感器測量原理(3)

不等位電勢和溫度誤差的補償補償方法：采用溫度系數小的元件；根據精度要求進行溫度誤差補償——電橋補償法2023/2/441霍爾傳感器是以霍爾元件為核心構成的一種磁敏傳感器，它是基于測量霍爾電勢UH=(RH/d)IBsina進行工作的。參數—電流I、磁場B、角度a中兩個保持不變，只要被測量能夠引起另一個參數變化就能使霍爾電勢發生變化，通過測量霍爾電勢的大小即可測得被測量大小。

I不變，VH正比于B：測量交、直流磁感應強度、磁場強度等，及可以轉化為磁感應強度B的物理量，如位移、角度、轉速和加速度等。B不變，VH正比于I：測量交、直流電流、電壓等參數，及可以轉換為電流變化的物理量。測可以轉換為乘法的物理量（如功率）。霍爾式傳感器應用特性2023/2/442霍爾傳感器測量位移及其應用2023/2/443應用案例(1)：霍爾式微壓力傳感器(a)工作過程(b)輸出特性圖4.19霍爾式微壓力傳感器工作原理2023/2/444軟鐵分流翼片

開關型霍爾元件

霍爾轉速測量原理2023/2/445應用案例(2)：霍爾式角度傳感器ωω圖4.20霍爾式角度傳感器霍爾元件2023/2/446應用案例(3)：霍爾式點火信號發生器1-觸發葉輪；2-霍爾集成塊；3-信號觸發開關；4-永久磁鐵；5-導磁板；6-導線圖4.21霍爾式點火信號發生器的組成和原理(a)(b)(c)2023/2/447應用示例：熱處理溫控系統熱電偶傳感器熱電偶溫控儀熱處理爐子溫度曲線圖4.22熱處理溫控系統2023/2/448測量原理熱電偶傳感器(Thermocouple)是熱電式傳感器的一種，其變換是基于金屬的熱電效應，將溫度變化轉換為電勢變化的傳感器。(1)熱電效應熱電偶傳感器熱電效應：將兩種不同性質的導體A、B組成閉合回路，如果兩結點的溫度T和T0不同，則在回路中有電勢產生，形成一定大小的電流，這一現象稱為熱電效應或塞貝爾效應。相應的電勢稱為熱電勢，產生的電流稱為熱電流。2023/2/449

(1)熱電效應熱電效應產生的熱電勢由兩部分組成：接觸電勢（珀爾帖電勢）和溫差電勢（湯姆遜電勢）。接觸電勢：當兩種不同金屬接觸時，在接觸處形成的電勢，稱為接觸電勢。熱電偶傳感器測量原理2023/2/450(1)

熱電效應溫差電勢：對于單一金屬，如果兩端的溫度不同，則溫度高端的自由電子向低端遷移，使單一金屬兩端產生不同的電位，形成電勢，稱為溫差電勢。熱電偶傳感器測量原理2023/2/451(1)

熱電效應回路熱電勢：熱電偶傳感器測量原理2023/2/452

結論：如果熱電偶兩電極材料相同，即NA=NB，δA=δB

則閉合回路的總熱電勢為零。因此，熱電偶必須用兩種不同材料作電極。如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫度相同，即T=T0，閉合回路中也不產生熱電勢。即熱電偶兩接點溫度不同時，才有熱電勢輸出。必須形成閉合回路才有熱電勢產生。熱電偶傳感器(1)

熱電效應測量原理2023/2/453熱電偶工作原理演示

結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB2023/2/454四大工作定律：中間導體定律連接導體定律中間溫度定律標準電極定律熱電偶傳感器(2)

工作定律測量原理2023/2/455熱電偶傳感器中間導體定律：導體A、B組成的熱電偶，當引入第三導體時，只要保持其兩端溫度相同，則對回路總熱電勢無影響，這就是中間導體定律。應用：將第三導體換成毫伏表，只要保證兩個節點溫度一致，就可以完成熱電勢的測量而不影響熱電偶的輸出。(2)

工作定律測量原理2023/2/456熱電偶傳感器連接導體定律：應用：連接導體定律是工業上運用補償導線進行溫度測量的理論基礎之一。(2)

工作定律測量原理2023/2/457當A`與A、B`與B相同時：熱電偶傳感器中間溫度定律：應用：中間溫度定律為制訂分度表奠定了理論基礎。連接導體定律和中間溫度定律是補償導線法冷端溫度補償的理論基礎。由連接導體定律：(2)

工作定律測量原理2023/2/458熱電偶傳感器標準電極定律：應用：利用該定律可大大簡化熱電偶選配工作，只要知道有關電極與標準電極配對的熱電勢，即可求出任何兩種熱電極配對的熱電勢而不需要測定。(2)

工作定律測量原理2023/2/459熱電偶傳感器熱電偶的結構通常分為普通工業用熱電偶和鎧裝熱電偶兩種。普通熱電偶通常主要由熱端、熱偶絲、不銹鋼保護管、安裝固定件和接線盒組成。

結構和類型安裝固定件電偶絲絕緣套筒不銹鋼套管引線