1、返回總目錄傳感器: 工程上通常把直接作用于被測量,能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件.傳感器的作用類似人的器官,他把被測量轉(zhuǎn)換為易測信號,傳送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié).一 傳感器的作用返回章目錄二 傳感器的分類按被測量分: 位移式傳感器,力傳感器,溫度傳感器等按工作原理分: 機械式,電氣式,光學式,流體式等 按信號變換特征分: 物性型和結(jié)構(gòu)型按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:能量轉(zhuǎn)換型與能量控制型按輸出信號分: 模擬式和數(shù)字式返回章目錄原理：在測試技術(shù)中，以彈性體作為傳感器的敏感元件，對力、壓力、溫度等物理量進行測量，而輸出彈性元件本身的彈性變形，經(jīng)放大后成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助

2、刻度指示出被測量的大小。 典型應用：用于測力或稱重的環(huán)性測力計、彈簧稱等；用于測量流體壓力的波紋膜片、波紋管等；用于溫度測量的雙金屬片等 返回章目錄優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等 缺點：彈性變形不宜大，以減小線形誤差。 此外，由于放大和指針環(huán)節(jié)多為機械傳動，不僅受間隙的影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測量。 返回章目錄電阻式傳感器是一種把被測量轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和應變片式兩類。 一、變阻器式傳感器 原理：它通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。根據(jù)下式 AlR式中 電阻率 l 電阻絲長度 A 電阻絲截面積 返

3、回章目錄如果電阻絲直徑和材質(zhì)一定時，則電阻值隨導線長度而變化。式中電阻值的單位為常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線形型。 變阻器式傳感器的后接電路，一般采用電阻分壓電路，如動畫（圖3-6）所示 返回章目錄當電刷移動x距離后，傳感器的輸出電壓 可用下式計算yu)1)(pLppoyxxRRxxuu式中 變阻器的總電阻 變阻器的總長度 后接電路的輸入電阻 pRpxLR上式表明，為減小后接電路的影響，應使 。 PLRR 變阻器式傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。缺點是分辨力不高。 返回章目錄二、電阻應變式傳感器 優(yōu)點：體積小、動態(tài)響應快測量精度高、使用簡便 電阻應變式傳感器分為金

4、屬電阻應變片式與半導體應變片式兩類 .（一）金屬電阻應變片 常用的金屬電阻應變片有絲式和箔式兩種。其工作原理都是基于應變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。 把應變片用特制膠水粘固在彈性元件或需要測量變形的物體表面上。在外力作用下，電阻絲隨該物體一起變形，其電阻值發(fā)生相應變化。由此，將被測量轉(zhuǎn)化為電阻變化。 返回章目錄由于電阻值 R=l/A，其中長度l、截面積A、電阻率將隨電阻絲的變形而變化。而l、A、的變化又將引起R的變化。故電阻增量為dRdAARdllRdR式中A=r，r為電阻絲的半徑，所以上式為 )2(2232drdrldlRdrldrrldlrdR電阻的相對變化 （3-4）（3-5）返

5、回章目錄drdrldlRdR2當電阻絲沿軸向伸長時，必須沿徑向縮小，兩者之間的關(guān)系為 ldlrdr將6 、7 式帶入 5 式 ，則有 （3-6）（3-7）)21 (2EERdR（3-8）返回章目錄其中（1+2）項是由電阻絲幾何尺寸改變引起的。對于同一電阻材料，1+2是常數(shù)。E項是由電阻絲的電阻率隨應變的改變而引起的。對于金屬電阻絲來說，E是很小的，可忽略。這樣 8式就可簡化為 )21 ( RdR（3-9）9 式表明了電阻相對變化率與應變成正比。比值一般稱為電阻應變片的應變系數(shù)或靈敏度 常數(shù)21/ldlRdRSg（3-10）返回章目錄（二）半導體應變片 半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的壓

6、阻效應。 所謂壓阻效應是指單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 根據(jù) 8 式，（1+2）項是由幾何尺寸改變引起的，E項是由電阻率變化引起的。對半導體而言，后者遠遠大于前者，它是半導體應變片電阻變化的主要部分，故 8式 可簡化為 ERdR返回章目錄這樣，半導體應變片的靈敏度ERdRSg/這一數(shù)值比金屬絲電阻應變片大5070倍 。金屬絲電阻應變片與半導體應變片的主要區(qū)別在于：前者利用導體形變引起的電阻的變化，后者利用半導體電阻率變化引起的電阻的變化。 優(yōu)點是靈敏度高，缺點是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散度大以及在較大應變作用下，非線形誤差大。 返回章目錄（三）電阻應變片式傳

7、感器應用方式 1）直接用來測定結(jié)構(gòu)的應變或應力 2）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(shù)的傳感器。在這種情況下，彈性元件得到與被測量成正比的應變，在由應變片轉(zhuǎn)換為電阻的變化。 （動畫演示）返回章目錄 將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為線圈自感量或互感量變化的裝置。電感式傳感器可分為自感型和互感型兩大類 一、自感型 （一） 可變磁阻式傳感器 圖示動畫（圖3-12）為變磁阻式傳感器的原理圖。 返回章目錄線圈自感量可用下式表示 式中 N線圈匝數(shù) 磁路總電阻 mRNL2mR由于兩側(cè)氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵磁阻之和：)(222110AlAlA20 .2ANL 所以返回章目錄式中 空氣磁導率 A

8、鐵芯截面積 氣隙長度 0由上式可知，線圈的自感量L與鐵芯截面積A成正比，而與氣隙長度成反比，函數(shù)關(guān)系如前邊動畫（圖3-12）所示。 （可變導磁面積型磁阻傳感器動畫）（二） 渦電流式 渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應。下圖動畫（圖3-15）是一個高頻反射式渦電流傳感器的工作原理。 動畫返回章目錄金屬板置于一只線圈附近，相互間距為。當線圈中有一高頻交變電流I通過時，便產(chǎn)生磁通 。此交變磁通通過鄰近的金屬板，金屬板上便產(chǎn)生感應電流 。這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱之為渦電流或渦流。這種渦電流也將產(chǎn)生交變磁通 。根據(jù)楞次定律，渦電流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反， 總是

9、抵抗的變化。由于渦流磁場的作用，使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化，變化程度與距離有關(guān)。 11i11渦電流式傳感器的測量電路一般有阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路 。（渦流傳感器測量鋼板厚度動畫）應用：（渦流傳感器測輸送帶上零件動畫）（測量轉(zhuǎn)速動畫）返回章目錄二、互感型差動變壓器式傳感器 這種傳感器是利用電磁感應中的互感現(xiàn)象，如下圖所示。 返回章目錄當線圈 輸入交流電流 時，線圈 產(chǎn)生感應電動勢 ，其大小與電流 的變換率成正比，即 1W1i2W12e1idtdiMe112式中 M比例系數(shù)，稱為互感 下面動畫是一種用于小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理。在沒有輸入信號時，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使

10、零點殘余電壓減??；當有輸入信號時，鐵心移上或移下，輸出電壓經(jīng)過交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小和方向。 返回章目錄一、電容式傳感器工作原理設平板電容器兩極板間距離為，有效覆蓋面積為A，極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，真空介電常數(shù) ，則電容器的電容量為 0AC0 如果在、A、三個參數(shù)中保持其中的兩個不變，而只改變一個參數(shù)，則電容器的電容量將隨之發(fā)生變化。所以電容式傳感器可以分成三種類型：極距變化型（變）、面積變化型（變A）和介質(zhì)變化型（變）。 返回章目錄1.極距變化型 當極距有微小變化d時，引起電容變化量dC為dAdC201傳感器靈敏度為201AddCS優(yōu)點：可進行動態(tài)

11、非接觸式測量 動畫為了提高靈敏度、線性度常采用差動式電容傳感器。（動畫）返回章目錄2.面積變化型 保持電容器極板距離、介質(zhì)不變，僅改變極板間的相對覆蓋面積。則此中傳感器靈敏度為常數(shù)常數(shù)00dAdCS通常電容傳感器的覆蓋面積與線形位移間有良好的線形關(guān)系，故面積變化型傳感器有著良好的線形關(guān)系。 3.介質(zhì)變化型 利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。常用于液位測量，或某些材料的厚度、溫度、濕度等參數(shù)的變化測量 返回章目錄1.電橋型電路2.直流極化電路3.諧振電路4.調(diào)頻電路5.運算放大器電路 二、測量電路 應用：測量轉(zhuǎn)速 （動畫）返回章目錄壓電式傳感器是利用某些物質(zhì)的壓電效應將被測量轉(zhuǎn)換

12、為電量的一種傳感器。 一、壓電效應 某些物質(zhì)如石英，當受到外力時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場；當外力消失時，材料又重新回復到原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。 相反，如果這些物質(zhì)置于電場中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。 返回章目錄二、壓電材料 常用的壓電材料大致分為三類：壓電單晶（機械強度好）、壓電陶瓷（壓電常數(shù)大）和有機壓電薄膜（可大量生產(chǎn)）。 三、壓電傳感器及其等效電路 1.壓電傳感器可看作是電荷發(fā)生器，它又是一個電容器。2.等效電路動畫（動畫）返回章目錄 壓電傳感器可以等效成與一個電容器并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個電壓源，如圖所示。

13、返回章目錄四、測量電路 1.電壓放大器電路 2.電荷放大器電路 五、壓電式傳感器的特點及應用 特點：1.剛性好，固有頻率高 2.靈敏度高且穩(wěn)定 3.較好的線性，通常無滯后 4.系統(tǒng)使用和調(diào)整方便 應用： 壓電式力傳感器 壓電式加速度計 返回章目錄把把被測量轉(zhuǎn)換成感應電動勢的傳感器稱為電磁感應式傳感器電磁感應式傳感器 原理：基于電磁感應定律：感應電動勢取決于匝數(shù)W和磁通變化率d/dt，即 dtdWe一、動圈式 當線圈在磁場運動時所產(chǎn)生的感應電動勢為 （線速度型） （角速度型） sinWBle kWBAe 二、磁阻式物體運動磁路磁阻改變磁通變化產(chǎn)生感應電動勢 返回章目錄半導體有一個重要的特性是對光

14、、熱、力、磁、氣體、溫度等理化量的敏感性。利用半導體材料的這些特性，作為非電量電測的轉(zhuǎn)換元件，是近代半導體技術(shù)應用的一個重要的方面。 半導體的特點半導體的特點是他們是一些物性型傳感器，通?？梢宰鞒山Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的器件，他們的功耗低、安全可靠、壽命長；他們對被測量敏感，響應速度快；易于實現(xiàn)集成化。返回章目錄一、磁敏傳感器 霍爾元件霍爾元件是一種半導體磁電轉(zhuǎn)換元件，如動畫所示，將霍爾元件置于磁場B中，如果在a，b端通以電流i，在c，d端就會出現(xiàn)電位差，稱為霍爾電勢HV，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。(一一)霍爾元件霍爾元件其大小為aiBKVHHsinHK 霍爾常數(shù)，決定于材質(zhì)、溫度、元件尺寸 B

15、磁感應強度 A電流與磁場方向的夾角式中 根據(jù)此式，如果改變B或i，或者兩者同時改變，就可改變 HV值。運用這一特性，就可以把被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓量的變化?；魻栃漠a(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力的作用的結(jié)果 （動畫）返回章目錄霍爾效應的產(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力的作用的結(jié)果 磁阻元件磁阻元件是利用半導體材料的磁阻效應來工作的。借用上面的動畫來說明磁阻效應，磁阻效應將使通有電流i的金屬或半導體片的ab兩端之間的電阻隨外磁場B而變化。磁阻效應與材料性質(zhì)、幾何形狀有關(guān)，一般遷移率越大的材料，磁阻效應越顯著，元件的長寬比越小，磁阻效應越大。 磁阻元件可用于測量位移、力、加速度等參數(shù)。(二二)

16、磁阻元件磁阻元件返回章目錄二、光敏傳感器 光敏傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量的元件，其工作原理是利用半導體材料的光電效應。 光敏電阻光敏電阻其工作原理是基于半導體材料的內(nèi)光電效應，即半導體當受到光照射時，其電阻值減小的現(xiàn)象。(一一)光敏電阻光敏電阻 光電池光電池直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，受光照射時，可直接輸出電勢，實際上是一個電源。 (二二)光電池光電池返回章目錄（三）光敏二極管和光敏三極管光敏二極管是一種既有一個PN結(jié)又有光電轉(zhuǎn)化功能的晶體二極管。它將光信號轉(zhuǎn)化為電壓輸出的基本電路如圖3-43所示。返回章目錄 若普通的晶體管的基極集電極制成光敏二極管，則成為光敏三極管。光敏二極管的光電流成為基極電流，

17、在三極管內(nèi)放大，形成集電極電流。由于光敏三極管的基極電流由其基極集電極結(jié)構(gòu)的光電流供給，因而許多光敏三極管不在設基極引線。下圖為光敏三極管的基本電路。返回章目錄 下圖動畫為光電轉(zhuǎn)速器的工作原理圖，在電動機的轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色，當電動機轉(zhuǎn)動時，光電元件接收到強弱交變的信號，再經(jīng)過放大整形電路，輸出整齊的方波信號，由數(shù)字頻率計測出電動機的轉(zhuǎn)速。返回章目錄三、固態(tài)圖象傳感器 從功能上說,它是一個把受光面的光像分成許多小單元,并將它們轉(zhuǎn)換成電信號,然后輸送出去的器件. 從構(gòu)造上說,它是一種小型固態(tài)集成元件,它的核心多半是電耦合器(CCD),CCD具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能. 固態(tài)圖象傳感器

18、 具有小型、輕便、響應快 、靈敏度高、 穩(wěn)定性好、 壽命高和以光為媒介可以到達危險地點工作 固態(tài)圖象傳感器主要用途:1.物位、尺寸、形狀、探傷等2.作為光學信息處理的輸入環(huán)節(jié)3.自動生產(chǎn)過程的控制敏感元件返回章目錄四、熱敏電阻 熱敏電阻是由金屬氧化物的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成的半導體.它具有負的電阻溫度系數(shù),隨溫度的上升而阻值下降.與金屬絲電阻相比較優(yōu)點是:1.靈敏度高2.熱敏元件體積小,熱慣性好,響應速度快3.元件本身的電阻值大,遠距離時可忽略導線電阻的影響4.在-50350溫度范圍內(nèi)具有交好的穩(wěn)定度缺點是:非線形大,對環(huán)境溫度敏感性大,測量時易受到干擾返回章目錄五、氣敏傳感器 半導體氣敏

19、傳感器具有在低濃度下對可燃氣體和某些有毒氣體的靈敏度高、響應快、制造使用和保養(yǎng)簡便、價格便宜等優(yōu)點。 但是它們的氣體選擇性差、元件性能參數(shù)分散，且時間穩(wěn)定度欠佳。 電阻式半導體氣敏傳感器是應用較多的一種。被測氣體一旦與這種傳感器的敏感材料接觸并被吸附后，傳感器的電阻值隨氣體濃度而改變。其敏感材料廣泛采用熱穩(wěn)定度較好的金屬氧化物如氧化鋅等，主要用于檢測一氧化碳、甲烷、氫和乙醇等。這類氣敏傳感器中都有電極和加熱絲。前者用于輸出電阻值，后者用來灼燒敏感材料表面的油污，以加速被測氣體的吸、脫過程的進程。返回章目錄六、濕敏傳感器 制造半導體濕敏傳感器的材料有：四氧化三鐵、鉻酸鎂-二氧化鈦、五氧化二釩-二氧化鈦等。其中四氧化三鐵多制成膠體濕敏元件，其余均制成金屬陶瓷濕敏元件。 金屬陶瓷濕敏原理大致是，當水分子附著在半導體陶瓷上，使陶瓷表面層的電阻值明顯下降。表面層電阻值下降到一定程度上，半導體內(nèi)部的電阻以遠大于表層電阻，電流主要從表層通過，體內(nèi)電阻的作用可以忽略，而由濕度引起下降了的表層電阻起者主導作用。隨著濕度的增加，此類半導體陶瓷的阻值可以下降三至四個數(shù)量級。返回章目錄七、集成傳感器 后續(xù)電路和半導體傳感器制作在同一芯片上,形成集成傳感器.它具有