傳感器原理課件2024-01-31目錄CONTENTS傳感器概述傳感器工作原理電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器目錄CONTENTS壓電式傳感器磁電式傳感器光電式傳感器傳感器信號處理與接口技術(shù)傳感器新技術(shù)及發(fā)展趨勢01傳感器概述CHAPTER傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器定義傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，它的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來，而其應(yīng)用的領(lǐng)域也日益廣泛，幾乎滲透到了所有的領(lǐng)域。傳感器作用傳感器定義與作用傳感器分類按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器；按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。傳感器特點傳感器的特點包括微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化等，這些特點使得傳感器在性能上有了質(zhì)的飛躍，同時也為傳感器的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。傳感器分類及特點航空航天傳感器在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用更是不可或缺，如用于飛機(jī)導(dǎo)航、發(fā)動機(jī)控制、衛(wèi)星遙感等，為航空航天事業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障。工業(yè)自動化傳感器在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，如用于檢測工件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位等，是實現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)的重要手段。智能家居傳感器在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用也日益普及，如用于智能照明、智能安防、智能家電等，為人們提供了更加便捷、舒適的生活環(huán)境。醫(yī)療設(shè)備傳感器在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用也非常關(guān)鍵，如用于監(jiān)測病人生命體征、控制藥物劑量等，為醫(yī)療診斷和治療提供了重要的支持。傳感器應(yīng)用領(lǐng)域02傳感器工作原理CHAPTER敏感元件轉(zhuǎn)換元件測量電路輔助電源傳感器基本結(jié)構(gòu)直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的物理量。將轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參量轉(zhuǎn)換成電量輸出。將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換為電路參量。為系統(tǒng)提供能源，保證傳感器正常工作。123通過敏感元件將非電量轉(zhuǎn)換為電量。非電量到電量的轉(zhuǎn)換通過轉(zhuǎn)換元件將電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號，如電壓、電流等。電量到標(biāo)準(zhǔn)信號的轉(zhuǎn)換將標(biāo)準(zhǔn)信號傳輸?shù)綔y量電路進(jìn)行處理，得到測量結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)信號的傳輸與處理傳感器信號轉(zhuǎn)換過程減小誤差的方法采用高精度傳感器、改進(jìn)測量方法、增加測量次數(shù)取平均值等。隨機(jī)誤差由于測量環(huán)境、被測對象等因素隨機(jī)變化引起的誤差。系統(tǒng)誤差由于傳感器本身結(jié)構(gòu)、制造工藝等因素引起的誤差。絕對誤差測量結(jié)果與真實值之差。相對誤差絕對誤差與真實值之比。傳感器測量誤差分析03電阻式傳感器CHAPTER基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體在受到外力作用時產(chǎn)生機(jī)械變形，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化。通過測量電阻值的變化，可以推算出相應(yīng)的應(yīng)變量。廣泛應(yīng)用于各種力學(xué)量的測量，如壓力、重力、扭矩等。在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、汽車制造等領(lǐng)域具有重要地位。電阻應(yīng)變片原理及應(yīng)用電阻應(yīng)變片應(yīng)用電阻應(yīng)變片工作原理熱電阻測溫原理熱電阻的電阻值隨溫度的變化而變化，通過測量熱電阻的電阻值可以推算出相應(yīng)的溫度值。常用的熱電阻材料有銅、鎳、鉑等。熱電阻應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種溫度測量場合，如工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度監(jiān)控、醫(yī)療設(shè)備中的體溫測量等。由于其測量準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，被廣泛采用。熱電阻測溫原理及應(yīng)用電阻式傳感器優(yōu)缺點分析優(yōu)點電阻式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、測量范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)。同時，電阻式傳感器具有較高的測量精度和穩(wěn)定性，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場合的需求。缺點電阻式傳感器的輸出信號較弱，需要配合相應(yīng)的放大電路進(jìn)行信號處理。此外，電阻式傳感器對于溫度和應(yīng)變等外界因素的干擾較為敏感，需要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償和校正。04電容式傳感器CHAPTER被測量變化引起電容變化電容式傳感器通過將被測量（如位移、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來實現(xiàn)測量。電容值與極板間距、面積和介電常數(shù)的關(guān)系電容值的大小與極板間距、極板面積和介電常數(shù)有關(guān)，當(dāng)其中任一參數(shù)發(fā)生變化時，都會引起電容值的變化。轉(zhuǎn)換電路將電容變化轉(zhuǎn)換為電量輸出電容式傳感器通常需要通過轉(zhuǎn)換電路將電容變化轉(zhuǎn)換為電量輸出，以便于后續(xù)的處理和顯示。電容式傳感器工作原理

電容式傳感器測量電路調(diào)頻電路調(diào)頻電路將電容式傳感器的電容變化轉(zhuǎn)換為頻率變化，通過測量頻率來得到被測量。運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路可以將電容式傳感器的微弱信號放大，提高測量精度。電橋電路電橋電路是一種常用的電容式傳感器測量電路，通過電橋平衡來測量電容值，具有高精度和穩(wěn)定性好的特點。位移測量電容式傳感器可以用于測量物體的位移，如機(jī)床主軸的位移、汽車懸掛系統(tǒng)的位移等。電容式傳感器也可以用于測量壓力，如氣體或液體的壓力、管道內(nèi)的壓力等。電容式傳感器還可以用于測量液位，如油罐內(nèi)的油位、水箱內(nèi)的水位等。通過將電容式傳感器安裝在容器底部或側(cè)壁，可以實時監(jiān)測液位的變化。在成分分析領(lǐng)域，電容式傳感器也有廣泛應(yīng)用。例如，在石油工業(yè)中，可以利用電容式傳感器測量油水混合物的介電常數(shù)，從而確定其含水量和含油量。壓力測量液位測量成分分析電容式傳感器應(yīng)用實例05電感式傳感器CHAPTER自感式電感傳感器利用線圈自感量的變化來實現(xiàn)測量。當(dāng)被測非電量變化時，引起線圈自感量的變化，通過測量電路即可將非電量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。工作原理自感式電感傳感器主要由線圈、鐵芯和銜鐵等部分組成。線圈匝數(shù)多、電阻大，電感量也大，因此線圈的電阻和電感是決定傳感器性能的重要因素。結(jié)構(gòu)特點自感式電感傳感器廣泛應(yīng)用于位移、壓力、振動等物理量的測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量精度高等優(yōu)點。應(yīng)用領(lǐng)域自感式電感傳感器原理工作原理01互感式電感傳感器是利用線圈互感量的變化來實現(xiàn)測量的。當(dāng)被測非電量變化時，引起兩個線圈之間的互感量發(fā)生變化，通過測量電路即可將非電量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。結(jié)構(gòu)特點02互感式電感傳感器主要由兩個線圈、鐵芯和銜鐵等部分組成。兩個線圈分別繞在鐵芯的兩側(cè)，且匝數(shù)相等、方向相反。當(dāng)銜鐵移動時，兩個線圈之間的互感量發(fā)生變化。應(yīng)用領(lǐng)域03互感式電感傳感器主要應(yīng)用于位移、壓力、轉(zhuǎn)速等物理量的測量，具有靈敏度高、測量精度高等優(yōu)點?；ジ惺诫姼袀鞲衅髟黼姕u流式傳感器是利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中的電渦流效應(yīng)進(jìn)行測量的。當(dāng)金屬導(dǎo)體接近通有交變電流的線圈時，由于電磁感應(yīng)作用，會在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流。電渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀以及線圈的激勵電流頻率等因素有關(guān)。通過測量電渦流的變化，即可實現(xiàn)非電量的測量。電渦流式傳感器主要由線圈、鐵芯和被測金屬導(dǎo)體等部分組成。線圈通有交變電流，產(chǎn)生交變磁場；被測金屬導(dǎo)體置于交變磁場中，產(chǎn)生電渦流。電渦流式傳感器廣泛應(yīng)用于位移、振動、轉(zhuǎn)速、厚度等物理量的測量，具有非接觸測量、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。在工業(yè)自動化控制、航空航天、汽車制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。工作原理結(jié)構(gòu)特點應(yīng)用領(lǐng)域電渦流式傳感器原理及應(yīng)用06壓電式傳感器CHAPTER壓電材料具有壓電性質(zhì)的材料，如石英、壓電陶瓷等。這些材料在受到外力作用時，內(nèi)部的正負(fù)電荷中心會發(fā)生相對位移，從而產(chǎn)生極化電場。壓電效應(yīng)指某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。壓電常數(shù)描述壓電材料性能的重要參數(shù)，包括壓電應(yīng)變常數(shù)、壓電電壓常數(shù)和壓電勁度常數(shù)等。壓電效應(yīng)及壓電材料將壓電式傳感器的機(jī)械振動系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電路系統(tǒng)，從而方便分析和計算。等效電路電荷放大器電纜電容壓電式傳感器輸出電荷量很小，需要通過電荷放大器進(jìn)行放大，以便后續(xù)電路處理。連接傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間的電纜存在電容，會影響傳感器的輸出信號，需要進(jìn)行補(bǔ)償。030201壓電式傳感器等效電路03超聲波傳感器利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號進(jìn)行傳輸和檢測，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、無損檢測等領(lǐng)域。01加速度傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)，將加速度轉(zhuǎn)換為電信號輸出，廣泛應(yīng)用于振動、沖擊等測量領(lǐng)域。02壓力傳感器通過測量壓電材料受力后的電荷變化來推算出被測壓力的大小，常用于工業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域。壓電式傳感器應(yīng)用實例07磁電式傳感器CHAPTER磁電感應(yīng)定律當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時，會在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小與導(dǎo)體運(yùn)動速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)主要由磁鐵、線圈和鐵芯等組成，當(dāng)被測物理量（如位移、速度等）引起鐵芯與線圈相對位置變化時，線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。信號處理電路將感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出，以便進(jìn)行后續(xù)處理或顯示。磁電感應(yīng)式傳感器原理當(dāng)電流垂直于磁場方向通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體兩側(cè)會產(chǎn)生電勢差，即霍爾電勢，其大小與電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)體材料有關(guān)?；魻栃?yīng)基于霍爾效應(yīng)制成的傳感器件，具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于測量磁場、電流、位移等物理量?；魻栐鶕?jù)實際測量需求選擇合適的霍爾元件，考慮其靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等指標(biāo)?；魻栐倪x用霍爾效應(yīng)及霍爾元件利用磁電感應(yīng)原理測量汽車車輪轉(zhuǎn)速，進(jìn)而計算車速和行駛里程。汽車速度傳感器流量傳感器位置傳感器振動傳感器通過測量流體在磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢來推算流量大小，廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域。利用霍爾元件測量物體位置變化，如數(shù)控機(jī)床中的位移傳感器、機(jī)器人中的角度傳感器等。將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號輸出，用于監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的振動狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷。磁電式傳感器應(yīng)用實例08光電式傳感器CHAPTER光照在物質(zhì)上，引起電子從束縛狀態(tài)進(jìn)入自由狀態(tài)，從而產(chǎn)生電流的物理現(xiàn)象。光電效應(yīng)基于光電效應(yīng)原理，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件，如光敏電阻、光電二極管、光電三極管等。光電元件包括光譜響應(yīng)、靈敏度、暗電流、響應(yīng)時間等，這些特性決定了光電元件的應(yīng)用范圍和性能。光電元件特性光電效應(yīng)及光電元件光電式傳感器基本形式由發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器發(fā)出光線，接收器接收透射過來的光線，通過檢測透射光強(qiáng)的變化來檢測物體。反射式光電傳感器由發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器發(fā)出光線并照射到被測物體上，接收器接收反射回來的光線，通過檢測反射光強(qiáng)的變化來檢測物體。遮擋式光電傳感器通過檢測光路是否被遮擋來檢測物體，常用于自動門、自動售貨機(jī)等場合。透射式光電傳感器光電式傳感器應(yīng)用實例光電式轉(zhuǎn)速計利用透射式或反射式光電傳感器檢測轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，常用于電機(jī)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的轉(zhuǎn)速測量。光電式色標(biāo)傳感器利用不同顏色的物體對光線的反射或吸收特性不同，通過檢測反射或透射光強(qiáng)的變化來識別顏色，常用于包裝、印刷等行業(yè)的顏色檢測。光電式位移傳感器通過檢測物體遮擋光路的時間或光強(qiáng)變化來測量物體的位移，常用于機(jī)床、自動化生產(chǎn)線等場合的位移測量。光電式煙霧報警器利用煙霧對光線的散射作用，通過檢測散射光強(qiáng)的變化來檢測煙霧，常用于火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。09傳感器信號處理與接口技術(shù)CHAPTER傳感器信號調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱信號放大到適合處理的范圍。濾除信號中的噪聲和干擾成分，提高信噪比。對傳感器輸出的非線性信號進(jìn)行線性化處理，便于后續(xù)處理和分析。實現(xiàn)傳感器與后續(xù)電路之間的電氣隔離，提高系統(tǒng)抗干擾能力。放大電路濾波電路線性化電路隔離電路將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為微處理器能夠處理的模擬量。模擬接口將傳感器輸出的數(shù)字信號直接與微處理器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制。數(shù)字接口傳感器與微處理器之間通過串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省硬件資源。串行接口傳感器與微處理器之間通過并行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高傳輸速度。并行接口傳感器與微處理器接口技術(shù)傳感器信號處理電路將越來越智能化，能夠自動適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。智能化傳感器、信號處理電路和微處理器將越來越集成化，減小系統(tǒng)體積和成本。集成化傳感器信號處理技術(shù)將與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。網(wǎng)絡(luò)化隨著工藝水平的提高和算法的優(yōu)化，傳感器信號處理技術(shù)將實現(xiàn)更高精度的測量和控制。高精度化傳感器信號處理技術(shù)發(fā)展趨勢10傳感器新技術(shù)及發(fā)展趨勢CHAPTERMEMS傳感器利用光纖的光學(xué)特性進(jìn)行測量，具有抗電磁干擾、耐腐蝕、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點，適用于惡劣環(huán)境下的監(jiān)測。光纖傳感器生物傳感器將生物敏感元件與轉(zhuǎn)換器結(jié)合，能夠檢測生物物質(zhì)或生物過程，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，具有體積小、功耗低、可靠性高等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。新型傳感器技術(shù)介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無線傳感器節(jié)點組成，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、智能交通等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)傳感器物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動了傳感器的發(fā)展，實現(xiàn)了傳感器與互聯(lián)網(wǎng)的連接，為遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析提供了便利。智能