傳感器原理與測量電路第一頁，共八十三頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容1.傳感器概述2.電容式傳感器3.電感式傳感器4.壓電式傳感器5.磁電式傳感器7.光柵式傳感器8.光纖式傳感器6.霍爾式傳感器2第二頁，共八十三頁，2022年，8月28日1.了解傳感器的分類2.掌握常用傳感器測量原理3.了解傳感器測量電路本章學(xué)習(xí)要求3第三頁，共八十三頁，2022年，8月28日正在給主人敬送飲料的機(jī)器人6.1概述傳感器技術(shù)——信息采集——“感官”通信技術(shù)———信息傳輸——“神經(jīng)”計(jì)算機(jī)技術(shù)——信息處理——“大腦”4第四頁，共八十三頁，2022年，8月28日傳感器按感官的歸類6.1概述人的感覺人的感官信號形態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)器件物理現(xiàn)象視覺眼光→電流光→電阻光→電流光電池光敏電阻器光電晶體管光電動(dòng)勢光導(dǎo)效應(yīng)聽覺耳位移→電壓位移→電阻位移→電壓位移→電容壓電器件應(yīng)變計(jì)霍爾元件壓變電容器壓電效應(yīng)壓阻效應(yīng)霍爾效應(yīng)壓力引起電容量變化溫覺與觸覺皮膚溫度→電壓溫度→電阻壓力→電阻壓力→電容壓力→電壓壓力→電壓熱電偶熱敏電阻器應(yīng)變計(jì)壓變電容器壓電傳感器電感式傳感器塞貝克效應(yīng)溫度引起載流子數(shù)的變化壓阻效應(yīng)壓力引起電容量的變化壓電效應(yīng)嗅覺鼻氣體→電阻氣體→電流半導(dǎo)體氣敏元件電化學(xué)氣體傳感器表面吸附現(xiàn)象電化學(xué)反應(yīng)味覺舌化學(xué)變化→電離子電極酶傳感器5第五頁，共八十三頁，2022年，8月28日傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、容易測量、傳輸或處理的另一種形式的量（大多為電量）的裝置。6.1概述傳感器定義物理量電量傳感器電壓、電流、頻率、脈沖等尺寸、位移、溫度、力等6第六頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.1概述傳感器組成傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感元件的作用是感受被測物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。7第七頁，共八十三頁，2022年，8月28日——按被測物理量分類6.1概述傳感器分類機(jī)械量：長度，厚度，位移，速度，加速度，旋轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)數(shù)，質(zhì)量，重量，力，壓力，真空度，力矩，風(fēng)速，流速，流量；聲：聲壓，噪聲；磁:

磁通，磁場；光：亮度，色彩；溫度：溫度，熱量，比熱。8第八頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.1概述——按傳感原理分類傳感器分類電容式傳感器電阻式傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器電感式傳感器光電式傳感器光纖式傳感器光柵式傳感器9第九頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.1概述——按信號變換特征傳感器分類能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測對象輸入能量使其工作。例如熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì)。能量控制型：從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化。例如電阻應(yīng)變片。10第十頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.1概述基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其它指標(biāo)量程指標(biāo)：量程范圍、過載能力等靈敏度指標(biāo)：靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關(guān)指標(biāo)：精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：固有頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時(shí)間等溫度指標(biāo)：工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo)：容許各項(xiàng)抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差其它環(huán)境參數(shù)：抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁場干擾能力等工作壽命、平均無故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標(biāo)：供電方式

（直流、交流、頻率及波形等）、功率、各項(xiàng)分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等安裝方式、饋線電纜等11第十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.1概述

1.發(fā)展、利用新效應(yīng)；2.開發(fā)新材料；3.提高傳感器性能和檢測范圍；4.微型化與微功耗；5.集成化與多功能化；6.傳感器的智能化；7.傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。傳感器的發(fā)展趨勢12第十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.2電容式傳感器一、電容傳感器概述、工作原理和類型；二、電容傳感器輸出特性；三、電容式傳感器的特點(diǎn)；四、電容傳感器測量電路；五、電容式傳感器的應(yīng)用舉例。主要內(nèi)容學(xué)習(xí)要求1.掌握電容式傳感器工作原理；2.掌握電容式傳感器的分類、及它們各自的特點(diǎn)；3.了解電容式傳感器的測量電路。13第十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日電容式傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。6.2電容式傳感器介電常數(shù)變化型面積變化型極距變化型14第十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.2電容式傳感器極距變化型OΔδCδΔC15第十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.2電容式傳感器討論要提高傳感器靈敏度S應(yīng)減小初始極距,但極距也要受電容擊穿電壓限制。非線性隨相對位移的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對位移。初始極距與S，與線性度相矛盾，決定了極距變化型電容傳感器只適合測小位移（在0.01微米至零點(diǎn)幾毫米）。為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。16第十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日極距變化型電容傳感器Δδδ0δ0C1C2差動(dòng)式極距變化型17第十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日差動(dòng)式極距變化型傳感器靈敏度可提高一倍，而非線性可大大減小。極距變化型電容傳感器18第十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日極距變化型電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，靈敏度高，可進(jìn)行非接觸測量。但由于輸出非線性特性、傳感器雜散電容對靈敏度和測量精度的影響，以及與傳感器配合使用的電子線路比較復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此使用范圍受到一定限制。差動(dòng)式電容傳感器比單個(gè)電容靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。特點(diǎn)1.主要用于小位移量測量，0.01μm到數(shù)百μm。2.分辨力可達(dá)0.1μm，靈敏度較高。極距變化型電容傳感器19第十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用舉例電容式傳聲器20第二十頁，共八十三頁，2022年，8月28日面積變化型電容傳感器的工作原理是在被測參數(shù)的作用下改變極板的有效面積。常用的有角位移型和線位移型兩種。優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系。但與極距變化型相比，靈敏度較低。適用于較大角位移及直線位移的測量。面積變化型電容傳感器21第二十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日α定板動(dòng)板覆蓋面積電容量靈敏度電容量靈敏度面積變化型電容傳感器22第二十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日特點(diǎn)輸出特性為線性，靈敏度S為常數(shù)，適合測量大位移。

2.與極距變化型相比，靈敏度較低應(yīng)用舉例

——檢測齒輪轉(zhuǎn)速面積變化型電容傳感器23第二十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日介電常數(shù)變化型電容傳感器24第二十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日介電常數(shù)變化型電容傳感器非線性板材測厚25第二十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日介電常數(shù)變化型電容傳感器位移測量線性26第二十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日電容式傳感器的等效電路Rs為引線,電容器支架和極板的電阻。Rp

為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗。通常在低頻時(shí)較大。電感L由電容器本身的電感和外部引線的電感所組成。低頻時(shí)很小，在很高的頻率工作時(shí)需要加以考慮。電容傳感器諧振頻率通常為幾十兆赫，通常工作點(diǎn)應(yīng)在其諧振頻率的1/21/3，且使用條件必須與標(biāo)定條件相同。AB傳感器等效電容：27第二十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日電容式傳感器的等效電路驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)消除寄生電容的影響28第二十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日電容式傳感器的常用轉(zhuǎn)換電路電橋電路，

29第二十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日二極管雙T型電路電容式傳感器的常用轉(zhuǎn)換電路30第三十頁，共八十三頁，2022年，8月28日電容式傳感器的常用轉(zhuǎn)換電路運(yùn)算放大器式電路C0CxUsUo-Kixi0ai=031第三十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日有一圓板電容傳感器，直徑，極板間距離,極板間介質(zhì)為空氣，試計(jì)算其電容之值。又若將此電容傳感器接至振蕩器的調(diào)諧回路(皮法，

微亨)作為調(diào)頻元件，為使測量時(shí)有較均勻的靈敏度，要求調(diào)頻最大偏頻在以內(nèi)，求電容傳感器的?？梢苿?dòng)極板課堂練習(xí)32第三十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日1)2)課堂練習(xí)解法133第三十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日課堂練習(xí)解法234第三十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日電容式傳感器的特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)1.溫度穩(wěn)定性好；2.結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)；3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；4.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)。輸出阻抗高，負(fù)載能力差；2.寄生電容影響大。35第三十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日本講要點(diǎn)總結(jié)1．電容傳感器工作原理和類型2.電容傳感器輸出特性和測量電路3.電容式傳感器的應(yīng)用36第三十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類：電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型6.3電感式傳感器37第三十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.3電感式傳感器鐵芯銜鐵線圈變磁阻式電感傳感器N——線圈匝數(shù)；Rm——磁路的總磁阻；38第三十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日變磁阻式電感傳感器傳感器類型可變導(dǎo)磁面積型可變氣隙厚度型差動(dòng)型39第三十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日靈敏度與氣隙厚度的平方成反比。為了減小非線性誤差，提高靈敏度，通常使這種傳感器在小氣隙狀態(tài)下工作，其測量范圍在0.001mm與lmm之間。變氣隙型自感傳感器非差動(dòng)式40第四十頁，共八十三頁，2022年，8月28日當(dāng)銜鐵位于中間位置(位移為零)時(shí)，兩線圈自感相等，i1＝i2，△i=0，輸出電壓U＝0。當(dāng)銜鐵有位移時(shí)，一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)線圈自感減小，U的大小表示了銜鐵位移量，極性表示了銜鐵移動(dòng)方向。若位移使i1增大，則必定使i2減小相同的值，于是靈敏度增加一倍。變氣隙型自感傳感器差動(dòng)式41第四十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日主要特點(diǎn)：具有較好的線性，測量范圍也比較大，但它的靈敏度比不上改變氣隙厚度的電感傳感器。變面積型自感傳感器42第四十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日螺線管式電感傳感器是一種開磁路電感傳感器，其工作原理是基于線圈漏磁路徑中的磁阻變化。由于空氣通路長，使得磁路的磁阻比較高，因此這種傳感器的靈敏度比較低，對于小位移測量意義不大。主要用于較大位移的測量，可達(dá)數(shù)毫米到數(shù)百毫米?？蓜?dòng)鐵芯螺管型自感傳感器43第四十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日這種傳感器實(shí)際上是個(gè)變壓器，初級線圈Wl通電后，次級線圈W2便感應(yīng)出電壓。被測量的變化使初、次級線圈間互感發(fā)生變化，感應(yīng)電壓也產(chǎn)生相應(yīng)變化。由于這種傳感器常制成差動(dòng)的形式，故稱差動(dòng)變壓器。差動(dòng)變壓器式傳感器x次級線圈W1初級線圈W次級線圈W2鐵芯P44第四十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日x次級線圈W1初級線圈W次級線圈W2鐵芯P前提：M1＝M2＝M1、鐵芯位于中間e1=e2，eo=02、鐵芯上移，e1↑e2↓,eo與e1同相3、鐵芯下移，e2↑e1↓,eo與e2同相螺線管式差動(dòng)變壓器式傳感器45第四十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日測量轉(zhuǎn)換電路

交流電橋交流電橋等效電路交流電橋式46第四十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日測量轉(zhuǎn)換電路諧振式調(diào)幅電路諧振式調(diào)頻電路諧振式47第四十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日電渦流式傳感器原理:渦流效應(yīng)48第四十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日高頻(1MHz以上)激勵(lì)電流i施加于鄰近金屬板一側(cè)的線圈，由線圈產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板的表面。金屬板表面感應(yīng)的渦流產(chǎn)生的電磁場又反作用于線圈上，改變了電感的大小。當(dāng)線圈與金屬板的距離發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致耦合系數(shù)k、線圈自感L、線圈阻抗ZL的相應(yīng)變化。高頻反射式渦流傳感器49第四十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日多用于測定材料厚度。當(dāng)激勵(lì)低頻電壓e1加到發(fā)射線圈W1上后，在被測材料中產(chǎn)生渦流i而損耗部分能量，導(dǎo)致接收線圈W2上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e2減小。其減小量與材料的厚度和材料性質(zhì)有關(guān)，對一定的材料，e2隨厚度呈指數(shù)規(guī)律減小。低頻透射式渦流傳感器50第五十頁，共八十三頁，2022年，8月28日不同頻率下的e=f(h)曲線51第五十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用舉例高頻反射式渦流傳感器如何測厚？52第五十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用舉例高頻反射式渦流測厚系統(tǒng)示意圖53第五十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日CCD應(yīng)用舉例54第五十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle應(yīng)用舉例55第五十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日電渦流傳感器振動(dòng)測量示意圖應(yīng)用舉例56第五十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日火車輪檢測油管檢測應(yīng)用舉例57第五十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單可靠，沒有觸點(diǎn)摩擦，靈敏度、分辨率都比較高，輸出功率也比較大，測量準(zhǔn)確度也比較高。缺點(diǎn)：對激磁電源的頻率和振幅的穩(wěn)定性要求比較高。6.3電感式傳感器利用電磁感應(yīng)原理將被測量（位移、壓力等）轉(zhuǎn)換為線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量輸出，這種將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感變化的裝置稱為電感式傳感器。58第五十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.5壓電式傳感器壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)在沿一定方向上施加外力使之變形時(shí)，其內(nèi)部電荷分布將發(fā)生變化，使得表面的金屬電極產(chǎn)生電荷。在外力除去后，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。

相反，如果把這些物質(zhì)置于電場中，其幾何尺寸也將發(fā)生變化，這種由于外電場作用導(dǎo)致物質(zhì)的機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮效應(yīng)。59第五十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日壓電材料天然晶體(如天然石英晶體)——性能穩(wěn)定，機(jī)械性能好，廣泛應(yīng)用于振蕩器、諧振器等元件材料。人造晶體(如鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇等)——靈敏度較高，性能存在缺陷，已逐漸被取代。壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛、氧化鋅等）——現(xiàn)今大多采用的材料。壓電高聚物薄膜（聚偏二氟乙烯）——壓電性強(qiáng)、柔性好，已得到應(yīng)用。具有這種壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料或壓電元件。60第六十頁，共八十三頁，2022年，8月28日Oxyz縱向軸z稱為光軸經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸與z和x抽同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸壓電材料61第六十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光抽z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)62第六十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日不受力時(shí)：大小相等，相互夾角，因此，。石英晶體極化效應(yīng)63第六十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”。縱向壓電效應(yīng)64第六十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日把沿機(jī)械軸y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。橫向壓電效應(yīng)65第六十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日作用力越大，產(chǎn)生的電偶極矩越大，極板上出現(xiàn)的電荷越多。石英晶體極化效應(yīng)66第六十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日單個(gè)晶片的等效電路Ca壓電元件兩電極間的石英晶體或壓電陶瓷為絕緣體，因此就構(gòu)成一個(gè)電容器。壓電元件的開路電壓：67第六十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日++++++++++FF晶片并接CaRaqea靈敏度：特點(diǎn)1.電荷得到放大。2.適用于測量緩變信號和以電荷為輸出量的場合。68第六十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日晶片串接++++++++++FFCaRaea靈敏度：特點(diǎn)1.電壓得到放大。2.適用于以電壓為輸出量、測量電路有高輸入阻抗的場合。

69第六十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日測量電路——電壓放大器U-A傳感器電纜電壓放大器RaRiCaCcCiUiUo70第七十頁，共八十三頁，2022年，8月28日q－AUoCaCcCiCfUi傳感器電纜電荷放大器測量電路——電荷放大器開環(huán)增益足夠大時(shí)，即，可簡化為:71第七十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器，常用來測量力、壓力、振動(dòng)加速度，也用于聲學(xué)(包括超聲)、聲發(fā)射及幾何量等的測量。壓電式傳感器72第七十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日壓電式加速度傳感器73第七十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.7霍爾傳感器金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。74第七十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.7霍爾傳感器霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。75第七十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.7霍爾傳感器測量電路76第七十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.7霍爾傳感器轉(zhuǎn)角測量77第七十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日6.7霍爾傳感器電流傳感器當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大