常用传感器技术.ppt

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1、第三章 常用传感器技术,第一节 传感器的基本概念第二节 电阻式传感器第三节 电容式传感器第四节 电感式传感器第五节 压电式传感器第六节 磁电与热电式传感器第七节 光电式传感器第八节 光纤传感器第九节 半导体传感器第十节 其它类型传感器,第一节 传感器的基本概念一、传感器的定义与组成：传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。定义的解释：传感器是测量装置,能完成检测任务;它的输入量是某一被测量,可能是物理量(如位移、温度、力、压力、速度、加速度等),也可能是化学量、生物量等;它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等,可以是气、光

2、、电量,但主要是电量;输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。,传感器的基本组成：敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系的某一物理量。转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电路参量。转换电路：把转换元件的电路参量转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号。其组成如图所示。,二、常用传感器的分类,1、按被测物理量分类,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩,常见的被测物理量,机械式传感器以弹性体作为敏感元件，输入量可

3、以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。应用实例：测力计、压力计和温度计。,测力计,2、按传感器工作原理分类,机械式,电气式,光学式,流体式等.,压力计,温度计,弹性膜片,波纹管,波登管,特点：机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读数直观；弹性变形不宜大，以减小线性误差；惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量。弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，影响输出与输入的线性关系。,3、按信号变换特征:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的

4、变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.,能量转换型和能量控制型.,4、按敏感元件与被测对象之间的能量关系,能量转换型(无源传感器）:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,磁电式加速度计.能量控制型（有源传感器）:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.,5按传感器的输出量分,模拟式传感器和数字式传感器 模拟式传感器是指传感器的输出信号为连续形式的模拟量；数字式传感器是指传感器的输出信号为离散形式的数字量。,第二节 电阻式传感器,一、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。电阻式传感器分类：变阻器式传感器电阻应变式传感器固态压阻式

5、传感器,1、变阻器式传感器变阻器式传感器又称为电位器式传感器。工作原理：一个电导体的电阻值：式中：R电阻（）；材料的电阻率（mm2/m）；l导体的长度（m）；A导体的截面积（mm2）。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。,直线位移型kl为单位长度中的电阻。其灵敏度：,角位移型 灵敏度：触点转角(rad)；ka单位弧度对应的电阻值。,非线性型 输出电阻(或电压)与电刷位移(包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器。,变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路,变阻器式传感器的优缺点：优点：结构简单，性能稳定，使用方便；缺点：分辨

6、力受电阻丝直径限制，很难优于20m；较大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因）。,2、电阻应变式传感器 可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。电阻应变式传感器:金属电阻应变片和半导体应变片。（1）金属电阻应变片 基本工作原理：当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。,主要形式：金属电阻应变片有丝式和箔式两种。金属丝式应变片是用0.010.05mm的金属丝绕成敏感栅，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏感栅。优点：可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；生产效率高

7、，便于实现自动化生产。,应变计,实际中的金属应变片,将应变片粘贴于弹性元件或被测构件预定部位的表面。电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无缺陷2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小3.试件表面处理4.应变片粘贴5.焊线6.用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，应大于50M欧 7.应变片保护,应变片的使用：,公式推导：,应变片实际使用：将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。外力作用下，金属丝随物体一同变形，电阻值发生变化，将被测量的变化转换为电阻值的变化。,设A=r2，r为电阻丝半径，代入上式得,电阻的相对变化,（1）电阻应变片的种类常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片和半导体

8、应变片。（1）金属电阻应变片有丝式和箔式等结构形式。丝式应变片，将一根电阻丝绕成栅状，用胶粘剂贴于基底，其直径在0.0120.050mm之间。箔式应变片如图3-9b、c、d所示，它是用光刻、腐蚀等工艺方法制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.0030.010mm。它的优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，并可做成任意的形状，适于大批量生产。箔式应变片的使用范围日益广泛，并有逐渐取代丝式应变片的趋势。,（2）半导体应变片 半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。工作原理：单晶半导体材料在沿某一轴向受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上

9、，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规则变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变化，从而引起电阻率变化。,半导体应变片的优点是:灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，例如测量压力时可测出1020Pa的微压；机械滞后小，横向效应小、体积小。最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。,（3）电阻应变片式传感器的应用实例将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。,应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在这种情况下，弹

10、性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。,测量时，基座固定在振动体上。振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。,第三节 电容式传感器一、工作原理及类型 定义：电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。公式：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：,各参数含义：极板间介质的介电常数，当介质为空气时=1；0真空介电常数,0=8.8510-1 2(F/m);A极板面积（m2）；两极板间距离（m）。结论：被测量使、A或变化，均会引起电

11、容C变化。保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应用较广。,（1）极距变化型,极距有一微小变化量d时，引起电容变化量dC为,灵敏度为,结论：,（2）面积变化型,a)角位移型,电容量,灵敏度,结论：输出与输入成线性关系。,b)平面线位移型,c)圆柱体线位移型,（3）介质变化型,大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。图解：图324a，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿 度发生变化

12、时，介电常数变，导致电容量变；图324b，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入高度变化，电容量变化。,二、测量电路 电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。（1）变压器式交流电桥 电容传感器所用变压器式交流电桥测量电路如图3-21所示，电桥两臂C1、C2为差动式电容传感器，另外两臂为交流变压器二次绕组阻抗的一半，即L1和L2。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，再推动显示仪表。,图3-21 变压器式交流电桥应用电路,（2）直流极化电路 又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。组成：弹性膜片、电容器、直流极化电压E0

13、、高阻值电阻R。输出电压：被测量：测量气流（或液流）振动速度，进而测其压力。,（3）调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率f为：式中L振荡回路电感。当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录器或显示仪表指示。,调频电路工作原理,(4）运算放大电路 输出电压和位移量的关系：,则有,式中u0信号源电压；ug运放输出电压；co固定电容；cx传感器等效电容。,输出电压uo与电容传感器间隙成正比关系。,三、电容式传感器的应用：电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高

14、精度达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精度可达5m。,（1）电容式测厚仪:测量金属带材在轧制过程中厚度,C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容，其总电容为C=C1+C2。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。,（2）电容式转速传感器,当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z,频率为f,则转速为:,第四节、电感式传感器电感式传感器的工作原理是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。1、自感式电感传感器 自感式

15、电感传感器的结构是由线圈、铁心和衔铁组成，铁心与衔铁之间留有气隙，其长度为，衔铁与运动部件相连。衔铁移动时，由于变化使磁路的磁阻发生变化，从而引起线圈电感量L的变化。将传感器与测量电路连接后，可将电感量的变化转换成电压、电流或频率的变化，实现由非电量到电量的转换。常用的有变气隙型、变面积型和螺管型。,自感式电感传感器（变气隙型）的结构和特性曲线,由电磁感应原理，线圈自感L为N-线圈匝数，Rm-磁路总磁阻H-1。当不考虑磁路的铁损且当气隙较小时，则该磁路的总磁阻,式中 l铁芯的导磁长度(m);铁芯磁导率(H/m);A铁芯导磁截面积,A=ab(m2);气隙宽(m);0空气导磁率,0=410-7(H

16、/m);A0空气隙导磁横截面积(m2),(328),代入328，得,当A0固定，变化时，L与成非线性变化关系，此时传感器灵敏度,铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁阻Rm近似为,灵敏度S与的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生非线性误差。因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。这样输出与输入近似成线性关系。实际应用中常选取/00.1。这种传感器适宜于测量小位移，一般为0.0011mm。,几种常用可变磁阻式传感器的典型结构1、差动式自感传感器 实际应用中，为了提高自感式传感器的灵敏度，增大其线性工作范围，常将两个结构相同的自感线圈组合在一起形成差动式自感传感器，,差动式自感传

17、感器,2、变面积型自感传感器 变面积型自感传感器在工作时气隙长度保持不变，使气隙导磁截面积A0随被测量变化，自感L与A0呈线性关系如下图示。,图3-30 变面积型自感传感器 图3-31 差动式螺管型自感传感器,双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如图所示。其测量电路可采用图3-21所示的变压器式交流电桥，只需将电桥中的差动电容换为差动电感线圈即可。,2、互感式电感传感器互感型传感器的工作原理：利用电磁感应中的互感现象，将被测

18、位移量转换成线圈互感的变化。,传感器实质是一个变压器，初级线圈接入稳定交流电源，次级线圈感应产生输出电压。M变化，副线圈输出电压变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。工作原理如图320。,差动变压器后续电路形式：差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。差动相敏检波电路工作原理图。,差动变压器式传感器的优点是：测量精度高，

19、可达0.1m；线性范围大，可到100mm；稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移,或借助弹性元件将压力、重量等参数转换为位移变化，实现间接测量。,3、电涡流式传感器涡电流式传感器变换原理：利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应。高频反射式涡流传感器工作原理：涡流产生：当线圈中通以一交变高频电流i时，会引起一交变磁通H。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流I1，该电流I1即为涡流。抵抗作用：根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁通H1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即H1将抵抗H的变化。,当传感器激励线圈中通以正弦交变电流I1时，线圈的周围空间就产生了正弦交变磁场H1，处于此交变磁场中的金属导

20、体内就会产生涡流I2，此涡流也将产生交变磁场H2，H2的方向与H1的方向相反。由于磁场H2对磁场H1的反抗作用，导致传感器激励线圈的等效阻抗发生变化。等效阻抗Z,线圈的阻抗变化及影响因素：由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻抗Z发生变化，其变化的程度除了与两者间的距离X有关外，还与金属导体的电阻率、磁导率以及线圈的激磁电流圆频率等有关。主要应用：变化x，可作为位移、振动测量；变化，可作为材质鉴别；变化，可用于探伤。,涡流式传感器的测量电路：阻抗分压式调幅电路 下图是用于涡流测振仪上的分压式调幅电路原理；图317为谐振曲线和输出特性,高频反射式涡流传感器,。如图所示，高频(1MHz)激励电流产

21、生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关。若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移变化转换为线圈自感变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,3.3 电感式传感器,低频透射式涡流传感器,低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的

22、一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。,3.3 电感式传感器,电涡流式传感器的测量电路有阻抗分压式调幅电路及调频电路压式调幅电路原理，它主要包括振荡器、并联谐振回路、放大器、检波器及滤波器等。传感器线圈L和电容C 组成并联谐振回路,涡流式传感器的测量电路：,调频电路：,把传感器线圈接入LC振荡回路，当金属导体至

23、传感器之间的距离x发生变化时，将引起线圈电感变化，使振荡器的振荡频率f发生变化，再通过鉴频器进行频率-电压转换，即可得到与位移x成比例的电压信号。,电涡流式传感器的特点,结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等,频率响应范围宽（0104Hz），能进行动态非接触测量，其测量的范围和精度视传感器结构尺寸、线圈匝数以及激励频率而异，最高分辨力可达0.1m。近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在工程检测中得到广泛应用。,涡电流式传感器应用：动态非接触测量涡电流式位移和振动测量仪测厚仪无损探伤径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量零件计数、表面裂纹和缺陷测量,径向振动测量,轴心轨迹

24、测量,转速测量,零件计数器,表面裂纹测量,穿透式测厚,第五节 压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器。机械能电能：可用来测量力、压力、加速度等；电能机械能：可用于高频振动台、超声发射器、扬声器等。主要优点：体积小；重量小；固有频率高（加速度传感器，可测频率范围0.120kHz)；灵敏度高（加速度传感器，可测102105ms-2、力传感器，分辨力达103N）。,1、压电效应 定义：某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等晶体，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部会产生极化作用，从而会在晶体的相应表面产生电荷，形成电场。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，晶体的这一性质称为压电效应。

25、说明：压电效应可逆：当压电晶体置于外电场，其几何尺寸也会发生变化，这种物理现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体称之为压电晶体，如石英、钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PZT）等。天然压电晶体例如石英、电气石、闪锌矿等。不易获得、价格昂贵。石英晶体是常用的压电材料之一。人造晶体，如酒石酸钾钠（罗谢耳盐）、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、酒石酸乙二钾、硫酸锂等。,下面以石英晶体为例，介绍压电效应,石英晶体的化学成分是SiO2，是单晶体，两端为一对称的棱锥，如图3-41a所示石英晶体是各向异性材料，可用x、y、z轴来描述，如图3-41b所示。,z轴是称为光轴，沿该方向受力不会产生压电效应；x轴是经过六面

26、体的棱线并垂直于z轴的轴线，称为电轴又称“纵向压电效应”y轴是与x、z轴垂直的轴线，称为机械轴，又称“横向压电效应”。,2、压电材料单晶压电晶体，如石英、罗歇尔盐（四水酒石酸钾钠）、硫酸锂、磷酸二氢铵等；特点:石英压电常数不高，但具有较好的机械强度和温度、时间稳定性，其他压电单晶的压电常数为石英的2.53.5倍，但价格较高。多晶压电陶瓷，如极化的铁电陶瓷（钛酸钡）、锆钛酸铅（PZT）等；组成：铁电体微晶（指某些存在自发极化的特点晶体），微晶再细分为电畴，压电陶瓷可视为多畴晶体。特点：压电陶瓷的压电常数比单晶体高的多，一般比石英高数百倍。有机压电薄膜。,PVDF压电薄膜 聚偏二氟乙烯（PVF2）

27、是压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、灵敏度高、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2PZT)。应用：人体接触安全舒适，声阻抗接近人体肌肉，适宜作生物医学工程的传感器元件。PVDF血压传感器：圆柱体纵切形状，与上腕部动脉沟吻合，使用方便。机

28、器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电效应，薄膜柔软，做成大面积传感阵列器件。,对压电材料特性要求：转换性能。要求具有较大压电常数。机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。,3、等效电路,使用时的注意事项：负载不是无穷大时，会有漏电现象。因此，静态测量时，必须采用极高阻抗负载；动态测量，漏电量影响较小，故适于动态测量。实际压电传感器

29、，常采用串接或并接。并接：电容量大，输出电荷量大，宜于测缓变信号，适宜电荷量输出场合；串接：电容小，输出电压大，适宜于电压输出的场合。,可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca并联的等效电路;也可等效为一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路，其中Ra为压电元件的漏电阻。,当有外力作用时，在压电晶片的两个极板上产生数量相等、极性相反的电荷Q，开路电压U以及电容Ca,三者间的关系,若将压电传感器接入测量电路，则必须考虑电缆电容CC、后续电路的输入电容Ci、以及后续电路的输入阻抗和压电传感器的漏电阻形成的泄漏电阻Ra，此时压电传感器的等效电路如图所示。,4、测量电路,电压放大器，输出电压

30、与电容C（包括连接电缆的寄生电容Cc、放大器的输入电容Ci和压电式传感器的等效电容Ca）密切相关，因Cc比Ci和Ca都大，故整个测量系统对电缆寄生电容的变化非常敏感。连接电缆的长度和形状变化会引起Cc的变化，导致传感器的输出电压变化，使仪器的灵敏度也发生变化。故目前多采用性能稳定的电荷放大器。,则有 当增益K足够大，KCf（C+Cf）,结论：在一定的条件下，电荷放大器的输出电压与压电传感器产生的电荷量成正比，且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器，即使连接电缆长度数百米，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。,5、压电式传感器的应用 压电式传感器常用来测量力、压力、振动加速度等，

31、也用于声学和声发射测量。,1）常用的压电式加速度计。结构形式如图所示。S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件。压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。,压电式加速度计的幅频特性曲线,（2）压电式流量计利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。,此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率

32、、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。,根据发射和接收的相位差随海洋深度的变化，测量声速随深度的分布情况,（3）集成压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。,脉搏计照片,典型应用：脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量 管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等,力敏元件主要

33、性能指标：压力范围 1kPa灵敏度 0.2V/P非线性度 1 F.S频率响应 11000Hz标准工作电压 4.5V（DC）扩充工作电压 315V(DC)标准负载电阻 2.2k扩充电阻 1k12k外形尺寸 12.77.6重 量 1.5,（4）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用,如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上A、B两点放两只传感器，A、B距离为L（已知或可测），从A、B两个传感器接收的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为tA（LA/V）和 tB（LB/V），两者时间差为 t=tA-tB=（LA-LB）/V（1）又 L=LA

34、+LB（2）,因为管道埋设在地下，看不到O点，也不知道LA和LB的长度，已知的是L和V，如果能设法求出t，则联立（1）+（2）得：LA=(L+tV)/2（3）或者将（1）-（2）得：LB=（L-tV）/2（4）关键是确定t，就可准确确定漏点O。如果从O点出发的是一极短暂的脉冲，在A、B两点用双线扫描同时开始记录，在示波器上两脉冲到达的时间差就是t。实际的困难在于漏水声是连续不断发出的，在A、B两传感器测得的是一片连续不断，幅度杂乱变化的噪声。相关检漏仪的功能就是要将这两路表面杂乱无章的信号找出规律来，把它们“对齐”，对齐移动所需要的时间就是t。,总结1）压电传感器形成系列化产品。如大型灵敏度加

35、速计灵敏阈可达106gn，能够测量微弱的振动，小型加速度计0.14g,灵敏低，但能测量上千克强振动。2）电荷泄漏难以精确测量常值力，低频振动受灵敏度限制，输出信号弱，信噪比差。3）压电传感器一般用来测量沿其轴向的作用力，产生纵向效应和相应的输出，但在垂直轴向的作用力，产生横向效应和相应的输出，横向输出是一种干扰和产生误差的原因，故要减少横向输出。4）环境温度、湿度的变化、压电材料本身的时效，都会引起压电常数的变化，使压电传感器灵敏度变化，要经常校准传感器。5）压电传感器具有可逆性。施加电压于压电晶片，压电片便伸缩。所以可做“驱动器”。,第六节 磁电与热电式传感器,1、磁电式传感器概念：一种将被

36、测物理量转换为感应电动势的装置，亦称电磁感应式或电动力式传感器。由电磁感应定律可知，当穿过一个线圈的磁通发生变化时，线圈中所感应产生的电动势,结论：线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应电动势。,由线位移式装置的工作原理可知，当弹簧片敏感有一速度时，线圈则在磁场中作直线运动，从而切割磁力线，因此它所产生的感应电动势式中B磁场的磁感应强度（T）；l单匝线圈的有效长度（m）；N0有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数；v线圈相对于磁场的速度（m/s）;线圈运动方向与磁场方向的夹角

37、。,1）恒定磁通式,当线圈运动方向与磁场方向垂直亦即=90时，上式可写为,上式表明：当传感器的结构参数（B，l，N）选定，则感应电动势e的大小使正比于线圈的运动速度v。将被测到的速度经微分和积分运算又可得到运动物体的加速度和位移，因此速度传感器又可用来测量运动物体的位移和加速度。,2）变磁通式 又称变磁阻式磁电传感器，常用来测量旋转体的角速度，线圈和永久磁铁均静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一齿，它与软铁之间构成的磁路磁阻变化一次，穿过线圈的磁通就变化一次，线圈中就会产生周期变化的感应电动势。,磁阻式传感器工作原理及应用（a）测频数（b）测转速（c）偏心测量（d）振动

38、测量,结论：对以上两类磁电式传感器的工作原理分析知，磁电式传感器只适用于动态测量，可直接测量振动物体的速度或角速度。如果在测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可用来测量位移或加速度。,2、热电式传感器定义：将温度转换为电量变化的一种装置。分类：热电偶（电势变化）和热电阻（电阻值变化）。1）热电偶（1）热电偶工作原理热电效应：两种不同的金属导体 A 和 B 组成一个闭合回路时，如果两接点处的温度不同（T0T），则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称热电效应。相应的电势称热电动势。A、B 称为热电极，两电极的连接点称为接点。测温时置于被测温度场 T 的接点称为热端，另一端T0称为冷端。,热电

39、偶回路,热电动势组成（接触电动势与温差电动势）：接触电动势：金属中存在自由电子，不同金属中自由电子密度不同，当两种金属 A和 B 接触时，接触处产生电子的扩散运动，若 A 的自由电子密度大于 B，则A 中的电子扩散到 B 中的多，而 B 中的电子扩散到 A 中的少，于是在接触处便形成了电场，这个电场阻碍着电子继续扩散。当扩散作用与电场的反作用相等时，就达到了动态平衡，这时在 A、B 接触面处形成的稳定电位差称为接触电势。其值如下：,温差电动势：如果一个导体 A 两端存在着温度差，那么热端自由电子的动能比冷端要大，热端便有更多的电子扩散到冷端，使热端失去电子而带正电，冷端得到电子而带负电，当电子

40、扩散达到动态平衡时，高温与低温端之间形成稳定的电位差称为温差电势，其值为,总的热电动势：,若使冷端温度T0保持不变，则热电势 EAB（T，T0）为热端温度T的单值函数。因此通过测量热电势 EAB（T，T0）就可求出被测温度T。,热电偶回路的特点：如果热电偶的两个热电极材料相同，两结点的温度虽然不同，但总的热电势仍为零。因此，热电偶必须由两种不同的材料构成；如果热电偶两个接点的温度相同，即使两个热电极 A、B 的材料不同，回路中热电势仍然为零，因此要产生热电势不但要求两个电极材料不同，而且两个接点必须有温度差；热电势与导体材料A、B的中间温度无关，仅与两个接点的温度有关。,（2）热电偶的基本定律

41、：1）中间导体定律：中间导体的热电偶回路在热电偶测温过程中，需要用连接导线将热电偶与测量仪表接通，这相当于在热电偶回路中接入第三种导体 C，如图所示。只要第三种导体两端的温度相等，则对热电偶回路总的热电势没有影响，这就是中间导体定律。因此可以在回路中引入各种仪表直接测量其热电势，也允许采用不同方法来焊接热电偶，或将两热电极直接焊接在被测导体表面。,中间导体的热电偶回路,2）参考电极定律 导体C接在A、B之间，当热电偶两个接点温度为T、T0时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和，导体C称为标准电极，称为参考电极定律。常用纯铂丝作标准电极铂易提纯，熔点高

42、，性能稳定。求出各种材料的热电极对铂电极的热电特性，简化热电偶的选配工作。,3）中间温度定律：当热电偶AB的两个接点温度为T、T1时，热电动势为EAB（T，T1）；当热电偶AB的两个接点温度为T1、T0时，热电动势为EAB（T1，T0）；如图所示：,中间温度定律示意图,同一种热电偶，当两接点温度T、T0不同时，产生的热电动势也不同。要将对应各种（T，T0）温度的热电动势-温度关系都列出图表是不现实的。中间温度定律为热电偶制定分度表提供了理论依据。只要列出参考温度0的热电动势-温度关系，那么参考温度不等于0的热电动势都可以由式求得。如热电偶AB两端温度分别为100和20，则热电偶的热电动势可根据

43、下式计算 式中，EAB（100，0）和EAB（20，0）可由分度表查得，从而求出该热电偶的热电动势EAB（100，20）。,常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。,（3）热电偶的结构与种类,不同测量对象的

44、测温条件和要求，热电偶的结构形式也有所不同。普通热电偶的结构主要包括热电极2、绝缘套管3、保护管1和接线盒5等。铠装热电偶：挠性好，易弯曲，特别适用于结构复杂的装置；薄膜式热电偶：接点做得很薄（0.010.1m），热容量小，响应速度快（ms级），适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度的测量。,热电偶的结构,热电偶的分类,四种标准化热电偶（B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶 铂铑30-铂铑6热电偶（B型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（BP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负极（BN）为铂铑合金，含铑为量6%，

45、故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600，短期最高使用温度为1800。B型热电偶具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，短期用于真空中，不适用于还原性气氛或含金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在050范围内热电势小于3V。B型热电偶不足热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。,（S型热电偶）铂铑10-铂热电偶 铂铑10-铂热电偶为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金，其

46、中含铑为10%，含铂为90%，负极（SN）为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600。S型热电偶具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的物理、化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器，S型热电偶可用于近似实现国际温标。S型热电偶不足之处是热电势较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。,（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶 镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是

47、目前用量最大的金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-2001300。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。,（E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶 镍铬-铜镍热电偶（E型热电偶）又称镍铬-康铜热电偶，也是一种廉金属的热电偶，正极（EP）为：镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）

48、为铜镍合金，名义化学成分为：55%的铜，45%的镍以及少量的锰，钴，铁等元素。该热电偶的使用温度为-200900。E型热电偶热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中，广泛为用户采用。E型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性气氛中，热电势均匀性较差。,2）热电阻热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性测量温度的。用金属或半导体材料作为感温元件的传感器，分别称为热电阻和热敏电阻。热电阻传感器是由电阻体、

49、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成。电阻体是主要部分。,6瓷绝缘套管 7支架 8电阻丝 9保护膜 10引线,a）热电阻组成 b）双线并绕,（1）铂电阻特点：测温精度高，稳定性好，性能可靠；氧化性介质稳定，还原性介质易被污染。采用(IEC)制作铂电阻温度计国际电工委员会(International Electrotechnical Commission）测温范围：-200 850,铂电阻体用很细铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上做成。WZB型，由直径铂丝绕云母制成的平板型支架，如图。,电阻与温度关系：-200 0 的温度范围内0 850 的温度范围内为说明：Rt和 R0分别为 t和 0 时的铂电阻

50、值；A、B 和 C 为常数，其数值为,A=3.9080210-3/B=-5.80210-7/C=-4.2735010-12/4,我国规定工业用铂热电阻有 R0=10和 R0=100两种，它们的分度号分别为 Pt10和 Pt100，其中Pt100最常用。,（2）铜热电阻特点：测温精度低于铂电阻，但线性度好、电阻温度系数高、价格便宜。测温范围：-50 150,铜电阻体为一个铜丝绕组（含锰铜补偿部分），由直径约0.1mm的绝缘铜丝绕在圆形塑料支架上。,第七节 光电式传感器,光电式传感器：以光电器件为转换元件的传感器。工作原理：首先将被测量的变化转换为光信号的变化，然后通过光电器件转换成电信号。下图为