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1、第四章 传感器的基本类型 及其工作原理,动力装置电控技术研究所,1. 概 述； 2. 电阻式传感器； 3. 电感式传感器； 4. 电容式传感器； 5. 压电式传感器； 6. 磁电式传感器。,7. 热电式传感器； 8. 光电式传感器； 9. 霍尔传感器； 10. 数字式传感器； 11. 传感器信号处理电路。,辅助电源,敏感元件,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,敏感元件，是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关 系的某一物理量的元件。,转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,传感器的组成
2、,第一节. 概 述,传感器的分类,第一节. 概 述,（1）按被测物理量分类,（2）按测量原理分类,（3）按输出信号性质分类,被测量为压力、温度、速度等物理量，相应的为压力传感器、温度传感器等,基于物理学现象，如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器等,模拟式传感器、数字式传感器,第二节. 电阻式传感器,电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变化的一种传感器。,一、金属应变式传感器,金属电阻应变计效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。,已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：,d,l,F,金属丝的原始电阻,金属丝的原始电阻率,金属丝的原始长度,
3、金属丝的原始横截面积,第二节. 电阻式传感器,一、金属应变式传感器,设金属丝在外力作用下沿轴线伸长，伸长量设为 l ，并因此截面积变化 A ，电阻率的变化为 ，相应的电阻变化为 dR 。对式 全微分得电阻变化率 dR/R 为：,第二节. 电阻式传感器,一、金属应变式传感器,1引出线 2敏感栅 3覆盖层 4基底,（a）金属丝短接式；（b）金属箔式； （c）用于扭矩测量；（d）用于流体压力测量,第二节. 电阻式传感器,一、金属应变式传感器粘贴技术,（1） （2） （3）,（4） （5） （6）,第二节. 电阻式传感器,一、金属应变式传感器粘贴技术,（7） （8） （9）,（10） （11） （12
4、）,为构件线胀系数,第二节. 电阻式传感器,一、金属应变式传感器温度误差,温度误差, 温度变化引起的应变片电阻变化, 温度变化引起应变片变形，产生附加应变,（1）附加应变的影响,构件的线胀伸长量为,应变片处于自由状态,为应变片线胀系数,应变片产生附加变形,（2）温度对电阻的影响,温度引起的电阻变化：,应变片测量电路,第二节. 电阻式传感器,一、金属应变式传感器温度补偿,温度补 偿方法, 桥路补偿法, 应变片自补偿法,选择特定的应变片,采用双金属敏感栅自补偿应变片,热敏电阻补偿,取值 则有：,第二节. 电阻式传感器,一、金属应变式传感器桥路补偿法,选择材料时满足,第二节. 电阻式传感器,一、金属
5、应变式传感器应变片自补偿, 选择特定的应变片, 采用双金属敏感栅自补偿应变片,选择材料时满足,则可实现,温度补偿,双金属丝敏感栅, 热敏电阻补偿法,第二节. 电阻式传感器,二、半导体式压阻传感器,很多固体材料受到应力作用，电阻率会发生变化，称为压阻效应,半导体材料的压阻效应最为明显，如硅/锗压阻式传感器,）结构图 ）主要元件硅环,压力传感器,第二节. 电阻式传感器,二、半导体式压阻传感器,压阻式加速度传感器,当质量块受加速度作用时，硅梁根部受应力作用.,第二节. 电阻式传感器,电阻应变式力传感器,电阻应变式力传感器,电阻式压力传感器,电阻式压力传感器,第二节. 电阻式传感器,三、电位计式传感器
6、,用于角位移和线位移测量的电阻式传感器,这类传感器通常以电位计的形式接入测量电路，成为电位计式传感器,第二节. 电阻式传感器,三、电位计式传感器,电位计式传感器原理图,非线性相对误差 为：,令,与 呈非线性关系,非线性相对误差,第二节. 电阻式传感器,三、电位计式传感器,当位移量 时,得最大相对误差 为,负载电阻 越大，相对误差越小,电位计式传感器原理图,四、气敏传感器,第二节. 电阻式传感器,五、湿敏传感器,半导体气敏元件与被测气体接触后，会造成半导体性质的变化，以此特性来检测气体的成分的传感器，称为气敏传感器。,有些材料的电阻值会随空气湿度的变化而变化，利用此原理制成的传感器，称为湿敏电阻
7、传感器。,第三节. 电感式传感器,电感式传感器，利用线圈自感或互感的变化，把被测物理量如位移、振动、压力、流量等转换为线圈上电感量变化的传感器。,电感式传感器,互感式电感传感器,自感式电感传感器,变气隙式电感传感器,变截面式电感传感器,螺管式电感传感器,第三节. 电感式传感器,一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器,自感式电感传感器的结构,线圈电感量,线圈匝数；,磁路的总磁阻,如果气隙厚度 较小，则总磁阻值为：,第三节. 电感式传感器,一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器,灵敏度S为,变隙式电压传感器 的L-特性,难度可见值越小，灵敏度越高,为了保证线性度，变气隙式传感器只能工作在一段比
8、较小的区域内,第三节. 电感式传感器,一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器的应用,变隙电感式压力传感器结构图,第三节. 电感式传感器,一、自感式电感传感器 变截面式电感传感器,1,2,3,被测物体带动衔铁作线位移或角位移时，磁路中气隙截面积发生变化，变化量为A,上式中，线圈匝数 ，气隙厚度 不变，L 是气隙截面积 A 的函数,灵敏度,变截面式,第三节. 电感式传感器,一、自感式电感传感器 螺管式电感传感器,r,x,螺旋管,铁心,单线圈螺管型传感器结构图,l,螺管型自感传感器 单线圈螺管型传感器主要包括：螺管线圈和圆柱形铁芯 传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变
9、化，当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关,第三节. 电感式传感器,一、互感式电感传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。,第三节. 电感式传感器,一、互感式电感传感器,变隙式差动变压器输出特性,变隙式差动变压器等效电路,第四节. 电容式传感器,电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。,上式中： 0 真空的介电常数； s 极板的遮盖面积； 极板间相对介电系数； 两平行极板间的距离。,两极板间的电容
10、量,第四节. 电容式传感器,一、变极板间隙型电容传感器,传感器固定一块极板，而使另一块极板移动，从而来改变间隙以引起电容的变化 设间隙有一改变量d，则有：,实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构,第四节. 电容式传感器,二、变面积型电容传感器,改变电容器极板面积获取电容传感器输出变化,第四节. 电容式传感器,三、变介电常数型电容传感器,输出电容C与液面高度L1成线性关系,容器内介质的介电常数,容器上面气体介质介电常数,第四节. 电容式传感器,此方法可用来对不同材料如纸、塑料膜、合成纤维等的厚度进行测定,三、变介电常数型电容传感器 应用,此方法可用来测量位移,第五节. 压电式传感器,一
11、些物质在外力作用下表面会产生电荷； 压电传感器工作原理，基于某些物质的压电效应； 压电传感器是力敏感元件，主要用于测量可转换成力的物理量，如压力、加速度等。,一、工作原理 压电效应,压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。 压电材料受力变形，在表面产生电荷 正压电效应 压电材料通电压，材料变形 逆压电效应 压电材料 压电晶体 压电陶瓷,第五节. 压电式传感器,一、工作原理 压电效应,压电效应示意图,压电效应的可逆性,第五节. 压电式传感器,(a) 晶体外形； (b) 切割方向；
12、 (c) 晶片,一、工作原理 石英晶体,x方向, 为电轴； y方向, 为力轴； Z方向, 为光轴.,第五节. 压电式传感器,二、工作原理 压电元件连接方式,(a) 相同极性端粘结 (b) 不同极性端粘结,并联接法输出电荷大，本身电容大， 时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。 串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。,第五节. 压电式传感器,二、工作原理 压电传感器的测量电路,压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。 前置放大器作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出
13、阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。 压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,第五节. 压电式传感器,二、工作原理 电压放大器,等效,等效电阻,传感器的电容值,传感器的绝缘电阻,传感器的分布电容,放大器的输入电阻,放大器的输入电容,等效电容,第五节. 压电式传感器,二、工作原理 电压放大器,压电常数,总电荷量,经电阻 R 漏掉，获得电压 e ，,作用在晶片上的交变力,使电容 C 充电获得电压 e ，,第五节. 压电式传感器,二、工作原理 电压放大器,作用在压电晶片上的是交变力,解微分方程得,不适合测静态信号,输出随 F 变化，高频
14、特性好,与 和 成正比，低频特性差,第五节. 压电式传感器,二、工作原理 电荷放大器,电荷放大器是与输出电荷量成正的前置放大器。,将压电传感器视为电荷源。,放大器的输入端电压,放大器的输出端电压,输出仅与电荷量 Q 和反馈电容 Cf 有关，与增益 A 和分布电容 Cc 无关.,第六节. 磁电式传感器,磁电式传感器，把被测参数的变化转换为感应电动势的传感器。,具有 匝线圈的感应电动势 的值，取决于穿过线圈的磁通量的变华率，即,感应电动势,磁通量变化率,线圈匝数,磁场强度,磁路磁阻,线圈的运动速度,第六节. 磁电式传感器,（1）传感器线圈在磁场中作直线运动，感应电动 势 为：,，磁场气隙磁感应强度
15、； ，线圈导线总的长度； ，线圈和磁铁间相对运动的线速度； ，运动方向和磁感应矢量间的夹角。,（2）传感器线圈在磁场中作旋转运动，感应电动 势 为：,第六节. 磁电式传感器,，磁场气隙磁感应强度； ，线圈导线总的截面积； ，线圈和磁铁间相对运动的角速度； ，运动方向和磁感应矢量间的夹角。,（3）传感器的输出以感应电动势的频率 表示：,，输出信号频率； ，被测件的转速 (r/min) ； ，圆周上的齿数。,第六节. 磁电式传感器,几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化 热电阻效应 根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量 利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻 热电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电阻,热电式传感器，将温度变化转化为电量变化的传感器。,第七节. 热电式传感器,最常用的两种： 热电阻：将温度变化转换为电阻变化的传感器 热电偶：
