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1、传统传感器原理 及应用,Traditional Transducers,2019/7/18,2,传统传感器,电参量型传感器 电量型传感器,2019/7/18,3,电量型传感器,电量型传感器是输出为电量，即电压、电流或电荷的传感器的总称。 电量型传感器有的属于自源型，如热电偶传感器、压电传感器、光电池等；有的属于带激励源型(辅助能源型，辅助能源可以是电源，也可以是磁源)，如差动变压器式传感器、透射式电涡流传感器、压磁式、磁电式、霍尔式传感器等。 以上两种类型，由于其转换元件起着能量转换的作用，故有时又统称为“能量转换型”。,2019/7/18,4,电压输出型传感器 电荷输出型传感器 电量型传感器
2、测量电路,电量型传感器,2019/7/18,5,电压输出型传感器,磁电式传感器 压磁式传感器 霍尔式传感器 热电偶传感器,被测量变化能引起传感器输出电压值变化的传感器称为电压输出型传感器。传感器的敏感元件和转换元件合二为一，输出信号是直接的电压信号，其后续测量电路只要将信号进行放大、必要的解调(如输出为调制波)就可以进行显示。,2019/7/18,6,应用示例：,动圈式传声器,磁电式传感器,2019/7/18,7,磁电式传感器(Magneto-electric Sensor)利用电磁感应原理，将输入运动速度、加速度变换成感应电势输出的传感器，又称为电动式传感器，或磁电感应式传感器。 磁电式传感
3、器具有“双向转换”性能，能实现机电的双向能量转换，使得它可以作为力驱动器、位移发生器和低频振动源。 基本原理： 电磁感应：因磁通量变化产生感应电动势的现象。,磁电式传感器,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关。,2019/7/18,8,基本原理： 分类：,动铁式,动圈式,磁电式,恒磁通式,变磁通式（变磁阻式）,角速度型,磁电式传感器,线速度型,2019/7/18,9,恒磁通式磁电传感器,磁电式传感器,应用示例：,图4.1 动圈式传声器,2019/7/18,10,恒磁通式磁电传感器 (1) 测量原理 在恒磁通式结构中，工作气隙的磁通恒定，感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间的相对运动线圈切
4、割磁力线而产生的。,分类：,动铁式,动圈式,恒磁通式,线速度型,角速度型,磁电式传感器,2019/7/18,11,恒磁通式磁电传感器 (2) 应用特性 磁通式磁电传感器是线性测量，可以通过测量感应电动势的大小即可知直线速度或角速度的大小。 为提高灵敏度，应选用磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B。增加la和W提高灵敏度，但它们受体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。,磁电式传感器,2019/7/18,12,应用案例：磁电式振动传感器,图4.4 磁电式传感器振动测量系统,2019/7/18,13,磁电式振动测量系统,2019/7/18,14,变磁通式磁电传感器,磁电式
5、传感器,应用示例：,2019/7/18,15,变磁通式磁电传感器 (1) 测量原理 磁路磁阻变化引起磁通变化，而在线圈中产生感应电动势，因此又称为变磁阻式磁电传感器。 如图（a）所示为测量旋转角速度的旋转式变磁通式结构，则可得两磁轭2上相互串联的两个线圈中的感应电势e为：,磁电式传感器,2019/7/18,16,变磁通式磁电传感器 (1) 测量原理,磁电式传感器,如图（b）所示为测量振动的平移型变磁通式结构，结构及工作原理与变气隙式电感传感器相似。,2019/7/18,17,变磁通式磁电传感器 (2) 应用特性 变磁通式传感器结构简单，零点稳定，工作可靠。对环境条件要求不高，能在-15090的
6、温度工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。由于结构本身特点使其具有输出信号小、不宜测量高转速的缺点。,磁电式传感器,2019/7/18,18,变磁通式磁电传感器,磁电式传感器,2019/7/18,19,应用案例：磁脉冲式点火信号发生器,2019/7/18,20,磁电传感器的应用特点： 被测对象：动态被测量，如速度，加速度、振动等。 输出信号：电压信号输出，且输出功率大，故配用电路较简单。 零位及性能稳定。 具有双向转换功能，可构成力（矩）发生器和电磁激振器。,磁电式传感器,2019/7/18,21,磁电式驱动器 磁电式
7、传感器可以实现机-电能量的相互转换。 当用作传感器时，将机械能转换成电能，工作于发电机状态； 当用作驱动器时，将电能转换成机械能，工作于电动机状态。根据电磁力定律可知，载流导体在磁场中将会受到力的作用，可以制成各种类型电动机 (1) 基本原理,磁电式传感器,2019/7/18,22,直流电动机,2019/7/18,23,磁电式驱动器 (2) 应用特性 当线圈中通以交流电流时，磁电驱动器可作为激振器。根据简谐振动原理设计的电磁激振器，主要工作形式有动圈式和动铁式的两种。磁电驱动器输出频率低，一般为0200Hz，个别的产品可达到1000Hz。控制和安装形式可变、频率、振幅可调，具有大距离直线往复推
8、动动力的特点。,磁电式传感器,2019/7/18,24,应用案例：动圈式扬声器,2019/7/18,25,应用示例：压磁式力传感器,压磁式传感器,2019/7/18,26,测量原理 压磁式传感器(Piezomagnetic Sensor)又称磁弹性式传感器，是利用铁磁材料的磁弹性效应工作的传感器。 (1) 压磁效应和磁致伸缩效应 压磁效应：某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变，这种现象称为“压磁效应”。 磁致伸缩效应：某些铁磁物质在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现象称为“磁致伸缩效应”。,压磁式传感器,2019/7/18,27,测量原理 (1)
9、 压磁效应和磁致伸缩效应,压磁式传感器,铁磁材料的相对磁导率变化与应力之间的关系为：,2019/7/18,28,测量原理 (2) 压磁式传感器的测量原理 压磁式传感器是利用电磁感应原理，通过测量线圈的感应电动势的大小来实现被测量的测量。,压磁式传感器,压磁式测力传感器的压磁元件由具有正磁致伸缩效应的硅钢片粘叠而成。两组线圈互相垂直绕于压磁元件。一组接入交流激励电流；另一组接输出。当压磁元件感受应力，自身的磁导率发生变化，使激励线圈周围的磁力线发生畸变，致使其与感应线圈交链，因此在感应线圈中产生感应电动势。,2019/7/18,29,测量原理 (2) 压磁式传感器的测量原理,压磁式传感器,201
10、9/7/18,30,测量原理 (3) 应用特性 利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正效应或逆效应可以制作检测磁场、应变、位移、扭矩、压力和电流等的传感器敏感元件。 压磁式传感器输出的信号较大，一般不需放大。这种传感器具有输出功率大，抗干扰性能好，过载能力强，寿命长、维护方便、适宜在恶劣环境中可靠地运行等优点。,压磁式传感器,2019/7/18,31,测量原理 (3) 应用特性 由于超磁致伸缩材料在磁场作用下长度发生变化，发生位移而做功；在交变磁场作用下, 发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，将电磁能( 或电磁信号) 转换成机械能或声能( 或机械位移信息, 或声信息)，利用材料的磁致伸缩效应可制成
11、磁致伸缩执行器。 磁致伸缩执行器的基本工作原理：通过改变磁场的大小使磁致伸缩材料产生应变，从而产生力或位移。,压磁式传感器,2019/7/18,32,应用案例：非晶带加速度传感器,2019/7/18,33,应用案例：磁致伸缩执行器,2019/7/18,34,应用示例：,霍尔式传感器,2019/7/18,35,测量原理 霍尔式传感器(Hall Sensor)是基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输出的一种传感器。 (1) 霍尔效应,霍尔式传感器,霍尔效应：半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，当有电流I流过时，只要电流方向不与磁场方向重合，则在垂直于电流
12、和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。相应的电势称为霍尔电势UH。,2019/7/18,36,霍尔电势产生的实质： 运动电荷受到磁场中洛伦兹力的作用，是洛伦兹力和电场力综合作用的结果。,霍尔式传感器,测量原理 (1) 霍尔效应,2019/7/18,37,霍尔式传感器,测量原理 (1) 霍尔效应,2019/7/18,38,结构：霍尔元件的结构如图所示，由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成。,用来制造霍尔元件的半导体片，几何形状对输出的霍尔电势也有一定的影响。,霍尔式传感器,测量原理 (2) 霍尔元件,2019/7/18,39,不等位电势及其补偿 不等位电势：当磁感应强度
13、为零时，元件通以额定激励电流时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势，或者叫零位电势。,霍尔式传感器,测量原理 (3) 不等位电势和温度误差的补偿,2019/7/18,40,不等位电势及其补偿 产生原因： 由于制造工艺不可能保证将两个霍尔输出电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上。,其次，材料不均匀或者工艺不良等原因对不等位电势也有一定影响。 此外，因控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布也造成不等位电势输出。 补偿方法：电桥补偿方法。,霍尔式传感器,测量原理 (3) 不等位电势和温度误差的补偿,2019/7/18,41,温度误差及其补偿 霍尔电势、输入电阻、输出电阻也
14、都是温度的函数，从而在使用中产生温度误差。,霍尔式传感器,测量原理 (3) 不等位电势和温度误差的补偿,补偿方法： 采用温度系数小的元件； 根据精度要求进行温度误差补偿电桥补偿法,2019/7/18,42,霍尔传感器是以霍尔元件为核心构成的一种磁敏传感器，它是基于测量霍尔电势UH=(RH/d)IBsina进行工作的。参数电流I、磁场B、角度a中两个保持不变，只要被测量能够引起另一个参数变化就能使霍尔电势发生变化，通过测量霍尔电势的大小即可测得被测量大小。 I不变，VH正比于B：测量交、直流磁感应强度、磁场强度等，及可以转化为磁感应强度B的物理量，如位移、角度、转速和加速度等。 B不变，VH正比
15、于I：测量交、直流电流、电压等参数，及可以转换为电流变化的物理量。 测可以转换为乘法的物理量（如功率）。,霍尔式传感器,应用特性,2019/7/18,43,霍尔传感器测量位移及其应用,2019/7/18,44,应用案例(1)：霍尔式微压力传感器,2019/7/18,45,霍尔转速测量原理,2019/7/18,46,应用案例(2)：霍尔式角度传感器,2019/7/18,47,应用案例(3)：霍尔式点火信号发生器,2019/7/18,48,应用示例：热处理温控系统,热电偶传感器,2019/7/18,49,测量原理 热电偶传感器(Thermocouple)是热电式传感器的一种，其变换是基于金属的热电
16、效应，将温度变化转换为电势变化的传感器。 (1) 热电效应,热电偶传感器,热电效应：将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，如果两结点的温度T和T0不同，则在回路中有电势产生，形成一定大小的电流，这一现象称为热电效应或塞贝尔效应。相应的电势称为热电势，产生的电流称为热电流。,2019/7/18,50,(1) 热电效应 热电效应产生的热电势由两部分组成：接触电势（珀尔帖电势）和温差电势（汤姆逊电势）。 接触电势：当两种不同金属接触时，在接触处形成的电势，称为接触电势。,热电偶传感器,测量原理,2019/7/18,51,(1) 热电效应 温差电势：对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。,热电偶传感器,测量原理,2019/7/18,52,(1) 热电效应 回路热电势：,热电偶传感器,测量原理,2019/7/18,53,结论： 如果热电偶两电极材料相同，即NA=NB，A= B 则闭合回路的总热电势为零。因此，热电偶必须用两种不同材料作电极。 如果热电
