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1、传感器课件哈工大版2024-01-31目录CONTENTS传感器概述与基本原理电阻式传感器电容式传感器电感式传感器压电式传感器磁电式传感器光电式传感器其他类型传感器简介01传感器概述与基本原理CHAPTER传感器定义传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器作用传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，其性能好坏直接影响到整个系统的性能。传感器定义及作用按被测物理量分类，可分为热工量传感器、机械量传感器、物性传感器等；按工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式、
2、压电式、光电式等。传感器分类传感器具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等特点。传感器特点传感器分类与特点传感器的工作原理是通过敏感元件感受被测量的变化，然后通过转换元件将敏感元件感受到的被测量变化转换成电信号或其他形式的信号输出。传感器输出的信号一般比较微弱，需要经过放大、滤波、线性化等处理后才能满足后续电路的要求。工作原理简述信号处理工作原理应用领域传感器广泛应用于工业自动化、农业现代化、航空航天、环境监测、智能家居等领域。发展趋势随着物联网、人工智能等技术的不断发展，传感器正朝着更高精度、更高可靠性、更低功耗、更小体积等方向发展，同时，无线传感器网络、智能传感器等也成为研究
3、的热点。应用领域及发展趋势02电阻式传感器CHAPTER电阻应变片结构电阻应变片主要由敏感栅、基底、引线、覆盖层等部分组成。其中，敏感栅是应变片的核心部分，它能够感知外界应变并转换为电阻值的变化。电阻应变效应当导体或半导体材料在外界作用下产生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为电阻应变效应。电阻应变片种类根据敏感栅材料的不同，电阻应变片可分为金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类。电阻应变片原理及结构 电阻应变片测量电路直流电桥直流电桥是一种常用的电阻应变片测量电路，它通过比较应变片电阻与固定电阻的电压差来测量应变值。交流电桥交流电桥与直流电桥类似，但使用交流电源和相应的选频放大器，可
4、以消除温度对测量的影响。放大电路由于电阻应变片的输出信号通常很微弱，因此需要通过放大电路进行放大处理，以便于后续的信号处理和分析。温度误差由于电阻应变片的敏感栅材料具有温度系数，因此温度变化会引起电阻值的变化，从而产生测量误差。温度补偿方法为了减小温度误差，可以采取温度补偿措施，如采用自补偿应变片、桥路补偿法、热敏电阻补偿法等。温度补偿电路温度补偿电路是一种常用的温度补偿方法，它通过引入与温度变化相关的电信号来抵消温度对应变片测量的影响。电阻应变片温度误差及补偿扭矩测量在扭矩测量中，电阻应变片通常粘贴在扭矩传感器上，当传感器受到扭矩作用时，应变片会产生相应的应变并输出电信号进行测量。压力测量电
5、阻应变片广泛应用于各种压力测量场合，如液压、气压、重力等。通过合理设计应变片的结构和测量电路，可以实现高精度的压力测量。加速度测量在加速度测量中，电阻应变片通常粘贴在质量块上，当质量块受到加速度作用时，应变片会产生相应的应变并输出电信号进行测量。位移测量电阻应变片也可以用于位移测量，通过将应变片粘贴在位移传感器上，可以测量物体的位移量。典型应用案例分析03电容式传感器CHAPTER电容式传感器工作原理基于电容效应电容式传感器利用被测物理量（如位移、压力等）的变化引起电容量的变化，通过测量电容量来实现对被测物理量的检测。工作原理分类电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种，分别通过改变
6、两极板间的距离、相对覆盖面积和介质介电常数来引起电容量的变化。电桥电路是电容式传感器常用的测量电路之一，通过将传感器作为电桥的一个臂，利用电桥的平衡条件来测量电容量的变化。电桥电路调频电路将电容式传感器与振荡器相连，利用被测物理量引起的电容量变化来改变振荡器的频率，通过测量频率来实现对被测物理量的检测。调频电路运算放大器电路可将电容式传感器的微弱信号进行放大和处理，提高测量精度和灵敏度。运算放大器电路电容式传感器测量电路电容式传感器具有结构简单、动态响应快、分辨率高、温度稳定性好等优点；但同时也存在输出阻抗高、寄生电容影响大等缺点。特点电容式传感器广泛应用于位移、压力、加速度、液位等物理量的测
7、量，如汽车燃油油位传感器、电子秤重量传感器等。应用电容式传感器特点及应用位移传感器01电容式位移传感器通过测量两极板间距离的变化来实现对位移的检测，具有高精度、高稳定性等特点，广泛应用于机械加工、航空航天等领域。压力传感器02电容式压力传感器利用被测压力作用在弹性元件上引起电容量的变化来实现对压力的检测，具有灵敏度高、响应速度快等优点，常用于汽车轮胎压力监测、工业过程控制等场合。液位传感器03电容式液位传感器通过测量液体与电极之间的电容量来实现对液位的检测，具有结构简单、可靠性高等特点，广泛应用于石油化工、水处理等行业。典型应用案例分析04电感式传感器CHAPTERVS电感式传感器基于电磁感应
8、定律进行工作，通过测量线圈自感或互感的变化来检测物理量。工作原理分类根据工作原理不同，电感式传感器可分为自感式、互感式和涡流式三种类型。电磁感应定律电感式传感器工作原理123交流电桥是电感式传感器常用的测量电路之一，通过调节电桥平衡来测量电感或电阻的变化。交流电桥谐振电路利用电感线圈与电容组成的振荡回路，在谐振状态下测量电感或频率的变化。谐振电路相位差测量电路通过测量电感式传感器输出信号与参考信号之间的相位差来检测物理量。相位差测量电路电感式传感器测量电路特点电感式传感器具有结构简单、分辨率高、测量范围宽、抗干扰能力强等特点。应用领域电感式传感器广泛应用于位移、振动、压力、流量等物理量的测量，
9、适用于工业自动化、航空航天、汽车制造等领域。电感式传感器特点及应用位移测量压力测量流量测量转速测量典型应用案例分析利用电感式传感器测量物体的位移，如机床主轴的位移、汽车悬挂系统的振动位移等。通过测量流体在管道中流动时引起的电感量变化来检测流量，如涡街流量计中的电感式传感器。将压力变化转换为电感量的变化进行测量，如液压系统中的压力传感器。利用电感式传感器测量旋转物体的转速，如电机转速的测量。05压电式传感器CHAPTER03压电材料特性介绍压电材料的物理特性、化学特性以及机电耦合系数等参数，这些特性决定了压电式传感器的性能和应用范围。01压电效应指某些晶体在受到机械应力作用时，其内部会产生极化现
10、象，同时在晶体两端产生异号电荷的特性。02压电材料具有压电效应的材料，如石英、陶瓷、压电晶体等。这些材料在受到外力作用时，能够产生电荷或电压输出。压电效应及压电材料压电式传感器基于压电效应，通过测量压电材料产生的电荷或电压来检测外部力或压力的变化。工作原理概述介绍压电式传感器的结构组成，包括压电元件、质量块、支撑结构等部分，以及各部分之间的相互作用。传感器结构阐述压电式传感器如何将机械信号转换为电信号，并通过信号放大电路进行放大处理，以便于后续测量和记录。信号转换与放大压电式传感器工作原理测量电路组成介绍压电式传感器测量电路的主要组成部分，如电荷放大器、电压放大器、滤波器等，以及各部分的功能和
11、作用。电路调试与校准阐述压电式传感器测量电路的调试方法和校准步骤，以确保测量结果的准确性和可靠性。等效电路模型建立压电式传感器的等效电路模型，包括压电元件的等效电容、等效电阻以及外部电路的连接方式等。压电式传感器测量电路典型应用案例分析案例分析一案例分析四案例分析二案例分析三介绍压电式传感器在力学量测量方面的应用，如压力、加速度、振动等物理量的测量方法和案例分析。阐述压电式传感器在声学领域的应用，如声波检测、语音识别等方面的应用案例和技术原理。探讨压电式传感器在生物医学领域的应用，如血压监测、心脏起搏器等方面的应用案例和技术进展。分析压电式传感器在工业自动化领域的应用，如机器人触觉感知、设备状
12、态监测等方面的应用案例和解决方案。06磁电式传感器CHAPTER磁场是由磁体产生的，具有方向性和强弱性，可以用磁感线描述。磁场基本概念磁电效应霍尔效应指磁场与导体或半导体材料相互作用，产生电动势或电阻变化的现象。当导体在磁场中作垂直方向运动时，会在导体两端产生电势差，即霍尔电势。030201磁场与磁电效应基础磁电感应原理利用磁场与线圈之间的相对运动，产生感应电动势进行测量。霍尔元件工作原理基于霍尔效应，将磁感应强度转换为电压信号进行测量。磁阻效应原理利用磁场对铁磁材料的磁化作用，改变材料的电阻率进行测量。磁电式传感器工作原理信号调理电路对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波等处理，提高测量精度。
13、接口电路将传感器信号转换为适合数据采集系统处理的信号形式。磁电式传感器等效电路包括内阻、感应电动势等参数，用于分析传感器的工作特性。磁电式传感器测量电路利用磁电式传感器测量旋转物体的转速，如汽车轮速传感器等。转速测量通过测量磁场变化来推算物体的位移量，如线性位移传感器等。位移测量利用磁场与电流之间的相互作用，测量导体中的电流强度。电流测量将力转换为磁场变化进行测量，如磁力计等。力测量典型应用案例分析07光电式传感器CHAPTER光电效应光照在物质上，引起电子从束缚状态进入自由状态，从而产生电流的物理现象。光电元件基于光电效应原理，将光信号转换为电信号的器件，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管等
14、。光电元件特性包括光谱响应、灵敏度、暗电流、响应时间等参数，决定了元件的性能和应用范围。光电效应及光电元件工作原理光电式传感器利用光电元件将光信号转换为电信号进行传输和处理。根据测量对象和测量环境的不同，可选择不同的光电元件和测量电路。测量方式根据被测物体的不同特性，光电式传感器可采用透射式、反射式、遮挡式等不同的测量方式。信号处理传感器输出的电信号通常需要进行放大、滤波、整形等处理，以便于后续的数据采集和分析。光电式传感器工作原理光电式传感器测量电路测量电路组成光电式传感器的测量电路通常由光源、光电元件、信号处理电路和输出电路等部分组成。光源选择根据被测物体的特性和测量环境的要求，选择合适的
15、光源，如发光二极管、激光器等。信号处理电路包括放大电路、滤波电路、整形电路等，用于对光电元件输出的微弱电信号进行放大和处理，提高信号的稳定性和可靠性。输出电路将处理后的电信号转换为标准信号输出，便于后续的数据采集和分析。光电式传感器在工业自动化中的应用如光电开关、光电计数器、光电编码器等，用于实现物体的检测、定位、计数等功能。如光电烟雾报警器、光电浊度计等，用于对环境中的烟雾、浊度等参数进行监测和报警。如光电血氧仪、光电心率监测仪等，用于对人体生理参数进行监测和诊断。如光电光谱仪、光电干涉仪等，用于对物质的光学性质进行研究和分析。光电式传感器在环境监测中的应用光电式传感器在医疗领域的应用光电式
16、传感器在科学研究中的应用典型应用案例分析08其他类型传感器简介CHAPTER类型与特点热电偶传感器具有结构简单、测量范围广、精度高等特点，常用于高温测量。应用领域热电偶传感器广泛应用于冶金、化工、陶瓷等行业的温度测量与控制。工作原理热电偶传感器基于热电效应原理工作，通过测量两种不同导体组成的闭合回路中的温差电动势来测量温度。热电偶传感器超声波传感器工作原理超声波传感器利用超声波在介质中的传播特性，通过测量超声波的发射与接收时间差来计算距离或检测物体。类型与特点超声波传感器具有非接触式测量、响应速度快、抗干扰能力强等特点。应用领域超声波传感器广泛应用于距离测量、液位检测、无损检测等领域。辐射式传感器通过测量物体发射或反射的辐射能量来检测物体的温度或成分等参数。工作原理辐射式传感器具有非接触式测量、响应速度快、适用于高温环境等特点。类型与特点辐射式传感器广泛应用于钢铁、陶瓷、玻璃等行业的温度测量与控制，以及环境监测等领域。应用领域辐射式传感器技术发展趋势智能传感器技术将朝着微型化、集成化、智能化、网络化等方向发展，实现更精准、更可靠的测量与控制。应用前景展望智能传感器将在工业自动化、智能家
