第四章 发动机传感器

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1、第四章、传感器测量原理第四章、传感器测量原理本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌握常用传感器测量原理及应用掌握常用传感器测量原理及应用3.3.了解传感器后续处理电路了解传感器后续处理电路4.1 4.1 概述概述1.1.传感器的基本概念传感器的基本概念定义：定义：传感器是一种把特定的传感器是一种把特定的被测信息量被测信息量按照按照一定规律转换成为一定规律转换成为可用信号可用信号输出的器件输出的器件或装置。或装置。被测量：位移、（角）速度、加速度、力被测量：位移、（角）速度、加速度、力（压力）、高度、扭矩（压力）、高度、扭矩R例：热敏电阻例：热敏电阻：温

2、度变温度变化化-电阻变化电阻变化传感器：传传感器：传-传递信息；感传递信息；感-感受被测量；感受被测量；器器-器件器件可用信号：便于处理和传输的非噪声信号可用信号：便于处理和传输的非噪声信号（电信号、光信号（电信号、光信号）1-弹簧管弹簧管2-电位器电位器图图4-1传感器传感器组成框图组成框图2 2、传感器的构成型式、传感器的构成型式举例：测量压力的电位器式压力传感器举例：测量压力的电位器式压力传感器是传感器的核心是传感器的核心弹性敏感元件（弹簧管）弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电

3、量。测量有确定关系、更易于转换的非电量。弹性敏感元件（弹簧管）弹性敏感元件（弹簧管）在下图中，弹簧管将压力转换为角位移在下图中，弹簧管将压力转换为角位移弹簧管放大图弹簧管放大图当被测压力当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量参量在右图中，在右图中，电电位器为传感元件位器为传感元件，它将角位移转换它将角位移转换为电参量为电参量-电电阻的变化（阻的变化（R）3、分类、分类汽车上使用的

4、传感器的种类很多，一般可按汽车上使用的传感器的种类很多，一般可按以下几种方法分类：以下几种方法分类：1）根据输入物理量可分为：根据输入物理量可分为：位移传感器位移传感器压力传感器压力传感器速度传感器速度传感器温度传感器温度传感器扭矩传感器等。扭矩传感器等。2 2）根据工作原理可分为：）根据工作原理可分为：电阻式传感器电阻式传感器电感式传感器电感式传感器电容式传感器电容式传感器电动势式传感器等。电动势式传感器等。3）根据输出信号的性质可分为：根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器模拟式传感器数字式传感器数字式传感器4 4）根据能量转换原理可分为：）根据能量转换原理可分为：有源传感器、等。有源传感

5、器、等。无源传感器。、等。无源传感器。、等。4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种是把被测量转换为电阻变化的一种传感器传感器, ,按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :电位器式（电位计式）、电位器式（电位计式）、电阻应变式电阻应变式.一、电位器式传感器一、电位器式传感器等效电路分析等效电路分析: :xL4.2电阻式传感器电阻式传感器L-L-变阻器总长变阻器总长; ;x-x-电刷移动量电刷移动量. .R-R-总电阻总电阻; ; RxRx电刷电阻电刷电阻; ;EE1Lx=RRx=EE1E1=E/L*x4.2电阻式传感器电阻式传感器0LEE

6、1xE1=E/L*x如何获得电压如何获得电压呢？呢？4.2电阻式传感器电阻式传感器EE1V VRmRxR-Rxm:电压表的内电压表的内阻（输入电阻）阻（输入电阻）E1=(Rx/Rm)(R-Rx+(Rx/Rm)*E考虑负载效应考虑负载效应情况下：情况下：4.2电阻式传感器电阻式传感器1EE1= =xLRmR+ +Lx()-0LE怎么减小负载效应的影响呢？怎么减小负载效应的影响呢？希望希望Rm越大越好！（电越大越好！（电压表的输入阻抗）压表的输入阻抗）应用：应用：1、线位移、角位移的测量。、线位移、角位移的测量。比如：加速踏板位置传感器比如：加速踏板位置传感器、夜面高度、夜面高度比如：油量表。比如

7、：油量表。特点特点一般实现较大物理量的测量，价格便宜但精一般实现较大物理量的测量，价格便宜但精度不高。度不高。二、电阻应变片式传感器二、电阻应变片式传感器1、电阻应变片的变换原理、电阻应变片的变换原理结构：结构：变换原理变换原理:金属电阻丝在外力作用下产生机械变形时，其电阻率金属电阻丝在外力作用下产生机械变形时，其电阻率、长度长度l和截面积和截面积A都将发生相应的变化，从而引起电阻值发都将发生相应的变化，从而引起电阻值发生变化，这种现象称为生变化，这种现象称为电阻应变效应电阻应变效应。1-引出线引出线2,4基底基底3-电阻丝电阻丝上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起

8、电阻变化, ,求导数求导数代入代入4.2电阻式传感器电阻式传感器有：有：当敏感元件为金属丝时：当敏感元件为金属丝时：金属丝体积不变：金属丝体积不变：4.2电阻式传感器电阻式传感器对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：电阻丝纵向应变，电阻丝纵向应变，dl/l当敏感元件为当敏感元件为半导体时：半导体时：4.2电阻式传感器电阻式传感器简化为：简化为：为与材料有关的压阻系数；为与材料有关的压阻系数；E为电阻材料的弹性模量。为电阻材料的弹性模量。半导体应变片一般比金属丝电阻应变片的灵敏度半导体应变片一般比金属丝电阻应变片的灵敏度大几十倍，大几十倍，表示由于材料电阻率的变化而引起电阻表示由于材料

9、电阻率的变化而引起电阻的相对变化量的相对变化量。应变片的种类和结构应变片的种类和结构（1 1）金属丝电阻应变片）金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片是将直径金属丝电阻应变片是将直径0.0120.05mm的的电阻丝绕制或焊接成栅形，粘结在绝缘基底上并电阻丝绕制或焊接成栅形，粘结在绝缘基底上并覆盖保护层而制成的。覆盖保护层而制成的。金属丝电阻应变片制作简单，价格便宜。金属丝电阻应变片制作简单，价格便宜。 （2 2）金属箔式电阻应变片）金属箔式电阻应变片如图如图 c) ，利用，利用现代照相制版，光刻腐蚀技术现代照相制版，光刻腐蚀技术在绝缘在绝缘基底上将厚基底上将厚0.0010.01mm的金属箔片制成各种

10、需要的的金属箔片制成各种需要的形状，就得到各种金属箔式电阻应变片。与金属电阻丝形状，就得到各种金属箔式电阻应变片。与金属电阻丝应变片相比较，箔式应变片线条均匀，电阻值偏差小，应变片相比较，箔式应变片线条均匀，电阻值偏差小，能通过较大的电流，并且便于大量生产。能通过较大的电流，并且便于大量生产。 如图如图 e ) ，直接用单晶硅、单晶锗等半导体，直接用单晶硅、单晶锗等半导体材料切割、光刻成的单条状敏感栅。也可以在材料切割、光刻成的单条状敏感栅。也可以在半导体材料上扩散杂质而获得扩散型敏感栅。半导体材料上扩散杂质而获得扩散型敏感栅。其主要优点其主要优点是灵敏度高，机械滞后和横向效应是灵敏度高，机械

11、滞后和横向效应小。小。其缺点其缺点是灵敏度易受外载荷的影响，因而离散是灵敏度易受外载荷的影响，因而离散度大温度稳定性也较差度大温度稳定性也较差。3）半导体应变片）半导体应变片4.2电阻式传感器电阻式传感器、应变片测量电路、应变片测量电路VER1R2RR3电桥电桥金属应变片的电阻变金属应变片的电阻变化范围很小，如果直化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困阻值的变化将十分困难，且误差很大。难，且误差很大。4.2电阻式传感器电阻式传感器4 4、电阻应变式传感器的应用：、电阻应变式传感器的应用：测力测力电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量电阻应变式传感器主要由电阻应

12、变片及测量转换电路等组成转换电路等组成。应变式力传感器应变式力传感器 FFFF荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上荷重传感器上的应变片在重的应变片在重力作用下产生力作用下产生变形。轴向变变形。轴向变短，径向变长。短，径向变长。 电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一人体秤人体秤 吊钩秤吊钩秤 便携式便携式案例：案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。4.2电阻式传感器电阻式传感器悬臂梁式、柱式方式测量力的特点：悬臂梁式、柱式方式测量力的特点：悬

13、臂梁式测量灵敏度高、但只适合较小力的悬臂梁式测量灵敏度高、但只适合较小力的测量。测量。柱式测量灵敏度较低，但可测量很大的力。柱式测量灵敏度较低，但可测量很大的力。比如：地秤。比如：地秤。弯矩弯矩由于弯矩由于弯矩测得弯矩后，也就知道力的大小。测得弯矩后，也就知道力的大小。应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转换、英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。

14、峰值保持、自动断电等功能。4.2电阻式传感器电阻式传感器测扭矩测扭矩比如：制动扭矩传感器、转向力矩传感器。比如：制动扭矩传感器、转向力矩传感器。最大剪应力最大剪应力测量液体或气体压力测量加速度测量加速度惯性力惯性力ma应用在：空气气囊、安全带中采用应变式加速度应用在：空气气囊、安全带中采用应变式加速度传感器。传感器。电阻应变式传感器电阻应变式传感器在汽车测试上的应用：在汽车测试上的应用：1、测量汽车制动时的制动扭矩传感器。测量汽车制动时的制动扭矩传感器。2、汽车轴、梁所受的载荷大小（测力）。、汽车轴、梁所受的载荷大小（测力）。例如在汽车转向试验台上测量汽车转向所受的例如在汽车转向试验台上测量汽

15、车转向所受的转向阻力大小。转向阻力大小。3、主油缸压力传感器。、主油缸压力传感器。4、进气压力传感器。、进气压力传感器。5、汽车转向扭矩传感器。、汽车转向扭矩传感器。6、加速度传感器（用在空气气囊、安全、加速度传感器（用在空气气囊、安全带中带中）第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理4.3 4.3 电容式传感器电容式传感器1 1、变换原理、变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为它的电容量为: :+ A:相相对面积对面积 :介电常数介电常数、A A或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电容

16、的变化。电容的变化。4.3电容式传感器电容式传感器a)a)极距极距变化型变化型+变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，较小时，它的测量范围变大还是变小？它的测量范围变大还是变小？a）结构示意图结构示意图b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1定极板定极板2动极板动极板b)b)面积变化型面积变化型角位移型角位移型+4.3电容式传感器电容式传感器平面线位移型平面线位移型4.3电容式传感器电

17、容式传感器柱面线位移型柱面线位移型. .4.3电容式传感器电容式传感器c) c) 介质变化型介质变化型4.3电容式传感器电容式传感器2 2、测量电路、测量电路a)a)电桥电路电桥电路 （调幅）（调幅）4.3电容式传感器电容式传感器b) b) 谐振电路谐振电路 （调频）（调频）4.3电容式传感器电容式传感器c) c) 运算放大器电路运算放大器电路4.3电容式传感器电容式传感器可见这时电压输出与间隙成线性关系。3、应用：、应用：测量力、位移、夜面高度、振动、加速度等等。测量力、位移、夜面高度、振动、加速度等等。在汽车上的应用：在汽车上的应用：1、静电电容式燃油性质传感器、静电电容式燃油性质传感器汽

18、油成分变化时，介电常数变化很小，汽油成分变化时，介电常数变化很小，而甲醇而甲醇成分变化时，介电常数变化很大。成分变化时，介电常数变化很大。2、测量汽车油箱的油面高度。、测量汽车油箱的油面高度。3、碰撞加速度传感器、碰撞加速度传感器第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理4.4 4.4 电感式传感器电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 1 1

19、 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式1-1-线圈线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-底座底座 6 6、7- 7- 工件工件 基本工作原理基本工作原理则则自感系数自感系数L与气隙与气隙成反比，与气隙导磁面积成反比，与气隙导磁面积A0成成正比。若固定正比。若固定A0，改变，改变，这就是常用的，这就是常用的变气隙变气隙电感式传感器电感式传感器。为减少非线性，这种传感器一般只适用于为减少非线性，这种传感器一般只适用于0.0011mm范围的小位移测试。范围的小位移测试。常采用差动式连接，常采用差动式连接，其输出灵敏度可提高一倍，其输出灵敏度可提高一倍，且可改善其非线性特性

20、。且可改善其非线性特性。一般只适合用于低频测量。一般只适合用于低频测量。差差动电感感传感器的特点感器的特点 曲曲线1 1、2 2为L1L1、L2 L2 的特的特性，性，3 3为差差动特性（曲特性（曲线1-1-曲曲线2 2） 在在变隙式差隙式差动电感感传感感器中，当器中，当衔铁随被随被测量移量移动而偏离中而偏离中间位置位置时，两个，两个线圈的圈的电感量一个增加，一个感量一个增加，一个减小，形成差减小，形成差动形式。形式。 1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 差动变隙式差动变隙式 差动螺线管式差动螺线管式 差动式电感传感器的特点差动式电

21、感传感器的特点从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。感传感器的两倍。从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。小了测量误差。2 2 电涡流式电涡流式原理原理: :涡流效应。涡流效应。4.4电感式传感器电感式传感器 当线圈中流过高频

22、交变电流当线圈中流过高频交变电流i i，并且让，并且让 线圈靠近线圈靠近金属导体时，线圈中产生交变磁通金属导体时，线圈中产生交变磁通，此交变磁，此交变磁通使邻近的金属板表面产生感应电流通使邻近的金属板表面产生感应电流i1i1。这种感。这种感应电流在金属体内是闭合的，故称应电流在金属体内是闭合的，故称“涡电流涡电流”。涡电流也将产生交变磁通涡电流也将产生交变磁通11，并与线圈磁通，并与线圈磁通相相互作用，从而使线圈的等效阻抗互作用，从而使线圈的等效阻抗Z Z发生变化发生变化 。4.4电感式传感器电感式传感器4.4电感式传感器电感式传感器干净、干净、高效的高效的电磁炉电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁

23、炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流通过励高频电流通过励磁线圈，产生磁线圈，产生交变磁场，在交变磁场，在铁质锅底会产铁质锅底会产生无数的电涡生无数的电涡流，使锅底自流，使锅底自行发热，烧开行发热，烧开锅锅 内内 的的 食食 物物。大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 当有金属物当有金属物体穿越安检体穿越安检门时报警门时报警油管探伤油管探伤测量电路测量电路1)1) 调幅电路调幅电路石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz(100kHz1MHz）用）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引于激励电涡流线圈。金

24、属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压最终输出的直流电压U Uo o反映了金属体对电涡流线圈的影响反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。（例如两者之间的距离等参数）。2）调频（调频（FMFM）式电路）式电路(100kHz1MHz）当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感改变时，电涡流线圈的电感量量L也随之改变，引起也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要

25、用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将鉴频器，将 f转换为电压转换为电压 Uo。3 3 互感型互感型-差动变压器差动变压器工作原理工作原理: :互感现象互感现象.EwEout4.4电感式传感器电感式传感器差动变压器差动变压器测量电路测量电路4.4电感式传感器电感式传感器4.5 4.5 磁电式传感器磁电式传感器1.1.变换原理变换原理: : 基于电磁感应原理，将被测的非电量转换为感基于电磁感应原理，将被测的非电量转换为感应电动势。应电动势。当线圈在磁场中运动会产生感应电动势当线圈在磁场中运动会产生感应电动势e:e:B-B-磁场强度磁

26、场强度, Rm-, Rm-磁阻、磁阻、v-v-线圈运动速度线圈运动速度,N-,N-线圈线圈的匝数。的匝数。2 2 分类分类磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型线速度型线速度型测速电机测速电机动圈式传感器动圈式传感器 角速度型角速度型磁阻式传感器磁阻式传感器可以用来测量转速可以用来测量转速如何测量转速：如何测量转速：磁电式转速传感器输出波形磁电式转速传感器输出波形：3、应用、应用可测量线速度、角速度（转速）、扭矩可测量线速度、角速度（转速）、扭矩等。等。磁电式扭矩传感器：磁电式扭矩传感器：4.6 4.6 压电式传感器压电式

27、传感器1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应+某些物质，如某些物质，如石英晶体、压电陶瓷或高分子压石英晶体、压电陶瓷或高分子压电材料电材料，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电压电效应。效应。+串联串联(输出为电压）输出为电压）+并联并联(输出为电荷）输出为电荷）F+q=DF4.6压电式传感器压电式传感器2 2、测量处理电路、测量处理电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传压

28、电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可接后续装置。过阻抗变换后，方可接后续装置。 前置放大器有：前置放大器有：电压放大器电压放大器 高输入阻抗的比例放大器，其电高输入阻抗的比例放大器，其电路比较简单，输出与输入成正比，但还受到连接路比较简单，输出与输入成正比，但还受到连接电缆对地电容的影响，电缆对地电容的影响，现已很少使用现已很少使用。适用于串适用于串联式压电传感器联式压电传感器。电荷放大器电荷放大器 目前常采用，可以不考虑电缆电容目前常采用，可以不考虑电缆电容的影响。的影响。适用于并联式

29、压电传感器适用于并联式压电传感器。 3、应用、应用压力变送器压力变送器力传感器力传感器4.6压电式传感器压电式传感器可用来测量力、加速度等。可用来测量力、加速度等。加速度计加速度计压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器压电式跳舞毯压电式跳舞毯玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置将高分子压电测将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。粘贴粘贴位置位置将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单

30、双轮胎）、车速监类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。交通监测交通监测高分子压高分子压电电缆的电电缆的应用演示应用演示将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。4.7

31、 4.7 霍尔传感器霍尔传感器 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 1 1、变换原理、变换原理: :霍尔效应霍尔效应 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。霍尔转速传感器输出波形霍尔转速传感器输出波形2 2、应用、应用 测量位移、力、加速度、转速等等。测量位移、力、加速度、转速等等。 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过

32、霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。出为低电平。霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 无磨损、点火时间准确、高速时动力足。无磨损、点火时间准确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图1-1-触发器叶片触发器叶片2- -槽口槽口3- -分电器转轴分电器转轴4- -永久磁铁永久磁铁5- -霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNP型霍尔型霍尔IC）a a）带缺口的触发器叶片）带缺口的触发器叶片b）触

33、发器叶片与永久磁铁及霍尔集成）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系电路之间的安装关系 c c）叶片位置与点火正时的关系）叶片位置与点火正时的关系 UGN350lT是一种开关型霍尔元件集成电路芯是一种开关型霍尔元件集成电路芯片，可检测黑色金属的有无片，可检测黑色金属的有无。4.8 4.8 温度传感器温度传感器1.1.双金属温度计双金属温度计 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。化转换成机械量变化。优点：优点：结构简单结构简单牢固牢固可靠可靠防

34、爆防爆2. 2. 热电温度计热电温度计( (热电偶热电偶) ) 热电效应热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。T0T1U（T1-T0)3 3 半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器 半导体热敏电阻半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，一般它具有负的电阻温度

35、系数，随温度上升导体，一般它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。而阻值下降。 RT温控器温控器应用应用汽车发动机传感器汽车发动机传感器水温感应塞水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等4 4、金属热电阻、金属热电阻 温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，碍增大，宏观上表现出电阻率变大宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势

36、相同。趋势相同。易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻 汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻4.传感器原理传感器原理4.9 4.9 光电传感器光电传感器 P53P53 光电传感器是指能将光能转化成电信号的器件。光电传感器是指能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的其工作原理是基于一些物质的光电效应。光电效应。 1类型类型 半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子- -空穴对空穴对, ,使其导电性能增强使其导电性能增强, ,光线愈强，阻值愈低，这种光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率

37、发生变化的现象光照后电阻率发生变化的现象, ,称为称为内光电效应内光电效应。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时，阻值减小。阻值减小。光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻受当光敏电阻受到光照时，光到光照时，光生电子生电子空穴空穴对增加，阻值对增加，阻值减小，电流增减小，电流增大。大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）光敏二极管光敏二极管 将光敏二极管的将光敏二极管的PN PN 结设结设置在透明管壳顶部的正置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二下方，光照射到光敏二极管的极管的PNPN结时，电子结时，电子-

38、 -空空穴对数量增加，光电流穴对数量增加，光电流与照度成正比。与照度成正比。 光敏三极管光敏三极管 光敏三极管有两个光敏三极管有两个PNPN结。与普通三极管结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正，只有正负（c c、e e）两个引脚，所以其外型与光敏二极）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外管相似，从外观上很上很难区区别。 光敏三极管外形光敏三极管外形 光电池光电池 光光生生伏伏特特效效应应指指半半导导体体材材料料P-NP-N结结受受到到光光照照后后产产生生一一定定方

39、方向向的的电电动动势势的的效效应应。以以可可见见光光作作光光源源的光电池是常用的光生伏特型器件。的光电池是常用的光生伏特型器件。+-PN2应用应用 光光电电传传感感器器在在工工业业上上的的应应用用可可归归纳纳为为辐辐射射式式( (直直射射式式) )、吸吸收收式式、遮遮光光式式、反反射射式式、四四种种基本形式。基本形式。 测亮度测亮度.P54图图4-45烟尘浊度检测仪烟尘浊度检测仪.测转速、位置检测等，光电开关。测转速、位置检测等，光电开关。图图4-47（a)遮断式光电开关原理遮断式光电开关原理ObjectReceiver遮遮断断式式光光电电开开关关由由相相互互分分离离且且相相对对安安装装的的光

40、光发发射射器器和和光光接接受受器器组组成成。当当被被检检测测物物体体位位于于发发射射器器和和接接受受器器之之间间时时，光光线线被被阻阻断断，接接受受器器接接受受不不到到红红外外线线而而产产生生开开关关信号。信号。被检测物体光发射器光接收器宽度宽度测量测量长度长度测量测量高度高度测量测量图图4-47（b)案例：案例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LEDLED与光敏晶体管组合来与光敏晶体管组合来 测量位移。测量位移。齿齿 盘盘 每每转转过过一一个个齿齿，光光电电断断续续器器就就输输出出一一个个脉脉冲冲。通通过过脉脉冲冲频频率率的的测测量量或或脉脉冲冲计计数数，即即可可获获得得齿齿盘盘转转速速和和

41、角位移。角位移。光电断续器光电断续器n当当工工件件经经过过光光电电断断续续器器时时，接接收收器器即即产产生生一一个个计计数数脉冲。脉冲。4.10 4.10 超声波传感器超声波传感器第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理一、一、超声波超声波及其特点及其特点频率高于频率高于20kHz的机械振动波称为超声的机械振动波称为超声波。波。它的指向性很好，能量集中它的指向性很好，能量集中，因此穿透，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折空气

42、的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。就愈好。 4.11 4.11 超声波传感器超声波传感器二、超声波探头二、超声波探头又称超声波换能器。超声波换能器的工作原理有又称超声波换能器。超声波换能器的工作原理有压电式、电磁式等数种。压电式、电磁式等数种。 压电式超声波探头工作原理压电式超声波探头工作原理 将将数百伏数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效逆压电效应应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶

43、片时，利用压电效应，将机械振动波被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。转换成同频率的交变电荷和电压。接触式直接触式直探头原理探头原理超声脉冲电压输超声脉冲电压输入端入端 接地端接地端空气超声探头空气超声探头 a a）超声发射器超声发射器 b b）超声接收器）超声接收器 1 1外壳外壳 2 2金属丝网罩金属丝网罩 3 3锥形共振盘锥形共振盘 4 4压电晶片压电晶片 5 5引脚引脚 6 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7 7超声波束超声波束 空气超声探头（续）空气超声探头（续） 三、超声波传感器的应用三、超声波传感器的应用 当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧

44、时，当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。警器、接近开关等。 超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。伤以及测厚等。 超声波传感器应用举例超声波传感器应用举例 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）质量检查质量检查紧固件的安装错误检测紧固件的安装错误检测叠放叠放高度测

45、量高度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）物物件放置错误检测件放置错误检测超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制透明塑料张力控制机械手定机械手定位位超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）纸卷直径检测纸卷直径检测超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）平整度测量平整度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）超长距离检测超长距离检测超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）流水线计数流水线计数超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）超

46、声波多普勒测量车速超声波多普勒测量车速多普勒效应多普勒效应前进方向的频前进方向的频率升高率升高如果波源和观察如果波源和观察者之间有相对运动，者之间有相对运动，那么观察者接收到的那么观察者接收到的频频率率和波源的频率就和波源的频率就不相同了，这种现象不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测叫做多普勒效应。测出出 f 就可得到运动速就可得到运动速度。度。超声波多普勒测量风速超声波多普勒测量风速风风引起超声波的频率风引起超声波的频率变大或变小变大或变小超声波测距超声波测距空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从反射

47、回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘，再乘以空气的声速（以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以所经历的路程，除以2就得到距离就得到距离。超声波测厚超声波测厚双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间射超声波脉冲到接收超声波脉

48、冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就，就得到厚度得到厚度 ：超声波测厚超声波测厚石料测厚石料测厚超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚混凝土测厚木材测厚木材测厚小提琴小提琴木料测厚木料测厚双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理在液罐上方安装空气传导型在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的波的往返时间，就可测得液体的液面。液面。超声波液位

49、计原理超声波液位计原理1液面液面2直管直管3空气超声探头空气超声探头4反射小板反射小板5电子开关电子开关超声防盗报警器超声防盗报警器图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率出频率f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移而发生频率偏移 f。便携式超声波便携式超声波探鱼器探鱼器超声波在医学检查中的应超声波在医学检查中的应用用 胎儿的胎儿的 B B超

50、影像超影像超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器超声换能器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物4.14.11 传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。的问题。 1 1、灵敏度、灵敏度一一般般说说来来，传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高越越好好，但但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题； b)b)量程范围。量程范围。 2 2 响应特性响应

51、特性 传传感感器器的的响响应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，保持不失真的测量条件。保持不失真的测量条件。 实实际际上上传传感感器器的的响响应应总总不不可可避避免免地地有有一一定定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。延迟，但总希望延迟的时间越短越好。 3 3 线性范围线性范围 任任何何传传感感器器都都有有一一定定线线性性工工作作范范围围。在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系，线线性性范范围围愈愈宽宽，则则表表明明传传感感器器的的工工作作量量程程愈愈大大。传传感感器器工工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件

52、。 第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理4 4 稳定性稳定性稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期使使用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能。影影响响传传感感器器稳稳定性的因素是时间与环境。定性的因素是时间与环境。5 5 精确度精确度 传传感感器器的的精精确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测量的对应程度。测量的对应程度。 第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理6 6 测量方式测量方式 传传感感器器工工作作方方式式，也也是是选选择择传传感感器器时时应应考考虑虑的的重重要要因因素素。例例如如，接接触触与与非非接接触触测测量量

53、、破破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理结束结束相位差传感方式来检测扭矩的扭矩传感器的结构和测量原理图，这种传感器具有高精度，高重复性的特点。其测量原理为：在受扭轴的两端各安上一个齿轮，对着齿面再各装一个电磁传感器，从传感器上就能感应出两个与动力轴非接触的交流信号。取出其信号的相位差，在这两个相位差之间，插入由晶体震荡器产生的高精度，高稳定的时钟信号。以这个时钟信号为基准，巧妙运用数字信号处理技术就能精确地测出所承受的扭矩。应变片的性能参数：应变片的性能参数：1.电阻值电阻值60欧、120欧、350欧、600

54、欧和1000欧等，其中120欧姆用得最多2.灵敏度灵敏度3.允许电流允许电流4.应变极限等。应变极限等。变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式 当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔ICIC面前时，面前时，PNPPNP型霍尔型霍尔ICIC的输出为低电平，的输出为低电平，经反相后晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大经反相后晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。 汽车电子点火电路及波形汽车电子点火电路及波形 1点火开关点火开关

55、2达林顿晶体管功率开关达林顿晶体管功率开关3点火线圈低压侧点火线圈低压侧4点火线圈铁心点火线圈铁心5点火线圈高压侧点火线圈高压侧6分火头分火头7火花塞火花塞 a a）电路）电路b）霍尔）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形及点火线圈高压侧输出波形当叶片槽口当叶片槽口转到霍尔转到霍尔IC面前面前时，霍尔时，霍尔IC输出输出跳变为高电平，跳变为高电平，经反相变为低电经反相变为低电平，达林顿管截平，达林顿管截止，切断点火线止，切断点火线圈的低压侧电流。圈的低压侧电流。由于没有续流元由于没有续流元件，所以存储在件，所以存储在点火线圈铁心中点火线圈铁心中的磁场能量在高的磁场能量在高压侧感应出压侧感应出305

56、0kV的高电压。的高电压。 4.9气敏电阻传感器气敏电阻传感器 气敏气敏电阻品种繁多，主要有可阻品种繁多，主要有可测量量还原性气体原性气体和和测量氧气浓度的两大类。测量氧气浓度的两大类。 把把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。再转换为电流、电压信号。 一、还原性气体传感器一、还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然例

57、如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。气、氢气等。 烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管酒精传感器的选择性酒精传感器的选择性 气敏半导体的灵敏度特性曲线气敏半导体的灵敏度特性曲线二、氧浓度传感器二、氧浓度传感器 半导体材料半导体材料二氧化钛（二氧化钛（TiO2）属于属于N型半导体，型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。氧气浓度。当周围氧气浓度较大时当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。使其电阻值增大。汽车尾气分析汽车尾气分析