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1、2022-5-81( 传感器定义、组成及分类传感器定义、组成及分类( 电参量型传感器电参量型传感器( 电量型传感器电量型传感器( 光电式传感器光电式传感器( 光纤传感器光纤传感器( 数字式传感器数字式传感器2022-5-82&电量型传感器是输出为电量，即电压、电流或电荷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。的传感器的总称。&电量型传感器有的属于电量型传感器有的属于自源型自源型，如热电偶传感器、，如热电偶传感器、压电传感器、光电池等；有的属于压电传感器、光电池等；有的属于带激励源型带激励源型( (辅助能辅助能源型，辅助能源可以是电源，也可以是磁源源型，辅助能源可以是电源，也
2、可以是磁源) )，如磁电，如磁电式、压磁式、霍尔式传感器，差动变压器式传感器、式、压磁式、霍尔式传感器，差动变压器式传感器、透射式电涡流传感器等。透射式电涡流传感器等。以上两种类型，由于其转换元件起着能量转换的以上两种类型，由于其转换元件起着能量转换的作用，故有时又统称为作用，故有时又统称为“能量转换型能量转换型”。 2022-5-83&电压输出型传感器电压输出型传感器&电荷输出型传感器电荷输出型传感器&电量型传感器测量电路电量型传感器测量电路2022-5-84& 磁电式传感器磁电式传感器& 压磁式传感器压磁式传感器& 霍尔式传感器霍尔式传感器& 热电偶传感器热电偶传感器&被测量变化能引起传感
3、器输出电压值变化的传感器称为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解调信号进行解调( (如输出为调制波如输出为调制波) )、放大就可以进行显示。、放大就可以进行显示。2022-5-85&磁电式传感器磁电式传感器(Magnetoelectric Sensor)利用利用电磁感应电磁感应原理原理，将输入运动速度、加速度变换成感应电势输，将输入运动速度、加速度变换成感应电势输出的传感器，
4、又称为出的传感器，又称为电动式传感器电动式传感器，或，或磁电感应式磁电感应式传感器传感器。&磁电式传感器具有磁电式传感器具有“双向转换双向转换”性质，能实现机性质，能实现机电的双向能量转换，使得它可以作为力驱动器、位电的双向能量转换，使得它可以作为力驱动器、位移发生器和低频振动源。移发生器和低频振动源。2022-5-86&基本原理基本原理： 电磁感应电磁感应：因磁通量变化产生感应电动势的现象。：因磁通量变化产生感应电动势的现象。磁通变化率。磁通变化率。磁通量；磁通量；线圈匝数；线圈匝数；感应电动势：感应电动势：dtdWdtdWe磁通变化率与磁场强度、磁磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有
5、关。阻、线圈运动速度有关。 分类分类：动铁式动铁式动圈式动圈式磁电式磁电式恒磁通式恒磁通式变磁通式变磁通式（变磁阻式变磁阻式）线速度型线速度型角速度型角速度型2022-5-87&恒磁通式磁电传感器恒磁通式磁电传感器 在恒磁通式结构中，工作气隙的磁通恒定，感应电动势在恒磁通式结构中，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是由于永久磁铁与线圈之间的相对运动线圈切割磁力线圈切割磁力线而产生的。线而产生的。）。的的相相对对运运动动速速度度（线线圈圈与与磁磁场场沿沿轴轴线线方方向向；），的的线线圈圈总总长长度度（气气隙隙磁磁场场中中有有效效匝匝数数为为气气隙隙磁磁通通密密度度；
6、式式中中，感感应应电电动动势势：1msvWllmWlBBlvea 分类分类：动铁式动铁式动圈式动圈式恒磁通式恒磁通式线速度型线速度型角速度型角速度型2022-5-88&变磁通式磁电传感器变磁通式磁电传感器 磁路磁阻变化引起磁通变化，而在线圈中产生感应电动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。势，因此又称为变磁阻式磁电传感器。 如图如图（a）所示为测量旋转角速度的旋转式变磁通式结构，所示为测量旋转角速度的旋转式变磁通式结构，则可得两磁轭则可得两磁轭2上相互串联的两个线圈中的感应电势上相互串联的两个线圈中的感应电势e为：为： 。密密度度之之差差，磁磁路路
7、中中最最大大与与最最小小磁磁通通线线圈圈截截面面积积；铁铁心心的的加加速速度度；式式中中，minmaxBBBBAtcosAWBe2-如图如图（b）所示为测量振动的平移型变磁通式结构。所示为测量振动的平移型变磁通式结构。2022-5-89&变磁通式磁电传感器变磁通式磁电传感器&磁电传感器的应用特点：磁电传感器的应用特点： 被测对象：被测对象：动态被测量动态被测量，如速度，加速度、振，如速度，加速度、振动等。动等。 输出信号：输出信号：电压信号输出电压信号输出，且输出功率大，故，且输出功率大，故配用电路较简单。配用电路较简单。 零位及性能稳定。零位及性能稳定。 具有双向转换功能，可构成力（矩）发生
8、器和具有双向转换功能，可构成力（矩）发生器和电磁激振器电磁激振器。2022-5-810&压磁式传感器压磁式传感器( (Piezomagnetic Sensor) )又称磁弹性式传感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。器，是利用铁磁材料的磁弹性效应工作的传感器。&压磁效应和磁致伸缩效应压磁效应和磁致伸缩效应 压磁效应压磁效应：某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其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，这种现象内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变，这种现象称为称为“压磁效应压磁效应”。 磁致伸缩效应磁致伸缩效应：某些铁磁物质在磁场中磁化
9、时，在磁某些铁磁物质在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现象称为场方向会伸长或缩短，这种现象称为“磁致伸缩效应磁致伸缩效应”。 铁磁材料的相对磁导率铁磁材料的相对磁导率变化与应力变化与应力之间的关系为：之间的关系为：致致伸伸缩缩系系数数。材材料料的的伸伸缩缩比比，称称为为磁磁饱饱和和磁磁感感应应强强度度；铁铁磁磁材材料料的的磁磁导导率率；式式中中，sssBB222022-5-811&压磁式传感器的工作原理压磁式传感器的工作原理 压磁式传感器是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动势的大小来实现被测量的测量
10、。压磁式测力传感器的压磁。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。在感应线圈中产生感应电动势。 2022-5-812&压磁式传感器的工作原理压磁式传感器的工作原理 磁致伸缩效
11、应的应用：磁致伸缩效应的应用：利用材料的磁致伸缩效应可利用材料的磁致伸缩效应可制成磁致伸缩执行器。制成磁致伸缩执行器。 磁致伸缩执行器的基本工作原理是，通过改变磁场磁致伸缩执行器的基本工作原理是，通过改变磁场的大小使磁致伸缩材料产生应变，从而产生力或位的大小使磁致伸缩材料产生应变，从而产生力或位移。磁致伸缩执行器已广泛应用于工业和军事各行移。磁致伸缩执行器已广泛应用于工业和军事各行业，如超声波发生器、声换能器、微位移执行器，业，如超声波发生器、声换能器、微位移执行器，还可制成新型直线步进电机等。还可制成新型直线步进电机等。2022-5-813& 霍尔式传感器霍尔式传感器( (Hall Sens
12、or) )是基于霍尔效应原理而将被测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。动势输出的一种传感器。 &霍尔效应霍尔效应 霍尔效应霍尔效应：半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，的磁场中，当有电流当有电流I流过时，只要电流方向不与磁场方向重合，则流过时，只要电流方向不与磁场方向重合，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现，这种现象称为霍尔效应。相应的电势称为霍尔电势象称为霍尔效应。相应的电势称为霍尔电势UH。 霍
13、尔电势产生的实质霍尔电势产生的实质：运动电荷受到磁场中运动电荷受到磁场中洛伦兹力的作用，是洛洛伦兹力的作用，是洛伦兹力和电场力综合作伦兹力和电场力综合作用的结果用的结果 。FLFE-2022-5-814&霍尔效应霍尔效应 霍尔电势霍尔电势：迁迁移移率率材材料料的的电电阻阻率率；，霍霍尔尔片片厚厚度度霍霍尔尔系系数数，霍霍尔尔灵灵敏敏度度，夹夹角角；电电流流方方向向与与磁磁场场方方向向的的电电流流强强度度；磁磁感感应应强强度度；霍霍尔尔电电势势；HHHHHHHHRdRd/RKKIBUsinIBKU2022-5-815&霍尔元件霍尔元件 结构结构：霍尔元件的结构如图所示，由具有霍尔效应的霍尔元件的
14、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。半导体薄片、电极引线及壳体组成。abcdBiiiUH图图3.49 霍尔元件霍尔元件 用来制造霍尔元件的半导体片，几何形状对输出的霍尔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。电势也有一定的影响。l/b0.51.01.52.02.53.04.0f(l/b)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996比值的函数。比值的函数。它是它是形状效应系数，形状效应系数，其中：其中：b/l)b/l (fsin)b/l (fIB)d/R(UHH2022-5-816&不等位电势和温度误差的补偿不等位电
15、势和温度误差的补偿&不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿 不等位电势不等位电势：当磁感应强度为零时，元件通以额定激励：当磁感应强度为零时，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。叫零位电势。 产生原因：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。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其次，材料不均匀或者工艺不良等原因对不等位电势也
16、有一定影响。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。造成不等位电势输出。 补偿方法：电桥补偿方法。补偿方法：电桥补偿方法。2022-5-817&不等位电势和温度误差的补偿不等位电势和温度误差的补偿&温度误差及其补偿温度误差及其补偿 霍尔电势、输入电阻、输出电阻也都是温度的函数，从霍尔电势、输入电阻、输出电阻也都是温度的函数，从而在使用中产生温度误差。而在使用中产生温度误差。 补偿方法：补偿方法： 采用温度系数小的元件；采用温度系数小的元件； 根据精度要求进行温度误差补偿根据精度要求进行温度误差补偿电桥补偿
17、法电桥补偿法2022-5-818&霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔传感器是以霍尔元件为核心构成的一种磁敏传感器，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它是基于测量霍尔电势UH=(RH/d)IBsina进行工作的。参进行工作的。参数数电流电流I、磁场、磁场B、角度、角度a中两个保持不变，只要被测中两个保持不变，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，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。通过测量霍尔电势的大小即可测得被测量大小。 I I不变，不变，VHVH正比于正比于B B：测量交、直流磁感
18、应强度、磁：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场强度等，及可以转化为磁感应强度B B的物理量，如的物理量，如位移、角度、转速和加速度等。位移、角度、转速和加速度等。 B B不变，不变，VHVH正比于正比于I I：测量交、直流电流、电压等参：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。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）。测可以转换为乘法的物理量（如功率）。2022-5-819&霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔传感器应用示例：霍尔传感器应用示例：霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器霍尔转速计霍尔转速计的的个个数数）。调调
19、制制盘盘的的齿齿数数（或或磁磁钢钢传传感感器器输输出出脉脉冲冲频频率率；式式中中，）（Zfs/rZfn602022-5-820&热电偶传感器热电偶传感器( (Thermocouple) )是热电式传感器的一是热电式传感器的一种，其变换是基于金属的种，其变换是基于金属的热电效应热电效应，将温度变化转，将温度变化转换为电势变化的传感器。换为电势变化的传感器。&热电效应热电效应 热电效应热电效应：将两种不同性质的将两种不同性质的导体导体A、B组成闭合回路，如果两组成闭合回路，如果两结点的温度结点的温度T和和T0不同，则在回不同，则在回路中有电势产生，形成一定大小路中有电势产生，形成一定大小的电流，这
20、一现象称为热电效应的电流，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。热电势，产生的电流称为热电流。2022-5-821 ）接接点点处处的的绝绝对对温温度度（的的自自由由电电子子密密度度，金金属属，）电电子子电电荷荷（）波波尔尔兹兹曼曼常常数数（的的接接触触电电势势两两种种金金属属在在温温度度、接接触触电电势势KTBANNCeKJkTBATENNekTTEBAABBAAB1923106 . 1/1038. 1)(ln)(: & 热电效应热电效应热电效应产生的热电势由两部分组成：热电效应产生的热电势由两部分组成：接触电接触电势势（珀尔
21、帖电势珀尔帖电势）和）和温差电势温差电势（汤姆逊电势汤姆逊电势）。）。接触电势接触电势：当两种不同金属接触时，在接触处：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。形成的电势，称为接触电势。2022-5-822 & 热电效应热电效应温差电势温差电势：对于单一金属，如果两端的温度不：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，称为一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。温差电势。高高、低低温温端端的的绝绝对对温温度度、温温差差系系数数；时时的的温温差差电电势势和和两两端端温
22、温度度分分别别为为金金属属温温差差电电势势：0000),(),(0TTTTATTEdTTTEAATTAA 2022-5-823 & 热电效应热电效应回路热电势：回路热电势： TTBAABABABABABBAABTTBABABAdTTETETTETETETETEdTTTETTETTETTE00)()()(),()()()()()(),(),(),(),(00000000 回回路路总总热热电电势势：回回路路接接触触电电势势：回回路路温温差差电电势势：2022-5-824 & 热电效应热电效应：如果热电偶两电极材料相同，即如果热电偶两电极材料相同，即NA=NB，A= B 但闭合回路的总热电势仍为零。
23、因此，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必热电偶必须用两种不同材料作电极须用两种不同材料作电极。如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即度相同，即T=T0，闭合回路中也不产生热电势。，闭合回路中也不产生热电势。即即热电偶两接点温度不同时，才有热电势输出热电偶两接点温度不同时，才有热电势输出。必须形成闭合回路才有热电势产生必须形成闭合回路才有热电势产生。2022-5-825&工作定律：工作定律：中间导体定律中间导体定律、连接导体定律连接导体定律、中间温度定律中间温度定律、标准电极定律标准电极定律。中间导体定律中间导体定律：导体：导体A、
24、B组成组成的热电偶，当引入第三导体时，的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其两端温度相同，则对只要保持其两端温度相同，则对回路总热电势无影响，这就是中回路总热电势无影响，这就是中间导体定律间导体定律。），（），（，则则：，其其余余接接点点温温度度为为接接点点温温度度为为、若若000TTETTETTBAABABC ：将第三导体换成毫伏表，只要保证两个节点温度：将第三导体换成毫伏表，只要保证两个节点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。2022-5-826&工作定律工作定律连接导体定律连接导体定律：连接导体定律是工业上运用补偿导线进
25、行温连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础之一。度测量的理论基础之一。),(),(),(),(),(000TTETTETTETTETTTEnBAnABnABnABnAABB 2022-5-827&工作定律工作定律中间温度定律中间温度定律：中间温度定律为制订分度表奠定了理论基础。：中间温度定律为制订分度表奠定了理论基础。由连接导体定律，当由连接导体定律，当A与与A、B与与B相同时：相同时：)T,T(E)T,T(E)T,T,T(E)T,T(E)T,T(E)T,T,T(EnABnABnABnBAnABnAABB00002022-5-828&工作定律工作定律标准电极定律标准电极定律：利用该定律可大大简化热电偶选配工作，只：利用该定律可大大简化热电偶选配工作，只要知道有关电极与标准电极配对的热电势，即可求出要知道有关电极与标准电极配对的热电势，即可求出任何两种热电极配对的热电势而不需要测定。任何两种热电极配对的热电势而不需要测定。),(),(),(),(),(00000TTETTETTETTETTEABBCACCBAC