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1、典型传感器的介绍第1页，本讲稿共32页第二章 参量传感器 参量传感器的基本原理是把被测量的变化转换为电参量的变化，然后通过对电参量的测量达到对非电量检测的目的。参量参量传感器传感器 电阻式传感器电感式传感器电容式传感器气动式传感器电阻应变式传感器、热电阻传感器、电容式传感器和气动式传感器等自感式传感器、差分变压器式传感器、电涡流式传感器等第2页，本讲稿共32页第一节 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种电阻式传感器，主要由弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量转换电路组成。一、电阻应变式传感器的应用 电阻应变式传感器通常可用来测量应变片以外的物理量，如力、扭矩、加速度、位移、形变和压力。第3
2、页，本讲稿共32页第一节 电阻应变式传感器二、应变效应 1、导体或半导体材料在外界力作用下产生机械形变，其电阻值发生变化的现象称为应变效应。R=L/A 应用应变片测试时，将应变片粘贴在试件表面，试件受力变形后应变片的电阻丝也随之变形，从而使应变片电阻值发生变化，通过测量转换电路转换成电压或电流的变化。2、电阻丝应变片特点：电阻丝应变片具有精度高，测量范围大，能适应各种环境、便于记录和处理，但灵敏度低。半导体材料的电阻系数很大，故，半导体应变片的灵敏系数比金属应变片约高几十倍。第4页，本讲稿共32页第一节 电阻应变式传感器三、测量转化电路 常规应变片的电阻变化范围很小，测量转换电路应能精确地测量
3、出这些小的电阻变化，在应变式传感器中，最常用的是桥式电路。第5页，本讲稿共32页第二节 热电阻传感器 热电阻传感器是利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。它主要用于对温度或和温度有关的参量进行测量，在工业上被广泛用来测量-200+500 范围内的温度。热电阻金属热电阻：通常称为热电阻半导体热电阻：通常称为热敏电阻第6页，本讲稿共32页第二节 热电阻传感器一、热电阻1、热电阻主要是利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的。2、热电阻常用材料（1）铂：具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。采用特殊的结构制成的标准铂电阻温度计，它的适用范围为-200+960。（2
4、）铜：铜电阻价廉并且线性好，但温度高时易氧化，故适用于温度较低的环境（-50+150 ）中。第7页，本讲稿共32页第二节 热电阻传感器二、热敏电阻 热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。热敏电阻临界温度系数热敏电阻(CTR)正温度系数热敏电阻（PTC）负温度系数热敏电阻（NTC）R=L/A123铂丝4060120 1600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-PTC第8页，本讲稿共32页第二节 热电阻传感器三、热电阻传感器的应用1、金属热电阻传感器（1）工业上广泛应用金属热电阻传感器进
5、行温度测量；（2）热电阻传感器还用于测量流量。如热导式流量计就是根据发热元件消耗热量和流量的关系来实现流量测量的。2、半导体热电阻传感器（尺寸小、响应速度快和灵敏度高等优点）（1）温差测量 其结构简单。（2）温度补偿 金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。（3）工业控制 将开关型的热敏电阻埋设在被测物中，并与继电器串联，给电路加上恒定电压，当周围介质温度升到一定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，引起继电器动作，从而实现温度控制或过热保护等。第9页，本讲稿共32页第三节 气敏、湿敏电阻传感器 气敏和湿敏电阻传感器是检测环境
6、气体成分及浓度、检测环境湿度，并对其进行控制和显示的重要器件，在环境保护、家用电器、消防、农业生产和安全生产等方面得到广泛的应用。一、气敏电阻传感器 气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它传感器元件是气敏电阻。如CO报警器，煤气报警器。第10页，本讲稿共32页第三节 气敏、湿敏电阻传感器1、气敏电阻 气敏电阻一般用SnO2、ZnO2或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量催化剂及添加剂，按一定比例绕结而成的半导体器件。（1）气敏电阻形式多样，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原气体以及生活中常遇的各种可燃性气体如石油气、酒精蒸汽、甲烷
7、、煤气等（2）气敏电阻工作环境 温度必须加热到200 300，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。气敏电阻使用时应尽量避免置于油雾、灰尘环境中，以免老化。（3）气敏半导体的灵敏度较高，较适用于气体的微量检漏，浓度监测或超限报警。如制成煤气报警器、酒精检测仪（防止酒后驾车）第11页，本讲稿共32页第三节 气敏、湿敏电阻传感器二、湿敏电阻传感器 湿度的检测与控制在现代科研、生产、生活中的应用越来越广。如储物仓库中适度超过一定值时，物品易变质或霉变现象；居室的湿度应适中；纺织车间的湿度应保持在60%75%；在农业生产中的温室育苗、食用菌的培养、水果保鲜等都
8、要对湿度进行检测和控制。检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计和电阻湿度计等。第12页，本讲稿共32页第四节 电感式传感器 电感式传感器是利用线圈的自感、互感或阻抗的变化来实现非电量的检测的一种装置。一、电感式传感器特点和应用 结构简单，分辨率好和测量精度高等一系列优点，但其响应较慢，不宜作快速动态测量。主要用来测量位移、压力和振动等参数。二、电感式传感器的分类电感式传感器自感式 把被测位移量转化为线圈的自感变化；通常就称为电感式传感器互感式 把被测位移量转化为线圈 间的互感变化；常称为差分变压器式传感器。电涡流式 把被测位移量转化为线圈 的阻
9、抗变化。常称为电涡流式传感器第13页，本讲稿共32页第五节 电容式传感器 电容式传感器是以各种类型的电容作为传感元件，通过电容传感元件将被测物理量的变化转化为电容量的变化，再经过测量电路转换为电压、电流或频率。一、电容式传感器的特点和应用 结构简单，需要的作用能量小，灵敏度高，动态特性好，能在恶劣环境条件下工作等。常运用于测厚、测角、测液位、测压力等。第14页，本讲稿共32页第五节 电容式传感器二、基本工作原理A：极板面积d：极板间距离：电容极板间介质的介电常数三、电容式传感器的分类电容式传感器改变极板距离的变间隙式改变介电常数的变介电常数式改变极板面积的变面积式第15页，本讲稿共32页第三章
10、 发电传感器 发电传感器的基本原理是把被测量的变化转换为电压量或电流量的变化，然后通过对此信号放大处理并把此信号检测出来，从而达到测量被测量的目的。发电传感器热电偶传感器霍尔式传感器压电式传感器光电池第16页，本讲稿共32页第一节 热电偶传感器热电偶传感器是将温度转化成电动势的一种测温传感器，它与其他 测温装置比较具有精度高、测温范围宽、结构简单、使用方便和可远距离测量等优点。在轻工、冶金、机械及化工等工业领域中广泛用于温度的测量、调节和自动控制等方面。第17页，本讲稿共32页第一节 热电偶传感器 一、热电势效应将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接触点处温度不同，则回路中会产生电动势，
11、从而形成电流，这个物理现象称为热电势效应，简称热电效应。第18页，本讲稿共32页第一节 热电偶传感器 1、热电效应的本质 热电偶本身吸收了外部的热能。在内部转换为电能的一种物理现象。2、热电偶热电动势的组成主要有两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成。（1）接触电动势（珀尔贴电动势）由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势；（2）温差电动势（汤姆逊电动势）在同一导体中，由于两端温度不同而使导体内高温端的自由电子向低温端扩散形成的电动势。第19页，本讲稿共32页第一节 热电偶传感器3、热电偶回路的主意性质 （1）中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种
12、导体的两端温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小。EABC(T,T0)=EAC(T,T0)第20页，本讲稿共32页第一节 热电偶传感器（2）中间温度定律热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和。EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)（3）标准电极定律当工作端和自由端温度为T和T0时，用导体A、B组成热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势之代数和。EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0)第21页，本讲稿共32页第一节 热电偶传感器 二、热电偶的结构 1
13、、热电极 热电偶常以热电极材料种类来定名。如铂铑-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶。2、绝缘套管（绝缘子）用来防止两根热电极短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求而定。3、保护套管其作用是使热电极与测温介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。4、接线盒连接热电偶和测量仪表之用。第22页，本讲稿共32页第一节 热电偶传感器 三、热电偶的种类1、标准化和非标准化热电偶（1）标准化热电偶 其工艺比较成熟，应用广泛，性能优良稳定，能成批生产，同一型号可以互相调换和统一分度，并有配套显示仪表。如铂铑-铂热电偶（2）非标准化热电偶 在高温、低温、超低温、真空和核辐射等特殊环境中使用具有良好的性能，但
14、这类热电偶无统一分度表。常用的有钨铼丝热电偶、铱铑丝热电偶、铁-康铜丝热电偶等。第23页，本讲稿共32页第一节 热电偶传感器 2、普通型热电偶 主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度。3、铠装热电偶 （其外形像电缆，又称缆式热电偶）其具有体积小、精度高、响应速度快、可靠性好、耐振动、抗冲击、可挠性好和便于安装等优点，特别适用于复杂结构的温度测量。4、薄膜型热电偶 快速测量各种表面温度。5、表面热电偶 测量各种固体表面温度。6、消耗式热电偶 测量钢水和其他熔融金属温度。7、非金属热电偶 利用石墨和难熔化合物为高温热电偶材料。第24页，本讲稿共32页第二节 霍尔式传感器 一、霍尔效应如图一块长l、
15、宽b、厚d的半导体，在外加磁场B作用下，当有电流I通过时，运动电子受洛仑磁力的作用而偏向一侧，使该测形成电子的积累，与它对立的侧面由于电子浓度下降，出现了正电荷。这样，在两侧面间就形成了一个电场。运动电子在受洛仑磁力的同时，又受电场力的作用，最后当这两力作用相等时，电子的积累达到动态平衡，这时两侧之间建立电场，称霍尔电场，相应的电压称霍尔电压，上述这种现象称霍尔效应。第25页，本讲稿共32页第二节 霍尔式传感器 二、霍尔元件的材料根据霍尔效应原理做成的器件称为霍尔元件。其一般采用锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶体材料制成。1、锗 锗元件的输出小，但它的温度性能和线性度比较好；2、锑化铟 锑化铟元
16、件的输出较大，但受温度的影响也较大。3、砷化铟 砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。因此，采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。三、霍尔元件结构霍尔元件结构简单，是一种半导体四端薄片，由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片的相对两侧对称地焊上两对电极引出线。第26页，本讲稿共32页第二节 霍尔式传感器 三、霍尔式传感器的特点霍尔式传感器是由霍尔元件与弹性敏感元件或永磁体结合而形成，它具有灵敏度高、体积小、重量轻、无触点、频响宽、动态特性好、高可靠、寿命长和价格低等优点。四、霍尔式传感器的应用类型1、利用霍尔电势正比于磁感强度的特性来测量磁场及与之
17、有关的电量和非电量。如磁场计、电流计、角度计、转速计、加速度计等。2、利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回转器和电流控制装置等。3、利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘积的规律制成乘算器、除算器、乘方器、开方器和功率计等，也可以作混频、斩波和解调等用途。第27页，本讲稿共32页第三节 压电式传感器 压电式传感器是一种典型的自发式传感器，它由传力机构、压电元件和测量转换电路组成。压电元件是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，如压力、加速度等。第28页，本讲稿共32页 一、压电效应 某些电介质
18、在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。在电介质的极化方向上施加交变电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应逆压电效应或称为电致伸缩效应电致伸缩效应。压电传感器利用压电材料的正压电效应。第三节 压电式传感器第29页，本讲稿共32页 二、压电材料1、压电晶体 压电晶体是一种单晶体，例如石英晶体、酒石酸钾钠等。2、压电陶瓷 压电陶瓷是一种人工制造的多晶体，如钛酸钡等。3、有机压电材料 是新一代的压电材料，其中较为重要的有压电半导体和高分子压电材料。第三节 压电式传感器第30页，本讲稿共32页 三、压电式传感器应用 压电式传感器主要用于动态作用力、压力、加速度的测量。1、压电式力传感器 主要用于变化频率中等的动态力的测量，如车床动态切削力的测试。2、压电式加速度传感器 主要用于各种加速度的测量。第三节 压电式传感器第31页，本讲稿共32页第32页，本讲稿共32页