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1、湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理3.3.2 3.3.2 电容式传感器电容式传感器 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、A A或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电容的变化。电容的变化。湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.3.2 电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯
2、材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。3.3.2 电容式传感器电容式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院b)b)面积变化型面积变化型角位移型角位移型+3.3.2 电容式传感器电容式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院柱面线位移型柱面线位移型.3.3.2 电容式传感器电容式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大
3、学机械工程学院c)c)介质变化型介质变化型3.3.2 电容式传感器电容式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化.接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以
4、是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。3.3.2 电容式传感器电容式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3 3 测量电路测量电路a)a)电桥电路电桥电路 3.3.2 电容式传感器电容式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院b)b)谐振电路谐振电路 3.3.2 电容式传感器电容式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院动手做：动手做：观察你计算机上使用的麦观察你计算机上使用的麦克风，并用它测量你自己克风，并用它测量你自己的声音，绘出频谱。的声音，绘出频谱。3.3.2 电容式传感器电
5、容式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.3.3 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式原理原理:电磁感应电磁感应L 线圈自感量A0 空气气隙导磁截面积N 线圈匝数 灵敏度：灵敏度：气隙变化型湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院教学用低成本四线制无二次仪表传感器教学用低成本四线制无二次仪表传感器3.3.3 电感式传感器电感式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院2 2 涡流式涡流式原
6、理原理:涡流效应涡流效应3.3.3 电感式传感器电感式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：3.3.3 电感式传感器电感式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.3.3 电感式传感器电感式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院产品：产品：3.3.3 电感式传感器电感式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测3.3.3 电感式传感器电感式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学
7、院2 2 互感型互感型-差动变压器差动变压器WW1W2Esx-x工作原理工作原理:互感现象互感现象.EwEout3.3.3 电感式传感器电感式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型传感器测量电路传感器测量电路3.3.3 电感式传感器电感式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器3.3.3 电感式传感器电感式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量3.3.3 电感式传感器电感式传感器
8、湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理3.4.1 3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 1.1.变换原理变换原理:磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院2 2 分类分类 磁磁
9、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N3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院角速度型角速度型测速电机测速电机3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院磁阻式传感器磁阻式传感器 磁电式车速传感器磁电式车速传感器3.4.1 磁电式传感器磁电式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院N NS S案例：鼠笼电机转子断细条检测案例：鼠笼电机转子断细条检测3.4.1 磁电式传感
10、器磁电式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院第三章、传感器测量原理第三章、传感器测量原理3.4.2 3.4.2 压电式传感器压电式传感器 1.1.变换原理变换原理:压电效应压电效应+串联串联+并联并联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几某些物质，如石英，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；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。种现象称为压电效应。F+q=DF湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.4.2 压电式传感器压电式传感器
11、2 2、测量电路、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传压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，方可输入到后续显示仪表中。过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 3.4.2压电式传感器压电式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析3.4.2压电式传感器压电式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊
12、断3.4.2压电式传感器压电式传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器 热电式传感器是把被测量(主要是温度)转化为电量变化的一种装置 热电式传感器热电偶热电阻传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院(1)(1)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。3.4.3 3.4.3 热
13、电式传感器热电式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院ABTT0kk玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，ee电子电荷量，电子电荷量，TT接触处的温度接触处的温度NANA，NBNB分别为导体分别为导体A A和和B B的自由电子密度。的自由电子密度。3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。生热电动势。TT02)中间导体定
14、律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。热电偶回路的总热电动势。TT0V3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，果他们所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后两极配对后的热电动势可用下式求得：的热电动势可用下式求得：ABTT0=
15、ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。3.4.2 3.4.2 热电式传感器热电式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院(2)热电阻传感器3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器利用电阻随温度变化的特点制成的传感器叫热电阻传感器。热电阻传感器的电阻通常指金属热电阻；若电阻为半导体则称为热敏电阻传感器(1)铂电阻湘潭大学机械工
16、程学院湘潭大学机械工程学院3.4.3 3.4.3 热电式传感器热电式传感器(2)铜电阻铂是贵重金属，使用成本高；在一些测量精度要求不高且温度范围较低的场合，一般使用铜电阻湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.传感器原理传感器原理 3.5 3.5 光电传感器光电传感器 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。线光的光能量，并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光电效应。其工作原理是基于一些物质的光电效应。外光电效应外光电效应 光照作用时，物体内电子从光照作用时，物体内电子从为物体表面逸出称
17、为外光电为物体表面逸出称为外光电效应效应湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院内光电效应内光电效应 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。内光电效应器件：光敏电阻、光敏二极内光电效应器件：光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管管和光敏三极管湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.传感器原理传感器原理 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.传感器原理传感器原理 照相机自动测光照相机自动测光
18、光控灯光控灯工业控制工业控制湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.5 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 光生伏打效应：光电池光生伏打效应：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。+-PN湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.5 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 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
19、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。湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.5 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.5 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.5 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.5 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 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。湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院案例：脉冲盘式角度-数字
20、编码器脉脉冲冲盘盘式式角角度度数数字字编编码码器器辩辩向向环环节节逻逻辑辑电电路路湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.5 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 亮度传感器：亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。达到节约电能的目的。湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.5 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 相机测距反射式光电传感器相机测距反射式光电传感器湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院3.5 半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器