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1、课 件第三章 传感器与监视报警第一节 船舶常用传感器第二节 火灾报警系统第三节 机舱监视与报警系统 课 件q3.1 船舶常用船舶常用传传感器感器3.1.1 传传感器的分感器的分类类及静及静态态参数参数3.1.2 变变送器概念及送器概念及标标准信号准信号类类型型3.1.3 温度温度传传感器感器3.1.3.1 热电阻温度传感器（PT100和Cu50）3.1.3.2 热电偶温度传感器3.1.3.3 半导体温度传感器（NTC、PTC与CTR）3.1.4 压压力力传传感器感器3.1.4.1 硅压力传感器基本原理3.1.4.2 压电效应基本知识3.1.4.3 电阻应变效应及应用3.1.4.4 霍尔式传感器
2、的基本原理3.1.4.5 电感式传感器基本原理3.1.4.6 电容式压力传感器的基本原理3.1.4.7 涡流式压力传感器的基本原理3.1考试大纲考试大纲课 件q3.1.1 传感器的分类及静态参数传感器的分类及静态参数 传感器传感器（Transducer/sensor）（换能器或变换器）（换能器或变换器）“能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由的器件或装置，通常由敏感元件和和转换元件组成组成”。-传感器通用术语传感器通用术语(GB7665-87)3-1 船舶常用传感器船舶常用传感器课 件敏感元件敏感元件
3、敏感元件敏感元件（Sensitive element）：能直接感受（或响应）被测量的部分，并输出与被测量成确定关系的可用非电量的元件。如：应变式压力传感器的弹性膜片，其作用将压力转换为弹性膜片的变形。转换元件转换元件转换元件转换元件（Transduction element）：又称传感元件，指传感器中能将直接感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。如：应变式压力传感器中的应变片，其作用将弹性膜片的变形转换为电阻的变化。有些传感器将敏感元件和转换元件合二为一，例如：压电、热电偶、热敏电阻、光电器件等。课 件u按工作原理分类 容易判断采用的原理，电阻式、电感式、电容式、压电式、容易判断
4、采用的原理，电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。u按被测物理量分类 将原理不同但作用相同的归为一类，如温度传感器、压将原理不同但作用相同的归为一类，如温度传感器、压力传感器，液位传感器力传感器，液位传感器u按能量的传递方式分类n能量变换型（有源传感器）：能量变换型（有源传感器）：传感器直接由被测对象传感器直接由被测对象输入能量使其工作。一般附有力学系统。输入能量使其工作。一般附有力学系统。n能量控制型（无源传感器）能量控制型（无源传感器）：传感器从外部获得能量：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外
5、部供给能量的变化。使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。一般不可逆，无力学系统。一般不可逆，无力学系统。3.1.1.1 传感器的分类传感器的分类课 件课 件p传感器的基本特性：传感器的输入输出关系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现p输入信号分为：稳态、动态p对应传感器特性：静态特性、动态特性p一般表示方法：数学表达式、特性曲线、表格；响应时间 传感器的一般特性：静态特性 动态特性3.1.1.2 传感器的静态参数传感器的静态参数课 件静态特性：当被测信息处于稳定状态时，若输入量维持不变或发生较为缓慢的变化，则输入量与输出量之间的关系。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、分
6、线性度、灵敏度、分辨力（率）、重复性、迟滞（辨力（率）、重复性、迟滞（回差滞环回差滞环）、准确度）、准确度/精度、正确度、精密度精度、正确度、精密度等。它们是衡量传感器优劣的指标。课 件n线性度（Linearity）（非线性误差）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系能否像理想系统那样保持的线性关系的一种度量。传感器非线性大小评定方法传感器非线性大小评定方法 静态特性曲线可通过实际测试获得。首先在标准工作状态下，用标准仪器设备对传感器进行标定（测试），得到其输入输出实测曲线，即校准(标定)曲线，然后作一条理想直线，即拟合直线，校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称
7、为传感器的非线性误差（或线性度）课 件 在采用直线拟合线性化时，传感器的输出输入校正曲线与其拟合曲线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差，通常用相对误差表示。传感器满量程输出的平均值校准曲线与拟合直线间最大偏差 非线性误差/线性度课 件n灵敏度灵敏度(sensitivity)灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即：n重复性（重复性（repeatability）重复性指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内多次测试所得输出特性曲线的不一致性程度。n分辨力分辨力 分辨力是用来表示检测系统或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力。通常是以最小量程的单位值来表示。课 件 y
8、YFShmax0 xFSn迟滞（回程误差、滞后、变差）（迟滞（回程误差、滞后、变差）（hysteresis）是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象。其数值用最大偏差与满量程输出值的百分比表示 迟滞现象反应了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，（如轴承摩擦，间隙，螺钉松动，元件腐蚀及灰尘等）hmax输出值在正反行程间的最大差值。课 件n准确度准确度/精度精度(accuracy)反映测量结果与被测量真实值之间的一致程度，工程领域俗称精（确）度。系差和随差的综合。（非线性误差、迟滞误差、重复误差）n正确度正确度(correctness)反映测量结果与被测量真实值之间
9、的偏离程度，反映了系统误差的大小。n精密度精密度(precision)反映测量中所测数值重复一致的程度，说明了在等精度测量中，所得结果彼此之间符合到什么程度。反映了随机误差的大小。课 件绝对误差相对误差实际相对误差示值相对误差引用相对误差最大引用误差（Absolute Error）xxu（Relative Error）仪表的准确度习惯称仪表的准确度习惯称精度精度，准确度等级称，准确度等级称精度等级精度等级 。根据仪表的等级可以确定测量的最大引用误差。根据仪表的等级可以确定测量的最大引用误差和最大绝对误差。和最大绝对误差。我国生产仪表精确度度等级有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、
10、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0等，并标志在仪表刻度标尺或铭牌上。3.1.1.3 传感器的误差表示传感器的误差表示课 件变送器（变送器（transmitter）包含传感器和调节电路能输出包含传感器和调节电路能输出标准信号的装置称为变送器。的装置称为变送器。qq直流电流信号：直流电流信号：420mA (010mA逐渐淘汰逐渐淘汰)抗干扰强，适合远传抗干扰强，适合远传qq直流电压信号直流电压信号：15V(05V,010V,-10V+10V)多个对象，近距传输多个对象，近距传输3.1.2 变送器概念及标准信号类型变送器概念及标准信号类型课 件常用的温度传感器有常用的温度传感器
11、有:q 热电阻温度传感器(Resistance Temperature Detector,RTD)u 热电偶温度传感器(Thermocouple)u 热敏电阻温度传感器(Thermistor)3.1.3 温度传感器温度传感器课 件原理：原理：热电阻材料的电阻随温度的增加而增加，监测范围内线性度良好。热电阻材料的电阻随温度的增加而增加，监测范围内线性度良好。构造：构造：金属丝双线并绕在绝缘骨架上，然后插入护套内而制成。金属丝双线并绕在绝缘骨架上，然后插入护套内而制成。测温范围测温范围 ：200850 范围内的液体、蒸汽和气体介质及固体表面温度。范围内的液体、蒸汽和气体介质及固体表面温度。材料：材
12、料：铂、铜、镍、锰、铑铂、铜、镍、锰、铑 1热电阻温度传感器(Resistance Temperature Detector,RTD)课 件n铂电阻（Platinum Resistance）特点：特点：(1)在高温和氧化介质中性能极为稳定，在还原性气体中，容易被污染，在高温和氧化介质中性能极为稳定，在还原性气体中，容易被污染，导致铂丝变脆，并改变电阻与温度间的关系。导致铂丝变脆，并改变电阻与温度间的关系。(2)-29.34630.74，标准温度计，测温装置基准器，标准温度计，测温装置基准器 0 630.740 630.74 -190-190 0 0 其中，其中，其中，其中，R Rt t、R R
13、0 0 温度为温度为温度为温度为 t t 和和和和 0 0 时的电阻；时的电阻；时的电阻；时的电阻；A A、B B、C C 为常数：为常数：为常数：为常数：A=3.968 A=3.968 10 10-3-3/B=-5.84 B=-5.84 10 10-7-7/C=-4.22 C=-4.22 10 10-12-12/课 件用表格的形式来描述Rtt之间的关系称为分度表。并用相应的分度号表示。必须首先确定R0的大小，不同的R0，其Rtt曲线不同。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关铂电阻的精度与铂的提纯程度有关 W（100）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电）越高，表示铂丝纯度越高
14、，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，阻，W（100）1.3925目前技术水平已达到目前技术水平已达到W（100）1.3930，工业用铂电阻的纯度工业用铂电阻的纯度W（100）不低于）不低于1.385，通常为，通常为1.3871.390。课 件船上用的最多的铂电阻是船上用的最多的铂电阻是Pt100Pt100，Pt100Pt100即分度号的一种，表示即分度号的一种，表示R R0 0为为100.00100.00时的阻值，其分度表范围时的阻值，其分度表范围200200659 659 Pt100Pt100常用于检测船舶机舱内各种水、油的温度等，如主机滑油进常用于检测船舶机舱内各种水、油的温度等，如主
15、机滑油进出口温度，冷却水温度、燃油温度等。出口温度，冷却水温度、燃油温度等。量程范围量程范围0150。可用可用100基础上，每增加基础上，每增加1对应对应2.5来估计温度或阻值。来估计温度或阻值。课 件n铜电阻（Cu Resistance）工业上使用的标准化铜热电阻的工业上使用的标准化铜热电阻的R R0 0按国内统一设计取按国内统一设计取5050和和100100两种，分度号两种，分度号分别为分别为Cu50Cu50和和Cu100Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。，相应的分度表可查阅相关资料。课 件热电阻的测温电路：热电阻的测温电路：q两线制接法中，热电阻和连接导线电阻在一个桥臂中，所以连线
16、电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场合；q三线制接法中，热电阻和连接导线电阻分布在相邻的两个桥臂中，可以减小连接导线电阻变化对测量结果的影响，测温误差小，工业热电阻通常采用三线制接法；q四线制接法主要用于高精度温度检测，它在热电阻的两端各引两根连接导线，其中两根连线为热电阻提供恒定电流I，另两根连线引至电位差计，利用电位差计测量热电阻的阻值，四线制接法可以完全消除连接导线电阻变化对测量的影响。用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路电桥电路。课 件RiaRib课 件q自热误差的影响自热误差的影响，流过热电阻的电流不能过大，否则热电阻自身会产生较大，流过热电阻的电流不能过大，否则热电
17、阻自身会产生较大的热量，从而影响测量精度，原则上流过热电阻的电流一般的热量，从而影响测量精度，原则上流过热电阻的电流一般不宜超过不宜超过6mAq导线电阻的影响，导线电阻的影响，三线制或四限制解决。三线制或四限制解决。q标准化检测仪配套使用互换时注意标准化检测仪配套使用互换时注意补偿端补偿端B的接法。的接法。q屏蔽电磁干扰屏蔽电磁干扰，需使用带屏蔽层的电缆连接，电缆屏蔽线，需使用带屏蔽层的电缆连接，电缆屏蔽线1端接地。端接地。q测温电阻与测温电阻与被测介质充分接触被测介质充分接触，（，（57倍倍T）足够插入深度足够插入深度（气体（气体25倍管径，倍管径，液体液体15倍管径）倍管径）q防尘保护防尘
18、保护热电阻使用注意事项：热电阻使用注意事项：热电阻结构：热电阻结构：q铠装热电阻铠装热电阻q端面热电阻端面热电阻q隔爆型热电阻隔爆型热电阻课 件2热电偶温度传感器(Thermocouple)将温度转换为电动势大小的热电式传感器叫做热电偶。将温度转换为电动势大小的热电式传感器叫做热电偶。热电偶热电偶(thermocouple)(thermocouple)是一种是一种有源传感器，有源传感器，测量测量时不需外加电源，时不需外加电源，被广泛用于测量被广泛用于测量10013001001300范围范围内的温度，常用于船舶上主机、副机的排烟温度的内的温度，常用于船舶上主机、副机的排烟温度的测量。测量。它的特
19、点是测温范围宽、测量精度高、性能稳定、它的特点是测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号电信号，可以远传，便于可以远传，便于集中检测和自动控制。集中检测和自动控制。课 件 n工作原理：热电效应工作原理：热电效应其电势由接触电势接触电势(珀尔帖电势)和温差电势温差电势(汤姆逊电势)两部分组成。定义：两种不同材料的导体所组成的回路成为热电偶热电偶；组成热电偶的导体称为热电极热电极；处于T温度场中的结点称为测量端，又称工作端或热端工作端或热端；处于T0温度场中的结点称为参考端，又称为自由端或冷端自由端或冷端。1.两种不同导体（两
20、种不同导体（A、B）2.接成闭合回路接成闭合回路 3.两个接点处温度不同两个接点处温度不同(T T0)回路中会产生回路中会产生热电动势。热电动势。课 件影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为0对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即 可可见见：只只要要测测出出EAB（T,T0）的的大大小小，就就能能得得到到被被测测温温度度T，这这就是利用热电偶测温的原理。就是利用热电偶测温的原理。n几点结论：几点结论：课 件n热电偶种类及分度（热电偶种类及分度（gradu
21、ation）：）：（1 1）标准热电偶）标准热电偶 目前，国际电工委员会（目前，国际电工委员会（IECIEC）认证的性能较好的标准化热电偶共有）认证的性能较好的标准化热电偶共有8 8种种，国际上称之为，国际上称之为“字母标志热电偶字母标志热电偶”，即其名称用专用字母表示，这个，即其名称用专用字母表示，这个字母即热电偶型号标志，称为字母即热电偶型号标志，称为分度号分度号，是各种类型热电偶的一种很方便的，是各种类型热电偶的一种很方便的缩写形式，缩写形式，热电偶名称由热电极材料命名热电偶名称由热电极材料命名，正极写在前面，负极写在后面。，正极写在前面，负极写在后面。所谓标准热电偶是国家标准规定了其热
22、电势与温度的关系，允许误差，并有统一的标准分度表的定型批量生产的热电偶，有配套显示仪表可供选用。热电偶分为热电偶分为标准热电偶标准热电偶和和非标准热电偶非标准热电偶（2 2）非标准热电偶）非标准热电偶 非标准化热电偶有铂铑系，铱铑系，钨铼系及金铁热电偶（用于低温），非标准化热电偶有铂铑系，铱铑系，钨铼系及金铁热电偶（用于低温），双铂钼（用于核辐射）等热电偶。双铂钼（用于核辐射）等热电偶。课 件名 称分度号测温范围/100时的热电动势/mV1000时的热电动势/mV特 点铂铑30铂铑6B5018200.0334.834测温上限高，性能稳定，准确度高，100以下热电动势极小，可不必考虑冷端温度补偿
23、；价位高，热电动势小，线性差；只适用于高温域的测量。铂铑13铂R-5017680.64710.506测温上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好；但热电动势较小，不能在金属蒸气和还原性气体中使用，在高温下连续使用时特性会逐渐变坏，价位高；多用于精密测量。铂铑10铂S-5017680.6469.587优点同铂铑13铂；但性能不如R型热电偶；曾经作为国际温标的法定标准热电偶。镍铬镍硅K-27013704.09641.276热电动势较大，线性好，稳定性好，价廉；但材质较硬，在1000以上长期使用会引起热电动势漂移；多用于工业测量。镍铬硅镍硅N-27013002.74436.256是一种新型热电偶，各项
24、性能均比K型热电偶好，适宜于工业测量。镍铬铜镍（锰白铜）E-2708006.319热电动势比K型热电偶大50%左右，线性好，耐高湿度，价廉；但不能用于还原性气体中；多用于工业测量。铁铜镍（锰白铜）J-2107605.269价廉，在还原性气体中较稳定；但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业测量。铜铜镍（锰白铜）T-2704004.279价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，准确度高；铜在高温时易被氧化，测温上限低；多用于低温域测量。可作2000温域的计量标准。8种国际通用的热电偶特性表种国际通用的热电偶特性表课 件n热电偶补偿导线（热电偶补偿导线（compensation lead/exten
25、sion wire）：）：所谓所谓补偿导线补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0100温度范温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过温度不能超过100。注：补偿导线
26、型号头一个字母与热电偶分度号相对应；第二个字母字注：补偿导线型号头一个字母与热电偶分度号相对应；第二个字母字X表示延伸型补偿导线，字母表示延伸型补偿导线，字母C表示补偿型表示补偿型补偿导线。补偿导线。配用热电偶配用热电偶分度号分度号补偿导线型补偿导线型号号补偿导线正极补偿导线正极补偿导线负极补偿导线负极补偿导线在补偿导线在100的热电势允许误差，的热电势允许误差，mV材料材料颜色颜色材料材料颜色颜色A(精密级精密级)B(精密级精密级)SSC铜铜红红铜镍铜镍绿绿0.6450.0230.6450.037KKC铜铜红红铜镍铜镍蓝蓝4.0950.0634.0950.105KKX镍铬镍铬红红镍硅镍硅黑黑
27、4.0950.0634.0950.105EEX镍铬镍铬红红铜镍铜镍棕棕6.3170.1026.3170.170课 件 从热电效应知，热电偶测的实际是两端温度差，因此必须冷端温度固定，热端温度与热电动势成单值函数关系，而热电偶的分度表都是冷端为0测得，只有冷端温度为0，才可查分度表。冷端不为0时，其补偿方法如下：n热电偶冷端温度补偿（热电偶冷端温度补偿（cold junction compensation）：）：冷端恒温法：0恒温器：冰水混合物，这是一种理想的补偿方法，常用于实验室或科研中。其他恒温器：各种恒温器，需利用中间温度定律计算修正。计算修正法：当采用热电偶检测温度且检测装置具有微处理器
28、时，经常用此法。机舱主机排烟温度的检测，在冷端设置一温度传感器（Pt100），测出冷端的实际温度，测的热电偶电势后，利用中间温度定律计算查表修正。课 件补偿电桥法补偿电桥法计算修正法虽然很精确，但不适合连续测量，为此，有些仪表的测温线路中带有补偿电桥，利用不平衡电桥产生的电势补偿热电偶因冷端温度波动引起的热电势的变化。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。注注意意：桥桥臂臂R RCuCu必必须须和和热热电电偶偶的的冷冷端靠近，使处于同一温度之下。端靠近，使
29、处于同一温度之下。课 件如何判断热电偶电极的极性？（两种方法）如何判断热电偶电极的极性？（两种方法）哪些因素可以引起热电偶的测温误差？哪些因素可以引起热电偶的测温误差？课 件3热敏电阻温度传感器(Thermistor)热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多，多，故动态特性好故动态特性好。而且。而且体积可以做得很小体积可以做得很小，特别适于在，特别适于在-100-100300300之间测
30、温。之间测温。各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制或四线制接各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制或四线制接法，给使用带来方便。法，给使用带来方便。热敏电阻的缺点是其热电特性是非线性的。热敏电阻的缺点是其热电特性是非线性的。课 件n热敏电阻的种类：热敏电阻的种类：课 件|正温度系数PTC(Positive Temperature Coefficient)特性：电阻值随温度升高而增大。工艺：钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途：小功率的加热元件，具有自动恒温、限流、只发热不发火。|负温度系数（负温度系数（NTC）（Negative Temperature Coefficient）特性
31、：电阻值随温度升高而降低（绝大多数）工艺：主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成用途：可作温度测量，亦可作电子控制系统中温控器件。|临界温度系数临界温度系数CTR（Critical Temperature Resistor）特性：热敏电阻在某特定温度范围内随温度升高而突然降低（或升高）34个数量级工艺：三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成用途：CTR主要用作温控开关，抑制浪涌电流，起保护作用。课 件温度检测传感器的测试与校验：温度检测传感器的测试与校验：（1）实效测试法 0800，模拟、开关量，时间较长（2）直接测试法 直流电位差计，热电
32、偶（3）可变电阻或电位器的取代法 热电阻（4）暂时改变警报设定值的相对测试法 （5）开关量温度传感器的模拟测试法课 件3.1.4 压力传感器压力传感器（物理学中的压强，工业技术中称为压力）（物理学中的压强，工业技术中称为压力）定义：由静止的流体垂直作用在给定单位面积上的力称为该给定处的压强单位:“帕斯卡”，或简称“帕”，用“Pa”表示1Pa=1N/m2标准大气压：定义为在温度为0，纬度为45的海平面上，重力加速度为9.80665m/s2 时的压力1atm=760mmHg=101.325kPa1bar=100kPa课 件q大气压力：大气层对地球表面单位面积上所产生的压力，即大气的自重对地球表面产
33、生的压力。q表压力（正压）：超过大气压以上的压力数值，即测压仪表显示的压力值q绝对压力：相对绝对真空所测得的压力（表压力与大气压力之和），又称总压力或全压力q负压力（疏空）：绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差q真空度：小于大气压力的绝对压力课 件q 船舶上压力传感器应用广泛，机舱中各种设备的油、水、气的压力检测都是通船舶上压力传感器应用广泛，机舱中各种设备的油、水、气的压力检测都是通过压力传感器实现的。过压力传感器实现的。q其测量原理分为两类：一是其测量原理分为两类：一是基于压力位移转换原理基于压力位移转换原理，压力经弹性元件转换为位移，压力经弹性元件转换为位移，再转换为电量，如电
34、位器式，电感式，霍尔式；再转换为电量，如电位器式，电感式，霍尔式；一是一是力敏元件力敏元件制成的，如压电式，应变式等。制成的，如压电式，应变式等。q常用的压力传感器有常用的压力传感器有u压电式u电阻应变式u硅压力传感器u霍尔式u电感式u电容式u 涡流式课 件n压电压电效效应应及及压电压电式式压压力力传传感器感器压压电电式式传传感感器器以以电电介介质质的的压压电电效效应应（正正压压电电、电电致致伸伸缩缩）为为基基础础，即即在在外外力力作作用用下下在在电电介介质质表表面面产产生生电电荷荷，从从而而实实现现非非电电量量测测量量,是是一一种种典典型型的的有源有源传感器。传感器。压电式传感器具有体积小、
35、质量轻、温度达压电式传感器具有体积小、质量轻、温度达250250频响高（频响高（30kHz 30kHz），灵敏度高，线性好（），灵敏度高，线性好（0.5 0.5级，级，1.01.0级）；级）；测量范围宽（测量范围宽（100MPa100MPa以下的压力）；以下的压力）；内阻高，二次仪表要求输入阻抗高；内阻高，二次仪表要求输入阻抗高；电荷小，消失快，只能测动态和脉冲压力，不宜测缓慢变化的压力。电荷小，消失快，只能测动态和脉冲压力，不宜测缓慢变化的压力。石英晶体（标准压力传感器）；压电陶瓷（常用）石英晶体（标准压力传感器）；压电陶瓷（常用）船上应用：柴油机示功器中的压力测量，进排气管的动态压力等。船
36、上应用：柴油机示功器中的压力测量，进排气管的动态压力等。课 件 2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl栅长栅长栅长栅长栅宽栅宽栅宽栅宽n应变应变效效应应及及应变应变式式压压力力传传感器感器原理：原理：导体或半导体材料在外（拉力或压力）力的作用时，产生机械变形，导致其电导体或半导体材料在外（拉力或压力）力的作用时，产生机械变形，导致其电阻值相应发生变化，阻值相应发生变化，称为称为“应变效应应变效应”。应变片电阻值通常有应变片电阻值通常有6060、120120、200200、350350、500500、10001000 等几种，其中以等几种，其中以120 120 最常见。材料有康铜、
37、铜镍合金、铜铬合金等。最常见。材料有康铜、铜镍合金、铜铬合金等。课 件金属应变片式压力传感器测量电路测量电路：电桥电路（差动输出）测量电路：电桥电路（差动输出）课 件应变效应通常是受力后应变效应通常是受力后材料的几何尺寸材料的几何尺寸和和电阻率电阻率发生发生改变，改变，课 件n硅硅压压力力传传感器感器半导体应变片有体型、扩散型、薄膜型三种。（半导体应变片有体型、扩散型、薄膜型三种。（硅的压阻硅的压阻效应大，常用，故称硅压力传感器效应大，常用，故称硅压力传感器）扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到N型硅晶片基底上，将力敏元件、弹性元件、补偿电路、调理电路制成一体，目前应用最广泛。特点特点优优点点
38、：灵灵敏敏系系数数比比金金属属丝丝式式高高50508080倍倍，灵敏度高，频率响应范围很宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接使用，使测量系统简单；缺点：缺点：材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，应用范围受到限制。应用范围受到限制。课 件n霍霍尔尔效效应应及霍及霍尔尔式式压压力力传传感器感器金属或半导体金属或半导体薄片薄片，若在它的两端通过，若在它的两端通过控制电流控制电流I，并在薄片的，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场的磁场，那么，在垂直于电流和，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生磁场的方向上将产
39、生电动势电动势UH。这种现象称为。这种现象称为霍尔效应霍尔效应。霍尔系数霍尔系数灵敏系数灵敏系数RH为霍尔常数，其大小由载流材料的物理性质决定。为霍尔常数，其大小由载流材料的物理性质决定。单位体积内导电粒子数单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强，所以常采用半导体材料做霍尔元件；越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强，所以常采用半导体材料做霍尔元件；KH为灵敏度系数，不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的为灵敏度系数，不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关，几何尺寸有关，一般要求霍尔元件灵敏度越大越好一般要求霍尔元件灵敏度越大越好一般
40、要求霍尔元件灵敏度越大越好一般要求霍尔元件灵敏度越大越好。I I ：控制电流（控制电流（A A）B B：磁感应强度（：磁感应强度（T T）d d ：霍尔元件的厚度（：霍尔元件的厚度（m m）课 件霍尔元件的结构由霍尔元件的结构由霍尔片霍尔片、引线引线和和壳体壳体组成。组成。1-3:控制电流端引线（面接触，长度方向，红色）控制电流极（或激励电极）2-4:霍尔输出引线（点接触，绿色）霍尔电极H电路符号：c.壳体：非导磁金属、陶瓷和环氧树脂封装。b.四根引线（3或5）:a.霍尔片：矩形半导体单晶薄片（4mm*4mm*0.1mm）课 件霍尔元件的材料霍尔元件的材料一般由一般由N型半导体材料制作型半导体
41、材料制作。（。（。（。（R RH H=）（1）锗）锗(Ge)，输出小，温度性能和线性度较好。，输出小，温度性能和线性度较好。（2）锑化铟）锑化铟(InSb)，输出较大，受温度影响大。，输出较大，受温度影响大。（3）砷化铟）砷化铟(InAs)，输出次之，温度性能和线性度优之。，输出次之，温度性能和线性度优之。（4）砷化镓）砷化镓(GaAs)，温度特性和线性度均好，但价格贵。，温度特性和线性度均好，但价格贵。v 金属材料载流子迁移率大，但电阻率很低金属材料载流子迁移率大，但电阻率很低 ；v 绝缘体的电阻率高，但载流子迁移率极小；绝缘体的电阻率高，但载流子迁移率极小；v 半导体材料两者兼优半导体材料
42、两者兼优理想材料。理想材料。课 件霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数（2 2）输入电阻和输出电阻）输入电阻和输出电阻 (几欧姆几欧姆几欧姆几欧姆 几百欧姆几百欧姆几百欧姆几百欧姆)输入电阻指输入电阻指控制电流控制电流极间的电阻值。极间的电阻值。输出电阻指输出电阻指霍尔电极霍尔电极间的电阻值。间的电阻值。（1 1）额定激励电流和最大允许激励电流）额定激励电流和最大允许激励电流 使霍尔元件温升使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定激励电流。以霍尔片允许最所施加的控制电流值称为额定激励电流。以霍尔片允许最大温升为限制所对应的电流称为最大允许激励电流大温升为限制所对应的电流称为最大允许
43、激励电流I IMM(几毫安几毫安几毫安几毫安 几百毫安几百毫安几百毫安几百毫安)。（3 3）霍尔电压温度系数）霍尔电压温度系数 霍尔元件与一般半导体器件一样，霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度变化十分敏感对温度变化十分敏感对温度变化十分敏感对温度变化十分敏感。霍尔电动势的温度系数。霍尔电动势的温度系数是是指在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化指在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1，霍尔电动势的变化率。，霍尔电动势的变化率。课 件产生原因产生原因主要有：主要有：（1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；（2）材质不均匀、几何尺寸不均
44、匀）材质不均匀、几何尺寸不均匀（5 5）寄生电动势）寄生电动势 当霍尔元件通以当霍尔元件通以当霍尔元件通以当霍尔元件通以交流控制电流交流控制电流交流控制电流交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。一般还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。一般还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。一般还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。一般1mV1mV以下以下以下以下产生原因产生原因主要有：主要有：（1
45、）霍尔元件的电极不完全欧姆接触，可能出现整流效应霍尔元件的电极不完全欧姆接触，可能出现整流效应（2）霍尔电极大小不对称形成极间温差电势）霍尔电极大小不对称形成极间温差电势（4 4）不等位电势）不等位电势 当霍尔元件通以额定激励电流当霍尔元件通以额定激励电流IH而而不加外磁场时不加外磁场时它的霍尔输出端之间仍有空它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势。载电势存在，该电势就称为不等位电势。课 件n电电感式感式压压力力传传感器感器主要优点：主要优点：结构简单、工作可靠；结构简单、工作可靠；灵敏度高灵敏度高，能分辨，能分辨0.01m0.01m的位移变化；的位移变化；测量精度高测量精
46、度高、零点稳定、输出功率较大；、零点稳定、输出功率较大；可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用；制系统中被广泛采用；主要缺点主要缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约；灵敏度、线性度和测量范围相互制约；传感器自身传感器自身频率响应低频率响应低，不适用于快速动态测量。，不适用于快速动态测量。电感式压力传感器是将因压力产生的位移变换电感量的电感式压力传感器是将因压力产生的位移变换电感量的变化，从而测量压力。变化，从而测量压力。种类：根据转换原理分为种类：根据转换原理分为自感式自感式、互感式互感式、电涡流电涡流式
47、；式；课 件把被测的非电量变化转换为线圈把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化互感量变化的传感器称为互感式传感器。的传感器称为互感式传感器。这这种种传传感感器器是是根根据据变变压压器器的的基基本本原原理理制制成成的的，把把被被测测位位移移量量转转换换为为一一次次线线圈圈与与二二次次线线圈圈间间的的互互感感量量变变化化的的装装置置。当当一一次次线线圈圈接接入入激激励励电电源源后后，二二次次线线圈圈就就将将产产生生感感应应电电动动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用由于两个二次线圈采用差动接法差动接法，故称为差动变
48、压器式传感器，简称差动变压器，故称为差动变压器式传感器，简称差动变压器（LVDT,Linear varibale transformer）。）。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管线螺线管线等。等。u2u2=u21-u22课 件q输出电压特性q灵敏度q频率特性q线性度q零点残余电压消除方法差动变压器的输出特性：差动变压器的输出特性：课 件定定义义：差差动动变变压压器器的的灵灵敏敏度度是是指指差差动动变变压压器器在在单单位位电电压压激激励励下下，动动铁铁芯芯移移动动单单位位距距离离时的输出电压。时的输出电压。单位为单位为mV/mm/V(双
49、输入单输出)50 mV/mm/V，高精度，高精度1000 mV/mm/V以上以上灵敏度灵敏度 提高灵敏度的方法：提高灵敏度的方法：（1 1）提高线圈品质因数提高线圈品质因数Q Q值值(Q=(Q=L/R)L/R)（Q Q越高，电路损耗越小，效率越高）越高，电路损耗越小，效率越高）（2 2）增大铁芯直径，使其接近线圈框架内径，选择导磁性能好，铁损小以及）增大铁芯直径，使其接近线圈框架内径，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳。涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳。（3 3）减小涡流损耗，线圈框架采用非导电且膨胀系数小的材料。）减小涡流损耗，线圈框架采用非导电且膨胀系数
50、小的材料。（4 4）选择较高的励磁电压）选择较高的励磁电压（防过热）（防过热）和励磁频率。和励磁频率。课 件 KE与f关系曲线当当f f较低时，较低时，灵敏度显著降低灵敏度显著降低当当f f较高时，将会产生较高时，将会产生“集肤集肤”效应，电荷汇集在表面，铁芯有效阻值增大，效应，电荷汇集在表面，铁芯有效阻值增大，铁芯发热，产生很大功耗，从而引起铁芯发热，产生很大功耗，从而引起U U2 2快速下降快速下降频率特性频率特性课 件线性度线性度课 件零点残余电压及消除方法零点残余电压及消除方法 产生原因：产生原因：由于两个次级线圈绕组电气系数由于两个次级线圈绕组电气系数 （M M互感互感 L L电感电