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1、第二章第二章 常用的傳感器常用的傳感器傳感器的定義：傳感器的定義：直接作用于被測量、能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成直接作用于被測量、能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成 同種同種或或別種別種量值輸出的器件，叫做傳感器。量值輸出的器件，叫做傳感器。通常通常傳感器的工作情況如下圖所示：傳感器的工作情況如下圖所示：傳感器傳感器物理量物理量化學量化學量生物量生物量電壓（電壓（V）電流（電流（mA）頻率（頻率（Hz）傳感器將其它類型的傳感器將其它類型的被測量被測量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電量電量的好處是：的好處是：易于測量、易于傳輸、易于處理、易于轉(zhuǎn)換易于測量、易于傳輸、易于處理、易于轉(zhuǎn)換被檢測的物理量：被檢測的物理量：力、位移、加速度

2、、溫度力、位移、加速度、溫度等；等；被檢測的化學量：被檢測的化學量：氣體的化學成分氣體的化學成分、液體中的、液體中的某種成分的含量某種成分的含量等；等；被檢測的生物量：被檢測的生物量：酶、抗菌素酶、抗菌素等。等。第二章的主要內(nèi)容第二章的主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 機械式機械式傳感器傳感器第二節(jié)第二節(jié) 電阻式電阻式傳感器傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電感式電感式傳感器傳感器第四節(jié)第四節(jié) 壓電式壓電式傳感器傳感器第五節(jié)第五節(jié) 光敏光敏傳感器傳感器第六節(jié)第六節(jié) 其它常用傳感器其它常用傳感器第七節(jié)第七節(jié) 傳感器的傳感器的分類分類第八節(jié)第八節(jié) 傳感器的傳感器的性能性能指標指標第一節(jié)第一節(jié) 機械式傳感器機械式傳感器 機械

3、式傳感器通常以機械式傳感器通常以彈性體彈性體作為傳感器的作為傳感器的敏感元件敏感元件。機械式機械式傳感器傳感器力力壓力壓力溫度溫度彈性變形彈性變形 一、環(huán)形測力計一、環(huán)形測力計 環(huán)形測力計一般用來環(huán)形測力計一般用來測力測力或或稱重稱重。應用時，用。應用時，用百分表百分表測量環(huán)測量環(huán)形測力計受力后的彈性變形量，形測力計受力后的彈性變形量，換算成換算成環(huán)形測力計的受力值。環(huán)形測力計的受力值。環(huán)形測力計攜帶方便，環(huán)形測力計攜帶方便，不需要電源不需要電源，經(jīng)常用于現(xiàn)場的稱重傳，經(jīng)常用于現(xiàn)場的稱重傳感器或力傳感器的校準（通常用千斤頂作為力源）。感器或力傳感器的校準（通常用千斤頂作為力源）。環(huán)形測力計的測

4、力精度一般為環(huán)形測力計的測力精度一般為 0.3%。二、波登管式溫度計二、波登管式溫度計 波登管式溫度計測溫的原理波登管式溫度計測溫的原理是：封閉在感溫筒內(nèi)的酒精的體是：封閉在感溫筒內(nèi)的酒精的體積隨溫度變化，造成積隨溫度變化，造成波登管的彈波登管的彈性變形性變形，帶動指針轉(zhuǎn)動，指示溫帶動指針轉(zhuǎn)動，指示溫度的數(shù)值。度的數(shù)值。工程中應用的許多溫度表就工程中應用的許多溫度表就是這種溫度計。是這種溫度計。這種溫度計的特點：這種溫度計的特點：結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，不需要電源；結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，不需要電源；讀數(shù)不精確，慣性大，響應慢，只適于讀數(shù)不精確，慣性大，響應慢，只適于 靜態(tài)測量。靜態(tài)測量。三、波紋膜片

5、式壓力計三、波紋膜片式壓力計 波紋膜片式壓力計用于波紋膜片式壓力計用于流體流體的壓力的壓力計量。在計量時，流體的計量。在計量時，流體的壓力作用在膜片上，造成膜片的壓力作用在膜片上，造成膜片的彈性變形彈性變形，帶動指針轉(zhuǎn)動帶動指針轉(zhuǎn)動，指示，指示壓力的數(shù)值。壓力的數(shù)值。工程中應用的許多壓力表就工程中應用的許多壓力表就是這種壓力計。是這種壓力計。這種壓力計的特點：這種壓力計的特點：結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，不需要電源；結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，不需要電源；讀數(shù)不精確，慣性大，響應慢，只適于讀數(shù)不精確，慣性大，響應慢，只適于 靜態(tài)測量。靜態(tài)測量。第二節(jié)第二節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器是一種把被測量

6、轉(zhuǎn)化為電阻式傳感器是一種把被測量轉(zhuǎn)化為電阻阻值變化電阻阻值變化的傳感器。的傳感器。電阻式電阻式傳感器傳感器位移位移轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角應變應變阻值變化阻值變化 電阻式傳感器按照工作原理可分為電阻式傳感器按照工作原理可分為變阻器式變阻器式和和電阻應變式電阻應變式兩兩類類。一、變阻器式傳感器一、變阻器式傳感器 變阻器式傳感器也稱為變阻器式傳感器也稱為電位差式電位差式傳感器，它通過改變傳感器，它通過改變電位器電位器觸頭的位置觸頭的位置，把位移或轉(zhuǎn)角的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。，把位移或轉(zhuǎn)角的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。左圖為測量左圖為測量直線位移直線位移的變阻器式傳感器。的變阻器式傳感器。中間圖為測量中間圖為測量角位移角

7、位移的變阻器式傳感器。的變阻器式傳感器。右圖為測量右圖為測量直線位移直線位移的的非線性輸出非線性輸出變阻器式傳感器。變阻器式傳感器。這種傳感器價格便宜，但長期使用會因這種傳感器價格便宜，但長期使用會因磨損磨損影響性能，并且影響性能，并且其分辨力不高（一般很難優(yōu)于其分辨力不高（一般很難優(yōu)于20 m）。）。二、電阻應變式傳感器二、電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器可用于測量電阻應變式傳感器可用于測量力、扭矩、位移、加速度力、扭矩、位移、加速度等。等。電阻應變式傳感器的測量方法是：電阻應變式傳感器的測量方法是：把電阻應變片把電阻應變片粘貼在彈性體上粘貼在彈性體上，通過測量彈性體上（貼片部，通過測量彈

8、性體上（貼片部位）的位）的應變應變造成的電阻應變片的造成的電阻應變片的阻值變化阻值變化，間接測量間接測量力、扭矩、力、扭矩、位移、加速度等。位移、加速度等。（重要概念）（重要概念）第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是一種把被測量（電感式傳感器是一種把被測量（位移位移）變換為）變換為電感量電感量變化的變化的傳感器，其變換基于傳感器，其變換基于電磁感應電磁感應原理。按照變換方式的不同，可分原理。按照變換方式的不同，可分為自感型和互感型。為自感型和互感型。一、自感型渦電流（電渦流）式傳感器一、自感型渦電流（電渦流）式傳感器 電渦流式傳感器的變換原電渦流式傳感器的變換原理是利用金屬體

9、在交變磁場中理是利用金屬體在交變磁場中的的渦電流效應。渦電流效應。由于渦流磁場的作用，使原線圈的由于渦流磁場的作用，使原線圈的等效阻抗等效阻抗Z（等效電感等效電感 L等）等）都發(fā)生變化，其變化程度與距離都發(fā)生變化，其變化程度與距離 有關(guān)有關(guān)。電渦流電渦流傳感器傳感器距離距離 電感電感 L 電渦流傳感器的檢測電路有多種形式，其中電渦流傳感器的檢測電路有多種形式，其中調(diào)頻電路調(diào)頻電路的工作的工作原理比較簡單。原理比較簡單。電渦流傳感器可用于電渦流傳感器可用于動態(tài)非接觸測量動態(tài)非接觸測量。其結(jié)構(gòu)簡單，能防水。其結(jié)構(gòu)簡單，能防水和油污，主要性能指標如下：和油污，主要性能指標如下：測量間隙的范圍測量間隙

10、的范圍：0（110）mm 最高分辨力最高分辨力：1 m電渦流傳感器的電渦流傳感器的主要用途：主要用途：（重要概念）（重要概念）在被測金屬材質(zhì)不變的條件下，在被測金屬材質(zhì)不變的條件下，用于測量與金屬之間的間用于測量與金屬之間的間隙，可測量隙，可測量位移位移、振動振動。（這種用途最廣?。ㄟ@種用途最廣?。┰陂g隙不變的條件下，在間隙不變的條件下，用于測量金屬的用于測量金屬的電阻率電阻率 和和磁導率磁導率 的變化，可以作為的變化，可以作為材質(zhì)鑒別材質(zhì)鑒別和和無損探傷無損探傷。電渦流電渦流傳感器傳感器電渦流傳感器的典型應用電渦流傳感器的典型應用回轉(zhuǎn)軸的徑向擺動和振動測量回轉(zhuǎn)軸的徑向擺動和振動測量鋼板厚度

11、測量鋼板厚度測量 二、互感型差動變壓器式傳感器二、互感型差動變壓器式傳感器 這這種種傳傳感感器器是是利利用用電電磁磁感感應應中中的的互互感感現(xiàn)現(xiàn)象象（即即變變壓壓器器的的原原理理），把被測量（，把被測量（位移位移）變換成）變換成感應電勢感應電勢的變化。的變化。由由于于在在應應用用中中常常常常采采用用兩兩個個次次級級線線圈圈組組成成差差動動式式傳傳感感器器，故故一般又被稱為一般又被稱為差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器。差動變壓器式傳感器的主要性能為：差動變壓器式傳感器的主要性能為：測量范圍：測量范圍：0100 mm 測量精度：測量精度：0.1 m 有些軋鋼機的有些軋鋼機的輥縫儀輥縫儀采用這種

12、傳感器進行壓下螺絲行程測量。采用這種傳感器進行壓下螺絲行程測量。通常，傳感器采用通常，傳感器采用差動差動結(jié)構(gòu)形式的目的：結(jié)構(gòu)形式的目的：（重要概念）（重要概念）（1）提高傳感器的）提高傳感器的靈敏度靈敏度；（2）增大傳感器輸出的）增大傳感器輸出的線性段范圍線性段范圍?？梢钥梢詰貌顒幼儔浩鞯脑?，應用差動變壓器的原理，通過測量彈性體的通過測量彈性體的微小變形微小變形，測，測量量作用力作用力 F。這種傳感器的這種傳感器的主要缺點是有主要缺點是有殘余電壓。殘余電壓。第四節(jié)第四節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器的原理是利用某些物質(zhì)的壓電式傳感器的原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應壓電效應檢測作用力

13、。檢測作用力。一、壓電效應一、壓電效應壓電壓電材料材料外力外力表面出現(xiàn)電荷表面出現(xiàn)電荷 當當外外力力消消失失后后，材材料料恢恢復復到到原原來來的的狀狀態(tài)態(tài)（電電荷荷消消失失）。在在外外力力保保持持不不變變時時，電電荷荷會會泄泄漏漏。因因此此，壓壓電電式式傳傳感感器器不不適適合合測測量量靜靜力。力。（重要概念）（重要概念）二、壓電材料二、壓電材料 常用的壓電材料分為三類：常用的壓電材料分為三類：壓電單晶、壓電陶瓷、有機壓電薄膜壓電單晶、壓電陶瓷、有機壓電薄膜 目前使用最多的是壓電陶瓷（目前使用最多的是壓電陶瓷（PZT 鋯鈦酸鉛）。鋯鈦酸鉛）。三、壓電式傳感器的應用三、壓電式傳感器的應用膜片膜片壓

14、電壓電材料材料質(zhì)量塊質(zhì)量塊殼體殼體壓力傳感器壓力傳感器 加速度傳感器加速度傳感器壓電效應是可逆的：壓電效應是可逆的：壓電晶片可以做壓電晶片可以做驅(qū)動器驅(qū)動器。對壓電晶片施加。對壓電晶片施加交變電壓交變電壓，可作為，可作為振動源振動源，做超聲波發(fā)生器。，做超聲波發(fā)生器。四、測量電路四、測量電路 壓電式傳感器輸出信號是很微弱的電荷，而且本身壓電式傳感器輸出信號是很微弱的電荷，而且本身內(nèi)阻很大，內(nèi)阻很大，輸出能量很小輸出能量很小，給后接電路帶來困難。，給后接電路帶來困難。壓電式傳感器在應用時，一般需要將其輸出信號先輸入到一壓電式傳感器在應用時，一般需要將其輸出信號先輸入到一個個高阻抗的前置放大器高阻

15、抗的前置放大器。前置放大器主要有兩個作用：前置放大器主要有兩個作用：（1）將傳感器的）將傳感器的高阻抗高阻抗輸出變換為輸出變換為低阻抗低阻抗輸出；輸出；（2）放大放大傳感器輸出的微弱信號。傳感器輸出的微弱信號。前置放大器分為兩種：前置放大器分為兩種：（1）用電阻反饋的）用電阻反饋的電壓放大器電壓放大器（工作不穩(wěn)定，價格便宜）（工作不穩(wěn)定，價格便宜）（2）帶電容反饋的）帶電容反饋的電荷放大器電荷放大器（工作穩(wěn)定，價格高，（工作穩(wěn)定，價格高，常用常用）電荷放大器的工作原理：電荷放大器的工作原理：在忽略漏電阻的條件下在忽略漏電阻的條件下電荷放大器的工作原理：電荷放大器的工作原理：式中式中 ui放大器

16、輸入端電壓；放大器輸入端電壓；uy傳感器輸出端電壓傳感器輸出端電壓在忽略漏電阻的條件下在忽略漏電阻的條件下（A為電荷放大器的為電荷放大器的開環(huán)增益開環(huán)增益。）。）Cf電荷放大器的電荷放大器的反饋電容反饋電容。如果放大器的開環(huán)增益足夠大，則如果放大器的開環(huán)增益足夠大，則上式可簡化為上式可簡化為第五節(jié)第五節(jié) 光敏傳感器光敏傳感器 光敏傳感器是將光敏傳感器是將光量光量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電量電量的器件，其工作原理是利用的器件，其工作原理是利用半導體材料的光電效應。半導體材料的光電效應。光光 敏敏傳感器傳感器光光電量電量 光敏傳感器主要有光敏傳感器主要有光敏電阻光敏電阻、光電池光電池和和光敏晶體管光敏晶體管等。等。一、光敏電阻一、光敏電阻 光敏電阻是一種光電元件，其工作原理是基于半導體材料的光敏電阻是一種光電元件，其工作原理是基于半導體材料的內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應，即當半導體受到光照射時，其電阻值減小的現(xiàn)象。，即當半導體受到光照射時，其電阻值減小的現(xiàn)象。A 一般的光敏電阻在一般的光敏電阻在無光照射無光照射時，其時，其阻值很大阻值很大；受到；受到光照光照時，時，阻值下降阻值下降，其阻值下降的幅度取決于光照