《常用傳感器》PPT課件

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1、第 三 章 常 用 傳 感 器 本 章 學(xué) 習(xí) 要 求 ：1.了 解 傳 感 器 的 分 類 2.掌 握 常 用 傳 感 器 測(cè) 量 原 理3.了 解 傳 感 器 測(cè) 量 電 路3.1 概 述3.2 電 阻 式 傳 感 器3.3 電 感 式 傳 感 器3.4 電 容 式 傳 感 器3.5 壓 電 式 傳 感 器3.6 磁 電 式 傳 感 器3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器3.8 其 它 類 型 傳 感 器3.9 傳 感 器 選 用 原 則 3.1.1 傳 感 器 定 義3.1.2 傳 感 器 的 構(gòu) 成3.1.3 傳 感 器 的 分 類3.1.4 常 見 的 被 測(cè) 物 理 量3

2、.1 概 述第 三 章 常 用 傳 感 器 傳 感 器 是 借 助 于 檢 測(cè) 元 件 接 收 一 種 形 式 的 信 息 ， 并按 一 定 的 規(guī) 律 將 所 獲 取 的 信 息 轉(zhuǎn) 換 成 另 一 種 信 息 的 裝 置 。物 理 量 電 量 目 前 ， 傳 感 器 轉(zhuǎn) 換 后 的 信 號(hào) 大 多 為 電 信 號(hào) 。 因 而 從狹 義 上 講 ， 傳 感 器 是 把 外 界 輸 入 的 非 電 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 電 信號(hào) 的 裝 置 。3.1.1 傳 感 器 定 義3.1 概 述 3.1.2 傳 感 器 的 構(gòu) 成3.1 概 述 傳 感 器 一 般 由 敏 感 器 件 與 輔 助 器 件

3、 組 成 。 敏 感 器 件 是傳 感 器 的 核 心 ， 它 的 作 用 是 直 接 感 受 被 測(cè) 物 理 量 ， 并 對(duì) 信號(hào) 進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 換 輸 出 。 輔 助 器 件 則 是 對(duì) 敏 感 器 件 輸 出 的 電 信 號(hào)進(jìn) 行 放 大 、 阻 抗 匹 配 ， 以 便 于 后 續(xù) 儀 表 接 入 。 d V 3.1.3 傳 感 器 的 分 類3.1 概 述(1)按 被 測(cè) 物 理 量 分 類 :(2)按 工 作 的 物 理 基 礎(chǔ) 分 類 :(3)按 信 號(hào) 變 換 特 征 :(4)按 敏 感 元 件 與 被 測(cè) 對(duì) 象 之 間 的 能 量 關(guān) 系 :位 移 ,力 ,溫 度 等 .機(jī) 械

4、 式 ,電 氣 式 ,光 學(xué) 式 ,流 體 式 等 .物 性 型 ,結(jié) 構(gòu) 型 .能 量 轉(zhuǎn) 換 型 和 能 量 控 制 型 . 3.1 概 述A 物 性 型 與 結(jié) 構(gòu) 型 傳 感 器物 性 型 :依 靠 敏 感 元 件 材 料 本 身 物 理 性 質(zhì) 的 變 化 來 實(shí) 現(xiàn) 信 號(hào) 變 換 . 例 如 :水 銀 溫 度 計(jì) ,壓 電 測(cè) 力 計(jì) .結(jié) 構(gòu) 型 :依 靠 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 的 變 化 實(shí) 現(xiàn) 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 變 . 例 如 :電 容 式 和 電 感 式 傳 感 器 .B 能 量 轉(zhuǎn) 換 型 和 能 量 控 制 型 傳 感 器能 量 轉(zhuǎn) 換 型 :直 接 由 被 測(cè) 對(duì)

5、象 輸 入 能 量 使 其 工 作 . 例 如 :熱 電 偶 溫 度 計(jì) ,壓 電 式 加 速 度 計(jì) .能 量 控 制 型 :從 外 部 供 給 能 量 并 由 被 測(cè) 量 控 制 外 部 供 給 能 量 的 變 化 . 例 如 :電 阻 應(yīng) 變 片 . 3.1.4 常 見 的 被 測(cè) 物 理 量 機(jī) 械 量 :長(zhǎng) 度 ,厚 度 ,位 移 ,速 度 ,加 速 度 ,旋 轉(zhuǎn) 角 ,轉(zhuǎn) 數(shù) , 質(zhì) 量 ,重 量 ,力 ,壓 力 ,真 空 度 ,力 矩 ,風(fēng) 速 ,流 速 , 流 量 . 聲 : 聲 壓 ,噪 聲 . 磁 : 磁 通 ,磁 場(chǎng) . 溫 度 : 溫 度 ,熱 量 ,比 熱 . 光 ：

6、 亮 度 ， 色 彩 .3.1 概 述 3.2 電 阻 式 傳 感 器 電 阻 式 傳 感 器 是 把 被 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 變 化 的 一 種 傳 感 器 . 按 工 作 的 原 理 可 分 為 :變 阻 器 式 、 電 阻 應(yīng) 變 式 、 熱 敏 式 、光 敏 式 、 電 敏 式 .第 三 章 常 用 傳 感 器3.2.1 變 阻 器 式 傳 感 器3.2.2 電 阻 應(yīng) 變 式 傳 感 器 3.2.1 變 阻 器 式 傳 感 器（ 1） 工 作 原 理3.2 電 阻 式 傳 感 器RxklR )2( xkkR kR 等 效 電 路 分 析 : Rp-總 電 阻 ;xp-變 阻

7、總 長(zhǎng) ;RL負(fù) 載 電 阻 ;x-電 刷 移 動(dòng) 量 .1 32 xxp Ein EoutRx RLRp-Rx )1)(1 pxxLRpRxpx in LRxRxRpRLRpR inLRxR LRxR xRpRin EEEoutE 0 x 100%100%Output0負(fù) 載 效 應(yīng) 3.2 電 阻 式 傳 感 器 (2) 變 阻 器 式 傳 感 器 的 性 能 參 數(shù) : 1) 線 性 (或 曲 線 的 一 致 性 ); 4) 移 動(dòng) 或 旋 轉(zhuǎn) 角 度 范 圍 ; 2) 分 辨 率 ; 5) 電 阻 溫 度 系 數(shù) ; 3) 整 個(gè) 電 阻 值 的 偏 差 ; 6) 壽 命 ;(3)變

8、阻 器 式 傳 感 器 的 分 類 :3.2 電 阻 式 傳 感 器變 阻 器 按 電 阻 元 件 分 單 圈 電 位 器直 線 滑 動(dòng) 式 電 位 器多 圈 電 位 器 混 合 式 電 位 器導(dǎo) 電 塑 料 電 位 器金 屬 陶 瓷 電 位 器線 繞 電 位 器按 電 位 器 結(jié) 構(gòu) 分 (4)變 阻 器 式 傳 感 器 的 特 點(diǎn) ：3.2 電 阻 式 傳 感 器電 阻 器 制 作 特 點(diǎn)繞 線 式 直 徑 0.012-0.1mm的 鎳 鉻 合 金 的 精 密 電 阻絲 繞 在 絕 緣 的 薄 膜 銅 絲 或 絕 緣 的 膠 木 板等 卷 心 上 而 制 作 電 阻 溫 度 系 數(shù) 非 常

9、 好 ， 為 (520) 10-6 / ； 精 度 、 穩(wěn) 定 性 、 重 復(fù)性 比 薄 膜 式 好 ； 分 辨 力 低 于 薄 膜 式金 屬 陶 瓷 式 電 阻 膠 印 在 陶 瓷 基 板 上 ， 并 用 高 溫 燒 制而 成 分 辨 力 高 ， 環(huán) 境 適 應(yīng) 性 強(qiáng) ， 電 阻 溫度 系 數(shù) 為 200 10-6 / 左 右導(dǎo) 電 -塑 料 式 將 基 板 的 樹 脂 與 電 阻 膜 制 成 一 體 ， 或 將電 阻 膠 涂 于 薄 膜 基 片 上 分 辨 力 高 ， 壽 命 長(zhǎng) ， 線 響 應(yīng) 特 性 好 ，電 阻 溫 度 系 數(shù) 為 400 10 -6 /混 合 式 導(dǎo) 電 型 樹

10、脂 涂 于 線 繞 式 電 阻 元 件 上 兼 有 繞 線 式 、 導(dǎo) 電 塑 料 式 的 優(yōu) 點(diǎn) ，電 阻 溫 度 系 數(shù) 為 150 10-6 / (5) 應(yīng) 用案 例 1： 重 量 的 自 動(dòng) 檢 測(cè) -配 料 設(shè) 備 設(shè) 定 值原 材 料 比 較 3.2 電 阻 式 傳 感 器 (5) 應(yīng) 用案 例 1： 重 量 的 自 動(dòng) 檢 測(cè) -配 料 設(shè) 備 設(shè) 定 值原 材 料 比 較 原 理用 彈 簧 將 力 轉(zhuǎn) 換 為 位 移 ;再 用 變阻 器 將 位 移 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 的 變 化 3.2 電 阻 式 傳 感 器 )1)( 0 pxxLRpRxpx eye 案 例 2： 煤 氣

11、包 儲(chǔ) 量 檢 測(cè) 原 理直 接 將 代 表 煤 氣 包 儲(chǔ) 量 的 高 度變 化 轉(zhuǎn) 換 為 鋼 絲 的 電 阻 變 化煤 氣 包鋼 絲 特 點(diǎn) ：（ 1） 測(cè) 量 量 程 大 ；（ 2） 防 爆 ；（ 3） 可 靠 ；（ 4） 成 本 低 。3.2 電 阻 式 傳 感 器 案 例 3： 玩 具 機(jī) 器 人 （ 廣 州 中 鳴 數(shù) 碼 ）原 理直 接 將 關(guān) 節(jié) 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 角度 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 器 阻 值 變 化3.2 電 阻 式 傳 感 器 3.2.2 電 阻 應(yīng) 變 式 傳 感 器 -應(yīng) 變 片 金 屬 電 阻 應(yīng) 變 片 的 工 作 原 理 是 基 于 金

12、 屬 導(dǎo) 體 的 應(yīng) 變效 應(yīng) ， 即 金 屬 導(dǎo) 體 在 外 力 作 用 下 發(fā) 生 機(jī) 械 變 形 時(shí) ， 其 電阻 值 隨 著 它 所 受 機(jī) 械 變 形 （ 伸 長(zhǎng) 或 縮 短 ） 的 變 化 而 發(fā) 生變 化 的 現(xiàn) 象 。 3.2 電 阻 式 傳 感 器 1） 工 作 原 理金 屬 應(yīng) 變 片 的 電 阻 R為 AlR dRdAARdllRdR rA 2 drldrrldlrdR 2322 )2( drdrldlR ldl ldlrdr Ed )21( ER 縱 向 應(yīng) 變 泊 松 比 彈 性 模 量壓 阻 系 數(shù) 3.2 電 阻 式 傳 感 器 (1)當(dāng) 不 變 時(shí) )21( R

13、dAARdllRdR 金 屬 應(yīng) 變 計(jì)(2)當(dāng) 變 化 時(shí) ERdRdAldRdR 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 計(jì)3.2 電 阻 式 傳 感 器 ）常 數(shù) （ 6.37.121/Sg Sgldl RdR ）（ 一 般 SgSgEldl RdRSg 7050/ 2） 金 屬 應(yīng) 變 片 應(yīng) 變 計(jì)3.2 電 阻 式 傳 感 器 金 屬 應(yīng) 變 片 有 ： 絲 式 、 箔 式 優(yōu) 點(diǎn) ： 穩(wěn) 定 性 和 溫 度 特 性 好 缺 點(diǎn) ： 靈 敏 度 系 數(shù) 小 3） 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 應(yīng) 變 計(jì)3.2 電 阻 式 傳 感 器 優(yōu) 點(diǎn) ： 應(yīng) 變 靈 敏 度 大 ;體 積 小 ;能 制 成 具 有 一

14、 定 應(yīng) 變 電 阻 的 元 件 . 缺 點(diǎn) ： 溫 度 穩(wěn) 定 性 和 可 重 復(fù) 性 不 如 金 屬 應(yīng) 變 片 . 4） 應(yīng) 變 片 的 主 要 參 數(shù)1） 幾 何 參 數(shù) ： 表 距 L和 絲 柵 寬 度 b， 制 造 廠 常 用 b L 表 示 。 2） 電 阻 值 ： 應(yīng) 變 計(jì) 的 原 始 電 阻 值 。 3） 靈 敏 系 數(shù) ： 表 示 應(yīng) 變 計(jì) 變 換 性 能 的 重 要 參 數(shù) 。 4） 其 它 表 示 應(yīng) 變 計(jì) 性 能 的 參 數(shù) （ 工 作 溫 度 、 滯 后 、 蠕 變 、 零 漂 以 及 疲 勞 壽 命 、 橫 向 靈 敏 度 等 ） 。 3.2 電 阻 式 傳

15、 感 器 5） 應(yīng) 變 片 的 測(cè) 量 電 路第 四 章 中 “ 電 橋 ” 內(nèi) 容3.2 電 阻 式 傳 感 器 6） 應(yīng) 用案 例 1： 橋 梁 固 有 頻 率 測(cè) 量 原 理在 橋 中 設(shè) 置 一 三 角 形 障 礙 物 ， 利用 汽 車 礙 時(shí) 的 沖 擊 對(duì) 橋 梁 進(jìn) 行 激勵(lì) ， 再 通 過 應(yīng) 變 片 測(cè) 量 橋 梁 動(dòng) 態(tài)變 形 ， 得 到 橋 梁 固 有 頻 率 。3.2 電 阻 式 傳 感 器 案 例 2： 電 子 稱 原 理將 物 品 重 量 通 過 懸 臂 梁 轉(zhuǎn) 化 結(jié)構(gòu) 變 形 再 通 過 應(yīng) 變 片 轉(zhuǎn) 化 為 電量 輸 出 。3.2 電 阻 式 傳 感 器 案

16、 例 3： 桶 式 測(cè) 力 傳 感 器3.2 電 阻 式 傳 感 器 電 橋1） 直 流 電 橋信 號(hào) 放 大 電 路 UIRRRR RRRRUIRR RRR RUbcUbaUO )34)(2( 1 4231)34 421 1( RRRR 4231 RRUII 211 RR UII 344 UIRR RRIUba 21 111 UIRR RRIUbc 34 444 平 衡 條 件 信 號(hào) 放 大 電 路 直 流 電 橋 的 連 接 方 式a)半 橋 單 臂 b)半 橋 雙 臂 c)全 橋(a)半 橋 單 臂 UIRRUIRR RUIRR RRRR RRUO 04204)34 421 1( RR

17、RRR 04321 令 RR 0又 因 為 (b)半 橋 雙 臂 U IRRUO 02 (c) 全 橋 UIRRUO 0UIrRrR R rR rRrR rUbcUbaUO )34 421 1( 直 流 電 橋 平 衡 條 件 4231 RRRR 優(yōu) 點(diǎn) ： 所 需 的 高 穩(wěn) 定 直 流 電 源 較 易 獲 得 ；電 橋 輸 出 電 壓 是 直 流 ， 可 以 用 直 流 儀 表 測(cè)量 ； 對(duì) 從 傳 感 器 到 測(cè) 量 儀 表 的 連 接 導(dǎo) 線 要求 較 低 ， 電 橋 的 平 衡 電 路 簡(jiǎn) 單 。缺 點(diǎn) ： 直 流 放 大 器 比 較 復(fù) 雜 ， 易 受 零 漂 和接 地 電 位 的

18、 影 響 。信 號(hào) 放 大 電 路 平 衡 電 橋 信 號(hào) 放 大 電 路 2） 交 流 電 橋 平 衡 條 件 4231 ZZZZ 4231 交 流 電 橋 的 平 衡 問 題 較 直 流 復(fù) 雜 得 多 ， 對(duì)于 交 流 電 橋 ， 除 了 進(jìn) 行 電 阻 平 衡 外 ， 還 要進(jìn) 行 電 抗 平 衡 。 交 流 電 橋 對(duì) 于 供 橋 電 源 要求 也 較 高 ， 必 須 具 有 良 好 的 電 壓 波 形 和 頻率 穩(wěn) 定 度 。 3.3 電 感 式 傳 感 器 電 感 式 傳 感 器 是 基 于 電 磁 感 應(yīng) 原 理 ， 它 是 把 被 測(cè) 量轉(zhuǎn) 化 為 電 感 量 的 一 種 裝

19、 置 。分 類 :電 感 式 傳 感 器 自 感 型 可 變 磁 阻 型渦 流 式互 感 型 3.3 電 感 式 傳 感 器1 自 感 型 -可 變 磁 阻 式 2 002 AWL原 理 :電 磁 感 應(yīng) RmWL 2 AAAlRm 002002 線 圈 匝 數(shù)磁 路 總 磁 阻鐵 芯 導(dǎo) 磁 長(zhǎng) 度 鐵 芯 導(dǎo) 磁 率 鐵 芯 導(dǎo) 磁 截 面 積 氣 隙 長(zhǎng) 度空 氣 導(dǎo) 磁 率氣 隙 導(dǎo) 磁 截 面 積 3.3 電 感 式 傳 感 器 2 002 AWL 2 020 bWdadLAddLS 2 0022 AWddLS ),( 00 1.0/ 0 a） 導(dǎo) 磁 面 積 變 化b） 變 化 3

20、.3 電 感 式 傳 感 器 d） 雙 螺 管 線 圈 差 動(dòng)c） 單 螺 管 線 圈 型 )0(2 002L AW左 )0(2 002L 右 AWb） 差 動(dòng) 型0- 0+ 測(cè) 量 電 路 ： 將 兩 線 圈 分 別 接到 電 橋 的 相 鄰 橋 臂 上 ， 輸 出靈 敏 度 可 提 高 一 倍 。 3.3 電 感 式 傳 感 器雙 螺 管 線 圈 差 動(dòng) 型 傳 感 器 及 測(cè) 量 電 路雙 螺 管 線 圈 差 動(dòng) 型 ， 較 之 單螺 管 線 圈 型 有 較 高 靈 敏 度 及 線 性 ； 用 于 電 感 測(cè) 微 計(jì) 上 ， 其 測(cè)量 范 圍 為 0 300m， 最 小 分辨 力 為 0

21、.5m。這 種 傳 感 器 的 線 圈 接 于 電 橋上 ， 構(gòu) 成 兩 個(gè) 橋 臂 ， 線 圈 電感 L 1、 L2隨 鐵 芯 位 移 而 變 化 。 3.3 電 感 式 傳 感 器2 渦 流 式 原 理 :渦 流 效 應(yīng)原 線 圈 的 等 效 阻 抗 Z變 化 ： ),( ZZ 高 頻 反 射 式 渦 流 傳 感 器 。 。 如 圖 所 示 ， 高 頻 (1MH z)激 勵(lì) 電流 產(chǎn) 生 的 高 頻 磁 場(chǎng) 作 用 于 金 屬 板 的 表面 ， 由 于 集 膚 效 應(yīng) ， 在 金 屬 板 表 面 將形 成 渦 電 流 。 與 此 同 時(shí) ， 該 渦 流 產(chǎn) 生的 交 變 磁 場(chǎng) 又 反 作

22、 用 于 線 圈 ， 引 起 線圈 自 感 L或 阻 抗 ZL的 變 化 。 線 圈 自 感L或 阻 抗 ZL的 變 化 與 距 離 該 金 屬 板 的電 阻 率 、 磁 導(dǎo) 率 、 激 勵(lì) 電 流 i及 角頻 率 等 有 關(guān) 。 若 只 改 變 距 離 而 保持 其 它 參 數(shù) 不 變 ， 則 可 將 位 移 變 化 轉(zhuǎn)換 為 線 圈 自 感 變 化 ， 通 過 測(cè) 量 電 路 轉(zhuǎn)換 為 電 壓 輸 出 。 高 頻 反 射 式 渦 流 傳 感器 多 用 于 位 移 測(cè) 量 。 3.3 電 感 式 傳 感 器 低 頻 透 射 式 渦 流 傳 感 器 低 頻 透 射 式 渦 流 傳 感 器 的

23、工 作 原理 如 圖 所 示 ， 發(fā) 射 線 圈 1和 接 收 線 圈2分 別 置 于 被 測(cè) 金 屬 板 材 料 G 的 上 、下 方 。 由 于 低 頻 磁 場(chǎng) 集 膚 效 應(yīng) 小 ， 滲透 深 ， 當(dāng) 低 頻 (音 頻 范 圍 )電 壓 e1加 到 線圈 1的 兩 端 后 ， 所 產(chǎn) 生 磁 力 線 的 一 部分 透 過 金 屬 板 材 料 G ,使 線 圈 2產(chǎn) 生 感應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) e2。 但 由 于 渦 流 消 耗 部 分 磁場(chǎng) 能 量 ， 使 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) e2減 少 ， 當(dāng) 金屬 板 材 料 G 越 厚 時(shí) ， 損 耗 的 能 量 越 大 ，輸 出 電 動(dòng) 勢(shì) e 2越

24、小 。 因 此 ， e2的 大 小 與G 的 厚 度 及 材 料 的 性 質(zhì) 有 關(guān) ， 試 驗(yàn) 表明 ， e2隨 材 料 厚 度 h的 增 加 按 負(fù) 指 數(shù) 規(guī)律 減 少 ,如 圖 所 示 ， 因 此 ， 若 金 屬 板 材料 的 性 質(zhì) 一 定 ， 則 利 用 e2的 變 化 即 可測(cè) 量 其 厚 度 。 3.3 電 感 式 傳 感 器 3.3 電 感 式 傳 感 器案 例 1： 測(cè) 厚 3.3 電 感 式 傳 感 器案 例 2： 零 件 計(jì) 數(shù) 3.3 電 感 式 傳 感 器案 例 2： 零 件 計(jì) 數(shù) 3.3 電 感 式 傳 感 器案 例 3： 測(cè) 轉(zhuǎn) 速 3.3 電 感 式 傳 感

25、 器案 例 4： 無 損 探 傷 原 理裂 紋 檢 測(cè) ， 缺 陷 造 成 渦 流 變 化 ?；?車 輪 檢 測(cè) 油 管 檢 測(cè) 3.3 電 感 式 傳 感 器優(yōu) 點(diǎn) ： 接 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 使 用 方 便 ， 不 受 油 污 、 介 質(zhì) 影 響 。應(yīng) 用 ： 位 移 、 力 、 振 動(dòng) 測(cè) 量 ， NDT， 測(cè) 厚 ,材 質(zhì) 判 別案 例 5： 連 續(xù) 油 管 的 橢 圓 度 測(cè) 量 Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原 理 ： 測(cè) 量 電 路 ： 1） 阻 抗 分 壓 式 調(diào) 幅 電 路3.3 電 感 式 傳 感 器 調(diào) 制解 調(diào)LCf 2 1

26、上 圖 振 蕩 器 提 供 穩(wěn) 定 的 高 頻 信 號(hào) 電 源 。當(dāng) 諧 振 頻 率 與 該 電 源 頻 率 相 同 時(shí) ， 輸 出 電 壓最 大 。 測(cè) 量 時(shí) ， 傳 感 器 線 圈 阻 抗 隨 x而 改 變 ，LC回 路 失 諧 ， 輸 出 信 號(hào) 頻 率 仍 然 為 振 蕩 器 的工 作 頻 率 ， 但 幅 值 隨 x而 變 化 。 它 相 當(dāng) 于 一 個(gè)調(diào) 幅 波 。 此 調(diào) 幅 波 經(jīng) 放 大 、 檢 波 、 濾 波 后 即可 以 得 到 氣 隙 x的 動(dòng) 態(tài) 變 化 信 息 。 右 圖 是 諧 振 曲 線 和 輸 出 特 性 。 3.3 電 感 式 傳 感 器測(cè) 量 電 路 ：

27、2） 阻 抗 分 壓 式 調(diào) 頻 電 路 該 方 法 也 將 傳 感 器 線 圈 接 入 LC振 蕩 電 路 ， 與 調(diào) 幅 法 不 同 之處 是 以 回 路 的 諧 振 頻 率 作 為 輸 出 量 。 當(dāng) 金 屬 板 至 傳 感 器 之 間 的距 離 x發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 將 引 起 線 圈 電 感 變 化 ， 從 而 使 振 蕩 器 的 振 蕩頻 率 f發(fā) 生 變 化 ， 再 通 過 鑒 頻 器 進(jìn) 行 頻 率 電 壓 轉(zhuǎn) 換 ， 即 可 得 到與 x成 比 例 的 輸 出 電 壓 。 3.4 電 容 式 傳 感 器 1.變 換 原 理 : 將 被 測(cè) 量 的 變 化 轉(zhuǎn) 化 為 電

28、容 量 變 化兩 平 行 極 板 組 成 的 電 容 器 ,它 的 電 容 量 為 : AC 0 + A 當(dāng) 被 測(cè) 量 、 S或 發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 都 會(huì) 引 起 電 容 的 變 化 。如 果 保 持 其 中 的 兩 個(gè) 參 數(shù) 不 變 ， 而 僅 改 變 另 一 個(gè) 參 數(shù) ，就 可 把 該 參 數(shù) 的 變 化 變 換 為 單 一 電 容 量 的 變 化 。相 對(duì) 介 電 常 數(shù) ， 空 氣 中 為 1真 空 介 電 常 數(shù) mF /10 1285.80 極 板 面 積極 板 間 距 離 2 分 類 3.4 電 容 式 傳 感 器 a) 極 距 變 化 型 + 20 AddCS 為

29、減 少 線 性 誤 差 ， 一 般 取 極 距 變 化 范 圍 1.00/ AC 0 3.4 電 容 式 傳 感 器 b)面 積 變 化 型 :角 位 移 型 ,平 面 線 位 移 型 ,柱 面 線 位 移 型)22( rA 2 200 rAC 常 數(shù) 2 20 rddCS )( bxA bxAC 00 常 數(shù) bdxdCS 0 )/ln(2 0 dD xC 常 數(shù) )/ln(2 0dDdxdCS 3.4 電 容 式 傳 感 器 c) 介 質(zhì) 變 化 型 變 介 電 常 數(shù) 型 電 容 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 如 圖 所 示 。 這 種 傳 感器 大 多 用 于 測(cè) 量 電 介 質(zhì) 的

30、 厚 度 (圖 a)、 位 移 (圖 b)、 液 位 (圖 c)， 還可 根 據(jù) 極 板 間 介 質(zhì) 的 介 電 常 數(shù) 隨 溫 度 、 濕 度 、 容 量 改 變 而 改 變來 測(cè) 量 溫 度 、 濕 度 、 容 量 (圖 d)等 。 AC 0 3.4 電 容 式 傳 感 器 若 忽 略 邊 緣 效 應(yīng) ， 圖 a、 圖 b、 圖 c所 示 傳 感 器 的 電 容 量 與 被 測(cè) 量 的 關(guān) 系 為 /0/)( xx lbC 0 )(/0/)( axlbxx axbC )1/2ln( )( 02)1/2ln( 02 rr hxrr hC 式 中 、 h 、 0兩 固 定 極 板 間 的 距

31、離 、 極 間 高 度 及 間 隙 中 空 氣 的 介 電 常 數(shù) ；x、 hx、 被 測(cè) 物 的 厚 度 、 被 測(cè) 液 面 高 度 和 它 的 介 電 常 數(shù) ； l、 b、 ax固 定 極 板 長(zhǎng) 、 寬 及 被 測(cè) 物 進(jìn) 入 兩 極 板 中 的 長(zhǎng) 度 （ 被 測(cè) 值 ） ； r1、 r2內(nèi) 、 外 極 筒 的 工 作 半 徑 。 )0/(0( AAC 案 例 :液 面 高 度 測(cè) 量 3 測(cè) 量 電 路3.4 電 容 式 傳 感 器 a) 電 橋 電 路 電 容 傳 感 器 為 電 橋 的 一 部 分 。 通 常 采 用 電 阻 、 電 容 或 電 感 、 電 容組 成 交 流 電

32、 橋 ， 下 圖 所 示 為 一 種 由 電 感 、 電 容 組 成 的 電 橋 。 電 容變 化 轉(zhuǎn) 換 為 電 橋 的 電 壓 輸 出 ， 經(jīng) 放 大 、 相 敏 檢 波 、 濾 波 后 ， 再 推動(dòng) 顯 示 、 記 錄 儀 器 。 3.4 電 容 式 傳 感 器 b) 諧 振 電 路 右 圖 所 示 為 諧 振 式 電 路 的 原 理 框圖 ， 電 容 傳 感 器 的 電 容 Cx作 為 諧 振 回路 (L2、 C2、 Cx)調(diào) 諧 電 容 的 一 部 分 。諧 振 回 路 通 過 電 感 藕 合 ， 從 穩(wěn) 定 的 高頻 振 蕩 器 取 得 振 蕩 電 壓 。 當(dāng) 傳 感 器 電容 發(fā)

33、 生 變 化 時(shí) ， 使 得 諧 振 回 路 的 阻 抗發(fā) 生 相 應(yīng) 的 變 化 ， 而 這 個(gè) 變 化 被 轉(zhuǎn) 換為 電 壓 或 電 流 ， 再 經(jīng) 過 放 大 、 檢 波 即可 得 到 相 應(yīng) 的 輸 出 。 為 了 獲 得 較 好 的 線 性 關(guān) 系 ， 一 般諧 振 電 路 的 工 作 點(diǎn) 選 在 諧 振 曲 線 的 線性 區(qū) 域 內(nèi) 最 大 振 幅 70%附 近 的 地 方 ， 且 工 作 范 圍 選 在 BC段 內(nèi) 。 這 種 電 路 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 比 較 靈 活 ； 缺 點(diǎn) 是 工 作 點(diǎn) 不 易 選 好 ， 變 化 范 圍 也 較 窄 ，傳 感 器 連 接 電 纜 的 雜

34、散 電 容 對(duì) 電 路 的 影 響 較 大 ， 同 時(shí) 為 了 提 高 測(cè) 量 精 度 ， 要求 振 蕩 器 的 頻 率 具 有 很 高 的 穩(wěn) 定 性 3.4 電 容 式 傳 感 器 c)調(diào) 頻 電 路 傳 感 器 的 電 容 器 作 為 振 蕩 器 諧 振 回 路 的 一 部 分 ， 當(dāng) 輸 入 量使 電 容 量 發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 振 蕩 器 的 振 蕩 頻 率 將 發(fā) 生 變 化 ， 頻 率 的變 化 經(jīng) 過 鑒 頻 器 轉(zhuǎn) 換 為 電 壓 的 變 化 ， 經(jīng) 過 放 大 處 理 后 輸 入 顯 示或 記 錄 等 儀 器 。 （ 課 本 P72 圖 3-28） 3.4 電 容 式

35、傳 感 器 d)運(yùn) 算 放 大 器 電 路 前 面 已 經(jīng) 敘 述 到 ， 變 極 距 型 電 容 式 傳 感 器 的 極 距 變 化 與 電 容 變 化 量 成 非線 性 關(guān) 系 。 這 一 缺 點(diǎn) 使 電 容 式 傳 感 器 的 應(yīng) 用 受 到 了 一 定 的 限 制 。 采 用 比 例 運(yùn)算 放 大 器 電 路 ， 可 以 使 輸 出 電 壓 與 位 移 的 關(guān) 系 轉(zhuǎn) 換 為 線 性 關(guān) 系 。 如 下 圖 所 示 ，反 饋 回 路 中 的 Cx為 極 距 變 化 型 電 容 式 傳 感 器 的 輸 入 電 路 ， 采 用 固 定 電 容 C0，u0為 穩(wěn) 定 的 工 作 電 壓 。c

36、xcuuy 00 /0 Acx Acuuy 000 20 AddCS 思 考 ： 是 否 意 味 著 可 用 于 長(zhǎng) 距 測(cè) 量 ？ （ 當(dāng) 極 距 增 加 時(shí) CxUy飽 和 ） 4 應(yīng) 用3.4 電 容 式 傳 感 器 案 例 1： 電 容 傳 聲 器 案 例 2:轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量 3.4 電 容 式 傳 感 器 動(dòng) 手 做 ：觀 察 你 計(jì) 算 機(jī) 上 使 用 的 麥克 風(fēng) ， 并 用 它 測(cè) 量 你 自 己的 聲 音 ， 繪 出 頻 譜 。 第 三 章 常 用 傳 感 器機(jī) 械 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ)本 章 學(xué) 習(xí) 要 求 ：1.了 解 傳 感 器 的 分 類 2.掌 握 常 用

37、 傳 感 器 測(cè) 量 原 理3.了 解 傳 感 器 測(cè) 量 電 路 3.5 壓 電 式 傳 感 器3.6 磁 電 式 傳 感 器3.1 概 述3.2 電 阻 式 傳 感 器3.3 電 感 式 傳 感 器3.4 電 容 式 傳 感 器3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器3.8 其 它 類 型 傳 感 器3.9 傳 感 器 選 用 原 則 3.5 壓 電 式 傳 感 器 1.變 換 原 理 : 某 些 物 質(zhì) ， 如 石 英 ， 當(dāng) 受 到 外 力 作 用 時(shí) ， 不 僅 幾 何 尺 寸 會(huì) 發(fā) 生 變 化 ， 而且 內(nèi) 部 也 會(huì) 被 極 化 ， 表 面 會(huì) 產(chǎn) 生 電 荷 ； 當(dāng) 外

38、 力 去 掉 時(shí) ， 又 重 新 回 到 原 來 的 狀態(tài) ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 壓 電 效 應(yīng) 。 F+ Fdcq 最 簡(jiǎn) 單 的 壓 電 式 傳 感 器 的 工 作 原 理 如 圖 所 示 。 在 壓 電 晶 片的 兩 個(gè) 工 作 面 上 進(jìn) 行 金 屬 蒸 鍍 ， 形 成 金 屬 膜 ， 構(gòu) 成 兩 個(gè) 電 極 。當(dāng) 壓 電 晶 片 受 到 壓 力 F的 作 用 時(shí) ， 分 別 在 兩 個(gè) 極 板 上 積 聚 數(shù) 量相 等 而 極 性 相 反 的 電 荷 ， 形 成 電 場(chǎng) 。 因 此 ， 壓 電 傳 感 器 可 以 看作 是 一 個(gè) 電 荷 發(fā) 生 器 ， 也 可 以 看 成 是

39、 一 個(gè) 電 容 器 。 工 作 原 理 ： 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ， 由 于 單 片 的 輸 出 電 荷 很 小 ， 因 此 ， 常 常將 兩 片 或 兩 片 以 上 的 晶 片 粘 結(jié) 在 一 起 （ 即 并 聯(lián) 和 串 聯(lián) ） ， 組成 壓 電 式 傳 感 器 。 +并 聯(lián) +串 聯(lián)并 聯(lián) 和 串 聯(lián) ：并 聯(lián) 時(shí) CaCaUaUaQQ 2,2 串 聯(lián) 時(shí) 2/,2, CaCaUaUaQQ 設(shè) 單 片 壓 電 元 件 的 電 容 為 ， 電 荷 為 ， 電 壓 為 ， 則 當(dāng) 兩 片 疊 加 后Ca Q Ua電 荷 靈 敏 度 高電 壓 靈 敏 度 高 +并 聯(lián) +串 聯(lián)并 聯(lián) 和 串

40、 聯(lián) ： 壓 電 效 應(yīng) 是 壓 電 傳 感 器 的 主 要 工 作 原 理 ， 壓 電 傳 感 器 不 能 用 于 靜 態(tài) 測(cè)量 ， 因 為 經(jīng) 過 外 力 作 用 后 的 電 荷 ， 只 有 在 回 路 具 有 無 限 大 的 輸 入 阻 抗 時(shí) 才得 到 保 存 ， 所 以 這 決 定 了 壓 電 傳 感 器 只 能 夠 測(cè) 量 動(dòng) 態(tài) 的 應(yīng) 力 。 并 聯(lián) 時(shí) ， 傳 感 器 的 電 容 量 大 、 輸 出 電 荷 量 大 、 時(shí) 間 常 數(shù) 也 大 ， 故 適 用于 測(cè) 量 緩 變 信 號(hào) 及 電 荷 量 輸 出 信 號(hào) 。 串 聯(lián) 時(shí) ， 傳 感 器 本 身 的 電 容 量 小

41、、 響 應(yīng) 快 、 輸 出 電 壓 大 ， 故 適 用 于 測(cè)量 以 電 壓 作 輸 出 的 信 號(hào) 和 頻 率 較 高 的 信 號(hào) 。 3.5壓 電 式 傳 感 器 2、 測(cè) 量 電 路 壓 電 式 傳 感 器 輸 出 電 信 號(hào) 很 微 弱 ， 通 常 應(yīng) 把 傳 感 器 信 號(hào)先 輸 入 到 高 輸 入 阻 抗 的 前 置 放 大 器 中 ， 經(jīng) 過 阻 抗 變 換 后 ， 方可 輸 入 到 后 續(xù) 顯 示 儀 表 中 。 3.5壓 電 式 傳 感 器 idtCuq電 容 泄 漏電 阻壓 電 元件 產(chǎn) 生的 電 荷 CiCcCaC 傳 感 器電 容 電 纜 電 容 外 接 電 路 的輸

42、入 端 電 容 Fdcq tFF sin0 tqtFdcq sin0sin0 泄 漏 電 流q C R0 ui Rui 0/ tqidtRi sin00 RC tRCqi 01arctan )sin()0( 21 0 )sin()0( 21 100 tRCCqRiu電 壓 放 大 器 3.5壓 電 式 傳 感 器 由 于 電 荷 放 大 器 電 路 的 電 纜 長(zhǎng) 度 變 化 的 影 響 不 大 ， 幾 乎 可 以 忽 略 不 計(jì) ，故 而 電 荷 放 大 器 應(yīng) 用 日 益 廣 泛 。 C fuouiCui C fuouiCiCcCauiq )( )()( C fAC fC Aquo )(

43、uiAuo 若 放 大 器 開 環(huán) 增 益 足 夠 大 ， 則 ACf(C+Cf) C fquo 傳 感 器 電 容電 纜 電 容外 接 電 路 輸入 端 電 容 在 一 定 情 況 下 ， 電 荷 放 大 器 的 輸 出電 壓 與 傳 感 器 的 電 荷 量 成 正 此 ， 并且 與 電 纜 分 布 電 容 無 關(guān) 。 因 此 ， 采用 電 荷 放 大 器 時(shí) ， 即 使 連 接 電 纜 長(zhǎng)度 在 百 米 以 上 ， 其 靈 敏 度 也 無 明 顯變 化 ， 這 是 電 荷 放 大 器 的 突 出 優(yōu) 點(diǎn) 。 3 應(yīng) 用 b) 壓 力 變 送 器3.5壓 電 式 傳 感 器 a) 加 速 度

44、 計(jì) ， 力 傳 感 器 壓 電 傳 感 器 主 要 應(yīng) 用 在 加 速 度 、 壓 力 和 力 等 的 測(cè) 量 中 。 壓 電 式 加 速 度 傳 感 器 是一 種 常 用 的 加 速 度 計(jì) 。 它 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 體 積 小 、 重 量 輕 、 使 用 壽 命 長(zhǎng) 等 優(yōu) 異的 特 點(diǎn) 。 壓 電 式 加 速 度 傳 感 器 在 飛 機(jī) 、 汽 車 、 船 舶 、 橋 梁 和 建 筑 的 振 動(dòng) 和 沖 擊測(cè) 量 中 已 經(jīng) 得 到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 ， 特 別 是 航 空 和 宇 航 領(lǐng) 域 中 更 有 它 的 特 殊 地 位 。壓 電 式 傳 感 器 也 可 以 用

45、 來 測(cè) 量 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 內(nèi) 部 燃 燒 壓 力 的 測(cè) 量 與 真 空 度 的 測(cè) 量 。 也 可 以 用 于 軍 事 工 業(yè) ， 例 如 用 它 來 測(cè) 量 槍 炮 子 彈 在 膛 中 擊 發(fā) 的 一 瞬 間 的 膛 壓的 變 化 和 炮 口 的 沖 擊 波 壓 力 。 它 既 可 以 用 來 測(cè) 量 大 的 壓 力 ， 也 可 以 用 來 測(cè) 量微 小 的 壓 力 。 產(chǎn) 品壓 力 變 送 器 加 速 度 計(jì)力 傳 感 器 3.5壓 電 式 傳 感 器 案 例 ： 飛 機(jī) 模 態(tài) 分 析3.5壓 電 式 傳 感 器 案 例 ： 熱 軋 設(shè) 備 診 斷3.5壓 電 式 傳 感 器 第 三

46、章 常 用 傳 感 器本 章 學(xué) 習(xí) 要 求 ：1.了 解 傳 感 器 的 分 類 2.掌 握 常 用 傳 感 器 測(cè) 量 原 理3.了 解 傳 感 器 測(cè) 量 電 路 3.5 壓 電 式 傳 感 器3.6 磁 電 式 傳 感 器3.1 概 述3.2 電 阻 式 傳 感 器3.3 電 感 式 傳 感 器3.4 電 容 式 傳 感 器3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器3.8 其 它 類 型 傳 感 器3.9 傳 感 器 選 用 原 則 1.了 解 磁 電 式 傳 感 器 變 換 原 理 2.了 解 動(dòng) 圈 式 傳 感 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 3.了 解 磁 阻 式

47、 傳 感 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 3.6 磁 電 式 傳 感 器 第 三 章 、 傳 感 器 測(cè) 量 原 理完 成 本 節(jié) 內(nèi) 容 的 學(xué) 習(xí) 后 應(yīng) 能 做 到 ： 1.變 換 原 理 : 磁 電 式 傳 感 器 簡(jiǎn) 稱 感 應(yīng) 式 傳 感 器 ， 也 稱 電 動(dòng) 式 傳 感 器 。 它 把被 測(cè) 物 理 量 的 變 化 轉(zhuǎn) 變 為 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) ， 是 一 種 機(jī) -電 能 量 變 換 型傳 感 器 ， 不 需 要 外 部 供 電 電 源 ， 電 路 簡(jiǎn) 單 ， 性 能 穩(wěn) 定 ， 輸 出 阻 抗小 ， 又 具 有 一 定 的 頻 率 響 應(yīng) 范 圍 (一 般 為

48、 10 1000Hz)， 適 用 于 振動(dòng) 、 轉(zhuǎn) 速 、 扭 矩 等 測(cè) 量 。 但 這 種 傳 感 器 的 尺 寸 和 重 量 都 較 大 。 ),(, mRBdtddtdNe 感 應(yīng) 線 圈 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) e為 磁 通 變 化 率 與 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 、 磁 阻 、 線 圈 運(yùn) 動(dòng) 速 度 有 關(guān) ，改 變 其 中 一 個(gè) 因 素 ， 都 會(huì) 改 變 線 圈 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 。 3.6 磁 電 式 傳 感 器 2 分 類 3.6 磁 電 式 傳 感 器 磁電式 動(dòng) 圈 式磁 阻 式 線 速 度 型角 速 度 型 3 動(dòng) 圈 式 傳 感 器 （ 恒 定 磁 通 式 ）3.

49、6 磁 電 式 傳 感 器 3.6 磁 電 式 傳 感 器 當(dāng) 線 圈 在 垂 直 于 磁 場(chǎng) 方 向 作 直 線 運(yùn) 動(dòng) 或 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 若 以線 圈 相 對(duì) 磁 場(chǎng) 運(yùn) 動(dòng) 的 速 度 v或 角 速 度 表 示 ， 則 所 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng)電 動(dòng) 勢(shì) e為 ： NBAe NBlve 在 傳 感 器 中 當(dāng) 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 確 定 后 ， B、 l、 N、 A均 為 定 值 ， 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) e與 線 圈 相 對(duì) 磁 場(chǎng) 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 (v或 )成 正 比 ， 所 以 這 類 傳 感 器 的 基 本 形 式 是速 度 傳 感 器 ， 能 直 接 測(cè) 量 線 速 度

50、或 角 速 度 。 如 果 在 其 測(cè) 量 電 路 中 接 入 積 分電 路 或 微 分 電 路 ， 那 么 還 可 以 用 來 測(cè) 量 位 移 或 加 速 度 。 但 由 上 述 工 作 原 理可 知 ， 磁 電 感 應(yīng) 式 傳 感 器 只 適 用 于 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量 。 單 匝 線 圈 有 效 長(zhǎng) 度線 圈 與 磁 場(chǎng) 的 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 速 度單 匝 線 圈 的 截 面 積角 速 度 動(dòng) 圈 式 磁 電 傳 感 器 等 效 電 路 如 下 圖 所 示 ， 其 等 效 電 路 的 輸 出 電 壓 3.6 磁 電 式 傳 感 器 ZCjRZeu CLL 0001 1 發(fā) 電 線 圈 感 應(yīng)

51、電 動(dòng) 勢(shì)線 圈 電 阻 ， 一 般 為 0.1 3K 負(fù) 載 電 阻 （ 放 大 器 輸 入 電 阻 ）一 般 Cc=70pF/m一 般 Rc=0.03/msCR usCRRZ e cL LcLc 110 0 0Rc 0Cc RZeu LL 001 1ZRL 0 euL 0可 測(cè) 量 速 度 、 加 速 度和 位 移 。 4 磁 阻 式 傳 感 器 （ 變 磁 通 式 常 用 來 測(cè) 量 旋 轉(zhuǎn) 物 體 的 角 速 度 ） 3.6 磁 電 式 傳 感 器 左 圖 為 開 路 變 磁 通 式 ， 線 圈 和 磁 鐵 靜 止 ， 測(cè) 量 齒 輪 由 導(dǎo) 磁 材 料 制 成 ， 安裝 在 被 測(cè)

52、旋 轉(zhuǎn) 體 上 ， 隨 之 一 起 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 每 轉(zhuǎn) 過 一 個(gè) 齒 ， 傳 感 器 磁 路 磁 阻 變 化 一次 ， 線 圈 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 的 變 化 頻 率 等 于 測(cè) 量 齒 輪 上 齒 輪 的 齒 數(shù) 和 轉(zhuǎn) 速 的乘 積 。 右 圖 為 閉 合 磁 路 變 磁 通 式 ， 被 測(cè) 轉(zhuǎn) 軸 帶 動(dòng) 橢 圓 形 測(cè) 量 齒 輪 在 磁 場(chǎng) 氣 隙 中等 速 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 使 氣 隙 平 均 長(zhǎng) 度 周 期 性 變 化 ， 因 而 磁 路 磁 阻 也 周 期 性 變 化 ， 磁 通同 樣 周 期 性 變 化 ， 則 在 線 圈 中 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) ， 其 頻

53、率 f與 測(cè) 量 齒 輪 轉(zhuǎn) 速 n(r/min)成 正 比 ， 即 f=n/60。 5 應(yīng) 用 b) 測(cè) 速 電 機(jī)a)磁 電 式 車 速 傳 感 器3.6 磁 電 式 傳 感 器 變 磁 通 式 傳 感 器 對(duì) 環(huán) 境 條 件 要 求 不高 ， 能 在 -150 90 的 溫 度 下 工作 ， 也 能 在 油 、 水 霧 、 灰 塵 等 條 件下 工 作 。 但 它 的 工 作 頻 率 下 限 較 高 ，約 為 50Hz， 上 限 可 達(dá) 100Hz。 c)磁 電 式 轉(zhuǎn) 速 表3.6 磁 電 式 傳 感 器 第 三 章 常 用 傳 感 器本 章 學(xué) 習(xí) 要 求 ：1.了 解 傳 感 器

54、的 分 類 2.掌 握 常 用 傳 感 器 測(cè) 量 原 理3.了 解 傳 感 器 測(cè) 量 電 路 3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器3.1 概 述3.2 電 阻 式 傳 感 器3.3 電 感 式 傳 感 器3.4 電 容 式 傳 感 器3.5 壓 電 式 傳 感 器3.6 磁 電 式 傳 感 器3.8 其 它 類 型 傳 感 器3.9 傳 感 器 選 用 原 則 3.7.1 磁 電 轉(zhuǎn) 換 元 件 傳 感 器3.7.2 光 電 轉(zhuǎn) 換 元 件 第 三 章 、 傳 感 器 測(cè) 量 原 理3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 物 性 型 傳 感 器 ；結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 體

55、積 小 、 重 量 輕 ；功 耗 低 、 安 全 可 靠 、 壽 命 長(zhǎng) ；響 應(yīng) 快 ；易 于 實(shí) 現(xiàn) 集 成 化 ；半 導(dǎo) 體 傳 感 器 與 前 面 介 紹 的 傳 感 器 相 比 ， 有 很 多 明 顯 的 特 點(diǎn) ：輸 出 一 般 是 非 線 性 的 ， 需 要 采 用 線 性 化 電 路 ；受 溫 度 影 響 大 ， 須 采 用 溫 度 補(bǔ) 償 措 施 ；性 能 參 數(shù) 分 散 性 較 大 。 第 三 章 、 傳 感 器 測(cè) 量 原 理1 磁 電 轉(zhuǎn) 換 元 件 傳 感 器1)霍 爾 傳 感 器 霍 爾 傳 感 器 是 利 用 霍 爾 元 件 基 于 霍 爾 效 應(yīng) 原 理 而 將

56、 被 測(cè) 量轉(zhuǎn) 換 成 電 動(dòng) 勢(shì) 輸 出 的 一 種 傳 感 器 。 由 于 霍 爾 元 件 在 靜 止 狀 態(tài) 下 ，具 有 感 受 磁 場(chǎng) 的 獨(dú) 特 能 力 ， 并 且 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 體 積 小 、 噪 聲小 、 頻 率 范 圍 寬 (從 直 流 到 微 波 )、 動(dòng) 態(tài) 范 圍 大 (輸 出 電 勢(shì) 變 化 范圍 可 達(dá) 1000:1)、 壽 命 長(zhǎng) 等 特 點(diǎn) ， 因 此 獲 得 了 廣 泛 應(yīng) 用 。 例 如 ， 在 測(cè) 量 技 術(shù) 中 用 于 將 位 移 、 力 、 加 速 度 等 量 轉(zhuǎn) 換 為電 量 的 傳 感 器 ； 在 計(jì) 算 技 術(shù) 中 用 于 作 加

57、、 減 、 乘 、 除 、 開 方 、乘 方 以 及 微 積 分 等 運(yùn) 算 的 運(yùn) 算 器 等 。 第 三 章 、 傳 感 器 測(cè) 量 原 理 金 屬 或 半 導(dǎo) 體 薄 片 置 于 磁 場(chǎng) 中 ， 當(dāng) 有 電 流 流 過 時(shí) ， 在 垂 直 于電 流 和 磁 場(chǎng) 的 方 向 上 將 產(chǎn) 生 電 動(dòng) 勢(shì) ， 這 種 物 理 現(xiàn) 象 稱 為 霍 爾 效 應(yīng) 。 sinIBHKHU 霍 爾 效 應(yīng) 霍 爾 常 數(shù) ， 決 定 與 材 質(zhì) 、溫 度 、 元 件 尺 寸 ， 表 示 在 單 位 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 和 單 位 控制 電 流 時(shí) 霍 爾 電 勢(shì) 的 大 小磁 場(chǎng) 和 薄 片 法 線 霍

58、 爾 元 件 由 霍 爾 片 、 四 根 引 線 和 殼 體 組 成 ， 如 圖 :3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 霍 爾 片 是 一 塊 半 導(dǎo) 體 單 晶 薄 片 (一 般 為 4mm 2mm 0.1mm)， 在 它 的 長(zhǎng) 度 方 向兩 端 面 上 焊 有 a、 b兩 根 引 線 ， 稱 為 控 制 電 流 端 引 線 ， 通 常 用 紅 色 導(dǎo) 線 ， 其 焊接 處 稱 為 控 制 電 極 ； 在 它 的 另 兩 側(cè) 端 面 的 中 間 以 點(diǎn) 的 形 式 對(duì) 稱 地 焊 有 c、 d兩根 霍 爾 輸 出 引 線 ， 通 常 用 綠 色 導(dǎo) 線 ， 其 焊 接 處 稱

59、為 霍 爾 電 極 。 霍 爾 元 件 的 殼體 是 用 非 導(dǎo) 磁 金 屬 、 陶 瓷 或 環(huán) 氧 樹 脂 封 裝 。 目 前 最 常 用 的 霍 爾 元 件 材 料 有 鍺(G e)、 硅 (Si)、 銻 化 銦 (InSb)、 砷 化 銦 (InAs)等 半 導(dǎo) 體 材 料 。 3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 應(yīng) 用 右 圖 是 一 種 霍 爾 效 應(yīng) 位 移 傳 感 器 工 作原 理 。 將 霍 爾 元 件 置 于 磁 場(chǎng) 中 ， 左 半 部 磁場(chǎng) 方 向 向 上 ， 右 半 部 磁 場(chǎng) 方 向 向 下 ， 從 a端 通 人 電 流 I， 根 據(jù) 霍 爾 效 應(yīng) ， 左

60、 半 部 產(chǎn) 生霍 爾 電 勢(shì) VH1， 右 半 部 產(chǎn) 生 露 爾 電 勢(shì) VH2，其 方 向 相 反 。 因 此 ， c、 d兩 端 電 勢(shì) 為 V H1 VH2。 如 果 霍 爾 元 件 在 初 始 位 置 時(shí) VH1=VH2，則 輸 出 為 零 ； 當(dāng) 改 變 磁 極 系 統(tǒng) 與 霍 爾 元 件的 相 對(duì) 位 置 時(shí) ， 即 可 得 到 輸 出 電 壓 ， 其 大小 正 比 于 位 移 量 。 1、 位 移 傳 感 器 3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 2、 測(cè) 速 傳 感 器 3、 測(cè) 轉(zhuǎn) 角3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 4、 電 流 傳 感 器 當(dāng)

61、電 流 流 過 導(dǎo) 線 時(shí) ， 將 在 導(dǎo) 線 周 圍 產(chǎn) 生 磁 場(chǎng) ，磁 場(chǎng) 大 小 與 流 過 導(dǎo) 線 的 電 流 大 小 成 正 比 ， 這 一 磁 場(chǎng)可 以 通 過 軟 磁 材 料 來 聚 集 ， 然 后 用 霍 爾 器 件 進(jìn) 行 檢測(cè) 。 3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 5、 管 道 裂 紋 檢 測(cè)3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 原 理磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 變 化 檢 測(cè) 6、 汽 車 速 度 測(cè) 量3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 2) 磁 電 阻 元 件3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 磁 阻 效 應(yīng) )1( )1( co

62、s/ 220 20 20 BRRRR - -+ +l wx特 點(diǎn) 電 阻 的 增 量 與 磁 場(chǎng) 的 平 方 成 正 比 ； 與 磁 場(chǎng) 的 正 負(fù) 無 關(guān) ； 溫 度 系 數(shù) 影 響 大 ； 磁 感 應(yīng) 的 范 圍 比 霍 爾 元 件 大 。 R -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5應(yīng) 用 磁 頭 ； 接 近 開 關(guān) 和 無 觸 點(diǎn) 開 關(guān) 。 3) 磁 感 應(yīng) 半 導(dǎo) 體 元 件 分 類3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 磁 感應(yīng) 半導(dǎo) 體元 件 體 元 件 霍 爾 IC結(jié) 型 元 件 霍 爾 元 件磁 電 阻 元 件磁 敏 二 極 管磁 晶 體 管磁 半 導(dǎo)

63、體 開 關(guān)其 它開 關(guān)線 性 3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 2 光 電 轉(zhuǎn) 換 元 件 光 電 傳 感 器 通 常 是 指 能 敏 感 到 由 紫 外 線 到 紅 外 線 光 的 光 能量 ， 并 能 將 光 能 轉(zhuǎn) 化 成 電 信 號(hào) 的 器 件 。 其 工 作 原 理 是 基 于 一 些物 質(zhì) 的 光 電 效 應(yīng) 。 1) 光 敏 電 阻 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 是 指 半 導(dǎo) 體 材 料 受到 光 照 時(shí) 會(huì) 產(chǎn) 生 電 子 -空 穴 對(duì) ,使 其導(dǎo) 電 性 能 增 強(qiáng) ,光 線 愈 強(qiáng) ,阻 值 愈 低 ,這 種 光 照 后 電 阻 率 發(fā) 生 變 化 的 現(xiàn) 象 ,稱

64、為 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 。 基 于 這 種 效 應(yīng) 的光 電 器 件 有 光 敏 電 阻 、 光 敏 二 極 管 、光 敏 三 極 管 。 3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 2 )光 電 池 光 生 伏 特 效 應(yīng) 指 半 導(dǎo) 體 材 料 P-N結(jié) 受 到 光 照 后 產(chǎn) 生 一定 方 向 的 電 動(dòng) 勢(shì) 的 效 應(yīng) 。 以 可 見 光 作 光 源 的 光 電 池 是 常 用的 光 生 伏 特 型 器 件 。 +-P N 3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 3 ) 應(yīng) 用 光 電 傳 感 器 在 工 業(yè) 上 的 應(yīng) 用 可 歸 納 為 吸 收 式 、 遮 光式 、 反

65、 射 式 、 輻 射 式 四 種 基 本 形 式 。 3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 案 例 ： 直 射 式 光 電 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 開 孔 圓 盤 的 輸 入 軸 與 被 測(cè) 軸 相 連接 ， 光 源 發(fā) 出 的 光 ， 通 過 開 孔 圓 盤 和縫 隙 板 照 射 到 光 敏 元 件 上 被 光 敏 元 件所 接 收 ， 將 光 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 為 電 信 號(hào) 輸 出 。開 孔 圓 盤 上 有 許 多 小 孔 ， 開 孔 圓 盤 旋轉(zhuǎn) 一 周 ， 光 敏 元 件 輸 出 的 電 脈 沖 個(gè) 數(shù)等 于 圓 盤 的 開 孔 數(shù) ， 因 此 ， 可 通 過 測(cè)量 光 敏 元 件

66、輸 出 的 脈 沖 頻 率 ， 得 知 被 測(cè) 轉(zhuǎn) 速 ， 即 n=f/N式 中 n轉(zhuǎn) 速 ； 。 。 f脈 沖 頻 率 ； 。 。 N圓 盤 開 孔 數(shù) 。 3.7 半 導(dǎo) 體 敏 感 元 件 傳 感 器 案 例 ： 光 電 鼠 標(biāo) 就 是 利 用 LED與 光 敏 晶 體 管 組 合 來 測(cè) 量 位 移 。 工 作 原 理 ： 在 光 電 鼠 標(biāo) 內(nèi) 部 有 一 個(gè) 發(fā) 光 二 極 管 ， 通 過 該 發(fā) 光 二 極 管 發(fā) 出的 光 線 ， 照 亮 鼠 標(biāo) 底 部 表 面 。 然 后 將 光 電 鼠 標(biāo) 底 部 表 面 反 射 回 的 一 部 分 光 線 ，經(jīng) 過 一 組 光 學(xué) 透 鏡 ， 傳 輸 到 一 個(gè) 光 感 應(yīng) 器 件 （ 微 成 像 器 ） 內(nèi) 成 像 。 這 樣 ， 當(dāng) 光 電 鼠 標(biāo) 移 動(dòng) 時(shí) ， 其 移 動(dòng) 軌 跡 便 會(huì) 被 記 錄 為 一 組 高 速 拍 攝 的 連 貫 圖 像 。 最 后利 用 內(nèi) 部 的 一 塊 專 用 圖 像 分 析 芯 片 （ DSP， 即 數(shù) 字 微 處 理 器 ） 對(duì) 移 動(dòng) 軌 跡 上攝 取 的 一 系 列 圖 像 進(jìn) 行