传感器原理与检测
2021-12-22 20:18:14 12 举报AI智能生成
传感器原理与检测是一门研究各种物理量（如力、温度、光强等）变化并将其转换为可测量信号的科学。传感器通常由敏感元件、转换元件和处理电路组成，通过感知环境中的变化来产生电信号或其它形式的输出。检测技术则利用这些信号进行分析和解读，以实现对目标物体或现象的定量或定性评估。在工业、交通、医疗等领域，传感器原理与检测技术发挥着至关重要的作用，为实时监测、故障诊断和智能控制提供了关键支持。
作者其他创作
大纲/内容
电阻应变式传感器
工作原理
子主题基于电阻应变效应，通过测量电路将电阻变化转换成电信号
灵敏度系数K=(△R/R)/ε ε为应变
物理意义：单位应变引起的电阻相对变化量
物理意义：单位应变引起的电阻相对变化量
电阻应变式传感器核心元件是电阻应变片
❗应变片核心部分是敏感栅
❗应变片核心部分是敏感栅
测量电路
直流电桥电路
（电桥平衡时：对臂积相等，邻臂比相等）
直流电桥电压灵敏度与电桥供电电压成正比关系
（电桥平衡时：对臂积相等，邻臂比相等）
直流电桥电压灵敏度与电桥供电电压成正比关系
等臂电桥，单臂工作
灵敏度K=U/4
输出电压△U=K*△R/R
灵敏度K=U/4
输出电压△U=K*△R/R
等臂电桥，双臂工作（半桥）
灵敏度K=U/2
输出电压△U=K*△R/R
灵敏度K=U/2
输出电压△U=K*△R/R
等臂电桥，四臂工作（全桥）
灵敏度K=U
输出电压△U=K*△R/R
灵敏度K=U
输出电压△U=K*△R/R
为减小或消除直流电桥测量结果非线性误差可提高桥臂电阻值
温度补偿
桥路补偿：工作应变片粘贴在被测件表面
补偿应变片粘贴在与被测件完全相同的补偿块上，且补偿应变片不承受应变
补偿应变片粘贴在与被测件完全相同的补偿块上，且补偿应变片不承受应变
应变片自补偿
电容式传感器
工作原理和结构类型
工作原理：利用将非电量的变化转变为电容量的变化，来实现对物理量的测量
类型
变极距型电容传感器
K=（△C/C）/△d=1/d0
适合微小位移量测量
输入被测量与输出被测量为非线性关系
K=（△C/C）/△d=1/d0
适合微小位移量测量
输入被测量与输出被测量为非线性关系
变极距型电容传感器做成差动结构后，
灵敏度提高1倍，非线性误差转化为平方关系而大大降低
灵敏度提高1倍，非线性误差转化为平方关系而大大降低
变面积型电容传感器
K=1/a（b）
适合测量较大的直线位移和角位移
输入被测量与输出被测量为线性关系
K=1/a（b）
适合测量较大的直线位移和角位移
输入被测量与输出被测量为线性关系
变介电常数式电容传感器
△C/C₀=（ε₂-1）L/L₀ ；ε₂为被测介质介电常数
输入被测量与输出被测量为线性关系
△C/C₀=（ε₂-1）L/L₀ ；ε₂为被测介质介电常数
输入被测量与输出被测量为线性关系
测量电路
测量单个电容变化量
调频电路
运算放大电路
输出电压与极板间距成线性关系
输出电压与极板间距成线性关系
测量差动电容量变化
二极管双T型交流电桥
脉冲宽度调制电路
其输出电压正比与（C₁-C₂）/（C₁+C₂）
其输出电压正比与（C₁-C₂）/（C₁+C₂）
广泛应用于位移、振动、、角度、加速度等机械量的精密测量
电感式传感器
工作原理和结构类型
工作原理：利用电磁感应定律，将被测量转换为电感的自感或互感的变化
并通过测量电路进一步转换为电量的变化。
并通过测量电路进一步转换为电量的变化。
按结构原理分类
自感型：
变磁阻式传感器
变磁阻式传感器
工作原理： 把被测量的变化转变为自感L的变化
通过一定的转换电路转换成电压或电流输出
通过一定的转换电路转换成电压或电流输出
类型
变气隙式
变截面积式
螺线管式
差动自感传感器
可以消除零点残余电压，也能判断位移方向
与单线圈电感式传感器相比：
非线性误差小一个数量级，灵敏度提高1倍
可以消除零点残余电压，也能判断位移方向
与单线圈电感式传感器相比：
非线性误差小一个数量级，灵敏度提高1倍
敏感元件由线圈、铁芯、衔铁组成
互感型：
差动变压器式传感器
差动变压器式传感器
工作原理：把被测量的变化转变为互感M的变化
通过一定的转换电路转换成电压或电流输出
根据变压器的基本原理制成，又称差动变压器式传感器
通过一定的转换电路转换成电压或电流输出
根据变压器的基本原理制成，又称差动变压器式传感器
活动衔铁处于中间位置时，输出电压应该为零，实际不为零
称它为零点残余电压
称它为零点残余电压
输出电压极性反映铁芯运动方向
输出电压大小反映铁芯位移的大小
输出电压大小反映铁芯位移的大小
U₀=0时，铁芯处于中间位置
U₀＜0时，铁芯向下运动
输出电压与输入电压同频反相
输出电压与输入电压同频反相
U₀＞0时，铁芯向上运动
输出电压与输入电压同频同相
输出电压与输入电压同频同相
自感型、互感型：
涡流式传感器（被测物必须是金属）
涡流式传感器（被测物必须是金属）
工作原理：
根据电涡流效应制成的传感器
根据电涡流效应制成的传感器
形成电涡流的两个条件：
①存在交变磁场
②金属导体处于交变磁场中
①存在交变磁场
②金属导体处于交变磁场中
数学模型：电涡流在金属表面形成的短路环
等效为一个电阻和一个电感的串联
由于电涡流效应，线圈的等效品质因素Q会下降
等效为一个电阻和一个电感的串联
由于电涡流效应，线圈的等效品质因素Q会下降
分类
高频反射式--自感型
低频透射式--互感型
特点：对位移、厚度、表面温度、速度、压力、材料损伤
进行非接触式连续测量
且具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点
进行非接触式连续测量
且具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点
测量电路
自感型传感器测量电路
电阻平衡臂交流电桥
变压器式交流电桥
不能判断位移方向
不能判断位移方向
谐振式测量电路
互感型传感器测量电路
差动整流电路：可判断铁芯移动方向和位移大小
中间的电阻R用于消除零点残余电压
中间的电阻R用于消除零点残余电压
相敏检波电路：可判断铁芯移动方向和位移大小
电涡流式传感器测量电路
调频式电路
调幅式电路
利用电感式传感器，对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量
磁敏式传感器
分类
磁电感式传感器
（典型的有源传感器）
（典型的有源传感器）
工作原理：利用电磁感应原理，通过检测磁场的变化，将运动的速度、位移、振动等物理量转换成线圈中的感应电动势输出
电磁感应定律：当导体在稳定均匀的磁场中，沿着垂直于磁场方向做切割磁力线运动时，导体将产生感应电动势
电磁感应定律：当导体在稳定均匀的磁场中，沿着垂直于磁场方向做切割磁力线运动时，导体将产生感应电动势
分类
恒磁通式：动圈式和动铁式结构
变磁通式：开磁路和闭磁路结构
子主题
测量电路
直接输出，测量速度信号
加积分电路，测量位移信号
加微分电路，测量加速度信号
霍尔式传感器
工作原理：是一种磁敏元件，以霍尔效应为基础，
由霍尔元件和它的附属电路组成的用于检测磁场的传感器
由霍尔元件和它的附属电路组成的用于检测磁场的传感器
霍尔效应：当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时
其两端将产生电位差
霍尔效应产生的电动势称为霍尔电动势：Uh=Kh*IB
Kh=Rh/d (Kh为霍尔灵敏度，d为霍尔片厚度）
Rh=-1/ne=ρμ（Rh为霍尔常数）
其两端将产生电位差
霍尔效应产生的电动势称为霍尔电动势：Uh=Kh*IB
Kh=Rh/d (Kh为霍尔灵敏度，d为霍尔片厚度）
Rh=-1/ne=ρμ（Rh为霍尔常数）
霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果
霍尔元件灵敏度与元件厚度和载流子的速度有关
霍尔传感器的灵敏度与霍尔系数成正比
与霍尔片厚度成反比
霍尔传感器的灵敏度与霍尔系数成正比
与霍尔片厚度成反比
霍尔元件的零位误差主要包括不等位电势和寄生直流电动势
霍尔元件的误差和补偿
霍尔元件的零位误差：在无外加磁场或无控制电流的情况下，霍尔元件产生输出电压并由此产生的误差
包括①不等位电势 ②寄生直流电动势
包括①不等位电势 ②寄生直流电动势
补偿
不等位电势补偿：把霍尔元件等效为一个电桥
温度补偿
分流电阻法：适用于恒流源供给控制电流情况
电桥补偿法
其他磁敏元件：次敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管
通过磁电作用将被测量转换为电信号的传感器称为磁敏式传感器
磁电作用分为两类
磁电作用分为两类
电磁感应
霍尔效应
压电式传感器
工作原理
是一种典型的发电式传感器
（有源传感器）
是一种典型的发电式传感器
（有源传感器）
工作原理：以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的测量
压电效应：某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生❗极化现象
同时它表面会产生符号相反的电荷
当外力去掉后又重新恢复不带电状态
当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变
这种现象称压电效应
同时它表面会产生符号相反的电荷
当外力去掉后又重新恢复不带电状态
当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变
这种现象称压电效应
正压电效应：机械能转化为电能
逆压电效应：电能转化为机械能
压电材料
石英晶体（单晶体）
沿X轴（电轴）作用产生电荷称纵向压电效应
沿Y轴（机械轴）作用产生电荷称横向压电效应
沿Z轴（光轴）不产生压电效应，没有电荷产生
用石英晶体制作的压电式传感器中，晶面上产生的电荷量与晶面上的压强成正比，而与晶片几何尺寸和面积无关
压电陶瓷（多晶体）
沿着压电陶瓷极化方向加力时，其晶粒的极化方向发生变化，引起垂直于极化方向的平面上压电特性的变化而产生压电效应
压电陶瓷要有外电场和压力的共同作用才会产生压电效应
压电陶瓷由人工制造的多晶体，由无数细微的电畴组成，电畴具有自己自发的极化方向，经过极化处理的压电陶瓷才具有压电效应
等效电路
电荷源Q与电容Cₐ并联
电压源U与电容Cₐ串联
上两个等效电路关系：U=Q/Cₐ
测量电路
电荷放大器-在运算放大器放大倍数很大时，其输出电压与输入电荷成正比
电压放大器-系统输入电压受连接电缆长度变化影响
压电元件的连接
同极性粘结--并联👉🏻电荷量增加1倍、电容量增加1倍、输出电压与单片时相同
不同极性粘结--串联👉🏻电荷量与单片时相同、电容量为单片的1/2、输出电压增加1倍
用途：主要用于与力相关的❗动态参数的测量
温度传感器
分类
热电偶温度传感器
利用金属的温差电动势测温
利用金属的温差电动势测温
工作原理
两不同材料的热电板连接成闭合回路，两端连接处温度不同，此闭合回路中有电流产生
即回路中有电动势存在，这种现象叫热电效应，回路产生的电动势叫热电势
即回路中有电动势存在，这种现象叫热电效应，回路产生的电动势叫热电势
两端
工作端（测量端、热端）--T
自由端（参考端、冷端）--T₀
热电偶测温时只有在❗冷端温度恒定条件下才能进行
不需加电压
不需加电压
E(T,T₀）=E(T,0)-E(T₀,0)
基本定律
均质导体定律--回路没有电动势
❗中间导体定律--热电偶回路中接入多种均质导体，保证各导体两接入点的温度相同，就不会影响回路中的热电势
❗中间温度定律--E(T,T₀)=E(T,Tn)+E(Tn,T₀)
利用这一定律可以求出冷端在其他温度Tn时的热电势值,T为实际温度
利用这一定律可以求出冷端在其他温度Tn时的热电势值,T为实际温度
标准电极定律--Eab(T,T₀)=Eac(T,T₀)-Ebc(T,T₀)中间温度定律的变形
已知两种导体A、B分别与第三种导体C产生的热电势，则可求出两个导体A、B的热电势
已知两种导体A、B分别与第三种导体C产生的热电势，则可求出两个导体A、B的热电势
等值替代定律
冷端温度补偿
0°恒温法
补正系数修正法（补偿导线）
计算修正法（利用中间温度定律）
零点迁移法
冷端补偿器法（电桥补偿）
热电阻温度传感器
利用导体电阻随温度变化测温
利用导体电阻随温度变化测温
热电阻和温度变送器接线方式
二线制
三线制（实际应用常见）
四线制（热电阻测温的理想接线方式）
常用热电阻
铂热电阻（50Ω和100Ω）--广泛应用
铜热电阻（50Ω和100Ω）--测量精度要求不高和测量范围较小时使用
热敏电阻温度传感器
利用半导体材料随温度变化测温
利用半导体材料随温度变化测温
集成温度传感器
利用晶体管PN结的电流、电压随温度变化测温
利用晶体管PN结的电流、电压随温度变化测温
光电式传感器
常用光源
热辐射光源
气体放电光源
激光器
电致发光器件-发光二极管
光电效应
外光电效应
现象：材料收到光照后，向外发射电子的现象
器件：光电管、光电倍增管、变相管
内光电效应
光电导效应
现象：在光的作用下，电子吸收光子能量，引起物体电阻率的变化
现象：在光的作用下，电子吸收光子能量，引起物体电阻率的变化
器件：光敏电阻
光生伏特效应
现象：在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象
器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管
光电式传感器组成
光路
电路
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