第八讲

第3章 机电系统中的传感器技术 本章重点： 1．熟悉传感器的组成和分类 2．机电控制系统中常用的传感器 本章难点： 1．常用传感器工作原理

3.1 传感器的组成和分类 3.1.1 传感器的组成 3.1.2 传感器的分类 温度传感器 1.按输入量分类 压力传感器 物理传感器 3.1 传感器的组成和分类 3.1.1 传感器的组成 3.1.2 传感器的分类 温度传感器 1.按输入量分类 压力传感器 物理传感器 位移传感器 化学量传感器 生物量传感器

3.1 传感器的组成和分类 2.按输出信号形式分类 分为模拟式、开关式和数字式。 3.按转换原理分类 3.1 传感器的组成和分类 2.按输出信号形式分类 分为模拟式、开关式和数字式。 3.按转换原理分类 结构型：利用机械构件在动力场或磁场的作用下产生变形或位移，将 外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量。是 是利用物理学运动定律或电磁定律实现的。 物性型：利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（物质定律 即胡克定律、欧姆定律）实现非电量的转换，是以半导体、电 解质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。 复合型：有结构型传感器和物性型传感器组合而成的，兼有两者的特征， 如电阻式、光电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏等。

3.1 传感器的组成和分类 3.1.3 传感器的基本特性 1.传感器的静态特性 3.1 传感器的组成和分类 3.1.3 传感器的基本特性 1.传感器的静态特性 静态特性表示传感器被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。它 它主要包括灵敏度、线性堵、迟滞性、重复性、分辨力以及零漂等。 2.传感器的动态特性 根据不同输入变化规律来考察传感器的响应。

3.2 压力传感器 3.2.1 机械式压力计 压力是指垂直作用与单位面积上的力，实际上是压强。单位换算关系如下： 3.2 压力传感器 压力是指垂直作用与单位面积上的力，实际上是压强。单位换算关系如下： 1个标准大气压=760mmHg= 1个工程大气压= 常用的压力计可分为机械压力计和电学式压力计。 测量范围从超真空（ ）到超高压（ 280 Pa ） 3.2.1 机械式压力计 机械式压力计有液柱式、活塞式、弹性式等

3.2 压力传感器 1.液柱式压力计 原理是使压力与液柱所产生的力相平衡，用液柱高度测量压力，常用的有 3.2 压力传感器 1.液柱式压力计 原理是使压力与液柱所产生的力相平衡，用液柱高度测量压力，常用的有 型管式、单管式、浮子式等多种，主要用于表压，差压及压力电传送或压力标准 等场合，如风力表、水压表。 GK4-PM43.26型液柱式压力计，测量介质为纯水、纯水银。立式测量范围 为水柱8~20kPa、水银100~200kPa，精度为一个刻度格，操作方法为手动应用， 可校验高精度压力表，利用液柱读取测量值。 2.活塞式压力计 原理是利用在自由运动活塞上，被测压力所形成的力与标准重物所产生的力 相平衡而测得压力。根据砝码及活塞本身重量的大小来判别被测压力的数值。 根据结构不同，活塞式压力计分为密封式和非密封式两种形式。非密封式得到广 泛应用。 活塞式压力计广泛应用在基准、标准以及校验其他压力表的工作中。

3.2 压力传感器 3.弹性式压力计 原理是利用各种弹性元件作为感受件，弹性元件受力后的反作用力与被测 3.2 压力传感器 3.弹性式压力计 原理是利用各种弹性元件作为感受件，弹性元件受力后的反作用力与被测 压力平衡，此时弹性元件的变形就是被测压力的函数，可以用测量弹性变形来 测得压力。测量范围宽10Pa~100Pa。目前使用普遍的弹性元件有三类：薄膜 式；波纹式；弹簧管式。 力平衡式压力计的原理是被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，弹性敏 感元件感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用与力平衡系统，力平衡系 统受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测器输出偏差值至放大器；放大器 将信号放大并输出电流（或电压）信号，电流信号控制反馈力或力矩发生机构， 使之产生反馈力，与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出 与被测压力或压差相对应的信号。

3.2 压力传感器 3.2.2 电学式压力传感器 1.电阻应变片式压力传感器 精度 ，常用的有柱形、环形、梁式和轮辐式 可测范围

3.2 压力传感器 A为筒体截面积： 电阻应变仪测出：

3.2 压力传感器 2.电容式压力传感器 采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电 3.2 压力传感器 2.电容式压力传感器 采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电 容的变化，测出电容量便可知道被测压力的大小。 为电容极板间介质的介电常数，A为两平行板相对面积，d为两平行板间距 测量范围在10~10000mmH2O,精度在0.2%左右。 3.压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发生变化的 现象称为压阻效应。 特点是：灵敏度高，频率响应高； 测量范围宽，精度高，工作可靠。

3.2 压力传感器 4.压电式压力传感器 利用压电效应制造而成。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用 3.2 压力传感器 4.压电式压力传感器 利用压电效应制造而成。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用 发生变形时，就产生了极化效应，而在其某些表面上会差生电荷，当机械力撤 掉之后，又会重新回到不带电的状态，此现象称压电效应。 常用的压电材料有压电晶体（如石英晶体）和压电陶瓷（钛酸钡）。 产生的电荷量与作用力的关系： 5.差动变压器式压力传感器 由弹性敏感元件和差动变压器构成的压力传感器。 它的弹性敏感元件作为受力机构，把被测压力转换成位移，再用差动变压器 把位移转换为与被测压力成一定关系的电信号。又称电感式压力传感器。 测量范围0~98066.5Pa，精度在0.5%左右。

3.3 位移传感器 3.3.1 电感式位移传感器 基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化，有自感式和互感式 之分。 3.3 位移传感器 3.3.1 电感式位移传感器 基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化，有自感式和互感式 之分。 电涡流式位移传感器式典型的自感式位移传感器； 差动变压器式位移传感器式应用较多的互感型位移传感器。 1.电涡流位移传感器 利用电涡流原理设计而成，可以实现静态和动态地、非接触、高线性度、 高分辨率地测量金属表面与传感器探头之间的距离及其变化。

3.3 位移传感器 根据楞次定律，电涡流将产生一个新的交变磁场H2，H2与H1方向相反，因 3.3 位移传感器 根据楞次定律，电涡流将产生一个新的交变磁场H2，H2与H1方向相反，因 此抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量L、阻抗Z和品质因数Q发生变化，这 些变化与线圈和被测道题之间的具体有关，测量电路的任务就是把这些参数变换 成与被测位移量成线性关系的电压或电流。 （1）桥路 Z1和Z2为线圈阻抗，可以是差动式 传感器的两个线圈阻抗，也可以是一个 传感器和平衡用的固定线圈。 它们与电容C1、C2，电阻R1、R2 组成电桥的四个臂。 电源u由振荡器供给，震荡频率根据 涡流式传感器的需求选择。 电桥将反应线圈阻抗的变化，把线 圈阻抗变化转换成电压幅值的变化。

3.3 位移传感器 （2）谐振调幅 该电路的特征是由传感器线圈 的等效电感和一个固定电容组成的 并联谐振回路，由频率稳定的振荡 3.3 位移传感器 （2）谐振调幅 该电路的特征是由传感器线圈 的等效电感和一个固定电容组成的 并联谐振回路，由频率稳定的振荡 器（如石英振荡器）提供高频激励 信号。

3.3 位移传感器 （3）谐振调频电路 传感器线圈接在LC震荡器中作为 电感使用。

3.3 位移传感器 VLN型为电涡流式位移传感器，工作电压为15~30VDC，输出电流为5mA 3.3 位移传感器 VLN型为电涡流式位移传感器，工作电压为15~30VDC，输出电流为5mA 输出电压为0~10VDC，线性距离4~16mm，响应时间5ms，环境温度为 -25~75°C输出形式为双态通用，驱动形式为运放驱动。 VPD型位移传感器线性距离为8~40mm，其他与VLN型相同。

3.3 位移传感器 2.差动变压器式位移传感器 当衔铁的位置居中时 当衔铁的位置上移时 当衔铁的位置下移时

3.3 位移传感器 该图用于小位移的差动相敏检波电路的工作。 当没有信号输入时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减 3.3 位移传感器 该图用于小位移的差动相敏检波电路的工作。 当没有信号输入时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减 小；当有信号输入时，铁心移上或移下，其输出电压经过放大、相敏检波、滤 波后得到直流输出。 差动变压器精度高达0.1um、线圈变化范围打、结构简单、稳定性好。 常用于没有中间放大的场合，不适宜于高频动态测量。

3.3 位移传感器 供电：5VDC、12VDC、24VDC可选，输出：0~5V、4~20mA可选

3.3 位移传感器 3.3.2 电容式位移传感器 输出灵敏度200~1000mV/mm，测量范围20mm，线性度0.05~0.3 3.3 位移传感器 3.3.2 电容式位移传感器 输出灵敏度200~1000mV/mm，测量范围20mm，线性度0.05~0.3 可用于压力、应变、液位等能转换成直线位移的各种机械物理量的测试。

3.3 位移传感器 1.调频测量电路

3.3 位移传感器 2.二极管双T形电路

3.3 位移传感器

3.3 位移传感器 3.3.3 光栅式位移传感器 光栅的特点是测量精度高（可达 ）、响应速度快和量程范围大。 用于精密机械的位移测量。 3.3 位移传感器 3.3.3 光栅式位移传感器 光栅的特点是测量精度高（可达 ）、响应速度快和量程范围大。 用于精密机械的位移测量。 光栅传感器工作的基础是莫尔条纹。 其基本结构如下图。 表示条纹宽度 表示光栅栅距 表示光栅条纹间的夹角

3.3 位移传感器 光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可以用光电元件接收，通常用光电池。 3.3 位移传感器 光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可以用光电元件接收，通常用光电池。 上图有四块光电池，产生的信号相位彼此相差90°，对这些信号进行适当的处 理，即可彼岸成光栅位移量的测量脉冲。

3.3 位移传感器 ILCD是增量型精密光栅测 量系统。ILCD系列光栅尺将直 线的位移变化转换为脉冲信号。 脉冲信号的数量对应移动的距离 3.3 位移传感器 ILCD是增量型精密光栅测 量系统。ILCD系列光栅尺将直 线的位移变化转换为脉冲信号。 脉冲信号的数量对应移动的距离 脉冲频率则反映了运动速度。 信号为矩形方波，相差为90° 的A相和B相两路波形能够指示 出移动距离以及运动方向。Z相 波形为零位脉冲信号，一般每 50mm一个信号。具有180~1850 Mm的各种型号，工作电压5V， 输出信号RS422、20mA。

3.3 位移传感器 3.3.4 感应同步器 分为直线和圆盘两种。 直线感应同步器有定尺较 长（200mm以上可根据测 量行程的长度选择不同规 3.3 位移传感器 3.3.4 感应同步器 分为直线和圆盘两种。 直线感应同步器有定尺较 长（200mm以上可根据测 量行程的长度选择不同规 格长度），定尺上刻有均 匀节距的绕组；滑尺表面 刻有两个绕组，正弦绕组 和余弦绕组。 滑尺在通有电流的定 尺表面相对运动，产生感 应电势。

3.3 位移传感器 圆盘式感应同步器 转子相当于直线式的滑 尺，定子相当于直线式 的定尺，定子中的两个 绕组错开1/4节距。 3.3 位移传感器 圆盘式感应同步器 转子相当于直线式的滑 尺，定子相当于直线式 的定尺，定子中的两个 绕组错开1/4节距。 感应同步器具有对 环境要求低、工作可靠、 抗干扰强、测量精度很 高、维护方便、寿命长、 制造工艺简单等优点。 感应同步器的检测系统采用不同的励磁方式，一类是以滑尺（或定子）励磁 有定尺（定子）取出感应电动势；另一类相反。 输出信号也可以采用不同的处理方式：分为鉴相式、鉴幅式、脉冲调宽式。 3.4~3.6节自学内容

3.7 温度传感器 3.7.1 温度传感器 t为热端温度，t0为冷端温度

3.7 温度传感器

3.7 温度传感器 3.7.2 热敏电阻 热敏电阻式电阻式温度传感器的一种。 3.7 温度传感器 3.7.2 热敏电阻 热敏电阻式电阻式温度传感器的一种。 一般把金属氧化物陶瓷半导体材料经成形、烧结等工艺制成的测温元件称 热敏电阻；把金属导体如铜、镍、铂制成的测温电阻称为热电阻。 热敏电阻式中低温区常用的一种温度检测器。 根据温度系数正负分为：PTC热敏电阻与NTC热敏电阻； 根据不同的用途分为：负指数型NTC；突变型NTC； PTC热敏电阻分为突变型与线性型两类。 NTC测量范围为-50~300°C，高温热敏电阻可测到700°C，低温热敏 电阻可测到-250°C。热敏电阻不适用于高精度温度测量及控制，小范围内有 较好的精度。

3.7 温度传感器 3.7.3 热电阻 主要材料有铂、铜和镍。主要用于高精度温度测量和标准测温装置。 3.7 温度传感器 3.7.3 热电阻 主要材料有铂、铜和镍。主要用于高精度温度测量和标准测温装置。 铂电阻在0°C时的R0有25欧姆、100欧姆等几种。分度号用Pt25、Pt100 铜电阻R0为50欧姆、100欧姆两种，分度号用Cu25、Cu100

3.7 温度传感器