传感sensor6
15第3章_电气式传感(1)
x
B
C
A
x
xp
灵敏度
dR dx
kl
e0 ey
e0
x
ey
x
x pey e0
1.1 变阻器式传感器
x x pey e0 kley
e0
ey
0
x
Hale Waihona Puke xp1.1 变阻器式传感器
后接分压电路
R p Rx
e0
Rx
ey
RL
V
ey
A
dl
l
A
2
dA
l A
d
代入 R l / A
dR R
dl l
dA A
d
1.2 电阻应变式传感器
金属丝 A r 2 金属丝体积不变
dR dl l
dr r dl l
2 d
2 dr r
d
有
R
器(differential transformer)）
2.1 自感型(self-inductance)(可变磁阻式)
原理:电磁感应
线圈
由电磁学原理可知： L W m i 其 中 ： L 电 感 ； W 线 圈 匝 数 ； i 电 流 ；
m 电 流 i产 生 的 磁 通
基于金属导体的应变效应(strain effect)，即
金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电 阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而 发生变化象。
1.2 电阻应变式传感器
六分力传感器工作原理(标准版)
六分力传感器工作原理
六分力传感器又称为六维力传感器，六分量传感器，它可以同时检测
XYZ轴，三个方向上的力值变化，又可以检测出三个轴上扭矩大小（力的单
位是KN，力矩的单位是KN/m)。
六分力传感器弹性体采用专力结构，体积小，灵敏度高、刚性好、维间耦
合小、有机械过载保护功能。
应用于遥控机器人，机器人手术，机械手臂研究，手指力研究，精密装配，自动磨削、轮廓跟踪、双手协调、零力示教等
作业中，在航空、航天及机械加工，汽车等行业中有广泛的应用。
1.耦合
2.解耦
解耦就是要在一定程度上减小或消除耦合干扰。
六维力/力矩传感器的解耦是通过数学的方法用尽可能小的误差地确定出来传感器的输入与输出的关系。
3.解耦方法
一般消除耦合或者抑制耦合可以从两个方向来做:第一种是在生产传感器之前进行的工作，一般叫做结构解耦，即从传感器的设计上来消除或者抑制耦合，该方法涉及到了传感器的制造工艺问题，这个往往比较困难，并且可能
会增加成本:第二种则是利用系统性的数学模型，要矩阵解耦，运用数字信号
处理的方法来减少或者消除传感器的维间耦合,该方法对制作工艺要求比较低，比较容易达到，而且还能取得很好的效果。
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传感器的典型组成
传感器的典型组成
传感器的典型组成包括：
1. 传感元件（Sensor Element）：用于将被测量的物理量转变
为电信号的元件，常见的传感元件包括光敏元件、压力传感器、温度传感器等。
2. 信号处理电路（Signal Processing Circuit）：用于对传感元
件输出的电信号进行放大、滤波、线性化等处理，以提高信号质量和准确度。
3. 连接电缆（Connection Cable）：连接传感元件和信号处理
电路，将传感元件采集到的电信号传输到信号处理电路。
4. 接口电路（Interface Circuit）：将信号处理电路处理后的电
信号转换为适合外部设备的信号输出，如模拟信号、数字信号或通信接口。
5. 外壳（Housing）：将传感器元件、信号处理电路、连接电
缆等封装在一起，起到保护传感器免受外部环境影响的作用。
6. 供电电路（Power Supply Circuit）：为传感器提供电源，保
证传感器能正常工作。
7. 校准装置（Calibration Device）：用于校准传感器的输出信号，提高传感器的准确性和稳定性。
以上是传感器的典型组成，不同类型的传感器在组成上可能会有所不同，适当调整和组合这些组成部分可满足不同传感器的需求。
感应sensor工作原理
感应sensor工作原理一、引言感应sensor是一种常见的传感器，广泛应用于各个领域，如工业自动化、环境监测、智能家居等。
本文将从感应sensor的工作原理进行探讨，介绍其基本原理和应用。
二、感应sensor的基本原理感应sensor是利用物理效应来感知周围环境的一种设备。
其基本原理是根据感应原理，通过感应元件的感应作用来实现对某种被测量参数的测量。
1. 电磁感应原理电磁感应原理是感应sensor最常用的工作原理之一。
根据法拉第电磁感应定律，当感应元件中的磁通量发生变化时，会在感应元件上产生感应电动势。
感应sensor利用这一原理，通过测量感应电动势的大小来得到被测量参数的值。
2. 压阻效应原理压阻效应原理是另一种常用的感应sensor工作原理。
压阻效应是指某些材料在受力作用下会发生电阻值的变化。
感应sensor利用这一原理，通过测量材料的电阻值来实现对被测量参数的测量。
3. 光电效应原理光电效应原理是感应sensor中的一种常见原理。
光电效应是指当光照射到某些材料上时，会产生电子的释放或电离现象。
感应sensor 利用这一原理，通过测量光电效应产生的电流或电压来实现对被测量参数的测量。
三、感应sensor的应用领域感应sensor广泛应用于各个领域，下面介绍几个常见的应用领域。
1. 工业自动化在工业自动化领域，感应sensor被用于检测物体的位置、速度、压力等参数。
例如，在生产线上，通过安装感应sensor可以实现对物体的自动检测和控制，提高生产效率和质量。
2. 环境监测感应sensor在环境监测领域也有广泛的应用。
例如，利用温度感应sensor可以监测环境温度的变化，通过湿度感应sensor可以监测环境湿度的变化，通过气体感应sensor可以监测空气中某种气体的浓度等。
3. 智能家居感应sensor在智能家居领域也起到了重要的作用。
例如，通过安装人体感应sensor可以实现对家居设备的自动控制，例如自动开关灯、自动调节温度等，提高家居的舒适性和便捷性。
传感器分类及20种常见传感器
传感器分类及20种常见传感器目录1.常用传感器的分类 (1)1.1.按被测物理量分类 (1)1.2.按工作的物理基础分类 (2)2. 20种常见的传感器 (2)2. 1. 温度传感器(TemPeratUreSenSor)： (2)2. 2. 湿度传感器(HUmidity Sensor) ： (2)2. 3. 光敏传感器(Light Sensor)： (2)2. 4. 声音传感器(SoUnd Sensor) ： (3)2. 5. 压力传感器(PreSSUre Sensor)： (3)2. 6. 位移传感器(PoSition Sensor)： (3)2. 7.加速度传感器(ACCelerometer)： (3)2. 8. 磁感应传感器(MagnetiC Sensor) ： (4)2. 9. 接近传感器(ProXirnity Sensor) ： (4)2. 10. 电容传感器(CaPaCitiVe Sensor)： (4)2. 11. 气体传感器(GaSSenSor)： (5)2. 12. 颜色传感器(ColOrSenSor)： (6)2. 13. 生物传感器(BiOIogiCaISenSor)： (7)2. 14. 速度传感器(SPeedSenSor)： (8)2. 15. 重量传感器(WeightSenSor)： (9)2. 16. 红外传感器(InfraredSenSor)： (9)2. 17. 压敏传感器(PreSSUre-SenSitiVeSenSOr)： (10)2. 18.射频识别传感器(RFlD)： (11)2. 19. 光电传感器(PhotOdeteCtOr)： (13)2. 20.位角传感器(AngUIar Position Sensor)： (14)1.常用传感器的分类Ll.按被测物理量分类机械量：长度、厚度、位移、速度、加速度、转数、质量，重量、力、压力、力矩;声：声压、噪声;温度：温度、热量、比热;磁：磁通、磁场;光：亮度、色彩。
sensor传感器原理及应用资料
3.可与计算机相连，进行数据的自动运算、分析和 处理 传感器将非电物理量转换成电信号后，通过接口电 路变成计算机能够处理的信号，进行自动运算、分 析和处理。 4.品种繁多，应用广泛 现代信息系统中待测的信息量很多，一种待测信息 可由几种传感器来测量，一种传感器也可测量多种 信息，因此传感器种类繁多，应用广泛，从航空、 航天、兵器、交通、机械、电子、冶炼、轻工、化 工、煤炭、石油、环保、医疗、生物工程等领域， 到农、林、牧、副、渔业，以及人们的衣、食、住、 行等生活的方方面面，几乎无处不使用传感器，无 处不需要传感器。
长江工程职业技术学院自动化教研室
三、传感器的发展趋势
1．新材料的开发、应用
如：半导体材料 、功能陶瓷材料 、功能金属、功能 有机聚合物、非晶态材料、固体材料及薄膜材料等， 都可进一步提高传感器的产品质量，降低生产成本。 2．新工艺、新技术的应用 将半导体的精密细微加工技术应用在传感器的制造中， 可极大提高传感器的性能指标，并为传感器的集成化、 超小型化提供技术支撑。借助半导体的蒸镀技术、扩 散技术、光刻技术、静电封闭技术、全固态封接技术， 也可取得类似的功效。
说
明
为了配合电子工业出版社2011年1月出版的《传 感器原理及应用》（书号：ISBN 978-7-121-12723-6 杨少春主编）教材的教学，我们制作了本教材配套的 多媒体课件，由于时间紧迫，制作者水平有限，课件 中难免有不足之处，恳请广大读者批评指正。
长江工程职业技术学院 武汉职业技术学院
周海波 杨少春
长江工程职业技术学院自动化教研室
根据以上定义可画出传感器的组成框图，如图1-1 所示。
图1研室
六、传感器的分类与特点
传感器常用的分类方法有两种，一种是按被测输入 量划分，另一种是按传感器的工作原理划分。
六轴姿态传感器原理
六轴姿态传感器原理今天咱们来唠唠六轴姿态传感器这个超酷的东西。
你想啊，在咱们这个充满科技魔法的世界里，很多设备好像都有了自己的感知能力。
六轴姿态传感器就像是一个小小的智能精灵，能精准地知道某个物体的姿态，这可太厉害了。
那这个六轴姿态传感器到底是咋工作的呢？其实啊，这里面主要涉及到加速度计和陀螺仪这两个超级明星部件。
先说说加速度计吧。
加速度计就像是一个超级敏感的小卫士，它能感受到物体的加速度。
啥是加速度呢？简单说就是速度的变化啦。
比如说，你坐过山车的时候，那种突然加速或者减速的感觉，加速度计就能捕捉到。
它是通过检测物体受到的力来确定加速度的。
在六轴姿态传感器里，加速度计可以检测到物体在三个轴向（通常是x、y、z轴）上的加速度。
这就好比它能知道这个物体是在向前冲得更快了，还是突然刹车减速了，或者是在往侧面移动了呢。
这就像是给物体的线性运动安了个小眼睛，时刻盯着它的一举一动。
再来说说陀螺仪。
陀螺仪可就更有趣啦。
它就像一个旋转小达人，专门负责检测物体的角速度。
啥叫角速度呢？就是物体旋转的速度有多快呀。
你可以想象一下，一个陀螺在那里飞快地旋转，陀螺仪就能知道它转得有多快，是顺时针转还是逆时针转。
在六轴姿态传感器里，陀螺仪也是检测三个轴向的角速度呢。
比如说，你拿着手机转圈圈，陀螺仪就能精确地知道手机是怎么转的，转了多少度。
这就好像给物体的旋转运动也找了个超级管家，把旋转的情况管理得井井有条。
这加速度计和陀螺仪就像一对好搭档。
加速度计管着直线运动的情况，陀螺仪管着旋转运动的情况。
它们两个把收集到的信息汇总到一起，就像两个小伙伴把自己看到的情况告诉六轴姿态传感器这个大老板。
然后呢，这个六轴姿态传感器就能根据这些信息算出物体的姿态啦。
这个姿态就包括物体的倾斜角度、翻滚角度之类的。
比如说，你把手机倾斜着拿，传感器就能知道手机倾斜了多少度，是向左斜还是向右斜，是向前倾还是向后仰。
这种能力在很多地方都超级有用呢。
就像在无人机里，六轴姿态传感器能让无人机知道自己的姿态，这样它就能平稳地飞行啦。
六分力传感器的工作原理
六分力传感器的工作原理
六分力传感器的工作原理
六分力传感器是一种广泛应用于工业制造、生物医学等领域的传感器，可以实现对物体六个方向的力的测量，具有高精度、高灵敏度和高可
靠性的特点。
那么，这种传感器的工作原理是什么呢？
六分力传感器主要由弹性元件、传感电路和相应电路组成。
当施加力
于弹性元件时，它将变形，变形量将通过传感电路转化为电信号。
传
感电路会对这些信号进行处理，并将其转化为数字信号，以供读取和
分析。
弹性元件是六分力传感器的核心部件，其一般包括两个相互垂直的管道，每个管道内装有一段弹簧。
这些弹簧可以承受从六个方向传递过
来的力，并导致弹性元件发生微小的形变。
传感电路会测量这种形变
并转换成电信号。
在力传感器中，弹性元件具有高强度、高耐久性和优异的弹性特性。
传感电路则包括增益器和滤波器等多个部分，它们可以对信号进行放
大和优化，以提高传感器的灵敏度和精度。
最终，测得的信号将被发
送到一个外部设备或计算机中进行处理和分析。
总而言之，六分力传感器的工作原理基于弹性元件的变形和传感电路
的信号处理，它们是实现对物体六个方向力的测量的关键。
此外，传
感器具有高灵敏度、高精度和高可靠性的特点，广泛应用于生物医学、机械制造、装配调试等领域。
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压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压
电效应, 是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形
时, 其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量.压电式
传感器具有体积小, 重量轻, 工作频带宽等特点, 因此在 各种动态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、 医 学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
第六章 压电式传感器
Q
电荷 放大器 衰减器 电压 放大器 低通 滤波器 高通 滤波器
北京理工大学 机电学院
功率 放大器
U
稳压电源
2）高、低频限
电荷放大器的灵敏度可通过调节或切换Cf来获得， Cf=10010000pF，在Cf两端并联Rf ，Rf=1010 1014， 可制成直流负反馈，以减少零漂，提高工作稳定性。 只取决于反馈参数Rf和Cf，与电缆电容 无关，由于Rf和Cf可以做的很大，因此 fL可低达10-1 10-4Hz，即准静态。
dt：逆压电常数
第六章 压电式传感器
二、压电材料特点
北京理工大学 机电学院
压电材料可以分为三大类: 压电晶体和压电陶瓷 和高分子 材料.
压电材料的主要特性参数有: （1）压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关 系到压电输出的灵敏度。 （2）压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有 频率和动态特性。
北京理工大学 机电学院
第六章 压电式传感器
主讲：申 强
第六章 压电式传感器 学习要求：
北京理工大学 机电学院
1.掌握压电式传感器的工作原理，了解常见的 压电材料； 2.掌握压电式传感器的等效电路；
3.掌握压电式传感器的测量电路；
4.了解压电式传感器的典型应用。
第六章 压电式传感器
北京理工大学 机电学院
第六章 压电式传感器
（2）电荷放大器
北京理工大学 机电学院
把压电器件的高内阻的电荷源变换成传感器低内阻 的电压源，以实现阻抗匹配，并使其输出电压与输入电 荷成正比。 1）工作原理和输出特性
AQ Uo (1 A) C f C
Q Uo Cf
1 Ku Cf
传感器的灵敏度与电缆变化无关。电路复杂，调整困 难，成本较高。
北京理工大学 机电学院
第六章 压电式传感器
压电陶瓷
北京理工大学 机电学院
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以 采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。
第六章 压电式传感器
（1）正压电效应
北京理工大学 机电学院
在电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它 内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个极 化面上出现大小相等符号相反的电荷Q，其电位移D（或电荷密 度）与外应力张量T成正比。 T
D d T d T
d：压电常数
极化面
+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - -
Q
+ -
（2）逆压电效应（电致伸缩）
T
若对上述电介质施加电场作用，同样会引起电介质内部正负 电荷中心相对转移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场E 成正比。
S dt E
第六章 压电式传感器
若在同一切片上, 沿机械轴y 方向施加作用力fy, 则仍在与x轴垂 直的平面上产生电荷qy, 其大小为 qy=d12 (a/b)fy 式中: d12——y轴方向受力的压 电系数, d12=-d11 a、 b——晶体切片长度和厚
北京理工大学 机电学院
度。
第六章 压电式传感器
+
+
串联
+
并联
第六章 压电式传感器
2、实际产品
北京理工大学 机电学院
加速度计
压力变送器
力传感器
第六章 压电式传感器
3、基本结构 基座和外壳、压电元件、敏感元 件、预载件、引线及接插件。 凡是能转换成力的机械量，如位 移、压力、冲击、振动加速度等都 可以用压电传感器进行测量。 （1）应用特点
北京理工大学 机电学院
1 fL 2πR f C f
高频特性仅取决于放大器的频率响应特性
第六章 压电式传感器
三、压电式传感器及其应用
1、压电元件的结构和组合形式
北京理工大学 机电学院
第六章 压电式传感器
北京理工大学 机电学院
并 联：时间常数增大，电荷灵敏度增大，适合电荷输出、 低频测量的场合。
串 联：时间常数减小，电压灵敏度增大，适合电压输出、 高频测量的场合。
第六章 压电式传感器
两类典型压电材料的比较
北京理工大学 机电学院
石英晶体 优点：性能稳定，机械强度高，绝缘性能好。 缺点：价格贵，压电系数低。受切割方向影响大。 常用于标准仪器或要求较高的传感器中。 压电陶瓷 主要有：钛酸钡（BaTiO3)和锆钛酸铅系Pb(Zr, Ti) O3 钛酸钡具有很高的介电常数和较大压电系数（约为石英晶体 的50倍），居里温度低（120℃），温度稳定性和力学强度不如 石英晶体。 锆钛酸铅系压系数更大，居里温度在300 ℃以上，温度稳定 性好。此系陶瓷材料是压电式传感器中应用最广泛的压电材料。
1、灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长； 2、体积小，重量轻，刚度、强度、承载能力和测量范围大，动态响应频带宽， 动态误差小； 3、易于大量生产，便于使用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。
第六章 压电式传感器
（2）压电式加速度传感器
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q d33 F d33ma
Ca
Ua
Ra 1010
Ca
Q Ua Ca
Ua
Q CaU a
电压源
Ua Q KU F Ca F
电荷源
Q CaU a KQ F F
第六章 压电式传感器
2、测量电路
北京理工大学 机电学院
压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器 信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变 换后，方可输入到后续显示仪表中。
第六章 压电式传感器
二、等效电路和测量电路
1、等效电路
从功能上讲，压电器件实际上是 一个电荷发生器，又可将其视为具有 电容Ca的电容器。
极化面 (电极) 极化方向
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z
+ A
t y
+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - -
x -
Ca 0 r A /
第六章 压电式传感器
北京理工大学 机电学院
3） 介电常数对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固有电 容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的 频率下限。 4） 机械耦合系数在压电效应中, 其值等于转换输出能量 （如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 5） 电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善 压电传感器的低频特性。 6） 居里点:压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里 点。
相反, 当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效
应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机—电能量的相互转
换。
第六章 压电式传感器
石英晶体
北京理工大学 机电学院
石英晶体化学式为SiO2, 是单晶体结构。是一个 正六面体。 石英晶体各个方向的特性不同。
北京理工大学 机电学院
作用是将压电器件的高 输出阻抗转换成传感器的低 输出阻抗，并保持输出电压 与输入电压成正比。
Ca Ua C
R
Ui
R Ra Ri /( Ra Ri ) C Cc Ci
第六章 压电式传感器
设，F = Fmsint，则： 压电器件输出
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Q d d Ua F Fm sin t Ca Ca Ca
第六章 压电式传感器
一、压电效应
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某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内 部就产生极化现象, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的 电荷, 当外力去掉后, 又重新恢复到不带电状态， 这种现象称 压电效应。 当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 有
时人们把这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。
π arctan( ) 2
第六章 压电式传感器
当
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1时：
* um
K
d d C Ca Cc Ci
•高频特性：3，接近理想情况，高频响应特性好。 •低频特性： 1，频率越低，越偏离理想情况，动态误差大。 当较小时，就要增大。增大C，灵敏度下降；只有增大R。 •灵敏度受电缆分布电容影响，设计时必须考虑。
jR jR d F 前置放大器输入：U i d F 1 jR(C Ca ) 1 jRC
式中： C Cc Ci Ca
电压灵敏度: 幅频特性: KUm 相频特性:
Ut jR KU ( j ) d F 1 jRC
Ut R R R d d d 2 2 F 1 (RC ) 1 ( / 0 ) 1 ( ) 2
压电器件——有源电容器——高内阻，小功率。
难用一般放大器，需 前置阻抗变换。
噪声干扰严重， 需前置放大器。
前置放大器的两个作用： 1）将压电式传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗； 2）放大压电式传感器输出的弱信号。
第六章 压电式传感器
电压放大器