第六章 传感器测量原理
《传感器与检测技术》高教(4版) 第六章
差动变压器位移计
当铁芯处于中间位置时，输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向右移动时，则输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向左移动时，则输出电压: UU 21 U 220
输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁 芯的位移大小。
差动变压器位移计
输出特性如图所示。
差动变压器位移计
角度的精密测量。 光栅的基本结构
1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等 距的刻线构成的，结构如图。
设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，
一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光
的缝宽，即a = b。图中d = a + b 称为光
栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。
光栅位移测试
2、光栅的分类
1、激光的特性
（1）方向性强
（2）单色性好
（3） 亮度高
（4） 相干性好
2、激光器
按激光器的工作物质可分为以下几类： （1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻 璃激光器等。
（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化 碳激光器、一氧化碳激光器等。
激光式传感器
（3） 液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器 和有机液体激光器等。
数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有： 铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2、骨架：
对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高， 有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂 和工程塑料等。 3、电刷：
电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势 小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。
电位器传感器
电位计式位移传感器
6.2.2 差动变压器位移计结构
1-测头； 2-轴套； 3-测杆； 4-铁芯；5-线圈架； 6-导线； 7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧； 10-防尘罩
传感器原理与测量电路
应变测量电路 （P344）
1
2 （一）直流电桥 它由连接成菱形的四个桥臂电阻 直流电桥的结构如图 3 R1R3 R2 R4 R1 、 R2 、 R1 R4 U ( )E E R3 和 R 组成。其中， A CR 两端接入直流 R R3 R4 (、 R1 4 1 R2 2 )(R3 R4 ) 4 电源E，而B、D两端为信号输出端，当输 R1R3 R2 R4 当 电桥输出 U=0 称电桥平衡 出端接入高阻抗负载时，电桥的输出端可 5 视为开路，其输出电压 （ 2）电桥电压灵敏度 图6-2 半导体应变片 通常电桥的连接方法有三种如图示： 1— 胶膜衬底 2—P-Si 3— 内引线 4—焊接板 5—外引线 半桥单臂、半桥双臂和全桥 取 R1=R2=R3=R4 =R 由此可得
分析以上公式。可以看出：电阻的相对全增量由两部分构成， 对于某些半导体材料，受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这 一部分是形变效应而引起，另一部分是电阻率发生变化而引起的。 种现象被称为压阻效应。电阻变化是率形变效应几十倍甚至上百倍，因此 对金属来说，电阻变化率较小,可忽略不计，因此 ： 引起半导体材料电阻相对变化的主要因素是压阻效应，利用这类半导体材 料制成的应变式传感器，称为压阻式应变式传感器，电阻的相对全增量为
R L A
电阻丝有效长度 图6-1 金属丝应变片结构 电阻丝式敏感栅
dR、dA dL 和dA d dL dR d 当每一可变因素分别有一变化量dL dρ 时，电阻的全增量为： 2 电阻的相对全增量为： L dLA dA d L L R R R R
dL L dr r
U
R E 4R
U
1 R E 2 R
第六章-自感式传感器
L0
L10
L20
m
0W
2
mr
rc
l2 c
l2
k1
k2
m0W 2mr rc2
l2
综上所述，螺管式自感传感器的特点： ①结构简单，制造装配容易； ②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低 ，但线性范围大； ③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈 匝数多，因而线圈分布电容大； ⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其 线性和稳定性。
2
3
（2）单线圈是忽略
0
以上高次项，差动式是忽略
0
以上偶次项，
因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
*另一种形式： Π型
6 自感式传感器
6.1 工作原理 6.2 变气隙式自感传感器 6.3 变面积式自感传感器 6.4 螺线管式自感传感器 6.5 自感式传感器测量电路 6.6 自感式传感器应用举例
第6章 电感式传感器
电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用 线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。它 可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一 定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成 位移量而进行测量。通常可由下列方法使线圈的电 感变化：
(1)改变几何形状； (2)改变磁路的磁阻； (3)改变磁芯材料的导磁率； (4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。
1. 交流电桥 2. 变压器电桥 3. 自感传感器的灵敏度
（一）交流电桥式测量电路
分析：
• 衔铁在初始位置时，电桥平衡
L1
L2
L0
W 2m0S 20
• 若衔铁上移，则：
1 0 ,2 0
传感器测量原理
传感器测量原理传感器是现代科技领域中关键的设备之一，广泛应用在各行各业。
传感器的主要功能是将外界的物理量转化成可测量的电信号，并将这些信号传递给控制系统进行处理和分析。
传感器的测量原理是传感器技术的基础，下面将介绍几种常见的传感器测量原理。
一、电阻测量原理电阻测量原理是最常见和简单的测量原理之一。
通过将被测量的物理量转化为与电阻成正比的电信号，从而实现对物理量的测量。
例如，温度传感器就是利用电阻测量原理来测量温度的。
温度传感器内部有一段金属电阻，当温度变化时，电阻的值也会相应变化。
通过测量电阻的变化，就可以得到温度的值。
二、电容测量原理电容测量原理是基于电容器的原理。
电容器是由两个导体之间隔一层绝缘材料构成的。
当被测量物理量作用于绝缘材料时，会改变电容器的电容量。
通过测量电容器的电容变化，就可以得到被测量物理量的值。
例如，湿度传感器就是利用电容测量原理来测量湿度的。
湿度传感器内部的电容器的电容量会随着湿度的变化而变化，通过测量电容器的电容变化，就可以得到湿度的值。
三、光电测量原理光电测量原理是基于光电效应的原理。
光电效应是指当光照射到某些物质表面时，会释放电子，从而产生电流。
利用光电效应原理，可以将光信号转化成电信号进行测量。
例如，光电传感器就是利用光电测量原理来测量光强度的。
光电传感器通过将光信号转化成电信号，并测量电信号的强度，就可以得到光强度的值。
四、压力测量原理压力测量原理是指通过测量被测介质对传感器产生的压力，从而得到被测介质的压力值。
常见的压力传感器有压阻式传感器和压电式传感器。
压阻式传感器是利用压阻效应，即被测介质对传感器的电阻产生变化，从而测量压力的。
压电式传感器则是利用压电效应，即被测介质对传感器产生压力，产生电荷变化，从而测量压力的。
五、磁敏测量原理磁敏测量原理是基于材料的磁敏效应。
当磁场作用于磁敏材料时，会产生电信号。
利用这种磁敏效应，可以将磁信号转化成电信号进行测量。
例如，磁感应传感器就是利用磁敏测量原理来测量磁场强度的。
霍尔传感器原理
当前位置：人教网2010>>高中物理>>学生中心>>同步学习资源>>选修3系列>>选修3-2>>课堂拓展霍尔传感器简介江苏省洪泽中学程如林引言：霍尔效应是新课标高中物理教材（人教版）选修3-1中的一个研究课题，霍尔元件在新课标高中物理教材（人教版）选修3-2第六章“传感器”中也有简略介绍。
课本两处出现此内容，体现了新课标的理念，即关注现代科技、联系生产实际，同时也是为了拓宽学生知识面、增强学生的创新设计能力和激发学生的兴趣。
为了便于大家在教学中了解更为细致的内容，笔者查阅了相关资料，现将有关内容整理出来，供各位同行参考。
摘要：本文简略介绍霍尔传感器的工作原理、分类及其简单应用。
关键词：霍尔效应霍尔元件霍尔传感器分类特性应用霍尔传感器是一种磁传感器。
用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。
霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。
一、霍尔效应霍尔元件霍尔传感器（一）霍尔效应如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为U H的霍尔电压，它们之间的关系为。
式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。
上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。
（二）霍尔元件根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。
它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
（三）霍尔传感器由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。
传感器及其工作原理PPT课件优选全文
（2）工作原理图
N
M
F
B
E
I
UH
霍尔元件工作原理图
（3）霍尔电压:
K为比例系数，称为霍尔系数其大小与元件的材料有关。
一个霍尔元件的d、k为定值，再保持I恒定，则UH 的变化就与B成正比。因此霍尔元件又称磁敏元件。
霍尔元件能够把___________这个磁学量转换为____这个电学量
第一节 传感器及其工作原理
第六章 传感器
一 、传感器简介
传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等________，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等_______，或转换为电路的通断。
1、什么是传感器
非电学量
电学量
2、分类
它一般可分为光敏、热敏、声音（话筒）、力学、电磁、生物等 类元件。
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非电学
电学
光敏电阻
增加
B
4、火灾报警器使用的是（ ） A.光传感器 B.温度传感器 C.红外线传感器 D.超声波传感器 5、如图所示是测定位移X 的电容式传感器，其工作原理是哪个量的变化造成其电容的变化（ ） A.电介质进入极板的长度 B.两极板间距离 C.两极板正对面积 D.极板所带电量
传感器原理及应用压电式传感器.完美版PPT
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿 电轴x方向施加应力时，晶片将产生厚度变形，
O
y
并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极
x
化强度与应力成正比。
在垂直于x轴晶面上产生的电荷量为
b
z
q1 1d1 1 Fx
x
y
d11—压电系数。下标的意义为产生电荷的 面的轴向及施加作用力的轴向；a、b、c—石
这些自由电荷与陶瓷片内的束缚 电荷符号相反而数量相等，屏蔽和抵消 了陶瓷片内极化强度对外界的作用。
电极
自由电荷
-----
＋＋＋＋＋
极化方向
- - - - - 束缚电荷
＋＋＋＋＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上 吸附的自由电荷示意图
因此，无外力或外场 作用时，极化处理后的压 电陶瓷也表现不出来对外 界的电场或应力。
产生电荷q11和q12的符号，决定于受压力
c a
还是受拉力。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 4、石英晶体压电效应特点
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 5、压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体 压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极 化的电畴，有一定的极化方向，从 而存在电场。
英晶片的长度、厚度和宽度。
c a
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应 力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为
O
y
a q 12 d 12 b F y
传感器测量原理
传感器测量原理在现代科技的快速发展中，传感器已经成为了许多领域中不可或缺的重要组成部分。
无论是工业生产、交通运输，还是医疗设备、智能手机，都离不开传感器的应用。
那么，传感器到底是什么？它又是如何工作的呢？本文将详细介绍传感器的测量原理，带您进入传感器的神秘世界。
一、传感器的定义与分类传感器是一种能够感知环境中各种物理量或化学量，并将其转化为可测量电信号的装置。
根据测量的物理或化学量的不同，传感器可以分为多种类型，如温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光敏传感器等。
二、传感器测量的基本原理传感器的测量基本原理是通过感知环境中特定物理或化学现象引起的信号变化，进而转化为可测量的电信号。
下面以温度传感器为例，介绍传感器测量的基本原理。
1. 热电效应温度传感器常采用热电偶作为探头，利用在两种不同金属接触处形成的温差引起的电动势变化来测量温度。
当温度升高时，两种金属的热电势差会发生改变，通过测量这个改变，可以得出温度的数值。
2. 热敏电阻热敏电阻是一种随温度变化而改变电阻值的元件。
温度传感器中常使用的是铂电阻，当温度升高时，铂电阻的电阻值会随之增加，利用这一特性来测量温度。
3. 热敏电容热敏电容也是一种根据温度变化来改变电容值的元件。
温度传感器中的热敏电容常由两个金属板构成，当温度升高时，两金属板之间的电容值会发生变化，通过测量电容值的变化来获取温度信息。
三、传感器的工作原理传感器的工作原理可以通过以下几个步骤简单描述：1. 接受信号传感器的接收部分通过感知环境中的物理或化学量，并将其转化为信号输入到传感器的测量部分。
2. 信号转换传感器的测量部分将接收到的信号进行转换，将其转化为可测量的电信号。
这一过程往往需要使用到特定的传感器元件来实现。
3. 信号处理获得电信号后，传感器会对信号进行处理，如放大、滤波等操作，以确保测量结果的准确性和稳定性。
4. 信号输出最后，传感器会将处理后的信号输出给用户，用户可以通过读取这个信号来获取所需的物理或化学量信息。
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（1）非线性 （2）线性 （3）反比 （4）平方
5、 半导体式应变片在外力作用下引起其电阻变化的因素主要是
。
（1）长度 （2）截面积 （3）电阻率 （4）高通
6、 压电式传感器输出电缆长度的变化，将会引起传感器的
产生变化。
（1）固有频率 （2）阻尼比 （3）灵敏度 （4）压电常数
7、 在测量位移的传感器中，符合非接触测量，而且不受油污等介质影响的是
13、在光栅式位移传感器中，为了分辨小于栅距 W 的位移量，必须采用（ ）。
A． 放大电路 B． 辨向电路 C． 微分电路 D． 细分电路
14、可用作测量小位移的传感器有（ ）。
A．电涡流传感器 B．感应同步器 C．光栅 D．磁尺
15、压电传感器是高内阻传感器，因此，要求前置放大器的输入阻抗（ ）。
响，实际应用时常常采用
工作方式。
4、 压电式传感器的测量电路（即前置放大器）有两种形式：
放大器和
放
大器，后接
放大器时，可不受连接电缆长度的限制。
5、 涡流式传感器的变换原理是利用了金属导体在交流磁场中的
效应。
6、 磁电式速度计的灵敏度单位是
。
7、 压电式传感器是利用某些物质的
而工作的。
（二）选择题
1、 电阻应变片的输入为
第六章 传感器原理与测量电路
习题
（一）填空题
1、 属于能量控制型的传感器有
等，属于能量转换型的传
感器有
等（每个至少举例两个）。
2、 金属电阻应变片与半导体应变片的物理基础的区别在于：前者利用
引起的电阻
变化，后者利用
变化引起的电阻变化。
3、 为了提高变极距电容式传感器的灵敏度、线性度及减小外部条件变化对测量精度的影
传感器。
（1）电容式 （2）压电式 （3）电阻式 （4）电涡流式
8、 自感型可变磁阻式传感器，当气隙 δ 变化时，其灵敏度 S 与 δ 之间的关系是： S
＝
பைடு நூலகம்
。
（1） k 1 （2） kδ δ
9、 光电倍增管是利用
（3） kδ −2 （4） − kδ −2
效应制成的器件。
（1）内光电 （2）外光电 （3）光生伏特 （4）阻挡层
（1） 用简图说明该传感器的结构并简要说明其作用原理； （2） 两个线圈通常应该接在什么电路中？用图说明如何接法。
7、 某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径 r = 4(mm) ，工作初始极板间距离
δ 0 = 0.3(mm) ，介质为空气。问：
（1） 如果极板间距离变化量 Δδ = ±1(μm) ，电容的变化量 ΔC 是多少？
10、光敏元件中
是直接输出电压的。
（1）光敏电阻 （2）光电阻 （3）光敏晶体管 （4）光导纤维
11、下列传感器属于发电型位移传感器的是（ ）。
A.电阻式位移传感器 B.电容式位移传感器
C.电感式位移传感器 D.磁电式位移传感器
12、测量范围大的电容式位移传感器的类型为（ ）
A．容栅型 B．变极距型 C．变介质型 D． 变极板面积型
A．很高
B.较高
C．很低
D．较低
16、半导体应变片的工作原理是基于（ ）。
A. 压磁效应 B. 压电效应
C. 压阻效应
D. 霍尔效应
（三）判断对错题（用√或×表示） 1、 滑线变阻器式传感器不适于微小位移量测量。（ ） 2、 涡流式传感器属于能量控制型传感器（ ） 3、 压电加速度计的灵敏度越高，其工作频率越宽。（ ） 4、 磁电式速度拾振器的上限工作频率取决于其固有频率。（ ） （四）简答和计算题 1、 哪些传感器可选作小位移传感器？ 2、 涡流传感器测量位移与其它位移传感器比较，其主要优点是什么？涡流式传感器能否测
。
（1）力 （2） 应变 （3）速度 （4）加速度
2、 结构型传感器是依靠
的变化实现信号变换的。
（1）本身物理性质 （2）体积大小 （3）结构参数 （4）电阻值
3、 不能用涡流式传感器进行测量的是
。
（1）位移 （2）材质鉴别 （3）探伤 （4）非金属材料
4、 变极距面积型电容传感器的输出与输入，成
关系。
量大位移量？为什么？ 3、 电涡流传感器除了能测量位移外，还能测量哪些非电量？
4、 电涡流传感器能否测量塑料物体移动的位移？若能测量理由是什么？不能测量理由是 什么？应采取什么措施改进，就可以用电涡流传感器测量了。
5、 压电式加速度传感器与压电式力传感器在结构上有何不同，为什么？ 6、 试用双螺管线圈差动型电感传感器做成一个测力传感器。
（2） 如果测量电路的灵敏度 k1 = 100(mV pF ) ，读数仪表的灵敏度 k2 = 5 （格／
mV）在 Δδ = ±1(μm) 时，读数仪表的变化量为多少？
8、 选用传感器的基本原则是什么？ 9、 什么是物性型传感器? 10、什么是压电效应？ 11、为什么压电式加速度传感器要使用高输入阻抗电荷放大器？ 12、什么是结构型传感器?