傳感器與檢測技術（項目式）（微課版）1.1.1傳感器的作用1.1.2傳感器的基本知識1.1.3傳感器的特性分析1.2檢測系統與信號處理2.1.1電阻應變式傳感器測量力（結構與工作原理）2.1.2電阻應變式傳感器測量力（電路與補償）2.1.3電阻應變式傳感器測量力（應用）2.2.1壓電式傳感器測量力（壓電效應）2.2.2壓電式傳感器測量力（壓電材料及應用）3.1.1光電式傳感器測量轉速原理3.1.2光電式傳感器測量轉速應用3.2磁電式傳感器測量轉速3.3.1霍爾傳感器測量轉速原理3.3.2霍爾傳感器測量轉速應用4.1.1自感式傳感器測量位移4.1.2互感式傳感器測量位移4.1.3電感式傳感器測量位移應用4.2.1光柵傳感器測量位移（光柵的結構）4.2.2光柵傳感器測量位移4.3光電編碼器測量位移4.4.1電渦流傳感器定位檢測4.4.2電渦流傳感器應用5.1.1電容式傳感器測量原理5.1.2電容式傳感器測量電路5.1.3電容式傳感器的應用5.2超聲波傳感器測量液位6.1.1熱電偶測溫度6.1.2熱電偶的溫度補償6.2.1熱電阻測溫度6.2.2熱敏電阻測溫度7.1可燃氣體檢測7.2物料與環境濕度檢測全套PPT課件

項目——傳感器與檢測技術基礎任務——傳感器的認知傳感器的認知傳感器傳感器的認知?任務導入力傳感器流量傳感器位移傳感器

（1）機械手、機器人中的傳感器轉動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。密歇根大學的機械手裝配模型?傳感器的使用——工業自動化廣州中鳴數碼的機器狗傳感器的認知

（2）AGV自動送貨車

超聲波測距傳感器：判斷建筑物內人和物所在的位置；

紅外線色彩傳感器：用于AVG小車運動軌跡和位置識別；

條形碼傳感器：識別貨品類別。?傳感器的使用——工業自動化傳感器的認知香港理工AGV模型

（3）生產加工過程監測

?傳感器的使用——工業自動化檢查軸承/滾珠是否脫漏檢查容器內的液位傳感器的認知?傳感器的使用——流程工業設備運行狀態監控●石化企業輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。傳感器的認知?傳感器的使用——產品質量測量汽車出廠檢驗原理框圖●測量參數：潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發動機轉速等。●

通過測試，工程師可以了解汽車出廠的質量。傳感器的認知?傳感器的使用——樓宇控制與安全防護●該系統分為：電源管理、安全監測、照明控制、空調控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監控。樓宇自動化系統傳感器的認知煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器?傳感器的使用——家庭與辦公自動化●全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質傳感器，水溫傳感器，水質傳感器，透光率光傳感器（洗凈度)液位傳感器，電阻傳感器（衣物烘干檢測)。傳感器的認知?傳感器的使用——家庭與辦公自動化傳感器的認知指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器?傳感器的使用——其他作用

傳感器的認知航天農業交通醫學電量（電信號或其他形式信息）非電量信息（如溫度、壓力、流量、位移等）人體與自控系統的對應關系傳感器與檢測技術被測溫度值液面示值被測物理量電量感謝參加

《傳感器與檢測技術》課堂學習傳感器與檢測技術●項目——傳感器與檢測技術基礎●任務——傳感器的認知傳感器的基本知識?任務導入●機器人的感知●了解傳感器的概念、組成、分類等知識傳感器的基本知識?傳感器的定義傳感器（Transducer/Sensor）：能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件和裝置。傳感器非電量電量傳感器的基本知識?傳感器的定義（1）傳感器是一種能夠檢測被測量的器件或裝置；（2）被測量可以是物理量、化學量或生物量等；（3）輸出信號要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，一般電參量；（4）輸出信號要正確地反映被測量的數值、變化規律等，即兩者之間要有確定的對應關系，且應具有一定的精確度。傳感器的基本知識?傳感器的組成●敏感元件：是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。輔助電源敏感元件轉換元件轉換電路被測量電量●轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參量。●轉換電路：將轉換元件輸出的電參量轉換為電壓、電流或頻率。?傳感器的分類01電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、熱電式、波式和輻射式等。020304√按照工作原理不同：位移、力、力矩、轉速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等。√按照被測量不同：結構型傳感器物性型傳感器√按照工作機理不同：能量變換型（發電型）能量控制型（參量型）√按照轉換能量供給形式不同：傳感器的基本知識?傳感器的發展利用新材料微機械加工技術集成傳感器智能化傳感器發現并利用新現象內容內容內容內容√

研究發現新現象與新效應是研究開發新型傳感器的基礎。√由于材料科學的進步，人們可制造出各種新型傳感器。√半導體技術中的加工方法已引進到傳感器制造容。√

集成傳感器將輔助電路中的元件與傳感元件同時集成在一塊芯片上，使之具有校準、補償、自診斷和網絡通信的功能。內容√

智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器，是微型計算機和傳感器相結合的成果，兼有檢測、判斷和信息處理功能。傳感器的基本知識●項目——傳感器與檢測技術基礎●任務——傳感器的認知傳感器的特性分析?任務導入●任務要求：實時監測一個高溫箱的溫度，測量溫度大約為50℃～80℃，檢測結果的精度要達到1℃。●現有條件：現有三種帶數字顯示表的溫度傳感器，它們的量程分別是0℃～500℃、0℃～300℃、0℃～100℃，精度等級分別是0.2級、0.5級和1.0級。●傳感器特性：輸出與輸入之間的關系。可用數學函數、坐標曲線、圖表等方式表示。?傳感器的基本特性根據被測量狀態的不同●靜態特性——當輸入量為常量或變化極慢時，即被測量處于穩定狀態時的輸入、輸出關系。●動態特性——輸入量隨時間快速變化（如機械振動）時，傳感器的輸入、輸出關系。分類1.線性度2.遲滯3.重復性4.靈敏度5.分辨力和閾值6.穩定性7.漂移線性度●傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間關系的線性程度。輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性。擬合曲線實際曲線●可用一條直線(切線或割線)近似地代表實際曲線的一段，這條直線稱為擬合直線。●靜態特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度），通常取其最大偏差與理論滿量程之比作為評價線性度（或非線性誤差）的指標。遲滯●遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間其輸入—輸出特性曲線不重合的程度，對于同一大小的輸入量，傳感器正反行程的輸出量的大小不等。●原因：傳感器機械部分存在摩擦、間隙、松動、積塵等。靈敏度●靈敏度：靈敏度是指傳感器輸出的變化量Δy與引起該變化量的輸入量變化Δx之比，用K來表示。(a)線性傳感器

(b)非線性傳感器靈敏度就是它的靜態特性的斜率即K為常數靈敏度為一變量用K=dy/dx表示分辨力●分辨力：在規定測量范圍內可能檢測出的被測量的最小變化量，是傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。閾值穩定性●閾值：如果傳感器的輸入量從零值開始緩慢地增加時，在達到某一最小值后才能測出輸出變化，這個最小值就是傳感器的閾值。●穩定性：指傳感器在一個較長的時間內保持其性能參數的能力。漂移●漂移：指在一定時間間隔內，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關的、不需要的變化。

●傳感器的最小可測出的輸入量●傳感器的最小可測出的輸入變化量●表示：室溫條件下經過一規定時間間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異穩定性誤差●原因：儀器自身參數的變化、周圍環境對傳感器的輸出造成影響。傳感器的特性分析?傳感器的標定對新研發的傳感器進行全面的技術性能鑒定，并將鑒定的數據進行量值傳遞；對經過一段時間儲存或使用后的傳感器進行復測，通過再次鑒定來判定被復測的傳感器是否可以繼續使用；對可以繼續使用但某些指標發生了變化的傳感器，則需要重新標定并修正相應的原始數據項目——傳感器與檢測技術基礎任務——檢測系統與信號處理檢測數據處理?任務導入●檢測：人們借助于儀器、設備，利用各種物理效應，采用一定的方法，將被測量的有關信息通過檢查與測量獲取定性或定量信息的過程。?檢測的概念檢查測量●檢測技術：以研究檢測系統中的信息提取、信息轉換以及信息處理的理論與技術為主要內容的一門應用技術學科。測量原理測量方法檢測系統數據處理檢測數據處理?檢測系統?測量基本知識——測量方法的分類檢測數據處理●測量方法：實現被測量與標準量比較得出比值的方法。按測量過程的特點按測量儀表的特點按測量對象的特點●直接測量法●間接測量法●組合測量法●接觸測量法●非接觸測量法●靜態測量●動態測量?測量基本知識——測量方法的分類檢測數據處理●直接測量法●在使用儀表進行測量時，對儀表讀數不需要經過任何運算，就能直接表示測量所需要的結果，稱為直接測量。電子卡尺?測量基本知識——測量方法的分類檢測數據處理●間接測量法●有的被測量無法或不便于直接測量，這就要求在使用儀表進行測量時，首先對與被測物理量有確定函數關系的幾個量進行測量，然后將測量值代入函數關系式，經過計算得到所需的結果，這種方法稱為間接測量。阿基米德測量皇冠的比重?測量基本知識——測量方法的分類檢測數據處理●組合測量法●在應用儀表進行測量時，若被測物理量必須經過求解聯立方程組，才能得到最后結果，則稱這樣的測量為組合測量（又稱聯立測量）。一般需要改變測試條件，才能獲得一組聯立方程所需要的數據?測量基本知識——測量方法的分類檢測數據處理●接觸測量法與非接觸測量法

?接觸測量法?非接觸測量法溫計測體溫雷達測速、車載電子警察?測量基本知識——測量方法的分類檢測數據處理●靜態測量與動態測量√靜態測量——被測量在測量過程中認為是固定不變的，這種測量稱為靜態測量。靜態測量不需要考慮時間因素對測量的影響。√動態測量——若被測量在測量過程中是隨時間不斷變化的，這種測量稱為動態測量。●用激光干涉儀對建筑物的緩慢沉降作長期的監測●用光導纖維陀螺儀測量火箭的飛行速度、方向檢測數據處理?測量誤差及分類——測量誤差●測量誤差：是測量值與真實值之間的差值，它反映了測量的精度。測量誤差可用絕對誤差表示，也可用相對誤差表示。●真值：在一定的時間及空間(位置或狀態)條件下，被測量所體現的真實數值。理論真值約定真值相對真值檢測數據處理?測量誤差及分類——誤差的表示方法●絕對誤差絕對誤差是指測量值與真值之間的差值，它反映了測量值偏離真值的多少，即

√Ax：測量值√Δ：絕對誤差√A0：被測量的真值，可為約定真值或相對真值檢測數據處理?測量誤差及分類——誤差的表示方法●相對誤差相對誤差是絕對誤差與被測量的真值之比。相對誤差有以下表現形式（a)實際相對誤差（b)標稱(示值)相對誤差（b)滿度(引用)相對誤差

檢測數據處理?測量誤差及分類——誤差的表示方法●相對誤差相對誤差是絕對誤差與被測量的真值之比。相對誤差有以下表現形式實際相對誤差標稱相對誤差滿度相對誤差最大滿度相對誤差檢測數據處理?測量誤差及分類——測量誤差的分類●按誤差表現的規律劃分系統誤差隨機誤差粗大誤差檢測數據處理?測量誤差及分類——測量誤差的分類●按被測量與時間關系劃分靜態誤差在被測量不隨時間變化時所產生的誤差稱為靜態誤差。動態誤差當被測量隨時間迅速變化時，系統的輸出在時間上不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態誤差。●項目——力的檢測●任務——物體重量檢測任務——物體重量檢測?任務導入生活中常用的電子秤是怎樣制作的？任務——物體重量檢測?應變式傳感器常用彈性敏感元件●彈性敏感元件把力或壓力轉換成了應變或位移，然后再由傳感器將應變或位移轉換成電信號。√具有良好的機械特性（強度高、抗沖擊、韌性好、疲勞強度高等）和良好的機械加工及熱處理性能。√良好的彈性特性（彈性極限高、彈性滯后和彈性后效小等）。√彈性模量的溫度系數小且穩定，材料的線膨脹系數小且穩定。√抗氧化性和抗腐蝕性等化學性能良好。任務——物體重量檢測●變換力的彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件指輸入量為力F，輸出量為應變或位移的彈性敏感元件。變換力的彈性敏感元件(a)實心軸；(b)空心軸；(c)、(d)等截面圓環；(e)變形的圓環；(f)等截面懸梁；(g)等強度懸臂梁；(h)變形的懸臂梁；(i)扭轉軸?應變式傳感器常用彈性敏感元件任務——物體重量檢測?應變式傳感器常用彈性敏感元件●變換壓力的彈性元件均勻分布作用于物體的力稱為壓力。例如氣體或液體的壓力等。變換壓力的彈性元件。

變換壓力的彈性敏感元件(a)彈簧管；(b)波紋管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圓筒；(f)薄壁半球?電阻應變式傳感器的工作原理——電阻應變效應●金屬導體或半導體在外力（如壓力等）作用時，會產生機械變形，其電阻值也相應地發生變化，這一物理現象稱為電阻應變效應。任務——物體重量檢測●長度為L、橫截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲其電阻為R。?電阻應變式傳感器的工作原理——電阻應變效應●長度為L、橫截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲其電阻為R。?電阻應變式傳感器的工作原理——電阻應變效應?結論：金屬絲受拉時：L變長、S變小，導致R變大。●金屬導體的電阻與材料、長度、截面積和溫度有關。在溫度一定時，其電阻定律為：?電阻應變式傳感器的工作原理——電阻應變效應●當沿金屬絲長度方向施加力時，其幾何尺寸和電阻率都會變化，從而導致電阻值的變化。（K：應變靈敏度系數）?結論：應變與電阻變化率呈線性關系●應變效應——通過應變片和彈性元件將機械構件的應變或應力轉換為電阻的變化再進行電量測量的裝置。?電阻應變式傳感器的工作原理——測量原理

電阻應變片

測量電橋U或I

彈性敏感元件力F

應變ε△R電阻應變式傳感器電阻應變片結構（1）敏感柵是轉換元件，由金屬絲、金屬箔制成，它被粘貼在基體上。通過基體把應變傳遞給它。（2）基底保持電阻絲固定形狀、尺寸和位置。（3）覆蓋層（保護片）起絕緣保護作用。（4）引線焊接于敏感柵兩端，作連接測量導線之用。引線覆蓋層敏感柵基底電阻應變式傳感器●電阻應變片有金屬電阻應變片和半導體應變片兩大類。●金屬電阻應變片又有：絲式、箔式和薄膜式等結構形式。?電阻應變式傳感器——其他各種電阻應變傳感器(a)箔式壓力(b)柱式(c)懸臂梁式(d)橋式(e)輪輻式(f)S型拉壓式●項目——力的檢測●任務——物體重量檢測任務——物體重量檢測?電阻應變式傳感器測量電路機械應變一般都很小，該如何考慮？直流電橋和交流電橋把微小應變引起的微小電阻變化測量出來。要把電阻相對變化ΔR/R轉換為電壓或電流的變化。應該采用什么測量轉換電路？直流電橋電路R3R1R4R2BDACEiEo特點：當被測量無變化，四橋臂滿足一定的關系，即輸出為零；當被測量發生變化時，測量電橋平衡被破壞，有電壓輸出。即為電橋平衡狀態

直流電橋電路R1+△RR2BDACEiEo輸出電壓電源R3R4R1R1——電阻應變片。起始時，應變片未承受應變，電橋平衡：R1=

R2=R3=R4，此時Eo=0。當應變片承受應變時，則R1增大為R1+ΔR，對于等臂電橋和輸出對稱電橋，此時的輸出電壓為：單臂電橋直流電橋電路●在試件上安裝兩個工作應變片,一個受拉應變,一個受壓應變,接入電橋相鄰橋臂,稱為半橋差動電路。

差動電橋●電阻R1、R2為應變片，R3、R4為固定電阻。當應變片承受應變時，R1增大為R1+ΔR，同時R2減小為R2－ΔR，此時的輸出電壓為單臂工作時的兩倍。即：直流電橋電路●電阻R1、R2、R3、R4均為應變片，且差動工作，當應變片承受應變時，則R1和R4增大ΔR，R2和R3減小ΔR，此時的輸出電壓為單臂工作時的四倍。則有

差動全橋●定義：外界溫度的變化會給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差。●原因：因環境溫度改變引起敏感柵電阻值的變化。補償片法自補償法任務——物體重量檢測?溫度誤差及其補償●引起電阻變化的主要因素有：1.應變片電阻絲的溫度系數；2.電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數不同。溫度誤差及其補償●R1為工作片，RB為補償應變片，R3、R4為固定電阻。工作片R1粘貼在被測試件上需要測量應變的地方，補償片RB粘貼在補償塊上，與被測試件溫度相同，但不承受應變。補償片法溫度誤差及其補償●R1和RB兩個應變片應具有相同的電阻溫度系數α、線膨脹系數β、應變靈敏度系數K

和初始電阻值。●粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，二者的線膨脹系數相同。●兩應變片應處于同一溫度場中。補償片法●項目——力的檢測●任務——物體重量檢測任務——物體重量檢測?任務實施●電子秤的核心是稱重傳感器（電阻應變片），主要由稱重傳感器、放大電路、A/D轉換電路、顯示或控制電路組成。電子屏具體制作?電子秤電路原理圖任務——物體重量檢測?電子秤具體制作——元件選擇IC1選用傳感器R1選用各電阻元件選用RP1選用電容C的選用任務——物體重量檢測?電子秤具體制作——電子線路及變形鋼件制作電子線路的制作變形鋼件的制作元件布置應橫平豎直，間距適當；控制焊點大小，注意虛焊。任務——物體重量檢測?電子秤具體制作——電子秤的調試1.試件的表面處理。為了保證一定的粘合強度，必須將試件表面處理干凈，清除雜質、油污及表面氧化層等。2.確定貼片位置。在應變片上標出敏感柵的縱、橫向中心線，在試件上按照測量要求劃出中心線。3.

粘貼應變片。首先用甲苯、四氯化碳等溶劑清洗試件表面。如果條件允許，也可采用超聲清洗。應變片的底面也要用溶劑清洗干凈，然后在試件表面和應變片的底面各涂一層薄而均勻的膠水等。貼片后，在應變片上蓋上一張聚乙烯塑料薄膜并加壓，將多余的膠水和氣泡排出。任務——物體重量檢測?電子秤具體制作——電子秤的調試4.固化處理。貼好應變片后，根據所使用的粘合劑的固化工藝要求進行固化處理和時效處理。5.粘貼質量檢查。檢查粘貼位置是否正確，粘合層是否有氣泡和漏貼，敏感柵是否有短路或斷路現象，以及敏感柵的絕緣性能等。6.

引線的焊接與防護。檢查合格后即可焊接引出線。任務——物體重量檢測?電阻應變式傳感器的應用——柱式力傳感器●分別為實心柱式、空心筒式，其結構是在圓筒或圓柱上按一定方式粘貼應變片，圓柱（筒）在外力作用下產生形變。應變片一般對稱地貼在應力均勻的圓柱表面的中間部分，可對稱地粘貼多片，構成差動式，提高了靈敏度，橫向粘貼的應變片同時作為溫度補償。任務——物體重量檢測?電阻應變式傳感器的應用——懸臂梁式力傳感器●采用彈性梁和應變片作轉換元件，當力作用在彈性元件（梁）上時，彈性元件（梁）與應變片一起變形使應變片的電阻值變化，應變電橋輸出與力成正比的電壓信號。●懸臂梁主要有兩種形式：等截面梁、等強度梁。●結構特征：彈性元件一端固定，力作用在自由端。F應變片任務——物體重量檢測?電阻應變式傳感器的應用——輪輻式測力傳感器（剪切力）●主要由5個部分組成，輪轱、輪圈、輪輻條、受拉和受壓應變片。輪輻條可以是四根或八根成對稱形狀，輪轱由頂端的鋼球傳遞重力，圓球的壓頭有自動定位的功能。任務——物體重量檢測?應變式加速度傳感器●主要由懸臂梁、應變片、質量塊、機座外殼組成。●基本工作原理：當殼體與被測物體一起作加速度運動時，懸臂梁在質量塊的慣性作用下作反方向運動，使梁體發生形變，粘貼在梁上的應變片阻值發生變化。任務——物體重量檢測?位移傳感器●應變式位移傳感器是把被測位移量轉變成彈性元件的變形和應變，然后通過應變計和應變電橋，輸出正比于被測位移的電量。它可用于近測或遠測靜態或動態的位移量。任務——物體重量檢測?應變式扭矩傳感器●應變式扭矩傳感器利用應變片將扭矩產生的剪應變轉換為電阻值的變化。彈性元件為整體式薄壁筒，應變片在薄壁筒的同一圓周線上成45°和135°方向粘貼。1—應變片；2—薄壁筒●項目——力的測量●任務——大氣壓力檢測大氣壓力檢測?任務導入

大氣壓力如何檢測？?壓電式傳感器大氣壓力檢測●壓電式傳感器：一種典型的自發電式傳感器，它是以某些晶體受力后在其表面產生電荷的壓電效應為轉換原理的傳感器。可以測量最終能變換為力的各種非電物理量，例如動態力、動態壓力、振動加速度等，但不能用于靜態參數的測量。●優點：體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高大氣壓力檢測?壓電效應●正壓電效應：某些晶體，在一定方向受到外力作用時，內部將產生極化現象，相應地在晶體的兩個表面產生符號相反的電荷；當外力作用除去時，又恢復到不帶電狀態。●逆壓電效應：在壓電材料的兩個電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產生機械振動，即壓電片在電極方向上有伸縮的現象，壓電材料的這種現象稱為“逆壓電效應”，也叫做“電致伸縮效應”。

利用壓電效應的可逆性，可以實現機——電能量的相互轉換大氣壓力檢測?壓電效應●力的方向改變時，電荷的符號也隨之改變，外力去掉后，電荷消失。大氣壓力檢測?石英晶體的壓電效應

(b)切割方向(a)晶體外形

(c)晶片●x軸：電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸。●y軸：機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。●z軸：光軸，它與晶體的縱軸線方向一致。大氣壓力檢測?石英晶體的壓電效應——石英晶體的縱、橫向壓電效應●當沿著X軸對壓電晶片施加力時，將在垂直于X軸的表面上產生電荷，這種現象稱為縱向壓電效應。●沿著y軸施加力的作用時，電荷仍出現在與X軸垂直的表面上，這稱之為橫向壓電效應。●當沿著Z軸方向受力時不產生壓電效應。大氣壓力檢測?石英晶體的壓電效應——石英晶體的縱、橫向壓電效應●當沿電軸方向加作用力Fx時，則在與電軸垂直的平面上產生電荷●當沿機械軸方向加作用力Fy時，則仍在與電軸垂直的平面上產生電荷

壓電系數（C/N）√產生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸有關。√產生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸無關。大氣壓力檢測?石英晶體的壓電效應——壓電晶片產生電荷的極性與受力●若沿晶片的x軸施加壓力Fx，則在加壓的兩表面上分別出現正負電荷。●若沿晶片的y軸施加壓力Fy時，則在加壓的表面上不出現電荷，電荷仍出現在垂直x軸的表面上，只是電荷的極性相反。●若將x、y軸方向施加的壓力改為拉力，則產生電荷的位置不變，只是電荷的極性相反。●

壓電陶瓷：人工制造的具有電疇結構的多晶壓電材料。電疇是分子自發形成的區域，它有一定的極化方向。大氣壓力檢測?壓電陶瓷的壓電效應不具有壓電效應有了壓電特性原始的壓電陶瓷外加直流電場極化電場去除后，電疇方向基本不變，留下了很強的剩余極化。極化過的壓電陶瓷受力后產生電荷。●

極化處理：在一定溫度下對壓電陶瓷施加強電場（如20～30kv/cm直流電場）。大氣壓力檢測?壓電陶瓷的極化處理外力作用極化處理的壓電陶瓷外加直流電場●

原因：陶瓷內部的電疇的極化方向在外電場作用下都趨向于電場的方向，這個方向就是壓電陶瓷的極化方向。壓電效應(a)未極化

(b)電極化壓電式傳感器測量電路1、把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；2、放大傳感器輸出的微弱信號。前置放大器作用前置放大器形式1、電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；2、電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。大氣壓力檢測?測量電路壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路圖電荷放大器的反饋電容反饋電阻●項目——力的測量●任務——壓電式傳感器測量力壓電材料（1）壓電常數。壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接關系到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數。壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態特性。（3）介電常數。對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4）機械耦合系數。在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機械能）之比的平方根，它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數。（5）絕緣電阻。電阻壓電材料的絕緣電阻能減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點。壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。主要特性參數?壓電材料——壓電材料的分類及特性壓電式傳感器測量力晶振石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產生穩定的振蕩輸出頻率。?壓電材料——壓電材料的分類及特性壓電式傳感器測量力鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）妮酸鹽系列壓電陶瓷鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN）鈦酸鋇壓電陶瓷●壓電陶瓷√優點：很高的介電常數和較大的壓電系數（約為石英晶體的50倍）。√缺點：是居里溫度低（120℃），溫度穩定性和機械強度不如石英晶體。√壓電系數更大，居里溫度在300℃以上，各項機電參數受溫度影響小，時間穩定性好。√可以獲得不同性能的PZT材料。√是目前壓電式傳感器中應用最廣泛的壓電材料。√以鐵電體鈮酸鉀（KNbO3）和鈮酸鉛（PbNbO3）為基礎。√具有較高的壓電常數（d11=（800~900）×10-12C/N）和居里點（260℃），它能在壓力大至70MPa時正常工作?壓電材料——壓電元件的結構形式壓電式傳感器測量力●基本原理：利用壓電材料的壓電效應這個特性，即當有力作用在壓電元件上時，傳感器就有電荷（或電壓)輸出。并聯接法√兩個壓電片的負端粘接在一起，中間插入的金屬電極成為壓電片的負極，正電極在兩邊的電極上。√

電容量增加了1倍，外力作用下正負電極上的電荷量增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。?壓電材料——壓電元件的結構形式壓電式傳感器測量力●基本原理：利用壓電材料的壓電效應這個特性，即當有力作用在壓電元件上時，傳感器就有電荷（或電壓)輸出。串聯接法√兩壓電片不同極性端粘接在一起，從電路上看是串聯的。√

兩壓電片中間粘接處正負電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的1/2，輸出電壓增大了1倍。壓電式傳感器測量力?壓電式傳感器的應用——壓電式力傳感器●壓電式力傳感器是以壓電元件為轉換元件，輸出電荷與作用力成正比的力-電轉換裝置。●常用的形式：荷重墊圈式，它由基座、蓋板、石英晶片、電極以及引出插座等組成。●主要用于頻率變化不太高的動態力的測量。傳力上蓋壓電片電極電極引出插頭絕緣材料底座絕緣材料壓電式傳感器測量力?壓電式傳感器的應用——壓電式力傳感器壓電傳感器刀架車刀工件壓電傳感器刀具切削力信號壓電式傳感器測量力?壓電式傳感器的應用——壓電式加速度傳感器●優點：靈敏度高、體積小、重量輕、測量頻率上限高、動態范圍大。●缺點：易受外界干擾，在測量前需進行各種校驗。●壓電式加速度傳感器的主要由：壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。壓電式傳感器測量力?壓電式傳感器的應用——壓電式加速度傳感器●作用：對質量塊加載，產生預壓力，以保證在作用力變化時晶片始終受到壓縮●慣性力F＝maq＝d33F＝d33ma?任務實施壓電點火器煤氣灶電子點火裝置●煤氣灶電子點火裝置原理是利用高壓跳火來點燃煤氣←●項目——速度檢測●任務——光電式傳感器轉速檢測?任務導入在各種車輛的運轉、機械設備的運行中，都需要對轉速進行檢測。

光電式傳感器轉速檢測?光電傳感器光電式傳感器轉速檢測●定義：將被測量的變化通過光信號變化轉換成電信號的器件，稱為光電傳感器或光電元件。優點應用√結構簡單√精度高√響應快√非接觸√計算機、自動檢測√控制系統?光電效應光電式傳感器轉速檢測●工作原理：基于光電效應。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串具有一定能量的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發生相應電效應的物理現象稱為光電效應。外光電效應內光電效應光生伏特效應?光電效應——外光電效應光電式傳感器轉速檢測物體在光線作用下，內部電子吸收能量后，逸出物體表面的現象稱為外光電效應。基于該效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子能量被電子吸收后，能量轉化為電子逸出功A0和動能電子質量電子逸出速度物體的表面電子逸出功?光電效應——外光電效應光電式傳感器轉速檢測不同材料有不同的逸出功，對某種材料而言有一個頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發電子，此頻率限成為“紅限”。光子能量被電子吸收后，能量轉化為電子逸出功A0和動能電子質量電子逸出速度物體的表面電子逸出功●光電管由一個陰極和一個陽極構成，并密封在一支真空玻璃管內。光電管的陰極是接受光的照射，它決定了器件的光電特性。陽極由金屬絲做成，用于收集電子。?光電效應——外光電效應

1.光電管真空光電管的結構和實物圖a)中心陽極型b)半圓柱面陰極型c)實物圖接受光的照射，它決定了器件的光電特性由金屬絲做成，用于收集電子光電式傳感器轉速檢測●當陰極受到適當波長的光線照射時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發射。電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內就有了電子流，在外電路中便產生了電流。

1.光電管——工作原理?光電效應——外光電效應光電式傳感器轉速檢測●由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光電陰極對不同頻率的入射光有不同的靈敏度，人們可以根據檢測對象選擇不同陰極材料的光電管。

1.光電管——工作原理?光電效應——外光電效應光電式傳感器轉速檢測?光電效應——外光電效應2.光電倍增管K光電陰極若干倍增極陽極倍增極上的涂料在電子轟擊下能發射更多電子，倍增極之間有依次增大的加速電壓。?光電效應——外光電效應2.光電倍增管●光電倍增管能將一次次閃光轉換成一個個放大了的電脈沖，然后送到電子線路去，記錄下來。當光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統，并通過進一步的二次發射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出

K?光電效應——內光電效應●定義：在光線的作用下能使物體的電阻率改變的現象稱為內光電效應。光敏電阻光敏二極管光敏三極管光電式傳感器轉速檢測?光電效應——內光電效應●光敏電阻是采用半導體材料制成的利用內光電效應工作的光電器件，又稱光導管。1.光敏電阻√電導率增大電阻值變小√純電阻元件，其材料有金屬硫化物、硒化物、碲化物等半導體材料光電式傳感器轉速檢測●在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導體物質，半導體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導體層可靠地電接觸，然后將它們壓入塑料封裝體內。為了防止周圍介質的污染，在半導體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應該使它在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大。?光電效應——內光電效應1.光敏電阻——光敏電阻的結構光敏電阻的結構1-玻璃；2-光電導層；3-電極；4-絕緣襯底；5-金屬殼；6-黑色絕緣玻璃；7-引線光電式傳感器轉速檢測?光電效應——內光電效應1.光敏電阻——光敏電阻的原理●工作時，光敏電阻兩電極間加上電壓，其中便有電流通過。√無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小；√當有光照時，由于光電導效應，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加，電流隨著光強的增加而變大，實現了光電轉換。光電式傳感器轉速檢測?光電效應——內光電效應1.光敏電阻——光敏電阻的參數光電流亮電阻暗電阻和暗電流光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，稱為暗電流。光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差，稱為光電流。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，

此時光敏電阻的靈敏度高。光電式傳感器轉速檢測光電式傳感器轉速檢測●定義：光電二極管是將光信號變成電信號的半導體器件。?光電效應——內光電效應2.光敏二級管光電式傳感器轉速檢測?光電效應——內光電效應2.光敏二級管光敏二極管的符號和接線●光敏二極管工作在反向狀態，無光照時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，處于截止狀態。●有光照時，半導體內受激發產生電子—空穴對，少數載流子濃度大大增加，在反向電壓的作用下，形成光電流，處于導通狀態。光的照度越大，光電流越大。?光電效應——光生伏特效應●定義：在光線的作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應。基于光生伏特效應的光電元件有光電池等。光電式傳感器轉速檢測光電式傳感器轉速檢測?光電效應——光生伏特效應1.光電池●定義：光電池是一種利用光生伏特效應把光直接轉換成電能的半導體光電器件。●實質：在有光線作用時實質就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。硒光電池砷化鎵光電池硅光電池鍺光電池●它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(如硼)形成PN結。當光照到PN結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發出電子-空穴對，在N區聚積負電荷，P區聚積正電荷，這樣N區和P區之間出現電位差。若將PN結兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區流經外電路至N區。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。?光電效應——光生伏特效應1.光電池光電式傳感器轉速檢測+光PN－SiO2RLI光PN(a)光電池的結構圖(b)光電池的工作原理示意圖?光電池的示意圖●項目——速度與位置的測量●任務——光電式傳感器轉速檢測?光源光電式傳感器轉速檢測01020304熱輻射光源氣體放電光源電致發光器件激光器?光源原理特點代表熱物體都會向空間發出一定的光輻射物體溫度越高輻射能量越大白熾燈鹵鎢燈1.熱輻射光源?光源原理特點代表電流通過氣體會產生發光現象改變氣體成分、壓力、電流、陰極材料和放電電流的大小，可以得到不同光譜范圍的輻射源體日光燈2.氣體放電光源?光源原理特點代表固體發光材料在電場激發下產生的發光現象稱為電致發光體積小壽命長工作電壓低響應速度快發光二極管3.電致發光器件?光源定義特點分類能夠產生光受激輻射放大現象的器件單色性好方向性好亮度高固體激光器氣體激光器半導體激光器液體激光器4.激光器光電傳感器轉速測量?光電傳感器組成光源光學通路光電元件光電傳感器轉速測量?光電傳感器組成Ф1是光源發出的光信號，Ф2是光電器件接受的光信號，被測量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號。光電傳感器轉速測量?光電傳感器——光電傳感器的類型光源本身是被測物被測物吸收光通量●這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計和照度計●恒定光源發射的光穿過被測物其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上。●可用于測量透明度、混濁度光電傳感器轉速測量?光電傳感器——光電傳感器的類型被測物體反射光通量被測物吸收光通量●恒定光源發射的光通量投射到被測物上由被測物表面反射后再投射到光電元件上。●可用于測量工件表面粗糙度、紙張的白度等●從恒定光源發射出的光通量在到達光電元件的途中受到被測物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸或位置。●這種傳感器可用于工件尺寸測量、振動測量等場合。被測物具有反射能力的表面被測物遮蔽光通量●發出的光線經過透鏡1會聚為平行光束，投向透鏡2，隨后被會聚到光敏電阻上。●在平行光束到達透鏡2的途中，有部分光線受到被測帶材的遮擋，使傳到光敏電阻的光通量減少。光電傳感器的應用1.光電式帶材跑偏檢測器●光源出發的光線經半透半反鏡分成兩束強度相等的光線：√一路光線直接到達光敏三極管上，產生作為被測煙塵濃度的參比信號。√一路光線穿過破測煙塵到達光敏三極管上，其中一部分光線被煙塵吸收或折射，煙塵濃度越高，光線的衰減量越大，到達光敏三極管的光通量就越小。兩路光線均轉換成電壓信號U1、U2，由運算器計算出U1、U2的比值，并進一步算出被測煙塵的濃度。光電傳感器的應用2.光電式煙塵濃度計光電傳感器的應用3.煙霧報警器煙霧●無煙霧時，光敏元件接收到LED發射的恒定紅外光。●而在火災發生時，煙霧進入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經閥值判斷電路后，發出報警信號。●光電式轉速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數十毫米外非接觸地測量其轉速?光電傳感器的應用光電傳感器轉速測量n=60(f/z)

4.光電轉速表光電式傳感器轉速檢測?光電傳感器的應用5.光電開關●定義：光電開關用來檢測物體的靠近、通過等狀態的光電傳感器。檢測距離可達幾米至幾十米。當有物體在兩者中間通過時，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產生一個負脈沖信號。遮斷型光電開關的檢測距離一般可達十幾米。√遮斷型光電開關光電式傳感器轉速檢測?光電傳感器的應用5.光電開關●定義：光電開關用來檢測物體的靠近、通過等狀態的光電傳感器。檢測距離可達幾米至幾十米。反射型光電開關單側安裝，反射型光電開關的檢測距離與被測物的黑度有關，它的檢測距離一般為幾百毫米到幾米。√反射型光電開關●當充填高度ｈ偏差太大時，光電開關沒有電信號，即由執行機構將包裝物品推出進行處理。利用光電開關還可以進行產品流水線上的產量統計、對裝配件是否到位及裝配質量進行檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標是否漏貼，以及送料機構是否斷料等。?光電傳感器的應用5.光電開關光電式傳感器轉速檢測?借助光電檢測技術控制充填高度的原理光電開關?任務實施——機床轉速測量●在機床轉軸上固定一個帶孔的轉盤，轉盤的一邊由發光管產生恒定光，透過轉盤小孔照射在光敏二極管或光敏三極管上，轉換成電信號輸出，經放大整形電路輸出電脈沖信號，脈沖頻率的大小即反映了轉速的大小。光電式傳感器轉速檢測●光電晶體管測速

遮斷型?任務實施——機床轉速測量●在待測轉速軸上固定一個涂有黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率，當轉軸轉動時，反光與不反光交替出現，光敏晶體管通過轉盤反射接收光信號，并轉換為電脈沖信號。光電式傳感器轉速檢測●光電晶體管測速

反射型?任務實施——機床轉速測量●光電斷續器是將光電發射器、光電接收器放置于一個體積很小的塑料殼體中，兩者能可靠地對準。齒盤每轉過一個齒，光電斷續器就輸出一個脈沖。通過脈沖頻率的測量或脈沖計數，即可獲得齒盤轉速和角位移。光電式傳感器轉速檢測●光電斷續器測速光電斷續器測速●項目——速度檢測●任務——磁電式傳感器轉速測量?任務導入●在各種車輛的運轉、機械設備的運行中，都需要對轉速進行檢測。

導體在磁場中運動切割磁力線，或者通過閉合線圈的磁通發生變化時，在導體兩端或線圈內將產生感應電動勢，電動勢的大小與穿過線圈的磁通變化率有關。——法拉第電磁感應定律磁電式傳感器工作原理●在恒磁通式結構中，工作氣隙中的磁通恒定，感應電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運動——線圈切割磁力線而產生。恒磁通式恒磁通式結構

動圈式動鐵式●當殼體隨被測振動體一起振動時,由于彈簧較軟,運動部件質量相對較大。●當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時,運動部件慣性很大,來不及隨振動體一起振動,近乎靜止不動,振動能量幾乎全被彈簧吸收,永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度,磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線,從而產生感應電勢。?磁電式傳感器工作原理——恒磁通式恒磁通式結構

動圈式動鐵式磁電式傳感器轉速測量?磁電式傳感器工作原理——變磁通式●工作原理：線圈、磁鐵靜止不動,測量齒輪安裝在被測旋轉體上,隨之一起轉動。每轉動一個齒,齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次,磁通也就變化一次,線圈中產生感應電勢,其變化頻率等于被測轉速與測量齒輪齒數的乘積。●特點：傳感器結構簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速。（1）開磁路式磁電式傳感器轉速測量?磁電式傳感器工作原理——變磁通式（1）開磁路式磁電式傳感器轉速測量?磁電式傳感器工作原理——變磁通式（2）閉磁路式●由裝在轉軸上的內齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成，內外齒輪齒數相同。●外齒輪不動,內齒輪隨被測軸而轉動，內、外齒輪的相對轉動使氣隙磁阻產生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內產生周期性變化的感生電動勢。●感應電勢的頻率與被測轉速成正比●用于測量振動速度時，能量全被彈簧吸收，磁鐵與線圈之間相對運動速度接近于振動速度，磁路間隙中的線圈切割磁力線時，產生正比于振動速度的感應電動勢，直接輸出速度信號。?磁電式傳感器測量電路測量電路磁電式傳感器轉速測量●磁電感應式振動傳感器工作時，將傳感器固定在被測振動體上，永磁體、鋁架、殼體一起隨被測體振動，由于質量塊的慣性，產生慣性力，而彈簧片又非常柔軟，因此，當振動頻率遠大于傳感器的固定頻率時，線圈在磁路系統的環形氣隙中相對永磁體運動，以振動體的振動速度切割磁力線，產生感應電動勢，并通過引線輸出到測量電路。?磁電式傳感器應用磁電式傳感器轉速測量?磁電式傳感器應用●磁電感應式傳感器的永磁體產生的磁通與齒形圓盤交鏈，當齒形圓盤旋轉時，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也發生變化，在線圈中產生出交流電壓，其頻率等于圓盤上齒數與轉速的乘積。●當扭矩作用在扭轉軸上時,兩個磁電傳感器輸出的感應電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉軸的扭轉角成正比。這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉角轉換成相位差的電信號。磁電感應式扭矩傳感器?任務導實施磁電式傳感器轉速測量●變磁通式轉速傳感器對環境條件要求不高，結構簡單、工作可靠、價格便宜。但輸出電勢取決于切割磁力線的速度，轉速太低時，輸出感應電勢很小，導致無法測量。●項目——速度檢測●任務——霍爾傳感器汽車車速測量霍爾傳感器轉速測量?任務導入在汽車用速度及里程儀表中速度傳感器是十分重要的部件。車速傳感器控制器脈沖信號霍爾式接近開關傳感器汽車行駛過程中的實時速度采集器?霍爾傳感器霍爾傳感器轉速測量●定義：霍爾傳感器是利用半導體材料的霍爾效應進行測量的一種非接觸式傳感器特點多種非電量測量制作高斯計、電流表、接近開關等結構簡單體積小動態特性好壽命長√直接測量磁場及微小位移量√間接測量液位、壓力等工業生產過程參數，特別是在檢測微位移、大電流、微弱磁場等方面得到了廣泛應用霍爾效應霍爾傳感器霍爾效應是磁電效應的一種這一現象是美國物理學家霍爾(A.H.Hall)1879年在研究金屬的導電機構時發現的。后來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這一現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。?霍爾傳感器工作原理●置于磁場中的導體或半導體內通入電流，如電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現一個電勢差，這種現象稱為霍爾效應。霍爾效應霍爾傳感器轉速測量1.霍爾效應?霍爾傳感器工作原理——霍爾效應N型半導體薄片●在垂直于該半導體薄片平面的方向上，施加磁感應強度為B的磁場，在薄片左右兩端通以控制電流I，N型半導體的導電機制是自由電子沿著與電流I相反的方向運動，受力方向可由左手定則判定，即使磁力線穿過左手掌心，四指指向電流方向，則拇指就指向多數載流子所受洛倫茲力FL的方向。霍爾傳感器轉速測量N型半導體薄片●由于洛侖茲力FL的作用，自由電子會向一側發生偏轉（如圖中虛線所示），結果在半導體的前端面上電子積累帶負電，而后端面缺少電子帶正電，在前后斷面間形成電場。該電場產生的電場力FE阻止電子繼續偏轉。當FE和FL相等時，電子積累達到動態平衡。這時在半導體前后兩端面之間(即垂直于電流和磁場方向)建立電場，稱為霍爾電場EH，相應的電勢稱為霍爾電勢UH。?霍爾傳感器工作原理——霍爾效應霍爾傳感器轉速測量N型半導體薄片霍爾系數，材料確定后為常數靈敏度系數對于導體，霍爾系數一般較小，故霍爾元件一般用半導體制作，且愈小（薄），靈敏度愈高。?霍爾傳感器工作原理——霍爾效應霍爾傳感器轉速測量?霍爾傳感器工作原理——霍爾元件霍爾傳感器轉速測量●定義：基于霍爾效應制成半導體元件稱為霍爾元件。1.霍爾元件結構由霍爾片、引線和殼體組成霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片，引出四個引線。√a、b兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；√c、d引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。（a）（b）?霍爾傳感器工作原理——霍爾元件霍爾傳感器轉速測量●定義：基于霍爾效應制成半導體元件稱為霍爾元件。1.霍爾元件結構霍爾元件殼體由非導磁金屬、陶瓷或環氧樹脂封裝而成（c）?霍爾傳感器工作原理——霍爾元件霍爾傳感器轉速測量●定義：基于霍爾效應制成半導體元件稱為霍爾元件。2.霍爾元件主要特性參數霍爾靈敏系數輸入電阻、輸出電阻等位電勢和不等位電阻寄生直流電勢霍爾電勢溫度系數額定激勵電流和最大允許激勵電流基本電路控制電流由電源E供給，RP為調節電阻，調節控制電流的大小。霍爾輸出端接負載Rf，Rf可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器內阻。在磁場與控制電流的作用下，負載上就有電壓輸出。在實際使用時，I或B或兩者同時作為信號輸入，而輸出信號則正比于I或B或兩者的乘積。?霍爾傳感器測量電路——基本電路及原理霍爾傳感器轉速測量?霍爾傳感器測量電路——溫度誤差及補償溫度誤差霍爾元件測量的關鍵是霍爾效應，而霍爾元件是由半導體制成的，因半導體對溫度很敏感，霍爾元件的載流子遷移率、電阻率和霍爾系數都隨溫度而變化，因而使霍爾元件的特性參數（如霍爾電勢和輸入、輸出電阻等）成為溫度的函數，導致霍爾傳感器產生溫度誤差。為減小霍爾元件溫度誤差，需要對基本測量電路進行溫度補償的改進，可以采用的補償方法有許多種，常用的有以下方法：采用恒流源提供控制電流，選擇合理的負載電阻進行補償，利用霍爾元件回路的串聯或并聯電阻進行補償，也可以在輸入回路或輸出回路中加入熱敏電阻進行溫度誤差的補償。溫度誤差的補償霍爾傳感器轉速測量?霍爾傳感器工作原理——不等位電勢及補償霍爾傳感器轉速測量●當控制磁感應強度為零，控制電流為額定值IH時，霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢。1.不等位電勢霍爾電極安裝位置不正確（不對稱或不在同一等電位面上）半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等不等位電勢產生示意圖a）兩電極點不在統一等位面

b）等位面歪斜?霍爾傳感器工作原理——不等位電勢及補償●A、B為控制電極，C、D為霍爾電極，在極間分布的電阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情況是R1＝R2＝R3＝R4，即零位電勢為零（或零位電阻為零）。但實際上存在著零位電勢，則說明此四個電阻不等。ABCDIR1R2R3R42.不等位電勢的補償霍爾傳感器轉速測量?霍爾傳感器工作原理——不等位電勢及補償●補償原理：將R1、R2、R3、R4其視為電橋的四個臂，即電橋不平衡，為使其平衡可在阻值較大的臂上并聯電阻，或在兩個臂上同時并聯電阻。ABCDIR1R2R3R42.不等位電勢的補償霍爾傳感器轉速測量●項目——速度與位置的測量●任務——霍爾傳感器轉速測量應用?霍爾集成傳感器霍爾傳感器轉速測量●定義：是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的霍爾傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現了材料、元件、電路三位一體。特點由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性具有體積小、質量輕、功耗低等優點線性型開關型●分類?霍爾集成傳感器——線性霍爾集成傳感器霍爾傳感器轉速測量●定義：是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。霍爾元件恒流源線性差動放大器●應用：廣泛用于位置、力、質量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。線性型三端霍爾集成電路－＋×穩壓整形VCC輸出地123霍爾元件放大●組成：它由霍爾元件、放大器、輸出晶體管、施密特電路和穩壓電源等組成，與線性集成傳感器不同之點是增設了施密特電路，通過晶體管的集電極輸出。開關集成傳感器?霍爾集成傳感器——開關集成霍爾傳感器霍爾傳感器轉速測量?霍爾集成傳感器——開關集成霍爾傳感器－＋×穩壓整形VCC輸出地123霍爾元件放大●開關集成傳感器只有一個輸出端，是以一定磁場電平值進行開關工作的。由于內設有施密特電路，開關特性具有時滯性，因此有較好的抗噪聲效果。開關集成傳感器霍爾傳感器轉速測量?霍爾集成傳感器——開關集成霍爾傳感器轉速測定里程測定機械設備的限位開關按鈕開關電流的檢測與控制位置及角度的檢測保安系統汽車點火系統霍爾傳感器轉速測量?霍爾傳感器的應用010203激勵電流不變，霍爾電勢正比于磁場強度，可進行位移、加速度、轉速測量。磁場強度不變時，傳感器輸出正比于激勵電流，可檢測與電流有關的物理量，并可直接測量電流。激勵電流與磁場強度都為變量，傳感器輸出與兩者乘積成正比，可測量乘法運算的物理量，如功率。霍爾傳感器轉速測量●在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。?霍爾傳感器的應用——測轉角或轉速SN線性霍爾磁鐵●霍爾轉速表霍爾傳感器轉速測量

在被測體上貼一磁鋼，非接觸式測量，高可靠，適用于低轉速，體積小、安裝方便，對環境無要求，適合各種惡劣環境、污濁環境、功耗低，適宜長期工作。

●霍爾式轉速計?霍爾傳感器的應用——測轉角或轉速霍爾傳感器轉速測量

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測和保持車輪的轉動，有助于控制剎車力的大小和防止側偏。

●霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置的應用?霍爾傳感器的應用——測轉角或轉速帶有微型磁鐵的霍爾傳感器霍爾傳感器轉速測量霍爾傳感器轉速測量彈性元件霍爾元件磁路系統用來感受壓力并把壓力轉換成為位移量通常把霍爾元件固定在彈性元件上，當彈性元件產生位移時，將帶動霍爾元件在具有均勻梯度的磁場中移動，從而產生霍爾電勢的變化，完成將壓力（或壓差）變換成電量的轉換過程。?霍爾傳感器的應用——測位移●霍爾無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位置，其輸出信號經放大、整形后觸發電子電路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉。?霍爾傳感器的應用——霍爾無刷電動機霍爾傳感器轉速測量?霍爾傳感器的應用——霍爾無刷電動機●無刷直流電動機的外轉子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；●三個霍爾位置傳感器產生六個狀態編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內定子線圈與外轉子之間產生連續轉矩。霍爾傳感器轉速測量●當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作。霍爾接近開關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。?霍爾傳感器的應用——霍爾式接近開關霍爾傳感器轉速測量?霍爾傳感器的應用——霍爾式接近開關●霍爾式接近開關應用于限位●當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變為低電平，使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC），起限位的作用。霍爾傳感器轉速測量?任務實施霍爾傳感器轉速測量用霍爾線性電路檢測鐵磁物體用霍爾線性電路檢測齒口的線路●汽車用霍爾轉速計是在霍爾式接近開關線性電路背面偏置一個永磁體。可以檢測鐵磁物體的缺口進行計數，也可以檢測齒輪的齒計數。霍爾元件的輸出通過檢測電路可以測出齒輪的轉速。●項目——位移檢測●任務——軸承滾柱直徑檢測電感式傳感器測量位移?任務導入●在裝配軸承滾柱時，為保證軸承的質量，一般要先對滾柱的直徑進行分選，各滾柱直徑的誤差在幾個微米，因此要進行微位移檢測。?電感式傳感器●電磁感應：當穿過閉合電路的磁通量發生變化時，就會產生感應電動勢，這種現象稱為電磁感應。電感式傳感器測量位移電感式傳感器是利用電磁感應原理，將被測非電量轉換成線圈電感（或互感系數）的變化的一種機電轉換裝置。電感式傳感器輸入的各種機械物理量如位移、振動、壓力、應變、流量、比重等參數電能量自感式互感式?自感式傳感器工作原理自感式傳感器被測量的變化自感L的變化自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵3部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁性材料制成，其結構如圖所示。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵3部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁性材料制成，其結構如圖所示。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度δ發生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。隙厚度為δ，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度δ發生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。?自感式傳感器工作原理δ線圈鐵芯銜鐵Δδ●自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵3部分組成。●鐵芯和銜鐵由導磁性材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ，傳感器的運動部分與銜鐵相連。●當銜鐵移動時，氣隙厚度δ發生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵3部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁性材料制成，其結構如圖所示。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵3部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁性材料制成，其結構如圖所示。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度δ發生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。隙厚度為δ，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度δ發生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。?自感式傳感器工作原理δ線圈鐵芯銜鐵Δδ?自感式傳感器工作原理δ線圈鐵芯銜鐵Δδ變氣隙式變截面積式螺線管式?自感式傳感器工作原理1.變氣隙式自感傳感器●基本工作原理：力F將活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，毫安表的讀數逐漸減小。當銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數只剩下十幾毫安。電感式傳感器測量位移F?自感式傳感器工作原理電感量與氣隙厚度成反比電感式傳感器測量位移√氣隙厚度大，電感量變小，感抗小，線路電流大√氣隙厚度小，電感量變大，感抗大，線路電流小●變隙式傳感器靈敏度●靈敏度與初始氣隙厚度有關，呈非線性，為了保證一定的線性度，變氣隙式自感傳感器只能工作在一段很小的區域，因而只能用于微小位移的測量。為減小誤差實際測量多采用差動形式。?自感式傳感器工作原理●在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構成差動式自感傳感器，兩個線圈的電氣參數和幾何尺寸要求完全相同。電感式傳感器測量位移1.變氣隙式自感傳感器——差動式自感式傳感器1-差動線圈2-鐵心3-銜鐵4-測桿5-工件優點優點√可以改善線性提高靈敏度√溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差?自感式傳感器工作原理●在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構成差動式自感傳感器，兩個線圈的電氣參數和幾何尺寸要求完全相同。電感式傳感器測量位移1.變氣隙式自感傳感器——差動式自感式傳感器●差動氣隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成，測量時，

銜鐵通過導桿與被測位移量相連，當被測體上下移動時，導桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，使兩個磁回路中磁阻發生大小相等,方向相反的變化，導致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動形式。●差動變隙式傳感器靈敏度：提高一倍自感式傳感器工作原理2.變截面積式自感傳感器●鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化面積改變，導致線圈的電感量發生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器。由于漏感等因素，變截面積式電感傳感器在S0為0時，仍有較大的電感，所以其線性區較小，且靈敏較低。?自感式傳感器工作原理3.螺線管式自感傳感器●其主要元件在螺線管中插入圓柱形鐵芯而構成的。有限長螺線管內部磁場沿軸線非均勻分布，中間強，兩端弱。傳感器工作時，銜鐵在線圈中深入長度的變化將引起螺線管電感量的變化。電感式傳感器測量位移螺線管式電感傳感器?自感式傳感器工作原理3.