12常用传感器工作原理及测量电路
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4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能 够相互抵消而减小。
2 差动变压器传感器（互感）
互感式传感器本身是其互感系数可变的变 压器，当一次侧线圈接入激励电压后，二次 侧线圈将产生感应电压输出，互感变化时， 输出电压将作相应变化。一般，这种传感器 的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的 ，故常称之为差动变压器式传感器。
h)
2H D
2h(1 ) D
C0
2h(1 ) D
ln
ln
ln
ln
ln
d
d
d
d
d
4 电容式传感器的应用
(1) 电容式差压传感器 (2) 电容式加速度传感器 (3) 电容式振动位移传感器
三 电感式传感器工作原理
1 自感式传感器
线圈自感 L N 2 / li / i Si 2 / 0S
• 压电半导体 • 高分子压电材料
石英晶体的压电效应
• 是二氧化硅单晶，属于六角晶系。
石英晶体优点：
• 它的介电常数和压电常数的温度稳定性
很好；
• 工作温度范围很宽； • 机械强度高，可承受108Pa的压力； • 在冲击作用下，漂移也很小； • 弹性系数较大。
可用于测量大量程的力和加速度
的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵 敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。
螺管型电感传感器
衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化， 线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线
圈的深度有关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和 批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。
d
)
1 d 2
d
若△d/d<<1时，则上式可简化为
非线性关系
d C C0 C0 d
最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性
2. 变面积型电容传感器
当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时，其电容变化量化为
C
C
C0
0 r
(a x)b d
△C与△x间呈线性关系
第一章 传感器及其应用
—常用传感器工作原理和测量电路—
一 电阻式传感器工作原理
❖电阻式传感器测量原理:
被测的非电量
ΔR
电量输出
❖其基本原理为：设有一根长度为L，截面
积为A，电阻率为ρ的金属丝，则它的电
阻值R可用下式表示：
R l
A
三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ， 如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变 化，构成不同电阻传感器：
成。工作时衔铁与被测物体连
接，被测物体的L位 N移2 将引起空 气隙的长度发生变Rm化。由于气
隙磁阻的变化，导致了线圈电
L N2 Rm
感量的变化。
线圈电感：
N2 L
Rm
特点：灵敏度高，非线性误差较大，
制作装配比较困难。
N为线圈匝数，Rm为磁路总磁阻。
Baidu Nhomakorabea
变面积型电感传感器
气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量
电容式角位移传感器
当θ=0时
C0
0 r s0
d0
当θ≠0时
C
0r s0 (1
d0
)
C0
C0
传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系
3. 变介电常数型电容式传感器
电容式液位传感器
初始电容
C0
2H
D
ln
d
电容与液位的关系为：
C
2 1 h D
2 (H D
1、长度L发生变化——电位器式传感器；
2、截面积A、长度L发生变化——电阻应变
片传感器；
3、电阻率ρ发生变化——热敏电阻、光导 性光检测器等。
电位器式传感器
➢通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长
度变化，从而改变电阻值大小，进而再 将这种变化值转换成电压或电流的变化 值。
➢电位器式传感器 分为直线位移型、 角位移型和非线性 型等，如图所示。
S ε
变极距(δ）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数(ε )型: （i）～(l)
1. 变极距型电容传感器
初始电容 若极距缩小△d
C0
0r s
d
d
C
C0
C
0 r s
d d
C0 d
1 d
C0 (1
压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面 聚集电荷，电荷量相等，极性相反，相当于一个以 压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的 各种物理量。
常用的压电材料
• 石英晶体 • 水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、
磷酸二氢钾等）
• 铌酸锂晶体 • 压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅
系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）
两个次级绕组的同名端则反向串联。
图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线
差动变压器的结构类型
（3）差动变压器应用
力和力矩的测量 微小位移的测量 压力测量 加速度传感器
四 压电式传感器工作原理
压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产 生电荷的压电效应为转换原理的传感器。
压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用 时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表 面产生符号相反的电荷 ；当外力作用除去时，又恢 复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极 性也随着改变，这种现象称为压电效应。
• 电位器式传感器一般采用电阻分压电路，
将电参量R 转换为电压输出给后续电路，
如图所示。当触头移动时，输出电压为：
uo
L
ui R 1 x
x RL L
二 电容式传感器工作原理
C S r0S
dd
δ
S ——极板相对覆盖面积； d ——极板间距离； εr——相对介电常数； ε0——真空介电常数，； ε ——电容极板间介质的介电常数。
差动式电感传感器
• 为了改善线性在实际中大都采用差动式， 采
用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。
• 要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电
气参数和几何尺寸完全相同。
差动式优点：
1、线性好；
2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时， 输出信号大一倍；
3、温度变化、电源波动、外界干扰等对 传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；
l i ——各段导磁体的长度； U i——各段导磁体的磁导率；
S i ——各段导磁体的截面积；δ ——空气隙的厚度；
U0 ——真空磁导率;
S ——空气隙截面积
L f ,S
L f1 变气隙型传感器
L f2 S 变截面型传感器
变间隙式电感传感器
传感器由线圈、铁心和衔铁组
2 差动变压器传感器（互感）
互感式传感器本身是其互感系数可变的变 压器，当一次侧线圈接入激励电压后，二次 侧线圈将产生感应电压输出，互感变化时， 输出电压将作相应变化。一般，这种传感器 的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的 ，故常称之为差动变压器式传感器。
h)
2H D
2h(1 ) D
C0
2h(1 ) D
ln
ln
ln
ln
ln
d
d
d
d
d
4 电容式传感器的应用
(1) 电容式差压传感器 (2) 电容式加速度传感器 (3) 电容式振动位移传感器
三 电感式传感器工作原理
1 自感式传感器
线圈自感 L N 2 / li / i Si 2 / 0S
• 压电半导体 • 高分子压电材料
石英晶体的压电效应
• 是二氧化硅单晶，属于六角晶系。
石英晶体优点：
• 它的介电常数和压电常数的温度稳定性
很好；
• 工作温度范围很宽； • 机械强度高，可承受108Pa的压力； • 在冲击作用下，漂移也很小； • 弹性系数较大。
可用于测量大量程的力和加速度
的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵 敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。
螺管型电感传感器
衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化， 线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线
圈的深度有关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和 批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。
d
)
1 d 2
d
若△d/d<<1时，则上式可简化为
非线性关系
d C C0 C0 d
最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性
2. 变面积型电容传感器
当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时，其电容变化量化为
C
C
C0
0 r
(a x)b d
△C与△x间呈线性关系
第一章 传感器及其应用
—常用传感器工作原理和测量电路—
一 电阻式传感器工作原理
❖电阻式传感器测量原理:
被测的非电量
ΔR
电量输出
❖其基本原理为：设有一根长度为L，截面
积为A，电阻率为ρ的金属丝，则它的电
阻值R可用下式表示：
R l
A
三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ， 如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变 化，构成不同电阻传感器：
成。工作时衔铁与被测物体连
接，被测物体的L位 N移2 将引起空 气隙的长度发生变Rm化。由于气
隙磁阻的变化，导致了线圈电
L N2 Rm
感量的变化。
线圈电感：
N2 L
Rm
特点：灵敏度高，非线性误差较大，
制作装配比较困难。
N为线圈匝数，Rm为磁路总磁阻。
Baidu Nhomakorabea
变面积型电感传感器
气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量
电容式角位移传感器
当θ=0时
C0
0 r s0
d0
当θ≠0时
C
0r s0 (1
d0
)
C0
C0
传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系
3. 变介电常数型电容式传感器
电容式液位传感器
初始电容
C0
2H
D
ln
d
电容与液位的关系为：
C
2 1 h D
2 (H D
1、长度L发生变化——电位器式传感器；
2、截面积A、长度L发生变化——电阻应变
片传感器；
3、电阻率ρ发生变化——热敏电阻、光导 性光检测器等。
电位器式传感器
➢通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长
度变化，从而改变电阻值大小，进而再 将这种变化值转换成电压或电流的变化 值。
➢电位器式传感器 分为直线位移型、 角位移型和非线性 型等，如图所示。
S ε
变极距(δ）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数(ε )型: （i）～(l)
1. 变极距型电容传感器
初始电容 若极距缩小△d
C0
0r s
d
d
C
C0
C
0 r s
d d
C0 d
1 d
C0 (1
压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面 聚集电荷，电荷量相等，极性相反，相当于一个以 压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的 各种物理量。
常用的压电材料
• 石英晶体 • 水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、
磷酸二氢钾等）
• 铌酸锂晶体 • 压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅
系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）
两个次级绕组的同名端则反向串联。
图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线
差动变压器的结构类型
（3）差动变压器应用
力和力矩的测量 微小位移的测量 压力测量 加速度传感器
四 压电式传感器工作原理
压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产 生电荷的压电效应为转换原理的传感器。
压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用 时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表 面产生符号相反的电荷 ；当外力作用除去时，又恢 复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极 性也随着改变，这种现象称为压电效应。
• 电位器式传感器一般采用电阻分压电路，
将电参量R 转换为电压输出给后续电路，
如图所示。当触头移动时，输出电压为：
uo
L
ui R 1 x
x RL L
二 电容式传感器工作原理
C S r0S
dd
δ
S ——极板相对覆盖面积； d ——极板间距离； εr——相对介电常数； ε0——真空介电常数，； ε ——电容极板间介质的介电常数。
差动式电感传感器
• 为了改善线性在实际中大都采用差动式， 采
用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。
• 要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电
气参数和几何尺寸完全相同。
差动式优点：
1、线性好；
2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时， 输出信号大一倍；
3、温度变化、电源波动、外界干扰等对 传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；
l i ——各段导磁体的长度； U i——各段导磁体的磁导率；
S i ——各段导磁体的截面积；δ ——空气隙的厚度；
U0 ——真空磁导率;
S ——空气隙截面积
L f ,S
L f1 变气隙型传感器
L f2 S 变截面型传感器
变间隙式电感传感器
传感器由线圈、铁心和衔铁组