第五章常见传感器的原理与应用一、电位器式传感器1、含义电位器是一种将机械位移（线位移或角位移）转换的为与其成一定函数关系的电阻或电压的机电传感元件。又称电位差计或变阻器式传感器。电位器的基本作用有二：其一，作变阻器用：其二，作分压器用。2、组成电位器电刷（活动触点机构）和电阻器（含电阻丝、骨架）两部分组成。3、工作原理在机械位移作用下，使电刷在变阻器上移动，将被测位移量转换为电阻值的变化，当变阻器中通过一定电流时，则在电刷所在位置处即可得到与被测量成一定函数关系的电压输出。工作原理：通过改变电路中电阻值的大小，实现将位移转换为电阻的变化。4、应用主要用于线位移、角位移的测量，还可用于角度（转角）、压力、加速度、液位、高度等物理量的测量。二、电阻应变式传感器1、概述电阻应变传感器是将被测非电量通过应变片所产生的弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。电阻应变传感器由电阻应变片、测量线路及弹性元件等部分组成。2、电阻应变片电阻应变片（简称应变片或电阻片），文称为电阻应变计、粘贴式电阻变换器等。1）组成常用的电阻丝式应变片由敏感栅（电阻丝）、基底和盖片、引线、粘结剂
第五章 常见传感器的原理与应用 一、电位器式传感器 1、含义 电位器是一种将机械位移（线位移或角位移）转换的为与其成一定函数关 系的电阻或电压的机电传感元件。 又称电位差计或变阻器式传感器。 电位器的基本作用有二：其一，作变阻器用；其二，作分压器用。 2、组成 电位器电刷（活动触点机构）和电阻器（含电阻丝、骨架）两部分组成。 3、工作原理 在机械位移作用下，使电刷在变阻器上移动，将被测位移量转换为电阻值 的变化，当变阻器中通过一定电流时，则在电刷所在位置处即可得到与被测量 成一定函数关系的电压输出。 工作原理：通过改变电路中电阻值的大小，实现将位移转换为电阻的变化。 4、应用 主要用于线位移、角位移的测量，还可用于角度（转角）、压力、加速度、 液位、高度等物理量的测量。 二、电阻应变式传感器 1、概述 电阻应变传感器是将被测非电量通过应变片所产生的弹性变形转换成电阻 变化的敏感元件。 电阻应变传感器由电阻应变片、测量线路及弹性元件等部分组成。 2、电阻应变片 电阻应变片（简称应变片或电阻片），又称为电阻应变计、粘贴式电阻变 换器等。 1）组成 常用的电阻丝式应变片由敏感栅（电阻丝）、基底和盖片、引线、粘结剂
等几个部分组成。2）测量原理电阻丝式应变片测量应变的原理是基于电阻丝的应变效应，即：电阻丝的电阻值随其变形而发生改变的现象称为电阻丝的应变效应。.L可推导出：由R=PA应变和电阻变化之间的数学关系为：AR=K.R式中：K。一一电阻丝的应变灵敏数此式表明了电阻的相对变化率与应变成正比，它们之间呈线性关系。根据电阻丝的应变效应，使用时可将应变片粘贴于被测试件（弹性元件）的表面上，当试件因受力变形时，电阻丝与弹性元件同时变形，引起应变片电阻值发生变化，通过测量应变片阻值的变化就可得知试件的变形量。然后根据被测量与变形量（应变）的比例关系求出被测量的值。3）贴片如何使被测试件表面变形准确地传递给应变片是应变片测量的关键之一。实验表明：贴在试件上的应变片的电阻丝基本上可以和试件一起变形，应变片电阻丝的变形能够真实地反映被测试件的变形。为此，应变片的粘贴质量、粘贴方位很重要。3、应变电测法1）基本原理用应变片将所需测定的非电量转换为电量，然后通过一定的测量电路及仪表对此电量进行测量，测得了该电量，就可知与之成比例的非电量。2）应变电测系统组成“应变电测”法测量系统由应变片、测量电路、放大电路、显示或记录仪表、电源等组成。4、电阻应变式传感器的应用有两种应用方式：（1）直接用来测定结构试件的应变或应力。（2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量拉压力、荷重、位移、扭矩或
等几个部分组成。 2）测量原理 电阻丝式应变片测量应变的原理是基于电阻丝的应变效应，即：电阻丝的 电阻值随其变形而发生改变的现象称为电阻丝的应变效应。 由 A L R = ，可推导出： 应变和电阻变化之间的数学关系为： K0 R R = 式中： K0——电阻丝的应变灵敏数 此式表明了电阻的相对变化率与应变成正比，它们之间呈线性关系。 根据电阻丝的应变效应，使用时可将应变片粘贴于被测试件（弹性元件） 的表面上，当试件因受力变形时，电阻丝与弹性元件同时变形，引起应变片电 阻值发生变化，通过测量应变片阻值的变化就可得知试件的变形量。 然后根据被测量与变形量（应变）的比例关系求出被测量的值。 3）贴片 如何使被测试件表面变形准确地传递给应变片是应变片测量的关键之一。 实验表明：贴在试件上的应变片的电阻丝基本上可以和试件一起变形，应 变片电阻丝的变形能够真实地反映被测试件的变形。 为此，应变片的粘贴质量、粘贴方位很重要。 3、应变电测法 1）基本原理 用应变片将所需测定的非电量转换为电量，然后通过一定的测量电路及仪 表对此电量进行测量，测得了该电量，就可知与之成比例的非电量。 2）应变电测系统组成 “应变电测”法测量系统由应变片、测量电路、放大电路、显示或记录仪 表、电源等组成。 4、电阻应变式传感器的应用 有两种应用方式： （1）直接用来测定结构试件的应变或应力。 （2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量拉压力、荷重、位移、扭矩或
弯矩、加速度等物理参数的传感器。三、光电式传感器1、概述1）含义利用光电器件将光信号转换为电信号的一种传感器称为光电式传感器。若使用这种传感器测量其它非电量时，只要将这些非电量的变化转换成光信号的变化即可。2）光电效应光电式传感器的理论基础是基于光电效应。所谓光电效应就是由于物体吸收了能量为E的光子能量后而产生的电效应。（1）外光电效应光线照射在某些物体上，引起电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应。也称光电发射，逸出来的电子通称光电子。基于外光电效应的光电元件有：光电管、光电倍增管等。（2）内光电效应。物体受光照射后，其内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的电阻率发生变化的现象称为内光电效应，文叫光电导效应。基于内光电效应的光电元件有：光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管等。（3）光生伏特效应。在光的作用下使物体内部产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应（或称为阻档层光电效应）。基于内光电效应的光电元件有：光电池、光电晶体管等。2、光电管1）结构
弯矩、加速度等物理参数的传感器。 三、光电式传感器 1、概述 1）含义 利用光电器件将光信号转换为电信号的一种传感器称为光电式传感器。 若使用这种传感器测量其它非电量时，只要将这些非电量的变化转换成光 信号的变化即可。 2）光电效应 光电式传感器的理论基础是基于光电效应。 所谓光电效应就是由于物体吸收了能量为 E 的光子能量后而产生的电效 应。 （1）外光电效应 光线照射在某些物体上，引起电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电 效应。 也称光电发射，逸出来的电子通称光电子。 基于外光电效应的光电元件有：光电管、光电倍增管等。 （2）内光电效应。 物体受光照射后，其内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部， 使物体的电阻率发生变化的现象称为内光电效应，又叫光电导效应。 基于内光电效应的光电元件有：光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管 等。 （3）光生伏特效应。 在光的作用下使物体内部产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应 （或称为阻档层光电效应）。 基于内光电效应的光电元件有：光电池、光电晶体管等。 2、光电管 1）结构
最简单的真空光电管有阳极、阴极、玻璃外壳以及电极引线等几部分组成。2）工作原理光电管是应用最普遍的一种基于外光电效应的光电器件。使用时将光电管连在电路里，用电池使阳极和阴极间保持一恒定电势差。当光照射到光电管的阴极K时，阴极发射电子，电路里就有电流产生。3）应用可用于记录和测量光的强度，在光信号检测、有声电影制作、自动控制等领域得到应用。3、光敏电阻1）结构光敏电阻由掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘基片上而成，纯粹是个电阻，没有极性。光敏电阻的种类较多，除用硅、锗制造外，尚可用硫化镉、硫化铅、硫化铠、硒化钢、硒化镉、化铅等材料制造。将光敏电阻封装起来并引出二个电极即构成光导管。2）检测光的原理将光敏电阻作为一个电阻接入含有电源的电路中，当无光照时，由于光敏电阻值太大使电路中电流很小：当有适当波长范围内的光线照射时，因它的阻值急剧变小，电路中电流也就急剧增加。根据电流表测出电流的变化值，即可推知照射光强的大小。由于光敏电阻的光电特性具有非线性，因此，光敏电阻不适宜作测量元件，一般作开关元件。各光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度，而且对应最大灵敏度的光波长也不相同。因此，在选用光敏电阻时，就应当把元件和光源结合起来考虑，才能获得满意的结果。3）特点及应用光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外区域到红外区域
最简单的真空光电管有阳极、阴极、玻璃外壳以及电极引线等几部分组成。 2）工作原理 光电管是应用最普遍的一种基于外光电效应的光电器件。 使用时将光电管连在电路里，用电池使阳极和阴极间保持一恒定电势差。 当光照射到光电管的阴极 K 时，阴极发射电子，电路里就有电流产生。 3）应用 可用于记录和测量光的强度，在光信号检测、有声电影制作、自动控制等 领域得到应用。 3、光敏电阻 1）结构 光敏电阻由掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘基片上而成，纯粹是个电阻，没 有极性。 光敏电阻的种类较多，除用硅、锗制造外，尚可用硫化镉、硫化铅、硫化 铊、硒化钢、硒化镉、镑化铅等材料制造。 将光敏电阻封装起来并引出二个电极即构成光导管。 2）检测光的原理 将光敏电阻作为一个电阻接入含有电源的电路中，当无光照时，由于光敏 电阻值太大使电路中电流很小；当有适当波长范围内的光线照射时，因它的阻 值急剧变小，电路中电流也就急剧增加。根据电流表测出电流的变化值，即可 推知照射光强的大小。 由于光敏电阻的光电特性具有非线性，因此，光敏电阻不适宜作测量元件， 一般作开关元件。 各光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度，而且对应最大灵敏度的 光波长也不相同。 因此，在选用光敏电阻时，就应当把元件和光源结合起来考虑，才能获得 满意的结果。 3）特点及应用 光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外区域到红外区域
而且体积小，性能稳定，价格较低。所以被广泛应用在自动检测系统、路灯的自动启闭、冲床、切纸机的光电自动保护装置、红外光电报警器等各种光电自动控制系统。4、光敏二极管1）结构特点光敏二极管的材料和结构与普通半导体二极管类似，它的管芯是一个具有光敏特性的PN结，封装在透明的玻璃壳内。PN结装在管顶部，在上面有一个透镜制成的窗口，以便入射光集中在PN结的敏感面上。2）工作原理光敏二极管接在有电源的电路中，但处于反向工作状态（承受反压）。当无光照射时，像普通二极管一样，电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏电流，此时相当于光敏二极管截止：当有光照射时，PN结附近受光照射产生光生电子空穴对，这使少数载流子浓度大大地提高，因而反向饱和漏电流大大地增加，形成光电流，这时相当于光敏二极管导通。根据光电流的大小即可知光的有无和光强的大小。由于硅光敏二极和的光电特性的线性度较好，多用它作检测元件。5、光电式传感器的特点及应用1）特点结构简单、可靠性高、响应速度快、精度高、非接触测量等。2）应用光的有无检测、光强大小检测、温度测量、液体、气体的透明度或混浊度测量、表面光洁度测量、测量振动、测量尺寸、转速测量、表面缺陷检测等。四、霍尔式传感器1、霍尔效应金属或半导体薄片，若在它的两端通过控制电流1，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动
而且体积小，性能稳定，价格较低。 所以被广泛应用在自动检测系统、路灯的自动启闭、冲床、切纸机的光电 自动保护装置、红外光电报警器等各种光电自动控制系统。 4、光敏二极管 1）结构特点 光敏二极管的材料和结构与普通半导体二极管类似，它的管芯是一个具有 光敏特性的 PN 结，封装在透明的玻璃壳内。 PN 结装在管顶部，在上面有一个 透镜制成的窗口，以便入射光集中在 PN 结的敏感面上。 2）工作原理 光敏二极管接在有电源的电路中，但处于反向工作状态（承受反压）。 当无光照射时，像普通二极管一样，电阻很大，电路中仅有很小的反向饱 和漏电流，此时相当于光敏二极管截止； 当有光照射时， PN 结附近受光照射产生光生电子空穴对，这使少数载流 子浓度大大地提高，因而反向饱和漏电流大大地增加，形成光电流，这时相当 于光敏二极管导通。 根据光电流的大小即可知光的有无和光强的大小。 由于硅光敏二极和的光电特性的线性度较好，多用它作检测元件。 5、光电式传感器的特点及应用 1）特点 结构简单、可靠性高、响应速度快、精度高、非接触测量等。 2）应用 光的有无检测、光强大小检测、温度测量、液体、气体的透明度或混浊度 测量、表面光洁度测量、测量振动、测量尺寸、转速测量、表面缺陷检测等。 四、霍尔式传感器 1、霍尔效应 金属或半导体薄片，若在它的两端通过控制电流 I ，并在薄片的垂直方向 上施加磁感应强度为 B 的磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动