第章电位器式传感器

电位式传感器的原理和应用1. 电位式传感器的原理电位式传感器是一种常见的测量和检测物理量的传感器，它基于电压的变化来感应被测量的物理量。

以下是电位式传感器的原理：1.电阻分压原理：电位式传感器通常由一个可变电阻和一个参考电阻组成。

可变电阻的阻值会随着被测量物理量的变化而发生变化，从而改变电位器的输出电压。

根据电阻的分压规律，通过测量电位器的输出电压变化，可以间接测量物理量的变化。

2.电容变化原理：某些电位式传感器采用电容作为敏感元件。

当被测量物理量导致电容发生变化时，电位器的电荷量也会相应变化，从而改变电位器的输出电压。

通过测量电位器输出电压的变化，可以获得物理量的变化信息。

3.霍尔效应原理：还有一些电位式传感器基于霍尔效应原理进行工作。

霍尔效应是当通过具有磁场的材料时，会产生横向电势差。

电位式传感器利用霍尔元件感应磁场产生的电势差，进而测量磁场强度或位置相关的物理量。

2. 电位式传感器的应用电位式传感器广泛应用于各种领域，下面列举了几个常见的应用领域：2.1 汽车工业•节气门位置传感器：用于监测发动机的加速踏板位置，以调整发动机的进气量。

•转向角度传感器：用于测量车轮的转向角度，以提供车辆稳定性控制和方向盘辅助。

2.2 工业自动化•位置传感器：用于测量机械臂、运输系统等设备的位置，以实现精确控制和定位。

•压力传感器：用于测量压力变化，监控工业设备的状态，如液体水位、气体流量等。

2.3 医疗健康•血压传感器：用于测量患者的血压，提供医生对患者心血管状况的信息。

•呼吸监测传感器：用于监测患者的呼吸频率和深度，辅助医生判断患者的呼吸系统健康状况。

2.4 环境监测•温度传感器：用于测量环境温度，供暖、通风和空调系统进行自动控制。

•湿度传感器：用于测量环境湿度，可应用于农业控制、仓储和气象观测等领域。

2.5 其他领域•机器人技术：电位式传感器用于机器人的位置检测、姿态控制和环境感知。

•游戏设备：电位式传感器用于游戏手柄的位置和动作检测，提供沉浸感和交互性。

电位器式传感器原理
电位器式传感器是一种常见的传感器技术，其原理基于电位器的工作原理。

电位器是由一个可调节的电阻器组成的，通过调节电位器的移动部分，可以改变电阻器的阻值。

当外部引入变量作用于电位器上时，移动部分的位置将发生改变，从而改变电阻器的阻值。

在电位器式传感器中，外部引入的变量可以是温度、压力、光强等物理量。

以温度传感器为例，传感器中的电阻器受到温度的影响，电阻值随着温度的变化而发生变化。

为了测量电位器的阻值变化，通常会将一个电压加到电位器的两端，并使用一个电压分压电路来测量电位器上的电压。

电压分压电路可以将电位器上的电压转换为与电位器阻值成比例的电压输出。

通过测量电位器上的电压输出，可以推导出外部引入变量的数值。

例如，在温度传感器中，通过校准和电阻值-温度曲线的
关系，可以得出温度的数值。

总结来说，电位器式传感器的原理是基于电位器的电阻值随外部引入变量的改变而变化，通过测量电位器上的电压输出来推导出外部变量的数值。

这种传感器原理广泛应用于测量和控制领域。

第2章电阻式传感器电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化。

按其工作原理可分为电位器式、应变式和固态压阻式传感器三种。

2.1电位器式传感器电位器是一种人们熟知的机电元件，广泛用于各种电气和电子设备中。

在仪表与传感器中，它主要是作为一种把机械位移输入转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用的。

利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，用以测定线位移或角位移，以及一切可能转换为位移的其他被测物理量参数，如压力、加速度等。

此外，在伺服式仪表中，它还可用作反馈元件及解算元件，制成各种伺服式仪表。

电位器的优点是结构简单、尺寸小、重量轻、输出特性精度高(可达0.1%或更高)且稳定性好，可以实现线性及任意函数特性；受环境因素(温度、湿度、电磁干涉、放射性)影响较小；输出信号较大，一般不需放大。

因此，它是最早获得工业应用的传感器之一。

伹它也存在一些缺点，主要是存在摩擦和磨损。

由于有摩擦，因而要求敏感元件有较大的输出功率，否则会降低传感器的精度，又由于有滑动触点及磨损，则使电位器的可靠性和寿命受到影响。

另外线绕电位器分辨力较低也是一个主要缺点。

目前电位器围绕着减小或消除摩擦、提高使用寿命和可靠性、提高精度和分辨力等而不断得到发展。

目前电位器虽然在不少应用场合已被更可靠的无接触式的传感元件所代替，但其某些独特的性能仍然不能被完全取代，在同类传感元件中仍然占有一定的地位。

电位器的种类极其繁多。

按其结构形式不同，可分为绕线式、薄膜式、光电式、磁敏式等。

在绕线电位器中，又可分为单圈式和多圈式两种。

按其特性曲线不同，还可分为线性电位器和非线性(函数)电位器两种。

如图2-1所示为常用电位器式传感器。

图2-1 电位器传感器2.1.1线性电位器1. 电位器的理想特性、灵敏度图 2-2所示为电位器式位移传感器原理图。

如果把它作为变阻器使用，且假定全长为max x 的电位器其总电阻为max R ，电阻沿长度的分布是均匀的，则当滑臂由A 向B 移动x 后，A 到滑臂间的阻值为max max x xR R x =若把它作为分压器使用，且假定加在电位器A 、B 之间的电压为max U ，则输出电压为max max x xU U x =图2-3所示为电位器式角度传感器。

传感器技术及应用——教学大纲一、课程基本信息课程编号：17z8315课程名称：传感器技术及应用Sensor Technology and Application学分/学时：3/42先修课程：主要有：物理、材料力学(工程力学)、电工基础、电子技术基础、自动控制元件、自动控制理论。

二、课程教学目的本课程是仪器科学与光电工程学院测控技术与仪器专业本科生的专业课。

其目标是：提供了解、使用、分析和初步设计常用传感器的敏感元件及系统的理论与实践基础，为后续其他专业课打下较坚实的基础。

三、课程教学任务通过本课程的学习，让学生了解传感器技术的发展现状、特点，在信息技术中的重要地位、作用；掌握信息获取范畴的广义理解；掌握常用传感器的基本工作原理，实现方式与结构；了解传感器技术在国防工业和一般工业领域中的典型应用；同时使学生能够在自动化系统、智能化系统中正确应用常用的传感器技术。

四、教学内容及基本要求本课程理论与实践紧密结合。

主要讲授传感器的性能评估，目前在工业领域中常用的几种典型的、有代表性的传感器的敏感元件的物理效应、变换原理、工作特性、主要结构、信号转换电路、误差及其补偿、合理应用等。

同时本课程也重视对新型传感器技术及应用的介绍。

传感器结构设计、工艺及所用材料只作一般介绍。

本课程主要内容可以分为三部分。

第一部分是关于传感器技术的基础理论与知识，共15个学时；第二部分是关于典型传感器的讨论，这是课程的重点，共21个学时；第三部分是关于近年来出现的新型传感器、应用示例的讨论，共6个学时。

教学的基本知识模块顺序及对应的单元教学任务。

五、教学安排及方式第1章绪论（6学时，基本掌握，讲授为主）1.1 传感器的作用与功能1.2 传感器的分类1.3 传感器技术的特点1.4 传感器技术的发展1.5 与传感器技术相关的一些基本概念1.6 本教材的特点及主要内容第2章传感器的特性（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）2.1 传感器静态特性的一般描述2.2 传感器的静态标定2.3 传感器的主要静态性能指标及其计算第3章基本弹性敏感元件的力学特性（4学时，掌握，讲授为主）3.1 概述3.2 弹性敏感元件的基本特性3.3 基本弹性敏感元件的力学特性3.4 弹性敏感元件的材料第4章电位器式传感器（1学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）4.1 概述4.2 线绕式电位器的特性4.3 非线性电位器4.4 电位器的负载特性及负载误差4.5 非线绕式电位器4.6 典型的电位器式传感器第5章应变式传感器（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）5.1 应变式变换原理5.2 金属应变片5.3 应变片的动态响应特性5.4 应变片的温度误差及其补偿5.5 电桥原理5.6 典型的应变式传感器第6章压阻式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主）6.1 压阻式变换原理6.2 典型的压阻式传感器第7章热电式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅） 7.1 概述7.2 热电阻测温传感器7.3 热电偶测温7.4 半导体P-N结测温传感器7.5 其他测温系统第8章电容式传感器（1学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）8.1 基本电容式敏感元件8.2 电容式敏感元件的主要特性8.3 电容式变换元件的信号转换电路8.4 典型的电容式传感器8.5 电容式传感器的结构及抗干扰问题第9章变磁路式传感器（2学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）9.1 电感式变换原理9.2 差动变压器式变换元件9.3 电涡流式变换原理9.4 霍尔效应及元件9.5 典型的变磁路式传感器第10章压电式传感器（1学时，基本掌握，讲授为主）10.1 石英晶体10.2 压电陶瓷10.3 聚偏二氟乙烯10.4 压电换能元件的等效电路10.5 压电换能元件的信号转换电路10.6 压电式传感器的抗干扰问题10.7 典型的压电式传感器第11章谐振式传感器（6学时，基本掌握，讲授为主）11.1 谐振状态及其评估11.2 闭环自激系统的实现11.3 振动筒压力传感器11.4 谐振膜式压力传感器11.5 石英谐振梁式压力传感器11.6 谐振式科里奥利直接质量流量传感器第12章微机械与智能化传感器技术（5时，基本掌握，讲授为主，讨论为辅）12.1 概述12.2 几种典型的微硅机械传感器12.3 几种典型的智能化传感器12.4 若干新型传感器应用实例分析课程总结（1学时，讲授为主，讨论为辅）六、教学的基本思路“传感器技术及应用”教学以“一条主线、二个基础、三个重点、多个独立模块”的基本原则来进行。

四、传感器技术的发展趋势教学目标课，你们想怎样上？方法：评分标准分组：评分标准：（100分制）第一章传感器基础什么是传感器？思考：人身上有传感器吗？是什么类型传感器？传感器传感器的应用第二章光电式传感器光电式传感器的分类：一、预习问题储料仓二、问题解答概念题1、什么是外光电效应、光电管？光电效应光子能量光子能量吸收光子能量外光电效应使电子逸出物体表面光电管：光电阴极光电阳极光电子光电流光照强度光阴极的灵敏度电阻上的电压一定函数关系2、什么是光电倍增管？若干个倍增极逐级轰击次级发射倍增极106～108倍于紫外/可见/近红外光光度计，旋光仪、糖度计，发光分光光度计等3、什么是内光电效应、光敏电阻？电阻率阻值电流内光电效应开关式光电信号电阻率低阻态阻值亮电流原值呈高阻态4、光电二极管、光电三极管的结构？光电特性？反向反向偏置反向电阻光电流与阳极电压U AUminI∮U AU AUzI∮UAI∮UQ。

5、请举光源本身是被测物的光电传感器应用实例。

直接照射某些物理参数6、请举被测物吸收光通量的光电传感器应用实例。

光通量光电元件吸收量1—恒流源 2—半导体激光器 3—半反半透镜 4—反射镜5—被测水样6、9—光电池7、10—电流/电压转换器8—标准水样恒定红外光部分红外光减弱阀值判断电路7、请列举被测物体反射光通量的光电传感器应用实例。

反射反射光通量性质、状态和与光源之间的距离8、请举被测物遮挡光通量的光电传感器应用实例。

光通量减弱尺寸或位置正确位置零遮光面积方向及大小9、什么是光电开关？分别用图片介绍对射式、镜反射式、漫反射式、槽式、光纤式光电开关的用法。

靠近和通过强弱变化电流的变化电隔离的(即电缘绝)“通”与“断”10、什么是计量光栅？莫尔条纹的工作原理？应用举例？等节距刻线结构原理简单、计量精度高和分辨力强11、什么是光纤传感器？其在检测温度、加速度方面怎么应用？光纤自身直接接收长度、折射率、直径振幅（强度）、相位、波长和偏振方向被动式无需光源光强信号电信号考光束与测量光束光程差干涉效应电信号12、什么是红外线传感器？有什么应用？绝对零度热效应温度升高其他物理量自身的温度电信号光—热—电1、如图设计一套检测机构，检测输送带上往前输送的电路板的摆放位置是否正确。