第三章 常用传感器与敏感元件1

1、华南理工大学广州学院第三章 常用传感器与敏感元件第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器第七节第七节 半导体传感器半导体传感器第十节第十节 传感器的选用原则传感器的选用原则华南理工大学广州学院传感器的定义：传感器的定义： 传感器是以一定的精度和规律把被测量传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。种物理量的测量装置。华南理工大学广州学院第

2、三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。 电阻式传感器分类：电阻式传感器分类： 变阻器式传感器变阻器式传感器 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 固态压阻式传感器固态压阻式传感器华南理工大学广州学院1 1、变阻器式传感器、变阻器式传感器变阻器式传感器又称为变阻器式传感器又称为电位计式传感器电位计式传感器。它通过改变电位器。它通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻触头位置，实现将位移转换为电阻R R的变化。的变化。导体材质和截面积一定，其阻值随导线长

3、度而线性变化。导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。变阻器式传感器除可以测量线位移和角位移，还可以测量任变阻器式传感器除可以测量线位移和角位移，还可以测量任何可以转换为位移的物理参数，如压力、加速度等。何可以转换为位移的物理参数，如压力、加速度等。华南理工大学广州学院工作原理：工作原理：一个电导体的电阻值：一个电导体的电阻值：式中：式中：R R电阻（电阻（）；）； 材料的电阻率（材料的电阻率（mmmm2 2/m/m）；）； l l导体的长度（导体的长度（m m）；）； A A导体的截面积（导体的截面积（mmmm2 2）。）。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。电阻丝直径和材

4、质一定，电阻值随导线长度改变。变阻器式传感器有变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型直线位移型、角位移型和非线性型等。等。)(AlR华南理工大学广州学院变阻器式传感器变阻器式传感器华南理工大学广州学院直线位移型直线位移型k kl l为单位长度中的为单位长度中的电阻电阻 。其灵敏度：其灵敏度：ldxdRksxkRlxCxABCR当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。华南理工大学广州学院角位移型角位移型 灵敏度：灵敏度：触点转角触点转角(rad)(rad)；k ka a单位弧度对应的电阻单位弧度对应的电阻值。值。kd

5、dRskR ACB华南理工大学广州学院xACB3）非线性型）非线性型2kxR 非线性型非线性型 输出电阻输出电阻( (或电压或电压) )与电刷位移与电刷位移( (包括线位移或角位移包括线位移或角位移) )之间具有非线性函数关系的一种电位器之间具有非线性函数关系的一种电位器 。华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuopLPpeoxxRRxxuu1华南理工大学广州学院变阻器式传感器的优缺点：变阻器式传感器的优缺点：优点：结构简单，性能稳定，使用方便；优点：结构简单，性能稳定，使用方便；缺点：分辨力受电阻丝直径限制，

6、很难优于缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于20m20m；较；较大的噪声（大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因着等原因）。）。华南理工大学广州学院2 2、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器 可测参数：可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。应变、力、位移、加速度、扭矩等。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器: :金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体应变片半导体应变片。 （1 1）金属电阻应变片）金属电阻应变片 基本工作原理：基本工作原理： 当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。华南理工大学广

7、州学院主要形式：主要形式：金属电阻应变片有金属电阻应变片有丝式丝式和和箔式箔式两种。两种。金属丝式应变片是用金属丝式应变片是用0.010.010.05mm0.05mm的金属丝绕的金属丝绕成敏感栅成敏感栅 ，粘贴在，粘贴在绝缘的基片和覆盖层绝缘的基片和覆盖层之间，之间，由引出导线接于电路上。由引出导线接于电路上。华南理工大学广州学院应变片实际使用：应变片实际使用：将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。外将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。外力作用下，金属丝随物体一同变形，电阻值发生变化，将被力作用下，金属丝随物体一同变形，电阻值发生变化，将被测量的变化转换为电阻值的变化。测量的变化转换为电阻值的变化。

8、华南理工大学广州学院依次代入式（依次代入式（3 35 5），得），得）简化为很小，可忽略。式（而言，引起；对于金属电阻丝由电阻丝的电阻率改变为常数；引起，同一电阻材料，由电阻丝几何尺寸改变8321)21 (EE华南理工大学广州学院 说明：说明：l S Sg g为应变片系数或灵敏度为应变片系数或灵敏度, ,金属电阻丝的灵敏度常在金属电阻丝的灵敏度常在1.71.73.63.6之中。之中。 华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院RRS24. 021010001206SRRmARUI5 .121205 . 1mARRUI475.1224.1205 . 1%2 . 05 .12475.125 .12I

9、解：因为电阻应变片灵敏度系数 所以，电阻变化量 无应变时电流表示值 有应变时电流表示值 电流表指示值的相对变化量 不能。这个变化量是太小，必须用高灵敏度的微安表方可读出，一般接入电桥。华南理工大学广州学院（2 2）半导体应变片）半导体应变片 半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。 工作原理：工作原理：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应压阻效应。 实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但实际上，任何材料都不同程度地

10、呈现压阻效应，但半导体半导体材料的这种效应特别强材料的这种效应特别强。 单晶半导体在外力作用下，原单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变子点阵排列规律变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变化，从而引起电阻率变化。化，从而引起电阻率变化。华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院 金属丝电阻应变片与半导体应变片金属丝电阻应变片与半导体应变片 的主要区别是什么？的主要区别是什么？华南理工大学广州学院 半导体应变片的优点是半导体应变片的优点是: : 灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量

11、；于测量；体积小，扩大了半导体应变片的使用范围。体积小，扩大了半导体应变片的使用范围。 最大的缺点是最大的缺点是温度误差大温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使，故需温度补偿或恒温条件下使用。用。华南理工大学广州学院应变片粘贴于应变片粘贴于弹性元件弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输

12、出。出。 华南理工大学广州学院二、电容式传感器二、电容式传感器1 1、变换原理、变换原理 定义：定义：电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。物理量的变化转换为电容量的变化。 公式：公式：平板电容器的电容可表达为：平板电容器的电容可表达为： FAC0华南理工大学广州学院各参数含义：各参数含义：极板间介质的介电常数，当介质为空气时极板间介质的介电常数，当介质为空气时=1=1；0 0真空介电常数真空介电常数,0 0=8.85=8.851010-1 2-1 2(F/m);(F/m); A A极板面积（极板面积（m m2 2）

13、；）；两极板间距离（两极板间距离（m m）。）。结论：结论：被测量使被测量使、A A或或变化，均会引起电容变化，均会引起电容C C变化。保变化。保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。数的变化变换成电容量的变化。分类分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应三种，前两种应用较广。用较广。 华南理工大学广州学院（1 1）极距变化型）极距变化型极距有一微小变化量极距有一微小变化量

14、dd时，引起电容变化量时，引起电容变化量dCdC为为dAdC20华南理工大学广州学院灵敏度为灵敏度为20AddCS结论：结论：极板间距越小，灵敏度越高。但为了满足近似线性关系，极板间距越小时，要求间距的变化也越小，也就是测量范围变小。所以要根据实际情况，在灵敏度、测量范围、非线性误差之间平衡。华南理工大学广州学院（2 2）面积变化型）面积变化型华南理工大学广州学院a)a)角位移型角位移型电容量电容量灵敏度灵敏度结论：输出与输入成线性关系。结论：输出与输入成线性关系。华南理工大学广州学院b)b)平面线位移型平面线位移型华南理工大学广州学院c)c)圆柱体线位移型圆柱体线位移型华南理工大学广州学院华

15、南理工大学广州学院（3 3）介质变化型）介质变化型 大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。测量温度、湿度、容量等。图解：图解：图图3 314a14a，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿 度发生变化时，介电常数变，导致电容量变化；度发生变化时，介电常数变，导致电容量变化；图图3 314b14b，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入高度变

16、化，电容量变化。高度变化，电容量变化。 华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院介质可移动介质可移动华南理工大学广州学院 例题：一个电容测微仪，其传感器的圆形极板的半径 r = 4mm，工作初始间隙=0.3mm， 空气介质。问： 1） 工作时，如果传感器与工件的间隙变化量2 m 时，电容变化量是多少？ 2） 如果测量电路的灵敏度1100/SmVpF，读数仪表的灵敏度25/SmV 格， 在2 m 时，读数仪表的指示值变化多少格？ 华南理工大学广州学院4 4、电容式传感器的应用：、电容式传感器的应用：电容式传感器广泛应用在电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位位移、压力、流量、液位等的测等的

17、测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，如有电试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，如有电容式位移传感器，精度可达容式位移传感器，精度可达5m5m。 华南理工大学广州学院三、电感式传感器三、电感式传感器 电感式传感器的工作原理是把被测量如位移等，转换为电电感式传感器的工作原理是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。感量变化的一种装置。 按照转换方式的不同，可分为按照转换方式的不同，可分为自感型自感型（包括可变磁阻式与（包括可变磁阻式与涡流式）和涡流式）和互感型互感型（差动变压器式）两种。（差动变压器式）两种。1 1、自感型、自感型（1 1）可变磁阻式）可变磁阻式 组成：线圈

18、、铁心和衔铁。组成：线圈、铁心和衔铁。 华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院由电磁感应原理，线圈自感由电磁感应原理，线圈自感L L为为N-N-线圈匝数，线圈匝数，R Rm m- -磁路总磁阻磁路总磁阻HH-1-1 。当气隙当气隙较小时，该磁路的总磁阻较小时，该磁路的总磁阻mRNL2002AAlRm（323）华南理工大学广州学院式中式中 l l铁芯的导磁长度铁芯的导磁长度(m);(m);铁芯磁导率铁芯磁导率 (H/m);(H/m);A A铁芯导磁截面积铁芯导磁截面积; ;气隙宽气隙宽(m);(m);0 0空气磁导率空气磁导率, , 0 0=4=41010-7-7(H/m);(H/m);A A

19、0 0空气气隙导磁横截面积空气气隙导磁横截面积(m(m2 2) )铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁阻阻R Rm m近似为近似为 002ARm华南理工大学广州学院代入代入3 32323，得，得2002ANL 当当A A0 0固定，变化固定，变化时，时，L L与与成非线性变化关系，此时传成非线性变化关系，此时传感器灵敏度感器灵敏度20022ANddLS华南理工大学广州学院灵敏度灵敏度S S与与的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生非线性误差。因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围非线性误差。因

20、此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。当气隙变化甚小即内工作。当气隙变化甚小即0 0时，灵敏度时，灵敏度S S近似为近似为200022ANSS S此时为一定值，输出与输入近似成线性关系。实际应用中常此时为一定值，输出与输入近似成线性关系。实际应用中常选取选取/0.1/0.1。这种传感器适宜于测量小位移，一般为。这种传感器适宜于测量小位移，一般为0.0011mm0.0011mm。华南理工大学广州学院（2 2）涡流式）涡流式n 涡电流式传感器变换原理：利用金属导体在交变磁场中的涡电流式传感器变换原理：利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应涡电流效应。n 高频反射式涡流传感器工作原理：高频反射式

21、涡流传感器工作原理：涡流产生：涡流产生：当线圈中通以一当线圈中通以一交变高频电流交变高频电流i i时，会引起时，会引起一一交变磁通交变磁通。在靠近线圈的金属表面内部产生一。在靠近线圈的金属表面内部产生一感感应电流应电流i i1 1，该电流，该电流i i1 1即为涡流。即为涡流。抵抗作用：抵抗作用：根据楞次定律，由该涡电流产生的根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁交变磁通通1 1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即将与线圈产生的磁场方向相反，亦即1 1将抵抗将抵抗的变化。的变化。华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院线圈的阻抗变化及影响因素：线圈的阻抗变化及影响因素：由于该涡流磁场的作用，由于该涡

22、流磁场的作用，会使线圈的会使线圈的等效阻抗等效阻抗发生变化，其变化的程度除了与发生变化，其变化的程度除了与两者间的两者间的距离距离有关外，还与金属板的有关外，还与金属板的电阻率电阻率、磁磁导率导率以及线圈的以及线圈的激磁电流圆频率激磁电流圆频率等有关。等有关。主要应用：主要应用：变化变化，可作为位移、振动测量；变化，可作为位移、振动测量；变化，可作为材质鉴别；变化可作为材质鉴别；变化，可用于探伤。，可用于探伤。n 涡流式传感器的测量电路：涡流式传感器的测量电路：华南理工大学广州学院n涡电流式传感器应用：涡电流式传感器应用：动态非接触测量动态非接触测量u涡电流式位移和振动测量仪涡电流式位移和振动

23、测量仪u测厚仪测厚仪u无损探伤无损探伤u径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量u零件计数、表面裂纹和缺陷测量零件计数、表面裂纹和缺陷测量径向振动测量 轴心轨迹测量 华南理工大学广州学院2 2、互感型差动变压器式电感传感器、互感型差动变压器式电感传感器n 互感型传感器的工作原理：互感型传感器的工作原理： 利用电磁感应中的利用电磁感应中的互感现象互感现象，将被测，将被测位移量位移量转换成转换成线线圈互感的圈互感的变化。变化。华南理工大学广州学院n传感器实质是一个变压器传感器实质是一个变压器，初级线圈接入稳定交流电源，次，初级线圈接入稳定交流电源，次级线圈感

24、应产生输出电压。级线圈感应产生输出电压。M M变化，副线圈输出电压变化。由变化，副线圈输出电压变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传差动变压器式传感器感器。工作原理如图。工作原理如图3 32020。华南理工大学广州学院n差动变压器式传感器的优点是：差动变压器式传感器的优点是： 测量精度高，可达测量精度高，可达0.1m0.1m； 线性范围大，可到线性范围大，可到100100mmmm； 稳定性好，使用方便。稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移因而被广泛应用于直线位移, ,或借助弹性元件将压力、重或借助弹性元件将压力、重量等参数转换

25、为位移变化，实现间接测量。量等参数转换为位移变化，实现间接测量。华南理工大学广州学院第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器 概念：一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，亦称概念：一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，亦称电磁感应式或电动力式传感器。电磁感应式或电动力式传感器。 由电磁感应定律可知，当穿过一个线圈的磁通由电磁感应定律可知，当穿过一个线圈的磁通发生变化发生变化时，线圈中所感应产生的电动势时，线圈中所感应产生的电动势dtdNe结论：结论：线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的

26、磁通变化率。磁通变化率与磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度运动速度有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应电动势。电动势。华南理工大学广州学院二、压电式传感器二、压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器。压电式传感器是一种可逆型换能器。l 机械能机械能电能：可用来测量力、压力、加速度等；电能：可用来测量力、压力、加速度等；l 电能电能机械能：可用于高频振动台、超声发射器、扬声器机械能：可用于高频振动台、超声发射器、扬声器等。等。主要优点：主要优点：l 体积小；体积小；l 重量小；重量小；l 固有频率

27、高（加速度传感器，可测频率范围固有频率高（加速度传感器，可测频率范围0.120kHz) ；l 灵敏度高（加速度传感器，可测灵敏度高（加速度传感器，可测10102 210105 5msms-2-2、力传感、力传感器，分辨力达器，分辨力达10103 3N N）。华南理工大学广州学院1 1、压电效应、压电效应 定义：定义： 某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等晶体，当受到某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等晶体，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部会产生外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部会产生极化作用，从而会在晶体的相应表面产生电荷，形成电场。极化作用，从而会在晶体的相应表面

28、产生电荷，形成电场。晶体的这一性质称为压电效应。晶体的这一性质称为压电效应。说明：说明： 压电效应可逆：当压电晶体置于外电场，其几何尺寸压电效应可逆：当压电晶体置于外电场，其几何尺寸也会发生变化，这种物理现象称为也会发生变化，这种物理现象称为逆压电效应逆压电效应。 具有压电效应的晶体称之为压电晶体，石英晶体是常具有压电效应的晶体称之为压电晶体，石英晶体是常用的压电材料之一。用的压电材料之一。华南理工大学广州学院小结：小结：l石英晶体切片受石英晶体切片受x向压力，产生的电荷量与作用力成正比，向压力，产生的电荷量与作用力成正比，与切片的几何尺寸无关；与切片的几何尺寸无关；l石英晶体切片受石英晶体切

29、片受y y向压力，产生的电荷量与切片的几何尺向压力，产生的电荷量与切片的几何尺寸有关，且电荷的极性与沿寸有关，且电荷的极性与沿x x轴施加压力时产生的电荷极性轴施加压力时产生的电荷极性相反。相反。l若压电体受到多方向的作用力，晶体内部将产生一个复若压电体受到多方向的作用力，晶体内部将产生一个复杂的应力场，会同时出现纵向效应和横向效应。压电体各杂的应力场，会同时出现纵向效应和横向效应。压电体各表面都会积聚电荷。表面都会积聚电荷。华南理工大学广州学院3 3、压电式传感器及其等效电路、压电式传感器及其等效电路华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院等效电路：等效电路：压电传感器可被视为一个电荷源。压

30、电传感器可被视为一个电荷源。等效电路中电容器上的开路电压等效电路中电容器上的开路电压u u0 0、电荷、电荷q q以及电容以及电容C Ca a三者间三者间的关系有的关系有a0Cqu 华南理工大学广州学院5 5、压电式传感器的应用、压电式传感器的应用 压电式传感器常用来测量力、压力、振动加速度等，也压电式传感器常用来测量力、压力、振动加速度等，也用于声学和声发射测量。用于声学和声发射测量。华南理工大学广州学院（2）集成压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及

31、冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。 脉搏计照片 典型应用： 脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量 管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等 华南理工大学广州学院三、热电式传感器三、热电式传感器l定义：将温度转换为电量变化的一种装置。定义：将温度转换为电量变化的一种装置。l分类：热电偶和热电阻。分类：热电偶和热电阻。1、热电偶、热电偶（1）热电偶工作原理）热电偶工作原理n 热电效应：热电效应： 两种不同的金属导体两种不同的金属导体 A A 和和 B B 组成一个闭合回路时若两个组成一个

32、闭合回路时若两个结合点的温度不同，则在回路中就有电流产生，这种现象结合点的温度不同，则在回路中就有电流产生，这种现象称热电效应。相应的电势称称热电效应。相应的电势称热电动势热电动势。 A A、B B 称为热电极，两电极的连接点称为接点。测温时置称为热电极，两电极的连接点称为接点。测温时置于被测温度场于被测温度场 T T 的接点称为热端，另一端称为冷端。的接点称为热端，另一端称为冷端。华南理工大学广州学院n热电偶回路的特点：热电偶回路的特点：n如果热电偶的两个热电极材料相同，两结点的温度虽然如果热电偶的两个热电极材料相同，两结点的温度虽然不同，但总的热电势仍为零。因此，热电偶必须由两种不同，但总

33、的热电势仍为零。因此，热电偶必须由两种不同的材料构成；不同的材料构成；n如果热电偶两个接点的温度相同，即使两个热电极如果热电偶两个接点的温度相同，即使两个热电极 A A、B B 的材料不同，回路中热电势仍然为零，因此要产生热的材料不同，回路中热电势仍然为零，因此要产生热电势不但要求两个电极材料不同，而且两个接点必须有电势不但要求两个电极材料不同，而且两个接点必须有温度差；温度差；n热电势与导体材料热电势与导体材料A A、B B的中间温度无关，仅与两个接点的中间温度无关，仅与两个接点的温度有关。的温度有关。华南理工大学广州学院n热电偶的基本定律：热电偶的基本定律：n中间导体定律：中间导体定律：中

34、间导体的热电偶回路在热电偶测温过程中，需要中间导体的热电偶回路在热电偶测温过程中，需要用连接导线将热电偶与测量仪表接通，这相当于在热电偶回路中接用连接导线将热电偶与测量仪表接通，这相当于在热电偶回路中接入第三种导体入第三种导体 C C，如图，如图 3 34040所示。所示。只要第三种导体两端的温度相只要第三种导体两端的温度相等，则对热电偶回路总的热电势没有影响，这就是中间导体定律。等，则对热电偶回路总的热电势没有影响，这就是中间导体定律。因此可以在回路中引入各种仪表直接测量其热电势，也允许采用不因此可以在回路中引入各种仪表直接测量其热电势，也允许采用不同方法来焊接热电偶，或将两热电极直接焊接在

35、被测导体表面。同方法来焊接热电偶，或将两热电极直接焊接在被测导体表面。中间导体的热电偶回路华南理工大学广州学院n中间温度定律：中间温度定律：热电偶回路中，热端温度为热电偶回路中，热端温度为 T T、冷端为、冷端为 T T0 0时的热时的热电势，等于此热电偶热端为电势，等于此热电偶热端为T T、冷端为、冷端为T Tn n，及同一热电偶热端为，及同一热电偶热端为 T Tn n、冷端为冷端为T T0 0时热电势的代数和，如图所示：时热电势的代数和，如图所示：中间温度定律示意图华南理工大学广州学院2、热电阻传感器、热电阻传感器l 热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性测量热电阻是利用导体或半导

36、体的电阻随温度变化的特性测量温度的。用金属或半导体材料作为感温元件的传感器，分温度的。用金属或半导体材料作为感温元件的传感器，分别称为别称为热电阻热电阻和和热敏电阻热敏电阻。l 热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成。电阻体是主要部分。线盒等组成。电阻体是主要部分。华南理工大学广州学院（1 1）铂电阻）铂电阻l 特点：测温精度高，稳定性好，性能可靠；特点：测温精度高，稳定性好，性能可靠；l 测温范围：测温范围：-200-200 850850l 电阻与温度关系：电阻与温度关系： 说明：说明：Rt和和 R0分别为分别为 t 和

37、和 0 时的铂电阻值；时的铂电阻值；A、 B 为常数。为常数。华南理工大学广州学院（2 2）铜电阻）铜电阻l 特点：测温精度低于铂电阻，但线性度好、电阻温度系数特点：测温精度低于铂电阻，但线性度好、电阻温度系数高、价格便宜。高、价格便宜。l 测温范围：测温范围：-50-50 150150l 电阻与温度关系：电阻与温度关系：l R Rt t是温度为是温度为 t t时铜电阻值；时铜电阻值；R R0 0是温度为是温度为 0 0 时铜电阻值；时铜电阻值；a a1 1是常数；是常数；a a1 1= 4.25-4.28 = 4.25-4.28 1010-8-8-1-1。 华南理工大学广州学院l 铜电阻体为

38、一个铜丝绕组（含锰铜补偿部分），由直径约铜电阻体为一个铜丝绕组（含锰铜补偿部分），由直径约0.1mm的绝缘铜丝绕在圆形塑料支架上。的绝缘铜丝绕在圆形塑料支架上。华南理工大学广州学院作业： P126 3-11华南理工大学广州学院第七节 半导体传感器 物性型传感器物性型传感器:利用敏感元件材料本身的物理化学利用敏感元件材料本身的物理化学性质实现信号的变换性质实现信号的变换. 物性型传感器大多属于半导体传感器物性型传感器大多属于半导体传感器. 半导体传感器具有明显的优点半导体传感器具有明显的优点: 1.结构简单结构简单,体积小体积小,重量轻重量轻,灵敏度高灵敏度高. 2.功耗低功耗低,安全可靠安全可

39、靠,寿命长寿命长. 3.对被测量敏感对被测量敏感,响应快响应快. 4.易集成化易集成化.华南理工大学广州学院磁敏传感器磁敏传感器1. 霍尔传感器霍尔传感器利用霍尔元件基于利用霍尔元件基于霍尔效应原理霍尔效应原理而将被测量转换成电而将被测量转换成电动势输动势输出的一种传感器出的一种传感器霍尔元件：基于霍尔效应工作的半导体器件。霍尔元件：基于霍尔效应工作的半导体器件。组成材料组成材料：砷化铟（：砷化铟（InAs）、锑化铟（）、锑化铟（InSb）、锗（）、锗（Ge）、）、砷化镓（砷化镓（GaAs）等）等高电阻率半导体材料高电阻率半导体材料。霍尔效应霍尔效应：将半导体薄片（霍尔板）置于一磁场中，板厚：

40、将半导体薄片（霍尔板）置于一磁场中，板厚d一般远小于板宽一般远小于板宽b和板长，当在板长度方向通以控制电和板长，当在板长度方向通以控制电流流I时，则在板的侧向（宽度方向）会产生电势差时，则在板的侧向（宽度方向）会产生电势差,称为称为霍尔电势霍尔电势,这种现象称为霍尔效应这种现象称为霍尔效应.华南理工大学广州学院sinHBVk iB如果改变如果改变B或或i，就可以改变霍尔电势。，就可以改变霍尔电势。华南理工大学广州学院 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块半导体单晶薄片半导体单晶薄片(一般为一般为420.1mm3)，在它的长度方向，

41、在它的长度方向两端面上焊有两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。华南理工大学广州学院钢丝绳断丝检测华南理工大学广州学院 热敏电阻是一种半导体温度传感器，利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成。 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。二、热敏传感器二、热敏传感器 )11(00TTeRRRT华南理工大学广州学院 电阻-温度特性 式中RT, R0热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值 T0, T 介质的起始温度和变化温度（K）； t0 , t 介质的起始温度和变化温度（）； B 热敏电阻材料常数，一般为20006000K， 其大小取决于热敏电阻的材料华南理工大学广州学院五、固态图象五、固态图象(CCD)传感器传感器 固态图象传感器：一种固态集成元件，其固态图象传感器：一种固态集成元件，其核心部分是电荷耦合器件（核心部分是电荷耦合器件（Charg