第四章 常用传感器基本原理与参数测试

1、西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术第四章第四章 常用传感器原理与参数测试常用传感器原理与参数测试 1 概述概述 2 电阻式传感器电阻式传感器 3 电容式传感器电容式传感器 4 热电式传感器热电式传感器 5 光电式传感器光电式传感器 6 半导体磁效应传感器霍尔传感器半导体磁效应传感器霍尔传感器西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术1 概述概述传感器定义：传感器定义：传感器是一种能将特定的被测信息（物理量、化学量、生物量等），按一定规律转换成某种可用输出信号的器件。 智能传感器：传感器与微处理器相结合所形成的不仅具有信号检测功能，而且具有信息处理功能的传感器系统 分类：分类：按

2、输入量：温度、压力、流量、位移等按输出量：电压、电流、电荷、电阻、电感、电容等考虑传感器的输入-输出对应关系：静态特性：静态输入信号动态特性：动态输入信号西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术传感器静态特性传感器静态特性（1）灵敏度与信噪比灵敏度：传感器输出量的变化值与相应被测量(输入量)的变化值之比 描述传感器的输出量(一般为电学量)对输入量(一般为非电学量)敏感程度 传感器校准曲线的斜率即为灵敏度。对线性传感器来说，灵敏度是一个常数；非线性传感器的灵敏度则随输入量变化 灵敏度高的传感器不一定是最好的传感器。这是因为它易受噪声的影响。 SN小，信号与噪声就难以分清。 ( )yk xx

3、输出量的变化值输入量的变化值西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术（2）线性度）线性度传感器的输出输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，也称“非线性误差”、 “非线性度”。通常用相对误差表示其大小： max100%fFSeY 非线性误差大小是以一拟合直线或理想直线作为基准直线计算出来的，基准直线不同，所得出的线性度就不一样 ，最常用的是最小二乘法线性度 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术最小二乘法原理：最小二乘法原理： 设拟和的直线为 ，第j个测量点的输出 与拟和直线上的相应值的偏差为 ，最小二乘法拟和直线的原则就是使N个点的均方差 为最小值，即一

4、阶偏导等于零 可得到b和k的值。y = kx + bjjjLkx +by2NN2jjjj 1j 111LNNkx + byff= 0,= 0bkNNNN2jjjjjj1j1j1j1NN22jjj1j1NNNjjjjj1j1j1NN22jjj1j1yybN()NyykN()xxxxxxxxxjy西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术（3）灵敏度界限）灵敏度界限(阈值阈值)输入变小，输出也变小。但一般来说，输入小到某种程度，输出就不再变化了，这时的输入叫做灵敏度界限。（4）迟滞差）迟滞差输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等，叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度

5、。其值以满量程的输出的百分数表示。m ax100%tFSeY(5)稳定性稳定性稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术传感器的动态特性传感器的动态特性 研究传感器动态特性的方法是： 当输入信号是阶跃函数时，用瞬态响应法，即用时域范围内，响应曲线的上升时间、响应时间、过调量等参数作为评定指标； 当输入信号是正弦函数时，用频率响应法，其重要指标是频带宽度（带宽）。 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术2 电阻式传感器 电阻式传感器是一种将非电量参数(如压力、拉力、扭力、位移等)的变化转变为电阻值变化的传感器。 按工作原理可分为

6、电位器式电阻传感器、应变式电阻传感器、热敏电阻传感器和气敏电阻传感器。 比较重量设定原料原料西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 应变式电阻传感器：应变式电阻传感器：是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。电阻应变片的工作原理基于金属的应变效应。金属应变效应是指金属导体的电阻随着它所受机械变形(伸长或缩短)的大小而发生变化的现象。 lRs2RRRllRlSlSlSSSS RlSRlS22SrSrr2SrSr西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术令 为电阻丝轴向相对伸长，即轴向应变；而 则为电阻丝径向相对伸长，即径向应变。两者的比例系数即为泊松系数 ，且力的方向

7、相反(以负号表示)，即 llrrrlrl 2SS (12)(12)(12)RRRR 金属线材的电阻相对变化与轴向应变成正比西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术应变式电阻传感器的种类及选用应变式电阻传感器的种类及选用（1）电阻丝式应变片：增大阻值制成栅状（2）箔式应变片：光刻、腐蚀等工艺制成，很薄厚度0.003-0.01mm之间。面积大、散热好允许通过较大电流。应力与实际接近。（3）半导体式应变片：单晶硅施加一定载荷其电阻率变化。灵敏度高（金属式的50倍）温度系数大，灵敏系数非线性严重。电阻应变片主要参数：电阻应变片主要参数：（1）电阻值：未安装、不受外力、室温时测的电阻值标准化，60

8、、120、350、600、1000。（2）绝缘电阻：敏感栅与基地间的电阻值。（3）灵敏系数k：轴线方向施加应力，阻值相对变化与应变之比。关键参数，尽量大且稳定。（4）允许工作电流：不影响测量准确度的最大工作电流。25mA。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术（5）应变极限：一定温度时指示应变与实际应变值之差不超过允许值（如10%）时的最大真实应变数值。（6）机械滞后：温度一定，增加和减小机械应变过程中同一应变量指示应变最大差值。（7）零点漂移：温度一定，无应变时，指示应变随时间的变化。（8）蠕变：温度一定，承受一定的应变时指示应变随时间的变化。选择和使用应变片的注意事项：选择和使用应

9、变片的注意事项：（1）应变片适合阻值变化较小的场合。灵敏度高。阻值较大时刻选用电位器式电阻传感器。（2）尽量选用灵敏度大的应变片，且k尽量为常数。（3）温度系数小。（4）黏合剂的选择和粘贴技术：处理表面（打磨、酒精擦洗）、502、焊接引线、检查绝缘、704保护（5）温度补偿西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术电容式传感器：电容式传感器：工作原理：工作原理：将被测量的变化转化为电容量变化变间隙式：变间隙式：测量微小的线性位移变面积式：变面积式：般用来测角位移(一度至几十度)或较大的线位移；变介电常数式：变介电常数式：常用于固体或液体的物位测量，也用于测定各种介质的温度、密度等状态参数。

10、后两者呈正比，第一个是非线性关系。 SC20000001()1().1xSSxxCCxx00(1)xxCC0( /)1x11cxCS容抗 ，容抗与 成正比西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术电容式传感器的特点：电容式传感器的特点：（1）需要的动作能量或力极小。在移动过程中，没有摩擦和几乎没有反作用力，特别适宜用来解决输入能量低的条件下的测量问题。 （2）有良好的动态响应特性。作用能量极小，有较小的可动质量，有较高的固有频率。能在几兆赫的频率下工作，有良好的动态响应能力。 (3)灵敏度高，分辨力强。能感受或分辨0.01微米甚至更小的位移。 (4)零点漂移很小。本身几乎不存在发热问题，不

11、存在由本身发热而引起的零点漂移。 (5)能实现无接触测量。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 2mNLRmFRRRFRR02RS2202NNSLR西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 磁电式传感器 dENdt dENBSdt西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 压电式传感器压电式传感器 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。压力变送器压力变送器而产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗。但在

12、实际线路中，电荷将会逐渐泄漏。因此，压电传感器不能用于静态测量。故压电传感器应在动态测量中使用。 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术热电式传感器热电式传感器 工作原理：基于热电效应 将两种材料不同的导体的两个端点焊接在一起，构成一个闭合回路。如果两连接点1和2温度不同，回路中就会有一个电动势，并在闭合回路中产生电流。这个电势和电流与两种导体的性质和两个接点间的温度差有关。这种现象就称为热电效应或塞贝克效应。 T1T2，接点1称热端或称工作端，接点2称冷端，热电势是由接触电势(又称珀尔帖电势)和单一导 体的温差电势(又称汤姆逊电势)组成。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术

13、接触电势产生的原理：接触电势产生的原理：不同的导体具有不同的自由电子浓度。当两种不同导体接触后，自由电子便从浓度高的一方向浓度低的一方扩散，结果在界面附近一方失去电子，带正电；另一方得到电子带负电，在两导体的接触面上形成电位差。达到动平衡时形成接触电势。lnAABBkTNeeN西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术温差电势：温差电势：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。由于两端温度不同，导体内自由电子的运动速度不同，高温端的电子运动速度比低温端的电子运动速度要大。因此，电子将从速度大的区域向速度小的区域扩散，结果高端失去电子而带正电，低端得到电子而带负电，从而在导体的两端形成

14、温差电势。在和两个导体组成的热电偶回路中，总的热电势为 2112121212TA12BATB( , )( )( )( , )( , )N(T T)ln(-)NABABABBAET TeTeTT TT TkdTe 00TA0ATTB0BT(T ,T )(T ,T )dTdT温度高的一端为工作端，温度低的一端为自由端。根据热电势与温度的关系，制成热电偶分度表，自由端温度恒定为0西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术中间金属定律中间金属定律：在由A和B两种导体组成的热电偶回路中，不管从何处接入第三导体，只要保证接入导体两端的温度相同，则接入导体时将不影响原来回路中的热电势。 可见，要测量热电

15、偶回路中的热电势，只要保证接入的仪表两接点温度相同，就能准确测量出原热电偶回路中的热电势。00212121TTC0BC0CA0ABTTT0CBABTACT0BABTAT0ABT0( ,)( )( )( )TNN(lnln)( )(-)NNTNln( )(-)N( )( )(-)( ,)ABABABABABABABET TeTeTeTdTdTkeTdTekeTdTeeTeTdTET T 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术131223( ,)( ,)(,)E T TE T TE T T冷端温度为T2=30时的热电势 ，查特性分度表得到1212( ,0)(,0)( ,)E TE TE T

16、 T(30,0)E中间温度定律：中间温度定律：两节点温度为T1和T2时热电势为E（T1，T2），当节点温度为T2和T3时，热电势为E（T2，T3），则当节点温度为E（T1，T3）时为12( ,)E T T(T1,0)E得到 ，查分度表得到T1西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术冷端温度补偿：冷端温度补偿：必要性：必要性：热电偶的热电势是两节点温度差的函数，作为参比端的冷端温度必须恒定才有利于测量的规范化。即需要冷端温度补偿。方法：方法：（1）0恒温法：将热电偶的冷端置于0恒温器内，此时工作状态与分度表一致。测出热电势后查分度表直接得到热端温度。如冰水混合物。西北工业大学自动化学院电气

17、工程系-电气测试技术（2）补偿导线：当热电偶用于高温测量时，其冷端温度受热端温度影响很大，并随热端温度变化而波动。补偿导线法就是采用一种专用补偿导线来延长热电偶，使冷端移到不受热端温度影响的远处，从而得到一个不为0但温度较为稳定的冷端温度。要满足由必须 补偿导线的热电动势标称值与热电偶相同。AB12CD20AB10( ,)(,)( ,)ET TET TET TAB12CD20AB12AB20( , )( , )( , )( , )E T TE T TE T TE T TCD20AB20(,)(,)ET TET T西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术半导体热敏电阻：半导体热敏电阻：将温

18、度信号转变为电阻值变化的一种传感器 ATTRKeBTTRKe1TTdRARdT21TTdRBRdTT 温度系数 负温度系数热敏电阻的温度系数为负，且与电阻温度的平方成反比，随温度降低而迅速增大，具有很高的灵敏度。应用较广热敏电阻特性：灵敏度高，可分辨0.02度，阻值范围大，适合不同电路的需要，可以远距离传输；热惯性小，快速测量；体积小、重量轻、结构简单。查表线性修正。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术总结：总结：热电偶（热电偶（Thermocouple）的特点）的特点响应快、不需要激励、便宜；冷端温度补偿CJC（Cold Junction compensation ），非线性 ；电

19、压低，易受干扰；典型精度为1。热敏电阻热敏电阻-Thermistor 负温度系数， 1KM欧， 2-线测量，分辨率高、电流低、响应快 ，需要激励、非线性西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术热电阻-RTD，Resistance Temperature Detector结实；响应速度慢、需要激励、非线性，变化量小、端电阻影响（2、3、4线测量电路），101K欧正温度系数。Pt100 (-100 to +850 C) ，Ni120 (-80 to +320 C) ，Cu10 (0 to +260 C)西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术ARJ21飞机蓄电池温度传感器特性西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术2线3线4线西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术电桥西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术R1:受环境温度和被测量影响R2: 受环境温度影响差动传感器：消除温度的影响，而且提高了灵敏度。电桥：初始状态平衡西北工业大学自动化