传感器类型及原理--工作

1、传感器传感器基本类型及其工作原理基本类型及其工作原理1.1.传感器的分类传感器的分类 2.2.常用传感器测量原理常用传感器测量原理3.3.传感器测量电路传感器测量电路1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成（元件和转换元件组成（GB7665GB76658787）。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号

2、转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。物理量物理量电参量电参量2. 2. 传感器的构成传感器的构成 敏感元件敏感元件（或称预变换器，也统称弹性敏感元件）（或称预变换器，也统称弹性敏感元件） 在进行由非电量到电量的变换时，有时需利用弹性敏感元件，在进行由非电量到电量的变换时，有时需利用弹性敏感元件，先将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量先将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量。变换成电量。弹性敏感元件是传感器的心脏弹性敏感元件是传感器的心脏部分，在电测技

3、术中占有极为部分，在电测技术中占有极为重要的地位。它常由金属或非重要的地位。它常由金属或非金属材料做成，当承受外力作金属材料做成，当承受外力作用时，它会产生弹性变形；当用时，它会产生弹性变形；当去除外力后，弹性变形消失并去除外力后，弹性变形消失并能完全恢复其原来的尺寸和形能完全恢复其原来的尺寸和形状。右图为弹簧管压力计。状。右图为弹簧管压力计。 转换元件转换元件 （或称（或称传感传感元件）元件） 凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接变换为电参量的元件。例如应变计、压电晶体、压磁式器件、变换为电参量的元件。例如应变计、压电晶体、

4、压磁式器件、光电元件及热电偶等。光电元件及热电偶等。 它利用各种物理效应或化学效应等原理制成的。它利用各种物理效应或化学效应等原理制成的。 说明说明: : 并不是所有的传感器都包括并不是所有的传感器都包括敏感元件和转换元件敏感元件和转换元件两部分。有时不需要进两部分。有时不需要进行预变换这一步，例如热敏电阻、光电器件等。另外一些传感器，敏感元行预变换这一步，例如热敏电阻、光电器件等。另外一些传感器，敏感元件与件与转换转换元件合二为一，如固态压阻式压力传感器等元件合二为一，如固态压阻式压力传感器等。3. 3. 传感器的分类传感器的分类1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的

5、被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, ,力矩力矩; ;热工量热工量: :温度、热量、比热容、热流、温度、热量、比热容、热流、 热热分布、压力（压强）、压差、真空度、流分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、量、流速、物位、 液位、界面、噪声液位、界面、噪声电阻式电阻式, ,电感式电感式, ,电容式电容式, ,磁电式磁电式, ,热电式热电式, ,光电式等光电式等. .2)2)按传感器的工作原理分类按传感器的工作原理分类: :能量转换型和能量控制型能量转

6、换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: : 直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,磁电式位移计磁电式位移计. .能量控制型能量控制型: : 从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电容式声级计电容式声级计. .4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换实现信号

7、变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. . 电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器, , 按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :电位计式、电阻应变式、电位计式、电阻应变式、 压阻式、压阻式、热电阻式、湿（气、光）敏电阻式。热电阻式、湿（气、光）敏电阻式。4.1 4.1 电阻式传感器电阻式传感器1 1 电位计式传感器电位计式传感器4.1 电阻式传感器电阻式传感器EE1V VR

8、mRxR-Rx1EE1= =xLRmR+ +Lx()-案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料4.1 电阻式传感器电阻式传感器原理：原理： 弹簧弹簧-力力-位移位移-电位器电位器-电阻电阻 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的的变化而发生变化。变化而发生变化。 2 2 金属应变式传感器金属应变式传感器4.1 电阻式传感器电阻式传感器1) 1

9、) 工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR/=dAldAAldlAdR+=2代入代入AlR/=dRAdARldlRdR+=4.1 电阻式传感器电阻式传感器dAdAldlRdR+=有：有：金属丝：金属丝：2rA=drdrldlRdR+=2金属丝体积不变：金属丝体积不变：=ldlrdr4.1 电阻式传感器电阻式传感器有：有：dRdR+=2对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：)21(+=RdR金属丝应变片：金属丝应变片：4.1 电阻式传感器电阻式传感器应变计金属应变片金属应

10、变片4.2 电阻式传感器电阻式传感器 双臂电桥双臂电桥 R1、 R2为应变片，为应变片， R3、R4为固定电阻为固定电阻 。应变片应变片R1 、R2 感受到感受到的应变的应变 1 2以及产生以及产生的电阻增量正负号相的电阻增量正负号相间，可以使输出电压间，可以使输出电压Uo成倍地增大。成倍地增大。4.1 电阻式传感器电阻式传感器四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片如果设法使试件受力后，应变片R R1 1 R R4 4产生的电阻增量（或感受到的产生的电阻增量（或感受到的应变应变 1 1 4 4）正负号相间，就可以）正负号相间，就可以使

11、输出电压使输出电压U Uo o成倍地增大。上述三成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。补偿。4.1 电阻式传感器电阻式传感器全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 当环境温度升高当环境温度升高时，桥臂上的应变片时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样

12、能较小；半桥也同样能克服温漂。克服温漂。 4.1 电阻式传感器电阻式传感器电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力4.1 电阻式传感器电阻式传感器应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形4.1 电阻式传感器电阻式传感器案例：案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。4.1 电阻式传感器电阻式传感器人体秤人体秤 4.1 电阻式传感器电阻式传感器3 3 半导体压阻式传感器半导体压阻式传感器drdrldlRdR+=2简化为：简化为：(12)d REER=+优点：灵敏度大优点：灵敏度大; ;体积小体积小; ;固有频率高；固有频率高

13、；缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。对半导体压阻材料，电阻率变化大：对半导体压阻材料，电阻率变化大：压阻效应压阻效应:固体材料受到应力作用后，电阻率会发生固体材料受到应力作用后，电阻率会发生变化。变化。E为 压 阻 效 应 ， 其 值 远 大 于 前 两 项4.1 电阻式传感器电阻式传感器压阻式压力传感器的隔离、承压膜片压阻式压力传感器的隔离、承压膜片 隔离、承压膜片可以将腐蚀隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片性的气体、液体与硅膜片 隔隔离开来。离开来。 4.1 电阻式传感器电阻式传感器利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅

14、片利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好。上，工艺一致性好。 4.1 电阻式传感器电阻式传感器压阻式压力传感器压阻式压力传感器 内部结构：内部结构：信号处理电路信号处理电路4.1 电阻式传感器电阻式传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器4.1 电阻式传感器电阻式传感器投入式液位计外形投入式液位计外形压阻式压力传感器压阻式压力传感器 光柱光柱 显示器显示器 橡胶背压管橡胶背压管 h=h0+h1=h0+p1 /（ g） 4.2 电阻式传感器电阻式传感器4 4 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 使用气敏电阻传感器（以下简称

15、气敏电阻），可以把某使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。流、电压信号。 还原性气体传感器还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用测量还原性气体的气敏电阻一般是用S

16、nO2、ZnO或或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。 4.1 电阻式传感器电阻式传感器a a）气敏烧结体）气敏烧结体 b b）气敏电阻外形）气敏电阻外形 c c）基本测量转换电路）基本测量转换电路 11引脚引脚 22塑料底座塑料底座 33烧结体烧结体 44不锈钢网罩不锈钢网罩 55加热电极加热电极6 6工作电极工作电极 7 7加热回路电源加热回路电源 8 8测量回路电源测量回路电源 MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结

17、型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（图中体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。 气敏电阻工作时必须加热到气敏电阻工作时必须加热到200 300，其目的是加速被测气体的化学吸，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。 4.1 电阻式传感器电阻式传感器气敏电阻外形气敏电阻外形 酒精传感器酒精传感器 其他可燃性其他可燃性气

18、体传感器气体传感器4.2 电阻式传感器电阻式传感器酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管4.1 电阻式传感器电阻式传感器家庭用液化气报警器家庭用液化气报警器烟雾报警器烟雾报警器一氧化碳传感器一氧化碳传感器家庭用煤气报警器家庭用煤气报警器4.1 电阻式传感器电阻式传感器5 5 湿敏电阻传感器湿敏电阻传感器 绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量气中所含水汽的质量( (克数克数) )。 相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。汽压

19、的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达当相对湿度达100%100%时，称饱和状态。时，称饱和状态。 湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。吸湿材料制作湿敏电阻。 4.1 电阻式传感器电阻式传感器湿度传感器的分类湿度传感器的分类 4.1 电阻式传感器电阻式传感器6 6 热电阻传感器热电阻传感器 导体和半导体材料的电

20、阻率与温度有关，金属的电阻随温度升高而导体和半导体材料的电阻率与温度有关，金属的电阻随温度升高而变大，而半导体的电阻具有负的温度系数。变大，而半导体的电阻具有负的温度系数。 导体的电阻在一定温度范围内与温度具有线性关系导体的电阻在一定温度范围内与温度具有线性关系 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、铁等金属氧化物按一半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、铁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。而阻值下降。 )11(00TTeRR=RT负温度系数（负温度系数（NTC）4.1 电

21、阻式传感器电阻式传感器热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12 MF12型型 NTCNTC热敏电阻热敏电阻聚脂塑料封装热敏聚脂塑料封装热敏电阻电阻4.1 电阻式传感器电阻式传感器温控器温控器应应用用汽车发动机传感器汽车发动机传感器水温感应塞水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等4.1 电阻式传感器电阻式传感器4.2 4.2 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流

22、式涡流式互感型互感型4.2 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型2002ANL =原理原理: :电磁感应电磁感应2 2 涡流式涡流式原理原理: :涡流效应涡流效应4.2 电感式传感器电感式传感器原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ=4.2 电感式传感器电感式传感器4.2 电感式传感器电感式传感器2 2 互感型互感型-差动变压器差动变压器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感现象互感现象.EwEout4.2 电感式传感器电感式传感器单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型

23、传感双螺管线圈差动型传感器测量电路器测量电路4.2 电感式传感器电感式传感器差动变压器差动变压器测量电路测量电路4.2 电感式传感器电感式传感器差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器4.2 电感式传感器电感式传感器4.3 4.3 电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的它的电容量为电容量为: :AC0=+ A 、A A或或发生变化发生变化时，都会引起电容时，都会引起电容的变化。的变化。4.3 电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+AC0=+驻极体电容传声

24、器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。 4.3 电容式传感器电容式传感器 b)b)面积变化型面积变化型AC0=角位移型角位移型+4.3 电容式传感器电容式传感器 AC0=平面线位移型平面线位移型4.3 电容式传感器电容式传感器 柱面线位移型柱面线位移型. .AC0=4.3 电容式传感器电容式传

25、感器 c) c) 介质变化型介质变化型AC0=4.3 电容式传感器电容式传感器 4.4 压电式传感器 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。 4.4 压电式传感器 一、工作原理压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压

26、力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。4.4 压电式传感器 压电效应的应用原理力电轴纵向压电效应，在电轴方向产生电效应力力轴横向压电效应，在电轴方向产生电效应， 极性与相反力光轴无压电效应电电轴逆压电效应，产生机械应变光光轴

27、无双折射现象4.4 压电式传感器 压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料一般有三类：第一类是压电晶体（如石英晶体）； 第一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。4.4 压电式传感器 4.5 磁电式传感器 1.变换原理: 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。dtdWe=感应线圈的感应电动势e为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 cos=SB),(mdtdRB2 分类 磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N4.5 磁电式传感器 动圈式传感器 线速度型 4.5 磁电式传感器 角速度型测速电机4.5 磁电式

28、传感器 磁阻式传感器 磁电式车速传感器4.5 磁电式传感器 4.6 热电式传感器 1.变换原理: 热电式传感器是把温度变化转换为电量变化的传感器，分为热电阻（见4.2）和热电偶。热电效应 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。4.6 热电式传感器 热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极A右端为：自由端（参考端、冷端） 左端为：测量端（工作端、热端） 热电极B热电势AB 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现

29、放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。 热电效应也叫赛贝克效应。热电效应的发现4.6 热电式传感器 结点产生热电势的微观解释及图形符号 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。 自由电子ABTie4.6 热电式传感器 BAABNNekTTEln)(=ABTT0k玻耳兹曼常数，e电子电荷量，T接触处的温度，NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(00= 热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差t 的函数： EAB（T，T0）=EAB （ T ）- EAB （ T0 ）热电势大致与两个结点的温差t 成正比4.6 热电式传感器 4.6 热电式传感器 热电偶测温基本定律1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回