第三章：常用的传感器

第三章常用的传感器§3-1传感器的分类§3-2电阻式传感器§3-3电感式传感器§3-4电容式传感器§3-5压电式传感器§3-6磁电式传感器§3-7半导体传感器§3-8传感器的选用原则概述传感器——能按一定规律把被测量转化为同种或另一种量值输出的器件。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。传感器的作用——类似于人类的感觉器官。它把被测量，如力、位移、温度等，转化为易测信号，传递给测量系统的信号调理环节深入研究传感器的原理和作用，研制新型传感器，对于社会的发展有十分重要的作用。§3-1传感器的分类位移传感器按被测量分力传感器

温度传感器等机械式按工作原理分电气式

光学式等§3-1传感器的分类机械式传感器常常以弹性元件作为传感器的敏感元件，故也称为弹性敏感元件。可用来测力、压力、温度等。它的输出是弹性元件本身的弹性变形。可将弹性变形转换为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。也可利用其他传感器，将弹性变形(位移量)转换为电信号输出。优缺点：有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。其缺点是弹性变形不宜大，以减小线性误差，此外，由于放大和指示环节多为机械传动，不仅受间隙影响，而且惯性大，固有频率低，只适宜于检测缓变或静态被测量。§3-2电阻式传感器它是一种把被测量转换为电阻变化的传感器，属能量控制型传感器。按其工作原理可分为变阻器式传感器和电阻应变式传感器两类。§3-2电阻式传感器一、变阻式传感器（电位差计式传感器）当ρ、A保持不变时，R∝l。如图，改变电位器触头位置，则会改变A、C之间电阻丝长度，从而改变A、C两点间的电阻R。可用来测量位移量(线位移、角位移等)。§3-2电阻式传感器直线位移型：R=klx，灵敏度S=dR/dx=kl。当导线均布时，kl为常数，传感器输出（电阻）与输入（位移）呈线性关系。角位移型：S=dR/da=ka，导线均布时，输出与角位移a呈线性关系。非线性型：若要求输出R与输入（位移x）呈非线性关系，则要求变阻器骨架做成三角形或其他形状。§3-2电阻式传感器变阻式传感器的后继电路一般采用电阻分压电路，如图，输出电压uy与直流激励电压u0及位移x之间的关系可用下式表示。可见，只有当后接电路电阻RL>>Rp时，uy与x成线性关系。§3-2电阻式传感器优缺点：变阻器式传感器的优点是结构简单，性能稳定，使用方便。缺点是因受到电阻丝直径的限制，分辨力不高。提高分辨力需要使用更细的电阻丝，其绕制较困难。所以变阻器式传感器的分辨力很难优于20μm。变阻器式传感器产品案例：重量的自动检测--配料设备

比较重量设定原材料3.2电阻式传感器原理：弹簧->力->位移->电位器->电阻案例：煤气包储量检测煤气包钢丝3.2电阻式传感器原理：钢丝->收线圈数->电位器->电阻案例：玩具机器人（广州中鸣数码）3.2电阻式传感器原理：电机->转角->电位器->电阻§3-2电阻式传感器二、电阻应变式传感器测量对象：应变、力、位移、加速度、扭矩等。优点：体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便。分类：金属电阻应变片、半导体应变片。§3-2电阻式传感器金属电阻应变片金属电阻丝应变片§3-2电阻式传感器金属箔式应变片：用栅状金属箔片代替栅状金属丝。优点：用光刻技术制造，适于大批量生产，且线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约1~10μm，散热好，粘结情况好，传递试件应变性能好。因此，目前使用的多系金属箔式应变片。§3-2电阻式传感器工作原理将应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面。电阻丝即随该物体一同变形，导致电阻丝的长度l、截面大小A、以及电阻率ρ都发生变化，从而引起电阻应变片电阻丝电阻的变化，利用电桥就可测出电阻变化，从而测出应变大小。§3-2电阻式传感器电阻相对变化：ν——丝材泊桑比§3-2电阻式传感器λ——压阻系数，与丝材材质有关；E——丝材弹性模量。经整理：§3-2电阻式传感器项由电阻丝几何尺寸改变所至，对同一材料，1+2ν是常数，λEε是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的，对金属电阻丝，λE很小，可忽略。故：此式表明电阻的相对变化与应变ε成正比。——电阻应变片的应变系数，或灵敏度。Sg多在1.7~3.6之间。§3-2电阻式传感器电阻应变片的标准电阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等，其中120Ω最常用.§3-2电阻式传感器它的工作原理与金属电阻应变片类似。但引起阻值变化的因素中，远小于λEε项，可忽略。它是利用半导体材料的压阻效应来工作的。灵敏度：半导体应变片§3-2电阻式传感器优点：体积小，灵敏度高，机械滞后小，横向灵敏度小。缺点：温度稳定性能差、灵敏度分散度大（晶向、杂质影响）、在较大应变作用下，非线性误差大等。这给应用带来了一定困难。应变计3.2电阻式传感器金属应变计§3-2电阻式传感器使用应变片传感器应注意的事项1）应变片与试件（或弹性元件）应粘牢。贴应变片时，试件表面应清洗干净，同时，应选用适当的粘合剂。2）动态测量时，应考虑应变片本身的动态响应特性。电桥激励电源频率越高，应变片基长越短，所能测量的上限频率越高。3）温度的升高会引起应变片电阻值的变化，测量时，必须进行温度补偿（一般利用电桥的和差特性进行补偿）。关于电桥的应用，详见第四章。3.2电阻式传感器应变片测量电路VER1R2R3R4§3-2电阻式传感器电阻应变式传感器的应用实例将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。§3-2电阻式传感器电阻应变式传感器的应用实例测定结构的应变或应力案例：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。3.2电阻式传感器案例：冲床生产记数和生产过程监测3.2电阻式传感器案例：机器人握力测量3.2电阻式传感器3.2电阻式传感器案例：振动式地音入侵探测器

适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。3.2电阻式传感器§3-3电感式传感器电感式传感器是一种把被测量（一般为位移）转换为电感量变化的一种装置。它利用了电磁感应原理。按变换方式的不同，可分为自感型和互感型两种。

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。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型§3-3电感式传感器一、自感型1、可变磁阻式如图，线圈自感量L为：式中：W—线圈匝数Rm—磁路总磁阻§3-3电感式传感器若空气隙δ较小，且不考虑磁路铁损时，则总磁阻为：§3-3电感式传感器由此可知，δ的变化或A0的变化均会引起L的变化。因为铁心磁阻远小于空气隙的磁阻，可以忽略，故：§3-3电感式传感器1）当A0固定时，L∝1/δ，L与δ呈非线性关系，其灵敏度为：（dL/dδ）由于S∝1/δ2，故δ愈小，其灵敏度愈高。S不是常数，有非线性误差。为减小误差，间隙δ的变化范围不能太大，一般取△δ/δ0≦0.1。这种传感器只能测量较小的位移量，一般为0.001~1mm。§3-3电感式传感器1）当A0固定时，L∝1/δ，L与δ呈非线性关系，其灵敏度为：（dL/dδ）为提高灵敏度S并改善非线性，可做成差动式。§3-3电感式传感器2）当δ固定时，改变A0，可做成另外一种形式的传感器：§3-3电感式传感器电感的变化一般用电桥读出。§3-3电感式传感器2、涡电流式它是利用金属导体在交变磁场（由线圈通上交流电产生）的作用下产生涡电流，涡电流又产生反抗磁场，引起原线圈阻抗的变化的原理制成的。原线圈的等效阻抗Z变化：§3-3电感式传感器涡流式传感器的测量电路：一般采用阻抗式调幅电路（图3-16）或调频电路（图3-18）。图3-17是调幅电路的谐振曲线和输出特性。§3-3电感式传感器涡流式传感器可用于动态非接触式测量，测量范围随传感器结构尺寸、线圈匝数和激磁频率而异，从±1mm到±10mm不等。分辨率可达0.1μm。此外，它结构简单，使用方便，不受油液等介质影响等。应用越来越广泛。案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测§3-3电感式传感器二、互感型——差动变压式电感传感器它是利用电磁感应中的互感现象工作的。如图，线圈中的感应电势为：式中M（互感）的大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关。互感型传感器就是利用了这一原理，将被测位移量转换成线圈互感的变化。这种传感器实质上就是一个小型的变压器。§3-3电感式传感器实际应用中，一般使用两个次级线圈，做成差动变压器式传感器。当铁心位于中心位置时，输出电压e0=e1-e2=0，当铁心上移或下移x时，e1≠e2，e0随位移的增大而增大（图C）。e0是交流电压，其幅值与铁心位移成正比。测量e0的大小只能确定位移的大小，而无法确定位移的方向，一般通过相敏检波电路来确定位移的方向及大小。§3-3电感式传感器互感型传感器的特点：案例：板的厚度测量~案例：张力测量变换原理: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,它的电容量为:+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。§3-4电容式传感器a)极距δ变化型++++++b)面积变化型角位移型+++平面线位移型柱面线位移型.产品.陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。

压力变送器c)介质变化型产品.电容式液位传感器（液位计/料位计）3.4电容式传感器

§3-4电容式传感器二、测量电路1、电桥型电路将差动式电容传感器作为交流电桥的一部分，当电容变化时，电桥的输出电压随之变化，电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出（电压），用该输出推动显示仪表。§3-4电容式传感器2、直流极化电路这是另一种形式的测量电路，多用于电容传声器或压力传感器中。§3-4电容式传感器3、谐振电路图3-27，电容传感器的电容Cx作为谐振电路调谐电容的一部分，电路的输出为电压u或电流I。Cx变化时，u或I也随之变化，当Cx变到一定值时，输出达到最大值。图3-27§3-4电容式传感器图3-27为获得较好的线性，工作点应选择在谐振曲线一边的准线性区域内。图中C为Cx与C2并联后所得到的等效电容。特点：电路比较灵敏，但工作点不好选，变化范围较窄，传感器连接电缆的杂散电容影响也较大。§3-4电容式传感器4、调频电路§3-4电容式传感器5、运算放大器电路§3-4电容式传感器三、注意事项电容传感器的电容量很小，其变化量更小，一般在1pF以下。而传感器极板与周围元件之间，以及连接电缆之间都存在着寄生电容，其值很大而且不稳定，这就使测量精确度受到严重影响，甚至无法工作。因此，应采取技术措施来减小或消除寄生电容的影响。常用的措施有：缩短传感器和测量电路之间的电缆，甚至将测量电路的一部分和传感器做成一体，或采用专用的驱动电缆。§3-5压电式传感器压电式传感器是利用某些物质的压电效应来工作的。一、压电效应定义：某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料重新回复到原来状态，这种现象称为压电效应。相反，如果将这些物质置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。变换原理:压电效应

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。F+§3-5压电式传感器石英（SiO2)晶体的形状为六角形晶柱（图3-31a），截去两头后则为一六棱柱（图b）。z-z称为光轴；y-y称为机械轴；x-x称为电轴。从晶体中按一定规则切下一个平行六面体（长方体），做为压电式传感器的敏感元件。具有压电效应的材料称为压电材料。石英是常用的一种压电材料。§3-5压电式传感器当对切下的晶体施加外力时，将沿x-x轴（电轴）方向形成电场，其电荷分布在垂直于x-x轴的平面上，电荷量的大小与外力成正比。q=dcF§3-5压电式传感器§3-5压电式传感器二、压电材料分三大类：压电单晶压电陶瓷（属多晶体）有机压电薄膜§3-5压电式传感器三、压电式传感器及其等效电路在压电晶片的两个工作面（垂直于x-x轴）上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当晶片受到外力作用时，在两个极板上积聚数量相等，而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电式传感器可以看作是电荷发生器，同时也是一个电容器。§3-5压电式传感器实际测量中，往往用两个或两个以上的晶片进行串接或并接。并接时，C大，q大，适宜于以电荷量输出的场合。串接时，电容小，输出电压大，适宜于以电压作为输出信号。§3-5压电式传感器压电式传感器是一个具有一定电容Ca的电荷源，其等效电路如图所示。其中，Cc—电缆电容，R0—后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻形成的等效电阻。§3-5压电式传感器四、测量电路压电式传感器的输出是很微弱的电荷，加上本身内阻很大，故输出能量甚微，因此通常把传感器信号先输出到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换后，方可用一般的放大、检波电路将信号输出给指示仪表或记录器。前置放大器的作用：将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出放大传感器输出的微弱信号。§3-5压电式传感器前置放大器电路的形式：电阻反馈式电压放大器，其输出电压与传感器的输出电压成正比。电容反馈式电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比，并与电缆对地电容无关，可用较长的连接电缆，而用电压放大器则不然。产品压力变送器

加速度计力传感器§3-5压电式传感器五、压电式传感器的应用测力、压力、振动的加速度声学（包括超声）和声发射等测量§3-5压电式传感器压电式传感器一般用来测量沿其轴线的作用力（x轴），但其他方向的作用力也会产生输出（称为横向输出），横向输出是一种干扰，是产生测量误差的主要原因之一。与横向输出对应的灵敏度称为横向灵敏度。应用时，应该使用横向灵敏度小的传感器。压电式传感器各方向的横向灵敏度是不一样的，为减小横向灵敏度的影响，在安装传感器时，应该使横向灵敏度最小的方向与最大横向干扰力方向重合。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。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。

§3-6磁电式传感器分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N§3-6磁电式传感器一、动圈式图示为线速度型传感器，可测线速度。§3-6磁电式传感器由此可知，传感器的输出与输入（线、角速度）呈线性关系。图示为角速度型传感器，可测角速度。角速度型测速电机§3-6磁电式传感器动圈磁电式传感器的等效电路如下图所示。磁电式传感器的工作原理是可逆的，作为测振传感器，它工作于发电机状态（v→e）。若在线圈中加上交变激励电压，则线圈就会在磁场中振动，由此可做成激振器（此时工作于电动机状态）。§3-6磁电式传感器二、磁阻式如图。在这类传感器中，线圈与磁铁不作相对运动，而是由运动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻，从而使线圈中产生感应电动势。可用来测转速、偏心量、振动等。NS案例：鼠笼电机转子断细条检测§3-7半导体传感器不同的半导体材料，有着对光、热、力、磁、气体、湿度等理化量的敏感性，因此，可利用半导体材料的这些特性，做成各种目的的传感器。§3-7半导体传感器一、磁敏传感器1、霍尔元件：利用霍尔效应工作。工作时，将霍尔元件置于磁场中，在a、b端通以电流，则在c、d端输出霍尔电势VH。由此可知，当i、B发生变化时，VH随之改变。§3-7半导体传感器霍尔元件的应用举例测位移(图3-39)检测钢丝绳断丝情况(图3-40)§3-7半导体传感器2、磁阻元件磁阻元件是利用半导体材料的磁阻效应来工作的。磁阻效应将使通有电流i的金属或半导体的ab两端之间的电阻随外磁场B而变化。§3-7半导体传感器3、磁敏管可检测微弱磁场的变化。可用于磁力探伤，或做成磁场触发的无触点开关。也可测转速、位移等。

光敏传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。光敏电阻、光电池、光敏管二、光敏传感器（利用半导体材料的光电效应）1、光敏电阻内光电效应半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。2光电池光能→电能。用得最多的是硅光电池。

光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+++---PN§3-7半导体传感器3、光敏二极管和光敏三极管功用：光信号→电信号。光电转换元件的灵敏度很高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜，因此，在工业技术中得到了广泛的应用。如检测零件表面缺陷。亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。§3-7半导体传感器三、固态图像传感器图像传感器从功能上来说，它是一个能把受光面的光像分成许多小单元（像元），并将它们转换成电信号，然后顺序地输送出去的器件。在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS（金属-氧化物-硅）单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。CCD固态图象传感器特点:(1)非接触检测;(2)响应快;(3)可靠性高,为修简便;(4)测量精度高;(5)体积小,重量轻;容易与计算机连接(6)对被测物体需要强光照射;(7)受被测物体以外的光的影响.CCD固态图象传感器

条形码扫描器§3-7半导体传感器四、热敏电阻它有负的电阻温度系数，其阻值随温度的上升而下降。广泛应用于测量仪器、自动控制用自动检测装置中的温度测量。热敏电阻传感器

半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、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，随温度上升而阻值下降。热敏传感器RT热敏传感器温控器热敏传感器应用汽车发动机传感器水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等五、气敏电阻传感器气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。如生活环境中一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。气敏传感器