测试技术-(4)常用传感器1

第3章常用传感器

*学习重点获取被测量的基本方法，传感器的分类及依据的原理；参量型（电阻、电容、电感）传感器的作用原理、测量电路和典型应用；绝对速度、惯性加速度传感器的频率响应特性曲线及其分析，系统特性参数（ωn，ς）的求法。*3.1 传感器的基本概念3

1.传感器(Sensor)定义

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输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。狭义上，非电信号电信号。在非电量电测系统中的作用

敏感作用：感受并拾取被测对象的信号变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号*传感器通常由三部分组成：敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。*5

将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。获得传感器信号的两种方法

直接获得电信号的变化（开关传感器）；*传感器的组成实例*传感器例子三座标模拟测量，三座标测量仪工业视频短片，汽车车身测量演示，*传感器处于测试与检测装置的输入端，传感器性能的优劣直接影响整个测试装置的工作特性。线性传感器： 若传感器的输入量及其输出量之间的特性曲线是一条直线，则称该传感器是线性传感器，即y=x0+kx。式中x、y分别为传感器的输入与输出，x0为初始值，常数k称传感系数、转换比、灵敏度或斜率。非线性传感器：特性曲线不是一条直线的传感器。*传感器产生误差的原因：实际特性曲线与设定特性曲线之间存在偏差,例子，圆度仪测量过程。传感器的不可逆变化。引起不可逆变化的原因：老化、零件接触点状况变化、热的或机械的过载、以及化学变化等。消除传感器误差的方法合理的结构设计。例如：力传感器的结构设计中设法避免横向敏感力的产生。对影响传感器的干扰量进行补偿。稳定传感器的工作环境条件、合理传感器的安装方法。对传感器的定期维护和校准。*3.1.1 传感器的分类按传感器的工作原理或传感过程中信号转换的原理分类：结构型传感器：根据传感器的结构变化来实现信号的传感，如电容传感器。物性型传感器：根据传感器敏感元件材料本身物理特性的变化来实现信号的转换。如压力加速度计是利用了传感器中石英晶体的压电效应；光敏电阻则是利用材料在受光照作用下改变其电阻的效应，等等。

按被测物理量进行分类：力传感器、速度传感器、温度传感器等。*常见机械式传感器测力计*常见机械式传感器压力计*常见机械式传感器温度计*根据传感器与被测对象之间的能量转换关系分类：能量转换型传感器（亦称无源传感器）：直接由被测对象输入能量来使传感器工作的。如热电偶温度计、弹性压力计等等。能量控制型传感器（亦称有源传感器）：依靠外部提供辅助能源来工作，由被测量来控制该能量的变化。如电桥电阻应变仪。*3.1.2传感器的性能要求

灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；

噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；

滞后、漂移误差小；

动态特性良好；

在接入测量系统时，对被测量不产生影响；

功耗小，复现性好，有互换性；

防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；

结构简单，容易维修和校正；

低成本、通用性强；*3.1.3传感器的发展趋势

采用新原理、开发新型传感器；大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求)；传感器的集成化；传感器的多功能化；传感器的智能化；研究生物感官，开发仿生传感器。*3.2参数式传感器3.2.1电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变化的一种传感器。一、工作原理： 一个电导体的电阻值： 式中：R－电阻（Ω）；

ρ－材料的电阻率（Ω·mm2/m）；

l－导体的长度（m）；

A－导体的截面积（mm2）。改变长度l，则可形成滑动触点式变阻器或电位计；改变l、A和ρ则可做成电阻应变片；改变ρ，则可形成热敏电阻、光导性光检测器、压阻应变片、以及电阻式温度检测器。 (3.1)*

二、电阻应变传感器 当金属电阻丝受拉或受压时，电阻丝的长度和横截面积将发生变化，且电阻丝的电阻率也发生变化（这一现象称为压阻效应），因此导线的电阻值发生变化。 对式（3.1）进行微分可得： 设A=πr2，r为电阻丝半径，代入上式得(3.2)*

式中，

dl/l=ε为单位应变；

dr/r为电阻丝径向相对变化，它与dl/l之间的关系为 式中ν－电阻丝材料的泊松比。

dρ/ρ反映了电阻丝的电阻率的相对变化，它与电阻丝纵向所受的应力σ有关： 式中，π1－纵向压阻系数

；

E－材料的弹性模量。(3.4)(3.5)(3.3)*

将式（3.4）和（3.5）代入式（3.3）中，可得

分析：影响电阻值变化的因素：电阻丝长度的变化；电阻丝面积的变化；压阻效应的作用。电阻值的相对变化与应变成正比，因此通过测量应变dl/l=ε便可测量电阻变化dR/R，这便是应变片的原理。若用无量纲因子Sg表征两者的关系，则

Sg为应变片系数或灵敏度,金属电阻丝的灵敏度常在1.7~3.6之中，常用的金属材料有银、铬镍合金、或铁镍合金等。(3.6)(3.7)*

应变片的分类：非粘贴式：几乎都被用于传感器应用。 图3.3示出一种非粘贴式应变仪，它采用一组连接成电桥形式的预加载电阻丝。 其中电桥的每根电桥臂的电阻值约为120～1000Ω，最大激励电压为5～10V，满量程输出为20～50mV。图3.3非粘贴式应变仪*粘贴式：粘贴式金属丝应变片可用于应力分析，也可用作为传感器。由于可测的电阻值变化要求导线长度很长，因而要将导线按一定的形状（通常为栅状）曲折地贴在由浸渍过绝缘材料地纸衬或合成树脂组成地载体上。

图3.4金属丝应变片图3.5应变片结构纵截面情形*金属箔式应变片：a）、b）、c）敏感单方向上的应变d）膜片应变片e）三片式应变花，60°箔式平面型f）双片式应变花，90°箔式叠合型g）三片式应变花，45°电阻丝式叠合型h）双片式应变花，90°剪切式平面型图3.2不同的箔式应变片结构形式金属薄膜应变片：采用汽相淀积法和离子溅射法直接在衬底材料上形成，常用作传感器。薄膜应变片的阻值和应变片系数与粘贴式金属箔应变片的相似，但其时间和温度稳定性较好。*24

金属应变计金属应变计有:

1、丝式

2、箔式

3、薄膜式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计

*

三、压阻式传感器工作原理：半导体材料的压阻效应。 压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ随之发生变化。从半导体物理可知，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律会发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度产生变化，从而引起电阻率的变化。分类：P型应变片：在施加有效应变时会增加其电阻值；N型应变片：在施加有效应变时会减少其阻值。特点：具有很高的应变片系数，一般可高达150左右。图3.3不同类型的半导体应变仪1—硅棒2—引线带3—塑料载体4—P型硅5—N型硅*半导体应变片的电阻变化主要由公式（3.6）右边的项决定；缺点：温度灵敏度高；非线性；安装困难。半导体膜片式绝对压力传感器：图3.4半导体膜片式绝对压力传感器*27

半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。

应变计

体型薄膜型扩散型*

四、应变片的误差及其补偿温度是影响应变片精度的主要因素温度变化引起应变片本身电阻的变化 式中ΔRT－温度变化引起的电阻变化值；

γf－金属应变片电阻温度系数；

ΔT－温度变化度数。 由该电阻值的变化折算成应变值为(3.8)*金属丝与衬底材料的线膨胀系数不同，从而在温度变化时引起附加的应变。 金属丝因温度变化引起的应变： 衬底材料因温度变化而引起的应变 式中αg和αs分别为金属丝和衬底材料的线膨胀系数。当时αg≠αs

总附加应变则为

3. 应变片的灵敏度系数随温度变化产生的变化较小，可以予以忽略。(3.9)(3.10)(3.11)(3.12)*

补偿途径：应变片温度补偿（如图3.5所示）；采用专门的、具有固有温度补偿功能的应变片。这种应变片采用特别的材料，这种材料能使线膨胀系数和电阻变化造成的效应差不多相互抵消，可得(3.13)图3.5应变片温度补偿*应变片测量的另一误差来源则涉及到应变片的大小与被测点的位置关系。目前最小的应变片长可做到0.2mm。应变片也可被贴到曲面上，对某些应变片来说，曲面的最小安全弯曲半径可小到1.5mm。*

五、应变片的粘贴常用的粘接剂：环氧树脂、酚醛树脂等；高温下：专用陶瓷粉末等无机粘接剂。对粘接剂的要求：保证粘接面有足够的强度、绝缘性能、抗蠕变、以及温度变化范围等。使用粘接方法的温度范围：-249℃～816℃对超高温度来说，常要采用焊接技术来进行连接。*

六、应变片的应用结构的应力和应变分析；用于制成力、位移、压力、力矩和加速度等测量传感器。例子1，2，3，4

图3.6粘贴应变计的力和力矩传感器（a）拉力杆（b）压力杆（c）弯曲悬臂（d）扭矩轴*34

立柱应力

桥梁应力

应变式电阻传感器的应用

德国HBM电阻应变式传感器

*35

质量传感器

位移传感器

加速度计

压力传感器

*36

压力传感器

转矩传感器

*

七、变阻式传感器直线位移型：

R=ktx kt为单位长度中的电阻。 其灵敏度：角位移型 灵敏度：

α－触点转角(rad)；

kr－单位弧度对应的电阻值。图3.1变阻器式传感器(3.15)(3.16)(3.14)*

变阻器的分辨率取决于电阻元件的结构型式。为在小范围空间中得到足够高的电阻值，常采用线绕式电阻元件。当滑臂触点从一圈导线移动至下一圈时，电阻值的变化是台阶形的，由此则限制了器件的分辨率。实际中能做到绕线间的密度为25圈/mm，对直线移动式装置来说，分辨率最小为40μm，而对一个单线圈5cm直径的转动式电位计来说，其最好的角分辨率为约0.1o。为改善分辨率，也可采用碳膜或导电塑料电阻元件。*3.2.2电容式传感器定义：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。原理： 忽略边缘效应，一平板电容器的电容可表达为： 式中

A—极板面积（m2）；

ε0—真空介电常数,ε0=8.85×10-12(F/m);

ε—极板间介质的介电常数，当介质为空气时ε=1；

δ—两极板间距离（m）。(3.37)

分类：面积变化型、介质变化型和间隙变化型。+++

A

*一、间隙变化型

这种类型的传感器常常固定一块极板（图中极板2）而使另一块极板移动（图中极板1），从而来改变间隙δ以引起电容的变化。设间隙有一改变量Δδ，则(3.37)改写为 将上式按泰勒级数展开为：(3.38)(3.39)图3.42变间隙式电容传感器*

当Δδ为小值时，在ΔC/C与Δδ/δ之间可近似为一线性关系。如当Δδ/δ=0.1时，按（3.39）式计算所得的线性偏差为10%，而当Δδ/δ=0.01时，该偏差降至1%，因此对小的间隙变化，式（3.39）可进一步舍去二次项，从而可得电容变化量 电容传感器的灵敏度 实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构。 由此可得灵敏度(3.40)(3.41)(3.42)(3.42)*二、面积变化型

采用改变电容器极板面积是另一种获取电容传感器输出变化的方法。

图3.44面积变化型电容传感器*电容传感器*

图中(b)为通过线性位移改变电容器极板面积的型式。当动电极在x方向有位移Δx时，极板面积的改变量将是 电容的改变量将是 其灵敏度 可见该灵敏度为一常数，因此输入、输出关系为线性。(3.44)(3.45)(3.46)*

图中(a)为转角型结构，当改变两极板间的相对转角时，两极板的相对公共面积发生变化。由图可知，该公共覆盖面积

α-公共覆盖面积对应的中心角；

r-半圆形极板半径。 因此当有转角变化Δα时，电容量改变 同样得这种情况下电容器的灵敏度(3.47)(3.48)(3.49)该灵敏度为一常数，输入与输出仍为线性关系。*

图中（c）为圆柱体线位移型结构，其中圆周为固定，圆柱在其中移动。利用高斯积分可得该电容器的电容量 式中

D－圆周内径；

d－圆柱外径。 两者覆盖长度x的变化为Δx时，电容变化量 其灵敏度(3.50)(3.51)(3.52)*也可将变面积型传感器做成差动型的。图3.46中间电极移动式电容传感器（a）板式（b）柱式（c）柱式差动型*三、介质变化型介质变化型传感器的分类极板上覆盖有介质；介质可移动。图3.47介质变化型传感器（a）极板上覆盖有介质（b）介质可移动*

极板上覆盖有介质 如图所示，该电容器具有两不同的电介质，其介电常数分别为εr1和εr2，其介质厚度分别为a1和a2，且a1+a2=a0。整个装置可视为由两电容器串联而成，其总电容量C由两电容器的电容C1和C2所确定，由此得(3.53)极板上覆盖有介质(3.54)

为分析简单起见，设介质1为空气，即εr1=1，则(3.54)式变为：(3.55)

此方法可用来对不同材料如纸、塑料膜、合成纤维等的厚度进行测定。

*

介质可移动 这种结构相当于将两电容器作并联。此时的总电容由两部分组成：电容C1(介电常数εr1，极板面积b0(l0-l))和电容C2(介电常数εr2，极板面积b0l)。由此得： 设介质1为空气，因此εr1

=1，又设介质全部为空气的电容器的电容为C0，则C0=ε0b0l0/a0。由于介质2的插入所引起的电容C的相对变化ΔC/C0则正比于插入深度l：(3.56)*这一原理常用于对非导电液体和松散物料的液位或堆积高度的测量。(3.57)图3.48测量非导电液或松散物料填充高度的电容传感器*

电容式传感器所测出的电容及电容变化量均很小，因此必须后接适当的放大电路将它们转换成电压、电流或频率等输出量。运算放大器电路 将公式（3.37）代入上式可得

式中

ei——信号源电压；

eo——运放输出电压；

co——固定电容；

cx——传感器等效电容。(3.58)(3.59)图3.50运算放大器式电路输出电压eo与电容传感器间隙δ成正比关系。

*

电桥测量电路 根据电桥平衡公式有：

其中实部有： 上式可通过调节可调电阻R1来满足，对虚部则有： 同样可通过调节可调电容器C1来实现。当电容传感器C2有变化时，则电桥相应地有输出。(3.60)(3.61)(3.62)(3.63)图3.51文氏式电容测量电桥*

调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率f为： 式中L——振荡回路电感。 当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化。其输出经限幅、鉴频和放大后变成电压输出。(3.66)图3.53调频电路工作原理*电容传感器的最大缺点：易受连接电缆线形成的寄生电容的影响。消除寄生电容的方法：将后续电路的前级放置在紧靠电容传感器的地方，以尽量减少电缆长度及位置变化带来的影响。采用等电位传输（亦称驱动电缆）技术。图3.54驱动电缆工作原理*56

电容式传感器的应用振动测量

旋转轴的偏心量的测量

*3.2.3电感式传感器定义：利用电磁感应原理，将被测的非电量转换成电磁线圈的自感或互感量变化的一种装量。分类：按照转换方式分类：自感式；互感式。按照结构方式分类：变气隙式；变截面式；螺管式*一、自感式1.可变磁阻式 由电磁感应原理，则在其中产生磁通Φm，其大小与所加电流i成正比： 式中W－线圈匝数；

L—比例系数，称为自感(H)。 又据磁路欧姆定律有 式中Wi－磁动势（A）

Rm－磁阻（H-1） 将上式代入（3.22）得自感(3.22)(3.23)(3.24)*

当不考虑磁路的铁损且当气隙δ较小时，则该磁路的总磁阻 式中

l－铁芯的导磁长度(m);

μ－铁芯磁导率(H/m); A－铁芯导磁截面积,A=a×b(m2);

δ－气隙宽(m);

μ0－空气导磁率,μ0=4π×10-7(H/m); A0－空气隙导磁横截面积(m2)

忽略第一项情况下可得总磁阻Rm近似为图3.15可变磁阻式传感器基本原理1—线圈2—铁芯3—衔铁(3.25)(3.26)*60

原理:电磁感应W:线圈匝数；

L1:软铁长度；μ1：软铁磁导率；μ0：空气磁导率A1：铁芯导磁截面A0：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁*

电感式传感器

自感型--可变磁阻式可变导磁面积型差动型原理:电磁感应*62

(1).间隙变化型间隙变化型可变磁阻式传感器结构

当μ0

、A0固定不变，改变δ时，L与δ呈非线形（双曲线）关系，

L与δ的双曲线关系

传感器灵敏度：*63

(2).面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构

当μ0

、

δ

固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系，

传感器灵敏度L与A0的线形关系=常数*64

(3).螺线管型

当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。*65

(4).差动型变间隙型差动变压器输出特性传感器灵敏度*图3.16变磁阻式电感传感器结构形式*

自感式传感器应用图(a)测量透平轴与其壳体间的轴向相对伸长；图(b)用于确定一磁性材料上非磁性涂覆层的厚度；图(c)测量在一高压蒸汽管道中阀的位置。图3.17自感式传感器应用例*2.涡流式定义：当金属导体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，在金属导体内部会产生感应电流，由于这种电流在金属导体内是自身闭合的，因此称之为涡电流或涡流。原理：当线圈中通以一交变高频电流时，会引起一交变磁通Ф。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流i1，该电流i1即为涡流。根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁通Ф1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即Ф1将抵抗Ф的变化。由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻抗发生变化，其变化的程度除了与两者间的距离δ有关外，还与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ以及线圈的激磁电流原频率ω等有关。图3.18涡流式传感器原理*

电涡流传感器与被测物体的等效电路： 图中金属导体被抽象为一短路线圈，它与传感器线圈磁性耦合，两者之间定义一互感系数M，表示耦合程度，它随间距δ的增大而减小。电涡流传感器分类：高频反射式；低频透射式。用途：测量位移、振动等物理量。图3.19电涡流传感器与被测物体的等效电路*低频透射式涡流传感器：多用于测量材料的厚度70

低频透射式涡流传感器e2随材料厚度增加变化的规律*涡流传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路。图3.21涡流测振仪分压调幅电路图3.23调频电路工作原理*涡流式电感传感器的应用：图3.24电涡流式传感器应用例*

电感式传感器*实例：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

电感式传感器*用来测量位移和角度：当图中的短路环相对于线圈1移动或转动时，由于产生的涡流作用，将影响磁通量的变化，该变化的量则正比于所移动的距离或转动的角度。图3.25涡流传感器测量（a）位移；（b）角度1——线圈；2——运动短路环*

测量磁性材料或介质（液体或气体）的温度：原理：导体的电阻率随温度变化而变化：

ρ1－温度为t1时导体的电阻率；ρ0－温度为t0时导体的电阻率；α－导体的电阻温度系数。 当导体的电阻率随温度发生变化时，涡流传感器的输出亦将发生变化，其变化量正比于温度变化值。(3.36)图3.26电涡流温度计结构示意图图3.27磁性及非磁性材料的温度特性*77

3.变压器式--差动变压器工作原理:互感现象.*78

应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;

压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,

应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：板的厚度测量~案例：张力测量*3.3发电式传感器3.3.1压电传感器：发电型传感器。它利用某些材料的压电效应，这些材料在受到外力的作用时，在材料的某些表面上产生电荷。一、压电效应压电效应(piezoelectriceffect)：某些材料当它们承受机械应变作用时，其内部会产生极化作用，从而会在材料的相应表面产生电荷；或者反过来当它们承受电场作用时会改变其几何尺寸。分类：单晶压电晶体，如石英、硫酸锂、磷酸二氢铵等；多晶压电陶瓷，如极化的铁电陶瓷（钛酸钡）、锆钛酸铅等；某些高分子压电薄膜。*

石英晶体是常用的压电材料之一。其中纵轴Z—Z称为光轴，X—X轴称为电轴，而垂直于X—X轴和Z—Z轴的Y—Y轴称为机轴。沿电轴X—X方向作用的力所产生的压电效应称为纵向压电效应，而将沿机轴Y—Y方向作用的力所产生的压电效应称为横向压电效应。当沿光轴Z—Z方向作用有力时则并不产生压电效应。80

*

主要的压电效应：横向效应；纵向效应；剪切效应。晶片在电轴X—X方向上受到压应力σxx作用切片在厚度上产生变形并由此引起极化现象，极化强度Pxx与应力σxx成正比，即式中

Fx——沿晶轴X—X方向施加的压力；

d11——压电系数，石英晶体的d11=2.3×10-12CN-1；

l——切片的长；

b——切片的宽。(3.70)图3.57压电效应作用方向图*82

压电效应式中，q为电荷[量]；D为压电常数，与材质及切片方向有关；F为作用力。q=DF*

压电体受到多方面的力作用：纵向和横向效应可能都会出现。图3.58石英晶体压电效应（a）纵向效应（b）横向效应*

铁电陶瓷铁电陶瓷是另一类人工合成的多晶体压电材料，它们的极化过程与单晶体的石英材料不同。这种材料具有电畴结构形式，其分子形式呈双极型，具有一定的极化方向。钛酸钡陶瓷未受外加电场极化时：钛酸钡晶体单元在120ºC以下时形状呈立方体。在无外电场作用时，各电畴的极化效应相互被抵消，因此材料并不显示压电效应。图3.59钛酸钡压电陶瓷电畴结构（a）未极化（b）已极化钛酸钡材料置于强电场中：电畴极化方向趋向于按该外加电场的方向排列，材料得到极化。撤去外电场之后，陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化程度，束缚住晶体表面产生的自由电荷。在外力作用下，剩余极化强度因电畴界限的进一步移动而引起变化，从而使晶体表面上的部分自由电荷被释放，形成压电效应。*二、压电传感器工作原理及测量电路

压电传感器可视为一个电荷发生器，也是一个电容器，其形成的电容量图3.60压电晶片及等效电路（a）压电晶片（b）并联（c）串联（d）等效电荷源*

压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ea、电容量q以及电容Ca三者间的关系有压电传感器可被视为一个电压源。(3.76)图3.61压电传感器的等效电路（a）电荷源（b）电压源*

压电传感器实际的等效电路 若将压电传感器接入测量电路，则必须考虑电缆电容CC、后续电路的输入阻抗Ri、输入电容Ci、以及压电传感器的漏电阻Ra，此时压电传感器的等效电路如图3.62所示。图3.62压电传感器实际的等效电路（a）电荷源（b）电压源*三、压电传感器的应用压电加速度传感器地震式（绝对）位移传感器

图3.66惯性式传感器（a）线位移式（b）旋转式*压电加速度传感器的分类：压缩式；剪切式。图3.70压电加速度传感器设计类型（a）周边压缩式（b）中心压缩式（c）倒置式中心压缩式（d）剪切式*

压缩式结构的原理：其压电变换部分由两片压电晶片并联而成。惯性质量借助于顶压弹簧紧压在晶片上，惯性接收部分将被测的加速度接收为质量m相对于底座的相对振动位移x0，晶片受到动压力p=kx0

，然后由压电效应转换为作用在晶片极面上的电荷q。周边压缩式结构的特点：简单且牢固，具有很好的质量/灵敏度比；极易敏感温度、噪音、甚至弯曲等造成的虚假输入。中心压缩式结构：降低周边压缩式结构对虚假输入的响应；减少结构对基座弯曲应变的灵敏度。*

剪切式结构：典型的剪切式结构：三角剪切式原理：由三片晶体片和三块惯性质量组成，借助于预紧弹簧箍在三角形的中心柱上。当传感器接收轴向振动加速度时，每一晶体片侧面受到惯性质量作用的剪切力。所产生的电荷量为q，(3.97)图3.71晶体片受剪切力的压电效应式中xr－质量块的相对振动位移；k－由晶体片剪切弹性力提供的当量弹簧刚度系数。*三角剪切式的优点：在较长时间内保持传感器特性的稳定，有更宽的动态范围和更好的线性度。对底座的弯曲变形不敏感。图3.72三角剪切式（b）与中心压缩式（c）对底座弯曲变形敏感的对比*逆压电效应当施加电压时，会使压电片产生伸缩从而导致压电片几何尺寸的改变。应用：压电致动器：例如施加一高频交变电压，则可将压电体作成一振动源，利用这一原理可制造高频振动台、超声发生器、扬声器、高频开关等。精密微位移装置：用于制成录像带头定位器、点阵式打印机头、继电器、以及电风扇等*3.3.2 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Φ发生变化时，线圈中所感应产生的电动势分类：动圈式；动磁铁式；磁阻式。(3.101)*一、动圈式传感器图3.75动圈式传感器（a）线位移式（b）角位移式*96

动圈式传感器

l:每匝线圈的平均长度；B:线圈所在磁场的磁感应强度；A:每匝线圈的截面积；θ:线圈运动方向与磁场方向的夹角；k:传感器的结构系数。*

由线位移式装置的工作原理可知，当弹簧片敏感有一速度时，线圈则在磁场中作直线运动，从而切割磁力线，因此它所产生的感应电动势 式中

B—磁场的磁感应强度（T）；

l—单匝线圈的有效长度（m）；

W—有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数；

vy—敏感轴（y轴）方向线圈相对于磁场的速度（m/s）;

θ—线圈运动方向与磁场方向的夹角。 当线圈运动方向与磁场方向垂直亦即θ=90°时，上式可写为(3.102)(3.103)*

对于角速度型动圈式传感器结构，线圈在磁场中转动时，产生的感应电动势 式中

ω—线圈转动的角频率；

A—单匝线圈的截面积（m2）；

k—依赖于结构的参数，k>1。当W、B、A选定时，感应电动势e与线圈相对于磁场的转动角速度成正比。用这种传感器可测量物体转速。

(3.104)*二、磁阻式传感器磁阻式传感器：使线圈与磁铁固定不动，而由运动物体（导磁材料）运动来影响磁路的磁阻，从而引起磁场的强弱变化，使线圈中产生感应电势。可用来测量转速、振动、偏心量等。图3.79磁阻式传感器工作原理及应用例（a）测频数（b）测转速（c）偏心测量（d）振动测量*100

磁阻式传感器

*101

磁电传感器的应用

测速电机

磁电式测速传感器

*霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达.55℃～150℃。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出被检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。

霍尔传感器*

霍尔效应

在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。见图8.1.1，半导体材料的长、宽、厚分别为l、ｂ和ｄ。在与ｘ轴相垂直的两个端面ｃ和ｄ上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压ｕ，材料中便形成一个沿ｘ方向流动的电流Ｉ，称为控制电流。

图

霍尔效应

在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，A、B两端面因电荷积累而建立了一个电场Ｅｈ，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡.*霍尔元件基于霍尔效应工作的半导体元件叫霍尔元件霍尔元件的结构与其制造工艺有关。例如，体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切片，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其它方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊引线最后封装。相对来说，薄膜霍尔元件的厚度比体型霍尔元件小一、二个数量级，可以与放大电路一起集成在一块很小的晶片上，便于微型化。*

差动霍尔电路(双霍尔电路)

它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成，其功能框图见图。

差动霍尔电路的工作原理图

使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。*霍尔器件和工作磁体间的运动方式

在霍尔器件背面放置磁体

在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高，在125℃的温度范围内，翼片的位置重复精度可达50μm。也可将工作磁体固定在霍尔器件背面（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。应用*3.3.3热电式传感器结构及工作原理：当两接点温度不同时，回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，该电势称为热电势。热电式温度传感器就是通过测定热电式来求温度的。特点：如A、B的材质均匀，其热电势大小与热电极长度上的温度分布无关，仅取决于A、B两端的温度差。*结构及工作原理：

双金属片是由热膨胀系数不同的两种金属板粘合而成的。当温的较低时，双金属片保持原来状态。随着温度的升高，由于两种金属片的热膨胀系数不同，双金属片便向膨胀系数小的一侧弯曲，从而感测被测物体的温度，促使执行器动作，它可用于感测发动机冷却水温度和进气温度。双金属片式温度传感器*双金属片式温度传感器*双金属片式温度传感器*具体应用和检修：冷启动喷油器温度时间开关1）结构:温度开关是一个中空的螺钉，旋装在能表征发动机热状态的位置上。内部有一个外绕加热线圈的双金属片和可根据双金属片本身的温度控制开关的触点。双金属片式温度传感器*冷起动喷油器的控制回路双金属片式温度传感器*2）冷起动温度的时间开关的检修测量温度时间开关的电阻温度时间开关端子与搭铁线间电压测量温度时间开关的单件检查双金属片式温度传感器*温度时间开关端子与搭铁线间电压测量双金属片式温度传感器*温度时间开关的单件检查双金属片式温度传感器*双金属片式气体温度传感器*1、工作原理。用来检测发动机的进气温度，通过真空膜片控制冷空气和热空气的混合比列。当发动机进气温度较低时，双金属片保持原来状态，阀门关闭；当温度升高时，双金属片弯曲，阀门打开。2、检修。取下真空电动机侧的软管，用手指堵住管口，根据有无真空引力来判定软管内有无真空。当周围温度低于17°C时应有真空，接上软管时冷暖气转换阀上升，系统正常；当周围温度高于28°C时，软管内应没有真空。否则说明该系统有故障，应更换温度传感器双金属片式气体温度传感器*热敏电阻式温度传感器概述：热敏电阻是用陶瓷半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。特点：热敏电阻因其电阻温度系数大，灵敏度高，热惯性小，反应速度快，体积小，结构简单，使用方便，寿命长，易于实现远距离测量的特点得到广泛地应用，但它的互换性差。*热敏电阻的分类：

1、低温用热敏电阻

2、中温用热敏电阻

3、高温用热敏电阻热敏电阻式温度传感器*热敏电阻式温度传感器半导体点温度计：热敏电阻很适合作点温度计，因为它的体积小，响应速度快。热敏电阻用于过热保护：利用热敏电阻可以对待定的温度进行监视。热敏电阻式冷却水温度传感器：结构及工作原理。热敏电阻式冷却水温度传感器一般安装在发动机缸体、缸盖的水套式节温器壳内并深入水套中，与冷却水直接接触。热敏电阻式温度传感器*检测：1）冷却水温度传感器电阻检测；2）冷却水温度传感器电压检测；3）冷却水温度传感器线束电阻值的检测。热敏电阻式进气温度传感器结构及工作原理：进气温度传感器通常安装在空气滤清器之后的进气软管上或翼片式空气流量计内，有的安装在谐振腔上。检修：1）进气温度传感器电阻的检测方法；2）进气温度传感器的电压检测；3）进气温度传感器线速的电阻值检测热敏电阻式温度传感器*热敏电阻式车内、外温度传感器热敏电阻式蒸发器出风口温度传感器热敏电阻式排气温度传感器热敏电阻式温度传感器*红外传感器是利用物体产生辐射的特性来实现自动检测的器件。红外辐射的产生及其性质：红外辐射是由于物体内部分子的转动及振动而产生的。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应为最大红外传感器*红外探测器：它是一种能探测红外线的器件。从近代测量技术角度来看，把能将红外线辐射转换成电量变化的装置，称之为红外线探测器。按工作原理红外线探测器可分为两类：热敏探测器和光电探测器。1、热敏探测器：是利用红外线辐射的热效应制成的，它采用热敏元件，而热敏元件的响应时间长，一般在毫秒数量级以上。另一方面由于在加热过程中，不管什么波长的红外线，只要功率相同，对热敏探测器的加热效果是也是相同的红外探测器*红外探测器无选择性红外探测器：如果热敏元件对各种波长的红外线都能全部吸收，热敏探测器则对入射辐射的各种波长都具有相同的响应。2、光电探测器是利用红外辐射的光电效应制成的，它采用光电元件，因此它的响应时间一般比热敏探测器的响应时间短的多，最短的可达到毫微秒数量级。由于这类探测器是以光子为单元起作用的，只要光子的能量足够，相同的数量的光子基本上具有相同的效果，因此这类探测器常常被称为光子探测器。*红外探测器红外探测器的结构：光学系统、敏感元件、前置放大器和调节器等。按光学系统的结构化分：透射式和反射式。1）透射式红外线探测器。常常还需要在镜片表面蒸镀红外蒸透层，一方面滤去不需要的波段，另一方面增大有用波段的透射滤。由于红外辐射的透射损失，一般透射系统中包含的透镜在两片以上者是极少见的。*透射式红外线探测器光学系统*透射式红外线探测器透射式光学系统的部件用红外光学材料制成，根据所用红外线波长选择光学材料。700°C以上高温时用波段在0.76~3m的近红外区，可用一般的光学玻璃和石英等材料。100~700°C的中温度时用波段在3~5m的中红外区，多数采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料。100°C以下低温度时，用波段在5~14m的中、远红外区，多数采用锗、硅、热压硫化锌等材料。*反射式红外线探测器*反射式红外线探测器2）反射式红外线探测器。

采用反射式光学系统主要是因为获得透射红外线波段的光学玻璃材料比较困难，此外反射式系统还可以做成大口径的镜子。但是在加工方面，反射式比透射式要困难得多。反射式光学系统是多用凹面镜反射镜，其表面镀金、铝或镍铬等红外波段反射率很高的材料。减小光学像差或为了使用上的方便，通常再加一片反射镜，使目标辐射经二次反射聚焦到接收元件上。*红外传感器应用：红外测温仪；红外线气体分析仪；用红外线传感器的夜间步行者报警系统；红外线传感器在汽车及工程的机械零件锻造自动线的应用*红外测温仪1.红外测温仪：红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000ºC时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测温度。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。滤光片一般采用只任许8~14m的红外辐射能通过的材料。*红外测温仪*红外测温仪的应用红外传感器*红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性来对气体成分进行分析。不同气体的吸收波段（吸收带）是不同的。如CO气体对波长为4.65m附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78m和4.26m附近以及波长大于13m的范围对红外线有较强的吸收能力。红外线气体分析仪*红外线气体分析仪的结构原理*便携式红外线CO分析器

红外线气体分析仪*便携式红外CO2分析器红外线气体分析仪*夜间行人报警系统就是根据下面的概念开发出来的：检测出人脸辐射出的红外线，通过图像处理检测，判断出夜间难以发现的行人，在挡风玻璃上显示行人的存在及方向并发出报警，以提高驾驶员的视觉功能夜间行人报警系统由热红外线摄像机、控制组件及显示部分组成。用红外线传感器的夜间步行者报警系统*步骤（1）以脸部温度为中心将测得的红外线图像信号在1ºC的范围内进行分选；（2）对选定的热源对象决定外接方形窗口的尺寸；（3）计算方框内选定热源对象所占的比例，考虑脸部朝向、头发状况等后，确定某一数值，选定高于这数值的热源；（4）限定小于以选定热源对象纵横比的值；（5）研究这些区域与限定热源对象的方形尺寸之间的关系，在有关使用条件下，对人及判断人的位置方向灯亮。用红外线传感器的夜间步行者报警系统*用红外线传感器的夜间步行者报警系统*红外传感器在汽车及工程机械无损探伤上的应用道理很简单：当A面的外表面均匀受热而温度升高时，热量就向B面传去，B面外表面的温度随之升高。如果两板的交界面是均匀接触，则B面外表面的热量分布也是均匀的一致的，如果交界面的某一部分没有焊接好，热流在这里就会受阻，B板的外表面会出现异常现象。红外传感器*红外无损伤探伤的特点：加热和探伤设备都比较简单，能针对各种特殊的需要设计出合适的检测方案，因此应用比较广泛。例如金属、陶瓷、塑料、橡胶等材料中的裂缝、孔洞、异物、气泡、界面变形等缺陷的探伤，结构的检查，焊接质量的鉴定以及电子器件和线路的可靠性的检测等，都可以用红外无损伤探伤来解决。红外传感器*3.4常用其他传感器光电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。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应。*外光电效应

在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象,称为外光电效应。*内光电效应

受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种:光电导效应和光生伏特效应。*光电传感器的应用

*红外辐射检测一、红外辐射

红外辐射又称红外光，任何物体的温度只要高于绝对零度（即-273.16℃）就处于“热状态”。处于热状态的物质分子和原子不断振动、旋转并发生电子跃迁，从而产生电磁波。这些电磁波的波长处于可见光的红光之外，因此称为“红外线”。物体与周围温度失去平衡时，就会发射或吸收红外线，这便是常说的热辐射，即红外辐射。红外线在电磁波谱中位于可见光与微波之间，波长为0.76～1000μm（图3.106）。图3.106电磁波谱

*

物体的温度与辐射功率的关系由斯芯藩—玻尔茨曼（Stefan-Boltzmann）定律给出，即物体辐射强度W与其热力学温度的四次方成正比：

W—单位面积辐射功率，Wm-2；

σ—斯芯藩—玻尔茨曼常数，5.67×10-8W·m-2·K-4；

T—热力学温度，K；

ε—比辐射率（非黑体辐射度/黑体辐射度）。黑体：在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射的物体，ε=1。灰体：一般物体的ε<1，即它不能全部吸收投射到它表面的辐射功率，发射热辐射的能力也小于黑体。(3.130)*二、红外探测器红外探测器：能将红外辐射量转化为电量的装置。分类：热敏探测器；光敏探测器。热敏探测器利用半导体薄膜材料在受到红外辐射时产生的热效应。响应时间较长，约在10-3s的量级。对辐射的各种波长基本上有相同的响应，其光谱响应曲线平坦，在整个测量波长范围内灵敏度基本不变，且能在常温下工作。*

光电探测器是一种半导体器件，它的核心是光敏元件。当光子投射到光敏元件上时，促使电子—空穴对分离，产生电信号。光电效应产生很快，光电探测器对红外辐射的响应时间要比热敏探测器的响应时间快得多，可达毫微秒。其对波长的响应率有个峰值λp，超过λp时响应曲线迅速截止(图3.108)。其原因是，在大于一定波长的范围内，光子储量不足于激发电子的释出，电活性消失。光电探测器必须在低温下才能工作。图3.108红外探测器光谱响应曲线

*对红外探测器性能的要求：灵敏度高；在工作波长范围内有较高的探测率；时间常数小。*三、红外检测应用辐射温度计图3.109辐射温度计工作原理*

运用斯忒藩——玻尔茨曼定律可进行辐射温度测量。被测物通常为ε<1的灰体，若以黑体辐射作为基准来定标，则当知道了被测物的ε值后，则可根据式（3.130）以及ε的定义来求出被测物的温度。假定灰体辐射的总能量全部为黑体所吸收，则它们的总能量相等，即

ε—被测物的比辐射率；

ε0——黑体的比辐射率，ε0=1；

T——被测物温度；

T0——黑体温度；

σ——斯忒藩—玻尔茨曼常数。 由此可得(3.133)*

红外测温 辐射温度计一般用于800℃以上的高温测量，此外所讲的红外测温则是指低温及红外光范围的测温。图3.110红外测温装置原理图*

红外热成像红外光是人的肉眼所不能看到的，因此不能采用普通照相机原理来摄取红外图象。红外热成像（Infraredthermalimaging）技术：将红外辐射转换成可见光进行显示的技术。分类：主动式；被动式。*主动式红外热成像：采用一红外辐射源照射被测物，然后接收被物体反射的红外辐射图象。图3.111主动式红外成象原理1——红外光源；2——摄象机；3——监视器*被动式红外热成像：利用物体自身的红外辐射来摄取物体的热辐射图像，这种成像我们一般称为热像（thermalimage），获取热象的装置称热像仪。图3.112红外热像仪光学系统结构1.

被测对象2.扫描镜3.透镜3.反射镜5.红外探测器6.杜瓦瓶7.测温元件8.参考黑体9.调制器10.凹面反射镜*红外热像仪的应用：不同环境条件下的温度检测。图3.113车床轴承面的等温度场分布图*图3.114超音速风调热像仪检测1.喷嘴2.模型3.热像仪3.塑料窗*热像技术广泛用于无损缺陷的探查。在电力工业中，热像仪被用来检查电力设备尤其是开关、电缆线等的温升现象，从而可及时发现故障进行报警。在石油、化工、冶金工业生产中，热像仪也被用来进行安全监控。用于公安和消防，对火灾现场的建筑物，采用热象仪可以探知建筑物中被烧毁的情况以及人员的情况。用作海岸线监视，以监视各类过往船只，尤其是用作夜间监视，确保海岸线的安全。*热像仪用于临床医学诊断。图3.115医用红外热象仪获取的病例（脂肪瘤）热图*

固态图象传感器固态图象传感器：一种固态集成元件，其核心部分是电荷耦合器件（Charge