第三章常用传感器与敏感元件1

第三章常用传感器与敏感元件第一节常用传感器分类第二节机械式传感器及仪器第三节电阻、电容与电感式传感器第四节磁电、压电与热电式传感器第七节半导体传感器第十节传感器的选用原则传感器的定义：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、便于应用的某种物理量的测量装置。第三节电阻、电容与电感式传感器一、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。

电阻式传感器分类：变阻器式传感器电阻应变式传感器固态压阻式传感器1、变阻器式传感器变阻器式传感器又称为电位计式传感器。它通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻R的变化。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，还可以测量任何可以转换为位移的物理参数，如压力、加速度等。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）。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。变阻器式传感器直线位移型

kl为单位长度中的电阻。 其灵敏度：xCxABCR当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。角位移型

灵敏度：α－触点转角(rad)；ka－单位弧度对应的电阻值。ACBxACB3）非线性型非线性型输出电阻(或电压)与电刷位移(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。★变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuo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；缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于20μm；较大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因）。2、电阻应变式传感器

可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。

电阻应变式传感器:金属电阻应变片和半导体应变片。（1）金属电阻应变片基本工作原理：当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。主要形式：金属电阻应变片有丝式和箔式两种。金属丝式应变片是用0.01～0.05mm的金属丝绕成敏感栅，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。应变片实际使用：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，将被测量的变化转换为电阻值的变化。依次代入式（3－5），得

说明：

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。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。（2）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。

工作原理：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，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。

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化，从而引起电阻率变化。金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别是什么？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于测量；体积小，扩大了半导体应变片的使用范围。最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。应变片粘贴于弹性元件上，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出。

二、电容式传感器1、变换原理定义：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。公式：平板电容器的电容可表达为：各参数含义：

ε—极板间介质的介电常数，当介质为空气时ε=1；

ε0—真空介电常数,ε0=8.85×10-12(F/m); A—极板面积（m2）；

δ—两极板间距离（m）。结论：被测量使δ、A或ε变化，均会引起电容C变化。保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。分类：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三种，前两种应用较广。

（1）极距变化型极距有一微小变化量dδ时，引起电容变化量dC为灵敏度为结论：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。（2）面积变化型a)角位移型电容量灵敏度结论：输出与输入成线性关系。b)平面线位移型c)圆柱体线位移型（3）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。图解：图3－14a，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；图3－14b，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入高度变化，电容量变化。

介质可移动

例题：4、电容式传感器的应用：电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。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5μm。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，转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自感型（包括可变磁阻式与涡流式）和互感型（差动变压器式）两种。1、自感型（1）可变磁阻式组成：线圈、铁心和衔铁。

由电磁感应原理，线圈自感L为N-线圈匝数，Rm-磁路总磁阻[H-1]。当气隙δ较小时，该磁路的总磁阻（3－23）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; δ－气隙宽(m); μ0－空气磁导率,μ0=4π×10-7(H/m); A0－空气气隙导磁横截面积(m2)

铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁阻Rm近似为

代入3－23，得当A0固定，变化δ时，L与δ成非线性变化关系，此时传感器灵敏度灵敏度S与δ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内工作。当气隙变化甚小即Δδ<<δ0时，灵敏度S近似为S此时为一定值，输出与输入近似成线性关系。实际应用中常选取Δδ/δ≤0.1。这种传感器适宜于测量小位移，一般为0.001—1mm。（2）涡流式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。高频反射式涡流传感器工作原理：涡流产生：当线圈中通以一交变高频电流i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。抵抗作用：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。线圈的阻抗变化及影响因素：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，还与金属板的电阻率ρ、磁导率μ以及线圈的激磁电流圆频率ω等有关。主要应用：变化δ，可作为位移、振动测量；变化ρ，可作为材质鉴别；变化μ，可用于探伤。涡流式传感器的测量电路：涡电流式传感器应用：动态非接触测量涡电流式位移和振动测量仪测厚仪无损探伤径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量零件计数、表面裂纹和缺陷测量径向振动测量

轴心轨迹测量2、互感型－差动变压器式电感传感器互感型传感器的工作原理：利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。传感器实质是一个变压器，初级线圈接入稳定交流电源，次级线圈感应产生输出电压。M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，故又称差动变压器式传感器。工作原理如图3－20。差动变压器式传感器的优点是：

测量精度高，可达0.1μm；线性范围大，可到±100mm；稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移,或借助弹性元件将压力、重量等参数转换为位移变化，实现间接测量。第四节磁电、压电与热电式传感器一、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结论：线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应电动势。二、压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器。机械能电能：可用来测量力、压力、加速度等；电能机械能：可用于高频振动台、超声发射器、扬声器等。主要优点：体积小；重量小；固有频率高（加速度传感器，可测频率范围0.1~20kHz)；灵敏度高（加速度传感器，可测10－2～105m·s-2、力传感器，分辨力达10－3N）。1、压电效应

定义：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，而且其内部会产生极化作用，从而会在晶体的相应表面产生电荷，形成电场。晶体的这一性质称为压电效应。说明：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，石英晶体是常用的压电材料之一。小结：石英晶体切片受x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；石英晶体切片受y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x轴施加压力时产生的电荷极性相反。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。压电体各表面都会积聚电荷。3、压电式传感器及其等效电路等效电路：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u0、电荷q以及电容Ca三者间的关系有5、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，也用于声学和声发射测量。（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、动态力检测等三、热电式传感器定义：将温度转换为电量变化的一种装置。分类：热电偶和热电阻。1、热电偶（1）热电偶工作原理热电效应：两种不同的金属导体A和B组成一个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，这种现象称热电效应。相应的电势称热电动势。

A、B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T的接点称为热端，另一端称为冷端。热电偶回路的特点：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的材料构成；如果热电偶两个接点的温度相同，即使两个热电极A、B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温度差；热电势与导体材料A、B的中间温度无关，仅与两个接点的温度有关。热电偶的基本定律：中间导体定律：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入第三种导体C，如图3－40所示。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。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被测导体表面。中间导体的热电偶回路中间温度定律：热电偶回路中，热端温度为T、冷端为T0时的热电势，等于此热电偶热端为T、冷端为Tn，及同一热电偶热端为Tn、冷端为T0时热电势的代数和，如图所示：中间温度定律示意图2、热电阻传感器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，分别称为热电阻和热敏电阻。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。（1）铂电阻特点：测温精度高，稳定性好，性能可靠；测温范围：-200～850℃电阻与温度关系：

说明：Rt和R0分别为t℃和0℃时的铂电阻值；A、B为常数。（2）铜电阻特点：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。测温范围：-50～150℃电阻与温度关系：Rt是温度为t时铜电阻值；R0是温度为0℃时铜电阻值；a1是常数；a1=4.25-4.28×10-8℃-1。

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。作业：P1263-11第七节半导体传感器物性型传感器:利用敏感元件材料本身的物理化学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.半导体传感器具有明显的优点:1.结构简单,体积小,重量轻,灵敏度高.2.功耗低,安全可靠,寿命长.3.对被测量敏感,响应快.4.易集成化.磁敏传感器1.

霍尔传感器利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输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。组成材料：砷化铟（InAs）、锑化铟（InSb）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等高电阻率半导体材料。霍尔效应：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b和板长，当在板长度方向通以控制电流I时，则在板的侧向（宽度方向）会产生电势差,称为霍尔电势,这种现象称为霍尔效应.如果改变B或i，就可以改变霍尔电势。

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(一般为4×2×0.1mm3)，在它的长度方向两端面上焊有a、b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；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d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。钢丝绳断丝检测

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

RT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2000～6000K，其大小取决于热敏电阻的材料五、固态图象(CCD)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（ChargeCoupledDevice，简称CCD）。CCD：以阵列形式排列在衬底材料上的金属——氧化物