第三章常用的传感器

第三章常用的传感器本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路3.1概述3.2电阻传感器

3.3电容传感器3.4电感传感器3.5磁电传感器3.6压电传感器3.7磁敏传感器3.8传感器选用原则▼▼▼▼▼▼▼▼3.1概述1.传感器(Sensor)定义

传感器是指能感受被测物理量的变化，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。物理量电量

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号转换成电信号的装置。敏感元件：感受并拾取被测对象的信号转换元件：被测信号转换成易于检测和处理的电信号2.传感器的构成

传感器由敏感元件与转换元件组成。3.传感器的分类1)按被测物理量分类常见的被测物理量：机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩位移传感器、流量传感器、温度传感器等。机械式、电气式、光学式、流体式等.2)按传感器的工作原理分类:能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.dV4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。按工作的原理可分为:热敏式电阻应变式光敏式湿敏式3.2电阻式传感器变阻器式1变阻器式传感器

(1)工作原理(2)等效电路分析:Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0x100%100%Output0负载效应(3)变阻器式传感器的特点优点：结构简单、性能稳定、使用方便；缺点：分辨力不高，容易产生噪声，适合于测量变化较缓慢的量。(4)应用案例：重量的自动检测--配料设备重量设定原材料

比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化可调电位器为输出电压(V)；为外加固定电压(V);为材料的总电阻();为固定端至滑块的电阻()(1).应变效应导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。应变片受力

应变

比例关系

比例关系

应变片电阻的变化

2.电阻应变式传感器丝式应变片

箔式应变片

金属电阻应变片和半导体应变片半导体应变片

金属电阻应变片:由金属电阻丝、基片和覆盖层、引出线组成。①由直径为0.025mm左右的高电阻率的合金电阻丝绕成栅栏形的敏感栅，它的作用是敏感应变量的变化。②基片用作定位和保护电阻丝，它与粘结剂一起把机械应变传递给电阻丝，并使电阻丝和被测构件之间绝缘。③引出线（0.15~0.30mm镀锡铜线），用以连接导线。箔式应变片:金属箔式应变片的敏感栅则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点。半导体应变片:典型结构如图所示：电阻值的改变是基于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力时，其电阻率ρ发生改变的现象。单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。(2).工作原理式中，ρ——导线的电阻率，又称为电阻系数金属导线的应变电阻效应：当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。应变片受力后，电阻的变化dR

则两边同除以R，同时R=ρL/A，则dL/L=ε——金属导线长度的相对变化，称纵向应变。dρ/ρ——导线电阻率的相对变化。dA/A——导线截面积的相对变化，称为横向应变。

对于圆形截面积的导线，若其直径为D，则横向应变dr/r和纵向应变dL/L之比称为泊桑比，即故E为导线材料的弹性模量，λ为压阻系数，与材料有关。则已知当导体材料确定后，μ、λ、E均为常数，则(1+2μ+λE)为常数。灵敏度为：应变片电阻的相对变化率dR/R与应变ε之间是线性关系S由两部分组成：前一部分(1+2μ)是由金属导线的几何尺寸变化引起的；后一部分λE是由于电阻率变化而引起的。μ：泊松系数，E:弹性模量，ε:纵向应变，λ:压阻系数

推导<1>金属应变片（不变）金属应变计<2>

半导体应变片（变化）半导体应变计(3).应变片的主要参数

1)几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2)电阻值：应变计的原始电阻值。

3)灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4)其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。

(4).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(5).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(6).应变式电阻传感器的应用

1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。2）将应变片贴于弹性元件上，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、加速度等物理参数。立柱应力

桥梁应力

德国HBM电阻应变式传感器

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。重量传感器

位移传感器

加速度计

压力传感器

压力传感器

转矩传感器

3.其他电阻传感器

(1).热电阻传感器

利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。温度(热量)的变化电阻的变化温度检测:-200℃～+500℃(2).热敏电阻传感器

圆形热敏电阻柱形热敏电阻珠形热敏电阻热敏电阻在电路中的符号非线性元件:它的温度-电阻关系是指数关系

温度为-50℃～＋350℃

(3).光敏电阻传感器

(4).湿敏电阻传感器

▲3.3电容式传感器

1.变换原理

将被测物理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:+++A

当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。2.分类

a)极距变化型+++c)介质变化型b)面积变化型:平面线位移型,角位移型,柱面线位移型3.灵敏度

a)极距变化型传感器的灵敏度近似为：变极距电容传感器

平板电容器传感器灵敏度b)面积变化型a)直线位移型

直线位移型b)角位移型

传感器灵敏度角位移型c)介质变化型介质常数变化型电容式传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)根据极板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(图d)等。4.电容式传感器的应用振动测量

旋转轴的偏心量的测量

电容式氢液高度传感器

纱条均匀度测试仪

▲3.4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1.可变磁阻式(自感型)原理:电磁感应可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁磁阻Rm包括有三部分：铁心、衔铁、气隙中的磁阻。总磁阻：

l——铁心与衔铁的导磁长度[m]；μ——铁心与衔铁的磁导率[H/m]；A——铁心与衔铁的导磁面积[m2]；μ0——空气磁导率μ0=4π×10-7[H/m]；A0——空气隙导磁横截面积[m2]；因为铁心磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略所以代入式得特性分析:上式表明，自感系数L与气隙成δ成反比，而与气隙导磁截面积A0成正比，因此改变气隙长度和改变气隙导磁截面积都能使电感量发生变化。(1).间隙变化型当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：（1）灵敏度：δ越小，灵敏度越高。（2）线性误差：为使传感器具有较好的线性，必须限制衔铁的位移变化量，一般取△δ/δ≤0.1，此时S可近似为常数。特点：灵敏度较高，非线性严重，自由行程小，只适用于0.001-1mm范围的小位移测量。差动式:衔铁处于中间位置：L1=L2衔铁右移Δδ：L1=L-ΔL1

L2=L+ΔL2若将两线圈接于电桥相邻两桥臂：ΔL=│L1-L2│输出灵敏度可提高一倍,且可改善其非线性特性。变间隙型差动变压器输出特性传感器灵敏度(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，L与A0的线形关系传感器灵敏度=常数(3).螺管线圈型当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。双螺管线圈差动型传感器及测量电路变换原理:金属体在交变磁场中的涡电流效应。涡电流：把一个线圈放到一块金属导体板附近，相距为δ，当线圈通以高频交流电流i时，便产生磁通Φ，此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，称之为“涡电流”或“涡流”。

2.涡流式电感传感器

涡电流也会产生交变磁场Φ1，根据楞次定律，涡电流产生的交变磁场Φ1与线圈的磁场Φ变化方向相反，Φ1总是抵抗Φ的变化，由于涡电流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗Z发生变化。例：应用广泛的涡电流位移传感器，就是固定ρ、μ、h、I、ω不变，只使阻抗Z与距离δ成单值的函数关系。实验分析得知，线圈阻抗Z的大小与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、线圈的激励电流I和激励角频率ω及线圈与导体之间的距离δ等参数有关。

所以线圈阻抗可表示为：

涡流式传感器的应用案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量径向振动的测量构件振幅的测量构件振型的测量轴心轨迹的测量其中，n为转轴的转速；f为脉冲频率；z为转轴上的槽数或齿数。案例:转速的测量案例：测厚案例：零件计数案例：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工作原理:互感现象.如图所示，当线圈W1输入交流电流i，线圈W2产生感应电动势e12，其大小与电流i的变化率成正比：M——比例系数，称为互感，其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，表明两线圈之间的耦合程度。

3.互感型--差动变压器螺管式差动变压器：变压器由初级线圈W和两个结构参数相同的次级线圈W1、W2组成，线圈中心插入圆柱形铁心P，次级线圈W1和W2反极性串联，当初级线圈W加上交流电压时，次级线圈分别产生感应电动势e1与e2，其大小与铁心位置有关，当铁心在中心位置时，e1=e2，输出电压e0=e1-e2=0；铁心偏离中心位置时，（上）e1>e2(或（下）e1<e2)，其输出特性如图所示。注：（1）差动变压器的输出电压是交流量，其幅值与位移成正比，若用交流电压表指示，输出值只能反映铁心的位移大小，而不能反映移动方向。零点残余电压：由于两次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀，线圈间分布电容等原因形成。（2）交流电压输出存在零点残余电压（即铁心处于中间位置时，其输出亦不为零）。差动变压器式传感器的后接测量电路应该采用既能反映铁心位移方向，又能补偿零点残余电压的直流输出电路。如图为用于小位移测量的差动相敏检波电路。没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R使零点残余电压减少；输入信号时，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后直流输出，由表头指示位移量大小和方向。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▲3.5磁电传感器

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。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，都会改变线圈的感应电动势。

2.分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.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。4磁阻式传感器

磁阻式传感器又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。图a为开路变磁通式传感器，线圈和磁铁静止不动，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。5.磁电传感器的应用测速电机磁电式测速传感器测频数测转速偏心测量振动测量▲一、压电效应:

某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；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+q=DF压电式传感器是一种可逆型换能器，其工作原理是基于某些电介质所具有的压电效应。

逆压电效应：若将这些物质置于电场中，其几何尺寸会发生变化，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。3.6压电传感器

二、压电材料:凡是具有压电效应的材料称为压电材料。1、性能要求压电常数、介电常数和电阻率大，机械强度和刚度高，耐湿和耐高温，且居里点（失去压电效应的温度）高和时间稳定性好。2、常用的压电材料:压电晶体、压电陶瓷、压电半导体、有机高分子压电材料①压电晶体:单晶体(石英晶体SiO2)，其具有较好的机械强度，时间和温度稳定性好，居里点高；但压电常数不太高，且资源较少，价格高，多用于校准的标准传感器或精度要求很高的传感器。②压电陶瓷:一种人工制造的多晶体压电材料(钛酸钡BatiO3、锆钛酸铅系列PZT等)，压电常数、介电常数和电阻率高。与石英晶体相比，压电陶瓷的压电常数很高，制作方便，成本较低，现在压电元件绝大多数采用压电陶瓷。③压电半导体(ZnS)：它具有压电特性又有半导体特性，便于制成新型集成压电传感器系统。④有机高分子压电材料:质轻柔软，耐冲击，热稳定性好等优点，如聚偏二氟乙烯（PVdF），可批量生产和制成较大面积的压电薄膜，是一种很有发展前途的压电材料。三、石英晶体的压电特性:石英晶体的晶体结晶形状:六角形晶柱(六棱柱)光轴:晶体纵轴线的Z-Z轴。电轴:通过六角棱线而垂直于光轴轴线的X-X轴。机械轴:垂直于棱面的轴称为机械轴Y-Y。从晶体上切下一个平行六面体，并使其晶面分别平衡于Z-Z，Y-Y，X-X轴线，这个晶片在正常状态下，不呈电性；(1)若沿电轴X轴方向施加外力时，会产生纵向压电效应。①在与电轴(X)垂直的平面上将产生电荷qx；②其大小(2)若沿机械轴(Y)方向施加外力时，会产生横向压电效应。①在与电轴（X）垂直的平面上产生电荷qx；②其大小：（与晶片的几何尺寸有关）a、b分别为晶体片的长度和厚度。四、压电陶瓷的压电特性:压电陶瓷为人工经过极化处理后的多晶体压电材料，压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布作用力时，则在这两个镀银极化面上分别出现正负电荷；若在两侧面均匀分布作用力时：Sx:受力面面积，Sy:极化面面积F+q=DF五、压电式传感器及其等效电路:压电传感器的敏感元件是由压电材料按特定方向切成的长方体压电晶片，其上两个产生电荷的面上镀有金属膜，形成两个金属平面电极，因此:电容器上的开路电压U、电荷q与电容C三者之间的关系为:1、压电式传感器既可以看作电荷发生器，又可看作电容器。压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。2、压电式传感器可等效为一个与电容并联的电荷源或等效为一个与电容串联的电压源，如图所示：等效电荷源

Cc:分布电容；Ri:输入电阻；Ra:漏电阻；Ci:输入电容ea：开路电压；q:压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。3、为提高传感器的灵敏度，实际使用压电式传感器时常用多片性能相同的晶片串接或并接。①并接：

输出电荷量大，时间常数大，宜于作缓变量的测量，适宜于以电荷量作为输出的场合；+－－+②串接：输出电压大，适用于电压输出，且要求测量电路输入阻抗很高的场合。++－－六、测量电路

压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。

前置放大器的作用:①放大传感器输出的微弱信号；②将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。前置放大器的形式:①电压放大器②电荷放大器如图所示，其输出电压:其中C=Ca+Cc+Ci当开环增益足够大时:电荷放大器输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。七、应用b)压力变送器a)加速度计，力传感器

典型应用：在机床动态切削力测试中作压力传感器；在表面粗糙度测量仪中作力传感器；在测轴承支座反力时作压力传感器。压电式压力传感

压电式压力传感器特性

3.7磁敏传感器1.霍尔元件霍尔效应:

霍尔效应原理图

将霍耳元件置于磁场B中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应