第3章-常用传感器与敏感元件

第三章常用的传感器与敏感元件

§3.1

概述§3.2

机械式传感器

§3.3

电阻式传感器§3.4

电感式传感器§3.5

电容式传感器§3.6

压电式传感器§3.7

其他传感器§3.9

传动器的选用原则返回绪 论

工程测量中通常把直接作用于被测量，并能按一定方式将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。 由于传感器处于测量装置的输入端，是测试系统的第一个环节，其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。 深入研究传感器类型、原理和应用，研制开发新型传感器，对于科学技术和生产工程中的自动控制和智能化发展，以及人类观测研究自然界事物的深度和广度都有重要实际意义。第一节常用传感器分类工程中常用传感器的种类繁多，往往一种物理量可用多种类型的传感器来测量，而同一种传感器也可用于多种物理量的测量。传感器有多种分类方式。按被测物理量的不同，可分为位移传感器、力传感器、温度传感器；按传感器工作原理的不同，可分为机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等。按信号变换特性也可概括分为物性型传感器与结构型传感器；根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，也可分为能量转换型与能量控制型传感器；按输出信号分类，可分为模拟式传感器和数字式传感器等。物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如，水银温度计、压力测力计等。结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。例如，电容式传感器、电感式传感器等。能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。电阻温度计、电容式测振仪等。第二节机械式传感器及仪器 一、工作原理： 以弹性元件作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出则为弹性元件本身的弹性变形。详见图3-3。二、特点及应用优点：机构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等特点。缺点：弹性变形不宜大，以减少线性误差。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，适于检测缓变或者静态被测量。为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将测量转换成位移量，然后用其他形式的传感器将位移量转换成电信号输出。被测量弹性元件变形（位移）敏感元件电信号第三节电阻、电容与电感式传感器1、电阻式传感器2、电容式传感器

工作原理：变阻器式传感器它通过改变电位器触头位置，实现将位移信号转换成电阻R的变化。其表达式为当导线分布均匀是，k1为一常数，传感器的输出与输入成线性关系。一、电阻式传感器1、变阻器式传感器1）直线位移型：传感器的灵敏度：2）回转式型：其灵敏度为：式中：α—电刷转角（rad）；

kα—单位弧度所对应的电阻值。变阻器式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路，传感器的输出电压uo可用下式计算：（3-3）3)变阻式传感器的性能特点：优点：结构简单，性能稳定、使用方便；缺点：分辨力不高。4）适用场合：主要应用于线位移、角位移等的测量。式（3-3）表明，只用当RP/RL—>0，输出电压uo才与位移成现行关系。（1）金属电阻应变片常见金属电阻应变片有丝式、箔式两种。工作原理基于应变片发生机械变形时，其阻值发生变化。由于电阻值R=ρl/A,其长度l、截面积A、电阻率ρ均将随电阻丝的变化而变化。当其中任意可变因素分别有增量时，所引起的电阻增量为：2、电阻应变式传感器电阻应变式传感器可以用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。具有体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便等优点。（3-4）式中A=πr2，r为电阻丝半径，则电阻的相对变化为：式中dl/l=ε—电阻丝轴向相对变形，或称为纵向应变；

dρ/ρ—电阻丝电阻率的相对变化，与电阻丝轴 向所受的正应力σ有关。其中 E—电阻丝材料的弹性模量；

λ—压阻系数，与材质有关；

dr/r—电阻丝径向相对变形，或称为横向应变。（3-5）（3-6）当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向收缩，两者的关系为：式中ν—电阻丝材料的泊松比；

λEε项则是由于电阻率随应变的改变而引起的，对于金属丝来说，λE是可以忽略的。（3-7）（3-8）（3-9）式（3-9）表明电阻相对变化率与应变成正比。一般用比值Sg表征电阻应变片的应变或灵敏度（3-10）灵敏度Sg多在1.7~3.6之间，常见电阻丝材料物理性能见表3-2。（2）半导体应变片工作原理：基于半导体材料的压阻效应。所谓的压阻效应是指单晶导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化。对于半导体而言，λEε远远大于项（1+2ν）ε项，它是半导体应变片的主要部分，故式（3-8）可简化为：半导体应变片灵敏度：金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者是利用导体形变引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，另外，由于机械滞后小，横向效应小以及体积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。其最大缺点是温度稳定性能差、灵敏度离散度大以及在较大应变作用下，非线性误差大。（3-11）（3-12）1、变换原理电容式传感器是将被测物理量转换成电容量变化的装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。二、电容式传感器由两个平行板极组成的电容器其电容量C(F)(3-13)式中ε—板极间介质的相对介电常数，在空气中ε=1；

ε0—真空中介电常数，ε0=8.85×10-12F/m；

δ

—板极间距离（m）；

A—板极面积（m2）。式（3-13）表明，当被测量使δ、A或ε发生变化时，都会引起电容C的变化。根据电容器变化的参数，电容器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三类。（1）极距变化型根据式（3-13），如果电容器的两极板相互覆盖面积A及极板间介质ε不变，则电容量C与极距δ呈非线性关系。当极距δ有一微小变化量dδ时，引起电容的变化量dC时，引起电容的变化量dC为由此得传感器的灵敏度：图3-12极距变化型电容传感器及输出特性

a）极距变化 b）输出特性灵敏度S与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高。为了减少误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作，以便获得近似线性关系。一般极距变化范围约为△δ/

δ0

=0.1。在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。工作特点：可用于进行动态非接触式测量，对被测系统的影响小，灵敏度高，适用于较小位移（0.01μm~数百微米）的测量。这种传感器具有非线性特性、散杂电容对灵敏度和测量精确度有影响，电路复杂。（2）面积变化型 在变换极板面积的电容传感器中，一般常见的有角位移型、线位移型两种。

角位移型传感器：式中：α——覆盖面积对应的中心角；

r——极板半径。电容量：灵敏度：=常数该类传感器的输出与输入成线性关系。图3-13角位移型线位移型传感器：电容量：式中b—极板宽度。灵敏度：圆柱体线位移型传感器电容量：式中 D—圆筒半径；

d—圆柱半径。图3-13平面线位移型图3-13柱体线位移型面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。（3）介质变化型这是利用介质介电常数变化将被测量转换成电量的一种传感器，可用来测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。2、测量电路电容式传感器将被测物理量转换成电容量的变化以后，由后续电路转换为电压、电流或频率信号。常见的电路有下列几种。（1）电桥型电路将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换成电桥的电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。（2）直流极化电路此电路又称为静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。（3）谐振电路传感器电容量发生变化时，谐振回路的阻抗发生相应变化，并被转换成电压或者电流的输出。（4）调频电路当输入量使传感器电容量发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化，经过鉴频器变为电压的变化。（5）运算放大器电路采用比例运算放大器电路得到输出电压与位移线性关系。3、电容集成压力传感器（自学）三、电感式传感器电感式传感器是把被测量，如力、位移等，转换为电感量变化的一种装置，其变换是基于电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分为自感型（包括可变磁阻式与涡流式）与互感型（差动变压器式）。1、自感型（1）可变磁阻式工作原理：

可变磁阻式传感器由线圈、铁心和衔铁组成，如图3-21所示，在铁心与衔铁之间有空气隙δ。其自感量L为式中 N——线圈匝数；

Rm——磁路总磁阻[H-1]。（3-23）特性曲线图3-21可变磁阻式电感传感器空气气隙δ较小时，不考虑磁路的铁损时，则总的磁阻：式中 l——铁心导磁长度；

μ——铁心磁导率；

A——铁心磁导截面积；

δ——气隙长度；

μ0——空气导磁率；

A0——空气气隙导磁截面积（m2）。注：铁损包括磁性材料的磁滞损耗和涡流损耗以及剩余损耗。(3-24)由于铁心磁阻与空气气隙磁阻相比很小，计算时可以忽略，故代入式（3-23），则（3-26）式（3-26）表明，自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积成A0成正比。当固定A0

，变化δ时，L与δ呈非线性关系，此时传感器的灵敏度（3-27）（3-25）灵敏度S与气隙长度的平方成反比，δ愈小，灵敏度越高。这种传感器适用与较小位移的测量，一般约为0.001~1mm。常见可变磁阻式传感器的典型结构：

可变导磁面积型：其自感与导磁截面积成线性关系，这种传感器灵敏度较低。差动式：其输出灵敏度可提高一倍，并能改善线性特点。单螺管线圈型：结构简单、制造容易、灵敏度低，适用于较大位移测量。双螺管线圈差动型：较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上。图3-22可变磁阻式电感传感器典型结构2、涡流式涡流传感器的转换原理是利用金属导体在交变磁场的涡电流效应，如图3-24所示。工作特点：涡流传感器可用于动态非接触测量，测量范围视传感器结构尺寸、线圈匝数和励磁频率而定。图3-24涡流传感器原理2、互感型工作原理：这种传感器利用了电磁感应中的互感现象。当线圈W1输入交流电流i1时，线圈w2产生感应电势e12图3-29互感现象工作特点：

具有精度高、线性范围大、稳定性好和使用方便等特点，被广泛的应用于直线位移测量。第四节磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器二、压电式传感器三、热电式传感器一、磁电式传感器磁电式传感器是将被测物理量转换成感应电动势的一种传感器，又称电磁感应或电动力式传感器。从电工学知，对于一个匝数为N线圈，当穿过该线圈的磁通量Φ发生变化时，其感应电动势为：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、磁场磁阻、线圈的运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按照结构不同，磁电式传感器可分为动圈式和磁阻式。1、动圈式动圈式分为线速度型与角速度型。在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动线圈，当线圈在磁场中作直线运动，所产生的感应电动势：式中 B—磁场的磁感应强度；

l—单匝线圈有效长度；

N—线圈匝数；

v—线圈与磁场的相对运动速度；

θ—线圈运动方向与磁场方向的夹角。当θ=90º时，式（3-31）可写成

当均为常数时，感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比，这就是一般常见的惯性式速度计的工作原理。角速度型传感器，线圈在磁场中转动时产生的感应电动势：式中w—角速度；

A—单匝数线圈的截面积；

k—与结构有关的系数。当N、B、A均为常数，感应电动势e与线圈相对磁场的角速度成正比，这种传感器用于转速测量。将传感器中线圈产生的感应电动势通过电缆与电压放大器联接时，其等效电路如图3-33所示。等效电路中的输出电压(3-34)图3-33动圈磁电式传感器等效电路对不使用特别加长电缆时，CC可以忽略，并且如果RL远大于Z0，放大器输出电压uL≈e。感应电动势经放大、检波后即可推动指示仪表，显示速度。如果经过微分或积分网络，可以得到加速度或位移。2、磁阻式磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。其工作原理及应用实例如图3-34所示。磁阻式传感器主要用来测量转速、偏心量、振动等。

图3-34磁阻式传感器工作原理及应用二、压电式传感器压电式传感器是一种可逆型传感器，既可以将机械能转化成电能，又可以将电能转化成机械能。这种传感器具有体积小、质量小，精确度及灵敏度高等优点。压电传感器的工作原理是利用某些物质的压电效应。1、压电效应某些物质，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，某些表面上出现电荷，形成电场。压电效应是可逆的，即将压电晶体置于外电场中，其几何尺寸也会发生变化。这种效应称之为逆压电效应。以α—石英晶体为例，介绍压电效应。（自学）

实验证明，压电效应和逆压电效应都是线性的。即晶体表面出现的电荷的多少和形变的大小成正比，当形变改变符号时，电荷也改变符号；在外电场作用下，晶体形变的大小与电场强度成正比，当电场反向时，形变改变符号。以石英晶体为例，极化强度Pxx与应力σxx成正比式中Fx——沿晶轴Ox向方向施加的压力；

d11——石英晶体在x方向力作用下的压电常数；

ly——切片的长；

lz——切片的宽。2、压电材料（自学）常见的压电材料大致分为三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。石英是压电单晶中最具有代表性的，应用广泛。石英的压电常数不高，但具有很好的机械强度和时间、温度稳定性。现代声学技术和传感器技术中普遍应用的是压电陶瓷，压电陶瓷制作方便，成本低。高分子压电薄膜易于大批量生产，具有面积大、柔软不易破碎，可用于微压测量和机器人的触觉。3、压电式传感器及其等效电路在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当受外力作用时，在两个极板上将积聚数量相等、而极性相反的电荷，形成了电场。因此压电传感器可以看作是一个电荷发生器，又是一个电容器，其电容量C为：式中

ε——压电材料的相对介电常数，

δ——板极间距，即晶片厚度；

A——压电晶片工作面的面积。压电式传感器是一个具有一定电容的电荷泵。电容器上的开路电压u0与电荷q、传感器电容Ca存在下列关系：当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容就形成传感器的并联寄生电容Ca，后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄露电阻R0。电容上的电压值为：4、测量电路由于压电式传感器的输出电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身的有很大的阻抗，故输出能量微弱，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪或记录器。前置放大器电路的主要用途有两点：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其次是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：其一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。5、压电式传感器的应用压电式传感器常用来测量应力、压力、振动的加速度，也可用于声、超声和声发射等测量。

三、热电式传感器热电式传感器是把被测量（主要是温度）转换成电量变化的一种装置，其变换是基于金属的热电效应。可分为热电偶和热电阻传感器。把两种不同的导体连接成如图3-39所示的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度为T0及T（假定T>T0）的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象被称为热电效应。

图3-39热电偶回路当热电偶材料一定时，热电偶的总热电动势EAB(T,T0)成为温度T和T0的函数差。即如果是冷端温度T0固定，则对一定材料的热电偶，其总热电动势就只与温度T成单值函数关系。即 式中C——由固定温度T0决定的常数。

在图3-39所示的热电偶回路中，所产生的热电动势由接触电动势和温度差电动势两部分组成。热电偶回路有以下特点：

1）若组成热电偶的回路的两种导体相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路中的总热电势为零；

2）若热电偶两连接点温度相同，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路中的总热电动势也为零；

3）热电偶AB的热电动势与导体材料A、B的中间温度无关，而只与接点温度有关；

4）热电偶AB在接点温度T2、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总合；

5）中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同，第三种导线的引入不会影响热电偶的热电势。

6）标准电极定律：当温度T1、T2时，用导体AB组成的热电偶的电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的和(2)热电偶分类

1）铂铑-铂热电偶（WRLB）优点：热电偶的复制精度和测量精度较高，可用于精密温度测量和作基准热电偶。缺点：热电动势较弱；由于铑分子材料的挥发现象，失去测量准确性；成本较高。2）镍铬-镍硅热电偶（WREU）优点：复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜等。缺点：测量精度偏低，是工业测量中最常用的热电偶之一。3）镍铬-考铜热电偶（WREA）特点：热电灵敏度高、价格便宜，当测量范围低且窄，考铜合金易受氧化而变质。4）铂铑30-铂铑6热电偶（WRLL）优点：热电偶性能稳定、精度高，适于在氧化性或中性介质中使用。缺点：产生的热电势小，价格昂贵。2、热电阻传感器（自学）

利用电阻随温度变化的特点制成的传感器叫热电阻传感器，它主要用于对温度和与温度相关的参数测定。按热电阻的性质来分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。（1）铂电阻：精度好、稳定性好、性能可靠。（2）铜电阻：线性度好、电阻温度系数高以及价格便宜等特点。（3）其他热电阻第五节光电传感器一、光电测量原理二、光电元件三、光电传感器应用光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器。若用这种传感器测量其他非电量时，只需将这些非电量的变化先转换成光电信号的变化。这种测量方法具有结构简单、可靠性高、精度高、非接触和反应快等特点，被广泛应用于各种自动检测系统中。一、光电测量原理每个光子具有的能量为hν。用光照射某一物体，即为光子与物体的能量交换过程，这一过程中产生的电效应称为光电效应。光电效应按其作用原理又分为外光电效应、内光电效应和光生伏达效应。1、外光电效应在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应，亦称为光电子发射效应。在这一过程中光子所携带的电磁能转换为光电子的动能。当物体受到光辐射时，其中的电子吸收了一个光子的能量hv，该能量的一部分用于使电子由物体内部逸出所作的逸出功A，另一部分则为逸出电子的动能1/2mv2，即式中m——电子质量；

v——电子逸出速度；

A——物体的逸出功。

1）光电子逸出表面的必要条件hv>A。对每一种光电阴极材料，均有一个确定的光频率阀值。当入射光频率低于该值时，无论入射光的强度多大，均不能引起光电子发射。一个光子具有的能量对应与阀值频率的波长λ0，其值为式中 c——光速，c=3×108ms-1。2）当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光光强度成正比。3）对于外光电效应器件来说，只要光照射在器件阴极上，即使阴极电压为零，也会产生光电流，这是因为光电子溢出时具有初始动能。应用：外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。2、内光电效应在光照作用下，物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称为内光电效应，又称光导效应。应用：内光电效应器件主要为光敏电阻以及光敏电阻制成的光导管。3、光生伏打效应在光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为生伏打效应。基于光生伏打效应的器件为光电池。二、光电元件（自学）1、真空光电管或光电管2、光电倍增管：灵敏度高，适合在微弱光下使用。3、光敏电阻：灵敏度高、光谱响应范围宽，体积小、性能稳定，广泛用于测试技术。光敏电阻的主要特征参数：（1）光电流、暗电流、亮电流（2）光照特性（3）伏安特性（4）光谱特性（5）响应时间特性（6）光谱温度特性4、光敏晶体管光敏晶体管分光敏二极管和光敏晶体管。（类比于二、三极管）光敏晶体管的基本特性有：光照特性、伏安特性、光谱特性、温度特性、响应特性。三、光电传感器的应用1、模拟量光电传感器把被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值对应关系。2、开关量光