《测试技术》第四章 传感器的基本类型及其工作原理

第四章传感器的基本类型

及其工作原理动力装置电控技术研究所1.概述；2.电阻式传感器；3.电感式传感器；4.电容式传感器；5.压电式传感器；6.磁电式传感器。7.热电式传感器；8.光电式传感器；9.霍尔传感器；10.数字式传感器；11.传感器信号处理电路。辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件，是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器的组成第一节.概述传感器的分类

第一节.概述（1）按被测物理量分类（2）按测量原理分类（3）按输出信号性质分类被测量为压力、温度、速度等物理量，相应的为压力传感器、温度传感器等基于物理学现象，如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器等模拟式传感器、数字式传感器第二节.电阻式传感器电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变化的一种传感器。一、金属应变式传感器金属电阻应变计效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：dlF金属丝的原始电阻金属丝的原始电阻率金属丝的原始长度金属丝的原始横截面积上式中：为导体的轴向应变量；为导体的横向应变量由材料力学得：

式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右可得到：上式说明：电阻应变效应主要取决于它的几何应变和本身特有的导电性能第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器设金属丝在外力作用下沿轴线伸长，伸长量设为△l

，并因此截面积变化△A，电阻率的变化为△ρ，相应的电阻变化为dR。对式全微分得电阻变化率dR/R为：第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器1—引出线2—敏感栅3—覆盖层4—基底（a）金属丝短接式；（b）金属箔式；（c）用于扭矩测量；（d）用于流体压力测量第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—粘贴技术（1）（2）（3）（4）（5）（6）第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—粘贴技术（7）（8）（9）（10）（11）（12）为构件线胀系数第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—温度误差温度误差①温度变化引起的应变片电阻变化②温度变化引起应变片变形，产生附加应变附加应变的影响构件的线胀伸长量为应变片处于自由状态为应变片线胀系数应变片产生附加变形温度对电阻的影响温度引起的电阻变化第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—温度补偿温度补偿方法①桥路补偿法②应变片自补偿法选择特定的应变片采用双金属敏感栅自补偿应变片热敏电阻补偿应变片测量电路取值则有：第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—温度补偿选择材料时满足第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—应变片自补偿①选择特定的应变片②采用双金属敏感栅自补偿应变片选择材料时满足则可实现温度补偿双金属丝敏感栅③热敏电阻补偿法第二节.电阻式传感器二、半导体式压阻传感器很多固体材料受到应力作用，电阻率会发生变化，称为压阻效应半导体材料的压阻效应最为明显，如硅/锗压阻式传感器ａ）结构图ｂ）主要元件硅环

压力传感器第二节.电阻式传感器二、半导体式压阻传感器压阻式加速度传感器当质量块受加速度作用时，硅梁根部受应力作用.第二节.电阻式传感器电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器电阻式压力传感器电阻式压力传感器第二节.电阻式传感器三、电位计式传感器用于角位移和线位移测量的电阻式传感器这类传感器通常以电位计的形式接入测量电路，称为电位计式传感器第二节.电阻式传感器三、电位计式传感器电位计式传感器原理图非线性相对误差为：令与呈非线性关系非线性相对误差第二节.电阻式传感器三、电位计式传感器当位移量时,得最大相对误差为负载电阻越大，相对误差越小四、气敏传感器第二节.电阻式传感器五、湿敏传感器

半导体气敏元件与被测气体接触后，会造成半导体性质的变化，以此特性来检测气体的成分的传感器，称为气敏传感器。

有些材料的电阻值会随空气湿度的变化而变化，利用此原理制成的传感器，称为湿敏电阻传感器。第三节.电感式传感器电感式传感器，利用线圈自感或互感的变化，把被测物理量如位移、振动、压力、流量等转换为线圈上电感量变化的传感器。电感式传感器互感式电感传感器自感式电感传感器变气隙式电感传感器变截面式电感传感器螺管式电感传感器第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—变气隙式电感传感器自感式电感传感器的结构线圈电感量线圈匝数；磁路的总磁阻如果气隙厚度较小，则总磁阻值为：第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—变气隙式电感传感器灵敏度S为变隙式电压传感器的L-δ特性难度可见δ值越小，灵敏度越高为了保证线性度，变气隙式传感器只能工作在一段比较小的区域内第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—变气隙式电感传感器的应用变隙电感式压力传感器结构图第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—变气隙式电感传感器的应用变隙式差动电感压力传感器第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—变截面式电感传感器123被测物体带动衔铁作线位移或角位移时，磁路中气隙截面积发生变化，变化量为△A

上式中，线圈匝数，气隙厚度不变，L是气隙截面积A的函数灵敏度变截面式第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—螺管式电感传感器rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图l螺管型自感传感器：单线圈和差动式单线圈螺管型传感器主要包括：螺管线圈和圆柱形铁芯传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化，当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx（l）铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。

第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—螺管式电感传感器第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1-100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器—变隙式差动变压器结构变隙式差动变压器结构示意图第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器—螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器结构示意图第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器—变面积式差动变压器变面积式差动变压器结构示意图第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器—工作原理工作原理变隙式差动变压器闭磁路变隙式差动变压器的结构如右图所示，在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反相串联。第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器变隙式差动变压器输出特性变隙式差动变压器等效电路

第四节.电容式传感器电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。

上式中：ε0—真空的介电常数；s—极板的遮盖面积；ε—极板间相对介电系数；δ—两平行极板间的距离。两极板间的电容量第四节.电容式传感器一、变极板间隙型电容传感器传感器固定一块极板，而使另一块极板移动，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，则有：电容传感器的灵敏度实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构第四节.电容式传感器二、变面积型电容传感器改变电容器极板面积获取电容传感器输出变化第四节.电容式传感器三、变介电常数型电容传感器输出电容C与液面高度成线性关系容器内介质的介电常数容器上面气体介质介电常数第四节.电容式传感器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三、变介电常数型电容传感器—应用此方法可用来测量位移第五节.压电式传感器一些物质在外力作用下表面会产生电荷；压电传感器工作原理，基于某些物质的压电效应；压电传感器是力敏感元件，主要用于测量可转换成力的物理量，如压力、加速度等。一、工作原理—压电效应

压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。压电材料受力变形，在表面产生电荷—正压电效应

压电材料通电压，材料变形—逆压电效应

压电材料压电晶体压电陶瓷第五节.压电式传感器F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－一、工作原理—压电效应压电效应示意图压电效应的可逆性逆压电效应电能机械能正压电效应第五节.压电式传感器(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片一、工作原理—石英晶体x方向,为电轴；y方向,为力轴；Z方向,为光轴.第五节.压电式传感器二、工作原理—压电元件连接方式(a)相同极性端粘结(b)不同极性端粘结

并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。

串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。第五节.压电式传感器二、工作原理—压电传感器的测量电路

压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。前置放大器作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。

压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。第五节.压电式传感器二、工作原理—电压放大器等效等效电阻传感器的电容值传感器的绝缘电阻传感器的分布电容放大器的输入电阻放大器的输入电容等效电容第五节.压电式传感器二、工作原理—电压放大器压电常数总电荷量经电阻R漏掉，获得电压e

，作用在晶片上的交变力使电容C充电获得电压e，第五节.压电式传感器二、工作原理—电压放大器作用在压电晶片上的是交变力解微分方程得不适合测静态信号输出随F变化，高频特性好与成正比，低频特性差第五节.压电式传感器二、工作原理—电荷放大器电荷放大器是与输出电荷量成正的前置放大器。将压电传感器视为电荷源。放大器的输入端电压放大器的输出端电压输出仅与电荷量Q

和反馈电容Cf

有关，与增益A

和分布电容Cc

无关.第六节.磁电式传感器磁电式传感器，把被测参数的变化转换为感应电动势的传感器。具有匝线圈的感应电动势的值，取决于穿过线圈的磁通量的变华率，即感应电动势磁通量变化率线圈匝数磁场强度磁路磁阻线圈的运动速度第六节.磁电式传感器（1）传感器线圈在磁场中作直线运动，感应电动势为：，磁场气隙磁感应强度；，线圈导线总的长度；，线圈和磁铁间相对运动的线速度；，运动方向和磁感应矢量间的夹角。

（2）传感器线圈在磁场中作旋转运动，感应电动势为：第六节.磁电式传感器，磁场气隙磁感应强度；，线圈导线总的截面积；，线圈和磁铁间相对运动的角速度；，运动方向和磁感应矢量间的夹角。

（3）传感器的输出以感应电动势的频率表示：，输出信号频率；，被测件的转速(r/min)；，圆周上的齿数。第六节.磁电式传感器几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化—热电阻效应根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻热电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电阻热电式传感器，将温度变化转化为电量变化的传感器。第七节.热电式传感器最常用的两种：①热电阻：将温度变化转换为电阻变化的传感器②热电偶：将温度变化转化为电动势变化一、热电阻式传感器一、热电阻式传感器—金属热电阻第七节.热电式传感器金属热电阻阻值，温度为t时电阻值在0～630.74℃范围内可用下式表示，温度为0时电阻值，导体的电阻温度系数金属热电阻例—铂电阻在-190～0℃范围内为第七节.热电式传感器金属热电阻例—铜电阻铜电阻阻值在-50～150℃的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，其电阻与温度的函数表达式为热电阻的结构：（1）普通热电阻（2）铠装热电阻（3）薄膜热电阻第七节.热电式传感器一、热电阻式传感器—半导体热电阻半导体热电阻阻值，随温度升高而以指数关系急剧下降半导体电阻阻值，在某一温度时的电阻值，绝对温度为T时的电阻值，常数按物理特性，可分为三类：（１）负温度系数的热敏电阻，多用于温度测量和补偿；（２）正温度系数的热敏电阻，用于恒温、加热控制或温度开关；（３）临界温度系数的热敏电阻，用于温度开关。热电效应原理图

热电效应：两种不同的金属A和B构成闭合回路，将两个接点中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温T0中，则在回路中会产生热电势，形成热电流，这一现象称为热电效应

热电偶：通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶，A、B叫做热电极，温度高的接点叫做热端或工作端，而温度低的接点叫做冷端或自由端BAT0T第七节.热电式传感器二、热电偶接触电势温差电势热电势

EAB(T,T0)ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)闭合回路总的热电势第七节.热电式传感器二、热电偶—热电势第七节.热电式传感器二、热电偶—四条基本定律均质材料定律

如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同（称为同名极检验法），也可以检查热电极材料的均匀性。第七节.热电式传感器T0T0BTACT1CT0T1TBA材料C在A和B之间材料C在某一种导体中间2.中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。二、热电偶—四条基本定律第七节.热电式传感器二、热电偶—四条基本定律BBATnT

T0AAB3.中间温度定律热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动势的代数和。即：二、热电偶—四条基本定律第七节.热电式传感器4.标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC三种导体分别组成的热电偶第七节.热电式传感器二、热电偶—常用热电偶的结构（1）普通装配式热电偶接线盒保险套管绝缘套管热电偶丝1323214（2）铠装热电偶（3）薄膜热电偶第七节.热电式传感器二、热电偶—对热电极材料的要求①测温范围内热电性能稳定，测量结果不随时间变化②测量范围内，电极材料有足够的物理化学稳定性③热电势大，并与温度成单值线性关系④电阻温度系数小⑤材料复制性好，制造简单，价格便宜材料热电性质

纯金属容易复制，但热电动势小

合金的热电动势不大，复制也困难

半导体热电势大，电阻的温度系数太小，复制也较困难第七节.热电式传感器二、热电偶—热电偶冷端温度补偿当冷端温度恒定，热电偶产生的热电动势只随热端（工作端T）温度的变化而变化，一定的热电动势对应着一定的温度冷端T0受周围环境温度的影响，难以自行保持为0℃或某一定值。因此，为减小测量误差，需对热电偶冷端采取补偿措施，使其温度恒定BAT0T热电效应原理图第七节.热电式传感器二、热电偶—冷端恒温法mVABT铜导线铜导线试管热电偶冰点槽冰水溶液T0仪表冷端恒温法—冰点槽法二、热电偶—补偿导线法第七节.热电式传感器mVABT铜导线铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0仪表补偿导线补偿导线法第七节.热电式传感器二、热电偶—冷端补偿器法T0I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT0BU回路输出电压为:U=E(T，T0)+(UA－UB)只要能满足下式即可达到自动补偿的目的

二、热电偶—冷端温度校正法第七节.热电式传感器

若冷端温度恒定，但并非0℃，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度Tl

，则必须对温度进行修正。

修正公式如下：查表查表实测第七节.热电式传感器二、热电偶—热电动势的测量TnT0T0TnRiMRLERtT测温电压计单点测温线路流过测温电压计的电流为：第八节.光电式传感器一、工作原理

光电传感器，将光信号转换为电信号的传感器

工作原理，利用某些金属或半导体物质的光电效应特性光电效应分为三类：①外光电效应，在光线作用下电子逸出物质表面，如光电管、光电AA倍增管②内光电效应，在光线作用下物体电阻率改变，光敏电阻③光生伏特效应，在光线作用下物特产生一定方向电动势，光电AA池、光敏晶体管第八节.光电式传感器一、工作原理—光电传感器的几种形式①辐射源A发出的光通量直接作用到光电元件上，并转换为电信号应用，光电高温计、比色高温计②光通量通过被测物体B到达光电元件上，光电元件上的光通量反映了被测物体对光的吸收程度应用，透光式烟度计第八节.光电式传感器一、工作原理—光电传感器的几种形式③物体表面C反射光通量，光电元件感受反射的光通量度应用，测量物体表面粗糙度④光线被物体D所阻挡，光电元件感受的光通量随物体D的位移发生变化应用，测量位移⑤光电元件反应出在单位时间内，通过光脉冲的数量应用，光电转速计第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光电管

光阳极光电阴极光窗光电管结构

结构：光电管它们由阴极和阳极构成，密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，涂有光电发射材料。阳极置于玻璃管的中央

原理：光电管的阴极受光照射后，向真空发射光电子，光电子向阳极作加速运动，形成空间电子流，光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光电管基本特性①光谱特性，不同波长的光照射光电管，光电管上产生大小不同的光电流，光电流I与光波长λ的关系曲线称为光谱特性曲线②光电特性，光电管在固定阳极电压下，光通量Φ与光电流I之间的关系，称为光电特性③伏安特性，光电管在光通量Φ

一定的情况下，阳极电压与阳极电流的关系，称为伏安特性第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光敏电阻光导效应，由于光线照射强弱而导致半导体电阻值变化的现象暗电阻，光敏电阻在室条件下，无光照时具有的电阻值，称为暗电阻（>1MΩ），此时流过的电流称为暗电流亮电阻，光敏电阻在一定光照下所具有的电阻称其为在该光照下的亮电阻（<1kΩ），此时流过的电流称为亮电流光电流

=亮电流

暗电流第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光敏电阻①光照特性，在一定的偏压下，光敏电阻的光电流与照射光强之间的关系，称为光敏电阻的光照特性②光谱特性，表征光敏电阻对不同波长的光其灵敏度不同的性质第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光敏电阻③温度特性，光照一定的条件下，光敏电阻的阻值随温度的升高而下降④伏安特性，在一定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与其光电流之的关系，称为伏安特性第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光敏电阻⑤频率特性光敏电阻光电流的变化存在一定惯性，用时间常数表示。时间常数，光敏电阻由黑暗突然受光照，其电导率变化到终值的63.2%

所需的时间不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数，其频率特性也不相同第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光电池光电池它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件

5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc

/VIsc/mA短路电流①光照特性

开路电压曲线，光生电动势与照度之间的特性曲线

短路电流曲线，电流与照度之间的特性曲线

短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言很小第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光电池204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm1—硒光电池2—硅光电池②光谱特性光电池的光谱特性决定于材料。从右图中曲线可看出，硒光电池适用于λ=0.3-0.6μm，硅光电池适用于λ=0.4-1.1μm

实际使用中可根据光谱特性，选择光电池第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光电池③频率特性，光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。204060801000I/%1234512f/kHz1—硒光电池2—硅光电池第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光电池④温度特性，指开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压与短路电流均随温度而变化，影响到测量或控制精度等主要指标当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施2004060904060UOC/mVT/ºCISCUOCISC

/μA600400200UOC—开路电压ISC—短路电流第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光敏二极管PPNbecRLE光敏二极管符号光敏二极管接线

光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好工作原理，受光照射时载流子增加第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光敏晶体管PN光RL

光PN光敏晶体管符号光敏晶体管接线

光敏三极管结构与一般三极管很相似，具有电流增益，它的发射结一边做的很大，以扩大光的照射面积，且其基极不接引线。第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光敏晶体管特性光敏晶体管的光照特性I/mAE/103lx0.51.01.52.02.000.51.01.5①

光照特性它给出了光敏三极管的输出电流I和照度E之间的关系，它们之间呈现了近似线性关系。第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光敏晶体管特性相对灵敏度/%硅锗入射光λ/Å400080001200016000100806040200②光谱特性光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长入射光的波长增加时，光子能量太小，不足以激发电子空穴对相对灵敏度要下降入射光的波长缩短时，光子在半导体表面附近就被吸收，相对灵敏度也下降第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光敏晶体管特性0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080U/V③伏安特性

光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性

将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管第八节.光电式传感器二、光电转换元件—光敏晶体管特性0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%④频率特性光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。第九节.霍尔传感器

霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量AA的一种传感器