测试技术讲稿第三章常用传感器2010

第三章常用的传感器工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。第一节传感器的分类传感器分类方法很多。按被测量分类，可分为位移传感器、力传感器、温度传感器等。按传感器工作原理分类，可分为机械式、电气式、光学式、流体式等。按输出信号分类，可分为模拟式和数字式。按信号变换特征也可概括分为物性型和结构型。物性型传感器是依靠敏感材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换的。例如：用水银温度计测温。结构型传感器是依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换的。例如：电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化。根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，可分为能量转换型与能量控制型。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、能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给辅助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。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由被测量变化所引起的电阻变化去控制电桥输出。第二节机械式传感器常常以弹性体作为传感器的敏感元件。P:58第三节电阻、电容与电感式传感器电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。一、变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。二、电阻应变式传感器电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。(一)金属电阻应变片常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。其工作原理都是基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。由于电阻值，其中长度、截面积、电阻率均将随电阻丝的变化而变化。

(二)半导体应变片半导体应变片最简单的典型结构如图。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率P发生变化的现象。金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形弯引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。(三)电阻应变片式传感器的应用实例一般说来，电阻应变式传感器有以下两种应用方式。直接用来测定结构的应变或应力。2)将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。电容式传感器一、变换原理电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。(一)极距变化型(二)面积变化型在变换极板面积的电容传感器中，一般常用的有角位移型和线位移型两种。(三)介质变化型电感式传感器电感式传感器是把被测量，如位移等，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)。一、自感型(一)可变磁阻式线圈自感量L为：(二)涡电流式涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。金属板置于一只线圈的附近，相互间距为。当线圈中有一高频交变电流i通过时，便产生磁通。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流。这种电流在金属体内是闭合的，称之为“涡电流”或“涡流”。

二、互感型——差动变压器式电感传感器第四节磁电、压电与热电式传感器磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。按照结构方式不同，磁电式传感器可分为动圈式与磁阻式。一、动圈式二、磁阻式传感器动圈式传感器的工作原理可视为线圈在磁场中运动时切割磁力线而产生电动势。磁阻式传感器则是使线圈与磁铁固定不动，由运动物体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。二、磁阻式压电式传感器压电式传感器的工作原理是利用某些物质的压电效应。一、压电效应某些物质，如石英、钛酸钡，锆钛酸铅(PZT)等，当受到外力作用时，不仅几何尺发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料重新回复到原来状态，这种现象称为压电效应。相反，如果将这些物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，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，或称为电致伸缩效应。二、压电材料具有压电效应的材料称之为压电材料，石英是常用的一种压电材料。常用的压电材料大致可分为三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。三、测量电路前置放大器的主要作用有两点：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(即传感器的输出)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。热电式传感器热电式传感器是把被测量（主要是温度）转换为电量变化的一种装置，其变换是基于金属的热电效应。按照变换方式的不同，可分为热电偶与热电阻传感器。（一）热电偶把两种不同的导体或半导体连接成图所示的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度为T及T0（假定T＞T0）的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称为热电效应。关于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动势为零。2）若热电偶两接点温度相同，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）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动势，这一性质称为中间导体定律；（二）热电阻传感器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有关的参数测定。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（见本章第七节）。（1）铂电阻（2）铜电阻（3）其他热电阻1、电阻应变片的工作原理就是依据应变效应建立

与变形之间的量值关系而工作的。2、影响金属导电材料应变灵敏系数K0的主要因素是（）。

A．导电材料电阻率的变化B．导电材料几何尺寸的变化

C．导电材料物理性质的变化D.导电材料化学性质的变化1、电阻应变片的工作原理就是依据应变效应建立

电阻

与变形之间的量值关系而工作的。2、影响金属导电材料应变灵敏系数K0的主要因素是（C

）。

A．导电材料电阻率的变化B．导电材料几何尺寸的变化

C．导电材料物理性质的变化D.导电材料化学性质的变化3、电阻应变片的初始电阻数值有多种，其中用的最多的是（）。

A．60ΩB．120ΩC．200ΩD．350Ω4、制作应变片敏感栅的材料中，用的最多的金属材料是（）。

A．铜B．铂C．康铜D.镍铬合金5、通常用应变式传感器测量（）。

A.温度B．速度C．加速度D.压力6、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）

A.变间隙式B.变面积式C.变介电常数式D.空气介质变间隙式7、变间隙式电容传感器的非线性误差与极板间初始距离d之间是（）。

A．正比关系B．反比关系C．无关系3、电阻应变片的初始电阻数值有多种，其中用的最多的是（B

）。

A．60ΩB．120ΩC．200ΩD．350Ω4、制作应变片敏感栅的材料中，用的最多的金属材料是（C、D

）。

A．铜B．铂C．康铜D.镍铬合金5、通常用应变式传感器测量（C、

D

）。

A.温度B．速度C．加速度D.压力6、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（C

）

A.变间隙式B.变面积式C.变介电常数式D.空气介质变间隙式7、变间隙式电容传感器的非线性误差与极板间初始距离d之间是（

B

）。

A．正比关系B．反比关系C．无关系8、用电容式传感器测量位移时,应该选用（）。

A变间隙式B变面积式C变介电常数式9、电容式传感器通常用来测量（）。

A.交流电流B.电场强度C．重量D.位移10、电容式传感器还可以测量（）。

A.压力B.加速度C．电场强度D．交流电压11、通常用电感式传感器测量（）。

A．电压B．磁场强度C.位移D.压力8、用电容式传感器测量位移时,应该选用（

A

）。

A.变间隙式B.变面积式C.变介电常数式9、电容式传感器通常用来测量（D

）。

A.交流电流B.电场强度C．重量D.位移10、电容式传感器还可以测量（A、B

）。

A.压力B.加速度C．电场强度D．交流电压11、通常用电感式传感器测量（C

）。

A．电压B．磁场强度C.位移D.压力12、简述电涡流传感器的工作原理？13、压电式传感器的工作原理是基于某些＿＿＿＿材料的压电效应。12、简述电涡流传感器的工作原理？13、压电式传感器的工作原理是基于某些压电＿材料的压电效应。14、压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。电畴具有自己

方向。经过

过的压电陶瓷才具有压电效应。15、压电式传感器目前多用于测量（）。

A．静态的力或压力 B．动态的力或压力C.速度D.加速度16、简述压电陶瓷的工作原理？14、压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。电畴具有自己

极化

方向。经过

极化

过的压电陶瓷才具有压电效应。15、压电式传感器目前多用于测量（B、D

）。

A．静态的力或压力 B．动态的力或压力C.速度D.加速度16、简述压电陶瓷的工作原理？第五节光电传感器光敏传感器是将光量转换为电量的器件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。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打效应。（一）、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外光电效应，亦称光电子发射效应。这一效应的实质是能量形式的转变，即光辐射能转换为电磁能。一般在金属中都存在着大量的自由电子，普通条件下，它们在金属内部作无规则的自由运动，不能离开金属表面。但当它们获取外界的能量且该能量等于或大于电子逸出功时，便能离开金属表面。为使电子在逸出时具有一定速度，就必须有大于逸出功的能量。当光辐射通量照到金属表面时，其中一部分被吸收，被吸收的能量一部分用于使金属增加温度，另一部分被电子吸收，使其受激发而逸出物体表面。对该现象作一定量的分析一个光子具有的能量由下式确定：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时所作的逸出功A，另一部分则表现为逸出电子的动能上式称为爱因斯坦光电效应方程式。由爱因斯坦的光子假说可以得出：1）当光子能量大于逸出功时，才能发射出光电子，即产生光电效应。v0为该物体产生光电效应的最低频率，成为红限频率。2）光电子的初动能取决于入射光的频率v。3）电子吸收能量不需要积累能量的时间。外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。（二）、内光电效应 在光照射下，物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应。内光电效应与外光电效应不同，外光电效应产生于物体表面层，在光照作用下，物体内部的自由电子逸出到物体外部。而内光电效应则不发生电子逸出，在光照下，物体内部原子吸收能量释放电子，这些电子仍停留在物体内部，从而使物体的导电性能发生改变。内光电效应器主要为光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管。1、光敏电阻内光电效应：当半导体受到光照射时，其电阻值减小的现象。其实质是由于在光量子的作用下，物质吸收了能量，内部释放电子，使载流子密度或迁移率增加，从而导致电导增加，电阻下降。光敏电阻的阻值的变化与光的波长有关，不同半导体材料的光谱特性也不同。2、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管是一种既有一个PN结又有光电转换功能的晶体二极管。（三）、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光生伏打效应。基于光生伏打效应的器件有光电池。第六节光纤传感器光纤传感器则以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号。一、分类光纤传感器首先要解决的问题是要使光波的强度、频率、相位或偏振态四个参数之一，随被测量而变化。光纤传感器可以分为强度调制、频率调制、相位调制和偏振调制等四种型式。其中以强度调制型较简单和常用。二、光纤导光原理

光纤为圆柱形，内外共分三层。中心是直径为几十微米、大折射率n1的芯子。芯子外面有一层直径为100～200

m、折射率n2较小的包层。最外层为保护层，其折射率n3则远大于n2。这样的结构保证了进人光纤的光波将集中在芯子内传输。光线自光纤端部入，其入射角

i必须满足一定的条件才能使在B点折射后的光线BC射到芯子一包层界面C处产生全反射。可以证明，若光线自折射率为n0的介质中射入光纤，则当

2＝

2c时，入射角

i=

ic为通常将sin

ic定义为光纤的“数值孔径，用符号NA表示。光纤的数值孔径NA越大，表明在越大的入射角范围内射入芯子的光线也能在芯子一包层界面实现全反射。作为传感器的光纤，一般采用0.2≤NA＜0.4第八节半导体传感器半导体材料有一个重要特性是对光、热、力、磁、气体、湿度等理化量的敏感性。利用半导体材料的这些特性，作为非电量电测的转换元件，是近代半导体技术应用的一个重要方面。一、磁敏传感器利用半导体材料的磁敏特性来工作的传感器有霍尔元件、磁阻元件、磁敏管等。（一）霍尔元件将霍尔元件置于磁场B中，如果在a，b端通以电流i，在c，d端就会出现电位差，称为霍尔电势，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。（板厚一般远小于板宽和板长）（二）磁阻元件磁阻元件是利用半导体材料的磁阻效应来工作的。磁阻效应将使通有电流i的金属或半导体片的ab两端之间的电阻随外磁场B而变化。（三）磁敏管四、热敏电阻热敏电阻是由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结向成的半导体。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。五、气敏传感器被测气体一旦与这种传感器的敏感材料接触并被吸附后，传感器的电阻值随气体浓度而改变。其敏感材料广泛采用热稳定度较好的金属氧化物，主要用于检测一氧化碳、乙醇、甲烷、异丁烷和氢。六、湿敏传感器所谓湿度，就是空气中含有的水蒸气。金属陶瓷的湿敏原理大致是，当水分子附着在半导体陶瓷上，使陶瓷表面层的电阻值明显下降。表层电阻下降到一定程度上，半导体体内的电阻已远大于表层电阻，电流主要从表层通过，体内电阻的作用可以忽略，而由湿度引起下降