传感器简介完整版本

传感器简介传感器产生的由来人类为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。人类依靠这些器官接收来自外界的刺激，再通过大脑进行分析判断，发出命令而动作。随着科学技术发展和人类社会的进步，人类为了进一步认识自然和改造自然，只靠这些感觉器官就显得很不够了。于是，一系列代替、补充、延伸人的感觉器官功能的各种手段就应用而生，从而出现了各种用途的传感器。（广义）传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。(狭义）能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。(国家标准）能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。什么是传感器传感器组成敏感元件——传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分；转换元件——传感器中能将敏感元件感受的或响应的被测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。实际上有些传感器并不能明显区分敏感元件和转换元件两个部分而是二者合为一体。例如：压电传感器、热电偶等，没有中间环节，直接将被测量转换成电信号。传感器的分类基于感知外界信息所依据的基本效应基于物理效应如声、光、电、磁、热等效应进行工作的物理传感器；基于化学反应如化学吸附、选择性化学反应等进行工作的化学传感器；基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。按工作原理应变式电容式电感式电磁式压电式热电式；等等根据传感器使用的敏感材料半导体传感器光纤传感器陶瓷传感器金属传感器高分子材料传感器复合材料传感器；等等按照被测量力学量传感器热量传感器磁传感器光传感器放射线传感器气体成分传感器液体成分传感器离子传感器真空传感器；等等分类方法传感器的种类说明按依据的效应分类物理传感器化学传感器生物传感器基于物理效应（光、电、声、磁、热）化学传感器生物传感器按输入量分类位移、速度、温度、气体成分、浓度等传感器传感器以被测量命名按工作原理分类应变式、电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、传感器等传感器以工作原理命名按输出信号分类模拟式传感器数字式传感器输出为模拟量输出为数字量按能量关系分类能量转换型传感器能量控制型传感器直接将被测量转换为输出量的能量由外部供给传感器能量，而由被测量控制输出量能量按是利用场的定律还是利用物质的定律分类结构型传感器物型传感器通过敏感元件几何结构参数变化实现信息转换通过敏感元件材料物理性质变化实现信息转换按是否依靠外加电源分类有源传感器无源传感器传感器工作需外加电源传感器工作无需外加电源按使用敏感材料分类半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器传感器以使用的敏感材料命名激光传感器霍尔传感器生物传感器传感器的静态特性1.灵敏度

灵敏度是描述传感器的输出量（一般为电学量）对输入量（一般为非电学量）敏感程度的特性参数。其定义为：传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比，用公式表示为：2、迟滞差输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等，叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度。其值以满量程的输出值YFS的百分数表示。各种材料的物理性质是产生迟滞现象的原因。如把应力加于某弹性材料时，弹性材料产生变形，应力虽然取消了但材料材料不能完全恢复原状。又如铁磁体、铁电体在外加磁场、电场作用下均有这种现象。迟滞也反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，轴承磨擦、间隙、螺丝松动等。各种各样的原因混合在一起导致了迟滞现象的发生。3.稳定性稳定性表示传感器在一个较长时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是，不管什么时候传感器的灵敏度等特性参数不随时间变化。但是实际上，随着时间的推移，大多数传感器的特性会改变。这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发生变化，产生一种经时变化的现象。即使长期放置不用的传感器也会产生经时变化的现象。变化与使用次数有关的传感器，受到这种经时变化的影响更大。因此传感器必须经常进行校准。传感器的动态特性大多数情况下传感器输入信号是随时间变化的，这时要求传感器时刻精确的跟踪输入信号，按照输入信号的变化规率输出信号。当传感器输入信号变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号变化加快，传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程叫响应。动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。响应特性即动态特性，是传感器的重要特性之一。传感器的命名及代号课本P9电阻式传感器众多的传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来实现测量目的的，它们统称为电阻式传感器。各种电阻材料受被测量（如位移、应变、压力、光和热等）作用转换成电阻参数变化的机理是各不相同的，因而电阻式传感器中相应有电位器式、应变式、压阻式、热敏电阻式、光电阻式、气敏电阻和热电阻式等等。电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出电位器结构及工作原理电位器是一个连续可调的电阻器，当调节电位器的转柄或滑柄时，动触点在电阻体上滑动。此时在电位器的输出端可获得与电位器外加电压和可动臂转角或行程成一定关系的输出电压。

电位器（变阻器式）是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。当被测量发生变化时，通过电刷触点在电阻元件上产生移动，该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化，即可实现位移(被测量)与电阻之间的线性转换。线性电位器电位器的结构、材料电位器结构图1—骨架2—电刷3—电阻丝4—转轴5—接线端子电位器由电阻元件、电刷、骨架等组成。形式：直滑式(图a)和旋转式，旋转式有单圈旋转式(图b)和多圈旋转式(图c)两种。电位器的材料电阻丝：要求电阻系数高、温度系数小、强度高、延展性好；常用康铜丝、铂铱合金等；电刷：工作时需保持适当接触压力，选用材料应与导线材料相配合，常用银、铂铱、铂铑合金等；骨架：要求与电阻丝材料具有相同的膨胀系数，绝缘性好，有足够的强度和刚度，散热性好，耐潮湿、易加工。常用陶瓷、酚醛树脂等绝缘材料。电位器的应用

主要用于测量位移、角位移、还可以测量能转换为位移的其它非电量的如压力、高度和加速度等各种参数。1.弹性压力计

弹性压力计信号多采用电远传方式，即把弹性电源的变形或位移转换为电信号输出。在弹性电源的自由端处安装滑行电位器，滑线电位器的滑动触电与自由端的位移转为就转换为电位器的电信号输出。弹性压力计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。在弹性元件的自由端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自由端连接并随之移动，自由端的位移就转换为电位器的电信号输出。

当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。2.摩托车汽油油位传感器

它由随液位升降的浮球经过曲杆带动电刷位移，将液位变成电阻变化。

3：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝->收线圈数

->电位器

->电阻4：玩具机器人（广州中鸣数码）电位器特点

结构简单、尺寸小、精度高、重量轻、输出性号大、性能稳定。其缺点是要求输入能量大、电刷与电阻元件之间容易磨损。应变片电阻应变片的工作原理基于应变电阻效应制作的，即导体或半导体材料在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变电阻效应”。提出问题金属丝受拉或受压时，l、r和R将如何变化？金属应变计结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。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。输入输出定量关系l：材料长度S：横截面积假设材料为矩形断面，横截面高为h，宽为b，面积为S泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，但二者方向相反，它是反映材料横向变形的弹性常数。以μ表示假设材料为圆形断面结论：无论金属导体的断面形状如何，受拉或受压后，其电阻变化率为：可以看出：电阻变化由两项组成，一部分是电阻率变化造成；另一部分是由应变引起的。所以为了利用应变-电阻效应，希望最好是0，这就需要找材料，使其受力后电阻率基本不变。那么应变片构造基底、敏感栅（核心部份）、粘接剂、覆盖层、引线

图中，l称为应变片的标距，或称工作基长；b称为应变片的基宽，或称工作宽度。l×b称为应变片的使用面积。排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成敏感栅，用粘结剂粘在绝缘的基片上。敏感栅上贴有盖片（即保护片）。电阻丝较细，一般在0.015~0.06mm，其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（0.1~0.2mm）作为引线，以便与测量电路连接。使用时用粘结剂将应变计粘在被测试件表面上。试件变形时，应变计的敏感栅与试件一起变形，使电阻发生变化。金属应变片类型金属应变片有: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.1）丝式应变片它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小，测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用。2）箔式应变片该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.003-0.01mm之间，箔式应变片与丝式应变片比较其面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。3）金属薄膜应变片它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。丝式应变片

箔式应变片

敏感栅的材料应满足下列要求1）受力后电阻率基本不变，变化可以忽略不计2）灵敏系数保持常数，并能在较大的应变范围内保持线性；3）电阻率高，可制造小型应变片，供测量应力集中时使用；4）电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；5）加工和焊接性能好，以利于制片；6）具有足够的机械强度，以防制片时被拉断。

材料名称成

分灵敏系数电阻率ρ（Ω.m）电阻温度系数（10-6/℃）线膨胀系数（10-6/℃）最高使用温度（℃）康铜Cu55，Ni452.00.45～0.54-20～2014.9+250（静态）+400（动态）镍铬合金Ni80，Cr202.1～2.31.0～1.1110～13014.0+400（静态）+800（动态）镍铬铝合金Ni75，Cr20，A13～4，Cu22.4～2.61.33-20～2013.3+400（静态）+800（动态）铂及铂合金铂Pt铂钨4.830.10.74390013999+1000（静态）+700（静态）+1000（动态）敏感栅常用材料1.电阻应变片的主要参数

(1)电阻值是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。有60

、90

、120

、250

、350

、600

和1000

等，120

和350

应用较多。电阻应变片的主要特性(2)几何尺寸标距(或工作基长)l相对于工作宽度(或基宽)b较小时横向效应较大，所以通常尽量用l值较大的应变片。但在应变变化梯度大的场合(如应力集中处)，则应该使用l小的应变片。目前最小标距可做到0.2mm，最大可达300mm以上。

b值小时应变片的整体尺寸可减小，但散热性能变差。(3)灵敏系数应变片灵敏系数(以下用K表示)的定义为：将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，试件由泊松比µ＝0.285的钢构成。使其灵敏轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿轴向的应变之比值。即

因一般应变片粘贴到试件上后不能取下再用，故只能在每批产品中提取一定百分比(如5%)的产品进行测定，取其平均值作为这一批产品的灵敏系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏系数，或称“标称灵敏系数”。

例

如果将100W的电阻应变片贴在弹性试件上，试件受力横截面积S＝0.5×10－4m2，弹性模量E＝2×1011N/m2，若有F＝5×104N的拉力引起应变片电阻变化为1W。试求该应变片的灵敏系数。(4)绝缘电阻是指引出线与粘贴该应变片的试件之间的电阻值。一般为(50~100M

)。

(5)允许电流是指允许通过应变片敏感栅而不影响其工作特性的最大工作电流。它与应变片敏感栅的形状和尺寸、基底尺寸和材料、粘合剂的材料及试件的热性能有关。最大工作电流选取的依据是使应变片的零漂不超过允许值。静:25mA

动:75~100mA(6)应变极限是指在一定温度条件下，应变片指示的应变值与试件真实应变的相对差值不超过10%时的最大真实应变值。

(7)疲劳寿命是指粘贴在试件表面上的应变片，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。(8)机械滞后温度恒定时，在增加或减少机械应变的过程中，对于同一机械应变量，指示应变有差值，此差值即为机械滞后。ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后二、电阻应变片的主要特性(9)零漂和蠕变在恒温、不承受应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。在恒温，承受恒定的应变时，其电阻值随时间变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变引起的变化的方向相反。

(10)线性度一般要求在0.05%或1%以内。2.横向效应应变片由于圆弧处感受横向应变而使电阻变化率减小并使应变片灵敏系数降低的现象称为应变片的横向效应。原因在于圆弧段感受到的轴向应变从ex到-mex。lqexey=-mex应变片的温度效应电阻应变片是利用金属细丝的应变电阻效应测量应变的，由于环境温度变化也会引起金属丝的电阻变化，这样就在测量应变的结果中引进了附加的影响。由温度变化引起应变片的电阻变化，称为电阻应变片的温度效应。应变片的温度效应是一种虚假应变（也称为热输出），必须在测量中消除，否则将会大大降低测量精度。温度对应变片电阻值的影响很大，其原因如下：1）一枚未粘贴的应变片，当温度变化时，由于应变片敏感栅材料的电阻率发生变化，从而引起应变片电阻值改变，其电阻变化率为：式中α——应变片敏感栅材料的电阻温度系数，1/℃

△t——温度变化量，℃。2）应变片粘贴在试件上之后，当温度变化时，由于应变片和试件材料的热膨胀系数不同，使应变片产生附加变形（伸长或缩短），从而使电阻值发生附加变化，其电阻附加变化率为式中K——应变片灵敏系数；

βm——试件的线膨胀系数，1／℃；

βg——应变片敏感栅的线膨胀系数，1／℃。因此，由于温度变化引起应变片的总电阻变化率为

与温度变化对应的应变为这种虚假应变是相当大的，有时甚至会超过被测量的机械应变值。因此，在应变片粘贴在试件上之后，除了机械应变产生电阻变化外，温度变化引起的电阻变化也叠加上去了，形成虚假应变信号，从而造成测量误差。应变片的粘贴1、试件表面处理为使应变片牢固的黏贴在试件表面，必须对试件表面进行机械、化学处理，处理面积约为应变片的2～3倍。首先除去油污、锈斑、涂料、氧化膜和镀层等，使之露出试件材料表面，然后用纱布或砂纸交叉打磨。用浸有丙酮、四氯化碳溶剂的纱布或脱脂棉球进行擦洗，直至脱脂棉球上去不县黑迹为止。如环境温度大，还应对试件加热烘干，使水分蒸发，然后再贴片。2、贴片用脱脂棉蘸丙酮或无水乙醇擦洗处理好的贴片表面及应变片的背面，晾千后均匀地涂一层胶，待胶开始浓缩时（时间视胶种类及温度而定，一般以手指触试不粘手，但留下指痕为度），将应变片贴上并找正位置。然后垫上一层玻璃纸，用手指滚压赶出气泡，使片贴牢。胶层（包括片基）约50～80µm左右。如发现有粘贴不牢处或翘起现象（尤其是在栅丝端部），可再补胶并挤压，然后加压晾干。3、固化处理对室温固化粘结剂，贴片后加一定压力或指压固化后即可，如用加热固化粘结剂贴片，则要按规定的固化规范加热固化。加压时应先垫一层聚四氟乙烯薄膜或玻璃纸，再垫橡皮或毛毡加压固化。4、粘贴质量检查首先检查应变片是否贴正，是否贴牢，有无气泡和发皱现象，然后用万用表检查应变片有无压坏和断丝，最后用高阻表或摇表（对胶基应变片可用100V以下摇表）检查栅丝与试件间的绝缘（一般应在500MΩ以上）桥梁固有频率测量可采用在桥梁中部的桥身上粘贴应变片，形成半桥或全桥的测量电路，如下图所示。然后用载重20吨、30吨、....的卡车以每小时40公里、80公里的速度通过大桥。在桥梁中部的桥面上设置一个三角枕木障碍，当前进中的汽车遇到障碍时对桥梁形成一个冲击力，激起桥梁的脉冲响应振动。用应变片测量振动引起的桥身应变，从应变信号中就可以分析出桥梁的固有频率。案例1：桥梁固有频率测量

应变式电阻传感器的应用61应变片的应用桥面应变片对桥梁进行多点测量62桥梁检测——布置应变片63桥梁加载，检测桥梁的应变64对斜拉桥钢索进行应变测试65羽毛球馆穹顶结构的测试案例2：电子称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。德国HBM电阻应变式传感器

DRCZ-A型称重台由应变式力传感器、底座、支架和托盘构成。其中，力传感器由测力环和4个应变片构成的全桥电路组成。当物料加到载物台后，4个应变片会发生变形，通过电桥放大后产生电压输出。GX-1型悬臂梁称重传感器

GX-1型悬臂梁称重传感器结构尺寸

悬臂梁式传感器是一种高精度、抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器。采用弹性梁及电阻应变片作敏感转换元件，组成全桥电路。当垂直正压力或拉力作用在弹性梁上时，电阻应变片随金属弹性梁一起变形，其应变使电阻应变片的阻值变化，因而应变电桥输出与拉力(或压力)成正比的电压信号。配以相应的应变仪，数字电压表或其他二次仪表，即可显示或记录重量(或力)。案例3：