常用传感器与敏感元件课件

常用感測器與敏感元件§1感測器概述與分類被測量易測、傳輸信號易處理信號感測器（測量變送器）常把被測量轉換為電量如：熱電耦、超聲波轉換器、紅外遙感器電能量信號（U,I）電量信號電參數信號(R,L,C)敏感元件§2機械式感測器（簡介）1.概念：力、壓力彈性變形溫度等（應變）2.特點：慣性大、固有頻率低、蠕變、彈性後效，適宜緩變、靜態測量。3.應用：

1)轉換成指針偏轉、刻度指示：測力計、壓力計、溫度計；

2)轉換成位移量，通過其他感測器轉換成電量；

3)微型探測開關：通過兩個簧片磁化接通。彈性元件§3電阻、電容與電感式感測器§3.1電阻式感測器被測量電阻式感測器電阻變化測量電路電壓變阻式(電位計)、電阻應變式、敏感電阻式感測器一、變阻式感測器改變電阻長度線、角位移、非線性改變電阻靈敏度：後測電路：電阻分壓電路線性輸出條件Rp/RL很小二、電阻應變式感測器（一）應變片的分類與結構1.絲式應變片：電阻絲（高電阻率康銅絲）、基底（絕緣）覆蓋層、引出線應變片特性比較

金屬應變片半導體應變片原理：導體形變R變化；壓阻效應ρ

R變化優點：非線性誤差小；S高，機械滯後、體積小

缺點：S低；非線性誤差大，溫度穩定性差

應用：較大變形；小變形

其他應變片感測器

固態壓阻式感測器：基本同半導體應變片，但集成度更高，更小，主要用於壓力、加速度測量。動態電阻應變儀：應變片＋測量處理電路集成動態電阻應變儀電阻式應變片感測器的應用方法電阻應變片直接應用實例二、電容式感測器（一）變換原理與分類被測參數電容量的變化（二）極距變化型電容式感測器S高，非線性誤差大，用於動態非接觸式小位移（0.01～數百微米）測量（三）面積變化型電容式感測器(四）介質變化型電容式感測器介電常數變化C變化，用於測量介質的厚度、溫度、濕度或液位的變化。（五）電容感測器的測量電路1.電橋型電路：將電容感測器作為橋路的一部分，由電容的變化電壓的輸出2.直流極化電路3.諧振電路4.調頻電路5.運算放大器電路（利用比例運算放大器可轉化成線性關係）6.電容集成壓力感測器：電容敏感元件＋測量電路集成（六）電容式感測器的特點與應用3.介質型電容感測器：測量介質的變化（溫度、濕度、厚度等）和液位三、電感式感測器

被測量(力、位移)電感量(自感L、互感M)(一)自感型電感感測器Ⅰ、可變磁阻式後接電路Ⅱ、渦流式電感感測器後接電路分壓式調幅、調頻電路（二）互感型－－差動變壓器式電感感測器雙螺管線圈差動型、差動變壓器式感測器返復習五4.差動變壓器式感測器的後接電路：（三）電感式感測器的特點與應用§4磁電、壓電與熱電式感測器一、磁電式感測器

被測量電磁感應感應電勢

動圈式、磁阻式磁電傳感器（一）動圈式磁電傳感器線圈與磁場相對運動，切割磁力線線速度、角速度型動圈式感測器應用：測量速度（二）磁阻式磁電傳感器

改變磁路磁阻感應電勢磁阻式磁電傳感器應用二、壓電式感測器力參數壓電材料電能量信號（電荷）超聲波壓電效應6.測量電路

前置放大器作用：阻抗匹配（高輸出阻抗變為低輸出阻抗）放大微弱信號類型：電阻回饋電壓放大器、電容回饋電荷放大器電荷放大器7.壓電式感測器的應用

用於測量動態的力參數（壓力、應力、加速度）和超聲波的發射、接收

1)2)3)4)壓電式感測器的可逆應用：加交變電壓，晶片產生伸縮變形，可作為振動源。三、熱電式感測器

溫度金屬（熱電偶、熱電阻）電量熱電效應（一）熱電偶1.工作原理：熱電動勢＝溫差電動勢＋接觸電動勢

EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)=f(T)－C2.特點：1)A、B材料相同，接點溫度不同(T與T0)，EAB=02)接點溫度相同(T與T0)，A、B材料不同，EAB=03)EAB與中間溫度無關，只與接點溫度和A、B材料有關；4)EAB(T3,T1)=EAB(T3,T2)＋

EAB(T2,T1)5)中間導體定律：在熱電偶回路中，接入第三種導體（兩端溫度相同），不會影響熱電動勢；用於在熱電偶中接儀錶、導線，開路熱電偶測量6)標準(參考)電極定律：熱電偶的選配

EAB(T2,T1)=EAC(T2,T1)＋ECB(T2,T1),c為參考電極開路熱電偶3.熱電偶分類和選用1)鉑銠－鉑(WRLB)：＋極－－鉑銠2)鎳鉻－鎳矽(WREU)：＋極－－鎳鉻3)鎳鉻－考銅(WREA)：＋極－－鎳鉻4)鉑銠30－鉑銠6(WRLL)：＋極－－鉑銠30

各種熱電偶的特點和選用（測量溫度範圍T高低、電動勢大小、S高低價格高低）（二）熱電阻感測器

溫度變化(金屬)熱電阻(半導體)熱敏電阻電阻1.鉑電阻：2.銅電阻：ρ小，細長，測低溫和無浸蝕介質3.其他熱電阻：銦電阻、錳電阻、碳電阻4.熱敏電阻：半導體感測器，非線性，靈敏度高§5光電感測器測量量變化光信號變化光電效應電信號一、光電效應1.外光電效應(光電子發射效應)光電材料內電子光照逸出物體表面成自由電子光電流（光電子發射效應）光子能量＝電子動能＋逸出功1)條件：hv>A，光的閥值頻率、光的閥值波長λ0（光電材料的紅限）2)逸出光電子數入射光子數（入射光強度）3)反向截止電壓U0：與入射光頻率成正比，與光強無關。應用：光電管、光電倍增管2.內光電效應（光導效應）物體內部電子光照(吸收能量)內部自由電子物體導電性能變化應用：光敏電阻、光導管3.光生伏打效應光電材料(光電池)光線電動勢（電子－空穴對）應用：光電池(矽、硒、砷化鎵等)二、光電元件1.光電管1)結構：光電陰極k(發射電子)、陽極A(接收電子)2)特性參數：頻譜靈敏度、紅限、逸出功3)特性曲線：光電特性曲線、伏安特性曲線2.光電倍增管結構：光電陰極、光電陽極、倍增極(次陰極)作用：增加光電管的靈敏度3.光敏電阻：1)原理(內光電效應)：光電能量hv>禁帶寬度，光敏電阻內電子躍遷，激發空穴－電子對，降低電阻率，提高導電性能。2)特點：S高，光譜回應範圍寬(紫外－－紅外)3)特徵參數：

1)亮(暗)電阻、亮(暗)電流、光電流

2)光照特性：I=f(F),I光電流，F光通量

3)伏安特性：U=f(I)，光照強度一定

4)光譜特性：S隨入射光波長變化

5)回應時間特性：光照時間常數光電流

6)光譜溫度特性：溫度對I、S、光譜特性等4.光敏電晶體：光照後，光子打在PN結上，產生電子－空穴對，形成光電流光敏二極體、光敏電晶體導通。光敏電晶體的靈敏度是光敏二極體的β倍光敏電晶體的基本特性：光照特性、伏安特性、光譜特性、溫度特性、回應時間等。四、光電感測器應用（一）脈衝盤式角度－數字編碼器（二）碼盤式角度－數字編碼器角位移編碼盤、光電元件數字信號§6光纖感測器

被測量光學量電量一、分類1.按光波調製方式：強度、頻率、相位、偏振調製光纖感測器。2.按光纖作用：功能型（傳光元件、敏感元件）、傳光型（傳光元件）光纖感測器

光電元件光纖感測器二、光纖導光原理1.光纖的全反射：大於臨界入射角2.光纖結構：芯子（n1大折射率）包層（n2小折射率）保護層（n3大折射率）數值孔徑NA（0.2~0.4）臨界入射角三、光纖感測器應用光纖位移感測器（位移、溫度、壓力、振動）測聲壓、水壓反射式光纖感測器測小位移、振動、表面狀態（三座標測量機）四、光纖感測器特點1.光波傳遞資訊，不受電磁影響；2.不會燃燒、爆炸，可在特殊環境下測量；3.工作性能優於傳統感測器；4.小、輕、可繞性好，宜狹窄空間工作；5.具有良好幾何形狀適應性；6.頻帶寬、動態範圍大；7.宜遠距離測控。§7半導體感測器原理：非電量半導體材料電量

(光,熱,力,磁,氣)特點：物性型、重量輕、體積小、敏感、回應快;

輸出非線性、分散性大、溫度影響大。一、磁敏感測器1.霍爾元件1)霍爾效應：

2)霍爾元件結構：(敏感部分＋變換電路)集成3)霍爾元件應用：微小位移測量為基礎2.磁敏元件3.磁敏管二、熱敏感測器1.熱敏電阻原理：

2.特點：1)靈敏度高：－20～－150Ω/℃，比熱電偶、金屬電阻高很多；2)可做各種形狀、體積小、熱回應快；3)熱敏電阻本身阻值大：100～106Ω；4)可測範圍大：－200～＋1000℃；5)非線性大，對環境溫度敏感。三、氣敏感測器1.原理：氣敏元件表面吸附氣體導電率變化2.結構：氣敏元件＋電極＋加熱絲3.應用：有毒和可燃氣體檢測四、濕敏感測器1.原理：濕度吸附層水分解導電離子R2.應用：濕度測量五、固態圖像感測器1.原理：光像分解小單元(像素)電信號2.結構：電荷耦合器件CCD

（chargecoupleddevice）3.應用：1)物位、尺寸、形狀、工件損傷

2)光學資訊處理輸入環境六、集成感測器1.原理：（感測器＋後續電路）集成2.特點：1)體積小、重量輕、結構簡單

2)智能感測器（具有條件調節和溫度補償能力，通信能力，自診斷能力、邏輯判斷能力）§8紅外測試系統一、紅外輻射（紅外線）1.電磁波波譜：紅外線波長：0.76~1000μm近紅外：0.76~2.5中：2.5~25遠：25~10002.紅外線的特點（1)斯蒂芬－玻耳茲曼定律：反映物體的紅外線輻射功率與物體溫度(2)普朗克定律：物體溫度與波長關係絕對溫度2000k以下的物體都會產生紅外輻射，輻射的峰值點隨溫度降低而轉向長波長。（3)不同物體對紅外線有不同的吸收（衰減）能力。三、紅外探測器

紅外輻射能電能1.熱探測器：紅外輻射探測元件溫度變化電量熱電偶型、氣動型、熱釋電型2.光子探測器：紅外輻射半導體材料光電效應電量四、紅外測試應用：1.輻射溫度計：紅