3-1;3-2-1电参量型-电阻式

常用传感器

传感器定义、组成及分类

电参量型传感器电量型传感器

光电式传感器

光纤传感器数字式传感器2024/9/221传感器的定义及组成传感器是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。它是一种输入量是被测量的特殊的测量变换器(“测量变换器”是指能将一种信号按照某种规律变换成另外一种信号输出的器件或装置）。在此讨论仅限于输出为电量或电参量的传感器。传感器定义、组成及分类2024/9/222传感器的定义及组成传感器的组成 ——敏感元件、转换元件、测量电路传感器定义、组成及分类敏感元件转换元件转换电路直接感受（接触）被测量，并输出一个随被测量成确定关系变化的某一物理量（位移量、形变量等）●被测量→物理量●物理量→电路参量将敏感元件输出的物理量转换成随之变化的电路参量（电感、电容、电阻等）●电路参量→电量此电路产生一个随电路参量变化的电量（电压、电流等）输出非电物理量被测量电路参数或电量电量p差动变压器式传感器铁芯膜盒

转换电路输出2024/9/223传感器的分类按工作机理：物理型、化学型、生物型。按构成原理：结构型、物性型。传感器定义、组成及分类物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。例如：水银温度计、半导体应变片、压电传感器，以及各种半导体传感器等。结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。例如：金属应变片、电容式和电感式传感器等。2024/9/224传感器的分类按能量转换：能量控制型、能量转换型。传感器定义、组成及分类能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作，又称为自源型。例如:压电式传感器、热电偶温度计、光电池等。能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化，又称为外源型

。例如:电阻应变片、电容传感器等。2024/9/225传感器的分类按工作原理：机械式、电气式、光学式、流体式等。按输出信号：电参量型、电量型。电参量型：传感器输出信号是电路参数，包括电阻、电容和电感(自感)，如电阻应变计、压阻传感器、光敏电阻、电容式传感器、自感式传感器和反射式电涡流传感器等。电参量型传感器由于需要外部激励电源，故都属于能量控制型传感器。

传感器定义、组成及分类2024/9/226传感器的分类按输出信号：电参量型、电量型。电量型：传感器输出是电荷、电流或电压等电量，常见的电压输出型有磁电传感器、压磁式传感器、霍尔传感器、热电偶和光电池，还有差动变压器式传感器和透射式电涡流传感器等。有些电量型传感器不需外界电源，是典型的能量转换型传感器，如热电偶、光电池和压电传感器。有些电量型传感器需要外接辅助电源或磁源(带激励源型，又称为辅助能源型)，如磁电式传感器、差动变压器式传感器、透射式电涡流传感器、压磁传感器、霍尔传感器等。

传感器定义、组成及分类2024/9/227传感器的分类按被测量：位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器等等。按输出信号：模拟传感器、数字传感器。按传感器转换过程可逆与否：可逆传感器和不可逆传感器。

按传感器有反馈回路与否：开环传感器、闭环传感器。传感器定义、组成及分类2024/9/228对传感器的基本性能要求基本性能要求：稳定、准确、快速。即：足够的容量。良好的动静态测量特性。精度适当，工作稳定、可靠。适用性和适应性强。使用经济。

传感器定义、组成及分类2024/9/229电参量型传感器是输出为电路参数，即电阻、电容和电感(自感)的传感器的总称，即将被测物理量变化转换为电参数的变化，再配以适当的转换电路，将输出的电参数转变为电量输出。

电参量型传感器都属于能量控制型传感器。下面将介绍几种典型的电参量型传感器，包括电阻输出型、电容输出型、电感输出型三类电参量型传感器。电参量型传感器2024/9/2210电阻式传感器电感式传感器电容式传感器电参量型传感器测量电路电参量型传感器2024/9/2211被测量变化能引起传感器输出电阻值变化的传感器统称为电阻输出型传感器，简称电阻式传感器。电阻式传感器电阻应变式传感器热电阻传感器电阻输出型半导体传感器2024/9/2212电阻应变片(ResistanceStrainSensor)是应变测量的关键元件，电阻应变片的工作原理是基于应变电阻效应。根据制作材料不同，电阻应变片通常分为金属应变片和半导体应变片两大类。(1)应变电阻效应电阻应变式传感器应变电阻效应即在导体发生机械变形时，导体电阻值相应发生变化的效应。

2024/9/2213(1)应变电阻效应电阻应变式传感器材料不同，电阻变化的主要来源不同。因此，电阻应变片通常分为金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类。2024/9/22141)金属应变片的应变电阻效应电阻应变式传感器金属应变片的电阻变化主要由其结构尺寸变化所致，故金属应变片属于结构型传感器。

2024/9/22152)半导体应变片的应变电阻效应压阻效应：指半导体材料在某一轴向受外力时，其电阻率发生变化的现象

。电阻应变式传感器半导体应变片工作原理：半导体应变片是利用半导体材料的物理效应——压阻效应工作的，因此半导体应变片属于物性型传感器。

2024/9/2216电阻应变片工作原理总结：电阻应变片工作原理基于应变电阻效应，感受灵敏栅轴向线应变，输出电阻应变，即：电阻应变式传感器金属材料：K0=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致;后部分为电阻率随应变而变的部分。金属应变片的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，属于结构型传感器。半导体材料：K0=KS=(1+2μ)+πE前部分同样为尺寸变化所致；后部分为半导体材料的压阻效应所致。半导体应变片的压变电阻效应主要基于压阻效应，属于物性型传感器。2024/9/2217(2)电阻应变式传感器的结构与类型

应变计的结构利用导电材料的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的敏感元件，即：电阻应变计（片），简称应变计（片）

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。电阻应变式传感器应变计的结构型式及其组成敏感栅、基底、引线、盖层、粘结剂。2024/9/2218(3)电阻应变传感器的应用

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和应力。

将应变片粘贴于弹性元件上，作为力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。

电阻应变式传感器电阻应变传感器的应用特性：属于接触式测量。电阻应变计测量时必须粘贴在试件或弹性元件上才能工作，因此粘贴剂和粘贴技术对测量结果有着直接影响。一般适用于中、低频率范围。温度的变化会引起电阻值的变化，从而需要采取温度补偿措施。2024/9/2219热电阻传感器热电传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。热电阻传感器是热电传感器的一种。能将温度变化转换为电阻变化的热电传感器称为热电阻传感器；。将温度变化转换为热电势变化的热电传感器称为热电偶传感器。（将在电量型传感器中介绍）

热电阻传感器根据材料不同可分为金属热电阻式（简称热电阻）和半导体热电阻式（简称热敏电阻）两大类。2024/9/2220热电阻传感器(1)

金属热电阻传感器大多数的金属导体的电阻率随着温度升高而增大，具有正的温度系数，这就是热电阻测温的基础。目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜，并且已做成标准测温热电阻。铂热电阻及其特性铂电阻温度计的使用范围是-200℃～850℃：

2024/9/2221热电阻传感器铂热电阻及其特性铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。铂在氧化、高温环境下的物理、化学性质都非常稳定。铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。此外，铂电阻还被广泛地应用于温度的基准、标准的传递。价格昂贵。

铜热电阻及其特性-200℃～0℃温度范围内，铜电阻的阻值与温度之间的关系为：铜容易提纯，价格便宜，在-50℃~150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出-输入特性接近线性关系。不足之处是测量精度较铂电阻稍低、电阻率小。2024/9/2222热电阻传感器(2)

半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件。

热敏电阻按电阻值随温度变化的特性可分为三种类型：正温度系数(PTC)04080120160200100102104106温度/℃电阻/Ω负温度系数(NTC)正温度系数(PTC)临界温度系数(CTR)负温度系数(NTC)临界温度系数(CTR)PTC型主要用于过热保护，定温控制，或作限流元件使用。NTC型具有很高的负温度系数和较大的温度敏感范围，既可用作温度测量，也可作温控器件。CTR型热敏电阻具有开关特性，因而主要用作温控开关。在温度测量中，主要采用NTC和PTC型热敏电阻，其中NTC型热敏电阻应用最普遍。

热敏电阻与金属热电阻比较的特点：电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍；结构简单，体积小，可以测量点温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；电阻值与温度变化呈非线性关系，需进行线性化处理；稳定性与互换性差。2024/9/2223电阻输出型半导体传感器利用半导体材料的各种物理效应可以把一些物理量、化学量和生物量的变化转换为便于处理的电信号，从而制成各种半导体式传感器。半导体传感器都是物性型传感器。下面介绍几种典型的电阻输出型半导体传感器：扩散硅压阻式传感器磁敏电阻电阻型气敏器件湿敏电阻2024/9/2224电阻输出型半导体传感器扩散硅压阻式传感器利用半导体工艺中的扩散技术，将敏感元件（半导体应变片）和应变材料（基底）合二为一，制成扩散型压阻式传感器。这类传感器的应变电阻与基底是同一块材料，通常是半导体硅，因此统称为扩散硅压阻式传感器。扩散硅压阻式传感器的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。2024/9/2225电阻输出型半导体传感器扩散硅压阻式传感器扩散硅压阻式传感器是典型的物性型传感器。压阻式传感器与半导体应变片的异同点：相同点：都是基于半导体材料的压阻效应，都属于物性型传感器。不同点：安装方式不同：半导体应变片通过粘贴的方式将灵敏栅贴于被测试件（弹性体），因此其高频特性较差，不适于高频的动态检测；压阻传感器是通过扩散技术将灵敏栅和弹性体融为一体。这种传感器灵敏度、分辨力高，因无需胶接，因此其动态性能较半导体应变片大大改善，可用于加速度和振动检测。应用：用于静、动态压力测量，或可以转化为压力监测的其他物理量的测量。2024/9/2226电阻输出型半导体传感器磁敏电阻磁敏电阻是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。

磁阻效应：将一载流导体置于外磁场中，其电阻值随磁场而变化的现象称为“磁敏电阻效应”，简称“磁阻效应”。

2024/9/2227电阻输出型半导体传感器磁敏电阻磁阻效应与材料性质、几何形状有关。若考虑形状的影响，其长宽比(L/b)越小，则磁阻效应也越明显。

圆盘形磁敏电阻的磁敏效应最强，圆盘的中间和边缘处为两电极。这种圆盘形磁阻器叫做科尔比诺圆盘，这时的效应叫做科尔比诺效应。磁敏电阻可以探测各种磁场外，还可制成各种位移检测器、角度检测器、功率计、安培计、交流放大器和振荡器等。

2024/9/2228电阻输出型半导体传感器电阻型气敏器件气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。按照半导体变化的物理特征，可分为电阻型和非电阻型两类半导体气敏传感器。电阻型气敏传感器是利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分。结构：半导体式气敏元件一般由敏感元件、加热器和外壳三部分组成。

分类：按其结构可分成烧结型、薄膜型和厚膜型三类。图3.15

半导体式传感器的器件结构(a)烧结型电极氧化物半导体加热器玻璃（尺寸约1mm，也有全为半导体的）(b)薄膜型3mm0.5mm0.6mm加热器3mm绝缘基片电极(c)厚膜型7330.5（单位mm）样品Pt电极氧化铝基片器件加热用的加热器（印制厚膜电阻）应用：防灾报警，如液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等的报警器；也可用于大气污染监测；以及在医疗上用于对O2、CO等气体的测量；生活中则用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等。2024/9/2229电阻输出型半导体传感器湿敏