第三章 傳感器技術

1、課程：數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)課程：數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)教材：數(shù)據(jù)采集與處理技術教材：數(shù)據(jù)采集與處理技術n2011-10-17 1. 概述概述 2. 位移傳感器位移傳感器 3. 溫度傳感器溫度傳感器 4. 力傳感器力傳感器 5. 光電傳感器光電傳感器 6. 微機械傳感器微機械傳感器 傳感器作為整個檢測系統(tǒng)的前哨，它提取信息的準確傳感器作為整個檢測系統(tǒng)的前哨，它提取信息的準確與否直接決定著整個檢測系統(tǒng)的精度。與否直接決定著整個檢測系統(tǒng)的精度。 一個國家的現(xiàn)代化水平是用其自動化水平來衡量的。一個國家的現(xiàn)代化水平是用其自動化水平來衡量的。而自動化水平是用儀表及傳感器的種類和數(shù)量多少來衡量而自動化水平是用儀表

2、及傳感器的種類和數(shù)量多少來衡量的。的。信息化技術包括傳感器技術、通訊技術和計算機技術信息化技術包括傳感器技術、通訊技術和計算機技術。傳感器技術列為信息技術之首，由此可見一斑。傳感器技術列為信息技術之首，由此可見一斑。 國內(nèi)高精度、多功能、集成化、智能化傳感器急需開國內(nèi)高精度、多功能、集成化、智能化傳感器急需開發(fā)研制。發(fā)研制。傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成定義定義 （SensorSensor） 能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出可用輸出信號信號的器件或裝置。（的器件或裝置。（GB7665GB76658787） 它是一種以一定的精確度把被測量

3、轉(zhuǎn)換為與之有確定它是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關系的、對應關系的、便于應用的某種物理量便于應用的某種物理量的測量裝置。的測量裝置。 輸入量是物理量、化學量和生物量。輸出量主要是電輸入量是物理量、化學量和生物量。輸出量主要是電量。（電量最便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示）量。（電量最便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示） 輸入輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律（關系）已知，轉(zhuǎn)換精度要滿足輸入輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律（關系）已知，轉(zhuǎn)換精度要滿足測控系統(tǒng)的應用要求。測控系統(tǒng)的應用要求。組成組成調(diào)理電路調(diào)理電路敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件傳感器組成框圖傳感器組成框圖被測量被測量中間量中間量電量電量電信號電信號按按工作機理工

4、作機理分類分類 傳感器的分類傳感器的分類l 結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器l 物性型傳感器物性型傳感器按工作機理分類 傳感器的分類傳感器的分類 結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學中是利用物理學中場的定律場的定律構(gòu)成的，包構(gòu)成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物理學中的括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物理學中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感器，這些方程式就定律一般是以方程式給出的。對于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時的數(shù)學模型。這類傳感器的特點是是許多傳感器在工作時的數(shù)學模型。這類傳感器的特點是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場傳感器的工作原理是以傳感

5、器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎。的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎。 物性型傳感器物性型傳感器是利用是利用物質(zhì)定律物質(zhì)定律構(gòu)成的構(gòu)成的, ,如虎克定律、如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。器的性能隨材料的不同而異。如，光電管，它利用了物質(zhì)如，光電管，它利用

6、了物質(zhì)法則中的外光電效應。顯然，其特性與涂覆在電極上的材法則中的外光電效應。顯然，其特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關系。又如，所有半導體傳感器，以及所有料有著密切的關系。又如，所有半導體傳感器，以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導體、陶瓷、合金等利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。按工作機理分類 按按能量轉(zhuǎn)換情況能量轉(zhuǎn)換情況分類分類 l 能量控制型傳感器能量控制型傳感器l 能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器 能量控制型傳感器能量控制型傳感器，在信息變化過程中，傳感器將，在信息變化過程中，傳感器將從

7、被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵源，從被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信號，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信號，這這類傳感器必須由外部提供激勵源，類傳感器必須由外部提供激勵源，如電阻、電感、電容如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器?；趹冸娮璧入娐穮⒘總鞲衅鞫紝儆谶@一類傳感器?；趹冸娮栊?、磁阻效應、熱阻效應、光電效應、霍爾效應等的效應、磁阻效應、熱阻效應、光電效應、霍爾效應等的傳感器也屬于此類傳感器。傳感器也屬于此類傳感器。按能量轉(zhuǎn)換情況分類 能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器，又稱有源型或發(fā)生

8、器型，傳感器將，又稱有源型或發(fā)生器型，傳感器將從被測對象獲取的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號能量，主要從被測對象獲取的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號能量，主要由能量變換元件構(gòu)成，它由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源不需要外電源。如基于壓電效應、。如基于壓電效應、熱電效應、光電動勢效應等的傳感器都屬于此類傳感器。熱電效應、光電動勢效應等的傳感器都屬于此類傳感器。按能量轉(zhuǎn)換情況分類 按按物理原理物理原理分類分類 l電參量式傳感器：電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等；電阻式、電感式、電容式等； l磁電式傳感器：磁電式傳感器：磁電感應式、霍爾式、磁柵式等；磁電感應式、霍爾式、磁柵式等； l壓電式傳感器：

9、壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器；聲波傳感器、超聲波傳感器； l光電式傳感器：光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤 式、光導纖維式、紅外式、攝像式等；式、光導纖維式、紅外式、攝像式等；l氣電式傳感器：氣電式傳感器：電位器式、應變式；電位器式、應變式； l熱電式傳感器：熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻；熱電偶、熱電阻；l 波式傳感器：波式傳感器：超聲波式、微波式等；超聲波式、微波式等；l 射線式傳感器：射線式傳感器：熱輻射式、熱輻射式、射線式；射線式；l 半導體式傳感器：半導體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；霍耳器件、熱敏電阻；l 其他原理的傳感

10、器：其他原理的傳感器：差動變壓器、振弦式等差動變壓器、振弦式等 有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復合形有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復合形式式, ,如不少半導體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。如不少半導體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。 按物理原理分類 按按用途用途分類分類 l位移傳感器位移傳感器l壓力傳感器壓力傳感器l振動傳感器振動傳感器l溫度傳感器溫度傳感器l速度傳感器速度傳感器l 按按輸出電信號類型輸出電信號類型分類分類 l 模擬量傳感器模擬量傳感器l 數(shù)字量傳感器數(shù)字量傳感器1、穩(wěn)定性、可靠性、穩(wěn)定性、可靠性 一般用平均無故障時間來衡量穩(wěn)定性、可靠性。在一般用平均無故

11、障時間來衡量穩(wěn)定性、可靠性。在 計量、工業(yè)生產(chǎn)等領域中穩(wěn)定性、可靠性至關重要。計量、工業(yè)生產(chǎn)等領域中穩(wěn)定性、可靠性至關重要。2、靜態(tài)精度、靜態(tài)精度 測靜態(tài)量，傳感器精度應滿足系統(tǒng)的精度要求。測靜態(tài)量，傳感器精度應滿足系統(tǒng)的精度要求。3、動態(tài)性能、動態(tài)性能 測動態(tài)量，如響應速度、工作頻率、穩(wěn)定時間等。測動態(tài)量，如響應速度、工作頻率、穩(wěn)定時間等。4、量程、量程 測量被測量的范圍。一般量程越大，精度越低。測量被測量的范圍。一般量程越大，精度越低。 傳感器的一般要求傳感器的一般要求5、抗干擾能力、抗干擾能力 工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境較惡劣，存在溫濕度、電磁等干擾，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境較惡劣，存在溫濕度、電磁等干擾，設計的

12、傳感器能克服這些干擾，安全穩(wěn)定運行。設計的傳感器能克服這些干擾，安全穩(wěn)定運行。6、體積小、能耗低、成本低、體積小、能耗低、成本低 結(jié)構(gòu)型傳感器向物性型半導體傳感器發(fā)展。如測人結(jié)構(gòu)型傳感器向物性型半導體傳感器發(fā)展。如測人體血壓的電子血壓計。（體血壓的電子血壓計。（uW mW級）級） 1. 概述概述 2. 位移傳感器位移傳感器 3. 溫度傳感器溫度傳感器 4. 力傳感器力傳感器 5. 光電傳感器光電傳感器 6. 微機械傳感器微機械傳感器l電容式傳感器電容式傳感器l電感式傳感器電感式傳感器l光電式傳感器光電式傳感器位移傳感器包括：位移傳感器包括：1、 工作原理工作原理兩平行極板組成的電容器兩平行極板

13、組成的電容器, ,它的電容量為它的電容量為: :SC +S 當被測量使當被測量使、S S或或任何一個參數(shù)任何一個參數(shù)發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。為單一電容量的變化。電容式傳感器工作原理及特性電容式傳感器工作原理及特性 電容式傳感器位移傳感器之電容式傳感器位移傳感器之電容式傳感器2、分類、分類 l 變極距型變極距型l 面積變化型面積變化型l 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型位移傳感器之電容式傳感器位移傳感器之電容式

14、傳感器電容式傳感器分類電容式傳感器分類 (1) 變極距型變極距型120CSSC(2)(2)面積變化型面積變化型 有：角位移型有：角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型。柱面線位移型。+電容式傳感器分類電容式傳感器分類 (3) (3) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型電容式傳感器分類電容式傳感器分類 3 3、主要性能、主要性能(1)(1)靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度被測量變化緩慢的狀態(tài)下，電容變化量與引起其變化的被測量變化緩慢的狀態(tài)下，電容變化量與引起其變化的被測量之比。被測量之比。變極距的靈敏度與起始極距有關，而且不是常數(shù)變極距的靈敏度與起始極距有關，而且不是常數(shù)( (即輸即輸入被測量與輸出電容

15、呈非線性關系入被測量與輸出電容呈非線性關系) )。其它類型的電容傳感。其它類型的電容傳感器的輸入被測量與輸出電容的關系均為線性。器的輸入被測量與輸出電容的關系均為線性。差動式電容傳感器的靈敏度是單邊的倍。差動式電容傳感器的靈敏度是單邊的倍。(2) (2) 動態(tài)特性動態(tài)特性固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾MHz MHz 的頻率下的頻率下工作，特別適用于動態(tài)測量。工作，特別適用于動態(tài)測量。位移傳感器之電容式傳感器位移傳感器之電容式傳感器4、主要特點、主要特點 優(yōu)點：優(yōu)點：溫度穩(wěn)定性好；結(jié)構(gòu)簡單，適應性強；動態(tài)響應溫度穩(wěn)定性好；結(jié)構(gòu)簡單，適應性強；動態(tài)響應好；

16、可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應。好；可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應。 缺點：缺點：輸出阻抗高，負載能力差；寄生電容影響大；輸輸出阻抗高，負載能力差；寄生電容影響大；輸出特性非線性。出特性非線性。位移傳感器之電容式傳感器位移傳感器之電容式傳感器5、 提高電容傳感器精度的技術措施提高電容傳感器精度的技術措施l 減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差從選材、材料、加工工藝等方面，來抑制溫度的影響，從選材、材料、加工工藝等方面，來抑制溫度的影響，保證絕緣材料具有高的絕緣性能。保證絕緣材料具有高的絕緣性能。l 消除和減小邊緣效應消除和減小邊緣效應 減小極間距，使極徑

17、與間距比很大，可減小邊緣效應減小極間距，使極徑與間距比很大，可減小邊緣效應的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。也可以采的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。也可以采用上述電極做得極薄使與極間距相比很小的辦法來減小邊用上述電極做得極薄使與極間距相比很小的辦法來減小邊緣電場的影響。除此之外，可在結(jié)構(gòu)上增設等位環(huán)來消除緣電場的影響。除此之外，可在結(jié)構(gòu)上增設等位環(huán)來消除邊緣效應。邊緣效應。位移傳感器之電容式傳感器位移傳感器之電容式傳感器前置放大級消除分布電容影響消除外電場影響1:1l 消除和減小寄生電容的影響：消除和減小寄生電容的影響：(1) (1) 增加原始電容值可減小寄生電容的影響。增加

18、原始電容值可減小寄生電容的影響。(2) (2) 注意傳感器的接地和屏蔽。注意傳感器的接地和屏蔽。(3) (3) 將傳感器與電子線路的前置級將傳感器與電子線路的前置級( (集成化集成化) )裝在一個殼體裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器至前置級的電纜。內(nèi)，省去傳感器至前置級的電纜。(4) (4) 采用采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術技術( (也稱也稱“雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸”技術技術) )位移傳感器之電容式傳感器位移傳感器之電容式傳感器6 6、應用、應用 測量直線位移、角位移、振動振幅測量直線位移、角位移、振動振幅( (可測至可測至0.05m0.05m微微小振幅小振幅) )，尤其適合測量高頻振動振

19、幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、成分含量料面、成分含量( (如油、糧食中的含水量如油、糧食中的含水量) )、非金屬材料的、非金屬材料的涂層、油膜等的厚度，測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。涂層、油膜等的厚度，測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。位移傳感器之電容式傳感器位移傳感器之電容式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應原理，利用線圈的自感電感式傳感器是基于電磁感應原理，利用線圈的自感或互感的變化，把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種測量裝置。或互感的變化，把被測量轉(zhuǎn)化為電感

20、量的一種測量裝置。可以用來測量位移、振動、壓力、重量、力矩、應變等?？梢杂脕頊y量位移、振動、壓力、重量、力矩、應變等。電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型差動變壓器差動變壓器電感式傳感器電感式傳感器位移傳感器之電感式傳感器位移傳感器之電感式傳感器 設線圈的匝數(shù)為設線圈的匝數(shù)為N N ，通入線圈中的電流為，通入線圈中的電流為 I I，每匝線圈，每匝線圈產(chǎn)生的磁通為產(chǎn)生的磁通為，由電感定義有：，由電感定義有： （1 1）自感型）自感型-可變磁阻式可變磁阻式INL鐵心鐵心銜鐵銜鐵磁路的總磁阻為：磁路的總磁阻為：SSlRRRniiiiFM012鐵心鐵心空氣隙

21、空氣隙磁通：磁通：MRNI忽略鐵心的磁阻，得：忽略鐵心的磁阻，得：202SNL 1、電感式傳感器的結(jié)構(gòu)形式、電感式傳感器的結(jié)構(gòu)形式位移傳感器之電感式傳感器位移傳感器之電感式傳感器銜鐵銜鐵鐵心鐵心a)可變導磁面積型b）差動型c）單螺管線圈型d）雙螺管線圈差動自感傳感器的其他結(jié)構(gòu)形式自感傳感器的其他結(jié)構(gòu)形式電感式傳感器之自感傳感器電感式傳感器之自感傳感器 差動變壓器是互感式電感傳感器，它可以將被測量的差動變壓器是互感式電感傳感器，它可以將被測量的變化轉(zhuǎn)換為互感系數(shù)變化轉(zhuǎn)換為互感系數(shù)M M的變化。其工作原理類似于變壓器，的變化。其工作原理類似于變壓器，并常常做成差動的，故稱為差動變壓器。并常常做成差

22、動的，故稱為差動變壓器。 （2 2）差動變壓器式傳感器）差動變壓器式傳感器電感式傳感器的結(jié)構(gòu)形式電感式傳感器的結(jié)構(gòu)形式差動變壓器的應用差動變壓器的應用 位移的測量位移的測量力和力矩的測量力和力矩的測量電感式傳感器之差動變壓傳感器電感式傳感器之差動變壓傳感器（3 3）渦流式傳感器）渦流式傳感器 當一塊金屬導體放置在一變化的磁場中，導體內(nèi)就會當一塊金屬導體放置在一變化的磁場中，導體內(nèi)就會產(chǎn)生感應電流，這種電流像水中旋渦那樣在導體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，產(chǎn)生感應電流，這種電流像水中旋渦那樣在導體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應。稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應。 渦流傳感器可以對振動、位

23、移、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度和渦流傳感器可以對振動、位移、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度和硬度等參數(shù)實現(xiàn)非接觸式測量，還可以進行無損探傷，具硬度等參數(shù)實現(xiàn)非接觸式測量，還可以進行無損探傷，具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應寬、靈敏度高、測量線性范圍大、有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應寬、靈敏度高、測量線性范圍大、體積小等優(yōu)點。體積小等優(yōu)點。 渦流傳感器在金屬導體上產(chǎn)生的渦流，其滲透深度與渦流傳感器在金屬導體上產(chǎn)生的渦流，其滲透深度與傳感器線圈的勵磁電流的頻率有關。渦流傳感器主要可分傳感器線圈的勵磁電流的頻率有關。渦流傳感器主要可分為高頻反射和低頻透射兩類。為高頻反射和低頻透射兩類。 渦流式傳感器的渦流式傳感器的工作原理工作原理電感式傳感器

24、的結(jié)構(gòu)形式電感式傳感器的結(jié)構(gòu)形式高頻反射渦流傳感器高頻反射渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器 渦流式傳感器渦流式傳感器分類分類電感式傳感器之渦流式傳感器電感式傳感器之渦流式傳感器 高頻反射渦流傳感器高頻反射渦流傳感器 渦流式傳感器分類渦流式傳感器分類高頻反射式渦流傳感器的高頻反射式渦流傳感器的結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 電渦流傳感器是利用線圈與被測導體之間的電磁耦合電渦流傳感器是利用線圈與被測導體之間的電磁耦合進行工作的，因而被測導體作為進行工作的，因而被測導體作為“實際傳感器實際傳感器”的一部分，的一部分，其材料的物理性質(zhì)，尺寸與形狀都與傳感器特性密切相關。其材料的物理性質(zhì)，尺寸與形狀

25、都與傳感器特性密切相關。 被測導體的電導率、磁導率對傳感器的影響：一般說被測導體的電導率、磁導率對傳感器的影響：一般說來，被測體的電導率越高，靈敏度也越高；磁導率則相反，來，被測體的電導率越高，靈敏度也越高；磁導率則相反，被測體的磁導率越高，靈敏度越低，而且被測導體有剩磁，被測體的磁導率越高，靈敏度越低，而且被測導體有剩磁，將影響測量結(jié)果，應予消磁。將影響測量結(jié)果，應予消磁。 渦流式傳感器分類渦流式傳感器分類 被測導體形狀對測量精度的影響：若被測物體為平面，被測導體形狀對測量精度的影響：若被測物體為平面，在渦流環(huán)的直徑為線圈直徑的在渦流環(huán)的直徑為線圈直徑的1.8 1.8 倍處，電渦流的密度衰倍

26、處，電渦流的密度衰減為最大值的減為最大值的5%5%，因而希望被測物體的直徑不小于線圈直，因而希望被測物體的直徑不小于線圈直徑的徑的1.81.8倍。當被測物體的直徑為線圈直徑的一半時，靈倍。當被測物體的直徑為線圈直徑的一半時，靈敏度將減小一半，更小時，靈敏度則顯著下降。敏度將減小一半，更小時，靈敏度則顯著下降。 被測導體表面鍍層對測量精度的影響：若鍍層性質(zhì)和被測導體表面鍍層對測量精度的影響：若鍍層性質(zhì)和厚度不均勻，在測量轉(zhuǎn)動或移動的被測物體時，這種不均厚度不均勻，在測量轉(zhuǎn)動或移動的被測物體時，這種不均勻?qū)⑿纬筛蓴_信號，影響測量精度，尤其是激勵頻率較高勻?qū)⑿纬筛蓴_信號，影響測量精度，尤其是激勵頻率

27、較高時，電渦流的貫穿深度減小，這種干擾影響更大。時，電渦流的貫穿深度減小，這種干擾影響更大。 高頻反射式渦流傳感器的結(jié)構(gòu)特點高頻反射式渦流傳感器的結(jié)構(gòu)特點 低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器 當激勵頻率較高時，曲線當激勵頻率較高時，曲線的線性度不好，但當?shù)木€性度不好，但當h h較小時，較小時，靈敏度較高。而當激勵頻率靈敏度較高。而當激勵頻率較低時，線性好，測量范圍較低時，線性好，測量范圍寬，但靈敏度較低。寬，但靈敏度較低。 渦流式傳感器分類渦流式傳感器分類 無損探傷無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測火車輪檢測油管檢測油管檢測渦流傳感器的渦流傳感器的應用應用 電感式傳感器之

28、渦流式傳感器電感式傳感器之渦流式傳感器 測厚測厚 零件計數(shù)零件計數(shù)渦流式傳感器的應用渦流式傳感器的應用電感傳感器的應用電感傳感器的應用電感傳感器主要應用于測量位移和尺寸，也可以測量電感傳感器主要應用于測量位移和尺寸，也可以測量能夠轉(zhuǎn)換為位移量的其它參數(shù)，如力、張力、壓力、壓差、能夠轉(zhuǎn)換為位移量的其它參數(shù)，如力、張力、壓力、壓差、應變、轉(zhuǎn)矩、速度和加速度等。應變、轉(zhuǎn)矩、速度和加速度等。 位移傳感器之電感式傳感器位移傳感器之電感式傳感器 1. 概述概述 2. 位移傳感器位移傳感器 3. 溫度傳感器溫度傳感器 4. 力傳感器力傳感器 5. 光電傳感器光電傳感器 6. 微機械傳感器微機械傳感器熱敏電阻

29、熱敏電阻 利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器稱為熱電阻利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器稱為熱電阻傳感器，它主要用于對溫度和與溫度有關的參量進行檢測。傳感器，它主要用于對溫度和與溫度有關的參量進行檢測。分類：分類：金屬熱電阻和半導體熱電阻（熱敏電阻）金屬熱電阻和半導體熱電阻（熱敏電阻）熱敏電阻又可分為：熱敏電阻又可分為：負溫度系數(shù)熱敏電阻、正向特性熱敏負溫度系數(shù)熱敏電阻、正向特性熱敏電阻和臨界溫度電阻器電阻和臨界溫度電阻器溫度傳感器之熱敏電阻溫度傳感器之熱敏電阻熱敏二極管熱敏二極管 耐溫范圍耐溫范圍-50-50到到+150+1500 0C C，線性度好、靈敏度高、體積，線性度好、靈敏度高、

30、體積小、響應快和輸出電阻低。小、響應快和輸出電阻低。 使用時，除應保持器件與被測物體間有良好的接觸外，使用時，除應保持器件與被測物體間有良好的接觸外，還應避免強光照射、放射性輻射及強磁場干擾的測量環(huán)境，還應避免強光照射、放射性輻射及強磁場干擾的測量環(huán)境，必要時可使用屏蔽式探頭。做控溫使用時，還應注意器件必要時可使用屏蔽式探頭。做控溫使用時，還應注意器件測溫的滯后性。測溫的滯后性。溫度傳感器之熱敏二極管溫度傳感器之熱敏二極管熱電偶熱電偶 把兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路，當兩個把兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路，當兩個節(jié)點保持不同的溫度時，將產(chǎn)生熱電動勢（塞貝克效應），節(jié)點保持不同的溫

31、度時，將產(chǎn)生熱電動勢（塞貝克效應），將此熱電動勢用于溫度測量的元件成為熱電偶將此熱電動勢用于溫度測量的元件成為熱電偶熱電動勢的組成：熱電動勢的組成：接觸電勢和溫差電勢。接觸電勢和溫差電勢。接觸電勢：接觸電勢：當兩種導體接觸時，由于兩者電子密度不同而當兩種導體接觸時，由于兩者電子密度不同而 導致電子擴散而產(chǎn)生的。大小取決于兩種導體導致電子擴散而產(chǎn)生的。大小取決于兩種導體 的性質(zhì)和接觸點的溫度。的性質(zhì)和接觸點的溫度。溫差電勢：溫差電勢：由于同一導體兩端因溫度不同而產(chǎn)生的。由于同一導體兩端因溫度不同而產(chǎn)生的。溫度傳感器之熱電偶溫度傳感器之熱電偶 1. 概述概述 2. 位移傳感器位移傳感器 3. 溫度

32、傳感器溫度傳感器 4. 力傳感器力傳感器 5. 光電傳感器光電傳感器 6. 微機械傳感器微機械傳感器電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器金屬絲的電阻應變效應金屬絲的電阻應變效應電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這一現(xiàn)象就是電阻絲的應變效應。變化，這一現(xiàn)象就是電阻絲的應變效應。設有一段長為設有一段長為 ，截面為，截面為 ，電阻率為，電阻率為 的金屬絲，的金屬絲，則它的電阻為則它的電阻為 ：SlSlR 當它受到軸向力當它受到軸向力F F而被拉伸而被拉伸( (或壓縮或壓縮) )時，其時，其 、 、 均發(fā)生變化，如取金屬絲是半徑為均發(fā)生變化，

33、如取金屬絲是半徑為r r的圓形截面的圓形截面，那么：，那么： Sl2rS2rlR力傳感器之電阻應變式傳感器力傳感器之電阻應變式傳感器故電阻的相對變化為 ： dRdrrRdllRdRdrldrrldlr2322)2(drdrldlRdrdrldlRdR2力傳感器之電阻應變式傳感器力傳感器之電阻應變式傳感器電阻應變片電阻應變片1.1.電阻應變片的結(jié)構(gòu)電阻應變片的結(jié)構(gòu)電阻應變片根據(jù)制作方法，一般可分為兩類：電阻應變片根據(jù)制作方法，一般可分為兩類： 電阻絲應變片：圓角線柵式和直角線柵式電阻絲應變片：圓角線柵式和直角線柵式 制造方便，但制造方便，但橫向效應較大橫向效應較大 力傳感器之電阻應變式傳感器力傳

34、感器之電阻應變式傳感器金屬箔式應變片：金屬箔式應變片：常用的有常用的有6060、120120、200200、320320、350350、500500、10001000，其中，其中120120最為常用最為常用 主要是由金主要是由金屬絲柵屬絲柵( (敏感敏感柵柵) )、絕緣基、絕緣基片及覆蓋片片及覆蓋片三部分組成三部分組成力傳感器之電阻應變式傳感器力傳感器之電阻應變式傳感器2.2.電阻應變片主要特性電阻應變片主要特性 (1)(1)靈敏系數(shù)；靈敏系數(shù)；(2)(2)橫向效應；橫向效應；(3)(3)機械滯后；機械滯后；(4)(4)溫度效應；溫度效應；(5)(5)零漂及蠕變零漂及蠕變 ；(6)(6)應變極

35、限應變極限 ；(7)(7)絕絕緣電阻；緣電阻；(8)(8)動態(tài)響應特性動態(tài)響應特性力傳感器之電阻應變式傳感器力傳感器之電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器的應用電阻應變式傳感器的應用應變式傳感器包括兩個主要部分：一個是彈性敏感元應變式傳感器包括兩個主要部分：一個是彈性敏感元件亦稱彈性體，利用它把被測的物理量件亦稱彈性體，利用它把被測的物理量 ( (如力、扭矩、壓如力、扭矩、壓力、加速度等力、加速度等) )轉(zhuǎn)換為彈性體的應變值；另一個是應變片，轉(zhuǎn)換為彈性體的應變值；另一個是應變片，它作為傳感元件，將應變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。它作為傳感元件，將應變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。 按照用按照用途不同，應變式傳感器可

36、以分為應變式測力傳感器、應變途不同，應變式傳感器可以分為應變式測力傳感器、應變式壓力傳感器、應變式加速度傳感器等。式壓力傳感器、應變式加速度傳感器等。力傳感器之電阻應變式傳感器力傳感器之電阻應變式傳感器工程應用：橋梁固有頻率測量工程應用：橋梁固有頻率測量原理在橋中設置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。力傳感器之電阻應變式傳感器力傳感器之電阻應變式傳感器電子稱電子稱原理原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應變片轉(zhuǎn)化為電構(gòu)變形再通過應變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。量輸出。力傳感器之電阻應變式傳感器力傳感器之電阻應

37、變式傳感器壓電效應壓電效應 某些晶體，當沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部會產(chǎn)某些晶體，當沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生大小相等符號相反的生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生大小相等符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài)；當作用力方向電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象叫壓電效應。與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象叫壓電效應。 反之，如對晶體施加電場，晶體將在一定方向上產(chǎn)生機反之，如對晶體施加電場，晶體將在一

38、定方向上產(chǎn)生機械變形；當外加電場撤去后，該變形也隨之消失。這種現(xiàn)象械變形；當外加電場撤去后，該變形也隨之消失。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，也稱作電致伸縮效應。稱為逆壓電效應，也稱作電致伸縮效應。 壓電式傳感器壓電式傳感器力傳感器之壓電式傳感器力傳感器之壓電式傳感器xy 石英晶體是個正六面體，石英晶體是個正六面體，其各個方向的特性是不同的。其各個方向的特性是不同的?？v向軸縱向軸Z，又稱光軸又稱光軸X軸軸(電軸電軸)：/六面體棱線六面體棱線Z Z軸軸y軸軸(機械軸機械軸)：六面體棱面六面體棱面 沿沿X X方向受力產(chǎn)生電荷的壓電方向受力產(chǎn)生電荷的壓電效應效應-縱向壓電效應；縱向壓電效應； 沿沿Y Y方向

39、受力產(chǎn)生電荷的壓電方向受力產(chǎn)生電荷的壓電效應效應-橫向壓電效應；橫向壓電效應； 沿沿Z Z方向受力時不產(chǎn)生壓電效方向受力時不產(chǎn)生壓電效應。應。力傳感器之壓電式傳感器力傳感器之壓電式傳感器壓電式傳感器應用壓電式傳感器應用(b) (b) 壓力變送器壓力變送器(a) (a) 加速度計，力傳感器加速度計，力傳感器 力傳感器之壓電式傳感器力傳感器之壓電式傳感器案例：飛機模態(tài)分析案例：飛機模態(tài)分析力傳感器之壓電式傳感器力傳感器之壓電式傳感器壓電材料壓電材料 作為敏感元件對壓電材料的要求是：具有大的壓電系數(shù)作為敏感元件對壓電材料的要求是：具有大的壓電系數(shù)d d；機械強度高，剛度大，以便獲得高的固有頻率；高電

40、阻率和機械強度高，剛度大，以便獲得高的固有頻率；高電阻率和大介電常數(shù)；高的居里點；溫度、濕度和時間穩(wěn)定性好。大介電常數(shù)；高的居里點；溫度、濕度和時間穩(wěn)定性好。 壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù) 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性 壓電材料可分為三大類：壓電晶體（單晶）、壓電陶瓷壓電材料可分為三大類：壓電晶體（單晶）、壓電陶瓷（多晶半導瓷）和新型壓電材料（包括壓電半導體和高分子（多晶半導瓷）和新型壓電材料（包括壓電半導體和高分子壓電材料）。壓電材料）。 力傳感器之壓電式傳感器力傳感器之壓電式傳感器 石英晶體壓電系數(shù)和介電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，常溫下石英晶體壓電系數(shù)和介電系數(shù)的溫度

41、穩(wěn)定性好，常溫下幾乎不變，在幾乎不變，在2020200200范圍內(nèi)其壓電系數(shù)變化率僅為范圍內(nèi)其壓電系數(shù)變化率僅為-0.016%-0.016%；機械強度和品質(zhì)因數(shù)高，允許應力高達；機械強度和品質(zhì)因數(shù)高，允許應力高達6.86.810107 7 PaPa9.89.810107 7 Pa Pa，剛度大，動態(tài)特性好；居里點，剛度大，動態(tài)特性好；居里點573573，無，無熱釋電性，絕緣性好，重復性好熱釋電性，絕緣性好，重復性好 。(2)(2)壓電陶瓷壓電陶瓷 制作工藝簡單、耐濕、耐高溫，發(fā)展迅速，應用廣泛。制作工藝簡單、耐濕、耐高溫，發(fā)展迅速，應用廣泛。 (3)(3)壓電半導體壓電半導體 (4)(4)高分

42、子壓電材料高分子壓電材料 (1)(1)壓電晶體壓電晶體 力傳感器之壓電式傳感器力傳感器之壓電式傳感器 1. 概述概述 2. 位移傳感器位移傳感器 3. 溫度傳感器溫度傳感器 4. 力傳感器力傳感器 5. 光電傳感器光電傳感器 6. 微機械傳感器微機械傳感器 光電效應可以分為外光電效應、內(nèi)光電效應光電效應可以分為外光電效應、內(nèi)光電效應(包括：包括：光電導效應、光生伏特效應光電導效應、光生伏特效應)三種類型。三種類型。 1、光電效應、光電效應 外光電效應外光電效應 在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象叫外光電效應。射的現(xiàn)象叫外光電效應

43、。 利用外光電效應制成的光電器件有真空光電管、充氣利用外光電效應制成的光電器件有真空光電管、充氣光電管和光電倍增管。光電管和光電倍增管。光電傳感器光電傳感器之光電傳感器光電傳感器之光電傳感器 光電導效應光電導效應 在光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到在光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，引起物體電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導自由狀態(tài)，引起物體電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。利用光電導效應可制成半導體光敏電阻。效應。利用光電導效應可制成半導體光敏電阻。 光生伏特效應光生伏特效應 在光的作用下，能夠使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電動在光的作用下，能夠使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定

44、方向的電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應。勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應。 利用光生伏特效應制成的光電器件有光敏二極管、光利用光生伏特效應制成的光電器件有光敏二極管、光敏三極管和光電池等。敏三極管和光電池等。 光電傳感器之光電傳感器光電傳感器之光電傳感器2 2、光電器件、光電器件 光敏電阻光敏電阻 光敏電阻是利用光電導效應制成的。光敏電阻是利用光電導效應制成的。制造光敏電阻的材料：金屬硫化物、硒制造光敏電阻的材料：金屬硫化物、硒化物、碲化物組成?；?、碲化物組成。 光電傳感器之光電傳感器光電傳感器之光電傳感器 光敏電阻的暗電阻越大越好（通常為光敏電阻的暗電阻越大越好（通常為1 M1 M100 M 100 M

45、），亮電阻越小越好（通常在幾千歐姆以下）。），亮電阻越小越好（通常在幾千歐姆以下）。 光照特性多呈非線性，一般用作開關式光電信號傳感元件光照特性多呈非線性，一般用作開關式光電信號傳感元件 光電傳感器之光電傳感器光電傳感器之光電傳感器（2 2）光敏二極管和光敏三極管）光敏二極管和光敏三極管 與一般的二、三極管相似，其與一般的二、三極管相似，其PNPN結(jié)對光敏感。將其結(jié)對光敏感。將其PNPN結(jié)裝在管的頂部，上面有一個透鏡制成的窗口，以便使光結(jié)裝在管的頂部，上面有一個透鏡制成的窗口，以便使光線集中在線集中在PNPN結(jié)上。結(jié)上。 光敏三極管光敏三極管PNPN結(jié)產(chǎn)生光電流，相當于普通三極管基極結(jié)產(chǎn)生光電

46、流，相當于普通三極管基極電流，被放大（電流，被放大（1+1+）倍，所以光敏三極管具有比光敏二）倍，所以光敏三極管具有比光敏二極管更高的靈敏度極管更高的靈敏度 。 光敏電阻對溫度變化比較敏感，當溫度升高時，它的光敏電阻對溫度變化比較敏感，當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都將下降。暗電阻和靈敏度都將下降。 光電傳感器之光電傳感器光電傳感器之光電傳感器光電傳感器之光電傳感器光電傳感器之光電傳感器3. 3. 光電傳感器的應用光電傳感器的應用 光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為吸收式、遮光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。光式、反射式、輻射式四種基本形式。 光電傳感

47、器之光電傳感器光電傳感器之光電傳感器光電傳感器之光電傳感器光電傳感器之光電傳感器 1. 概述概述 2. 位移傳感器位移傳感器 3. 溫度傳感器溫度傳感器 4. 力傳感器力傳感器 5. 光電傳感器光電傳感器 6. 微機械傳感器微機械傳感器微機械傳感器的特點微機械傳感器的特點 體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量生產(chǎn)、易于集成和智能化的特點。同時，在微米量級批量生產(chǎn)、易于集成和智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)傳感器所不能實現(xiàn)的的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)傳感器所不能實現(xiàn)的功能。功能。 微機械壓力傳感器微機

48、械壓力傳感器 分類：分類：從從信號檢測方式信號檢測方式來分，可分為壓阻式和電容式，分來分，可分為壓阻式和電容式，分 別以微機械加工技術和犧牲層技術為基礎制造；別以微機械加工技術和犧牲層技術為基礎制造； 從從敏感膜結(jié)構(gòu)敏感膜結(jié)構(gòu)來分，分為圓形、方形、矩形和來分，分為圓形、方形、矩形和E E形形 等多種結(jié)構(gòu)。等多種結(jié)構(gòu)。用途：用途：用于引擎控制、油壓控制、車載空調(diào)等方面，在汽用于引擎控制、油壓控制、車載空調(diào)等方面，在汽 車上的用量占到車上的用量占到93%93%。微機傳感器之微機械壓力傳感器微機傳感器之微機械壓力傳感器微機械加速度傳感器微機械加速度傳感器 現(xiàn)在廣泛使用的為機械加速度傳感器多為電容式微

49、機現(xiàn)在廣泛使用的為機械加速度傳感器多為電容式微機械加速度傳感器。械加速度傳感器。工作過程：工作過程：在外部加速的作用下，微機械加速度傳感器中在外部加速的作用下，微機械加速度傳感器中 的慣性質(zhì)量塊與固定電極之間發(fā)生相對位移，的慣性質(zhì)量塊與固定電極之間發(fā)生相對位移， 由此引起兩者之間電容的變化。由此引起兩者之間電容的變化。組成：組成：由慣性質(zhì)量塊、懸掛質(zhì)量塊的彈性結(jié)構(gòu)元件組成。由慣性質(zhì)量塊、懸掛質(zhì)量塊的彈性結(jié)構(gòu)元件組成。優(yōu)點：優(yōu)點：靈明度高、精度好、漂移低、溫度敏感性小、功耗靈明度高、精度好、漂移低、溫度敏感性小、功耗 低、噪聲特性好、結(jié)構(gòu)簡單。低、噪聲特性好、結(jié)構(gòu)簡單。微機傳感器之微機械加速度傳感器微機傳感器之微機械加速度傳感器微傾角傳感器微傾角傳感器 其本質(zhì)也是加速度傳感器，只是被設置成測量物體與其本質(zhì)也是加速度傳感器，只是被設置成測量物體與水平面的角度。水平面的角度。應用領域：應用領域：筑路機械、建筑物或大壩測量、挖掘機挖掘深筑路機械、建筑物或大壩測量、挖掘機挖掘深 度和傾斜測量、油井測量、平臺校準和穩(wěn)定、度和傾斜測量、油井測量、平臺校準