第三章常用傳感器與敏感元件1

第三章常用傳感器與敏感元件第一節(jié)常用傳感器分類第二節(jié)機(jī)械式傳感器及儀器第三節(jié)電阻、電容與電感式傳感器第四節(jié)磁電、壓電與熱電式傳感器第七節(jié)半導(dǎo)體傳感器第十節(jié)傳感器的選用原則傳感器的定義：傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。第三節(jié)電阻、電容與電感式傳感器一、電阻式傳感器電阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅鳌?/p>

電阻式傳感器分類：變阻器式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器1、變阻器式傳感器變阻器式傳感器又稱為電位計(jì)式傳感器。它通過改變電位器觸頭位置，實(shí)現(xiàn)將位移轉(zhuǎn)換為電阻R的變化。導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任何可以轉(zhuǎn)換為位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。工作原理： 一個(gè)電導(dǎo)體的電阻值： 式中：R－電阻（Ω）；

ρ－材料的電阻率（Ω·mm2/m）；

l－導(dǎo)體的長度（m）；

A－導(dǎo)體的截面積（mm2）。電阻絲直徑和材質(zhì)一定，電阻值隨導(dǎo)線長度改變。變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。變阻器式傳感器直線位移型

kl為單位長度中的電阻。 其靈敏度：xCxABCR當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時(shí)，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。角位移型

靈敏度：α－觸點(diǎn)轉(zhuǎn)角(rad)；ka－單位弧度對應(yīng)的電阻值。ACBxACB3）非線性型非線性型輸出電阻(或電壓)與電刷位移(包括線位移或角位移)之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器?！镒冏杵魇絺鞲衅鞯暮蠼与娐罚弘娮璺謮弘娐穟euo變阻器式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便；缺點(diǎn)：分辨力受電阻絲直徑限制，很難優(yōu)于20μm；較大的噪聲（電刷和電阻元件之間接觸面磨損、塵埃附著等原因）。2、電阻應(yīng)變式傳感器

可測參數(shù)：應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等。

電阻應(yīng)變式傳感器:金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。（1）金屬電阻應(yīng)變片基本工作原理：當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化。主要形式：金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式兩種。金屬絲式應(yīng)變片是用0.01～0.05mm的金屬絲繞成敏感柵，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路上。應(yīng)變片實(shí)際使用：將其粘貼于彈性元件或被測物體表面。外力作用下，金屬絲隨物體一同變形，電阻值發(fā)生變化，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。依次代入式（3－5），得

說明：

Sg為應(yīng)變片系數(shù)或靈敏度,金屬電阻絲的靈敏度常在1.7——3.6之中。解：因?yàn)殡娮钁?yīng)變片靈敏度系數(shù)

所以，電阻變化量

無應(yīng)變時(shí)電流表示值有應(yīng)變時(shí)電流表示值電流表指示值的相對變化量不能。這個(gè)變化量是太小，必須用高靈敏度的微安表方可讀出，一般接入電橋。（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖，使用方法同電阻絲應(yīng)變片。

工作原理：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。

單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度變化，從而引起電阻率變化。金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別是什么？半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是:

靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大可直接用于測量；體積小，擴(kuò)大了半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用范圍。最大的缺點(diǎn)是溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。

二、電容式傳感器1、變換原理定義：電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。公式：平板電容器的電容可表達(dá)為：各參數(shù)含義：

ε—極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)ε=1；

ε0—真空介電常數(shù),ε0=8.85×10-12(F/m); A—極板面積（m2）；

δ—兩極板間距離（m）。結(jié)論：被測量使δ、A或ε變化，均會引起電容C變化。保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，僅改變另一參數(shù)，即可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。分類：根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，前兩種應(yīng)用較廣。

（1）極距變化型極距有一微小變化量dδ時(shí)，引起電容變化量dC為靈敏度為結(jié)論：極板間距越小，靈敏度越高。但為了滿足近似線性關(guān)系，極板間距越小時(shí)，要求間距的變化也越小，也就是測量范圍變小。所以要根據(jù)實(shí)際情況，在靈敏度、測量范圍、非線性誤差之間平衡。（2）面積變化型a)角位移型電容量靈敏度結(jié)論：輸出與輸入成線性關(guān)系。b)平面線位移型c)圓柱體線位移型（3）介質(zhì)變化型大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。圖解：圖3－14a，在兩固定極板間的介質(zhì)層的厚度、溫度或濕度發(fā)生變化時(shí)，介電常數(shù)變，導(dǎo)致電容量變化；圖3－14b，電容式液面計(jì)，液面位置變動，兩電極侵入高度變化，電容量變化。

介質(zhì)可移動

例題：4、電容式傳感器的應(yīng)用：電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測試中。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，如有電容式位移傳感器，精度可達(dá)5μm。三、電感式傳感器電感式傳感器的工作原理是把被測量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感型（包括可變磁阻式與渦流式）和互感型（差動變壓器式）兩種。1、自感型（1）可變磁阻式組成：線圈、鐵心和銜鐵。

由電磁感應(yīng)原理，線圈自感L為N-線圈匝數(shù)，Rm-磁路總磁阻[H-1]。當(dāng)氣隙δ較小時(shí)，該磁路的總磁阻（3－23）式中

l－鐵芯的導(dǎo)磁長度(m);

μ－鐵芯磁導(dǎo)率(H/m); A－鐵芯導(dǎo)磁截面積; δ－氣隙寬(m); μ0－空氣磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7(H/m); A0－空氣氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m2)

鐵心磁阻與空氣氣隙的磁阻相比很小，可忽略，則總磁阻Rm近似為

代入3－23，得當(dāng)A0固定，變化δ時(shí)，L與δ成非線性變化關(guān)系，此時(shí)傳感器靈敏度靈敏度S與δ的平方值成反比，由于不是常數(shù)，因此會產(chǎn)生非線性誤差。因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍內(nèi)工作。當(dāng)氣隙變化甚小即Δδ<<δ0時(shí)，靈敏度S近似為S此時(shí)為一定值，輸出與輸入近似成線性關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中常選取Δδ/δ≤0.1。這種傳感器適宜于測量小位移，一般為0.001—1mm。（2）渦流式渦電流式傳感器變換原理：利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。高頻反射式渦流傳感器工作原理：渦流產(chǎn)生：當(dāng)線圈中通以一交變高頻電流i時(shí)，會引起一交變磁通Ф。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應(yīng)電流i1，該電流i1即為渦流。抵抗作用：根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁通Ф1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即Ф1將抵抗Ф的變化。線圈的阻抗變化及影響因素：由于該渦流磁場的作用，會使線圈的等效阻抗發(fā)生變化，其變化的程度除了與兩者間的距離δ有關(guān)外，還與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及線圈的激磁電流圓頻率ω等有關(guān)。主要應(yīng)用：變化δ，可作為位移、振動測量；變化ρ，可作為材質(zhì)鑒別；變化μ，可用于探傷。渦流式傳感器的測量電路：渦電流式傳感器應(yīng)用：動態(tài)非接觸測量渦電流式位移和振動測量儀測厚儀無損探傷徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動、轉(zhuǎn)速和厚度測量零件計(jì)數(shù)、表面裂紋和缺陷測量徑向振動測量

軸心軌跡測量2、互感型－差動變壓器式電感傳感器互感型傳感器的工作原理：利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。傳感器實(shí)質(zhì)是一個(gè)變壓器，初級線圈接入穩(wěn)定交流電源，次級線圈感應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓。M變化，副線圈輸出電壓變化。由于常采用兩個(gè)次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器。工作原理如圖3－20。差動變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：

測量精度高，可達(dá)0.1μm；線性范圍大，可到±100mm；穩(wěn)定性好，使用方便。因而被廣泛應(yīng)用于直線位移,或借助彈性元件將壓力、重量等參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移變化，實(shí)現(xiàn)間接測量。第四節(jié)磁電、壓電與熱電式傳感器一、磁電式傳感器概念：一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的裝置，亦稱電磁感應(yīng)式或電動力式傳感器。由電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過一個(gè)線圈的磁通Φ發(fā)生變化時(shí)，線圈中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢結(jié)論：線圈感應(yīng)電動勢的大小，取決于匝數(shù)和穿過線圈的磁通變化率。磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都可改變線圈的感應(yīng)電動勢。二、壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型換能器。機(jī)械能電能：可用來測量力、壓力、加速度等；電能機(jī)械能：可用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚(yáng)聲器等。主要優(yōu)點(diǎn)：體積??；重量??；固有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍0.1~20kHz)；靈敏度高（加速度傳感器，可測10－2～105m·s-2、力傳感器，分辨力達(dá)10－3N）。1、壓電效應(yīng)

定義：某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等晶體，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部會產(chǎn)生極化作用，從而會在晶體的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷，形成電場。晶體的這一性質(zhì)稱為壓電效應(yīng)。說明：壓電效應(yīng)可逆：當(dāng)壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的晶體稱之為壓電晶體，石英晶體是常用的壓電材料之一。小結(jié)：石英晶體切片受x向壓力，產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，與切片的幾何尺寸無關(guān)；石英晶體切片受y向壓力，產(chǎn)生的電荷量與切片的幾何尺寸有關(guān)，且電荷的極性與沿x軸施加壓力時(shí)產(chǎn)生的電荷極性相反。若壓電體受到多方向的作用力，晶體內(nèi)部將產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力場，會同時(shí)出現(xiàn)縱向效應(yīng)和橫向效應(yīng)。壓電體各表面都會積聚電荷。3、壓電式傳感器及其等效電路等效電路：壓電傳感器可被視為一個(gè)電荷源。等效電路中電容器上的開路電壓u0、電荷q以及電容Ca三者間的關(guān)系有5、壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動加速度等，也用于聲學(xué)和聲發(fā)射測量。（2）集成壓電式傳感器是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。

脈搏計(jì)照片

典型應(yīng)用：

·脈搏計(jì)數(shù)探測

·按鍵鍵盤，觸摸鍵盤

·振動、沖擊、碰撞報(bào)警

·振動加速度測量

·管道壓力波動

·其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等三、熱電式傳感器定義：將溫度轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置。分類：熱電偶和熱電阻。1、熱電偶（1）熱電偶工作原理熱電效應(yīng)：兩種不同的金屬導(dǎo)體A和B組成一個(gè)閉合回路時(shí)若兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)的溫度不同，則在回路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱熱電效應(yīng)。相應(yīng)的電勢稱熱電動勢。

A、B稱為熱電極，兩電極的連接點(diǎn)稱為接點(diǎn)。測溫時(shí)置于被測溫度場T的接點(diǎn)稱為熱端，另一端稱為冷端。熱電偶回路的特點(diǎn)：如果熱電偶的兩個(gè)熱電極材料相同，兩結(jié)點(diǎn)的溫度雖然不同，但總的熱電勢仍為零。因此，熱電偶必須由兩種不同的材料構(gòu)成；如果熱電偶兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，即使兩個(gè)熱電極A、B的材料不同，回路中熱電勢仍然為零，因此要產(chǎn)生熱電勢不但要求兩個(gè)電極材料不同，而且兩個(gè)接點(diǎn)必須有溫度差；熱電勢與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無關(guān)，僅與兩個(gè)接點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電偶的基本定律：中間導(dǎo)體定律：中間導(dǎo)體的熱電偶回路在熱電偶測溫過程中，需要用連接導(dǎo)線將熱電偶與測量儀表接通，這相當(dāng)于在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，如圖3－40所示。只要第三種導(dǎo)體兩端的溫度相等，則對熱電偶回路總的熱電勢沒有影響，這就是中間導(dǎo)體定律。因此可以在回路中引入各種儀表直接測量其熱電勢，也允許采用不同方法來焊接熱電偶，或?qū)蔁犭姌O直接焊接在被測導(dǎo)體表面。中間導(dǎo)體的熱電偶回路中間溫度定律：熱電偶回路中，熱端溫度為T、冷端為T0時(shí)的熱電勢，等于此熱電偶熱端為T、冷端為Tn，及同一熱電偶熱端為Tn、冷端為T0時(shí)熱電勢的代數(shù)和，如圖所示：中間溫度定律示意圖2、熱電阻傳感器熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性測量溫度的。用金屬或半導(dǎo)體材料作為感溫元件的傳感器，分別稱為熱電阻和熱敏電阻。熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等組成。電阻體是主要部分。（1）鉑電阻特點(diǎn)：測溫精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠；測溫范圍：-200～850℃電阻與溫度關(guān)系：

說明：Rt和R0分別為t℃和0℃時(shí)的鉑電阻值；A、B為常數(shù)。（2）銅電阻特點(diǎn)：測溫精度低于鉑電阻，但線性度好、電阻溫度系數(shù)高、價(jià)格便宜。測溫范圍：-50～150℃電阻與溫度關(guān)系：Rt是溫度為t時(shí)銅電阻值；R0是溫度為0℃時(shí)銅電阻值；a1是常數(shù)；a1=4.25-4.28×10-8℃-1。

銅電阻體為一個(gè)銅絲繞組（含錳銅補(bǔ)償部分），由直徑約0.1mm的絕緣銅絲繞在圓形塑料支架上。作業(yè)：P1263-11第七節(jié)半導(dǎo)體傳感器物性型傳感器:利用敏感元件材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)信號的變換.物性型傳感器大多屬于半導(dǎo)體傳感器.半導(dǎo)體傳感器具有明顯的優(yōu)點(diǎn):1.結(jié)構(gòu)簡單,體積小,重量輕,靈敏度高.2.功耗低,安全可靠,壽命長.3.對被測量敏感,響應(yīng)快.4.易集成化.磁敏傳感器1.

霍爾傳感器利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器霍爾元件：基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件。組成材料：砷化銦（InAs）、銻化銦（InSb）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等高電阻率半導(dǎo)體材料?；魻栃?yīng)：將半導(dǎo)體薄片（霍爾板）置于一磁場中，板厚d一般遠(yuǎn)小于板寬b和板長，當(dāng)在板長度方向通以控制電流I時(shí)，則在板的側(cè)向（寬度方向）會產(chǎn)生電勢差,稱為霍爾電勢,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng).如果改變B或i，就可以改變霍爾電勢。

霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4×2×0.1mm3)，在它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾電極。鋼絲繩斷絲檢測

熱敏電阻是一種半導(dǎo)體溫度傳感器，利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成。半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。二、熱敏傳感器

RT電阻-溫度特性式中RT,R0—熱敏電阻在絕對溫度T，T0時(shí)的阻值T0,T—介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（K）；t0,t—介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（℃）；B—熱敏電阻材料常數(shù)，一般為2000～6000K，其大小取決于熱敏電阻的材料五、固態(tài)圖象(CCD)傳感器固態(tài)圖象傳感器：一種固態(tài)集成元件，其核心部分是電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，簡稱CCD）。CCD：以陣列形式排列在襯底材料上的金屬——氧化物