傳感器類型及原理

傳感器類型及原理第一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六1.傳感器定義傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成（GB7665－87）。

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。物理量電參量4.1概述第四章、傳感器類型及工作原理第二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六2.傳感器的構(gòu)成4.1概述①敏感元件（或稱預(yù)變換器，也統(tǒng)稱彈性敏感元件）在進(jìn)行由非電量到電量的變換時(shí)，有時(shí)需利用彈性敏感元件，先將被測(cè)非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量（例如應(yīng)變或位移），然后再利用傳感元件，將這種非電量變換成電量。彈性敏感元件是傳感器的心臟部分，在電測(cè)技術(shù)中占有極為重要的地位。它常由金屬或非金屬材料做成，當(dāng)承受外力作用時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)去除外力后，彈性變形消失并能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀。右圖為彈簧管壓力計(jì)。第三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六②

轉(zhuǎn)換元件（或稱傳感元件）凡是能將感受到的非電量（如力、壓力、溫度梯度等）直接變換為電參量的元件。例如應(yīng)變計(jì)、壓電晶體、壓磁式器件、光電元件及熱電偶等。它利用各種物理效應(yīng)或化學(xué)效應(yīng)等原理制成的。

說明:并不是所有的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分。有時(shí)不需要進(jìn)行預(yù)變換這一步，例如熱敏電阻、光電器件等。另外一些傳感器，敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合二為一，如固態(tài)壓阻式壓力傳感器等。4.1概述第四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六3.傳感器的分類4.1概述1)按被測(cè)物理量分類常見的被測(cè)物理量機(jī)械量:長(zhǎng)度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 力矩;熱工量:溫度、熱量、比熱容、熱流、 熱分布、壓力（壓強(qiáng)）、壓差、 真空度、流量、流速、物位、 液位、界面。噪聲第五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.1概述電阻式,電感式,電容式,磁電式,熱電式,光電式等.2)按傳感器的工作原理分類:能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)按信號(hào)變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),磁電式位移計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化.例如:電容式聲級(jí)計(jì).第六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.1概述4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來 實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換.如:水銀溫度計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變.例如:電容式和電感式傳感器.第七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器,按工作的原理可分為:電位計(jì)式、電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻式、濕（氣、光）敏電阻式。1電位計(jì)式傳感器第四章、傳感器類型及工作原理4.2電阻式傳感器第八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.2電阻式傳感器EE1VRmRxR-Rx1EE1=xLRmR+Lx()-第九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六案例：重量的自動(dòng)檢測(cè)--配料設(shè)備

比較重量設(shè)定原材料4.2電阻式傳感器原理：彈簧->力->位移->電位器->電阻第十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)煤氣包鋼絲原理：鋼絲->收線圈數(shù)->電位器->電阻4.2電阻式傳感器第十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化。2金屬應(yīng)變式傳感器4.2電阻式傳感器第十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六1)工作原理上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化,求導(dǎo)數(shù)金屬應(yīng)變片的電阻R為代入4.2電阻式傳感器第十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六有：金屬絲：金屬絲體積不變：4.2電阻式傳感器第十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六有：對(duì)金屬材料，導(dǎo)電率不變：金屬絲應(yīng)變片：4.2電阻式傳感器第十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變片4.2電阻式傳感器第十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六2)應(yīng)變片的主要參數(shù)

4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，常用b×L表示。2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。4.2電阻式傳感器參數(shù)名稱電阻值/靈敏度電阻溫度系數(shù)/（1/C）極限工作溫度/C最大工作電流/mAPZ-120型PJ-120型BX-200型BA-120型BB-350型PBD-1K型PBD-120型1201202001203501000+10%120+10%1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2140+5%120+5%2010-62010-6———0.4%0.2%-1040-1040-3060-30200-30170606020202525251525第十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六3)應(yīng)變片測(cè)量電路VER1R4R2R34.2電阻式傳感器金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大，一般用電橋。單臂電橋第十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六令：金屬絲應(yīng)變片：V與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測(cè)量電壓測(cè)量應(yīng)變4.2電阻式傳感器第十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六雙臂電橋

R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變1~2以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號(hào)相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。4.2電阻式傳感器第二十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六四臂全橋

全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變1~4）正負(fù)號(hào)相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。4.2電阻式傳感器第二十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六全橋的溫度補(bǔ)償原理

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較??；半橋也同樣能克服溫漂。4.2電阻式傳感器第二十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測(cè)量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測(cè)量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類是將應(yīng)變片貼于被測(cè)試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測(cè)試件的應(yīng)變量。4.2電阻式傳感器第二十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力4.2電阻式傳感器第二十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形4.2電阻式傳感器第二十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。4.2電阻式傳感器第二十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六人體秤

4.2電阻式傳感器第二十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六案例：振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器

適合于金庫、倉(cāng)庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。4.2電阻式傳感器第二十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六應(yīng)變片的粘貼：

1.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。

4.2電阻式傳感器第二十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六

2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。4.2電阻式傳感器第三十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六3.測(cè)量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。4.2電阻式傳感器第三十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

4.2電阻式傳感器第三十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六5.固定：焊接后用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。4.2電阻式傳感器第三十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六3半導(dǎo)體壓阻式傳感器簡(jiǎn)化為：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大;體積小;固有頻率高；缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。對(duì)半導(dǎo)體壓阻材料，電阻率變化大：壓阻效應(yīng):固體材料受到應(yīng)力作用后，電阻率會(huì)發(fā)生變化。4.2電阻式傳感器第三十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六壓阻式壓力傳感器的隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開來。

4.2電阻式傳感器第三十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好。

4.2電阻式傳感器第三十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六壓阻式

壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號(hào)處理電路4.2電阻式傳感器第三十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口4.2電阻式傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器第三十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六投入式液位計(jì)外形壓阻式壓力傳感器

光柱顯示器

橡膠背壓管

h=h0+h1=h0+p1/（g）

4.2電阻式傳感器第三十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4氣敏電阻傳感器

使用氣敏電阻傳感器（以下簡(jiǎn)稱氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號(hào)。

還原性氣體傳感器

所謂還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價(jià)升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。測(cè)量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。

4.2電阻式傳感器第四十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.2電阻式傳感器a）氣敏燒結(jié)體b）氣敏電阻外形c）基本測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

1—引腳2—塑料底座3—燒結(jié)體4—不銹鋼網(wǎng)罩5—加熱電極6—工作電極7—加熱回路電源8—測(cè)量回路電源

MQN型氣敏半導(dǎo)體器件是由塑料底座、電極引線、不銹鋼網(wǎng)罩、氣敏燒結(jié)體以及包裹在燒結(jié)體中的兩組鉑絲組成。一組鉑絲為工作電極，另一組（圖中的左邊鉑絲）為加熱電極兼工作電極。

氣敏電阻工作時(shí)必須加熱到200300℃，其目的是加速被測(cè)氣體的化學(xué)吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。

第四十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六氣敏電阻外形

酒精傳感器其他可燃性氣體傳感器4.2電阻式傳感器第四十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六酒精測(cè)試儀呼氣管4.2電阻式傳感器第四十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六家庭用液化氣報(bào)警器煙霧報(bào)警器一氧化碳傳感器家庭用煤氣報(bào)警器4.2電阻式傳感器第四十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.2電阻式傳感器5濕敏電阻傳感器絕對(duì)濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質(zhì)量(克數(shù))。相對(duì)濕度：是大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時(shí)溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)100%時(shí)，稱飽和狀態(tài)。濕敏電阻的原理：水是一種強(qiáng)極性的電解質(zhì)。水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部，引起半導(dǎo)體的電阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。第四十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六濕度傳感器的分類

4.2電阻式傳感器第四十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六電子濕度計(jì)模塊封裝后的外形4.2電阻式傳感器第四十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六電子相對(duì)濕度儀表的標(biāo)定儀器

干濕球濕度計(jì)外形及原理干球濕球4.2電阻式傳感器第四十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六

用干濕球濕度計(jì)測(cè)量相對(duì)濕度的原理上頁中，左邊的玻璃溫度計(jì)（濕球）用濕棉球包裹，并浸沒在水槽里。濕棉球由于水份蒸發(fā)，所以其溫度低于室溫，致使?jié)袂虻氖局档陀诟汕?。查?duì)應(yīng)的濕度表就可知道空氣的相對(duì)濕度。雖然干濕球濕度計(jì)的歷史悠久，但現(xiàn)在還經(jīng)常用它作為電子相對(duì)濕度儀表的標(biāo)定儀器。風(fēng)水槽棉球玻璃酒精溫度計(jì)4.2電阻式傳感器第四十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六6熱電阻傳感器導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的電阻率與溫度有關(guān)，金屬的電阻隨溫度升高而變大，而半導(dǎo)體的電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)。導(dǎo)體的電阻在一定溫度范圍內(nèi)與溫度具有線性關(guān)系

半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鐵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。RT負(fù)溫度系數(shù)（NTC）4.2電阻式傳感器第五十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻4.2電阻式傳感器第五十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六溫控器應(yīng)用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器水溫感應(yīng)塞還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等4.2電阻式傳感器第五十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六第四章、傳感器類型及工作原理4.3電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型第五十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.3電感式傳感器1自感型--可變磁阻式可變導(dǎo)磁面積型差動(dòng)型原理:電磁感應(yīng)第五十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六2渦流式原理:渦流效應(yīng)4.3電感式傳感器第五十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六原線圈的等效阻抗Z變化：4.3電感式傳感器第五十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六4.3電感式傳感器第五十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六產(chǎn)品：4.3電感式傳感器第五十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle4.3電感式傳感器第五十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六案例：無損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測(cè)油管檢測(cè)4.3電感式傳感器第六十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六2互感型--差動(dòng)變壓器WW1W2Esx-x工作原理:互感現(xiàn)象.EwEout4.3電感式傳感器第六十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六單螺管線圈型螺管線圈差動(dòng)雙螺管線圈差動(dòng)型傳感器測(cè)量電路~4.3電感式傳感器第六十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六差動(dòng)變壓器測(cè)量電路4.3電感式傳感器第六十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期六差動(dòng)變壓器位移傳感器4.3電感式傳感器第六十四頁，共七十