《測(cè)試技術(shù)》5.常用傳感器（完整版）

機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)12/13/20231檢測(cè)技術(shù)第五章常用傳感器5.1傳感器作用及分類5.2發(fā)電型傳感器5.3參量型傳感器12/13/202325.1傳感器的作用與分類5.1.1傳感器的作用2.變換作用：將非電量變換成電量。傳感器是控制系統(tǒng)中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它具有兩個(gè)作用：1.敏感作用：感受物理量的變化，以完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的拾取。傳感器作用及分類對(duì)應(yīng)這兩個(gè)作用，傳感器一般由兩部分組成，即敏感元件與變換元件，二者有時(shí)很容易分開(kāi)，有時(shí)合二為一。12/13/202335.1.2傳感器的分類按輸出信號(hào)是模擬量還是數(shù)字量，可分成模擬傳感器與數(shù)字傳感器。（I(t)，V(t)，數(shù)字量，頻率量）。按變換原理，可分為參量型與發(fā)電型。參量型：被測(cè)量使傳感器本身的電參量R、L、C改變，這種傳感器工作時(shí)必須有外加電源，故又稱為無(wú)源型，通常將其接入電橋，諧振電路等信號(hào)調(diào)節(jié)器中，再變換成電壓或電流量。發(fā)電型：被測(cè)量使傳感器產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)、電流、電荷，可直接接入放大器或記錄儀器，所以又稱為有源型，一般不需外加電源，如熱電偶、壓電型傳感器等。但由于能量有限，通常還要接放大器。

發(fā)電型參量型傳感器作用及分類12/13/202345.1.3傳感器工作原理與標(biāo)定

任何一種傳感器其工作原理都是基于某一種物理現(xiàn)象或化學(xué)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象抽象成若干個(gè)物理量（其中有一個(gè)電量）按一定規(guī)律相互影響，可用一個(gè)數(shù)學(xué)公式來(lái)表示（建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型），即：通常為電量的y=f(x1,x2,……,xn)

（通常為非電量）如：R=ρL/A就描述了四個(gè)物理量間的關(guān)系。

如果我們能夠讓被測(cè)量影響某一個(gè)參數(shù)，而通過(guò)該參數(shù)與另一個(gè)電參數(shù)的變化來(lái)反映被測(cè)量的大小，那么一個(gè)傳感器就制造出來(lái)了。所以一種傳感器的設(shè)計(jì)、研制都要基于某種物理效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)出敏感部分的結(jié)構(gòu)以及變換部分的結(jié)構(gòu)。我們?cè)谙旅娼榻B的各種傳感器都是從某一基本的物理概念或原理出發(fā)，根據(jù)物理量間的關(guān)系來(lái)分析相應(yīng)的傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。

傳感器在使用之前一般要進(jìn)行標(biāo)定，即確定輸入與輸出的關(guān)系，通常由于制作誤差和原理的理想化，使輸入輸出不能嚴(yán)格滿足理想的物理公式。所以，只有給定已知輸入，確定輸入、輸出二者間關(guān)系后才能使用。傳感器作用及分類12/13/20235發(fā)電型傳感器5.2發(fā)電型傳感器簡(jiǎn)介

5.2.1電動(dòng)式傳感器（磁電式傳感器）

1.工作原理：根據(jù)電磁感應(yīng)定理，一個(gè)匝數(shù)為w的線圈，當(dāng)穿過(guò)該線圈的磁通Φ發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為：

電動(dòng)勢(shì)與磁通變化量有關(guān)。導(dǎo)致磁通變化的原因有多種，當(dāng)線圈的匝數(shù)及磁感應(yīng)強(qiáng)度不變時(shí)，磁通的變化率與磁路的磁阻及線圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。根據(jù)利用被測(cè)量改變線圈速度或磁阻的方式，可將電動(dòng)式傳感器分成動(dòng)圈式和變磁阻式。12/13/20236①動(dòng)圈式工作原理

a.線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)

其中，w－線圈匝數(shù)，B－磁感應(yīng)強(qiáng)度，l－單匝線圈有效長(zhǎng)度，v－線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)速度。

b.線圈在磁場(chǎng)中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

其中，k－與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)（＜１），A－線圈的截面積，ω－角速度。

發(fā)電型傳感器12/13/20237②變磁阻式工作原理：一般通過(guò)改變傳感器到被測(cè)對(duì)象間的氣隙厚度等方法來(lái)改變磁路磁阻。2.電動(dòng)式傳感器的構(gòu)成及其應(yīng)用①振動(dòng)測(cè)量動(dòng)圈式相對(duì)速度傳感器：由兩部分組成，一部分安裝在被測(cè)物體上，通常是磁鐵與殼體，另一部分是線圈，固定在參照物體上；當(dāng)兩個(gè)物體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生電壓量輸出。（

圖a）動(dòng)圈式絕對(duì)速度傳感器：傳感器殼體固定在被測(cè)振動(dòng)物體上，當(dāng)殼體以大于某一頻率點(diǎn)的頻率振動(dòng)時(shí)，線圈芯軸系統(tǒng)（質(zhì)量大，慣性力大）相對(duì)于大地是靜止的，因此殼體磁鋼與線圈之間的相對(duì)速度就是被測(cè)物體的絕對(duì)速度，線圈以這一速度切割磁力線，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的大小即反應(yīng)了被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度。（

圖b）變磁阻式電動(dòng)式傳感器：探頭的磁極與振動(dòng)物體間有一氣隙，當(dāng)振動(dòng)物體振動(dòng)時(shí)，氣隙變化引起磁路磁阻改變，線圈磁通發(fā)生變化，輸出電動(dòng)勢(shì)與振幅成比例。（

圖c）

【演示】發(fā)電型傳感器12/13/20238發(fā)電型傳感器（

圖a）（

圖b）（

圖c）12/13/20239發(fā)電型傳感器12/13/202310②轉(zhuǎn)速傳感器及轉(zhuǎn)速測(cè)量測(cè)速發(fā)電機(jī)：工作原理與發(fā)電機(jī)原理相同。開(kāi)磁路轉(zhuǎn)速傳感器（如圖所示）：齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，探頭與齒輪間氣隙發(fā)生變化，引起磁阻改變。線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為

f＝Ｎ×ｎ其中，f：感應(yīng)電勢(shì)頻率N：齒數(shù)n：轉(zhuǎn)速【演示】發(fā)電型傳感器12/13/202311發(fā)電型傳感器12/13/2023125.2.2壓電式傳感器壓電效應(yīng)，某些材料，如石英晶體和鈦酸鋇陶瓷，在某一方向受力時(shí)，其表面產(chǎn)生電荷，電荷量的改變與受力情況有關(guān)，即不同的材料雖然壓電機(jī)理不同，但最終產(chǎn)生的效應(yīng)是等同的。發(fā)電型傳感器1．工作原理D：壓電系數(shù)；F：施加力的大小12/13/2023132．壓電變換元件的應(yīng)用特性：壓電變換元件相當(dāng)于電荷源，其等效電路為：

電路方程：

發(fā)電型傳感器12/13/202314兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換有：

當(dāng)輸入時(shí)發(fā)電型傳感器12/13/202315輸出：

其幅值：

可見(jiàn)，若想使輸出信號(hào)保持一定的幅值，ω有一個(gè)范圍，或者說(shuō)時(shí)

所以必須有足夠大的時(shí)間常數(shù)RC，但C大，V0小，相當(dāng)于靈敏度低，所以，要求R大。而對(duì)于頻率較低或直流信號(hào)，用這種壓電機(jī)理構(gòu)成的傳感器，就不能測(cè)量或誤差很大?！狙菔尽堪l(fā)電型傳感器12/13/202316發(fā)電型傳感器12/13/2023175.2.3熱電偶式傳感器1.工作原理：熱電偶是基于熱電勢(shì)效應(yīng)原理的測(cè)溫用傳感器，如圖，若1、2點(diǎn)溫度不同，回路中有電流產(chǎn)生，稱之為熱電勢(shì)。對(duì)于某個(gè)確定的熱電偶，當(dāng)某一端溫度T0恒定時(shí)，熱電勢(shì)僅與測(cè)量端溫度T有關(guān)，故可測(cè)溫度T。熱電勢(shì)由兩部分組成：①接觸電勢(shì)；②溫差電勢(shì)。

發(fā)電型傳感器12/13/202318①接觸電勢(shì)：A、B兩導(dǎo)體接觸后，由于電子濃度不同，在截面附近產(chǎn)生接觸電勢(shì)：

式中，Ｋ－波爾茨曼常數(shù)，ｑ－電子電荷量，ｎA(yù)、ｎB－電子濃度，Ｔ－絕對(duì)溫度。

②溫差電勢(shì)：當(dāng)一塊導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)，在導(dǎo)體兩端形成溫差電勢(shì)。

式中，σ－湯奴遜系數(shù)，與材料性質(zhì)及導(dǎo)體兩端平均溫度有關(guān)

發(fā)電型傳感器

熱電勢(shì)的方向與導(dǎo)體電子濃度n有關(guān)。顯然，當(dāng)AB材料已定時(shí)，接觸電勢(shì)與溫度T（絕對(duì)溫度）有關(guān)。

12/13/202319所以，當(dāng)兩種材料AB組成一個(gè)閉合回路時(shí)，設(shè)Ｔ＞Ｔ0時(shí)，回路中總電勢(shì)為

由于接觸電勢(shì)大于溫差電勢(shì)，所以，當(dāng)Ｔ＞Ｔ0時(shí)，A為正極，B為負(fù)極。若忽略溫差電勢(shì)的影響，并設(shè)ｎA(yù)＞ｎB，通常可寫作：

式中，ＫAB為熱電偶靈敏度。發(fā)電型傳感器12/13/202320②中間金屬定律：在由A、B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，將冷端斷開(kāi)，接入第三種或更多種導(dǎo)體，只要保證接入端的溫度相同，則回路總電勢(shì)不變。

發(fā)電型傳感器2.熱電偶基本定理①均勻電路定律：由單一的金屬構(gòu)成的回路中不存在熱電勢(shì)。12/13/202321證明：

發(fā)電型傳感器12/13/202322中間溫度定理一般熱電偶的分度表（輸出特性）是在冷端為0℃時(shí)給出的，若測(cè)量時(shí)冷端不為0℃，則可據(jù)此修正。

發(fā)電型傳感器12/13/202323④熱電偶相配定理

有時(shí)熱電偶的兩個(gè)極AB的分度表不知，但知道AC、BC的分度表，據(jù)此則可獲得A、B的分度表。

發(fā)電型傳感器2112/13/2023243.熱電偶傳感器及其應(yīng)用

熱電偶的材料有許多種，一般金屬有鎳鉻—鎳鋁硅、銅、康銅，貴重金屬有鉑銠—鉑、鉑銠3，鉑銠6以及鎢、鉬等。熱電偶的種類也比較多，構(gòu)成基本相同：由熱電極材料、絕緣材料、保護(hù)材料和引線裝置等組成。熱電偶是一種發(fā)電型傳感器，其輸出信號(hào)可直接接入記錄儀器。利用熱電偶還可測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差及溫度場(chǎng)中多點(diǎn)的平均溫度，在實(shí)際使用時(shí)，還可利用不同被測(cè)對(duì)象構(gòu)成熱電偶，如測(cè)磨削溫度；可用車刀與零件構(gòu)成一對(duì)熱電偶，有關(guān)方面知識(shí)還可參考其它專著。

發(fā)電型傳感器12/13/2023255.2.4半導(dǎo)體光電效應(yīng)式傳感器光電導(dǎo)效應(yīng)――光的照射使半導(dǎo)體載流子（電子－空穴）濃度加大，電導(dǎo)率增加，根據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)可以制成光敏電阻。光電導(dǎo)效應(yīng)的特點(diǎn)：a.馳豫現(xiàn)象：光電導(dǎo)值改變滯后于光強(qiáng)的變化。因此其具有低頻響應(yīng)好，高頻響應(yīng)不好的特點(diǎn)。在使用中要注意信號(hào)的變化頻率。b.光譜特性：電導(dǎo)率的增量與光的頻率有關(guān)。不同的半導(dǎo)體元件對(duì)不同波長(zhǎng)的光敏感程度不一樣，因此，在使用時(shí)，應(yīng)選擇最佳頻率的關(guān)源。②光生伏特效應(yīng)：光線照射在半導(dǎo)體的P－n結(jié)上時(shí)，在結(jié)附近激發(fā)出電子空穴對(duì)，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，電子向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，使P區(qū)剩下空穴，從而n區(qū)帶負(fù)電，p區(qū)帶正電，形成光生電動(dòng)勢(shì)。－由此可制成光電池，光敏三極管，二極管等。發(fā)電型傳感器12/13/202326應(yīng)用①函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)：用被測(cè)量改變光照強(qiáng)度，從而使輸出電流與光照成比例，可以測(cè)量水的透明度，位移等。②開(kāi)關(guān)運(yùn)用狀態(tài)：判斷光的有無(wú)，如開(kāi)門，關(guān)門，轉(zhuǎn)速測(cè)量，產(chǎn)品技術(shù)，水壓。發(fā)電型傳感器12/13/202327參量型傳感器5.3參量型傳感器簡(jiǎn)介5.3.1電渦流式傳感器

①電渦流效應(yīng)如圖所示，線圈中通過(guò)交變電流，產(chǎn)生交變磁通；當(dāng)交變磁通通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，交變磁通使導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生閉合電流，稱之為電渦流，電流方向隨磁通方向變化而改變。

通常交變磁通借助于通過(guò)交變電流的線圈來(lái)產(chǎn)生，設(shè)線圈產(chǎn)生的磁通為Φ1，Φ1作用在導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流同樣產(chǎn)生磁通Φ2，且與Φ1方向相反。由于Φ2對(duì)線圈的反作用，導(dǎo)致線圈的阻抗發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，線圈的阻抗與許多參數(shù)有關(guān)。

1.工作原理：12/13/202328參量型傳感器12/13/202329

Z=f（δ，μ，ρ，f以及表面狀況……）

δ-距離，μ-磁導(dǎo)率，ρ-電導(dǎo)率，f-頻率,……

如果這些參數(shù)中有某個(gè)發(fā)生變化，線圈阻抗便會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)線圈的阻抗，便能測(cè)定相應(yīng)的物理量。

②線圈的等效阻抗將產(chǎn)生電渦流的導(dǎo)體看作是一個(gè)封閉回路，根據(jù)等效電路可列出回路方程：

參量型傳感器12/13/202330由上式可看出：原線圈阻抗Z0=R1+jωL1由于電渦流的影響,Z1變成Z1=(R1+kR2)+jω(L1-kL2)式中：kR2:渦流反射電阻，

kL2:反射電感參量型傳感器12/13/202331③諧振回路法測(cè)量原理

諧振法電路就是利用線圈電感與一個(gè)電容器相并聯(lián)，組成一個(gè)并聯(lián)諧振回路，這時(shí)，諧振回路的復(fù)阻抗為：參量型傳感器Z的幅頻特性12/13/202332當(dāng)線圈靠近導(dǎo)體時(shí)，由于渦流反射電感的作用，使線圈的等效電感發(fā)生變化，其變化情況分兩種：a.被測(cè)導(dǎo)體為非導(dǎo)磁體：

參量型傳感器諧振頻率ω0，即輸入電流頻率為ω0時(shí)，諧振回路阻抗值為最大。12/13/202333b.被測(cè)導(dǎo)體為導(dǎo)磁體：δ↓M↑

L↓Z↓δ↓M↑

L↓Rm↓L↑↑Z↓參量型傳感器↑12/13/202334電渦流傳感器在使用時(shí)應(yīng)保證被測(cè)導(dǎo)體的面積要比線圈的面積大，否則靈敏度下降。另外，對(duì)于不同的材料，由于磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率不同，也會(huì)導(dǎo)致靈敏度不同，因此，在使用前應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。電渦流傳感器通常可用來(lái)測(cè)量：①位移、振幅；②轉(zhuǎn)速；③表面裂紋、厚度；④材料分選、表面不平度等，還可以進(jìn)行零件計(jì)數(shù)。2.應(yīng)用3.應(yīng)用特點(diǎn)線圈厚度小，靈敏度高；外徑大，測(cè)量范圍大，但靈敏度低；被測(cè)對(duì)象的材質(zhì)對(duì)靈敏度的影響：電導(dǎo)率高，靈敏度高；磁導(dǎo)率高，靈敏度小，因而必須先進(jìn)行消磁處理。被測(cè)體形狀對(duì)靈敏度的影響：被測(cè)體的表面積應(yīng)大于線圈的表面積。

參量型傳感器12/13/202335參量型傳感器5.3.2電阻式傳感器由物理學(xué)可知，導(dǎo)體電阻具有下列關(guān)系式：

式中R——導(dǎo)體電阻；

——導(dǎo)體電阻率；

L——導(dǎo)體長(zhǎng)度；

A——導(dǎo)體截面積；因此被測(cè)量可以通過(guò)改變L、A、ρ中任一個(gè)或多個(gè)兩來(lái)改變導(dǎo)體的電阻。因此而構(gòu)成的傳感器稱為電阻式傳感器。電阻式傳感器有電位計(jì)式，應(yīng)變電阻式，金屬熱電阻式及半導(dǎo)體敏感電阻式傳感器。本節(jié)中只介紹電位計(jì)式和應(yīng)變電阻式兩種。

12/13/202336電位計(jì)式傳感器通常用電阻絲繞在框架上，改變電阻絲的接入長(zhǎng)度，引起輸出電阻的改變。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠，但精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。且由于磨損與塵埃等，引起接觸電阻變化，引入噪聲。靈敏度：

應(yīng)用：可用來(lái)測(cè)位移及可變成位移的物理量。

參量型傳感器一．電位計(jì)式傳感器1.工作原理：為常數(shù)，因此，具有良好的線性。

12/13/202337參量型傳感器直線式電位計(jì)旋轉(zhuǎn)式電位計(jì)

當(dāng)被測(cè)量x（或θ）發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致電刷移動(dòng)，從而改變電阻體的接入長(zhǎng)度，使輸出端電壓隨之改變。如果電阻體的電阻值沿位移x（或θ）方向呈線形分布，則輸出電壓與位移x（或θ）成正比；如果電阻體的電阻值沿位移x（或θ）方向按某個(gè)非線形函數(shù)關(guān)系變化，則輸出電壓與位移x（或θ）也是某個(gè)非線形函數(shù)關(guān)系。這些函數(shù)關(guān)系由電阻體的骨架預(yù)先給定。也可通過(guò)改變繞線節(jié)距的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的非線形函數(shù)特性。12/13/202338２．結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電位計(jì)式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，輸出功率大，可直接輸入指示儀表，故工程上經(jīng)常用到。但由于其分辨力有限，一般精度不高，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，故不適于測(cè)量快速變化過(guò)程。電位計(jì)式傳感器可直接用來(lái)測(cè)量位移及一切可通過(guò)相應(yīng)的敏感元件轉(zhuǎn)換成位移的非電量，如壓力、加速度等。圖為一種電位計(jì)式壓力傳感器的工作原理。彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔通入被測(cè)流體壓力。在此壓力的作用下，膜盒中心產(chǎn)生位移，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電刷在電阻絲上滑動(dòng)，輸出與被測(cè)壓力成正比的電壓信號(hào)。圖為電位計(jì)式加速度傳感器。慣性質(zhì)量塊在被測(cè)加速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正比與加速度的位移，而電位計(jì)將此位移轉(zhuǎn)換成與加速度成比例的電壓信號(hào)輸出。參量型傳感器12/13/202339二、應(yīng)變片式電阻傳感器1.電阻的應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體的電阻值隨其變形而改變的一種物理現(xiàn)象。由式可知,當(dāng)電阻絲在被測(cè)量的作用下發(fā)生變形時(shí)，其長(zhǎng)度L截面積A電阻率ρ都發(fā)生變化，因此，相應(yīng)的電阻值的變化量為參量型傳感器12/13/2023402．應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型應(yīng)變片主要由四個(gè)部分組成，即敏感柵，引線，基底及覆蓋層，見(jiàn)下圖參量型傳感器1-敏感柵；2-覆蓋層；3-引線；4-基底12/13/202341敏感柵是應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換元件，根據(jù)其材料的不同，可將應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。（１）金屬電阻應(yīng)變片常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式，箔式和薄膜式三種。絲式應(yīng)變片的敏感柵由金屬絲構(gòu)成，見(jiàn)圖所示。這種應(yīng)變片使用最早，制造容易，價(jià)格低廉，目前仍在廣泛使用。參量型傳感器（a）(b)

(c)

金屬絲式應(yīng)變片(a)U型;(b)V型;(c)H型.12/13/202342箔式應(yīng)變片的敏感柵是用金屬箔片經(jīng)光刻腐蝕而成。箔片厚度為0.001～0.01mm。這種應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是敏感柵尺寸精確，線條均勻，大批量生產(chǎn)時(shí)阻值離散度小；可以制成任意形狀以適應(yīng)各種測(cè)量要求；散熱好，允許通過(guò)較大電流；有較好的可撓性，蠕變小，疲勞壽命高。故目前箔式應(yīng)變片使用范圍日益擴(kuò)大，有逐漸取代絲式應(yīng)變片的趨勢(shì)。典型的箔式應(yīng)變片如圖（a）（b）（c）所示.

金屬箔式應(yīng)變片金屬薄膜式應(yīng)變片是近代薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是采用真空蒸發(fā)或真空沉積方法將金屬材料在基底材料（如表面有絕緣層的金屬，絕緣材料或玻璃，石英，云母等無(wú)機(jī)材料）上制成一層敏感電阻膜而構(gòu)成的一種應(yīng)變片。敏感膜的厚度在0.1μm以下。參量型傳感器12/13/202343（２）半導(dǎo)體應(yīng)變片沿一塊半導(dǎo)體材料軸向加載時(shí)，其電阻率回發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。如果將應(yīng)變片的敏感柵改用半導(dǎo)體材料，制成的應(yīng)變片稱為半導(dǎo)體應(yīng)變片。對(duì)于半導(dǎo)體材料，公式仍然適用。因此，也可將半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)寫作

由于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)對(duì)電阻變化率的影響遠(yuǎn)大于幾何形狀變化對(duì)電阻變化率的影響，故其靈敏系數(shù)近似為

半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)高，是金屬電阻應(yīng)變片的幾十倍，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小，體積小。缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差，大應(yīng)變時(shí)非線形較嚴(yán)重，靈敏系數(shù)離散性大。隨著半導(dǎo)體集成電路工藝的迅速發(fā)展，上述缺點(diǎn)相應(yīng)得到了克服。半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型，薄膜型及擴(kuò)散型三種。參量型傳感器12/13/202344體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的敏感元件是一條單晶硅半導(dǎo)體，由單晶硅錠沿特定的晶軸方向切片，并經(jīng)研磨拋光和光刻腐蝕而成。圖為各種體型半導(dǎo)體應(yīng)變片。參量型傳感器12/13/202345薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片（見(jiàn)圖）是用真空蒸發(fā)或沉積的方法，在表面覆有絕緣層的金屬箔片上形成半導(dǎo)體薄膜電阻并加上引線而構(gòu)成的。擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片（見(jiàn)圖）是用固體擴(kuò)散技術(shù)，將p型雜質(zhì)擴(kuò)散到一片n硅片上，形成一層極薄的p型應(yīng)變電阻敏感層，再加上引線而構(gòu)成。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片參量型傳感器12/13/2023463應(yīng)變傳感器及其應(yīng)用應(yīng)變片作為交換元件廣泛用于受力構(gòu)件的應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)量。它還可以測(cè)量一起通過(guò)敏感元件可轉(zhuǎn)換成應(yīng)變的非電量，如力、位移、加速度等。應(yīng)變片在使用時(shí)通常將其接入測(cè)量電橋，以便將電阻的變化量變成電壓輸出．參量型傳感器

構(gòu)件的應(yīng)變測(cè)量為一桿受拉的應(yīng)變測(cè)量示意圖。將應(yīng)變片貼于構(gòu)件被測(cè)點(diǎn)處，并作為測(cè)量電橋的一個(gè)工作臂。還可以在相鄰臂接入一應(yīng)變片進(jìn)行溫度補(bǔ)償，此應(yīng)變片參數(shù)與測(cè)量應(yīng)變片相同，貼在一處與被測(cè)件相同的材料上，并置于與被測(cè)點(diǎn)相同的溫度環(huán)境中。當(dāng)構(gòu)件受力時(shí)，應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡，電橋的輸出電壓與構(gòu)件的應(yīng)變成比例。12/13/202347為應(yīng)變式力傳感器，彈性敏感元件有柱形、梁形和環(huán)形，它們將被測(cè)力變換成應(yīng)變參量。貼在彈性元件上的應(yīng)變片將應(yīng)變參量轉(zhuǎn)換成電阻量的變化。這種力傳感器一般都由四個(gè)應(yīng)變片組成全等臂電橋（見(jiàn)圖），不須外接補(bǔ)償片，電橋輸出電壓的變化反映了被測(cè)力的大小。參量型傳感器12/13/202348圖Ａ為應(yīng)變式位移傳感器的原理圖。位移x使板彈性變形。板上的應(yīng)變片感受板的應(yīng)變并將其轉(zhuǎn)換成電阻的變化量。圖Ｂ為應(yīng)變式加速度傳感器，其本質(zhì)上是一個(gè)慣性力傳感器。當(dāng)外殼與被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊M的慣性力作用在懸臂梁上，梁的應(yīng)變與加速度成正比，貼在梁上的應(yīng)變片將對(duì)應(yīng)的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化量。參量型傳感器Ａ應(yīng)變式位移傳感器Ｂ

應(yīng)變式加速度傳感器12/13/2023495.3.3.電感式傳感器電感式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電感量的變化，按照電感的類型，電感傳感器可分為自感系數(shù)變化型和互感系數(shù)變化型兩大類。本節(jié)介紹的電感傳感器主要是自感傳感器和差動(dòng)變壓器。

一、自感式傳感器一個(gè)帶有鐵芯的線圈，其電感量可以表示為式中——線圈匝數(shù)；——線圈磁通；——電流。代入：——磁路磁阻。

得：參量型傳感器通常，鐵芯的磁阻遠(yuǎn)小于空氣隙的磁阻，故得

—鐵芯和空氣的磁導(dǎo)率及空氣隙的面積和厚度．

12/13/202350（１）工作原理這就是自感式傳感器的工作原理表達(dá)式。根據(jù)，被測(cè)量只要能夠改變空氣隙厚度或面積，就能改變線圈的自感系數(shù)L，從而構(gòu)成各種類型的自感式電感傳感器。

參量型傳感器12/13/202351圖(a)為空氣隙厚度式電感傳感器。由公式可知，L與δ呈雙曲線關(guān)系在小δ的情況下，其靈敏度比較高。為了限制非線形誤差，這種傳感器多用于微小位移測(cè)量。圖(b)為變氣隙截面式電感傳感器。這種傳感器的輸出特性為線性，并且自由行程限制小，示值范圍大。如將銜鐵做成轉(zhuǎn)動(dòng)式，則可以用來(lái)測(cè)量角位移圖(c)為螺管式電感傳感器。即在螺管線圈中插入一個(gè)可移動(dòng)的鐵芯而構(gòu)成。鐵芯移動(dòng)時(shí)，磁路磁阻發(fā)生變化，使線圈自感發(fā)生變化。這種傳感器的靈敏度比較低，但由于螺管可以做的很長(zhǎng)，故宜于測(cè)量較大的位移量。參量型傳感器12/13/2023522.差動(dòng)式電感傳感器差動(dòng)式電感傳感器是由兩個(gè)完全相同的傳感器線圈共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵而構(gòu)成的。這樣可以消除電磁力、溫度和電氣等共模干擾，提高傳感器的靈敏度，改善非線形，減小測(cè)量誤差。差動(dòng)變氣隙式比單邊變氣隙式的靈敏度提高約一倍，其輸出線形度也改善許多。參量型傳感器12/13/202353變氣隙截面式和螺管式電感傳感器也可構(gòu)成差動(dòng)式。圖（a）為變面積式差動(dòng)電感傳感器原理圖，圖（b）為螺管式差動(dòng)電感傳感器原理圖。參量型傳感器差動(dòng)變氣隙截面和差動(dòng)螺管式電感傳感器（a）差動(dòng)變氣隙截面式；（b）螺管式。12/13/202354二、變壓器式（即互感式）電感傳感器變壓器式電感傳感器是將被測(cè)量的變化變換成線圈的互感變化，其本身如同一個(gè)變壓器，但因互感系數(shù)隨被測(cè)量的變化而變化，所以當(dāng)初級(jí)線圈接入電源后，次級(jí)線圈便輸出一個(gè)隨被測(cè)量的變化而變化的電壓。這種傳感器常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式，故稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器。參量型傳感器12/13/202355三．電感傳感器及其應(yīng)用

電感傳感器的基本測(cè)量量是位移量，也可測(cè)量那些能夠轉(zhuǎn)換成位移的變化的參數(shù)，如力、加速度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩等。圖Ａ為電感傳感器測(cè)量軸的圓跳動(dòng)量的實(shí)例。圖中傳遞支架將軸的圓跳動(dòng)量傳遞到電感傳感器的測(cè)量桿上。圖Ｂ為一種測(cè)量角位移的旋轉(zhuǎn)式差動(dòng)變壓器示意圖。鐵芯做成旋轉(zhuǎn)式的，當(dāng)鐵芯旋轉(zhuǎn)不同的角度時(shí)，初級(jí)線圈與兩次級(jí)線圈的耦合情況不同，輸出電壓的變化與角位移相對(duì)應(yīng)?？蓽y(cè)的角位移線形范圍為±40°。參量型傳感器Ａ軸的圓跳動(dòng)量測(cè)量圖 Ｂ

旋轉(zhuǎn)式差動(dòng)變壓器12/13/202356下圖是電感式測(cè)力傳感器。圖中（A）的彈性元件為兩個(gè)圓片狀彈簧，它將被測(cè)力變換成差動(dòng)變壓器鐵芯的位移。圖中（B）的彈性元件做成圓環(huán)，它將被測(cè)力變成鐵芯的位移。參量型傳感器

(A)(B)

電感式測(cè)力傳感器

12/13/202357下圖是差動(dòng)變壓器式加速度計(jì)。銜鐵為固定在彈簧片上的質(zhì)量塊，外殼可固定在振動(dòng)物體上，隨振動(dòng)物體一起振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于質(zhì)量-彈簧系數(shù)的自振頻率時(shí)，質(zhì)量塊可視為靜止不動(dòng)。這時(shí)，隨著殼體的振動(dòng)，質(zhì)量塊兩側(cè)的氣隙發(fā)生變化，導(dǎo)致次級(jí)線圈輸出與加速度成正比例的電壓信號(hào)。參量型傳感器12/13/202358５.３.４電容式傳感器

參量型傳感器電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化的一種傳感器。實(shí)際上，它就是一個(gè)可變參變量的電容器。對(duì)于平板電容器，在不考慮邊界效應(yīng)時(shí)，它的電容量為

式中：

——極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；

——相對(duì)介電常數(shù)；——真空的介電常數(shù)；——兩平行板的覆蓋面積；

——兩平行極板間的距離。這就是電容傳感器的基本關(guān)系式。當(dāng)被測(cè)量使公式中的任一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，都能使電容量改變。因此，電容傳感器有三種類型，即變極距（δ）型，變面積（A）型和變介電常數(shù)（ε）型。12/13/202359一、極距型電容傳感器下圖是變極距型電容傳感器的原理結(jié)構(gòu)及輸出特性曲線?？汕蟪鲞@種傳感器的靈敏度。公式表明，靈敏度與極距成反比，所以輸出特性非線性嚴(yán)重，為了減小非線性度，通常規(guī)定這種傳感器在小范圍內(nèi)工作時(shí)，以獲得近似線性關(guān)系。同時(shí)為了獲得較高的靈敏度，原始極距往往取得很小，使其用于小位移測(cè)量時(shí)有較高的靈敏度

參量型傳感器12/13/202360二、變面積型電容傳感器下圖為各種類型的變面積型電容傳感器。與變極距型相比，其測(cè)量范圍大，可以測(cè)量較大的線位移和角位移。圖中給出了單邊，差動(dòng)及齒形極板等多種形式。差動(dòng)結(jié)構(gòu)比單邊結(jié)構(gòu)的靈敏度提高約一倍。齒形極板結(jié)構(gòu)由于受齒的大小的限制，只能測(cè)較小的位移。平板單邊線位移式、單邊圓柱型線位移式、角位移式、齒形極板式。參量型傳感器12/13/202361三、變介電常數(shù)型電容傳感器這種電容變換元件結(jié)構(gòu)形式也有許多種，它們大多用來(lái)測(cè)量材料的厚度、液體的液面、容量及溫度、濕度等能導(dǎo)致極板間介電常數(shù)變化的物理量。圖（a）為極間介電質(zhì)的厚度變化導(dǎo)致極間介電常數(shù)改變，可以用來(lái)測(cè)量紙張等固體電介質(zhì)厚度；（b），（c）所示為固體或液體電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度和高度變化而導(dǎo)致極間介電常數(shù)的改變，可以用來(lái)測(cè)量位移、液位、液量；（d）為極間介質(zhì)本身的介電常數(shù)在溫度、濕度或容量改變時(shí)發(fā)生變化，可以用于測(cè)量溫度、濕度或容量。（a）(b)(c)(d)參量型傳感器12/13/202362四、電容傳感器及其應(yīng)用由電容式傳感器的原理可知，除變介電常數(shù)電容式傳感器外，其基本測(cè)量是線位移或角位移，因此，電容變換元件多用來(lái)構(gòu)成位移傳感器及振動(dòng)計(jì)等，由于電容式傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，故特別適合于測(cè)量高頻振動(dòng)下的微小位移。用于測(cè)量金屬導(dǎo)體表面位移的電容式傳感器往往只含一個(gè)電極，而把被測(cè)對(duì)象作為另一個(gè)電極使用。下圖（a）即為一種單電極的電容式傳感器，這種位移傳感器的幾中應(yīng)用情況見(jiàn)圖(b)所示是振動(dòng)體的振動(dòng)測(cè)量，圖中（c）是轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)量，利用垂直安放的兩個(gè)電容式位移傳感器，可測(cè)出軸心的動(dòng)態(tài)偏擺情況。

(a)(b)(c)參量型傳感器12/13/202363利用電容變換元件還可構(gòu)成壓力、壓差、加速度、荷重、液壓、料位等多種傳感器。圖(a)是一種壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。電容壓力傳感器一般都有兩個(gè)極板，其中一個(gè)極板為彈性元件，將被測(cè)壓力變換為極板的位移。圖(b)是一種電容式壓差傳感器。電容極板構(gòu)成差動(dòng)形式，由膜片和兩個(gè)鍍金的玻璃圓盤組成。當(dāng)兩個(gè)腔的壓差增加時(shí)，膜片彎向低壓的一邊，從而改變了每個(gè)玻璃圓盤與中間膜片之間的電容，是其中一個(gè)電容增加，另一個(gè)電容減小。將這兩個(gè)電容接入圖中測(cè)量電橋的相鄰臂，電橋輸出電壓的大小便反映了壓差的大小。并且在膜片左移或右移時(shí)，輸出電壓的相位相反，從而可以辨別壓差的正負(fù)

(a)(b)參量型傳感器12/13/2023645.3.5半導(dǎo)體磁電效應(yīng)傳感器參量型傳感器１、原理：如下圖所示，厚度t為的n型半導(dǎo)體，a,b兩端通以電流,當(dāng)在與半導(dǎo)體垂直的方向上加以磁感應(yīng)強(qiáng)度為的磁場(chǎng)時(shí)，在半導(dǎo)體的c,d兩端將出現(xiàn)霍爾電勢(shì),這是由于載流子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到洛倫茲力作用的緣故。此力與載流子運(yùn)動(dòng)方向垂直，在它的作用下，載流子向一測(cè)偏轉(zhuǎn)，從而在半導(dǎo)體的橫向形成霍爾電勢(shì)，，12/13/202365２、磁場(chǎng)效應(yīng)傳感器極其應(yīng)用霍爾元件，磁敏電阻及磁敏二極管都可以直接用于磁場(chǎng)測(cè)量。這類元件都具有在靜止?fàn)顟B(tài)下感受磁場(chǎng)的能力，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率響應(yīng)寬、壽命長(zhǎng)、可靠性高。利用霍爾元件或磁阻元件的磁電特性，還可以構(gòu)成各種壓力、轉(zhuǎn)速、加速度等傳感器。磁阻效應(yīng)位移傳感器將磁阻元件置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它相對(duì)于磁場(chǎng)發(fā)生位移時(shí)，元件內(nèi)阻發(fā)生變化。如果將其接入電橋，則電橋的輸出電壓與電阻的變化成一定的比例關(guān)系。參量型傳感器12/13/2023665.3.6光纖式傳感器

1．原理：光纖位移傳感器光纜的后部被分為兩支，一支用于光發(fā)射，一支用于光接收。光纜的前部為探頭，如圖所示。當(dāng)光纖探頭緊貼被測(cè)件時(shí)，發(fā)射光纖的光不能反射到接收光纖中去，因而就不能產(chǎn)生光電流信號(hào)。當(dāng)被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí)，發(fā)射光纖照亮被測(cè)表面的面積A越來(lái)越大，因而相應(yīng)的接收光錐和發(fā)射光錐重合面積Ｂ1越來(lái)越大，使接收光纖端面上被照亮的B2區(qū)也越來(lái)越大，光電元件便接收到一個(gè)線性增長(zhǎng)的信號(hào)。參量型傳感器12/13/2023672.應(yīng)用：光纖式傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并具有與光纖傳輸線路的相容性。因此光纖式傳感器的研制與應(yīng)用受到廣大的重視。光纖式傳感器可以用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、溫度、聲稱、場(chǎng)、流量、濃度、pH值等幾十種物理量的測(cè)量，具有十分廣闊的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景．12/13/202368

5.3.7固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖象傳感器是高度集成的半導(dǎo)體光敏傳感器,以電荷轉(zhuǎn)移為核心,包括光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)存儲(chǔ)和傳輸、處理的集成光敏傳感器，具有體積小，重量輕，功耗小，成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以探測(cè)可見(jiàn)光，紫外光、射線、紅外光、微光和電子轟擊等，廣泛用于圖象識(shí)別和傳送。固態(tài)圖象傳感器按其結(jié)構(gòu)可以分為三大類：一種是電荷藕荷器件（Charge-coupledDevices簡(jiǎn)稱CCD），第二種是MOS型圖象傳感器，又稱自掃描光電二極管陣列（SelfScannedPhotodiodeArray簡(jiǎn)稱SSPA），第三種是電荷注入器件（ChargeInjectionDevice簡(jiǎn)稱CID）。目前前兩者用的最多。CCD型圖象傳感器噪聲低，在很暗的環(huán)境條件下性能仍舊良好；MOS型圖象傳感器質(zhì)量很高，可用低壓電源驅(qū)動(dòng)，并且外圍電路簡(jiǎn)單。參量型傳感器12/13/202369一、電荷藕荷器件(CCD)CCD是一種以電荷包的形式存儲(chǔ)和傳遞信息的半導(dǎo)體表面器件，是在MOS結(jié)構(gòu)電荷存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以有人將其稱為“排列起來(lái)的MOS電容陣列”。一個(gè)MOS電容器是一個(gè)光敏元，可以感應(yīng)一個(gè)象素點(diǎn)，則一個(gè)圖象有512×320個(gè)象素點(diǎn)，就需要同樣多個(gè)光敏元，即傳遞一幅圖象需要許多MOS元大規(guī)模集成的器件。參量型傳感器12/13/202370二、MOS線型固態(tài)圖象傳感器下圖給出MOS單通道線型固態(tài)圖象傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。由感光區(qū)和傳輸區(qū)兩部分組成，感光區(qū)由一列光敏單元組成，傳輸區(qū)由轉(zhuǎn)移柵及一列移位寄存器組成。光照產(chǎn)生的信號(hào)電荷存儲(chǔ)于感光區(qū)的光敏二極管種，接通轉(zhuǎn)移柵后，信號(hào)電荷流入傳輸區(qū)。傳輸區(qū)是遮光的，以防因光生噪聲電荷干擾導(dǎo)致的圖象模糊。參量型傳感器12/13/202371三、CCD器件的應(yīng)用

CCD在汽車前照燈測(cè)試中的應(yīng)用整個(gè)系統(tǒng)由工業(yè)用CCD攝象機(jī)、圖象處理卡、監(jiān)視器及計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖（a）所示。

CCD傳感器在光電精密測(cè)徑系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖（b），光電精密測(cè)徑系統(tǒng)采用新型的光電器件——CCD傳感器檢測(cè)技術(shù)，可以對(duì)工件進(jìn)行高精度的自動(dòng)檢測(cè)，可以數(shù)字顯示測(cè)量結(jié)果和對(duì)不合格工件進(jìn)行自動(dòng)篩選。其測(cè)量精度可達(dá)±0.003㎜。

(a)(b)參量型傳感器12/13/2023725.3.8二極管和氣體傳感器

一、金屬/半導(dǎo)體記型二極管傳感器將金屬與半導(dǎo)體結(jié)合做成整流二極管，其整流作用來(lái)源于金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的差異，隨著功函數(shù)因吸附氣體而變化，其整流作用也隨之發(fā)生變化。目前常用的這種傳感器有參量型傳感器12/13/202373二、CO氣敏元件MOSFET型氣敏元件的柵極不僅可以用Pd，Pt等金屬材料，也可以用半導(dǎo)體材料（如）。柵極材料的氣敏元件（）是一種新型的氣敏元件，它不僅對(duì)一氧化碳有較好的響應(yīng)特性，而且在高濃度的氫或一氧化碳環(huán)境中的使用壽命也較長(zhǎng)。在氣敏元件的制作中，為了提高其在低溫下的靈敏度，常常在表面濺射一層10～50的Pd層，然后再進(jìn)行一次退火處理。其柵極的是在含有氧的氬氣（氧：氬=3：7）氣氛中濺射生成的。氣敏元件對(duì)一氧化碳的響應(yīng)特性，如圖所示。參量型傳感器12/13/2023745.3.9超聲波傳感器

1、原理以超聲波作為檢測(cè)手段，必須有能產(chǎn)生超聲波和接收超聲波功能的裝置，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭（超聲波傳感器）。超聲波探頭有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。在檢測(cè)技術(shù)中最常用的是壓電式。參量型傳感器壓電片；2—保護(hù)膜；3—吸收塊；4—接線；5—導(dǎo)線螺桿；6—絕緣柱；7—接觸座；8—接線片；9—壓電片座。12/13/202375２、超聲波檢測(cè)傳感器技