傳感器原理及應(yīng)用-第1章

二、傳感器的概念與定義

1．傳感器的概念

傳感器是一種能把特定被測(cè)量的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)并輸出的器件或裝置，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。

2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）傳感器的組成：轉(zhuǎn)換電路物理信息化學(xué)信息生物信息電信號(hào)敏感元件傳感器傳感器是指這樣一類元件：它能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）（1）敏感元件直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。二、彈性敏感元件2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）三、彈性敏感元件彈性敏感元件是一種在力的作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)力消失后能恢復(fù)成原來(lái)狀態(tài)的元件，是電阻式傳感器的敏感元件。它通過(guò)與被測(cè)物件接觸，能直接感受到被測(cè)的量的變化。因而在傳感器中占有非常重要的地位，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響應(yīng)變式電阻傳感器的性能和測(cè)量精度，電阻應(yīng)變片貼在彈性敏感元件上使用。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）應(yīng)變式力傳感器

應(yīng)變式力傳感器

FFFF2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）各種懸臂梁

2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）1．電阻應(yīng)變片的工作原理（1）金屬電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是利用金屬絲的“應(yīng)變效應(yīng)”。金屬導(dǎo)體在外力的作用下發(fā)生機(jī)械變形，其電阻值隨著機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的變化而發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的應(yīng)變效應(yīng)。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

金屬絲受拉時(shí)，l變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)致R變大。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）2．半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理

（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理半導(dǎo)體應(yīng)變片主要是利用硅半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的。如果半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到應(yīng)力作用，半導(dǎo)體中的載流子遷移率便會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻率發(fā)生變化。這種由外力引起半導(dǎo)體材料電阻率變化的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）荷重傳感器原理演示荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。

2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）單臂電橋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。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）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。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）四臂全橋靈敏度最高

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。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）3．加速度傳感器

加速度傳感器的外形圖

加速度傳感器工作原理示意圖2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）2、電容式傳感器的三種類型：變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型。測(cè)量物體的振動(dòng)量?1、基本工作原理電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)3、電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器，它實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。在非電量測(cè)量和自動(dòng)檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，可測(cè)量壓力、位移、轉(zhuǎn)速、加速度、A度、厚度、液位、濕度、振動(dòng)、成分含量等參數(shù)。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）投入式水位計(jì)（改變電容）2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

自動(dòng)水龍頭干手機(jī)？2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）電磁感應(yīng)

被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測(cè)量電路U、I、f第4章電感式傳感器電感式傳感器的定義一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。對(duì)金屬物體很敏感比如：金屬物體接近開(kāi)關(guān)。將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)輸出

2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）三、螺管型自感傳感器結(jié)構(gòu)2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）rx螺旋管鐵心單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖l（二）

螺管型自感傳感器有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）在實(shí)際工作中常采用由兩個(gè)電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同的電感線圈共用一個(gè)銜鐵構(gòu)成的差動(dòng)自感式電感傳感器。差動(dòng)自感式電感傳感器的靈敏度約為非差動(dòng)式的兩倍，而且線性度較好，靈敏度較高；對(duì)外界的影響，如溫度變化、電源頻率變化等也基本上可以互相抵消；銜鐵承受的電磁吸引力也較小，從而減小了測(cè)量誤差，因此常被用于電感測(cè)微儀上。差動(dòng)自感式電感傳感器如圖4-5所示。四、差動(dòng)式自感傳感器特點(diǎn)2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

差動(dòng)自感式電感傳感器2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）應(yīng)用

2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

電感式傳感器測(cè)量的基本量是位移，一般用于接觸測(cè)量，也可用于振動(dòng)、壓力、荷重、流量、液位等參數(shù)的測(cè)量。（1）電感式圓度儀電感式圓度儀測(cè)量零件的圓度、波紋度、同心度、同軸度、平面度、平行度、垂直度、偏心、軸向跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)，并能進(jìn)行諧波分析、波高波寬分析，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、機(jī)床、軸承、油泵油嘴等行業(yè)工廠的車間和計(jì)量部門(mén)。自感式電感傳感器的應(yīng)用2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）電感式滾柱直徑分選裝置測(cè)微儀圓柱滾子2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）電感式滾柱直徑分選裝置（外形）

滑道分選倉(cāng)位軸承滾子外形（參考中原量?jī)x股份有限公司資料）2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

電渦流式傳感器2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）一、電渦流式傳感器基本原理渦流式傳感器的基本原理：利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的電渦流效應(yīng)。電渦流：若一金屬板置于一只線圈的附近，當(dāng)線圈輸入一交變電流

時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量，金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱之為電渦流或渦流。若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量另一個(gè)參數(shù)。

電渦流式傳感器

用于非接觸測(cè)量激勵(lì)線圈金屬導(dǎo)體2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）電渦流效應(yīng)演示

當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離x減小時(shí)，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大。感抗XL的變化比R的變化大得多，流過(guò)電渦流線圈的電流i1增大。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）電渦流傳感器測(cè)量系統(tǒng)：電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）壓電式傳感器壓電式傳感器是基于某些壓電材料的壓電效應(yīng)。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）注意：壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量而不能用于靜態(tài)測(cè)量。由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測(cè)量回路一定的電流，故適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）正壓電效應(yīng)一些晶體結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；而當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受作用力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)如果給晶體施加以交變電場(chǎng)，晶體本身則產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，又稱電致伸縮效應(yīng)。壓電效應(yīng)具有可逆性。第二節(jié)壓電效應(yīng)及壓電材料一、壓電效應(yīng)2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）石英晶體的壓電效應(yīng)演示

當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。壓電式傳感器本身內(nèi)阻抗很高，輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。

三、壓電式傳感器測(cè)量電路

前置放大器的形式：一般有兩種電路，一種是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。高阻抗輸入的前置放大器是測(cè)量電路的關(guān)鍵。電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）制作傳感器常用的敏感元件在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體（例如砷化銦）薄片上，制作4個(gè)電極，就成了一個(gè)霍爾元件。怎樣產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)

？4、霍爾元件CDFBEIUH霍爾元件工作原理圖二、霍爾傳感器霍爾效應(yīng)演示當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cdab2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

熱電偶的工作原理

左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作原理演示結(jié)論：

當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。一、熱電效應(yīng)

2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）熱電效應(yīng)的定義：將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶的工作原理

一、熱電效應(yīng)

2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

金屬熱電阻

溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢(shì)相同。

按采用的電阻的材料可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，前者通常稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）一、熱阻效應(yīng)及其溫度特性

1．熱阻效應(yīng)

定義：物體的電阻率隨溫度變化而變化這一物理現(xiàn)象。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）熱敏電阻

熱敏電阻是一種半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，其特點(diǎn)是電阻隨溫度變化而顯著變化，利用電阻值隨溫度變化而變化的物理特性為基本工作原理。多采用電橋電路來(lái)檢測(cè)其阻值的變化。

熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、較穩(wěn)定、制作簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。1.熱敏電阻——半導(dǎo)體電阻2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

熱敏電阻分類

熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）之分。

NTC又可分為兩大類：第一類用于測(cè)量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系；第二類為突變型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

光電傳感器的物理效應(yīng)因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）一、光電效應(yīng)基本概念§.2光電效應(yīng)金屬金屬氧化物半導(dǎo)體光照

電子光電效應(yīng)是光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理。外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)光照半導(dǎo)體電子在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)外光電效應(yīng)金屬金屬氧化物光照電子逸出物體表面2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）外光電效應(yīng)：物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。二、外光電效應(yīng)§.2光電效應(yīng)2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。三、內(nèi)光電效應(yīng)§.2光電效應(yīng)

四、光生伏特效應(yīng)在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管，其中光敏三極管靈敏度最高。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）光敏三極管與光敏二極管相比，靈敏度2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）一、氣敏傳感器的組成氣敏傳感器是一種檢測(cè)特定氣體的傳感器，能將檢測(cè)到的氣體（特別是可燃?xì)怏w）成分、濃度等變化轉(zhuǎn)化為電阻（電壓、電流）的變化

圖9-2氣敏傳感器的組成2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為：半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。目前半導(dǎo)體氣敏傳感器實(shí)際使用最多。半導(dǎo)體氣敏傳感器:利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來(lái)檢測(cè)氣體。在常溫下，傳感器的電導(dǎo)率變化不大，達(dá)不到檢測(cè)目的，因此在器件中配上加熱絲，使氣敏傳感器工作在高溫狀態(tài)（200~450℃），加速被測(cè)氣體的吸附和氧化還原反應(yīng)，以提高靈敏度和響應(yīng)速度；同時(shí)，通過(guò)加熱還可以燒去附著在殼面上的油霧和塵埃（起清潔作用）?！?1氣敏傳感器2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

2．酒精測(cè)試儀

酒精測(cè)試儀2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）3．礦燈瓦斯報(bào)警器

礦燈瓦斯報(bào)警器2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）汽車尾氣分析2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

濕敏電阻傳感器

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。濕敏電阻是一種

隨環(huán)境濕度的變化而電阻值跟隨變化。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）§.2濕敏傳感器測(cè)量濕度時(shí)，濕敏傳感器所加測(cè)試電壓不能為直流電壓，需用交流電壓。因?yàn)榧又绷麟妷阂鸶袧耋w內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降。。電壓特性2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）

常用濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)

該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無(wú)關(guān),相當(dāng)于一種開(kāi)口毛細(xì)管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,還有TiO2相等,感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)圖護(hù)圈電極感濕陶瓷氧化釕電極加熱器基板電極引線2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的電容量隨濕度而變化利用LC諧振電路來(lái)檢測(cè)。兩平行極板組成的電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為式中，ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。當(dāng)被測(cè)量的變化使式中的A、d、ε三個(gè)參量中任一參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量C也就隨之變化。高分子薄膜上部電極下部電極2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）二、

超聲波物理基礎(chǔ)

頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場(chǎng)指向性就愈好。2014傳感技術(shù)與應(yīng)用（劉次武）2．超聲波傳感器的工作原理（1）超聲波聲波是一種機(jī)械波。當(dāng)發(fā)聲體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)時(shí)，周圍彈性介質(zhì)