3-1;3-2-1電參量型-電阻式

常用傳感器

傳感器定義、組成及分類

電參量型傳感器電量型傳感器

光電式傳感器

光纖傳感器數(shù)字式傳感器2024/9/221傳感器的定義及組成傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。它是一種輸入量是被測量的特殊的測量變換器(“測量變換器”是指能將一種信號按照某種規(guī)律變換成另外一種信號輸出的器件或裝置）。在此討論僅限于輸出為電量或電參量的傳感器。傳感器定義、組成及分類2024/9/222傳感器的定義及組成傳感器的組成 ——敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路傳感器定義、組成及分類敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路直接感受（接觸）被測量，并輸出一個隨被測量成確定關(guān)系變化的某一物理量（位移量、形變量等）●被測量→物理量●物理量→電路參量將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成隨之變化的電路參量（電感、電容、電阻等）●電路參量→電量此電路產(chǎn)生一個隨電路參量變化的電量（電壓、電流等）輸出非電物理量被測量電路參數(shù)或電量電量p差動變壓器式傳感器鐵芯膜盒

轉(zhuǎn)換電路輸出2024/9/223傳感器的分類按工作機理：物理型、化學(xué)型、生物型。按構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型、物性型。傳感器定義、組成及分類物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換。例如：水銀溫度計、半導(dǎo)體應(yīng)變片、壓電傳感器，以及各種半導(dǎo)體傳感器等。結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變。例如：金屬應(yīng)變片、電容式和電感式傳感器等。2024/9/224傳感器的分類按能量轉(zhuǎn)換：能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型。傳感器定義、組成及分類能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測對象輸入能量使其工作，又稱為自源型。例如:壓電式傳感器、熱電偶溫度計、光電池等。能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化，又稱為外源型

。例如:電阻應(yīng)變片、電容傳感器等。2024/9/225傳感器的分類按工作原理：機械式、電氣式、光學(xué)式、流體式等。按輸出信號：電參量型、電量型。電參量型：傳感器輸出信號是電路參數(shù)，包括電阻、電容和電感(自感)，如電阻應(yīng)變計、壓阻傳感器、光敏電阻、電容式傳感器、自感式傳感器和反射式電渦流傳感器等。電參量型傳感器由于需要外部激勵電源，故都屬于能量控制型傳感器。

傳感器定義、組成及分類2024/9/226傳感器的分類按輸出信號：電參量型、電量型。電量型：傳感器輸出是電荷、電流或電壓等電量，常見的電壓輸出型有磁電傳感器、壓磁式傳感器、霍爾傳感器、熱電偶和光電池，還有差動變壓器式傳感器和透射式電渦流傳感器等。有些電量型傳感器不需外界電源，是典型的能量轉(zhuǎn)換型傳感器，如熱電偶、光電池和壓電傳感器。有些電量型傳感器需要外接輔助電源或磁源(帶激勵源型，又稱為輔助能源型)，如磁電式傳感器、差動變壓器式傳感器、透射式電渦流傳感器、壓磁傳感器、霍爾傳感器等。

傳感器定義、組成及分類2024/9/227傳感器的分類按被測量：位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等等。按輸出信號：模擬傳感器、數(shù)字傳感器。按傳感器轉(zhuǎn)換過程可逆與否：可逆?zhèn)鞲衅骱筒豢赡鎮(zhèn)鞲衅鳌?/p>

按傳感器有反饋回路與否：開環(huán)傳感器、閉環(huán)傳感器。傳感器定義、組成及分類2024/9/228對傳感器的基本性能要求基本性能要求：穩(wěn)定、準確、快速。即：足夠的容量。良好的動靜態(tài)測量特性。精度適當，工作穩(wěn)定、可靠。適用性和適應(yīng)性強。使用經(jīng)濟。

傳感器定義、組成及分類2024/9/229電參量型傳感器是輸出為電路參數(shù)，即電阻、電容和電感(自感)的傳感器的總稱，即將被測物理量變化轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的變化，再配以適當?shù)霓D(zhuǎn)換電路，將輸出的電參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏枯敵觥?/p>

電參量型傳感器都屬于能量控制型傳感器。下面將介紹幾種典型的電參量型傳感器，包括電阻輸出型、電容輸出型、電感輸出型三類電參量型傳感器。電參量型傳感器2024/9/2210電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器電參量型傳感器測量電路電參量型傳感器2024/9/2211被測量變化能引起傳感器輸出電阻值變化的傳感器統(tǒng)稱為電阻輸出型傳感器，簡稱電阻式傳感器。電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器熱電阻傳感器電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器2024/9/2212電阻應(yīng)變片(ResistanceStrainSensor)是應(yīng)變測量的關(guān)鍵元件，電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變電阻效應(yīng)。根據(jù)制作材料不同，電阻應(yīng)變片通常分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。(1)應(yīng)變電阻效應(yīng)電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變電阻效應(yīng)即在導(dǎo)體發(fā)生機械變形時，導(dǎo)體電阻值相應(yīng)發(fā)生變化的效應(yīng)。

2024/9/2213(1)應(yīng)變電阻效應(yīng)電阻應(yīng)變式傳感器材料不同，電阻變化的主要來源不同。因此，電阻應(yīng)變片通常分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片兩大類。2024/9/22141)金屬應(yīng)變片的應(yīng)變電阻效應(yīng)電阻應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變片的電阻變化主要由其結(jié)構(gòu)尺寸變化所致，故金屬應(yīng)變片屬于結(jié)構(gòu)型傳感器。

2024/9/22152)半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變電阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)：指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象

。電阻應(yīng)變式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理：半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的物理效應(yīng)——壓阻效應(yīng)工作的，因此半導(dǎo)體應(yīng)變片屬于物性型傳感器。

2024/9/2216電阻應(yīng)變片工作原理總結(jié)：電阻應(yīng)變片工作原理基于應(yīng)變電阻效應(yīng)，感受靈敏柵軸向線應(yīng)變，輸出電阻應(yīng)變，即：電阻應(yīng)變式傳感器金屬材料：K0=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)前部分為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致;后部分為電阻率隨應(yīng)變而變的部分。金屬應(yīng)變片的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主，屬于結(jié)構(gòu)型傳感器。半導(dǎo)體材料：K0=KS=(1+2μ)+πE前部分同樣為尺寸變化所致；后部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致。半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)，屬于物性型傳感器。2024/9/2217(2)電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型

應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)利用導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可以制成測量試件表面應(yīng)變的敏感元件，即：電阻應(yīng)變計（片），簡稱應(yīng)變計（片）

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。電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)型式及其組成敏感柵、基底、引線、蓋層、粘結(jié)劑。2024/9/2218(3)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用

電阻應(yīng)變式傳感器有以下兩種應(yīng)用方式：直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)力。

將應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，作為力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。

電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用特性：屬于接觸式測量。電阻應(yīng)變計測量時必須粘貼在試件或彈性元件上才能工作，因此粘貼劑和粘貼技術(shù)對測量結(jié)果有著直接影響。一般適用于中、低頻率范圍。溫度的變化會引起電阻值的變化，從而需要采取溫度補償措施。2024/9/2219熱電阻傳感器熱電傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進行檢測的裝置。熱電阻傳感器是熱電傳感器的一種。能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的熱電傳感器稱為熱電阻傳感器；。將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的熱電傳感器稱為熱電偶傳感器。（將在電量型傳感器中介紹）

熱電阻傳感器根據(jù)材料不同可分為金屬熱電阻式（簡稱熱電阻）和半導(dǎo)體熱電阻式（簡稱熱敏電阻）兩大類。2024/9/2220熱電阻傳感器(1)

金屬熱電阻傳感器大多數(shù)的金屬導(dǎo)體的電阻率隨著溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)，這就是熱電阻測溫的基礎(chǔ)。目前應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅，并且已做成標準測溫熱電阻。鉑熱電阻及其特性鉑電阻溫度計的使用范圍是-200℃～850℃：

2024/9/2221熱電阻傳感器鉑熱電阻及其特性鉑電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。鉑在氧化、高溫環(huán)境下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。鉑電阻主要作為標準電阻溫度計使用，也常被用在工業(yè)測量中。此外，鉑電阻還被廣泛地應(yīng)用于溫度的基準、標準的傳遞。價格昂貴。

銅熱電阻及其特性-200℃～0℃溫度范圍內(nèi)，銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為：銅容易提純，價格便宜，在-50℃~150℃范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出-輸入特性接近線性關(guān)系。不足之處是測量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。2024/9/2222熱電阻傳感器(2)

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器半導(dǎo)體熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件。

熱敏電阻按電阻值隨溫度變化的特性可分為三種類型：正溫度系數(shù)(PTC)04080120160200100102104106溫度/℃電阻/Ω負溫度系數(shù)(NTC)正溫度系數(shù)(PTC)臨界溫度系數(shù)(CTR)負溫度系數(shù)(NTC)臨界溫度系數(shù)(CTR)PTC型主要用于過熱保護，定溫控制，或作限流元件使用。NTC型具有很高的負溫度系數(shù)和較大的溫度敏感范圍，既可用作溫度測量，也可作溫控器件。CTR型熱敏電阻具有開關(guān)特性，因而主要用作溫控開關(guān)。在溫度測量中，主要采用NTC和PTC型熱敏電阻，其中NTC型熱敏電阻應(yīng)用最普遍。

熱敏電阻與金屬熱電阻比較的特點：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為熱電阻的10倍；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量點溫度；電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；電阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系，需進行線性化處理；穩(wěn)定性與互換性差。2024/9/2223電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器利用半導(dǎo)體材料的各種物理效應(yīng)可以把一些物理量、化學(xué)量和生物量的變化轉(zhuǎn)換為便于處理的電信號，從而制成各種半導(dǎo)體式傳感器。半導(dǎo)體傳感器都是物性型傳感器。下面介紹幾種典型的電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器：擴散硅壓阻式傳感器磁敏電阻電阻型氣敏器件濕敏電阻2024/9/2224電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器擴散硅壓阻式傳感器利用半導(dǎo)體工藝中的擴散技術(shù)，將敏感元件（半導(dǎo)體應(yīng)變片）和應(yīng)變材料（基底）合二為一，制成擴散型壓阻式傳感器。這類傳感器的應(yīng)變電阻與基底是同一塊材料，通常是半導(dǎo)體硅，因此統(tǒng)稱為擴散硅壓阻式傳感器。擴散硅壓阻式傳感器的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。2024/9/2225電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器擴散硅壓阻式傳感器擴散硅壓阻式傳感器是典型的物性型傳感器。壓阻式傳感器與半導(dǎo)體應(yīng)變片的異同點：相同點：都是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，都屬于物性型傳感器。不同點：安裝方式不同：半導(dǎo)體應(yīng)變片通過粘貼的方式將靈敏柵貼于被測試件（彈性體），因此其高頻特性較差，不適于高頻的動態(tài)檢測；壓阻傳感器是通過擴散技術(shù)將靈敏柵和彈性體融為一體。這種傳感器靈敏度、分辨力高，因無需膠接，因此其動態(tài)性能較半導(dǎo)體應(yīng)變片大大改善，可用于加速度和振動檢測。應(yīng)用：用于靜、動態(tài)壓力測量，或可以轉(zhuǎn)化為壓力監(jiān)測的其他物理量的測量。2024/9/2226電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器磁敏電阻磁敏電阻是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。

磁阻效應(yīng)：將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，其電阻值隨磁場而變化的現(xiàn)象稱為“磁敏電阻效應(yīng)”，簡稱“磁阻效應(yīng)”。

2024/9/2227電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器磁敏電阻磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)、幾何形狀有關(guān)。若考慮形狀的影響，其長寬比(L/b)越小，則磁阻效應(yīng)也越明顯。

圓盤形磁敏電阻的磁敏效應(yīng)最強，圓盤的中間和邊緣處為兩電極。這種圓盤形磁阻器叫做科爾比諾圓盤，這時的效應(yīng)叫做科爾比諾效應(yīng)。磁敏電阻可以探測各種磁場外，還可制成各種位移檢測器、角度檢測器、功率計、安培計、交流放大器和振蕩器等。

2024/9/2228電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器電阻型氣敏器件氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。按照半導(dǎo)體變化的物理特征，可分為電阻型和非電阻型兩類半導(dǎo)體氣敏傳感器。電阻型氣敏傳感器是利用敏感元件吸附氣體后電阻值隨著被測氣體的濃度改變來檢測氣體的濃度或成分。結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體式氣敏元件一般由敏感元件、加熱器和外殼三部分組成。

分類：按其結(jié)構(gòu)可分成燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三類。圖3.15

半導(dǎo)體式傳感器的器件結(jié)構(gòu)(a)燒結(jié)型電極氧化物半導(dǎo)體加熱器玻璃（尺寸約1mm，也有全為半導(dǎo)體的）(b)薄膜型3mm0.5mm0.6mm加熱器3mm絕緣基片電極(c)厚膜型7330.5（單位mm）樣品Pt電極氧化鋁基片器件加熱用的加熱器（印制厚膜電阻）應(yīng)用：防災(zāi)報警，如液化石油氣、天然氣、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等的報警器；也可用于大氣污染監(jiān)測；以及在醫(yī)療上用于對O2、CO等氣體的測量；生活中則用于空調(diào)機、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測等。2024/9/2229電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器濕敏