常用传感器与敏感元件.docx

1、常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件 第三章常用传感器与敏感元件 第一节传感器的分类 一、传感器的作用 传感器是将被测物理量按一事实上规律转换为与其对应的另一种物理量输出的装置 常用的是将非电量转换成电量 传感器又称变换器 二、传感器的分类 1.按被测物理量分类 位移传感器 速度传感器 加速度传感器 温度传感器 2.按变换原理分类 结构型（参量型）物性型（发电型）（1）结构型（参量型）传感器 特点：传感器感受外界被测量后，直接输出的不是 U或 I,而且结构参量，如（RLC）由于上述原因必须将输出量接入电桥，谐振电路或振荡器中，以转换成电压，电流后，再接测量电路 从能量观点上讲，本身不产生能

2、量，需外加激励电源又称为无源传感器。（2）物性型（电发型）传感器 当接到外界被测量后，本身物理，化学性能变化，直接输出 UI,它相当于一个电压或 电流源，不需外力激励，称为有源性感器。第二节机械式传感器及仪器 机械式传感器常常以弹性体作为传感器敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理 量，输出为弹性元件的弹性变形或应变。图 3-3、3H为典型应用实例。特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点，缺点弹性变形不易过 大在，只适用于缓变或静态被测量。第三节电阻、电容、与电感式传感器 V.-.vsf.4.?.KI;:学学 V-（线圈等）电刷 一、电阻式传感器 1.变阻器式传感器 结构

3、组成：骨架，电阻元件 电刷町直线也町旋转运动 根据欧姆定律 R=P*A 如图 3-5 C、A点电阻 R=RlX 传感器的灵敏度 s=rl 直线型 Rl单位长度的电阻 c dR 7 如果输入量与位物 X间的函数关系为 f（x 尸 Rx）要使输入输出成线性关系可用三角形骨 架，f（x）=Rx3 可用抛物线型骨架 为减小后接电路影响 Rl“Rp 特点：优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。缺点：受阻经直径影响，分辩率不高，低于 20mm,运用于定物检测精度不高的场合,噪声大 2.电阻应变式传感器 可检测参数：应变，力，位物加速度，扭矩等。优点：体积小，重轻，动戊响应快，测量精确度高，使用简便 应用：

4、航天、航空、船舶，机械等建筑等 分类：应变片式传感器 金属式 体型（丝式箔式）薄膜式 半导体式 薄膜型 扩散型 PN结及其它型（1）金属丝应变片 工作原理：发生机械变形时，其阻值发生变化 结构组成：基片，电阻红，覆盖层，引出线 金属丝一般是康铜或線珞合金，直径约 0.025mm 图 3-7形式 U、V、H形。U形横向误差影响大，V形小些，H形便于制造自动化，但焊点多。金属泊式应变片，栅状泊代替栅状丝，用光刻加工适于人量生产。厚度 110 um,散热好允许通过大电流。形式如图 3-8 根据 R=P L/A 当参数分别产生增量 dLdA.dp时，电阻增量 图 3-8 箔式应变片 ）单轴 b）测扭矩

5、 c）多轴 d）行轴多栅）同轴多栅 g罟小知 A+鲁 dp 式中式中 A=2 厂厂-电阻变径代入上式电阻变径代入上式 dR=-dl-2 卫右+丄 rdp 力力-加加 力力-”dl 2dr dp*(+丄丄)I r p 电阻相对变化量竺电阻相对变化量竺=纟纟-巴巴+虫虫 R I r p dVr一一电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变，普=di/r一一电阻丝径向相对变形，或称横向应变 dp/p 一一电阻丝电阻率相对变对置 当电阻丝轴向伸长时，径向缩小，其两者关系为 di7i-=-vdL4 r电阻丝泊桑比=Ac=A,Es p E电阻丝材料弹性模量 X一一压阻系为九，小材质有关 代上边式 dR=+2ve+A

6、Es=(1+2V+XE)R 1+2V一一由电阻丝几何尺寸引起 AE一一由电阻率引起对金属丝可忽略 故普=(1+2咖 上式表明电阻相对变化率 dRR 与应变 成正比，且呈线性关系，故灵敏度 S=*al+2 =常数常数 al/l 通常用来制造电阻丝或可应变片的阻丝，其灵敏度 S 在 1.73.6 之间(2)半导体应变片图 39 1)工作原理基于半导体材料的压阻效应，即半导体材料在沿某个轴的方向受到外力作 用时，其电阻率 P 发生变化的现象 2)结构组成胶膜衬底半导体敏感栅(P-si)焊接端子 P 型硅单晶 电阻相对变化率=巩 1+22+AE)R 对上式前两项仍由几何变化引起，可忽略 AEs 由电阻

7、率变化引起，较人值 dR 2 dR/R R 这个数值比金属丝的人 5070倍，常铜陵材料特性见表 3-3 表 M3 几种常用半导体材料特性 材料 电阳率xJO2(Q-m)弹性模 fit E/x IO7(N-cnr2)灵敏度 品向 P 型徒 7.X 1.87 175 H11 N飓砒 H.7 1.23-132 1 IWJ P&错 15.0 1.55 102 III N型错 16.6 1.55-157 rml N型堵 1.5 1.55-147 lllj P&紡化钢 0.54 -45 100 PW 化锢 0.01 0.745 30 ml N熨佛化钿 0.013 -74.5 100 由上述分析得出，金属

8、丝应变片与半导体应变片的区别 前者是变形引起阻值变化，后者是电阻率变化引起阻值变化后者灵敏度高，但稳定性差。3）应用，为体输出信号为电压，常应用在电桥中，用应变片作为桥臂，经放大得到电 压信号，应注意贴片工艺，应变片应贴在产生应变最大处。二、电容式传感器 1.工作原理 电容式传感器是将被测物理量转换或相应电容变化量的装置图 3-10 C=（F）8 e 一一极板间介质的相对介电常数，空气中 =1 真空中介电常数，。=&85X10-F/m 8极板间距（m）A 极板面积，m2 式中，A6,任一个改变都可改变电容 C,所以电容任感器分为三类（1）极距变化型。（5）保持 A,6不变，C 随 6 改变而改

9、变 clc A d 5 尸=7 de nA 灵敏发灵敏发 S=-卡卡 do o 由上式可知 s 不是常数，与成反比，线笥范甬较小非线性误差人，工作范围较小 6/6 0.b即为初控权距丄.10 特点：可进行非接能测量，对系统影响小，灵敏度高，测量范闱取小位物测量（O.Olum 百 um）实际应用为釆用差动式，以提高灵敏度，和扩大测量范围（2）面积变化型图 3-11 分类：角位移式，平面线位移式，圆柱线位移式 图 3-lla角位物型 力力=式中式中 0 有效面积中心角有效面积中心角 2 极板半径 c=90 a r2/2&灵敏隊灵敏隊 5=w 输入与输出为线性关系 图 3-1 lb 平面线位移型。C

10、 _ 庐 8 b极板宽度 灵敏度 s=$=2g=常数 dx 8 电容变化与动板线位移成线性关系。图 3-llc圆柱体线位移型。2店 o&(D/d)灵敏度吩灵敏度吩 2庇 lu(D/d)=常数常数 电容变化与位移成线性关系。变面枳型传感器特点：输出与输入成线性关系，灵敏度比极距变化型传感器低，适于检 测较大的直线位物和前位移。2.测量电路 电容传感器是将被测量转换成电容变化量，还需进一步变化变成电流，电压作为输出量,下面讲常用转换电路。（1）运算放大器电路 C。一输入端光容 Cx反馈电容 此式表明若 e。、c。不变，输出电压 ey与极距$成线性关系，此电路常用于位移传感器。（2）电桥型电路。Ci

11、 C）为差动电容为两桥臂相邻 特点：电容变化范围小，要求电压，频率非常稳定，直流输出。（3）调频电路 测频电路 输入量振动使电工学容变化，进而频率变化，调频后放大，输出 特点：抗干扰性强，灵敏度高,位移可测范闱，O.Olum 电缆的分布对电容影响较犬。三、电感式传感器。电感式传感器是把被测量转换成相应电感屋变化。工作原理：电磁感应。分类：变磁阻式，涡流式，为自感型。差动变压器式，为互感型 1.自感型（1）可变磁阻或电感传感器。铁芯线圈通电产生磁通中，气隙 w e m=Li w线圈匝数 L线圈自感（H）根据欧姆定律 0”=恢 式中 Wi磁动势。站磁阻（H-1）代入上式 L=W2/Rin 忽略磁损

12、失，磁阻 p _ 1 25 R h 必 UOAO 式中 1一一铁心，导磁长度 m,u一铁心导磁率（H/m）A一一铁心横截面积（nF）6一一气隙长度（m）uo空气导磁率，u。4HX10-7（H/m）Ao空气导磁横截面积（nF）上式：第一项为铁心磁阻，第二项为空气磁阻。第一项很小，可忽略 门门 25 Rm=7 以。以。将上式代将上式代 2%加加 得厶二 25 由此可得 L与&成反比，与 A。成正比，若 A。成正比，若 A。不变 L与 显非线性关系 S 与界反比，6 T,S 不为常数,会出现非线性误差,因此工作范围小 0.001lmm 自感式传感器，还有变面积型等，图 3J6 厶 25+丄丄%变面积

13、型灵敏度变面积型灵敏度 5=芈芈=型半型半=常数常数 dx 25+丄丄 uo 但灵敏度较低但灵敏度较低（2）电涡流式传感器 根据电学定律 卜 R“+j%L）jMI2=Ui 1 _ j叫 由次级方程得出 Re+jcoLc W2M2“才也和莎才也和莎心心 7 co2 in2 R;+co2le2 由此得出厶=L。一 W2M2 用用+（必）（必）根据上述分析，&与电感有关，当 变化时 L可变化 由此可用于测位物，非接触测量，范围 01500 um,分辩率达 lum,应用于材质鉴 别式探伤等。2.互感型一一差动变压器或电感传感器%=_7 0 变压器 dt M互感（H）由上图 di di 匕=一心 dt（

14、、di 5=一（叫一叫）石 当铁芯在中间时 Mi=M2,则亡。=0、向上，向下 eie2,特性曲线如虎线亡心，后卖 电路整理，将 e：翻转到三彖限可得 eOo 特点：精度高，分辨力可达 0.1 um,线性范围人，放人后可达 250nmi,稳定性好，使用 方便。四、磁电式传感器 是把被测物理量转换成感应电动式，又称电动式传感器，工作原理，电磁感应 当变化的磁通中穿过匝数为 W 的线圈时，则电动势。d（p e=-w dt 1.动圈子式磁电传感器图 3-22 线速变型感应电动势。E=WBLvsinQ 角速度型感应电动势 e=WBAW 式中 W 一一有效匝数 B一一磁感应强变（T）L一一单匝线圈长度（

15、m）V一一线圈与磁场相对速度 m/s 0 运动方向与磁场方向夹角 A一一单匝线圈框面积 W 角速度 轴上两式可霜出 w、E、L、A为常数时，则 e与 v、w成正比，因此，传感器可用于 转速振动测量 2.变磁阻式磁电传感器图 3-23 特点：物体与磁铁间气隙变化，产生电势变化，磁电式传感器总体特点，工作电流可靠,灵敏度高，输出阻抗低，易匹配电路，使用方便。第三节 磁电、压电与热电式传感器 物性型（又称发电型）传感器，主要领先敏感元件或材料本身的物理，或化学性质的变 化来实现能量的直接转换。一、压电式传感器 什么是压电效应：某一晶体受外力后在某两个特定表面产生正员电荷，外力取消电荷消 失，外力作用

16、方向改变极性改变产生电荷量与力人小成正比的现象称正压电交应。若晶体受 磁场力产生变形称为员压电效应 压电材料分类（1）压电单晶 石英晶体人工晶体等（2）压电双晶 又称压电陶瓷钛酸？等（3）压电半导体材料 如 ZnS ZnO等（4）高分子压电材料，如高分子聚合物薄膜 石英晶体压电效应机理 外观基本为六面体，六梭柱，晶体学上上分为三个轴，X、Y、Z Z轴一一称为光轴，光通过 Z轴不折射 Z方向作用力也不会产生压电效应 X轴称为电轴，将 X、X、X当沿 X方向加力时，在其垂直 X 轴表面产生电荷 y轴一一机械轴 共三条刃、y2、沟当沿 y轴加力时，可沿 y轴产生机械变形 压电原理，如衅 3-26 当

17、受不同方向外力作用时，晶格产生变形，边长（键长）不变而 夹角（键角）改变，导致正负离子的分布发生变化，形成电场。压电陶瓷，机理与石英不同。2、压电传感器的等效电路 压电传感器相当于一个电荷发生器 电容量 c3 介电常数 A 晶片面积 一一晶片原度 极板上的电荷数与力成正比 q=DF Ca电感电容 Cc电览电容 q一一电荷量 C D压电系数(C/N)与材质 F方向有关 F作用力 N 假设 R。无穷人，可求得开路电压 由于开路没考虑 C。影响 当传感器接入测量电路后，电览能？生电容对传感器产生影响，则 q=Ce+fidt q=DF=DFosinwt=qosinwt C外接的电容(Ci Ca Co)

18、e电容上建立的电压 e=Roi 1一一泄漏电流 上式可写成 CRoi+fidt=q0sin 31 dj 或 CR 一+/=q0a)coswt at 其稳态能 sin（曲+（/）Jl+（wCR）0 arc tan 故电容上电压值 e=Roi=鼻 sin（曲+0）上式表明压电传感器输出电压与时间常数 RoC 有关，RoCt 对 e的影响越小，因此要 求后接电路必须有高输入阻抗并且关联一个电容，以加 XRoC 3.测量电路 为防止电荷泄漏，电压式传感器输墨放人有较高要求 放人器有两类彳 高输入阻抗电压放大器高输入阻抗电压放大器 带电容反馈电荷放大器带电容反馈电荷放大器 压电式传感器，灵敏度两种 电压

19、灵敏度=Ua/a 电荷灵敏度 Sq=q/a 换算关系 Su=Sq/Ca 5压电传感器输出电压 q输出电荷 a被测输入量 G等效电容 电压放人器电览长度或位置变化时，传感器灵敏度影响较人，使用时应注意。电荷放大器实际是一个具有深度反馈的高增益运算放人器，电路如图 3-29-Kci j （C+Cf）+KCf K开坏增益，C反馈电容 c等效电容 ey输出电压 ey-Kei ei输入电压 如果 K足够人 ey=-q/cf 此式表明，在一定条件卞，电荷放人器的输出与输入的电荷量成正比，与反馈电容的人 小成反比，而与导线的分布电容器。二、半导体敏感元件。分类：结构型（电阻敏感元件，敏感电极）物性型（光电、

20、热电，磁电转换元件）1.电阻敏感元件（1）热敏电阻 特点：温度上升，阻值下降 可测量温度变化 0.001 C 微小变化-50 C+150 C 有较好的线性，乘稳定性。简单，寿命长，易于实现无距离检测来控制，广泛应用于仪器仪表，自动检测和控制,各种电路及家电（2）光敏电阻 光电导效应：当有光照射在半导体上时，导致半导体电导率增加的现彖 半导体薄膜材料镉、铅、钮的硫化物，铤化物 为提高灵敏度，常做成栅状。特点：特性不稳，要通过人工老化处理能趋向稳定（3）气敏电阻 由金属气化物烧结而成的半导体电阻元件。工作原理：当环境中气体的成分或浓变发生变化时，导致气敏电阻值变化。范闱103Q IO：Q数量级之间

21、。材料 SnO2 ZnO CdO W2O3 NIiiO2 等为 N 型 MoO2 NiO CoO Cu2O Cr2O3 等为 P 型 工作机理：由于各种可燃性气体的离解能力较小，易失电子遇到 N 型半导体材料时，氧离子缺位，气体中的电子向半导体移动，使 N型的半导体载流的浓度增加，内阻减小。当遇到 P 型时，其阳离子缺位，呈空穴导电性，使半导体载流的浓度下降，内阻增加 结构图 在实际应用中为提高灵敏度可通加热电流，用途，石油，化工 CO 检测采矿等。2.磁电转换元件（1）霍尔元件，磁电转换元件 工作原理：霍尔效应，（静止载流体置于磁场中，若通以电流则在平行于电流方向和磁 场方向所形成的平面两侧

22、产生电位差，称为霍尔电势，其人小与磁场、电流应有两夹角有关）霍尔效应 在磁场力作用卞，形成 c、d建立的，电子称为霍尔电场电势 VKniB-m a Kh霍尔常数 B一一磁感应度 a 电流与磁场夹角 此式表明，若 1为常数，Vh 正比于 B,可作为磁敏元件，关 B为常数，则 Vh正比于 I,可检测电流，若 1，E均为变量可作乘法器 应用：位物传感器，范围 XIc 当受 H-时 IcT如图 341 工作范围，工作电压 3VQ+V 特点噪声小，功耗小 应用：损伤，转速测量，无触点开关，无刷直流电机等。3.光电转换元件。是一种将光量转换为电量的一种器件（1）光电池 工作原理：当光照 PN结时，每吸收一

23、个光子能量，便产生一个电子一一空穴对，光照 越强产生的电子空穴对越多。在 PN结所形成的电场作用下，负电荷被推向 N区，正电荷被推向 P 区，P 区带正电，N区带负电，形成光生电势。不同半导体材料制成的光电池，其光谱特性不一样。（2）光敏管 具有一个 PN结的称光敏二极管，两个 PN结的叫光敏三极管 光敏二级管与普通二极管相似，不同之处是开有窗口和凸镜 光敏三极管比光敏二极管多一个 PN结，形成发射结，基结和集电给，当光照射时基极 产生大电流，而集电极电流同样被放大（B+1）倍 应用，电温度计，光电转速计，光学宽度计，表面缺陷检测仪 三、其它类型检测技术 1.红外辐射检测 只要温度高于绝对温度

24、（-273 15C）,就有辐射存在这部分辐射称为热辐射 红外探测器，测定物体热辐射云彩量的传感器。主要有两类：一类，光子探测器，利用半导体的光敏性质 一类，热探测器，利用材料热电效应 又一种分类方法：主动式，需要红外辐射源，距离越远，所需功率越大。被动式，只领先目标和背景的不同辐射强芫来探测有关温度信息，被动式红外成像称为 热像装置叫热像仪 各种仪器：主动式：红外分光光度计，红外光普分析仪 被动式，辐射计，测温仪式 应用：航天，航空，军事，天文，遥测，遥感技术，工业，农业，医疗，污染检测，安 全检测，文物鉴别领域等。2.超声波检测 超声波频率，20KH：以上，学机械振动波，穿透能力强可穿透 1

25、0m 以上钢材。彖光波下样在传播过程中也产生反射，折射，？等而后幅？频率，相位，发生变化,利用此原理可制成各种超声波传感器。应用：E型显示成像法（E超）用于检测人体内脏器官，C 型显示成像法，无损探伤，无损检测。最大特点：对人体无害 3.核辐射检测 利用放射性同位素作为放射源，根据被测物质对射线的吸引，反散射或射线对被测物质 的电离，激发穿透作用实现检测。射线有 a（带正电）B（带负电）1（不带电，光子流）（粒子流）（电磁能量）装置：放射源，探测器，转换电路，显示装置 应用：B射线穿透式原变仪、r射线探伤仪，X射线衍射仪，X光（医用）我国规定安全剂量 0.05Rd（伦？/口）0.3Rd（伦？/

26、周）为减少辐射，尽量采用屏蔽等。4.声发射检测 又称为应力波发射，是材料结构中释放内部储存能量的引起的弹性波。声发射现彖，材料内部晶格错位，晶界滑物或内部裂纹的发生和发展，均要释放应力波 的现象。它是一种动态无损检测方法。应用，原子能，航空，航天，地质，石业，石油，建筑等。频率范闱，lOOKHz1MHz,信号微弱 10u lm 常用传感器压电式。第四节传感器的选用原则 一、灵敏度 灵敏度越高越好但过高会影响到适用范 I韦 I。二、响应特性 响应特性是指在所测频率范 I韦 I内保持不失真的测量条件响应总有延迟，延迟时间越小越 好。三、线性范围 输入输出成比例关系，传感器工作在线性区域内是保证测量精度的基本条件。四、稳定性 对传感器在正常工作条件卞，环境参数的变化对其输出特性的程度的指标。五、精确度 表示传感器输入，输出的对应程度 六、测量方式 在检测工作中传感器的工作方式，条件不同对传感器要求不同。七、其它 除上述之外，结构简单，使用方便，价格便宜，易维修。