第三章 常用傳感器

1、第三章第三章 常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件傳感器傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為與其對應(yīng)的是將被測物理量轉(zhuǎn)換為與其對應(yīng)的另一種物理量輸出的裝置另一種物理量輸出的裝置常用的是將非電量轉(zhuǎn)換成電量常用的是將非電量轉(zhuǎn)換成電量(1) 傳感器是測量裝置傳感器是測量裝置,能完成檢測任務(wù)能完成檢測任務(wù); (2) 它的輸入量是某一被測量它的輸入量是某一被測量; (3) 它的輸出量是某種物理量它的輸出量是某種物理量,這種量要便于傳輸、這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等轉(zhuǎn)換、處理、顯示等,主要是電量主要是電量; （4）輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系）輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系; 傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成傳感器一

2、般由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件是傳感傳感器一般由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并對信號進器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并對信號進行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 二者有時很容易分開，有時合二為一。二者有時很容易分開，有時合二為一。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝

3、置。輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。第一節(jié)第一節(jié) 傳感器的分類傳感器的分類按被測量分按被測量分: 位移式傳感器位移式傳感器,力傳感器力傳感器,溫度傳感器等溫度傳感器等按工作原理分按工作原理分:電阻式電阻式,電容式電容式,電氣式電氣式,光學(xué)式光學(xué)式,流體式等流體式等按信號變換特征分按信號變換特征分: 物性型和結(jié)構(gòu)型物性型和結(jié)構(gòu)型物性型物性型: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. 例如例如:水銀溫度計水銀溫度計,壓電測力計壓電測力計.結(jié)構(gòu)型結(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. 例如例如:電

4、容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器.常用的分類常用的分類:工作原理工作原理+被測量被測量電阻式位移式傳感器電阻式位移式傳感器,壓電式力傳感器壓電式力傳感器按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型與能量控制型與能量控制型能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. 例如例如:熱電偶溫度計熱電偶溫度計,壓電式加速度計壓電式加速度計.能量控制型能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化. 例如例如:電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片.按輸出信號分按輸出信號分:

5、 模擬式和數(shù)字式模擬式和數(shù)字式 按變換原理按變換原理:可分為參量型與發(fā)電型。可分為參量型與發(fā)電型。發(fā)電型：被測量使傳感器產(chǎn)生電動勢、電流、電荷，可發(fā)電型：被測量使傳感器產(chǎn)生電動勢、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，一般不需外加電源不需外加電源.參量型：被測量使傳感器本身的電參量參量型：被測量使傳感器本身的電參量R、L、C改變，改變，這種傳感器工作時必須有外加電源，故又稱為無源型這種傳感器工作時必須有外加電源，故又稱為無源型.第二節(jié)第二節(jié) 機械式傳感器及儀器機械式傳感器及儀器原理：原理：在測試技術(shù)中，以彈性體作為傳感器的敏感

6、在測試技術(shù)中，以彈性體作為傳感器的敏感元件，對力、壓力、溫度等物理量進行測量，而輸元件，對力、壓力、溫度等物理量進行測量，而輸出彈性元件本身的彈性變形，經(jīng)放大后成為儀表指出彈性元件本身的彈性變形，經(jīng)放大后成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測量的大小。針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測量的大小。 優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等 缺點：缺點：彈性變形不宜大，以減小線形誤差。彈性變形不宜大，以減小線形誤差。此外，由于放大和指針環(huán)節(jié)多為機械傳動，不僅受間隙的此外，由于放大和指針環(huán)節(jié)多為機械傳動，不僅受間隙的影響，而且慣性大，固有頻率

7、低，只宜用于檢測緩變或靜影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測量。態(tài)被測量。 第三節(jié)第三節(jié) 電阻、電容、與電感式傳感器電阻、電容、與電感式傳感器一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器.按其工作原理可分為變阻器式和應(yīng)變片式兩類。按其工作原理可分為變阻器式和應(yīng)變片式兩類。 1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器結(jié)構(gòu)組成：骨架，電阻元件（線圈等）電刷電刷可直線也可旋轉(zhuǎn)運動原理：它通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。根據(jù)下式 AlR式中 電阻率 l 電阻絲長度 A 電阻絲截面積 x R R

8、 = K x K 是一常數(shù) 傳感器的靈敏度傳感器的靈敏度 KdxdRS=常數(shù) =常數(shù) 輸入(位移)和輸出成線性關(guān)系 )1)(pLppoyxxRRxxuux R U 變阻式傳感器 電路 x U 靈敏度 S=常數(shù) 變阻器的總電阻 變阻器的總長度 后接電路的輸入電阻 LRpxpRPLRR 輸入輸入(位移位移)和輸出成線性關(guān)系和輸出成線性關(guān)系靈敏度 S=常數(shù) 只有 時 xxuupoy優(yōu)點；結(jié)構(gòu)簡單，性能較穩(wěn)定，使用方便。優(yōu)點；結(jié)構(gòu)簡單，性能較穩(wěn)定，使用方便。 缺點；受阻經(jīng)直徑影響，分辯率不高，運用缺點；受阻經(jīng)直徑影響，分辯率不高，運用檢測精度不高的場合，噪聲大檢測精度不高的場合，噪聲大.pyxudxd

9、uS0=常數(shù) 2電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器分為電阻應(yīng)變式傳感器分為金屬金屬電阻應(yīng)變片式與電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類應(yīng)變片式兩類 .R應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器 金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)組成：基片，電阻絲（片），覆蓋層，引出線金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬金屬電阻應(yīng)變片的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)生機械變形時，其電阻值隨著它用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形所受機械變形(伸長或縮短伸長或縮短)的變化而發(fā)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。生變化的現(xiàn)象。 AlR

10、根據(jù) 長度為L，截面積為A，電阻率為， 如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，其長度L變化dL，截面積A變化dA，電阻率變化 ，因而引起電阻R變化dR。dRdAARdllRdR式中A=r，r為電阻絲的半徑，所以上式為)2(2232drdrldlRdrldrrldlrdRdrdrldlRdR2電阻的相對變化當(dāng)電阻絲沿軸向伸長時，必須沿徑向縮小，兩者之間的關(guān)系為 ldlrdrldldl/l電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應(yīng)變， dr/r電阻絲徑向相對變形，或稱橫向應(yīng)變,dp/p電阻絲電阻率相對變對置EdE電阻絲材料彈性模量壓阻系數(shù) v電阻絲泊桑比 EERdR)21 (2)21 ( RdR其中（其中（1+2

11、1+2）項是由電阻絲幾何尺寸改變引起的。對于同項是由電阻絲幾何尺寸改變引起的。對于同一電阻材料，一電阻材料，1+21+2是常數(shù)。是常數(shù)。EE項是由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變而引起的。對于金項是由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變而引起的。對于金屬電阻絲來說，屬電阻絲來說，EE是很小的，可忽略。這樣上式就可簡化為是很小的，可忽略。這樣上式就可簡化為 常數(shù)21/ldlRdRSg靈敏度上式表明電阻相對變化率上式表明電阻相對變化率dR/R與應(yīng)變與應(yīng)變成正比，且呈線性關(guān)系成正比，且呈線性關(guān)系 優(yōu)點優(yōu)點:穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好.缺點缺點:靈敏度系數(shù)小靈敏度系數(shù)小半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理工作原理:是基于半導(dǎo)體材料

12、的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。發(fā)生變化的現(xiàn)象。 結(jié)構(gòu)組成: 膠膜襯底 半導(dǎo)體敏感柵（P-si）焊接端子P型硅單晶 EERdR)21 (2（1+2）項是由幾何尺寸改變引起項是由幾何尺寸改變引起的，的，E項是由電阻率變化引起的。項是由電阻率變化引起的。對半導(dǎo)體而言，后者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，對半導(dǎo)體而言，后者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，它是半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻變化的主要部它是半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻變化的主要部分分ERdRERdRSg/靈敏度=常數(shù)上式表明電阻相對變化率dR/

13、R與應(yīng)變成正比，且呈線性關(guān)系 半導(dǎo)體電阻材料的靈敏度比金屬的要高5070倍。 優(yōu)點：優(yōu)點：靈靈敏度大敏度大;缺點：缺點：穩(wěn)穩(wěn)定性不定性不如金屬應(yīng)變片如金屬應(yīng)變片。 金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別在于：金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別在于：前者利用導(dǎo)體形變引起的電阻的變化，后者利用半前者利用導(dǎo)體形變引起的電阻的變化，后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起的電阻的變化。導(dǎo)體電阻率變化引起的電阻的變化。 R電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；頻率響應(yīng)較好，優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；頻率響應(yīng)較好，動態(tài)響應(yīng)快動態(tài)響應(yīng)快; ; 測量精度高測量精度高, ,性能穩(wěn)定可

14、靠；使用簡便。性能穩(wěn)定可靠；使用簡便。電阻應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用方式電阻應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用方式1 1）直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力）直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力 2 2）將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、）將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。在這種情況下，彈性元件加速度等物理參數(shù)的傳感器。在這種情況下，彈性元件得到與被測量成正比的應(yīng)變，在由應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻的得到與被測量成正比的應(yīng)變，在由應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻的變化。變化。 RU 電路 電阻應(yīng)變式傳感器 AC0二、電容式傳感器二、電容式傳感器1.變換原理變換原理: 將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。將被測

15、量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩極板間距離為有效覆蓋面積為A極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)真空介電常數(shù) 0 A C 如果在如果在、A A、三個參數(shù)中保持其中的三個參數(shù)中保持其中的兩個不變，而只改變一個參數(shù)，則電容器兩個不變，而只改變一個參數(shù)，則電容器的電容量將隨之發(fā)生變化。所以電容式傳的電容量將隨之發(fā)生變化。所以電容式傳感器可以分成三種類型：感器可以分成三種類型：極距變化型極距變化型（變（變）、）、面積變化型面積變化型（變（變A A）和）和介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型（變（變）。）。 +AdAdC2011.1.極距變化型極距變化型 當(dāng)極距有微小變化d時，引起電容變化量dC為結(jié)構(gòu)：動板，定板傳感器靈敏度為201A

16、ddCS常數(shù) 電容量電容量C C與極距與極距呈呈非線性關(guān)系非線性關(guān)系 20)(1AddCS+A+極距變化極距變化S=常數(shù)靈敏度00 可見，靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越可見，靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距減小受極板間擊穿電壓的限制。此外，為了減高，但極距減小受極板間擊穿電壓的限制。此外，為了減小因靈敏度隨極距變化導(dǎo)致的非線性誤差，通常極距變化小因靈敏度隨極距變化導(dǎo)致的非線性誤差，通常極距變化范圍范圍/00.1。因此，此類電容傳感器僅適于較小位移的。因此，此類電容傳感器僅適于較小位移的測量測量（0.01m數(shù)百微米）。數(shù)百微米）。 優(yōu)點：優(yōu)點：可進行動態(tài)非接觸

17、式測量，靈敏度高，動態(tài)可進行動態(tài)非接觸式測量，靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)快。響應(yīng)快。缺點：缺點：非線性誤差大，工作范圍較小非線性誤差大，工作范圍較小 。實際應(yīng)用為采用差動式，以提高靈敏度，和擴實際應(yīng)用為采用差動式，以提高靈敏度，和擴大測量范圍大測量范圍常數(shù)00dAdCS面積變化型面積變化型保持電容器極板距離、介質(zhì)不變，僅改變極板間的相對覆蓋面積。面面積變化型積變化型: :角位移型角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型柱面線位移型. .+靈敏度優(yōu)點：輸出與輸入成線性關(guān)系。優(yōu)點：輸出與輸入成線性關(guān)系。 缺點：缺點：靈敏度較低。靈敏度較低。 AC0常數(shù)00dAdCSAC0介質(zhì)變化型介質(zhì)變化

18、型利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器常數(shù)00AddCS靈敏度優(yōu)點：輸出與輸入成線性關(guān)系。優(yōu)點：輸出與輸入成線性關(guān)系。 缺點：缺點：靈敏度較低。靈敏度較低。 電容傳感器電容傳感器主要優(yōu)點主要優(yōu)點 (2)電參量相對變化大。電參量相對變化大。(3) 動態(tài)特性好。動態(tài)特性好。(4) 能量損耗小。能量損耗小。(5)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好。結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好。（6）可進行動態(tài)非接觸式測量。）可進行動態(tài)非接觸式測量。 (1) 輸人能量小而靈敏度高。輸人能量小而靈敏度高。 主要缺點主要缺點: （1）非線性）非線性 （2）電纜分布電容影響大。）電纜分布電容影響大。2測量電路測量電路x c u電容傳感器

19、電容傳感器電路電路x (被測量) u（電量） （1.）電橋型電路電橋型電路（2.）直流極化電路）直流極化電路（3.）諧振電路）諧振電路（4.）調(diào)頻電路）調(diào)頻電路（5.）運算放大器電路運算放大器電路 （1.）電橋型電路）電橋型電路111cjz212cjzLjccRjccREUL)(1)(02121EUcccc)()(02121LR1C有兩個橋臂有兩個橋臂 和和 電容式傳感器，電容式傳感器，電容值隨被測量而變化。電容值隨被測量而變化。2C極距變化極距變化0 2001)(1AC2002)(1ACEUcccc)()(02121EUo0靈敏度常數(shù)00EUS輸出輸出U與輸入與輸入成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。（

20、5.）運算放大器電路）運算放大器電路輸入阻抗采用固定電容C0反饋阻抗采用電容傳感器 AC0AcuuOooy故AcuSOoo靈敏度=常數(shù)輸出電壓輸出電壓 與極距與極距成線性關(guān)系成線性關(guān)系 激勵電壓為 時三、電感式傳感器三、電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。 把被測量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電感量(自感量或互感量) 變化。電感式傳感器可分為自感型和互感型兩大類1自感型自感型（1）可變磁阻式）可變磁阻式結(jié)構(gòu)：線圈 鐵芯 銜鐵mRNL2線圈自感量N線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)Rm磁路磁阻磁路磁阻)(222110AlAlARm)(222110AlAlAOOmAR220 .2ANL 0空氣磁導(dǎo)率A鐵芯截面積氣隙長度N

21、線圈匝數(shù)222OoANddLS靈敏度L與與顯非線性關(guān)系顯非線性關(guān)系常數(shù) 第一項為 空氣磁阻，第二，三項為鐵心磁阻22)(2OoANddLS 。22)( 2OoANddLS靈敏度S=常數(shù)0 0為了減小非線性誤差，通常使這種傳感器在較小間為了減小非線性誤差，通常使這種傳感器在較小間隙范圍內(nèi)工作。設(shè)間隙變化范圍為（隙范圍內(nèi)工作。設(shè)間隙變化范圍為（ 0， 0+），），一般實際應(yīng)用中，取一般實際應(yīng)用中，取/ 0 0.1。差動變氣隙型：提高靈敏度，改善非線性差動變氣隙型：提高靈敏度，改善非線性 差動型差動型: 當(dāng)銜鐵有位移時，可以使兩個線圈的間隙按 變化。一個線圈自感增加，另一個線圈自感減小。)(2)(2

22、2100020002ANANLLL)(1 22200002AN0)(200000222ANS 000222ANLS靈敏度=常數(shù)常數(shù)差動式傳感器差動式傳感器單線圈傳感器單線圈傳感器靈敏度靈敏度222OoANS靈敏度提高一倍靈敏度提高一倍線性范圍線性范圍00改善非線性改善非線性（2）電渦流式傳感器）電渦流式傳感器(渦流式渦流式 )渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場中的磁場中的渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)。渦電流產(chǎn)生交變磁場渦電流產(chǎn)生交變磁場1根據(jù)楞次定律，渦電流（電根據(jù)楞次定律，渦電流（電渦流）的交變磁場與線圈的渦流）的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反

23、，磁場變化方向相反，1 總總電抵抗電抵抗 的變化。的變化。 由于渦流磁場的作用使原由于渦流磁場的作用使原線圈的等效阻抗線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化，發(fā)生變化，變化程度變化程度主要主要與氣隙長度與氣隙長度有關(guān)。有關(guān)。),(xfZ 分析表明：由于渦流磁場的作用使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化。Z的變化與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率以及線圈激磁圓頻率等有關(guān)。改變其中某一因素，即可達到不同的變換目的。變化，可作為位移，振動測量。變化或，可作為材質(zhì)鑒別或探傷等。優(yōu)點：用于動態(tài)非接觸測量，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不受油液等介質(zhì)影響，分辨率高。2互感型互感型差動變壓器式電感傳感器差動變壓器式電感傳感器工作原理：是利用電磁感應(yīng)

24、中的互感現(xiàn)象，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。由于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器。當(dāng)線圈W1輸入交流電流i1時，線圈W2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e12 ，其大小與電流i1的變換率成正比，即 dtdiMe112式中 M比例系數(shù)，稱為互感0e21122111eeedtdiMedtdiMeox當(dāng)鐵芯在中間時M1=M2，則eo=0,鐵芯向上e1e2鐵芯向下e1Z0， 則有則有: euL 00ZCjc與頻率與頻率等有關(guān)，低頻較好，高頻較差。等有關(guān)，低頻較好，高頻較差。2、磁阻式、磁阻式物體運動物體運動 磁路磁阻改變磁路磁阻改變 磁通變化磁通變化 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)電動勢dtdNe二、

25、壓電式傳感器二、壓電式傳感器利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)將被測量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。 1 1、壓電效應(yīng)、壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng):某些材料，在某一方向受力時，某些材料，在某一方向受力時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部也不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去會被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。其表面產(chǎn)生的電荷，象稱為壓電效應(yīng)。其表面產(chǎn)生的電荷，電荷量的改變與受力情況有關(guān)，即電荷量的改變與受力情況有關(guān)，即 q = DFD：壓電系數(shù)；：壓電系數(shù)；F：施加力的大?。菏┘恿Φ拇笮? 2、壓電材

26、料、壓電材料常用的壓電材料大致分為三類：壓電單晶(石英晶體 人工晶體等)、壓電陶瓷（鈦酸鋇 ）和有機壓電薄膜（高分子聚合物薄膜 ）。 3 3、壓電傳感器及其等效電路、壓電傳感器及其等效電路(b)也可等效為一個電壓源U和一個電容器C0串聯(lián)的等效電路 壓電傳感器相當(dāng)于一個電荷發(fā)生器 ACOCaquo(a)壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器C0的等效電路 RaCaua等效電壓源等效電壓源等效電荷源等效電荷源壓電元件并聯(lián)連接和串聯(lián)連接壓電元件并聯(lián)連接和串聯(lián)連接 并聯(lián)連接并聯(lián)連接：兩壓電元件的負(fù)：兩壓電元件的負(fù)極集中在中間極板上，正極極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，在上下兩邊并連接在

27、一起，此時電容量大，輸出此時電容量大，輸出電荷量電荷量大大，適用于測量緩變信號和，適用于測量緩變信號和以電荷為輸出的場合。以電荷為輸出的場合。 串聯(lián)連接串聯(lián)連接：上極板為正極，：上極板為正極，下極板為負(fù)極，在中間是一下極板為負(fù)極，在中間是一元件的負(fù)極與另一元件的正元件的負(fù)極與另一元件的正極相連接，此時傳感器本身極相連接，此時傳感器本身電容小，電容小，輸出電壓大輸出電壓大，適用，適用于要求以電壓為輸出的場合，于要求以電壓為輸出的場合，并要求測量電路有高的輸入并要求測量電路有高的輸入阻抗。阻抗。 4、測量電路、測量電路壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入壓電式傳感器輸出電信號很微

28、弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。前置放大器有后續(xù)顯示儀表中。前置放大器有電壓放大器電壓放大器和和電荷放大器電荷放大器。 電壓放大器電路電壓放大器電路CaRa電壓放大電路電壓放大電路uaCcRiCi-Auiuo設(shè)作用于壓電晶片上的力設(shè)作用于壓電晶片上的力F=F0sin t。則：。則： q = dc F = dc F0sin t ，tCFdCquacaa sin0 02221FdCRRUcim 輸入端電壓幅值：輸入端電壓幅值：其中，其中，R = Ra/Ri，C = Ca + Cc

29、 + Ci。 當(dāng)作用力頻率當(dāng)作用力頻率 與電路時間常數(shù)與電路時間常數(shù)RC足夠大時，足夠大時，1)(2RC 00FCCCdFCdUicaccim icacuCCCdS電壓靈敏度電壓靈敏度：0dFdUSimu電壓靈敏度電壓靈敏度與與電電 纜纜電容電容Cc有關(guān)，當(dāng)改變電纜長度或布有關(guān)，當(dāng)改變電纜長度或布線方法時，線方法時，電壓靈敏度電壓靈敏度都會改變，從而導(dǎo)致測量誤差。都會改變，從而導(dǎo)致測量誤差。對動態(tài)測量，對動態(tài)測量， 較大，易滿足較大，易滿足( RC)2 1，此時，此時電壓電壓靈敏度靈敏度近似與近似與 無關(guān)，即壓電傳感器具有良好的高頻無關(guān)，即壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。響應(yīng)特性。電荷放大器

30、電路電荷放大器電路fyiicaicuucccuq)()(fyiicuucu)()(icacccciyAuuffyACCCAqu)()(ffccAcfyCqu電荷靈敏度電荷靈敏度 fqCS1=常數(shù)常數(shù)CaRaqCcRiCi-AuiuyCf1)(2RC 在此式中，在此式中，電荷靈敏度電荷靈敏度與電與電 纜纜電容電容Cc值無關(guān)，值無關(guān)，改變改變電纜長度或布線方法時，電纜長度或布線方法時，電纜電容并無影響。與電壓電纜電容并無影響。與電壓放大器比較，這是一個突出的優(yōu)點，但是，電荷放大放大器比較，這是一個突出的優(yōu)點，但是，電荷放大電路復(fù)雜，價格較高。電路復(fù)雜，價格較高。電壓靈敏度電壓靈敏度：icacuCC

31、CdS電荷靈敏度電荷靈敏度 fqCS1)(ffccAc 三、熱電式三、熱電式傳感器傳感器將被測量（溫度）轉(zhuǎn)換為電量的傳感器將被測量（溫度）轉(zhuǎn)換為電量的傳感器熱電勢效應(yīng)原理熱電勢效應(yīng)原理可分為熱電偶和熱電阻可分為熱電偶和熱電阻 1.1.熱電偶熱電偶工工作原理：作原理：熱電偶是熱電偶是基于熱電勢效應(yīng)原理的測溫用基于熱電勢效應(yīng)原理的測溫用傳感器，傳感器，把兩種不同的導(dǎo)體或把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接半導(dǎo)體連接如如圖，若圖，若1 1、2 2點溫點溫度不同，回路中有電流產(chǎn)生，度不同，回路中有電流產(chǎn)生，稱之為熱電勢。對于某個確定稱之為熱電勢。對于某個確定的熱電偶，當(dāng)某一端溫度的熱電偶，當(dāng)某一端溫度T T0

32、 0恒恒定時，熱電勢僅與測量端溫度定時，熱電勢僅與測量端溫度T T有關(guān)，故可測溫度有關(guān)，故可測溫度T T。熱電勢。熱電勢由兩部分組成：由兩部分組成：接觸電勢；接觸電勢；溫差電勢。溫差電勢。 接觸電勢：接觸電勢：A、B兩導(dǎo)體接觸后，由于電子濃度不同，在截面兩導(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：附近產(chǎn)生接觸電勢： 溫差電勢：溫差電勢：當(dāng)一塊導(dǎo)體兩端溫度不同時，在導(dǎo)體兩端形成溫差電勢。當(dāng)一塊導(dǎo)體兩端溫度不同時，在導(dǎo)體兩端形成溫差電勢。 顯然，當(dāng)顯然，當(dāng)ABAB材料已定時，接觸電勢與溫度材料已定時，接觸電勢與溫度T T（絕對溫度）有關(guān)。（絕對溫度）有關(guān)。所以，所以，當(dāng)兩種材料當(dāng)兩種材

33、料ABAB組成一個閉合回路時，設(shè)組成一個閉合回路時，設(shè)0 0時，回路中總電勢為時，回路中總電勢為 )()(),(0TCTfTTEAB由于接觸電勢大于溫差電勢，若忽略溫差電勢的影響。由于接觸電勢大于溫差電勢，若忽略溫差電勢的影響。 熱電偶的材料有許多種，一般金屬有鎳鉻熱電偶的材料有許多種，一般金屬有鎳鉻鎳鋁硅、銅、康鎳鋁硅、銅、康銅，貴重金屬有鉑銠銅，貴重金屬有鉑銠鉑、鉑銠鉑、鉑銠3，鉑銠，鉑銠6以及鎢、鉬等。熱電偶以及鎢、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、保護材料和引線裝置等組成。護材料和引線裝置等組成。

34、熱電偶是一種發(fā)電型傳感器，其輸出信號可直接接入記錄儀熱電偶是一種發(fā)電型傳感器，其輸出信號可直接接入記錄儀器。利用熱電偶還可測量兩點溫差及溫度場中多點的平均溫度，器。利用熱電偶還可測量兩點溫差及溫度場中多點的平均溫度，有有關(guān)方面知識還可參考其它專著。關(guān)方面知識還可參考其它專著。 溫度溫度T0恒定恒定2 2、熱電阻、熱電阻 金屬熱電阻（熱電阻）與半導(dǎo)體熱電阻（熱敏電阻）兩類它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù),隨隨溫度的上升而阻值下降。溫度的上升而阻值下降。（1）鉑電阻)1 (20BtAtRRt（2）銅電阻)1 (0tRRt金屬熱電阻原理：熱能原理：熱能 熱電阻熱電阻 電阻值電阻值溫度溫度

35、 熱電阻熱電阻 阻值阻值 半導(dǎo)體熱電阻RT第五節(jié)第五節(jié) 光電傳感器光電傳感器 首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，光電傳感器是將光首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，光電傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量。光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。量轉(zhuǎn)換為電量。光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。一、光電測量原理一、光電測量原理1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象，在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。如光電管、光電倍增管。稱為外光電效應(yīng)。如光電管、光電倍增管。 2. 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)受光照物體受光照物體( (通常為半導(dǎo)體材料通常為半導(dǎo)體材

36、料) )電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。如光敏電阻等。動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。如光敏電阻等。 3.光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象；如光電在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象；如光電池、光敏晶體管等。池、光敏晶體管等。 光通量是隨被測量而變,光電流就成為被測量的函數(shù),故又稱為光電傳感器的函數(shù)運用狀態(tài)光電傳感器。這一類光電傳感器有如下幾種工作方式。被測物體位于恒定光源與光電元件之間,根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)。如測量液體、氣體的透明度、混濁度,對氣體進行成分分析,測定液體中某種物質(zhì)的

37、含量等。 恒定光源發(fā)出的光投射到被測物體上,被測物體把部分光通量反射到光電元件上,根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例如測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。 被測物體位于恒定光源與光電元件之間,光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮去其一部分,使作用在光電元件上的光通量減弱,減弱的程度與被測物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。利用這一原理可以測量長度、厚度、線位移、角位移、振動等。 被測物體本身就是輻射源，它可以直接照射在光電元件上，也可以經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件上。光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。這種方式也可以用于防火報警和構(gòu)成光照度計 脈沖式光電傳感器的作用方

38、式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài),也就是“通”、“斷”的開關(guān)狀態(tài),所以也稱為光電元件的開關(guān)運用狀態(tài)。 第六節(jié)第六節(jié) 光纖傳感器以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體，利用光導(dǎo)光纖傳感器以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體，利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號。纖維傳輸光信號。 光纖傳感器通過將被測量變換為光波的光纖傳感器通過將被測量變換為光波的強度、頻率、強度、頻率、相位相位或或偏振態(tài)偏振態(tài)四個參數(shù)之一的變化進行測量。通常四個參數(shù)之一的變化進行測量。通常將光波隨被測量的變化而變化稱為對光波進行調(diào)制。將光波隨被測量的變化而變化稱為對光波進行調(diào)制。相應(yīng)地，光纖傳感器可分為：相應(yīng)地，光纖傳感器可分為：強度調(diào)制型、頻率調(diào)強度調(diào)制型、頻

39、率調(diào)制型、相位調(diào)制型制型、相位調(diào)制型及及偏振態(tài)調(diào)制型。偏振態(tài)調(diào)制型。 )sin(tAE光的電矢量的振動光的電矢量的振動偏振態(tài)（矢量偏振態(tài)（矢量A的方向的方向) 可分為：功能型、傳光型。可分為：功能型、傳光型。功能型：功能型：是利用光纖將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場、磁場等等改變時，其傳光特性，如相位與光強，會發(fā)生變化的現(xiàn)象。因此，如果能測出通過光纖的光相位、光強變化，就可以知道被測物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型。傳光型：傳光型：光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，由光檢測元件調(diào)制的光信號。 光纖由內(nèi)芯（折射率光纖由內(nèi)芯（

40、折射率n1、直徑幾十、直徑幾十 m）、包層（折射率）、包層（折射率n2n1、外徑、外徑n2）組成。）組成。 光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)222110sinnnnic定義定義NA =為光纖的數(shù)值孔徑為光纖的數(shù)值孔徑cnsin0NA是標(biāo)志光纖接受能力的重要參數(shù)。作為傳感器的光是標(biāo)志光纖接受能力的重要參數(shù)。作為傳感器的光 纖纖0.2 NA0.4。 光纖傳感器的特點光纖傳感器的特點 光波傳輸，抗擾能力強光波傳輸，抗擾能力強 無火花、無短路故障，可用于易燃、易爆環(huán)境無火花、無短路故障，可用于易燃、易爆環(huán)境 化學(xué)性能穩(wěn)定，耐高壓、耐腐蝕化學(xué)性能穩(wěn)定，耐高壓、耐腐蝕 重量輕、體積小、可撓性好，利于在狹窄空間重量

41、輕、體積小、可撓性好，利于在狹窄空間 使用使用 頻帶寬、動態(tài)特性好，可實現(xiàn)非接觸測量頻帶寬、動態(tài)特性好，可實現(xiàn)非接觸測量 易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量 技術(shù)復(fù)雜、成本高技術(shù)復(fù)雜、成本高 第七節(jié)第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器利用半導(dǎo)體材料對光、熱、力、磁、氣體、濕度等物利用半導(dǎo)體材料對光、熱、力、磁、氣體、濕度等物理量的敏感性制成的物性型敏感器件。理量的敏感性制成的物性型敏感器件。 半導(dǎo)體的特點半導(dǎo)體的特點是他們是一些物性型傳感器，通常可以是他們是一些物性型傳感器，通?？梢宰鞒山Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的器件，他們的功耗作成結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的器件，他們的功耗低、安全可靠、壽命長；

42、他們對被測量敏感，響應(yīng)速低、安全可靠、壽命長；他們對被測量敏感，響應(yīng)速度快；易于實現(xiàn)集成化。度快；易于實現(xiàn)集成化。一、磁敏式傳感器一、磁敏式傳感器1 霍爾元件霍爾元件工作原理：工作原理：霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 置于均勻磁場中的通電半導(dǎo)體，在垂直于電場和磁場的方置于均勻磁場中的通電半導(dǎo)體，在垂直于電場和磁場的方向產(chǎn)生橫向電場的現(xiàn)象稱為向產(chǎn)生橫向電場的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)，相應(yīng)電場稱為，相應(yīng)電場稱為霍爾電場霍爾電場。 霍爾元件霍爾元件是一種半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件，將霍爾元件置于磁場B中，如果在a，b端通以電流i，在c，d端就會出現(xiàn)電位差，稱為霍爾電勢HV 其中，其中，k：霍爾常數(shù)，取決于材質(zhì)、溫度、元：

43、霍爾常數(shù)，取決于材質(zhì)、溫度、元 件尺寸（厚度）件尺寸（厚度） B B：磁感應(yīng)強度：磁感應(yīng)強度 ： 電流與磁場方向的夾角。電流與磁場方向的夾角。 顯然，改變顯然，改變i或或B，即可改變，即可改變VH。 aiBkVBHsin霍爾電勢霍爾電勢 熱敏式傳感器熱敏式傳感器 氣敏式傳感器氣敏式傳感器 濕敏式傳感器濕敏式傳感器第第8節(jié)節(jié) 紅外測試系統(tǒng)紅外測試系統(tǒng)第第 節(jié)節(jié) 激光測試傳感器激光測試傳感器第十節(jié)第十節(jié) 傳感器的選用原則傳感器的選用原則q 靈敏度靈敏度 q 響應(yīng)特性響應(yīng)特性 q 線性范圍線性范圍 q 可靠性可靠性q 精確度精確度 q 測量方式測量方式 q 其它（體積、價格、易維護性等）其它（體積、

44、價格、易維護性等）1 1、靈敏度、靈敏度S 理論上講，我們希望傳感器的靈敏度越高越好。靈敏理論上講，我們希望傳感器的靈敏度越高越好。靈敏度越高，意味著被測量發(fā)生很小變化，傳感器就可以有較度越高，意味著被測量發(fā)生很小變化，傳感器就可以有較大的輸出。但是，大的輸出。但是，靈敏度高，與測量信號無關(guān)的外界干靈敏度高，與測量信號無關(guān)的外界干擾也跟著混入，因此要求輸入信號信噪比擾也跟著混入，因此要求輸入信號信噪比(SNR)高一些，高一些，而且傳感器本身必須干擾噪聲小，相應(yīng)的設(shè)備復(fù)雜，造價而且傳感器本身必須干擾噪聲小，相應(yīng)的設(shè)備復(fù)雜，造價高；高；和靈敏度緊密相關(guān)的就是測量范圍，前面已講過，和靈敏度緊密相關(guān)的

45、就是測量范圍，前面已講過，理想的測試裝置應(yīng)是線性的，實際測試時，輸入量中含有理想的測試裝置應(yīng)是線性的，實際測試時，輸入量中含有被測量，也有干擾噪聲，二者之和不可以進入非線性區(qū)域。被測量，也有干擾噪聲，二者之和不可以進入非線性區(qū)域。 盲目地追求高的靈敏度，導(dǎo)致可測量范圍小，因此應(yīng)盲目地追求高的靈敏度，導(dǎo)致可測量范圍小，因此應(yīng)折衷考慮。折衷考慮。2 2、響應(yīng)特性（頻率特性）、響應(yīng)特性（頻率特性）在所測頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真在所測頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真測試的條件，即：測試的條件，即：00)()(tAA 一般取動態(tài)測試誤差為一般取動態(tài)測試誤差為g5%g5%g g 很大就失去了測試的意義。很大就失去了測試的意義。實際傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲時間，延遲時間越小越好實際傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲時間，延遲時間越小越好。3 3、線性范圍、線性范圍任何傳感器，其線性范圍都是一定的。線