第三章 常用傳感器與敏感元件1

1、華南理工大學(xué)廣州學(xué)院第三章 常用傳感器與敏感元件第一節(jié)第一節(jié) 常用傳感器分類常用傳感器分類第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械式傳感器及儀器機(jī)械式傳感器及儀器第三節(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第四節(jié)第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器第七節(jié)第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器第十節(jié)第十節(jié) 傳感器的選用原則傳感器的選用原則華南理工大學(xué)廣州學(xué)院傳感器的定義：傳感器的定義： 傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測量傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。種物理量的測量裝置。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院第

2、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是將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅?。電阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅鳌?電阻式傳感器分類：電阻式傳感器分類： 變阻器式傳感器變阻器式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器華南理工大學(xué)廣州學(xué)院1 1、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器變阻器式傳感器又稱為變阻器式傳感器又稱為電位計式傳感器電位計式傳感器。它通過改變電位器。它通過改變電位器觸頭位置，實現(xiàn)將位移轉(zhuǎn)換為電阻觸頭位置，實現(xiàn)將位移轉(zhuǎn)換為電阻R R的變化。的變化。導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長

3、度而線性變化。導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任何可以轉(zhuǎn)換為位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。何可以轉(zhuǎn)換為位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院工作原理：工作原理：一個電導(dǎo)體的電阻值：一個電導(dǎo)體的電阻值：式中：式中：R R電阻（電阻（）；）； 材料的電阻率（材料的電阻率（mmmm2 2/m/m）；）； l l導(dǎo)體的長度（導(dǎo)體的長度（m m）；）； A A導(dǎo)體的截面積（導(dǎo)體的截面積（mmmm2 2）。）。電阻絲直徑和材質(zhì)一定，電阻值隨導(dǎo)線長度改變。電阻絲直徑和材

4、質(zhì)一定，電阻值隨導(dǎo)線長度改變。變阻器式傳感器有變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型直線位移型、角位移型和非線性型等。等。)(AlR華南理工大學(xué)廣州學(xué)院變阻器式傳感器變阻器式傳感器華南理工大學(xué)廣州學(xué)院直線位移型直線位移型k kl l為單位長度中的為單位長度中的電阻電阻 。其靈敏度：其靈敏度：ldxdRksxkRlxCxABCR當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院角位移型角位移型 靈敏度：靈敏度：觸點轉(zhuǎn)角觸點轉(zhuǎn)角(rad(rad) )；k ka a單位弧度對應(yīng)的電阻單位弧度對應(yīng)的電阻值。值。k

5、ddRskR ACB華南理工大學(xué)廣州學(xué)院xACB3）非線性型）非線性型2kxR 非線性型非線性型 輸出電阻輸出電阻( (或電壓或電壓) )與電刷位移與電刷位移( (包括線位移或角位移包括線位移或角位移) )之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器 。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院華南理工大學(xué)廣州學(xué)院變阻器式傳感器的后接電路：電阻分壓電路變阻器式傳感器的后接電路：電阻分壓電路ueuopLPpeoxxRRxxuu1華南理工大學(xué)廣州學(xué)院變阻器式傳感器的優(yōu)缺點：變阻器式傳感器的優(yōu)缺點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便；優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便；缺點：分辨力受電阻絲直徑限制

6、，很難優(yōu)于缺點：分辨力受電阻絲直徑限制，很難優(yōu)于2020m m；較；較大的噪聲（大的噪聲（電刷和電阻元件之間接觸面磨損、塵埃附電刷和電阻元件之間接觸面磨損、塵埃附著等原因著等原因）。）。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院2 2、電阻應(yīng)變式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器 可測參數(shù)：可測參數(shù)：應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等。應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等。 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器: :金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片和和半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片。 （1 1）金屬電阻應(yīng)變片）金屬電阻應(yīng)變片 基本工作原理：基本工作原理： 當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值發(fā)生變化。當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值發(fā)生變化。華南理工大

7、學(xué)廣州學(xué)院主要形式：主要形式：金屬電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片有絲式絲式和和箔式箔式兩種。兩種。金屬絲式應(yīng)變片是用金屬絲式應(yīng)變片是用0.010.010.05mm0.05mm的金屬絲繞的金屬絲繞成敏感柵成敏感柵 ，粘貼在，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層絕緣的基片和覆蓋層之間，之間，由引出導(dǎo)線接于電路上。由引出導(dǎo)線接于電路上。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院應(yīng)變片實際使用：應(yīng)變片實際使用：將其粘貼于彈性元件或被測物體表面。外將其粘貼于彈性元件或被測物體表面。外力作用下，金屬絲隨物體一同變形，電阻值發(fā)生變化，將被力作用下，金屬絲隨物體一同變形，電阻值發(fā)生變化，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變

8、化。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院依次代入式（依次代入式（3 35 5），得），得）簡化為很小，可忽略。式（而言，引起；對于金屬電阻絲由電阻絲的電阻率改變?yōu)槌?shù)；引起，同一電阻材料，由電阻絲幾何尺寸改變8321)21 (EE華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 說明：說明：l S Sg g為應(yīng)變片系數(shù)或靈敏度為應(yīng)變片系數(shù)或靈敏度, ,金屬電阻絲的靈敏度常在金屬電阻絲的靈敏度常在1.71.73.63.6之中。之中。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院華南理工大學(xué)廣州學(xué)院RRS24. 021010001206SRRmARUI5 .121205 . 1mARRUI475.1224.1205 . 1%2 . 05 .12475.125 .1

9、2I解：因為電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù) 所以，電阻變化量 無應(yīng)變時電流表示值 有應(yīng)變時電流表示值 電流表指示值的相對變化量 不能。這個變化量是太小，必須用高靈敏度的微安表方可讀出，一般接入電橋。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院（2 2）半導(dǎo)體應(yīng)變片）半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖，使用方法同電阻絲應(yīng)變片。半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖，使用方法同電阻絲應(yīng)變片。 工作原理：工作原理：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時，單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。 實際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但實際上，任何材料都不同程

10、度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。 單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點陣排列規(guī)律變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度變子點陣排列規(guī)律變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度變化，從而引起電阻率變化?；瑥亩痣娮杪首兓?。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院華南理工大學(xué)廣州學(xué)院華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(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)別是什么？的主要區(qū)別是什么？華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點是半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點是: : 靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于

11、測量；于測量；體積小，擴(kuò)大了半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用范圍。體積小，擴(kuò)大了半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用范圍。 最大的缺點是最大的缺點是溫度誤差大溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。用。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院應(yīng)變片粘貼于應(yīng)變片粘貼于彈性元件彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化

12、后輸出。出。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院二、電容式傳感器二、電容式傳感器1 1、變換原理、變換原理 定義：定義：電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。 公式：公式：平板電容器的電容可表達(dá)為：平板電容器的電容可表達(dá)為： FAC0華南理工大學(xué)廣州學(xué)院各參數(shù)含義：各參數(shù)含義：極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，當(dāng)介質(zhì)為空氣時極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，當(dāng)介質(zhì)為空氣時=1=1；0 0真空介電常數(shù)真空介電常數(shù),0 0=8.85=8.851010-1 2-1 2(F/m);(F/m); A A極板面積（極板面積（m m2

13、2）；）；兩極板間距離（兩極板間距離（m m）。）。結(jié)論：結(jié)論：被測量使被測量使、A A或或變化，均會引起電容變化，均會引起電容C C變化。保變化。保持其中的兩個參數(shù)不變，僅改變另一參數(shù)，即可把該參持其中的兩個參數(shù)不變，僅改變另一參數(shù)，即可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。數(shù)的變化變換成電容量的變化。分類分類：根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為：根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，前兩種應(yīng)三種，前兩種應(yīng)用較廣。用較廣。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院（1 1）極距變化型）極距變化型極距有一微小變化量極距有一微小變

14、化量d d時，引起電容變化量時，引起電容變化量dCdC為為dAdC20華南理工大學(xué)廣州學(xué)院靈敏度為靈敏度為20AddCS結(jié)論：結(jié)論：極板間距越小，靈敏度越高。但為了滿足近似線性關(guān)系，極板間距越小時，要求間距的變化也越小，也就是測量范圍變小。所以要根據(jù)實際情況，在靈敏度、測量范圍、非線性誤差之間平衡。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院（2 2）面積變化型）面積變化型華南理工大學(xué)廣州學(xué)院a)a)角位移型角位移型電容量電容量靈敏度靈敏度結(jié)論：輸出與輸入成線性關(guān)系。結(jié)論：輸出與輸入成線性關(guān)系。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院b)b)平面線位移型平面線位移型華南理工大學(xué)廣州學(xué)院c)c)圓柱體線位移型圓柱體線位移型華南理工大學(xué)廣州

15、學(xué)院華南理工大學(xué)廣州學(xué)院（3 3）介質(zhì)變化型）介質(zhì)變化型 大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。測量溫度、濕度、容量等。圖解：圖解：圖圖3 314a14a，在兩固定極板間的介質(zhì)層的厚度、溫度或濕，在兩固定極板間的介質(zhì)層的厚度、溫度或濕 度發(fā)生變化時，介電常數(shù)變，導(dǎo)致電容量變化；度發(fā)生變化時，介電常數(shù)變，導(dǎo)致電容量變化；圖圖3 314b14b，電容式液面計，液面位置變動，兩電極侵入，電容式液面計，液面位置變動，兩電極侵入

16、高度變化，電容量變化。高度變化，電容量變化。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院華南理工大學(xué)廣州學(xué)院介質(zhì)可移動介質(zhì)可移動華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 例題：一個電容測微儀，其傳感器的圓形極板的半徑 r = 4mm，工作初始間隙=0.3mm， 空氣介質(zhì)。問： 1） 工作時，如果傳感器與工件的間隙變化量2 m 時，電容變化量是多少？ 2） 如果測量電路的靈敏度1100/SmVpF，讀數(shù)儀表的靈敏度25/SmV 格， 在2 m 時，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？ 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院4 4、電容式傳感器的應(yīng)用：、電容式傳感器的應(yīng)用：電容式傳感器廣泛應(yīng)用在電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位位移、壓力、流量、液位等的

17、測等的測試中。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，如有電試中。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，如有電容式位移傳感器，精度可達(dá)容式位移傳感器，精度可達(dá)5m5m。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院三、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把被測量如位移等，轉(zhuǎn)換為電電感式傳感器的工作原理是把被測量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。感量變化的一種裝置。 按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感型自感型（包括可變磁阻式與（包括可變磁阻式與渦流式）和渦流式）和互感型互感型（差動變壓器式）兩種。（差動變壓器式）兩種。1 1、自感型、自感型（1 1）可變磁阻式）可變磁阻式 組成

18、：線圈、鐵心和銜鐵。組成：線圈、鐵心和銜鐵。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院華南理工大學(xué)廣州學(xué)院由電磁感應(yīng)原理，線圈自感由電磁感應(yīng)原理，線圈自感L L為為N-N-線圈匝數(shù)，線圈匝數(shù)，R Rm m- -磁路總磁阻磁路總磁阻HH-1-1 。當(dāng)氣隙當(dāng)氣隙較小時，該磁路的總磁阻較小時，該磁路的總磁阻mRNL2002AAlRm（323）華南理工大學(xué)廣州學(xué)院式中式中 l l鐵芯的導(dǎo)磁長度鐵芯的導(dǎo)磁長度(m);(m);鐵芯磁導(dǎo)率鐵芯磁導(dǎo)率 (H/m);(H/m);A A鐵芯導(dǎo)磁截面積鐵芯導(dǎo)磁截面積; ;氣隙寬氣隙寬(m);(m);0 0空氣磁導(dǎo)率空氣磁導(dǎo)率, , 0 0=4=41010-7-7(H/m);(H/m);

19、A A0 0空氣氣隙導(dǎo)磁橫截面積空氣氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m(m2 2) )鐵心磁阻與空氣氣隙的磁阻相比很小，可忽略，則總磁鐵心磁阻與空氣氣隙的磁阻相比很小，可忽略，則總磁阻阻R Rm m近似為近似為 002ARm華南理工大學(xué)廣州學(xué)院代入代入3 32323，得，得2002ANL 當(dāng)當(dāng)A A0 0固定，變化固定，變化時，時，L L與與成非線性變化關(guān)系，此時傳成非線性變化關(guān)系，此時傳感器靈敏度感器靈敏度20022ANddLS華南理工大學(xué)廣州學(xué)院靈敏度靈敏度S S與與的平方值成反比，由于不是常數(shù)，因此會產(chǎn)生的平方值成反比，由于不是常數(shù)，因此會產(chǎn)生非線性誤差。因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍非線性誤

20、差。因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍內(nèi)工作。當(dāng)氣隙變化甚小即內(nèi)工作。當(dāng)氣隙變化甚小即0 0時，靈敏度時，靈敏度S S近似為近似為200022ANSS S此時為一定值，輸出與輸入近似成線性關(guān)系。實際應(yīng)用中常此時為一定值，輸出與輸入近似成線性關(guān)系。實際應(yīng)用中常選取選取/0.1/0.1。這種傳感器適宜于測量小位移，一般為。這種傳感器適宜于測量小位移，一般為0.0010.0011mm1mm。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院（2 2）渦流式）渦流式n 渦電流式傳感器變換原理：利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流式傳感器變換原理：利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)。n 高頻反射式渦流傳感器工作原理：高頻

21、反射式渦流傳感器工作原理：渦流產(chǎn)生：渦流產(chǎn)生：當(dāng)線圈中通以一當(dāng)線圈中通以一交變高頻電流交變高頻電流i i時，會引起時，會引起一一交變磁通交變磁通。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感感應(yīng)電流應(yīng)電流i i1 1，該電流，該電流i i1 1即為渦流。即為渦流。抵抗作用：抵抗作用：根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁交變磁通通1 1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即1 1將抵抗將抵抗的變化。的變化。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院華南理工大學(xué)廣州學(xué)院線圈的阻抗變化及影響因素：線圈的阻抗變化及影響因素：由于該渦流磁場的作用，由

22、于該渦流磁場的作用，會使線圈的會使線圈的等效阻抗等效阻抗發(fā)生變化，其變化的程度除了與發(fā)生變化，其變化的程度除了與兩者間的兩者間的距離距離有關(guān)外，還與金屬板的有關(guān)外，還與金屬板的電阻率電阻率、磁磁導(dǎo)率導(dǎo)率以及線圈的以及線圈的激磁電流圓頻率激磁電流圓頻率等有關(guān)。等有關(guān)。主要應(yīng)用：主要應(yīng)用：變化變化，可作為位移、振動測量；變化，可作為位移、振動測量；變化，可作為材質(zhì)鑒別；變化可作為材質(zhì)鑒別；變化，可用于探傷。，可用于探傷。n 渦流式傳感器的測量電路：渦流式傳感器的測量電路：華南理工大學(xué)廣州學(xué)院n渦電流式傳感器應(yīng)用：渦電流式傳感器應(yīng)用：動態(tài)非接觸測量動態(tài)非接觸測量u渦電流式位移和振動測量儀渦電流式位移

23、和振動測量儀u測厚儀測厚儀u無損探傷無損探傷u徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動、轉(zhuǎn)速和厚度測量徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動、轉(zhuǎn)速和厚度測量u零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量徑向振動測量 軸心軌跡測量 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院2 2、互感型差動變壓器式電感傳感器、互感型差動變壓器式電感傳感器n 互感型傳感器的工作原理：互感型傳感器的工作原理： 利用電磁感應(yīng)中的利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象，將被測，將被測位移量位移量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成線線圈互感的圈互感的變化。變化。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院n傳感器實質(zhì)是一個變壓器傳感器實質(zhì)是一個變壓器，初級線圈接入穩(wěn)定交流電源，次，初級線圈接入穩(wěn)定交流電源，次級

24、線圈感應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓。級線圈感應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓。M M變化，副線圈輸出電壓變化。由變化，副線圈輸出電壓變化。由于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱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差動變壓器式傳感器感器。工作原理如圖。工作原理如圖3 32020。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院n差動變壓器式傳感器的優(yōu)點是：差動變壓器式傳感器的優(yōu)點是： 測量精度高，可達(dá)測量精度高，可達(dá)0.1m0.1m； 線性范圍大，可到線性范圍大，可到100100mmmm； 穩(wěn)定性好，使用方便。穩(wěn)定性好，使用方便。因而被廣泛應(yīng)用于直線位移因而被廣泛應(yīng)用于直線位移, ,或借助彈性元件將壓力、重或借助彈性元件將壓力、重量等參

25、數(shù)轉(zhuǎn)換為位移變化，實現(xiàn)間接測量。量等參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移變化，實現(xiàn)間接測量。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院第四節(jié)第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器一、磁電式傳感器一、磁電式傳感器 概念：一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的裝置，亦稱概念：一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的裝置，亦稱電磁感應(yīng)式或電動力式傳感器。電磁感應(yīng)式或電動力式傳感器。 由電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過一個線圈的磁通由電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過一個線圈的磁通發(fā)生變化發(fā)生變化時，線圈中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢時，線圈中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢dtdNe結(jié)論：結(jié)論：線圈感應(yīng)電動勢的大小，取決于匝數(shù)和穿過線圈的線圈感應(yīng)電動勢的大小，取決于匝數(shù)和穿過

26、線圈的磁通變化率。磁通變化率與磁通變化率。磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動速度運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都可改變線圈的感應(yīng)有關(guān)，改變其中一個因素，都可改變線圈的感應(yīng)電動勢。電動勢。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型換能器。壓電式傳感器是一種可逆型換能器。l 機(jī)械能機(jī)械能電能：可用來測量力、壓力、加速度等；電能：可用來測量力、壓力、加速度等；l 電能電能機(jī)械能：可用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚(yáng)聲器機(jī)械能：可用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚(yáng)聲器等。等。主要優(yōu)點：主要優(yōu)點：l 體積??；體積??；l 重量小；重量??；l 固

27、有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍固有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍0.120kHz) ；l 靈敏度高（加速度傳感器，可測靈敏度高（加速度傳感器，可測10102 210105 5m ms s-2-2、力傳感器，、力傳感器，分辨力達(dá)分辨力達(dá)10103 3N N）。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院1 1、壓電效應(yīng)、壓電效應(yīng) 定義：定義： 某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等晶體，當(dāng)受到某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等晶體，當(dāng)受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部會產(chǎn)生外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部會產(chǎn)生極化作用，從而會在晶體的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷，形成電場。極化作用，從而會在晶體

28、的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷，形成電場。晶體的這一性質(zhì)稱為壓電效應(yīng)。晶體的這一性質(zhì)稱為壓電效應(yīng)。說明：說明： 壓電效應(yīng)可逆：當(dāng)壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸壓電效應(yīng)可逆：當(dāng)壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為也會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的晶體稱之為壓電晶體，石英晶體是常具有壓電效應(yīng)的晶體稱之為壓電晶體，石英晶體是常用的壓電材料之一。用的壓電材料之一。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院小結(jié)：小結(jié)：l石英晶體切片受石英晶體切片受x向壓力，產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，向壓力，產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，與切片的幾何尺寸無關(guān)；與切片的幾何尺寸無關(guān)；l石英晶體切片受

29、石英晶體切片受y y向壓力，產(chǎn)生的電荷量與切片的幾何尺向壓力，產(chǎn)生的電荷量與切片的幾何尺寸有關(guān)，且電荷的極性與沿寸有關(guān)，且電荷的極性與沿x x軸施加壓力時產(chǎn)生的電荷極性軸施加壓力時產(chǎn)生的電荷極性相反。相反。l若壓電體受到多方向的作用力，晶體內(nèi)部將產(chǎn)生一個復(fù)若壓電體受到多方向的作用力，晶體內(nèi)部將產(chǎn)生一個復(fù)雜的應(yīng)力場，會同時出現(xiàn)縱向效應(yīng)和橫向效應(yīng)。壓電體各雜的應(yīng)力場，會同時出現(xiàn)縱向效應(yīng)和橫向效應(yīng)。壓電體各表面都會積聚電荷。表面都會積聚電荷。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院3 3、壓電式傳感器及其等效電路、壓電式傳感器及其等效電路華南理工大學(xué)廣州學(xué)院華南理工大學(xué)廣州學(xué)院等效電路：等效電路：壓電傳感器可被視為一個

30、電荷源。壓電傳感器可被視為一個電荷源。等效電路中電容器上的開路電壓等效電路中電容器上的開路電壓u u0 0、電荷、電荷q q以及電容以及電容C Ca a三者間三者間的關(guān)系有的關(guān)系有a0Cqu 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院5 5、壓電式傳感器的應(yīng)用、壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動加速度等，也壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動加速度等，也用于聲學(xué)和聲發(fā)射測量。用于聲學(xué)和聲發(fā)射測量。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院（2）集成壓電式傳感器 是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高

31、，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。 脈搏計照片 典型應(yīng)用： 脈搏計數(shù)探測 按鍵鍵盤，觸摸鍵盤 振動、沖擊、碰撞報警 振動加速度測量 管道壓力波動 其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器l定義：將溫度轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置。定義：將溫度轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置。l分類：熱電偶和熱電阻。分類：熱電偶和熱電阻。1、熱電偶、熱電偶（1）熱電偶工作原理）熱電偶工作原理n 熱電效應(yīng)：熱電效應(yīng)： 兩種不同的金屬導(dǎo)體兩種不同的金屬導(dǎo)體 A A 和和 B B 組成一個閉合回路時若兩

32、個組成一個閉合回路時若兩個結(jié)合點的溫度不同，則在回路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象結(jié)合點的溫度不同，則在回路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱熱電效應(yīng)。相應(yīng)的電勢稱稱熱電效應(yīng)。相應(yīng)的電勢稱熱電動勢熱電動勢。 A A、B B 稱為熱電極，兩電極的連接點稱為接點。測溫時置稱為熱電極，兩電極的連接點稱為接點。測溫時置于被測溫度場于被測溫度場 T T 的接點稱為熱端，另一端稱為冷端。的接點稱為熱端，另一端稱為冷端。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院n熱電偶回路的特點：熱電偶回路的特點：如果熱電偶的兩個熱電極材料相同，兩結(jié)點的溫度雖然如果熱電偶的兩個熱電極材料相同，兩結(jié)點的溫度雖然不同，但總的熱電勢仍為零。因此，熱電偶必須由兩種不

33、同，但總的熱電勢仍為零。因此，熱電偶必須由兩種不同的材料構(gòu)成；不同的材料構(gòu)成；如果熱電偶兩個接點的溫度相同，即使兩個熱電極如果熱電偶兩個接點的溫度相同，即使兩個熱電極 A A、B B 的材料不同，回路中熱電勢仍然為零，因此要產(chǎn)生熱的材料不同，回路中熱電勢仍然為零，因此要產(chǎn)生熱電勢不但要求兩個電極材料不同，而且兩個接點必須有電勢不但要求兩個電極材料不同，而且兩個接點必須有溫度差；溫度差；熱電勢與導(dǎo)體材料熱電勢與導(dǎo)體材料A A、B B的中間溫度無關(guān)，僅與兩個接點的中間溫度無關(guān)，僅與兩個接點的溫度有關(guān)。的溫度有關(guān)。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院n熱電偶的基本定律：熱電偶的基本定律：中間導(dǎo)體定律：中間導(dǎo)體定律：

34、中間導(dǎo)體的熱電偶回路在熱電偶測溫過程中，需要中間導(dǎo)體的熱電偶回路在熱電偶測溫過程中，需要用連接導(dǎo)線將熱電偶與測量儀表接通，這相當(dāng)于在熱電偶回路中接用連接導(dǎo)線將熱電偶與測量儀表接通，這相當(dāng)于在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體入第三種導(dǎo)體 C C，如圖，如圖 3 34040所示。所示。只要第三種導(dǎo)體兩端的溫度相只要第三種導(dǎo)體兩端的溫度相等，則對熱電偶回路總的熱電勢沒有影響，這就是中間導(dǎo)體定律。等，則對熱電偶回路總的熱電勢沒有影響，這就是中間導(dǎo)體定律。因此可以在回路中引入各種儀表直接測量其熱電勢，也允許采用不因此可以在回路中引入各種儀表直接測量其熱電勢，也允許采用不同方法來焊接熱電偶，或?qū)蔁犭姌O直接焊接

35、在被測導(dǎo)體表面。同方法來焊接熱電偶，或?qū)蔁犭姌O直接焊接在被測導(dǎo)體表面。中間導(dǎo)體的熱電偶回路華南理工大學(xué)廣州學(xué)院中間溫度定律：中間溫度定律：熱電偶回路中，熱端溫度為熱電偶回路中，熱端溫度為 T T、冷端為、冷端為 T T0 0時的熱時的熱電勢，等于此熱電偶熱端為電勢，等于此熱電偶熱端為T T、冷端為、冷端為T Tn n，及同一熱電偶熱端為，及同一熱電偶熱端為 T Tn n、冷端為冷端為T T0 0時熱電勢的代數(shù)和，如圖所示：時熱電勢的代數(shù)和，如圖所示：中間溫度定律示意圖華南理工大學(xué)廣州學(xué)院2、熱電阻傳感器、熱電阻傳感器l 熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性測量熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)

36、體的電阻隨溫度變化的特性測量溫度的。用金屬或半導(dǎo)體材料作為感溫元件的傳感器，分溫度的。用金屬或半導(dǎo)體材料作為感溫元件的傳感器，分別稱為別稱為熱電阻熱電阻和和熱敏電阻熱敏電阻。l 熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等組成。電阻體是主要部分。線盒等組成。電阻體是主要部分。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院（1 1）鉑電阻）鉑電阻l 特點：測溫精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠；特點：測溫精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠；l 測溫范圍：測溫范圍：-200-200 850850l 電阻與溫度關(guān)系：電阻與溫度關(guān)系： 說明：說明：Rt和和 R0分別為分別為 t 和

37、和 0 時的鉑電阻值；時的鉑電阻值；A、 B 為常數(shù)。為常數(shù)。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院（2 2）銅電阻）銅電阻l 特點：測溫精度低于鉑電阻，但線性度好、電阻溫度系數(shù)特點：測溫精度低于鉑電阻，但線性度好、電阻溫度系數(shù)高、價格便宜。高、價格便宜。l 測溫范圍：測溫范圍：-50-50 150150l 電阻與溫度關(guān)系：電阻與溫度關(guān)系：l R Rt t是溫度為是溫度為 t t時銅電阻值；時銅電阻值；R R0 0是溫度為是溫度為 0 0 時銅電阻值；時銅電阻值；a a1 1是常數(shù)；是常數(shù)；a a1 1= 4.25-4.28 = 4.25-4.28 1010-8-8-1-1。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院l 銅電阻體為

38、一個銅絲繞組（含錳銅補(bǔ)償部分），由直徑約銅電阻體為一個銅絲繞組（含錳銅補(bǔ)償部分），由直徑約0.1mm的絕緣銅絲繞在圓形塑料支架上。的絕緣銅絲繞在圓形塑料支架上。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院作業(yè)： P126 3-11華南理工大學(xué)廣州學(xué)院第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器 物性型傳感器物性型傳感器:利用敏感元件材料本身的物理化學(xué)利用敏感元件材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)實現(xiàn)信號的變換性質(zhì)實現(xiàn)信號的變換. 物性型傳感器大多屬于半導(dǎo)體傳感器物性型傳感器大多屬于半導(dǎo)體傳感器. 半導(dǎo)體傳感器具有明顯的優(yōu)點半導(dǎo)體傳感器具有明顯的優(yōu)點: 1.結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單,體積小體積小,重量輕重量輕,靈敏度高靈敏度高. 2.功耗低功耗低,安全可靠安全可

39、靠,壽命長壽命長. 3.對被測量敏感對被測量敏感,響應(yīng)快響應(yīng)快. 4.易集成化易集成化.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院1磁敏傳感器磁敏傳感器1. 霍爾傳感器霍爾傳感器利用霍爾元件基于利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器出的一種傳感器霍爾元件：基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件?；魻栐夯诨魻栃?yīng)工作的半導(dǎo)體器件。組成材料組成材料：砷化銦（：砷化銦（InAs）、銻化銦（）、銻化銦（InSb）、鍺（）、鍺（Ge）、）、砷化鎵（砷化鎵（GaAs）等）等高電阻率半導(dǎo)體材料高電阻率半導(dǎo)體材料。霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)：將半導(dǎo)體薄片（霍爾板）置于一磁場中，板厚

40、：將半導(dǎo)體薄片（霍爾板）置于一磁場中，板厚d一般遠(yuǎn)小于板寬一般遠(yuǎn)小于板寬b和板長，當(dāng)在板長度方向通以控制電和板長，當(dāng)在板長度方向通以控制電流流I時，則在板的側(cè)向（寬度方向）會產(chǎn)生電勢差時，則在板的側(cè)向（寬度方向）會產(chǎn)生電勢差,稱為稱為霍爾電勢霍爾電勢,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng).華南理工大學(xué)廣州學(xué)院sinHBVk iB如果改變?nèi)绻淖傿或或i，就可以改變霍爾電勢。，就可以改變霍爾電勢。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成?；魻柶且粔K霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成?；魻柶且粔K半導(dǎo)體單晶薄片半導(dǎo)體單晶薄片(一般為一般為420.1mm3)，在它的長度方向

41、，在它的長度方向兩端面上焊有兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點的形式對稱地焊有的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾電極。常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾電極。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院鋼絲繩斷絲檢測華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 熱敏電阻是一種半導(dǎo)體溫度傳感器，利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成。 半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。二、熱敏傳感器二、熱敏傳感器 )11(00TTeRRRT華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電阻-溫度特性 式中RT, R0熱敏電阻在絕對溫度T，T0時的阻值 T0, T 介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（K）； t0 , t 介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（）； B 熱敏電阻材料常數(shù)，一般為20006000K， 其大小取決于熱敏電阻的材料華南理工大學(xué)廣州學(xué)院五、固態(tài)圖象五、固態(tài)圖象(CCD)傳感器傳感器 固態(tài)圖象傳感器：一種固態(tài)集成元件，其固態(tài)圖象傳感器：一種固態(tài)集成元件，其核心部分是電荷耦合器件（核心部分是電荷耦合器件（Charg