傳感器類型及原理

1、傳感器類型及原理第1頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日1. 傳感器定義 傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成（GB766587）。 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，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。物理量電參量4.1 概述第四章、傳感器類型及工作原理第2頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日2. 傳感器的構(gòu)成4.1 概述 敏感元件（或稱預(yù)變換器，也統(tǒng)稱彈性敏感元件） 在進行由非電量到電量的變換時，有時需利用彈性敏感元件，先將被測非電量預(yù)先變換為另一種易于

2、變換成電量的非電量（例如應(yīng)變或位移），然后再利用傳感元件，將這種非電量變換成電量。彈性敏感元件是傳感器的心臟部分，在電測技術(shù)中占有極為重要的地位。它常由金屬或非金屬材料做成，當承受外力作用時，它會產(chǎn)生彈性變形；當去除外力后，彈性變形消失并能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀。右圖為彈簧管壓力計。第3頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日 轉(zhuǎn)換元件 （或稱傳感元件） 凡是能將感受到的非電量（如力、壓力、溫度梯度等）直接變換為電參量的元件。例如應(yīng)變計、壓電晶體、壓磁式器件、光電元件及熱電偶等。 它利用各種物理效應(yīng)或化學(xué)效應(yīng)等原理制成的。 說明: 并不是所有的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元

3、件兩部分。有時不需要進行預(yù)變換這一步，例如熱敏電阻、光電器件等。另外一些傳感器，敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合二為一，如固態(tài)壓阻式壓力傳感器等。4.1 概述第4頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日3. 傳感器的分類4.1 概述1)按被測物理量分類常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 力矩;熱工量:溫度、熱量、比熱容、熱流、 熱分布、壓力（壓強）、壓差、 真空度、流量、流速、物位、 液位、界面。噪聲第5頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日4.1 概述電阻式,電感式,電容式,磁電式,熱電式,光電式等.2)按傳感器

4、的工作原理分類:能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)按信號變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計,磁電式位移計.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.例如:電容式聲級計.第6頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日4.1 概述4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系: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.如:水銀溫度計.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:電容式和電感式傳感器.第7頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日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,

5、按工作的原理可分為:電位計式、電阻應(yīng)變式、 壓阻式、熱電阻式、濕（氣、光）敏電阻式。1 電位計式傳感器第四章、傳感器類型及工作原理4.2 電阻式傳感器第8頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日4.2 電阻式傳感器EE1VRmRxR-Rx1EE1=xLRmR+Lx()-第9頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日案例：重量的自動檢測-配料設(shè)備 比較重量設(shè)定原材料4.2 電阻式傳感器原理：彈簧-力-位移 -電位器-電阻第10頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲原理：鋼絲-收線圈數(shù) -電位器 -電阻4.2 電阻

6、式傳感器第11頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日 電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化。 2 金屬應(yīng)變式傳感器4.2 電阻式傳感器第12頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日1) 工作原理上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化,求導(dǎo)數(shù)金屬應(yīng)變片的電阻R為代入4.2 電阻式傳感器第13頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日有：金屬絲：金屬絲體積不變：4.2 電阻式傳感器第14頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日有：

7、對金屬材料，導(dǎo)電率不變：金屬絲應(yīng)變片：4.2 電阻式傳感器第15頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日應(yīng)變計金屬應(yīng)變片4.2 電阻式傳感器第16頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日2) 應(yīng)變片的主要參數(shù) 4）其它表示應(yīng)變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。 1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，常用bL表示。2）電阻值：應(yīng)變計的原始電阻值。 3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。 4.2 電阻式傳感器參數(shù)名稱電阻值 /靈敏度電阻溫度系數(shù) /（1/C）極限工作溫度 /C最大工作電流 /mAPZ-120型PJ-120型B

8、X-200型BA-120型BB-350型PBD-1K型PBD-120型1201202001203501000+10%120+10%1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2140+5%120+5%2010-62010-60.4%0.2%-1040-1040-3060-30200-30170606020202525251525第17頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日3) 應(yīng)變片測量電路VER1R4R2R34.2 電阻式傳感器 金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大，一般用電橋。單臂電橋第18頁，共74頁，2

9、022年，5月20日，21點37分，星期日令：金屬絲應(yīng)變片：V與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測量電壓測量應(yīng)變4.2 電阻式傳感器第19頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日 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12以及產(chǎn)生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。4.2 電阻式傳感器第20頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日四臂全橋 全橋的四個橋臂都為應(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14）正負號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方式

10、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）還能實現(xiàn)溫度自補償。4.2 電阻式傳感器第21頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日全橋的溫度補償原理 當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較小；半橋也同樣能克服溫漂。 4.2 電阻式傳感器第22頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用 應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接

11、到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。4.2 電阻式傳感器第23頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力4.2 電阻式傳感器第24頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形4.2 電阻式傳感器第25頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過

12、應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。4.2 電阻式傳感器第26頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日人體秤 4.2 電阻式傳感器第27頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日案例：振動式地音入侵探測器 適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。4.2 電阻式傳感器第28頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日應(yīng)變片的粘貼：1. 去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。 4.2 電阻式傳感器第29頁，共74頁，2022年，5月20日

13、，21點37分，星期日 2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。4.2 電阻式傳感器第30頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日 3.測量 ：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。4.2 電阻式傳感器第31頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日4.焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。 4.2 電阻式傳感器第32頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日5.固定： 焊接后用

14、膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。4.2 電阻式傳感器第33頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日3 半導(dǎo)體壓阻式傳感器簡化為：優(yōu)點：靈敏度大;體積小;固有頻率高；缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。對半導(dǎo)體壓阻材料，電阻率變化大：壓阻效應(yīng):固體材料受到應(yīng)力作用后，電阻率會發(fā)生變化。4.2 電阻式傳感器第34頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日壓阻式壓力傳感器的隔離、承壓膜片 隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片 隔離開來。 4.2 電阻式傳感器第35頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日利用擴散

15、工藝制作的四個半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好。 4.2 電阻式傳感器第36頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日壓阻式 壓力傳感器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號處理電路4.2 電阻式傳感器第37頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日高壓進氣口低壓進氣口4.2 電阻式傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器第38頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日投入式液位計外形 壓阻式壓力傳感器 光柱 顯示器 橡膠 背壓管 h=h0+h1=h0+p1 /（g） 4.2 電阻式傳感器第39頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日4 氣敏電阻傳感器

16、 使用氣敏電阻傳感器（以下簡稱氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號。 還原性氣體傳感器 所謂還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。 測量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。 4.2 電阻式傳感器第40頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日4.2 電阻式傳感器a）氣敏燒結(jié)體 b）氣敏電阻外形 c）基本測量轉(zhuǎn)換電路 1引腳

17、 2塑料底座 3燒結(jié)體 4不銹鋼網(wǎng)罩 5加熱電極6工作電極 7加熱回路電源 8測量回路電源 MQN型氣敏半導(dǎo)體器件是由塑料底座、電極引線、不銹鋼網(wǎng)罩、氣敏燒結(jié)體以及包裹在燒結(jié)體中的兩組鉑絲組成。一組鉑絲為工作電極，另一組（圖中的左邊鉑絲）為加熱電極兼工作電極。 氣敏電阻工作時必須加熱到200300，其目的是加速被測氣體的化學(xué)吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。 第41頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日氣敏電阻外形 酒精傳感器 其他可燃性氣體傳感器4.2 電阻式傳感器第42頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日酒精測試儀呼氣管4.2

18、 電阻式傳感器第43頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日家庭用液化氣報警器煙霧報警器一氧化碳傳感器家庭用煤氣報警器4.2 電阻式傳感器第44頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日4.2 電阻式傳感器5 濕敏電阻傳感器 絕對濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質(zhì)量(克數(shù))。 相對濕度：是大氣中實有水汽壓與當時溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當相對濕度達100%時，稱飽和狀態(tài)。 濕敏電阻的原理：水是一種強極性的電解質(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、

19、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。 第45頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日濕度傳感器的分類 4.2 電阻式傳感器第46頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日電子濕度計模塊封裝后的外形4.2 電阻式傳感器第47頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日電子相對濕度儀表的標定儀器 干濕球濕度計外形及原理干球濕球4.2 電阻式傳感器第48頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日 用干濕球濕度計測量相對濕度的原理 上頁中，左邊的玻璃溫度計（濕球）用濕棉球包裹，并浸沒在水槽里。濕棉球由于水份蒸發(fā)，所以其溫度低于室溫，致使?jié)袂?/p>

20、的示值低于干球。查對應(yīng)的濕度表就可知道空氣的相對濕度。雖然干濕球濕度計的歷史悠久，但現(xiàn)在還經(jīng)常用它作為電子相對濕度儀表的標定儀器。風水槽棉球玻璃酒精溫度計4.2 電阻式傳感器第49頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日6 熱電阻傳感器 導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的電阻率與溫度有關(guān)，金屬的電阻隨溫度升高而變大，而半導(dǎo)體的電阻具有負的溫度系數(shù)。 導(dǎo)體的電阻在一定溫度范圍內(nèi)與溫度具有線性關(guān)系 半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。 RT負溫度系數(shù)（NTC）4.2 電阻式傳感器第50頁，共74頁，2

21、022年，5月20日，21點37分，星期日熱敏電阻外形 MF12型 NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻4.2 電阻式傳感器第51頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日溫控器應(yīng)用汽車發(fā)動機傳感器水溫感應(yīng)塞還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等4.2 電阻式傳感器第52頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日第四章、傳感器類型及工作原理4.3 電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型第53頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日4.3 電感式傳感器1 自感型

22、-可變磁阻式可變導(dǎo)磁面積型差動型原理:電磁感應(yīng)第54頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日2 渦流式原理:渦流效應(yīng)4.3 電感式傳感器第55頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日原線圈的等效阻抗Z變化：4.3 電感式傳感器第56頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日4.3 電感式傳感器第57頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日產(chǎn)品：4.3 電感式傳感器第58頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日案例：連續(xù)油管的橢圓度測量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circ

23、le4.3 電感式傳感器第59頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測4.3 電感式傳感器第60頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日2 互感型-差動變壓器WW1W2Esx-x工作原理:互感現(xiàn)象.EwEout4.3 電感式傳感器第61頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日單螺管線圈型螺管線圈差動雙螺管線圈差動型傳感器測量電路4.3 電感式傳感器第62頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日差動變壓器測量電路4.3 電感式傳感器第63頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日差動變壓器位移傳感器4.3 電感式傳感器第64頁，共74頁，2022年，5月20日，21點37分，星期日案例：板的厚度測量 4.3 電感式傳感器