第三章：常用的傳感器

第三章常用的傳感器§3-1傳感器的分類§3-2電阻式傳感器§3-3電感式傳感器§3-4電容式傳感器§3-5壓電式傳感器§3-6磁電式傳感器§3-7半導體傳感器§3-8傳感器的選用原則概述傳感器——能按一定規(guī)律把被測量轉化為同種或另一種量值輸出的器件。目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。傳感器的作用——類似于人類的感覺器官。它把被測量，如力、位移、溫度等，轉化為易測信號，傳遞給測量系統(tǒng)的信號調理環(huán)節(jié)深入研究傳感器的原理和作用，研制新型傳感器，對于社會的發(fā)展有十分重要的作用。§3-1傳感器的分類位移傳感器按被測量分力傳感器

溫度傳感器等機械式按工作原理分電氣式

光學式等§3-1傳感器的分類機械式傳感器常常以彈性元件作為傳感器的敏感元件，故也稱為彈性敏感元件?？捎脕頊y力、壓力、溫度等。它的輸出是彈性元件本身的彈性變形。可將彈性變形轉換為儀表指針的偏轉，借助刻度指示出被測量的大小。也可利用其他傳感器，將彈性變形(位移量)轉換為電信號輸出。優(yōu)缺點：有結構簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數直觀等優(yōu)點。其缺點是彈性變形不宜大，以減小線性誤差，此外，由于放大和指示環(huán)節(jié)多為機械傳動，不僅受間隙影響，而且慣性大，固有頻率低，只適宜于檢測緩變或靜態(tài)被測量?！?-2電阻式傳感器它是一種把被測量轉換為電阻變化的傳感器，屬能量控制型傳感器。按其工作原理可分為變阻器式傳感器和電阻應變式傳感器兩類?！?-2電阻式傳感器一、變阻式傳感器（電位差計式傳感器）當ρ、A保持不變時，R∝l。如圖，改變電位器觸頭位置，則會改變A、C之間電阻絲長度，從而改變A、C兩點間的電阻R。可用來測量位移量(線位移、角位移等)?！?-2電阻式傳感器直線位移型：R=klx，靈敏度S=dR/dx=kl。當導線均布時，kl為常數，傳感器輸出（電阻）與輸入（位移）呈線性關系。角位移型：S=dR/da=ka，導線均布時，輸出與角位移a呈線性關系。非線性型：若要求輸出R與輸入（位移x）呈非線性關系，則要求變阻器骨架做成三角形或其他形狀。§3-2電阻式傳感器變阻式傳感器的后繼電路一般采用電阻分壓電路，如圖，輸出電壓uy與直流激勵電壓u0及位移x之間的關系可用下式表示。可見，只有當后接電路電阻RL>>Rp時，uy與x成線性關系?！?-2電阻式傳感器優(yōu)缺點：變阻器式傳感器的優(yōu)點是結構簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。缺點是因受到電阻絲直徑的限制，分辨力不高。提高分辨力需要使用更細的電阻絲，其繞制較困難。所以變阻器式傳感器的分辨力很難優(yōu)于20μm。變阻器式傳感器產品案例：重量的自動檢測--配料設備

比較重量設定原材料3.2電阻式傳感器原理：彈簧->力->位移->電位器->電阻案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲3.2電阻式傳感器原理：鋼絲->收線圈數->電位器->電阻案例：玩具機器人（廣州中鳴數碼）3.2電阻式傳感器原理：電機->轉角->電位器->電阻§3-2電阻式傳感器二、電阻應變式傳感器測量對象：應變、力、位移、加速度、扭矩等。優(yōu)點：體積小、動態(tài)響應快、測量精度高、使用簡便。分類：金屬電阻應變片、半導體應變片?！?-2電阻式傳感器金屬電阻應變片金屬電阻絲應變片§3-2電阻式傳感器金屬箔式應變片：用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。優(yōu)點：用光刻技術制造，適于大批量生產，且線條均勻，尺寸準確，阻值一致性好。箔片厚約1~10μm，散熱好，粘結情況好，傳遞試件應變性能好。因此，目前使用的多系金屬箔式應變片?！?-2電阻式傳感器工作原理將應變片用特制膠水粘固在彈性元件或需要測量變形的物體表面。電阻絲即隨該物體一同變形，導致電阻絲的長度l、截面大小A、以及電阻率ρ都發(fā)生變化，從而引起電阻應變片電阻絲電阻的變化，利用電橋就可測出電阻變化，從而測出應變大小?！?-2電阻式傳感器電阻相對變化：ν——絲材泊桑比§3-2電阻式傳感器λ——壓阻系數，與絲材材質有關；E——絲材彈性模量。經整理：§3-2電阻式傳感器項由電阻絲幾何尺寸改變所至，對同一材料，1+2ν是常數，λEε是由電阻絲的電阻率隨應變的改變而引起的，對金屬電阻絲，λE很小，可忽略。故：此式表明電阻的相對變化與應變ε成正比?！娮钁兤膽兿禂?，或靈敏度。Sg多在1.7~3.6之間?！?-2電阻式傳感器電阻應變片的標準電阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等，其中120Ω最常用.§3-2電阻式傳感器它的工作原理與金屬電阻應變片類似。但引起阻值變化的因素中，遠小于λEε項，可忽略。它是利用半導體材料的壓阻效應來工作的。靈敏度：半導體應變片§3-2電阻式傳感器優(yōu)點：體積小，靈敏度高，機械滯后小，橫向靈敏度小。缺點：溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度分散度大（晶向、雜質影響）、在較大應變作用下，非線性誤差大等。這給應用帶來了一定困難。應變計3.2電阻式傳感器金屬應變計§3-2電阻式傳感器使用應變片傳感器應注意的事項1）應變片與試件（或彈性元件）應粘牢。貼應變片時，試件表面應清洗干凈，同時，應選用適當的粘合劑。2）動態(tài)測量時，應考慮應變片本身的動態(tài)響應特性。電橋激勵電源頻率越高，應變片基長越短，所能測量的上限頻率越高。3）溫度的升高會引起應變片電阻值的變化，測量時，必須進行溫度補償（一般利用電橋的和差特性進行補償）。關于電橋的應用，詳見第四章。3.2電阻式傳感器應變片測量電路VER1R2R3R4§3-2電阻式傳感器電阻應變式傳感器的應用實例將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數的傳感器?！?-2電阻式傳感器電阻應變式傳感器的應用實例測定結構的應變或應力案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。3.2電阻式傳感器案例：沖床生產記數和生產過程監(jiān)測3.2電阻式傳感器案例：機器人握力測量3.2電阻式傳感器3.2電阻式傳感器案例：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。3.2電阻式傳感器§3-3電感式傳感器電感式傳感器是一種把被測量（一般為位移）轉換為電感量變化的一種裝置。它利用了電磁感應原理。按變換方式的不同，可分為自感型和互感型兩種。

電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉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§3-3電感式傳感器一、自感型1、可變磁阻式如圖，線圈自感量L為：式中：W—線圈匝數Rm—磁路總磁阻§3-3電感式傳感器若空氣隙δ較小，且不考慮磁路鐵損時，則總磁阻為：§3-3電感式傳感器由此可知，δ的變化或A0的變化均會引起L的變化。因為鐵心磁阻遠小于空氣隙的磁阻，可以忽略，故：§3-3電感式傳感器1）當A0固定時，L∝1/δ，L與δ呈非線性關系，其靈敏度為：（dL/dδ）由于S∝1/δ2，故δ愈小，其靈敏度愈高。S不是常數，有非線性誤差。為減小誤差，間隙δ的變化范圍不能太大，一般取△δ/δ0≦0.1。這種傳感器只能測量較小的位移量，一般為0.001~1mm?！?-3電感式傳感器1）當A0固定時，L∝1/δ，L與δ呈非線性關系，其靈敏度為：（dL/dδ）為提高靈敏度S并改善非線性，可做成差動式。§3-3電感式傳感器2）當δ固定時，改變A0，可做成另外一種形式的傳感器：§3-3電感式傳感器電感的變化一般用電橋讀出?！?-3電感式傳感器2、渦電流式它是利用金屬導體在交變磁場（由線圈通上交流電產生）的作用下產生渦電流，渦電流又產生反抗磁場，引起原線圈阻抗的變化的原理制成的。原線圈的等效阻抗Z變化：§3-3電感式傳感器渦流式傳感器的測量電路：一般采用阻抗式調幅電路（圖3-16）或調頻電路（圖3-18）。圖3-17是調幅電路的諧振曲線和輸出特性?！?-3電感式傳感器渦流式傳感器可用于動態(tài)非接觸式測量，測量范圍隨傳感器結構尺寸、線圈匝數和激磁頻率而異，從±1mm到±10mm不等。分辨率可達0.1μm。此外，它結構簡單，使用方便，不受油液等介質影響等。應用越來越廣泛。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§3-3電感式傳感器二、互感型——差動變壓式電感傳感器它是利用電磁感應中的互感現象工作的。如圖，線圈中的感應電勢為：式中M（互感）的大小與兩線圈相對位置及周圍介質的導磁能力等因素有關?；ジ行蛡鞲衅骶褪抢昧诉@一原理，將被測位移量轉換成線圈互感的變化。這種傳感器實質上就是一個小型的變壓器?！?-3電感式傳感器實際應用中，一般使用兩個次級線圈，做成差動變壓器式傳感器。當鐵心位于中心位置時，輸出電壓e0=e1-e2=0，當鐵心上移或下移x時，e1≠e2，e0隨位移的增大而增大（圖C）。e0是交流電壓，其幅值與鐵心位移成正比。測量e0的大小只能確定位移的大小，而無法確定位移的方向，一般通過相敏檢波電路來確定位移的方向及大小?！?-3電感式傳感器互感型傳感器的特點：案例：板的厚度測量~案例：張力測量變換原理:將被測量的變化轉化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++Aδ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化?！?-4電容式傳感器a)極距δ變化型++++++b)面積變化型角位移型+++平面線位移型柱面線位移型.產品.陶瓷電容壓力傳感器液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產生位移。

壓力變送器c)介質變化型產品.電容式液位傳感器（液位計/料位計）3.4電容式傳感器

§3-4電容式傳感器二、測量電路1、電橋型電路將差動式電容傳感器作為交流電橋的一部分，當電容變化時，電橋的輸出電壓隨之變化，電橋的輸出為一調幅波，經放大、相敏解調、濾波后獲得輸出（電壓），用該輸出推動顯示儀表?！?-4電容式傳感器2、直流極化電路這是另一種形式的測量電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器中?！?-4電容式傳感器3、諧振電路圖3-27，電容傳感器的電容Cx作為諧振電路調諧電容的一部分，電路的輸出為電壓u或電流I。Cx變化時，u或I也隨之變化，當Cx變到一定值時，輸出達到最大值。圖3-27§3-4電容式傳感器圖3-27為獲得較好的線性，工作點應選擇在諧振曲線一邊的準線性區(qū)域內。圖中C為Cx與C2并聯后所得到的等效電容。特點：電路比較靈敏，但工作點不好選，變化范圍較窄，傳感器連接電纜的雜散電容影響也較大。§3-4電容式傳感器4、調頻電路§3-4電容式傳感器5、運算放大器電路§3-4電容式傳感器三、注意事項電容傳感器的電容量很小，其變化量更小，一般在1pF以下。而傳感器極板與周圍元件之間，以及連接電纜之間都存在著寄生電容，其值很大而且不穩(wěn)定，這就使測量精確度受到嚴重影響，甚至無法工作。因此，應采取技術措施來減小或消除寄生電容的影響。常用的措施有：縮短傳感器和測量電路之間的電纜，甚至將測量電路的一部分和傳感器做成一體，或采用專用的驅動電纜。§3-5壓電式傳感器壓電式傳感器是利用某些物質的壓電效應來工作的。一、壓電效應定義：某些物質，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內部極化，表面上有電荷出現，形成電場；當外力消失時，材料重新回復到原來狀態(tài)，這種現象稱為壓電效應。相反，如果將這些物質置于電場中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種由于外電場作用導致物質的機械變形的現象，稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮效應。變換原理:壓電效應

某些物質，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內部會被極化，表面產生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現象稱為壓電效應。F+§3-5壓電式傳感器石英（SiO2)晶體的形狀為六角形晶柱（圖3-31a），截去兩頭后則為一六棱柱（圖b）。z-z稱為光軸；y-y稱為機械軸；x-x稱為電軸。從晶體中按一定規(guī)則切下一個平行六面體（長方體），做為壓電式傳感器的敏感元件。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。石英是常用的一種壓電材料。§3-5壓電式傳感器當對切下的晶體施加外力時，將沿x-x軸（電軸）方向形成電場，其電荷分布在垂直于x-x軸的平面上，電荷量的大小與外力成正比。q=dcF§3-5壓電式傳感器§3-5壓電式傳感器二、壓電材料分三大類：壓電單晶壓電陶瓷（屬多晶體）有機壓電薄膜§3-5壓電式傳感器三、壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶片的兩個工作面（垂直于x-x軸）上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構成兩個電極。當晶片受到外力作用時，在兩個極板上積聚數量相等，而極性相反的電荷，形成電場。因此，壓電式傳感器可以看作是電荷發(fā)生器，同時也是一個電容器?！?-5壓電式傳感器實際測量中，往往用兩個或兩個以上的晶片進行串接或并接。并接時，C大，q大，適宜于以電荷量輸出的場合。串接時，電容小，輸出電壓大，適宜于以電壓作為輸出信號?！?-5壓電式傳感器壓電式傳感器是一個具有一定電容Ca的電荷源，其等效電路如圖所示。其中，Cc—電纜電容，R0—后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器中的漏電阻形成的等效電阻?！?-5壓電式傳感器四、測量電路壓電式傳感器的輸出是很微弱的電荷，加上本身內阻很大，故輸出能量甚微，因此通常把傳感器信號先輸出到高輸入阻抗的前置放大器，經過阻抗變換后，方可用一般的放大、檢波電路將信號輸出給指示儀表或記錄器。前置放大器的作用：將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵龇糯髠鞲衅鬏敵龅奈⑷跣盘??！?-5壓電式傳感器前置放大器電路的形式：電阻反饋式電壓放大器，其輸出電壓與傳感器的輸出電壓成正比。電容反饋式電荷放大器，其輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比，并與電纜對地電容無關，可用較長的連接電纜，而用電壓放大器則不然。產品壓力變送器

加速度計力傳感器§3-5壓電式傳感器五、壓電式傳感器的應用測力、壓力、振動的加速度聲學（包括超聲）和聲發(fā)射等測量§3-5壓電式傳感器壓電式傳感器一般用來測量沿其軸線的作用力（x軸），但其他方向的作用力也會產生輸出（稱為橫向輸出），橫向輸出是一種干擾，是產生測量誤差的主要原因之一。與橫向輸出對應的靈敏度稱為橫向靈敏度。應用時，應該使用橫向靈敏度小的傳感器。壓電式傳感器各方向的橫向靈敏度是不一樣的，為減小橫向靈敏度的影響，在安裝傳感器時，應該使橫向靈敏度最小的方向與最大橫向干擾力方向重合。變換原理:

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉換為感應電動勢的一種轉換器。感應線圈的感應電動勢e為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。

§3-6磁電式傳感器分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N§3-6磁電式傳感器一、動圈式圖示為線速度型傳感器，可測線速度。§3-6磁電式傳感器由此可知，傳感器的輸出與輸入（線、角速度）呈線性關系。圖示為角速度型傳感器，可測角速度。角速度型測速電機§3-6磁電式傳感器動圈磁電式傳感器的等效電路如下圖所示。磁電式傳感器的工作原理是可逆的，作為測振傳感器，它工作于發(fā)電機狀態(tài)（v→e）。若在線圈中加上交變激勵電壓，則線圈就會在磁場中振動，由此可做成激振器（此時工作于電動機狀態(tài)）。§3-6磁電式傳感器二、磁阻式如圖。在這類傳感器中，線圈與磁鐵不作相對運動，而是由運動著的物體（導磁材料）來改變磁路的磁阻，從而使線圈中產生感應電動勢。可用來測轉速、偏心量、振動等。NS案例：鼠籠電機轉子斷細條檢測§3-7半導體傳感器不同的半導體材料，有著對光、熱、力、磁、氣體、濕度等理化量的敏感性，因此，可利用半導體材料的這些特性，做成各種目的的傳感器?！?-7半導體傳感器一、磁敏傳感器1、霍爾元件：利用霍爾效應工作。工作時，將霍爾元件置于磁場中，在a、b端通以電流，則在c、d端輸出霍爾電勢VH。由此可知，當i、B發(fā)生變化時，VH隨之改變。§3-7半導體傳感器霍爾元件的應用舉例測位移(圖3-39)檢測鋼絲繩斷絲情況(圖3-40)§3-7半導體傳感器2、磁阻元件磁阻元件是利用半導體材料的磁阻效應來工作的。磁阻效應將使通有電流i的金屬或半導體的ab兩端之間的電阻隨外磁場B而變化?！?-7半導體傳感器3、磁敏管可檢測微弱磁場的變化?？捎糜诖帕μ絺蜃龀纱艌鲇|發(fā)的無觸點開關。也可測轉速、位移等。

光敏傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。光敏電阻、光電池、光敏管二、光敏傳感器（利用半導體材料的光電效應）1、光敏電阻內光電效應半導體材料受到光照時會產生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現象,稱為內光電效應。2光電池光能→電能。用得最多的是硅光電池。

光生伏特效應指半導體材料P-N結受到光照后產生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。+++---PN§3-7半導體傳感器3、光敏二極管和光敏三極管功用：光信號→電信號。光電轉換元件的靈敏度很高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定，價格便宜，因此，在工業(yè)技術中得到了廣泛的應用。如檢測零件表面缺陷。亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內部設定值相比較，調整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的?！?-7半導體傳感器三、固態(tài)圖像傳感器圖像傳感器從功能上來說，它是一個能把受光面的光像分成許多小單元（像元），并將它們轉換成電信號，然后順序地輸送出去的器件。在半導體硅片上按線陣或面陣排列MOS（金屬-氧化物-硅）單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像。CCD固態(tài)圖象傳感器特點:(1)非接觸檢測;(2)響應快;(3)可靠性高,為修簡便;(4)測量精度高;(5)體積小,重量輕;容易與計算機連接(6)對被測物體需要強光照射;(7)受被測物體以外的光的影響.CCD固態(tài)圖象傳感器

條形碼掃描器§3-7半導體傳感器四、熱敏電阻它有負的電阻溫度系數，其阻值隨溫度的上升而下降。廣泛應用于測量儀器、自動控制用自動檢測裝置中的溫度測量。熱敏電阻傳感器

半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數，隨溫度上升而阻值下降。熱敏傳感器RT熱敏傳感器溫控器熱敏傳感器應用汽車發(fā)動機傳感器水溫感應塞還廣泛應用于空調、暖氣、電子體溫計等五、氣敏電阻傳感器氣體與人類日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達0.8～1.15ml/L時，就會出現呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。氣敏傳感器