第3章-常用傳感器與敏感元件

第三章常用的傳感器與敏感元件

§3.1

概述§3.2

機械式傳感器

§3.3

電阻式傳感器§3.4

電感式傳感器§3.5

電容式傳感器§3.6

壓電式傳感器§3.7

其他傳感器§3.9

傳動器的選用原則返回緒 論

工程測量中通常把直接作用于被測量，并能按一定方式將其轉換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。 由于傳感器處于測量裝置的輸入端，是測試系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，其性能直接影響整個測試系統(tǒng)，對測試精度至關重要。 深入研究傳感器類型、原理和應用，研制開發(fā)新型傳感器，對于科學技術和生產(chǎn)工程中的自動控制和智能化發(fā)展，以及人類觀測研究自然界事物的深度和廣度都有重要實際意義。第一節(jié)常用傳感器分類工程中常用傳感器的種類繁多，往往一種物理量可用多種類型的傳感器來測量，而同一種傳感器也可用于多種物理量的測量。傳感器有多種分類方式。按被測物理量的不同，可分為位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器；按傳感器工作原理的不同，可分為機械式傳感器、電氣式傳感器、光學式傳感器、流體式傳感器等。按信號變換特性也可概括分為物性型傳感器與結構型傳感器；根據(jù)敏感元件與被測對象之間的能量關系，也可分為能量轉換型與能量控制型傳感器；按輸出信號分類，可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器等。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現(xiàn)信號變換的。例如，水銀溫度計、壓力測力計等。結構型傳感器則是依靠傳感器結構參數(shù)的變化而實現(xiàn)信號轉變的。例如，電容式傳感器、電感式傳感器等。能量轉換型傳感器，也稱無源傳感器，是直接由被測對象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計、彈性壓力計等。能量控制型傳感器，也稱有源傳感器，是從外部供給能量使傳感器工作的，并且由被測量來控制外部供給能量的變化。電阻溫度計、電容式測振儀等。第二節(jié)機械式傳感器及儀器 一、工作原理： 以彈性元件作為傳感器的敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，輸出則為彈性元件本身的彈性變形。詳見圖3-3。二、特點及應用優(yōu)點：機構簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等特點。缺點：彈性變形不宜大，以減少線性誤差。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，適于檢測緩變或者靜態(tài)被測量。為了提高測量的頻率范圍，可先用彈性元件將測量轉換成位移量，然后用其他形式的傳感器將位移量轉換成電信號輸出。被測量彈性元件變形（位移）敏感元件電信號第三節(jié)電阻、電容與電感式傳感器1、電阻式傳感器2、電容式傳感器

工作原理：變阻器式傳感器它通過改變電位器觸頭位置，實現(xiàn)將位移信號轉換成電阻R的變化。其表達式為當導線分布均勻是，k1為一常數(shù)，傳感器的輸出與輸入成線性關系。一、電阻式傳感器1、變阻器式傳感器1）直線位移型：傳感器的靈敏度：2）回轉式型：其靈敏度為：式中：α—電刷轉角（rad）；

kα—單位弧度所對應的電阻值。變阻器式傳感器的后接電路，一般采用電阻分壓電路，傳感器的輸出電壓uo可用下式計算：（3-3）3)變阻式傳感器的性能特點：優(yōu)點：結構簡單，性能穩(wěn)定、使用方便；缺點：分辨力不高。4）適用場合：主要應用于線位移、角位移等的測量。式（3-3）表明，只用當RP/RL—>0，輸出電壓uo才與位移成現(xiàn)行關系。（1）金屬電阻應變片常見金屬電阻應變片有絲式、箔式兩種。工作原理基于應變片發(fā)生機械變形時，其阻值發(fā)生變化。由于電阻值R=ρl/A,其長度l、截面積A、電阻率ρ均將隨電阻絲的變化而變化。當其中任意可變因素分別有增量時，所引起的電阻增量為：2、電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器可以用于測量應變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)。具有體積小、動態(tài)響應快、測量精度高、使用簡便等優(yōu)點。（3-4）式中A=πr2，r為電阻絲半徑，則電阻的相對變化為：式中dl/l=ε—電阻絲軸向相對變形，或稱為縱向應變；

dρ/ρ—電阻絲電阻率的相對變化，與電阻絲軸 向所受的正應力σ有關。其中 E—電阻絲材料的彈性模量；

λ—壓阻系數(shù)，與材質有關；

dr/r—電阻絲徑向相對變形，或稱為橫向應變。（3-5）（3-6）當電阻絲沿軸向伸長時，必沿徑向收縮，兩者的關系為：式中ν—電阻絲材料的泊松比；

λEε項則是由于電阻率隨應變的改變而引起的，對于金屬絲來說，λE是可以忽略的。（3-7）（3-8）（3-9）式（3-9）表明電阻相對變化率與應變成正比。一般用比值Sg表征電阻應變片的應變或靈敏度（3-10）靈敏度Sg多在1.7~3.6之間，常見電阻絲材料物理性能見表3-2。（2）半導體應變片工作原理：基于半導體材料的壓阻效應。所謂的壓阻效應是指單晶導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率ρ發(fā)生變化。對于半導體而言，λEε遠遠大于項（1+2ν）ε項，它是半導體應變片的主要部分，故式（3-8）可簡化為：半導體應變片靈敏度：金屬絲電阻應變片與半導體應變片的主要區(qū)別在于：前者是利用導體形變引起電阻的變化，后者利用半導體電阻率變化引起電阻變化。半導體應變片最突出的優(yōu)點是靈敏度高，另外，由于機械滯后小，橫向效應小以及體積小等特點，擴大了半導體應變片的使用范圍。其最大缺點是溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度離散度大以及在較大應變作用下，非線性誤差大。（3-11）（3-12）1、變換原理電容式傳感器是將被測物理量轉換成電容量變化的裝置，它實質上是一個具有可變參數(shù)的電容器。二、電容式傳感器由兩個平行板極組成的電容器其電容量C(F)(3-13)式中ε—板極間介質的相對介電常數(shù)，在空氣中ε=1；

ε0—真空中介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m；

δ

—板極間距離（m）；

A—板極面積（m2）。式（3-13）表明，當被測量使δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容C的變化。根據(jù)電容器變化的參數(shù)，電容器可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三類。（1）極距變化型根據(jù)式（3-13），如果電容器的兩極板相互覆蓋面積A及極板間介質ε不變，則電容量C與極距δ呈非線性關系。當極距δ有一微小變化量dδ時，引起電容的變化量dC時，引起電容的變化量dC為由此得傳感器的靈敏度：圖3-12極距變化型電容傳感器及輸出特性

a）極距變化 b）輸出特性靈敏度S與極距平方成反比，極距越小，靈敏度越高。為了減少誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內工作，以便獲得近似線性關系。一般極距變化范圍約為△δ/

δ0

=0.1。在實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度、線性度以及克服某些外界條件的變化對測量精確度的影響，常常采用差動式。工作特點：可用于進行動態(tài)非接觸式測量，對被測系統(tǒng)的影響小，靈敏度高，適用于較小位移（0.01μm~數(shù)百微米）的測量。這種傳感器具有非線性特性、散雜電容對靈敏度和測量精確度有影響，電路復雜。（2）面積變化型 在變換極板面積的電容傳感器中，一般常見的有角位移型、線位移型兩種。

角位移型傳感器：式中：α——覆蓋面積對應的中心角；

r——極板半徑。電容量：靈敏度：=常數(shù)該類傳感器的輸出與輸入成線性關系。圖3-13角位移型線位移型傳感器：電容量：式中b—極板寬度。靈敏度：圓柱體線位移型傳感器電容量：式中 D—圓筒半徑；

d—圓柱半徑。圖3-13平面線位移型圖3-13柱體線位移型面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關系，但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測量。（3）介質變化型這是利用介質介電常數(shù)變化將被測量轉換成電量的一種傳感器，可用來測量電介質的液位或某些材料的溫度、濕度和厚度等。2、測量電路電容式傳感器將被測物理量轉換成電容量的變化以后，由后續(xù)電路轉換為電壓、電流或頻率信號。常見的電路有下列幾種。（1）電橋型電路將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉換成電橋的電壓輸出，通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋。（2）直流極化電路此電路又稱為靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器。（3）諧振電路傳感器電容量發(fā)生變化時，諧振回路的阻抗發(fā)生相應變化，并被轉換成電壓或者電流的輸出。（4）調頻電路當輸入量使傳感器電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，經(jīng)過鑒頻器變?yōu)殡妷旱淖兓?。?）運算放大器電路采用比例運算放大器電路得到輸出電壓與位移線性關系。3、電容集成壓力傳感器（自學）三、電感式傳感器電感式傳感器是把被測量，如力、位移等，轉換為電感量變化的一種裝置，其變換是基于電磁感應原理。按照變換方式的不同，可分為自感型（包括可變磁阻式與渦流式）與互感型（差動變壓器式）。1、自感型（1）可變磁阻式工作原理：

可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，如圖3-21所示，在鐵心與銜鐵之間有空氣隙δ。其自感量L為式中 N——線圈匝數(shù)；

Rm——磁路總磁阻[H-1]。（3-23）特性曲線圖3-21可變磁阻式電感傳感器空氣氣隙δ較小時，不考慮磁路的鐵損時，則總的磁阻：式中 l——鐵心導磁長度；

μ——鐵心磁導率；

A——鐵心磁導截面積；

δ——氣隙長度；

μ0——空氣導磁率；

A0——空氣氣隙導磁截面積（m2）。注：鐵損包括磁性材料的磁滯損耗和渦流損耗以及剩余損耗。(3-24)由于鐵心磁阻與空氣氣隙磁阻相比很小，計算時可以忽略，故代入式（3-23），則（3-26）式（3-26）表明，自感L與氣隙δ成反比，而與氣隙導磁截面積成A0成正比。當固定A0

，變化δ時，L與δ呈非線性關系，此時傳感器的靈敏度（3-27）（3-25）靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，δ愈小，靈敏度越高。這種傳感器適用與較小位移的測量，一般約為0.001~1mm。常見可變磁阻式傳感器的典型結構：

可變導磁面積型：其自感與導磁截面積成線性關系，這種傳感器靈敏度較低。差動式：其輸出靈敏度可提高一倍，并能改善線性特點。單螺管線圈型：結構簡單、制造容易、靈敏度低，適用于較大位移測量。雙螺管線圈差動型：較高靈敏度及線性，被用于電感測微計上。圖3-22可變磁阻式電感傳感器典型結構2、渦流式渦流傳感器的轉換原理是利用金屬導體在交變磁場的渦電流效應，如圖3-24所示。工作特點：渦流傳感器可用于動態(tài)非接觸測量，測量范圍視傳感器結構尺寸、線圈匝數(shù)和勵磁頻率而定。圖3-24渦流傳感器原理2、互感型工作原理：這種傳感器利用了電磁感應中的互感現(xiàn)象。當線圈W1輸入交流電流i1時，線圈w2產(chǎn)生感應電勢e12圖3-29互感現(xiàn)象工作特點：

具有精度高、線性范圍大、穩(wěn)定性好和使用方便等特點，被廣泛的應用于直線位移測量。第四節(jié)磁電、壓電與熱電式傳感器一、磁電式傳感器二、壓電式傳感器三、熱電式傳感器一、磁電式傳感器磁電式傳感器是將被測物理量轉換成感應電動勢的一種傳感器，又稱電磁感應或電動力式傳感器。從電工學知，對于一個匝數(shù)為N線圈，當穿過該線圈的磁通量Φ發(fā)生變化時，其感應電動勢為：線圈感應電動勢的大小，取決于匝數(shù)和穿過線圈的磁通變化率。磁通變化率與磁場強度、磁場磁阻、線圈的運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。按照結構不同，磁電式傳感器可分為動圈式和磁阻式。1、動圈式動圈式分為線速度型與角速度型。在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場內，放置一個可動線圈，當線圈在磁場中作直線運動，所產(chǎn)生的感應電動勢：式中 B—磁場的磁感應強度；

l—單匝線圈有效長度；

N—線圈匝數(shù)；

v—線圈與磁場的相對運動速度；

θ—線圈運動方向與磁場方向的夾角。當θ=90o時，式（3-31）可寫成

當均為常數(shù)時，感應電動勢大小與線圈運動的線速度成正比，這就是一般常見的慣性式速度計的工作原理。角速度型傳感器，線圈在磁場中轉動時產(chǎn)生的感應電動勢：式中w—角速度；

A—單匝數(shù)線圈的截面積；

k—與結構有關的系數(shù)。當N、B、A均為常數(shù)，感應電動勢e與線圈相對磁場的角速度成正比，這種傳感器用于轉速測量。將傳感器中線圈產(chǎn)生的感應電動勢通過電纜與電壓放大器聯(lián)接時，其等效電路如圖3-33所示。等效電路中的輸出電壓(3-34)圖3-33動圈磁電式傳感器等效電路對不使用特別加長電纜時，CC可以忽略，并且如果RL遠大于Z0，放大器輸出電壓uL≈e。感應電動勢經(jīng)放大、檢波后即可推動指示儀表，顯示速度。如果經(jīng)過微分或積分網(wǎng)絡，可以得到加速度或位移。2、磁阻式磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對運動，由運動著的物體改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強或減弱，使線圈產(chǎn)生感應電動勢。其工作原理及應用實例如圖3-34所示。磁阻式傳感器主要用來測量轉速、偏心量、振動等。

圖3-34磁阻式傳感器工作原理及應用二、壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型傳感器，既可以將機械能轉化成電能，又可以將電能轉化成機械能。這種傳感器具有體積小、質量小，精確度及靈敏度高等優(yōu)點。壓電傳感器的工作原理是利用某些物質的壓電效應。1、壓電效應某些物質，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，某些表面上出現(xiàn)電荷，形成電場。壓電效應是可逆的，即將壓電晶體置于外電場中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化。這種效應稱之為逆壓電效應。以α—石英晶體為例，介紹壓電效應。（自學）

實驗證明，壓電效應和逆壓電效應都是線性的。即晶體表面出現(xiàn)的電荷的多少和形變的大小成正比，當形變改變符號時，電荷也改變符號；在外電場作用下，晶體形變的大小與電場強度成正比，當電場反向時，形變改變符號。以石英晶體為例，極化強度Pxx與應力σxx成正比式中Fx——沿晶軸Ox向方向施加的壓力；

d11——石英晶體在x方向力作用下的壓電常數(shù)；

ly——切片的長；

lz——切片的寬。2、壓電材料（自學）常見的壓電材料大致分為三類：壓電單晶、壓電陶瓷和有機壓電薄膜。石英是壓電單晶中最具有代表性的，應用廣泛。石英的壓電常數(shù)不高，但具有很好的機械強度和時間、溫度穩(wěn)定性?，F(xiàn)代聲學技術和傳感器技術中普遍應用的是壓電陶瓷，壓電陶瓷制作方便，成本低。高分子壓電薄膜易于大批量生產(chǎn)，具有面積大、柔軟不易破碎，可用于微壓測量和機器人的觸覺。3、壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構成兩個電極。當受外力作用時，在兩個極板上將積聚數(shù)量相等、而極性相反的電荷，形成了電場。因此壓電傳感器可以看作是一個電荷發(fā)生器，又是一個電容器，其電容量C為：式中

ε——壓電材料的相對介電常數(shù)，

δ——板極間距，即晶片厚度；

A——壓電晶片工作面的面積。壓電式傳感器是一個具有一定電容的電荷泵。電容器上的開路電壓u0與電荷q、傳感器電容Ca存在下列關系：當壓電式傳感器接入測量電路，連接電纜的寄生電容就形成傳感器的并聯(lián)寄生電容Ca，后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器中的漏電阻就形成泄露電阻R0。電容上的電壓值為：4、測量電路由于壓電式傳感器的輸出電信號是很微弱的電荷，而且傳感器本身的有很大的阻抗，故輸出能量微弱，這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器，經(jīng)過阻抗變換以后，方可用一般的放大、檢波電路將信號輸給指示儀或記錄器。前置放大器電路的主要用途有兩點：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；其次是放大傳感器輸出的微弱電信號。前置放大器電路有兩種形式：其一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。5、壓電式傳感器的應用壓電式傳感器常用來測量應力、壓力、振動的加速度，也可用于聲、超聲和聲發(fā)射等測量。

三、熱電式傳感器熱電式傳感器是把被測量（主要是溫度）轉換成電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應?？煞譃闊犭娕己蜔犭娮鑲鞲衅鳌０褍煞N不同的導體連接成如圖3-39所示的閉合回路，如果將它們的兩個接點分別置于溫度為T0及T（假定T>T0）的熱源中，則在該回路內就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象被稱為熱電效應。

圖3-39熱電偶回路當熱電偶材料一定時，熱電偶的總熱電動勢EAB(T,T0)成為溫度T和T0的函數(shù)差。即如果是冷端溫度T0固定，則對一定材料的熱電偶，其總熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關系。即 式中C——由固定溫度T0決定的常數(shù)。

在圖3-39所示的熱電偶回路中，所產(chǎn)生的熱電動勢由接觸電動勢和溫度差電動勢兩部分組成。熱電偶回路有以下特點：

1）若組成熱電偶的回路的兩種導體相同，則無論兩接點溫度如何，熱電偶回路中的總熱電勢為零；

2）若熱電偶兩連接點溫度相同，則盡管導體A、B的材料不同，熱電偶回路中的總熱電動勢也為零；

3）熱電偶AB的熱電動勢與導體材料A、B的中間溫度無關，而只與接點溫度有關；

4）熱電偶AB在接點溫度T2、T3時的熱電動勢，等于熱電偶在接點溫度為T1、T2和T2、T3時的熱電動勢總合；

5）中間導體定律：在熱電偶回路中接入第三種材料的導線，只要第三種導線的兩端溫度相同，第三種導線的引入不會影響熱電偶的熱電勢。

6）標準電極定律：當溫度T1、T2時，用導體AB組成的熱電偶的電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的和(2)熱電偶分類

1）鉑銠-鉑熱電偶（WRLB）優(yōu)點：熱電偶的復制精度和測量精度較高，可用于精密溫度測量和作基準熱電偶。缺點：熱電動勢較弱；由于銠分子材料的揮發(fā)現(xiàn)象，失去測量準確性；成本較高。2）鎳鉻-鎳硅熱電偶（WREU）優(yōu)點：復制性好，產(chǎn)生熱電勢大，線性好，價格便宜等。缺點：測量精度偏低，是工業(yè)測量中最常用的熱電偶之一。3）鎳鉻-考銅熱電偶（WREA）特點：熱電靈敏度高、價格便宜，當測量范圍低且窄，考銅合金易受氧化而變質。4）鉑銠30-鉑銠6熱電偶（WRLL）優(yōu)點：熱電偶性能穩(wěn)定、精度高，適于在氧化性或中性介質中使用。缺點：產(chǎn)生的熱電勢小，價格昂貴。2、熱電阻傳感器（自學）

利用電阻隨溫度變化的特點制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對溫度和與溫度相關的參數(shù)測定。按熱電阻的性質來分，可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類，前者通常簡稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。（1）鉑電阻：精度好、穩(wěn)定性好、性能可靠。（2）銅電阻：線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價格便宜等特點。（3）其他熱電阻第五節(jié)光電傳感器一、光電測量原理二、光電元件三、光電傳感器應用光電傳感器是將光信號轉換為電信號的傳感器。若用這種傳感器測量其他非電量時，只需將這些非電量的變化先轉換成光電信號的變化。這種測量方法具有結構簡單、可靠性高、精度高、非接觸和反應快等特點，被廣泛應用于各種自動檢測系統(tǒng)中。一、光電測量原理每個光子具有的能量為hν。用光照射某一物體，即為光子與物體的能量交換過程，這一過程中產(chǎn)生的電效應稱為光電效應。光電效應按其作用原理又分為外光電效應、內光電效應和光生伏達效應。1、外光電效應在光照作用下，物體內的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應，亦稱為光電子發(fā)射效應。在這一過程中光子所攜帶的電磁能轉換為光電子的動能。當物體受到光輻射時，其中的電子吸收了一個光子的能量hv，該能量的一部分用于使電子由物體內部逸出所作的逸出功A，另一部分則為逸出電子的動能1/2mv2，即式中m——電子質量；

v——電子逸出速度；

A——物體的逸出功。

1）光電子逸出表面的必要條件hv>A。對每一種光電陰極材料，均有一個確定的光頻率閥值。當入射光頻率低于該值時，無論入射光的強度多大，均不能引起光電子發(fā)射。一個光子具有的能量對應與閥值頻率的波長λ0，其值為式中 c——光速，c=3×108ms-1。2）當入射光頻率成分不變時，單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)與入射光光強度成正比。3）對于外光電效應器件來說，只要光照射在器件陰極上，即使陰極電壓為零，也會產(chǎn)生光電流，這是因為光電子溢出時具有初始動能。應用：外光電效應器件有光電管和光電倍增管等。2、內光電效應在光照作用下，物體的導電性能如電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為內光電效應，又稱光導效應。應用：內光電效應器件主要為光敏電阻以及光敏電阻制成的光導管。3、光生伏打效應在光線照射下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為生伏打效應?；诠馍蛐钠骷楣怆姵?。二、光電元件（自學）1、真空光電管或光電管2、光電倍增管：靈敏度高，適合在微弱光下使用。3、光敏電阻：靈敏度高、光譜響應范圍寬，體積小、性能穩(wěn)定，廣泛用于測試技術。光敏電阻的主要特征參數(shù)：（1）光電流、暗電流、亮電流（2）光照特性（3）伏安特性（4）光譜特性（5）響應時間特性（6）光譜溫度特性4、光敏晶體管光敏晶體管分光敏二極管和光敏晶體管。（類比于二、三極管）光敏晶體管的基本特性有：光照特性、伏安特性、光譜特性、溫度特性、響應特性。三、光電傳感器的應用1、模擬量光電傳感器把被測量轉換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值對應關系。2、開關量光