傳感器原理及應(yīng)用

1、長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,為了配合電子工業(yè)出版社2011年1月出版的傳感器原理及應(yīng)用（書號(hào)：ISBN 978-7-121-12723-6 楊少春主編）教材的教學(xué)，我們制作了本教材配套的多媒體課件，由于時(shí)間緊迫，制作者水平有限，課件中難免有不足之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。,說 明,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周海波 武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 楊少春,2011-6-20,傳感器技術(shù)及應(yīng)用,主講 周海波,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,模塊一 傳感器的基本知識(shí),任務(wù)目標(biāo) 了解傳感器的定義和組成方框圖； 了解傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用； 掌握傳感器的分類； 掌握傳感器的主要參數(shù)。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室

2、,一、傳感器的作用,因?yàn)橐话愕膬x器、儀表要求輸入的信號(hào)必須為電信號(hào) ，計(jì)算機(jī)及各種電子設(shè)備只能處理電信號(hào) ，而表征物質(zhì)特性或其運(yùn)動(dòng)形式的參數(shù) 中有很多都是非電量，如大家在自然界經(jīng)常接觸到的溫度、壓力、距離、流量、重量、速度、加速度、濃度、酸堿度、濕度、光 、磁場(chǎng)等 。上述的非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量，再運(yùn)用電子設(shè)備和儀器測(cè)量，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件就是傳感器。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,二、傳感技術(shù)的特點(diǎn),1.用傳感技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，響應(yīng)速度快，精確度高，靈敏度高；,2.能在特殊環(huán)境下連續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，便于自動(dòng)記錄 能在人類無法存在的高溫、高壓、惡劣環(huán)境中，和對(duì)人類五官不能感覺

3、到的信息（如超聲波、紅外線等），進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，記錄變化的數(shù)據(jù)。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,3.可與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)運(yùn)算、分析和處理 傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，通過接口電路變成計(jì)算機(jī)能夠處理的信號(hào)，進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算、分析和處理。,4.品種繁多，應(yīng)用廣泛 現(xiàn)代信息系統(tǒng)中待測(cè)的信息量很多，一種待測(cè)信息可由幾種傳感器來測(cè)量，一種傳感器也可測(cè)量多種信息，因此傳感器種類繁多，應(yīng)用廣泛，從航空、航天、兵器、交通、機(jī)械、電子、冶煉、輕工、化工、煤炭、石油、環(huán)保、醫(yī)療、生物工程等領(lǐng)域，到農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)，以及人們的衣、食、住、行等生活的方方面面，幾乎無處不使用傳感器，無處不需要傳感器。

4、,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì),1新材料的開發(fā)、應(yīng)用 如：半導(dǎo)體材料 、功能陶瓷材料 、功能金屬、功能有機(jī)聚合物、非晶態(tài)材料、固體材料及薄膜材料等，都可進(jìn)一步提高傳感器的產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。,2新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用 將半導(dǎo)體的精密細(xì)微加工技術(shù)應(yīng)用在傳感器的制造中，可極大提高傳感器的性能指標(biāo)，并為傳感器的集成化、超小型化提供技術(shù)支撐。借助半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù)、擴(kuò)散技術(shù)、光刻技術(shù)、靜電封閉技術(shù)、全固態(tài)封接技術(shù)，也可取得類似的功效。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,3向小型化、集成化方向發(fā)展 由于航空技術(shù)的發(fā)展，以及醫(yī)療器件和一些特殊場(chǎng)合的需要，傳感器必須向小型化、微型化

5、方向發(fā)展，以便減小體積和質(zhì)量。,4傳感器的智能化 將傳統(tǒng)的傳感器和微處器及相關(guān)電路組成一體化的結(jié)構(gòu)就是智能傳感器。因?yàn)樗旧韼в形⑿陀?jì)算機(jī)，具有自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)診斷、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)距離雙向通信、信息存儲(chǔ)記憶和數(shù)字信號(hào)輸出等功能。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,5傳感器的網(wǎng)絡(luò)化 將傳感器和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，使傳感器成為網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點(diǎn)。這種努力使多個(gè)傳感器組成網(wǎng)絡(luò)直接通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)施發(fā)布、共享，以及網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制操作。另外，通過Internet網(wǎng)，傳感器與用戶之間可異地交換信息，廠商能直接與異地用戶交流，能及時(shí)完成傳感器故障診斷，指導(dǎo)用戶維修或交換新儀器改進(jìn)的數(shù)據(jù)，

6、軟件升級(jí)等工作。另外，在微機(jī)電技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、低功耗射頻通信技術(shù)及低功耗微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的共同促進(jìn)下，傳感器朝微型化和網(wǎng)絡(luò)化的方向迅速發(fā)展，產(chǎn)生了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,四、傳感器需求與開發(fā)的重點(diǎn)方向,1工業(yè)過程控制與汽車傳感器 2環(huán)保傳感器 3醫(yī)療衛(wèi)生與食品監(jiān)測(cè)傳感器 4微小型傳感器及MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)） 5生物、醫(yī)學(xué)研究急需要的新型傳感器 6生態(tài)農(nóng)業(yè)傳感器,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,五、傳感器的定義與組成,傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由對(duì)被測(cè)量敏感的元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中敏感元件是指?jìng)?/p>

7、感器中能直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分，如應(yīng)變式壓力傳感器中的彈性膜片，就是敏感元件；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)到的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)（電壓、電流）部分，如電阻應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,根據(jù)以上定義可畫出傳感器的組成框圖，如圖1-1所示。,圖1-1 傳感器組成框圖,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,六、傳感器的分類與特點(diǎn),傳感器常用的分類方法有兩種，一種是按被測(cè)輸入量劃分，另一種是按傳感器的工作原理劃分。,1按被測(cè)物理量劃分 這一種方法是根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)進(jìn)行分類，如被測(cè)量分別為溫度、濕度、壓力、位移、流量、加速度、光，則對(duì)應(yīng)的傳感器分別

8、為溫度傳感器、濕度傳感器，壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、加速度傳感器、光電傳感器。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,2按傳感器工作原理劃分 這一種分類方法是以工作原理來劃分，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù)，據(jù)此可將傳感器分為電阻式、電感式、電容式、阻抗式、磁電式、熱電式、壓電式、光電式、超聲式、微波式等類別。這種分類方法有利于傳感器的專業(yè)工作者從原理與設(shè)計(jì)上作歸納性的分析研究。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,七、傳感器的基本特性,傳感器的基本特性一般是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間的關(guān)系，有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分。通常是以建立數(shù)學(xué)模型來體現(xiàn)的，為了簡(jiǎn)化傳感器的靜、動(dòng)態(tài)特

9、性，可以分開來研究。,1傳感器的靜態(tài)特性 靜態(tài)特性是指在靜態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關(guān)系，其靜態(tài)特性可表示為,y=a0+a1x+a2x2+anxn （1-1）,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,常用的靜態(tài)性能指標(biāo)包括靈敏度、精確度、測(cè)量范圍、量程、線性度及誤差等。,（1）靈敏度 傳感器的靈敏度K是指達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出增量與輸入增量的比值,（1-3）,線性傳感器的靈敏度就是其靜態(tài)特性的斜率，而非線性傳感器的靈敏度則是其靜態(tài)特性曲線某點(diǎn)處切線的斜率。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（2）線性度 線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差，如

10、圖1-2所示，即為在垂直方向上最大偏差|ymax|與最大輸出ymax的百分比，圖中a0稱為零位輸出，即被測(cè)量為零時(shí)傳感器的指示值。,（1-4）,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,圖1-2 傳感器的線性度誤差,圖1-3 傳感器的重復(fù)性,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（3）重復(fù)性 重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得到的特性曲線的不一致程度，如圖1-3所示，用公式表示為,（1-5）,式中，mmax取 m1、 m2中最大的計(jì)算，ymax為滿量程輸出值。 傳感器輸出特性的不重復(fù)性主要是由傳感器的機(jī)械部分的磨損、間隙、松動(dòng)、部件內(nèi)摩擦、積塵、電路元件老化、工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生

11、的。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（4）遲滯現(xiàn)象,遲滯現(xiàn)象是傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減?。┢陂g輸出輸入曲線不重合的程度，如圖1-4所示。,（1-6）,（1-7）,遲滯現(xiàn)象反映了傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)和制造工藝上的缺陷，如軸承摩擦、間隙、螺釘松動(dòng)、元件腐蝕等。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（5）精確度 傳感器的精確度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲋甘局蹬c被測(cè)量約定真值的一致程度，反映了傳感器測(cè)量結(jié)果的可靠程度。在工程應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)單表示測(cè)量結(jié)果的可靠性程度，引入精確度這個(gè)等級(jí)概念，用A表示，它表示允許的最大絕對(duì)誤差與滿度量程的比值的百分?jǐn)?shù)，即,（1-8）,式中 A傳感器精確度； A

12、測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差； ymax 滿度量程輸出值。 常用的檔次為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0。例如，0.5級(jí)的儀表表示其允許的最大使用誤差為0.5%。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（6）分辨力 傳感器的分辨力是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量的能力。通常是以最小量程單位值表示。當(dāng)被測(cè)量的變化值小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。,（7）穩(wěn)定性 傳感器的穩(wěn)定性是指在室溫條件下經(jīng)過一定的時(shí)間間隔，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常有長(zhǎng)期穩(wěn)定性（如年、月、日）和短期穩(wěn)定性（如時(shí)、分、秒）之分，傳感器的穩(wěn)定性常用長(zhǎng)期穩(wěn)定

13、性表示。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（8）漂移 傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,2傳感器的動(dòng)態(tài)特性,傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅髟跍y(cè)量快速變化的輸入信號(hào)情況下，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器測(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于被測(cè)量不隨時(shí)間變化，測(cè)量和記錄的過程不受時(shí)間限制。但是在工程實(shí)踐中，檢測(cè)的是大量隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，這就要求傳感器不僅能精

14、確地測(cè)量信號(hào)的幅值大小，而且還能顯示被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律，即正確的再現(xiàn)被測(cè)量波形。傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性來表示。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，當(dāng)被測(cè)量作周期性變化時(shí)，傳感器的輸出值隨著周期性變化，其頻率與前者相同，但輸出幅值和相位隨頻率的變化而變化，這種關(guān)系稱為頻率特性。輸出信號(hào)的幅值隨頻率變化而改變的特性稱為幅頻特性；輸出信號(hào)的相位隨頻率的變化而改變的特性稱為相頻特性，幅值下降到穩(wěn)定幅值的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為截止頻率。,習(xí)題：1、2,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,模塊二 力敏傳感器及其應(yīng)用,課題一 力敏傳感器的工作原理與分類,任務(wù)目標(biāo) 掌握電阻

15、應(yīng)變式力敏傳感器的工作原理； 掌握電感應(yīng)變式力敏傳感器的工作原理； 了解電阻應(yīng)變式和電感應(yīng)變式力敏傳感器之間的區(qū)別。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,一、力敏傳感器概述,力敏傳感器，顧名思義就是能對(duì)各種力或能轉(zhuǎn)化為力的物理量產(chǎn)生反應(yīng)，并能將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳?shù)的裝置或元件。很顯然，要成為真正實(shí)用意義上的力敏傳感器，這個(gè)由力轉(zhuǎn)化為電參數(shù)的過程最好能成線性關(guān)系。根據(jù)由力至電參數(shù)轉(zhuǎn)變的方式不同，力敏傳感器一般有電阻應(yīng)變式傳感器、電位計(jì)式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器等，它們也可用來測(cè)量力值。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,二、電阻應(yīng)變式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器是目前工程測(cè)力傳感器中

16、應(yīng)用最普遍的一種傳感器，它測(cè)量精度高，范圍廣，頻率響應(yīng)特性較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，易實(shí)現(xiàn)小型化，并能在高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境下使用，并且工藝性好，價(jià)格低廉。它主要應(yīng)用在力作用下，將材料應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓?，從而?shí)現(xiàn)力值的測(cè)量。組成電阻應(yīng)變片的材料一般為金屬或半導(dǎo)體材料。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,1電阻應(yīng)變式傳感器工作原理,（1）應(yīng)變效應(yīng) 由物理學(xué)可知，電阻絲的電阻R與電阻絲的電阻率、導(dǎo)體長(zhǎng)度及截面積存在如下關(guān)系,（2-1）,圖2-1 電阻絲應(yīng)變效應(yīng),長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（2）電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)及特性,金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式和金屬箔式兩種。 金屬絲式電阻應(yīng)變片。

17、金屬絲式電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。由敏感柵1、基底2和蓋層3、引線4和黏結(jié)劑幾個(gè)基本部分組成。,圖2-2 金屬絲式電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)圖,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室, 金屬箔式應(yīng)變片。如圖2-3所示，它與金屬絲式電阻應(yīng)變片相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：用光刻技術(shù)能制成各種復(fù)雜形狀的敏感柵；橫向效應(yīng)小；散熱性好，允許通過較大電流，可提高相匹配的電橋電壓，從而提高輸出靈敏度；疲勞壽命長(zhǎng)，蠕變?。簧a(chǎn)效率高。 但是，制造箔式應(yīng)變片的電阻值的分散性要比絲式應(yīng)變片的大，有的能相差幾十歐姆，需要調(diào)整阻值。金屬箔式應(yīng)變片因其一系列優(yōu)點(diǎn)而將逐漸取代絲式應(yīng)變片，并占主要地位。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教

18、研室,（a）箔式單向應(yīng)變片 （b）箔式轉(zhuǎn)矩應(yīng)變片 （c）箔式壓力應(yīng)變片 （d）箔式花狀應(yīng)變片,圖2-3 各種箔式應(yīng)變片,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,2電阻應(yīng)變片傳感器基本應(yīng)用電路,將電阻應(yīng)變片粘貼于待測(cè)構(gòu)件上，應(yīng)變片電阻將隨構(gòu)件應(yīng)變而改變，將應(yīng)變片電阻接入相應(yīng)的電路中，使其轉(zhuǎn)化為電流或電壓輸出，即可測(cè)出力值。通常將應(yīng)變片接入電橋來實(shí)現(xiàn)電阻至電壓或電流的轉(zhuǎn)換。根據(jù)電橋電源不同，又分直流電橋和交流電橋。這里主要介紹直流電橋。圖2-4所示為一直流電橋，計(jì)算可知,（2-2）,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,若使此電橋平衡，即 ，只要 。一般我們?nèi)?即可實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)將 換成電阻應(yīng)變片，即組成半橋單臂

19、電橋，隨構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)變?cè)斐蓚鞲衅麟娮枳兓瘯r(shí)，式（2-2）變成,（2-3）,一般 ，可忽略，由此可得,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,可見，輸出電壓與電阻變化率成線性關(guān)系，也即和應(yīng)變成線性關(guān)系，由此即可測(cè)出力值，由式（2-3）可得半橋單臂工作輸出的電壓靈敏度,（2-4）,為了提高輸出電壓靈敏度，可以采用半橋雙臂或全橋電路，如圖2-5所示。圖2-5（a）為半橋雙臂，圖2-5（b）為全橋電路。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（a）半橋雙臂 （b）全橋電路,圖2-5 直流電橋的連接方式,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,對(duì)于半橋雙臂,（2-5）,全橋,（2-6）,即半橋雙臂可使電壓靈敏度比半橋單臂

20、提高一倍，而全橋電路電壓靈敏度又比半橋雙臂電壓靈敏度提高一倍?？梢?，利用全橋，并提高供電電壓E，可提高靈敏度系數(shù)。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,3.溫度誤差及其補(bǔ)償,用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素： 應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)； 電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。,（1） 溫度誤差,長(zhǎng)江工程職業(yè)技

21、術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（2） 溫度補(bǔ)償,一般采用橋路補(bǔ)償法、應(yīng)變片補(bǔ)償法或熱敏電阻補(bǔ)償法。,所謂橋路補(bǔ)償法，如圖2-4所示，當(dāng)ab間接入應(yīng)變片傳感器，bc間也接入同樣的應(yīng)變片，但bc間接入的應(yīng)變片不受構(gòu)件應(yīng)變力的作用，將它用同樣的方法粘貼在與ab間應(yīng)變片所貼構(gòu)件材料相同的材料上，并與ab間應(yīng)變片處于同一溫度場(chǎng)中，這樣ab、bc間應(yīng)變片的阻溫效應(yīng)相同，電阻的變化量 也相同，由電橋理論可知，它們起了互相抵消作用，對(duì)輸出電壓沒有影響。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,應(yīng)變片補(bǔ)償法分自補(bǔ)償和互補(bǔ)償兩種。自補(bǔ)償法的原理是合理選擇應(yīng)變片阻溫系數(shù)及線膨脹系數(shù)，使之與被測(cè)構(gòu)件線膨脹系數(shù)匹配，使應(yīng)變片溫度變化時(shí)

22、，由熱造成的輸出值為0。應(yīng)變片互補(bǔ)償法的原理是檢測(cè)用的應(yīng)變片敏感柵由兩種材料組成，在溫度變化時(shí)，它們的阻值變化量 相同，但符號(hào)相反，這樣就可抵消由于溫度變化而造成傳感器誤輸出。使用中要注意選配敏感柵電阻絲材料。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,熱敏電阻補(bǔ)償法如圖2-6所示，圖中R5為分流電阻，Rt為NTC熱敏電阻，使Rt與應(yīng)變式傳感器處在同一溫度場(chǎng)中，適當(dāng)調(diào)整R5值，可使 與Uab的乘積不變，熱輸出為零。,圖2-6 熱敏電阻補(bǔ)償法,電阻應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用在測(cè)力及可以轉(zhuǎn)化為力值的量（如加速度等）。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,圖2-8 應(yīng)變式加速度傳感器原理圖,加速度傳感器就是將被測(cè)加

23、速度 通過一個(gè)懸臂梁將力 轉(zhuǎn)化成應(yīng)變片的應(yīng)力，從而達(dá)到測(cè)量加速度 的目的。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,三、電感式傳感器,1工作原理 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置，可以用來測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩和應(yīng)變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有繞組。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,2優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) （1）優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)工

24、作環(huán)境要求不高，分辨力較高（如在測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)一般可達(dá)0.1mm），示值誤差一般為示值范圍的0.1%0.5%，穩(wěn)定性好。 （2）缺點(diǎn) 頻率響應(yīng)低，不宜用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。一般來說，電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān)。示值范圍大時(shí)，分辨力和示值精度將相應(yīng)降低。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,3種類 電感式傳感器種類很多，有利用自感原理的自感式傳感器（通常稱電感式傳感器），有利用互感原理的差動(dòng)變壓器式傳感器。此外，還有利用渦流原理的渦流式傳感器，利用壓磁原理的壓磁式傳感器和利用互感原理的感應(yīng)同步器等。,下面簡(jiǎn)單介紹其中一種較為常見的傳感器：變壓器式傳感器。 變壓器式傳感器工作原理：變壓器式

25、傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感的一種磁電動(dòng)機(jī)構(gòu)，很像變壓器的工作原理，因此常稱其為變壓器式傳感器。這種傳感器多采用差動(dòng)形式。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,圖2-9 氣隙型差動(dòng)變壓器式傳感器,當(dāng)沒有非電量輸入時(shí)，銜鐵C與鐵心A、B的間隔相同，則繞組W1a和W2a間的互感ma與繞組W1b和W2b間的互感mb相等。,當(dāng)銜鐵的位置改變時(shí)，則ma不等于mb，ma和mb的差值即可反映被測(cè)量值的大小。,為反映差值互感，將兩個(gè)一次繞組的同名端順向串聯(lián)，并施加交流電壓u，二次繞組的同名端反向串聯(lián)，同時(shí)測(cè)量串聯(lián)后的合成電動(dòng)勢(shì)e2為：e2=e2a-e2b （e2值的大小取決于被測(cè)位移的大小，e2的方向取決于

26、位移的方向。）,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,圖2-10 截面積型差動(dòng)變壓器式傳感器,圖2-10所示為改變氣隙有效截面積型差動(dòng)變壓器式傳感器，輸入非電量為角位移。它是一個(gè)山字形鐵芯A上繞有三個(gè)繞組，,銜鐵B以O(shè)點(diǎn)為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，銜鐵B轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于改變了鐵芯與銜鐵間磁路上的垂直有效截面積s，也就改變了繞組間的互感，使其中一個(gè)互感增大，另一個(gè)互感減小，因此兩個(gè)二次繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也隨之改變。,將繞組w2a和w2b反相串聯(lián)并測(cè)量合成電動(dòng)勢(shì)e2，就可以判斷出非電量的大小及方向。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,一般來說，較小位移量的測(cè)量采用差動(dòng)變壓器，圖2-11列出其應(yīng)用實(shí)例。圖2-11（a）為測(cè)物體

27、重量的電子秤，用差動(dòng)變壓器把彈簧的位移變?yōu)殡娦盘?hào)，換算為重量即可；圖2-11（b）為偏心測(cè)量?jī)x，以起始點(diǎn)作為基準(zhǔn)，用正負(fù)量來顯示轉(zhuǎn)體的偏心程度。,（a）電子秤 （b）偏心測(cè)量?jī)x,圖2-11 差動(dòng)變壓器應(yīng)用實(shí)例,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,為了測(cè)量列車運(yùn)行的速度和加速度的大小，可采用如圖所示的裝置，它是由一塊安裝在列車頭底部的強(qiáng)磁體和埋設(shè)在軌道地面的一組線圈及電流測(cè)量?jī)x組成的（測(cè)量?jī)x未畫出）。當(dāng)列車經(jīng)過線圈上方時(shí)，線圈中產(chǎn)生的電流被記錄下來，就能求出列車在各位置的速度和加速度。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,階段小結(jié) 力敏傳感器是將動(dòng)態(tài)或靜態(tài)力的大小轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量的裝置。本模塊介

28、紹了電阻應(yīng)變式傳感器，其將外力轉(zhuǎn)化成電阻值的變化，再利用電橋電路檢測(cè)出電阻值的變化值，從而得出對(duì)應(yīng)的力變化量。還講述了電感式傳感器，其將外力引起的微小位移量轉(zhuǎn)化成電感參數(shù)的變化，從而得出相應(yīng)力的變化量。如位移量很小，可采用差動(dòng)變壓器來放大信號(hào)的方式，以提高傳感器的靈敏度。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,課題二 壓電傳感器的轉(zhuǎn)換原理,任務(wù)目標(biāo) 掌握壓電式力敏傳感器的工作原理； 掌握電容應(yīng)變式力敏傳感器的工作原理； 了解壓電應(yīng)變式和電感應(yīng)變式力敏傳感器之間的區(qū)別。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,壓電傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)由力至電量的轉(zhuǎn)化，屬于有源傳感器類。由于其靈敏系數(shù)

29、高，信噪比高，使用頻帶寬，體積小，方便耐用等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用在工業(yè)、軍事及民用等方面。壓電傳感器材料一般有三類：壓電單晶、壓電陶瓷和有機(jī)壓電薄膜。,一、壓電傳感器,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,（1）壓電效應(yīng) 某些晶體或有機(jī)薄膜，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部極化，某兩個(gè)面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也改變，晶體受力所產(chǎn)生的電量與外力的大小成正比，即 式中，是壓電常數(shù)，它反映了壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱。上述現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加一交變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生變形，此稱電致伸縮現(xiàn)象，也稱逆壓電效應(yīng)，如圖2-1

30、4所示。,（2-9）,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（a）材料受壓 （b）材料受拉 （c）材料受壓 （d）材料受拉,圖2-14 壓電效應(yīng),（2）壓電傳感器材料及特性 常用壓電傳感器的材料一般有壓電單晶、壓電陶瓷和有機(jī)壓電薄膜。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室, 石英單晶分人工石英和天然石英。它們是單晶中使用頻率最高的一種傳感器。其特點(diǎn)是介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，如圖2-15所示。適用的工作溫度范圍寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度大，彈性系數(shù)高，穩(wěn)定性好。,（a）壓電常數(shù)與溫度的關(guān)系 （b）介電常數(shù)與溫度的關(guān)系,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,石英晶體的外形是規(guī)則的六角棱柱體，它有三個(gè)晶軸，

31、如下圖所示。,石英晶體的坐標(biāo)軸和切片,縱向壓電效應(yīng)：沿著X軸對(duì)晶片施加力時(shí)，在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷。 橫向壓電效應(yīng)：沿著Y軸對(duì)晶片施加力時(shí)，在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室, 壓電陶瓷是多晶體。最常見的有鈦酸鋇、鋯鈦鉛系列等。壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，經(jīng)過人工極化后，保留很強(qiáng)的剩余極化的情況下才能作為壓電材料使用 。,長(zhǎng)江

32、工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室, 有機(jī)壓電薄膜隨著科技的進(jìn)步發(fā)展也較快。它既具有高分子材料的柔軟性又具有壓電陶瓷的特性，可以做成較大面積，主要用于微壓測(cè)量和機(jī)器人的觸覺。,（）天然石英晶體 （b）石英晶體薄片 （c）壓電陶瓷 （d）高分子壓電薄膜,各種壓電材料的外形圖,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（3）壓電傳感器的結(jié)構(gòu) 壓電傳感器是一種有源傳感器，同時(shí)又是一個(gè)電容器，其結(jié)構(gòu)如圖2-17（a）所示。它是在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，引出兩個(gè)電極。實(shí)際應(yīng)用中常將兩個(gè)以上晶片進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。如圖2-17（b）、（c）所示，就如同將兩個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)一樣。串聯(lián)輸出的電壓高，自

33、身電容?。徊⒙?lián)輸出電荷量大，電容量大。串聯(lián)主要用在以電壓為輸出量及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合，而并聯(lián)由于時(shí)間常數(shù)大，主要用于以電荷為輸出量的場(chǎng)合，適于測(cè)量緩變信號(hào)。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（a）壓電晶片 （b）串聯(lián) （c）并聯(lián),圖2-17 壓電晶片及壓電傳感器結(jié)構(gòu),（4）壓電傳感器基本應(yīng)用電路 根據(jù)后續(xù)放大電路是電壓放大還是電荷放大，可將壓電傳感器等效為電壓源電路和電荷源電路，如圖2-18所示，Ca為等效電容。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（a）電荷源等效電路 （b）電壓源等效電路,圖2-18 壓電傳感器等效電路,由于壓電傳感器產(chǎn)生的電量非常小，且內(nèi)阻極高，就要求測(cè)量電路的輸

34、入電阻盡量大，這樣才能減小測(cè)量誤差，因此在壓電式傳感器的輸出端總是接入高輸入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大電路。,前置放大器有兩個(gè)作用：第一是將壓電傳感器的輸出信號(hào)放大；第二是將高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。壓電式傳感器的測(cè)量電路有電荷型與電壓型兩種，相應(yīng)的前置放大器也有電荷型與電壓型兩種型式。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,下面簡(jiǎn)單介紹電荷型放大電路，如圖2-19所示。,（a）等效電路 （b）簡(jiǎn)化電路,圖2-19 壓電式傳感器電荷放大的電路,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,圖2-19（a）中Ra為壓電傳感器的絕緣電阻，Cc為連接電纜的傳輸電容，Ri為前置放大器的輸入電阻，Ci為前

35、置放大器輸入電容；圖（b）中為等效綜合電容， =Ci+Ca+Cc， 即為等效綜合電阻，兩圖中Rf 、Cf為反饋電阻和電容，分析計(jì)算可得輸出電壓,（2-10）,可見輸出電壓值主要決定于和Cf，因此要得到必要的測(cè)量精度，反饋電容Cf的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性要好。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到不同的量程，Cf的容量一般做成可調(diào)式，范圍在10010000pF之間。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,2幾種常見的壓電傳感器,（1）壓電式單向測(cè)力傳感器 壓電式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)如圖2-20所示，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。傳感器上蓋為傳力元件，其外緣壁厚為0.10.5mm，當(dāng)受外力F作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈

36、性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy型，利用其縱向壓電效應(yīng)。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,圖2-20 壓力式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（2）壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2-21所示。主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成，整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并用螺栓加以固定。當(dāng)壓電式加速度傳感器和被測(cè)物體一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力F是加速度a的函數(shù)，即 F=ma （2-11） 式中 F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力； m質(zhì)量塊的質(zhì)量； a加速度。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,圖2-21 壓電

37、式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,慣性力F作用于壓電元件上而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，質(zhì)量塊的質(zhì)量m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷q為 q=d11F=d11ma （2-12） 式中 d11壓電系數(shù)。 由式（2-12）可見，壓電式測(cè)力傳感器輸出電荷q與加速度成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（3）壓電式傳感器在測(cè)漏中的應(yīng)用 如果地面下一均勻的自來水直管道某點(diǎn)O漏水，水漏引起的振動(dòng)從O點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道A、B兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，由從兩個(gè)傳感器接收到的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用的時(shí)間差可計(jì)算出LA或L

38、B。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,兩者時(shí)間差為,又L=LA+LB，所以,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,二、電容式傳感器,電容式傳感器是一種能將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鞯碾娙萘孔兓?，然后再通過一定的電路將此電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等信號(hào)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。電容式傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧易于制造，功率小阻抗高靈敏度高；動(dòng)態(tài)特性好，能在高低溫及強(qiáng)輻射的惡劣環(huán)境中工作，能進(jìn)行非接觸測(cè)量等。當(dāng)然，電容式傳感器也有其不足之處，如負(fù)載能力差，寄生電容影響較大，輸出為非線性等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電容式傳感器的性能已得到了很大的改善，在位移、壓力、液位等物理量測(cè)量中得到廣泛

39、應(yīng)用。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,1電容式傳感器工作原理 電容傳感器的工作原理可從平板電容器加以說明，如圖2-23所示。由物理學(xué)可知，兩平板組成的電容器，如不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量可用下式表示,（2-13）,式中 S兩極板相互遮蓋的面積； 兩極板間的距離； 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,2變介電常數(shù)型電容傳感器,通過改變板間介質(zhì)（即介電常數(shù)），可改變電容量。下面用一實(shí)例加以說明：圖2-24所示是一密封鉛罐中測(cè)量液態(tài)氮液位高度的原理圖。在被測(cè)介質(zhì)中放入兩個(gè)同心圓柱狀極板1和2。若容器內(nèi)液體介質(zhì)的介電常數(shù)為，液體介質(zhì)上面氣體介質(zhì)的介電常數(shù)為，當(dāng)容器內(nèi)液面高度變

40、化時(shí)，則電容量將變化（假設(shè)液體介質(zhì)為不導(dǎo)電液體，若導(dǎo)電，則電極板必須絕緣）。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,電極板間電容C等于氣體介質(zhì)間電容C2與液體介質(zhì)間電容C1之和，相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián)，即,（2-14）,（2-15）,（2-16）,（2-17）,式（2-17）表明傳感器電容量C與高度呈線性關(guān)系。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,3變面積型電容傳感器 變面積型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖2-25所示。利用圖2-25（a）分析，當(dāng)上部平板向左位移x后，電容量由 變?yōu)?用電容變化的增量與移動(dòng)距離x的比值定義為靈敏度KX，則,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,平板形差動(dòng)電容,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

41、自動(dòng)化教研室,階段小結(jié) 壓電傳感器是利用壓電材料本身固有的壓電效應(yīng)，將外加的壓力轉(zhuǎn)換成電荷變化量，再通過電荷（或電壓）放大后，檢測(cè)其對(duì)應(yīng)的壓力。電容式傳感器是將外加力轉(zhuǎn)變成傳感器電容量的變化，然后再通過一定的電路將此電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓、電流或頻率等信號(hào)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力的測(cè)量。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,模塊三 濕度傳感器及其應(yīng)用,課題一 濕度傳感器的分類及特性,任務(wù)目標(biāo) 熟悉濕度的表示方法和濕度傳感器的主要特性； 熟悉半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器、有機(jī)高分子濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)，掌握其感濕特性。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,一、濕度傳感器概述,濕度是指物質(zhì)中所含水分的量，可通過濕度

42、傳感器進(jìn)行測(cè)量。濕度傳感器是將環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置 ，現(xiàn)代化的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)空氣濕度的重視程度日益提高，要求也越來越高，如果濕度不能滿足要求，將會(huì)造成不同程度的不良后果。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,1濕度的表示方法,狹義的濕度是指空氣中水汽的含量，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)（或露點(diǎn)溫度）等來表示。 （1）絕對(duì)濕度 絕對(duì)濕度是指在一定溫度及壓力條件下，單位體積待測(cè)氣體中含水蒸氣的質(zhì)量，即水蒸氣的密度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為,（3-1）,式中Mv待測(cè)氣體中水蒸氣的質(zhì)量； V 待測(cè)氣體的總體積； Ha待測(cè)氣體的絕對(duì)濕度，單位為g/m3。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（2）相對(duì)濕

43、度 相對(duì)濕度為待測(cè)氣體中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓的比值的百分?jǐn)?shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為,（3-2）,式中 PV某溫度下待測(cè)氣體的水蒸氣壓； PW與待測(cè)氣體溫度相同時(shí)水的飽和蒸氣壓； RH相對(duì)濕度，單位為%RH。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,飽和水蒸氣壓與氣體的溫度和氣體的壓力有關(guān)。當(dāng)溫度和壓力變化時(shí)，因飽和水蒸氣壓變化，所以氣體中的水蒸氣壓即使相同，其相對(duì)濕度也會(huì)發(fā)生變化，溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。日常生活中所說的空氣濕度，實(shí)際上就是指相對(duì)濕度而言。凡談到相對(duì)濕度，必須同時(shí)說明環(huán)境溫度，否則，所說的相對(duì)濕度就失去確定的意義。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（3）露點(diǎn) 水的飽和蒸氣

44、壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小。當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時(shí)，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對(duì)濕度為100RH。該溫度稱為空氣的露點(diǎn)溫度，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)。如果這一溫度低于0時(shí)，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點(diǎn)溫度。兩者統(tǒng)稱為露點(diǎn)?？諝庵兴魵鈮涸叫?，露點(diǎn)越低，因而可用露點(diǎn)表示空氣中的濕度。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,2濕度傳感器的主要特性,（1）感濕特性 感濕特性為濕度傳感器的感濕特征量（如電阻、電容、頻率等）隨環(huán)境濕度變化的規(guī)律，常用感濕特征量和相對(duì)濕度的關(guān)

45、系曲線來表示，如圖3-1所示。,圖3-1 濕敏元件的感濕特性曲線,按曲線的變化規(guī)律，感濕特性曲線可分為正特性曲線和負(fù)特性曲線 。性能良好的濕度傳感器，要求在所測(cè)相對(duì)濕度范圍內(nèi)，感濕特征量的變化為線性變化，其斜率大小要適中。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（2）濕度量程 濕度傳感器能夠比較精確測(cè)量相對(duì)濕度的最大范圍稱為濕度量程。一般來說，使用時(shí)不得超過濕度量程規(guī)定值。所以在應(yīng)用中，希望濕度傳感器的濕度量程越大越好，以0%100%RH為最佳。 濕度傳感器按其濕度量程可分為高濕型、低濕型及全濕型三大類。高濕型適用于相對(duì)濕度大于70%RH的場(chǎng)合；低濕型適用于相對(duì)濕度小于40%RH場(chǎng)合；而全濕型則適

46、用于0%100%RH的場(chǎng)合。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（3）靈敏度 靈敏度為濕度傳感器的感濕特征量隨相對(duì)濕度變化的程度，即在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1%RH時(shí)，濕度傳感器的感濕特征量的變化值，也就是該濕度傳感器感濕特性曲線的斜率。 由于大多數(shù)濕度傳感器的感濕特性曲線是非線性的，在不同的濕度范圍內(nèi)具有不同的斜率，因此常用濕度傳感器在不同環(huán)境濕度下的感濕特征量之比來表示其靈敏度。如R1%/R10%表示器件在1%RH下的電阻值與在10%RH下的電阻值之比。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（4）響應(yīng)時(shí)間 當(dāng)環(huán)境濕度增大時(shí)，濕敏器件有一吸濕過程，并產(chǎn)生感濕特征量的變化。而當(dāng)環(huán)境濕度

47、減小時(shí)，為檢測(cè)當(dāng)前濕度，濕敏器件原先所吸的濕度要消除，這一過程稱為脫濕。所以用濕敏器件檢測(cè)濕度時(shí)，濕敏器件將隨之發(fā)生吸濕和脫濕過程。 在一定環(huán)境溫度下，當(dāng)環(huán)境濕度改變時(shí)，濕敏傳感器完成吸濕過程或脫濕過程（感濕特征量達(dá)到穩(wěn)定值的規(guī)定比例）過程所需要的時(shí)間，稱為響應(yīng)時(shí)間。感濕特征量的變化滯后于環(huán)境濕度的變化，所以實(shí)際多采用感濕特征量的改變量達(dá)到總改變量的90%所需要的時(shí)間，即以相應(yīng)的起始濕度和終止?jié)穸冗@一變化區(qū)間90%的相對(duì)濕度變化所需的時(shí)間來計(jì)算。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（5）感濕溫度系數(shù) 濕度傳感器除對(duì)環(huán)境濕度敏感外，對(duì)溫度也十分敏感。濕度傳感器的溫度系數(shù)是表示濕度傳感器的感濕特性

48、曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù)。在不同環(huán)境溫度下，濕度傳感器的感濕特性曲線是不同的，如圖3-2所示。,圖3-2 濕敏元件的溫度特性,濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)定義為：濕度傳感器在感濕特征量恒定的條件下，當(dāng)溫度變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度將發(fā)生變化，這兩個(gè)變化量之比（參見式（3-3），稱為感濕溫度系數(shù)。,（3-3）,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,顯然，濕度傳感器感濕特性曲線隨溫度的變化越大，由感濕特征量所表示的環(huán)境濕度與實(shí)際的環(huán)境濕度之間的誤差就越大，即感濕溫度系數(shù)越大。因此，環(huán)境溫度的不同將直接影響濕度傳感器的測(cè)量誤差。故在環(huán)境溫度變化比較大的地方測(cè)量濕度時(shí)，必須進(jìn)行修正或外接補(bǔ)償。 濕度傳感器的

49、感濕溫度系數(shù)越小越好。傳感器的感濕溫度系數(shù)越小，在使用中受環(huán)境溫度的影響也就越小，傳感器就越實(shí)用。一般濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)在0.20.8%RH/。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,圖3-3 濕度傳感器的濕滯特性,（6）濕滯特性 一般情況下，濕度傳感器不僅在吸濕和脫濕兩種情況下的響應(yīng)時(shí)間有所不同（大多數(shù)濕敏器件的脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間），而且其感濕特性曲線也不重合。在吸濕和脫濕時(shí)，兩種感濕特性曲線形成一個(gè)環(huán)形線，稱為濕滯回線。濕度傳感器這一特性稱為濕滯特性，如圖3-3所示。,濕滯回差表示在濕滯回線上，同一感濕特征量值下，吸濕和脫濕兩種感濕特性曲線所對(duì)應(yīng)的兩濕度的最大差值。在電阻為X值

50、時(shí)，RH=RHH-RHL，顯然濕度傳感器的濕滯回差越小越好。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（7）老化特性 老化特性為濕度傳感器在一定溫度、濕度環(huán)境下，存放一定時(shí)間后，由于塵土、油污、有害氣體等的影響，其感濕特性將發(fā)生變化的特性。,（8）互換性 濕度傳感器的一致性和互換性差。當(dāng)使用中濕度傳感器被損壞，那么有時(shí)即使換上同一型號(hào)的傳感器也需要再次進(jìn)行調(diào)試。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,綜上所述，一個(gè)理想的濕度傳感器應(yīng)具備以下性能和參數(shù)： 使用壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。 靈敏度高，感濕特性曲線的線性度好。 使用范圍寬，感濕溫度系數(shù)小。 響應(yīng)時(shí)間短。 濕滯回差小，測(cè)量精度高。 能在有害氣氛的惡劣

51、環(huán)境下使用。 器件的一致性、互換性好，易于批量生產(chǎn)，成本低。 器件的感濕特征量應(yīng)在易測(cè)范圍以內(nèi)。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,二、濕度傳感器的分類及工作原理,濕度傳感器種類很多，沒有統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)。按探測(cè)功能來分，可分為絕對(duì)濕度型、相對(duì)濕度型和結(jié)露型；按傳感器的輸出信號(hào)來分，可分為電阻型、電容型和電抗型，電阻型最多，電抗型最少；按濕敏元件工作機(jī)理來分，又分為水分子親和力型和非水分子親和力型兩大類，其中水分子親和力型應(yīng)用更廣泛；按材料來分，可分為陶瓷型、有機(jī)高分子型、半導(dǎo)體型和電解質(zhì)型等。下面按材料分類分別加以介紹。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,1半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器,陶瓷濕度傳感器具

52、有很多優(yōu)點(diǎn)，主要如下：測(cè)濕范圍寬，基本上可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測(cè)量；工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達(dá)800；響應(yīng)時(shí)間短，多孔陶瓷的表面積大，易于吸濕和脫濕；濕滯小、抗沾污、可高溫清洗和靈敏度高，穩(wěn)定性好等。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器按其制作工藝不同可分為：燒結(jié)型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。,陶瓷濕度傳感器較成熟的產(chǎn)品有MgCr2O4-TiO2（鉻酸鎂-二氧化鈦）系、ZnO-Cr2O3（氧化鋅-三氧化二鉻）系、ZrO2（二氧化鋯）系、Al2O3（三氧化鋁）系、TiO2-V2O5（二氧化鈦-五氧化二釩）系和Fe

53、3O4（四氧化三鐵）系等。它們的感濕特征量大多數(shù)為電阻，除Fe3O4系外，都為負(fù)特性濕敏傳感器，即隨著環(huán)境濕度的增加電阻值降低。下面介紹其典型品種。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（1）MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器 MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器為燒結(jié)型，其結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。,圖3-4 MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器結(jié)構(gòu),長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,制作方法 ：,以MgCr2O4為基礎(chǔ)材料，加入適量的TiO2，在1300左右燒結(jié)而成，然后切割成所需薄片，在MgCr2O4-TiO2陶瓷薄片兩面涂覆氧化釕（Ru

54、O2）多孔電極，并于800下燒結(jié)，制成感濕體，電極與引出線燒結(jié)在一起，引線為Pt-Ir（鉑-銥）絲。在感濕體外設(shè)置由鎳鉻絲燒制而成的加熱清洗線圈，此線圈的作用主要是通過加熱排除附著在感濕片上的有害物質(zhì)（如水分、油污、有機(jī)物和灰塵等），以恢復(fù)對(duì)水汽的吸附能力。常用450每分鐘的條件對(duì)陶瓷表面進(jìn)行熱清洗。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,MgCr2O4-TiO2濕度傳感器的感濕特性曲線如圖3-5所示，該濕度傳感器的特點(diǎn)是體積小、感濕靈敏度適中，電阻率低，阻值隨相對(duì)濕度的變化特性好，測(cè)量范圍寬，可測(cè)量0100%RH，響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間可小至幾秒。,圖3-5 MgCr2O4-TiO2濕度傳感器的感

55、濕特性曲線,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（2）硅MOS型Al2O3濕度傳感器,Al2O3濕度傳感器根據(jù)濕敏元件制作方法不同，可分為多孔Al2O3濕度傳感器、涂覆膜狀A(yù)l2O3濕度傳感器和MOS型濕度傳感器。下面介紹硅MOS型濕度傳感器。,圖3-6 硅MOS型Al2O3濕度傳感器的結(jié)構(gòu),MOS型濕度傳感器具有響應(yīng)速度快、化學(xué)穩(wěn)定性好及耐高低溫沖擊的性能。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,2高分子濕度傳感器,高分子濕度傳感器包括高分子電解質(zhì)薄膜濕度傳感器、高分子電阻式濕度傳感器、高分子電容式濕度傳感器、結(jié)露傳感器和石英振動(dòng)式傳感器等，下面分別加以介紹。,（1）高分子電阻式濕度傳感器 這種傳

56、感器的濕敏層為可導(dǎo)電的高分子，強(qiáng)電解質(zhì)，具有極強(qiáng)的吸水性。水吸附在有極性基的高分子膜上，在低濕下，因吸附量少，不能產(chǎn)生電離子，所以電阻值較高；當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，吸附量也增大。高分子電解質(zhì)吸水后電離，正負(fù)離子對(duì)主要起到載流子作用，使高分子濕度傳感器的電阻下降。吸濕量不同，高分子介質(zhì)的阻值也不同，根據(jù)阻值變化可測(cè)量相對(duì)濕度。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,高分子濕度傳感器外形圖,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（2）高分子電容式濕度傳感器 圖3-7為高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)，它是在潔凈的玻璃基片上，蒸鍍一層極?。?0nm）的梳狀金質(zhì)，作為下部電極，然后在其上薄薄地涂上一層高分子

57、聚合物（1nm），干燥后，再在其上蒸鍍一層多孔透水的金質(zhì)作為上部電極，兩極間形成電容，最后上下電極焊接引線，就制成了電容式高分子薄膜濕度傳感器。,圖3-7 高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu),長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,當(dāng)高分子聚合物介質(zhì)吸濕后，元件的介電常數(shù)隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化而變化，從而引起電容量的變化。,由于高分子膜可以做得很薄，所以元件能迅速吸濕和脫濕，故該類傳感器有滯后小和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。,（3）結(jié)露傳感器 結(jié)露傳感器是一種特殊的濕度傳感器，它與一般的濕度傳感器不同之處在于它對(duì)低濕不敏感，僅對(duì)高濕敏感，感濕特征量具有開關(guān)式變化特性。結(jié)露傳感器分為電阻型和電容型，目前廣泛應(yīng)

58、用的是電阻型。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,結(jié)露傳感器外形圖,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,電阻型結(jié)露傳感器是在陶瓷基片上制成梳狀電極，在其上涂一層電阻式感濕膜，感濕膜采用摻入碳粉的有機(jī)高分子材料，在高濕下，電阻膜吸濕后膨脹，體積增加，碳粉間距變大，引起電阻突變；而低濕時(shí)，電阻因電阻膜收縮而變小，其特性曲線如圖3-8所示，在75%80%RH以下時(shí)，很平坦，而超過75%80%RH陡升。,圖3-8 結(jié)露傳感器的感濕特性,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,結(jié)露傳感器的特點(diǎn) ：,響應(yīng)時(shí)間短，體積較小，對(duì)高濕快速敏感。它的吸濕作用不在濕敏膜的表面，而在其內(nèi)部，這就使它的特性不受灰塵和其他氣體對(duì)

59、其表面污染的影響，因而長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，可靠性高，且不需加熱解毒，能在直流電壓下工作。,結(jié)露傳感器一般不用于測(cè)濕，而作為提供開關(guān)信號(hào)的結(jié)露信號(hào)器，用于自動(dòng)控制或報(bào)警，主要用于磁帶錄像機(jī)、照相機(jī)和高級(jí)轎車玻璃的結(jié)露檢測(cè)及除露控制。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,（4）石英振動(dòng)式濕敏傳感器 該類傳感器是在石英振子的電極表面涂覆高分子材料感濕膜，當(dāng)膜吸濕時(shí)，由于膜的重量變化而使石英振子共振頻率變化，從而檢測(cè)出環(huán)境濕度，傳感器在050時(shí)，濕度檢測(cè)范圍為0%100%RH，誤差5%RH。 石英振動(dòng)式濕敏傳感器還能檢測(cè)露點(diǎn)，當(dāng)石英振子表面結(jié)露時(shí)，振子的共振頻率會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)共振阻抗增加。,長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室,3含水量檢測(cè),通常將空氣或其他氣體中的水分含量稱為“濕度”，將固體物質(zhì)中的水分含量稱為“含水量”，即固體物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量與總質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù) 。,（1）稱重法 測(cè)出被測(cè)物質(zhì)烘干前