传感器原理与应用(目录及第一部分参数类传感器),附有插图.doc

目录一、参数传感器1电位器传感器2电阻应变传感器结构和原理 测量电路 温度误差及补偿 半导体应变片3热电阻传感器结构和原理 热电阻 测量电路 热敏电阻4气敏传感器5电感传感器自感传感器 差动变压器式传感器 涡流传感器 压磁传感器6电容传感器原理和基本问题 测量电路二、发电类传感器1热电偶原理 热电偶的基本定律 热电偶的结构 热电偶的特点和应用 补偿导线与冷端处理 测量电路2压电传感器压电材料 压电传感器的连接和测量电路 压电传感器的应用3霍尔传感器和磁敏传感器霍尔效应和霍尔元件 霍尔传感器的测量电路 磁敏传感器4磁电式传感器动圈式磁阻传感器 磁阻式磁阻传感器 电磁感应式磁敏传感器 5电磁检测6振弦传感器和振筒传感器 振弦传感器振筒传感器7气动传感器气电转换器 气动传感器应用三、发射类传感器1光电传感器 原理和组成 光电元件 光电检测传感器 光电开关 光电耦合器 光纤传感器 激光传感器2红外传感器 红外辐射 红外探测器 红外测温仪 红外气体分析仪 红外探伤3超声波传感器 超声波 常用超声波传感器 超声波探伤4微波传感器5射线检测传感器原理与应用（一）传感器是感知外界信号或信息并将其按一定规律转换成可用信号（一般为电信号）的装置。传感器由敏感元件（感知元件）和转换器件组成。有的半导体敏感元件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多。传感器种类很多，分类方法各异。由于原理和工程应用的多元性，分类时难免受到技术性交叉的困扰。我这里将传感器分为参数类、发电类和发射类也还是留有技术性交叉的痕迹。三类传感器将陆续上传。一、参数传感器1电位器传感器如图1所示，电位器传感器的原理是将输入位移的变化量Dx转换为输出电阻的变化量DR。图1 电位器传感器原理常用的电阻元件有金属丝(铂铱、康铜铜镍、锰铜)、金属膜、碳膜和半导体。要求电阻元件的电阻率高、电阻温度系数小、接触电动势小、工艺性能好。 电位器传感器的优点是简单；输出功率大，可直接测量。其缺点是有接触部位，精度低。2电阻应变传感器电阻应变传感器是将电阻应变片贴在弹性元件上，将应力、加速度、压力、振幅等被测量物理量转换为电阻应变片的变形，再转换成输出电阻变化的一种传感器。电阻应变传感器的优点是：精确度高、线性好、灵敏度高；滞后和蠕变较小，稳定性好，寿命高；容易与二次仪表匹配，实现自动检测；结构比较简单、体积较小，应用方便。(1)结构和原理电阻应变传感器由电阻应变片和测量电路组成。简单电阻应变片的示意图见图2。图2 电阻应变片电阻应变片有应变片和半导体应变片。金属电阻应变片的电阻敏感元件用铂、康铜、镍铬合金、卡玛合金等高电阻率电阻丝制成栅状或用金属箔、金属膜制成栅状。阻值多为数十欧至数百欧。要求电阻敏感元件的稳定性好、线性好、工艺性能好。电阻敏感元件的原始电阻为。当电阻丝受到水平方向拉力作用时，长度将增大l，截面将减小S，电阻率则由于材料晶格发生变形等因素影响而改变，从而电阻值的变化量为电阻值的相对变化量为电阻应变片的应变灵敏度为 式中，是材料的泊松比；前两项决定于电阻敏感元件几何尺寸的变化，第三项决定于电阻丝材料电阻率的变化。对于金属材料，；对于半导体材料，。应变片纵向拉长时，横向发生压缩，栅状电阻敏感元件端部电阻略有减小。这一效应称为横向效应。为了减小横向效应的影响，经常把端部截面做得大一些。 (2)测量电路如图3所示，电阻应变传感器常采用不平衡电桥测量电路。图中，U是电桥电源的电压，Uo是输出电压，RL是负载电阻，R1、R2、R3、R4是桥臂电阻。一般应用全桥差动电路，R1、R2、R3、R4都是应变片的电阻，两个应变片受拉，两个应变片受压。全桥差动电路可消除非线性误差，还能提高灵敏度。当时，输出电压为零；当R1、R2、R3、R4发生变化时，输出电压为图3 不平衡电桥测量电路由于应变电桥输出的电压很小，一般都必须放大。为了克服直流放大易于产生零点漂移，将电桥的输出信号经高频调制后进行放大，再经相敏整流、滤波后输出。相敏整流电路的输出的极性决定于电路元件的参数，能鉴别电路参数的增大或减小。相敏整流电路见图4。当Z1增大、Z2减小时，输出电压下端为正极；当Z1减小、Z2增大时，输出电压下端为负极。图4 相敏整流电路(3)温度误差及补偿 如工作温度变化t，则电阻的变化为式中，DRt1是电阻敏感元件电阻率随温度发生变化产生的误差，a是电阻温度系数；DRt2是电阻敏感元件与被测件线胀系数不一致产生的误差，b1是电阻敏感元件的线胀系数，b2是被测件的线胀系数。自补偿方式是合理选择应变片的材料或加组合式补偿片，使；另一种补偿方式是应用桥式测量电路，在相邻的桥臂上贴无应变的应变片；还可以接入热敏电阻进行补偿。 (4)半导体应变片 半导体应变片由单晶半导体经切型、切条、光刻腐蚀成形后粘贴在薄的绝缘基片上，再加上保护层而成。半导体应变片的特点是体积小、灵敏度高、工艺简单、价格低廉；其重复性和稳定性较差。3热电阻传感器(1)结构和原理热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的传感器，分为热电阻传感器和热敏电阻传感器。其特点是测量精度高；测量范围大，一般为-200850（特殊的测量范围更大一些）；方便用于自动测量和远距离测量。简单热电阻传感器的结构如图5所示。电阻体是将电阻丝采用双线并绕法绕制在云母、石英、陶瓷等材料支架上的整体。珠状热敏元件的热敏电阻传感器的结构如图6所示。珠状热敏元件嵌在耐热绝缘管的顶端。图5 热电阻传感器图6 热敏电阻传感器对热电阻传感器的基本要求是测量范围宽，热电阻材料的电阻温度系数大、电阻率高，线性、稳定性和复制性好。(2)热电阻热电阻可采用铂、铜、碳等材料。铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠；测量温度范围为-200850；铂热电阻标称值有10和100两种，100的最为常用。按照厂家提供的Rtt关系表，可以直接从热电阻的阻值Rt查出对应的温度值。铜热电阻的特点是电阻温度系数较大，线性好，价格便宜；精度不高，电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差（100 以上容易氧化）。测量温度范围为-50150。(3)测量电路热电阻传感器的测量电路多采用桥式电路。测量时应考虑控制引线对测量结果的影响。热电阻内部引线有二线式、三线式和四线式。二线式接线简单、费用低，但其引线电阻会带来附加误差，只用于引线不长、测温精度要求较低的场合；三线式接线见图7(a) ，用于一般精度的工业测量；四线式接线见图7(b) ，用于高精度测量。图7 热电阻传感器桥式测量电路(a) 三线式 (b) 四线式(4)热敏电阻热敏电阻的特点是电阻率随温度而显著变化，多有明显的非线性。大多数具有负电阻温度系数，也有的具有正电阻温度系数。以钛酸钡为基本材料，再掺入适量的镧、铌等稀土元素，经高温烧结生成半导体化钛酸钡具有正电阻温度系数。半导体化钛酸钡当温度达到120时，电阻值的急剧增加；而当温度不超过120时，电阻值变化极为缓慢。因此，适用于恒温、调温和自动控温的场合。 以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，经高温烧结制成的金属氧化物半导体具有负电阻温度系数。使用温度范围宽（-60600以上）、灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低，广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温控系统。4气敏传感器气敏传感器由气敏元件和测量电路组成。常用的有接触燃烧式气敏传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝或表面涂铂、钯等稀有金属催化层的金属丝。使用时金属丝通过电流，保持300400的高温。这时，如金属丝与可燃性气体接触，可燃性气体在金属丝表面层燃烧，金属丝温度会上升，其电阻值随之上升。通过测量电路测量金属丝的电阻值，就可以知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器是利用不同电解质与气体直接氧化或还原反应，产生电流或电动势输出，属于发电类传感器。半导体气敏传感器的检测元件是半导体材料。N型半导体获得电子后电阻减小，P型半导体获得电子后电阻增大。例如，SnO2金属氧化物半导体属于N型半导体，在200300状态下吸附空气中的氧，形成负离子的氧吸附，半导体内的电子密度减小，电阻值增大。当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO）时，可燃气体以正离子状态取代被吸附的氧。过程中放出电子，半导体内电子密度增大，电阻值下降。当可燃性气体不存在时，半导体又恢复到原始状态。气敏元件有直热式和旁热式两种。直热式气敏元件的加热丝直接烧结在金属氧化物半导体管芯内；旁热式气敏元件以陶瓷管为基底，管内穿加热丝，管外烧结金属氧化物气敏材料。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，可用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测和报警。5电感传感器电感传感器是应用电磁感应原理，将位移、压力、流量、振动等被测非电量转换为电感量变化的一种传感器，可分为变磁阻式传感器（自感型），差动变压器式传感器（互感型）及涡流传感器。电感传感器的特点是工作可靠、稳定性和重复性好、灵敏度高、精度高、线性好、寿命长。电感传感器可用于位移、压力、厚度、转速、流量、振幅的测定，还可用于探伤、秤重、电梯保护等。 (1)自感传感器自感传感器的组成见图8。如忽略铁心部分的磁阻，该双气隙磁路的磁阻为；线圈的自感为 图8 自感传感器示意图 图9 自感特性该式表明，铁心线圈的自感L决定于气隙长度d、气隙截面S等因素。L与d、S的关系见图9。据此可做成不同类型的自感传感器。变d自感传感器的线性不好，灵敏度越高时非线性误差越大，但应用比较简单。做成如图10(a)所示的差动式自感传感器可减小非线性误差。差动式自感传感器主要由两个同样的自感传感器对称连接组成。图10(b)是差动式自感传感器的输出特性。图中，uo是输出电压。由于两个自感传感器不可能完全对称以及分布电容、高次谐波等因素的影响，实际输出特性偏离理想特性，并有残余电压Duo存在（见图中虚线）。为此，电路中设计有补偿环节。 差动式自感传感器应用紧藕合桥式测量电路及相敏整流测量电路。图10 差动自感传感器(a)原理 (b)特性(2)差动变压器式传感器图11 差动变压器(a)原理结构 (b)电路 (c)特性螺管式差动变压器式传感器的原理见图11。如图11(a)所示，差动变压器式传感器为互感型传感器。1是一次线圈，21和22是二次线圈。如图11(b)所示，输出电压为两个二次线圈输出电压之差，即uo=u22-u21。如图(c)所示，输出电压的线性得到很大的改善。差动变压器式传感器也有残余电压的问题，也应电路中设计有补偿环节。差动变压器式传感器应用紧藕合桥式测量电路及相敏整流测量电路。(3)涡流传感器涡流传感器有高频反射式传感器和低频透射式传感器。可用于位移、振幅、转速、厚度等测量和探伤。高频反射式传感器的示意图和等效电路见图12。传感器线圈的阻抗除决定于线圈匝数、几何尺寸等自身参数及其与被检测物之间的距离外，还决定于被检测物的厚度、磁导率、电阻率和电流频率。据此可进行多种检测。高频反射式传感器有调频式测量电路和调幅式测量电路。前者经振荡器输出频率；后者是给探头提供固定的频率，并将其上电压放大后输出。 图12 高频反射式传感器(a)示意图 (b)等效电路低频透射式传感器属于发电类传感器。其的测量原理见图13。在被测金属板的上方设有传感器的发射线圈，在被测金属板下方设有传感器的接收线圈。在发射线圈上加低频电压u1时，接收线圈上产生感应电动势e2。感应电动势e2决定于被测金属板厚度、电磁性能、电源频率等参数。例如，被测金属板越厚，其内涡流越强，阻碍磁场穿过的能力越强，感应电动势e2越低。低频透射式测厚仪的检测范围为1100mm、分辨率为0.1m、线性度为1%。 图13 低频透射式传感器原理(4)压磁传感器磁性材料受力时，拉申方向磁导率增大，压缩方向磁导率减小。利用这一特征可制成压磁传感器。如图14示，传感器上线圈1与线圈2是正交布置的，正常时二者之间不发生感应。当传感器纵向受压时，横向磁导率增大，出现图中虚线所示的磁链，次级线圈将输出电动势。压磁传感器的输出大、抗干扰性能好。压磁传感器可用于测力、称重、电梯保护等。图14 压磁传感器示意图6电容传感器(1)原理和基本问题平板电容器和同轴圆筒电容器的电容量分别为和式中e极间介质的介电常数；S平板电容器极板的面积；d平板电容器极板间的距离；l同轴圆筒电容器的轴向长度；D1和D2同轴圆筒电容器的内筒外径和外筒内径。以上二式表明，改变电容器极板面积、改变电容器极间的距离、改变极间介质均可取得电容变化量作为输入信号。图15所示为几种电容传感器的原理结构。图中，(a)为直线位移变极间距离式，(b)、(c)为直线位移变极板面积式，(d)、(e)、(f)为角位移变极板面积式，(g)为齿形直线位移变极板面积式，(h)为变固体介质式，(i)为变液体介质式。图15 电容传感器因为电容量C与极板间的距离d没有线性关系。所以，改变极板间距离的电容传感器的线性不好。只有在d很小的情况下C与d才有近似的线性关系。因此，实用中d总是很小的。另外，为了获得足够的灵敏度，要求有较大的电容变化量C。因此，距离d往往很小。但是，过小的d容易导致电容器击穿。为此，一般在极板间插入高耐压强度的云母或塑料层（图16），以减小极板间的距离。这类电容传感器极板间的距离为25200mm，初始电容为20100pF，最大位移小于极板间的距离的1/10。由此可知，这类电容传感器宜用于微位移测量。图16 混合介质的电容传感器改变极板面积的电容传感器具有良好的线性，可用于测量直线位移或角位移。 改变极间介质的电容传感器的电容量决定于介质的位置、厚度和介电常数，可用于多种检测。在可能的情况下，应增大电容传感器的初始电容量。这样做的好处是： 增大电容变化量C，提高传感器的灵敏度； 减小分布电容的影响； 增强传感器的抗干扰能力； 提高传感器的线性度。提高电源频率、设计电场屏蔽、选择介质材料、减小静电力也都是可提高传感器的灵敏度的途径。(2)测量电路电容传感器测量电路的类型很多。其中，较为多见的是桥式电路。桥式电路的优点是能改善线性度、能提高一倍灵敏度，而且调试比较方便。调频测量电路 这种电路是把传感器的电容作为振荡器谐振回路的一部分, 当输入量导致电容量发生变