传感器技术-刘乔

1、课程概述必修课主要内容测量概论（误差理论与数据处理）传感器基本特性应变式电感式电容式压电式磁电式热电式光电式（光电检测技术）半导体（气敏、湿敏）超声波微波红外辐射数字式智能式（智能传感器）（过程检测技术与仪表）基本要求了解测量的基本知识掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路了解各类传感器的典型应用第一章传感与检测技术理论基础被测对象数据传输环节数据显示环节数据处理环节传感器被测量测量结果图11测量系统组成图被测对象显示放大传感、变送图2.2开环系统测量框图x1x2x2k3k1ky被测对象显示放大传感、变送图2.3闭环系统测量框图x1x2x2k3k1ky反馈fxxyYFSoLmaxxy

2、YFSL1LmaxL2oxyYFSLmaxxyYFSL1L2L3L3Lmaxox(a)(b)(c)(d)o直线拟合线性度yYFSx理想特性曲线实际特性曲线o灵敏度oxyyxyxyxyx(a)(b)o第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.1 工作原理工作原理 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 3.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路3.4 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 3.1工作原理 应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体应变式传感器概述 是利

3、用电阻应变片电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构： 应变式传感器由弹性元件弹性元件上粘贴电阻应变片电阻应变片构成 应用： 广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量应变效应分析应变效应分析 电阻应变片的工作原理是基于应变效应即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应”。 灵敏系数K受两个因素影响

4、 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（d/）/。 对金属材料：1+2(d/)/ 对半导体材料：(d/)/1+2 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。 应变片的结构应变片的结构图3-2 金属电阻应变片的结构 引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb丝式丝式箔式箔式第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 电感式传感器的工作基础：电磁感应 即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量 分为变磁阻式、变压器式、涡流

5、式等 特点： 工作可靠、寿命长 灵敏度高，分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性好4.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器4.1.1 工作原理工作原理 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 图4 1 变磁阻式传感器 S1l1L1W23l21线 圈 ；2铁 芯 (定 铁 芯 )；3衔 铁 (动 铁 芯 )S24.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 把被测的非电量

6、变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接， 故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中， 应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1100mm 机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。 图 4-11 差动变压器式传感器的结构示意图 iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 4.3.1 工作原理工作原理 图4-22 电涡流式传感器原理图（a） 传感器激励线圈; （b

7、） 被测金属导体 1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流主要内容 5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性5.3 电容式传感器的等效电路（自学）电容式传感器的等效电路（自学）5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 dSC（5-1） 5.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感

8、器Ard图5-2 变极距型电容式传感器 5.1.2 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，则电容变化量为 00rx bCCCd (5-6) 式中C0=0r ba/d为初始电容。电容相对变化量为 axCC0(5-7) 这种形式的传感器其电容量C与水平位移x呈线性关系。 图5-5 变面积型电容传感器原理图 bxadxS图5-7 电容式液位变换器结构原理图 DdHh1第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 6.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量电路压

9、电式传感器测量电路6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 第6章 压电式传感器 6.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象， 称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机电能量的相互转换，如图6 - 1所示。

10、第6章 压电式传感器 图6-1 压电效应可逆性 压 电 元 件机 械 量电 量第6章 压电式传感器 6.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.2.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器， 晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质， 则其电容量为 dACra0(6-4) 第6章 压电式传感器 6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 6.3.1 压电式测力传感器压电式测力传感器 图6-11是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上

11、盖及基座等组成。 图6-11 压力式单向测力传感器结构图 第6章 压电式传感器 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向压电效应， 通过d11实现力电转换。石英晶片的尺寸为81mm。该传感器的测力范围为050N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为5060 kHz，整个传感器重为10 g。 8.1 光电器件光电器件 1. 外光电效应外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。 光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定： E=h （8-1） 式中： h普朗克常数=6.

12、62610-34(Js) 光的频率（s-1）。 2. 内光电效应内光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类： （1） 光电导效应# 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。 （2） 光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。 图 8-1 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图金属电极半导体玻璃底板电源检流计RLEI(a)(b)(c)Ra8.2 光光 纤纤 传传 感感 器器 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术， 它是伴随着光