第3章 常用传感器与敏感元件

1、第三章第三章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路3.1 3.1 常用传感器的分类常用传感器的分类二二 传感器的作用传感器的作用三三 传感器的分类传感器的分类下一节回首页一一 传感器的定义传感器的定义四四 传感器市场预测传感器市场预测一一 传感器的定义传感器的定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的

2、信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。3.1 3.1 常用传感器的分类常用传感器的分类 国家标准国家标准 GB7665-87 GB7665-87 对传感器下的定义是：对传感器下的定义是： “能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和辅助元件组成信号的器件或装置，通常由敏感元件和辅助元件组成”一一 传感器的定义传感器的定义构成：敏感元件构成：敏感元件 + + 辅助元件辅助元

3、件 敏感元件敏感元件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。理量，并将信号进行必要的转换输出。 辅助元件辅助元件一般指安装、连接、支承敏感元件的一些辅助一般指安装、连接、支承敏感元件的一些辅助装置，如传感器的壳体、引线等装置，如传感器的壳体、引线等。 3.1 3.1 常用传感器的分类常用传感器的分类 1 1、传感器是人类感官的、传感器是人类感官的扩展扩展和和延伸延伸，借助传感器，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。例如，用例如，用超声波探测器超声波探测器可以

4、探测海水的深度可以探测海水的深度 用用红外遥感器红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污可以从高空探测地球上的植被和污状况等等。状况等等。 2 2、传感器是检测系统重要构成部分。、传感器是检测系统重要构成部分。 二二 传感器的作用传感器的作用传感器（传感器（SensorSensor）- - 检出功能的器件检出功能的器件信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）3.1 3.1 常用传感器的分类常用传感器的分类1)1)按被测物理量分类（适用于使用者）按被测物理量分类（适用于使用者）常见的被测物理量（输入量）常见的被测物理量（输入量）三三 传感器的分类传感器的分

5、类位移传感器位移传感器速度传感器速度传感器力传感器力传感器温度传感器等。温度传感器等。3.1 3.1 常用传感器的分类常用传感器的分类机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器2)2)按工作原理分类按工作原理分类: :物性型和结构型物性型和结构型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :

6、电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: : 能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例例: :动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器 1 1、就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧、就世界范围而言，传感器市场

7、上增长最快的依旧是是汽车市场汽车市场，占第二位的是，占第二位的是过程控制市场过程控制市场，看好，看好通通讯市场讯市场前景。前景。 2 2、传感器市场的主要增长来自于无线传感器、传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS MEMS (Micro-Electro (Micro-Electro Mechanical Systems) Mechanical Systems)传感器、传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-20102007-2010年复合年增长率预计会超过年复合年增长率预计会超过25%25%。 3 3、目前，全球的传感器市

8、场在不断变化的创新之中、目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。呈现出快速增长的趋势。新技术的发展将重新定义新技术的发展将重新定义未来的传感器市场未来的传感器市场，随着计算机技术的发展，随着计算机技术的发展，“智智能传感器能传感器”与与“虚拟仪器虚拟仪器”将是传感器的发展趋势将是传感器的发展趋势四、全球传感器市场预测四、全球传感器市场预测3.1 3.1 常用传感器的分类常用传感器的分类 在测试技术中，常常以弹性体作为传感器的敏感元件。在测试技术中，常常以弹性体作为传感器的敏感元件。 1 1、定义、定义 输入量可以是力、压力、温度等物理量，而输输入量可以是力、压力、温度等

9、物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形（或应变）。出则为弹性元件本身的弹性变形（或应变）。2 2、优点、优点 结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观3.2 3.2 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器3 3、缺点、缺点 弹性变形不易过大，减小其线性误差弹性变形不易过大，减小其线性误差 放大及指示环节多为机械传动，惯性大，放大及指示环节多为机械传动，惯性大， 固有频率低只能用于检测缓变或静态被测量固有频率低只能用于检测缓变或静态被测量4 4、对策：、对策： 为了提高测量的频率范围，先用弹性元件将被为了提高测量的频率范围，先用弹性元件将被测量转移

10、成位移量，然后用其它传感器将位移量转测量转移成位移量，然后用其它传感器将位移量转化为电信号输出化为电信号输出3.2 3.2 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器一、概述一、概述1 1、定义：、定义： 其工作原理是将被测物理量转化为电路参其工作原理是将被测物理量转化为电路参数的传感器。数的传感器。2 2、分类：、分类： 电阻式传感器电阻式传感器 电容式传感器电容式传感器 电感式传感器电感式传感器3.3 3.3 参数型传感器参数型传感器二二 电阻式传感器电阻式传感器1 1、电阻式传感器的分类、电阻式传感器的分类 电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变

11、化转换成自身电阻值的变化成自身电阻值的变化, ,再经相应的变换电路和装置显示或再经相应的变换电路和装置显示或记录被测量值的变化。记录被测量值的变化。 电阻式传感器按其工作原理可分为以下两种：电阻式传感器按其工作原理可分为以下两种： 1 1、变阻器式，、变阻器式，又称为电位器式。又称为电位器式。 2 2、应变片式，、应变片式，分为金属电阻应变式和半导体应变片式分为金属电阻应变式和半导体应变片式3.3 3.3 参数型传感器参数型传感器2 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器 工作原理工作原理 变阻器式传感器的工作原理是将物体的位移转换为电变阻器式传感器的工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化，由此再

12、进一步转换为电压等电量的变化。阻的变化，由此再进一步转换为电压等电量的变化。 常用变阻器式传感器有常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线直线位移型、角位移型和非线性型性型等，如下图所示。等，如下图所示。 等效电路分析等效电路分析: :xL2 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器L-L-变阻器总长变阻器总长; ;x-x-电刷移动量电刷移动量. .R-R-总电阻总电阻; ; R RL L电刷电阻电刷电阻; ;R=K*ll=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1 / Ex=L*E1 / E= K*E10EE1x2 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器传感器灵敏度传感器灵敏度kdxdRs3

13、3、变阻器式传感器的后接电路、变阻器式传感器的后接电路电阻分压电路电阻分压电路在直流激励电压在直流激励电压u0u0的作用下，传感器将位移变成输的作用下，传感器将位移变成输出电压的变化。当电刷移动出电压的变化。当电刷移动x x距离后，传感器的输出距离后，传感器的输出电压为：电压为：)1)(pLPpyxxRRxxuu线性时当xxuuRRpyPL02 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器优点优点：(1)(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)(2)受环境因素受环境因素( (如温度、湿度、电磁场干扰等如温度、湿度、电磁场干扰等) )影响小；

14、影响小；(3)(3)可以实现输出可以实现输出输入间任意函数关系；输入间任意函数关系；(4)(4)输出信号大，一般不需要放大。输出信号大，一般不需要放大。缺点缺点：(1)(1)因为存在电刷与线圈或电阻膜之间的摩擦，因此需要较大因为存在电刷与线圈或电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；的输入能量；(2)(2)由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量的精度，所以分辨力较低；量的精度，所以分辨力较低；(3)(3)动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的物理量。动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的物理量。 应用：变阻器式传感器常用于角位移和线

15、位移的测量。应用：变阻器式传感器常用于角位移和线位移的测量。直线滑动式电位器直线滑动式电位器2 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器应用应用 按测量类型：按测量类型：多圈电位器多圈电位器单圈电位器单圈电位器按制作方式：按制作方式：线绕电位器线绕电位器导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电导电材料粉材料粉2 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器应用应用 2 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器应用应用 案例：案例：测量线位移的变阻器式传感器的结构图。被测位移使测量线位移的变阻器式传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位测量轴沿导轨轴移动时，带动

16、电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻构成移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻构成电桥测量电路，由此将被测位移量转换为电桥的电压输出。电桥测量电路，由此将被测位移量转换为电桥的电压输出。 2 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器应用应用 案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻2 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器应用应用 案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位

17、器 -电阻电阻2 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器应用应用 案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻2 2、变阻器式传感器、变阻器式传感器应用应用 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化的现象。生变化的现象。 3 3、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器- -应变片应变片3 3、电阻应

18、变式传感器、电阻应变式传感器- -应变片应变片 （1 1）应变片的组成）应变片的组成 (1)(1)敏感元件：敏感元件：感受应变并将其转换感受应变并将其转换为自身阻值的变化。一般用康铜、镍铬为自身阻值的变化。一般用康铜、镍铬合金或半导体材料做成。它要用粘合剂合金或半导体材料做成。它要用粘合剂牢牢地固定在基片上。牢牢地固定在基片上。 (2)(2)基片：基片：固定和保护敏感元件，并固定和保护敏感元件，并将应变准确的传递给敏感元件。材料可将应变准确的传递给敏感元件。材料可以是纸、胶膜、玻璃纤维布等。以是纸、胶膜、玻璃纤维布等。 (3)(3)覆盖层：覆盖层：保护敏感元件不受外界保护敏感元件不受外界环境中

19、灰尘、湿气等的影响。环境中灰尘、湿气等的影响。 (4)(4)引线：引线：将敏感元件的阻值变化引将敏感元件的阻值变化引入后接电路。入后接电路。 3 3、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器 （2 2）应变片的分类）应变片的分类 (1)(1)按敏感元件的材料分为按敏感元件的材料分为金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体应变片半导体应变片两大类。两大类。 金属电阻应变片根据敏感元金属电阻应变片根据敏感元件的形状不同又分为件的形状不同又分为丝式丝式和和箔式箔式两种。两种。(2)(2)按用途分为按用途分为一般应变片一般应变片、应变花应变花和和特殊应变片特殊应变片。 1) 1) 工作原理工作原理上述任何一个

20、参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdR3 3、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器应变效应：应变效应：金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形着它所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。推导：推导：3 3、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器是压阻系数。是压阻系数。，电阻率的相对变化电阻率的相对变化是泊松比。是泊松比。，横向应

21、变横向应变纵向应变纵向应变，则有：，则有：若若 EddldlrdrrdrldldrdrldlRdRrA )2(23 3、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器- -应变片应变片之间。之间。，一般在，一般在系数。系数。灵敏度，又称为应变灵敏度，又称为应变等。等。、标称阻值，有标称阻值，有结论：结论：3.61.72112060 gggSSRSRR)21 (21:)21 (RdREERdR，则有：对金属导体综合以上各式可得：应变计金属应变计金属应变计3 3、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器- -应变片应变片2）半导体应变计：）半导体应变计：利用其压阻效应，即单晶半利用其压阻效应，即单晶半导体材料受某一

22、方向外力作用时，电阻率变化的现象。导体材料受某一方向外力作用时，电阻率变化的现象。drdrldlRdR2 优点：灵敏度大优点：灵敏度大; ;体积小体积小; ; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。3 3、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器- -应变片应变片gRSERdREERdR，则有：对半导体，求偏导，可得：21)21 (两种应变片的比较两种应变片的比较 工作原理不同：工作原理不同：金属电阻应变片基于机械变形引起金属电阻应变片基于机械变形引起 电阻的变化；半导体应变片基于电电阻的变化；半导体应变片基于电 阻率变化引起电阻的变化。阻率变化引起电阻

23、的变化。灵敏度不同：灵敏度不同：金属电阻应变片的灵敏度取决于泊松金属电阻应变片的灵敏度取决于泊松 比的大小；半导体应变片的灵敏度取比的大小；半导体应变片的灵敏度取 决于压阻系数和弹性模量的大小。决于压阻系数和弹性模量的大小。3 3、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器-应变片应变片3) 3) 应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(324131423 3、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器-应变片应变片ERRRRRRRRV)(32413142令：令：RR 1dRRR4RRR32ERRdRRRRRdRRRV)()(RdRE4)21(RdR金属丝应变片：金属丝应变片：V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压而测得应变与应变成线形关系，可以用电桥测量电压而测得应