第四章 常用传感器

1、第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用传感器是将被测量按一定规律转换成便于应用的某传感器是将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。通常将传感器看作是一个把被测非电种物理量的装置。通常将传感器看作是一个把被测非电量转换为电量的装置。传感器位于测控系统的首端，是量转换为电量的装置。传感器位于测控系统的首端，是获取准确可靠信息的关键装置。获取准确可靠信息的关键装置。传感器的构成传感器的构成 传感器由传感器由敏感器件敏感器件与与辅助器件辅助器件组成。敏感器件的组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。 辅助器件则

2、是对敏感器辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 V常用传感器的分类常用传感器的分类机械量机械量: 长度、厚度、位移、速度、加速度、转数、质长度、厚度、位移、速度、加速度、转数、质量，重量、力、压力、力矩；量，重量、力、压力、力矩；声声: 声压、噪声；声压、噪声； 磁磁: 磁通、磁场；磁通、磁场；温度温度: 温度、热量、比热；温度、热量、比热； 光：光： 亮度、色彩。亮度、色彩。1. 按被测物理量分类按被测物理量分类机械式，电气式，光学式，流体式等。机械式，电气式，光学式，流体式等。2. 按工作的物理基础

3、分类按工作的物理基础分类:3. 按信号变换特征分：按信号变换特征分：物性型传感器：依靠敏感元件本身物理化学性质的变物性型传感器：依靠敏感元件本身物理化学性质的变化，实现信号的变换的。化，实现信号的变换的。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器结构型传感器：依靠传感器结构参量的变化而实现信号结构型传感器：依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换的。转换的。力传力传感器感器 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：直接由被测对象输入能量使其工作。能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。 例如：热电偶温度计，压电式

4、加速度计。例如：热电偶温度计，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。 例如：电阻应变片。例如：电阻应变片。测量对象测量对象传感器传感器辅助能源辅助能源输入输入输入输入能量控制型传感器的工作方式能量控制型传感器的工作方式还有一种传感器还有一种传感器 信号（辅助能源产生）激励被测对象，传感器获取信号（辅助能源产生）激励被测对象，传感器获取的信号是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对的信号是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。象的性质或状态。 不同的情况下，传感器的换能元件可能

5、有一个或不同的情况下，传感器的换能元件可能有一个或两个以上。两个以上。位移位移电容变化的电容变化的能量型传感器能量型传感器电容变化电容变化电容式位移传感器电容式位移传感器如超声波探伤仪、如超声波探伤仪、 射线测厚仪、射线测厚仪、X射线衍射仪等。射线衍射仪等。质量质量加速度加速度力发生器力发生器电流电流力变换器力变换器电容型司服式加速度计框图电容型司服式加速度计框图弹簧片弹簧片位移位移电容变化的电容变化的能量型传感器能量型传感器电容电容电容式压力传感器电容式压力传感器压力压力弹性件弹性件力力电容电容传感器传感器电路电路位位移移电电容容电流电流输输出出第一节第一节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器

6、 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，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，其电阻值随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着所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变化象。的变化而发生变化象。 任何非电量，只要能设法转换为应变，都可以利用任何非电量，只要能设法转换为应变，都可以利用电阻应变片进行测量。电阻应变片进行测量。因此，电阻应变式传感器可以用来测量应变、力、因此，电阻应变式传感器可以用来测量应变、力、扭矩、位移、加速度等多种参数，而且具有灵敏度高、扭矩、位移、加速度等多种参数，而且具有灵敏度高、测量精确

7、、动态响应快、技术成熟等特点，在各行业获测量精确、动态响应快、技术成熟等特点，在各行业获得了广泛应用。电阻应变片可分为金属电阻应变片与半得了广泛应用。电阻应变片可分为金属电阻应变片与半导体应变片两类。导体应变片两类。（1 1）金属电阻应变片）金属电阻应变片 常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。 丝式应变片的主要结构是由做成栅状的电阻丝丝式应变片的主要结构是由做成栅状的电阻丝（敏感栅）、绝缘基片和覆盖层三部分组成。（敏感栅）、绝缘基片和覆盖层三部分组成。 箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成一箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般

8、在种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.0030.01mm之间，可根据需要制成任意形状。之间，可根据需要制成任意形状。 它的线条均匀、尺寸准确、散热好、易粘贴、它的线条均匀、尺寸准确、散热好、易粘贴、适于大批量生产，已逐渐取代丝式应变片。适于大批量生产，已逐渐取代丝式应变片。 金属电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应金属电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应。即当金属丝在外力作用下产生机械变形时，电变效应。即当金属丝在外力作用下产生机械变形时，电阻值发生变化。阻值发生变化。 把应变片粘贴在弹性敏感元件或需要测量变形的试把应变片粘贴在弹性敏感元件或需要测量变形的试件表面上。受到外力作用，电阻丝

9、随着一起变形，引起件表面上。受到外力作用，电阻丝随着一起变形，引起电阻值发生变化。这样，将被测量转换为电阻变化。电阻值发生变化。这样，将被测量转换为电阻变化。工作原理工作原理: 上述任何一个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,对上式求对上式求导数导数,可得可得金属应变片的电阻金属应变片的电阻R为为ALR/dALdAALdLAdR2代入代入 得得ALR/dRAdARLdLRdR金属丝：金属丝：2rAdrdrldlRdR2rdrdA2纵向应变;ldl泊桑比径向应变;ldlrdrEd有关。与电阻丝轴向所受应力dE)21(ERdR2E 为弹性模量。为弹性模量。为正应力、为正应

10、力、为压阻系数、为压阻系数、其中，其中， 是由电阻丝几何尺寸的改变引起的是由电阻丝几何尺寸的改变引起的;)21（E是由电阻率随应变的改变引起的。是由电阻率随应变的改变引起的。1E对于金属电阻丝对于金属电阻丝KRdR)21 (灵敏度为灵敏度为21RdRSg应变计金属应变计金属应变计二、半导体应变计二、半导体应变计工作原理工作原理 基于半导体材料的压阻效应。基于半导体材料的压阻效应。压阻效应：压阻效应： 指单晶体半导体材料在沿某一轴向受到外力作指单晶体半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率用时，其电阻率发生变化。发生变化。KERdRERdR)21 (E)21 (因为半导体的因为半导体的ER

11、dRSg半导体应变片的灵敏度为半导体应变片的灵敏度为 除上面介绍的体型半导体应变片外，还有薄膜型除上面介绍的体型半导体应变片外，还有薄膜型半导体应变片和扩散型半导体应变片。半导体应变片和扩散型半导体应变片。薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体村料沉积在带有绝缘层的基底上制成的。村料沉积在带有绝缘层的基底上制成的。扩散型半导体应变片是在半导体基片上用集成电路扩散型半导体应变片是在半导体基片上用集成电路工艺制成扩散电阻（工艺制成扩散电阻（P型或型或N型）构成的。型）构成的。2）将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量）将应变片粘贴在弹性元件上

12、，进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的传感器。力、压力、位移等物理量的传感器。 为了保证测量的精确度，一般要采取温度补偿为了保证测量的精确度，一般要采取温度补偿措施，以消除温度变化所造成的误差。措施，以消除温度变化所造成的误差。1）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力分布或所产生的应变，为结构设什、应力后的应力分布或所产生的应变，为结构设什、应力校核或分析结构在使用中产生破坏的原因等提供试校核或分析结构在使用中产生破坏的原因等提供试验数据。验数据。 三、电阻应变片的应用三、电阻应变片的应用电阻应变片主要有以下两种应用方式：电阻

13、应变片主要有以下两种应用方式： 四、转换电路四、转换电路 应变片将应变的变化转换成电阻相对变化应变片将应变的变化转换成电阻相对变化dR/R，通常还需要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，通常还需要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。才能用电测仪表进行测量。 一般采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。电一般采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。电桥电路在第五章作介绍。桥电路在第五章作介绍。第二节第二节 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。转化为电感量的一种装置。 电感式传

14、感器的种类较多，主要有自感式、差动变电感式传感器的种类较多，主要有自感式、差动变压器式和电涡流式。压器式和电涡流式。 电感式传感器有以下优点：灵敏度高（能测电感式传感器有以下优点：灵敏度高（能测01m的位移）、线性较好（非线性误差的位移）、线性较好（非线性误差0.1）、输出功率大）、输出功率大等。其主要缺点是频率响应较低，另外传感器的分辨率等。其主要缺点是频率响应较低，另外传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围越大，分辨率越低。与测量范围有关，测量范围越大，分辨率越低。一、自感式传感器一、自感式传感器 自感式传感器可分为变气隙式、变面积式和螺旋管自感式传感器可分为变气隙式、变面积式和螺旋管式三

15、类，其结构原理如图式三类，其结构原理如图4-4所示。所示。 1. 变气隙式变气隙式 变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上，衔铁和铁心间有一气隙组成。线圈绕在铁心上，衔铁和铁心间有一气隙。 根据磁路的基本知识，线圈自感量根据磁路的基本知识，线圈自感量L为为mRNL2式中式中N线圈匝数；线圈匝数；mR磁路总磁阻磁路总磁阻 假设气隙磁场是均匀的，而且不考虑磁路的铁损，假设气隙磁场是均匀的，而且不考虑磁路的铁损，则总磁阻为则总磁阻为mR111Al222Al002A、21ll铁心、衔铁、气隙的导磁长度；铁心、衔铁、气隙的导磁长度；021

16、、铁心、衔铁、气隙的导磁率；铁心、衔铁、气隙的导磁率；021AAA、铁心、衔铁、气隙的横截面积。铁心、衔铁、气隙的横截面积。式中：式中：mR111Al222Al002A002221112AAlAl铁心磁阻与气隙磁阻相比要小得多，即铁心磁阻与气隙磁阻相比要小得多，即2AN002L 故故002AmR 上式表明，自感上式表明，自感 L 与气隙距离与气隙距离成反比，而与气隙成反比，而与气隙截面积截面积 A0 成正比。若固定截面积成正比。若固定截面积 A0 ，变化气隙长度，变化气隙长度 时，时，L 与与 呈非线性关系，当气隙长度有一微小变化量呈非线性关系，当气隙长度有一微小变化量 d时，引起自感量的变化

17、量时，引起自感量的变化量 dL 为为dANdL2002故传感器的灵敏度为故传感器的灵敏度为2002ANKK与气隙距离的平方成反比，与气隙距离的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。愈小，灵敏度愈高。为了减少非线性误差，此传感器适用于较小位移的测量。为了减少非线性误差，此传感器适用于较小位移的测量。 2. 变面积式变面积式 如果固定气隙长度如果固定气隙长度而改变气隙截面积而改变气隙截面积A0就构成了就构成了变面积式。变面积式。 这种类型的传感器的灵敏度比变气隙型的低，但其这种类型的传感器的灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏度为一常数，因而线性度较好，量程范围可取大些，灵敏度为一常数，因而线性度较好，量程范围

18、可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便。自由行程可按需要安排，制造装配也较方便。3. 螺管式螺管式 螺管圈内插入一个活动的柱型衔铁，就构成了螺管螺管圈内插入一个活动的柱型衔铁，就构成了螺管式自感传感器。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈磁式自感传感器。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈磁路中磁阻变化，从而使线圈的自感发生变化。路中磁阻变化，从而使线圈的自感发生变化。 这类型的传感器的灵敏度更低，但测量范围大，线这类型的传感器的灵敏度更低，但测量范围大，线性也较好，具备自由行程任意安排，装配方便等优点。性也较好，具备自由行程任意安排，装配方便等优点。上述三种类型的自感式传感器在使用时一般由

19、两单上述三种类型的自感式传感器在使用时一般由两单一结构对称组合，构成差动式自感传感器。一结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结构，除了可以改善非线性，提高灵敏采用差动式结构，除了可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压及温度变化等外界影响也有补偿作用，度外，对电源电压及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。从而提高了传感器的稳定性。自感式传感器主要利用交流电桥电路把电感变化转自感式传感器主要利用交流电桥电路把电感变化转换成电压（或电流）变化，再送入下一级电路进行放大换成电压（或电流）变化，再送入下一级电路进行放大或处理。或处理。 二、差动变压器式传感器二、差动变压

20、器式传感器 差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数系数 M 的变化。传感器本身是互感系数可变的变压器，的变化。传感器本身是互感系数可变的变压器，接线方式是差动的。接线方式是差动的。 因为它是基于互感变化的原理，故也称为互感式传因为它是基于互感变化的原理，故也称为互感式传感器。感器。 差动变压器以螺管型最为常用，差动变压器以螺管型最为常用，由衔铁、螺管形线圈框架、一次绕由衔铁、螺管形线圈框架、一次绕组和二次绕组构成，一次绕组做激组和二次绕组构成，一次绕组做激励用，两个参数完全相同的二次绕励用，两个参数完全相同的二次绕组反相串接成差动形式。组反

21、相串接成差动形式。（1）（3）（2）当一次绕组加上交流电压当一次绕组加上交流电压 U1 时，时，两个二次绕组分别产生感应电势两个二次绕组分别产生感应电势 e1 和和 e2，输出电压，输出电压U1e1 - e2。当衔铁在中。当衔铁在中央位置时，央位置时， e1 = e2 ，输出电压为零。，输出电压为零。当衔铁偏离中央位置，输出电压当衔铁偏离中央位置，输出电压正比于偏移量的大小。正比于偏移量的大小。差动式传感器精度较高，可达差动式传感器精度较高，可达0.5，量程范围较大，可用于位移、液，量程范围较大，可用于位移、液位、流量等的测量。位、流量等的测量。 三、电涡流式传感器三、电涡流式传感器 金属导体

22、置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，像水中的漩涡电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，像水中的漩涡一样，故称为电涡流或涡流。一样，故称为电涡流或涡流。 图图4-6是高频反射式电涡流传感器的工作原理图。将是高频反射式电涡流传感器的工作原理图。将一个线圈置于金属板附近，距离为一个线圈置于金属板附近，距离为当线圈中通以高频交当线圈中通以高频交变电流变电流 i时，便在线圈周围产生交变磁通时，便在线圈周围产生交变磁通。 交变磁通通过金属板时，金属板上便产生电涡流交变磁通通过金属板时，金属板上便产生电涡流 i 。该电涡流

23、也将产生交变磁通该电涡流也将产生交变磁通1，根据楞次定律，电涡流，根据楞次定律，电涡流的交变磁场与线圈的磁场变化相反，的交变磁场与线圈的磁场变化相反，1总是抵抗总是抵抗的变化。的变化。由于电涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗由于电涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗 z 发生变化。发生变化。 影响线圈阻抗影响线圈阻抗 z 发生变化的因素，除了线圈与金属发生变化的因素，除了线圈与金属板的距离板的距离以外，还有金属板的电阻率以外，还有金属板的电阻率磁导率磁导率以及线以及线圈激磁角频率圈激磁角频率等。等。 若固定某些参数恒定不变，而只改变其中的一个参若固定某些参数恒定不变，而只改变其中的一个参数，这样

24、阻抗数，这样阻抗 z 就能成为这个参数的单值函数，如只变就能成为这个参数的单值函数，如只变化化可作位移、振动测量；如变化可作位移、振动测量；如变化或或值，可作村质鉴值，可作村质鉴别或探伤等。别或探伤等。 电涡流式传感器的线圈结构很简单，可以绕成一个电涡流式传感器的线圈结构很简单，可以绕成一个扁平线圈，粘贴于框架上；也可以在框架上开一条槽，扁平线圈，粘贴于框架上；也可以在框架上开一条槽，导线绕在槽内而形成一个线圈。导线绕在槽内而形成一个线圈。 图图47为为CZF一回型传感器结构图，它是采用导一回型传感器结构图，它是采用导线绕在框架上的形式，框架材料是聚四氟乙烯。线绕在框架上的形式，框架材料是聚四

25、氟乙烯。电涡流传感器的变换电路主要有阻抗分压式调幅电涡流传感器的变换电路主要有阻抗分压式调幅电路和调频电路。电路和调频电路。电涡流式传感器不但具有结构简单、使用方便、电涡流式传感器不但具有结构简单、使用方便、灵敏度高、不受油污介质影响等优点，而且可用于动灵敏度高、不受油污介质影响等优点，而且可用于动态非接触测量。态非接触测量。这种传感器在测量位移、振幅、材料厚度等参数这种传感器在测量位移、振幅、材料厚度等参数方面应用较多。高速旋转机械中，在测量旋转轴的轴方面应用较多。高速旋转机械中，在测量旋转轴的轴向位移和径向振动，以及连续监控等方面发挥了独特向位移和径向振动，以及连续监控等方面发挥了独特的优

26、点。的优点。 第三节第三节 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器是以可变参数的电容器作为传感元件，电容式传感器是以可变参数的电容器作为传感元件，将被测非电量转换为电容量变化。将被测非电量转换为电容量变化。 由物理学可知，两平行极板组成的电容器（如图由物理学可知，两平行极板组成的电容器（如图48所示），如果不考虑边缘效应，其电客量为所示），如果不考虑边缘效应，其电客量为AC ),(AfC 式中：式中：;极间介质相对介电常数）；极板间距离（m）。极板面积（2mA+ A 实用的电容式传感器，常使三个参数中的两个保实用的电容式传感器，常使三个参数中的两个保持不变，只改变其中的一个参数来使电客量发生变

27、化。持不变，只改变其中的一个参数来使电客量发生变化。 因此电容式传感器可以分为三种类型：极距变化型、因此电容式传感器可以分为三种类型：极距变化型、面积变化型和介电常数变化型。面积变化型和介电常数变化型。1. 极距变化型极距变化型 动极板在被测参量的作用下发生位移，改变了间隙动极板在被测参量的作用下发生位移，改变了间隙的大小，在极板面积的大小，在极板面积 A 和介质介电常数和介质介电常数不变时，电容不变时，电容量量 C 与极距与极距的关系是反比例关系，呈非线性。的关系是反比例关系，呈非线性。 传感器灵敏度为传感器灵敏度为21AddCK 由于极距不能取大，否则将降低灵敏度，而且为了由于极距不能取大

28、，否则将降低灵敏度，而且为了减少非线性误差，通常在较小的间隙变化范围内工作。减少非线性误差，通常在较小的间隙变化范围内工作。 为了提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常为了提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形式，灵敏度可提高一倍，而非线性也可大采用差动的形式，灵敏度可提高一倍，而非线性也可大为降低。为降低。 2. 面积变化型面积变化型 在面积变化型传感器中，常用在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位移型两种。的有直线位移型和角位移型两种。 图图4-9a为直线位移型。当动极板沿为直线位移型。当动极板沿 x 方向移动时，方向移动时，动、定极板覆盖面积发生变化，电容量也随之

29、变化。动、定极板覆盖面积发生变化，电容量也随之变化。bxC 常数）(bdxdCKr式中，式中，b为极板宽度。为极板宽度。灵敏度为灵敏度为输出与输入成线性关系。输出与输入成线性关系。2222rrA为覆盖面积对应为覆盖面积对应的中心角（弧度）的中心角（弧度）图图4-9b为角位移型；为角位移型；其电容量其电容量C所以电容量为所以电容量为22rC 由于覆盖面积由于覆盖面积灵敏度：灵敏度：常数22rddCK面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位移的测量。面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位移的测量。3. 介电常数变化型介电常数变化型 这种类型的传感器可以用来测量液这种类型的传感器可以用

30、来测量液体的液位和材料的厚度等。体的液位和材料的厚度等。 图图4-10是液位测量示意图。是液位测量示意图。 由两个圆筒形金属导体构成的圆筒由两个圆筒形金属导体构成的圆筒形电容器，当中间所充介质是空气时，形电容器，当中间所充介质是空气时， 两圆筒间的电容量为两圆筒间的电容量为)/ln(21rRLC 如果电极的一部分被非导电性液体所浸没时，则会如果电极的一部分被非导电性液体所浸没时，则会有电容量的增量有电容量的增量C 产生，产生，)/ln()(212rRlC式中式中 2 液体介电常数；液体介电常数； l 液体侵没长度。液体侵没长度。 电容增量电容增量C 与液体浸没的长度与液体浸没的长度 l 成正比

31、关系，因成正比关系，因此测出电容增量的数值便可知道液位的高度。此测出电容增量的数值便可知道液位的高度。 如果被测介质为导电性液体时，内电极要用绝缘物如果被测介质为导电性液体时，内电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质；而液体和外圆筒一起（如聚乙烯）覆盖作为中间介质；而液体和外圆筒一起作为外电极。作为外电极。)/ln(23rRlC式中式中 3 中间介质的介电常数；中间介质的介电常数； R 绝缘覆盖层外半径。绝缘覆盖层外半径。此时两极间的电容量为此时两极间的电容量为 由于由于3 为常数，所以为常数，所以 C 与与 l 成正比。由成正比。由 C 的大小便的大小便可求可求 l 的数值。的数值。电容

32、式传感器的转换电路主要有电桥型电路、谐振电容式传感器的转换电路主要有电桥型电路、谐振电路、调频电路和运算放大器电路等。电路、调频电路和运算放大器电路等。电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应好等优点。影响其测量精度的主要因素是电路寄生电容、好等优点。影响其测量精度的主要因素是电路寄生电容、电缆电容和温度、湿度等外界干扰。电缆电容和温度、湿度等外界干扰。要保证它的正常工作，必须采取极良好的绝缘和屏要保证它的正常工作，必须采取极良好的绝缘和屏蔽措施。因此长期以来造价昂贵，限制了它的应用。蔽措施。因此长期以来造价昂贵，限制了它的应用。近年来随着集成电

33、路技术的发展和工艺的进步，己近年来随着集成电路技术的发展和工艺的进步，己使得上述因素对测量精度的影响大为减少，为电容式传使得上述因素对测量精度的影响大为减少，为电容式传感器的应用开辟了广阔的前景。感器的应用开辟了广阔的前景。 第四节第四节 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器是以某些材料的压电效应为基础，在压电式传感器是以某些材料的压电效应为基础，在外力作用下，这些材料的表面上产生电荷，从而实现非外力作用下，这些材料的表面上产生电荷，从而实现非电量到电量的转换。压电传感器是力敏元件，它能测量电量到电量的转换。压电传感器是力敏元件，它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如压力、应力、加速最终能

34、变换为力的那些物理量，例如压力、应力、加速度等。度等。一、压电效应一、压电效应 某些材料，当沿着一定方向受到作用力某些材料，当沿着一定方向受到作用力时，不但产生机械变形，而且内部极化，表面有电荷出时，不但产生机械变形，而且内部极化，表面有电荷出现；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现现；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为象称为压电效应压电效应。F+q=DF 相反，材料的某些方向上施加电场，它会产生机械相反，材料的某些方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种现象称变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种现象称为为逆压电效应逆压电效应。二、压

35、电材料及其特性二、压电材料及其特性 具有压电效应的材料称为压电材料，常用的压电材具有压电效应的材料称为压电材料，常用的压电材料大致有三类：压电单晶、压电陶瓷和新型压电材料。料大致有三类：压电单晶、压电陶瓷和新型压电材料。1. 压电单晶压电单晶 石英结晶为六角形晶柱，两端石英结晶为六角形晶柱，两端为一对称的凌锥，六棱柱是基本组为一对称的凌锥，六棱柱是基本组织，其纵轴织，其纵轴 z-z 为光轴，也叫中性为光轴，也叫中性轴，沿该轴方向上没有压电效应。轴，沿该轴方向上没有压电效应。 通过六角棱线而垂直于光轴的通过六角棱线而垂直于光轴的 x-x 线为电轴，在垂线为电轴，在垂直于此轴的平面上压电效应最强。

36、直于此轴的平面上压电效应最强。 垂直于棱面的垂直于棱面的 y-y 为机械轴。在电场的作用下，沿为机械轴。在电场的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显。该轴方向的机械变形最明显。 从晶体上沿各轴线切下从晶体上沿各轴线切下一片平行六面体切片，当受一片平行六面体切片，当受到力的作用时，其电荷分布到力的作用时，其电荷分布在垂直于在垂直于 x 轴的平面上。轴的平面上。 沿沿 x 轴受力产生的压电效应称为纵向轴受力产生的压电效应称为纵向压电效应，沿压电效应，沿 y 轴受力产生的压电效应称轴受力产生的压电效应称为横向压电效应，沿切向受力产生的压电为横向压电效应，沿切向受力产生的压电效应称为切向压电效应，如图效

37、应称为切向压电效应，如图412所示。所示。 纵向效应纵向效应： 横向效应：横向效应： 切向效应：切向效应：Fdq11式中式中q电荷量；电荷量；11d为纵向压电常数；为纵向压电常数；F作用力。作用力。由纵向压电效应产生的电荷量为由纵向压电效应产生的电荷量为图图4-12多晶多晶- 压电陶瓷压电陶瓷新型材料新型材料-有机压电薄膜，压电半导体。有机压电薄膜，压电半导体。2. 其他压电材料其他压电材料三、等效电路三、等效电路 压电元件是在压电晶片产生电荷压电元件是在压电晶片产生电荷的两个工作面上进行金属蒸镀，形成的两个工作面上进行金属蒸镀，形成两个金属膜电极，如图两个金属膜电极，如图4-13a。 当压电

38、晶片受力时，在晶片的两个表面上聚积等量当压电晶片受力时，在晶片的两个表面上聚积等量的正、负电荷，晶片两表面相当于电容器的两个极板，的正、负电荷，晶片两表面相当于电容器的两个极板，两极板之间的压电材料等效于一种介质，因此压电晶片两极板之间的压电材料等效于一种介质，因此压电晶片相当于一只平行极板介质电容器。相当于一只平行极板介质电容器。式中式中压电材料的相对介电常数；压电材料的相对介电常数；晶片厚度；晶片厚度；A压电晶片工作面的面积。压电晶片工作面的面积。ACa其电容量为其电容量为 如果外力不变，外电路负载无穷大，极板上电荷量如果外力不变，外电路负载无穷大，极板上电荷量将不变。将不变。 负载不是无

39、穷大，则电路将按指数规律放电，极板负载不是无穷大，则电路将按指数规律放电，极板上电荷量将减小，而产生误差，因此利用压电传感器测上电荷量将减小，而产生误差，因此利用压电传感器测量静态量时，必须采用极高阻抗的负载。量静态量时，必须采用极高阻抗的负载。 动态测量时，变化快，漏电量相对小，故宜采用它。动态测量时，变化快，漏电量相对小，故宜采用它。 实际压电传感器中，用两个以上的晶片进行串接或实际压电传感器中，用两个以上的晶片进行串接或并接。并接。串接串接并接并接并接：两晶片负极集中在中间，正电极在两侧板上。并接：两晶片负极集中在中间，正电极在两侧板上。优点：电容量大，输出电荷量大，时间优点：电容量大，

40、输出电荷量大，时间常数常数 大，测量缓变信号，适宜大，测量缓变信号，适宜于以电荷量输出的场合。于以电荷量输出的场合。串接：正电荷集中在上极板，负电串接：正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。荷集中在下极板。优点：本身电容小，输出电压大，适优点：本身电容小，输出电压大，适用于以电压作为输出信号。用于以电压作为输出信号。 压电元件可以等效为一个具有一定电容的电荷源。压电元件可以等效为一个具有一定电容的电荷源。 电容器上的开路电压可用下式表示电容器上的开路电压可用下式表示aCqU0式中式中 q为电元件上所产生的电荷量。为电元件上所产生的电荷量。 当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电当压电式

41、传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容形成传感器的并联寄生容形成传感器的并联寄生电容电容Cc，传感器中的漏电，传感器中的漏电阻和后续电路的输入阻抗阻和后续电路的输入阻抗形成泄露电阻形成泄露电阻 R0。 其等效电路见图其等效电路见图4-13d。图图4-13d四、测量电路四、测量电路 由于压电式传感器输出的电荷量很小，而且压电元由于压电式传感器输出的电荷量很小，而且压电元件本身的内阻很大。件本身的内阻很大。 因此，通常把传感器信号先输入到高输入阻抗的前因此，通常把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，再进行其他处理。置放大器，经过阻抗变换以后，再进行其他处理。 压电式传感器的

42、输出可以是电压，也可以是电荷。压电式传感器的输出可以是电压，也可以是电荷。因此前置放大器有电压放大器和电荷放大器两种形式。因此前置放大器有电压放大器和电荷放大器两种形式。 电压放大器可采用高输入阻抗的比例放大器。其电电压放大器可采用高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受到连接电缆对地电容的影响。路比较简单，但输出受到连接电缆对地电容的影响。 目前常采用电荷放大器作为前置放大器。目前常采用电荷放大器作为前置放大器。 电压放大器等效电路电压放大器等效电路fCqUy 上式表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与上式表明，在一定条件下，电荷放大器输出电压与传感器的电荷量成正比，与电缆电容无关

43、。传感器的电荷量成正比，与电缆电容无关。 压电式传感器动态特性好、体积小、重量轻，常用压电式传感器动态特性好、体积小、重量轻，常用来测量动态力、压力，特别是测量振动加速度的惯性拾来测量动态力、压力，特别是测量振动加速度的惯性拾振器大多采用压电式传感器。振器大多采用压电式传感器。 第五节第五节 磁敏传感器磁敏传感器 磁敏传感器的磁敏元件对磁场敏感，将磁学物理量磁敏传感器的磁敏元件对磁场敏感，将磁学物理量转换成电信号。常用的磁敏元件有霍尔元件、磁敏电阻、转换成电信号。常用的磁敏元件有霍尔元件、磁敏电阻、磁敏管等。磁敏管等。一、一、 霍尔元件霍尔元件半导体薄片置于磁场中，半导体薄片置于磁场中，当有电

44、流流过时，在垂直于当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔电动势，这种现象称为霍尔效应。效应。产生原因是半导体中的载流子沿着电流的相反方向产生原因是半导体中的载流子沿着电流的相反方向移动时受磁场的洛仑兹力移动时受磁场的洛仑兹力FL，向一边移动，并形成电子，向一边移动，并形成电子积累，另一边则积累正电荷，形成电场。积累，另一边则积累正电荷，形成电场。当电场作用在运动电子上的力当电场作用在运动电子上的力FE等于洛仑兹力等于洛仑兹力FL时，时，电子积累达到动态平衡。电子积累达到动态平衡。这时两端建立的电场成为霍尔电场，相应的电势称这时两端建立的

45、电场成为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势。为霍尔电势。sinIBKUHH其大小为其大小为B 磁感应强度；磁感应强度；I 电流；电流； 电流和磁场的夹角；电流和磁场的夹角；KH 霍尔常数；决定于材质、温度、元件尺寸；霍尔常数；决定于材质、温度、元件尺寸；sinIBKUHH式中：式中：因此改变因此改变 B 或或 I 就可以改变就可以改变UH。 它有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路，它有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路，如图如图4 - 16a、b 所示。所示。 线性霍尔传感器的输出电压与外加磁场强度在一定线性霍尔传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系，可以用来检测磁场的强弱

46、。范围内呈线性关系，可以用来检测磁场的强弱。近年来，霍尔元件作为直流无刷电动机的位置传感近年来，霍尔元件作为直流无刷电动机的位置传感器使用，具有简单、经济、可靠等特点。器使用，具有简单、经济、可靠等特点。直流无刷电动机需要用位置传感器来检测转子的位直流无刷电动机需要用位置传感器来检测转子的位置，以实现电子换向。置，以实现电子换向。图图4-17所示为两相直流无刷电动机采用所示为两相直流无刷电动机采用4个开关型个开关型霍尔元件，实现双极性、四状态的电子换向电路。霍尔元件，实现双极性、四状态的电子换向电路。 当霍尔元件当霍尔元件 H2 面向转子面向转子 N 极方向，霍尔元件极方向，霍尔元件 H2 导

47、通，为低电平，功率晶体管导通，为低电平，功率晶体管 VT2 导通，绕组导通，绕组 W2 通过通过电流电流 IW2 ，使定子绕组，使定子绕组 W2 下极性呈下极性呈 S 极，转子顺时针极，转子顺时针旋转，直到霍尔元件旋转，直到霍尔元件H3 对准转子对准转子 N 极；此时，极；此时，H2 处于处于零磁场，零磁场，H3 导通。导通。 如此下去，转子不断旋转。如此下去，转子不断旋转。 霍尔元件可以用来测量磁霍尔元件可以用来测量磁场强度、位移、力、角度等。场强度、位移、力、角度等。 霍尔元件体积小、使用简霍尔元件体积小、使用简便、无接触测量，但受温度影响较大，在做精密测量时便、无接触测量，但受温度影响较

48、大，在做精密测量时应作温度补偿。应作温度补偿。 二、磁敏电阻二、磁敏电阻 当一载流导体置于磁场中时，其电阻会随磁场而变当一载流导体置于磁场中时，其电阻会随磁场而变化，这种现象称为磁阻效应。化，这种现象称为磁阻效应。 磁敏电阻就是基于磁阻效应而工作的。磁阻效应是磁敏电阻就是基于磁阻效应而工作的。磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理现象。伴随霍尔效应同时发生的一种物理现象。 运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用而发生偏转运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用而发生偏转后，其从一个电极流到另一个电极所经过的途径，要比后，其从一个电极流到另一个电极所经过的途径，要比无磁场作用时所经过的途径长些，因此增加

49、了电阻率。无磁场作用时所经过的途径长些，因此增加了电阻率。 磁阻效应与半导体材料的迁移率、几何形状有关，磁阻效应与半导体材料的迁移率、几何形状有关，一般迁移率愈高，元件的长宽比愈小，磁阻效应愈大。一般迁移率愈高，元件的长宽比愈小，磁阻效应愈大。 磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温度影响很磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温度影响很大，在制作工艺上尚不能解决，故应用受到一定的限制。大，在制作工艺上尚不能解决，故应用受到一定的限制。二、磁敏管二、磁敏管 1. 磁敏二极管磁敏二极管 磁敏二极管的结构原理如磁敏二极管的结构原理如图图 4-18所示。所示。 磁敏二极管的结极是磁敏二极管的结极是 P+I

50、N+ 型。型。 在在 P 区和区和N 区之间有个较长的本征区区之间有个较长的本征区 I，本征区的，本征区的一面磨成光滑的表面，相对的另一面喷砂打毛，形成粗一面磨成光滑的表面，相对的另一面喷砂打毛，形成粗糙的表面称为糙的表面称为 r 面。面。 由于粗糙的表面处客易使电子一空穴对复合而消失，由于粗糙的表面处客易使电子一空穴对复合而消失，故故 r 面是高复合区，也称为面是高复合区，也称为 r 区。区。工作原理：工作原理： 若外加正向偏压，即若外加正向偏压，即P区接正，区接正，N区接负，那么将区接负，那么将会有大量空穴从会有大量空穴从P 区注入到区注入到 I 区。区。 如这时将其放入磁如这时将其放入磁

51、场中，则注入的空穴和场中，则注入的空穴和电子都要受到洛仑兹力电子都要受到洛仑兹力的作用而发生偏转，当的作用而发生偏转，当磁场方向使空穴、电子向磁场方向使空穴、电子向 r 面偏转时，它们将大量复合，面偏转时，它们将大量复合，因而电流很小。因而电流很小。 当磁场方向使空穴、电子向光滑面偏转时，它们的当磁场方向使空穴、电子向光滑面偏转时，它们的复合率变小，电流就大，这样就能根据某一偏压下的电复合率变小，电流就大，这样就能根据某一偏压下的电流值来确定磁感应强度的大小和磁场方向。流值来确定磁感应强度的大小和磁场方向。 磁敏二极管灵敏度很高，约为霍尔元件的数百甚至磁敏二极管灵敏度很高，约为霍尔元件的数百甚

52、至上千倍，又能识别磁场方向而且线路简单、功耗小。上千倍，又能识别磁场方向而且线路简单、功耗小。 但它的灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，而但它的灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，而且受温度影响较大。且受温度影响较大。2. 磁敏三极管磁敏三极管 磁敏三极管与普通晶体三极管一样具有发射极、基磁敏三极管与普通晶体三极管一样具有发射极、基极和集电极。极和集电极。 不同的是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也不同的是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合有高复合 r 区和本征区和本征 I 区。磁敏三极管在正、反向磁场区。磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。作用下，其集电极

53、电流出现明显变化。 这种传感器可用来做什数装置，接近开关等。这种传感器可用来做什数装置，接近开关等。 第六节第六节 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器是将光量转换为电量，其物理基础光电式传感器是将光量转换为电量，其物理基础是光电效应。是光电效应。 光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。（1）外光电效应）外光电效应 在光的职射下，金属中的自由电子吸收光能而逸在光的职射下，金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的现象称为外光电效应。出金属表面的现象称为外光电效应。 基于外光电效应的器件有光电管和光电倍增管等。基于外光电效应的器件有光电管和光电倍增管

54、等。这些光电器件属于真空管类。这些光电器件属于真空管类。（2）内光电效应）内光电效应 半导体材料受光的照射后，其电导率发生变化的半导体材料受光的照射后，其电导率发生变化的现象称为光导效应，而受光后产生电势的现象称为光生现象称为光导效应，而受光后产生电势的现象称为光生伏特效应。二者统称为内光电效应。伏特效应。二者统称为内光电效应。 基于光导效应的光电器件有光敏电阻，基于光生伏基于光导效应的光电器件有光敏电阻，基于光生伏特效应的有光电池、光敏晶体管等。特效应的有光电池、光敏晶体管等。 一、光敏电阻一、光敏电阻 光敏电阻，又称光导管。半导体材料受到光照时会光敏电阻，又称光导管。半导体材料受到光照时会

55、产生电子产生电子空穴对，使其导电性能增强，光线越强，阻空穴对，使其导电性能增强，光线越强，阻值越低。光敏电阻是一种没有极性的电阻器件。值越低。光敏电阻是一种没有极性的电阻器件。 当无光照时，光敏电阻的阻值称为暗电阻，一般当无光照时，光敏电阻的阻值称为暗电阻，一般为兆欧数量级；为兆欧数量级； 受光照时的阻值称为亮电阻，一般在几千欧以下。受光照时的阻值称为亮电阻，一般在几千欧以下。 光敏电阻的响应时间一般为光敏电阻的响应时间一般为2-50ms。 光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜做光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜做检测光通量变化的元件，常用作开关式光电传感器。检测光通量变化的元件，常

56、用作开关式光电传感器。二、光电池二、光电池 光电池是一种直接将光能转换成电能的光电元件。光电池是一种直接将光能转换成电能的光电元件。 它有一个大面积的它有一个大面积的PN结，当光照射时，半导体结，当光照射时，半导体内原子受激发而生成了电子内原子受激发而生成了电子空穴对，通常，把这种由空穴对，通常，把这种由光生成的电子一空穴对叫做光生载流子。光生成的电子一空穴对叫做光生载流子。 它们在它们在PN结电场的作用下，电子被推向结电场的作用下，电子被推向N区，而区，而空穴被拉向空穴被拉向P区，结果区，结果P区积累了大量的过剩空穴，而区积累了大量的过剩空穴，而 N区积累了大量的过剩电子，使区积累了大量的过

57、剩电子，使P区带正电，区带正电，N区带负电，区带负电，两端产生了电势，若用导线连接，就有电流通过，如图两端产生了电势，若用导线连接，就有电流通过，如图420所示。所示。 用于光电池的半导体材料有硅、硒、锗、硫化镉用于光电池的半导体材料有硅、硒、锗、硫化镉等多种。目前应用最广泛的是硅光电池，它的性能稳定、等多种。目前应用最广泛的是硅光电池，它的性能稳定、光谱范围宽、频率特性好，用于可见光，光谱范围为光谱范围宽、频率特性好，用于可见光，光谱范围为0.41.1m，灵敏度高，响应时间快，灵敏度高，响应时间快 。 硅光电池可作成检测元件用来测量光线的强弱，硅光电池可作成检测元件用来测量光线的强弱，也可制

58、成电源使用，称太阳能硅光电池。也可制成电源使用，称太阳能硅光电池。三、光敏晶体管三、光敏晶体管 光敏晶体管与普通的晶体管一样，也有光敏晶体管与普通的晶体管一样，也有P-N结，有结，有一个一个P-N结的叫作光敏二极管，有两个结的叫作光敏二极管，有两个P-N结的叫做光结的叫做光敏三极管。敏三极管。 当光通过透镜照射到光敏二极管上时，由于产生了当光通过透镜照射到光敏二极管上时，由于产生了光生载流子，因而在一定的反向偏压下，光敏二极管的光生载流子，因而在一定的反向偏压下，光敏二极管的反向电流要比没有光照时大几十倍到几千倍，因此有较反向电流要比没有光照时大几十倍到几千倍，因此有较大的光电流。大的光电流。

59、 光照越强，光生载流子越多，光电流越大。光照越强，光生载流子越多，光电流越大。 光敏二极管的管壳顶部有一个能射入光线的窗口，光敏二极管的管壳顶部有一个能射入光线的窗口，以便光线通过窗口而照在管芯的以便光线通过窗口而照在管芯的P-N结上。结上。 与光敏电阻相比，光敏二极管具有暗电流小、灵与光敏电阻相比，光敏二极管具有暗电流小、灵敏度高等优点。敏度高等优点。 一般在用可见光作光源时，采用硅管，但是对红一般在用可见光作光源时，采用硅管，但是对红外线探测时，则锗管较合适。外线探测时，则锗管较合适。 光敏三极管的基极和集电极之间的光敏三极管的基极和集电极之间的P-N结相当于光结相当于光敏二极管的敏二极管

60、的P-N结，受到光照所产生的光电流作为基极结，受到光照所产生的光电流作为基极电流，因此光敏三极管没有基极，住住只装两根引出线。电流，因此光敏三极管没有基极，住住只装两根引出线。 光敏三极管有放大作用，因此光敏三极管有放大作用，因此其灵敏度比光敏二极管高。其灵敏度比光敏二极管高。ce光敏三极管基本电路光敏三极管基本电路 四、固体图像传感器四、固体图像传感器 目前的固体图像传感器所使用的核心器件多半是电目前的固体图像传感器所使用的核心器件多半是电荷耦合器件（简称荷耦合器件（简称CCD）。）。 CCD是是20世纪世纪70年代发展起来的新型半导体器件，年代发展起来的新型半导体器件，具有光生电荷、积蓄和