第三章 传感器

第三章传感器第1页，课件共64页，创作于2023年2月§3.1概述一

传感器的作用二

传感器的分类下一节回首页第2页，课件共64页，创作于2023年2月传感器作用：是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制（包括遥感、遥测、遥控）的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。传感器的定义：对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的有用输出信息的元器件或装置；从功能出发，人们形象地将其定义为能够取代甚至超出人的“五官”，具有视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置。第3页，课件共64页，创作于2023年2月传感器的技术特点内容范围广且离散：传感器技术可利用物理、化学、生物及电子学中基础“效应、反应及机理”，数量多且相互独立；知识密集程度高、边缘学科色彩浓：以电、磁、光、声、热、力等功能效应和形态变换原理为基础，涉及材料、电子、精密加工等多学科，交叉及应用知识密集度高；技术复杂、工艺要求高：涉及集成技术、薄膜技术、超导技术、微细或纳米加工及高密封技术；功能优、性能好品种多、应用广：航空、航天、兵器、船舶、交能、冶金、机械、电子、化工、轻工、能源、环保、煤炭、石油等第4页，课件共64页，创作于2023年2月电阻式传感器电阻式传感器：将非电量（力、位移、形变、速度和加速度）的变化变换成电阻值变化。滑变电阻传感器工作原理图第5页，课件共64页，创作于2023年2月电位器为空载有负载设有第6页，课件共64页，创作于2023年2月负载特性曲线非线性变阻器第7页，课件共64页，创作于2023年2月电阻应变片式传感器结构与工作原理将金属电阻丝粘贴在基片上，上面覆盖一层薄膜使它们成为一个整体电阻丝应变片结构示意图金属导体电阻全微分第8页，课件共64页，创作于2023年2月相对变化量以圆形金属丝为例，结合材料力学理论一般金属材料电阻率变化率很小，忽略不计金属丝的电阻变化率与纵向应变成正比，这就是金属丝的就应变效应，利用应变效应制作的传感器称为电阻应变片式传感器。第9页，课件共64页，创作于2023年2月半导体应变片-压敏电阻式传感器半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应，当半导体材料受一轴向外力作用时，其电阻率发生变化。半导体应变片受轴向力作用时，电阻相对变化为压敏电阻可用来制造压力传感器忽略单位应变和径向相对变化率，电阻变化率为第10页，课件共64页，创作于2023年2月电容式传感器电容式传感器的工作原理和结构电容器的电量电容传感器可有三种：变极板有效面积、变极板间距和变介电常数。变极板间距可以测量微米量级的位移电容器的电量与极板距离不是线性关系，而呈现双曲线关系。第11页，课件共64页，创作于2023年2月变极板面积型电容式传感器电容式角位移传感器原理图，当极板有一个角位移时，与定极板的遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量当初始角度可以看出，这种形式的传感器电容量C与角位移是成线性关系的。第12页，课件共64页，创作于2023年2月圆柱形电容式传感器在初始位置（a=0）时，动、定极板相互覆盖，此时电容为当动极板发生位移a后，其电容量为可以看出，这种形式的传感器电容量C与位移也是成线性关系的。第13页，课件共64页，创作于2023年2月变介质型电容式传感器改变工作介质的电容式传感器电容量设在电极中无第二种介质时的电容量为C0第14页，课件共64页，创作于2023年2月把CA、CB和C0的表达式代入得表明电容量为C与位移a成线性关系第15页，课件共64页，创作于2023年2月电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量转换成线圈的自感系数L和互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器特点：（1）结构简单，无活动电触点，因此工作可靠寿命长；（2）灵敏度和分辩率高；，（3）线性度和重复性都比较好，第16页，课件共64页，创作于2023年2月变磁阻式传感器变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成，铁芯和衔铁都由导磁材料制成，在铁芯和活动衔铁之间有气隙，当衔铁移动时，气隙厚度发生变化，从而使磁路中磁阻变化，导致电感线圈的电感值变化，从而测定位移大小。线圈的电感值磁路总磁阻忽略铁芯的磁阻因此，变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度和变气隙面积两种传感器第17页，课件共64页，创作于2023年2月差动自感传感器结构和工作原理：初始状态时，衔铁位于中间位置，两边空隙相等，因而两只电感线圈的电感量相等，数值相反，电桥输出为0，即电桥处于平衡。当衔铁偏离中间位置，向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减，电桥不平衡，电桥输出电压的大小与衔铁移动的大小成比例输出特性灵敏度第18页，课件共64页，创作于2023年2月压电式传感器顺压电效应：某些物抽沿其某一方向施加压力或拉力时，全产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷，当去掉外力后，它又重新回到不带电状态。逆压电效应：某些物质在极化方向上施加电场会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失。如果在片状压电材料的两个电极上加以交流电压，那么石英晶体片将产生机械振动，即晶体片在电极方向有伸长和缩短现象第19页，课件共64页，创作于2023年2月压电陶瓷的压电现象电畴自发极化：在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致陶瓷极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，陶瓷片对外不呈极性。如果在压电陶瓷上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，吸收的电荷有一部分被释放而呈放电现象。

第20页，课件共64页，创作于2023年2月当撤消压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少与外力成正比例关系两块压电片的连接方式第21页，课件共64页，创作于2023年2月制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用，由于压电晶片有电荷极性，因此接法有并联和串联两种。并联连接式压电传感器的输出电容C和极板上的电荷q分别为单块晶片的2倍，而输出电压U与单片上的电压相等；串联时，输出总电荷q等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容应为单片的1/2。由此可见，并联接法虽然输出电荷大，但由于本身电容亦大，故时间常数大，只适宜测量慢变化信号，并以电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高，本身电容小，适宜于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况。第22页，课件共64页，创作于2023年2月热电式传感器热电式传感器：将温度变化转换为电量变化的装置，它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。在各种热电式传感器中，把温度转换为电势和电阻的方法最为普遍，其中将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶，将温度转换为电阻值大小的热电传感器叫做热电阻。理论分析可知，热电效应产生的热电势由接触电热和温差电热两部分组成。接触电势：不同金属中自由电子浓度不同，当两金属接触时自由电将发生扩散，由于扩散运动产生的电场将阻碍扩散作用的进一步发生，同时引起反方向的电子转移。扩散和反扩散形成矛盾运动，实现动态平衡。第23页，课件共64页，创作于2023年2月接触电势温差电势：对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因而高温端自由电子要向低温端扩散，最后同样要达到动态平衡。高温端失去电子而带正电，低温端得到电子带负电，从而在两端形成温差电势。应该指出的是金属中自由电子数目很多，以致温度不能显著地改变它的自由电子浓度，所以同一种金属内的温差电势极小，可以忽略。一个热电偶回路中起决定作用的是两个接点处产生的与材料性质和该点处温度有关的接触是势第24页，课件共64页，创作于2023年2月热电偶基本定律只有由化学成分不同的两种导体组成的热电偶，其两端点间的温度不同时才能产生热电势，热电势的大小与材料性质及两端点温度有关，与形状、大小无关；化学成分相同的材料组成热电偶，即使两端点温度不同，回路总热电势也等于零。应用该定律可判断两金属是否相同；化学成分不同的两材料组成的热电偶，若两接点的温度相同，回路中总热电势也等于0；在热电偶中接入第三种材料，只要接入材料两端的温度相同，对热电偶的总热电势不有影响。该定律具有重要的实际意义，因为利用热电偶来测量温度时，必须在热电偶回路中接入电气测量仪表，也就相当于接入第三种材料。如果两导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则此两种导体组成热电偶的热电势就已知。第25页，课件共64页，创作于2023年2月热电偶实用测量电路测量两点温度测量平均温度求温度和线路热电阻：利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度的，要求热电阻材料电阻温度系数尽可能大和稳定，电阻率高、电阻与温度之间的线性关系好第26页，课件共64页，创作于2023年2月光电传感器光电传感器：是一种将光能量转换为电能量变化的传感器，它的物理基础就是光电效应。外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。内光电效应：当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的效应叫做内光电效应。爱因斯坦光电方程物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。如果一个电子要想逸出，光子能量必须超过逸出功，超出部分的能量表现为逸出电子的动能。第27页，课件共64页，创作于2023年2月爱因斯坦光电效应方程表明光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体表面电子逸出功。每一个物体都有一个对应的光频阀值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光强再大也不会产生光电子发射；反之入射光频率高于红限频率，即使光线再微弱，也会有光电子射出。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比光电子逸出物体表面具有初始动能。第28页，课件共64页，创作于2023年2月内光电效应光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。当光照射到光电导体上且光辐射能量又足够大，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上，如右图示，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为了实现能级的跃迁，入射光能量必须大于光电导材料的标带宽度。第29页，课件共64页，创作于2023年2月光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象，基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。势垒效应（结光电效应）：能量大于禁带宽度的光子照射PN结进，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。侧向光电效应：当半导体光器件受光照不均匀时，载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴时，载流子浓度比未受光照部分大，就出现载流子浓度梯度，因而要发生动态不平衡扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，造成光照射的部分带正电，未被光照射的部分带负电，从而产生光电势。第30页，课件共64页，创作于2023年2月光电管结构当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几微安，不易探测，此时常用光电倍增管对电流进行放大。第31页，课件共64页，创作于2023年2月光电倍增管工作原理光电倍增管除光电阴极外，还有若干个倍增电极，使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极最高。同时这些倍增电极用次级发射材料制成，在一定能量的电子轰击下，产生更多的次级电子。由于相邻两倍增电极间有电位差，存在加速电场，从阴极发出的光电子打到第一个倍增电极上，能引起二次电子发射。每个电子能从这个倍增电极上打出3~6倍个次级电子；被打了的次级电子再经过电场的加速后，打到第二个倍增电极上，如此不断倍增，从而实现光电倍增效果。光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万到几百万倍，即使在很微弱的光照下，也能产生很大的光电流。第32页，课件共64页，创作于2023年2月内光电效应器件光敏电阻在受到光照时，由于内光电效应使其地电性能增强，电阻值下降，所以流过负载电阻的电流及其两端是压也随之变化。光线越强，是流越大。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值因而可将光信号转换为电信号。第33页，课件共64页，创作于2023年2月光电池光电池是在光线照射下直接将光能量转变为电动势的光电元件，实质上它就是电压源。入射光照射在PN结上时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则在PN结内产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，因而形成PN结产生电势。第34页，课件共64页，创作于2023年2月光敏二极管和光敏三极管第35页，课件共64页，创作于2023年2月霍尔传感器霍尔效应：当半导体薄片置于磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流和磁感应强度乘积成正比的电势，这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，半导体薄片称为霍尔元件。第36页，课件共64页，创作于2023年2月工作原理霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛化兹力作用而产生的。设霍尔元件为N型半导体，当它通以电流I时，半导体中的自由电荷即载流子（电子）受到磁场中洛化兹力FL的作用，其大小为洛化兹力使电子向垂直于B和自由电子运动方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即电子有向某一端积聚的现象，使半导体一端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。由于电荷的聚积，产生静电场，即为霍尔电场。该静电场对电子的作用力FE与洛化兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为第37页，课件共64页，创作于2023年2月当静电场作用于运动电子上的FE与洛仑兹力FL相等时，电子积累达到动态平衡，即所以流过霍尔元件的电流I为式中bd为一是流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数（载流子浓度）得第38页，课件共64页，创作于2023年2月红外辐射传感器红外辐射技术在最近40年中已经发展成为一门新兴技术科学，广泛应用在科学研究、军事工程和医学领域，例如红外制导、红外成像、红外遥感等。红外辐射就是红外光，其波长处于1.0~1000微米，红外光的最大特点就是具有光热效应，能辐射热量，在太阳光谱中是最大光热效应区。自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度以上，都能产生红外光辐射。红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样，例如黑体能全部吸收投射到其表面的红外辐射物体，镜体能全部反射红外辐射的物体，透明体能全部穿透红外辐射的物体，灰体能部分反射或吸收红外辐射的物体等，将产生不同的光热效应。严格来说，自然界不存在黑体、镜体和透明体，绝大部分物体都属于灰体。第39页，课件共64页，创作于2023年2月E：物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量；

T：物体的绝对温度Stefan-Boltzmann常数（5.6697×10-12w/cm2K4）比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体为1该式表明，物体温度越高，它辐射出来的能量越大第40页，课件共64页，创作于2023年2月维恩位移定律热辐射发射的电磁波中包含着各种波长，实验证明，物体峰值辐射波长与物体的自身绝对温度成反比，从图示曲线可知，峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移，当温度不很高时，峰值辐射波长在红外区域。第41页，课件共64页，创作于2023年2月红外探测器一般由光学系统、敏感无件、前置放大器和信号调制器组成。其中光学系统是红外器的重要组成部分，分为反射式光学系统和透射式光学系统红外探测器两种。红外探测器应用越来越广泛，它可用于非接触式的温度测量，气体成分分析，无损探伤、热成像检测、红外遥感以及军事目标的侦察、搜索、跟踪和通信等。第42页，课件共64页，创作于2023年2月可转换的信号机械信号电信号辐射信号（光波超声波红外波）流体信号传感器的作用返回第43页，课件共64页，创作于2023年2月按被测对象按工作原理机械式电子式光学式流体式按能量变换关系能量转换型能量控制型物性型结构型集成化传感器多环节集成多参量集成模拟式数字式返回第44页，课件共64页，创作于2023年2月§3.2机械式传感器一工作原理p58图3-3二特点及应用

n低，适于静态测量被测量弹性元件变形（位移）敏感元件电信号首页下一节第45页，课件共64页，创作于2023年2月§3.3电阻式传感器一变阻器式传感器二电阻应变式传感器首页下一节第46页，课件共64页，创作于2023年2月1工作原理p59图3-5R=KiX2性能特点1°灵敏度Lo线性P59表3-6电阻分压电路2°优点：缺点：返回第47页，课件共64页，创作于2023年2月1工作原理2分类比较金属式半导体式丝式p60图3-7箔式图3-8S半=（50~70）S金电阻应变式传感器p63表3-10，p64图3-113环境温度对应变的影响p60图3-7返回第48页，课件共64页，创作于2023年2月工作原理可表示为可到出传感原理：S1+2u金属式1.7~3.6之间线性半导体返回第49页，课件共64页，创作于2023年2月§3.4电感式传感器一自感型二互感型—差动变压器式电感传感器首页第50页，课件共64页，创作于2023年2月自感型1可变磁阻式（1）工作原理（2）分类比较2涡流式上一页第51页，课件共64页，创作于2023年2月工作原理返回第52页，课件共64页，创作于2023年2月a.改变δ式S≈const*差动式p65表3-13（b）b.改变磁通互积式p65图3-13（a）c.双螺管线圈差动型测量范围0.001~1mm测量范围0~300um,分辨力0.5um测量电路首页第53页，课件共64页，创作于2023年2月差动变压器式电桥取D为参考点○Z1Z2D○○BA上一页第54页，课件共64页，创作于2023年2月2涡流式P66表3-15（1）工作原理金属板材料ρμ↑↓线圈激励频率w↑↓测频转速鉴材与探伤测微小位移透射式测厚δ↑↓（2）性能特点Z↑↓首页上一页第55页，课件共64页，创作于2023年2月§3.5电容式传感器一传感原理δε二分类比较1）δ↑↓2）A↑↓3)ε↑↓>0首页第56页，课件