CH 2 传感器原理1-2节 WL

第2章传感器原理2.1传感器的基本概念2.2电阻式传感器2.3电容式传感器2.4电感式传感器2.5压电式传感器2.6磁电式传感器2.7光电式传感器2.8热电式传感器2.9传感器选用原则2.1传感器的基本概念2.1.1传感器定义(sensor,transducer)“传感器通用术语”国家标准(GB7665-87):“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。变送器（transmitter）：4~20mA，1~5V2.1.2传感器组成2.1.3传感器分类（命名）按基本效应分类：根据物理、化学、生物等学科的原理、定律、效应进行分类。如压电式加速度传感器按敏感材料分类：根据制造传感器所使用的敏感材料进行分类。金属、半导体、陶瓷等。如金属应变片按被测量分类：根据输入量的性质进行分类。基本物理量派生物理量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度等角位移旋转角、偏转角、角振动等速度线速度速度、振动、流量、动量等角速度转速、角振动等加速度线加速度振动、冲击、质量等角加速度角振动、扭矩、转动惯量等力压力重量、应力、力矩等时间频率周期、计数、统计分布等温度热容量、气体速度、涡流等光光通量与密度、光谱分布等4.按构成原理分类物性型

依靠敏感元件本身的物理性质的变化实现信号转换。如水银温度计、压电式传感器等。结构型依靠传感器结构参数的变化实现信号转换。

如电容式传感器、电感式传感器等。5.按能量转换关系分类能量转换型传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量。

如热电偶温度计、弹性压力计、压电式传感器。

能量转换型传感器存在负载效应。能量控制型由外部辅助能量使传感器工作，并由被测量控制外部供给能量的变化。

如电感式测微仪、电容式测振仪等。分类法型式说明按基本效应分类物理型化学型生物型采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换按构成原理分类结构型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分电阻式电感式电容式压电式磁电式光电式热电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、……）输出量为数字信号（脉冲、编码、……）2.1.4传感器性能要求1)灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；2)噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；3)滞后、漂移误差小；4)动态特性良好；5)在接入测量系统时，对被测量不产生影响；6)功耗小，复现性好，有互换性；7)防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；8)结构简单，容易维修和校正；9)低成本、通用性强。2.1.5传感器发展趋势1)新原理、开发新型传感器；2)开发物性型传感器；3)传感器的集成化；4)传感器的多功能化；5)传感器的智能化(SmartSensor)；6)研究生物感官，开发仿生传感器。2.2

电阻式传感器

将被测量转换为电阻的变化。电阻式传感器按工作原理可分为：（1）电阻应变式（金属应变片）（2）压阻式（半导体应变片）（3）电位器式（4）光敏电阻式（2.7节）（5）热敏电阻式（2.8节）（6）气敏电阻式（7）磁敏电阻式

......2.2.1电阻应变式传感器（1）电阻应变片的工作原理1）电阻应变效应金属导体在受到外界拉力或压力的作用时会产生机械变形，机械变形会引起导体电阻值的变化，这种因材料变形而使其电阻值发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。设金属丝长度为l，截面积为S，电阻率为

，则其阻值为：金属丝变形时，

、l、S将同时发生变化，从而导致R改变。若

、l、S的变化量为d

、dl、dS，则即对半径为r的金属电阻丝：，：电阻丝轴向相对变形，称轴向应变（纵向应变）。：电阻丝径向相对变形，称径向应变（横向应变）。横向应变与纵向应变的关系为：μ为泊松比(1)(2)E为电阻丝材料的弹性模量；π为压阻系数，与材质有关。受力后电阻丝几何尺寸变化（形变）所引起。材料选定后，1+2μ为常数。受力后电阻率的变化引起。

对金属材料，πE很小。

在电阻丝拉伸比例范围内，电阻相对变化与其所受的轴向应变ε成正比。：电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力

有关。对金属材料对半导体材料(3)压阻效应电阻应变效应金属应变片的应变系数或灵敏度S0定义为:通常S0=1.7~3.6。2）应变片的基本结构将高电阻率金属丝绕成栅形，粘贴在绝缘的基底和覆盖层之间，由引出导线接于电路中。b栅宽L栅长3mm×20mm，120Ω（2）电阻应变片的分类按敏感栅的结构分为丝式、箔式和膜式。1）丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式两种。回线式短接式回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大。短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。常用材料：康铜、镍铬、卡玛合金等，直径0.025mm左右。安全电流：10~50mA，电阻：50~1000

（典型120

）。2）箔式应变片敏感栅由3~10

m厚的康铜箔或镍铬箔经光刻、腐蚀工艺制成。

大批量生产，可制成多种复杂形状。

散热好，允许电流大。

横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。

柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。3）膜式应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度小于0.1

m的金属电阻薄膜敏感栅。

应变灵敏度大。

允许电流密度大。

工作范围广，可达-197～317℃。按被测应力场分为测量单向应力的应变片和测量平面应力的应变花(Rosettegauge)。应变花2.2.2压阻式传感器（半导体应变片）（1）压阻效应

半导体材料受到应力作用时，其电阻率发生变化的现象。材料在外力作用下的电阻变化为：对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化πE远远大于形变引起的电阻变化(1+2μ)

，所以实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的压阻效应特别显著。E为材料的弹性模量；π为压阻系数。灵敏度：半导体应变片的灵敏度比金属应变片的灵敏度(S0=1.7~3.6)要高很多倍。例：对于半导体硅，压阻系数π=(40～80)×10-11m2/N，弹性模量E=1.67×1011Pa,则S0=πE＝65～130ERRS0/dπe»=2.2.3应变式传感器的应用力传感器常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐式、膜片等形式。

柱式弹性元件F—作用在弹性元件上的外力；E—材料的弹性模量；S—圆柱的横截面积；

空心圆柱FFFF实心圆柱

实心圆柱弹性元件灵敏度与横截面积S

成反比，但S的减小受到允许应力和线性要求的限制，S的减小也会对横向力干扰敏感。

空心圆柱弹性元件空心圆柱（圆筒）式弹性元件多用于小集中力的测量。一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱中部表面并通过电桥连接以尽可能消除偏心和弯矩的影响。R1R'1R'4R'3R'2R2R3R4PPR2R'2R1R'1R'3R3R4R'4abcd对图示四个轴向和四个横向片，连接成差动全桥，其轴向应变为：

梁式弹性元件Fhbll0R1R2

等截面梁当力作用在自由端时，刚性端截面中产生的应力最大，而自由端产生的挠度最大。在距离受力点为l0的上、下表面，沿l向贴电阻应变片R1和R2，R3和R4贴在反面对称位置。该处的应变为：FhblxR1R2b0

等强度梁梁的截面成等腰三角形，集中力F作用在三角形顶点，梁内各横截面产生的应力相等，表面上任意位置的应变相等，因此称为等强度梁。由于表面上任意位置的应变相等，故粘贴应变片的位置要求不严格。在粘贴应变片处的应变为所谓等强度，是指在力F的作用下各个截面的应力σ相等，即σ值不变。当梁的厚度h不变时，梁的宽度必须随着x的变化而变化。

双端固定梁这种梁的结构在相同力F的作用下产生的挠度比悬臂梁的要小。

轮辐式弹性元件R3R'3R2R'2R'1R1R4R'4轮辐的最大切应力及弯曲应力分别为令h/l=a，则为了使弹性元件具有足够的输出灵敏度且不发生弯曲破坏，h/l比值一般取在1.2～1.6之间。h轮毂轮辐轮缘blR1R2R'1R'2R3R4R'4R'3F

环式弹性元件R1R2R3R4uyuo测Fy

圆环式在圆环上施加径向力Fy时，圆环各处的应变不同，在与作用力成39.6°处应变等于零，而在水平中心线上应变最大。将应变片R1、R2、R3和R4贴在水平中心线上，R1、R3受拉应力，R2、R4受压应力。BBFy（径向力）

B=039.6°R3R4R2R1应变最大应变为零R5R6R7R8uxuo测Fx如果圆环一侧固定，另一侧受切向力Fx时，水平中心线上应变为零。将应变片R5、R6、R7和R8贴在与垂直中心线成39.6°处，R5、R7受拉应力、R6、R8受压应力。当圆环上同时作用力Fx和Fy时，将应变片R1～R4、R5～R8分别组成差动电桥，就可以互不干扰地测量力Fx和Fy。AFx

A=039.6°R7R8R6R5A（切向力）

八角环式八角环厚度为h，平均半径为r。当h/r较小时，最大应变点在39.6º附近。当h/r=0.4时，最大应变点在45º处，故一般测力Fx时，应变片贴在45º处（