《地下空间工程智能建造概论》课件 7-智能传感器

1第7章

智能传感器2传感器在我们的日常生活中随处可见，在科研生产活动中同样发挥着重要的作用。那么，什么是传感器呢？7.1概述

手机的指纹传感器、智能手表心率传感器、吊车的重量传感器等3传感器就相当于人类的感觉器官光学传感器用于采集影像信号

声学传感器可以采集声音信号气敏传感器可以采集不同气体信号化学传感器可以采集不同化合物7.1智能传感器概述

传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点类似于人的眼睛；类似于人的耳朵类似于人的鼻子；类似于人的舌头；......图7-1人体感官系统与传感器系统对比4外界信号：可以分为电信号：

电压、电流、电阻、频率等；

非电信号：物理信号（速度、位移、加速度、力等）、

化学信号（化学成分、浓度、PH值等）、

生物信号（酶、抗体、DNA等）。以目前科技发展水平，电信号最容易接收、传输和处理。因此，目前的传感器通常将外界非电信号转换为电信号进行分析。随着科技的发展，未来的传感器将可能发展处更加高效的方式，例如光信号、能量信号等。7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点5传感器定义能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件：是传感器中能够直接感受或响应被测量的部分，转换元件将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号。7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点图7-2传感器基本原理框图6智能传感器定义

GB/T7665-2005《传感器通用术语》总体上，国内外学者认为：7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点认为智能传感器（“Smart

Transducer/Sensor”）是“对传感器自身状态具有一定的自诊断、自补偿、自适应以及双向通讯功能的传感器”。智能传感器应该是“带有微处理器，兼具信息采集、信息处理、信息记忆和传输、逻辑分析与判断功能，且具有自适性的传感器”7智能传感器基本功能如下（1）具有自动校零、自动标定、自动校正功能，能够提高静态测量精度；（2）具有自动补偿功能，能够提高系统动态响应速度、改善动态性能；（3）具有自动采集数据、数据存储和记忆功能；（4）具有自动检验、自选量程、自寻故障功能；（5）具有判断、决策等信息处理功能；（6）具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能，可采用RS-232、RS-485、USB、I2C、SPI、1-Wire等标准总线接口，实现传感器和计算机之间的双向通讯。7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点8智能传感器基本功能如下（1）具有自动校零、自动标定、自动校正功能，能够提高静态测量精度；（2）具有自动补偿功能，能够提高系统动态响应速度、改善动态性能；（3）具有自动采集数据、数据存储和记忆功能；（4）具有自动检验、自选量程、自寻故障功能；（5）具有判断、决策等信息处理功能；（6）具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能，可采用RS-232、RS-485、USB、I2C、SPI、1-Wire等标准总线接口，实现传感器和计算机之间的双向通讯。7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点9与传统传感器相比，智能传感器具有显著的优势：（1）具有更高的精度智能传感器通过自动校零、自动标定等新技术，实现与标准参考基准的实时比对分析，对传感器输入输出的非线性误差、零点误差以及正反形成误差等进行校正；智能传感器具有数据处理分析能力，通过软件模块对采集到的数据进行统计处理，消除偶然误差、降低噪声；从而大大提高传感精度、分辨率和信噪比。（2）具有更高的可靠度和稳定性智能传感器具有高度集成的特点，一定程度消除了传统传感器的某些不可靠因素，提高系统的抗干扰能力；同时智能传感器具有自我检测、校准和自寻故障等功能，能够对采集到的数据信息合理性进行分析和判断，给出异常情况预警或者进行紧急处置；保证了智能传感器具有更高的可靠度和稳定性。7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点10与传统传感器相比，智能传感器具有显著的优势：（3）提高了传感器的性价比智能传感器采用大规模电路集成技术，结合强大的软件来实现复杂的功能，从而与传统传感器相比具有体积小、能耗低、寿命长的特点，显著提高性价比。（4）具有复合敏感功能与传统传感器单一功能不同，智能传感器中集成多种功能模块，通过计算机指令或者电路调整，可以实现不同硬件模块和软件模块之间的单独或者联合使用，可以实现物理量、化学量以及生物量多种信号的同步测量。7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点11智能传感器的实现主要有三种方式（1）非集成化方式是在传统传感器的基础上，将信号调理电路以及带数字总线接口的微处理器进行整合而构成的。7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点优势：在于生产厂家原有生产工艺和生产设备基本无需改变，额外附加一块带数字总线接口的微处理器插板+智能化软件，即可实现智能传感器功能。图7-3非集成式智能传感器基本原理框图因此，非集成化方法是一种经济、快速制造智能传感器的途径。12智能传感器的实现主要有三种方式（2）混合集成方式是将系统各个集成化环节（敏感元件、信号调理电路、微处理器、数字总线口）以不同的组合方式集成在2~3个芯片上，并封装在一个外壳内。具有技术要求低、经济风险小的特点7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点混合集成模块有：集成化敏感单元集成信号调理电路集成微处理单元敏感元件和变换电器；多路开关、仪用放大器、基准转换器（ADC）等；数字存储器（EPROM、ROM、RAM）、数字I/O接口、数/模转换器（DAC等）以及微处理器。包括13智能传感器的实现主要有三种方式（2）混合集成方式7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点图7-4混合式智能传感器基本原理框图图

7-4混合式智能传感器基本原理框图14智能传感器的实现主要有三种方式（3）集成化方式集成式智能传感器采用微机械借工技术和大规模集成电路工艺技术，以硅材料为基础，制作敏感元件、信号调理电路以及微处理器单元，并将各构成单元集成在一块芯片上。7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点优势：随着微电子技术的高速发展以及纳米技术的应用，集成式智能传感器实现了微型化和结构一体化，从而具有：精度高、稳定性强、多功能集成、阵列排布、低能耗等特点。图

7-5集成式智能传感器基本原理框图15智能传感器的实现主要有三种方式（2）混合集成方式是将系统各个集成化环节（敏感元件、信号调理电路、微处理器、数字总线口）以不同的组合方式集成在2~3个芯片上，并封装在一个外壳内。具有技术要求低、经济风险小的特点7.1智能传感器概述传感器技术概述智能传感器的定义智能传感器的特点混合集成模块有：集成化敏感单元集成信号调理电路集成微处理单元敏感元件和变换电器；多路开关、仪用放大器、基准转换器（ADC）等；数字存储器（EPROM、ROM、RAM）、数字I/O接口、数/模转换器（DAC等）以及微处理器。包括16①电阻应变式传感器②电容式传感器③电感式传感器④磁电与磁敏式传感器7.2传感器类型和基本原理智能传感器的发展依托于传统传感器；智能传感器中的集成敏感元件（包括敏感元件和变化电路）的工作原理与传统传感器是完全相同的。所以需要对传统传感器的工作原理有所了解。传感器类型⑤压电式传感器⑥光电效应和光电式传感器⑦波与辐射式传感器⑧热电式传感器⑨半导体式化学传感器177.2传感器类型和基本原理①电阻应变式传感器用途：用于应变、力、力矩、加速度等物理量的测量。类型：包含应用金属丝电阻应变效应以及半导体材料压阻效应制备敏感元件两种类型。金属丝电阻应变片导体材料在收到外界拉力或者压力作用时会产生机械变形，同时机械变形会引起导体电阻值的变化，这种因导体材料变形而引起的电阻值发生变化的现象叫做电阻应变效应。半导体电阻应变片半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应，即在外力作用下，半导体材料载流子迁移率发生变化，使其电阻率发生变化的现象，可由压阻系数π表示。187.2传感器类型和基本原理①电阻应变式传感器金属丝电阻应变片结构（1）基片—绝缘材料；（2）网状敏感栅—高阻金属丝或金属箔；（3）黏合剂—化学黏结试剂；（4）覆盖层—保护层；（5）引线—金属引线，一端与网状敏感栅连接，一端外接仪器。金属丝电阻应变片基本结构197.2传感器类型和基本原理①电阻应变式传感器金属丝电阻应变片中种类金属丝电阻应变片通常分为丝式和箔式两种。对于金属式电阻应变片，包括体型（丝式和箔式）、薄膜型。按结构可分为：单片式、双片式和特殊形状。按照使用环境可分为高温、低温、磁场、水下。按照制作工艺可分为：金属丝式、金属箔式、金属薄膜式（a）金属丝式（b）金属箔式（c）金属箔式207.2传感器类型和基本原理①电阻应变式传感器金属丝电阻应变片的工作原理工作原理是基于电阻应变效应，即金属丝在外力作用下发生机械变形（伸长或缩短），其阻值也随之发生变化（增大或减小）。我们已经知道，导体材料的电阻值可表示为公式（7.1）。当外力作用时，金属丝电阻率ρ、长度l、横截面积S均发生变化，因此金属丝电阻发生变化。通过测量电阻值的变化，可以得到外力的大小。按结构可分为：单片式、双片式和特殊形状。按照使用环境可分为高温、低温、磁场、水下。按照制作工艺可分为：金属丝式、金属箔式、金属薄膜式

（1）（2）217.2传感器类型和基本原理②电容式传感器用于力、位移、加速度等物理量的测量，用于液面位置、成分含量以及物质含水率等的测量。优点缺点电容式传感器的电容量通常与极板采用的材料无关，因此可以选择温度系数较低的极板材料，本身发热小，稳定性好。电容式传感器输出阻抗高、负载能力差。电容式传感器结构简单、适应性强。电容式传感器输出非线性。电容式传感器灵敏度高，可进行非接触测量。具有较高的固有频率，动态响应时间短，动态响应特征好。式中：—金属极板间介质的介电常数；—，是相对介电常数，对于空气取1，真空状态时。S—极板面积；—极板之间的间距。227.2传感器类型和基本原理②电容式传感器工作原理电容式传感器以电容器作为敏感元件，将被测量的变化转换成为电容变化量，本质上是一个具有可变参数的电容器。为一个以空气为介质，两个平行金属板为极板的电容器，其电容量按照公式（7.14）计算：（7.14）式中：ℇ—金属极板间介质的介电常数；ℇr-ℇr=ℇ/ℇ0,是相对介电常数，对于空气取1，真空状态时ℇ=ℇ0=8.83x10-2F/m；S—极板面积；δ—极板之间的间距。237.2传感器类型和基本原理②电容式传感器电容式传感器结构类型电容式传感器的电容量与介质种类（ℇ）、极板面积（S）以及基板间距（δ）有关。保持三个参数中的两个参数不变，使另一参数可变，就形成了电容式传感器的三种基本类型。（1）变面积型电容式传感器（2）变极距型电容式传感器（3）变介电常数型电容式传感器247.2传感器类型和基本原理②电容式传感器（1）变面积型电容式传感器由公式可知：电容量与两极板相交面积成正比，因此变面积型电容式传感器的电容量变化与两个极板相对位移变化呈线性关系，适用于测量较大位移。平板变面积型电容式传感器的灵敏度可用单位位移引起的电容量变化来表示，公式（7.15），可以发现当电容几何尺寸（极板尺寸、基板间距）确定时，灵敏度系数为常数257.2传感器类型和基本原理②电容式传感器（2）变极距型电容式传感器由公式（7.16）可以看出，电容量与两极板间距成反比，电容量的变化与两极板间距变化呈非线性关系。因此，为了实现变极距型电容式传感器能够近似线性工作，需要将可动极板的移动范围限制在一个较小范围内。变极距型电容式传感器的灵敏度表示为单位位移引起的电容量相对变化量。267.2传感器类型和基本原理②电容式传感器（2）变极距型电容式传感器特点1）为保证近似线性输出，需要控制极板之间的相对位移的大小；2）提高变极距型电容式传感器灵敏度和线性度，需要减小极板初始间距，但是间距过小时存在击穿风险。因此变极距型电容式传感器只适用于小位移测量。在实际应用时，为了避免电容击穿，常采用极板之间放置具有高介电常数的材料（云母片、塑料薄膜等）作为介质的方法。3）除了减小极板初始间距，采用差动结构，包含一个动片和两个固定片，当一个电容增加时，另一个电容减小，灵敏度可以提高一倍。277.2传感器类型和基本原理②电容式传感器（3）变介电常数型电容式传感器通过改变极板之间介质的几何尺寸、材料类型、成分等，可以改变变介电常数型电容式传感器的电容量，电容量与介电参数之间的关系可表示为公式（7.17）。因此，变介电常数型电容式传感器可以用于测量：介质厚度、位移、液面位置、介质材料类型、湿度等。变介电常数型电容式传感器287.2传感器类型和基本原理③电感式传感器电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置，可以用于位移、压力、振动、应变、流量等的测量。变磁阻式传感器（自感式）差动变压器式传感器（互感式）电涡流式传感器297.2传感器类型和基本原理③电感式传感器（1）结构简单，可靠，测量精度和灵敏度高。分辨率可达0.1μm，输出线性度可达±0.1%；（2）输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，在某些情况下甚至可不经放大，直接接入二次仪表；电感式传感器具有以下优缺点：（1）频率响应不高，不适于频率较高的动态测量；（2）需要频率和幅值稳定性较高的激磁电源；（3）分辨力受测量范围影响，测量范围大则分辨力低。优缺307.2传感器类型和基本原理③电感式传感器（1）定义是利用被测量的变化改变磁路的磁阻，从而改变线圈的电感量，将非电信号转换为电信号。基本结构由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。工作原理在铁芯与衔铁之间存在气体间隙，间隙宽度为δ。传感器的运动部件与衔铁连接，随着运动部件发生位移，气隙宽度发生变化（Δδ），磁路磁阻Rm发生变化，从而线圈的电感量发生变化。变磁阻式传感器基本结构变磁阻式传感器（自感式）差动变压器式传感器（互感式）电涡流式传感器317.2传感器类型和基本原理③电感式传感器（1）变磁阻式传感器（自感式）特征（1）电感变化量与气隙间距变化量为非线性关系，为了实现近似线性输出，需要控制气隙间距的变化幅值；（2）变间隙式磁阻传感器适用于小位移的精确测量，通常测量范围在0.1~0.2mm较为合适。（3）为了提高传感器的灵敏度、减小非线性误差，实际应用时多采用差动结构（图7-12），包含一个衔铁、两个铁芯和线圈。与单线圈传感器相比，灵敏度提高一倍、线性度显著提高、降低温度和噪声的干扰327.2传感器类型和基本原理③电感式传感器（2）差动变压器式传感器（互感式）利用变压器原理，将非电信号转化为线圈互感量的变化，有初级绕组和次级绕组，其中二次绕组采用差动方式连接，因此叫做差动变压器式传感器。与普通变压器不同，差动变压器中初级绕组和次级绕组的耦合随衔铁的移动而发生变化。变隙式变面积式螺管式（应用较多）变磁阻式传感器（自感式）差动变压器式传感器（互感式）电涡流式传感器337.2传感器类型和基本原理螺管式差动变压器基本构成基本构成包括初级线圈、次级线圈、衔铁以及线圈骨架，初级线圈作为差动变压器激励用，根据初级绕组和次级绕组排列形式的不同，有二节式、三节式、四节式、五节式等形式以三节式螺管式差动变压器为例，理想状态下等效电路图如图所示，两组次级线圈匝数相同且反向串接（同名端相接），以保证差动形式。螺管式差动变压器结构及不同绕组排列形式三节式差动变压器等效电路347.2传感器类型和基本原理螺管式差动变压器工作原理当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈电感相等（M1=M2），则两个线圈的感应电动势相等（E21=E22），则此时差动电压为0，在理想状态时，当衔铁位于中间位置时，输出电压为0。然而，实际的差动变压器传感器当衔铁处于中间位置时，输出电压并不为0，理想状态和实际状态的输出电压特征曲线如图7-15所示。在位移0点位置，存在最小输出电压ΔU0，将此电压称为零点残余电压。螺管式差动变压器结构及不同绕组排列形式三节式差动变压器等效电路357.2传感器类型和基本原理③电感式传感器（3）电涡流式传感器基于电涡流效应制作。可以用于非接触测量，对静态和动态测量均具有高线性度和高分辨率，具有结构简单、灵敏度高频响范围宽、不受油水影响的特点。根据法拉第电磁感应原理：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时（切割不变化的磁场时无涡流），导体内将产生闭合的涡旋状感应电流，叫做电涡流，这种现象称为电涡流效应。变磁阻式传感器（自感式）差动变压器式传感器（互感式）电涡流式传感器367.2传感器类型和基本原理③电感式传感器（3）电涡流式传感器工作原理当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围产生交变磁场H1。若此时被测导体处于交变磁场H1范围内，则导体内产生电涡流I2，I2将产生交变磁场H2。以上参数的变化受到线圈的几何尺寸、电流频率、线圈到被测导体的距离以及导体的几何尺寸、电导率、磁导率的影响。因此，如果控制以上参数中某一个参数改变而其他参数固定不变，则形成用于该参数测量的传感器。变磁阻式传感器（自感式）差动变压器式传感器（互感式）电涡流式传感器电涡流式传感器原理377.2传感器类型和基本原理④磁电与磁敏式传感器工作原理是利用电磁感应原理，将位移、速度转换为线圈中的感应电动势输出。是一种典型的有源传感器，其在工作时不需要外加辅助电源，可以直接将被测物体运动产生的机械能转换为电量输出。（1）结构简单、性能稳定、输出功率大、输出阻抗小，通常不需要高增益放大器，可有效简化二次仪表；（2）频率响应范围一般为10~500Hz，可用于振动、位移、转速和扭矩等参数的测量；（3）传感器尺寸和质量较大，频率响应低。磁电感应式传感器（电动式）霍尔传感器其他磁敏元件387.2传感器类型和基本原理④磁电与磁敏式传感器工作原理磁电感应式传感器可以分为恒磁通式和变磁通式两种结构类型。（1）恒磁通式式中：B—磁感应强度；l—线圈内每匝线圈长度；N—线圈匝数；v—线圈切割磁力线速度成线性关系当传感器外壳与永久磁铁固定，线圈可以运动时，称为动圈式；当传感器外壳和线圈固定，永久磁铁可以运动时，称为动钢式。由永久磁铁产生恒定磁场，线圈与永久磁铁发生相对运动切割磁力线在线圈中产生感应电动势。磁电感应式传感器（电动式）397.2传感器类型和基本原理④磁电与磁敏式传感器工作原理磁电感应式传感器可以分为恒磁通式和变磁通式两种结构类型。（2）变磁通式线圈和永久磁铁均固定不动，由导磁材料制构成的被测物体运动时，通过线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势，因此这种传感器也被称为变磁阻式。包括开磁路（a）和闭磁路（b）两种类型：（a）开磁路（b）闭磁路磁电感应式传感器（电动式）407.2传感器类型和基本原理④磁电与磁敏式传感器工作原理磁电感应式传感器可以分为恒磁通式和变磁通式两种结构类型。（2）变磁通式线圈和永久磁铁均固定不动，由导磁材料制构成的被测物体运动时，通过线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势，因此这种传感器也被称为变磁阻式。包括开磁路（a）和闭磁路（b）两种类型：（a）开磁路（b）闭磁路磁电感应式传感器（电动式）7.2传感器类型和基本原理④磁电与磁敏式传感器工作原理理论上：磁电感应式传感器的灵敏度特征曲线为一条直线。实际上：其灵敏度特征是非线性的。当运动速度v＜v0时，运动速度过小不能够克服各组件之间的静摩擦力，无相对运动，此时没有感应电动势；当v＞v0时，静摩擦力被克服发生相对运动，产生感应电动势；灵敏度特征曲线③

当v进一步增大到vc时，惯性过大，超出传感器的弹性工作范围，输出曲线明显弯曲。因此，磁电感应式传感器应在（v0，vc）之间工作时，才能保证具有足够的线性范围。磁电感应式传感器（电动式）7.2传感器类型和基本原理④磁电与磁敏式传感器工作原理霍尔传感器属于磁敏元件，由基于霍尔效应的霍尔元件和测量电路构成，能够将磁学物理量转换为电信号，已经被广泛应用于测量领域、通讯领域、自动化领域和生物医学等领域。磁电感应式传感器（电动式）霍尔传感器其他磁敏元件一个通电的导体或者半导体，放置在一个与电流方向垂直的磁场中，那么在导体（半导体）的另外两端将会产生感应电动势，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应原理图霍尔元件灵敏度系数7.2传感器类型和基本原理④磁电与磁敏式传感器工作原理霍尔传感器为提高霍尔传感器灵敏度，就需要减小薄片厚度，因此霍尔元件的厚度做的很薄（约0.1μm），因此霍尔元件的击穿电压较低。RH是由材料性质决定的常数，任何一种材料在满足一定条件是均能产生霍尔电势，但是并不是所有材料都适宜制作霍尔元件。例如：绝缘材料：电阻率极高，但是电子迁移率很小；金属材料：电子浓度很高，但电阻率很小，因此霍尔电势很小；半导体材料：电子迁移率和载流子浓度适中，且一般电子迁移率大于空穴的迁移率，因此霍尔元件多采用N型半导体制作。霍尔元件灵敏度系数：对于N型半导体，电子迁移率、电阻率公式：霍尔常数：7.2传感器类型和基本原理④磁电与磁敏式传感器工作原理（1）磁敏电阻磁敏电阻基于磁阻效应制造，是一种纯电阻性的两端元件。当载流导体置于磁场中时，除了发生霍尔效应，导体中的载流子在洛仑兹力作用下运动方向发生偏转，从而使电子流动的路径发生改变，增大了电阻，且磁场越强，载流子偏转越大，电阻越大。这种导体（半导体）电阻随着外加磁场强度增大而增大的现象，叫做磁阻效应。通常金属材料的磁阻效应较弱，半导体材料的磁阻效应更加显著。磁电感应式传感器（电动式）霍尔传感器其他磁敏元件7.2传感器类型和基本原理④磁电与磁敏式传感器工作原理（2）磁敏晶体管与霍尔元件相比，磁敏晶体管具有极高的灵敏度，灵敏度量级可达霍尔元件的数百倍甚至数千倍，因此可在较弱的磁场下具有较大的输出，具有霍尔元件和磁敏电阻难以达到的性能。同时，磁敏晶体管不仅能够测量磁场的大小，还能够测量磁场的方向，在磁检测、无触点开关和近接开关等方面均有应用。磁电感应式传感器（电动式）霍尔传感器其他磁敏元件467.2传感器类型和基本原理⑤压电式传感器压电式传感器基于电介质的压电效应制制造，是一种典型的发电式传感器和机电转换式传感器，属于有源传感器。具有以下优缺点：（1）体积小、质量轻、结构简单、稳定可靠；（2）频带宽、灵敏度高、信噪比高，适用于测量动态量，不适用于测量频率较小的物理量，不能够用于测量静态量；（3）某些压电材料需要防潮处理、输出信号直流相应差。因此，压电式传感器多用于加速度、振动压力等物理量的测量，广泛应用在超声、通讯、雷达、点火装置等领域，与激光、红外、微波等技术相结合，将成为未来智能化测量的重要器件。压电效应压电材料477.2传感器类型和基本原理⑤压电式传感器（1）正压电效应从物理学可知，对于某些电介质（晶体），在一定方向上施加力产生变形时，内部正负电荷中心发生相对转移，产生极化现象；当外力消失后，又恢复到不带电的状态，当外力改变方向时，电荷极性也随之改变。这种现象叫做正压电效应，简称压电效应。对于中心对称晶体，其正负电荷中心无论如何施加外力都始终重合，因此极化强度为零；对于非对称晶体，在无外力作用时正负电荷中心重合，在有外力作用时，正负电荷中心分离，表现出极性。因此，压电现象是晶体缺乏中心对称引起的。压电效应压电材料487.2传感器类型和基本原理⑤压电式传感器（2）逆压电效应压电效应具有可逆性，在电介质极化的方向施加电场，同样会引起内部正负电荷中心的相对位移，电介质发生变形，这种现象叫做逆压电效应，也叫做电致伸缩。如图7-21（b）所示，压电效应的相互转换即可以将机械能转换为电能，也能够将电能转换为机械能。压电效应压电材料（a）正压电效应

（b）逆压电效应497.2传感器类型和基本原理⑤压电式传感器许多晶体都具有压电效应，但是大部分都十分微弱，相关研究发现石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅具有显著的压电效应。1）压电常数：用于衡量材料将机械能转变为电能或电能转变为机械能的能力，直接影响压电输出的灵敏度；2）弹性常数：决定了压电元件的固有频率和动态特征；3）介电常数：是反映压电材料电介质在静电场作用下介电性质或极化性质的重要参数，当压电材料的形状、尺寸一定时，其固有电容与介电常数有关，固有电容影响压电传感器的频率下限；压电效应压电材料507.2传感器类型和基本原理⑤压电式传感器4）机电耦合系数：是描述机电耦合程度的重要参数，它反映了压电材料机械能-电能转化效率，等于输出能量与输入能量比值的平方根；5）电阻：压电材料的电阻能够减少电荷的泄露，改善压电传感器低频特征；6）居里点：压电材料丧失压电特性的温度。目前，压电材料的分类包括：1）压电晶体（单晶），压电石英晶体等；2）压电陶瓷（多晶半导瓷）；3）压电半导体；4）高分子乙烯等有机高分子压电材料。压电效应压电材料517.2传感器类型和基本原理⑤压电式传感器压电材料—石英晶体压电石英具有以下特点：1）压电常数和介电常数温度稳定性极好，压电系数在常温范围内几乎不随温度发生变化，在20℃~200℃之间，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016%；2）机械强度高，其许用应力可达68~98MPa，刚度大（α石英晶体弹性模量可以达到7.3×104MPa），固有频率高，动态性能好；3）居里点为573℃，没有热释电效应，不具有铁电性，绝缘性和重复性好。（a）天然石英晶体（b）石英横向切片(c）按特定方向切片52⑤压电式传感器压电材料—压电陶瓷压电陶瓷具有以下特点：1）纵向压电常数大，制作的传感器灵敏度高；2）制作工艺成熟，成型工艺好，性能稳定，成本低廉；3）具有热释电效应，可制作热电传感器，用于红外探测设备；3）作为压电传感器应用时，热释电效应会产生热干扰，稳定性降低，在高稳定性传感器中应用受到限制；4）极化后的压电陶瓷受到温度影响，压电效应会减弱；5）刚极化后的压电陶瓷纵向（x向）压电常数需经过2~3个月才能够逐渐趋于常数，但是经过两年后，纵向压电常数会开始下降，因此需要定期标定。（a）极化前（b）极化中（c）极化后（d）电荷537.2传感器类型和基本原理⑤压电式传感器（3）压电半导体许多晶体既具有半导体特性，也具有压电性：氧化锌（ZnO）、硫化钙（CaS）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）等。（4）有机高分子压电材料聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚r甲基-L谷氨酸酯（PMG）等高分子聚合物材料压电材料同时具有压电性和半导体的特性既可以单独利用其某一性能制备电子元件；也可以同时利用其两个特性将元件与电路集成于一体。具有质量轻、柔性好、抗拉强度高、热释电性和热稳定性好等优点，可用于制作小型轻柔压电式传感器、大面积阵列式传感器等。547.2传感器类型和基本原理⑥光电效应和光电式传感器光电效应制造，能够将被测量的变化以光信号（强度、频率等）变化的形式转换为电信号变化，类似于人的眼睛。用途：除了测量光的强度、频率等，还可以利用光的折射、投射、反射、干涉、遮挡等性质测量尺寸、位移、速度、温度等物理量。被广泛的应用于智能设备、导航系统、自动化控制等领域。光电式传感器的基本组成557.2传感器类型和基本原理⑥光电效应和光电式传感器光电式传感器具有以下优缺点：（1）可以进行无接触测量，光的动质量质量近似为零，因此在不会给被测对象施加荷载，也不存在摩擦力；（2）结构简单、响应速度快、性能稳定可靠；（3）半导体光敏传感器体积小、质量轻、灵敏度高，易于集成，适应智能传感技术的需求；（4）价格相对较高、对测量环境具有较高的要求。光电效应光电式传感器567.2传感器类型和基本原理⑥光电效应和光电式传感器当光照射在某些物质上，该物质吸收光能后，能够将光能转化为该物质中某些电子的能量从而产生电效应，这种现象叫做光电效应。光电效应分分类：光电效应光电式传感器外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特（光伏）效应577.2传感器类型和基本原理⑥光电效应和光电式传感器（1）外光电效应：外光电效应是在光线照射时，物体内的电子逸出物体表面并产生光电子发射的现象。（2）外光电效应器件基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。光电管结构简单，灵敏度高，但是体积较大，工作电压高达几百到数千伏，玻璃壳易损坏.光电倍增管电流大、灵敏度高，倍增率（N）与单个倍增极倍增率（δ）和倍增基数（n，通常为12~14级，多者可达30级），N=δn。光电效应光电式传感器（a）光电管（b）光电倍增管

（a）光电管

（

b）光电倍增管587.2传感器类型和基本原理⑥光电效应和光电式传感器（3）内光电效应内光电效应是指当光照射到半导体材料上时，物体内部的受束缚电子受到激发，从而使物体的电导率发生变化或者产生光生电动势的现象。（4）内光电效应器件光电效应光电式传感器光敏电阻光敏二级管光敏三级管光电池其他光电器件597.2传感器类型和基本原理⑥光电效应和光电式传感器（1）图像传感器（2）光纤传感器（3）光栅式传感器内光电效应是指当光照射到半导体材料上时，物体内部的受束缚电子受到激发，从而使物体的电导率发生变化或者产生光生电动势的现象。光电效应光电式传感器607.2传感器类型和基本原理⑦波与辐射式传感器超声波传感器是压电传感器的一种典型应用，通过压电元件产生和接收超声波。因此，超声波传感器的性能指标取决于采用的压电元件的性能指标。①工作频率

②工作温度

③灵敏度（1）超声波物理性质超声波具有波长短、频率高、方向性好、能量集中、透射性强、绕射现象小、遇到杂志或分界面具有显著的反射等特点，（3）应用领域测距、测厚、测流量、探伤等领域。（2）超声波传感器结构原理超声波传感器微波传感器红外传感器617.2传感器类型和基本原理⑦波与辐射式传感器微波：频率范围是300MHz~300GHz，波长介于1mm~1m之间，介于无线电波和红外线之间，属于电磁波领域，（1）超声波物理性质超声波传感器微波传感器超声波具有波长短、频率高、方向性好、能量集中、透射性强、绕射现象小、遇到杂志或分界面具有显著的反射等特点，（3）应用领域测距、测厚、测流量、探伤等领域。（2）超声波结构原理红外传感器627.2传感器类型和基本原理⑦波与辐射式传感器微波：频率范围是300MHz~300GHz，波长介于1mm~1m之间，介于无线电波和红外线之间，属于电磁波领域，（1）超声波物理性质超声波传感器微波传感器超声波具有波长短、频率高、方向性好、能量集中、透射性强、绕射现象小、遇到杂志或分界面具有显著的反射等特点，（3）应用领域测距、测厚、测流量、探伤等领域。（2）超声波结构原理红外传感器637.2传感器类型和基本原理⑦波与辐射式传感器微波传感器通常由微波发生器（微波振荡器，用于产生微波），天线（用于发射和接收微波信号），微波检测器（将微波信号转化为电信号）。与超声传感器类似，根据工作原理微波传感器也分为两个类型：超声波传感器微波传感器红外传感器1）利用微波反射的反射式微波传感器，可用于测量物体的物位、厚度等；2）遮断式微波传感器，发射器和接收器在被测物体两侧，能够测量是否存在物体、物体的厚度以及含水率等。647.2传感器类型和基本原理⑦波与辐射式传感器红外传感器应用红外传感器能够将红外辐射利用热电效应或者光电效应转化为电信号，是红外特侧信通的核心部件，也称为红外探测器。红外传感器可以分为两类：1）热探测器：利用热电效应，当传感器吸收红外辐射能量温度升高时，因此材料参数的变化，从而感知辐射的强弱，包括热释电、热敏电阻、热电偶等。2）光子探测器：能够将传感器接收到的光信号直接转化为电信号，是一种光敏器件。利用了材料的光电效应，其原理与上节中普通的内光电效应器件相同，包括光敏电阻、光敏晶体管等。超声波传感器微波传感器红外传感器657.2传感器类型和基本原理⑧热电式传感器热电式传感器是一种利用温度敏感元件的电磁参量随温度的变化的特征，将温度变化转化为电信号变化的装置。根据温度敏感元件的工作原理不同，温度传感器包括热电阻传感器、热电偶传感器、热敏电阻传感器、集成温度传感器以及红外温度传感器等。超声波传感器微波传感器红