传感器检测技术（第四版）（上篇共上中下3篇）

……………光电传感器传感器技术与应用武汉职业技术学院

熊晓倩课程内容CONTENTS作用与特点02应用案例03概述01一、概述

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光源光学通路光电元件光电传感器的组成二、作用与特点

它可用于检测直接引起光量变化的非电物理量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。三、应用案例

由于光电传感器对红外辐射，或可见光，或对二者都特别灵敏，因而就更加容易成为激光攻击的目标。此外，电子系统及传感器本身还极易受到激光产生的热噪声和电磁噪声的干扰而无法正常工作。（三）应用于激光武器三、应用案例战场上的激光武器攻击光电传感器的方式主要有以下几种：用适当能量的激光束将传感器“致盲”，使其无法探测或继续跟踪已经探测到的目标。或者，如果传感器正在引导武器飞向目标，则致盲将使其失去目标。（三）应用于激光武器三、应用案例

电能表的铝盘受电涡流和磁场的作用下产生的转矩驱动而旋转。

采用光电传感器则可将铝盘的转数转换成脉冲数。

如：在旋转的光亮的铝盘上局部涂黑，再配以反射式光电发射接收对管，则当铝盘旋转时，在局部涂黑处便产生脉冲，并可将铝盘的转数采样转换为相应的脉冲数，并经光电耦合隔离电路，送至CPU的T0端口进行计数处理。采用光电耦合隔离器可有效地防止干扰信号进入微机。再结合其它传输方式便可以形成自动抄表系统。（二）应用于自动抄表系统三、应用案例

光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化，通过把光强度的变化转换成电信号的变化实现控制功能。

我们可以利用光电传感器的特性来检测烟尘的情况，光电传感器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化（三）应用于监控烟尘污染……………谢

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熊晓倩课程内容CONTENTS力敏传感器的原理02力敏传感器的应用03概述01一、概述

力敏传感器是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器。在机械中，可以用于测量机床刀具的压力，以及测量机械臂、工业机器人等的动态性能；在医疗设备中，可以用于测量人体各种部位所受的压力，如颈椎、骨盆、卧床患者等；在汽车行业，可以用于测量车辆的重量、轴载荷、刹车踏板压力等信息。

常用材料有半导体、金属及合成材料。力敏传感器可以广泛应用于工业制造、医疗设备、汽车行业等多个领域。二、力敏传感器的原理

力敏传感器，就是能对各种力或能转化为力的物理量产生反应，并能将其转变为电参数的装置或元件。

力敏传感器一般有电阻应变式传感器、电位计式传感器、电感式传感器、压电式传感器、电容式传感器等，它们也可用来测量力值。三、力敏传感器的应用

力敏传感器主要应用于装备制造业工业自动化系统、机电一体化、科学测试仪器等装备制造业，主要涉及过程控制用压力、流量两大参数的检测、控制和执行。……………谢

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熊晓倩课程内容CONTENTS温度传感器的材料02接触式和非接触式温度传感器03概述01一、概述

温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%。

温度传感器（Temperaturetransducer）是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的传感器。它是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。二.温度传感器的材料

不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。三.接触式和非接触式传感器温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：

接触式和非接触式。

接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。

非接触式温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。……………谢

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熊晓倩课程内容CONTENTS应用07应变效应分析02温度补偿06结构和材料03主要参数04基本应用电路05概述01一、概述1.应用最广泛；

2.材料：金属、半导体；3.敏感机理：受力产生应变；

4.转换机理：应变转换为电阻；

5.价廉、尺寸小、结构简单；

6.可靠性好、稳定性高；

7.测量电路：桥式；

8.测量精度高；

9.寿命长；

10.抗干扰能力差、非线性；电阻应变式传感器一、概述提问：什么是力？力是改变物体状态的根本原因应变变化应力（微观力）

应变效应是金属导体的电阻值，随着它受力所产生机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生变化的现象，称之为金属的电阻应变效应。一、概述理论基础材料的泊松比定律

在弹性限内，金属丝沿长度方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然。轴向应变εt与径向应变εr有以下关系：εr=-μεt。金属导体电阻定律

金属导线的电阻值与其导线长度l成正比而导线截面积s成反比，即半导体材料的压阻效应

对半导体材料施加外力时，除了产生变形外，材料的电阻率也随着发生变化。二、应变效应分析由公式分析

可知，电阻相对变化量由两项组成：

1.是由产生应变的材料几何尺寸的变化引起的；

2.是由电阻率变化引起的，对金属系主要为前一项，对半导体材料主要为后一项。三、结构和材料1.组成

金属电阻应变片分为金属丝式和金属箔式两种。1.金属丝式电阻应变片。金属丝式电阻应变片的基本结构图如图所示。由敏感栅1、基底2和盖层3、引线4和黏结剂几个基本部分组成。三、结构和材料（一）组成2.金属箔式应变片与金属丝式电阻应变片相比，有如下优点：用光刻技术能制成各种复杂形状的敏感栅；横向效应小；散热性好，允许通过较大电流，可提高相匹配的电桥电压，从而提高输出灵敏度；疲劳寿命长，蠕变小；生产效率高。

但是，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式应变片的大，有的能相差几十欧姆，需要调整阻值。（a）箔式单向应变片

（b）箔式转矩应变片

（c）箔式压力应变片

（d）箔式花状应变片三、结构和材料（二）材料1.敏感栅

应变片最重要的组成部分，由某种金属细丝绕成栅形。三、结构和材料2.基底、盖片

基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置；

盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可以保护敏感栅。（二）材料三、结构和材料3.粘结剂

常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温；无机粘结剂用于高温。（二）材料三、结构和材料4.引线

它是从应变片的敏感栅中引出的细金属丝，常用直径约0.1—0.15mm的镀锡铜线或扁带形的其他金属材料制成。（二）材料四.主要参数A

灵敏度系数（K）B

横向效应C

机械滞后、零点漂移、蠕变D

应变极限和疲劳寿命五.基本应用电路

将电阻应变片粘贴于待测构件上，应变片电阻将随构件应变而改变，将应变片电阻接入相应的电路中，使其转化为电流或电压输出，即可测出力值。通常将应变片接入电桥来实现电阻至电压或电流的转换。五.基本应用电路为了提高输出电压灵敏度，可以采用半桥双臂或全桥电路（a）半桥双臂

（b）全桥电路五.基本应用电路

半桥双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍，而全桥电路电压灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度提高一倍。可见，利用全桥，并提高供电电压E，可提高灵敏度系数。六.温度补偿

用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。

实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。

因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。六.温度补偿温度补偿互补偿桥路补偿自补偿

不是补偿温度值，而是补偿在温度影响下变化的输出值，使输出值回复正常的方法。七.应用

加速度传感器就是将被测加速度α通过一个悬臂梁将力

转化成应变片的应力，从而达到测量加速度α的目的。……………谢

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熊晓倩课程内容CONTENTS压电式传感器结构03压电效应01应用举例05压电材料02应用电路04一、压电效应

某些晶体或有机薄膜，当沿着一定方向受到外力作用时，内部极化，某两个面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也改变，晶体受力所产生的电量与外力的大小成正比，即：

上述现象称正压电效应。

反之，如对晶体施加一交变电场，晶体本身将产生变形，此称电致伸缩现象，也称逆压电效应。二、应变效应—工作原理力电量形变二、应变效应—工作原理

（a）材料受压（b）材料受拉（c）材料受压

（d）材料受拉作用力的方向不同，产生电荷的方向也不同；力的作用面不同，产生的电荷方向也不同；a，b中产生的电荷比c，d中产生的多（各向异性）。二、压电材料1.石英晶体

分人工石英和天然石英。它们是单晶中使用频率最高的一种传感器。其特点是介电和压电常数的温度稳定性好，如下图所示。适用的工作温度范围宽，动态响应快，机械强度大，弹性系数高，稳定性好。（a）压电常数与温度的关系

（b）介电常数与温度的关系（ａ）天然石英晶体

（b）石英晶体薄片二、压电材料2.压电陶瓷

压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。

电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。

在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，经过人工极化后，保留很强的剩余极化的情况下才能作为压电材料使用。（c）压电陶瓷二、压电材料3.有机高分子薄膜

有机压电薄膜随着科技的进步发展也较快。它既具有高分子材料的柔软性又具有压电陶瓷的特性，可以做成较大面积，主要用于微压测量和机器人的触觉。（d）高分子压电薄膜三、压电传感器的结构

压电传感器是一种有源传感器，同时又是一个电容器，其结构如图

实际应用中常将两个以上晶片进行串联或并联，就如同将两个电容器串联和并联一样。

串联输出的电压高，自身电容小；并联输出电荷量大，电容量大。四、应用电路

由于压电传感器产生的电量非常小，且内阻极高，就要求测量电路的输入电阻尽量大，这样才能减小测量误差，因此在压电式传感器的输出端总是接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。（a）电荷源等效电路

（b）电压源等效电路

前置放大器有两个作用：第一是将压电传感器的输出信号放大；第二是将高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器电荷放大电路（a）等效电路

（b）简化电路五、应用举例1、加速度传感器

压电式加速度传感器结构如图所示。

主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成，整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。五、应用举例

当压电式加速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力F是加速度a的函数，即F=ma五、应用举例

惯性力F作用于压电元件上而产生电荷q，当传感器选定后，质量块的质量m为常数，则传感器输出电荷q为q=d11F=d11ma五、应用举例2.压电式传感器再测漏中的应用

如果地面下一均匀的自来水直管道某点O漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用的时间差可计算出LA或LB。五、应用举例2.压电式传感器在测漏中的应用两者时间差为又L=LA+LB，所以……………谢

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熊晓倩课程内容CONTENTS概述01变极距型电容式传感器05电容式传感器工作原理和结构02变介质型电容式传感器04变面积型电容式传感器03应用举例06一、概述电容式传感器

电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。一、概述优点测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。一、概述应用

压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器二、电容式传感器的工作原理和类型二、电容式传感器的工作原理和类型

电容传感器的工作原理可从平板电容器加以说明，如图所示。由物理学可知，两平板组成的电容器，如不考虑边缘效应，其电容量可用下式表示：式中S——两极板相互遮盖的面积；

——两极板间的距离；

——两极板间介质的介电常数。δε变面积型传感器变介质型传感器变极距型传感器二、电容式传感器的工作原理和类型三.变面积型（S）三.变面积型（S）（a）变面积型电容传感器原理图（b）电容式角位移传感器原理图动极板定极板四.变介电常数型（ε）通过改变板间介质（即介电常数），可改变电容量。

右图为一密封铅罐中测量液态氮液位高度的原理图。

在被测介质中放入两个同心圆柱状极板1和2。若容器内液体介质的介电常数为，ε1，液体介质上面气体介质的介电常数为ε2，当容器内液面高度变化时，则电容量将变化（假设液体介质为不导电液体，若导电，则电极板必须绝缘）。四.变介质型（ε）

电极板间电容C等于气体介质间电容C2与液体介质间电容C1之和，相当于两个电容器并联，即：上式表明传感器电容量C与高度呈线性关系。四.变介质数型（ε）五.变极距型电容传感器五.变极距型电容传感器()若d从d0→d0-Δd,电容量C0→C0+ΔC,则有当时，变极距电容传感器有近似线性关系，此时灵敏度

为了获得高灵敏度，一般d0较小，但d0过小易引起电容器击穿或短路，可放置高介电常数材料,如云母片。六.应用举例1．电容式压力传感器当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2；当有差压作用时，测量膜片产生形变；PH>PL时，膜片PL向弯曲，C1<C2；PH<PL时，膜片PH向弯曲，C1>C2；将这种电容变化通过电路转换为电压变化。

2．变介质型湿度传感器六.应用举例3．加速度传感器六.应用举例3．加速度传感器装有传感器的假人气囊

加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。六.应用举例六.应用举例4．电容式接近开关……………谢

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熊晓倩课程内容CONTENTS湿度的定义及其表示方法02湿度传感器的主要特性03湿敏电阻04湿敏电阻的主要应用05概述01一、概述湿度传感器的定义

随着现代工农业技术的发展及生活环境的提高,湿度的检测与控制成为生产和生活中必不可少的手段。举例说明例如：

大规划集成电路生产车间，当其相对湿度低于50%时，容易产生静电而影响生产；一些粉尘大的车间，当湿度小而产生静电时，容易发生爆炸；一些仓库在湿度过大时，易发生变质或霉变现象；湿度是通过湿度传感器来测量的。二、湿度的定义及其表示方法湿度的定义

湿度是指物质中所含水蒸气的量，或空气的干燥、潮湿程度。常用绝对湿度、相对湿度和露点（或露点温度）来表示。绝对湿度

绝对湿度是指在一定温度及压力条件下，单位体积待测气体中

含水蒸气的质量，即水蒸气的密度。其数学表达式为：

式中，Mv为待测气体中的水蒸气的质量，V为待测气体的总体积，Ha为待测气体的绝对湿度，单位为g/m5。

二、湿度的定义及其表示方法相对湿度

相对湿度为待测气体中的水蒸气气压与同温度下饱和水蒸气压的比值的百分数，其数学表达式为：

Pv为某温度下待测气体的水蒸气压；Pw为与待测气体温度相同时水的饱和蒸气压；RH为相对湿度，其单位为%RH。

相对湿度与气温呈负相关，气温越高，同温度下饱和水汽压越高，相对湿度越小。相对湿度能准确地说明空气的干湿程度,与人体感觉的干湿程度一致，所以实际中更常使用相对湿度。

二、湿度的定义及其表示方法露点温度

保持压力不变，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变为液态而凝结成露珠，称为结露，这一特定的温度称为露点温度，其单位为℃。什么叫露点

如果这一特定的温度低于0℃，水蒸气将凝结成霜，此时温度称为霜点或霜点温度，通常对两者不予区分，统称为露点。三、湿度传感器的主要特性将湿度变为电信号的传感器红外线湿度计微波湿度计湿敏电容湿度计湿敏电阻湿度计金属氧化物陶瓷湿敏电阻金属氧化物膜型湿敏电阻有机高分子膜湿敏电阻

最常用的湿度传感器是湿敏电阻，湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。四、湿敏电阻金属氧化物陶瓷湿敏电阻式传感器

是将MgCr，0，-T102(铬酸镁-氧化钛)等金属氧化物以高温烧结的工艺制成多孔性陶瓷半导体薄片。

与日常生活中常用的结构致密的陶瓷相比，其接触空气的表面积显著增大，所以水汽极易吸附于其表面及孔隙中，使其电阻率下降。

当相对湿度从1%RH变为95%RH时，其电阻率变化高达4个数量级左右。四、湿敏电阻金属氧化物膜型湿敏电阻传感器

它是在陶瓷基片上先制作梳状电极，并固定引线，然后覆盖上金属氧化物，烧结或烘干使之固化成膜。其优点是传感器电阻的对数值与湿度成线性关系，测湿范围广、工作温度范围大。四、湿敏电阻高分子材料湿敏电阻式传感器

这个传感器是目前发展迅速、应用较广的一类新型湿敏电阻式传感器,吸湿材料采用可吸湿电离的高分子材料，如高氯酸锂-聚氯乙烯、有亲水性基团的有机硅氧烷、四乙基硅烷的共聚膜等。具有响应时间快、线性好、成本低等优点。四、湿敏电阻的具体应用湿度传感器常用于检测土壤湿度如图所示为土壤湿度测量电路。

图中湿敏电阻RH为晶体管VT提供偏流，RH插人土壤，湿度不同传感器阻值不同，则VT基极电流不同,使通过VT的IE发生变化，在R2上转换为电压变化，并经过运算放大器A放大输出。

使用时，需先对电路系统进行标定。先将RH放在水中，此时湿度为100%,调节RP2使增益输出满量程为5V；再将RH擦干(此时湿度为0%)，调节RP1比较端的电压，使输出为0v。土壤湿度测量电路四、湿敏电阻的具体应用汽车后窗玻璃自动去湿系统也需要用到湿度传感器电路如图所示。

在常温常湿情况下，调节好各电阻值，因湿敏电阻RH阻值较大，使VT1晶体管导通，VT2晶体管截止(VT1、VT2构成施密特触发电路)，继电器K不工作，其常开触点K1断开，加热电阻丝RL无电流流过。四、湿敏电阻的具体应用汽车后窗玻璃自动去湿系统也需要用到湿度传感器电路如图所示。

当汽车后窗玻璃内外温差较大,且湿度过大时，将导致湿敏电阻RH的阻值减小，不足以维持VT1，晶体管导通，此时VT1晶体管截止，VT2晶体管导通，使其负载继电器K通电，其常开触点K1闭合，然后加热电阻丝RL开始加热，驱散后窗玻璃上的湿气，同时加热指示灯亮。四、湿敏电阻的具体应用汽车后窗玻璃自动去湿系统也需要用到湿度传感器电路如图所示。

当后窗玻璃上的湿度减小到一定程度时，随着湿敏电阻RH增大，施密特触发电路又开始翻转到初始状态，VT1晶体管导通，VT2晶体管截止，其常开触点K1断开，加热电阻丝RL断电停止加热，从而实现了去湿系统的自动控制。……………谢

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熊晓倩课程内容CONTENTS热电阻的材料和结构02热电阻的应用电路04概述和工作原理01热电阻的引线方式03一、概述和工作原理概述：

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，它是基于金属导体的电阻值随温度增加而增大