厦理工测试技术与信号处理课件第3章 常用传感器与敏感元件

第三章常用传感器与敏感元件§1传感器概述与分类被测量易测、传输信号易处理信号传感器（测量变送器）常把被测量转换为电量如：热电耦、超声波转换器、红外遥感器电能量信号（U,I）电量信号电参数信号(R,L,C)敏感元件§2机械式传感器（简介）1.概念：力、压力弹性变形温度等（应变）2.特点：惯性大、固有频率低、蠕变、弹性后效，适宜缓变、静态测量。3.应用：

1)转换成指针偏转、刻度指示：测力计、压力计、温度计；

2)转换成位移量，通过其它传感器转换成电量；

3)微型探测开关：通过两个簧片磁化接通。弹性元件§3电阻、电容与电感式传感器§3.1电阻式传感器被测量电阻式传感器电阻变化测量电路电压变阻式(电位计)、电阻应变式、敏感电阻式传感器一、变阻式传感器改变电阻长度线、角位移、非线性改变电阻灵敏度：后测电路：电阻分压电路线性输出条件Rp/RL很小二、电阻应变式传感器（一）应变片的分类与结构1.丝式应变片：电阻丝（高电阻率康铜丝）、基底（绝缘）覆盖层、引出线应变片特性比较金属应变片半导体应变片原理：导体形变R变化；压阻效应ρR变化优点：非线性误差小；S高，机械滞后、体积小

缺点：S低；非线性误差大，温度稳定性差

应用：较大变形；小变形

其他应变片传感器

固态压阻式传感器：基本同半导体应变片，但集成度更高，更小，主要用于压力、加速度测量。动态电阻应变仪：应变片＋测量处理电路集成动态电阻应变仪电阻式应变片传感器的应用方法电阻应变片直接应用实例二、电容式传感器（一）变换原理与分类被测参数电容量的变化（二）极距变化型电容式传感器S高，非线性误差大，用于动态非接触式小位移（0.01～数百微米）测量（三）面积变化型电容式传感器(四）介质变化型电容式传感器介电常数变化C变化，用于测量介质的厚度、温度、湿度或液位的变化。（五）电容传感器的测量电路1.电桥型电路：将电容传感器作为桥路的一部分，由电容的变化电压的输出2.直流极化电路3.谐振电路4.调频电路5.运算放大器电路（利用比例运算放大器可转化成线性关系）6.电容集成压力传感器：电容敏感元件＋测量电路集成（六）电容式传感器的特点与应用

3.介质型电容传感器：测量介质的变化（温度、湿度、厚度等）和液位三、电感式传感器被测量(力、位移)电感量(自感L、互感M)(一)自感型电感传感器Ⅰ、可变磁阻式后接电路Ⅱ、涡流式电感传感器后接电路分压式调幅、调频电路（二）互感型－－差动变压器式电感传感器双螺管线圈差动型、差动变压器式传感器返复习五4.差动变压器式传感器的后接电路：（三）电感式传感器的特点与应用§4磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器

被测量电磁感应感应电势

动圈式、磁阻式磁电传感器（一）动圈式磁电传感器线圈与磁场相对运动，切割磁力线线速度、角速度型动圈式传感器应用：测量速度（二）磁阻式磁电传感器

改变磁路磁阻感应电势磁阻式磁电传感器应用二、压电式传感器力参数压电材料电能量信号（电荷）超声波压电效应6.测量电路前置放大器作用：阻抗匹配（高输出阻抗变为低输出阻抗）放大微弱信号类型：电阻反馈电压放大器、电容反馈电荷放大器电荷放大器7.压电式传感器的应用用于测量动态的力参数（压力、应力、加速度）和超声波的发射、接收

1)2)3)4)压电式传感器的可逆应用：加交变电压，晶片产生伸缩变形，可作为振动源。三、热电式传感器温度金属（热电偶、热电阻）电量热电效应（一）热电偶1.工作原理：热电动势＝温差电动势＋接触电动势

EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)=f(T)－C2.特点：1)A、B材料相同，接点温度不同(T与T0)，EAB=02)接点温度相同(T与T0)，A、B材料不同，EAB=03)EAB与中间温度无关，只与接点温度和A、B材料有关；4)EAB(T3,T1)=EAB(T3,T2)＋

EAB(T2,T1)5)中间导体定律：在热电偶回路中，接入第三种导体（两端温度相同），不会影响热电动势；用于在热电偶中接仪表、导线，开路热电偶测量6)标准(参考)电极定律：热电偶的选配

EAB(T2,T1)=EAC(T2,T1)＋ECB(T2,T1),c为参考电极开路热电偶3.热电偶分类和选用1)铂铑－铂(WRLB)：＋极－－铂铑2)镍铬－镍硅(WREU)：＋极－－镍铬3)镍铬－考铜(WREA)：＋极－－镍铬4)铂铑30－铂铑6(WRLL)：＋极－－铂铑30

各种热电偶的特点和选用（测量温度范围T高低、电动势大小、S高低价格高低）（二）热电阻传感器

温度变化(金属)热电阻(半导体)热敏电阻电阻1.铂电阻：2.铜电阻：ρ小，细长，测低温和无浸蚀介质3.其他热电阻：铟电阻、锰电阻、碳电阻4.热敏电阻：半导体传感器，非线性，灵敏度高§5光电传感器测量量变化光信号变化光电效应电信号一、光电效应1.外光电效应(光电子发射效应)光电材料内电子光照逸出物体表面成自由电子光电流（光电子发射效应）光子能量＝电子动能＋逸出功1)条件：hv>A，光的阀值频率、光的阀值波长λ0（光电材料的红限）2)逸出光电子数入射光子数（入射光强度）3)反向截止电压U0：与入射光频率成正比，与光强无关。应用：光电管、光电倍增管2.内光电效应（光导效应）物体内部电子光照(吸收能量)内部自由电子物体导电性能变化应用：光敏电阻、光导管3.光生伏打效应光电材料(光电池)光线电动势（电子－空穴对）应用：光电池(硅、硒、砷化镓等)二、光电元件1.光电管1)结构：光电阴极k(发射电子)、阳极A(接收电子)2)特性参数：频谱灵敏度、红限、逸出功3)特性曲线：光电特性曲线、伏安特性曲线2.光电倍增管结构：光电阴极、光电阳极、倍增极(次阴极)作用：增加光电管的灵敏度3.光敏电阻：1)原理(内光电效应)：光电能量hv>禁带宽度，光敏电阻内电子跃迁，激发空穴－电子对，降低电阻率，提高导电性能。2)特点：S高，光谱响应范围宽(紫外－－红外)3)特征参数：

1)亮(暗)电阻、亮(暗)电流、光电流

2)光照特性：I=f(F),I光电流，F光通量

3)伏安特性：U=f(I)，光照强度一定

4)光谱特性：S随入射光波长变化

5)响应时间特性：光照时间常数光电流

6)光谱温度特性：温度对I、S、光谱特性等4.光敏晶体管：光照后，光子打在PN结上，产生电子－空穴对，形成光电流光敏二极管、光敏晶体管导通。光敏晶体管的灵敏度是光敏二极管的β倍光敏晶体管的基本特性：光照特性、伏安特性、光谱特性、温度特性、响应时间等。四、光电传感器应用（一）脉冲盘式角度－数字编码器（二）码盘式角度－数字编码器角位移编码盘、光电元件数字信号§6光纤传感器被测量光学量电量一、分类1.按光波调制方式：强度、频率、相位、偏振调制光纤传感器。2.按光纤作用：功能型（传光元件、敏感元件）、传光型（传光元件）光纤传感器

光电元件光纤传感器二、光纤导光原理1.光纤的全反射：大于临界入射角2.光纤结构：芯子（n1大折射率）包层（n2小折射率）保护层（n3大折射率）数值孔径NA（0.2~0.4）

临界入射角三、光纤传感器应用光纤位移传感器（位移、温度、压力、振动）测声压、水压反射式光纤传感器四、光纤传感器特点1.光波传递信息，不受电磁影响；2.不会燃烧、爆炸，可在特殊环境下测量；3.工作性能优于传统传感器；4.小、轻、可绕性好，宜狭窄空间工作；5.具有良好几何形状适应性；6.频带宽、动态范围大；7.宜远距离测控。§7半导体传感器原理：非电量半导体材料电量

(光,热,力,磁,气)特点：物性型、重量轻、体积小、敏感、响应快;

输出非线性、分散性大、温度影响大。一、磁敏传感器1.霍尔元件1)霍尔效应：

2)霍尔元件结构：(敏感部分＋变换电路)集成3)霍尔元件应用：微小位移测量为基础2.磁敏元件3.磁敏管二、热敏传感器1.热敏电阻原理：

2.特点：1)灵敏度高：－20～－150Ω/℃，比热电偶、金属电阻高很多；2)可做各种形状、体积小、热响应快；3)热敏电阻本身阻值大：100～106Ω；4)可测范围大：－200～＋1000℃；5)非线性大，对环境温度敏感。三、气敏传感器1.原理：气敏元件表面吸附气体导电率变化2.结构：气敏元件＋电极＋加热丝3.应用：有毒和可燃气体检测四、湿敏传感器1.原理：湿度吸附层水分解导电离子R2.应用：湿度测量五、固态图像传感器1.原理：光像分解小单元(像素)电信号2.结构：电荷耦合器件CCD

（chargecoupleddevice）3.应用：1)物位、尺寸、形状、工件损伤

2)光学信息处理输入环境六、集成传感器1.原理：（传感器＋后续电路）集成2.特点：1)体积小、重量轻、结构简单

2)智能传感器（具有条件调节和温度补偿能力，通信能力，自诊断能力、逻辑判断能力）§8红外测试系统一、红外辐射（红外线）1.电磁波波谱：红外线波长：0.76~1000μm近红外：0.76~2.5中：2.5~25远：25~10002.红外线的特点（1)斯蒂芬－玻耳兹曼定律：反映物体的红外线辐射功率与物体温度(2)普朗克定律：物体温度与波长关系绝对温度2000k以下的物体都会产生红外辐射，辐射的峰值点随温度降低而转向长波长。（3)不同物体对红外线有不同的吸收（衰减）能力。三、红外探测器红外辐射能电能1.热探测器：红外辐射探测元件温度变化电量热电偶型、气动型、热释电型2.光子探测器：红外辐射半导体材料光电效应电量四、红外测试应用：1.辐射温度计：红外