传感器的类型讲解

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1、第三章 传感器 3-1 传感器的概念 3-2 电阻式传感器 3-3 电容式传感器 3-4 电感式传感器 3-6 压电式传感器 第三章 传感器 传感器是人类五官的延长，又称之为电五 官； 传感器技术 通信技术 计算机技 术 五官 神经 大脑 传感器是获取自然和生产领域中信息的主 要途径与手段 ； 现代工业生产尤其是自动化生产过程中， 要用各种传感器来监视和控制生产过程中 的各个参数； 信息 技术 三大 支柱 传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发 、海洋探测、环境保护、资源探测、医学诊 断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛 的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至 各种复杂的工程系统，几乎每一个现

2、代化项 目，都离不开各种各样的传感器。 传感器是将感知到的各种信号转换成易测 量的信号，把相应的信号输入计算机，计算 机发出指令，控制各执行机构。 3-1传感器的定义 一、传感器的定义（ Transducer/Sensor ） 定义：将被测参量转换为与之对应的， 易于测量，传输和处理的信号的装置。 GB7665一87：能够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。 传感器功用：感知被测信息，并传递给 检测装置 传感器及传感技术 可从以下几个方面理解： 传感器是测量器件或装置，能完成检 测任务； 输入量为位移、压力、温度、重量等 被测量，是非电量； 输出量通常为易于传输、

3、转换、处理 、显示的电物理量（如：电压、电流、频 率、功率等），也可以是气、光等物理量 ； 输出、输入有对应关系，且应有一定 的精确程度。 1.传感器在工业检测和自动控制系统中的 应用 工业自动化、全自动、半自动生产线 （石油、化工、钢铁、铁路、机械、电力） 自动控制系统 （正确的信息检测 准确的控制） 传感器的应用领域 传感器的应用领域 2.汽车与传感器 速度、里程、发动机旋转速度、燃料剩余量 安全气囊系统、防盗装置、黑匣子 发动机气缸压力（日本丰田汽车） 3.传感器与家用电器 电子炉灶、洗碗机、遥控电视、录像机、电饭煲 微波炉（松下电器采用湿度传感器） 电冰箱（温控器控制压缩机的开关） 家

4、庭自动化（安全监视与报警、空调与照明控制 、家务劳动自动化、人身健康管理） 传感器的应用领域 4.传感器在机器人上的应用 传统机器人（臂的位置和角度传感器） 智能机器人（触觉、压觉、重量、视觉等 ） 5.传感器在医疗及人体医学上的应用 应用医学传感器（B超仪、CT、核磁共振等 ） 医疗保健产品：电子血压计、脉搏计、电子 温度计。 传感器的应用领域 6.传感器与环境保护 大气污染指数、水质污染、环境噪声等 各种环境监测仪器 7.传感器与航空航天 飞机的自动驾驶（飞行姿态、距离、航线） 恶劣环境的“盲目”着陆 空空导弹的自动跟踪 传感器的应用领域 8.传感器与遥感技术 遥感技术：从飞机、人造卫星、

5、宇宙飞 船、船舶上对远距离的广大区域的被测 物体及其状态进行大规模探测的一门技 术。 探测矿藏： 人造卫星上的红外传感器 红外线的量 通过微波 地面站 计算机分析处理 传感器的应用领域 传感器市场结构 n从市场来看, 力、 压力、 加速度、 物位、 温度 、 湿度、 水分等传感器将保持较大的需求量。 二、传感器的组成 二、传感器的组成 一般的，传感器由敏感元件、二次变换部分、辅助部分组 成。 传感器的组成 敏感元件（预变换器）:它是直接感受被测 量，并输出与被测量成确定关系的某一物理 量的元件。 二次变换部分：敏感元件的输出是转换元 件的输入，主要作用将输入转换成电参数。 J并非所有的传感器都

6、包括敏感元件和转换 元件，如热电偶！ 辅助部分：将转换元件的输出进行放大、 运算、处理等进一步转换，便于应用。 传感器的组成 气体压力传感器 1-壳体 2-膜盒 3-电感线圈 4-磁芯 5-转换电路 压力位移电感 （敏感元件） （转换元件） （测量电路） 传感器的组成 热电偶压电式加速度传感器 三、传感器的分类 传感器是知识技术密集的行业，与许多学 科有关，种类繁多，分类方法也很多。 按工作机理：物理型、化学型、生物型； 按构成原理：结构型、物性型； 结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的 ，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律 等；这类传感器的特点是传感器的工作原理是 以传感器中元件相对

7、位置变化引起场的变化为 基础，而不是以材料特性变化为基础。 传感器的分类 物性型传感器是利用物质定律构成的 ，如虎克定律、欧姆定律等。这种法 则，大多数是以物质本身的常数形式 给出。这些常数的大小，决定了传感 器的主要性能。因此，物性型传感器 的性能随材料的不同而异。 传感器的分类 按能量转换情况：能量控制型、能量转 换型； 能量控制型传感器在信息变化过程中，其能 量需要外电源供给；(无源传感器) 能量转换型传感器主要由能量变换元件构成 ，不需外加电源；(有源传感器) 传感器的分类 按测量原理分： 电参量式传感器(电阻式、电感式、电容式) 磁电式传感器(磁电感应式、霍尔式、磁栅式)； 压电式传

8、感器； 光电式传感器； 气电式传感器； 热电式传感器； 波式传感器； 射线式传感器； 半导体式传感器； 其他原理的传感器。 传感器的分类 按传感器用途分(输入量) 温度传感器 湿度传感器 压力传感器 位移传感器 转速传感器 流量传感器 火灾传感器 传感器的分类 按传感器输出信号形式可分为：模拟传 感器和数字传感器。 按输入量分类 u优点：比较明确地表达了传感器的用途，便 于使用者根据用途选用。 u缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有 何共性和差异，不便于使用者比较各种传感 器的原理异同点。 传感器的分类 按原理分类： u优点是：对传感器的工作原理比较清楚，类 别少，有利于传感器专业工作者对传

9、感器的 深入研究分析。 u缺点：不便于使用者根据用途选用。 四、传感器的命名法 由主题词加四级修饰语构成 传感器 1、被测量 2、转换原理 3、特征描述 4、主要技术指标 （量程、灵敏度、准确度 等） 例：传感器 位移 应变式 100 习惯上用反序法，也可用简称。 五、对传感器的性能要求 可靠性：指传感器在规定的使用条件和 期限内保持其准确计量性能的能力。 选择性：传感器的输出不受(少受)非被测 量（干扰）的影响。 超然性：传感器不影响被测系统原来状 态的能力。（实际有影响） 加速度传感器 3-2 电阻式传感器 受位移、压力、光热的作用 R R+R 电阻式传感器是利用电阻应变效应，将被测物 体

10、的变形转换成电阻变化，在经过转换电路变 成电量输出的传感器。 它可以测量力、压力、位移、应变、加速度、 温度等各种非电量。 现已被广泛应用于工程测量和科学实验中。 一、导电材料的电阻效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其 电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应 变效应。 设有一根长度为l、截面积为S、电 阻率为的金属丝，其电阻R为 两边取对数，得 等式两边取微分， ll 3-2 电阻式传感器 dR/R 电阻的相对变化； d/电阻率的相对变化； dl/l 金属丝长度相对变化，用表示， = dl/l ,称为金属丝长度方向上的应变或轴向 应变； dS/S 截面积的相对变化。 S= r 2d

11、S /S=2dr/r dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。 r= 由材料力学知： 3-2-1 导电材料的电阻效应 将微分dR、d改写成增量R、，则 金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间 存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏 系数。 变形 变性 3-2-1 导电材料的电阻效应 物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。 KS由两部分组成： 前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般 金属0.3，因此（1+2）1.6； 后一部分为 ，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。 对金属材料，以前者为主，则KS 1+2； 对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。

12、 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴 向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。 3-2-1 导电材料的电阻效应 3-2-2 电位计式传感器 二、电位计式传感器 电位计式传感器也称为变阻器式传感器， 它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻 的变化。根据下式 式中: 电阻率；l电阻丝长度；A电阻丝截面 积。 如果电阻丝直径和材质一定时，则电阻 值随导线长度而变化。式中电阻值的单位为。 常用电位计式传感器有直线位移型 、角位移型和非线性型等。 3-2-2 电位计式传感器 直线位移型：当被测位移变动时，触点c沿变 阻器移动。若移动x，则c点与A点之间电阻值： R=kix 传感器

13、灵敏度：S=dR/dx=ki 式中k单位长度内的电阻值。 当导线分布均匀时，ki为一常数。这时传 感器的输出(电阻)与输入(位移)成线性关系。 3-2-2 电位计式传感器 回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化 。其灵敏度 式中转角rad k单位弧度对应的电阻值。 3-2-2 电位计式传感器 非线性变阻器式传感器，或称为函数电 位器。当被测量与电刷位移x之间具有某种函数 关系时，通过它可以获得输出电阻与输入被测量 的线性关系。设r(x)为电位器任意瞬时位置（微 小区间x）内的电阻，则电阻位移为x时总电阻 值为： 如果被测量为z(x)，它是位移x的函数， 若要得到线性输出，应满足 在已知z(

14、x)的情况下，可以求得r(x) 和Rx, r(x)可以用来确定电位器的骨架形状。 3-2-2 电位计式传感器 变阻器式传感器的优点是结构简单，性能稳定 ，使用方便。 缺点是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限 制。提高分辨力需使用更细的电阻丝，其绕制较 困难。所以变阻器式传感器的分辨力很难优于 20m。 由于结构上的特点，这种传感器还有较大的噪 声。电刷和电阻元件之间接触面的变动和磨损、 尘埃附着等，都会使电刷在滑动中的接触电阻发 生不规则的变化，从而产生噪声。 变阻器式传感器被用于线位移、角位移测量， 在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计 等。 3-2-2 电位计式传感器 变阻器式传感器

15、产品 3.2 电阻式传感器 案例：重量的自动检测-配料设备 比较 重量设定 原材料 3.2 电阻式传感器 原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻 案例：煤气包储量检测 煤气包 钢丝 3.2 电阻式传感器 原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻 案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ） 3.2 电阻式传感器 原理：电机-转角 -电位器 -电阻 3.2 电阻式传感器 案例：振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。 3.2 电阻式传感器 三、电阻应变片 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变 片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。 金属应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换 为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘 贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在 弹性元件上，弹性元件的变形引起应变敏感元件 的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电 量变化的大小反映了被测物理量的大小。 3-2 电阻式传感器 3-2-3 电阻应变片 1、丝式应变片 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘 结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影 响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要 求合理地加以选择。 2 3 4 1 b l 栅长 栅宽