第三章传感器原理

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1、第三章 第三章 传感器原理 传感器原理 学习要求 学习要求 学习指导学习指导 传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节。完成 本章内容的学习后应能做到： 1）了解传感器的分类方法 2）掌握电阻传感器、电感传感器、电容传感器工作原理 3）掌握磁电式传感器工作原理 4）了解压电式传感器等其它传感器的工作原理。 5）了解传感器的最新发展动态 本章重点本章重点 让学生掌握从外界物理信号到传感器敏感元件,再到电信号这 一传感器的基本工作原理。重点掌握电阻、电感、电容、磁电四类 常见传感器的工作原理。 本章难点本章难点： 本章传感器种类较多，虽然工作原理不近相同，但随着学生学过 的传感器种类的增多

2、，学生学习兴趣会递减，因此在后续传感器介 绍中如何吸引学生注意力是一个难点。另外，如何将传感器理论联 系实际，培养学生的动手能力也是本章教学的一个难点。知识点一 知识点一 概述概述 一、传感器的作用 用机械代替体力劳动是第一次产业革命，在那次革命中，火车、 汽车取代了人力车，各种动力机械取代了繁重的体力劳动。而用机械 和电子装置来代替部分脑力劳动，可以说是第二次或第三次产业革 命，这也是当前科学技术发展的重要课题之一。在这一课题中，传感 器的研究是一个不可忽视的内容。 人通过感官来接收外界的信号，并将所接收的信号送人大脑，进 行分析处理后获取有用的信息。 对现有的或者正在发展中的机械电子 装置

3、来说，电子计算机（即常称电脑）相当于人的大脑，而相应于人 的感官部分的装置就是传感器。所以说，传感器是人类感官的扩展和 延伸， 借助传感器， 人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。 例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高 空探测地球上的植被和污染情况汇报等等。在自动控制领域中，自动 化程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大，因此，传感器对控 制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息， 并按一定的规律 将所获取的信息转换成另一种信息的装置。 它获取的信息可以为各种 物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目

4、前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。 一般也称传感器为变换 器、换能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配套的测量电 路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。在一 个自动化系统中，首先要能检测到信息，才能去进行自动控制，因此 传感器是首当其冲的装置。 二、传感器的组成 传感器一般由敏感器件与其他辅助器件组成。 敏感器件是传感器 的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换 输出。如应变式压力传感器的弹性膜片是敏感元件，它的作用是将压 力转换为弹性膜片的形变， 并将弹性膜片的形变转换为电阻的变化而

5、 输出。一般把信号调理与转换电路归为辅助器件， 它们是一些能把敏感 器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装 置。 随着集成电路制造技术的发展， 现在已经能把一些处理电路和传 感器集成在一起，构成集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处 理器相结合，装在一个检测器中形成一种新型的“智能传感器”。它 将具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚 至具有一定的辨认、 识别、 判断的功能。这种集成化、 智能化的发展， 无疑对现代工业技术的发展将发挥重要的作用。三、传感器的分类 传感器的种类繁多。在工程测试中，一种物理量可以用不同类型 的传感器来检测；而同一种类型的

6、传感器也可测量不同的物理量。 传感器的分类方法很多，概括起来，主要有下面几种分类方法。 （1）按被测物理量来分类，可分为位移传感器、速度传感器、 加速度传感器、力传感器、温度传感器等。 （2）按传感器工作的物理原理来分类，可分为机械式、电气式、 辐射式、流体式等。 （3）按信号变换特征来分类，可分为物性型和结构型。所谓物 性型传感器， 是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的 检测。例如，用水银温度计测温，是利用了水银的热胀冷缩的现象； 用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力 计测力，是利用了石英晶体的压电效应等。 所谓结构型传感器， 则是通过传感器本身结构参数的

7、变化来实现 信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引 起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或 互感的变化等。 （4）按传感器与被测量之间的关系来分类，可分为能量转换型 和能量控制型。能量转换型传感器 （或称无源传感器），是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为 电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量， 容易造成测量误差。 （5）另外，按传感器输出量的性质可分为模拟式和数字式两种， 前者的输出量为连续变化的模拟量，而后者的输出量为数字量。由于 计算机在工程测试中的应用， 数字式传感器是很有发展前途的。 当然

8、， 模拟量也可以通过模-数转换变为数字量。 四、传感器的发展动向 当今，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，重点研 究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。 （1）用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传 感器，这是传感器技术的重要基础工作。例如，利用某些材料的化学 反应制成的能识别气体的“电子鼻”； 利用超导技术研制成功的高温 超导磁传感器等。 （2）传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。工业自动 化程度越高，对机械制造精度和装配精度要求就越高，相应地测量程 度要求也就越高。因此，当今在传感器制造上很重视发展微机械加工 技术。微机械加工技术除全面继承氧化、光刻

9、、扩散、沉积等微电子 技术外，还发展了平面电子工艺技术，各项异性腐蚀、固相键合工艺 和机械分断技术。（3）发展智能型传感器。智能型传感器是一种带有微处理器并 兼有检测和信息处理功能的传感器。 智能型传感器被称为第四代传感 器，使传感器具备感觉、辨别、判断、自诊断等功能，是传感器的发 展方向。 实践证明， 传感器技术与计算机技术在现代科学技术的发展中有 着密切的关系。目前，计算机在很多方面已具有大脑的思维功能，甚 至在有些方面的功能己超过了大脑。与此相比，传感器就显得比较落 后。也就是说，现代科学技术在某些方面因电子计算机技术与传感器 技术未能取得协调发展而面临着许多问题。正因为如此，世界上许多

10、 国家都在努力研究各种新型传感器，改进传统的传感器。开发和利用 各种新型传感器已成为当前发展科学技术的重要课题。 基于上述开发 新型传感器的紧迫性，目前国际上凡出现一种新材料、新元件或新工 艺，就会很快地应用于传感器，并研制出一种新的传感器。例如，半 导体材料与工艺的发展，出现了一批能测很多参数的半导体传感器； 大规模集成电路的设计成功，发展了有测量、运算、补偿功能的智能 传感器；生物技术的发展，出现了利用生物功能的生物传感器。这说 明各个学科技术的发展，促进了传感器技术的不断发展；而各种新型 传感器的问世，又不断为各个部门的科学技术服务，促使现代科学技 术进步。它们是相互依存、相互促进的。

11、在我国近 20 年来，传感器虽然有了较快的发展，有不少传感器 走上市场，但大多数只能用于测量常用的参数、常用的量程、中等的精度，远远满足不了四个现代化建设的要求。而与国际水平相比，我 国的传感器不论在品种、数量、 质量等方面， 都有较大的差距。为此， 努力开发各种新型传感器，以满足我国四化建设的需要，是摆在我国 科技工作者面前的紧迫任务。 知识点二 知识点二 电阻式传感器电阻式传感器 一、变阻器式传感器 （1）变阻器式传感器工作原理 变阻器式传感器也称电位器式传感器， 其工作原理是将物体的位 移转换为电阻的变化。根据式 （3.2-1） 式中 电位器的电阻灵敏度。 相应电刷位移 x 的电压输出

12、U0 为 （3.2-2） 式中 电位器的电压灵敏度。 当电阻丝直径与材质一定时，则电阻 R 随导线长度 l 而变化。常 用电位器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如下图所 示。图 3.2-1 （2）变阻式传感器的优缺点 变阻式传感器的优点是：（1）结构简单、尺寸小、重量轻、价 格低廉且性能稳定；（2）受环境因素（如温度、湿度、电磁场干扰 等）影响小；（3）可以实现输出输入间任意函数关系；（4）输出 信号大，一般不需放大。它的缺点是：因为存在电刷与线圈或电阻膜 之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和 降低可靠性， 而且会降低测量精度， 所以分辨力较低； 动态响应较

13、差， 适合于测量变化较缓慢的量。 （3）变阻式传感器的应用 变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。 下图是用变阻式传感器制作的位移传感器的结构图。 被测位移使 测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移， 从而改变电位器的输出电阻。 精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥 臂，构成电桥测量电路。图 3.2-2 二、电阻应变式传感器 （1）应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器简称电阻应变计，它是用高电阻率的细金属 丝，绕成如下图所示的栅状敏感元件 1，用粘结剂牢固地粘在基底 2、 4 之间，敏感元件两端焊上较粗的引线 3。当将电阻应变计用特殊胶 剂粘在被测构件的表面上时

14、，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻 值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进 而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。 通过应变计在构件 上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得应力、变形、扭矩等 机械参数。 三、固态压阻式传感器 （1）工作原理半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称 为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导 体材料的这种效应特别强。 电阻应变效应的分析公式也适用于半导体 电阻材料，故仍可用式（3.2-8）来表达。对于金属材料来说， 比 较小，但对于半导体材料， ，即因机械变形引起的电阻 变化可以忽略，电阻的变化

15、率主要是由 引起的，即 （3.2-11） 由半导体理论可知 （3.2-12） 式中 L沿某晶向 L 的压阻系数； 沿某晶向 L 的应力； E半导体材料的弹性模量。 半导体材料的灵敏系数 K0 为 （3.2-13） 例如半导体硅， =（4080）10-11m2/N，=1.671011Pa， 则 50100。半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高 5070 倍。最常用的半导体电阻材料有硅和锗， 掺入杂质可形成 P 型或 N 型 半导体。由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻效 应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关（即对晶体 的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同）。

16、（2）压阻式传感器的特点 压阻式传感器优点是：灵敏度非常高，有时传感器的输出不需 放大可直接用于测量； 分辨率高， 例如测量压力时可测出 1020Pa 的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测 量低频加速度和直线加速度。其最大的缺点是温度误差大，故需温度 补偿或恒温条件下使用。 （3）固态压阻式传感器的应用 固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。 利用压阻效应构成的半导体加速度敏感元件如下图所示。 悬臂梁 3 由于加速度而产生位移，该位移引起扩散压阻层区域变形从而引起 压阻层电阻变化，检测出电阻变化即可检测出加速度大小。在 100Hz 左右的带宽中，可检测（0.00150）g（9.8m/s 2 ）的加速度。图 3.2-7 下图是一个采用单晶硅做成的悬臂梁式弹性元件， 采用平面扩散 工艺技术，在它上面形成四个性能一致的电阻，构成全桥；在梁的自 由段连接敏感质量块，组成悬臂梁应变式加速度传感器。 图 3.2-8图 3.2-3 金属电阻应变片的工作原理，是基于金属导体的应变效应，即金 属导体在外力作用下发生机械变