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1、1第三章 常用传感器与敏感元件21. 传感器（sensor/transducer）定义工程测量中通常把直接作用于（感知）被测量，并 能按一定方式/一定规律将其转换成同种或别种量值输出 的器件。物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号（如电压、 电流）或者电的参数信号（如电阻、电容、电感等）。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。32. 传感器的构成传感器由敏感器件/元件与辅助器件组成。敏感 元件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换 输出。dV辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放 大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 Return43.1 常用传感器分类
2、1)按被测物理量常见的被测物理量位移 力 温度 噪声位移传感器 力传感器 温度传感器2)按传感器工作原理机械式,电气式,光学式,流体式等.53.1 常用传感器分类3)按信号变换特征: 物性型传感器和结构型传感器物性型传感器:依靠敏感元件材料本身物 理性质的变化来实现信号 的变换。如水银温度计； 压电传感器。 结构型传感器:是依靠传感器结构参数的 变化（如形状、尺寸等） 而实现信号转换。例如， 电容式传感器。 63.1 常用传感器分类能量转换型和能量控制型能量转换型:又称无源传感器。直接由被测对象输入 能量使其工作。二者存在能量交换。例 如:热电偶温度计 能量控制型:又称有源传感器。从外部供给能
3、量使传 感器工作，并且由被测量来控制外部供 给能量的变换。例如:电阻温度计4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:73.2 机械式传感器及仪器工作原理:以弹性体作为传感器的敏感元件。弹性元件利用其弹 性变形范围内能感受力、压力、力矩等产生弹性变 形在外力消失后又可恢复原状的性能，把各种形式 的非电量转变为应变量或位移量，然后再经过一定 的变换或检测方式转化为电量。Eg.弹簧弹性元件具有的现象：1蠕变：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性 变形的现象。2.弹性后效：是指加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加 （或减小）到一定数值的现象。 弹性材料的这些现象会影响输入输出的线性关系，因此
4、，应用 弹性元件时，应从结构设计、材料选择等方面采取有效措施。83.2 机械式传感器及仪器93.2 机械式传感器及仪器103.3 电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器基本原理：就是将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经过转 换电路变成电信号输出。 分类：按工作原理可分为变阻器式、电阻应变式 1 变阻器式传感器/电位计式传感器/可调电位器工作原理：通过改变电位器触头位置，实现将位 移转化为电阻R的变化。113.3 电阻、电容与电感式传感器直线位移型C、A间：灵敏度S：灵敏度S ：k1单位长度的电阻值角位移型C、A间：a电刷转角 ka单位弧度对应的电阻值123.3 电阻、电容与电感式传感器按制
5、作方式：线绕电位器导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉133.3 电阻、电容与电感式传感器变阻器式传感器后接电路 ：其中，Rp变阻器的总电阻；xp变阻器的总长度；RL后接电路的输入电阻 知识链接当Rp/RL趋于零时，输出电压Uo才与位移x成线性关系。 所以，后接电路的输入电阻要远远大于变阻器的总电阻Rp。 当Rp/RLCa+Cc+Ci时，有在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正 比，而与电缆的分布电容无关，输出灵敏度取决于反馈电容。953.4 磁电、压电与热电式传感器压电元件一般由两块压电片组成，在压电片 的两表面上镀有银层，并在银层上焊有引出 线，或在两压电片间夹一片金属薄片
6、，引出 线焊在薄片上，输出端另一根引出线直接与 基座相连。在压电片上放一个质量块，一般 用比重大的金属钨或合金做成，在保证所需 质量前提下应使体积尽量小。为了消除压电 元件和质量块间的接触不良而引起的非线性 误差及保证传感器在交变力作用下能正常工 作，要用硬弹簧对压电元件施加预压负荷。 静态预压负荷大小应远大于传感器在振动、 冲击测试中可能承受的最大动应力。这样， 当传感器向上运动时，质量块产生的惯性力 使压电元件上的压应力增加；反之，当传感 器向下运动时，压电元件上的压应力减小。 传感器的整个组件装在一个厚基座上，并用 金属壳封罩。当质量M一定时，压电晶体上产生的电荷 q与加速度a成正比。9
7、63.4 磁电、压电与热电式传感器973.4 磁电、压电与热电式传感器热电式传感器是把被测量（主要是温度）转换为电 量变化的一种装置。其变换基于金属的热电效应。按照 变换方式可分为热电偶与热电阻传感器。三、热电式传感器（1）热电偶及其工作原理热电效应：把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路 ，如把两个接点分别置于温度为T及T0（假设TT0）的热 源中，则回路中就会产生热电动势。TT0热电偶传感器：将温度转化为热电动势变化的装置。983.4 磁电、压电与热电式传感器三、热电式传感器热电偶TT0热电动势=温差电动势+接触电动势温差电动势：同一导体的两端因温度不同而产生的一种热 电动势。接触电动势：
8、导体中存在大量的自由电子，材料不同，自由 电子的浓度也不同。当两种不同的导体AB接在一起时，在接 触处就会发生自由电子扩散。在接触处就形成了电位差。u热电偶及其工作原理：99当保持冷端温度T0不变时，总热电动势仅仅成为温度T的函 数，即 总电动势： 3.4 磁电、压电与热电式传感器三、热电式传感器热电偶当热电偶材料一定时，热电偶的总热电动势成为温度T和T0的 函数差，即其中，EAB( T )为在热端由两种因素综合作用形成的电动势；EAB(T0)为在冷端由两种因素综合作用形成的电动势。可见，只要保持热电偶冷端温度不变，而将另一端放入被测 温度场中，就可以通过测量热电动势来确定温度的值。1003.
9、4 磁电、压电与热电式传感器中间导体定律在热电偶回路中插入第三种材料的导线，只要第三种 导线（匀质）的两端温度相同，则无论插入导线的温度分 布如何，都不会影响热电偶热电动势的大小。三、热电式传感器热电偶标准电极定律如果两种导体（A、B）分别与第三种导体C组合成热 电偶的热电动势已知，则由这两种导体（A、B）组合成热 电偶的热电动势也就已知，即EAB(T1,T2)=EAC(T1,T2)+ECB (T1,T2)标准电极（铂）利用该定律，可以方便地从几个热电极与标准电极组成热电偶时 所产生的热电动势，求出这些热电极彼此任意组合时的热电动势。三、热电式传感器u热电偶结构应用：热处理高温炉；摩擦磨损实验
10、台3.4 磁电、压电与热电式传感器1023.4 磁电、压电与热电式传感器三、热电式传感器热电偶（2）热电偶材料及其分类 a.铂铑铂热电偶。正极为铂铑合金丝，负极 为铂丝。 b.镍铬镍硅热电偶。正极为镍铬合金，负极 为镍硅合金。 c.镍铬考/康铜热电偶。正极为镍铬合金， 负极为考铜（铜、镍合金冶炼而成）。 d.铂铑30铂铑6热电偶。正极为铂铑合金（ 其中70铂，30铑），负极为铂铑合金（ 其中94铂，6铑）。 1033.5 光电传感器一、光电测量原理光电传感器的工作基础是光电效应。 光电效应：每个光子具有能量hg。用光照射某一物体 时，即为光子与物体的能量交换过程，这一过程中产生的 电效应即为光
11、电效应。光电效应按其工作原理又分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。光电传感器：是将光信号转换成电信号的传感器。其他非电量 光信号 电信号1043.5 光电传感器1.外光电效应在光的照射下，物体内的电子从物体表面逸出的现象。电磁能（光子）动能（光电子）其中， g光的频率；m电子质量；v电子逸出速度； A物体的逸出功hg=1/2mv2+A光电效应方程：逸出条件1053.5 光电传感器光电子逸出表面的必要条件是hgA，才能产生光电子。 因此，对于每一种光电阴极材料，都有一个确定的光频率 阈值。当入射光频率低于该值时，无论入射光的强度多大 ，均不能引起光电子发射。反之，入射光频率高于阈值频 率，
12、即使光强很小，也会有光电子发射。 红限：对应阈值频率的波长l0，称为某光电器件或光电阴极 的红限。入射光的频率成分不变时，单位时间内发射的光电 子数与入射光光强成正比。对于外光电效应器件来说，只要光照射在阴极上，即使阴 极电压为零，也会产生光电流，因为光电子逸出物体表 面时具有初始动能。要使光电流为零，必须在阳极上施 加一反向截止电压，大小等于光电子逸出的动能。1063.5 光电传感器外光电效应器件/元件（1）光电管金属底层光电阴极光电管光透明阴极光电管阳极阴极1073.5 光电传感器外光电效应器件/元件第一倍增极第三倍增极阳极第二倍增极第四倍增极阴极入射光材料特点：有电 子轰击下能反射 更多
13、的电子（2）光电倍增管108一、光电测量原理3.5 光电传感器2.内光电效应在光的照射下，物体的导电性能（如电阻率）发生改变的现象。又叫光导效应。Reason: 物体内部的原子吸收光能量，获得能量的电子摆脱原子束缚成为物体内部的自由电子，从而使物体的导电性能发生改变。109内光电效应器件/元件 光敏电阻/光导管一、光电测量原理3.5 光电传感器2.内光电效应某些半导体材料（硫化镉、硒化镉） 受到光照时会产生电子空穴对，使 其导电性能增强。光线越强，阻值越低 。光敏电阻没有极性。 主要特征参数： 亮电阻(n2117q23.6 光纤传感器二、光纤导光原理光纤结构n1n2sin-1NA 时，光线进入
14、芯子后会折射到包层而最终消失。光纤的数值孔 径越大，表明在越大的入射角范围内入射的光线均可在光纤的 芯子-包层界面实现全反射。 作为传感器的光纤，一般采用0.2NA0.41193.6 光纤传感器三、光纤传感器的应用1.光纤液位计2.光纤压力传感器 3.光纤流速传感器1203.6 光纤传感器三、光纤传感器的应用4.光纤位移传感器发送光纤和接收光纤 端面相对，其间隔为1- 2mm。接收光纤收到的 光强随两光纤相对位置 不同而变化。此种传感 器可应用于声压和水压 的探测。1213.6 光纤传感器三、光纤传感器的应用5.光纤位移传感器反射式光纤位移传感器。发送光纤射 出的光波在被测表面上反射到接收光纤
15、 。接收光纤所接收的光强随被测表面与 光纤端面之间的距离而变化。在距离较 小的范围内，接收光强随距离的增大而 较快增加，此时灵敏度高；在距离超过 某一定值后，接收光强随距离的增大而 减小，此时灵敏度较低。1223.6 光纤传感器三、光纤传感器的应用6.光纤位移传感器当光纤探头端部紧贴被 测表面时，发射光纤中的 光不能反射到接收光纤中 去，因而无光电流信号； 随着被测表面逐渐远离探 头，发射光纤照亮被测表 面的面积A越来越大，相应 的发射光锥和接收光锥重 合的面积B1越来越大，故 接收光纤端面上被照亮的 区域B2也越来越大，输出 光电流也随之增加。在一 定范围内输出光电流与位 移成正比。1233
16、.6 光纤传感器光纤传感器与电类传感器对比电类传感器光纤传感器电 量电量检测电 缆电类传感器被 测 参 量光 源光量检测光 纤光纤传感器被 测 参 量1243.7 半导体传感器一、磁敏传感器 1.霍尔元件：组成材料：砷化铟（InAs）、锑化铟（InSb）、锗（Ge）、 砷化镓（GaAs）等高电阻率半导体材料。霍尔效应：将霍尔元件（霍尔板） 置于一磁场中，板厚一般远小于板宽 和板长，当在板长度方向（ab方向） 通以电流i时，则在板的侧向（宽度方 向cd）会产生电位差。称为霍尔电动 势VH。 霍尔元件利用半导体的磁敏特性，一种半导体磁电转换元件工作原理：基于霍尔效应半导体材料特性：对光、热、力、磁、气体、湿度等物理量敏感。 非电量转换成电量的转换元件。1253.7 半导体传感器霍尔电动势：其中， kB 霍尔常数i 电流强度 B磁感应强度 a电流与磁场方向夹角
