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1、本章学习要求,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.了解传感器的的作用与工业应用情况 2.了解传感器的分类 3.了解传感器的最新发展动态,返回,第四章 信息的转换传感技术,4.1 概述 4.2 电阻式传感器 4.3 电感式传感器 4.4 电容式传感器 4.5 压电式传感器 4.6 磁电式传感器 4.7 半导体元件传感器 4.8 其他类型传感器 4.9 传感器选用原则,4.1 概述,4.1.1 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
2、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。,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。,4.1.2 传感器的组成,传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组
3、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。 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。,4.1.3 传感器的分类
4、,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
5、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) 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
6、工程测试中的应用，数字式传感器是很有发展前途的。当然，模拟量也可以通过模-数转换变为数字量。,4.1.4 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
7、加工技术。微机械加工技术除全面继承氧化、光刻、扩散、沉积等微电子技术外，还发展了平面电子工艺技术，各向异性腐蚀、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。,4.2 电阻式传感器,学习要求,完成本节内容的学习后应能做到： 1.掌握电阻式传感器的工作原理 2.了解电阻式传感器的结构、分类 3.掌握变阻器式传感器、电阻应变式传感器、固态压阻式传感器在结构和工作原理的相同点和不同点 4.了解电阻式传感器的应用,电阻式传感器的基本原
8、理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化。按其工作原理可分为变阻器式(电位器式)、电阻应变式和固态压阻式传感器三种。,4.2.1 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,式中 电位器的电阻灵敏度。 相应电刷位移x的电压输出U0为,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,(2) 变阻式传感器的优缺点,优点：(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
9、关系；(4)输出信号大，一般不需放大。 缺点：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。,4.2.2 电阻应变式传感器,(1) 应变式传感器的工作原理,当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的
10、表面上时，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。,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形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。 若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为，其未受力时的电阻为R，则,式中R金属丝的电阻值，； 金属丝的电阻率，mm2/m； L金属丝的长度，m； S金属丝的截面积，mm2。,如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，
11、其长度L变化dL，截面积S变化dS，电阻率变化，因而引起电阻R变化dR。将式微分，整理可得,对于圆形截面有,为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；,为电阻丝径向相对伸长，即径向应变，,两者之比即为金属丝材料的泊松系数，负号表示符号相反，有,整理得,K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。,金属材料的灵敏系数受两个因素影响： 一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即,另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即,对于金属材料 比 小得多。,大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数。 K0=1+2=常数 通常金属电阻
12、丝的K0=1.73.6。,(2) 应变计的主要参数,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,(3) 金属电阻应变片,金属丝电阻应变片,采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点。,金属箔式应变片,(4) 电阻应变式传感器应用,电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面。 1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，为
13、了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。,2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。应变片的典型应用见下图。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生
14、弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。,4.2.3 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，故仍可用上式来表达。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，电阻的变化率主要是由 引起的，即,由半导体理论可知,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,例如半导体硅，L=(4080)
15、10-11m2/N，E=1.671011Pa，则K0=LE50100。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)。,(2) 压阻式传感器的特点,优点：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。 缺点：温度误差大，故需温度补偿或恒温条件
16、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/s2)的加速度。,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。,4.3 电感式传感器,学习要求,完成本节内容的学习后应能做到： 1.了解电感式传感器的工作原理 2.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的特点
