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1、第2章 常 用 传 感 器,2.1 概述 2.2 能量控制型传感器 2.3 能量转换型传感器 2.4 磁敏传感器 2.5 光敏传感器 2.6 湿、气敏传感器 2.7 其它传感器,2.1 概 述,能够把特定的被测量信息（物理量、 化学量、 生物量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、 光信号等）的器件或装置称为传感器。 传感器是生物体感官的工程模拟物； 反过来， 生物体的感官又可以看作是天然的传感器。,按输出信号的性质不同，传感器可分为开关型（二值型）传感器、数字型传感器、模拟型传感器等。 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成， 如图2.1所示。其中，敏感元件是传感器中能感受或响
2、应被测量的部分；转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量 转换成适于传输或测量的信号(一般指电信号)部分；基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。 此外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的基本转换电路可安装在传感器壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上，构成集成传感器（如ADI公司生产的AD22100型模拟集成温度传感器）。,图2.1 传感器的组成,传感器的正确选用是保证不失真测量的首要环节， 因此在选用传感器之前，对传感器的基本特性做些了解是必要的。 (1) 灵敏度: 是指传感器输出量的变化量与输入量的变化量之比。一般情况下，灵
3、敏度越高越好。 (2) 线性度: 传感器的输出信号与输入信号之间成比例关系，即线性度好。这样才能避免或减小线性度误差。,(3) 重复性: 是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度的指标。所得结果分散范围越小，重复性越好。 (4) 稳定性: 是指在相同条件且相当长时间内，其输入特性和输出特性不发生变化的能力。影响传感器稳定性的因素是时间和环境。 (5) 精确度: 表示传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度， 是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。,(6) 动态特性: 反映传感器对于随时间变化的动态量的响应特性。当被测量是一随时间而变化的动态信号时，
4、就必须考虑其输出能否跟得上输入信号的变化，它会产生多大的动态误差。因此要求传感器能够迅速地、精确地跟踪输入信号，并具有相应的输出。 (7) 环境参数:主要是指传感器允许使用的工作温度范围及湿度环境压力、环境振动和冲击等引起环境压力误差、环境振动误差和冲击误差等。,2.2 能量控制型传感器,2.2.1 电阻式传感器 1. 电阻式传感器的工作原理 对于长度、截面积一定的金属丝，其阻值R可用下式表示,式中: L电阻丝的长度； A电阻丝的截面积； 电阻丝的电阻率， 取决于导体材料的性质。,2. 电阻应变式传感器 电阻应变片简称应变片，是利用金属的电阻应变效应将被测机械量转换成电阻变化，常用来测量构件的
5、受力情况和机械变形等。 1） 金属的电阻应变效应 金属电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值也将发生变化，这种现象称为电阻应变效应。 对式(2.1)全微分，并用相对变化量来表示，则,(2.2),式中的L/L=代表电阻丝的轴向相对伸长，称为应变， 是一个无量纲的量。A是因电阻丝受轴向力作用引起的截面变化量，设电阻丝原来半径为r，径向应变为r/r， 由材料力学可知r/r=-(L)/L=-，式中为电阻丝材料的泊桑系数。电阻丝截面积的变化,故,(2.3),将式(2.3)代入式(2.2)中得,(2.4),或,(2.5),式(2.5)的物理意义为单位应变引起电阻丝的电阻变化率，称为电阻丝的灵敏系数，用
6、S0表示，即,(2.6),由式(2.6)可知，S0的大小受两个因素影响：1+2为电阻丝受力后几何尺寸的变化；（/）/为材料的电阻率相对变化。对于金属而言，以前者为主；而对于半导体材料，S0值主要由电阻率相对变化所决定。S0值只能由实验来确定。 另外，式(2.6)还表明S0是个常数，即应变与电阻变化率呈线性关系。,2） 金属应变片的基本结构及类型 金属应变片的结构如图2.2所示。实际使用的电阻应变片都是将金属导体(丝或箔片)在绝缘基底上制成栅状，称为敏感栅。敏感栅的两端焊接有引线，敏感栅的上面有保护的覆盖层。 按敏感栅的结构形式，金属应变片可分为以下几种。 (1) 丝绕式应变片：其结构如图2.2
7、所示。它的敏感栅由康铜等高阻值的金属丝制成。这种应变片的制造技术和设备都较简单，价格低廉，多用纸作基底，粘贴方便，一般多用在短期的室内试验中。其缺点是其端部弧形段会产生横向效应。,图2.2 金属应变片的结构,(2) 短接丝式应变片： 其结构如图2.3(a)所示。它的敏感栅也是用康铜等金属丝制成，但敏感栅各线段间的横接线是采用截面积较大的铜导线，电阻很小，因而可减小横向效应。但是由于敏感栅上焊点较多，因而疲劳性能差，不适于长期的动应力测量。,(3) 箔式应变片：其结构如图2.3(b)所示。它的敏感栅是由很薄的康铜、镍铬合金等箔片通过光刻腐蚀而制成，采用胶膜基底。其横向效应小，敏感栅比较容易制成不
8、同的形状， 散热条件好，受交变载荷时疲劳寿命长，长时间测量时蠕变小。由于箔式应变片的这些优点，因而应用比较广泛，目前，在常温条件下，已逐步取代了金属丝式应变片。 图2.3(c)和2.3(d)所示的金属箔式应变片分别用于扭矩和流体压力测量，也称作应变花。 其优点是敏感栅的形状与弹性元件上的应力分布相适应。,图2.3 金属应变片的类型 (a) 短接丝式应变片; (b) 箔式应变片 (c) 用于扭矩测量的箔式应变片; (d) 用于流体压力测量的箔式应变片,3） 金属应变片的主要特性参数 (1) 几何尺寸：应变片敏感栅的尺寸bl(见图2.2)反映了应变片的有效工作面积。 基宽b是在应变片轴线相垂直的方
9、向上敏感栅最外侧之间的距离，一般在10mm以下。基长l则表示应变片的敏感栅在纵轴方向的长度，通常为230 mm。 (2) 电阻值: 应变片电阻值是指应变片没有粘贴、也不受力时，在室温下测定的电阻值。目前应变片的电阻值（名义阻值）也有一个系列，如60、120、350、600、1000等，其中以120最为常用。实际使用的应变片的阻值相对于名义阻值均可能存在一些偏差，因此使用前要进行测量分选。,(3) 最大工作电流: 是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。当应变片接入测量电路后，在敏感栅中要流过一定的电流，此电流使得应变片温度上升，从而影响测量精度，甚至烧毁应变片。 通常在静态测量时，允
10、许电流一般规定为25 mA，动态测量时可达75100 mA，箔式应变片则可更大些。,(4) 灵敏系数： 将金属电阻丝做成应变片后，由于横向效应以及粘贴剂传递变形中的损失，应变片的灵敏系数S与金属丝的灵敏系数S0不同，因而必须用实验的方法重新测定灵敏系数S。应变片灵敏系数的测量是在一个加载后能产生已知应变的专用装置上进行的，因应变片粘贴到试件上就不能取下再用，所以只能在每批产品中按规定进行抽样测定，并在应变片包装上说明这批产品由抽样测得的灵敏系数S的平均值，同时指出其正、负偏差。 这样，对于金属应变片，电阻变化率与应变之间的关系可以用下式表示：,(2.7),4） 金属应变片的温度误差 在采用应变
11、片进行应变测量时，希望它的阻值变化只与应变有关，而不受其它因素的影响，但实际上并非如此。例如， 环境温度的变化就会引起应变片的电阻值发生变化。 因温度变化导致电阻变化的主要原因有： (1) 敏感栅材料电阻温度系数的影响。 在温度变化时，敏感栅的电阻丝阻值随温度变化而变化， 其相对电阻增量为,(2.8),式中: 应变片敏感栅的电阻温度系数，指温度变化1时电阻的相对变化； t环境温度的变化量。,(2) 试件材料和敏感栅材料线膨胀系数的影响。 当两者线膨胀系数不一致时，环境温度变化会使敏感栅产生附加变形，其电阻值也会改变。其相对电阻增量为,(2.9),式中: S应变片的灵敏系数； 1、2分别为试件和
12、敏感栅材料的线膨胀系数。,因此，由温度变化引起的总的相对电阻增量为,即使在常温下测量，因环境温度很难保持恒定，所以必须采取一定的措施减小或消除温度变化的影响，称之为温度补偿。常用的温度补偿方法有三种：第一种是桥路补偿法，主要是通过贴片和接桥方法消除温度的影响，补偿原理和方法将在第4章中详细介绍；第二种是应变片的自补偿，它是从电阻应变片的敏感栅材料及制造工艺上采取措施，使应变片在一定的温度范围内满足+S(1-2)=0的关系；第三种方法是热敏电阻法，利用热敏电阻的特性和选择合适的分流电阻达到温度补偿的目的。,5） 应变式传感器应用举例 (1) 应变式力传感器: 在测力传感器中有一个弹性元件，利用它
13、可把被测力的变化转换成应变量的变化。由于弹性元件上粘贴有应变片， 因而可把应变量的变化转换成应变片电阻的变化。,作为测力传感器的弹性元件，其形式多种多样，常见的有柱形、环形、梁形、轮辐形等，如图2.4所示。柱形弹性元件(见图2.4(a)结构简单紧凑，可承受很大的载荷，常用于大的拉压力及荷重的测量，最大载荷可达107N。环形弹性元件(见图2.4(b)应力分布变化大，有正有负，可以选择有利部位粘贴应变片，便于接成差动电桥，以得到较高的灵敏度。悬臂梁形弹性元件(见图2.4(c)结构简单，应变片粘贴容易，灵敏度也较高，适用于测量小载荷。双孔梁(见图2.4(d)和 “S” 形弹性元件(见图2.4(e)利
14、用弹性体的弯曲变形，采用对称贴片组桥方案，可以减小力点位置的影响，提高测量精度，广泛用于小量程工业电子秤和商业电子秤。图2.4(f)为轮辐形弹性元件， 应变片粘贴在轮辐的侧面，通过测量轮辐上的剪应力来测量载荷，具有精度高、抗偏载能力强、高度低、承载能力大的特点， 多用于大规格的荷重传感器。,图2.4 应变式测力传感器的弹性元件 (a) 柱形弹性元件; (b) 环形弹性元件; (c) 悬臂梁形弹性元件; (d) 双孔梁弹性元件; (e) “S” 形弹性元件; (f) 轮辐形弹性元件,(2) 应变式压力传感器: 主要用于测量液体、气体的压力，也可直接将图2.3(d)所示的应变片粘贴在弹性膜片上。
15、图2.5所示为组合式压力传感器结构。,图2.5 组合压力传感器,(3) 应变式加速度传感器: 通常由悬臂梁、质量块和壳体组成，如图2.6所示。质量块固定在悬臂梁的一端， 梁的上下表面粘贴有应变片。测量时将传感器的壳体与被测对象刚性连接，在一定的频率范围内， 质量块产生的加速度与被测加速度相等，因而作用于悬臂梁上的惯性力亦与被测加速度成正比。 应变式加速度传感器常用于低频振动测量。,图2.6 应变式加速度传感器,(4) 应变式扭矩传感器： 扭矩传感器采用实心圆柱或空心圆柱形式的弹性元件。 其应变片按45方向粘贴在圆柱外表面上，通常贴4片组成全桥，这样既可以提高灵敏度，又可以消除弯曲产生的影响。但
16、是，由于传动轴是转动的，因而不能直接从应变片引出信号，可采用电刷式集流环(见图2.7)、水银槽式集流环将应变信号由旋转轴引到静止的导线和仪器上。也可以采用非接触式测量方法(如感应式或遥测式)。,图2.7 应变式扭矩传感器,3. 压阻式传感器 1） 基本工作原理 压阻式传感器是利用半导体的压阻效应制成的。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。 由式(2.6)分析可知，当半导体受到外力时，电阻的变化率主要由/引起，即,(2.12),根据半导体电阻理论可知,(2.13),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。,则半导体材料的灵敏系数,(2.14),如半导体硅，L=(4080)10-11m2/N，E=1.671011，则S=LE=70140。显然半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝
