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1、第三章传感器及敏感元件教学目的：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理及应用3.了解常用传感器测量电路教学重点：电阻、电容、电感式、磁电、压电、热电式、光电、光纤与半导体传感器的结构及工作原理教学方法：讲授法、实验法1.传感器定义传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。2.传感器的构成敏感器件：感受被测物理量，并对信号进行转换输出。传感元件：感受敏感元件的输出，然后输出电学量辅助器件：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。3.1 传感器的分类1.常见的被测物理量：机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真
2、空度力矩,风速,流速,流量声: 声压,噪声磁: 磁通,磁场温度: 温度,热量光：亮度，色彩2按传感器工作原理分类:可分为电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔式、磁电式、光电式、热电偶等传感器。优点：显示传感器的本质，便于理解、了解3按传感器输出信号的性质分类：开关型传感器：输出为开关量模拟型传感器：输出模拟量数字型传感器：输出为脉冲或代码的4按信号变换特征:物性型和结构型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如：压电式、磁电式、光电式结构型:依靠传感器结构参数的变化来实现信号变换，如：电阻式、电容式、电感式5按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型和能量控制型能量转换
3、型， 也称无源传感器， 直接由被测对象输入能量使传感器工作的，如：压电式、磁电式、光电式能量控制型， 也称有源传感器， 是从外部供给能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化，如：电阻式、电容式、电感式3.2机械式传感器及仪器1.被测量可放大而成为仪表指针的偏转， 借助刻度指示出被测量的大小。2.微型探测开关亦被看作机械式传感器。3.3电阻、电容与电感式传感器一、 电阻式传感器把被测量转换为电阻变化的一种传感器按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式.1.变阻器式传感器被测位移x与输出电压Uo的关系：Uo= (Ue /xp )*x2电阻应变式传感器应变片工作原理：基于金属导体的应
4、变效应金属材料，忽略电阻率变化，灵敏度Sg值多在1.73.6之间常用的金属电阻应变片有丝式、箔式两种。金属材料的电阻值：ALR金属材料，忽略电阻率变化对于半导体材料，形变引起的电阻率变化大3.应变片的主要参数几何参数：敏感栅尺寸、基底尺寸电阻值：应变计的原始电阻值。灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4.电阻应变式传感器的应用案例：桥梁固有频率测量案例：电子称二、 电容式传感器1、变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器其电容量为:AlR/dAdAldlRdRdrdrldl2d2gSRdR2gSEERdR)21 (AC0、A 或发生变化时，都会引起电容的变化。1)极距
5、变化型极距变化型电容传感器输入输出关系为非线性，灵敏度与工作点0有关，在工作点附近，近似线性极距变化型电容传感器的优点：非接触测量，灵敏度高适于小位移测量为提高灵敏度常采用差动型2)面积变化型灵敏度为线性3) 介质变化型)(0fCAdAdC201ddCS 0/dAdCAC0 fCA0应用：测量厚度、温度、湿度、液位2. 测量电路1)直流极化电路 ：输出电压与膜片位移速度成正比2)谐振电路：为获得较好的线性，一般工作点应选择在谐振曲线一边的线性区域内3)调频电路：传感器电容是振荡器谐振回路的一部分，当输入量使传感器电容量发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经
6、过放大后由记录器或显示仪表指示。4) 运算放大器电路输出电压与电容传感器间隙成线性关系，用于位移测量三、电感式传感器电感式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成线圈电感量（自感或互感）的变化，再经过转换电路变成电信号输出。dtdAREdtdCREuy2000ACuCCuuxy00000根据变换方式不同可分为：自感型（包括可变磁阻式与涡流式）与互感型（差动变压器式）1.自感型（1）可变磁阻式（2）涡流式利用金属导体在交流磁场中的涡流效应2.互感型差动变压器式电感传感器利用了电磁感应中的互感现象差动变压器运行中存在的问题：零点残余电动势由于差动变压器无法做到两个副边的感应电动势完全对称，所以即使没
7、有位移输入，电路也会输出一定的电动势 E0。3.4磁电、 压电与热电式传感器一、磁电式传感器磁电感应式传感器将被测物理量的变化转变为感应电动势，也称为电磁感应式传感器，它是一种将机械能转换为电能的能量变换型传感器。按照结构的不同，磁电式传感器分为：动圈式和磁阻式。1.动圈式2.磁阻式磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动。由运动着的物体改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。二、压电式传感器1、压电效应：某些物质，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。压电晶片：从压电材料上，按一
8、定方向切出的薄片2、压电材料（1）石英石英是压电单晶中最具代表性的，虽压电常数不高，但机械强度较高，时间和温度稳定性较好，常用作标准、高精度传感器。（2） 压电陶瓷原始压电陶瓷，不具有压电性，极化处理后呈压电特性；极化处理：在一定的温度下，利用强电场，使压电陶瓷的磁畴按规则排列，呈现压电特性，极化电场消失后，电畴取向保持不变，在常温下呈现压电特性（3） 高分子压电薄膜具有面积大、柔软不易破碎等优点，且可以大量生产。3、压电式传感器：两工作表面镀金属膜，构成两个电极（1）等效电路接入测量电路，考虑电缆分布电容和负载电阻、等效电容C Ca Cc Ci（2）测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常
9、应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。压电式传感器案例：飞机模态分析4、逆压电效应（电致伸缩）由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称电致伸缩。压电材料属于可逆换能型5.压电式传感器的应用压电式传感器常用来测量应力压力、振动的加速度，压电式传感器也用于声、超声和声发射等测量。三、热电式传感器基于热电效应原理而工作按照变换方式不同可分为：热电偶与热电阻传感器。1.热电偶传感器热电偶属于有源传感器，使用时不需要外加电源，可以方便地测量炉子、管道中的气体或液体温度，也可以测量固体表面温度。结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、
10、惯性小、便于远距离传送。（1）热电偶工作原理两种不同金属两端相互紧密地连接在一起组成一个闭合回路时，由于基础点温度 T 和 T0 不同，回路中产生热电动势，并有电流通过。(2)热电偶基本定律均质导体定律：如果构成热电偶的两种材料相同，不会产生热电动势。中间导体定律：断开热电偶回路，接入第三种导体，只要两个新接入点等温，则回路总热电动势不变。标准电极定律：如果已知两种导体分别对第三种导体的热电动势，则前两种导体之间的热电动势可求。2.热电阻传感器利用电阻随温度变化的特点制成的传感器（1）铂电阻（目前最好材料）（2）铜电阻3.5光电传感器原理：利用光电效应将光信号转换为电信号，测量非电量时，需要将
11、非电量的变化转换成光信号的变化。优点：结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快，故广泛用于各种自动检测系统中。一、光电测量原理（光电效应）1、外光电效应2、内光电效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态而使物体电阻率改变的现象称光电导效应。3.光生伏打效应在光线照射下，能使物体产生一定方向的电动势的现象二、光电元件1.真空光电管或光电管光电管的阴极受到从光窗透进的光照射后，向真空发射光电子，这些光电子向阳极作加速运动，形成空间电子流，光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强。停止光照，外电路将无电流输出。2. 光电倍增管光电倍增管的电流是逐级增加的， 由于光电倍增管具有放大作用
12、，因此适用做灵敏的若光探测器。3.光敏电阻光敏电阻当光线照射时，因材料中的电子空穴对增加，其电阻值会变小，当光照消失时，电阻会恢复原值，这种现象被称为光导效应。4.光敏晶体管三、光电传感器的应用1.模拟量光电传感器2.开关量光电传感器四、应用实例1.冷轧钢带跑偏监测2.光电转速计3.6光纤传感器一、分类按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种二、光纤导光原理光波沿光纤的传播是以全反射方式进行的。三、光纤传感器的应用四、光纤传感器的特点（1） 不受电磁干扰，电气绝缘性能好。（2） 光波传输无电能和电火花。（3） 工作性能优于传统传感器。（4） 重量轻，体积小。（5） 具有良好的几何形状适
13、应性。（6） 频带宽、动态范围大。（7） 易于实现远距离测控。3.7半导体传感器一、磁敏传感器1.霍尔元件半导体材料的磁电转换元件，利用霍尔效应进行工作波登管在压力作用下其末端产生位移，带动了霍尔元件在均匀梯度的磁场中运动。当霍尔元件通过恒定电流时，产生与被测压力成正比的霍尔电动势，完成压力至电量的变换。2.磁阻元件利用半导体材料的磁阻效应来工作的二、热敏传感器热敏电阻是一种半导体温度传感器：由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结而成。三、气敏传感器工作原理： 当气敏元件吸附了被测气体时， 其导电率发生了变化。当半导体气敏元件表面吸附气体分子时，由于二者相互接收电子的能力不同，产生了正离子或负离
14、子吸附，引起表面能带弯曲，导致导电率变化。四、湿敏传感器湿度传感器是能够感受外界湿度变化，并通过湿敏材料的物理或化学性质变化将湿度大小转化为电信号的器件。许多储物仓库湿度超过一定程度，物品易发生霉变或变质；居室湿度希望适中；纺织厂要求车间的湿度保持在 60%70%RH；农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。1.相对湿度和绝对湿度绝对湿度也可用水的蒸汽压表示。通常把被测气体中实际所含水气压力和该气体在相同温度下）霍尔元件的灵敏度：（HHHKIBKE饱和水蒸气压的百分比称为相对湿度。2.氯化锂湿敏元件氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解， 离子导电率发生变化而制成的
15、测湿元件。它的结构是在条状绝缘基片的两面，用化学沉积或真空蒸渡的方法作上电极， 再沉渍一定配方的氯化锂-聚乙烯醇混合溶液，经一定时间的老化处理，即可制成湿敏电阻传感元件。五、固态图像传感器从功能上说，固态图像传感器能把接收到的光像分成许多小单元，并将它们转换成电信号，它的核心部分是电荷耦合器件，简称CCD。CCD 是美国贝尔实验室于 1969 年发明的， 与电脑晶片 CMOS 技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD 是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般这些感光二极管按照矩阵形式排列(富士公司的 Super CCD 除外)。CCD 的感光能力比 PMT低， 但近年来
16、CCD 技术有了长足的进步，又由于 CCD 的体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的视觉传感器都是CCD。CCD 传感器又叫电荷耦合器，它是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当于传统相机的胶卷。3.8红外测试系统一、红外辐射红外辐射是指太阳光中波长比红光长的那部分可见光。二、红外探测器1.热探测器热释电探测器的工作原理是基于物质的热释电效应。2.光子探测器光子探测器的工作原理是：基于半导体材料的光电效应。三、红外测试应用1.辐射温度计运用斯蒂芬玻尔兹曼定律可进行辐射温度测量2.红外测温仪3.红外热像仪红外热像仪的作用:将人的肉眼看不见的红外热图形转换成可见光进行处理和显示，这种技术称为红外热成像技术。3.9激光测试传感器激光干涉式测量仪器1.激光测长仪2.激光测振仪随着高速旋转多面棱镜 2 的旋转，将激光器 3 发出的激光束反射到检测对象物上的条形码 4 上做一维扫描，条形码发射的光束由光电转换及放大元件 1 接收并放大， 再传输给信号处理装置，从而对条形码进行识别。43.10传感器选用原则选择传感
