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1、工程测试技术第三章第三章 传感器原理及应用传感器原理及应用本章学习要求：1.了解传感器的分类；2.掌握常用传感器测量原理；3.了解测量电路；4.了解智能传感器的概念；5.了解典型传感器的应用。华中科技大学材料学院本章目录本章目录3.1 概述（4学时）3.2 电阻式传感器3.3 电感式传感器（2学时）3.4 电容式传感器3.5 磁电式传感器3.6 压电式传感器3.7 热电式传感器（2学时）3.8 光电式传感器（2学时）3.9 其它类型的传感器3.10 传感器的应用2工程测试技术华中科技大学材料学院3.1 概述工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件称为传感器。
2、传感器的作用类似于人的感觉器官。它把被测量如力、位移、温度等，换为易测信号，传送给测量系统的信号调理环节。传感器也可以认为是人类感官的延伸，因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物，例如，用热电偶可以测得炽热物体的温度；用超声波探测器可以测量海水深度；用红外遥感器可从高空探测地面上的植被和污染情况，等等。因此，可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素，被视为关键技术之一受到了普遍重视。深入研究传感器的原理和应
3、用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中自动测量和自动控制的发展，以及人类观测研究自然界的深度和广度都具有重要的实际意义。3工程测试技术华中科技大学材料学院1. 传感器的定义传感器的定义 传传感感器器是是借借助助检检测测元元件件将将一一种种形形式式的的信信息转换成另一种信息的装置。息转换成另一种信息的装置。物物 理理 量量电电 量量传感器传感器 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。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量因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电量信号转换成电信号的装置。信号转换成电信号的装置。4工程测试技术华中科技大学材料
4、学院2. 传感器的构成传感器的构成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进输出。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。行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。V5工程测试技术华中科技大学材料学院3. 传感器的分类传感器的分类按被测物理量分类按被测物理量分类按工作机理分类按工作机理分类按信号变换特征按信号变换特征按敏感元件与被测对象之间的能按敏感元件与被测对象之间的能量关系量关系6工程测试技术华中科技
5、大学材料学院按工作按工作机理机理分类分类工作机理分类工作机理分类电阻式电感式光电式压电式电容式变阻器式应变片式热敏式光敏式磁阻式气敏式自感式互感式磁电式极距变化型面积变化型介质变化型涡流式可变磁阻型热电式半导体式电阻丝式机械式7工程测试技术华中科技大学材料学院3.2.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变式传感器的核心是电阻应变式传感器的核心是电阻应变片。电阻应变片。 电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。与半导体应变片式两类。 1. 工作原理工作原理a.对对金属应变片金属应变片 b. 半导体应半导体应变片变片8工程测试技术华
6、中科技大学材料学院3) 应变片测量电路应变片测量电路V VER1R2R4R39工程测试技术华中科技大学材料学院单臂桥路的计算单臂桥路的计算令：令： V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压来测与应变成线形关系，可以用电桥测量电压来测量应变。量应变。当：当：10工程测试技术华中科技大学材料学院双臂半桥的计算双臂半桥的计算1.1.输入与输出基本为线性关系；输入与输出基本为线性关系；2.2.输出是单臂桥的二倍。输出是单臂桥的二倍。当：当：11工程测试技术华中科技大学材料学院全桥电路的计算全桥电路的计算当：当：1.1.输入与输出为线性关系；输入与输出为线性关系；2.2.输出是单臂桥的四倍。输出是单臂
7、桥的四倍。12工程测试技术华中科技大学材料学院（）电桥的输出电压V与桥臂电阻的变化率dR/R（或应变）成线性关系（在一定的应变范围内）。电阻应变仪的工作原理，就是利用上述关系，以电桥输出量的大小来确定应变值。 （）各个桥臂电阻的变化率dR/R（或应变）对输出电压的影响是线性叠加的，相邻桥臂符号相反，相对桥臂符号相同。 （）利用单、双臂半桥电路确定被测应变值，存在一定的误差。 13工程测试技术华中科技大学材料学院4) 电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力1.1.将将应变应变片直接粘片直接粘贴贴于被于被测测构件上，用来直构件上，用来直接接测测量构件的量构件的应变应变或或应应力力
8、2.2.将将应变应变片粘片粘贴贴于于弹弹性元件上，与性元件上，与弹弹性元件性元件一起构成一起构成应变应变式式传传感器，常用来感器，常用来测测力、位力、位移、移、压压力、加速度等物理量力、加速度等物理量14工程测试技术华中科技大学材料学院电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用15工程测试技术华中科技大学材料学院标准产品标准产品- Load Cell / Force Sensor16工程测试技术华中科技大学材料学院Torque Sensors17工程测试技术华中科技大学材料学院Pressure Sensor1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片18工程测试技术华中科技大学材料学院案例一
9、：电子称案例一：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。19工程测试技术华中科技大学材料学院案例二：机器人握力测量案例二：机器人握力测量20工程测试技术华中科技大学材料学院案例三：振动式地音入侵探测器案例三：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。21工程测试技术华中科技大学材料学院3.2.3 热敏式传感器热敏式传感器热阻式传感器热电阻热敏电阻线绕式热电阻薄膜式热电阻负温度系数正温度系数线性温度系数 热敏式传感器的工作原理是利用了导体或半导体
10、电阻值随温度变化的性质。构成热敏式传感器的测温元件，有金属热电阻及半导体热敏电阻。22工程测试技术华中科技大学材料学院1. 热电阻-RTD 从物理学可知，一般金属导体具有正的电阻温度系数，电阻率随着温度的上升而增加，电阻与温度的关系为Rt=R0(1+At+Bt2+)式中，R0和Rt分别为0C和tC时的电阻值；A和B为常数。 常用的标准化测温电阻有铂电阻(Pt100)、铜电阻(Cu50)等。铜电阻的线性很好，但测量范围不宽，一般为0-150。铂电阻的线性稍差，但其物理化学性能稳定，复现性好，测量温度高，测温范围宽，因而应用广泛。23工程测试技术华中科技大学材料学院1). 铂电阻-目前最好的材料
11、长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温复现性最好的一种温度计。 铂电阻的精度与铂的提纯程度有关，一般用百度电阻比衡量。W(100)越高，表示铂丝纯度越高，越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W(100)1.3925目前技术水平已达到目前技术水平已达到W(100)1.3930；工业用铂电阻的纯度工业用铂电阻的纯度W(100)为为1.381.39。 24工程测试技术华中科技大学材料学院铂丝的电阻值与温度之间的关系铂丝的电阻值与温度之间的关系当温度当温度t 在在200 t 0时：时：当温度当温度 t 在在0 t 650时：时：
12、 国内统一设计的工业用标准铂电阻，国内统一设计的工业用标准铂电阻，R0分为分为50和和100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Pt50和和Pt100，其，其分度表分度表给出阻值和温度的关系。给出阻值和温度的关系。 25工程测试技术华中科技大学材料学院2). 铜热电阻应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：50150优 点：温度范围内线性好，灵敏度(4.254.2810-3/)比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。缺 点：易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量；与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。 工业上使用的标准化铜热电阻的
13、R0按国内统一设计取50和100两种，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。26工程测试技术华中科技大学材料学院3). 测量电路采用热电阻作为测温元件时，是将温度的变化转化为电阻的变化，因此对温度的测量就转化为对电阻的测量。要测量电阻的变化，一般是以热电阻作为电桥的一臂，通过电桥将测量电阻的变化转变为测量电压的变化。接线方式分二线制、三线制和四线制。27工程测试技术华中科技大学材料学院2. 热敏电阻热敏电阻-Thermistor 热敏电阻是一类温度敏感的半导体电阻器件，热敏电阻是一类温度敏感的半导体电阻器件，根据电阻与温度的关系分为三类：根据电阻与温度的关系分为三类：1
14、.负温度系数（负温度系数（NTC）热敏电阻，电阻随温度上升而）热敏电阻，电阻随温度上升而下降；下降；2.正温度系数（正温度系数（PTC）热敏电阻，电阻随温度上升而）热敏电阻，电阻随温度上升而增加；增加；3.线性热敏电阻线性热敏电阻(LTN)，电阻与温度成线性关系。，电阻与温度成线性关系。28工程测试技术华中科技大学材料学院1) 负温度系数（负温度系数（NTC）热敏电阻）热敏电阻RT 敏感元件主要由锰、钴、铜、镍等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的陶瓷半导体电阻和电极材料组成。使用温度范围-200C -+ 1000C。式中，B为与材料有关的常数，一般取值为3400K；为电阻温度系数，其值约为铂电
15、阻的10倍。29工程测试技术华中科技大学材料学院2) 正温度系数（正温度系数（PTC）热敏电阻）热敏电阻正温度系数（PTC）热敏电阻分两大类：陶瓷半导体PTC和硅半导体PTC 。温度电阻特性曲线见图。陶瓷半导体PTC热敏电阻的主要成分为钛酸钯。其特性是到一定温度时电阻值会急剧增加。 陶瓷PTC一般应用于：l温度感应开关(60-180C)l固态熔断器(mA-A)。30工程测试技术华中科技大学材料学院硅半导体PTC热敏电阻利用半导体P-N结的电阻温度特性制作的热敏电阻。主要特点：l使用温度范围：-50150Cl低成本l长期稳定性好l无极性l易于集成31工程测试技术华中科技大学材料学院3) 线性线性
16、温度系数热敏电阻温度系数热敏电阻Linear Thermistor Network由一对NTC热敏电阻和两只精密电阻组成，其电阻温度特性为：Rt=R0+Mt特点： 简化电路设计 互换性好 高精确度 无需参照温度或冷端补偿32工程测试技术华中科技大学材料学院热敏电阻的特点（与金属电阻比较）：1.由于有较大的电阻温度系数，所以灵敏度很高，目前可测到0.001-0.0005微小温度的变化；2.热敏电阻元件可作成片状、柱状、珠状等，直径可达0.5mm，由于体积小，热惯性小，响应速度快，时间常数可小到毫秒级；3.热敏电阻的电阻值可达10-700K，当远距离测量时导线电阻的影响可不考虑；4.在-50-35
17、0温度范围内，具有较好的稳定性。5.热敏电阻的主要缺点是阻值分散性大。复现性差，其次是非线性大，老化较快。33工程测试技术华中科技大学材料学院热敏电阻的结构形式34工程测试技术华中科技大学材料学院3.2.4 光敏式传感器光敏式传感器半导体材料受到半导体材料受到光照时会产生电子光照时会产生电子-空空穴对，使其导电性能穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现电阻率发生变化的现象，称为内光电效应象，称为内光电效应 。 主要应用：照相机主要应用：照相机自动测光、灯光控制、自动测光、灯光控制、工业控制。工业控制。35工程测试技术华中科技
18、大学材料学院3.2.5 磁阻式传感器磁阻式传感器magnetoresistive sensors磁阻效应是指，当磁性材料处于一个外部磁场中时，如果磁场的方向和磁性材料中电流的方向不同，那么该磁性材料的电阻会随着施加于它的磁场的强度而变化，尽管这种变化是十分微弱的。除了磁性材料，半导体材料也具有磁阻效应，半导体材料中的载流子（电子和空穴）运动时会产生磁场，当这个磁场与外界磁场相互作用 时会产生“洛伦兹”力，洛伦兹力会使载流子的运动方向发生偏转，使运动路径增长，也就相当于增加了电阻（磁性材料同理）。磁阻效应磁阻效应36工程测试技术华中科技大学材料学院特点特点1.电阻的增量与磁场的平方成正比；电阻的
19、增量与磁场的平方成正比；2.与磁场的正负无关；与磁场的正负无关；3.宽频率范围（宽频率范围（01MHz）；）；4.磁感应的范围比霍尔元件大。磁感应的范围比霍尔元件大。应用应用 旋转速度测量；旋转速度测量； 角度测量角度测量 线性位移测量线性位移测量 电流测量电流测量 接近开关和无触点开关。接近开关和无触点开关。37工程测试技术华中科技大学材料学院3.2.6 气敏式传感器气敏式传感器气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。传感器发挥着极其
20、重要的作用。如生活环境中一氧化碳浓度达如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L时，时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。易爆气体、酒精等的探测。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器38工程测试技术华中科技大学材料学院气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓
21、度改变而变化。元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。 39工程测试技术华中科技大学材料学院气敏器件阻值与浓度关系图40工程测试技术华中科技大学材料学院各种气敏传感器41工程测试技术华中科技大学材料学院烟雾报警器和自动排风扇燃气报警器燃气报警器烟雾报警器烟雾报警器42工程测试技术华中科技大学材料学院酒精测试仪酒精传感器酒精传感器43工程测试技术华中科技大学材料学院3.2.7 湿敏式传感器湿敏式传感器湿敏电阻器是采用有机高分子材料的一种新型的湿度敏感元件，具有感湿范围宽，响应迅速，抗污染能力强，无需加热清洗及长期使用性能稳定可靠等诸多特点。 性能指标：测量范围：20-95%RH阻抗变化：5M-2.
22、8K线 性 度：2%RH使用环境：0-60特点：低功耗、小体积、指数线性、可靠性高、使用 方便、价格低廉。应用：用于大气环境监测，工业过程控制，农业，测 量仪表等应用领域。44工程测试技术华中科技大学材料学院Load Cell / Force Sensor45工程测试技术华中科技大学材料学院displacement sensorraster ruler displacement sensor 46工程测试技术华中科技大学材料学院Pressure Sensor47工程测试技术华中科技大学材料学院Velocity Sensor48工程测试技术华中科技大学材料学院Ultrasonic transducers 49工程测试技术华中科技大学材料学院热电偶、热电阻、热敏电阻50工程测试技术
