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1、第六章第六章 传感器原理感器原理6.1 传感器根本概念传感器根本概念 6.1.1传感器的定义与组成传感器的定义与组成 6.1.2传感器的分类传感器的分类 6.1.3传感器的根本特性传感器的根本特性6.1 传感器根本概念传感器根本概念6.1.1传感器的定义与组成传感器的定义与组成 一、传感器的定义 传感器sensor是把被测的物理量按一定的规律转换为相应的容易检测、传输及处置的信号的安装。 它是实现自动检测和自动控制的首要环节 。6.1.1传感器的定义与组成传感器的定义与组成 二.传感器的组成 传感器通常由敏感元件、转换器件和其他辅助器件组成。 敏感元件Sensing element 传感器中直
2、接感受被丈量并输出与被丈量成确定关系的其他量的部分。 转换元件Transduction element 能将敏感元件感受或呼应的被丈量转换成适于传输或丈量的电信号部分。6.1.2传感器的分类传感器的分类1.按任按任务原理务原理分类分类参量传感器参量传感器发电传感器发电传感器特殊传感器特殊传感器电阻式传感器电阻式传感器电容式传感器电容式传感器电感式传感器等电感式传感器等热电偶传感器热电偶传感器压电式传感器压电式传感器霍尔式传感器等霍尔式传感器等超声波探头超声波探头激光检测等激光检测等6.1.3传感器的根本特性传感器的根本特性 一、传感器的静态特性 二、传感器的动态特性6.1.3传感器的根本特性传
3、感器的根本特性 一、静态特性 传感器在被丈量处于稳定形状的输入输出关系。对于理想传感器，其静态特性可用麦克劳林技术表示： 只需当二阶以上的项为0时，才满足理想的线性关系。 6.1.3传感器的根本特性传感器的根本特性 衡量传感器静态特性的重要目的是线性度、灵敏度、准确度、反复性、迟滞性和分辨率。 1.线性度 又称非线性误差、非线性度，它表示传感器特性曲线与刻度直线的偏离程度图6.1其表达式为： 线性度6.1.3传感器的根本特性传感器的根本特性图6.1 传感器的线性度 刻度直线拟合方法可用最小二乘法、端基法、切线法得到。6.1.3传感器的根本特性传感器的根本特性 2.准确度 传感器的精度是指丈量结
4、果的可靠程度，它以给定的准确度表示反复某个读数的才干，其误差愈小，那么精度愈高。普通用极限误差或极限误差与满量程输出之比的百分数表示：准确度=极限误差/量程*100% 在运用中，为了简化传感器的精度的表示方法，援用了精度等级的概念，分为：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等级越小精度越高。6.1.3传感器的根本特性传感器的根本特性 3.灵敏度 表示在稳定任务形状下，传感器输出变化与引起此变化的输入变化的比值，K为灵敏度，即 6.1.3传感器的根本特性传感器的根本特性 4.反复性 指在同一任务条件下，输入量按同一方向在全量程范围内延续变动多次所得特性曲线的不一
5、致性。特性曲线一致，那么反复性好，丈量误差小。图6.2右图6.2反复性曲线6.1.3传感器的根本特性传感器的根本特性 5.迟滞性迟滞性 在输入量添加过程中测得的某一点输在输入量添加过程中测得的某一点输出值，与在输入减少过程测得的同一点出值，与在输入减少过程测得的同一点值不一样，这种景象称为滞后。图值不一样，这种景象称为滞后。图6.3曲曲线称为滞环特性曲线。线称为滞环特性曲线。右图6.3滞环特性曲线6.1.3传感器的根本特性传感器的根本特性 6.分辨率 传感器能感测到的丈量值的最小变化量，由于变化量是无穷的，小数点后面有无穷位，但传感器丈量的输出并不是无穷的变化量都能分辨出来，能分辨的最小单位就
6、是分辨率。 【例1】一光栅传感器，丈量长度10mm，最小丈量间隔0.1um，求分辨率。分辨率=最小丈量间隔/丈量长度*100%=0.01%6.1.3传感器的根本特性传感器的根本特性 二、动态特性 指传感器的输出量对于随时间变化的输入量的呼应特性。 传感器的主要动态特性目的有： 1时域性能目的 采用瞬态呼应法阶跃呼应 2频域性能目的 采用频率呼应法正弦呼应6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是将被测非电量转换成电阻值变化的器件或安装。 被丈量电阻式 传感器 电阻值 电阻式传感器可以丈量力、应变、位移、加速度、扭矩、温度等非电量参数。普通来说，电阻式传感器的构造简单，性能稳定，灵敏度较
7、高，有的还适用于动态丈量。 6.2常用传感器常用传感器6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 一、应变片式传感器 二、压阻式传感器 三、其他电阻传感器6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 一、应变片式传感器 1.电阻应变效应 长为L、截面积为A、电阻率为r的金属或半导体丝，电阻为 假假设设导导线线沿沿着着轴轴线线方方向向遭遭到到力力的的作作用用而而产产生生变变形形，那那么么其其电电阻阻值值也也随之发生变化，这一景象称为电阻应变效应。随之发生变化，这一景象称为电阻应变效应。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R/R与资料力学中的轴向应变的关系在一定范围内是线性的
8、，即 R/R=KK电阻应变片的灵敏度 对于不同的金属资料，K略微不同，普通为2左右。而对半导体资料而言，由于其感遭到应变时，电阻率会产生很大的变化，所以半导体资料灵敏度比金属资料大十几倍。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 由资料力学可知，=F/(AE),那么R/R又可表示为R/R=K(F/AE) 假设应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量E均为知，那么只需测出R/R的数值，即可知试件受力F的大小。例如可用于电子称的称重。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 2.应变片的类型构造金属应变片金属应变片半导体应变片半导体应变片金属丝式金属丝式箔式箔式薄膜式薄膜式6.2.1电阻式传感器电阻式传
9、感器 3.金属应变片 1金属丝式 金属丝式应变片运用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变 片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但价钱廉价，多用于应力、应变的大批量、一次性实验。如图6.4所示6.2.1电阻式传感器电阻式传感器图6.4 丝式电阻应变片l 称应变片的标距或任务基长；b称应变片的任务宽度6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 电阻丝较细，直径普通在0.0150.06 mm，两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝(直径为0.10.2 mm)作为引线，以便与丈量电路衔接。应变片的规格普通是以运用面积和电阻来表示的，如PJ-120型金属电阻应变片的规格为13 mm5 mm，120 W。
10、6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 2箔式 箔式应变片中的箔栅是金属箔经过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的资料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。如图6.5所示图6.5 箔式应变片6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 箔式应变片与金属丝式应变片相比有如下特点： 敏感栅尺寸准确、线条均匀，大批量消费时电阻值离散程度小。可根据不同丈量要求制成任不测形。 可制成基长很小的应变片。 敏感栅弯头横向效应可忽略。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 箔式应变片外表积大，散热性能好，在一样断面积情况下能经过较大的任务电流，从而能增大输出信号。 疲劳寿命长，机械滞后小，蠕变小。 便于批量消费，而且消费效率高。6.2.
11、1电阻式传感器电阻式传感器3薄膜式薄膜式 它是采用真空它是采用真空溅射或真空堆射或真空堆积等等镀膜技膜技术将将应变电阻阻资料料镀在基底在基底资料上而构成的料上而构成的(厚度厚度在零点几在零点几nm到几百到几百nm)。 这类应变片的片的显著特点是灵敏系数大，著特点是灵敏系数大，允允许的的电流密度大，任流密度大，任务温度范温度范围广广(197317 )，也可用于核，也可用于核辐射等特殊情况下，易射等特殊情况下，易实现工工业化批量消化批量消费。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 4.半导体式应变片 半导体应变片分为体型和分散型。 体型：利用半导体资料的体电阻制成。如图6.6所示 分散型：在半导体资料
12、的基片上利用集成电路工艺制成。图6.6体型半导体式应变片6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 半半导体体应变片有如下片有如下优点：点： 灵敏度高。灵敏度高。 体体积小，耗小，耗电省。省。 具具有有两两种种符符号号的的应力力效效应(即即在在拉拉伸伸时P型型硅硅应变片的灵敏系数片的灵敏系数为正正值，N型硅的型硅的为负值)。 主要缺陷是受温度的影响大、非主要缺陷是受温度的影响大、非线性性严重。重。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 5.电阻应变片的性能参数 1电阻值：是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。120 和350 运用较多。 2几何参数：敏感栅基长1和宽度b，制造厂常用b*
13、1表示。 3灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。 4绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。普通大于1010 。 5其他性能参数允许电流、任务温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 6.应变片根本任务特性 1横向效应 将电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但其直线段和圆弧段的应变形状不同，其灵敏系数较整长电阻丝的灵敏系数小，该景象称为横向效应。上图为横向效应的原理图。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 2温度效应 把应变片安装在自在膨胀的试件上，即使试件不受任何外力作用，假设环境温度发生变化，应变片的电阻也将发生变化，这种景象称为应变片的温度效应。由
14、温度变化引起的应变输出称为热输出，它是虚伪应变，在丈量中须设法予以消除。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 产生温度生温度误差的差的缘由主要有两个：由主要有两个： 敏感敏感栅金属金属丝本身的本身的电阻随温度阻随温度变化。化。 由于敏感由于敏感栅资料的料的线膨膨胀系数系数b b与与试件件资料料的的线膨膨胀系数系数b b不同引起附加不同引起附加变形而使形而使电阻阻变化化6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 3蠕变和零漂 粘贴在试件上的应变片，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。 当试件初始空载时，应变片示值仍会随时间变化的景象称为零漂。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 4滞后
15、 恒温条件下，试件接受加/卸载特性曲线不重合的特性。这种不重合性用滞后来衡量。实测中，可在测试前经过多次反复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差 6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 7.丈量桥路 1单臂半桥 R1为应变片，其他电阻 为固定电阻。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 2双臂半桥 R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感遭到的应变以及产生电阻增量正负号相间，可以使输出电压成倍增大。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 3四臂全桥 全桥的四个桥臂均为应变片，假设设法使试件受力后，应变片R1R4产生的电阻增量正负号相间，即可使输出电压成倍增大6.2.1电阻式传感器电阻式
16、传感器 4桥路温度补偿原理 环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥温漂较小；双臂半桥也同样能抑制温漂。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器8.应变片的运用应变片的运用 应变片的运用可分为两大类：第一类是将应变片的运用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴与某些弹性体上，并将其接到丈量应变片粘贴与某些弹性体上，并将其接到丈量转换电路，这样就构成丈量各种物理量的公用转换电路，这样就构成丈量各种物理量的公用应变式传感器。第二类是将应变片贴于被测试应变式传感器。第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变件上，然后将其接到应变仪
17、上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。仪上读取被测试件的应变量。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器a) 柱式传感器b) 梁式传感器c轮辐式传感器图6.7 各类应变式传感器6.2.1电阻式传感器电阻式传感器图6.8 悬臂梁式传感器实物6.2.1电阻式传感器电阻式传感器图6.9 称重传感器实物6.2.1电阻式传感器电阻式传感器实例：实例：例例1 应变式传感器丈量位移应变式传感器丈量位移 应变式位移传感器是把被测位移量应变式位移传感器是把被测位移量变换为弹性元件的应变，经过丈量应变变换为弹性元件的应变，经过丈量应变间接求得位移。间接求得位移。图6.10弹簧组合式位移传感器6.2.1电阻式传感器电
18、阻式传感器 如图如图6.10所示，以弹簧组合式位移传感器所示，以弹簧组合式位移传感器为例，梁弯曲产生的应变与测杆的位移呈线性为例，梁弯曲产生的应变与测杆的位移呈线性关系。测杆位移包括悬臂梁端部位移量关系。测杆位移包括悬臂梁端部位移量y1和弹和弹簧伸长量簧伸长量y2两部分，即两部分，即yy1y2。根据应变。根据应变量的读数值，可求得位移量的读数值，可求得位移y。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 例2.应变式传感器丈量加速度 在悬臂梁1的自在端固定一质量块3。当壳体4与待测物一同作加速运动时，梁在质量块惯性力的作用下发生变形，使粘贴于其上的应变片2阻值变化。检测阻值的变化可求得待测物的加速度。1
19、423图6.11应变式加速度传感器6.2.1电阻式传感器电阻式传感器例例3.桥梁固有频率丈量。桥梁固有频率丈量。图6.12 固有频率丈量波形6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 例例4.应变式数式数显扭矩扳手扭矩扳手 数数显扳手可用于汽扳手可用于汽车、摩托、摩托车、飞机、机械制造和家用机、机械制造和家用电器等器等领域，准确域，准确控制控制紧固螺栓的装配扭矩。量程固螺栓的装配扭矩。量程2500Nm,耗耗电量量10mA。图6.13应变式数显扭矩扳手实物图6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 二、二、 压阻式阻式传感器感器 压阻式阻式传感器有下面两种感器有下面两种类型：型： 利用半利用半导体体资料做成的
20、粘料做成的粘贴式式应变片；片； 在半在半导体体资料的基片上用集成料的基片上用集成电路路工工艺制成分散制成分散电阻，称分散型阻，称分散型压阻式阻式传感器。感器。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 压阻式阻式传感器的感器的优点如下：点如下： 灵灵敏敏度度非非常常高高，有有时传感感器器输出出不不需需放放大大就就可可直直接接用于丈量；用于丈量； 分分辨辨力力高高，例例如如，可可测出出1020 Pa的的微微小小压力力变化；化； 体体积小。小。 丈丈量量元元件件的的有有效效面面积可可做做得得很很小小，故故频率率呼呼应高；可丈量低高；可丈量低频加速度和直加速度和直线加速度。加速度。 压阻阻式式传感感器器的的
21、主主要要缺缺陷陷是是温温度度误差差大大，需需进展展温温度度补偿或恒温运用。或恒温运用。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器1.压阻效阻效应 压阻效阻效应固体遭到作用力后或沿半固体遭到作用力后或沿半导体体的某一的某一轴向施加一定的向施加一定的载荷而荷而产生生应变时电阻阻率率发生生变化的景象。化的景象。 半半导体体资料的料的应变与与电阻的相阻的相对变化之化之间的的关系如下：关系如下：6.2.1电阻式传感器电阻式传感器有：有： 是由于电阻丝的电阻率随应变而改动所是由于电阻丝的电阻率随应变而改动所引起的。对于金属丝来说，引起的。对于金属丝来说， 很小，可忽略。很小，可忽略。那么电阻应变片的灵敏度为那么电
22、阻应变片的灵敏度为 6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 2.压阻式传感器分类 半导体应变片 分散型压阻传感器固态压阻式压力传感器 3.分散型压阻式传感器 为了抑制半导体应变片粘贴呵斥的缺陷，采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜，制成分散型压阻传感器。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 1分散型压阻式传感器构造分散型压阻式传感器构造 图图6.13是分散型压阻式传感器，其中心部分是分散型压阻式传感器，其中心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用分散工艺是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用分散工艺设置有设置有4个阻值相等的电阻，用导线将其构成个阻值相等的电阻，用导线将其构成
23、平衡电桥。膜片的周围用圆环固定。膜片的两平衡电桥。膜片的周围用圆环固定。膜片的两边有两个压力腔，一个是与被测系统相连的高边有两个压力腔，一个是与被测系统相连的高压腔，另一个是低压腔，普通与大气相通。压腔，另一个是低压腔，普通与大气相通。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器a)分散型硅压阻传感器构造 b)硅膜片尺寸 c)应变电阻条陈列方式图6.14 压阻式压力传感器6.2.1电阻式传感器电阻式传感器2分散型压阻式传感器任务原理分散型压阻式传感器任务原理 当膜片两边存在压力差时，膜片发当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应变，从而使分散电阻的生变形，产生应变，从而使分散电阻的电阻值发生变化，电
24、桥失去平衡，输出电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片所相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值。受压力差值。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 4.压阻式传感器的特性补偿压阻式传感器的特性补偿 由于半导体资料对温度的敏感性，压阻式由于半导体资料对温度的敏感性，压阻式传感器遭到温度变化影响后，将产生零点漂移传感器遭到温度变化影响后，将产生零点漂移和灵敏度漂移。和灵敏度漂移。 零点温度漂移是由于分散电阻的阻值温度零点温度漂移是由于分散电阻的阻值温度变化引起的。变化引起的。 灵敏度漂移是由于压阻系数随温度变化引灵敏度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的。温度升高时，压
25、阻系数变小，那么灵敏起的。温度升高时，压阻系数变小，那么灵敏度下降。度下降。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 普通可用串、并联电阻的方法进展补偿。如图普通可用串、并联电阻的方法进展补偿。如图6.14所示，串联电阻所示，串联电阻Rs起调零作用，负温度系数的并起调零作用，负温度系数的并联电阻联电阻Rp主要起补偿作用。当然主要起补偿作用。当然R4上并联正温度系数上并联正温度系数电阻也可以。压阻传感器运用时必需进展温度补偿。电阻也可以。压阻传感器运用时必需进展温度补偿。图6.15 温漂补偿电路6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 5.压阻式传感器的实例 例1.压阻式传感器测加速度 压阻式加速度传感器以
26、单晶硅悬臂梁作为敏感元件，如图6.15所示。图6.16 压阻式加速度传感器6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 其任务原理为当梁的自在端的质量块m遭到加速度a作用时，质量块产生惯性力ma，悬臂梁遭到弯矩作用发生变形产生应力，使分散电阻变化。由四个电阻组成的电桥产生与加速度成比例的电压输出。6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 例2.水深丈量仪 水的深度不同，其压力也不同，水压随水深呈线性变化。其任务原理如图6.16所示。压阻式压力传感器设置在丈量探头的中央，其感压膜片正对进水压力通道。运用时将探头投入水中，传感器便可测得水压而输出电压。图6.17水深丈量仪P=ghP=gh6.2.1电阻式传感器电阻
27、式传感器三、其他电阻式传感器三、其他电阻式传感器 1、变阻器式传感器、变阻器式传感器 变阻器式传感器亦称电位计式传感器，其变阻器式传感器亦称电位计式传感器，其任务原理是由被测位移或角位移改动成变任务原理是由被测位移或角位移改动成变阻器的电刷位置，将位移转换为电阻变化。阻器的电刷位置，将位移转换为电阻变化。 常用变阻器式传感器有直线位移型、角位常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型，如图移型，如图6.16所示。所示。图6.19变阻器式传感器6.2.1电阻式传感器电阻式传感器 变阻器式传感器的后接电路，普通是采用电阻分压电路将传感器的位移变化转换成电压变化。但需留意，只需当变阻器阻值Rp远小于负载值Rl时，输入输出间才可近似看做线性关系。 变阻器式传感器构造简单、性能稳定、输出大、运用方便、价钱廉价，但任务频率低、分辨力不高、噪声较大。
