1、第3章 传感器技术第 3 章 传感器技术3.1 3.1 概概述述3.2 3.2 位移传感位移传感器器3.3 3.3 力传感力传感器器3.4 3.4 温度传感温度传感器器3.5 3.5 光电传感光电传感器器3.6 3.6 微机械传感器微机械传感器第3章 传感器技术3.1 概概 述述传感器是将被测量的某一物理量(或信号)按一定规律转换为另外一种(或同种)与之有确定对应关系的、便于应用的物理量(或信号)输出的器件或装置。传感器的输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。第3章 传感器技术3.1.1 传感器的组成传感器的组成一般来讲，传感器由敏感元件和转换元件组
2、成，其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的物理量部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，因而需要由信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器组成的一部分。传感器的组成框图如图 3.1 所示。第3章 传感器技术图 3.1 传感器的组成第3章 传感器技术3.1.2 传感器的分类传感器的分类传感器的种类繁多，因此也就具有多种不同的分类
3、方法。下面将总结传感器的分类方法以及相应的分类结果。1.按被测量分类按被测量分类这种分类方法是按被测量的物理量命名的，具体可以分为以下几类传感器:长度/线位移传感器。角度/角位移传感器。振动传感器。第3章 传感器技术 速度传感器。加速度传感器。力传感器。温度传感器。流量传感器。光传感器。第3章 传感器技术 2.按工作原理分类按工作原理分类这种分类方法是按传感器的工作原理命名的，具体可以分为以下几类传感器:电阻式:利用电阻参数变化实现信号转换。电容式:利用电容参数变化实现信号转换。电感式:利用电感参数变化实现信号转换。压电式:利用压电效应实现信号转换。磁电式:利用电磁感应原理实现信号转换。热电式
4、:利用热电效应实现信号转换。光电式:利用光电效应实现信号转换。光纤式:利用光纤特性参数变化实现信号转换。第3章 传感器技术 3.按输出信号分类按输出信号分类这种分类方法是按传感器的输出信号命名的，具体可以分为以下两类传感器:模拟式:输出量为模拟信号(电压、电流等)。数字式:输出量为数字信号(脉冲、编码等)。4.按能量关系分类按能量关系分类这种分类方法是按传感器工作的能量关系命名的，具体可以分为以下两类传感器:能量转换型:传感器输出量直接由被测量能量转换而来。能量控制型:传感器输出量能量由其他能源提供，但受输入量控制。第3章 传感器技术3.1.3 传感器的特征描述传感器的特征描述传感器的输出与输
5、入关系特性是传感器的基本特性。从误差角度去分析输出与输入特性是测量技术所要研究的主要内容之一。输出与输入特性虽是传感器的外部特性，但与其内部参数又有着密切关系。因为传感器不同的内部结构参数决定它具有不同的外部特性，所以测量误差也是与内部结构参数密切相关的。第3章 传感器技术传感器所测量的物理量基本上有两种形式:一种是稳态(静态或准静态)的形式，这种信号不随时间变化(或变化很缓慢);另一种是动态(周期变化或瞬态)的形式，这种信号是随时间变化而变化的。由于输入物理量状态不同，传感器所表现出来的输出与输入特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。由于不同传感器具有不同的内部参数，它们的静态特性和
6、动态特性也表现出不同的持点，对测量结果的影响也各不相同。一个高精度传感器，必须要有良好的静态特性和动态特性，这样它才能完成信号的无失真转换。第3章 传感器技术 1.传感器的静态特征传感器的静态特征传感器在稳态信号作用下，其输出与输入关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞和重复性。1)线性度传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出与输入特性是线性的。实际上许多传感器的输出与输入特性都是非线性的，一般可用下列多项式表示传感器的输出与输入特性:第3章 传感器技术式中，y 是输出量，a0为零位输出，x 为输入量，a1 为线形系数(灵敏度)，其余为
7、待定系数。传感器线性度的描述通常使用传感器的非线性误差来度量。一般取标定误差中的最大偏离误差与输出满度值之比作为评价非线性误差(或线性度)的指标(如图 3.2 所示)。非线性度的定义如下:式中，e 表示线性度;max 表示最大非线性绝对误差;Y max 表示满量程。第3章 传感器技术图 3.2 输出与输入的非线性第3章 传感器技术 2)灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值。灵敏度常用 S n 来表示，即式中，dy 是输出变化量，d x 是输入变化量。对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即 S n=y/x。非线性传感器的灵敏度不是常数，为一变量。第3章 传感器技术
8、3)迟滞迟滞是指传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程期间输出与输入持性曲线不重合的程度。也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，如图 3.3 所示，这就是迟滞现象。产生迟滞现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。迟滞大小一般要由实验方法确定，常用最大输出差值 H max 对满量程输出 Y FS 的百分比表示:第3章 传感器技术图 3.3 迟滞现象第3章 传感器技术4)重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向做全量程多次标定时所得特性曲线不一致性的程度，如图 3.4 所示。多次重复测试的曲线重
9、复性越好，误差就越小。重复性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有相同的原因。重复性误差属于随机误差，表示测量结果偶然误差的大小，而不表示与真值之间的差别。有时重复性虽然很好，但可能远离真值。第3章 传感器技术图 3.4 重复性误差第3章 传感器技术2.传感器的动态特征传感器的动态特征传感器的动态特性是指传感器对激励(输入)的响应(输出)特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律(变化曲线)将能同时再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数。这就是动态测量中对传感器提出的要求。但实际上除了具有理想的比例特性的环节外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与
10、输入之间的差异就是所谓的动态误差，也就是失真。第3章 传感器技术研究动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。由于输入信号的时间函数形式是多种多样的，因此在时域内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数，如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等的响应特性。在频域内研究动态特性，一般是采用正弦函数得到频率响应特性。动态特性好的传感器暂态响应时间很短或者频率响应范围很宽。这两种分析方法内部存在必然的联系，在不同场合，根据实际需要解决的问题不同而选择不同的方法。在对传感器进行动态特性的分析和动态标定时，为了便于比较和评价，常常采用正弦信号和阶跃信号作为输入信号。第3
11、章 传感器技术图 3.5 所示为典型的阶跃响应时域曲线。在采用阶跃输入研究传感器的时域动态特性时，为表征传感器的动态特性，常用上升时间 tr、响应时间 t s(稳定时间)、超调量 M等参数来综合描述。上升时间 tr 是指输出指示值从最终稳定值的 5%或 10%变到最终稳定值的 95%或 90%所需要的时间。响应时间t s是指从输入量开始起作用到输出指示值进入稳定位所规定的范围内所需要的时间。最终稳定值的允许范围通常取 5%或 2%。超调量 M是指输出第一次达到稳定值后又超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。第3章 传感器技术图 3.5 典型的阶跃响应动态过程曲线第3章
12、 传感器技术在采用正弦输入研究传感器频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性，其重要指标是频带宽度，简称带宽。带宽是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。第3章 传感器技术3.2 位位 移移 传传 感感 器器3.2.1 电容式传感器电容式传感器电容式传感器是利用被测量的变化引起传感电容量的变化来工作的。电容式传感器除了可用于位移量的测量以外，还广泛应用于振动、加速度等机械量的精密测量。第3章 传感器技术电容式传感器的特点如下:输入量小而灵敏度高。电参量相对变化大。动态特性好。非接触式测量。能量损耗小。结构简单，适应性好。电容传感器的不足是:非线性大和电缆分布电容影响大。
13、电容式传感器根据其测量原理不同又可分为三种:变极距式、变面积式和变介质式。第3章 传感器技术1.变极距式电容传感器变极距式电容传感器变极距式电容传感器的结构如图 3.6 所示。传感器的初始电容 C 0 为式中，为介质的介电常数(本章下文中如无特殊说明，都为介电常数)，A 为电容板的面积(本节下文中如无特殊说明，A 都为电容板面积)，0为电容板间初始极距(本节下文中如无特殊说明，为电容板极距，下标不同表示状态不同)。第3章 传感器技术当传感器的动极板相对于定极板有相对位移时，传感器的电容量就发生相应的变化。例如，当动极板与定极板间的距离减小了 时，电容量就相应地增大，此时的电容为为了提高灵敏度，
14、变极距式电容传感器可以做成差动式的，如图 3.7 所示。第3章 传感器技术图 3.6 变极距式电容传感器的结构第3章 传感器技术图 3.7 差动式变极距型电容传感器第3章 传感器技术2.变面积式电容传感器变面积式电容传感器变面积式电容传感器的结构如图 3.8 所示。图 3.8 变面积式电容传感器的结构第3章 传感器技术传感器的初始电容为其结构参数如图 3.8 所示，当极板板间有相对位移 l 时，传感器电容量减小，此时的电容量为第3章 传感器技术传感器的灵敏度 K 为变面积式电容传感器的特点为:传感器输出为线性;传感器的灵敏度与初始极距成反比，减小极距可以提高灵敏度;可做成差动结构，提高灵敏度。
15、电容传感器的结构可以很灵活，并不拘泥于一种形式，如图 3.9 和图 3.10 所示。第3章 传感器技术图 3.9 差动式扇形平板电容传感器第3章 传感器技术图 3.10 差动式柱面板型电容传感器第3章 传感器技术3.变介质型电容传感器变介质型电容传感器变介质型电容传感器的结构如图 3.11 所示。图 3.11 变介质型电容传感器的结构第3章 传感器技术如图 3.11 所示，传感器电容量为上式中各参数的含义如图 3.11 所示。可见传感器的电容量 C 是 l 的函数。第3章 传感器技术4.电容式传感器的应用电容式传感器的应用电容传感器可以直接测量的非电量为直线位移、角位移及介质的几何尺寸。用于这
16、三类非电参数变换测量的传感器器一般说来原理比较简单，无需再作任何预变换。用来测量金属表面状况、尺寸、振幅等量的传感器，往往采用单极式变极距式电容传感器，使用时常将被测物作为传感器的一个极板，而另一个电极板在传感器内。近年来已采用这种方法测量油膜等物质的厚度。这类传感器的测量范围均比较小，约为十分之几毫米，而灵敏度则在很大程度上取决于选材、结构的合理性及寄生参数的影响。精度可达到 0.1 m，分辨力达到 0.025 m，实现了非接触测量，它加给被测对象的力极小，可忽略不计。第3章 传感器技术电容式传感器还可用于测量原油中的含水量、粮食中的含水量等。当电容传感器用于测量其他物理量时，必须进行预变换
17、，将被测参数转换成极距 d、面积 S 或介电常数 的变化。例如在测量压力时，要用弹性元件先将压力转换成极距 d 的变化。第3章 传感器技术3.2.2 电感式传感器电感式传感器电感式传感器是建立在电磁感应现象的基础上，利用线圈自感或互感的改变来实现非电量的测量。根据工作原理的不同，电感式传感器可分为自感型、互感型等几类。它可以把输入的物理量如位移、振动、压力、流量、比重等参数，转换为线圈的自感系数 L 和互感系数 M 的变化，而 L 和 M 的变化在电路上又转换为电压或电流的变化，即将非电量转换成电信号量输出。电感式传感器具有以下特点:第3章 传感器技术 工作可靠，寿命长。灵敏度高，分辨力高(位
18、移变化为 0.01 m，角度变化为 0.1)。精度高、线性好(非线性误差可达 0.05%0.1%)。性能稳定，重复性好。电感式传感器的缺点是存在交流零位信号，不适于高频动态信号测量。第3章 传感器技术1.自感型电感传感器自感型电感传感器自感型电感传感器有气隙型和螺管型两种结构。1)气隙型气隙型电感传感器的结构原理图如图 3.12 所示，传感器主要由线圈、衔铁和铁芯等组成。图 3.12 中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为 l 。工作时衔铁与被测体接触，被测体的位移引起气隙磁阻的变化，从而使线圈电感变化。当传感器线圈与测量电路连接后，可将电感的变化转换成电压、电流或频率的变化，完成从非电量到电
19、量的转换。第3章 传感器技术图 3.12 气隙型电感传感器第3章 传感器技术气隙型电感传感器的特性曲线如图 3.13 所示，当气隙减少时电感增大，气隙增加时电感减小。但是相同的气隙变化引起的电感变化不一样，即转换是非线性的。由于转换原理的非线性和衔铁正、反方向移动时电感变化量的不对称性，因此气隙型电感传感器为了保证一定的线性精度，只能工作在很小的区域，故只能用于微小位移的测量。第3章 传感器技术图 3.13 气隙型电感传感器的特性曲线第3章 传感器技术为了提高气隙型电感传感器的灵敏度以及改善非线性，常把气隙型电感传感器做成差动式的。差动式的灵敏度比单边的高一倍。一般差动变隙式电感传感器 l /
20、l =0.10.2时，可使传感器的非线性误差在 3%左右。差动变隙式电感传感器的工作行程也很小，若取 l =2mm，则行程为 0.20.4mm。较大行程的位移测量常常利用螺管式电感传感器。第3章 传感器技术 2)螺管型单线圈螺管型电感传感器的结构如图 3.14 所示，其主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈电感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。为了提高灵敏度与线性度，常采用差动螺管式电感传感器，如图 3.15 所示。第3章 传感器技术图 3.14 单线圈螺管型电感传感器结构图第3章 传感器技术图 3.15
21、差动螺管型电感传感器第3章 传感器技术差动螺管型电感传感器比单个螺管式电感传感器的灵敏度高一倍。为了使灵敏度增大，应使线圈与铁芯尺寸比值 l/lc 和 r/rc 趋于 1，且选用铁芯磁导率大的材料。这种差动螺管型电感传感器的测量范围为 550mm，非线性误差在 0.5%左右。第3章 传感器技术 2.互感型电感传感器互感型电感传感器互感型电感传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化量。由于常采用两个次级线圈组成差动式，因而又称差动变压器型传感器，实际常用的为差动螺管型变压器。互感型电感传感器的结构原理如图 3.16 所示。传感器由初级线圈和两个参数完全相同的次
22、级线圈组成。线圈中心插入圆柱形衔铁。次级线圈反极性串联。第3章 传感器技术图 3.16 互感型电感传感器的结构第3章 传感器技术互感型电感传感器的电路原理如图 3.17 所示，当初级线圈加上交流电压时，如果衔铁正好位于中心位置，则两个次级线圈的电压相等，总的输出电压为 0;当运动时，两个次级线圈的电压不等，输出电压与衔铁位置有关，其输出特性如图 3.18 所示。第3章 传感器技术图 3.17 互感型电感传感器的电路原理第3章 传感器技术图 3.18 互感型差动传感器的输出特性第3章 传感器技术3.2.3 光电式传感器光电式传感器1.脉冲盘脉冲盘脉冲盘可用于测量转角，也可以间接测量直线位移。脉冲
23、盘式转换器的结构示意图如图 3.19 所示，在一圆盘周围分成相等的透明与不透明部分(或开有槽缝，或在光学玻璃上进行喷涂、照相、腐蚀而成)，当圆盘与工作轴一起转动时，光电元件上受到的光时通时断，因而产生脉冲，经放大、整形后送到计数器，根据脉冲数目即可测出工作轴的转角。如果测量其脉冲频率，则可测量工作轴的转速。第3章 传感器技术图 3.19 脉冲盘式转换器的结构第3章 传感器技术用单个的光电元件不能判断转向，为了判断转向，需要采用两个光电元件。此时，两个光电元件的安装距离应为节距的 1/4，如图 3.20 所示，使两个光电元件的输出信号电角度(相位)相差 90。脉冲盘式测角系统属于增量式测量装置，
24、通过可逆计数器计算脉冲的增减，然后计算出转角的增减。但它不能测出转角的绝对位置，要测量转角的绝对位置，可以使用编码盘。第3章 传感器技术图 3.20 光电元件的安装位置第3章 传感器技术2.编码盘编码盘光电式编码盘是应用较多的一种编码盘。编码盘有两种编码方式:二进制编码和循环码编码(又称格雷码)，如图 3.21 所示。二进制码直观，易于后续电路处理和计算机计算，但二进制码多位码同时动作，容易出现错码;循环码每次只有一位变化，消除了非单值误差。在图 3.21 中，阴影部分表示不透光，而空白处表示透光，码盘共分 6 个码道，在每圈码道上都装有光电系统，光被遮挡表示 1，不被遮挡表示 0。整个码盘可
25、划分为 64(=26)个角度位置，每个角度位置对应一个 6 位代码。第3章 传感器技术图 3.21 码盘的两种编码方式(a)6 位二进制码盘;(b)6 位循环码码盘第3章 传感器技术上述编码盘仅能区分 64 个不同的角度位置，自然是很粗糙的。要想使编码盘反映更精确的角度位置，就要增加码道数目，但这必然带来工艺上的困难，因而其精度受到一定限制。解决的办法是用组合码盘。例如用两个 6 位码盘组合起来，一个作粗测，一个作精测;精盘转一圈，粗盘转一格，这就可获得 12 位的码盘。精盘与粗盘之间可用精密齿轮传动，其传动比可取 64(=26)。光学码盘式传感器结构简单、精度高、分辨率高、可靠性好，且直接输
26、出数字量，绝对值测量，但其缺点是光源寿命较短。第3章 传感器技术3.感应同步器感应同步器感应同步器是一种高精度的位置检测装置，有直线式(又称感应同步尺)和旋转式两种。由于它具有精度高、成本低、受环境温度影响小等一系列优点，因而获得广泛的应用。感应同步尺的分辨率可达 110 m，旋转式的可达 1(角秒)以下。第3章 传感器技术直线式与旋转式感应同步器的工作原理均与旋转变压器相似。感应同步尺相当于一个展开了的旋转变压器，如图 3.22 所示。它由定尺与动尺两部分组成，动尺上印制有正弦、余弦两个激磁绕组，两个绕组空间相差 1/4 节距(相当于电角度 90)，相当于旋转变压器的定子上两个空间上相互垂直
27、的激磁绕组;定尺上印有感应绕组，相当于旋转变压器的副边。在安装时，两尺保持平行，且有一定活动间隙(0.50.25mm)，节距一般为 2mm。第3章 传感器技术图 3.22 感应同步尺结构第3章 传感器技术感应同步器有以下两种工作方式，分别是鉴幅式和鉴相式。(1)鉴幅式工作时，动尺的两个激磁绕组电压的频率及相位都一样，但幅值不同，感应绕组输出电压的频率、相位与激磁电压一样，而幅值随动尺的移动作周期变化。(2)鉴相式工作时，感应同步器两个激磁绕组供电的频率及幅值都相同，但相位相差90;感应绕组的输出电压为一幅值不变的正弦电压，但其相位随动尺位置而变化。第3章 传感器技术4.光栅传感光栅传感器器光栅
28、是一种将等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件。光栅传感器的结构如图 3.23 所示，它由光源、长光栅、短光栅、光电元件组成。光栅上刻线之间的距离(即节距 )根据需要的精度确定，一般每毫米刻 50、100、200 条线。长光栅可移动，称做标尺光栅，短光栅固定不动，称为指示光栅，二者互相平行，它们之间保持一定 间 隙(0.50.1mm 等)。一对长、短光栅刻线的密度是一样的。第3章 传感器技术图 3.23 光栅传感器的结构第3章 传感器技术当两块光栅十分接近、刻线互相倾斜一个很小的角度 时，光源通过长、短光栅后就会出现几条较粗的明暗条纹，如图 3.24 所示，这种条纹在物理学上叫做
29、莫尔条纹。莫尔条纹的方向几乎与刻线的方向垂直。莫尔条纹的间隔 W 可表示如下:第3章 传感器技术图 3.24 莫尔条纹第3章 传感器技术莫尔条纹的特性:方向性:垂直于角平分线，当夹角很小时，莫尔条纹与光栅的运动方向垂直。同步性:光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个间距。放大性:夹角 很小，莫尔条纹间距远远大于光栅间距。可调性:夹角 减小，莫尔条纹间距 W 增加。准确性:大量刻线导致误差具有平均效应，克服了个别/局部误差，提高了精度。第3章 传感器技术光栅传感器的特点:精度高:测长为 0.2 m，测角为 0.1。量程大:可达数米级。响应快:可用于动态测量。增量式:通过计数增量码测量。要求高:对环境
30、要求高。成本高:电路复杂。第3章 传感器技术5.光电位置检测传感器光电位置检测传感器1)原理光电位置检测传感器(PositionSensitiveDetector，PSD)的基本结构如图 3.25 所示。图 3.25 所示是一维 PSD 的截面图，在高阻半导体一面或两面形成均匀电阻层，在电阻层两端安装用于取出信号的一对电极。半导体表面形成 PN 结，因光电效应而生成光电流。光入射位置处的光生电荷形成与光入射能量成比例的光电流，该电流流向电阻层，电流的大小与到各电极的电阻成反比，从电极 A 和 B 各自取出的电流为 I A 和 I B。这样，根据 I A 和 I B 的比值就能检测到光的入射位置
31、，而与光的入射能量无关。第3章 传感器技术图 3.25 一维 PSD 截面图第3章 传感器技术2)激光测距PSD 可作为距离传感器，用一维 PSD 作为距离传感器检测距离时可利用三角测距的原理。如图 3.26 所示是一个利用 PSD 作为敏感元件的激光距离传感器的原理图。半导体激光源射出的光束由激光棱镜聚焦成光点，照射到被测对象上，其表面上的一部分反射光从受光棱镜聚焦在位置检测元件上形成光点。当被测对象从 O 点移动到 A 或B 时，位置检测元件上光点的位置也相应地从 O 移动到 A 或 B。根据 PSD 就可以计算出被测对象的位移量。根据传感器的上述性质，应使传感器的发射光线与被测表面尽量垂
32、直，同时保证传感器与被测表面保持适当间距。第3章 传感器技术图 3.26 激光距离传感器工作原理第3章 传感器技术激光测距的特点是非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小(几十微米)、测量准确度高;缺点是精度受光学元件本身精度的影响，同时还受环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体表面特征的影响。第3章 传感器技术3.3 力力 传传 感感 器器3.3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成直接测量应变(应力)的电阻应变式传感器。第3章 传感器技术电阻应变式传感器具有以下特点:精度高，测量
33、范围广。使用寿命长，性能稳定可靠。结构简单，体积小，重量轻。频率响应较好，既可用于静态测量，又可用于动态测量。价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。第3章 传感器技术1.电阻应变式传感器的基本原理电阻应变式传感器的基本原理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，称为金属的电阻应变效应。若金属的长度为 L，截面积为 A，电阻率为 ，其未受力时的电阻为 R，根据欧姆定理如果金属丝沿轴向方向受拉力变形，其长度 L、截面积 A、电阻率 都会发生变化。第3章 传感器技术实验证明，在金属丝变形的弹性范围内电阻的相对变化 d R/R 与应变 (=
34、d L/L)是成正比的。因而可以有以下关系:式中，K s 为一常数，称为金属丝(或应变片)的灵敏系数。第3章 传感器技术2.电阻丝应变片的测试原理电阻丝应变片的测试原理电阻丝应变片一般是用直径为 0.025mm 左右、具有高电阻率的电阻丝制成的。为获得高的电阻值，将电阻丝排列成栅状(如图 3.27 所示)，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的机座上。应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，使其电阻值发生相应的变化，并通过转换电路转化为电压或电流的变化，即可测量应变。第3章 传感器技术图 3.27 电阻丝应变片结构第3章 传感器
35、技术如果应用仪器测出应变片的电阻值变化量 R，则根据式(3.14)可以得到被测对象的应变值 ，根据应力与应变关系式(3.15)可以得到应力值。式中，为试件的应力，为试件的应变。通过弹性敏感元件的转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。第3章 传感器技术3.电阻应变式传感器的分类电阻应变式传感器的分类金属电阻应变片分为四种:丝式、箔式、金属膜式和半导体式(压阻式)。金属丝式应变片有回线式和短接式两种。回线式应变片是将电阻丝绕制成敏感栅粘结在各种绝缘基底上而制成的，它是一种常用的应变片。短接式应变片是将敏感栅
36、平行安放，两端用直径比栅丝直径大 510 倍的镀银丝短接起来而构成的。这种应变片的突出优点是克服了回线式应变片的横向效应，但由于焊点多，在冲击、振动试验条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏，且制造工艺要求高。第3章 传感器技术金属箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将厚约为 0.0030.01mm 的金属箔片制成敏感栅而成的应变片。这种应变片具有很多优点，在测试中得到了日益广泛的应用，在常温条件下，已逐步取代了线绕式应变片。它的主要优点是:可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到 0.2mm，以适应不同的测量要求;横向效应好;散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度;蠕变和机械
37、滞后小，疲劳寿命长;生产效率高，便于实现自动化生产。第3章 传感器技术薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，其厚度在 0.1 m 以下。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成的应变片。这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片，但是目前尚难控制其电阻对温度和时间的变化关系。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的“压阻效应”。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。常见的半导体应变片是用锗和硅等半导体材料作为敏感栅，一般为单根状。根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化
38、。第3章 传感器技术3.3.2 压电式传感器压电式传感器1.压电效应压电效应压电式传感器是利用压电效应来测量力的。某些介电物质，在沿一定方向对其施加压力或拉力使之变形后，在它的表面上会产生电荷，当外力去掉时，又回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。如图 3.28 所示，当在 x 轴方向上对压电晶体施加一压力 F x 时，在垂直于 x 轴的晶体表面上产生电荷 Q。电荷 Q 的大小可以表示为第3章 传感器技术式中，d 为 x 轴方向受压时的压电系数，它表征压电材料性能。同一材料在不同的受力和变形方式下其 d值也不同。反过来，如果在压电晶体上垂直于 x 轴平面加上电场，会使晶片产生机械变形;如果加
39、交流电压，则切片沿电极方向有伸缩而产生机械振动，这种现象称为“电致伸缩效应”或“逆电压效应”。压电材料可分为两类:一类叫做压电晶体，如石英晶体(即二氧化硅)、酒石酸钠等;再一类叫压电陶瓷，如钛酸钡、铣太酸铅、铌酸铅等。一般压电陶瓷有比较高的压电系数，如铌镁酸铅 d=(800900)10-12 C/N。第3章 传感器技术2.压电传感器压电传感器压电晶体受力而使晶体的两个表面产生正负电荷，要进行静态测量必然会引起电荷的泄漏(除非测量回路输入阻抗为无穷大)。由于压电材料在交变力作用下，电荷可以不断得到补充，因而可供给测量回路一定的电流，故适于动态测量。压电晶体受力时，在一个极上出现正电荷，另一个极上
40、出现等量的负电荷，而中间为绝缘体，因此可把它看做是一个电容器。第3章 传感器技术由于压电传感器的输出信号非常微弱，一般要将电信号进行放大才能测量，然而压电片内阻相当高，因此，通常传感器的输出先由低噪声电缆送入高输入阻抗的前置放大器，前置放大器的主要作用是将压电传感器的高阻抗输出变成低阻抗输出(即阻抗变换)，然后再经过一般的放大、检波或通过功率放大至数据采集设备，如图 3.29 所示。第3章 传感器技术图 3.29 压电传感器系统结构第3章 传感器技术3.4 温温 度度 传传 感感 器器3.4.1 热敏电阻热敏电阻利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫热电阻传感器，它主要用于对温度和与温度有关的
41、参量进行检测。按电阻的性质来分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。半导体热电阻又称热敏电阻，不同的材料烧结的热敏电阻特性也不同。热敏电阻大致可分为负温度系数热敏电阻 NTC)、正向特性热敏电阻(PTC)和临界温度电阻器(CTR)三类。这三种热敏电阻的温度特性如图 3.30 所示。第3章 传感器技术图 3.30 三种热敏电阻的温度特性第3章 传感器技术在某一特定的温度值下，PTC 和 CTR 的电阻值会发生急剧的变化，因此不能用于宽范围温度的 测量，而 适于特定温 度的检测。负温度系数 热敏电阻的 温度系数一 般为(-2-6)%/，而开关型则大于 10%/。热敏电阻传感器可用于液体、气体、固
42、体、固熔体等方面的温度测量，测量范围一般为-10300，也可以做到-20010 和 3001200。通常使用电桥(如图 3.31 所示)作为传感器的量测电路，因为电桥能精确地测量电阻的微小变化。第3章 传感器技术图 3.31 用于热敏电阻传感器中的桥式测量电路第3章 传感器技术3.4.2 热敏二极管热敏二极管热敏二极管的使用温度范围在-50+150。在规定的使用温区内，这种温度敏感器件具有线性度好、灵敏度高、体积小、响应快和输出电阻低等特点。使用时，给热敏二极管加一个恒定的电流(例如 100 A)，则在热敏二极管两端得到一个随温度呈线性变化的电压。热敏二极管直接输出的电压较低，一般只有零点几伏
43、，需经放大电路放大。图 3.32 所示为热敏二极管的典型应用。其中电源+V 经 R 1、R 2 及稳压管 V D 供给热敏器件 V T 一个较为稳定的电流，A1是跟随器，A2是反相放大器。V 输出即传感器的输出，它的值与温度成一定的线性关系。第3章 传感器技术图 3.32 一个典型的热敏二极管的应用测量电路第3章 传感器技术在使用热敏二极管时，除了应保持器件与被测物体之间有良好的接触外，器件应避免强光照射、放射性辐射以及强磁场干扰的测量环境，必要时可用屏蔽式探头。此外，器件作控温使用时，应注意器件测温的滞后性(器件时间常数为 0.12s)。第3章 传感器技术3.4.3 热电偶热电偶如图 3.3
44、3 所示，把两种不同的导体或半导体连接构成闭合回路，当两个节点保持不同温度时将产生热电动势(塞贝克效应)，将此热电动势用于温度测量的元件称为热电偶。图 3.33 热电偶原理第3章 传感器技术热电偶回路中的热电势由两部分组成:接触电势和温差电势。接触电势产生的原因是，当两种导体接触时，由于两者电子密度不同，电子密度大的导体的电子向另一导体扩散的速率高，结果丢失电子多的导体带正电荷，得到电子的导体带负电荷，这样就形成接触电势。接触电势的大小取决于两种导体的性质和接触点的温度。温差电势是同一导体两端因温度不同(例如 T T 0)产生的。高温端的电子能量比低温端电子能量大，因此，从高温端流向低温端的电
45、子数目比从低温端流向高温端的多，结果失去电子的高温端带正电荷，得到电子的低温端带负电荷。第3章 传感器技术在热电势中，接触电势占的比例大于温差电势。热电势总电势是温度 T 和 T 0的函数，若令冷端温度 T 0固定，则总电势只与热端温度 T 成单值函数关系。构成热电偶的两个导体必须是不同的金属材料，如铂铑 铂，镍铬 铅镍，铜 康铜，铁 考铜，铱 铱铑等。否则，无论两节点温度如何，热电偶回路总电势将为零。第3章 传感器技术在热电偶回路接入第三种材料的导体时，只要第三种导体两端与热电偶接触的地方温度相同，则第三种导体的引入不会影响热电势，这一性质称做“中间导体定律”。根据这一性质，才可以在回路中接
46、入各种仪表及连接线，也允许用任意的焊接方法来焊制热电偶的节点，而不必担心它们是否会对热电势有影响。根据这一性质，可以采用图 3.34 所示的测量结构。第3章 传感器技术在图 3.34 所示的测量结构中，用一种导线将冷端延伸出来，把延伸的冷端连同测量仪表一起放在恒温或温度波动小的地方，这种导线称为“补偿导线”。这种补偿导线在一定温度范围内应具有和所连接的热电偶相同的热电性能。第3章 传感器技术图 3.34 热电偶测量第3章 传感器技术3.5 光光 电电 传传 感感 器器光电传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式
47、光电传感器、色彩传感器、CCD 和 CMOS 图像传感器等。光电传感器的敏感波长一般在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光电传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最普遍的光敏传感器是光敏电阻和光电二极管，下面分别进行详细介绍。第3章 传感器技术3.5.1 光敏电阻光敏电阻光敏电阻器(photovaristor)又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，当入射光强增强
48、时，电阻减小;当入射光减弱时，电阻增大。光敏电阻器一般用于光强测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当光敏传感器受到光的照射时，半导体片(光敏层)内就激发出电子 空穴对参与导电，使电路中的电流增强。一般光敏电阻器的结构及其实物图如图 3.35 所示。第3章 传感器技术图 3.35 光敏电阻器结构及其实物图(a)光敏电阻器的结构;(b)电路中图形符号;(c)实物图第3章 传感器技术用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带能量，则
49、价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子 空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降，即光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子 空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。第3章 传感器技术根据光敏电阻的光谱特性，可分为如下三种光敏电阻器:紫外光敏电阻器:对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器:主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，以及红外通信等国防、科学研究和工
50、农业生产中。第3章 传感器技术可见光光敏电阻器:包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等，主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。光敏电阻的应用非常广泛，例如:照相机自动测光、光电控制、室内光线控制、报警器、工业控制、光控开关、光控灯、电子玩具、光控音乐、电子验钞机等。第3章 传感器技术用光敏电阻做光电开关电路，其灵敏度是相当高的，图 3.36 为光控继电器原理图。照度较低时，三
