钻井仪表传感器

半导体的电阻率随应变的改变所产生的变化（压阻
效应）远远大于材料轴向伸长、径向缩小的作用。 压阻效应所引起的电阻相对变化率： dR/R=λEε

式中：E－－半导体材料的弹性模量； λ－－半导体材料的压阻系数。
半导体应变片的灵敏度比金属丝电阻应变片高50
～70倍。
使用方法与金属电阻应变片相同。
第二章
传感器原理及应用
主要内容
a. 电阻式传感器 b. 电感式传感器 c. 电容式传感器 d. 光电式传感器 e. 压电式传感器 f. 超声波传感器 g. 红外线传感器 h. 振弦式传感器 i. j.
霍尔式传感器 光纤式传感器
一、电阻式传感器
将非电物理量的变化量转换成相应的电阻值的变化量
。
非电物理量：位移、形变、力（压力）、温度、速度（加速度
弯曲测量 （R1、R2工作，R3、R4补偿） ΔR1=ΔRP+ΔRM， ΔR2=ΔRP-ΔRM， ΔR=ΔR1-ΔR3=2ΔRM
扭转测量
（R1、R2、R3、R4均工作，与轴线交叉45°） ΔR=ΔR1-ΔR2+ΔR3-ΔR4∝M
半导体应变片
工作原理：
基于半导体材料的压阻效应。

单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变 化的现象称为压阻效应。
（R1、R2工作片，R3、R4标准电阻）
全桥：R1=R2=R3=R4。
（R1、R2、R3、R4均为工作片）
输出电压
U ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 − + − ) Uo = ( 4 R1 R2 R3 R4 U = k (ε 1 − ε 2 + ε 3 − ε 4 ) 4
拉伸测量 （R1、R3工作，R2、R4补偿） ΔR1=ΔRP+ΔRM， ΔR3=ΔRP-ΔRM， ΔR=ΔR1+ΔR3=2ΔRP
非电量测量的一种装置。它可以把连续变化的线位 移或角位移转换为线圈的自感或互感的连续变化。 分类
根据转换原理不同可分为：自感式和互感式 根据结构类型不同可分为：气隙型和螺管型
ω－－匝数 电感式传感器公式：
L=
ω2μ0 S 2δ
μ0－－导磁系数
Ｓ－－导磁面积
δ－－气隙
1.自感式传感器

铂电阻精度高，稳定性好，在作为复现温标的
基准器和工业测量中得到了广泛的应用。
铜热电阻(简称铜电阻) 传感器
温度特性 Rt＝R0(1+At+Bt2+Ct3 ) 式中：R0为0℃时的电阻值，A、B、C为常数，其值为
A=4.28899×10-31／℃ B＝-2.133×10-71／℃ C＝1.233×10-91／℃
电位器的结构
通常由骨架、电阻元件及活动电刷组成。
线绕式
直线位移型
角位移型
某些电刷结构
1、电刷 2、电阻元件
薄式
薄膜式电位器一般有两种： 碳膜电位器 金属膜电位器。 在绝缘骨架表面上喷涂、镀上一层均匀的导电
薄膜。
光电式
是一种非接触式电位器，以光束代替了常规的
电刷，从根本上解决了磨损问题。
动态非接触测量
电感式传感器的其它应用
测量位移和尺寸 检测金属内部缺陷的及其它无损检测技术
测量能转换成位移变化的其他参数：
力，张力，压力，压差，振动，应变，转矩，流量，比重等
压力测量
电感式传感器与弹性敏感元件（膜片，膜 盒和弹簧管等）相组合，可以组成开环压 力传感器和闭环力平衡式传感器。
号大，可靠性较高。 缺点：绝大部分是接触式，噪声大，耐磨性较差，寿命较短 。
由于上述优点，电位器式传感器在石油工程中仍在广
泛应用之中。
2、电阻应变传感器
是将被测量的力通过它所产生的金属弹性变形
转换成电阻变化的敏感元件。 工作原理：
把被测材料的应变（形变）转换成电阻的相对变化。
构成： 由电阻应变片和测量线路两部分组成。 分类： 金属电阻应变片式（丝式、箔式） 半导体应变片式
电位器式传感器应用举例
YCO-150型压力传感器 膜盒电位器式压力传感器 电位器式位移传感器 测小位移传感器 电位器式加速度传感器
YCO-150型压力传感器
膜盒电位器式压力传感器
电位器式位移传感器
测小位移传感器
电位器式加速度传感器
电位器式传感器的主要特点：
优点：结构简单，价格低廉，安装方便，使用广泛，输出信
大：10×20 mm；小：3×3 mm或更小
• 各种应变片
应变测量
将应变片粘贴于测量表面测量变形。 l R=ρ s ρ—电阻率，l—长度，s—面积。
∆R = kε R
k—应变片灵敏系数，k=1.7-3.6(2.0)。 ε—微应变（即10-6）。
应变片的测量电路
桥路联接 半桥：R1=R2，R3=R4。
金属电阻的应变效应 金属电阻应变片在发生机械变形时，其电阻值发生变化。
丝式电阻应变片的电阻丝由具有高电阻率的金属丝制成，一般是康铜或镍铬合金

，直径约0.025mm，绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出线接于 后续电路。 金属箔式应变片是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。 金属箔栅用光刻成形，根据需要制造成各种形式。多栅组合片又称为应变花。 箔片厚度约为1～10µm，线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好，散热好，便于大 量生产，目前使用的多为金属箔式应变片。 把应变片用特制胶水粘固在需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝 随同物体一起变形（长度l 、断面积A、电阻率 ρ 均变化），根据欧姆定律，R＝ ρl / A，其电阻值R发生相应变化，由此将被测量的变化转换为电阻变化。
由于铜电阻在0～100℃之间基本上是线性的，此时，
可用下式表示

Rt＝R0(1+at ) 式中：a为0～100℃之间的温度系数，其值为
a＝4．28×10-31／℃
用铜做热电阻材料，价格便宜，在工业上对精度
要求不太高的场合应用较多。
具体应用
以热电阻为一臂
组成电桥 接线方式：
二线制 三线制
液位测量
三、电容式传感器
电容式传感器测量原理
变面积 变距离 变介电常数
C=
εS
d
ε—介电常数 S—面积 d—距离
一种电容式加速度传感器
• 采用差动式结构，有两个固定
电极，两板极之间有一用弹簧 支撑的质量块。 • 垂直方向上振动时，质量块相 对两固定电极产生位移，使电 容C1、C2中一个增大，另一个 减小。 • 由电容变化测出的位移计算惯 性力，进而由已知质量计算出 加速度的大小。
●变面积式传感器
●螺管式传感器 随着衔铁的插入深度不同将引起线圈泄漏路径 中磁阻的变化，从而使线圈的电感发生变化。
2、互感式传感器
变气隙型，变面积型和螺管型 应用较多的是螺管型差动变压器
• 组成：一次(初级)线圈和二次(次级)线圈及可动铁芯 • 二次线圈W1及W2参数完全相同，差动连接(反极性串联) • 一次线圈W加上交流电压，二次线圈W1及W2分别产生感应 电势e1和e2，大小与铁芯位置有关，与位移x成比例。 • 当铁芯在中心位置时，e1 = e2，输出电压e0= 0； • 铁芯向上运动时，e1＞e2；向下运动时，e1＜e2，随着铁芯 偏离中心位置，e0逐渐增大。
( Rt + Rr ) R2 = ( R1 + Rr ) R3
Rt = ( R1 + Rr ) R3 − Rr R2 R1 R3 R3 Rr = + − Rr R2 R2 R2
若使R2=R3，Rt=R1，说明此种接法导线电阻 Rr对热电阻的测量无影响。
二、电感式传感器
电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化实现
变气隙式，变面积式与螺管式 变气隙式自感传感器的结构原理如下图
传感器由线圈，铁芯和衔铁等组成，图中点 划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为l1,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，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，完成从非电量到电量的转换 。
）、气体成分、浓度等
种类
电位器式、应变片式、压阻式、热电阻式、热（气、光
、磁）敏电阻式等等。
主要应用
测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温
度等。
1、电位器式传感器
把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定
函数关系的电阻变化或电压变化的传感元件。 种类
按结构形式：线绕式、薄膜式、光电式等； 按位移方式：直线位移型、角位移型；
四、光电传感器
外光电效应
当光辐射照在某些材料的表面上时，若入射光的光子
能量足够大，就能使材料的电子逸出表面，向外发射 电子。
内光电效应 光的作用深入到物体内部，使电子从键合状态过渡到 自由态(仅仅发生能态变化)，而不向外界发射，这种 内部激发称为内光电效应。 根据工作原理的不同分为光电导效应和光生伏特效应 能够呈现内光电效应的材料主要是半导体，基于内光 电效应的器件属于半导体光电器件.
特点 电涡流式传感器为非接触式传感器，其灵敏度 高、结构简单、尺寸小、抗干扰能力强及频率 特性好，可同时实现静动态测量（频率范围从 零到几千赫兹），且具有较宽的量程，应用范 围较广，主要用在旋转机械（轴）振动测量、 轴心轨迹及轴承油膜厚度测量、转速测量及转 子现场动平衡等。
电涡流传感器的应用
一般采用氧化铝作基底，在其上蒸发一条带状电阻薄膜（镍铝合
金或镍铁合金）和一条金属的高传导集电带（铬金或银等组成） ，在电阻带和集电带之间留有的一条窄间隙上沉积一层光电导体 （硫化镉（CdS）硒化镉（CdSe）），当窄光束（相当于电刷）照 射在此间隙上时，光电导层导通，就相当于把电阻带和集电带接 通，在外电源E的作用下，负载电阻RL上便有输出电压，这个电压 的大小随着窄光束位置的移动而变化。而在无光束照射时，因光 电层的暗电阻极大，电阻带和集电带之间可视为断路。