第三章 传感器

第三章常用的传感器§3.1传感器的分类一、传感器的定义通俗的讲，传感器就是将被测信息转换成某种信号的器件。

也就是将被测物理量转换成于之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器。

传感器通常直接作用于被测量。

传感器是对信号进行感受与传送的装置，它是测试装置的输入环节，因此传感器的性能直接影响着整个测试装置的工作可靠性。

近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这个领域内的一个重要构成因素，被视为90年代的重要技术之一受到了普遍的重视。

深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中的自动测量和自动控制的发展，以及在科学技术领域里实现现代化都有重要意义。

二、传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三个主要部分组成，有时还加上辅助电源。

通常可用图表示如下：图4-1 传感器的组成由于其用途的不同或是结构原理的不同，其繁简程度相差很大。

因此，传感器的组成将依不同情况而有差异。

敏感元件——传感器的核心，它直接感受被测量（一般为非电量）并转换成信号形成，即输出与被测量成确定关系的其它量的元件，如膜片、热电偶，波纹管等。

传感元件——又称变换器，是传感器的重要组成部分。

传感元件可以直接感受被测量（一般为非电量）而输出与被测量成确定关系的电量。

如热电偶和热敏电阻等。

传感元件也可以不只感受被测量，而只是感受与被测两或确定关系的其它非电量；如应变式压力传感器的电阻片，并不直接感受压力，只是感受与被测压力成确定关系的应变，然后输出电量，在多数情况下，使用的就是这种传感元件。

测量电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。

测量电路视传感元件的类型而定。

三、传感器的分类在生产和科研中应用的传感器种类很多，一种被测量有时可以用集中传感器来测量，用一种传感器往往可以测量多种物理量。

为了对传感器有一个概括的认识，对传感器进行研究是很必要的。

传感器的分类方法很多。

目前还找不到尽善尽美的分类方法（使用者多与厂家通常习惯于按被测对象分类，而对于一些从事检测技术的专业学者、工程技术人员，则习惯于按传感器的变换原理及结构进行分类）。

可以按被测量、传感器工作原理、信号变换特征、敏感元件与被测对象之间的能量关系、输出信号分类等等进行分类。

按被测量分类，可分为传移传感器、力传感器、温度传感器等；按传感器工作原理可分为机械式、电气式、光电式、流体式等；按信号变换特征可概括分为物理型和结构型；根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，可以分为能量转换型与能量控制型；按输出信号分类可分为模拟式和数字式等等。

其中，物理型传感器是依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换的。

水银温度计（热胀冷缩）、压电测力计（压电效应）。

结构型敏感器则是依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换的。

能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输出能量使其工作的。

如热电偶温度计、弹性压力计等。

能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给辅助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。

四、对传感器的性能要求由于传感器的种类很多，因此对传感器的性能要求不可能相同，现给出几项基本的性能要求：1、测量范围——是指该传感器在测量中使用的上下界限；（上限和下限的代数差称为电量程）2、超载能力——表示传感器在不致造成所规定性能指标永久改变的条件下，使用时允许超过测量范围的能力。

一般用允许超过测量上限（或下限）的被测量值与量程的百分比表示，但这只是说，出现此种情况时，传感器不致损坏，并不保证规定的性能。

3、灵敏度——传感器输出的变化值与相应的被测量的变化值之比。

4、分辩力——它是传感器可能检测出的被测信号的最小变化量。

5、误差——是指传感器之测量值与被测量之真实值的偏差程度。

这里指静态误差，常用非线性误差、滞后性误差和重复性误差三项指标来表示。

6、动态性能——是指传感器对于随时间变化的输入信号的影响能力。

通常用频率响应特性或阶跃响应特性来表示，在选用传感器时，应根据测量的具体情况来适当地提出指标要求。

除上述主要指标外，还应考虑使用的环境要求、使用寿命等。

对于特定情况下使用的传感器，还有特定的性能指标要求。

§3.2电阻式传感器及应变仪电阻式传感器是把被测的量，如位移、力等转换为电阻变化的一种传感器。

按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。

一.变阻器式传感器变阻式传感器也称为电位计式传感器，其工作原理是通过改变电位计触头位置，实现将位移转换为电阻的变化。

常用的有直线位移型、角位移型和非线性等。

见书59P 图3-5对于直线型，当被测位移变动时，触点C 沿变阻器移动，若移动x,则C 点与A 点之间的电阻值为：x k R l =那么传感器的灵敏度为：l k dxdk S == （3-1） 式中l k ——单位长度的电阻值。

当导线分布均匀时，为常数，此时传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。

对于位移型变阻式传感器，它是将角度的变化转换为电阻的变化。

故其灵敏度为： ααk d dk S == （3-2） 式中α——转角[rad]αk ——单位弧度对应的店阻值变阻器式传感器的优点是结构简单、性能稳定、使用方便。

缺点：分辩率不高，因为受电阻丝直径的限制。

提高分辨率使用更细的电阻丝，很细的电阻丝绕制困难，并要求绕制时保持恒张力，所以此类传感器的分辨率很难优于20m μ。

另外，由于电刷和电阻元件之间接触面的变动和摩擦、尘埃附着等，都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化，从而产生噪声。

变阻式传感器被用于线位移、角位移的测量。

二.电阻应变式传感器电阻应变式传感器是用应变片粘贴在弹性元件上，通过被测量对弹性元件的使用，使弹性元件产生变形（应变），由这应变通过应变片转化为电阻的变化，即完成由非电量转化为电量过程。

所以应变片是一种变换器，是应变传感器中的基本元件。

应用应变片直接粘贴在受试材料的表面，配用专用仪器——应变仪可以直接测出受试材料表面的应变，是目前实验、应力分析、结构强度实验的主要测试手段。

应变片就其材料来分，可分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。

〈一〉金属电阻应变片常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种，其工作原理基于电阻丝的“应变效应”。

1.电阻丝的应变效应应变效应——金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长，缩短）而发生变化的物理现象，称为“应变效应”。

在物理中，金属丝的电阻R 可由下式确定：sl R ρ= (3-3)式中：l ——金属丝长度 )(m ；s ——金属丝截面积)(2mρ——金属丝的电阻率)/(2m cm ⋅Ω当在使用过程中，电阻丝变形，其中l 、s 、ρ均随电阻丝的变形而变化，而l 、s 、ρ的变化又将引起R 的变化，所以当每一可变因素分别有一增量dl 、ds 、ρd 时，电阻增量为：ρρd R ds s R dl l R dR ∂∂+∂∂+∂∂= (3-4) 其中：2r s π=，r 为电阻丝半径，所以：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=+-=ρρρππρπρd r dr l dl R d r l dr r l dl r dR 22232 电阻的相对变化为：ρρd r dr l dl R dR +-=2 (3-5) 式中：ε=l dl ——电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变； rdr ——电阻丝径向相对变形，或称横向应变。

当电阻丝沿轴向伸长是，必沿径向缩小，两者之间的关系为：ldl r dr μ-= (3-6) 式中：μ——电阻丝材料的泊松比。

将(3-6)代入(3-5)式，则：()ldl d l dl l dl d R dR μρρμρρ212++=++= (3-7) 由物理学可知，材料电阻率的变化与其体积的变化有线性关系即：VdV c d =ρρ式中：V ——金属丝体积；c ——比例常数，由材料性质决定（可由实验测定）。

由于 l r V 2π=()dl r rldr dV 22+=π()ldl r dr l r dl r rldr V dV +=+=2222ππ 又因l dl r dr μ-= 所以 ()μ21-=ldl V dV因此：()ldl c d μρρ21-= (3-8) 将(3-8)代入(3-7)，有： ()()ldl l dl c R dR μμ2121++-= (3-9) 由上式可得： ()()常数=-++=μμ2121l dlR dR(3-10) 或ε⋅=∆sg RR (3-11) sg 称为灵敏度或应变系数(3-11)式表明金属丝的变形（纵向应变）与电阻相对变化⎪⎭⎫ ⎝⎛∆R R 成线性关系，由于对某一种金属丝来说，μ值在弹性区与塑性区是不同的，所以一般说来弹性区的灵敏度与塑性区不同。

在塑性区sg 接近于2，在弹性区μ值在0.25～0.5之间，与材料性质有关。

例如：钢30.0~24.0=μ,铜42.0~32.0=μ。

但在塑性区，则与材料性质无关，μ=0.5。

如果选择适当的材料，如康铜经过一定的工艺处理使式（3—10）c 值等于1，则无论塑性区还是弹性区，2=s ，这样就可以用来测量大变形，无论弹性区还是塑性区都保持线性关系，其灵敏度s 都等于2，由于这个原因，目前市场上出售的应变片的灵敏度都在2左右。

2.金属丝式带内阻应变片结构见60P 图 3-7把一根具有高电阻率的金属丝1绕成栅形，粘贴在绝缘的基片2和覆盖层3之间，由引出导线4接于电路上。

基片常用纸或者胶膜两种。

在较高温度工作的应变片，有用金属薄片或石棉、玻璃纤维增强塑料薄片做基片的，不同的基片有不同的使用范围。

所以采用的金属直径在0.025mm 左右，允许电流25mA （毫安）左右，如散热条件好，可适当提高。

3.金属薄式应变片它的基本工作原理与丝式相同，只是它的丝栅是有很薄的箔片制成。

金属箔片的材料是康铜或镍铬合金等。

其厚度在1~10之间，该应变片散热好，允许通过较大的电流。

其制造方法是先将箔片与胶膜放在一起，用照相方法或光刻技术形成线栅图形，然后进行腐蚀，获得所需要的线栅。

<二>半导体应变片半导体应变片是以半导体小条作为敏感栅的应变片，其典型结构见62P 图3-9。

半导体应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即将其粘帖在弹性元件上或被测物体上，随被测试件的应变，其电阻发生相应的变化。

半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。

所谓压阻效应是指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。

不同材料的半导体，施加载荷的方向不同，其压阻效应也不一样，当一块半导体小条沿其纵向受到应力σ时，其电阻率的变化率为：σπρρe =∆ (3-12)式中e π ——半导体材料的压阻系数，与半导体材料、晶体取向和应力的方向有关。