四种压力传感器的基本工作原理及特点
常见传感器的工作原理及应用教学设计
常见传感器的工作原理及应用教学目标1．了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻片、霍尔元件等特性2．知道利用其特性制作敏感元件。
教学重难点教学重点知道传感器中常见的四种敏感元件：光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片和霍尔元件。
教学难点知道常见传感器的工作原理及应用。
教学准备多媒体设备教学过程新课引入教师活动：展示图片。
教师口述：我们知道，传感器可以感受光强、温度、力、磁等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。
那么，常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？讲授新课一、光敏电阻教师提问：光敏电阻是如何制造成功的？（有一些物质，例如硫化镉，电阻率与所受光照的强度有关，把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极，这样就制成了一个光敏电阻。
）教师提问：光敏电阻的电阻和光照之间有什么样的联系呢？看演示实验教师活动：完成演示实验：实验器材：光敏电阻、普通电阻、万用电表实验过程：将电表置于倍率为“×1k”的欧姆档，先用阳光直接照射光敏电阻，测出电阻的阻值，然后用室内自然光照射测量光敏电阻的阻值，最后用手掌遮住光敏电阻测量其阻值。
教师提问：电阻阻值有什么变化呢？学生回答：电阻阻值逐渐减小。
教师总结：光敏电阻的阻值随着光照强度的增加而减小。
教师活动：将普通电阻表面的漆层除去一些，是里面的导电膜露出来接收光照。
重做上述实验。
教师提问：普通电阻的阻值跟光照强度有关系吗？学生回答：无关。
教师提问：为什么光敏电阻的阻值会随着光照的增强而减弱呢？学生回答：硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增加，导电性能增强。
教师补充：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
（2）热敏电阻和金属热电阻教师讲解：有一些电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，这些电阻随温度的升高导电性能增加，电阻减小，并且电阻随温度的变化非常明显，这样的电阻称之为热敏电阻。
压阻法原理
3 . 灵敏度温度补偿
灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变 化而引起的。温度升高时，压阻系数变小；温 度降低时，压阻系数变大，说明传感器的灵敏 度系数为负值。 补偿灵敏度温漂可以采用在电源回路中串 联二极管的方法。温度升高时，因为灵敏度降 低，这时如果提高电桥的电源电压，使电桥的 输出适当增大，便可以达到补偿的目的。反之， 温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降 低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的 目的。
对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略。
R l E l R
半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的， 而电阻率ρ的变化是由应变引起的。 半导体单晶的应变灵敏系数可表示
K
R / R
lE
半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的 增加而减小。
膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各 点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化， 电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压 力差成正比。 四个电阻的配置位置： 按膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布情况确定。
3p 2 2 [( 1 ) r ( 3 ) r ] 0 8h 2 3p t 2 [(1 )r02 (1 3 )r 2 ] 8h
压阻效应
R (1 2 ) R
金属材料 半导体电阻率
半导体材料
l l
＝ l l E
πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向 与晶轴方向之间的夹角有关； E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
R (1 2 l E ) R
第二章 传感器的特性及标定
y a1 x a3 x 3 a5 x 5 具有这种特性的传感器，在靠近原点的相当大范
X
2．非线性特性的“线性化”
在实际使用非线性特性传感器时，如果非线性项次不 高，在输入量不大的条件下，可以用实际特性曲线的切线 或割线等直线来近似地代表实际特性曲线的一段，如图所 示，这种方法称为传感器的非线性特性的线性化。所采用 的直线称为拟合直线。
X
2.2.3频率响应函数
初始值均为零时，输出的傅立叶变换和输入的傅立叶变 换之比，是在频域中对系统传递信息特性的描述 傅立叶变换
Y j bm j bm1 j b1 j b0 H j n n1 X j an j an1 j a1 j a0
H j
K
2 1 ( ) 2 j( ) 0 0
K
H j
1 ( ) 4 ( )
这些函数有：传递函数、频率响应函数和脉冲 响应函数等。
X
2.2.2算子符号法与传递函数
1.算子符号法
dny d n1 y dy d mx d m1 x dx an n an1 n1 a1 a0 y bm m bm1 m1 b1 b0 x dt dt dt dt dt dt
1 d2 y
2 0 dt2
K1 2 d y y 2 F t KF t 0 d t 0
1 2 2 s s 1 ys KF s 2 0 0
H s s2
2 0
K 2 s
0
1
X
y a1 x ； （1）理想线性特性见图（a）。当 a0 a2 a3 a n 0 时， （2）输出----输入特性方程仅有奇次非线性项如图（c）所示，即
传感器与检测技术第四版 第二章
R3 R4 ( R1
R2 )
IL=0时电桥平衡
电桥平衡条件： R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4
R1
R2
Uo
RL
R3
R4
U
当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路
U0
R1R4 R2 R3 U ( R1 R2 )( R3 R4 )
应变片工作时，其电阻变化 R
U0
U
( R1 R1 )( R4 R4 ) ( R2 R2 )( R3 R3 ) ( R1 R1 R2 R2 )( R3 R3 R4 R4 )
则U0
Uk 4
1 2 3 4
结论：
U0
Uk 4
1
2
3
4
① Ri R 时，电桥的输出电压与应变成线性关系 。
② 若相邻两桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之差； 若相邻两桥臂的应变极性不同，输出电压为两者之和。
③ 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和； 反之则为两者之差。
低频(10~60Hz)振动测量中得到广泛的应用， 但不适用于频率较高的振动和冲击
5. 应变式扭矩传感器 扭矩：M=Fl
6. 应变式张力传感器
2.2 压阻式传感器
2.2.1 半导体的压阻效应
定义：单晶半导体材料沿某一轴向受外力作用时，其电阻率会 发生变化
压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。 主要用于测量压力、加速度和载荷等参数
R (1 2 E)
R
: 纵向应变 : 泊松比
: 压阻系数 : 应力值
新型压力传感器SCP1000的原理和应用
Ｓ Ｐ ０ ０ 供 有 高精 度 、高 速 、低 功 耗 和 超 Ｃ １０ 提
低功 耗 四种测 量模 式 ，可 结合 用户 的需 要 自由选 择测 量 方式 。需 要说 明 的是 ， 由于 笔者 所 在 的课 题 组 研 究 的是 无 人 机 ，因 此 ，对 速 度 有 相 当 要
模式 下 的温 度分 辨率 为０２ ０５℃。 ．～ ．
◇ 低 电 压 、低 功 耗
新 的商用场 合 。该传感 器 的主要 特点 如下 ：
◇ 测 量模 式 多、接 口简单
Ｓ Ｐ ００ Ｃ １０ 的贴 片式 设 计 和Ａ Ｉ ＳＣ封装 使 得 其 功 耗相 当的小 。 电压 在２４ ３３Ｖ时 ，其 电流 最大 也 ．～ ． 只有５ Ａ，近 乎可 以忽 略不计 。 ０
Ｓ Ｐ ００ 一 个 很 重 要 特 点 就 是 分 辨 率 高 。 Ｃ １０ 的
在 “ 精 度模 式 ”下 测量 时 ，Ｓ Ｐ ０ ０ 高 Ｃ １０ 的分 辨 率
为 １ ～ ａ ． ６Ｐ ，约０１ ０４ｍ；而 在 “ 低 功耗 模式 ” ５ ．～ ． 超
下 ，其 分 辨 率 为 ２ １ ａ ～ ５Ｐ ，约０２ １ 这 两 种 ．～ ． ｍ。 ３
个 ，电源引 脚九 个 。具体 的引脚 结构 和排 列形 状 如 图１ 示 ，中间顶端 的是传 感器芯 片头 。 所 Ｓ Ｐ ００ ／ Ｃ １０ 的Ｉ Ｏ引脚 功 能 （ Ｐ 接 口为例 １如 表 １ 以Ｓ Ｉ
◇ 高精度
对 于气 压传 感器 的应用来 讲 ，最重 要 的就 是
收稿 日期 ：０ ７ ０ — ３ ２ ０ — ３ １
２ ７第１ ０ 年１１ ０ １ 期 月
姆霪绛
压力变送器分类介绍
压力变送器分类介绍压力变送器是一种常用的工业测量仪表，用于将被测压力转换为标准信号输出，通常为电流信号（如4-20mA）或电压信号（如0-5V）。
根据不同的工作原理和结构特点，压力变送器可以分为多种不同的分类。
以下将介绍常见的几种压力变送器分类。
1.基于应变片原理的压力变送器：基于应变片原理的压力变送器是一种使用金属应变片的变送器。
当外部压力作用在应变片上时，应变片产生应变，应变产生的电阻变化通过电路传感进行放大，并转换为标准电信号输出。
这种压力变送器具有高精度、高稳定性和良好的线性特性，广泛应用于高精度压力测量。
2.基于薄膜片原理的压力变送器：基于薄膜片原理的压力变送器使用金属或陶瓷薄膜片作为敏感元件。
当外部压力作用在薄膜片上时，薄膜片发生形变，使电阻发生改变，并通过电路传感进行放大，转换为标准电信号输出。
这种压力变送器结构简单，体积小巧，适用于需要小尺寸和轻量化的应用场合。
3.基于压电元件原理的压力变送器：基于压电元件原理的压力变送器使用压电材料作为敏感元件。
当外部压力作用在压电材料上时，压电材料发生压电效应，产生电荷或电压信号。
这种压力变送器具有快速响应、高频测量、高温稳定性等优点，常用于动态压力测量和特殊环境测量。
4.基于电容原理的压力变送器：基于电容原理的压力变送器使用电容传感器测量被测介质的压力。
当外部压力作用在电容传感器上时，电容的值发生变化，并经过信号处理电路转换为标准电信号输出。
这种压力变送器具有高精度、高灵敏度、低功耗等优点，广泛应用于精密测量和自动控制领域。
以上是常见的四种压力变送器分类，每种类型的压力变送器都有其特点和适用范围。
在选择压力变送器时，需要根据具体的测量要求和工作环境来确定最合适的类型。
此外，还需考虑价格、可靠性、维护要求等因素，以确保选择到最适合的压力变送器。
新教材人教版高中物理选择性必修第二册 5-2 常见传感器的工作原理及应用 教学课件
(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘
A处。
(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，这个人的质量是
kg。
压力 F/N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 … 电阻 R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 …
新教材人教版高中物理选择性必修第二册 5.2 常见传感器的工作原理及应 用 教学课件
科 目：物理
适用版本：新教材人教版
适用范围：【教师教学】
第五章 传感器
5.2 常见传感器的工作原理及应用
第一页，共三十五页。
学习目标
1.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等 材料的物理特性.
2.利用电容器的结构改变影响电容的性质，设计电容式 位移传感器.
第二十二页，共三十五页。
11、电容式传感器的应用及优缺点
应用：面积型可用来测量位移（较大位移），极距型传感器可用来测量 微小位移，介质型传感器可用来鉴别材质。 优点：电容位移传感器能实现无接触测量。它采用合适的检测电路，做到灵
敏度高、分辨力强、能分辨微小的位移。还有信噪比大，灵敏度高，零漂小 ，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便。 缺点：电容位移传感器的量程比较小，一般只有几十个毫米，容易受外界干扰和 分布参数的影响
第二十六页，共三十五页。
当堂小练
例 1 、 (多选)利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送情况。如图甲所示为某工厂
成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光,每当工件挡住A发出的光时,
光传感器就输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图乙所示。若传送带始终匀
化工仪表自动化 【第三章】概述及压力检测及仪表
3.1 概述
测量工具不够准确
测量者的主观性
周围环境的影响等
3.1 概述
1.测量误差的定义 由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。 2.测量误差的表示方法
绝对误差
相对误差
xi：仪表指示值, xt：被测量的真值 由于真值无法得到 x：被校表的读数值， x x0 x0 ：标准表的读数值
导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导 体的霍尔电势小得多。
3.2 压力检测及仪表
将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹 簧管压力传感器，如图3-10所示。 当被测压力引入后，在 被测压力作用下，弹簧管自由 端产生位移，因而改变了霍尔 片在非均匀磁场中的位置，使 所产生的霍尔电势与被测压力 成比例。 利用这一电势即可实 图3-10 霍尔片式压力传感器 现远距离显示和自动控制。
将检测的参数转换为一定的便 于传送的信号的仪表
变送器
传感器的输出为单元组合仪表 中规定的标准信号
3.1 概述
测量过程的实质： 将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。 测量仪表： 将被测参数经过一次或多次的信号能量变换，最终获得 一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式 显示。
第三章 检测仪表及传感器 3.2 压力检测及仪表
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1.压力的单位
压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。
F S 式中，p表示压力；F表示垂直作用力；S表示受力面积。 p
压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）
1Pa 1 N m2
1MPa 1106 Pa
3.2 压力检测及仪表
工程上除了（帕）外使用的压力单位还有：工 程大气压、物理大气压、汞柱、水柱等。 帕与汞柱和物理大气压的换算关系为：
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四种压力传感器的基本工作原理及特点压力传感器是一种用于测量物体受到的压力变化的装置。
它们在工业领域中广泛应用，能够检测和监测各种物体的压力变化，从而保证生产过程的安全性和稳定性。
根据工作原理的不同，压力传感器可以分为四种类型：扩散硅压力传感器、电容式压力传感器、电阻式压力传感器和压阻式压力传感器。
1.扩散硅压力传感器：
扩散硅压力传感器是最常见的一种压力传感器。
其工作原理是利用硅片的绝缘层将传感器分成两个区域，一个区域位于压力源下方，另一个区域位于压力源上方。
当外界压力作用在硅片上时，上下两个区域之间的电荷会发生变化。
通过测量这个电荷变化，可以得到物体受到的压力。
该传感器具有较高的精度和灵敏度，可以测量较小的压力变化。
2.电容式压力传感器：
电容式压力传感器是通过测量电容变化来检测压力的。
它由两个金属电极构成，当外界压力施加在电极上时，电极之间的电容会发生变化。
通过测量电容的变化，可以推导出物体所受到的压力大小。
电容式压力传感器具有较高的灵敏度和快速的响应速度，适用于高频压力变化的测量。
3.电阻式压力传感器：
电阻式压力传感器是利用电阻值的变化来测量压力的。
它由感应电阻体和测量电路组成。
当外界压力作用在感应电阻体上时，电阻值会发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以确定物体所受到的压力。
电阻式压力传感器具有较高的稳定性和可靠性，可以适应各种环境条件下的测量需求。
4.压阻式压力传感器：
压阻式压力传感器是利用电阻值与应变之间的关系来测量压力的。
它由弹性材料和导电材料构成。
当外界压力作用在弹性材料上时，材料会发生应变，导致导电材料的电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以得到物体所受到的压力。
压阻式压力传感器具有较高的精度和可靠性，适用于高温和高压环境下的压力测量。
以上是四种常见的压力传感器的工作原理和特点。
它们各自具有不同的优点和适用范围，在工业控制和自动化领域中发挥着重要的作用。