第四章 常用传感器原理及应用

2、传感器的构成
由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件用于感受被测 物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件对敏感器件 输出电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入.
Ω
V
3、传感器的分类 (1)按被测物理量分类 常见的被测物理量 ▲ 机械量 : 长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转 角、转数、质量、重量、力、压力、真空度、力矩、 风速、流速、流量。 ▲ 声：声压、噪声。 ▲ 磁：磁通、磁场。
▲ 温度：温度、热量、比热。 ▲ 光：亮度、色彩。
(2)按工作的物理基础分类 机械式，电气式 ( 电阻应变式，电感式，电容式，压电 式等), 光学式等。 (3)按被测量和工作原理联合分类 电阻应变式力传感器、电感式位移传感器、压电式加速 度传感器等。
(4)按信号变换特征 物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现 信号变换，如水银温度计。 结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，如: 电容式和电感式传感器.
第三节 电感式传感器
可变磁阻式 自感式 电感式传感器分类 互感式 优点：灵敏度高（能测0.1μm的位移）、线性较好(非 线性误差0.1%)、输出功率大等。
涡流式
缺点：频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低。
变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在 铁心上,衔铁和铁心间有一气隙 δ。 线圈自感量L为：
线圈
铁芯
衔铁
由于 δ 很小，可认为气隙磁场是均匀的 ，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：
线圈 铁芯
衔铁
l 2 Rm A 0 A0
由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略
2 Rm 0 A0
N 0 A0 L 2
传感器灵敏度： K
2
dL
N 2 0 A0 2
2
d
蒸镀金属 形成电极
++++++++
- - - - - - -
压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为：
压电元件可等效为一个具有 一定电容的电荷源。电容器 上的开路电压百度文库0为：
★当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容
形成传感器的并联寄生电容 Cc，传感器中的漏电阻和后 继电路的输入阻抗形成泄漏电阻R0，等效电路为：
★ 半导体应变片的工作原理就是基于压阻效应。 ★ 压阻效应：半导体单晶材料在沿某一方向受到外 力作用时，电阻率会发生相应变化的现象。 ★ 压阻效应的产生原因：半导体单晶在外力作用下 ，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率和载 流子浓度变化，从而导致电阻率的变化。 ★ 制作程序：由单晶硅、锗一类半导体材料经切型 、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴而成。
空气的介 电常数
液体浸 没长度
液位测量示意图
如果被测介质为导电性液体，内电极要用绝缘物（如聚乙烯） 覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。此时 两极间的电容量为：
2 3l C ln(R r )
中间介质的介电常数
液体浸没长度，即电极长度
绝缘覆盖层外半径
★电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等。
原材料
比较 重量设定
原理：弹簧→力→位移→电位器→电阻
案例：煤气包储量检测
钢丝 煤气包
原理：钢丝→收线圈数→电位器→电阻
第二节 电阻应变式传感器
电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即外 力→金属导体机械变形(伸长或缩短)→电阻值变化。
dR dL 2dr d R L r
二、 压电材料及其特性 常用的压电材料大致有三类：压电单晶、压电陶瓷和 新型压电材料。
光 轴 电 轴 机 械 轴
z Fx
+ Fx
z +
Fy
x
Fy
-
z
+
Fy
x y y
x
Fy
y
由纵向压电效应产生的电荷量q为：
q d11 F
作用力 纵向压电常数
石英晶体：压电常数比较低，d11=2.31×10-12C/N；良 好的机械强度和时间及温度稳定性。适用于精确度和稳 定度要求特别高的场合。 铌酸锂晶体：是人工拉制晶体。居里点高(12000C)， 适于高温传感器；缺点：质地脆,抗冲击性差,价格较贵
q
Ca
Cc
R0
★ 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压 电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无 法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电 式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量。
★ 压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往 是两片或多片进行串联或并联。
+
并联：适于测缓变信号和以电荷为 输出量的场合
压力 一、压电效应 某些材料（如石英），当沿着一定方向受到外力作用 时，不仅产生机械变形，而且内部会被极化，表面产生 电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现 象称为压电效应。 相反，在这些材料的某些方向上施加电场，它会产生 机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种现 象称为逆压电效应或电致伸缩效应。 压电材料 产生电荷
三、转换电路
力 应变 电阻变化
？
电流或电压
电桥电路
R1 E R2
V
R3
R4
四、电阻应变片的应用
案例：桥梁固有频率测量
案例：电子称 原理：将物品重量通过悬臂梁转化 结构变形，再通过应变片转化为电 量输出。
案例：冲床生产记数和生产过程监测
案例：机器人握力测量
案例：振动式地音入侵探测器
适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破 等破坏行为均可及时发现。
半导体应变片受力后的电阻相对变化也可表示为：
dR d (1 2 ) R
dR d E R
正应力
对于半导体应变片， 该项很小，可忽略
压阻 系数
弹性 模量
灵敏度为： K
dR R

E
优点：灵敏度高，比金属应变片高50~70倍，体积小。 缺点：温度稳定性和线性不如金属应变片。
2、压电陶瓷 压电陶瓷——是一种经极化处理后的人工多晶体。如钛 酸钡、锆钛酸钡。压电陶瓷特点：压电系数大，灵敏度 高，价格低廉，居里点较低。
居里点或居里温度：指材料可以在铁磁体和顺磁体之间 改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此 时和材料有关的磁场很难改变。当高于居里点温度，该 物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变 而改变。这时的磁敏感度约为10-6。
dR d (1 2 ) R
令K
dR
d

R (1 2 )


≈0
dR R dR R K 1 2 =常数 dL L
dR K R
灵敏度一般在 1.7~3.6 左右。金属应 变片的灵敏度较低，但温度稳定性 好，用于测量精度要求较高的场合.
二、半导体应变片
铁芯 线圈 衔铁
线圈 铁芯
以上三类自感式传感器在实际应用时，一般由两单一 结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结 构可改善非线性，提高灵敏度，对电源电压及温度变化 等外界影响也有补偿作用，从而提高传感器的稳定性。
(a)
(b)
(c)
差动式电感传感器 (a) 变间隙型 (b) 变面积型 (c) 螺管型 1—线圈 2 —铁芯 3 —衔铁 4 —到杆
Eddy Sensor
Reference Circle
Coiled Tube
案例：无损探伤
火车轮检测
原理：裂纹检测，缺陷造 成涡流变化。
油管 检测
第四节
电容式传感器
原理：将被测量的变化转化为电容量变化。
两平行极板组成的电容器 , 它 的电容量为：
A C
电容式传感器的三种类型： 极距变化型 面积变化型 介电常数变化型
3、介电常数变化型 此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。
两圆筒间的电容为：空气的介
21 L C ln(R r )
外电极 内半径
电常数
电极 长度
内电极 内半径
如果电极的一部分被非导电性液 体所浸没时，则会有电容量的增 量∆C产生：
2 ( 2 1 )l C ln(R r )
1、极距变化型 灵敏度： dC 1 K A 2 d
驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特 殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传 声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、 性能优越、使用方便。
最大的∆δ应小于极板间距δ 的1/5～1/10。因此极距变化 型电容传感器的量程范围在0.01μm—数百μm。为了提高 灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形 式。灵敏度可提高一倍。 2、面积变化型 在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位移 型两种。图为直线位移型。当动极板沿 x 方向移动时， 动、静极板覆盖面积发生变化，电容量随之变化。 其电容量为：
差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数 M 的变 化。传感器本身是互感系数可变的变压器。因为它是基于互感变 化的原理，故也称为互感式传感器。
输 出 电 压 Eout=EW1-EW2 ， 当 铁 芯在中央位置时，EW1=EW2 。
双螺管线圈差动型传感器测量电路
案例：板的厚度测量
~
案例：张力测量
C bx
dC b 灵敏度 K =常数，输入与输出成线性关系. dx
角位移型：
r θ
覆盖面积
r A r 2 2
2
2
r2 电容量 C 2
dC r 2 灵敏度 K =常数 d 2
柱面线位移型
面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位 移的测量。
3、新型压电材料
有 些 材 料 ， 如 硫 化 锌 (ZnS) 、 氧 化 锌 (ZnO) 、 硫 化 钙 (CaS) 、砷化镓 (GaAs) 等，既具有半导体特性，又有压 电特性。因此，既可利用压电性能制作敏感器件，又可 利用半导体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传 感器。
F
晶片两表面相当于电 容器的两个极板 两极板之间的压电材 料等效于电介质
产品：
电容式液位传感器（液位计/料位计）
电容式接近开关：
测量头构成电容器的一个极板，另一 个极板是物体本身，当物体移向接近开 关时，物体和接近开关的介电常数发生 变化，使得和测量头相连的电路状态也 随之发生变化 . 接近开关的检测物体， 并不限于金属导体，也可以是绝缘的液 体或粉状物体。
第五节 压电式传感器
三、电涡流式传感器
原理：将金属导体置于变化的磁场中，导 体内就会产生感应电，这种电流的流线在 导体内自行闭合，称为电涡流效应。
原线圈的等效阻抗Z变化：
Z Z ( , , , )
线圈与金属 板的距离 金属板的 电阻率 金属板的 磁导率
线圈激励 角频率
产品：
案例：连续油管的椭圆度测量
N 2 0 A0 2 2
这种传感器适用于较小位移 的测量，测量范围约在 0.001~1mm左右。
2、变面积式 原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相 对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致 线圈的电感量发生变化。 特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏 度为一常数，因而线性度较好，量程范围可 取大些，自由行程可按需要安排，制造装配 也较方便，因而应用较为广泛。 3、螺管式 原理：衔铁随被测对象移动，线圈 磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈 电感量也因此而变化。 特点：灵敏度更低，但测量范围大 ，线性也较好，同时自由行程可任意 安排，制造装配方便，应用较广泛。
第四章 常用传感器原理及应用
本章学习要求：
1、了解传感器的分类
2、掌握常用传感器测量原理
3、了解传感器测量电路
引 言 1、传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另 一种信息的装置。 目前，传感器转换后的信号多为电信号，故从狭义 上讲，传感器是把外界输入非电信号转换成电信号的装 置.
L RL E x LE1 E x Rx E1
E
R-Rx Rx E1 Rm
V
考虑负载效应，有
E1
E Rx Rm R Rx Rx Rm
Rx Rm Rx Rm
Rx//Rm
E E1 L R x (1 ) x Rm L
按测量类型:
按制作方式:
案例：重量的自动检测--配料设备
(5)按敏感元件与被测对象之间的能量关系
能量转换型和能量控制型。
能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作，例 如，热电偶温度计,压电式加速度计。
能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化，例如，电阻应变片。
4、传感器技术的发展
第一节
电阻式传感器
1、变阻器式传感器
E E1