第3章 常用傳感器與敏感元件

1、第三章第三章 常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件本章學習要求：本章學習要求：1.1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.2.掌握常用傳感器測量原理掌握常用傳感器測量原理3.3.了解傳感器測量電路了解傳感器測量電路3.1 3.1 常用傳感器的分類常用傳感器的分類二二 傳感器的作用傳感器的作用三三 傳感器的分類傳感器的分類下一節(jié)回首頁一一 傳感器的定義傳感器的定義四四 傳感器市場預測傳感器市場預測一一 傳感器的定義傳感器的定義 傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成另一種信息的裝置。換成另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉換后的

2、信號大多為電信號。目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。號轉換成電信號的裝置。3.1 3.1 常用傳感器的分類常用傳感器的分類 國家標準國家標準 GB7665-87 GB7665-87 對傳感器下的定義是：對傳感器下的定義是： “能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和輔助元件組成信號的器件或裝置，通常由敏感元件和輔助元件組成”一一 傳感器的定義傳感器的定義構成：敏感元件構成：敏感元件 + + 輔助元件輔助元

3、件 敏感元件敏感元件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并將信號進行必要的轉換輸出。理量，并將信號進行必要的轉換輸出。 輔助元件輔助元件一般指安裝、連接、支承敏感元件的一些輔助一般指安裝、連接、支承敏感元件的一些輔助裝置，如傳感器的殼體、引線等裝置，如傳感器的殼體、引線等。 3.1 3.1 常用傳感器的分類常用傳感器的分類 1 1、傳感器是人類感官的、傳感器是人類感官的擴展擴展和和延伸延伸，借助傳感器，借助傳感器，人類可以去探測那些無法直接用感官獲取的信息。人類可以去探測那些無法直接用感官獲取的信息。例如，用例如，用超聲波探測器超聲波探測器可以

4、探測海水的深度可以探測海水的深度 用用紅外遙感器紅外遙感器可以從高空探測地球上的植被和污可以從高空探測地球上的植被和污狀況等等。狀況等等。 2 2、傳感器是檢測系統(tǒng)重要構成部分。、傳感器是檢測系統(tǒng)重要構成部分。 二二 傳感器的作用傳感器的作用傳感器（傳感器（SensorSensor）- - 檢出功能的器件檢出功能的器件信號提取（被測量）、傳輸（信號變換部分）信號提?。ū粶y量）、傳輸（信號變換部分）3.1 3.1 常用傳感器的分類常用傳感器的分類1)1)按被測物理量分類（適用于使用者）按被測物理量分類（適用于使用者）常見的被測物理量（輸入量）常見的被測物理量（輸入量）三三 傳感器的分類傳感器的分

5、類位移傳感器位移傳感器速度傳感器速度傳感器力傳感器力傳感器溫度傳感器等。溫度傳感器等。3.1 3.1 常用傳感器的分類常用傳感器的分類機械式傳感器、電氣式傳感器、光學式傳感器機械式傳感器、電氣式傳感器、光學式傳感器2)2)按工作原理分類按工作原理分類: :物性型和結構型物性型和結構型. .3)3)按信號變換特征按信號變換特征: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現信號變換實現信號變換. .如如: :水銀溫度計水銀溫度計. .結構型結構型: :依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變. . 例如例如: :

6、電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .4)4)按敏感元件與被測對象之間的能量關系按敏感元件與被測對象之間的能量關系: : 能量轉換型和能量控制型能量轉換型和能量控制型. .能量轉換型能量轉換型: :直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,壓電式加速度計壓電式加速度計. .能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測量控制外部從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例例: :動圈式磁電傳感器動圈式磁電傳感器 1 1、就世界范圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊、就世界范圍而言，傳感器市場

7、上增長最快的依舊是是汽車市場汽車市場，占第二位的是，占第二位的是過程控制市場過程控制市場，看好，看好通通訊市場訊市場前景。前景。 2 2、傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS MEMS (Micro-Electro (Micro-Electro Mechanical Systems) Mechanical Systems)傳感器、傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-20102007-2010年復合年增長率預計會超過年復合年增長率預計會超過25%25%。 3 3、目前，全球的傳感器市

8、場在不斷變化的創(chuàng)新之中、目前，全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現出快速增長的趨勢。呈現出快速增長的趨勢。新技術的發(fā)展將重新定義新技術的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場未來的傳感器市場，隨著計算機技術的發(fā)展，隨著計算機技術的發(fā)展，“智智能傳感器能傳感器”與與“虛擬儀器虛擬儀器”將是傳感器的發(fā)展趨勢將是傳感器的發(fā)展趨勢四、全球傳感器市場預測四、全球傳感器市場預測3.1 3.1 常用傳感器的分類常用傳感器的分類 在測試技術中，常常以彈性體作為傳感器的敏感元件。在測試技術中，常常以彈性體作為傳感器的敏感元件。 1 1、定義、定義 輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，而輸輸入量可以是力、壓力、溫度等

9、物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形（或應變）。出則為彈性元件本身的彈性變形（或應變）。2 2、優(yōu)點、優(yōu)點 結構簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數直觀結構簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數直觀3.2 3.2 機械式傳感器及儀器機械式傳感器及儀器3 3、缺點、缺點 彈性變形不易過大，減小其線性誤差彈性變形不易過大，減小其線性誤差 放大及指示環(huán)節(jié)多為機械傳動，慣性大，放大及指示環(huán)節(jié)多為機械傳動，慣性大， 固有頻率低只能用于檢測緩變或靜態(tài)被測量固有頻率低只能用于檢測緩變或靜態(tài)被測量4 4、對策：、對策： 為了提高測量的頻率范圍，先用彈性元件將被為了提高測量的頻率范圍，先用彈性元件將被測量轉移

10、成位移量，然后用其它傳感器將位移量轉測量轉移成位移量，然后用其它傳感器將位移量轉化為電信號輸出化為電信號輸出3.2 3.2 機械式傳感器及儀器機械式傳感器及儀器一、概述一、概述1 1、定義：、定義： 其工作原理是將被測物理量轉化為電路參其工作原理是將被測物理量轉化為電路參數的傳感器。數的傳感器。2 2、分類：、分類： 電阻式傳感器電阻式傳感器 電容式傳感器電容式傳感器 電感式傳感器電感式傳感器3.3 3.3 參數型傳感器參數型傳感器二二 電阻式傳感器電阻式傳感器1 1、電阻式傳感器的分類、電阻式傳感器的分類 電阻式傳感器的基本原理是將被測物理量的變化轉換電阻式傳感器的基本原理是將被測物理量的變

11、化轉換成自身電阻值的變化成自身電阻值的變化, ,再經相應的變換電路和裝置顯示或再經相應的變換電路和裝置顯示或記錄被測量值的變化。記錄被測量值的變化。 電阻式傳感器按其工作原理可分為以下兩種：電阻式傳感器按其工作原理可分為以下兩種： 1 1、變阻器式，、變阻器式，又稱為電位器式。又稱為電位器式。 2 2、應變片式，、應變片式，分為金屬電阻應變式和半導體應變片式分為金屬電阻應變式和半導體應變片式3.3 3.3 參數型傳感器參數型傳感器2 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器 工作原理工作原理 變阻器式傳感器的工作原理是將物體的位移轉換為電變阻器式傳感器的工作原理是將物體的位移轉換為電阻的變化，由此再

12、進一步轉換為電壓等電量的變化。阻的變化，由此再進一步轉換為電壓等電量的變化。 常用變阻器式傳感器有常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線直線位移型、角位移型和非線性型性型等，如下圖所示。等，如下圖所示。 等效電路分析等效電路分析: :xL2 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器L-L-變阻器總長變阻器總長; ;x-x-電刷移動量電刷移動量. .R-R-總電阻總電阻; ; R RL L電刷電阻電刷電阻; ;R=K*ll=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1 / Ex=L*E1 / E= K*E10EE1x2 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器傳感器靈敏度傳感器靈敏度kdxdRs3

13、3、變阻器式傳感器的后接電路、變阻器式傳感器的后接電路電阻分壓電路電阻分壓電路在直流激勵電壓在直流激勵電壓u0u0的作用下，傳感器將位移變成輸的作用下，傳感器將位移變成輸出電壓的變化。當電刷移動出電壓的變化。當電刷移動x x距離后，傳感器的輸出距離后，傳感器的輸出電壓為：電壓為：)1)(pLPpyxxRRxxuu線性時當xxuuRRpyPL02 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器優(yōu)點優(yōu)點：(1)(1)結構簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩(wěn)定；結構簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩(wěn)定；(2)(2)受環(huán)境因素受環(huán)境因素( (如溫度、濕度、電磁場干擾等如溫度、濕度、電磁場干擾等) )影響?。?/p>

14、影響??；(3)(3)可以實現輸出可以實現輸出輸入間任意函數關系；輸入間任意函數關系；(4)(4)輸出信號大，一般不需要放大。輸出信號大，一般不需要放大。缺點缺點：(1)(1)因為存在電刷與線圈或電阻膜之間的摩擦，因此需要較大因為存在電刷與線圈或電阻膜之間的摩擦，因此需要較大的輸入能量；的輸入能量；(2)(2)由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量的精度，所以分辨力較低；量的精度，所以分辨力較低；(3)(3)動態(tài)響應較差，適合于測量變化較緩慢的物理量。動態(tài)響應較差，適合于測量變化較緩慢的物理量。 應用：變阻器式傳感器常用于角位移和線

15、位移的測量。應用：變阻器式傳感器常用于角位移和線位移的測量。直線滑動式電位器直線滑動式電位器2 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器應用應用 按測量類型：按測量類型：多圈電位器多圈電位器單圈電位器單圈電位器按制作方式：按制作方式：線繞電位器線繞電位器導電塑料電位器導電塑料電位器普通塑料基底普通塑料基底導電導電材料粉材料粉2 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器應用應用 2 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器應用應用 案例：案例：測量線位移的變阻器式傳感器的結構圖。被測位移使測量線位移的變阻器式傳感器的結構圖。被測位移使測量軸沿導軌軸移動時，帶動電刷在滑線電阻上產生相同的位測量軸沿導軌軸移動時，帶動

16、電刷在滑線電阻上產生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。精密電阻與電位器電阻構成移，從而改變電位器的輸出電阻。精密電阻與電位器電阻構成電橋測量電路，由此將被測位移量轉換為電橋的電壓輸出。電橋測量電路，由此將被測位移量轉換為電橋的電壓輸出。 2 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器應用應用 案例：案例：重量的自動檢測重量的自動檢測-配料設備配料設備 比較比較重量設定原材料原材料原理：彈簧原理：彈簧-力力-位移位移 -電位器電位器-電阻電阻2 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器應用應用 案例：案例：煤氣包儲量檢測煤氣包儲量檢測煤氣包煤氣包鋼絲鋼絲原理：鋼絲原理：鋼絲-收線圈數收線圈數 -電位器電位

17、器 -電阻電阻2 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器應用應用 案例：案例：玩具機器人（廣州中鳴數碼玩具機器人（廣州中鳴數碼 ）原理：電機原理：電機-轉角轉角 -電位器電位器 -電阻電阻2 2、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器應用應用 電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形電阻值隨著所受機械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發(fā)的變化而發(fā)生變化的現象。生變化的現象。 3 3、電阻應變式傳感器、電阻應變式傳感器- -應變片應變片3 3、電阻應

18、變式傳感器、電阻應變式傳感器- -應變片應變片 （1 1）應變片的組成）應變片的組成 (1)(1)敏感元件：敏感元件：感受應變并將其轉換感受應變并將其轉換為自身阻值的變化。一般用康銅、鎳鉻為自身阻值的變化。一般用康銅、鎳鉻合金或半導體材料做成。它要用粘合劑合金或半導體材料做成。它要用粘合劑牢牢地固定在基片上。牢牢地固定在基片上。 (2)(2)基片：基片：固定和保護敏感元件，并固定和保護敏感元件，并將應變準確的傳遞給敏感元件。材料可將應變準確的傳遞給敏感元件。材料可以是紙、膠膜、玻璃纖維布等。以是紙、膠膜、玻璃纖維布等。 (3)(3)覆蓋層：覆蓋層：保護敏感元件不受外界保護敏感元件不受外界環(huán)境中

19、灰塵、濕氣等的影響。環(huán)境中灰塵、濕氣等的影響。 (4)(4)引線：引線：將敏感元件的阻值變化引將敏感元件的阻值變化引入后接電路。入后接電路。 3 3、電阻應變式傳感器、電阻應變式傳感器 （2 2）應變片的分類）應變片的分類 (1)(1)按敏感元件的材料分為按敏感元件的材料分為金屬電阻應變片金屬電阻應變片和和半導體應變片半導體應變片兩大類。兩大類。 金屬電阻應變片根據敏感元金屬電阻應變片根據敏感元件的形狀不同又分為件的形狀不同又分為絲式絲式和和箔式箔式兩種。兩種。(2)(2)按用途分為按用途分為一般應變片一般應變片、應變花應變花和和特殊應變片特殊應變片。 1) 1) 工作原理工作原理上述任何一個

20、參數變換均會引起電阻變化上述任何一個參數變換均會引起電阻變化, ,求導數求導數金屬應變片的電阻金屬應變片的電阻R R為為AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdR3 3、電阻應變式傳感器、電阻應變式傳感器應變效應：應變效應：金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形著它所受機械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發(fā)生變化的現象。的變化而發(fā)生變化的現象。推導：推導：3 3、電阻應變式傳感器、電阻應變式傳感器是壓阻系數。是壓阻系數。，電阻率的相對變化電阻率的相對變化是泊松比。是泊松比。，橫向應

21、變橫向應變縱向應變縱向應變，則有：，則有：若若 EddldlrdrrdrldldrdrldlRdRrA )2(23 3、電阻應變式傳感器、電阻應變式傳感器- -應變片應變片之間。之間。，一般在，一般在系數。系數。靈敏度，又稱為應變靈敏度，又稱為應變等。等。、標稱阻值，有標稱阻值，有結論：結論：3.61.72112060 gggSSRSRR)21 (21:)21 (RdREERdR，則有：對金屬導體綜合以上各式可得：應變計金屬應變計金屬應變計3 3、電阻應變式傳感器、電阻應變式傳感器- -應變片應變片2）半導體應變計：）半導體應變計：利用其壓阻效應，即單晶半利用其壓阻效應，即單晶半導體材料受某一

22、方向外力作用時，電阻率變化的現象。導體材料受某一方向外力作用時，電阻率變化的現象。drdrldlRdR2 優(yōu)點：靈敏度大優(yōu)點：靈敏度大; ;體積小體積小; ; 缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。3 3、電阻應變式傳感器、電阻應變式傳感器- -應變片應變片gRSERdREERdR，則有：對半導體，求偏導，可得：21)21 (兩種應變片的比較兩種應變片的比較 工作原理不同：工作原理不同：金屬電阻應變片基于機械變形引起金屬電阻應變片基于機械變形引起 電阻的變化；半導體應變片基于電電阻的變化；半導體應變片基于電 阻率變化引起電阻的變化。阻率變化引起電阻

23、的變化。靈敏度不同：靈敏度不同：金屬電阻應變片的靈敏度取決于泊松金屬電阻應變片的靈敏度取決于泊松 比的大??；半導體應變片的靈敏度取比的大小；半導體應變片的靈敏度取 決于壓阻系數和彈性模量的大小。決于壓阻系數和彈性模量的大小。3 3、電阻應變式傳感器、電阻應變式傳感器-應變片應變片3) 3) 應變片測量電路應變片測量電路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(324131423 3、電阻應變式傳感器、電阻應變式傳感器-應變片應變片ERRRRRRRRV)(32413142令：令：RR 1dRRR4RRR32ERRdRRRRRdRRRV)()(RdRE4)21(RdR金屬絲應變片：金屬絲應變片：V V與應變成線形關系，可以用電橋測量電壓而測得應變與應變成線形關系，可以用電橋測量電壓而測得應