章常用傳感器原理及應用

4.1概述4.2電阻應變式傳感器4.3電感式傳感器4.4電容式傳感器4.5壓電式傳感器4.6磁敏傳感器4.7光電式傳感器4.8集成傳感器2021/6/2714.1概述一、傳感器的定義傳感器（transducer/senor）是將被測量按一定規律轉換成便于應用的某種物理量的裝置。通常將傳感器看作是一個把被測非電量轉換成電量的裝置。測力計壓力計溫度計2021/6/272二、傳感器的組成傳感器通常由三部分組成：敏感元件：直接感受被測量,輸出與被測量成確定關系。轉換元件：敏感元件的輸出就是轉換元件的輸入,它把輸入轉換成電量參量。轉換電路：把轉換元件輸出的電量信號轉換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號的電路。2021/6/273三、傳感器的類型1、按被測對象分：位移傳感器、壓力傳感器和壓力傳感器等；2、按工作原理分：電阻應變式、電感式、電容式和壓電式等；3、按被測量的轉換特征分：結構型和物性型。結構型傳感器：是依靠傳感器結構參數的變化而實現信號轉換的。例如，電容式傳感器依靠極板間距離變化引起電容量變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感變化等。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現信號變換的。例如利用水銀的熱脹冷縮現象制成水銀溫度計來測溫；利用石英晶體的壓電效應制成壓電測力計等。4、按照能量的傳遞方式分：能量控制型和能量轉換型。

能量控制型傳感器是從外部供給輔助能量使其工作的，并由被測量來控制外部供給能量的變化；能量轉換型傳感器是直接由被測對象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計、彈性壓力計等。2021/6/2744.2電阻應變式傳感器一、電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器。是基于測量物體受力變形所產生應變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應變片。應用范圍：可測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數。

1、金屬電阻應變片金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬的電阻應變效應工作的。金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發生變化的現象，稱為金屬的電阻應變效應。2021/6/275金屬應變片的結構和測量原理電阻絲應變片是用直徑為0.025mm具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基底上。電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護作用的覆蓋層。2021/6/276原理公式：K0稱為金屬絲的靈敏系數，其物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化。通常K0=1.7～3.6

大量實驗表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內，電阻的相對變化與其所受的軸向應變是成正比的。應用：將應變片粘貼于彈性體表面或者直接將應變片粘貼于被測試件上。彈性體或試件的變形通過基底和粘結劑傳遞給敏感柵，其電阻值發生相應的變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化，即可測量應變。2021/6/2771）將應變片粘貼于被測構件上，直接用來測定構件的應力或應變。例如，為了研究或驗證機械、橋梁、建筑等某些構件在工作狀態下的受力、變形情況，可利用形狀不同的應變片，粘貼在構件的預測部位，可測得構件的拉、壓應力、扭矩或彎矩等。2021/6/2782）應變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數。在這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應變，再通過應變片轉換成電阻的變化后輸出。當被測物體產生位移時，懸臂梁隨之產生于位移相等的撓度，因而應變片產生相應的應變。將應變片接入橋路，輸出與位移成正比的電壓信號。

測量時，基座固定在振動體上。振動加速度使質量塊產生慣性力，懸臂梁在慣性力的作用下產生彎曲變形。梁的應變在一定的頻率范圍內與振動體的加速度成正比。

2021/6/2792、半導體應變片

1）壓阻效應:半導體材料受到應力作用時，其電阻率會發生變化的現象。實際上，任何材料都不同程度地呈現壓阻效應，但半導體材料的這種效應特別強。對于半導體硅，πL=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011N/m2，則k0=πLE＝50～100。半導體電阻材料的靈敏系數比金屬絲的要高50～70倍。2021/6/27102）壓阻式傳感器的特點

優點:

靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量；

分辨率高，例如測量壓力時可測出10～20Pa的微壓；測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應高；可測量低頻加速度和直線加速度。缺點：溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。2021/6/27114.3電感式傳感器電感式傳感器的工作原理是電磁感應。它是把被測量如位移等，轉換為電感量變化的一種裝置。按照轉換方式的不同，可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動變壓器式）兩種。一、自感式傳感器（可變磁阻式傳感器）可變磁阻式傳感器自感

自感L與氣隙δ成反比，而與氣隙導磁截面積S0成正比。μ0—空氣導磁率；W—線圈匝數2021/6/27121、變氣隙式L與δ呈非線性（雙曲線）關系。傳感器的靈敏度為

靈敏度S與氣隙長度δ的平方成反比，δ愈小，靈敏度S愈高。這種傳感器適用于較小位移的測量，一般約為0.001～1mm。2021/6/27132、變面積式自感L與S0

呈線性關系，這種傳感器靈敏度較低。2021/6/27143、螺管式單螺管線圈型，當鐵芯在線圈中運動時，將改變磁阻，使線圈自感發生變化。這種傳感器結構簡單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移(數毫米)測量。

2021/6/2715雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計上，其測量范圍為0～300μm，最小分辨力為0.5μm。線圈電感L1、L2隨鐵芯位移而變化.測量精度高，量程較大。二、差動變壓器式傳感器（互感式）2021/6/2716三、電渦流式傳感器高頻（數MHz以上）激勵電流i施加于鄰近金屬板一側的線圈，由線圈產生的高頻電磁場作用于金屬板的表面。在金屬板表面薄層內產生渦流i，渦流i又產生反向的磁場，反作用于線圈上，由此引起線圈自感L或線圈阻抗z的變化。L的變化程度取決于線圈至金屬板之間的距離δ、金屬板的電阻率ρ、磁導率μ以及激勵電流i的幅值與角頻率ω等。當被測位移量發生變化時，使線圈與金屬板的距離發生變化，從而導致線圈阻抗z的變化，通過測量電路轉化為電壓輸出。高頻反射式渦流式傳感器常用于位移測量。2021/6/2717

低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度。發射線圈ω1和接收線圈ω2分別放在被測材料G的上下，低頻(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，在周圍空間產生一交變磁場，并在被測材料G中產生渦流i，此渦流損耗了部分能量，使貫穿ω2的磁力線減少，從而使ω2產生的感應電勢e2減小。e2的大小與G的厚度及材料性質有關，實驗與理論證明，e2隨材料厚度h增加按負指數規律減小。因而按e2的變化便可測得材料的厚度。2021/6/27182021/6/27194.4電容式傳感器電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。

一、電容式傳感器的工作原理和類型上式表明，當被測量δ、A或ε發生變化時，會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變，而僅改變另一個參數，就可把該參數的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉換為電信號輸出。根據電容器參數變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應用較廣。2021/6/27201.

極距變化型電容式傳感器

在電容器中，如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質不變，則電容量與極距δ呈非線性關系。當兩極板在被測參數作用下發生位移，引起電容量的變化為

靈敏度2021/6/2721靈敏度K與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。一般通過減小初始極距來提高靈敏度。由于電容量C與極距δ呈非線性關系，故這將引起非線性誤差。實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環境溫度等）的變化對測量精度的影響，常常采用差動型電容式傳感器。2021/6/27222.面積變化型電容式傳感器

面積變化型電容傳感器的工作原理是在被測參數的作用下來變化極板的有效面積，常用的有角位移型和線位移型兩種。由于平板型傳感器的可動極板稍有極距方向移動會影響測量精度。

2021/6/2723上述可知，面積變化型電容傳感器的優點是輸出與輸入成線性關系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于較大角位移及直線位移的測量。2021/6/27243.介電常數變化型電容傳感器

大多用于測量電介質的厚度、位移、液位，還可根據極板間介質的介電常數隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。變介電常數型電容傳感器的結構原理δ、h、ε0—兩固定極板間的距離、極間高度及間隙中空氣的介電常數；δx、hx、ε—被測物的厚度、被測液面高度和它的介電常數；l、b、ax—固定極板長、寬及被測物進入兩極板中的長度（被測值）；r1、r2—內、外極筒的工作半徑。

2021/6/2725電容傳感器特點與應用主要優點:(1)輸人能量小而靈敏度高。

(2)電參量相對變化大。

(3)動態特性好。

(4)能量損耗小。

(5)結構簡單，適應性好。主要缺點:非線性大。2021/6/2726應用（1）電容式測厚儀:

測量金屬帶材在軋制過程中厚度C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個電容，其總電容為C=C1+C2。當金屬帶材在軋制中厚度發生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉換和顯示出帶材的厚度。2021/6/2727（2）電容式轉速傳感器

當齒輪轉動時，電容量發生周期性變化，通過測量電路轉換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉速大小。設齒數為z,頻率為f,則轉速為:2021/6/27284.5壓電式傳感器壓電式傳感器是以某些材料的壓電效應為基礎，在外力的作用下，這些材料的表面產生電荷，從而實現非電量到電量的轉換。一、壓電效應與壓電材料

1、壓電效應與逆壓電效應某些物質，當沿著一定方向對其加力而使其變形時，在一定表面上將產生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態，這種現象稱為壓電效應。

如果在這些物質的極化方向施加電場，這些物質就在一定方向上產生機械變形或機械應力，當外電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失，這種現象稱之為逆壓電效應，或稱之為電致伸縮效應。2021/6/2729明顯呈現壓電效應的敏感功能材料叫壓電材料。常用的壓電材料有：壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為壓電陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯(PVDF)作為一種新型的高分子物性型傳感材料得到廣泛的應用。（新型材料）2021/6/2730二、等效電路

壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器C0并聯的等效電路。也可等效為一個電壓源U和一個電容器C0串聯的等效電路。由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測量靜態或準靜態量值時，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經測量電路的漏失減小到足夠小的程度；而在作動態測量時，電荷可以不斷補充，從而供給測量電路一定的電流，故壓電式傳感器適宜作動態測量。

2021/6/2731三、壓電元件常用的結構形式

在實際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產生足夠的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：并聯連接和串聯連接。并聯連接：兩壓電元件的負極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，此時電容量大，輸出電荷量大，適用于測量緩變信號和以電荷為輸出的場合。串聯連接