常用传感器与敏感元件

常用传感器与敏感元件•第一节常用传感器分类•第二节机械式传感器及仪器•第三节电阻、电容与电感式传感器•第四节磁电、压电与热电式传感器•第五节光电传感器•第六节光纤传感器•第七节半导体传感器•第八节红外测试系统•第九节激光测试传感器•第十节传感器的选用原则将被测量转换为与之对应的，易检测、易传输或易处理信号的装置，称为传感器。直接受被测量作用的元件称为传感器的敏感元件。传感器处于测试装置的输入端，是测试系统的第一个环节，其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。第一节常用传感器分类工程中常用传感器的种类繁多，往往一种物理量可用多种类型的传感器来测量，而同一种传感器也可用于多种物理量的测量。按被测物理量的不同分：位移传感器、力传感器、温度传感器等。传感器有多种分类方法。按传感器工作原理的不同分：机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等。按信号变换特征分：物性型传感器与结构型传感器。物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如，水银温度计是利用了水银的热胀冷缩性质；压力测力计利用的是石英晶体的压电效应等。结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。按敏感元件与被测对象之间的能量关系分：能量转换型传感器与能量控制型传感器。按输出信号类型分：模拟式传感器和数字式传感器等。能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情况下，由于被测对象与传感器之间的能量交换，必然导致被测对象状态的变化和测量误差。能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给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。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由被测量变化所引起电阻变化来控制电桥输出。电阻温度计、电容式测振仪等均属此种类型。另一类传感器是以外信号(由辅助能源产生)激励被测对象，传感器获取的信号是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。例如，超声波探伤仪、γ射线测厚仪、X射线衍射仪等。需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个，也可能有几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式位移传感器是位移-电容变化的能量控制型传感器，可以直接测量位移。而电容式压力传感器，则经过压力-膜片弹性变形(位移)-电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量-机械量的换能件，由它实现第一次变换；同时它又与另一极板构成电容器，用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速度计（也称力反馈式加速度计），实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。表3-1汇总了机械工程中常用传感器的基本类型及其名称、被测量、性能指标等。第二节机械式传感器及仪器机械式传感器应用很广。在测试技术中，常常以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形(或应变)。这种变形可转变成其他形式的变量。例如被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。优点：具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。缺点：惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。近年来，在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型探测开关亦被看做机械式传感器。这种开关能把物体的运动、位置或尺寸变化，转换为接通、断开信号。a）测力计b）压力计c）温度计a）测力计b）压力计c）温度计1—工件2—电磁铁3—导槽4—簧片开关5—电极6—惰性气体7—簧片第三节电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。1．变阻器式传感器a）直线位移型b）角位移型c）非线性型变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻的变化。其表达式为AlR▲直线位移型xkR11kdxdRS灵敏度▲角位移型kR灵敏度kddRS▲非线性型2)(kxxf为了使输出电阻值与呈线性关系，变阻器骨架应做成直角三角形。)(xR)(xf3)(kxxf变阻器骨架应做成抛物线形。变阻器式传感器的后接电路一般采用电阻分压电路。)1)((0pLPpexxRRxxuu优点：是结构简单、性能稳定、使用方便。缺点：是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。应用：用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。2．电阻应变式传感器电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。（1）金属电阻应变片工作原理：应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。金属丝电阻应变片1一电阻丝2—基片3一覆盖层4—引出线金属箔式应变片a）单轴b）测扭矩c）多轴d）平行轴多栅e）同轴多栅AlR电阻丝的电阻值电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化dRdAARdllRdR2rAdrdrldlRdR2或ldlEdldlrdrEERdR)21(2——是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种材料，项是常数。)21(E项则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的，对于金属丝来说，是很小的，可忽略。上式可简化为)21(RdR灵敏度常数21ldlRdRSg一般市售电阻应变片的标准阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等。其中以120Ω最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。优点：体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。应用：用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。缺点：温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。（2）半导体应变片1—胶膜衬底2—P-Si3—内引线4—焊接板5—外引线工作原理:是基于半导体材料的压阻效应。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，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率变化的现象。在电阻相对变化的表达式中，项是由几何尺寸变化引起的，是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言，项远远大于项，它是半导体应变片的主要部分，故电阻相对变化的表达式可简化为)21(EE)21(ERdR灵敏度ERdRSg优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等特点。缺点：温度稳定性能差、灵敏度离散度大，非线性误差大等。应用：用于压力、加速度等参数的测量。电阻应变式传感器有以下两种应用方式：1)直接用来测定结构的应变或应力。2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。3．固态压阻式传感器工作原理:是基于半导体材料的电阻效应。固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料，按一定晶向将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层。此P型层就相当于半导体应变片中的电阻条，连接引线后就构成了扩散型半导体应变片。由于基底(硅片)与敏感元件(导电层)互相渗透，结合紧密，所以基本上为一体。在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形状，如圆形杯或长方形梁等。这时基底就是弹性元件，导电层就是敏感元件。当有机械力作用时，硅片产生应变，使导电层发生电阻变化。一般这种元件做成按一定晶向扩散、四个电阻组成的全桥形式，在外力作用下，电桥产生相应的不平衡输出。应用：固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。4．典型动态电阻应变仪二、电容式传感器1．变换原理电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。平行极板电容器的电容量AC0根据电容器变化的参数，电容器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三类。（1）极距变化型dAdC201a）极距变化b）输出特性201AddCS灵敏度为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。优点：可进行动态非接触式测量，灵敏度高。缺点：非线性误差大、杂散电容对灵敏度和测量精确度有影响，配用的电子线路较复杂。应用：适用于较小位移(0．01µm～数百微米)的测量。（2）面积变化型角位移型22rA220rC灵敏度常数220rddCSa）角位移型b）平面线位移型c）柱体线位移型1—动板2—定板平面线位移型bxC0常数bdxdCS0灵敏度圆柱体线位移型)ln(20dDxC常数)ln(20dDdxdCS灵敏度优点：输出与输入成线性关系。缺点：灵敏度较低。应用：适用于较大直线位移及角位移测量。（3）介质变化型AC0常数AddCS0灵敏度a）介质厚度、温度、湿度计b）介质液位计应用：测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。2．测量电路电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后，由后续电路转换为电压、电流或频率信号。（1）电桥型电路将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。（2）直流极化电路dtdAdtdCREuy200（3）谐振电路（4）调频电路三、电感式传感器电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的一种装置，其变换是基于电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分为自感型(包括可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压器式)。1．自感型（1）可变磁阻式a）可变磁阻结构b）特性曲线1一线圈2—铁心3一衔铁000022AAAlRm22002NARNLm22002NAS灵敏度a）可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动型a）电桥电路b）输出特性双螺管线圈差动型，较之单螺管型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，常用测量范围为0～300µm，最小分辨力为0．5µm。（2）涡流式一块金属导体置于一只扁平线圈附近，相互间距为x。当线圈中通有高频交变电流i1时，在线周围产生交变磁通Φ1；此交变磁通Φ1通过邻近的金属导体产生感应电流i2（这种电流在金属体内是闭合的，称之为“涡电流”）。涡电流i2也将产生交变磁通Φ2。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，即Φ2总是抵抗Φ1的变化；从而使线圈中的电流i1的大小和相位均发生变化，即线圈中的等效阻抗发生变化。这就是电涡流效应。线圈等效阻抗的变化程度与线圈的半径r，激励电流i1的频率ω、金属导体的电阻率ρ、磁导率µ以及线圈到金属板间距离x等有关。),,,,,(1xirfZ电涡流效应当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如，变化x，可作为位移、振动测量；变化ρ或µ值，可作为材质鉴别或探伤等。等效电路分析0)()(12222111IMjILjRUIMjILjRin2222222212222222212222222212222222211)(LRMLLLLRMRRRLjRLRMLLjLRMRRIUZeeeein110LjRZeeLjRZ由上式可看出：由于涡流效应的作用，线圈的阻抗由变成了，比较Z0与Z可知：电涡流影响的结果使等效阻抗Z的实部增大，虚部减小。即等效品质因数Q值减小了，即涡电流会消耗电能，在导体中产生热量。eeRLQ110RLQ涡流式传感器的测量电路分压式调幅电路及调频电路。传感器线圈和电容组成并联谐振回路，其谐振频率为▲分压式调幅电路LCf21由振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电源频率相同时，输出电压最大。测量时，传感器线圈阻抗随间隙而改变，LC回路失谐，输出信号频率虽然仍为振荡器的工作频率，但幅值随而变化，它相当于一个被调制的调幅波，再经放大、检