传感器类型及原理--工作

传感器基本类型及其工作原理1.传感器的分类2.常用传感器测量原理3.传感器测量电路1.传感器定义传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成（GB7665－87）。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。物理量电参量2.传感器的构成①敏感元件（或称预变换器，也统称弹性敏感元件）在进行由非电量到电量的变换时，有时需利用弹性敏感元件，先将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量。弹性敏感元件是传感器的心脏部分，在电测技术中占有极为重要的地位。它常由金属或非金属材料做成，当承受外力作用时，它会产生弹性变形；当去除外力后，弹性变形消失并能完全恢复其原来的尺寸和形状。右图为弹簧管压力计。②转换元件（或称传感元件）凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接变换为电参量的元件。例如应变计、压电晶体、压磁式器件、光电元件及热电偶等。它利用各种物理效应或化学效应等原理制成的。说明:并不是所有的传感器都包括敏感元件和转换元件两部分。有时不需要进行预变换这一步，例如热敏电阻、光电器件等。另外一些传感器，敏感元件与转换元件合二为一，如固态压阻式压力传感器等。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,力矩;热工量:温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面、噪声电阻式,电感式,电容式,磁电式,热电式,光电式等.2)按传感器的工作原理分类:能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征: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,磁电式位移计.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:电容式声级计.4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: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.例如:电容式和电感式传感器.•电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,•按工作的原理可分为:电位计式、电阻应变式、压阻式、热电阻式、湿（气、光）敏电阻式。4.1电阻式传感器•1电位计式传感器4.1电阻式传感器EE1VRmRxR-Rx1EE1=xLRmR+Lx()-案例：重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料4.1电阻式传感器原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。2金属应变式传感器4.1电阻式传感器1)工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数金属应变片的电阻R为AlR/=dAldAAldlAdR+=2代入AlR/=dRAdARldlRdR+=4.1电阻式传感器dAdAldlRdR+=有：金属丝：2rA=drdrldlRdR+=2金属丝体积不变：==ldlrdr4.1电阻式传感器有：dRdR++=2对金属材料，导电率不变：)21(+=RdR金属丝应变片：4.1电阻式传感器应变计金属应变片4.2电阻式传感器双臂电桥R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变1~2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。4.1电阻式传感器四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。4.1电阻式传感器全桥的温度补偿原理当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。4.1电阻式传感器电阻应变式传感器的应用：测力4.1电阻式传感器应变片在悬臂梁上的粘贴及变形4.1电阻式传感器案例：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。4.1电阻式传感器人体秤4.1电阻式传感器•3半导体压阻式传感器drdrldlRdR+=2简化为：(12)dREER=++•优点：灵敏度大;体积小;固有频率高；•缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。对半导体压阻材料，电阻率变化大：压阻效应:固体材料受到应力作用后，电阻率会发生变化。E为压阻效应，其值远大于前两项4.1电阻式传感器压阻式压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。4.1电阻式传感器利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好。4.1电阻式传感器压阻式压力传感器内部结构：信号处理电路4.1电阻式传感器高压进气口低压进气口小型压阻式固态压力传感器4.1电阻式传感器投入式液位计外形压阻式压力传感器光柱显示器橡胶背压管h=h0+h1=h0+p1/（g）4.2电阻式传感器•4气敏电阻传感器使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。4.1电阻式传感器a）气敏烧结体b）气敏电阻外形c）基本测量转换电路1—引脚2—塑料底座3—烧结体4—不锈钢网罩5—加热电极6—工作电极7—加热回路电源8—测量回路电源MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。气敏电阻工作时必须加热到200300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。4.1电阻式传感器气敏电阻外形酒精传感器其他可燃性气体传感器4.2电阻式传感器酒精测试仪呼气管4.1电阻式传感器家庭用液化气报警器烟雾报警器一氧化碳传感器家庭用煤气报警器4.1电阻式传感器•5湿敏电阻传感器绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。4.1电阻式传感器湿度传感器的分类4.1电阻式传感器•6热电阻传感器导体和半导体材料的电阻率与温度有关，金属的电阻随温度升高而变大，而半导体的电阻具有负的温度系数。导体的电阻在一定温度范围内与温度具有线性关系半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。)11(00TTeRR=RT负温度系数（NTC）4.1电阻式传感器热敏电阻外形MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻4.1电阻式传感器温控器应用汽车发动机传感器水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等4.1电阻式传感器4.2电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型4.2电感式传感器1自感型--可变磁阻式可变导磁面积型差动型2002ANL=原理:电磁感应2涡流式原理:涡流效应4.2电感式传感器原线圈的等效阻抗Z变化：),,,(ZZ=4.2电感式传感器4.2电感式传感器2互感型--差动变压器WW1W2Esx-x工作原理:互感现象.EwEout4.2电感式传感器单螺管线圈型螺管线圈差动双螺管线圈差动型传感器测量电路~4.2电感式传感器差动变压器测量电路4.2电感式传感器差动变压器位移传感器4.2电感式传感器4.3电容式传感器变换原理: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:AC0=+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。4.3电容式传感器a)极距δ变化型+++AC0=+++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。4.3电容式传感器b)面积变化型AC0=角位移型+++4.3电容式传感器AC0=平面线位移型4.3电容式传感器柱面线位移型.AC0=4.3电容式传感器c)介质变化型AC0=4.3电容式传感器4.4压电式传感器压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。4.4压电式传感器一、工作原理－压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。4.4压电式传感器压电效应的应用原理①力－电轴－纵向压电效应，在电轴方向产生电效应②力－力轴－横向压电效应，在电轴方向产生电效应，极性与①相反③力－光轴－无压电效应④电－电轴－逆压电效应，产生机械应变⑤光－光轴－无双折射现象4.4压电式传感器压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般有三类：第一类是压电晶体（如石英晶体）；第一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。4.4压电式传感器4.5磁电式传感器1.变换原理:磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。dtdWe=感应线圈的感应电动势e为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。cos=SB),,(mdtdRB2分类磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N4.5磁电式传感器动圈式传感器线速度型4.5磁电式传感器角速度型测速电机4.5磁电式传感器磁阻式传感器磁电式车速传感器4.5磁电式传感器4.6热电式传感器1.变换原理:热电式传感器是把温度变化转换为电量变化的传感器，分为热电阻（见4.2）和热电偶。热电效应将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。4.6热电式传感器热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端为：自由端（参考端、冷端）左端为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路