常用传感器与敏感元件

华南理工大学广州汽车学院第三章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•第七节半导体传感器•第十节传感器的选用原则华南理工大学广州汽车学院TPMSTirePressuremonitoringSystem汽车轮胎气压监测系统华南理工大学广州汽车学院传感器的定义：传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。华南理工大学广州汽车学院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。物理量电量目前，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。华南理工大学广州汽车学院定义的解释：1.传感器是测量装置,能完成检测任务;2.它的输入量是某一被测量,可能是物理量(如位移、温度、力、压力、速度、加速度等),也可能是化学量、生物量等;3.它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等,可以是气、光、电量,但主要是电量;4.输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。华南理工大学广州汽车学院传感器的重要性：传感器是人类感官的延伸，可以去探测人类无法或不能用感官直接感知的事物；传感器是人们认识自然界事物的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。传感器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。华南理工大学广州汽车学院传感器的基本组成：1.敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系的某一物理量。2.转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电路参量。3.转换电路：把转换元件的电路参量转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号。其组成如图所示。华南理工大学广州汽车学院第一节常用传感器的分类1、按被测物理量分类机械量: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，色彩常见的被测物理量华南理工大学广州汽车学院2、按传感器工作原理分类机械式,电气式,光学式,流体式等.能量转换型和能量控制型.3、按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型(无源传感器）:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,磁电式加速度计.能量控制型（有源传感器）: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.华南理工大学广州汽车学院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.例如:电容式和电感式传感器.华南理工大学广州汽车学院第二节机械式传感器及仪器•机械式传感器以弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。•弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。•应用实例：测力计、压力计和温度计。测力计华南理工大学广州汽车学院压力计温度计弹性膜片华南理工大学广州汽车学院特点：–机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读数直观；–弹性变形不宜大，以减小线性误差；–惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态测量。–弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，影响输出与输入的线性关系。华南理工大学广州汽车学院第三节电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。电阻式传感器分类：–变阻器式传感器–电阻应变式传感器–固态压阻式传感器华南理工大学广州汽车学院1、变阻器式传感器变阻器式传感器又称为电位计式传感器。它通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻R的变化。工作原理：一个电导体的电阻值：式中：R－电阻（Ω）；ρ－材料的电阻率（Ω·mm2/m）；l－导体的长度（m）；A－导体的截面积（mm2）。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。)(AlR华南理工大学广州汽车学院变阻器式传感器华南理工大学广州汽车学院–直线位移型kl为单位长度中的电阻。其灵敏度：–角位移型灵敏度：α－触点转角(rad)；ka－单位弧度对应的电阻值。ldxdRkskddRsxkRlkR–非线性型输出电阻(或电压)与电刷位移(包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器。华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院★变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuopLPpeoxxRRxxuu1华南理工大学广州汽车学院变阻器式传感器的优缺点：–优点：结构简单，性能稳定，使用方便；–缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于20μm；较大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因）。华南理工大学广州汽车学院2、电阻应变式传感器可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。电阻应变式传感器:金属电阻应变片和半导体应变片。（1）金属电阻应变片基本工作原理：当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。华南理工大学广州汽车学院主要形式：金属电阻应变片有丝式和箔式两种。–金属丝式应变片是用0.01～0.05mm的金属丝绕成敏感栅，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。华南理工大学广州汽车学院主要形式：金属电阻应变片有丝式和箔式两种。–金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。优点：可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；生产效率高，便于实现自动化生产。华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院应变计实际中的金属应变片华南理工大学广州汽车学院2AldAAldAdldRdAARdllRdRAlR电阻相对变化率公式推导：应变片实际使用：将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。外力作用下，金属丝随物体一同变形，电阻值发生变化，将被测量的变化转换为电阻值的变化。华南理工大学广州汽车学院设A=πr2，r为电阻丝半径，代入上式得)2(2322rdrdldlRdrrldrldlrdR电阻的相对变化)2(rdrdldlRdR（3－5）华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院依次代入式（3－5），得）简化为－很小，可忽略。式（而言，引起；对于金属电阻丝由电阻丝的电阻率改变为常数；引起，同一电阻材料，由电阻丝几何尺寸改变8321)21(EE华南理工大学广州汽车学院说明：Sg为应变片系数或灵敏度,金属电阻丝的灵敏度常在1.7——3.6之中。华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院（2）半导体应变片半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。工作原理：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变化，从而引起电阻率变化。华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院•金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别是什么？华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院•半导体应变片的优点是:–灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；–体积小，扩大了半导体应变片的使用范围。•最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。华南理工大学广州汽车学院（3）电阻应变片式传感器的应用实例将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。华南理工大学广州汽车学院应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。华南理工大学广州汽车学院3、固体压阻式传感器工作原理：同半导体应变片，利用半导体材料的压阻效应。二者的区别：半导体应变片的敏感元件为半导体电阻；固体压阻式传感器的敏感元件是在半导体材料的基片上采用集成电路工艺制成的扩散电阻，故又称为扩散型半导体应变片。制作工艺：弹性元件：即基底，沿一定晶向切割的N型硅膜片；敏感元件：即扩散电阻，在基底上扩散的P型导电层；基底与导电层互相渗透，结合紧密，可视为一体。华南理工大学广州汽车学院4、动态电阻应变仪基本组成：交流电桥（含应变片）放大电路相敏检波低通滤波显示记录华南理工大学广州汽车学院★变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuopLPpeoxxRRxxuu1华南理工大学广州汽车学院主要形式：金属电阻应变片有丝式和箔式两种。–金属丝式应变片是用0.01～0.05mm的金属丝绕成敏感栅，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。华南理工大学广州汽车学院二、电容式传感器1、变换原理定义：电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。公式：平板电容器的电容可表达为：FAC0华南理工大学广州汽车学院各参数含义：ε—极板间介质的介电常数，当介质为空气时ε=1；ε0—真空介电常数,ε0=8.85×10-12(F/m);A—极板面积（m2）；δ—两极板间距离（m）。结论：被测量使δ、A或ε变化，均会引起电容C变化。保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应用较广。华南理工大学广州汽车学院（1）极距变化型极距有一微小变化量dδ时，引起电容变化量dC为dAdC20华南理工大学广州汽车学院灵敏度为20AddCS结论：华南理工大学广州汽车学院（2）面积变化型华南理工大学广州汽车学院a)角位移型电容量灵敏度结论：输出与输入成线性关系。华南理工大学广州汽车学院b)平面线位移型华南理工大学广州汽车学院c)圆柱体线位移型华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院（3）介质变化型大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。图解：图3－14a，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿度发生变化时，介电常数变，导致电容量变化；图3－14b，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入高度变化，电容量变化。华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院例题：一个电容测微仪，其传感器的圆形极板的半径r=4mm，工作初始间隙δ=0.3mm，空气介质。问：1）工作时，如果传感器与工件的间隙变化量2m时，电容变化量是多少？2）如果测量电路的灵敏度1100/SmVpF，读数仪表的灵敏度25/SmV格，在2m时，读数仪表的指示值变化多少格？华南理工大学广州汽车学院2、测量电路电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。（1）电桥型电路电容传感器作为电桥的一部分，电容变化转换为电桥电压输出。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院（2）直流极化电路又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。组成：弹性膜片、电容器、直流极化电压E0、高阻值电阻R。输出电压：被测量：测量气流（或液流）振动速度，进而测其压力。0002gAdCdUREREdtdt华南理工大学广州汽车学院（3）谐振电路华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院调频电路工作原理（4）调频电路华南理工大学广州汽车学院(5）运算放大电路输出电压和位移量的关系：xgCCuu00ACuug0