第四章 传感器的基本类型及其工作原理――0330

2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理1第四章传感器的基本类型及其工作原理2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理2电感传感器激光测距传感器湿度传感器自诊断传感器凸轮轴转速传感器水位传感器2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理3第一节概述第二节电阻式传感器第三节电感式传感器第四节电容式传感器第五节压电式传感器第六节磁电式传感器第七节热电式传感器第八节光电式传感器第九节霍尔传感器第十节数字式传感器第十一节传感器信号处理电路主要内容热能与动力工程测量技术的发展方向是普遍采用电测仪表测定非电量（机械量、热工量等）。与机械测量法相比，电测法具有以下突出优点：1）易于实现集中检测、控制和远距离测量；2）响应速度快，可测量瞬态值及动态过程；2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理4第一节传感器概述3）传感器提供了被研究对象的测量、调节和控制设备间最方便可靠的联系方式，因而使热能与动力工程测试的连续测量、自动记录和自动控制称为可能；4）测量的准确度和灵敏度高，可测量微弱信号并将其放大与进行长距离传输；5）电信号易于和计算机等进行连接，记录和处理数据方便。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理5第一节传感器概述非电量测量技术：通过传感器将非电量转换成电量，然后进行电量的转换、显示和记录。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理6第一节传感器概述非电量测量系统记录和显示装置信号调节电路传感器第一节传感器概述第一节传感器概述一、定义一、传感器定义广义：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。狭义：能感受被测量并按照一定规律转换成电信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理72020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理8敏感元件被测信号易于传输处理的信号被测对象传感器辅助部分：安装和保护装置等。转换元件：将敏感元件感受的被测量转换成适于输出并可测量的电信号。敏感元件：直接感受被测量的一次变换元件。第一节传感器概述二、构成转换元件中间信号辅助装置二、构成按被测物理量：压力、速度、温度、光、声按测量原理：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式、光电式等按输出信号的性质：模拟式和数字式按有无外加电源：有源式和无源式按使用的敏感材料：半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感器2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理9第一节传感器概述三、分类三、分类工作原理：把物理量的变化转换为敏感元件电阻值的变化，再经相应电路处理，转换成电信号输出。（可测量位移、形变、力、加速度、湿度、温度等）分类（依据工作原理）：金属应变式、半导体压阻式、电位计式、气敏式、湿敏式、热敏式、光敏式等。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理10第二节电阻式传感器第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理11F应变片第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器1.基本原理：基于金属的电阻应变效应应变效应：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)的变化而发生变化的现象。金属应变片长度l，表面积A，电阻率ρ，则电阻：2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理12第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器/ARlRlkkRleDD=-=-k为常数，为金属材料的灵敏度系数，物理意义是单位应变的电阻变化率。ε为线应变l/l当应变片受到拉伸或压缩，几何尺寸发生变化，电阻也发生变化。如果电阻变化量ΔRR，则电阻的变化率可用下式表示：2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理13第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器RlkkRleDD==应变片测量应变理论公式：金属应变片的电阻变化率与线应变ε呈线性关系。这就是电阻应变片测量应变的理论基础。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理14第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器2.应变片的结构核心部分，感受被测构件的变形，并转换成电阻的变化和基底一起固定和保护敏感栅从敏感栅引出信号2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理15第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器常见应变片2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理16第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器3.应变片的温度补偿：实际使用中，除了应变会导致应变片电阻变化外，温度变化也会使应变片电阻发生变化，由此带来的误差称为温度误差。2、因试件材料与敏感栅的线胀系数不同，从而使应变片产生附加应变。1、因温度变化引起的应变片敏感栅的电阻变化及附加变形。产生温度误差的原因：2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理17第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器温度补偿方法又称补偿片法。电路原理如右图，两片具有相同特性的应变片，将其轴线相互垂直地黏在同一个弹性件表面，应变片的纵轴x-x方向与受力方向一致的为工作片，另一片为补偿片，因位置靠得很近，故可认为二者等温。当电桥平衡时，RaR2=RbR1，固定电阻的阻值相等，温度变化时，两个应变片上引起的电阻增量也相等，并保持平衡。电桥的输出由于Ra的变化而产生。（1）桥路补偿桥式补偿电路2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理18第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器1）选择特定的应变片。使应变片实现温度自补偿的原理是当温度环境改变时使应变片不产生电阻变化。2）采用双金属敏感栅自补偿应变片。这种应变片又称组合式自补偿应变片。3）热敏电阻补偿。（2）应变片自补偿采用黏贴在试件表面上的一种特定的应变片，当温度变化时，使电阻增量等于零或相互抵消。常用方法如下：2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理19第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器采用双金属敏感栅自补偿应变片两端敏感栅的电阻值由于温度变化产生的电阻变化大小相等、方向相反，则可实现温度补偿。双金属丝敏感栅2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理20第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器热敏电阻补偿当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的供桥电压随温度的升高而增加，从而提高了电桥的输出，补偿应变片引起的输出下降，通过选择分流电阻R5值，就可得到良好的补偿效果。热敏电阻补偿法-灵敏度和精确度高，性能稳定；-尺寸小、重量轻，结构简单、使用方便，响应快；-适应性强，可在高温、超低温、高压、水下、强磁场及核辐射等恶劣环境下使用-便于多点测量、远距离测量等。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理21第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器应变片的优点实例12020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理22第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器实例2适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。振动式地音入侵探测器2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理23第二节电阻式传感器一、金属应变式传感器二、半导体压阻式传感器2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理24第二节电阻式传感器二、半导体压阻式传感器工作原理：利用压阻效应在半导体材料的基片（又称膜片）上经扩散电阻而制成的传感器。基片作为测量敏感元件，扩散电阻在其内组成电桥，当基片受力作用产生变形时，电阻值发生变化，电桥产生相应的不平衡输出。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理25第二节电阻式传感器二、半导体压阻式传感器硅压阻式传感器结构如右图，由外壳、硅膜片及引出线等组成。核心为圆型膜片，在膜片上应用等值硅电阻构成平衡电桥的四个桥臂，膜片四周用硅圆环固定，两边有两个压力腔，一个是和被测系统相通的高压腔，另一个是和大气相通的低压腔。硅压阻式传感器结构图1-低压腔；2-高压腔；3-硅圆环；4-引出线；5-硅膜片；6-扩散电阻2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理26第二节电阻式传感器二、半导体压阻式传感器测量时，当膜片两边出现压差时，膜片上各点存在应力，在应力作用下四个电阻的阻值发生变化，使电桥失去失衡，输出相应的电压，此电压与膜片两边的压力差成正比。这样，电桥的输出电压就反映了膜片所受压力差的大小。硅压阻式传感器结构图-灵敏度高，比应变片高50～100倍；-固有频率高，响应快；因膜片直径小，刚度大，机械滞后和横向效应小，因此自振频率高。-结构简单，可实现微型化。由于压组原件的制造是采用半导体集成工艺，因此尺寸可以微型化。-精度高。无一般传感器的传动件、粘结剂等，因此其线性和滞后误差小。可达0.01%。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理27第二节电阻式传感器二、半导体压阻式传感器半导体压阻式传感器的优点-电阻和灵敏度系数的热稳定性差，因此其线性和滞后误差变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿，以消除由温度引起的零点漂移和虚假信号。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理28第二节电阻式传感器二、半导体压阻式传感器压阻式传感器的缺点三、电位计式传感器（测位移）2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理29第二节电阻式传感器三、电位计式传感器角位移型变阻式传感器直线位移型变阻式传感器位移的变化通过机械机构改变了电阻器滑臂的位置，从而改变了a、b端的电阻值。四、气敏传感器2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理30第二节电阻式传感器四、气敏传感器定义：半导体气敏元件与被测气体接触后，会造成半导体性质的变化，以此特性来检测待定气体的成分的传感器称为气敏传感器。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理31第二节电阻式传感器四、气敏传感器表面型半导体传感器体型半导体传感器电阻式气敏传感器1、工作原理2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理32第二节电阻式传感器四、气敏传感器根据检测目的不同，气敏传感器可分为检测气体种类的气敏传感器和检测气体量的真空度传感器。氧化锡（SnO2)和氧化锌（Zno)等较难还原的金属氧化物半导体接触气体时，在较低温度时产生吸附效应，从而使半导体的表面电位及电导率等发生变化。由于半导体与气体之间的相互作用仅限于半导体元件的表面，故称为表面型半导体传感器。磁铁性的三氧化二铁等较易还原的氧化物半导体接触到低温下的气体时，半导体材料内的晶格缺陷将发生变化，从而使半导体的电导率发生变化，这种传感器称为体型半导体传感器。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理33第二节电阻式传感器四、气敏传感器半导体气敏传感器还可分为电阻式和非电阻式气敏传感器。当半导体接触气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用电阻值的变化来测定气体参数的传感器称为电阻式半导体气敏传感器。当MOS管或金属半导体结构二极管接触到气体时，场效应管的阈值电压及结型二极管的整流特性将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器为非电阻式半导体气敏传感器。2020/1/19热能与动力测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理34第二节电阻式传感器四、气敏传感器表4-1半导体气敏传感器的分类形式主要物理特性