常用传感器与敏感元件课件.ppt

第三章 常用传感器与敏感元件•第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类•第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器•第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器•第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器•第七节第七节 半导体传感器半导体传感器•第十节第十节 传感器的选用原则传感器的选用原则常用传感器与敏感元件优秀课件传感器的定义：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定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置定义的解释：定义的解释：1.1.传感器是测量装置传感器是测量装置, ,能完成检测任务能完成检测任务; ;2.2.它的输入量是某一被测量它的输入量是某一被测量, ,可能是物理量可能是物理量( (如位移、温度、如位移、温度、力、压力、速度、加速度等力、压力、速度、加速度等),),也可能是化学量、生物量也可能是化学量、生物量等等; ;3.3.它的输出量是某种物理量它的输出量是某种物理量, ,这种量要便于这种量要便于传输、转换、处传输、转换、处理、显示理、显示等等, ,可以是气、光、电量可以是气、光、电量, ,但主要是但主要是电量电量; ; 4.4.输出与输入有一定的对应关系输出与输入有一定的对应关系, ,且应有一定的且应有一定的精确度精确度。

常用传感器与敏感元件优秀课件传感器的基本组成：传感器的基本组成：1.1.敏感元件敏感元件：直接感受被测量：直接感受被测量, ,输出与被测量成确定关输出与被测量成确定关系的某一物理量系的某一物理量 2.2.转换元件转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入：敏感元件的输出就是转换元件的输入, ,它它把输入转换成把输入转换成电路参量电路参量 3.3.转换电路转换电路：把转换元件的电路参量转换为：把转换元件的电路参量转换为便于处理、便于处理、显示、记录或控制显示、记录或控制的有用的电信号的有用的电信号 其组成如图所示其组成如图所示常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件传感器的重要性：传感器的重要性：l传感器是人类感官的延伸，可以去探测人类无法或不能用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；感官直接感知的事物；l传感器是测试系统的第一个环节，其性能直接影响整个测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试系统，对测试精度至关重要常用传感器与敏感元件优秀课件第一节第一节 常用传感器的分类常用传感器的分类1 1、按被测物理量分类、按被测物理量分类机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩常见的被测物理量常见的被测物理量常用传感器与敏感元件优秀课件2 2、按传感器工作原理分类、按传感器工作原理分类机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .3 3、、按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型能量转换型( (无源传感器）无源传感器）: : 直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,磁电式加速度计磁电式加速度计. .能量控制型（有源传感器）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从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .常用传感器与敏感元件优秀课件V常用传感器与敏感元件优秀课件4 4、按信号变换特征、按信号变换特征: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身依靠敏感元件材料本身物理性质的变化物理性质的变化来实现信号来实现信号变换变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器依靠传感器结构参数的变化结构参数的变化实现信号转变实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .常用传感器与敏感元件优秀课件第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器• 机械式传感器以机械式传感器以弹性体弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、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。

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示被测量的大小•应用实例：测力计、压力计和温度计应用实例：测力计、压力计和温度计测力计常用传感器与敏感元件优秀课件压力计温度计弹性膜片弹性膜片波纹管波纹管波登管波登管常用传感器与敏感元件优秀课件特点：特点：–机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读数直观；读数直观；–弹性变形不宜大，以减小线性误差；弹性变形不宜大，以减小线性误差；–惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量–弹性元件具有弹性元件具有蠕变、弹性后效蠕变、弹性后效等现象，影响输出与输等现象，影响输出与输入的线性关系入的线性关系常用传感器与敏感元件优秀课件第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器一、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是将被测量转变为电阻变化的传感器 电阻式传感器分类：电阻式传感器分类：–变阻器式传感器变阻器式传感器–电阻应变式传感器电阻应变式传感器–固态压阻式传感器固态压阻式传感器常用传感器与敏感元件优秀课件1 1、变阻器式传感器、变阻器式传感器变阻器式传感器又称为变阻器式传感器又称为电位器式传感器电位器式传感器。

工作原理：工作原理：一个电导体的电阻值：一个电导体的电阻值：式中：式中：R R－电阻（－电阻（ΩΩ）；）； ρ ρ－材料的电阻率（－材料的电阻率（Ω·mmΩ·mm2 2/m/m）；）； l l－导体的长度（－导体的长度（m m）；）； A A－导体的截面积（－导体的截面积（mmmm2 2）电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变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变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型直线位移型、角位移型和非线性型等常用传感器与敏感元件优秀课件–直线位移型直线位移型 k kl l为单位长度中的为单位长度中的电阻电阻 其灵敏度：其灵敏度：–角位移型角位移型 灵敏度：灵敏度：αα－触点转角－触点转角(rad)(rad)；；k ka a－单位弧度对应的电阻－单位弧度对应的电阻值–非线性型非线性型 输出电阻输出电阻( (或电压或电压) )与电刷位移与电刷位移( (包括线位移或角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之间具有非线性函数关系的一种电位器 。

常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件★★变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuo常用传感器与敏感元件优秀课件变阻器式传感器的优缺点：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；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，很难优于缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于2020μmμm；较；较大的噪声（大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因着等原因）常用传感器与敏感元件优秀课件2 2、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器 可测参数：可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等应变、力、位移、加速度、扭矩等 电阻应变式传感器电阻应变式传感器: :金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体应变片半导体应变片 （（1 1）金属电阻应变片）金属电阻应变片 基本工作原理：基本工作原理： 当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化常用传感器与敏感元件优秀课件主要形式：主要形式：金属电阻应变片有金属电阻应变片有丝式丝式和和箔式箔式两种。

两种–金属丝式应变片是用金属丝式应变片是用0.010.01～～0.05mm0.05mm的金属丝绕成敏感的金属丝绕成敏感栅栅 ，粘贴在，粘贴在绝缘的基片和覆盖层绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接之间，由引出导线接于电路上于电路上–金属箔式应变片是利用金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术照相制版或光刻技术，将厚约，将厚约为为0.0030.003～～0.01mm0.01mm的金属箔片制成敏感栅的金属箔片制成敏感栅 优点：优点：可可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；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生产效率高，便于实现自动化生产常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件应变计实际中的金属应变片实际中的金属应变片常用传感器与敏感元件优秀课件 将将应变片应变片粘贴于弹性元件粘贴于弹性元件或被测构件或被测构件预定部位预定部位的表面电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无缺陷目测电阻应变片有无缺陷2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小小3.试件表面处理试件表面处理4.应变片粘贴应变片粘贴5.焊线焊线6.用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，应大于应大于50M欧欧 7.应变片保护应变片保护应变片的使用应变片的使用：：常用传感器与敏感元件优秀课件公式推导：公式推导：应变片实际使用：应变片实际使用：将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。

外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测量的变化转换为电阻值的变化常用传感器与敏感元件优秀课件设设A=πrA=πr2 2，，r r为电阻丝半径，代入上式得为电阻丝半径，代入上式得电阻的相对变化电阻的相对变化（3－5）常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件依次代入式（依次代入式（3 3－－5 5），得），得常用传感器与敏感元件优秀课件  说明：说明：l S Sg g为应变片系数或灵敏度为应变片系数或灵敏度, ,金属电阻丝的灵敏度常在金属电阻丝的灵敏度常在1.7—1.7——3.6—3.6之中，常用的金属材料有银、铬镍合金、或铁镍合之中，常用的金属材料有银、铬镍合金、或铁镍合金等 l电阻丝应变片的标准阻值有电阻丝应变片的标准阻值有6060、、120120、、350350、、600600和和10001000Ω其中其中120 Ω最为常用最为常用常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件（（2 2）半导体应变片）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。

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：工作原理：单晶半导体材料在沿某一轴向受到应力作用时，单晶半导体材料在沿某一轴向受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应压阻效应 实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体半导体材料的这种效应特别强材料的这种效应特别强 单晶半导体在外力作用下，原单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规则变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变子点阵排列规则变化，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化，从而引起电阻率变化常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件•半导体应变片的优点是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；于测量；– 分辨率高，例如测量压力时可测出分辨率高，例如测量压力时可测出1010～～20Pa20Pa的微压；的微压；–机械滞后小，横向效应小、体积小。

机械滞后小，横向效应小、体积小•最大的缺点是最大的缺点是温度误差大温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使，故需温度补偿或恒温条件下使用常用传感器与敏感元件优秀课件（（3 3）电阻应变片式传感器的应用实例）电阻应变片式传感器的应用实例Ø将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应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力或应变常用传感器与敏感元件优秀课件Ø应变片粘贴于应变片粘贴于弹性元件弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式上，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量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出 常用传感器与敏感元件优秀课件测量时，基座固定在测量时，基座固定在振动体振动体上振动加速度使质量块产生惯性上振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产生弯曲变形。

因此，生弯曲变形因此，梁的应变梁的应变在一定的频率范围内与振动体的在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比加速度成正比 常用传感器与敏感元件优秀课件3 3、固体压阻式传感器、固体压阻式传感器l工作原理工作原理：同半导体应变片，利用半导体材料的压阻效应同半导体应变片，利用半导体材料的压阻效应l二者的区别二者的区别：：u半导体应变片的敏感元件为半导体应变片的敏感元件为半导体电阻半导体电阻；；u固体压阻式传感器的敏感元件是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电路工艺制成的扩散电阻，故又称为扩散型半导体应变片故又称为扩散型半导体应变片l制作工艺：制作工艺：Ø弹性元件：即基底，沿一定晶向切割的弹性元件：即基底，沿一定晶向切割的N N型硅膜片；型硅膜片；Ø敏感元件：即扩散电阻，在基底上扩散的敏感元件：即扩散电阻，在基底上扩散的P P型导电层；型导电层；Ø基底与导电层互相渗透，结合紧密，可视为一体基底与导电层互相渗透，结合紧密，可视为一体常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件N N型硅膜片型硅膜片扩散电阻扩散电阻常用传感器与敏感元件优秀课件4 4、动态电阻应变仪、动态电阻应变仪 基本组成：基本组成：交流电桥（含应变片）交流电桥（含应变片）放大电路放大电路相敏检相敏检波波低通滤波低通滤波显示记录显示记录常用传感器与敏感元件优秀课件二、电容式传感器二、电容式传感器1 1、变换原理、变换原理 定义：定义：电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同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。

物理量的变化转换为电容量的变化 公式：公式：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：常用传感器与敏感元件优秀课件各参数含义：各参数含义：ε—ε—极板间介质的介电常数，当介质为空气时极板间介质的介电常数，当介质为空气时ε=1ε=1；；εε0 0——真空介电常数真空介电常数,ε,ε0 0=8.85×10=8.85×10-1 2-1 2(F/m);(F/m); A— A—极板面积（极板面积（m m2 2）；）；δ—δ—两极板间距离（两极板间距离（m m）结论：结论：被测量使被测量使δδ、、A A或或εε变化，均会引起电容变化，均会引起电容C 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数的变化变换成电容量的变化分类分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为：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极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应三种，前两种应用较广 常用传感器与敏感元件优秀课件（（1 1）极距变化型）极距变化型极距有一微小变化量极距有一微小变化量d dδδ时，引起电容变化量时，引起电容变化量dCdC为为常用传感器与敏感元件优秀课件灵敏度为灵敏度为结论：结论：常用传感器与敏感元件优秀课件（（2 2）面积变化型）面积变化型常用传感器与敏感元件优秀课件a)a)角位移型角位移型电容量电容量灵敏度灵敏度结论：输出与输入成线性关系。

结论：输出与输入成线性关系常用传感器与敏感元件优秀课件b)b)平面线位移型平面线位移型常用传感器与敏感元件优秀课件c)c)圆柱体线位移型圆柱体线位移型常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件（（3 3）介质变化型）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、容量等测量温度、湿度、容量等图解：图解：图图3 3－－24a24a，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿，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；度发生变化时，介电常数变，导致电容量变；图图3 3－－24b24b，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入高度变化，电容量变化高度变化，电容量变化 常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件2 2、测量电路、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。

电路转换成电压、电流或频率等输出量1 1）电桥型电路）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、滤波后输出出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件（（2 2）直流极化电路）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：组成：弹性膜片、电容器、直流极化电压弹性膜片、电容器、直流极化电压E E0 0、高阻值、高阻值电阻电阻R R 输出电压：输出电压： 被测量：被测量：测量气流（或液流）振动速度，进而测其压测量气流（或液流）振动速度，进而测其压力常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件（（3 3）谐振电路）谐振电路常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件（（4 4）调频电路）调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率谐振频率f f为：为： 式中式中L——L——振荡回路电感。

振荡回路电感 当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录器或显示仪表指示器或显示仪表指示常用传感器与敏感元件优秀课件调频电路工作原理调频电路工作原理 常用传感器与敏感元件优秀课件(5(5）运算放大电路）运算放大电路 输出电压和位移量的关系：输出电压和位移量的关系：则有则有 式中式中u u0 0————信号源电压；信号源电压；u ug g————运放输出电压；运放输出电压；c co o————固定电容；固定电容；c cx x————传感器等效电容传感器等效电容★★输出电压输出电压u uo o与电容传感器间隙与电容传感器间隙δδ成正比关系成正比关系 常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件3 3、电容集成压力传感器、电容集成压力传感器l传感器的基本组成：传感器的基本组成：电容敏感元件和测量电路电容敏感元件和测量电路l压力敏感电容器的结构：压力敏感电容器的结构：铝电极、硅膜片、玻璃；铝电极、硅膜片、玻璃；l压力敏感电容器的工作原理：压力敏感电容器的工作原理：硅膜两侧有压差，硅膜发生硅膜两侧有压差，硅膜发生形变使电容器两极间距变化，导致电容变化。

形变使电容器两极间距变化，导致电容变化l主要优点：主要优点：微小电容微小电容，间隙数微米，硅膜半径数百微米间隙数微米，硅膜半径数百微米l传感器制作采用的技术：传感器制作采用的技术：硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键合、常规的集成电路工艺合、常规的集成电路工艺l电路原理图电路原理图常用传感器与敏感元件优秀课件4 4、电容式传感器的应用：、电容式传感器的应用：电容式传感器广泛应用在电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位位移、压力、流量、液位等的测等的测试中电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度试中电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度达达0.01%0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种电容式传感器已有商品出现，如一种250mm250mm量程的量程的电容式位移传感器，精度可达电容式位移传感器，精度可达5μm5μm 常用传感器与敏感元件优秀课件（（1 1）电容式测厚仪）电容式测厚仪: : 测量金属带材在轧制过程中厚度测量金属带材在轧制过程中厚度 C C1 1、、C C2 2工作极板与带材之间形成两个电容，工作极板与带材之间形成两个电容， 其总电容为其总电容为C= CC= C1 1+C+C2 2 。

当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化通过检测电路可以反映这个变化，并转换电容量的变化通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度和显示出带材的厚度 常用传感器与敏感元件优秀课件（（2 2）电容式转速传感器）电容式转速传感器 当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小设齿数为为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小设齿数为z z, ,频率为频率为f f, ,则转速为则转速为: : 常用传感器与敏感元件优秀课件三、电感式传感器三、电感式传感器•电感式传感器的工作原理是把被测量如位移等，转换为电电感式传感器的工作原理是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置感量变化的一种装置•按照转换方式的不同，可分为按照转换方式的不同，可分为自感型自感型（包括可变磁阻式与（包括可变磁阻式与涡流式）和涡流式）和互感型互感型（差动变压器式）两种差动变压器式）两种1 1、自感型、自感型（（1 1）可变磁阻式）可变磁阻式 组成：线圈、铁心和衔铁。

组成：线圈、铁心和衔铁 常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件由电磁感应原理，线圈自感由电磁感应原理，线圈自感L L为为N-N-线圈匝数，线圈匝数，R Rm m- -磁路总磁阻磁路总磁阻[H[H-1-1] ]当不考虑磁路的铁损且当气隙当不考虑磁路的铁损且当气隙δδ较小时，则该磁路的总磁阻较小时，则该磁路的总磁阻（3－23）常用传感器与敏感元件优秀课件式中式中 l l－铁芯的导磁长度－铁芯的导磁长度(m);(m);μμ－铁芯磁导率－铁芯磁导率 (H/m); (H/m);A A－铁芯导磁截面积－铁芯导磁截面积,A=a×b(m,A=a×b(m2 2););δδ－气隙宽－气隙宽(m);(m);μμ0 0－空气导磁率－空气导磁率, μ, μ0 0=4π×10=4π×10-7-7(H/m);(H/m);A A0 0－空气隙导磁横截面积－空气隙导磁横截面积(m(m2 2) )铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁阻阻R Rm m近似为近似为 常用传感器与敏感元件优秀课件代入代入3 3－－2323，得，得当当A A0 0固定，变化固定，变化δδ时，时，L L与与δδ成非线性变化关系，此时传成非线性变化关系，此时传感器灵敏度感器灵敏度常用传感器与敏感元件优秀课件灵敏度灵敏度S S与与δδ的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生非线性误差。

因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围非线性误差因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作当气隙变化甚小即内工作当气隙变化甚小即Δδ<<δΔδ<<δ0 0时，灵敏度时，灵敏度S S近似为近似为S S此时为一定值，输出与输入近似成线性关系实际应用中常此时为一定值，输出与输入近似成线性关系实际应用中常选取选取Δδ/δ≤0.1Δδ/δ≤0.1这种传感器适宜于测量小位移，一般为这种传感器适宜于测量小位移，一般为0.001—1mm0.001—1mm常用传感器与敏感元件优秀课件★★几种常用可变磁阻式传感器的典型结构几种常用可变磁阻式传感器的典型结构自感自感L L与与A A0 0成线性关系，这种传感器成线性关系，这种传感器灵敏度较低灵敏度较低 常用传感器与敏感元件优秀课件差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按 变化一个线圈自感增加，另一个线圈变化一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵自感减小将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。

敏度可提高一倍，并改善了线性特性 常用传感器与敏感元件优秀课件单螺管线圈型，当铁芯圈中运动时，将改变磁阻，单螺管线圈型，当铁芯圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化这种传感器结构简单、制造容易，使线圈自感发生变化这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移但灵敏度低，适用于较大位移( (数毫米数毫米) )测量 常用传感器与敏感元件优秀课件双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为性，被用于电感测微计上，其测量范围为0 0～～300μm300μm，最，最小分辨力为小分辨力为0.5μm0.5μm这种传感器的线圈接于电桥上，构成这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感两个桥臂，线圈电感L L1 1、、L L2 2随铁芯位移而变化，其输出特随铁芯位移而变化，其输出特性如图所示性如图所示 常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件（（2 2）涡流式）涡流式n涡电流式传感器变换原理：利用金属导体在交变磁场中的涡电流式传感器变换原理：利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应涡电流效应。

n高频反射式涡流传感器工作原理：高频反射式涡流传感器工作原理：Ø涡流产生：涡流产生：当线圈中通以一当线圈中通以一交变高频电流交变高频电流i i时，会引起时，会引起一一交变磁通交变磁通ФФ在靠近线圈的金属表面内部产生一在靠近线圈的金属表面内部产生一感感应电流应电流i i1 1，该电流，该电流i i1 1即为涡流即为涡流Ø抵抗作用：抵抗作用：根据楞次定律，由该涡电流产生的根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁交变磁通通ФФ1 1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即将与线圈产生的磁场方向相反，亦即ФФ1 1将抵抗将抵抗ФФ的变化常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件Ø线圈的阻抗变化及影响因素：线圈的阻抗变化及影响因素：由于该涡流磁场的作用，由于该涡流磁场的作用，会使线圈的会使线圈的等效阻抗等效阻抗发生变化，其变化的程度除了与发生变化，其变化的程度除了与两者间的两者间的距离距离δδ有关外，还与金属导体的有关外，还与金属导体的电阻率电阻率ρρ、、磁导率磁导率μμ以及线圈的以及线圈的激磁电流圆频率激磁电流圆频率ωω等有关Ø主要应用：主要应用：变化变化δδ，可作为位移、振动测量；变化，可作为位移、振动测量；变化ρρ，可作为材质鉴别；变化，可作为材质鉴别；变化μμ，可用于探伤。

可用于探伤n涡流式传感器的测量电路：涡流式传感器的测量电路：Ø阻抗分压式调幅电路，阻抗分压式调幅电路，图图3 3－－1616是用于是用于涡流测振仪涡流测振仪上上的分压式调幅电路原理；图的分压式调幅电路原理；图3 3－－1717为谐振曲线和输出为谐振曲线和输出特性特性常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件Ø调频电路：调频电路：常用传感器与敏感元件优秀课件n涡电流式传感器应用：涡电流式传感器应用：动态非接触测量动态非接触测量u涡电流式位移和振动测量仪涡电流式位移和振动测量仪u测厚仪测厚仪u无损探伤无损探伤u径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量u零件计数、表面裂纹和缺陷测量零件计数、表面裂纹和缺陷测量径向振动测量 轴心轨迹测量 常用传感器与敏感元件优秀课件转速测量 零件计数器 表面裂纹测量 穿透式测厚 常用传感器与敏感元件优秀课件2 2、互感型－差动变压器式电感传感器、互感型－差动变压器式电感传感器n互感型传感器的工作原理：互感型传感器的工作原理： 利用电磁感应中的利用电磁感应中的互感现象互感现象，将被测，将被测位移量位移量转换成转换成线线圈互感的圈互感的变化。

变化常用传感器与敏感元件优秀课件n传感器实质是一个变压器传感器实质是一个变压器，初级线圈接入稳定交流电源，次，初级线圈接入稳定交流电源，次级线圈感应产生输出电压级线圈感应产生输出电压M M变化，副线圈输出电压变化由变化，副线圈输出电压变化由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传差动变压器式传感器感器工作原理如图工作原理如图3 3－－2020常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件n差动变压器后续电路形式：差动变压器后续电路形式：Ø差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；动的极性；Ø同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零铁位于中间位置时，输出也不为零Ø差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。

极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路Ø差动相敏检波电路工作原理图差动相敏检波电路工作原理图 常用传感器与敏感元件优秀课件n差动变压器式传感器的优点是：差动变压器式传感器的优点是： 测量精度高，可达测量精度高，可达0.1μm0.1μm；； 线性范围大，可到线性范围大，可到±100±100mmmm；； 稳定性好，使用方便稳定性好，使用方便因而被广泛应用于直线位移因而被广泛应用于直线位移, ,或借助弹性元件将压力、重或借助弹性元件将压力、重量等参数转换为位移变化，实现间接测量量等参数转换为位移变化，实现间接测量常用传感器与敏感元件优秀课件第四节第四节 磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器一、磁电式传感器•概念：一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，亦称概念：一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，亦称电磁感应式或电动力式传感器电磁感应式或电动力式传感器 •由由电电磁磁感感应应定定律律可可知知，，当当穿穿过过一一个个线线圈圈的的磁磁通通ΦΦ发发生生变变化化时，线圈中所感应产生的电动势时，线圈中所感应产生的电动势结论：结论：线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。

磁通变化率与磁通变化率磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度运动速度有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应电动势常用传感器与敏感元件优秀课件1 1、动圈式、动圈式常用传感器与敏感元件优秀课件u线速度型工作原理：线速度型工作原理： 由线位移式装置的工作原理可知，当弹簧片敏感有由线位移式装置的工作原理可知，当弹簧片敏感有一速度时，线圈则在磁场中作直线运动，从而切割磁力线，一速度时，线圈则在磁场中作直线运动，从而切割磁力线，因此它所产生的感应电动势因此它所产生的感应电动势 式中式中B—B—磁场的磁感应强度（磁场的磁感应强度（T T）；）；l—l—单匝线圈的有效长度（单匝线圈的有效长度（m m）；）；N—N—有有效效线线圈圈匝匝数数，，指指在在均均匀匀磁磁场场内内参参与与切切割割磁磁力力线线的线圈匝数；的线圈匝数；v—v—线圈相对于磁场的速度（线圈相对于磁场的速度（m/sm/s））; ;θθ——线圈运动方向与磁场方向的夹角线圈运动方向与磁场方向的夹角常用传感器与敏感元件优秀课件 当线圈运动方向与磁场方向垂直亦即当线圈运动方向与磁场方向垂直亦即θ=90°θ=90°时，上式可时，上式可写为写为 上式表明：上式表明：Ø当传感器的结构参数（当传感器的结构参数（B B，，l l，，N N）选定，则感应电动）选定，则感应电动势势e e的大小使正比于线圈的运动速度的大小使正比于线圈的运动速度v v。

Ø将被测到的速度经微分和积分运算又可得到运动物体将被测到的速度经微分和积分运算又可得到运动物体的加速度和位移，因此速度传感器又可用来测量运动的加速度和位移，因此速度传感器又可用来测量运动物体的位移和加速度物体的位移和加速度常用传感器与敏感元件优秀课件u角速度型工作原理：角速度型工作原理： 对于角速度型动圈式传感器结构，线圈在磁场中转动时，对于角速度型动圈式传感器结构，线圈在磁场中转动时，产生的感应电动势产生的感应电动势 式中式中ω—ω—线圈转动的角频率；线圈转动的角频率；A—A—单匝线圈的截面积（单匝线圈的截面积（m m2 2）；）；k—k—依赖于结构的参数，依赖于结构的参数，k<1k<1Ø当当N N、、B B、、A A选定时，感应电动势选定时，感应电动势e e与线圈相对于磁场的转与线圈相对于磁场的转动角速度成正比动角速度成正比Ø用这种传感器可测量物体转速用这种传感器可测量物体转速 常用传感器与敏感元件优秀课件u等效电路：等效电路：常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件2 2、磁阻式、磁阻式 磁阻式传感器：使线圈与磁铁固定不动，而由运动物体（导磁材料）磁阻式传感器：使线圈与磁铁固定不动，而由运动物体（导磁材料）运动来影响磁路的磁阻，从而引起磁场的强弱变化，使线圈中产生感运动来影响磁路的磁阻，从而引起磁场的强弱变化，使线圈中产生感应电势。

可用来测量转速、振动、偏心量等可用来测量转速、振动、偏心量等图图3 3－－37 37 磁阻式传感器工作原理及应用例磁阻式传感器工作原理及应用例（（a a）测频数）测频数 （（b b）测转速）测转速 （（c c）偏心测量）偏心测量 （（d d）振动测量）振动测量 常用传感器与敏感元件优秀课件二、压电式传感器二、压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器压电式传感器是一种可逆型换能器l机械能机械能电能：可用来测量力、压力、加速度等；电能：可用来测量力、压力、加速度等；l电能电能机械能：可用于高频振动台、超声发射器、扬声器机械能：可用于高频振动台、超声发射器、扬声器等主要优点：主要优点：l体积小；体积小；l重量小；重量小；l固有频率高（加速度传感器，可测频率范围固有频率高（加速度传感器，可测频率范围0.1~20kHz) ；；l灵敏度高（加速度传感器，可测灵敏度高（加速度传感器，可测1010－－2 2～～10105 5m·sm·s-2-2、力传感、力传感器，分辨力达器，分辨力达1010－－3 3N N））常用传感器与敏感元件优秀课件1 1、压电效应、压电效应 定义：定义： 某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等晶体，当受到外某些物质，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等晶体，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部会产生极力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部会产生极化作用，从而会在晶体的相应表面产生电荷，形成电场。

化作用，从而会在晶体的相应表面产生电荷，形成电场晶体的这一性质称为压电效应晶体的这一性质称为压电效应说明：说明：–压电效应可逆：当压电晶体置于外电场，其几何尺寸压电效应可逆：当压电晶体置于外电场，其几何尺寸也会发生变化，这种物理现象称为也会发生变化，这种物理现象称为逆压电效应逆压电效应–具有压电效应的晶体称之为压电晶体，石英晶体是常具有压电效应的晶体称之为压电晶体，石英晶体是常用的压电材料之一用的压电材料之一常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件压电效应形式：压电效应形式：l沿电轴沿电轴X—XX—X方向的作用力所产生的压电效应称为纵向压电方向的作用力所产生的压电效应称为纵向压电效应l而将沿机轴而将沿机轴Y—YY—Y方向的作用力所产生的压电效应称为横向方向的作用力所产生的压电效应称为横向压电效应压电效应l沿相对两平面加力产生切向效应沿相对两平面加力产生切向效应l当沿光轴当沿光轴Z—ZZ—Z方向作用有力时则并不产生压电效应方向作用有力时则并不产生压电效应实验证明：实验证明：压电效应呈线性压电效应呈线性l晶体表面出现的电荷的多少和形变的大小成正比，形变晶体表面出现的电荷的多少和形变的大小成正比，形变改变符号时，电荷也改变符号。

改变符号时，电荷也改变符号l实例：石英晶体在实例：石英晶体在x向受压应力，切片在厚度方向变形并向受压应力，切片在厚度方向变形并极化，极化强度如下：极化，极化强度如下：常用传感器与敏感元件优秀课件小结：小结：l石英晶体切片受石英晶体切片受x向压力，产生的电荷量与作用力成正比，向压力，产生的电荷量与作用力成正比，与切片的几何尺寸无关；与切片的几何尺寸无关；l石英晶体切片受石英晶体切片受y y向压力，产生的电荷量与切片的几何尺向压力，产生的电荷量与切片的几何尺寸有关，且电荷的极性与沿寸有关，且电荷的极性与沿x x轴施加压力时产生的电荷极性轴施加压力时产生的电荷极性相反常用传感器与敏感元件优秀课件2 2、压电材料、压电材料–单晶压电晶体单晶压电晶体，如石英、罗歇尔盐（四水酒石酸钾钠），如石英、罗歇尔盐（四水酒石酸钾钠）、硫酸锂、磷酸二氢铵等；、硫酸锂、磷酸二氢铵等； 特点特点: :石英压电常数不高，但具有较好的机械强度和石英压电常数不高，但具有较好的机械强度和温度、时间稳定性，其他压电单晶的压电常数为石英温度、时间稳定性，其他压电单晶的压电常数为石英的的2.52.5－－3.53.5倍，但价格较高。

倍，但价格较高 –多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷，如极化的铁电陶瓷（钛酸钡）、锆钛，如极化的铁电陶瓷（钛酸钡）、锆钛酸铅（酸铅（PZTPZT）等；）等； 组成：铁电体微晶，微晶再细分为电畴，压电陶瓷可视组成：铁电体微晶，微晶再细分为电畴，压电陶瓷可视为多畴晶体为多畴晶体 特点：压电陶瓷的压电常数比单晶体高的多，一般比石特点：压电陶瓷的压电常数比单晶体高的多，一般比石英高数百倍英高数百倍–有机压电薄膜有机压电薄膜常用传感器与敏感元件优秀课件 PVDF PVDF压电薄膜压电薄膜l 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿平面锯齿”结构，存在抵消不了结构，存在抵消不了的偶极子经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产的偶极子经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能生自发极化偶极子。

当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件这种元件耐冲击、的高分子薄膜这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、灵敏度高、频带宽为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉不易破碎、稳定性好、灵敏度高、频带宽为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料末，制成混合复合材料(PVF2—PZT)l应用应用 ：：l人体接触安全舒适，声阻抗接近人体肌肉，适宜作生物医学工程的传感器元件人体接触安全舒适，声阻抗接近人体肌肉，适宜作生物医学工程的传感器元件lPVDF血压传感器：圆柱体纵切形状，与上腕部动脉沟吻合，使用方便血压传感器：圆柱体纵切形状，与上腕部动脉沟吻合，使用方便l机器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电效应，薄膜柔软，做成大面积传感阵机器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电效应，薄膜柔软，做成大面积传感阵列器件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件•对压电材料特性要求：对压电材料特性要求：• ①①转换性能要求具有较大压电常数转换性能要求具有较大压电常数。

• ②②机械性能压电元件作为受力元件，希望它的机械强机械性能压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率• ③③电性能希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外电性能希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性部分布电容的影响并获得良好的低频特性• ④④环境适应性强温度和湿度稳定性要好，要求具有较环境适应性强温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围高的居里点，获得较宽的工作温度范围• ⑤⑤时间稳定性要求压电性能不随时间变化时间稳定性要求压电性能不随时间变化常用传感器与敏感元件优秀课件3 3、压电式传感器及其等效电路、压电式传感器及其等效电路常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件使用时的注意事项：使用时的注意事项：l负载不是无穷大时，会有漏电现象因此，静态测量时，负载不是无穷大时，会有漏电现象因此，静态测量时，必须采用极高阻抗负载；动态测量，漏电量影响较小，故必须采用极高阻抗负载；动态测量，漏电量影响较小，故适于动态测量。

适于动态测量l实际压电传感器，常采用串接或并接实际压电传感器，常采用串接或并接Ø并接：电容量大，输出电荷量大，宜于测缓变信号，并接：电容量大，输出电荷量大，宜于测缓变信号，适宜电荷量输出场合；适宜电荷量输出场合；Ø串接：电容小，输出电压大，适宜于电压输出的场串接：电容小，输出电压大，适宜于电压输出的场合常用传感器与敏感元件优秀课件等效电路：等效电路：压电传感器可被视为一个电荷源压电传感器可被视为一个电荷源等效电路中电容器上的开路电压等效电路中电容器上的开路电压u u0 0、电容量、电容量q q以及电容以及电容C Ca a三者三者间的关系有间的关系有 若将压电传感器接入测量电路，则必须考虑电缆电容若将压电传感器接入测量电路，则必须考虑电缆电容C CC C、、后续电路的输入电容后续电路的输入电容C Ci i、以及后续电路的输入阻抗和压电、以及后续电路的输入阻抗和压电传感器的漏电阻形成的泄漏电阻传感器的漏电阻形成的泄漏电阻R R0 0，此时压电传感器的等，此时压电传感器的等效电路如图所示效电路如图所示 常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件结论：结论：v压电传感器的低频响应取决于由传感器、连接电缆和负压电传感器的低频响应取决于由传感器、连接电缆和负载组成的电路的时间常数载组成的电路的时间常数R R0 0C C 。

v为了不失真地测量，压电传感器的测量电路应具有高输为了不失真地测量，压电传感器的测量电路应具有高输入阻抗，并在输入端并联一定的电容入阻抗，并在输入端并联一定的电容C Ci i以加大时间常数以加大时间常数R R0 0C C v但并联电容过大会使输出电压降低过多但并联电容过大会使输出电压降低过多常用传感器与敏感元件优秀课件4 4、测量电路、测量电路常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件结论：结论：在一定的条件下，电荷放大器的输出电压与压电传感器产在一定的条件下，电荷放大器的输出电压与压电传感器产生的电荷量成正比，且与电缆分布电容无关因此，采用生的电荷量成正比，且与电缆分布电容无关因此，采用电荷放大器，即使连接电缆长度数百米，其灵敏度也无明电荷放大器，即使连接电缆长度数百米，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点显变化，这是电荷放大器的突出优点 常用传感器与敏感元件优秀课件5 5、压电式传感器的应用、压电式传感器的应用 压电式传感器常用来测量力、压力、振动加速度等，也压电式传感器常用来测量力、压力、振动加速度等，也用于声学和声发射测量。

用于声学和声发射测量常用传感器与敏感元件优秀课件1 1）常用的压电式加速度计结构形式如图所示常用的压电式加速度计结构形式如图所示S S是弹簧，是弹簧，M M是质块，是质块，B B是基座，是基座，P P是压电元件是压电元件压电元件压电元件——质量块质量块——弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接这种结构有高的共振频率这种结构有高的共振频率常用传感器与敏感元件优秀课件压电式加速度计的幅频特性曲线 常用传感器与敏感元件优秀课件（（2 2））    压电式流量计压电式流量计利利用用超超声声波波在在顺顺流流方方向向和和逆逆流流方方向向的的传传播播速速度度进进行行测测量量其其测测量量装装置置是是在在管管外外设设置置两两个个相相隔隔一一定定距距离离的的收收发发两两用用压压电电超超声声换换能能器器，，每每隔隔一一段段时时间间( (如如1/ /100s) )，，发发射射和和接接收收互互换换一一次次在在顺顺流流和和逆逆流流的的情情况况下下，，发发射射和和接接收收的的相相位位差差与与流流速速成成正正比比据据这这个个关关系系，，可可精精确确测测定定流流速速流流速与管道横截面积的乘积等于流量。

速与管道横截面积的乘积等于流量 流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此此流流量量计计可可测测量量各各种种液液体体的的流流速速，，中中压压和和低低压压气气体体的的流流速速，，不不受受该该流流体体的的导导电电率率、、粘粘度度、、密密度度、、腐腐蚀蚀性性以以及及成成分分的的影影响响其其准准确确度度可可达达0.5%，，有有的的可可达到达到0.01%根据发射和接收的相位差随海洋深度深根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况度的变化，测量声速随深度的分布情况常用传感器与敏感元件优秀课件（3）集成压电式传感器        是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域     脉搏计照片      典型应用：  ·脉搏计数探测  ·按键键盘，触摸键盘  ·振动、冲击、碰撞报警  ·振动加速度测量  ·管道压力波动 ·其它机电转换、动态力检测等 常用传感器与敏感元件优秀课件 力敏元件主要性能指标：力敏元件主要性能指标：压力范围压力范围 ≤ 1kPa灵敏度灵敏度 ≥ 0.2ｍｍV/Pａａ非线性度非线性度 ≤ 1％％ F.S频率响应频率响应 1～～1000Hz标准工作电压标准工作电压 4.5V（（DC））扩充工作电压扩充工作电压 3～～15V(DC)标准负载电阻标准负载电阻 2.2kΩ扩充电阻扩充电阻 1kΩ～～12kΩ外形尺寸外形尺寸   12.7×7.6重重 量量 ＜＜ 1.5ｇｇ集成压电传感器连线电路集成压电传感器连线电路输出力敏元件地线R=2.2kΩ 电源集成压电传感器连线电路OO常用传感器与敏感元件优秀课件（（4）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用如果地面下有一条均匀的直管道某处如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振点为漏点，振动声音从动声音从O点向管道两端传播，传播速度为点向管道两端传播，传播速度为V，在管，在管道上道上A、、B两点放两只传感器，两点放两只传感器，A、、B距离为距离为L（已知（已知或可测），从或可测），从A、、B两个传感器接收的由两个传感器接收的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为时刻发出的振动信号所用时间为tA（（=LA/V）和）和tB（（=LB/V），两者时间差为），两者时间差为 Δt=tA- tB=（（LA- LB））/V （（1））又又 L =LA+LB （（2））LABO点LALB地      面常用传感器与敏感元件优秀课件因因为为管管道道埋埋设设在在地地下下，，看看不不到到O点点，，也也不不知知道道LA和和LB的的长长度度，，已已知知的的是是L和和V，，如如果果能能设设法法求求出出ΔΔt，，则则联联立立（（1））+（（2）得：）得： LA =(L+ΔtV)/2 （（3））或者将（或者将（1））-（（2）得：）得： LB=（（L-ΔtV））/2 （（4）） 关关键键是是确确定定ΔΔt，，就就可可准准确确确确定定漏漏点点O。

如如果果从从O点点出出发发的的是是一一极极短短暂暂的的脉脉冲冲，，在在A、、B两两点点用用双双线线扫扫描描同同时时开开始始记记录录，，在在示示波波器器上上两两脉脉冲冲到到达达的的时时间间差差就就是是ΔΔt实实际际的的困困难难在在于于漏漏水水声声是是连连续续不不断断发发出出的的，，在在A、、B两两传传感感器器测测得得的的是是一一片片连连续续不不断断，，幅幅度度杂杂乱乱变变化化的的噪噪声声相相关关检检漏漏仪仪的的功功能能就就是是要要将将这这两两路路表表面面杂杂乱乱无无章章的的信信号号找找出出规规律律来来，，把把它它们们““对对齐齐””，，对对齐齐移移动动所所需需要要的的时时间间就是就是ΔΔt常用传感器与敏感元件优秀课件•总结•1）压电传感器形成系列化产品如大型灵敏度加速计灵敏阈可达10－6gn，能够测量微弱的振动，小型加速度计0.14g,灵敏低，但能测量上千克强振动•2）电荷泄漏使压电传感器实际低端工作频率无法达到直流低频振动时受灵敏度限制，输出信号弱，信噪比差•3）压电传感器一般用来测量沿其轴向的作用力，该输出为压电传感器通常输出，在垂直轴向的作用力，产生横向效应和相应的输出，即横向输出－是一种干扰和产生误差的原因，故要减少横向输出。

•4）环境温度、湿度的变化、压电材料本身的时效，都会引起压电常数的变化，使压电传感器灵敏度变化，要经常校准传感器•5）压电传感器具有可逆性施加电压于压电晶片，压电片便伸缩所以可做“驱动器”常用传感器与敏感元件优秀课件三、热电式传感器三、热电式传感器l定义：将温度转换为电量变化的一种装置定义：将温度转换为电量变化的一种装置l分类：热电偶和热电阻分类：热电偶和热电阻1、热电偶、热电偶（（1）热电偶工作原理）热电偶工作原理n热电效应：热电效应： 两种不同的金属导体两种不同的金属导体 A A 和和 B B 组成一个闭合回路时若两个组成一个闭合回路时若两个结合点的温度不同，则在回路中就有电流产生，这种现象结合点的温度不同，则在回路中就有电流产生，这种现象称热电效应相应的电势称称热电效应相应的电势称热电动势热电动势 A A、、B B 称为热电极，两电极的连接点称为接点测温时置称为热电极，两电极的连接点称为接点测温时置于被测温度场于被测温度场 T T 的接点称为热端，另一端称为冷端的接点称为热端，另一端称为冷端常用传感器与敏感元件优秀课件热电偶回路常用传感器与敏感元件优秀课件n热电动势组成：热电动势组成： 接触电动势：接触电动势：金属中存在自由电子，不同金属中自由电子金属中存在自由电子，不同金属中自由电子密度不同，当两种金属密度不同，当两种金属 A A和和 B B 接触时，接触处产生电子接触时，接触处产生电子的扩散运动，若的扩散运动，若 A A 的自由电子密度大于的自由电子密度大于 B B，则，则A A 中的电中的电子扩散到子扩散到 B B 中的多，而中的多，而 B B 中的电子扩散到中的电子扩散到 A A 中的少，中的少，于是在接触处便形成了电场，这个电场阻碍着电子继续扩于是在接触处便形成了电场，这个电场阻碍着电子继续扩散。

当扩散作用与电场的反作用相等时，就达到了散当扩散作用与电场的反作用相等时，就达到了动态平动态平衡衡，这时在，这时在 A A、、B B 接触面处形成的稳定电位差称为接触电接触面处形成的稳定电位差称为接触电势势其值如下：其值如下：常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件 温差电动势：温差电动势：如果一个导体如果一个导体 A A 两端存在着温度差，那么两端存在着温度差，那么热端自由电子的动能比冷端要大，热端便有更多的电子扩热端自由电子的动能比冷端要大，热端便有更多的电子扩散到冷端，使热端失去电子而带正电，冷端得到电子而带散到冷端，使热端失去电子而带正电，冷端得到电子而带负电，当电子扩散达到动态平衡时，高温与低温端之间形负电，当电子扩散达到动态平衡时，高温与低温端之间形成稳定的电位差称为温差电势，其值为成稳定的电位差称为温差电势，其值为常用传感器与敏感元件优秀课件总的热电动势：总的热电动势：若使冷端温度若使冷端温度T T0 0保持不变，则热电势保持不变，则热电势 E EABAB（（T T，，T T0 0）为热端温）为热端温度度T T的单值函数因此通过测量热电势的单值函数。

因此通过测量热电势 E EABAB（（T T，，T T0 0）就可求）就可求出被测温度出被测温度T T常用传感器与敏感元件优秀课件n热电偶回路的特点：热电偶回路的特点：①①如果热电偶的两个热电极材料相同，两结点的温度虽然如果热电偶的两个热电极材料相同，两结点的温度虽然不同，但总的热电势仍为零因此，热电偶必须由两种不同，但总的热电势仍为零因此，热电偶必须由两种不同的材料构成；不同的材料构成；②②如果热电偶两个接点的温度相同，即使两个热电极如果热电偶两个接点的温度相同，即使两个热电极 A A、、B B 的材料不同，回路中热电势仍然为零，因此要产生热的材料不同，回路中热电势仍然为零，因此要产生热电势不但要求两个电极材料不同，而且两个接点必须有电势不但要求两个电极材料不同，而且两个接点必须有温度差；温度差；③③热电势与导体材料热电势与导体材料A A、、B B的中间温度无关，仅与两个接点的中间温度无关，仅与两个接点的温度有关的温度有关常用传感器与敏感元件优秀课件n热电偶的基本定律：热电偶的基本定律：①①中间导体定律：中间导体定律：中间导体的热电偶回路在热电偶测温过程中，需要中间导体的热电偶回路在热电偶测温过程中，需要用连接导线将热电偶与测量仪表接通，这相当于在热电偶回路中接用连接导线将热电偶与测量仪表接通，这相当于在热电偶回路中接入第三种导体入第三种导体 C C，如图，如图 3 3－－4040所示。

所示只要第三种导体两端的温度相只要第三种导体两端的温度相等，则对热电偶回路总的热电势没有影响，这就是中间导体定律等，则对热电偶回路总的热电势没有影响，这就是中间导体定律因此可以在回路中引入各种仪表直接测量其热电势，也允许采用不因此可以在回路中引入各种仪表直接测量其热电势，也允许采用不同方法来焊接热电偶，或将两热电极直接焊接在被测导体表面同方法来焊接热电偶，或将两热电极直接焊接在被测导体表面中间导体的热电偶回路常用传感器与敏感元件优秀课件②②中间温度定律：中间温度定律：热电偶回路中，热端温度为热电偶回路中，热端温度为 T T、冷端为、冷端为 T T0 0时的热时的热电势，等于此热电偶热端为电势，等于此热电偶热端为T T、冷端为、冷端为T Tn n，及同一热电偶热端为，及同一热电偶热端为 T Tn n、、冷端为冷端为T T0 0时热电势的代数和，如图所示：时热电势的代数和，如图所示：中间温度定律示意图常用传感器与敏感元件优秀课件③③标准电极定律：标准电极定律：若若两种导体两种导体 A A、、B B 分别与第三种导体分别与第三种导体 C C 组成的热组成的热电偶所产生的热电势已知，则导体电偶所产生的热电势已知，则导体 A A、、B B组成的热电偶的热电势为组成的热电偶的热电势为 EAB（（T，，T0））=EAC（（T，，T0）－）－EBC（（T，，T0）） C C 称为标准电极。

标准电极通常采用纯铂丝制成，因为铂容易提称为标准电极标准电极通常采用纯铂丝制成，因为铂容易提纯，熔点高，性能稳定标准电极定律使热电偶的选配工作大为简纯，熔点高，性能稳定标准电极定律使热电偶的选配工作大为简化，只要知道一些材料与标准电极相配时的热电势，就可用公式求化，只要知道一些材料与标准电极相配时的热电势，就可用公式求出任何两种材料配成热电偶的热电势出任何两种材料配成热电偶的热电势常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件•(2)热电偶的分类•常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶 常用传感器与敏感元件优秀课件（（2 2）热电偶分类）热电偶分类种类种类符号符号测温范围测温范围灵敏度灵敏度铂铑-铂WRLB长期1300℃，短期1600 ℃参考图3-41镍铬-镍硅WREU长期900 ℃，短期1200 ℃镍铬-考铜WREA长期600 ℃，短期800 ℃铂铑30-铂铑6WRLL长期1600 ℃，短期1800 ℃常用传感器与敏感元件优秀课件•S型热电偶）铂铑10-铂热电偶 铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶。

偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为10%，含铂为90%，负极（SN）为纯铂，故俗称单铂铑热电偶该热电偶长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃ S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中由于S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器，“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器，但国际温度咨询委员会（CCT）认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标 S型热电偶不足之处是热电势，热电势较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大 （R型热电偶）铂铑13-铂热电偶 铂铑13-铂热电偶（R型热电偶）为贵金属热电偶偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（RP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为13%，含铂为87%，负极（RN）为纯铂，长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。

 R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当，在我国一直难于推广，除在进口设备上的测温有所应用外，国内测温很少采用1967年至1971年间，英国NPL，美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究，其结果表明，R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好，我国目前尚未开展这方面的研究   常用传感器与敏感元件优秀课件•（（B B型热电偶）铂铑型热电偶）铂铑30-30-铂铑铂铑6 6热电偶热电偶 铂铑30-铂铑6热电偶（B型热电偶）为贵金属热电偶偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（BP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负极（BN）为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃ B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。

B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3μV B型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大 （（K K型热电偶）镍铬型热电偶）镍铬- -镍硅热电偶镍硅热电偶 镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是目前用量最大的金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-200~1300℃ K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用 K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中 常用传感器与敏感元件优秀课件•（N型热电偶）镍铬硅-镍硅热电偶 镍铬硅-镍硅热电偶（N型热电偶）为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了K型热电偶的两个重要缺点：K型热电偶在300~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定；在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。

正极（NP）的名义化学成分为：Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4，负极（NN）的名义化学成分为：Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1，其使用温度为-200~1300℃ N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶. N型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中 （E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶 镍铬-铜镍热电偶（E型热电偶）又称镍铬-康铜热电偶，也是一种廉金属的热电偶，正极（EP）为：镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为：55%的铜，45%的镍以及少量的锰，钴，铁等元素该热电偶的使用温度为-200~900℃ E型热电偶热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境E热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中，广泛为用户采用。

 E型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性气氛中，热电势均匀性较差   常用传感器与敏感元件优秀课件•（J型热电偶）铁-铜镍热电偶 铁-铜镍热电偶（J型热电偶）又称铁-康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学成分为：55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN和TN来替换铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃，但通常使用的温度范围为0~750℃ J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用  J型热电偶可用于真空，氧化，还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中•（T型热电偶）铜-铜镍热电偶 铜-铜镍热电偶（T型热电偶）又称铜-康铜热电偶，也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶它的正极（TP）是纯铜，负极（TN）为铜镍合金，常之为康铜，它与镍铬-康铜的康铜EN通用，与铁-康铜的康铜JN不能通用，尽管它们都叫康铜，铜-铜镍热电偶的盖测量温区为-200~350℃。

 T型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,特别在-200~0℃温区内使用，稳定性更好，年稳定性可小于±3μV，经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递 T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差，故使用温度上限受到限制 常用传感器与敏感元件优秀课件2、热电阻传感器、热电阻传感器l热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性测量热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性测量温度的用金属或半导体材料作为感温元件的传感器，分温度的用金属或半导体材料作为感温元件的传感器，分别称为别称为热电阻热电阻和和热敏电阻热敏电阻l热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成电阻体是主要部分线盒等组成电阻体是主要部分常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件（（1 1）铂电阻）铂电阻l特点：测温精度高，稳定性好，性能可靠；氧化性介质稳特点：测温精度高，稳定性好，性能可靠；氧化性介质稳定，还原性介质易被污染定，还原性介质易被污染l测温范围：测温范围：-200-200～～ 850℃ 850℃l电阻与温度关系：电阻与温度关系： -200 -200～～ 0℃ 0℃ 的温度范围内的温度范围内 0 0～～ 850℃ 850℃ 的温度范围内为的温度范围内为常用传感器与敏感元件优秀课件 说明：说明：R Rt t和和 R R0 0分别为分别为 t t和和 0℃ 0℃ 时的铂电阻值；时的铂电阻值；A A、、 B B 和和 C C 为常数，其数值为为常数，其数值为l分度号：分度号：t=0℃ t=0℃ 时的铂电阻值为时的铂电阻值为 R R0 0，我国规定工业用铂，我国规定工业用铂热电阻有热电阻有 R R0 0 = 10Ω= 10Ω和和 R R0 0 =100Ω =100Ω两种，它们的分度号分两种，它们的分度号分别为别为 Pt Pt1010和和 Pt Pt100100，其中，其中PtPt100100最常用。

最常用常用传感器与敏感元件优秀课件l分度表：铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即分度表：铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即 R Rt t— — t t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值 R Rt t，便可从分度表上查出对应的温度值便可从分度表上查出对应的温度值常用传感器与敏感元件优秀课件l铂电阻体用很细铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上做成铂电阻体用很细铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上做成WZB型，由直径型，由直径0.03-0.07mm铂丝绕云母制成的平板型铂丝绕云母制成的平板型支架，如图支架，如图常用传感器与敏感元件优秀课件（（2 2）铜电阻）铜电阻l特点：测温精度低于铂电阻，但线性度好、电阻温度系数特点：测温精度低于铂电阻，但线性度好、电阻温度系数高、价格便宜高、价格便宜l测温范围：测温范围：-50-50～～ 150℃ 150℃l电阻与温度关系：电阻与温度关系：lR Rt t是温度为是温度为 t t时铜电阻值；时铜电阻值；R R0 0是温度为是温度为 0℃ 0℃ 时铜电阻值；时铜电阻值；a a1 1是常数；是常数；a a1 1= 4.25-4.28 ×10-3℃= 4.25-4.28 ×10-3℃-1-1。

常用传感器与敏感元件优秀课件l铜电阻体为一个铜丝绕组（含锰铜补偿部分），由直径约铜电阻体为一个铜丝绕组（含锰铜补偿部分），由直径约0.1mm的绝缘铜丝绕在圆形塑料支架上的绝缘铜丝绕在圆形塑料支架上常用传感器与敏感元件优秀课件第五节第五节 光电传感器光电传感器l将光信号转换为电信号的器件称为光电传感器或光电元件将光信号转换为电信号的器件称为光电传感器或光电元件作非电量测量时，光电传感器先将被测物理量转换为光量，作非电量测量时，光电传感器先将被测物理量转换为光量，然后再将该光量转换为电量然后再将该光量转换为电量一、光电测量原理一、光电测量原理l光电传感器的工作基础是光电效应，光电效应按其作用原光电传感器的工作基础是光电效应，光电效应按其作用原理又分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应理又分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应常用传感器与敏感元件优秀课件1 1、外光电效应、外光电效应（（1 1）定义：）定义：在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称外光电效应，亦称光电子发射效应电磁能转换的现象称外光电效应，亦称光电子发射效应。

电磁能转换为动能2 2）基本规律：）基本规律：金属中存在着大量的自由电子，普通条件金属中存在着大量的自由电子，普通条件下，它们在金属内部作无规则的自由运动，不能离开金属下，它们在金属内部作无规则的自由运动，不能离开金属表面但当它们获取外界的能量且该能量等于或大于电子表面但当它们获取外界的能量且该能量等于或大于电子逸出功时，便能离开金属表面为使电子在逸出时具有一逸出功时，便能离开金属表面为使电子在逸出时具有一定速度，就必须有大于逸出功的能量定速度，就必须有大于逸出功的能量3)3)定量分析：定量分析：常用传感器与敏感元件优秀课件►一个光子的能量：一个光子的能量：►物体受光辐射，电子吸收一个光子能量，并用来克服逸出物体受光辐射，电子吸收一个光子能量，并用来克服逸出功和转换为动能：功和转换为动能：常用传感器与敏感元件优秀课件（（4 4）讨论：）讨论：①①光电子逸出物体表面的必要条件是光电子逸出物体表面的必要条件是 h hνν> A> A因此，对因此，对每一种光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值当每一种光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值当入入射光频率低于该值射光频率低于该值时，无论入射光的光强多大，均不能时，无论入射光的光强多大，均不能引起光电子发射。

反之，引起光电子发射反之，入射光频率高于阈值频率入射光频率高于阈值频率，即，即使光强较小，也会引发光电子发射对应于此频率的波使光强较小，也会引发光电子发射对应于此频率的波长长λλ，称为某种光电器件或光电阴极的，称为某种光电器件或光电阴极的““红限红限””，其值，其值为为常用传感器与敏感元件优秀课件②②当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光光强成正比与入射光光强成正比光愈强，意味着入射光子数目大，光愈强，意味着入射光子数目大，逸出的光电子数也愈多逸出的光电子数也愈多③③对于外光电效应器件来说，只要光照射在器件阴极上，对于外光电效应器件来说，只要光照射在器件阴极上，即使阴极电压为零，也会产生光电流即使阴极电压为零，也会产生光电流，这是因为光电子，这是因为光电子逸出时具有初始动能要使光电流为零，必须使光电子逸出时具有初始动能要使光电流为零，必须使光电子逸出物体表面时的初速度为零为此要在逸出物体表面时的初速度为零为此要在阳极加一反向阳极加一反向截止电压截止电压 UaUa，使外加电场对光电子所作的功等于光电，使外加电场对光电子所作的功等于光电子逸出时的动能，即子逸出时的动能，即常用传感器与敏感元件优秀课件（（5 5）外光电效应器件：）外光电效应器件：①①真空光电管或光电管真空光电管或光电管►两种结构：两种结构：a a图光电阴极图光电阴极K K由半圆筒形金属片制成，用于由半圆筒形金属片制成，用于在入射光照下发射光电子。

阳极在入射光照下发射光电子阳极A A为位于阴极轴心的一为位于阴极轴心的一根金属丝，有效接收阴极发射的电子；根金属丝，有效接收阴极发射的电子；b b图中阴极直接图中阴极直接做在玻璃壳内壁上，入射光穿过玻璃可直接投射到阴极做在玻璃壳内壁上，入射光穿过玻璃可直接投射到阴极上►光电管的特性取决于光电阴极材料，光电管的特性取决于光电阴极材料，材料不同，对不同材料不同，对不同波长的光辐射有不同灵敏度银氧铯阴极在整个可见光波长的光辐射有不同灵敏度银氧铯阴极在整个可见光区域均有一定的灵敏度，且在在近紫外光区区域均有一定的灵敏度，且在在近紫外光区（（4.5×104.5×103 3A°A°））和近红外光区和近红外光区（（7.5×107.5×103 3 A° A°～～ 8×108×103 3A°A°））分别分别有两个峰值，常用来作为红外光传感器有两个峰值，常用来作为红外光传感器常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件►光电特性：光电特性：在恒定工作电压和入射光的频率成分条件下，在恒定工作电压和入射光的频率成分条件下，光电管接收的入射光通量值光电管接收的入射光通量值 Φ Φ 与其输出与其输出 光光 电电 流流 I IΦΦ 之间的比例关系，如图。

之间的比例关系，如图2525505075751001001 10 00.50.51.51.5 2.02.0ΦΦ/1m/1mI IA A/ μA/ μA1.01.02.52.52 21-锑铯阴极锑铯阴极 2-氧铯阴极氧铯阴极 常用传感器与敏感元件优秀课件►伏安特性：伏安特性：在恒定的入射光的频率成分和强度条件下，光在恒定的入射光的频率成分和强度条件下，光电管的光电流与阳极电压之间的关系由图可见，光通量电管的光电流与阳极电压之间的关系由图可见，光通量一定，阳极电压增加，管电流趋于饱和，光电管工作点一一定，阳极电压增加，管电流趋于饱和，光电管工作点一般在该区域般在该区域常用传感器与敏感元件优秀课件②②光电倍增管光电倍增管►基本结构：基本结构：光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干个光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干个““倍增极倍增极””，或叫，或叫““次阴极次阴极””倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料，的材料，倍增极的形状和位置设计成正好使前一级倍增极反射的电倍增极的形状和位置设计成正好使前一级倍增极反射的电子继续轰击后一级倍增极子继续轰击后一级倍增极。

在每个倍增极间均依次增大加速电压在每个倍增极间均依次增大加速电压►阳极电流计算：阳极电流计算：设每极的倍增率为（一个电子能轰击产生出设每极的倍增率为（一个电子能轰击产生出 δ δ 个个次级电子），若有次级电子），若有 n n个次阴极，则总的光电流倍增系数个次阴极，则总的光电流倍增系数M M将为将为（（CδCδ））n n（这里（这里 C C 为各次阴极电子收集效率），即光电倍增管阳为各次阴极电子收集效率），即光电倍增管阳极电流极电流I I与阴极电流与阴极电流I I0 0的关系为的关系为I=II=I0 0·M =I·M =I0 0（（CδCδ））n n，倍增系数与，倍增系数与所加的电压有关所加的电压有关常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件2 2、内光电效应、内光电效应（（1 1）定义：）定义：在光照作用下，物体的导电性能如电阻率发生在光照作用下，物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应，又称改变的现象称内光电效应，又称光导效应光导效应2）与外光电效应区别：）与外光电效应区别：外光电效应产生于物体表面层，外光电效应产生于物体表面层，在光照作用下，物体内部的自由电子逸出到物体外部。

而在光照作用下，物体内部的自由电子逸出到物体外部而内光电效应则不发生电子逸出，在光照下，物体内部原子内光电效应则不发生电子逸出，在光照下，物体内部原子吸收能量释放电子，这些吸收能量释放电子，这些电子仍停留在物体内部，从而使电子仍停留在物体内部，从而使物体的导电性能发生改变物体的导电性能发生改变常用传感器与敏感元件优秀课件（（3 3）内光电效应器件）内光电效应器件①①光敏电阻光敏电阻►半导体材料在半导体材料在黑暗的环境黑暗的环境下，内部电子为原子所束缚，下，内部电子为原子所束缚，处于价带上，不能自由移动，半导体的电阻值很高处于价带上，不能自由移动，半导体的电阻值很高►某些半导体材料（如硫化镉等）某些半导体材料（如硫化镉等）受到光照受到光照时，若其时，若其光子光子能量能量 hνhν 大于本征半导体材料的禁带宽度大于本征半导体材料的禁带宽度，价带中的，价带中的电子吸收一个光子后便可跃迁到导带，从而激发出电子电子吸收一个光子后便可跃迁到导带，从而激发出电子- -空穴对，于是降低了材料的电阻率，增强了导电性能空穴对，于是降低了材料的电阻率，增强了导电性能►阻值的大小随光照的增强而降低，且光照停止后，自由阻值的大小随光照的增强而降低，且光照停止后，自由电子与空穴重新复合，电阻也恢复原来的值。

电子与空穴重新复合，电阻也恢复原来的值常用传感器与敏感元件优秀课件导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg电子跃迁条件：电子跃迁条件：h hν>Eν>Eg g常用传感器与敏感元件优秀课件A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体RGRLEI常用传感器与敏感元件优秀课件►光敏电阻特点：灵敏度高，光谱响应范围宽，可从紫外一光敏电阻特点：灵敏度高，光谱响应范围宽，可从紫外一直到红外，且体积小，性能稳定直到红外，且体积小，性能稳定►不同材料光敏电阻的适用波长范围：硫化镉（不同材料光敏电阻的适用波长范围：硫化镉（CdSCdS）、硒）、硒化镉（化镉（CdSeCdSe）适用于）适用于可见光（可见光（0.4μm 0.4μm ～～ 0.75μm0.75μm）的范）的范围围；氧化锌（；氧化锌（ZnOZnO）、硫化锌（）、硫化锌（ZnSZnS）适用于）适用于紫外光线范围紫外光线范围；；硫化铅（硫化铅（PbSPbS）、硒化铅（）、硒化铅（PbSePbSe）、碲化铅（）、碲化铅（PbTePbTe）则适）则适用于用于红外线范围红外线范围►光敏电阻的特征参数：光敏电阻的特征参数：常用传感器与敏感元件优秀课件n光电流、暗电阻、亮电阻：光电流、暗电阻、亮电阻：光敏电阻在未受到光照条件下呈现的光敏电阻在未受到光照条件下呈现的阻值称为阻值称为“暗电阻暗电阻”，此时流过的电流称，此时流过的电流称“暗电流暗电流”。

光敏电阻光敏电阻在受到某一光照条件下呈现的阻值称在受到某一光照条件下呈现的阻值称“亮电阻亮电阻”，此时流过的电，此时流过的电流称流称“亮电流亮电流”亮电流与暗电流之差称为亮电流与暗电流之差称为“光电流光电流”光电流的大小表征了光敏电阻的灵敏度大小的大小表征了光敏电阻的灵敏度大小n光照特性：光照特性：光敏电阻的光电流光敏电阻的光电流I I与光通量与光通量F F的关系曲线称光敏电阻的关系曲线称光敏电阻的光照特性图的光照特性图4 4示为硫化镉（示为硫化镉（CdSCdS）光敏电阻的光照特性一般）光敏电阻的光照特性一般来说，光敏电阻的光照特性曲线呈非线性，且不同材料的光照特来说，光敏电阻的光照特性曲线呈非线性，且不同材料的光照特性均不一样性均不一样012345I/mA L/lx2000常用传感器与敏感元件优秀课件n伏安特性：伏安特性：在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性图中曲线的关系称为伏安特性图中曲线1 1、、2 2分别表示照度为分别表示照度为零零及照度为及照度为某值某值时的伏安特性由曲线可知，在给定偏压下时的伏安特性。

由曲线可知，在给定偏压下, ,光照度较大，光光照度较大，光电流也越大在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，电流也越大在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻而且无饱和现象但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制501001502001202040I/ μAU/V常用传感器与敏感元件优秀课件n光谱特性：光谱特性：光谱特性与光敏电阻的材料有关从图中可知，硫化光谱特性与光敏电阻的材料有关从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域因此，在选用光敏区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果获得满意的效果204060801004008001200160020002400λ/nm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅常用传感器与敏感元件优秀课件②②光敏二极管光敏二极管 光敏二极管的光敏二极管的PNPN结安装在管子顶部，可直接接受光照射，结安装在管子顶部，可直接接受光照射，在电路中一般处于反向工作状态。

在无光照时，暗电流在电路中一般处于反向工作状态在无光照时，暗电流很小在有光照时，光子打在很小在有光照时，光子打在PN PN 结附近，从而在结附近，从而在PNPN结结附近产生电子附近产生电子- -空穴对它们空穴对它们在内电场作用下作定向运在内电场作用下作定向运动，形成光电流动，形成光电流光电流随光照度的增加而增加光电流随光照度的增加而增加因此在无光照时，光敏二极管处于截止状态，当有光照时，在无光照时，光敏二极管处于截止状态，当有光照时，二极管导通二极管导通常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件②②光敏三极管光敏三极管 光敏三极管有光敏三极管有 NPN NPN 和和 PNPPNP两种类型，结构与一般晶体两种类型，结构与一般晶体三极管相似由于光敏三极管是光致导通的，因此它的三极管相似由于光敏三极管是光致导通的，因此它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积当光照射发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积当光照射到光敏三极管的到光敏三极管的 PN PN 结附近时，结附近时，PN PN 结附近便产生电子结附近便产生电子- -空穴对，这些电子空穴对，这些电子- -空穴对在内电场作用下做定向运动空穴对在内电场作用下做定向运动从而形成光电流。

这样便使从而形成光电流这样便使 PN PN 结的反向电流大大增加结的反向电流大大增加由于光照射发射极所产生的光电流相当于三极管的基极由于光照射发射极所产生的光电流相当于三极管的基极电流，因此集电极电流为光电流的电流，因此集电极电流为光电流的ββ倍常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件3 3、光生伏特效应、光生伏特效应►定义：定义：光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏打效应称为光生伏打效应►应用：应用：基于光生伏打效应的器件有光电池，可见光电池也基于光生伏打效应的器件有光电池，可见光电池也是一种有源器件由于它广泛用于把太阳能直接转换成电是一种有源器件由于它广泛用于把太阳能直接转换成电能，故亦称太阳能电池能，故亦称太阳能电池►光电池种类及特点：光电池种类及特点：硅、硒、砷化镓、硫化镉、硫化铊光硅、硒、砷化镓、硫化镉、硫化铊光电池等常用传感器与敏感元件优秀课件l硅光电池硅光电池由于其转化效率高、寿命长、价格低廉而应由于其转化效率高、寿命长、价格低廉而应用最为广泛硅光电池较用最为广泛硅光电池较适宜于接收红外光适宜于接收红外光。

l硒光电池硒光电池适宜于适宜于接收可见光接收可见光，但其转换效率低（仅有，但其转换效率低（仅有 0.02% 0.02% ），寿命低它的最大优点是制造工艺成熟，），寿命低它的最大优点是制造工艺成熟，价格低廉，因此仍被用来制造照度计价格低廉，因此仍被用来制造照度计l砷化镓光电池砷化镓光电池的光电转换效率理论上稍高于硅光电池，的光电转换效率理论上稍高于硅光电池，其光谱响应特性与太阳光谱接近，且其工作温度最高，其光谱响应特性与太阳光谱接近，且其工作温度最高，耐受宇宙射线的辐射耐受宇宙射线的辐射，因此可作为，因此可作为宇航电源宇航电源常用传感器与敏感元件优秀课件•硅光电池结构：硅光电池结构：在电阻率为在电阻率为0.1Ω·cm 0.1Ω·cm ～～ 1Ω·cm 1Ω·cm的的 N N 型硅片上进行硼扩散以形成型硅片上进行硼扩散以形成 P P型层，再用引线将型层，再用引线将 P P型和型和 N N 型层引出形成正、负极，便形成了一个光电池接受光照型层引出形成正、负极，便形成了一个光电池接受光照时，在两极间接上负载便会有电流通过一般为防止表面时，在两极间接上负载便会有电流通过一般为防止表面的光反射和提高转换效率，常将器件表面氧化处理形成的光反射和提高转换效率，常将器件表面氧化处理形成 SiOSiO2 2 保护膜。

保护膜常用传感器与敏感元件优秀课件►硅光电池作用原理：硅光电池作用原理：当光照射至光电池的当光照射至光电池的PNPN结的结的P P型面上型面上时，如果光子能量时，如果光子能量hνhν大于半导体材料的禁带宽度，则在大于半导体材料的禁带宽度，则在 P P型区每吸收一个光子便激发一个电子型区每吸收一个光子便激发一个电子- -空穴对在空穴对在PN PN 结结电场作用下，电场作用下，N N区的光生空穴将被拉向区的光生空穴将被拉向P P区，区，P P区的光生电区的光生电子被拉向子被拉向N N区结果，在区结果，在N N区便会积聚负电荷，在区便会积聚负电荷，在P P区则积区则积聚正电荷这样在聚正电荷这样在N N区和区和P P区间便形成电势区若将区间便形成电势区若将PNPN结两结两端用导线连接起来，电路中便会有电流流过，方向为从端用导线连接起来，电路中便会有电流流过，方向为从P P区流向外电路至区流向外电路至N N区常用传感器与敏感元件优秀课件三、光电传感器的应用三、光电传感器的应用1 1、模拟量光电传感器、模拟量光电传感器 将将被测量转换为连续变化的光电流被测量转换为连续变化的光电流n辐射式：被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件。

辐射式：被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类常用传感器与敏感元件优秀课件n吸收式：恒光源辐射的光穿过被测物体，部分被吸收，根吸收式：恒光源辐射的光穿过被测物体，部分被吸收，根据被测物对光的吸收程度测定被测参数如测量液体、气据被测物对光的吸收程度测定被测参数如测量液体、气体的透明度、混浊度体的透明度、混浊度, ,对气体进行成分分析对气体进行成分分析, ,测定液体中某测定液体中某种物质的含量等种物质的含量等常用传感器与敏感元件优秀课件n反射式：根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性反射式：根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等常用传感器与敏感元件优秀课件n遮光式：光源发出的光通量经被测物遮去其一部分遮光式：光源发出的光通量经被测物遮去其一部分, ,使作使作用在光电元件上的光通量减弱用在光电元件上的光通量减弱, ,减弱的程度与被测物在光减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。

利用这一原理可以测量长度、厚度、学通路中的位置有关利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等线位移、角位移、振动等常用传感器与敏感元件优秀课件2 2、开关量光电传感器、开关量光电传感器 将被测量转换为断续变化的光电流将被测量转换为断续变化的光电流①①脉冲盘式角度脉冲盘式角度-数字编码器数字编码器l结构：开有等角距狭缝的圆盘；光源；光敏原件；测量电路结构：开有等角距狭缝的圆盘；光源；光敏原件；测量电路l原理：圆盘随工作轴转动，一个狭缝发生一次光线明暗变化，原理：圆盘随工作轴转动，一个狭缝发生一次光线明暗变化，经光敏原件，产生一次电信号变化，放大整形，得到电脉冲信经光敏原件，产生一次电信号变化，放大整形，得到电脉冲信号脉冲数有计数器算出，可测轴的转角脉冲数有计数器算出，可测轴的转角l正反转判断电路：采用两套光电转换装置，相对位置保证产生正反转判断电路：采用两套光电转换装置，相对位置保证产生的信号相差的信号相差1/4周期常用传感器与敏感元件优秀课件②②码盘式角度码盘式角度- -数字编码器数字编码器 按角度直接编码的传感器按角度直接编码的传感器►接触式码盘接触式码盘 涂黑导电区，连接一起解高电位；空白绝缘区；每涂黑导电区，连接一起解高电位；空白绝缘区；每个码道一个电刷，经电阻接地。

个码道一个电刷，经电阻接地 n n位码盘的分辨角度：位码盘的分辨角度： 二进制码易产生非单值误差，故常用循环码（两个二进制码易产生非单值误差，故常用循环码（两个数码只有一位变化）数码只有一位变化）常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件►光电式码盘光电式码盘 码盘用玻璃制成，码盘用玻璃制成，0 0和和1 1由透明和不透明表示由透明和不透明表示 光电式角度光电式角度- -数字编码器组成：光源、光学系统、码盘、数字编码器组成：光源、光学系统、码盘、读数系统和电路系统图读数系统和电路系统图3-54.3-54. 常用传感器与敏感元件优秀课件四、应用实例四、应用实例1 1、冷轧钢带跑偏检测、冷轧钢带跑偏检测n白炽灯白炽灯8 8发出的光经双凸透镜发出的光经双凸透镜7 7、分光镜、分光镜3 3反射后再经平面反射后再经平面透镜透镜4 4会聚成平行光束，该光束被行进的带钢会聚成平行光束，该光束被行进的带钢6 6遮挡掉一部遮挡掉一部分，另一部分则被入射至角矩阵反射镜分，另一部分则被入射至角矩阵反射镜5 5上，经该反射镜上，经该反射镜反射的光束再经透镜反射的光束再经透镜4 4、分光镜、分光镜3 3和凸透镜和凸透镜2 2会聚到光敏三会聚到光敏三极管极管1 1上。

角矩阵反射镜上角矩阵反射镜5 5用于防止平面反射镜因倾斜或不用于防止平面反射镜因倾斜或不平而出现的漫反射平而出现的漫反射n由于光敏三极管由于光敏三极管1 1接在输入桥路的一臂上，因此当带钢位接在输入桥路的一臂上，因此当带钢位于平行光束中间位置时，电桥则处于平衡状态，输出为零于平行光束中间位置时，电桥则处于平衡状态，输出为零当带钢左、右偏移时，遮光面积或减小、或增加，从而使当带钢左、右偏移时，遮光面积或减小、或增加，从而使角矩阵反射镜反射回的光通量增加或减小，于是输出电流角矩阵反射镜反射回的光通量增加或减小，于是输出电流变为变为 +Δi +Δi或或 -Δi -Δi，该电流变化信号经放大后，可用以作，该电流变化信号经放大后，可用以作为防止带钢跑偏的控制信号为防止带钢跑偏的控制信号常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件2 2、光电转速计、光电转速计n被测对象的转轴上涂上黑白二色，转动时，反光与不反光被测对象的转轴上涂上黑白二色，转动时，反光与不反光交替出现光源经光学系统照射到旋转轴上，轴每转一周交替出现光源经光学系统照射到旋转轴上，轴每转一周反射光投射到光电接收元件上的强弱发生一次变化，从而反射光投射到光电接收元件上的强弱发生一次变化，从而在光电元件中引起一个脉冲信号。

在光电元件中引起一个脉冲信号n脉冲信号经整形放大后送往记数器，从而可测到物体的转脉冲信号经整形放大后送往记数器，从而可测到物体的转速n所用的光电元件可以是光电池，也可以是光敏二极管光所用的光电元件可以是光电池，也可以是光敏二极管光源一般为白炽灯源一般为白炽灯常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件第七节   半导体传感器•物性型传感器物性型传感器:利用敏感元件材料本身的物理化学利用敏感元件材料本身的物理化学性质实现信号的变换性质实现信号的变换.•物性型传感器大多属于半导体传感器物性型传感器大多属于半导体传感器.•半导体传感器具有明显的优点半导体传感器具有明显的优点:•1.结构简单结构简单,体积小体积小,重量轻重量轻,灵敏度高灵敏度高.•2.功耗低功耗低,安全可靠安全可靠,寿命长寿命长.•3.对被测量敏感对被测量敏感,响应快响应快.•4.易集成化易集成化.常用传感器与敏感元件优秀课件一一磁敏传感器磁敏传感器1. 霍尔传感器霍尔传感器利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器出的一种传感器霍尔元件：基于霍尔效应工作的半导体器件，霍尔元件多霍尔元件：基于霍尔效应工作的半导体器件，霍尔元件多采用采用N N型半导体材料。

型半导体材料组成材料组成材料：砷化铟（：砷化铟（InAs）、锑化铟（）、锑化铟（InSb）、锗（）、锗（Ge）、）、砷化镓（砷化镓（GaAs）等）等高电阻率半导体材料高电阻率半导体材料霍尔效应霍尔效应：将半导体薄片（霍尔板）置于一磁场中，板厚：将半导体薄片（霍尔板）置于一磁场中，板厚d一般远小于板宽一般远小于板宽b和板长，当在板长度方向通以控制电和板长，当在板长度方向通以控制电流流I时，则在板的侧向（宽度方向）会产生电势差时，则在板的侧向（宽度方向）会产生电势差,称称为霍尔电势为霍尔电势,这种现象称为霍尔效应这种现象称为霍尔效应.常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件   霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成霍尔片是一块霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成霍尔片是一块半导体单晶薄片半导体单晶薄片(一般为一般为4×2×0.1mm3)，在它的长度方向，在它的长度方向两端面上焊有两端面上焊有a、、b两根引线，称为控制电流端引线，通常两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有的中间以点的形式对称地焊有c、、d两根霍尔输出引线，通两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。

霍尔元件的壳体常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装常用传感器与敏感元件优秀课件特点及应用特点及应用:     结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反因此，c、d两端电势为VH1—VH2如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量 常用传感器与敏感元件优秀课件钢丝绳断丝检测常用传感器与敏感元件优秀课件•2.磁阻元件•磁阻效应（Magnetoresistance Effects）是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。

这种偏转导致载流子的漂移路径增加或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加这种现象称为磁阻效应若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应一般情况下，载流子的有效质量的驰豫时时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因而无纵向磁阻效应 常用传感器与敏感元件优秀课件磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大磁阻元件可用于位移、力、加速度等参数的测量磁阻元件可用于位移、力、加速度等参数的测量磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘磁卡、硬盘)等领域2007年年诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖授予来自法国国家科学研究中心的物理学家授予来自法国国家科学研究中心的物理学家艾艾尔伯尔伯·费尔费尔和来自德国尤利希研究中心的物理学家和来自德国尤利希研究中心的物理学家皮特皮特·克鲁伯格克鲁伯格，，以表彰他们发现以表彰他们发现巨磁电阻效应巨磁电阻效应的贡献的贡献。

  • 常用传感器与敏感元件优秀课件    利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成•由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结而成•优点：•(1) 热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍）•(2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度•(3) 结构简单、机械性能好•缺点：线性度较差，复现性和互换性较差•半导体热敏电阻二、热敏传感器二、热敏传感器 常用传感器与敏感元件优秀课件•电阻-温度特性•式中RT, R0—热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值•T0, T —介质的起始温度和变化温度（K）；•t0 , t —介质的起始温度和变化温度（℃）；•B —热敏电阻材料常数，一般为2000～6000K，•其大小取决于热敏电阻的材料常用传感器与敏感元件优秀课件•比较金属热电阻与半导体热敏电阻：•1) 金属热电阻传感器•－200～+500℃范围的温度测量•特点：精度高、适于测低温•2) 半导体热敏电阻传感器•应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件三、气敏电阻传感器三、气敏电阻传感器 气体与人类日常生活密切相关，对气体的检气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。

气敏传感器发挥着极其重要的作用 如生活环境中一氧化碳浓度达如生活环境中一氧化碳浓度达0.80.8～～1.15 ml/L1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥还时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥还有易燃、易爆气体、酒精等的探测有易燃、易爆气体、酒精等的探测烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器常用传感器与敏感元件优秀课件 气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇氧化锰当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化等时，电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化测气体的浓度改变而变化 常用传感器与敏感元件优秀课件常用传感器与敏感元件优秀课件                                                                                           常用传感器与敏感元件优秀课件实验室中的传感器实验室中的传感器常用传感器与敏感元件优秀课件燃气报警器燃气报警器烟雾报警器烟雾报警器                                                                                                                                                                              常用传感器与敏感元件优秀课件•四、湿敏传感器四、湿敏传感器•精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。

食品加工等行业都有广泛的应用•湿度传感器依据使用材料分类：湿度传感器依据使用材料分类：电电解解质质型型：：以以氯氯化化锂锂为为例例，，它它在在绝绝缘缘基基板板上上制制作作一一对对电电极极，，涂涂上上氯氯化化锂锂盐胶膜氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小陶陶瓷瓷型型：：一一般般以以金金属属氧氧化化物物为为原原料料，，通通过过陶陶瓷瓷工工艺艺，，制制成成一一种种多多孔孔陶陶瓷瓷利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成高高分分子子型型：：先先在在玻玻璃璃等等绝绝缘缘基基板板上上蒸蒸发发梳梳状状电电极极,通通过过浸浸渍渍或或涂涂覆覆,使使其其在在基基板板上上附附着着一一层层有有机机高高分分子子感感湿湿膜膜有有机机高高分分子子的的材材料料种种类类也也很很多多,工工作原理也各不相同作原理也各不相同单晶半导体型单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成制成二：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成制成二极管湿敏器件和极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等其特点是易于和半导体电路湿度敏感器件等。

其特点是易于和半导体电路集成在一起集成在一起 常用传感器与敏感元件优秀课件五、固态图象五、固态图象(CCD)传感器传感器•固态图象传感器：一种固态集成元件，其固态图象传感器：一种固态集成元件，其核心部分是电荷耦合器件（核心部分是电荷耦合器件（Charge Coupled Device，简称，简称CCD）•CCD：以阵列形式排列在衬底材料上的金：以阵列形式排列在衬底材料上的金属属——氧化物氧化物——硅（硅（Metal Oxide Semiconductor，简称，简称MOS）电容器件组）电容器件组成的，具有成的，具有光生电荷、积蓄和转移电荷的光生电荷、积蓄和转移电荷的功能 常用传感器与敏感元件优秀课件当在金属电极上施加一正电压时，在电场的作用下，电极下面的P型硅区域里的空穴将被赶尽，从而形成耗尽区也就是说，对带负电的电子而言，这个耗尽区是一个势能很低的区域，称为“势阱”如果此时有光线入射到半导体硅片上，则在光子的作用下，半导体硅片上就形成电子和空穴，由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收(或称俘获），而同时产生的空穴则被电场排斥出耗尽区此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。

人们称这样一个MOS结构元为MOS光敏元，或称为一个像素；把一个势阱所收集的若干光生电荷称为一个电荷包 常用传感器与敏感元件优秀课件•通常在半导体硅片上制有几百通常在半导体硅片上制有几百个或几千个相互独立的个或几千个相互独立的MOS元，元，它们按它们按线阵或面阵线阵或面阵有规则地排有规则地排列如果在金属电极上施加一列如果在金属电极上施加一正电压，则在这半导体硅片上正电压，则在这半导体硅片上就形成几百个或几千个相互独就形成几百个或几千个相互独立的势阱如果照射在这些光立的势阱如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则与此同时，在这些光敏像，则与此同时，在这些光敏元上就会感生出一幅与光照强元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像度相对应的光生电荷图像常用传感器与敏感元件优秀课件•固态图象传感器的分类固态图象传感器的分类：：–线阵型线阵型：目前一般有：目前一般有1024、、1728、、2048和和4096个象素个象素的传感器；的传感器；–面阵型面阵型：从：从512×512一直到一直到512×768个象素的，最高分个象素的，最高分辨力的可达辨力的可达2048×2048个象素的。

个象素的 •CCD传感器的应用传感器的应用　　　　 (1)组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤、组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等自动焦点等 (2)作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传作光学信息处理装置的输入环节，例如用于技术、光学文字识别技术真技术、光学文字识别技术(OCR)、图像识别技术、、图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术等方面光谱测量及空间遥感技术等方面 (3)作自动流水线装置中的敏感器件，例如可用于作自动流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车以自动监视装置机床、自动售货机、自动搬运车以自动监视装置等方面常用传感器与敏感元件优秀课件–用用CCD线阵型摄象机线阵型摄象机作流水线零件尺寸检作流水线零件尺寸检测 常用传感器与敏感元件优秀课件–采用面阵式CCD摄象机利用投影法测量物体三维表面形貌  投影法测量物体三维形貌 常用传感器与敏感元件优秀课件–采用摄像机利用三角法测量物体位置三角法原理测量物体位移及轮廓 常用传感器与敏感元件优秀课件–用三角法测量工件轮廓 图3.119 三角法三维轮廓尺寸测量 常用传感器与敏感元件优秀课件第十节第十节 传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。

的问题 1 1、灵敏度、灵敏度 一一般般说说来来，，传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高越越好好，，但但，，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题 a) a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题； b) b)量程范围量程范围 c) c)交叉灵敏度问题交叉灵敏度问题常用传感器与敏感元件优秀课件2 2 响应特性响应特性 传传感感器器的的响响应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，，保持不失真的测量条件保持不失真的测量条件 实实际际上上传传感感器器的的响响应应总总不不可可避避免免地地有有一一定定延迟，但总希望延迟的时间越短越好延迟，但总希望延迟的时间越短越好 3 3 线性范围线性范围 任任何何传传感感器器都都有有一一定定线线性性工工作作范范围围在线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系，，线线性性范范围围愈愈宽宽，，则则表表明明传传感感器器的的工工作作量量程程愈愈大大传传感感器器工工作性区域内，是保证测量精度的基本条件。

作性区域内，是保证测量精度的基本条件 常用传感器与敏感元件优秀课件4 4 稳定性稳定性 稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期使使用用以以后后，，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能影影响响传传感感器器稳稳定性的因素是时间与环境定性的因素是时间与环境5 5 精确度精确度 传传感感器器的的精精确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测量的对应程度测量的对应程度 常用传感器与敏感元件优秀课件6 6 测量方式测量方式 传传感感器器工工作作方方式式，，也也是是选选择择传传感感器器时时应应考考虑虑的的重重要要因因素素例例如如，，接接触触与与非非接接触触测测量量、、破破坏与非破坏性测量、与非测量等坏与非破坏性测量、与非测量等常用传感器与敏感元件优秀课件。