第四章常用传感器1.docx
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第四章常用传感器1
第四章常用传感器
工程上把直接感受被测量（如物理量、化学量、生物量等），并将其转换为同种或别种与之有确定对应关系，且便于计量的量值形式（通常是电量）的装置称为传感器。
传感器作为测量装置的输入环节，其性能直接影响到测量装置的性能。
随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域的重要基础功能部件受到了普遍的重视。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。
在自动测量过程或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后把它转换成电信号，供显示仪表指示或用以控制执行机构。
如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义。
在传统的传感器中，以把被测量转换为电路参数变化，如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器和磁电式传感器等。
后来直接利用各种物理效应、化学反应的传感器逐渐增加，如压电式传感器、霍尔传感器、超声波传感器、光纤传感器、磁弹性传感器和电化学传感器等。
随着半导体技术的发展，又出现了新型的半导体传感器，如采用扩散硅半导体的压阻式传感器，和利用电荷耦合器件的光电式传感器。
随着科学技术的发展，一方面需要在不同环境下测量不同的物理量、化学量和生物量的各类传感器；另一方面新材料、新元件和新工艺的不断出现，也为研制新型传感器提供了新的基础，因此新型的传感器不断地出现。
未来传感器发展将主要表现在利用半导体材料和大规模集成电路工艺，将测量电路和敏感元件结合成一体，以提高传感器的灵敏度、精确度和可靠性，实现小型化、智能化、数字化。
采用新型材料，如高分子有机材料、液晶、生物功能材料和超导材料等，以改善原有传感器的某些性能。
例如，聚偏氟乙烯薄膜经拉伸、极化后，可用来作为力传感器和温度传感器的敏感元件，与压电陶瓷相比，它的优点是压电常数高，柔性好，机械强度高，质轻，并可制成阵列式的敏感元件。
本章将介绍常用的部分传感器。
4.1传感器的分类和性能要求
传感器种类繁多，往往一种被测量可以用几种不同类型的传感器检测，而同一转换原理的传感器有时也可以测量多种物理量。
为了对传感器有一概括的认识，对传感器加以分类是必要的。
通常有两种分类原则，即按被测量性质分类和按传感器工作原理分类。
4.1.1按被测物理量分类
这种分类方法是从方便使用者角度划分的，如加速度传感器、位移传感器、温度传感器等，当需要测量某一物理量时，使用者从这种分类中选取一种，然后配上适当的测量电路就可以了。
这一分类方法强调了传感器的用途，却把不同变换原理的传感器归为一类，这就很难看出每种传感器在变换原理上有什么共性和差异，不利于从变换原理的物理、化学基础上去认识传感器的内在规律。
况且被测量种类繁多，按被测量的性质划分传感器将十分繁杂。
4.1.2按传感器变换原理分类
按传感器的变换原理分类易于从原理上认识传感器的变换特性，同时由于每一类变换器所配用的测量电路也基本相同，便于学习和掌握。
这样，一种类型的传感器若配以适当的敏感元件还可以实现多种物理量的测量。
1．参量型传感器：
其输出是无源的电参量如电阻、电感、电容、频率等。
可再细分为电阻式、电感式、电容式传感器等。
2．发电型传感器，其输出是电势、电荷、电流等。
又可分为热电式、光电池式、电极电位式、磁电式、压电式传感器等。
实际上，传感器是人为地按一定目的来分类的，为的是分类研究其共同性，便于利用和发展。
分类的方法并不是一成不变的，它是根据技术和使用要求的发展而变化的。
上述两种分类方法，第一种方法是从应用的目的出发的，第二种方法则便于从原理上研究、认识传感器的变换特性，表4-1列出了一些常用传感器的类型。
表4-1常用传感器类型
分类
原理
名称
输出
典型应用
电
阻
式
移动电位器触点，改变电阻值
电位器
R→电压、电流
位移、压力
改变电阻丝（片）的几何尺寸
电阻丝应变片
应变、位移、力、力矩
利用电阻系数的物理效应
热电阻
温度
热敏电阻
湿敏电阻
湿度
气敏电阻
气体成分、浓度
光敏电阻
光强
电
容
式
改变电容几何尺寸
变面积型
↗电桥→电压
C
↘振荡器→频率
位移、压力、声强
变极距型
改变电容介质或含量
变介质型
液位、厚度、含水量
电
感
式
改变磁路几何尺寸或磁体位置
可变磁阻式
L→电桥→电压
L（M）→振荡器→频率
位移、力
利用自感和互感变化
涡流式
位移、力
利用互感变化
差动变压器
M→电桥→电压
位移、力
其
它
接触电势、温差电势
热电偶
电压
温度
压电效应
压电传感器
电荷
力、加速度
压电和电致伸缩效应
超声传感器
频率、电压
距离、速度
磁电感应
磁电测振器
电压
速度
磁致伸缩
位移传感器
电压
位移
霍尔效应
霍尔元件
电压
位移、力、磁通
压阻效应
压力传感器
电阻→电压
压力
PN结温度特性
温度传感器
电压
温度
光电效应
光电管
电压
光强
光线传感器
电压
位移、速度、力、温度
4.1.3传感器应具有的性能
作为测量装置的一个重要组成部分，传感器必须具有良好的性能。
这些性能一般包括下列各项：
1．输出与输入信号呈线性关系，灵敏度高。
2．内部噪声小，对被测对象以外的其它物理量变化无响应。
3．回程误差、滞后、漂移量小。
4．动态响应好。
5．功耗小。
6．不使被测对象受到影响。
7．重现性好，有互换性。
8．容易校准。
当然，一种传感器很难同时满足上述所有要求。
这时应根据测量的目的、环境、对象、精度要求、信号处理、配套仪器及成本等方面的情况综合考虑，选择适当的变换原理和材料、
元件及结构形式，以便尽可能多地满足上述要求。
4.2电阻式传感器
电阻式传感器是把被测量如位移、力等参数转换为电阻变化的一种传感器，按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。
4.2.1变阻器式传感器
变阻器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。
它主要用于将机械位移或角位移转换为与位移成一定函数关系的电阻或电压。
变阻器按其制作材料可分为线绕式和薄膜式两类；按其结构可分为直线式和旋转式两类。
线绕变阻式传感器也称为滑线电阻式传感器，其工作原理是通过改变电路中电阻值的大
小，实现将位移转换为电阻值的变化。
其阻值为：
（Ω）（4-1）
式中ρ电阻率（Ω·mm2／m）；
——电阻丝长度（m）；
——电阻丝截面积（mm2）；
——电阻丝半径（mm）。
a）直线型位移型b）角位移型c）非线性型
图4-1电位器式传感器
上式说明当电阻丝直径与材质一定时，其阻值随电阻丝长度变化。
图4－1（a）为线性直线位移型传感器，（b）为线性角位移型传感器，当触点C沿变阻器滑动时，A点与C点间的电阻值分别为：
（4-2）
（4-3）
式中
—单位长度中的电阻值；
—单位角度中的电阻值。
当输入量与变阻器位移x呈非线性关系时，要获得与该输入量成线性关系的输出（电阻值）则要利用非线性电位器式传感器，图4-1（C）既是一种变骨架式非线性位移传感器，其阻值与位移的函数关系取决于输入变量与位移的关系。
设输入量为f（x），要得到输出量R（x）与输入量F（x）成线性关系则应当满足
（4-4）
式中
－传感器灵敏度
线绕式变阻器的稳定性、精度、线性度较好，但其分辨率受到电阻丝直径和线圈螺距的影响。
此外，其电阻值不随位移连续变化，只能用于较大位移量的测量。
另外常见的还有金属膜或炭膜构成的薄膜变阻器，其优点是输出无台阶现象，分辨率高，摩擦力矩小。
目前高水平的薄膜位移传感器非线性度已小于0.02％,使用寿命达1000万次。
变阻式传感器具有一系列优点，如结构简单，尺寸小，有一定精度且性能稳定，受环境因素（温湿度、电磁场干扰等）影响较小，输出信号大，一般不需放大。
但也存在严重缺点，如有摩擦和磨损，分辨率低，无法用于高速位移的测量和非接触位移测量。
图4-2金属电阻丝应变片结构
引出线
基片
覆盖层
电阻丝
4.2.2电阻应变式传感器
电阻应变式传感器可以用于测量力，位移、加速度、扭矩等参数。
具有体积小、动态响应快，测量精度高、使用简便等优点。
获得广泛应用。
电阻应变式传感器可分为金属丝电阻应变片式与半导体应变片式两类。
1．金属电阻应变片
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，此种现象称之为电阻应变效应。
电阻应变片就是利用这种效应的一种传感器，其典型结构如图4-1所示。
根据式（4-1）可知，当电阻丝发生变形时，其长度l、截面积F、电阻率ρ均将变化。
这些变化就会引起电阻值R的变化。
当每一个可变因素分别有一个增量d
、d
和dρ时，所引起的电阻增量为：
（4-5）
式中
，r—电阻丝半径，式（4-5）又可写为：
（4-6）
电阻值的相对变化为：
（4-7）
式中：
ε——电阻丝的纵向应变；
μ——电阻丝材料的泊松比，
；
λ——电阻材料的压阻系数，与材质有关；
E――电阻丝材料的弹性模量。
对于金属电阻丝，λE远小于
，因此有：
（4-8）
上式说明电阻丝应变片电阻相对变化率与应变成正比。
其灵敏度
（4-9）
图4-3箔式应变片
金属箔式应变片是用厚度为3～10μm的铜镍合金箔片用光刻法做成箔栅，以代替金属电阻丝（图4-3）。
其形状可以很复杂，尺寸精度高，适合于大批生产。
箔式应变片的灵敏度也为常数，现在已广泛被使用。
应变片常用于应力、应变、力、压力等的测量。
使用时把应变片粘固于弹性元件或需要测量变形的物体上。
在外力作用下，电阻丝与该物体一起变形，其阻值发生相应变化．为了提高灵敏度，减小温度变化对输出的影响，实际应用中常将四个应变片接成测量电桥。
这时应注意同相变化的应变片应放置在相对的桥臂上。
2．半导体应变片。
半导体应变片的工作原理是利用半导体材料的压阻效应，即单晶半导体材料沿某一方向受到外力作用发生变形时，其电阻率ρ发生变化。
在式（4-7）中，电阻的相对变化dR/R由两部分组成。
其中（1＋2μ）ε是由几何尺寸变化引起的，λEε是由电阻率变化引起的。
对于半导体应变片
（4-10）
所以式（4-7）可以简化为
（4-11）
半导体应变片的灵敏度
（4-12）
半导体应变片的最大优点是灵敏度很高，约为金属电阻应变片的50～80倍。
这使它可用与应变范围相当小的场合。
此外，它的尺寸可以很小，适合用于微型构件的测量。
但由于半导体应变片本身的非线性（λ不是常数），灵敏度离散大，温度稳定性差等缺点，也给使用带来一些困难。
随着微电子技术的飞速发展，各类半导体敏感器件性能指标不断提高并得到越来越广泛的应用，如在一个硅片上制有桥式应变片、温度补偿电路和放大器的半导体集成压力传感器，其精度和灵敏度都达到了很高的水平。
4.3电容式传感器
两个平行金属板构成的电容，电容量为
（4-13）
式中
ε－极板间介质的介电常数[F／m]，ε=εrε0
εr―介质的相对介电常数
ε0―真空介电常数，ε0＝8.85×1012F/m
A一两平行板相互覆盖面积（m2）
C―电容量（F）
δ－两平行板板间的距离（m）
由式（4-13）可知，当改变电容器参数A、δ或ε时，都会使它的电容量C随之变化。
如果仅改变其中的一项参数，其它两项不变，就可以把该项参数的变化转换为电容量的变化。
根据电容器参数变化的类型，电容式传感器又可分为极距变化型，面积变化型和介质变化型三类。
4.3.1极距变化型
根据式（4-13），如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则电容量C与极距δ呈非线性（双曲线）关系，参见图4-4（a）。
这时当极距有一微小变化，引起电容变化量为
（4-14）
由此可得到传感器的灵敏度
（4-15）
可以看出，灵敏度S与极距平方成反比，极距越小灵敏度越高。
显然，由于灵敏度随极距而变化，这将引起非线性误差。
为了减小这一误差，通常规定电容式传感器在极小范围内工作，使
，以获得近似线性关系。
设极距变化范围为（
，
），则灵敏度
（4-16）
在实际应用中，有时为了提高传感器的灵敏度和克服某些外界条件（如电源电压、环境
（a）变极距型
（b）差动变极距型
图4-4变极距型电容传感器的输出特性
温度等）的变化对测量精度的影响，常常采用差动型式，如图4-14（b）所示。
这种传感器的优点是灵敏度可提高一倍，并且工作稳定性好。
极距变化型电容式传感器的优点是动态响应快，灵敏度高，可进行非接触测量。
但由于输的非线性特性，传感器杂散电容对灵敏度和测量精度的影响，以及与传感器配合使用的电子线路比较复杂等缺点，因此使用范围受到一定限制。
4.3.2面积变化型
改变极板面积的电容式传感器，一般常用的有角位移型与线位移型两种。
图4-5（a）为角位移型，当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖面积就变化，因而导致电容量变化。
由于覆盖面积
（4-17）
式中α—覆盖面积对应的中心角
r—极板半径
所以电容量
（4-18）
灵敏度
const
即输出与输入为线性关系。
α
图中1：
动极2：
定极
图4-5面积变化型电容传感器
（a）角位移型
（b）平面线位移型
（c）圆柱线位移型
图4-5（b）为平面线位移型电容传感器，当动板沿x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化。
电容量值为
（4-19）
所以灵敏度
const（4-20）
图4-5（a）为圆柱型电容传感器，其电容量为
（4-21）
式中D－外筒孔径
d－内筒外径
面积变化型电容传感器的优点是输出与输入呈线性关系，但与变极距型相比则有灵敏度较低的缺点。
它适用于较大线位移或角位移的测量。
4.3.3变介质型
变介质型电容传感器通常有两类，一类利用了不同物质有不同的介电常数，常用于罐、槽得液位测量与控制。
当所测液体与空气介电常数不同时，电容两极间液位的变化就会引起电容量的变化。
如图4-6（a）所示，其电容值为：
（4-22）
另一类变介质型电容传感器是利用同一介质在不同状态或环境条件下介电常数的变化。
例如湿敏电容就是利用亲水高分子薄膜做电容器的介质，上层电极为多孔铂层，下层电极为铂层。
其结构见图4-6（b）。
电容式传感器的共同特点是传感器输出易受到杂散电容的影响，与之配合的测量电路较复杂。
图4-6变介质型电容传感器
（a）液位传感器
（b）湿度传感器
4.4电感式传感器
电感式传感器可将位移量转换为自感L或互感M的变化。
按磁路结构可分为闭磁路式和开磁路式。
按照电感变化方式可分为变自感型（可变磁阻式和涡流式）和改变初级与次级线圈间的耦合程度（互感）的变压器型两类。
下面介绍常用的电感式传感器。
4.4.1变磁阻型电感传感器
变间隙型电感传感器的结构示意图如图4-7所示。
传感器由线圈、铁心和衔铁组成。
工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。
由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。
线圈的电感可用下式表示：
（4-23）
式中：
N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。
一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为：
（4-24）
式中A－气隙截面积；
µ0－空气磁导率；
δ－空气隙厚度。
通过对式（4-24）的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。
输出特性曲线参见图4-6（b）。
4.4.2电涡流式传感器
一个空心线圈具有以下电气参数：
Z0—线圈阻抗，Z0=R0+jωL0
Q—线圈品质因数，Q0=ωL0/R0
图4-8
图4-9
如将此线圈靠近金属物体时，以上参数均会发生改变。
这是因为空心线圈中通以交流电时，它所建立的磁通在金属中感生出电势并导致环形电涡流，设该涡流回路上等效电阻为r，等效电感为L0，这个环形电涡流同样也建立磁通，并且方向与线圈所建立的磁通方向相反，线圈与电涡流间存在着等效互感M，其量值取决于线圈与金属物的靠近程度。
根据等效图可求得线圈的等效阻抗：
（4-25）
可见当线圈靠近金属物体时，其阻抗为互感M的函数，即为靠近距离的函数。
电涡流传感器可用于动态非接触测量，测量范围约为0～1500μm，分辨力可达lμm。
它还具有结构简单、使用方便，不受油污等介质影响的优点，多用于位移和振动位移的测量及无损探伤等方面。
其缺点是被测对象必须是金属。
4.4.2差动变压器
根据电磁感应定律，当初级线圈通入交变电流i1时，次级线圈上产生的感应电势e12，其大小与电流i1成正比，
（4-26）
式中M—互感，与两线圈相对位置及周围介质导磁能力有关。
差动变压器就是利用上述原理，把被测位移转化为线圈互感的变化的。
其初级输入稳定的交流电压源，次级感生出输出电压。
当被测位移变化引起互感变化时输出电压也随之变化。
一般将两个次级线圈接成差动式。
差动变压器也因此而得名。
目前应用最广的螺线管形差动变压器，其工作原理如图4-10所示。
变压器由初级线圈W和两个参数完全相同的次级线圈W1、W2组成，线圈中插入动铁芯p。
当初级线圈加交流电压u时，次级线圈W1、W2分别产生感应电势e1和e2。
其量值与动铁芯位置有关。
当铁芯位于中心位置时，e1=e2，输出电压e0=0,当铁芯偏离中心位置时，e0逐渐增大。
铁芯偏离中心位置的方向不同时输出e0的相位相差180o。
差动变压器式传感器的测量精度高（可达0.05μm），线性范围大，稳定性好，使用方便，工作可靠，寿命长，因此被广泛用于直线位移或可能转换为位移变化的压力等参量的测量。
其主要缺点是频率响应较低，不宜用于快速动态测量。
4.5压电式传感器
一些晶体如石英、钛酸钡等，沿一定切片方向受到外力作用时不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表边上有电荷产生，形成电场。
当外力消失时，表面又回到原来不带电的状态，这种现象称为压电效应。
具有这种性质的材料称为压电材料。
如果这种材料放置于电场中，其几何尺寸也发生变化，称为逆压电效应或电致伸缩效应压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。
它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。
压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。
近年来压电测试技术发展迅速，特是电子别技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。
4.5.1石英晶体的压电效应
图4-11石英晶体的外形、坐标轴及切片
石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。
它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。
图4-11是天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。
石英晶体有三个晶轴：
Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。
从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。
当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。
沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。
当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。
纵向压电效应产生的电荷为:
（4-27）
式中，qxx为垂直于X轴平面上的电荷，dxx为压电系数，下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；Fx为沿晶轴X方向施加的压力。
由上式看出，当晶片受到X向的压力作用时，qxy与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关。
如果作用力Fx改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。
横向压电效应产生的电荷为
（4-28）
式中，qxy为Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上的电荷；dxy为压电系数，Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数；Fy为沿晶轴Y方向施加的压力；a为晶片沿Y轴长度；b为晶片沿X轴厚度。
式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。
由上式可以看出，沿机械轴方向对晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的。
根据石英晶体的对称条件dxy=dxx，所以上式又可写为
（4-29）
石英晶体在机械力的作用下会在其表面产生电荷的机理：
图4-12晶片受力方向与电荷极性的关系
（a）
（b）
（c）
（d）
（a）
（c）
（b）
图4-13石英晶体的压电效应
石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，如图4-13（a）所示。
当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象。
如果在X轴方向施加压力，如图4-13（b）所示，则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子4挤入氧离子3和5之间，结果在表面A上出现正电荷，而在月表面上出现负电荷。
如果所受的力为拉力时，在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。
如果沿Y轴方向施加压力时，则在表面A和B上呈现的极性如图图4-13（c）所示。
施加拉力时，电荷的极性与它相反。
若沿Z轴方向施加力的作用时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故在表面没有电荷出现，因而不产生压电效应。
4.5.2其它压电材料
4.5.2.1压电陶瓷：
这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。
1）钛酸钡压电陶瓷
钛酸钡（BaTiO3）是由BaCO3和TiO2二者在高温下合成的。
具有较高的压电系数和介电常数。
机械强度不如石英。
2）锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）
锆钛酸铅是PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr·Ti）O2。
它具有较高的压电系数。
3）铌酸盐系压电陶瓷
铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。
常用于水声传感器中。
4）铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）
这是一种由Pb（MgNb）O3、PbTiO3、PbZrO3组成的三元系陶瓷。
它具有较高的压电系数，能够在较高的压力下工作，适合作为高温下的力传感器。
4.5.2.2压电半导体
有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS、CaS、GaAs等。
因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。
两者结合起来，就出现了集转换元件和电子线路为一体的新型传感器，有很好的应用前景。
4.5.2.3高分子压电材料
某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。
目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。
这是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。
如果将压电陶瓷粉末加入高分子化合物中，可以制成高分子—压电陶瓷薄膜，它既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数，是一种很有希望的压电材料。
4.5.3压电传感器的常用结构类型
图4-15压电式力传感器
图4-14压电晶体的组合形式
（a）
（b）
在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。
由于压电材料是有极性的，因此接法
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