第3章 常用传感器

第3章 常用传感器

■ 传感器的定义（GB7665-87）

能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 ■ 传感器的组成

● 敏感元件：如压电式加速度计中的质量块、应变式力传感器中的弹性元件等。 ● 转换元件：如压电式加速度计中的压电晶片、应变式力传感器中的应变片等。 ● 其他元件：壳体、引线等。

■ 传感器的分类

● 按被测量的属性分：位移、速度、加速度、力、压力、流量、温度等传感器。 ● 按传感器的工作原理分：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、光电式等。 ● 按信号转换特征分：结构型传感器、物性型传感器。

● 按传感器输出参量的状态分：模拟传感器、数字传感器。

● 按工作时是否需要外部能源分：参量型传感器、发电型传感器。

3.1 电阻式传感器

将被测量的变化转换成电阻变化的传感器。分为： ● 变阻器式 ● 电阻应变式

● 敏感电阻式（热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻等）

3.1.1 变阻器式传感器

1. 工作原理

图3-1 变阻器式传感器

a) 工作原理 b) 分压式测量线路

Sx R x x

R p p

o == （3-1） （常数）.

const A

dx dR S o ===

ρ

（3-2） 变阻器式传感器的静态灵敏度理论上为常数，输出电阻o R 的变化与输入位移x 的变化成线性比例关系——零阶系统。

变阻器式传感器一般后接分压式测量电路（图3-1b ）。输出o e 与输入位移x 的关系为：

s p

L p p o e x x R R x x e )1(1

-+=

（3-3） 负载特性：由于测量电路后面还要连接各种信号调理电路，即连接一定的负载，使得输出电压

o e 与输入位移x 之间实际上是非线性关系。

（强调：增大输入阻抗容易引入干扰！） 阶梯特性：对于线绕式变阻器式传感器，在触点移动一个电阻丝直径d 的范围内不会使输出电压o e 产生变化，因此，变阻器式传感器的位移分辨力d i ≥。 2. 结构

线位移型、角位移型、函数型等。

特点：结构简单，性能稳定，受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响小，输出信号大，成本低，精度较高（可优于0.1%）；存在摩擦和磨损，噪声大，抗冲击、振动性能差，易受灰尘等因素的影响，要求大能量输入，动态特性差。

3.1.2 电阻应变式传感器

1. 工作原理

长度为L 、截面积为A 、电阻率为ρ的金属导体的电阻R 为

A

L

R ρ= （3-4）

ρ

ρd A dA L dL R dR +-= （3-5） 若金属导体是截面半径为r 的金属丝，则有：

2r A π=，rdr dA π2=，ε=L dL ，μεμ-=-=L

dL

r dr ，λσρρ=d ，εσE =， 其中：ε——所承受的应变；σ——轴向正应力；μ——材料的泊松比；λ——材料的压阻系数；E ——材料的弹性模量。故

ελμλμ)21()21(E L

dL

E R dR ++=++= （3-6）

应变片的灵敏度S

E R

dR L dL R dR S λμε++===

)21( （3-7） 则 εS R

dR

= （3-8）

金属应变片：电阻变化主要由应变效应引起，E λμ>>+21，μ21+≈S （多在1.7~3.6之间）； 半导体应变片：电阻变化主要由压阻效应引起， μλ21+>>E ，E S λ≈（多在60~150之间）。 特点：金属电阻应变片的灵敏度较低，但温度稳定性好、非线性误差小；半导体应变片的灵敏度较高，横向效应和机械滞后小，其缺点是温度稳定性差，非线性误差大。 2. 结构

⑴ 金属电阻应变片的结构

金属电阻应变片的敏感元件为栅形的金属敏感栅，有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。

图3-2 金属电阻应变片的结构

a) 丝式 b) 箔式

⑵ 半导体应变片

半导体应变片主要有体型、薄膜型、扩散型三种类型。

图3-3 体型半导体应变片的结构

1—引线2—半导体片3—基片

图3-4 薄膜型半导体应变片的结构图3-5 扩散型半导体应变片的结构

1—锗膜2—绝缘层3—金属箔基底4—引线1—N型硅2—P型硅扩散层3—二氧化硅绝缘层

4—铝电极5—引线

3. 应用

⑴直接用来测定构件的应变或应力。

图3-6 电阻应变片测量示例

a) 齿轮轮齿弯矩测量b) 飞机机身应力测量c) 立柱应力测量d) 桥梁应力测量

⑵与弹性元件一起构成各种电阻应变式传感器，用来测量力、位移、压力、加速度等工程参数。

图3-7 几种电阻应变式传感器的原理示意图

a) 位移传感器b) 加速度传感器c)力传感器d) 扭矩传感器e) 压力传感器

3.2 电感式传感器

电感式传感器是一种把被测量的变化转换成线圈电感参数（自感系数、互感系数、等效阻抗）变化的传感器，其工作原理是基于电磁感应。按变换方式的不同，电感式传感器可分为自感式、互感式和涡流式）三种。

3.2.1 自感传感器

1. 工作原理

自感传感器将被测量的变化转换成线圈本身自感系数的变化。

图3-8 自感传感器原理

a) 工作原理 b) 输入输出特性

m

R W

L 2

=

（3-11） A

R R R R m m m m 02μδ

=≈+=气气铁 （3-12）

式中 A ——磁路的导磁截面积；

0μ——空气的磁导率，H/m 10π470-⨯=μ。

传感器线圈的自感L 为

δ

μ202A

N L = （3-13）

传感器的灵敏度S 为

2

022δμδA N d dL S -== （3-14） 当传感器工作在初始气隙0δ附近较小的范围δ∆±内时，灵敏度

)21(2)(2202

0022002202δδ

δμδδμδμ∆--≈∆+-=-

=A N A N A N S （3-15） 为使输入输出近似保持线性关系，通常1.0/0≤∆δδ

差动式自感传感器：

)(2)(22200200220210221δδμδδμδμδμ∆+-∆-=-=-=∆A

N A N A N A N L L L

002δδδμ∆⋅≈A N

2. 测量电路

把两个线圈分别接在交流电桥相邻的两个桥臂上，电桥的输出与输入x 基本保持线性关系。

图3-9 变气隙式差动自感传感器

a) 工作原理 b) 转换电路 c) 特性曲线

差动传感器的特点：

● 灵敏度比单圈式提高了一倍；