常用传感器与敏感元件资料
常用传感器与敏感元件
第三章常用传感器
1
x x
x
b
传感器灵敏度 SdCee0b常数 a直线位移型 2 dx d
✓角位移型 C e e0 r2
2d
1
传感器灵敏度 SdCe e0r2 常 数 d 2d
2
b角位移型
测试技术基础
第三章常用传感器
✓圆柱体线位移型
C
e0eA d
电容量
C
2e x
In D / d
当覆盖长度 x 变化时;C电容量 发生变化;
缺点：固有频率低;可测频带窄;适用于测量缓慢变化或者 静态被测量; 为了提高频带;常与其它形式的传感器联合 运用
测试技术基础
第三章常用传感器
3 3 电阻式传感器
电阻式传感器 是把被测量转换为电阻变化的一种传
感器;
• R l
A
按工作的原理可分为:
♠变阻器式
♠电阻应变式
♠热敏式
♠光敏式
♠湿敏式
测试技术基础
LL0 dd0 1 dd0 dd0 2
d/d0 1 d /d0 0.1
SLL0
d d0
W22d002A0
测量范围允许在0 001mm~1mm之间;
衔铁
lδ Δδ
测试技术基础
第第四三章章常常用用传传感感器器
差动式电感传感器
d 1 d 2 L1 L2 L0 LL1L20
d
L1 L0L1 L2 L0L2
➢声: 声压;噪声； ➢磁: 磁通;磁场； ➢温度: 温度;热量;比热； ➢光： 亮度;色彩
▲
测试技术基础
第三章常用传感器
3 2 机械式传感器
机械式传感器 一类传感器的统称;指只含有机械的转换方式; 把机械量转换为另一种机械量的传感器; 常常以弹性体作为传感器的敏感元件
传感器的敏感材料与敏感元件介绍
3.2.1 温度敏感陶瓷材料
❖ 陶瓷温度传感器是利用陶瓷材料的电阻、磁性、介电、半 导等物理性质随温度而变化的现象制成的，其中电阻随温度 变化显著的称为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求包括 有：①电阻率；②温度系数的符号与大小；③稳定性。
❖ 按热敏电阻的温度特性可分为负温度系数热敏电阻 （NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度电阻 （CTR）3类。
❖ 根据被测参数的功能类型来划分敏感材料。例如温度敏 感材料、压力敏感材料、应变敏感材料、光照度敏感材 料等。
❖ 按照材料的结构类型进行分类。该分类方法包括半导体 敏感材料、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高分子 敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。
3.1 半导体敏感材料及元件
❖ 传感器对半导体敏感材料最基本要求是换能效率高，即可 将其他形式能量转换为电能，且易制成器件。
图3-8 TiO2含量对电阻的影响
❖ 3 钙钛矿型结构陶瓷湿度敏感材料
钙钛矿型结构的化学通式为ABO3 ，具有钙钛矿结构的纳米 级复合氧化物陶瓷材料的表面、界面性质优异，对环境湿气 度化非常敏感，是湿度敏感材料发展的新方向。 BaTiO3晶体是较早被人们认识的铁电材料之一。BaTiO3具 有很好的湿敏性质，随着BaTiO3颗粒尺寸的减小，湿敏特 性提高，响应加快。
积的空隙中。间隙较小的
是氧四面体中心，为A位置，
间隙较大的则是氧八面体
位置，为B位置。
图3-6 两种结构类型
❖ （2） 典型的尖晶石结构陶瓷湿度敏感材料 纯MgCr2O4为正尖晶石结构，是绝缘体，不宜用作感湿材料。 当加入适量杂质，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高温煅 烧，瓷体中呈现过量的MgO时， MgCr2O4即形成半导体。 图3-7表示MgCr2O4中添加受主 杂质MgO时对电阻率的影响。
列举常用的传感器
1.温度传感器：用于测量环境或物体的温度变化，例如热
敏电阻、热电偶和红外温度传感器等。
2.湿度传感器：用于测量空气或物体的湿度水分含量，例
如电容式湿度传感器和电阻式湿度传感器等。
3.压力传感器：用于测量气体或液体的压力变化，例如压
阻式传感器和压电式传感器等。
4.光敏传感器：用于检测光线的强度或光照变化，例如光
敏电阻和光电二极管等。
5.加速度传感器：用于测量物体的加速度或振动情况，广
泛应用于汽车、智能手机和运动追踪设备等。
6.位移传感器：用于测量物体的位移或位置变化，例如线
性变送器和旋转编码器等。
7.气体传感器：用于检测环境中的气体成分或浓度，例如
气体传感器、二氧化碳传感器和气体浓度传感器等。
8.触摸传感器：用于检测物体与其接触或靠近的情况，例
如电容式触摸传感器和电阻式触摸传感器等。
9.磁场传感器：用于检测周围磁场的强度或方向，例如霍
尔传感器和磁电阻传感器等。
10.声音传感器：用于检测声音或声压水平，例如麦克风和
声音传感器等。
这只是传感器的一小部分，实际上还有许多其他类型的传感器，如重力传感器、光谱传感器、气体质量传感器等，每种
传感器都有其特定的应用领域和工作原理。
常用传感器及芯片
常用传感器及芯片摘要：一、传感器概述1.传感器定义与作用2.传感器的分类二、常见传感器介绍1.温度传感器2.湿度传感器3.压力传感器4.光线传感器5.距离传感器6.指纹传感器三、传感器与芯片的关联1.传感器芯片的定义与作用2.常见传感器芯片的类型与特点四、传感器在我国的应用与发展1.我国传感器产业的现状2.我国传感器产业的发展趋势五、传感器在未来的展望1.新型传感器的研发与应用2.传感器在物联网、人工智能等领域的潜力与应用正文：一、传感器概述传感器是一种能够感受到被测量的信息，并按照一定的规律转换成可用输出的器件或装置。
它在我们日常生活中有着广泛的应用，如智能家居、健康医疗、工业生产等。
传感器可以按照不同的分类标准进行分类，如工作原理、测量种类等。
二、常见传感器介绍1.温度传感器：用于测量环境或物体的温度，如热电偶、热敏电阻等。
2.湿度传感器：用于测量环境或物体的湿度，如电容式湿度传感器等。
3.压力传感器：用于测量物体所受到的压力，如硅压阻式压力传感器等。
4.光线传感器：用于测量环境的光线强度，如光敏电阻、光电二极管等。
5.距离传感器：用于测量物体之间的距离，如红外距离传感器、超声波距离传感器等。
6.指纹传感器：用于采集指纹信息，如电容式指纹传感器、光学指纹传感器等。
三、传感器与芯片的关联传感器芯片是将传感器与微处理器、信号处理器等集成在一起的芯片。
它能够实现对传感器的数据采集、处理和传输等功能。
常见的传感器芯片有单片机、微控制器、ASIC 等。
四、传感器在我国的应用与发展我国传感器产业经过多年的发展，已经形成了一定的产业规模和体系。
然而，与发达国家相比，我国传感器产业在技术水平、产品质量等方面仍有一定差距。
未来，我国传感器产业将加大研发投入，提高产业整体水平，以满足国家经济和科技发展的需求。
五、传感器在未来的展望随着科技的进步，新型传感器不断研发成功并投入应用，如量子传感器、生物传感器等。
机械工程测试基础 第三章 传感器
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型: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.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
常用传感器及芯片
常用的传感器和芯片有很多种，以下是一些常见的传感器和芯片：
1. 加速度传感器：用于测量物体的加速度，常用于智能手机、游戏手柄等设备中。
2. 陀螺仪传感器：用于测量物体的角速度和角度变化，常用于飞行器、游戏手柄等设备中。
3. 光敏传感器：用于测量光线的强度，常用于照相机、光控开关等设备中。
4. 温度传感器：用于测量环境的温度，常用于温度计、恒温器等设备中。
5. 湿度传感器：用于测量环境的湿度，常用于湿度计、气象站等设备中。
6. 压力传感器：用于测量物体的压力，常用于汽车轮胎压力监测、气压计等设备中。
7. 距离传感器：用于测量物体与传感器之间的距离，
常用于无人机、机器人等设备中。
8. 磁力传感器：用于测量磁场的强度和方向，常用于指南针、地磁传感器等设备中。
9. 心率传感器：用于测量人体的心率，常用于智能手环、心率监测设备等。
10. GPS芯片：用于接收全球定位系统（GPS）信号，常用于导航设备、车载系统等。
11. Wi-Fi芯片：用于无线网络通信，常用于智能手机、无线路由器等设备中。
12. 蓝牙芯片：用于蓝牙通信，常用于耳机、智能手环等设备中。
13. NFC芯片：用于近场通信，常用于手机支付、门禁系统等设备中。
14. 摄像头芯片：用于图像采集和处理，常用于手机、摄像机等设备中。
15. 麦克风芯片：用于声音的采集和处理，常用于手机、录音设备等。
这只是一小部分常见的传感器和芯片，实际上还有很多其他类型的传感器和芯片，用于不同的应用领域。
常见传感器
按被测量原理分类：可分为位移、力、力矩、转速、振 动、加速度、温度、流量、流速等传感器。 按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光电、光 栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。 按输入、输出特性的线性与否分类：可分为线性传感器 和非线性传感器两大类。
①根据感知外界信息的原理来讲，可分为：
传感器与信号交换
了解各类传感器的材料特性、 工作原理、简要结构及应用范 围，学会正确选择和使用。
一、人与传感器
光敏传感器 声敏传感器 眼 耳
气敏传感器
味觉传感器 压敏、热敏、 湿敏传感器
鼻
舌 皮肤
与人的感官相比，传感器具有以下优点：
测量数值准确，测量精确度较高
常见的传感器
这种遥控器所利用的是一种肉眼看不见的 红外光，又称为红外线。
传感器网站有比较丰富的资料，很容易查找。
三、传感器的特性
精度要求不高的检测时，通常用万用表。
数 字 万 用 表 模拟万用表
静态特性
静态特性表示传感器在被测量处于稳定状态时的输 出与输入之间的关系特性，一般情况下，它呈现非 线性关系。工程应用中，要求静态特性尽可能呈线 性。 衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、 迟滞、重复性、分辨力、零点漂移、温度漂移等。
肉眼看不见
电视机的遥控器 中就是使用着光 学传感器。
唱卡拉OK时使用的麦克风， 也是一种传感器。
这种麦克 风是一种将声 音信号转换为 电信号的传感 器。
Ucc
R1 a R3
b
+ + - A uo1
功 放
加 热 元 件
uo
R2
Rt 温控室
这种温度室是一种将温度变化转换 为电信号的传感器。
第3章_常用传感器与敏感元件_第5-10节
半反射半透射镜 光电传感器
聚焦投镜 光源
反射带
光电耦合器 透射式转速计
反射式转速计
光电编码器
将位移转换成脉冲信号或数字信号输出的传感器称为
编码器。可用于位移和速度检测。有直线编码器和旋 转编码器。分为增量式和绝对式（数字式）编码器。
0000
1111
零位信号窗口 主信号窗口 编码盘
一、光纤传感器的类型
功能型（又叫传感型或全
光纤型）：光纤作为敏感 元件，利用光纤的传光特 光纤 性随着被测量（如应变、 压力、温度、电场、射线 光敏元件 等）而变化，从而使光纤 功能型光纤传感器示意图 内传输的光的特征参量 （强度、相位、频率、偏 振态、波长等）发生变化。非功能型（又叫传光型 或混合型）：光纤只是 只要检测出这些变化即可 传输光的导体，还需利 确定被测量的大小。光纤 用其它敏感元件（如光 既传光又传感。
1. 光电管(Phototube)
利用外光电效应，有真空光电管和充气光电管。
基本工作过程： 真空光电管：一定波长的光线→光电阴极发射电子 →被阳极吸收→形成光电流。 充气光电管（充有惰性气体）：阴极发射的电子撞 击惰性气体，使其电离，从而使阳极电流急剧增加， 提高了灵敏度。
光电阴极：由 光电材料涂敷 光电阴极 在玻璃泡内壁 阳极 或半圆筒形的 金属片上构成。
S F N 霍尔元件
N S 力的测量
霍尔元件 磁铁 磁铁随刀架一起转动 数控车床自动换刀控制
被测零件
非金属板
N 霍尔传感器 S 磁钢 计数装置
霍尔传感器产品
霍尔开关传感器 各种霍尔传感器
霍尔电流传感器
二、热敏电阻传感器
工作原理：利用半导体材料本身的电阻率随温度 而变化的特性。 特点：灵敏度高（电阻温度系数大，比一般金属 电阻大10～100倍）；结构简单，体积小，可进行 点测；热容量小，响应快，适宜动态测量；线性 差；稳定性和互换性较差。 类型：PTC、NTC和CTR。 结构： 直热式：圆柱形、圆片形、珠粒状、薄膜形、垫圈 形、扁形、杆形、管形、松叶状等。珠粒状体积小， 热时间常数小，适合制造点、表面温度计，如电子 体温计几乎100%都采用这种形式（NTC）。 旁热式：带有金属丝加热器。
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式中： — R 温度变化引起敏感栅电阻值的变化； —应变片电阻； R —应变片的电阻温度系数； t —测试过程中被测试件的温度变化值。 T 电阻值的变化折算成相应的应变值为：
T
T RT 1 t R ER ER 式中： —应变片的灵敏度。 T
ER
敏感栅与基底线胀差异引起的附加应变
典型应用
拉压力的测量
转矩测量
流体压力测量 加速度测量 拉压力测量
汽车轴荷仪 电子称
测挂钩牵引力的拉力传感器
转矩测量
流体压力的测量
还有其他办法吗？
温度特性
1 温度对敏感栅电阻值的影响 设测试过程中被测试件的温度变化为 ，则由此 T 所引起敏感栅电阻值的变化 为： R
T
RT R t T
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. 例如:水银温度计,压电测力计. 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.
电阻式,电容式,电感式,压电式、光电式等.
(3)按传感器的能量传递方式分类:
能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型: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.
(1)
金属应变片（不变）
dR (1 2 ) R S 1.7 3.6
(2)
金属应变计
半导体应变片（变化）
半导体应变计
dR E R S 60 170
应变计
2) 金属应变计
• • • • 金属应变计有: 丝式和 箔式 优点:稳定性和温度 特性好. 缺点:灵敏度系数小.
设测试过程中被测试件的温度变化为 ，则敏 T 感栅与基底线胀差异引起的附加应变 为： s s ( g s )T 式中： — s 线胀差异引起的附加应变 分别为敏感栅和基底材料的线胀系数。 — g s 温度引起的总的应变 为： z t T z T s ( g s )T ER 欲消除温度的影响，常用的方法是进行补偿。
能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测. 例如:超声波发生器和接受器.
3. 传感器的性能要求
• • • • •
足够的容量 匹配性好，转换灵敏度高 精度适当，稳定性高 反应速度快，工作可靠性高 适应性和适用性强
3.2 机械式传感器（略） 如弹簧称，真空表等
4.3.1 电阻式传感器
2 分类
+
a) 极距变化型;
+ +
S A0
b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.
c) 介质变化型
平板平移式
A b x
C
获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变 化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水 位、压力等）。
• 传感器在非电量电测系统中的作用： 一是 敏感作用：
感受并拾取被测对象的信号 二是变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理的电 信号
2. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类: 位移传感器,流量传感器,温度传感器等. (2)按传感器元件的变换原理分类:
弹性元件
将被测量转变为应变。
应变计
3) 半导体应变计 • 体型 • 薄膜型
• 扩散型
• 优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的 元件. • 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
4) 应用 案例：
案例：电子称
德国HBM电阻应变式传感器
原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器
l R A
•按工作的原理可分为:
电阻应变式 变阻器式 热敏式 光敏式 电敏式
电阻应变式传感器--应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变 效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电 阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变 化的现象。
应变片沾贴
确定贴片位置
打磨
划线 表面处理 贴片 固化 引线 防护处理
3.3.2 电容式传感器
1.变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器,它的电容量为:
+
C
C
A
A
+
+
r 0 A
d
当被测量 δ 、 A 或 ε 发生变化时，都会引起电容的变化。 如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数， 就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。
1) 工作原理
金属应变片的电阻R为
R
l
A
R R R dR dl d l A dA
A r dA 2 rdr2Fra bibliotekdR R
dr r
dl l
l l
d
2
d
dr r
dR R
,
E
(1 2 E)
•
3) 结构
（a）金属丝式 （b）金属箔式
1－ 基底；2－ 敏感栅；3－ 盖片；4－ 引线
栅长
又称格距，一般l＝2～3mm。栅长小的应变片横向效 应严重，粘贴和定位较困难，所以常选用栅长大的 应变片。栅长小的应变片主要用于应变变化梯度大、 频率高、粘贴面受限的场合。a为栅宽，通常10mm。
金属丝式: 敏感栅常用直径20μ m～30μ m的康铜或镍铬 合金曲折绕成栅状后贴在由浸渍过绝缘材料的纸或合成 有机聚合物的基底上。缺点：横向效应比较明显。 金属箔式:敏感栅通常是用光刻法在厚度仅为1μ m～ 10μ m的金属箔片上刻制而成。如此，不仅可制造出可满 足各种不同测试要求的形状复杂的应变片（如图3-5所 示），而且刻制出的线条均匀、尺寸精度高，适于大批 量制造。
第三章
常用传感器与敏感元件
主要研究内容： 1.了解传感器的分类
2.常用传感器测量原理
3.传感器选用
3.1 概
述
1. 传感器(Sensor)定义
传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律 转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和 转换元件组成(GB766-87)。 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 号的器件或装置。