第二章 传感器第一节概述一、传感器的基本概念传感器主要用于对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，是实现准确测试与自动控制的首要环节。工农业生产过程的现代化与自动化，主要依靠各种传感器来监视生产过程的有关参数，使设备和系统在最佳状态下正常运行，从而保证生产的高效率和高质量。传感器是测量系统的一部分，通常把直接感受被测量，能按一定规律将被测量转换成可用的电信号输出的器件或装置，称为传感器。被测量直接作用于传感器的部分称为敏感元件。传感器可看作测量仪器与被测量之间的接口，处于测量过程的最前端，其性能直接影响着整个测量系统，对系统的测量精确度起着决定性的作用。二、传感器的分类传感器的种类繁多，同一种被测量可以用不同的传感器来测量，而同一原理的传感器通常又可测多种被测量，表2-1列出了目前采用的一些分类方法。表 2-1 传感器的分类分类测量分位移型式体成分等以被源即按用途分类法教变热原理分变式、电容式、压电式、热电式等以传感器转换的原理命按能量关系分器中的能量起控制作用按输出量分灸出租模拟式双万按基本效应分专换是物理效应、化学效应、主物效应等命名三、传感器的发展随着现代科学技术，特别是大规模集成电路技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，传感器的地位和作用日益突出，人们在充分利用先进的电子技术，研究和采用合适的外部电路以及最大限度地提高现有传感器的性能价格比的同时，正在寻求发展传感器技术的新途径。（一）开发新型传感器传感器的工作机理基于各种效应和定律，人们正在进一步探索具有新效应的敏感功能材料，研制新型传感器；采用新的加工方法如微细机械加工技术、光刻、扩散及各向异性腐蚀等方法，用新材料研制新型传感器，大批量生产微型集成化传感器，目前已经制成能够装在注射针尖上的压力传感器成分传感器等；尤其是半导体材料研究的进展，促进了半导体传感器的迅速发展，成为当前传感技术的重要研究领域。（二）研制集成化多功能的传感器研制集成化多功能的传感器，就是在同一芯片上，将敏感元件与调理，补偿等转换电路集成一体化
1 第二章 传感器 第一节 概述 一、传感器的基本概念 传感器主要用于对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，是实现准确测试与自动控制的首要环 节。工农业生产过程的现代化与自动化,主要依靠各种传感器来监视生产过程的有关参数,使设备和系 统在最佳状态下正常运行,从而保证生产的高效率和高质量。 传感器是测量系统的一部分，通常把直接感受被测量，能按一定规律将被测量转换成可用的电信 号输出的器件或装置，称为传感器。被测量直接作用于传感器的部分称为敏感元件。 传感器可看作测量仪器与被测量之间的接口，处于测量过程的最前端，其性能直接影响着整个测 量系统，对系统的测量精确度起着决定性的作用。 二、传感器的分类 传感器的种类繁多，同一种被测量可以用不同的传感器来测量，而同一原理的传感器通常又可测 多种被测量，表 2-1 列出了目前采用的一些分类方法。 表 2-1 传感器的分类 分类法 型式 说明 按被测量分 位移、压力、温度、流量、气体成分等 以被测量命名（即按用途分类法） 按变换原理分 应变式、电容式、压电式、热电式等 以传感器对信号转换的原理命名 按能量关系分 能量转换型（有源型） 能量控制型（无源型） 将被测量转换为电能量 被测量仅对传感器中的能量起控制作用 按输出量分 模拟式 数字式 输出量为模拟信号 输出量为数字信号 按基本效应分 物理型、化学型、生物型等 分别以转换是物理效应、化学效应、生物效 应等命名 三、传感器的发展 随着现代科学技术,特别是大规模集成电路技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用,传感器的 地位和作用日益突出,人们在充分利用先进的电子技术,研究和采用合适的外部电路以及最大限度地 提高现有传感器的性能价格比的同时,正在寻求发展传感器技术的新途径。 （一）开发新型传感器 传感器的工作机理基于各种效应和定律,人们正在进一步探索具有新效应的敏感功能材料,研制 新型传感器;采用新的加工方法如微细机械加工技术、光刻、扩散及各向异性腐蚀等方法, 用新材料 研制新型传感器，大批量生产微型集成化传感器,目前已经制成能够装在注射针尖上的压力传感器、 成分传感器等;尤其是半导体材料研究的进展,促进了半导体传感器的迅速发展,成为当前传感技术的 重要研究领域。 （二）研制集成化多功能的传感器 研制集成化多功能的传感器,就是在同一芯片上,将敏感元件与调理,补偿等转换电路集成一体化;
或将众多同一类型的单个传感器集成为一维、二维、三维传感器，形成多方位传感效应。（三）研制智能化传感器将传感器技术与计算机技术紧密结合起来，使传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准，自适应等功能。（四）开发生物型传感器随着生物工程技术的飞速发展，一些生物学原理逐渐被人们所认识，研制功能独特，性能优良的生物传感器是传感器的发展方向之一第二节电阻式传感器将被测量的变化转换成电阻变化的器件或装置称为电阻式传感器。电阻式传感器主要分为：电位器式传感器、电阻应变片式传感器和压阻式传感器一、电位器式传感器电位器式电阻传感器是一种将机械位移（线位移或角位移）的变化转换为与其成一定函数关系的电阻变化的传感器电位器式传感器一般由电阻元件、电刷（活动触点）及骨架三部分R组成，其中电阻元件可用线绕电阻或C薄膜电阻，图2-1中给出了直线位移Axl(a）和角位移(b)的两种典型形式。电被测量位移的变化将滑动触点在电-0阻基体上移动转换为电阻的变化，再(a)b图2-1电位器式传感器通过测量电路（电桥电路等）将电阻变化转换成电压或电流的变化，然后通过测得的电压或电流的变化值测得被测量位移的大小。电位器式传感器的优点是结构简单，输出信号强，性能稳定，使用方便。缺点是分辨力不高动态响应差，易磨损，且易受外界振动的影响，故电位器式传感器通常用于测量变化缓慢的低频大位移信号。二、电阻应变式传感器一）金属电阻应变片常用的金属电阻应变片有电阻丝式和金属箔式两种。其工作原理都是基于应变片的电阻应变效应1．应变片的结构电阻丝式应变片是用一根直径为一-电性 2 性交的用整异4-引线
2 或将众多同一类型的单个传感器集成为一维、二维、三维传感器,形成多方位传感效应。 （三）研制智能化传感器 将传感器技术与计算机技术紧密结合起来,使传感器不仅具有信号检测、转换功能,同时还具有记 忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准,自适应等功能。 （四）开发生物型传感器 随着生物工程技术的飞速发展,一些生物学原理逐渐被人们所认识,研制功能独特,性能优良的 生物传感器是传感器的发展方向之一。 第二节 电阻式传感器 将被测量的变化转换成电阻变化的器件或装置称为电阻式传感器。 电阻式传感器主要分为:电位 器式传感器、电阻应变片式传感器和压阻式传感器。 一、电位器式传感器 电位器式电阻传感器是一种将机械位移（线位移或角位移）的变化转换为与其成一定函数关系的 电阻变化的传感器。 电位器式传感器一般由电阻元 件、电刷（活动触点）及骨架三部分 组成,其中电阻元件可用线绕电阻或 薄膜电阻，图 2-1 中给出了直线位移 (a）和角位移(b)的两种典型形式。 被测量位移的变化将滑动触点在电 阻基体上移动转换为电阻的变化，再 通过测量电路（电桥电路等）将电阻 变化转换成电压或电流的变化,然后通过测得的电压或电流的变化值测得被测量位移的大小。 电位器式传感器的优点是结构简单，输出信号强，性能稳定，使用方便。缺点是分辨力不高， 动态响应差，易磨损，且易受外界振动的影响，故电位器式传感器通常用于测量变化缓慢的低频大位 移信号。 二、电阻应变式传感器 （一） 金属电阻应变片 常用的金属电阻应变片有电阻丝式和金属箔 式两种。其工作原理都是基于应变片的电阻应变 效应. 1． 应变片的结构 电阻丝式应变片是用一根直径为 (a) (b) 图 2-1 电位器式传感器 (a)直线位移型 (b) 角位移型 1-电阻丝 2-基片 3-覆盖层 4-引线 图 2-2 丝式电阻应变片
0.02-0.04mm、具有高电阻率的金属丝制成。为了获得高的电阻值和灵敏度，将电阻丝排列成栅状粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，并焊有引线，用于接入电路，其典型结构如图2-2所示。箔式电阻应变片的敏感元件是用很薄（1-10um）的金属箔片，通过光刻技术、腐蚀等工序制成，可以根据需要制造成各种形式，图2-3是几种常用的箔式电阻应变片，具有线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好，散热好，便于批量生产，应用较广等特点。(a)图2-3金属箔式应变片(a)单轴(b)测扭矩(C)多轴（应变花)使用时将应变片用特制胶水粘固在需要测量变形的物体表面上，在被测量作用下电阻丝或金属箔片即随着物体一起变形，使电阻值发生相应变化2.电阻应变效应金属导体的电阻值随其所受的机械变形而发生改变的现象称为电阻应变效应，它是应变片工作的物理基础。由欧姆定律得知，当电阻丝发生变形时，其长度1、横截面积A、电阻率p均发生变化，从而导致电阻R的变化，根据金属导体电阻值的计算公式R=plIA可知电阻的相对变化为dR_dl_dsdp(2-1)RlAp式中dl/l=8---电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变；dA/A=2mrdr/m2=2dr/r；dr/r--电阻丝径向相对变形，或称横向应变。由材料力学可知兰=-A=-ue，式中μ为电阻丝金属材料的泊桑比系数，由此可得：dR_ dpdplp)s+dp =(1+2u+++2u8=(1+2u)+(2-2) RpP今K=1+2u+eple，则有R-K.(2-3) K。称为电阻丝的应变灵敏系数，K。值随着电阻丝材料不同而异，由实验得知，对大多数电阻丝而言，3
3 0.02-0.04mm、具有高电阻率的金属丝制成。为了获得高的电阻值和灵敏度，将电阻丝排列成栅状， 粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，并焊有引线，用于接入电路，其典型结构如图 2-2 所示。 箔式电阻应变片的敏感元件是用很薄(1-10um)的金属箔片，通过光刻技术、腐蚀等工序制成,可 以根据需要制造成各种形式，图 2-3 是几种常用的箔式电阻应变片，具有线条均匀，尺寸准确，阻值 一致性好，散热好，便于批量生产，应用较广等特点。 使用时将应变片用特制胶水粘固在需要测量变形的物体表面上，在被测量作用下电阻丝或金属 箔片即随着物体一起变形，使电阻值发生相应变化。 2．电阻应变效应 金属导体的电阻值随其所受的机械变形而发生改变的现象称为电阻应变效应，它是应变片工作 的物理基础。 由欧姆定律得知，当电阻丝发生变形时，其长度 l 、横截面积 A、电阻率均发生变化，从而导 致电阻 R 的变化，根据金属导体电阻值的计算公式 R = l / A 可知电阻的相对变化为 d A dA l dl R dR = − + (2-1) 式中 dl l = -电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变； dA/ A 2 rdr / r 2dr/r 2 = = ； dr/r -电阻丝径向相对变形，或称横向应变。 由材料力学可知 = − = − l dl r dr ,式中 为电阻丝金属材料的泊桑比系数，由此可得： ) / 2 (1 2 ) 1 2 d u d u u d R dR = + + = + + =（ + + (2-2) 令 / 1 2 d K = + u + ，则有 K0 R dR = (2-3) K0 称为电阻丝的应变灵敏系数， K0 值随着电阻丝材料不同而异，由实验得知，对大多数电阻丝而言， (a) (b) (c) 图 2-3 金属箔式应变片 (a)单轴 (b)测扭矩 (c)多轴（应变花）
K。是一个常数，可见应变片的电阻变化与应变变化成正比，在弹性变形范围内，金属电阻丝的灵敏度系数K。=1.7~3.6。3．应变片的主要特征参数（1）几何参数应变片的敏感栅的尺寸BXL,反映了应变片的有效工作面积。B为应变片的基宽，L为基长。（2）阻值应变片的电阻值（公称电阻）已标准化，有60、120、350、600、1000Q等，其中以120Q最为常用。实际使用的应变片的阻值可能存在一些偏差，因此使用前要进行分选。3）灵敏度系数应变片的灵敏系数是生产厂家通过抽样试验的方法测定的，一般包装上注明这批产品灵敏系数的平均值及其误差。（4）允许电流当应变片接入测量电路后，通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流为允许电流。在静态测量时，允许电流一般规定为25mA,动态测量时允许电流可大一些。4.电阻应变片式传感器的应用一般而言，电阻应变片式传感器有以下两种应用形式：（1）直接用来测量结构的应变或应力。即根据工程需要选择应变片，将应变片直接粘贴在被测构件的预定部位，测得部件的应变和应力，为构件的设计、强度校核提供数据。（2）将应变片粘贴在特制的或机器工作部件构成的弹性元件上，做成测量力、位移、压力、加速度等参量的传感器，首先通过弹性元件将被测量转换为元件的弹性应变，再由贴在元件上的应变片转换为电阻变化。表5-3列举了常见的不同用途的弹性元件及其计算方法。在应变片式传感器使用过程中，应注意机械滞后、蠕变、零漂、环境温度影响等问题，必要时须采取温度补偿措施，常利用电桥的加、减特性进行桥路温度补偿（见表3-1）应变片式传感器在机械量的电测中得到广泛应用。具有动态响应快、测量精度高、使用方便适应性强、工作性能可靠等优点。三、压阻式传感器一）工作原理基于单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率β发生变化的现象称为压阻效应。其电阻相对变化为-a-Ee(2-4)式中E-半导体材料的弹性模量一半导体材料的品向压阻系数α-电阻体受到的轴向应力ε一沿某晶向应变灵敏度系数为K,= dRR=0E(2-5)K，可达50~140，即半导体电阻的等效应变灵敏度系数比金属电阻丝应变灵敏度系数要高几十倍。（一）类型与特点4
4 K0 是一个常数，可见应变片的电阻变化与应变变化成正比，在弹性变形范围内，金属电阻丝的灵敏 度系数 K0 ＝1.7~3.6。 3．应变片的主要特征参数 （1）几何参数 应变片的敏感栅的尺寸 B×L,反映了应变片的有效工作面积。 B 为应变片的基 宽，L 为基长。 （2）阻值 应变片的电阻值（公称电阻）已标准化，有 60、120、350、600、1000Ω等，其中 以 120Ω最为常用。实际使用的应变片的阻值可能存在一些偏差，因此使用前要进行分选。 （3）灵敏度系数 应变片的灵敏系数是生产厂家通过抽样试验的方法测定的，一般包装上注明 这批产品灵敏系数的平均值及其误差。 （4）允许电流 当应变片接入测量电路后，通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流为允许 电流。在静态测量时，允许电流一般规定为 25mA,动态测量时允许电流可大一些。 4．电阻应变片式传感器的应用 一般而言，电阻应变片式传感器有以下两种应用形式： （1）直接用来测量结构的应变或应力。即根据工程需要选择应变片，将应变片直接粘贴在被测 构件的预定部位，测得部件的应变和应力，为构件的设计、强度校核提供数据。 （2）将应变片粘贴在特制的或机器工作部件构成的弹性元件上，做成测量力、位移、压力、加 速度等参量的传感器，首先通过弹性元件将被测量转换为元件的弹性应变，再由贴在元件上的应变片 转换为电阻变化。表 5-3 列举了常见的不同用途的弹性元件及其计算方法。 在应变片式传感器使用过程中，应注意机械滞后、蠕变、零漂、环境温度影响等问题，必要时 须采取温度补偿措施，常利用电桥的加、减特性进行桥路温度补偿（见表 3-1）。 应变片式传感器在机械量的电测中得到广泛应用。具有动态响应快、测量精度高、使用方便、 适应性强、工作性能可靠等优点。 三、压阻式传感器 （一）工作原理 基于单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率 发生变化的 现象称为压阻效应。其电阻相对变化为 E R dR = = (2-4) 式中 E －半导体材料的弹性模量 －半导体材料的晶向压阻系数 -电阻体受到的轴向应力 －沿某晶向应变 灵敏度系数为 E dR R KS = / (2-5) KS 可达 50~140，即半导体电阻的等效应变灵敏度系数比金属电阻丝应变灵敏度系数要高几十倍。 (一) 类型与特点
压阻式传感器有两种类型：一类是利用硅、锗等半导体材料制成半导体式应变片，如图（2-4）所示，使用方法与金属电阻应变片相同；另一类是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，亦称扩散型压阻式传感器，常用于压力和压差测量图2-4半导体式应变片-胶膜衬底2-P-Si3-内引线4-焊接板5-外压阻式传感器的优点是：灵敏度和分辨力高，频率响应范围宽，输出幅值大，有时不需要放大器，可直接与指示器、记录器相连，使测量系统大为简化。缺点是易受环境温度的影响，须采取补偿措施。第三节电感式传感器电感式传感器是一种基于电磁感应原理把被测量的变化转换成电感量变化的装置,可用来测量位移、振动、压力、流量、密度等参数。按照变换方式的不同，电感式传感器可分为自感式、互感式（差动变压器式）和电涡流式等。一、自感式传感器（一）工作原理自感式传感器主要由线圈、衔铁和铁芯等部分组成，如图2-5所示。传感器工作时,衔铁与车被测物体相连，当衔铁随被测体一起移动时，将引起磁路中的磁阻发生相应的变化,从而导致线U圈电感的变化。因此,只要能测出这种电感的变图2.5自感式传感器基本原理化.就能确定被测体位移量的大小和方向1-线圈 2-铁芯3-衔铁由电工学可知，自感式传感器的电感为L=W.Wlo.(2-6)Rm28式中W-一线圈匝数Rm—磁路总磁阻8--气隙长度Mo空气的导磁率（H/m）A--气隙截面积由于传感器线圈匝数W、Ho、Ag均为常数,因此传感器的灵敏度S为5
5 压阻式传感器有两种类型：一类是利用硅、锗等半导体材料制成半导体式应变片，如图（2-4） 所示，使用方法与金属电阻应变片相同；另一类是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成扩散 电阻，作为测量传感元件，亦称扩散型压阻式传感器，常用于压力和压差测量。 压阻式传感器的优点是：灵敏度和分辨力高，频率响应范围宽，输出幅值大，有时不需要放大 器，可直接与指示器、记录器相连，使测量系统大为简化。缺点是易受环境温度的影响，须采取补偿 措施。 第三节 电感式传感器 电感式传感器是一种基于电磁感应原理把被测量的变化转换成电感量变化的装置,可用来测量位 移、振动、压力、流量、密度等参数。 按照变换方式的不同,电感式传感器可分为自感式、互感式（差动变压器式）和电涡流式等。 一、 自感式传感器 （一） 工作原理 自感式传感器主要由线圈、衔铁和铁芯等部 分组成，如图 2-5 所示。传感器工作时,衔铁与 被测物体相连,当衔铁随被测体一起移动时，将 引起磁路中的磁阻发生相应的变化,从而导致线 圈电感的变化。因此,只要能测出这种电感的变 化,就能确定被测体位移量的大小和方向。 由电工学可知，自感式传感器的电感为 2 0 0 2 2 W A R W L m = = （2－6） 式中 W -线圈匝数 Rm -磁路总磁阻 -气隙长度 0 -空气的导磁率（H/m） A0 -气隙截面积 由于传感器线圈匝数 W 、 0、 A0 均为常数,因此传感器的灵敏度 S 为 图 2-5 自感式传感器基本原理 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 图 2-4 半导体式应变片 1-胶膜衬底 2-P−Si 3-内引线 4-焊接板 5-外引线