2024/6/281常用傳感器

傳感器定義、組成及分類

電參量型傳感器電量型傳感器光電式傳感器光纖傳感器簡單的測試舉例ΩV敏感元件測量電路R阻值發生變化溫度的變化轉換為電阻值的變化，實現了物理量到電參量的轉換過程各種傳感器圖片光電傳感器各種傳感器圖片溫度傳感器壓力傳感器各種傳感器圖片2024/6/286傳感器的定義及組成傳感器是能感受被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。實現自動檢測和自動控制的首要環節。一種輸入量，是被測量的、特殊的測量變換器。——指能將一種信號按照某種規律變換成另外一種信號輸出的器件或裝置。傳感器定義、組成及分類2024/6/287傳感器的定義及組成傳感器的組成

——敏感元件、轉換元件、轉換電路傳感器定義、組成及分類敏感元件轉換元件轉換電路直接感受（接觸）被測量，并輸出一個隨被測量成確定關系變化的某一物理量（位移量、形變量等）●被測量→物理量●物理量→電路參量將敏感元件輸出的物理量轉換成隨之變化的電路參量（電感、電容、電阻等）●電路參量→電量此電路產生一個隨電路參量變化的電量（電壓、電流等）輸出非電物理量被測量電路參數或電量電量p差動變壓器式傳感器鐵芯膜盒

轉換電路輸出2024/6/288傳感器的分類按工作機理：物理型、化學型、生物型。按構成原理：結構型、物性型。傳感器定義、組成及分類物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現信號變換。例如：水銀溫度計、半導體應變片、壓電傳感器，以及各種半導體傳感器等。結構型：依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變。例如：金屬應變片、電容式和電感式傳感器等。物理型傳感器是利用被測量物質的某些物理性質發生明顯變化的特性制成的。化學型傳感器是利用能把化學物質的成分、濃度等化學量轉化成電學量的敏感元件制成的。生物型傳感器是利用各種生物或生物物質的特性做成的，用以檢測與識別生物體內化學成分的傳感器。2024/6/289傳感器的分類按能量轉換：能量控制型、能量轉換型。傳感器定義、組成及分類能量轉換型：直接由被測對象輸入能量使其工作，又稱為自源型。主要由能量變換元件構成，例如:壓電式傳感器、熱電偶溫度計、光電池等。能量控制型:從外部供給能量，并由被測量控制外部供給能量的變化，又稱為外源型

。例如:電阻應變片、電容傳感器等。2024/6/2810傳感器的分類按工作原理：機械式、電氣式、光學式、流體式等。按輸出信號：電參量型、電量型。電參量型：傳感器輸出信號是電路參數，包括電阻、電容和電感(自感)，如電阻應變計、壓阻傳感器、光敏電阻、電容式傳感器、自感式傳感器和反射式電渦流傳感器等。電參量型傳感器由于需要外部激勵電源，故都屬于能量控制型傳感器。

傳感器定義、組成及分類2024/6/2811傳感器的分類按輸出信號：電參量型、電量型。電量型：傳感器輸出是電荷、電流或電壓等電量，常見的電壓輸出型有磁電傳感器、壓磁式傳感器、霍爾傳感器、熱電偶和光電池，還有差動變壓器式傳感器和透射式電渦流傳感器等。有些電量型傳感器不需外界電源，是典型的能量轉換型傳感器，如熱電偶、光電池和壓電傳感器。有些電量型傳感器需要外接輔助電源或磁源(帶激勵源型，又稱為輔助能源型)，如磁電式傳感器、差動變壓器式傳感器、透射式電渦流傳感器、壓磁傳感器、霍爾傳感器等。

傳感器定義、組成及分類2024/6/2812傳感器的分類按被測量：位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等等。按輸出信號：模擬傳感器、數字傳感器。按傳感器轉換過程可逆與否：可逆傳感器和不可逆傳感器。

按傳感器有反饋回路與否：開環傳感器、閉環傳感器。傳感器定義、組成及分類2024/6/2813對傳感器的基本性能要求基本性能要求：穩定、準確、快速。即：足夠的容量。良好的動靜態測量特性。精度適當，工作穩定、可靠。適用性和適應性強。使用經濟。

傳感器定義、組成及分類2024/6/2814電參量型傳感器是輸出為電路參數，即電阻、電容和電感(自感)的傳感器的總稱，即將被測物理量變化轉換為電參數的變化，再配以適當的轉換電路，將輸出的電參數轉變為電量輸出。

電參量型傳感器都屬于能量控制型傳感器。典型的電參量型傳感器，包括電阻輸出型、電容輸出型、電感輸出型三類電參量型傳感器。電參量型傳感器2024/6/2815電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器電參量型傳感器測量電路電參量型傳感器被測量——--電阻變化轉化為電阻傳感器

變阻器式

電阻應變式

直線位移型傳感器

角位移型傳感器

非線性型

金屬電阻應變片

半導體應變片

絲式

箔式

電阻式傳感器變阻器式

電阻式傳感器直線位移型傳感器

角位移型傳感器

非線性型

2024/6/2818被測量變化能引起傳感器輸出電阻值變化的傳感器統稱為電阻輸出型傳感器，簡稱電阻式傳感器。電阻式傳感器電阻應變式傳感器熱電阻傳感器電阻輸出型半導體傳感器2024/6/2819電阻應變片(ResistanceStrainSensor)是應變測量的關鍵元件，電阻應變片的工作原理是基于應變電阻效應。根據制作材料不同，電阻應變片通常分為金屬應變片和半導體應變片兩大類。(1)應變電阻效應電阻應變式傳感器應變電阻效應即在導體發生機械變形時，導體電阻值相應發生變化的效應。

2024/6/2820(1)應變電阻效應電阻應變式傳感器材料不同，電阻變化的主要來源不同。因此，電阻應變片通常分為金屬電阻應變片和半導體電阻應變片兩大類。2024/6/28211)金屬應變片的應變電阻效應電阻應變式傳感器金屬應變片的電阻變化主要由其結構尺寸變化所致，故金屬應變片屬于結構型傳感器。

2024/6/28222)半導體應變片的應變電阻效應壓阻效應：指半導體材料在某一軸向受外力時，其電阻率發生變化的現象

。電阻應變式傳感器半導體應變片工作原理：半導體應變片是利用半導體材料的物理效應——壓阻效應工作的，因此半導體應變片屬于物性型傳感器。

2024/6/2823電阻應變片工作原理總結：電阻應變片工作原理基于應變電阻效應，感受靈敏柵軸向線應變，輸出電阻應變，即：電阻應變式傳感器金屬材料：K0=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)前部分為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致;后部分為電阻率隨應變而變的部分。金屬應變片的應變電阻效應以結構尺寸變化為主，屬于結構型傳感器。半導體材料：K0=KS=(1+2μ)+πE前部分同樣為尺寸變化所致；后部分為半導體材料的壓阻效應所致。半導體應變片的壓變電阻效應主要基于壓阻效應，屬于物性型傳感器。2024/6/2824(2)電阻應變式傳感器的結構與類型

應變計的結構利用導電材料的應變電阻效應，可以制成測量試件表面應變的敏感元件，即：電阻應變計（片），簡稱應變計（片）

straingauge

。電阻應變式傳感器應變計的結構型式及其組成敏感柵、基底、引線、蓋層、粘結劑。2024/6/2825(3)電阻應變傳感器的應用

電阻應變式傳感器有以下兩種應用方式：直接用來測定結構的應變和應力。

將應變片粘貼于彈性元件上，作為力、位移、壓力、加速度等物理參數的傳感器。

電阻應變式傳感器電阻應變傳感器的應用特性：屬于接觸式測量。電阻應變計測量時必須粘貼在試件或彈性元件上才能工作，因此粘貼劑和粘貼技術對測量結果有著直接影響。一般適用于中、低頻率范圍。溫度的變化會引起電阻值的變化，從而需要采取溫度補償措施。電阻應變式傳感器的應用實例電阻應變式傳感器的應用實例

——電子秤荷重傳感器原理演示荷重傳感器上的應變片在重力作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。

2024/6/2829熱電阻傳感器熱電傳感器利用轉換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關的參量進行檢測。熱電阻傳感器是熱電傳感器的一種，能將溫度變化轉換為電阻變化的熱電傳感器。將溫度變化轉換為熱電勢變化的熱電傳感器稱為熱電偶傳感器。（將在電量型傳感器中介紹）材料不同可分為金屬熱電阻式（簡稱熱電阻）和半導體熱電阻式（簡稱熱敏電阻）兩大類。2024/6/2830熱電阻傳感器(1)

金屬熱電阻傳感器多數金屬導體的電阻率隨著溫度升高而增大，具有正的溫度系數——熱電阻測溫的基礎。常見的熱電阻材料是鉑和銅，并已做成標準測溫熱電阻。鉑熱電阻及其特性鉑電阻溫度計的使用范圍是-200℃～850℃：

2024/6/2831熱電阻傳感器鉑熱電阻及其特性特點是精度高、穩定性好、性能可靠。鉑電阻主要作為標準電阻溫度計使用，也常被用溫度的基準、標準的傳遞。但價格昂貴。

銅熱電阻及其特性-200℃～0℃溫度范圍內，銅電阻的阻值與溫度之間的關系為：銅容易提純，價格便宜，在-50℃~150℃范圍內銅電阻化學、物理性能穩定，輸出-輸入特性接近線性關系。不足是測量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。2024/6/2832熱電阻傳感器(2)

半導體熱敏電阻傳感器（熱敏電阻）利用半導體材料的電阻值隨溫度變化而變化的特性。

熱敏電阻按電阻值隨溫度變化的特性可分為三種類型：正溫度系數(PTC)04080120160200100102104106溫度/℃電阻/Ω負溫度系數(NTC)正溫度系數(PTC)臨界溫度系數(CTR)負溫度系數(NTC)臨界溫度系數(CTR)PTC型主要用于過熱保護，定溫控制，或作限流元件使用。NTC型具有很高的負溫度系數和較大的溫度敏感范圍，既可用作溫度測量，也可作溫控器件。CTR型熱敏電阻具有開關特性，因而主要用作溫控開關。在溫度測量中，主要采用NTC和PTC型熱敏電阻，其中NTC型熱敏電阻應用最普遍。

熱敏電阻與金屬熱電阻比較的特點：電阻溫度系數大，靈敏度高，約為熱電阻的10倍；結構簡單，體積小，可以測量點溫度；電阻率高，熱慣性小，適宜動態測量；電阻值與溫度變化呈非線性關系，需進行線性化處理；穩定性與互換性差。2024/6/2833電阻輸出型半導體傳感器利用半導體材料的各種物理效應可以把一些物理量、化學量和生物量的變化轉換為便于處理的電信號，從而制成各種半導體式傳感器。半導體傳感器都是物性型傳感器。下面介紹幾種典型的電阻輸出型半導體傳感器：擴散硅壓阻式傳感器磁敏電阻電阻型氣敏器件濕敏電阻2024/6/2834電阻輸出型半導體傳感器擴散硅壓阻式傳感器利用半導體工藝中的擴散技術，將敏感元件（半導體應變片）和應變材料（基底）合二為一，制成擴散型壓阻式傳感器。這類傳感器的應變電阻與基底是同一塊材料，通常是半導體硅，因此統稱為擴散硅壓阻式傳感器。擴散硅壓阻式傳感器的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。2024/6/2835電阻輸出型半導體傳感器擴散硅壓阻式傳感器擴散硅壓阻式傳感器是典型的物性型傳感器。壓阻式傳感器與半導體應變片的異同點：相同點：都是基于半導體材料的壓阻效應，都屬于物性型傳感器。不同點：安裝方式不同：半導體應變片通過粘貼的方式將靈敏柵貼于被測試件（彈性體），因此其高頻特性較差，不適于高頻的動態檢測；壓阻傳感器是通過擴散技術將靈敏柵和彈性體融為一體。這種傳感器靈敏度、分辨力高，因無需膠接，因此其動態性能較半導體應變片大大改善，可用于加速度和振動檢測。應用：用于靜、動態壓力測量，或可以轉化為壓力監測的其他物理量的測量。2024/6/2836電阻輸出型半導體傳感器磁敏電阻磁敏電阻是利用磁阻效應制成的一種磁敏元件。

磁阻效應：將一載流導體置于外磁場中，其電阻值隨磁場而變化的現象稱為“磁敏電阻效應”，簡稱“磁阻效應”。

2024/6/2837電阻輸出型半導體傳感器磁敏電阻磁阻效應與材料性質、幾何形狀有關。若考慮形狀的影響，其長寬比(L/b)越小，則磁阻效應也越明顯。

圓盤形磁敏電阻的磁敏效應最強，圓盤的中間和邊緣處為兩電極。這種圓盤形磁阻器叫做科爾比諾圓盤，這時的效應叫做科爾比諾效應。磁敏電阻可以探測各種磁場外，還可制成各種位移檢測器、角度檢測器、功率計、安培計、交流放大器和振蕩器等。

2024/6/2838電阻輸出型半導體傳感器電阻型氣敏器件氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉換為電信號的傳感器。按照半導體變化的物理特征，可分為電阻型和非非電阻型兩類半導體氣敏傳感器。電阻型氣敏傳感器是利用敏感元件吸附氣體后電阻值隨著被測氣體的濃度改變來檢測氣體的濃度或成分。結構：半導體式氣敏元件一般由敏感元件、加熱器和外殼三部分組成。

分類：按其結構可分成燒結型、薄膜型和厚膜型三類。圖3.15

半導體式傳感器的器件結構(a)燒結型電極氧化物半導體加熱器玻璃（尺寸約1mm，也有全為半導體的）(b)薄膜型3mm0.5mm0.6mm加熱器3mm絕緣基片電極(c)厚膜型7330.5（單位mm）樣品Pt電極氧化鋁基片器件加熱用的加熱器（印制厚膜電阻）應用：防災報警，如液化石油氣、天然氣、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等的報警器；也可用于大氣污染監測；以及在醫療上用于對O2、CO等氣體的測量；生活中則用于空調機、烹調裝置、酒精濃度探測等。2024/6/2839電阻輸出型半導體傳感器濕敏電阻濕度是指大氣中所含水蒸氣量。濕度有三種描述方法：絕對濕度（kg/m3

）、相對濕度（%RH

）和露點（℃）。

氯化鋰濕敏電阻

利用吸濕性鹽類潮解，離子導電率發生變化而制成。阻值隨環境相對濕度的改變而變，實現對濕度的測量。半導瓷濕敏電阻半導瓷材料主要是不同類型的金屬氧化物，按其電阻率隨濕度的增加是增大或降低，可分為正特性濕敏半導瓷和負特性濕敏半導瓷兩大類。典型半導瓷濕敏電阻有燒結型濕敏電阻和涂覆膜型Fe3O4濕敏器件。

小結電阻式傳感器電阻應變式（應變電阻效應）金屬應變片半導體應變片熱電阻金屬熱電阻（熱電阻）半導體熱電阻（熱敏電阻）電阻輸出型半導體傳感器（熱敏、光敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏）壓阻式傳感器（壓阻效應）磁敏電阻（磁電阻效應）氣敏電阻濕敏電阻思考題傳感器的定義及組成如何？電參量型傳感器有哪些？電阻型傳感器有哪些？電阻應變式傳感器的原理及應用？（1）電子秤使用的測力裝置是什么？

它是由什么元件組成的？（2）簡述力傳感器的工作原理。（3）應變片能夠把什么力學量轉化為什么電學量？一、力傳感器的應用——電子秤裝置:力傳感器組成:金屬梁和應變片

工作原理:兩個應變片的形變引起電阻變化，致使兩個應變片的電壓差變化

形變（力學量）電壓（電學量）轉換金屬梁U1U2金屬梁應變片二、溫度傳感器的應用——電熨斗銅的膨脹系數大于鐵作用：控制電路的通斷思考：雙金屬片溫度傳感器的作用是什么？雙金屬片溫度傳感器電熨斗中的雙金屬片工作原理熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設定不同的溫度，這是如何使用調溫旋鈕來實現的？根據衣物的不同，調節調溫旋鈕，使升降螺絲上下移動，帶動彈性銅片的升降，從而改變了兩觸點接觸的難易程度，實現控制溫度不同的目的。電熨斗中的雙金屬片工作原理根據熱脹冷縮，利用兩種金屬的膨脹性能的不同，常溫下兩觸點接觸，電路連通，電熱絲加熱。升溫后雙金屬片形狀發生變化，上層比下層膨脹大，雙金屬片向下彎曲，兩觸點處于分離，電路斷開，電熱絲停止加熱。這樣不斷循環，實現自動控制溫度的目的。常溫下，上、下觸點應是接觸的還是分離的？當溫度過高時，雙金屬片將怎樣起作用？雙金屬片溫度傳感器在電熨斗中的應用電燙斗的構造：思考與討論：①常溫下，上、下觸點應是接觸的還是分離的？當溫度過高時，雙金屬片將怎樣起作用？②熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設定不同的溫度，這是如何使用調溫旋鈕來實現的？1、電飯鍋中的溫度傳感器：主要元件是感溫鐵氧體2、感溫鐵氧體是用氧化錳MnO2、氧化鋅ZnO和氧化鐵Fe2O3粉末混合燒結而成，特點是常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引；升溫后，約達103℃

(稱為居里溫度或居里點)時，就會失去磁性，不能被磁體吸引。3、電飯鍋的結構：三、溫度傳感器的應用——電飯鍋思考與討論(1)開始煮飯