传感器原理及应用 2024 PDF

传感器原理及应用 授课：李超 Ø Ø Ø Ø Ø Ø  课程教材 课程参考书 1. 传感器技术，贾伯年等编著，东南大学出版社，2009 2. 传感器与检测技术，胡向东等编著，机械工业出版社，2009 3. 传感器原理及应用，王化祥编著，天津大学出版社，2007 4. 传感技术与应用教程，张洪润等编著，清华大学出...

传感器原理及应用 授课：李超 Ø Ø Ø Ø Ø Ø  课程教材 课程参考书 1. 传感器技术，贾伯年等编著，东南大学出版社，2009 2. 传感器与检测技术，胡向东等编著，机械工业出版社，2009 3. 传感器原理及应用，王化祥编著，天津大学出版社，2007 4. 传感技术与应用教程，张洪润等编著，清华大学出版社，2009 5. 传感器原理及应用（项目式教学），于彤编著，机械工业出版社，2008 课程内容与计划安排 课程要求 1 2 3 4 掌握与各类传 掌握常用的各 熟知各种传感 了解当代传感 感器相关的基 种传感器工作 器典型应用， 技术的最新研 本理论 原理、性能、 能合理选择使 究成果 ---物理效应 特点 用传感器 课程学习思路 学习其应 用 本课程成绩组成 期末总成绩 20% 线上学习 10% 课堂考勤 期末卷面成绩 70% 绪论  主要内容 一、传感器的定义和作用 二、传感器的组成、分类和发展趋势 一、传感器的定义和作用 u 国家标准（GB7665—87）：能够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和装置。 u 传感器就是将被测量按一定规律转换成与其有确定对应关系的电量 输出的器件或装置。 u 传感器输出的电量有不同的形式，如电压、电流或频率等，以满足 信息的传输、处理、、记录、显示和控制等要求。 u 变换器、换能器（Transducer）、探测器（Detector）。  电子秤 温度计 GPS定位 u 从日常生活到高科技领域，“农轻重、海陆空、吃穿用”，传感器无 处不在。  装置 信息技术 机械 智能 控制 工业自动化 测量 自动 机械 机与 动力 机械动力 工具 简单 人与 人力时代 传感器是人类感官的延伸； 是各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件。 人体系统 机器系统  传感器用于灌装液位测量 高精度检测元件尺寸 快速检测产品重量 u 传感技术是带动国民经济增长的一个关键领域。 u 例如：工业生产中利用CCD传感器检测：零件尺寸、产品缺陷、装 配定位...... 再比如：传感器在汽车中的应用日新月异  诺贝尔奖获得者R.R.Enrst说“现代科学 的进步越来越依靠尖端仪器的发展。” 近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝 尔奖获得者多达38人。 例如，惠普公司改进仪表，使人类基因 测序工作提前三年完成。 u 传感器在航天领域举足轻重。 u 火箭测控：检查火箭状况、姿态、轨迹； u 飞船测控：检查飞行器姿态，发电机工况等。  运载、飞船、航天员三大系统中的遥测、伺服、热 控、推进、环控生保、航天服等分系统； 包括压力、温度、湿度、位移、过载、氧气、二氧 化碳、离子感烟、电导、呼吸、心电、体温等传感 器； 环境监测与控制、航天员生理监测、遥测测量等。 这些传感器在各个系统中起着不可或缺的重要作用， 相当于为载人航天飞船装备了一套“神经系统。 u 美国国家导弹防御计划（NMD）没有解决的问题：研制出能及时 探测攻击导弹的传感器。  1991年海湾战争，精确制导炸弹和导弹占8%； 2003年伊拉克战争，精确制导炸弹和导弹占 90%。 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器； 激光测距仪：可精确的定位目标，精 确的设定高爆弹引爆时间。 l 检查产品质量 l 检测环境污染 l 识别指纹假钞 l 查处违禁药物 l 侦破刑事案件 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学 诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸 张地说∶ 几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样 的传感器。 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明 显的。 二、传感器的组成、分类和发展 趋势  传感器与计算机技 术相结合，实现自 主的信息检测和处 1967年，齐亚思和约 理 翰、依根申请了边缘约 束的硅膜片专利 1969年凯勒申请 了批量预制硅传感 器的专利 利用热电效应、霍尔效应、光 电效应，分别研制出热电偶传 感器、霍尔传感器、光敏传感 器 亿只 传感器材料是传感器技术的重要基础， 绝大多数都是利用某些材料的特殊功 能来达到测量目的。所以探索已知材 料的新功能或研究具有新功能的新材 料对研制新型传感器具有重要意义。 u 传感器有逐渐小型化的趋势，小型化为传感器的使用带来诸多方便。 制造出超小型且价格便宜的传感器是一种趋势。 希望对测试火箭燃烧室压力的测量准 确度高于0.1%，因此需要研制性能优 异的传感器。 半导体超低温传感器:可测0.3K~400K， 分辨率达0.07K。 u 将传感器与后级的放大电路、运算电路、温度补偿电路等制成一个 组件，一体化； u 一般传感器多为一个传感器测量一个参数，而以后开发的则是用一 个传感器测量多个参数的多功能传感器； u 例如,用于成像器件的CCD：将阵列化的光电探测器和扫描功能一体 化，可把光学图像转换为时序电信号。 u 智能化传感器是一种带微型计算机，兼具检测、判断、信息处理等 功能的传感器。它可以确定传感器的工作状态，对数据进行修正， 用软件解决硬件难以解决的问题，完成数据的计算与处理工作。 u 智能传感器一般由主传感器、辅助传感器和微机硬件系统三部分组 成。 u 智能化时代的大门的钥匙，虚拟化、网络化、信息融合。 u 传感器的定义 u 传感器的作用 u 传感器的组成 u 传感器的分类 u 传感器的发展趋势 第三章 电阻式传感器  主要内容 一、电阻式传感器概述 二、金属丝应变片的结构 三、金属丝应变片的测量原理 四、金属丝应变片的特性 五、金属丝应变片的测量电路 六、金属丝应变片的应用 七、半导体压阻式传感器 一、 电阻式传感器概述 是目前测力、力矩、应力、加速度等物理量应用最广泛的传感器之一 二、金属丝电阻应变片的结构 n 敏感栅--核心转换元件； n 基片--绝缘材料； n 盖片--保护层； n 引线--金属导线； n 粘合剂--化学试剂。 2.1 金属丝式应变片 金属丝式应变片通常采用直径为0.025mm的金属丝（康铜、铬 镍合金、贵金属）制作敏感栅，可以制成U型、 V型和H型等多 种形状 。 金属丝式应变片 2.2 金属箔式应变片 金属箔式应变片的工作原理和结构与丝式应变片基本相同，但 敏感栅制造方法不同，它采用光刻腐蚀工艺、照相制版制作成 厚度为0.003~0.01mm的金属箔栅。 金属箔式应变片 2.2 金属箔式应变片 优点： v尺寸很薄，可更精准的感受试件表面应 力状态； v表面积大，散热好，容许通过更大电流； v尺寸精准，可制成任意形状； v便于成批生产。 缺点： v电阻值分散性大，需做阻值调整； v焊锡引线，不适合较高温度下测量； v工艺复杂，成本较高。 不同花样的金属箔式应变片 2.3 金属薄膜式应变片 金属薄膜应变片采用真空溅射或真空沉积技术，在绝缘基片上 蒸镀几纳米至几百纳米金属电阻薄膜制成。 正离子 溅射原子 基片 靶 真空溅射蒸镀金属电阻薄膜 2.3 金属薄膜式应变片 优点： v应变传递能力强、灵敏度高； v允许大密度电流通过； v工作温度范围较广、稳定性好。 缺点： 金属薄膜式应变片 v输出信号的非线性较大； v较难控制电阻与时间的变化关系。 三、金属丝电阻应变片的测量原理 1. 电阻应变效应 导体受力产生机械形变时，其电阻值会发生变化，即 ：金属丝的电阻、电阻率与其 有关，而金属丝在发生机械 变形的过程中，它们都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。 2. 金属丝电阻值及其变化 l 2r 2(r-dr) F F l+dl l dR d  dl dS R    S R  l S 2. 金属丝电阻值及其变化 dR d  dl dS dR d       1+2    R  l S R  dl 轴向应变：  l dr dr / r 横向应变： =-  =- 泊松比 r dl / l 2. 金属丝电阻值及其变化 单位应变引起的电阻值的相对变化： dR / R d /  dR / R   1+2    k0 k0   1+2     k0---金属丝灵敏系数 3. 金属丝应变效应表达式 dR  k 0 R k0 = 1+2  （金属丝灵敏系数） dR  ∝ ∝ R 四、金属丝电阻应变片的特性 1.应变片灵敏度系数 1.应变片灵敏度系数  2.横向效应 横栅 r 纵栅 横栅 r εl0 εy y σ εx r εx σ εx εx 轴向应变 εy εy εy 横向应变 2.横向效应 采用短接式或直角式横栅，使横栅圆弧半径为零，可以克服 横向效应的影响。 （不能完全消除，因为横栅依然存在） 3.温度误差及补偿方法 3.温度误差及补偿方法 3.温度误差及补偿方法 △lt1 l0 △lt2 3.温度误差及补偿方法 3.温度误差及补偿方法 3.温度误差及补偿方法 3.温度误差及补偿方法 五、电阻应变片的测量电路 1.引入测量电路的原因 = R=KR R=120Ω K = 2.0~2.4 =. 00024 ~. 24 2.应变测试系统 3.电桥类型 Ø 电桥供电分直流、交流两种 Ø 早期由于直流放大器的漂移大、线性差，故大多采用交流电 桥配交流放大器。现在由于新一代（如斩波稳零集成运放 ICL7650)的直流运放完全克服了早期直流放大器的弱点，现 在放大器大多采用直流电桥。 直流电桥和交流电桥的基本原理是相同的。下面以 直流电桥为例分析电阻应变片测量电路的工作原理 4.直流电桥工作原理 5.单臂电桥 6.电桥电压输出灵敏度 6.电桥电压输出灵敏度 7.非线性误差 7.非线性误差 7.半桥差动电路 7.全桥差动电路 电桥电压灵敏度Ku=E，比半桥电路提高一倍 总结 六、金属丝应变片的应用 七、半导体压阻式传感器 1.压阻式传感器工作原理 压阻效应：固体受到作 用力后，电阻率就要发 生变化，这种现象称为 压阻效应。 所有材料在某种程度都 呈现压阻效应，但在半 导体材料中，这种效应 特别显著。 1.压阻式传感器工作原理 1.压阻式传感器工作原理 半导体材料受力应变后电阻值的变化主要来自于电阻率的变化，也即压阻效 应。 2.压阻式传感器的特点 3.压阻式传感器的结构 3.压阻式传感器的结构 4.压阻式传感器应用 第四章 电容式传感器  主要内容 一、电容式传感器概述 二、电容式传感器的工作原理及结构形式 三、电容式传感器的特性分析 四、电容式传感器的测量电路 五、电容式传感器的应用 一、 电容式传感器概述 广泛应用于位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量。 具有如下优点： (1) 测量范围大: 相对变化量可达100%。 (2) 灵敏度高: 可达10-7。 （3）动态响应时间短: 可动部件质量小，固有频率高，适于动态信号 的测量。 （4）机械损失小: 电极间引力小，无摩擦，热效应小，故精度很高。 （5）结构简单，适应性强: 金属做电极，无机材料绝缘支撑，能承受 大的温度变化和强辐射，适合于恶劣环境工作。 二、电容式传感器的工作原理及结构 形式 基于电容器的原理，可将被测量转换成传 感器的电容量变化，进而实现非电量到电 量的转化。 l 当被测量变化使得S、d或者ε发生变化时，电容C也随之发生变化。 l 如果保持其中两个参数不变，而仅只改变其中一个参数，就可把该参数的变化 转化为电容量变化，通过测量电路就可转化为电量输出。 1、变极距型电容式传感器 变极距 2、变面积型电容式传感器 3、变介电常数型电容式传感器 三、电容式传感器的特性分析 1.变极距型电容式传感器 0 = = 变极距电容式传感器输出特性曲线 d0 1.变极距型电容式传感器 = 初始电容 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有： = + = = − − 1.变极距型电容式传感器 = − 若Δd/d0