第13章非电量的测量(传感器)简介

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第13章 非电量的测量（传感器）简介
图13-5所示为电桥的基本线路。图中，R1、R2、R3、 R4 为电桥的四个桥臂电阻，电桥的供电电源可以是直流 电源也可以是交流电源。 为了调整方便，通常采 用四个桥臂电阻值相等的等 臂电桥或用两相邻桥臂电阻 值相等的对称电桥。当桥臂 电阻无变化时，电桥处于平 衡状态，输出电压为零；当 桥臂电阻有变化时输出一个 与电阻变化成正比的电压值。
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13.1 传感器概述
13.1.1传感器 传感器是一种能感受规定的被测量，并以一 定的精度按照一定规律将被测量转换为易于处理 和测量的某种输出信号（一般为电信号）的器件 或装置。 有人把计算机比喻为人的大脑的延续，称之 为“电脑”；而把传感器比喻为人的五官的延续， 称之为“电五官”。传感器是自动控制系统的感 受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。
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3.测力传感器的应用 测力传感器常用弹性敏感元件将被测力的变化转换为 应变量的变化 。 下面介绍一种缝纫机上使用的测力传感器——面线张 力传感器。为了提高缝纫机生产能力，必须对缝纫机的各 种参数进行检测和控制。面线张力传感器可对缝纫机面线 张力进行动态测量，以减少或者避免出现浮线、绉线、断 1 2 3 4 线等现象。
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金属电阻应变片 式传感器基本结构有 b 弹性元件、应变片、 测量桥路三部分。 l 使用应变片式传 1-引线 2-覆盖层 3-绝缘基片 4-敏感栅 感器进行力的测量时， 图13-4 电阻丝应变片结构示意图 首先要选择合适的应变片粘贴在被测试件上。当 试件受力产生应变和应力时，粘贴在其上的应变 片也会受力产生应变，其结果是应变片的电阻值 也发生变化。这样就把力这个非电量转换为电阻 量，而电阻的测量通常借助于电桥电路。
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工业用铂热电阻如图13-11所示，一般是将铂丝2 绕在带有螺旋沟槽的玻璃或云母板上，外加不锈钢护 套，也可将绕好的铂丝套入玻璃管熔烧封装。在0～ 600°C以内，铂电阻与温度的关系为 Rt=R0(1+At+Bt2)
Rt—t °C时的R R0—0 °C时的R t—任意温度 A、B—温度系数。
dU H dB KH I K dx dx
B x O
式中 K—传感器输出灵敏度
图13-10 霍尔位移传感器原理图
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13.4 温度传感器及其应用 13.4.1温标和测量方法 1．温标 温度是用来定量地表示一个物体冷热的物理量。而温 标是衡量物体温度的标尺，物体的温度数值应根据温标给 出。国际实用的温标是目前国际上比较通用且比较方便的 温标。国际实用温标的温度符号用T表示，单位为达尔文， 以K或开表示。国际实用温标还规定了温度也可以用摄氏 温度表示，摄氏温度以符号t表示，其单位为摄氏度，以 °C 表示。国际实用温度T与摄氏温度t之间的关系： t =T－273.16 （°C）
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1—铆钉 2—铂丝 3—骨架 4—银导线
图13-11 铂电阻结构
(2)铜热电阻 铜热电阻价廉并且线性好，但温 度高时易氧化。当测量精度要求不高、测量范围不 大时，可以用铜热电阻代替铂热电阻使用。
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2.热敏电阻
热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温 元件。主要是利用半导体的电阻随温度变化的特 性测温。热敏电阻是由一些金属氧化物如钴、锰、 镍等氧化物，采用不同比例配方，高温烧结成陶 瓷。热敏电阻可根据使用要求封装加工成各种形 状，如珠状、片状、杆状等、如图13-12所示。它 主要由热敏电阻、引线和壳体组成。
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13.3.1 电阻应变片线位移传感器 电阻应变片式传感器除了可以测量力外，还可以 测量线位移。如图13-7所示。当被测试件在垂直方向 位移时，悬臂梁随着产生与位移相等的绕度，因而应 变片产生相应的应变，电阻值改变。在小绕度的情况 下，绕度与应变成正比。将应变片接入桥路，输出与 位移成正比的电压信号。 h Δδ 其过程为：位移量─→应 传 感 器 变片的应变─→应变片R的 变化─→桥路输出的变化。 x l 通过测量输出电压值可 图13-7 应变片线位移传感器工作原理 以知道被测试件的位移量。
b HX-1 a (a) c (b) (c)
图13-8 霍尔元件
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3.霍尔式位移传感器应用
图13-10中保持控制电流 I 为定值，使霍尔元件 在一均匀梯度的磁场 B 中沿x方向移动，则霍尔电势 的大小只取决于它在磁场中的位移量。分析如下： 图中由极性相反，H相同的两磁钢构成一均匀梯 度磁场，因B在一定范围内沿x N 霍尔元件 S 方向的变化梯度dB/dx为常数， B B 当元件沿x方向移动时，霍尔 N S x 电势为
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13.3.2 霍尔式传感器 1.霍尔效应 霍尔式传感器是一种应用比较广泛的半导体磁 电传感器，其工作原理基于霍尔效应。什么是霍尔效 应呢？将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中， 如图13.3.2所示，当片内沿L方向有电流I流过时，在 垂直于I和B的方向便会产生电压UH(称霍尔电压)，这 种物理现象称为霍尔效应。霍尔电压UH的大小为： UH=KHIB 式中：KH——霍尔元件的灵敏度
200 t 200Ω θ (a)形状 (b)结构 (c)符号
图13-12 热敏电阻的结构外形及符号
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热敏电阻按温度系数可分为正温度系数型 (PTC)、负温度系数型(NTC)和临界温度系数型 (CTR)，它们的特性曲线如图13-13所示。CTR热 敏电阻是一种具有开关特 性的负温度系数热敏电阻， 电阻率ρ(Ω·c m) 10 CTR 有一阻值急剧转变的温度，10 PTC 10 此特性可用于自动温控和 10 10 NTC 报警电路中起温度开关作 10 10 温度t/℃ 用。 0
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13.2 测力传感器及其应用
13.2.1弹性敏感元件
弹性敏感元件是许多传感器的基本元件。弹性敏感元件 根据感受的物理量不同，可分为力敏感型、压力型和温度敏 感型。其中力敏感型弹性元件是能够感受力的变化，并将其 转换成位移(或应变)的弹性敏感元件。常见的结构形式有柱 F F 式和梁式。柱式弹性元件可以是实 心柱体或空心柱体，如图13-2所 示。其主要特点是加工方便、结构 简单，适用于拉力测量和称重系 (b) (a) 统，能承受较大载荷。
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２．测温方法 测温方法一般分为两大类：接触测温法和非接触 测温法。接触测温法是将测温传感器与被测对象接触， 两者充分热交换，最后达到热平衡后，两者温度相同， 由仪表将温度示出。非接触测量就是利用特制的透镜 将被测物体发出的热辐射能量积聚，再将它转换成电 量，从而来测量被测物体的温度。 目前对温度的测量仍主要在于对平衡状态的接触 测量，对于流体温度、动态介质温度的非接触测量技 术有待进一步研究和发展。
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13.4.2常用温度传感器 1.热电阻
热电阻主要是利用导体或的电阻随温度变化这 一特性来测量温度的。目前广泛应用的热电阻材料 是铂、铜和镍等。 (1)铂热电阻 铂热电阻的物理化学性能在高温 下和氧化介质中很稳定。它能用作工业测温元件和 作为温度标准。铂的性能最稳定，采用特殊结构可 制标准铂热电阻温度计。它的适用范围为–200～ +600°C 。
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2.霍尔元件
根据霍尔效应原理做成的器件叫做霍尔元件。 霍尔元件的结构很简单，是一种半导体四端薄片， 它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片的相对两侧 对称地焊上引出线， a、b端称为激励电流端，c、d 端称为霍尔电势输出端，结构、图形符号和外形如 图13-8a、b 、c所示。封装常采用非磁性金属、陶 瓷或环氧树脂等。 d
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13.2.2电阻应变式传感器
1.电阻应变效应
金属导体的电阻随着它受外力作用发生机械变 形的大小而变化的现象称为金属的电阻应变效应。 如金属电阻丝受拉力作用而变细，其电阻值将增 大。
2.金属电阻应变片结构
金属电阻应变片的基本结构如图13-4所示。它 由绝缘基片3，敏感栅4，栅两端的引线1，以及覆盖 层2组成。 应变片的敏感栅形式较多，这里仅介绍丝式。
1-外壳 2-应变片 3-弹性元件 4 -圆环
图13-6 面线张力传感器原理图
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图13-6是面线张力传感器的原理图。弹性元件是等强 度悬臂梁，材料选用弹性性能良好的铍青铜。在弹性元件 3的下表面沿对称轴线各贴一片应变片2。在弹性元件的一 端焊接一个圆环4，另一端与外壳1固定。在进行测试时， 将传感器安放在挑线杆和针杆线钩之间，借用夹线器上的 螺孔将其固定。面线穿过圆环，其张力作用在弹性元件悬 臂梁上，并使其发生弹性变形，粘贴在弹性元件上表面的 应变片承受拉应变作用，阻值增大，下表面应变片承受压 应变作用，阻值减小，从而将面线张力转换成电阻变化， 再经过其他转换装置转换成电压并放大，由记录仪最后显 示测量结果。
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13.3 位移传感器及其应用 位移是应用十分广泛的一种测量。对机械构件 的位移进行测量，不仅可以确定位置，也可以分析、 研究其运动规律。位移的测量包括线位移的测量和 角位移的测量，本节只介绍线位移的测量。 测量位移的常用传感器有电感式传感器、电涡 流式传感器、电容式传感器、电阻应变片式传感器、 压电式传感器、霍尔式传感器及光栅传感器等，根 据被测位移量的大小、特性和精度要求等，可选用 不同类型的传感器。
R1
+
R2 Uo
R4
R3
– +
–
Ui
图13-5 桥式转换电路
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如果把应变片式传感器中的电阻应变片作为电桥的桥臂 电阻接在线路上，那么应变片受力产生的电阻的改变，可 以转换为电桥电压值的变化。被测试件受力值的测量过程 可以简单示意如下：力的变化(ΔF)─→应变(ε)─→应变片电 阻变化(ΔR)─→桥路电压的变化(ΔU)若电桥四个桥臂电阻都 用应变片，则称为全桥式；若只有两相邻桥臂用应变片则 称半桥式；若只有一个桥臂为应变片电阻的称为单臂电桥。 由于温度的变化是客观存在的，就给测量结果带来误差。 为消除这个误差，常进行温度补偿。把因温度的变化引起 的电阻变化抵消掉。补偿方法很多，一般全桥式和半桥式 桥路都具有温度补偿作用，这里不一一介绍了。
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B b – – – – – – – – – fL υ fE d + ++ + ++++++ l + –
UH
图13-8 霍尔效应原理图
当霍尔元件的材料和几何尺寸确定后，霍尔 电势的大小正比于通过的电流I和磁感应强度B。 当磁感应强度B和霍尔元件平面法线成一角度θ 时，霍尔电势为 UH=KHIBcosθ
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13.1.2传感器的组成
传感器一般由敏感元件、传感元件和测 量转换电路组成，如图13-1所示。
被测量(非电量)
电量 敏感元件 传感元件 基本转换电路
图13-1 传感器组成框图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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13.1.3传感器的分类
传感器的分类方法很多，一般按被测物理量和传 感器工作原理分类。 按被测物理量分类时，能明确地表示传感器的 用途。如位移传感器、力传感器、温度传感器等。 按传感器工作原理分类时，是根据检测变换原 理的不同进行分类。可分为电阻传感器、电感传感 器、电容传感器、热电传感器、光电传感器等。
图13-2 等截面轴弹性元件
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梁式弹性是一端固定另一端自由的弹性元件， 又称悬臂梁。按其截面形状又可分为等截面悬臂 梁和变截面悬臂梁。如图13-3所示。其主要特点 是结构简单，灵敏度高，适用于小载荷(1103N） 测量。
F
F
(a)
(b)
图13-3 悬臂梁式弹性敏感元件