MEMS加速度传感器
学院：理学院
专业：物理电子学
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目录
MEMS加速度传感器 (1)
简介 (3)
1、什么是加速度传感器？ (3)
2、什么是MEMS加速度传感器？ (3)
MEMS加速度计的应用领域 (4)
MEMS加速度传感器的工作原理 (4)
MEMS加速度传感器的现状与发展方向 (5)
1、前景预测 (5)
2、最新发展 (6)
简介
1、什么是加速度传感器？
加速度传感器是一种惯性传感器，能够测量物体的加速力。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就比如地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。
2、什么是MEMS加速度传感器？
微机电系统（Microelectro Mechanical Systems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。本文概述国内外目前已实现的微机械传感器特别是微机械谐振式传感器的类型、工作原理、性能和发展方向。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度传感器就是使用ME MS技术制造的加速度传感器。由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大大缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。
MEMS加速度计的应用领域
通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。
MEMS加速度计可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的工程师能够使用MEMS加速度计来回答所有上述问题。
目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了MEMS加速度计，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大程度地保护里面的数据。目前在一些先进的移动硬盘上也使用了这项技术。
另外一个用处就是在目前的数码相机和摄像机里，用MEMS加速度计来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。
MEMS加速度计还可以用来分析发动机的振动。汽车防撞气囊的启动也可以由MEMS加速度计控制。
由此可见MEMS加速度计可以在我们的生活中发挥重要作用。归纳其应用主要有以下几个方面：振动检测、姿态控制、安防报警、消费应用、动作识别、状态记录等。
MEMS加速度传感器的工作原理
下面会对几种MEMS加速度传感器的工作原理做一个简单的介绍。
技术成熟的MEMS加速度计分为三种:压电式、容感式、热感式。压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定
方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。
容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。
热感式MEMS加速度计内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。
由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式MEMS 加速度计只能感应到“动态”加速度，而不能感应到“静态”加速度，也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度，又能感应“静态”加速度。
MEMS加速度传感器的现状与发展方向1、前景预测
咨询公司INTECHNOCONSULTING的传感器市场报告显示，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增
长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。
一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。
全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
电容传感器有望有一个强劲的增长，2004年后增长将会更快，估计从1997年到2007年综合年增长率为5.9%,其中最高可达33.2%，其市值2000年为0.75亿美元，到2007年将达到1.1亿美元。来自欧洲和北美洲的汽车业和工业用户是这些产品的主要购买者。2000年的市场上北美占40.4%，欧洲占48.9%。汽车行业使用电容式传感器主要用于安全系统、轮胎磨损监测、惯性刹车灯、前灯水准测量、安全带伸缩、自动门锁和安全气囊。对于设计人员来说，电容式传感器是非常有吸引力的，因为它无需接触待测物，所以不必挤进狭窄的空间中。
2、最新发展
随着智能手机等的普及，要求设备具备更高的功能和可设计性，在这种情况下，对组件的高度集成化和小型化的需求强劲。另外，高性能化导致电池的消耗增加，因此，对于搭载在设备上的各种元器件，要求具备更低的功耗。业界最小尺寸的加速度传感器最高分辨率达到14bit，具有低功耗、耐冲击性高及可编程的待机唤醒功能，能够进行倾斜检测、运动检测等；而另外一款高性能、低功耗、低成本、低噪音的加速度传感器具有高稳定性，最高分辨率达4bit的特点，可高精度倾斜检测、运动检测等，目前此两种设备主要应用于智能手机、平板/笔记本电脑、数码相机、游戏机及其他小型民生设备。
智能手机和游戏机等具有更多感官性运动的设备操作需求高涨，另外，出现了智能电视用的运动遥控等新需求。在这些运动检测中，使用了历来使用的加速度传感器，还增加了陀螺仪，提高了操作感受。小型封装陀螺仪采用FIFO缓冲区，可减少来自微控制器的访问频率，具备旋转运动检测功能。而随着加速度传感器、陀螺仪进一步普及，同时在小型设备中使用案例日益增加。单芯片化以及在1个系统的通信接口一起使用2个传感器的需求不断增加。小型封装的3轴加速
度传感器和3轴陀螺仪的复合传感器的渐渐出现，不但具有以上小型封装陀螺仪的各种特点和功能，同时还拥有业界领先的低耗电量，仅为4mA。他们多应用于智能手机、平板电脑、游戏机、遥控器、PND及其他小型民生设备。
常用传感器的工作原理及应用
3.1.1电阻式传感器的工作原理 应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件：具有弹性应变特性的物体 3.1.3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。 工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。 应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。 1．电阻应变效应 ○
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 2．电阻应变片的结构 基片 b l 电阻丝式敏感栅 金属电阻应变片的结构 4．电阻应变式传感器的应用 （1）应变式力传感器 被测物理量：荷重或力 一
二 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的 测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等 （2）应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式 弹性元件。 （3）应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力。 （4）应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据：a =F/m 。 3.2电容式传感器 3.2.1电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的 平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时， 电容量C 也随之变化。 d S C ε=
各种温度传感器分类及其原理
各种温度传感器分类及其原理 温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。众所周知，日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化，在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1.热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体A和B 组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO,称为自由端(也称参考端或冷端，则回路中就有电流产生，如图2-1(a所示，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。 与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时，此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向， 称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量(取决 于电流相对于温度梯度的方向，称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T，T0 是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同 的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。 温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势， 此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。 无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势：热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时，在断开处a，b 之间便有一电动势差△ V，其极性和大小与回路中的热电势一致，如图 2-1(b所示。并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B 为负极。实验表明，当△ V很小时，△ V与厶T成正比关系。定义△ V对厶T 的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。
机电一体化技术常用传感器及其原理 班级：机械设计制造及其自动化姓名： 学号：
一、传感器的分类 传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。按被测物理量划分的传感器，常见的有：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 按工作原理可划分为： 1．电学式传感器 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。 电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。 2．磁学式传感器 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参
数的测量。
3．光电式传感器 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 4．电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。 5．电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。 6．半导体传感器 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 7．谐振式传感器 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。 8．电化学式传感器 电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。 另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光
Pellistoren Pellistors使用催化燃烧来测量可燃气体或蒸气在空气的含量直到达到该气体的LEL*。 标准传感器包括一对元件，主要指典型地指探测器和平衡器（参照元件）。探测器包括一颗催化材料的小珠子和其中埋置的铂金导线卷。平衡器和探测器很类似，但小珠子不具有催化作用所以是惰性的。 Figure 1 - Pellistors 两个元件通常被管理在Wheatstone桥梁电路中，如果探测器的阻力与平衡器不同，将导致产品只有输出。 500-550°C的恒定直流电压通过搭桥对元件加热，只有在探测器元件上可燃气体才被氧化，增加的热量会加大电阻，产生的信号与可燃气体的浓度成比例。平衡器帮助平衡四周温度、压力和湿度。 大多数pellistors中的元件被分开放置在金属罐中。在一台完整的气体探测器中（被用于可能爆炸的大气），金属罐通常被放在耐火封套中，这种耐火封套通常由金属多孔状淀土和外套组成。这种封套可以保证气体能到达传感器，但热的传感器元件不会点燃该易爆的气体混合物。因为这种设计十分重要，所以这种封套通常经符合国家标准的特许测试机构检验合格。在不同的国家，这种检测很可能费时及相当昂贵的过程。作为另一种选择，我们提供的完整的探测器将两个元件放入了耐火封套，并符合最新的欧洲（ATEX）并且北美（CSA & UL）标准。 对易爆大气的测量依赖于对可燃气体低于LEL浓度的精确测量。所以在该安全应用中，通常不考虑气体浓度。该测量通常被表示为气体LEL浓度的百分比（%LEL）。
多数可燃气体检测技术用于检测多种气体，理想化的传感器应该是不同的气体有不同的测量结果。但实际上不同的化学形态影响了测量的结果，催化氧化传感器也没有例外。因此，pellistor对不同气体的相同浓度做出的判断是不同的，但当暴露在相同%LEL 浓度的不同气体中时，输出信号的变化相对小于其它检测技术。但因为此安全应用重视%LEL测量也使其成为主要优势。 我们将不同气体产生同样%LEL浓度命名为“相对敏感性”。我们进行了许多实验为CiTipeLs确定一定范围内可燃气体“相对敏感性”的实验价值。 催化毒 某些物质对催化传感器负面影响，有两种可能性： 毒 一些化合物会分解在催化剂并在催化剂表面形成坚实的屏障，这种分解是逐渐形成的，而长时期的曝光会导致传感器的敏感性发生无法恢复的减退。典型的毒物是有机铅和硅化合物。 被抑制 某些其他化合物，特别是硫化氢和被卤化的碳氢化合物，会被被吸收、或形成由催化剂吸收的化合物。这种吸收作用很强大，会使得催化剂的反应点被封闭而造成正常反应被迫停止。由于这种原因造成的传感器敏感性损失是暂时的，大多数情况下放在干净的空气中一段时间后，传感器将恢复工作。 大多数化合物属于上述两类中的一个，可能有些表现出更大或更小的程度。在毒化或被抑制可能存在的应用中，CiTipeLs产品应该被避免暴露于它们不能抵抗的所有化合物中。 LEL说明 * 气体的LEL是指用火源使空气中的该气体爆炸的最低气体浓度。
市场上常见的压力传感器的种类及原理分析 什么是压力传感器呢?压力传感器是指将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流信号(4~20mADC)，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节的元器件。它主要是由测压元件传感器、测量电路和过程连接件等组成的（进气压力传感器）。 那么压力传感器的种类有哪些呢?就目前市场而言，压力传感器一般有差压传感器、绝压传感器、表压传感器，静态压力传感器和动态压力传感器。对于这几者之间的关系，我们可以这样定义定义：差压是两个实际压力的差，当差压中一个实际压力为大气压时，差压就是表压力。绝压是实际压力，而有意义的是表压力，表压力=绝压-大气压力。静态压力是管道内流体不流动时的压力。动态压力可以简单理解为管道内流体流动后发生的压力。 根据不同的方式压力传感器的种类也不尽相同。小编通过搜集整理资料，将与压力传感器的种类相关的知识做如下介绍，下面我们来看具体分析。 1.扩散硅压力传感器 扩散硅压力传感器工作原理是被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 扩散硅压力传感器原理图 2.压电式压力传感器 (1)压电式压力传感器原理 压电式压力传感器原理基于压电效应。压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。 (2)压电式压力传感器的种类与应用 压电式压力传感器的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。 现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。石英是一种非常好的压电材料，压电效
各种温度传感器分类及其原理 温度传感器是检测温度的器件,其种类最多,应用最广,发展最快。众所周知,日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化, 在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1. 热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体 A 和 B 组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为 T ,称为工作端或热端,另一端温度为 TO ,称为自由端 (也称参考端或冷端,则回路中就有电流产生,如图 2-1(a所示,即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个:其一, 当有电流流过两个不同导体的连接处时, 此处便吸收或放出热量 (取决于电流的方向 , 称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量 (取决于电流相对于温度梯度的方向 ,称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势 EAB(T, T0 是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势, 此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势, 此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关, 而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势, 热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时,在断开处 a , b 之间便有一电动势差△ V ,其极性和大小与回路中的热电势一致,如图 2-1(b所示。并规定在冷端,当电流由 A 流向 B 时, 称 A 为正极, B 为负极。实验表明,当△ V 很小时,△ V 与△ T 成正比关系。定义△ V 对△ T 的微分热电势为热电势率, 又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。 2. 热电偶的种类
《常见传感器的工作原理》教学设计 山东版高中物理选修3-２第六章第二节 福建省建阳一中李瑜 一.教学思路：根据《课程标准》强调对传感器教学应侧重从技术应用的角度展示物理,强调物理学科与技术的结合,着重体现物理学的应用性、实践性。本课的教学思路是通过创设问题情境，引发对传感器工作原理的探究,进入新课教学。整节课以实验贯穿始终,通过对实验的观察、思考和探究,了解什么是光电传感器、温度传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，并抓住这一共性原理特征，使学生学会利用传感器的工作原理设计、制作简单的自控装置。但由于学生思维能力发展上的不成熟性，还不能成为完全独立的探究主体等特点,本节课的实验探究过程是在教师引导和启发下，学生独立思考、主动探索的过程。教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用,进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。本节课计划用2课时完成,该教学设计为第一课时。 二.教学重点：实验探究光敏电阻和热敏电阻的特性，理解传感器是如何将非电学量转变为电学量的 三．教学难点：本节的教学难点是设计简易温度报警器。虽然原理比较简单,但要学生独立设计出来却不容易。本教学难点的突破应在学生对光电报警电路原理的充分理解和熟知热敏电阻的阻值特性的基础上，通过提升传感器控制电路的共性特征，使设计简易温度报警器的难度降低，水到渠成。 四．教学目标：通过对光敏电阻阻值特性、热敏电阻阻值特性的实验探究，让学生在了解传感器是如何将非电学量转变为电学量的基础上，学会利用传感器设计简单的自控装置。在此过程中让学生经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。通过动手实验，激发学生的学习兴趣，拓
第3章常用传感器的工作原理及应用 3．1电阻式传感器 填空： 1、常用的电阻应变片分为两大类：和。 2、金属电阻的是金属电阻应变片工作的物理基础。 3、金属电阻应变片有、及等结构形式。 4、电位器式传感器都是由、和三部分构成。 5、半导体应变片是利用半导体材料制成的一种纯电阻性元件。 6、半导体应变片与金属电阻应变片相比较: 其灵敏度更高，温度稳定性差。 7、弹性元件在传感器中起什么作用？ 8、试列举金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。 9、绘图说明如何利用电阻应变片测量未知的力。 10、电阻应变片阻值为120Ω，灵敏系数K＝2，沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面，钢材的112 μ=。求钢柱受10t拉力作用时，应 E N m 210 =?，0.3 变片的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴、受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？ 11、采用阻值为120Ω、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的 固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1με和1000με时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 3.2电容式传感器 1、电容式传感器采用作为传感元件，将不同的变化转换为的 变化。 2、根据工作原理的不同，电容式传感器可分为、和三种。 3、电容式传感器常用的转换电路有：、、运算放大器
电路、 和 等 。 4、电容式传感器有什么特点？试举出你所知道的电容传感器的实例。 5、试分析电容式物位传感器的灵敏度？为了提高传感器的灵敏度可采取什么措 施并应注意什么问题？ 6、为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？采取什么措施可改善其非线 性特征？ 7、变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。传感器的起始 电容量pF C x 200=，定动极板距离mm d 5.10=，pF C 100=，运算放大器为 理想放大器（即∞→∞→i Z K ，），f R 极大，输入电压t u i ωsin 5=V 。求当 电容传感器动极板上输入一位移量mm x 15.0=?使0d 减小时，电路输出电压 0u 为多少？ 8、 如图所示正方形平板电容器，极板长度cm a 4=，极板间距离mm 2.0=δ。 若用此变面积型传感器测量位移x ，试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。极板间介质为空气，m F /1085.8120-?=ε。 9、一电容式传感器的两个极板均为边长为10cm 的正方形，间距为1mm ，两极板 间气隙恰好放置一边长为10cm ，厚度为1mm ，相对介电常数为4的正方形介质。该介质可在气隙中自由滑动。若用该电容式传感器测量位移， 试计算当
常用压力传感器原理及结构介绍 常用压力传感器简介 振膜式谐振压力传感器 振膜式压力传感器结构如图(a)所示。振膜为一个平膜片，且与环形壳体做成整体结构，它和基座构成密封的压力测量室，被测压力 p经过导压管进入压力测量室内。参考压力室可以通大气用于测量表压，也可以抽成真空测量绝压。装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片提供激振力，当激振频率与膜片固有频率一致时，膜片产生谐振。没有压力时，膜片是平的，其谐振频率为 f0；当有压力作用时，膜片受力变形，其张紧力增加，则相应的谐振频率也随之增加，频率随压力变化且为单值函数关系。 在膜片上粘贴有应变片，它可以输出一个与谐振频率相同的信号。此信号经放大器放大后，再反馈给激振线圈以维持膜片的连续振动，构成一个闭环正反馈自激振荡系统。如图(b)所示 压电式压力传感器 某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。 压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系： Q=kSp 式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。 图1为一种压电式压力传感器的结构示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。 除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电 元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。