常用传感器与敏感元件

第三章 常用传感器与敏感元件3-1 在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么？可举例说明。

解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。

3-2 试举出你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。

解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。

3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况来选用？解答：电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主要利用压阻效应。

电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。

半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散度大、非线性大。

选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。

3-4 有一电阻应变片（见图3-84），其灵敏度S g ＝2，R ＝120。

设工作时其应变为1000，问R ＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？解：根据应变效应表达式R /R =S g 得 R =S g R =2100010-6120= 1）I 1=R =120=0.0125A=2）I 2=(R +R )=(120+0.012475A= 3）=(I 2-I 1)/I 1100%=%4）电流变化量太小，很难从电流表中读出。

如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量的电流；如果采用毫安表，无法分辨的电流变化。

一般需要电桥来测量，将无应变时的灵位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。

3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取这些措施会带来什么样后果？解答：以气隙变化式为例进行分析。

20022N A dLS d μδδ==- 又因为线圈阻抗Z =L ，所以灵敏度又可写成20022N A dZ S d μωδδ==-图3-84 题3-4图由上式可见，灵敏度与磁路横截面积A 0、线圈匝数N 、电源角频率、铁芯磁导率0，气隙等有关。

常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍做迎：翼彳传感器由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。

敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

②化学类，基于化学反应的原理。

③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将传感器分46类）。

下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。

一、温度传感器及热敏元件温度传感器主要由热敏元件组成。

热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。

以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。

1、半导体热敏电阻的工作原理按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。

⑴正温度系数热敏电阻的工作原理此种热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结尔成。

纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。

它是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。

当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度升高到居里点温度（即临界温度，此元件的‘温度控制点一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。

因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3〜440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。

第三章常用传感器与敏感元件第一节传感器的分类一、传感器的作用传感器是将被测物理量按一事实上规律转换为与其对应的另一种物理量输出的装置常用的是将非电量转换成电量传感器又称变换器二、传感器的分类1.按被测物理量分类位移传感器速度传感器加速度传感器温度传感器2.按变换原理分类结构型（参量型）物性型（发电型）（1）结构型（参量型）传感器特点：传感器感受外界被测量后，直接输出的不是U或I,而且结构参量，如（RLC）由于上述原因必须将输出量接入电桥，谐振电路或振荡器中，以转换成电压，电流后，再接测量电路从能量观点上讲，本身不产生能量，需外加激励电源又称为无源传感器。

（2）物性型（电发型）传感器当接到外界被测量后，本身物理，化学性能变化，直接输出UI,它相当于一个电压或电流源，不需外力激励，称为有源性感器。

第二节机械式传感器及仪器机械式传感器常常以弹性体作为传感器敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出为弹性元件的弹性变形或应变。

图3-3、3H为典型应用实例。

特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点，缺点弹性变形不易过大在，只适用于缓变或静态被测量。

一、电阻式传感器 1.变阻器式传感器结构组成：骨架，电阻元件 电刷町直线也町旋转运动 根据欧姆定律R = P*A如图3-5 C 、A 点电阻 R=R L X第三节电阻、电容、与电感式传感器• • • V . ••• ••-.v sf.4.••.?.K I ;': ••• •••■"■（线圈等）电刷R L ——单位长度的电阻cdR7如果输入量与位物X 间的函数关系为f （x 尸Rx ）要使输入输出成线性关系可用三角形骨 架，f （x ）=Rx3可用抛物线型骨架为减小后接电路影响R L “R P特点：优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。

缺点：受阻经直径影响，分辩率不高，低于20mm,运用于定物检测精度不高的场合, 噪声大 2.电阻应变式传感器可检测参数：应变，力，位物加速度，扭矩等。

传感器的敏感材料与敏感元件概述传感器是计量和控制系统中的重要组成部分。

它通过感知物理或化学量的变化并将其转化为电信号，从而实现对环境、材料或物体的检测和测量。

在传感器中，敏感材料和敏感元件起着关键作用。

敏感材料是指能够对外界环境变化产生敏感响应的材料，而敏感元件则是将敏感材料的响应转化为电信号的组件。

传感器常用的敏感材料1. 氧化物敏感材料氧化物敏感材料是传感器中常用的一类材料。

它们具有很高的化学稳定性和电学性能，并且对特定气体有很高的敏感性。

例如，二氧化锡（SnO2）被广泛应用于气体传感器中，可以检测到一氧化碳、二氧化硫等有害气体。

此外，氧化锌（ZnO）也常用于氨气传感器的制备。

2. 金属敏感材料金属敏感材料主要通过其电导率的变化来实现对环境参数的敏感检测。

常用的金属敏感材料包括铂、钼等。

例如，铂电阻温度传感器可以精确测量温度，广泛应用于温度控制系统中。

3. 半导体敏感材料半导体敏感材料是传感器中最常用的一类材料。

它们的电学特性可以被外界环境的变化所改变，从而实现对物理量或化学量的检测。

例如，硅、锗等材料常用于温度传感器的制备，而氮化镓（GaN）材料则用于制备氮化物传感器，可以检测温度、压力、光强等参数。

传感器常用的敏感元件1. 电容式敏感元件电容式敏感元件是一种常见的传感器元件。

它由一个固定电容和一个可变电容组成，通过测量电容的变化来检测物理量的变化。

例如，电容式湿度传感器通过测量湿度对电容的影响来判断环境中的湿度水平。

2. 电阻式敏感元件电阻式敏感元件主要是通过测量电阻值的变化来检测物理量的变化。

例如，热敏电阻温度传感器通过测量电阻值随温度的变化来实现温度的测量。

3. 压阻式敏感元件压阻式敏感元件是一种可以通过物体的压力或力的变化来改变电阻值的元件。

例如，应变片传感器通过测量应变片电阻值的变化来检测物体的应力或压力。

4. 光敏敏感元件光敏敏感元件是一种能够对光强变化产生敏感响应的元件。

例如，光敏电阻通过光照强度对电阻值的影响来测量光照强度。