LOGO2.5 2.5 几种常见传感器原理几种常见传感器原理LOGO2.5.1 RLC传感器一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器v位移或应变能够引起某些材料的电阻值变化，因 此可用它们构成电阻应变式传感器。v特点：分辨率高(10R，r25R 。 v 实际应用时还在输入回路中加接小的铜电阻，或者在受感 臂中串接热敏电阻等，来实现温度补偿。4.应用实例血管外血压传感器v 由插管技术将血液压力传到圆帽，膜片产生位移，带动 活动元件移动，使R1，R4以及R2, R3发生反方向应变 ，使连接它们的全桥失去平衡，产生输出。5.应用实例脉象传感器v脉搏波经传感顶子作用于等强度悬臂梁的自由端， 使之弯曲变形。贴在梁上下面的应变片接入全桥或 半桥，输出的电压即反应脉动规律。侧视图上视图6.水银橡胶管应变仪传感器v 在一个可伸缩的橡胶管中充满导电液体（如KCl，水银 ），也可以是导电碳粒，可测量心脏，血管，手足，胸 腔尺寸变化。可测的应变较小，保证电阻变化与应变成 线性关系。频率上限为10Hz。二、电容式传感器二、电容式传感器v1.工作原理l 被测量改变传感器的电容量，再转换成电量输出。基本 形式是平板电容器，电容量为C=0rS/x l 常通过极距x来实现测量，也可以改变介电常数r和极板 面积S。l 上式微分得电容传感器的灵敏度K=C/x=- 0rS/x2并得到 dC/C= -dx/xl 说明在任何中心点附近电容量相对变化与位移的相对变 化成正比关系。工作原理S 极板相对覆盖面积；d 极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数，； 电容极板间介质的介电常数。 S变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l) 变极距型电容传感器非线性关系 若d/d1时，就会发生空间电子数成倍增长现象 ，即电子倍增效应。3.光电倍增管v 它是真空器件，能把微弱的光转换成电子流，并使电子 流获得放大。 v 各倍增极之间存在100V的压差，当入射的微弱光线以 一定速度打在阴极K上后，引发光电子的二次发射。 v 发射的电子在100V电压作用下得到加速，以更高的速 度打在D1倍增电极上； v 再次激发出更多的二次电子，再在D2电压作用下得到 进一步加速；。 v 最后到达阳极，并在RL上形成大约1a的电流。 v 其响应时间 Cc+Ca+Ctv 输入阻抗：101012输出阻抗100M，响应才能低于20Hz。v2）血压传感器 使用复合压电材料制作， 包括：负荷压电材料换能 元件、金属和镀金属的塑 料外壳、低噪声引出线、 维持薄膜张力的弹性体等 。 结构简单、体积小、可靠 、耐冲击、灵敏度响应好 、再现性好。v 由于薄膜的韧性好，易于 贴紧皮肤，能稳定检测脉 搏压、脉搏数和波形。右 面是在上腕部检测的动脉 压波形。 v 右下是实际使用的血压传 感器。它被安装在加压装 置上，然后把加压装置放 在上腕的动脉部位，通过 橡胶囊进行空气压力调节 。v3)加速度型心音传感器l 这类传感器的结构形式很多，均根据惯 性原理来测量振动或者加速度，采用压 电元件是常用的一种方法。 l 结构上由（质量块，弹簧，外壳构成的 振动系统）+（压电元件）两部分构成。 为获得合适的阻尼，壳体内充硅油和橡 胶。硬弹簧和质量块一起向压电片施加 静态预压缩载荷，它要远大于测量中可 能承受的最大动应力。 l 当传感器向上运动时，质量块产生的惯 性力使压电元件上的压力增加；反之， 则压力减小。压电元件将惯性质量的位 移或振动加速度转换成电量来实现测量 。测量心音是一种典型的应用。p4）微震颤传感器l 这也是一个加速度传感 器，压电元件作为振动 接受器。 l 可用橡皮胶布把它贴在 手指上（通常为拇指球 部）。当手震颤时，使 质量块-弹性系统发生 振动，压电片受力产生 电荷，形成电信号。v5）空气传导型脉搏波传感器l 脉搏播引起空气振动，通过空气室传播到 受压膜，使受压膜产生位移，作用到压电 元件上，产生反映压力大小的电量，输出 。LOGO2.5.4 压阻传感器p 半导体晶体材料（例如半导体硅）在外力作用下电阻 率发生改变的现象称为压阻效应。据此原理制作的半 导体压阻传感器,通常也称为半导体应变式传感器。p 压阻传感器主要包括两类： 1)体型压力传感器（半导体应变式） 2)固态压阻式压力传感器（扩散型），它正与集成电 路技术结合发展成为智能传感器，除了把电阻条、信 号调理电路、补偿电路集成到硅片上，还把计算处理 电路也集成到了一起。p 特点：灵敏度高、响应快、精度高、工作温度范围宽 、稳定、容易小型化、智能化，使用方便，便于批量 生产等，因此应用广泛，发展迅速。p各向同性材料的微观形式欧姆定律：E=JE-电场强度， J-电流密度，-电阻率 p对于各向异性的晶体，此关系要用张量表示：Ei =i j Jj (i, j = 1,2,3)脚标1,2,3表示x,y,z三个正交晶轴方向 i电场强度方向，j电流密度方向 ij 表示i方向电场强度和j方向电流密度之间关系的 电阻率1 压阻效应p 当应力作用于传感器时，其电阻率就发生改变，即产生 压阻效应。可同时受到三个正应力和三个切应力。 p 一般，如果晶体同时受到应力和电流的作用，从叠加原 理可得：Ei = (ij + ijmm) Jj-ijm 压阻系数 - m 应力分量- 正向电阻率， =11=22=33- i=1,2,3电流强度方向- j=1,2,3电流密度方向- m=1,2,3,6应力的方向p对称性的各向异性材料可以简化应力关系，具 体使用时的应力条件也可以用来简化方程。 例如，只受剪切应力，有1= 2=3=0 例如，一块矩形板受液体压力p的作用，则1= 2=3= - p，且4= 5=6= 0p为简化符号,可对i，j进行如下合并：11 1 22 2 33 323 4 13 5 12 6 （32 4 31 5 21 6）于是ijm 就成为nm, n,m=1,2,3,6p 单晶硅只有3个独立的压阻系数，因此其压阻系数矩阵 就为：11 12 12 0 0 012 11 12 0 0 012 12 11 0 0 00 0 0 44 0 00 0 0 0 44 00 0 0 0 0 4411 纵向压阻系数12 横向压阻系数44 切向压阻系数 p 指定晶面内的压阻系数随晶体的取向而变，因此在制 作传感器，选取电阻条的方向时，应充分利用这个性 质，以获得最佳的元件特性。压阻效应的计算公式设长度为L、横截面为A的导体或半导体材料，其 电阻为：R = L/A对此式微分得：dR/R = d/ +(1+2)dL/L= (E + 1 + 2)dL/L - 泊松比 E - 弹性模量，单位为Pa - 压阻系数v半导体的E乘积可高达50-100，而（1+2） 2，所以可以认为R/R = / = E L/L 即 E = / / L/L = m1 m1称为弹性压阻系数例如，在111方向作长轴切割的P型半导体硅 片，其m1 在100-175 影响压阻系数的因素一、与扩散杂质的表面浓度有关两者基本成反比关系，即浓度增加，压阻系数将减小 。 二、温度升高，压阻系数下降 浓度较低时，温度升高引起压阻系数下降快 浓度较高时，温度升高引起压阻系数下降得慢 杂质浓度很大时，温度对压阻系数几乎没影响提高杂质浓度能减少温度变化的影响，但是会使压阻系 数降低，并使得半导体材料的绝缘电阻降低，特性变 差。 p所以，要综合考虑压电系数（灵敏度），温度 漂移，绝缘电阻等三个方面，合理确定扩散杂 质表面浓度。2 半导体压阻器件l 如前所述，半导体有应变系数高的显著优点，其缺点是 温度敏感性较大和非线性。尽管这样，它们仍然成为传 感器领域中的重要成员，促进了传感技术的发展。 l 形式上，半导体应变元件有粘贴型，非粘贴型，集成型 等几种。 l 集成型，可在P型基片上扩散进相反的N型材料，或反过 来，N基片扩散进P型材料。它们有相反符号的应变系数 ，再进行掺杂，可以获得大的应变系数。但非线型和温 度漂移也会增大。 l 如果电路设计合理，例如c,d所示用8个扩散压力应变电 阻，对称布置构成的压阻应变传感器，再用惠斯顿电桥 连接，不仅有高灵敏度，还有很好的温度补偿效果。典型的半导体应变传感器p半导体应变仪的非线性较大，例如对于重度掺 杂的传感器，特性为vP型硅（ =210-2cm ）：R/R = 120(L/L)+ 4000(L/L)2vN型硅（=3.110-4cm）：R/R = -110(L/L)+ 10000(L/L)2pN型非线性大，但有负的应变灵敏度，因此本 身就有温度补偿特性，再加上惠斯顿电桥可以 有效消除平方项的非线性。3 测量电路p压阻式传感器最常用的测量电路是惠斯顿电桥。 l 如图将四个用扩散法通过在硅片上制作的压阻元 件构成桥臂电阻，一个对边上是两个增加电阻， 另一个对边上是两个减少的电阻。 l 供电：可用恒压源，或恒流源给电桥供电。 l 但是，恒压源供电时，输出电压除了与被测量与 供电电压成正比，还会与温度有关，不能消除温 度的影响。而恒流源供电时没有这个问题。所以 常采用恒流源为惠斯顿电桥供电。 l 图中，T1，T2构成的复合管与D1，D2和R1，R2 ，R3构成恒流源供电电路。l源极跟随器：由结型场效应管T5，T6与R4， R5构成高输入阻抗的源极跟随器，将测量电桥 与放大器A隔离，避免传感器的输出阻抗变化 对放大器的闭环增益产生影响。l放大器：可以用高输入阻抗，高共模抑制比， 高增益的运算放大器构成，最好选用合适的仪 器放大器。 p为获得正确的测量结果，常需要在压阻传感器 （以及其他一些半导体材料制作的传感器）测 量电路中增加温度补偿电路和非线性补偿电路 。LOGO2.5.5 热电传感器一、 金属热电偶传感器1.温差电现象v两种不同的金属组成回路时，若两个接触点的温 度不同，回路中就存在恒定的电势，会有电流流 过，称为温差电现象，或者塞贝克效应。 v若把这个回路作为电源，就形成温差电偶或温差 电池。 v可以用此效应制成热敏传感器。具有测量范围宽 ，稳定，准确可靠等优点。温差电现象v 温差电偶中的电势可表示为：v 常用材料的很小，因此在温度不 大时，电压V与温差成线性关系。v 热电灵敏度：2.热电偶的基本定则v1）均质回路定则n 由相同成分的材料组成回路，若 只受温度作用，则不论其导体的 直径和长度如何，均不产生热电 势。 n 即只要接触点温度T1和T2不变 ，即使存在温度T3，回路中的净 电势也不会改变。 n 或者说：沿一均匀导线的温度梯 度不影响热电势。2）中间金属定则n 在回路中接入第三种金属材料，只 要它两端的温度相同，则热电势保 持不变，即不受第三种材料接入的 影响。 n 因此有多根引线时，只要这些接点 处于同一温度下，便不会影响测量 精度。 n 若在A，B间引入第三种金属C，而 AC和BC处于同一温度，则净电势 也不变。3）中间温度定则n 设两种金属A，B构成热电偶若两端处在T1和T2时产生电势V1若两端处在T2和T3时产生电势V2则当两端的温度为T1和T3时，产生 电动势为V1V2n 由此，可用一个已知的参考接触点温 度所得到的校准曲线，去确定另一个 参考接触点温度的校准温度曲线。4）组成定则n 三组不同金属A,B,C组成三对热 电偶若A和C产生电势V1，B和C 产生电势V2则由A和B组成的热电偶产生 的电势为V1V