毕业设计（论文）-传感器的应用与分析.doc

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1、 毕业设计 题 目 传感器的应用与分析 系 部 工 程 与 机 电 系 班 级 专 业 机械制造与自动化 姓 名 指导教师 年 3 月 15 日 23前 言 本论文主要介绍了各类传感器的工作机理、基本结构、相应的测量电路和大量的应用实例。本论文有三个特点：其一是重于实践。本书专门编写了实践指导，并融入传感器产品的命名方法、选型原则等实用知识。其二是对于每种传感器均引入丰富而有代表性的应用实例，井与实际生活及工程实际相联系。其三是注重对学生自学能力的培养。 本论文共分六章。第一章介绍了传感器的分类、特性、命名方法及传感器的材料，力求使读者对传感技术有一整体的认识。第二章至第六章分别介绍了电阻应变

2、式、电容式、热电式、霍尔式、光电式传感器的机理、结构、测量电路及应用。本论文可作为自动化类、电气工程类、机电技术类、电子技术类、仪器仪表类、计算机应用类等专业本、专科教学用书，泡可作为有关工程技术人员的技术参考书。 作者在编写本论文的过程中，参阅了相关教材和专著，在此向各位原编著者致谢。 由于编者水平有限，书中难免存在一些缺点和错误，殷切希望广大读者批评指正。目录0 绪论(2)0.1 传感器的地位和作用(3)0.2 传感技术的特点(4)0.3 本论文的任务(5)1 传感技术概念.(5)1.1 传感器的定义、组成与分类(6)1.2 传感器的数字模型概念.(8)1.3 传感器的基本特性.(11)（

3、1）、传感器的静态特性.(11)（2）、传感器的动态特性.(11)（3）、传感器的线性度.(11)（4）、传感器的灵敏度.(12)（5）、传感器的分辨力.(12)2 应变式电阻传感器.(12)3 热电式传感器.(15)4 电容式传感器.(17)5 霍尔传感器.(18)6 光电式传感器.(19) 参考文献.(22)0 绪论传感技术是以传感器敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理“效应”、化学“反应”以及生物“机理”作为理论基础，以研究传感器的材料、设计、制作、应用为主要内容，综合了物理学、微电子学、光学、化学、仿生学、材料学等方面的知识和技术而形成的一门综合性学科，是现代信息产业(传感技术、通信

4、技术和计算机技术)的三大支柱之一。 何谓传感器?传感器是一种能把特定的按测量信息(包括物理量、化学旦、生物学量等)按照一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。当今的“可用信号”是指便于处理和传畅的电信号等，因此可把传感器狭义地定义为：能把外界非电信息按一定规律转换成与之有确定对应关系的电信息的输出器件或装置。01传感器的地位和作用 在基础科学和尖端技术的研究中，必须借助于配备有相应传感器的高精度测控仪器或大型切控系统才能奏效。大到上千光年的茫茫宇宙，小到10“：cm的粒子世界；长到数十亿年的天体演化，短到10”s的瞬间反应；高到5xlr。5xl08霓的超高温或3x10。Pa的超高压，低到o

5、01K的超低温或10“Pa的超真空；强到25T以上的超强磁场，弱到10“T的超届磁场要测量或控制如此极端巨微的信息，人的感官或一般电子设备远已无能为力。而传感器的发展依赖于传感器敏感材料的开发，加工技术的提高，新物理“效应”、新化学“反应”及新生物“机理”的挖掘和应用。美国把传感技术列为犯世纪90年代22项关键技术之一，日本也将传感技术列为十大技术之首，因而传感技术已成为一些发达国家研究的重要热门技术之一。 从茫茫太空到浩渴海洋，从各种复杂工程系统到日常生活的衣食住行领域都离不开各种各样的传感器。 在机器人技术领域，作为第三次产业革命的典型代表智能机器人，特大量使用视觉、触觉、听觉、嗅觉以及各

6、种内脏传感器。一些机器人专家认为，“智能机器人系统应该是一个传感器系统的集成而不是机构的集成”。 在航空、航天技术领域，传感器应用非常多，范围非常广，仅阿波罗10号飞船就使用了大量传感器，对3295个测量参数进行监测，可以说整个飞船就是高性能传感器的集合体。 在兵器领域，国外新设计的引信，除具有引爆炸药的功能外，同时采用几个传感器，以分别监测环境和目标信息，从而更好地解决了安全、可靠和通用性问题。战场侦察传感器系统是20世纪60年代在美国、苏联和欧洲等国家和地区发展起来并装备部队的侦察武器。由于现代战争的突发性，侦察兵难以隐蔽和渗透，因此替代侦察兵的战场侦察传感器也应运而生c初期研制了侦察用的

7、磁、声、振动传感器；80年代采用红外ccD器件等新成果，提高了战场传感器的性能。各国研制的重要新型精确打击武器目标敏感弹都是以传感器为技术核心的c 在生产企业中，随着生产过程自动化程度的提高，传感器成为实现测试与控制的关银环节。如果没有传感器对原始信息的准确捕获与转换，那么对信息的准确测试与控制就将无法实现。例如：在木材干燥系统中，窑内木材含水率、平衡含水率、温度等参量的获取均离不开相应的传感器。在中密度纤维板的调施胶控制系统中，进料时要自动对原料称重，分析原料成分或浓度，然后依据即定配方自动计算多种原料的比例加入量，并顺序检测各个原料罐的液位信号控制各原料的投料量。在施胶阶段，主要通过不断检

8、测纤维的输出量来动态地调节施胶量。所有这些环节均需要使用各种传感器对相应的非电量进行检测和控制，使设备或系统自动、正常地运行在最佳状态，保证生产的高效率和高质量。 在交通领域，为了研究飞机的强度，要在机身、机冀上贴上几百片应变片，在试飞时还要利用传感器测量发动机的参数(转速、转矩、振动等)以及机上有关部位各种参数(应力、温度、流量、油箱液位等)。一辆现代化汽车装备的传感器就达30多种，用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等。美国为实现“汽车电子化。，正准备在一辆汽车上安装如多种传感器。 生物传感器的发展将引起临床检测领域的一场革命，使复杂的医学生化检测过程大为简化，进而走出实验室，

9、步人普通病人的家庭，使普通病人也能熟练掌握和操作这些仪器，随时了解自己的病情，为治疗和康复提供有利条件。0.2传感技术的特点 传感技术的特点集中体现在知识密集性、内容离散性、品种庞杂性、功能智能性、测试精确性、工艺复杂性和应用广泛性上o (1)知识密集性。传感技术中几乎牵涉到支撑现代文明的所有科学技术。各类传感器机理各异，与多门学科紧密相关。在理论上，以物理学中的“效应”、“现象”，化学中的“反应”，生物学中的“机理”为基础；在技术上，涉及到电子、机械制造、化学工程、生物工程等学科。因此，传感技术是多学科相互渗透的知识密集型学科。 (2)内容离散性。传感技术所涉及和利用的物理学中的“效应”，化

10、学中的“反应”，生物学中的“机理”，不仅为数甚多，而且彼此独立。因此有关传感技术的教材、参考书的目录虽章节顺序各异，但都有其各自的目的。 (3)品种庞杂性。自然界中各种信息千差万别，对应不同的信息就有不同类别的传感器，如液位传感器、温度传感器、速度传感器等，品种累多。对于自然界中一种信息的检测，就可根据不同原理、不同材料制作许多种类的传感器，例如仅线位移传感器就有18种；由于产品更新换代快，新的传感器不断出现，品种也在不断增加。总之传感器具有品种庞杂的特点。 (4)功能智能性。传感器具有多种作用，既可代替人类五官感觉的功能也能检测人类五宦不能感觉的信息(如超声波、红外线、。射线、p射线、Y射线

11、等)，称得上是人类五官功能的扩展。同时，还能在人类无法忍受的高温、高压等恶劣环境下工作，而且具有记忆、存储、解析、统计处理、自诊断、自校准和自适应等功能，因而称其为“智能性”。 (5)测试精确性。传感器检测各类信息的量程宽间，湿度从而向面RH到100RH o (6)工艺复杂性。传感器制作涉及许多高新技术，如集成技术、薄膜技术、超导技术、键合技术、高密封技术、特种加工技术以及多功能化、智能化技术等，工艺难度大，要求高。例如直径为1M的微型传感器精加工技术、厚度为lPm以下的硅片超薄加工技术、耐压几百兆帕的大压力传感器的密封技术等均极其复杂而又需要高精尖技术。 (7)应用广泛性。从航天、航空、兵器

12、、船舶、交通、冶金、机械、电子、化工、轻工、能源、煤炭、石油、医疗卫生、生物工程、宇宙开发等领域，到农、林、牧、副、渔五业，直到人们日常生活的方方面面，几乎处处都应用到传感技术。03 本论文的任务本课程具有涉及学科范围广、综合性强的特点，通过对本课程的学习(1)对传感技术有一个整体的认识o(2)对各类传感器的机理、优缺点和应用有(3)具有正确选择传感器的能力。(4)对传感器和由传感器组成的检测系统有(5)具备传感器实用电路的自学能力。l 传感技术概论 为了研究自然现象和制造劳动工具，人类仅靠五官获取外界信息己远远不够，故发明了能代替或补充五官功能的传感器。传感器的历史远比近代科学的历史悠久，天

13、平自埃及五朝即开始使用，利用液体形胀特性检测温度姑于16世纪，19世纪奠定电磁学基础的法拉第物理法则仍是当今电磁传感器的工作原理。对自然现象的定量认识，先要通过传感器获取信息，然后通过处理获取的信息，弄清白然现象的本质。以电量为输出的传感器虽然历史不长，但发展迅速，目前只要谈到传感器，指的几乎都是有电输出的传感器。集成电路技术和半导体应用技术的发展使传感器性能大大提高。1.1 传感器的定义、组成与分类1.1.1 传感器的定义 国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是： “ 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 ” 。传感器是一种检测

14、装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器是探索与测量自然界各种参数的检测元件有人曾通俗称其为“探头”(Probe)，英语中过有“Sensor”(敏感元件)与”Transducer”(传感器)之称，我国有“传感器”,“换能器”与 “变换器”之称。国际标准化组织(ISO)和日本工业标准“JISZ130”将传感器定义为“对应于被测量、能给出易于处理的输出信号的变换器”。实际上。能够完成两种量(光、热、电、力学量、机械量等)之间的变换或转换关系

15、，都符合于传感器的定义范围。从目前实际应用情况看，鉴于目前电学及其器件与系统的高度发展往往是传感器配用测量电路以后的输出量都是电学量，所以将电量作为输出量的传感器称为电子传感器。1.1.2 传感器的组成 传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理，按照一定的工艺和结构研制出来的，因此传感器的组成的细节有较大差异。但是，总的来说，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成，如图1l所示。敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与检出被测对象的待测信息(非电量)的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。例如应变式压力传感器由弹性膜片和电

16、阻应变片组成，其中的弹性膜片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变(形变)；弹性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的变化量，电阻应变片就是转换元件。 应该指出的是并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如，压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。 信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。辅助电路通常包括电源，即交、直流供电系统。113传感的分类 传感器的品种极多，原理各异，分类方法也不同归纳起

17、来大致有如下几种(1) 按照传团器的结构分为三种类型，如图t2所示。 图11(。)和图11(b)具有结构简单的优点，图11(c)具有灵敏度高、抗干扰能力强、线性度好等优点。 (2)按照传感器输出量的性质分为模拟传感器和数字传感器。其中数字传感器便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。传感器数字化是今后的发展趋势。 (3)按敏感材料不同分为半导体传感器、陶瓷传感器、器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器类。石英传感器、光导纤维传感，技这种方法可分出很多种 (4)按应用场合不同分为工业用、农用、军用、医用、科研用、环保用和家庭用传感器等。若按具体使用场

18、合，还可分为汽车用、船55用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。此外，根据使用目的的不同，又可分为计调用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。(5)按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。这种分类有助于对传感器的工作原理的阐述。 (6)技被测量分类与流量、液面、热学量应用传感器。可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速化学量、生物量传感器等。这种分类有助于人们选择传感器和应用传感器。12 传感器的数学模型概述 从系统角度来看，一种传感器就是一种系统。根据系统工程学理论，一个系统总可以用一个数学

19、方程式或函数来描述，即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性，从而用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。但是准确地建立一个系统的数学模型是困难的。在工程上，总是采用一些近似方法建立起系统的初步模型，然后，经过反复模拟试验确立系统的最终数学模型，这种方法同样适用于传感器数学模型的建立。下面介绍传感器静态和动态数学模型的一般描述方法。121 静态模型 静态模型是指在静态信号(输入信号不随时间变化的量)情况下，描述传感器输出与输入量问的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：式(12)表示传感器的输出量和输人员呈严格的线性关系，式（

20、1-3）和式（1-4）均为非线性关系。122 动态模型 动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号(输入信号随时间而变化的量)作用下，描述其输出和输人情号之间的一种数学关系的模型。动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。 绝大多数传感器都属模拟(连续变化)系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。在实际的模型建立过程中，一般采用线性不变系统理论描述传感器的动态特性，即用线性常系数微分方程表示传感器输出量y和输入量x的关系。其通式如下： 对于复杂的系统，其微分方程的建立求解是很困难的，但是一旦求出微分方程的解就能分清其暂态响应和稳定响应。为了求解的方便，常采用拉普拉斯变换(简称拉氏变换)

21、将式(15)变为算子s的代数式或采用下面将要介绍的传递函数研究传感器的动态特性。1222 传递函数 对y(t)进行拉氏变换的初始条件是y小于等于零，y(t)=0。这要求传感器被激励之前所有的储能元件(如质量块、弹性元件、电气元件)均应符合上述韧姑条件。从式(17)可知，它与插入量x(t)无关，只与系统结构参数有关。因此，H(S)可以简单而恰当地描述系统输出与输入的关系。 只要知道Y(S)、X(S)、H(S)三者中的任意两者第三者便可方便地求出。可见，无需了解复杂系统的具体内容，只要给系统一个激励信号x(t)，便可得到系统的响应y(t)，系统特性就能被确定。它们可用图l3(a)所示框图表示。 对

22、于多环节串、并联组成的传感器，如果各个环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影响，则传感器的等效传递函数可按下列代数方式求得：13 传感器的基本特性 传感器所测量的非电量一般有两种形式；一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。由于稳入量的状态不同，传感器所呈现出来的治人铂出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态和动态特性，才能使信号(或能量)按规律准确地转换。(1)、传感器的静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这

23、时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。（2）、传感器的动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也

24、常用阶跃响应和频率响应来表示。（3）、传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。（4）、传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化 y 对输入量变化 x 的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度 S 是一个

25、常数。否则，它将随输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化 1mm 时，输出电压变化为 200mV ，则其灵敏度应表示为 200mV/mm 。 当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。（5）、传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化

26、。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。2应变式电阻传感器1应变式电阻传感器的原理应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转换为变形，然后利用导体的应变效应，将力转变成电阻的变化，最终利用测量电路得到被测量(力)的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。（1）电阻应变片的结构及工作原理电阻应变片的结构如图4.25所示。合金电阻丝以曲折形状(栅形)用粘接剂粘贴在绝缘基片上，两端通过引线引出，丝栅上面再粘贴一层绝缘保护膜。把应变片贴于

27、被测变形物体上，敏感栅随被测物体表面的变形而使电阻值改变只要测出电阻的变化就可得知变形量的大小。电阻应变片主要分为金属应变片和半导体应变片常见的金属应变片有丝式，箔式和薄膜式3种，如图4.26所示。半导体应变片是在硅上利用扩散技术形成电阻。图4.25电阻应变片的结构（a）金属丝式应变片 （b）金属箔式应变片 (c)半导体应变片图4.26电阻应变片的种类 1电阻丝 2金属箔 3半导体 4基片由于应变片具有体积小、灵敏度高、使用简便、可进行静态和动态测量，因此广泛用于力、位移、加速度等的测量。随着新工艺、新材料的使用高灵敏度、高精度的电阻应变片不断出现，测量范围不断扩大。（2）应变效应导体或半导体

28、受外力作用变形时，其电阻值也随之变化，这种现象称为“应变效应”。设有一金属导体，长度为，截面积为，电阻率为，则该导体的电阻为：如图4.27所示，当金属导体受到拉力作用时，长度将增加，截面积将缩小，从而导致电阻增加,这样，导体的电阻变为.通过推导，可以得出导体电阻的相对变化量为：，式中，称为纵向应变；K为金属导体的应变灵敏度。图4.27金属丝的应变效应（3）测量电路为了检测应变电阻的微小变化，需通过测量电路把电阻的变化转换为电压或电流后由仪表读出。在应变式电阻传感器中最常用的转换电路是桥式电路。按输入电源性质的不同。桥式电路可分为交流电桥和直流电桥两类。在大多数情况下，采用的直流电桥电路。（4）

29、扩散硅压力传感器及其应用半导体受力时，其电阻率会随应力的变化而变化这种现象被称作压阻效应。压阻式传感器就是利用半导体的压阻效应和集成电路工艺制成的传感器。 由于它的核心部分是一块方形的单品硅膜片，并在硅膜片上扩散出4个阻值相等的电阻组成惠斯登电桥，因此这种传感器也被称为为扩散硅型传感器。根据结构不同，扩散硅型传感器可用来测量压力、力、压力差、加速度等，其中应用最广的是扩散硅压力传感器如图4.28(a)所示：其由外壳、硅环6和引出线1等组成。在硅膜片上扩散出4个电阻作为应变片4个电阻之间用面积相对较大、阻值相对较小的扩散电阻引线3连接，构成全桥，硅片的表面用二氧化硅簿膜覆盖保护。硅膜片底部被加工

30、成中间薄(用于产生应变)、周边厚(起支撑作用)，如图4.28(b)所示的环型，所以称为硅环。硅环6在高温下用玻璃粘接剂粘接在热胀冷缩系数相近的玻璃基板8上，然后一同封装在壳体内。(a) (b)图4.28扩散硅压力传感器 1引出线 2电极 3扩散电阻引线 4扩散型应变片 5单晶硅膜片 6硅环 7玻璃粘接剂 8玻璃基板图4.28(a)中的虚线圆内是承受压力的区域。等截面膜片沿直径方向上各点的径向应变是不同的，R1、R3离圆心很近，所以它们感受的应变是正应变(即拉应变)，R2,R4处于膜片的边缘区，它们承受的应变是负应变(即压应变)。当硅环两侧压力差()不为0时，硅膜片产生变形。4个半导体应变在应力

31、的作用下，阻值由于压阻效应而发生变化，电桥失去平衡，其输出电压与膜片两侧的压力差成正比，即有式中，K是传感器的灵敏度系数。 如果图中的进气口与大气相通，则传感器指示的为表压力值；如果进气口处于绝对真空状态，则传感器指示的为绝对压力值。扩散硅型压力传感器与其他型式的压力传感器相比有许多优点：由于4个应变电阻是从同一硅片上直接扩散而成，工艺一致性好，温度引起的电阻值漂移可以相互抵消，硅膜片本身弹性好，所以该传感器温漂、迟滞、蠕变等都很小，动态响应快；而且由于半导体的压阻系数很高，所以传感器的灵敏度较高；随着半导体技术和集成电路制作工艺不断发展和成熟，其硅膜片上集成了信号处理和温度补偿等电路，因此该

32、型传感器的综合性能好。目前，这种体积小、质量轻、集成度高、性能好的压力传感器在工业中得到了广泛的应用。3.热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置，它通过测量传感元件的电磁参数随温度的变化来实现温度的测量。热电式传感器的种类很多。在各种热电式传感器中以将温度转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中：将温度的变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶；将温度的变化转换为电阻的热电式传感器有热电阻及热敏电阻。这3种热电式传感器均已得到广泛应用。本节主要讨论这3种传感器。1.热电偶热电偶是目前工业温度测量领域中应用最广泛的传感器之一，它与其他温度传感器相比具有以下突出的优点：(1)能测量

33、较高的温度，常用的热电偶能长期用来测量3001300的温度，般可达2702800可满足一般工程测温的要求。(2)热电偶把温度转换为电势，测量方便，便于远距离传输，有利于集中检测和控制。(3)结构简单、准确可靠、性能稳定、维护方便。(4)热容量和热惯性都很小，能用于快速测量。热电偶测温的基本原理：如图4.29所示，将两种不同的导体A、B连成闭合回路，且两节点的温度不同，则回路内将有电势产生，这种现象叫做热电效应，回路内的电势称为热电势。产生热电势的主要原因是：两金属A、B内电子密度nA，nB不同，当A、B形成节点时，由于节点两侧存在电子密度差而发生电子扩散，使一侧失去电子而带正电荷，另侧得到电子

34、而带负电荷，最终节点两侧形成稳定的电动势，这个电动势是由于不同金属接触而形成的，所以人们很形象地把它称为接触电势。回路内各节点形成的接触电势共同构成热电偶的热电势。图4.29热电偶原理示意图图4.29中热电偶的热电势近似为：式中，K为波尔兹曼常数；t,t0为热电偶两节点的绝对温度；E为回路中的电动势；nA，nB为两金属A、B的电子密度。 两金属的电子密度近似为常数。所以由上式得出热电偶的热电势与热电偶两节点的温度差成正比。 若令温度t0已知且固定将热电偶的t端置于待测温度的被测别象中，即令t等于待测温度，则通过测量热电偶的热电势可实现待测温度t的测量。这就是热电偶测温的基本原理，其中，组成热电

35、偶的导体A、B称为热电偶的热电极；置于温度为t的被测对象中的节点称为测量端(工作端或热端)；置于参考温度为t0的另一节点称为参考端(自由端或冷端)。1 热电阻利用导体及半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性可实现测温。一般把由金属导体如铂、铜、镍等制成的测温元件称为热电阻；把由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻。热电阻主要是利用金属材料的阻值随温度升高而增大的特性来测量温度的。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，总电阻值增加。 热电阻传感器主要用于中、低温度(200650或850)范围的温度测量。常用的工业标准化

36、热电阻有铂热电阻、铜热电阻和镍热电阻。(1)铂热电阻铂热电阻主要用于高精度的温度测量和标准测温装置，性能非常稳定，测量精度高，其测温范围为200850 ，分度号为铂50(R050.00)和铂100（R0100.00)，铂的纯度通常用W(100)R100/R0来表示，其中R100代表在水沸点(100)时的电阻值，R0代表在水冰点(0)时的电阻值。当铂的纯度为99.9995%时、W(100)1.3930，工业上常用的铂电阻其w(100)1.3801.387，标准值为1.385。铂是稀有金属，价格较贵。(2)铜热电阻 如果测量精度不是很高，测量温度小于+150时，可选用铜热电阻。铜热电阻的测量范围是

37、-50+150，价格便宜易于提纯，复制较好。在测温范围内，线性较好，电阻温度系数比铂高，但电阻率较铂小，在温度稍高时易于氧化，只能用于+150以下的温度测量，测温范围较窄，体积较大，所以适用于对测量精度和敏感元件尺寸要求不是很高的场合。铂和铜热电阻目前都己标准化和系列化，选用较方便。(3)镍热电阻镍热电阻的测温范围为100300，它的电阻温度系数较高，电阻率较大，但它易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差非线性较大因此目前应用不多。3.热敏电阻热敏电阻利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性实现温度测量的。与其他温度传感器相比，热敏电阻温度系数大，灵敏度高响应迅速，测量线路简单，有些型号

38、不用放大器就能输出几伏的电压；并且体积小，寿命长价格使宜；由于本身阻值较大，因此可以不必考虑导线带来的误差，适于远距离的测量和控制；在需要耐湿、耐酸、耐碱、耐热冲击、耐振动的场合可靠性较高。它的缺点是非线性较严重在电路上需进行线性补偿互换性较差。热敏电阻用于继电保护应用举例：将负的突变型热敏电阻埋设在被测物中，并与继电器串联，给电路加上恒定的电压。当周围的温度上升到一定的数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，因此继电器动作，从而实现温度控制或过热保护。 图4.30热继电器原理图如图4.30为用热敏电阻对电机进行过热保护的热继电器。将3只性能相同的突变型NTC热敏电阻分别紧靠3个

39、绕组用万能胶固定当电机正常运行时温度较低，三极管VT截止，继电器J不动作；当电机过负荷、断相或一相接地时，电机温度急剧升高，使热敏电阻阻值急剧减小，到一定值时，继电器J吸合，使电机回路断开，实现保护作用。4电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，通过电容元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率等信号的测量装置。电容式传感器具有零漂小、结构简单、功耗小、动态响应快、灵敏度高等优点。虽然它易受干扰存在着非线性，且受寄生电容的影响，但随着电子技术的发展。这些缺点巳被逐渐克服。因此电容式传感器在对位移、振动、液位、介质等物理量的测量中得到越来越

40、广泛的应用。1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理可以用图4.31所示的平板电容器来说明。平板电容器是由2个金属极板、中间夹1层电介质构成的，当忽略边缘效应时，其电容量为：式中：A为电容极板面积；为极板间的距离；为真空介电常数；为极板间介质相对介电常数；为极板间介质介电常数， 。由上式可以看出，式中的、A、这3个参数中的任何一个发生变化，均可引起电容C的变化。因此电容式传感器的实际应用分为3种类型：变极距型、变遮盖面积型、变介电常数型。图4.31平板电容器2电容式接近开关电容式接近开关是利用变极距型电容式传感器原理设计的。它由高频振荡、检波、放大、整形及输出等部分组成。其中装在传感器

41、主体上的金属板为定板，而被测物体上的相对应位置上的金属板相当于动板。工作时，当被测物体位移后接近传感器主体时(接近的距离范围可通过理论计算或实验取得)，由于两者之间的距离发生了变化，从而引起传感器电容量的改变，使输出发生变化。此外，开关的作用表面可与大地之间构成一个电容器，参与振荡回路的工作。当被测物体接近开关的作用表面时，回路的电容量将发生变化，使得高频振荡器的振荡减弱直至停振。振荡器的振荡及停振这两个信号由电路转换成开关信号送给后续开关电路中，从而完成传感器按预先设置的条件发出信号，控制或检测机电设备，使其正常工作。电容式接近开关主要用于定位及开关报警控制等场合，它具省无抖动、无触点、非接

42、触检测等优点，其抗干扰能力、耐蚀性能比较好。尤其适合自动化生产线和检测线的自动限位、定位等控制系统。5霍尔传感器霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的传感器。它可以测量与磁场及电流有关的物理量。目前，所使用的霍尔传感器基本上都是霍尔集成电路。霍尔传感器广泛加用于位移、磁场、电子记数、转数等参数的测控系统中。1霍尔传感器的工作原理霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件。若在图4.32所示的金属或半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势(称为霍尔电势电压)。这种现象称为霍尔效应。图4.32霍尔效应与霍尔元件霍尔效应

43、的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势可用下式表示：式中，为霍尔元件的灵敏度。由上式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流和磁感应强度，霍尔元件的灵敏度与元件材料的性质、几何尺寸有关。为求得较大的灵敏度，一般采用霍尔常数比较大的N型半导体材料做霍尔元件。霍尔元件材料通常采用N型锗、砷化姻、砷化嫁及磷砷化铟等。砷化铟元件及锗元件的输出不如锑化铟的大，但温度系数小，并且线性度也好。采用砷化镓的元件温度特性好，但价格较贵。2霍尔集成电路将霍尔元件、放大器、温度补偿电路、输出电路及稳压电源等集成在一块芯片上，称为霍尔集成电路，常见的有线性型和开关型两种。(1)线性型霍尔集成传感器在一定的控制电流条件下，线性型霍尔传感器的输出电压与外加磁