第三章传感器技术 第一节 温度传感器 第二节 应变传感器 第三节 电感传感器 第四节 电容传感器 第五节 压电传感器
1 第一节 温度传感器 第二节 应变传感器 第三节 电感传感器 第四节 电容传感器 第五节 压电传感器 第三章 传感器技术
第一节 温度传感器 温度传感器的特点与分类 (一)温度传感器的物理原理 1、随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化 2、 蒸气压的温度变化： 3、 电极的温度变化 4、 热电偶产生的电动势； 5、光电效应 6、 热电效应 7、介电常数、导磁率的温度变化； 8、 物质的变色、融解； 9、 强性振动温度变化： 10、热放射： 11、热噪声
2 温度传感器的特点与分类 （一） 温度传感器的物理原理 1、 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化 ； 2、 蒸气压的温度变化； 3、 电极的温度变化 4、 热电偶产生的电动势； 5、 光电效应 6、 热电效应 7、 介电常数、导磁率的温度变化； 8、 物质的变色、融解； 9、 强性振动温度变化； 10、热放射； 11、热噪声。 第一节 温度传感器
(三)温度传感器应满足的条件 1、特性与温度之间的关系要适中，并容易检 测和处理，且随温度呈线性变化： 2、除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度 要低； 3、特性随时间变化要小； 4、重复性好，没有滞后和老化： 5、灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对 象的影响要小： 6、机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好： 7、能大批量生产，价格便宜； 8、无危险性，无公害等
3 （二） 温度传感器应满足的条件 1、特性与温度之间的关系要适中，并容易检 测和处理，且随温度呈线性变化； 2、除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度 要低； 3、特性随时间变化要小； 4、重复性好，没有滞后和老化； 5、灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对 象的影响要小； 6、机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好； 7、能大批量生产，价格便宜； 8、无危险性，无公害等
此外，还有微波测温温度传感器、噪壳 测温温度传感器、温度图测温温度传感器、 热流计、射流测温计、核磁共振测温计、 穆斯保尔效测温计、约瑟夫逊效应测温 计、低温超导转换测温计、光纤温度传感 器等。违些温度传感器有的己获得应用， 有的尚在研制中
4 此外，还有微波测温温度传感器、噪売 测温温度传感器、温度图测温温度传感器、 热流计、射流测温计、核磁共振测温计、 穆斯保尔效 测温计、约瑟夫逊效应测温 计、低温超导转换测温计、光纤温度传感 器等。违些温度传感器有的已获得应用， 有的尚在研制中
分类 特征 传感器名称 测温电阻器、晶体管、热电偶 测 线性型 测温范围宽、 半导体集成电路传感器、 温 输出小 可控硅、石英晶体振动器、 压力式温度计、玻璃制温度计 性 指数型 测温范围窄、 热敏电阻 函数 输出大 感温铁氧体、双金属温度计
5 分类 特征 传感器名称 测温范围宽、 输出小 测温电阻器、晶体管、热电偶 半导体集成电路传感器、 可控硅、石英晶体振动器、 压力式温度计、玻璃制温度计、 线性型 测温范围窄、 输出大 指数型 热敏电阻 函数 感温铁氧体、双金属温度计 测 温 特 性
第二节应变传感器 一、金属应变片式传感器引 金属应变片式 传感器的核心元件是金属应变片，它卯将试 件上的应勘变化转换成电阻变化 应用时将应变片用粘滑剂牢固地粘贴在被 测试件表面上。当试件受力变T时，应变片 的敏感栅福随同变形，引起应变片电阻值变 化，通过测量电路将其转换为电压或电流信 号输出
6 第二节 应变传感器 一、 金属应变片式传感器 金属应变片式 传感器的核心元件是金属应变片，它卯将试 件上的应勘变化转换成电阻变化 应用时将应变片用粘滑剂牢固地粘贴在被 测试件表面上。当试件受力变Ţ时，应变片 的敏感栅䙟随同变形，引起应变片电阻值变 化，通过测量电路将其转换为电压或电流信 号输出
应变式传感器已成为目前非电量电测技术中非常重要的 检测部件，广泛地应用于工程测量和科学实验中。它具 有以下几个特点。 ①精度高，测量范围广。对测力传感器而言，量程从零 点几N至几百kN,精度可达0.05%F·SF·S表示满量程)： 对测压传感器，量程从几十Pa至10Pa,精度为0.1%F·S。 应变测量范围一般可由数μ8（微应变）至数千μ8(1u 相当于长度为1m的试件，其变形为1um时的相对变形量， 即1μe=1×106ε)。 ②频率响应特性较好。一般电阻应变式传感器的响应时 间为107s,半导体应变式传感器可达1011s,若能在弹性 元件设计上采取措施，则应变式传感器可测几十甚至上 百kHz的动态过程
7 应变式传感器已成为目前非电量电测技术中非常重要的 检测部件，广泛地应用于工程测量和科学实验中。它具 有以下几个特点。 ①精度高，测量范围广。对测力传感器而言，量程从零 点几N至几百kN，精度可达0.05％F·S(F·S表示满量程)； 对测压传感器，量程从几十Pa至10 11Pa，精度为0.1％F·S。 应变测量范围一般可由数με（微应变）至数千με（1με 相当于长度为1m的试件，其变形为1μm时的相对变形量， 即1με=1×10 -6ε）。 ②频率响应特性较好。一般电阻应变式传感器的响应时 间为10 -7s，半导体应变式传感器可达10 -11s，若能在弹性 元件设计上采取措施，则应变式传感器可测几十甚至上 百kHz的动态过程
③结构简单，尺寸小，重量轻。因此应变片粘贴在被 测试件上对其工作状态和应力分布的影响很小。同时 使用维修方便。 ④可在高（低）温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核 辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作。 ⑤易于实现小型化、固态化。随着大规模集成电路工 艺的发展，日前己有将测量电路甚至A/D转换器与传 感器组成一个整体。传感器输出可直接接入计算机进 行数据处理。 ⑥价格低廉，品种多样，便于选择
8 ③结构简单，尺寸小，重量轻。因此应变片粘贴在被 测试件上对其工作状态和应力分布的影响很小。同时 使用维修方便。 ④可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核 辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作。 ⑤易于实现小型化、固态化。随着大规模集成电路工 艺的发展，目前已有将测量电路甚至A／D转换器与传 感器组成一个整体。传感器输出可直接接入计算机进 行数据处理。 ⑥价格低廉，品种多样，便于选择
但是应变式传感器也存在一定缺点：在大应变 状态中具有较明显的非纟性半导体应变式传感器 的非线性更为严重；应变式桑愁器输出信号微弱， 故它的抗王扰能剽较差，因此信号线需要采厖屏蔽 措施：应变式传感器洋出的只是一点或Z变栅范围 内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化 等。 尽管应变式传感器存在上述缺点吧但可采取一定 补偿措施，因此它仍不失为非电量电测技术中应用 最广和最有效的敏感元件
9 但是应变式传感器也存在一定缺点：在大应变 状态中具有较明显的非纟性شم 半导体应变式传感器 的非线性更为严重；应变式䬠愗器输出信号微弱， 故它的抗干扰能劋较差，因此信号线需要采厖屏蔽 措施；应变式传感器洋出的只是一点或Ẕ变栅范围 内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化 等。 尽管应变式传感器存在上述缺点뼌但可采取一定 补偿措施，因此它仍不失为非电量电测技术中应用 最广和最有效的敏感元件
二金属丝式应变片 1、应变效应 设有一根长度为、截面积为S、电阻率为p的金属丝 ,其电阻R为 (3.2-1) (3.2-1)式两边取对数，得lnR=lnp+lnl-lnS 等式两边取微分，则得 dR dp (3.2-2) dR dp 式中 一电阻的相对变化： dl p 电阻率的相对变化； 1 金属丝长度相对变化， 用表示，8= 称为念属丝 ds 长度方向上的应变或轴向应变； 截面积的相对变化
10 二 金属丝式应变片 1、应变效应 设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝 ，其电阻R为 （3.2-1） （3.2-1）式两边取对数，得 等式两边取微分，则得 （3.2-2） 式中 ——电阻的相对变化； ——电阻率的相对变化； ——金属丝长度相对变化，用ε表示，ε= 称为金属丝 长度方向上的应变或轴向应变； ——截面积的相对变化。 S l R S dS l d dl R dR ln R ln lnl ln S R dR d l dl l dl S dS