傳感器總結(jié)報(bào)告

1、傳感器總結(jié)報(bào)告機(jī)械 0806 0401080623摘要:傳感器是被測(cè)量進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)一一把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成容易檢測(cè)、傳輸 和處理的電信號(hào).其性能直接影響整個(gè)測(cè)試裝置和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性.其地位在 電子技術(shù)和測(cè)試技術(shù)中舉足輕重.關(guān)鍵詞:傳感器、特性、應(yīng)用A summing-up on sensorsAbstract: sensors are the first link that measuredsignals enter into measure systemmeasured signals be converted into electro-signals that is eas

2、ily tested,transfered and dealt with. Its function directly influences the accuracy,credibility of the whole test device and test result. Its position is prominent in the electronics technique and the test technique.Keywords： sensors characteristics application傳感器種類繁多、形式多樣：有的是很小的敏感元件,例如應(yīng)變片、霍爾元件等；有 的

3、是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),如智能型傳感器.傳感器分類依據(jù)不同,分得的結(jié)果也各種各樣. 此報(bào)告主要按物理現(xiàn)象分類方式分別介紹常用的結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器的工作原理、性能特點(diǎn)、轉(zhuǎn)換電路和應(yīng)用.結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠其結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換.常見的結(jié)構(gòu)型傳感器有：電阻 式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器.一、電阻式傳感器電阻式傳感器是一種把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器.按其工作原理可分為變阻器式和電阻應(yīng)變式傳感器兩類.1、變阻器式傳感器變阻器式傳感器也稱為電位器式傳感器,是三端電阻器件,根本敏感量是位移.作 用于動(dòng)觸頭的位移被轉(zhuǎn)換成電阻的變化.轉(zhuǎn)換原理：lR= PA式中

4、P為電阻率,l為電阻絲長(zhǎng)度,A為電阻絲截面積.當(dāng)電阻絲的材料和直徑一定時(shí) 電阻R和電阻絲長(zhǎng)度成線性關(guān)系,即R=Kl.這樣可以通過(guò)電阻的變化推倒出相應(yīng)的長(zhǎng)度變 化,進(jìn)而可知被測(cè)量的變化.常用的變阻器式傳感器可以測(cè)量直線位移、角位移和一些非線性量.其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量范圍大.變阻器式傳感器有兩種形式：(1)電阻絲式變阻器其電阻值是不連續(xù)的,一般分辨率不小于 20毫米.另外,由于磨損、塵埃等原因?qū)⑹菇佑|電阻發(fā)生不規(guī)那么變化,產(chǎn)生噪聲.動(dòng)態(tài)特性較差,只能測(cè) 量變化較慢的信號(hào).(2)導(dǎo)電橡膠變阻器具優(yōu)點(diǎn)是阻值連續(xù)、精度可達(dá)0.1%、動(dòng)態(tài)特性較好,允許測(cè)量信號(hào)變化較快的信號(hào)、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性

5、好、壽命長(zhǎng).應(yīng)用：適用于自動(dòng)化設(shè)備中的位置、位移的檢測(cè).如下列圖是一個(gè)電阻式位移傳感器：2、電阻應(yīng)變式傳感器(半導(dǎo)體應(yīng)變片見物性型傳感器)金屬電阻應(yīng)變片的工作原理其工作原理基于金屬的電阻一應(yīng)變效應(yīng)：金屬絲的電阻值隨著它所受的機(jī)械變形而發(fā)生相應(yīng)的變化.式中：以為電阻絲材料的泊桑比：入為壓阻系數(shù),與材料有關(guān)；E為電阻絲材料的彈性模量； 8為應(yīng)變.金屬電阻材料的 正很小,因此E e項(xiàng)的變化所引起的電阻變化可以忽略因此可以簡(jiǎn)化上式說(shuō)明電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比,比例系數(shù)靈敏度：S=1+2 k常數(shù)用于制作應(yīng)變片的材料的靈敏度 K0在1.7到3.6之間.金屬應(yīng)變片的靈敏度 S= K0O電阻應(yīng)變片的應(yīng)用和特

6、點(diǎn)電阻應(yīng)變片應(yīng)用范圍廣泛,分為直接應(yīng)用和傳感器應(yīng)用.直接應(yīng)用是將應(yīng)變片直接粘于被測(cè)量件上,可以測(cè)量力、壓力、扭矩、位移、加速度 等參數(shù),測(cè)量范圍從10-3到108,精度到達(dá)0.05%,且具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性.彈性元件是應(yīng)變式傳感器的感受元件,根據(jù)測(cè)力的大小、性質(zhì)及傳感器準(zhǔn)確度等不同 要求,彈性元件采用不同的結(jié)構(gòu)形式：柱式彈性元件結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、承載水平大,主要 用于中等載荷的拉壓力測(cè)量中；環(huán)式彈性元件穩(wěn)定性好、固有頻率高,主要用于中小載荷 的測(cè)力中,可測(cè)幾十到幾百的拉壓力；梁式彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、貼片方便、靈 敏度較高,主要用于小載荷、高準(zhǔn)確度的拉壓傳感器中,測(cè)量范圍從0.01到幾千牛頓

7、；輪輻式傳感器元件外形低矮,可承受大載荷,固有頻率很高,常用于重型載荷的電子稱中, 其靈敏度不高,但抗偏心載荷和抗側(cè)向載荷水平強(qiáng).二、電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)量物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置,其實(shí)質(zhì)是具有可變參數(shù)的 電容器.電容式傳感器原理由物理定律可知,當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí),平行極板組成的電容器的電容量為：式中：6為極板間距離；A為極板介質(zhì)面積；e為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；£ 0為真 空中介電常數(shù).上式說(shuō)明當(dāng)被測(cè)量使e、A或6發(fā)生變化時(shí),都能引起電容 C的變化.根據(jù)可變參數(shù)不同,電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型.1、極距變化型電容傳感器極距變化型電容式傳感器

8、原理使兩極板相互覆蓋面積與極間介質(zhì)不變 常為空氣,那么電容量C與極距6成非線性關(guān) 系.其靈敏度為極距變化型電容式傳感器特點(diǎn)與應(yīng)用其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可進(jìn)行非接觸測(cè)量；缺點(diǎn)是輸出非線性、電纜電容 影響較大、處理電路比擬復(fù)雜.可以測(cè)量位移、壓力等物理量.2、面積變化型和介質(zhì)變化型電容傳感器面積變化型電容傳感器原理是其極距和極間介質(zhì)固定不變,改變極板相互覆蓋的介電 面積以改變電容量.可測(cè)量角位移、線位移等物理量.其優(yōu)點(diǎn)是輸入輸出成線性關(guān)系；缺 點(diǎn)是靈敏度低.介質(zhì)變化型電容傳感器原理是使其他量不變, 只改變兩極板間介質(zhì),從而改變電容量. 這種傳感器可以測(cè)量介質(zhì)的液位或某些材料的厚度、濕度、溫

9、度等.三、電感式傳感器電感式傳感器以電磁感應(yīng)為根底,把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化.常分為可變電磁阻式、 電渦流式和差動(dòng)變壓式等類型.1、可變磁阻式電感傳感器原理：式中：卬為空氣磁導(dǎo)率；A0為空氣隙導(dǎo)磁截面積；6為空氣隙長(zhǎng)度；W為線圈匝數(shù)；L 為自感.此式說(shuō)明,自感L與氣隙長(zhǎng)度成反比；與氣隙導(dǎo)磁截面積 A0成正比變間隙式：f可知：L與6成反比,當(dāng)A0不變的情況下,變化6, L與6呈非線性關(guān)系L = f ()不是線性關(guān)系.當(dāng)法0時(shí),L -8 如果考慮到磁導(dǎo)體的磁阻,那么；當(dāng)6 = 0時(shí),L手>8 由于傳感器結(jié)構(gòu)上總漏磁現(xiàn)象產(chǎn)生,故始終都會(huì)有L0的輸出.W2 A傳感器靈敏度此時(shí)為S W-JA為防止

10、非線性誤差,要求工作間隙/ 30<0.1特性：該種傳感器只適應(yīng)與一般約為 0.0011mm位移量的測(cè)量.變氣隙面積A型自感式傳感器S與L成線性關(guān)系,兩端彎曲局部是磁漏造成的.特性：這種傳感器,線性較好,測(cè)量范圍較寬.甚至可作為非接觸傳感螺旋管式自感式傳感器該傳感器是一種可變磁阻式自感式傳感器.結(jié)構(gòu)：螺旋線圈、鐵芯、骨架泄漏路徑 對(duì)微小工作原理首先它是一種開磁路的,具工作原理是基于線圈磁通中的磁阻變化.這種傳感器的電感量與鐵芯的位移成一定的關(guān)系,但靈敏度較低,位移的測(cè)量利用價(jià)值不大.特性：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制作、靈敏度低,但可在測(cè)量電路 以解決.2、渦流式電感傳感器其工作原理是基于金屬導(dǎo)體在交流

11、磁場(chǎng)中的渦流效應(yīng).其應(yīng)用是改變參數(shù)中某一因素,到達(dá)一定的變換目的.例如,當(dāng) 6改變時(shí),可用于測(cè)量位移、振動(dòng)；當(dāng) P或4t改變 時(shí),可作為材質(zhì)鑒別和探傷等.特性與應(yīng)用渦流傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便和不受油污等介質(zhì)影響.可用于回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量及 其誤差運(yùn)動(dòng)的測(cè)試、轉(zhuǎn)速測(cè)量、金屬材料的厚度測(cè)量、零件計(jì)數(shù)和探傷等.轉(zhuǎn)換電路有分壓式調(diào)幅和調(diào)頻電路.下列圖為分壓式調(diào)幅電路原理：它是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換.實(shí)際應(yīng)用的傳感器多為螺管形差動(dòng)變壓器,具結(jié)構(gòu)和工作原理如下列圖：當(dāng)初級(jí)線圈W加上交流電壓時(shí),次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e、e2的大小與鐵芯位置有關(guān).當(dāng)鐵 芯在中間位置時(shí)ei=e2,鐵芯向上移動(dòng),ei&

12、gt;e2；向下移動(dòng),那么ei<e2.鐵芯偏離中間位置eo逐漸增大,其輸出特性見上圖co特性與應(yīng)用差動(dòng)變壓器式電感傳感器穩(wěn)定性好、使用方便、線性范圍大,有的可達(dá)300mm、小位移測(cè)量精度高；缺點(diǎn)是側(cè)量個(gè)頻率受機(jī)械局部固有頻率的限制.該種傳感器可適用于力、 壓力、流體參數(shù)等測(cè)量.轉(zhuǎn)換電路:上圖所示電路中相敏檢波器可根據(jù)輸出的調(diào)幅波相位變化判別位移的方向和大小.可 調(diào)電阻R與差動(dòng)直流放大器的作用是消除傳感器零點(diǎn)剩余電壓并放大信號(hào).振蕩器提供初四、磁電式傳感器級(jí)線圈 交流電 源和相 敏檢波 電路的 限制電 壓.原理一個(gè)匝數(shù)為 W的線圈,當(dāng)穿過(guò)當(dāng)穿過(guò)該線圈的磁通 發(fā)生變化時(shí)線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 為

13、：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與其匝數(shù)和磁通變化率有關(guān),改變上述因素之一將使線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)改 變.磁電式傳感器可分為動(dòng)圈式和磁阻式.1、動(dòng)圈式傳感器上圖a為線速度型磁電式傳感器.線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：e WBl sin .對(duì)于一個(gè)特定的傳感器來(lái)說(shuō),W、B和l均為定值,所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e與速度v成正比.上圖b為角速度型傳感器工作原理圖.線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： e=BWAo.在B、W、A為常數(shù)時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與角速度成正比.2、磁阻式傳感器工作原理是傳感器固定不動(dòng),被測(cè)體的運(yùn)動(dòng)使磁路磁阻改變,從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì).其特點(diǎn)是輸出阻抗不高,負(fù)載效應(yīng)對(duì)其輸出的影響可以忽略

14、,且性能穩(wěn)定、工作 可靠、使用方便.可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)體頻數(shù)、轉(zhuǎn)速和振動(dòng)等.物性型傳感器物性型傳感器不改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而是靠其敏感元件物理性能的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn) 換.一、半導(dǎo)體應(yīng)變片原理對(duì)于半導(dǎo)體材料而言,電阻率變化所引起的電阻變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于因幾何尺寸變化引起的 電阻變化.因此：半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度S=入E.該值一般比金屬應(yīng)變片的靈敏度大5A70倍特性與應(yīng)用半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、機(jī)械滯后和橫向效應(yīng)小、測(cè)量范圍大、頻響范圍寬; 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散性較大以及較大應(yīng)變作用下,非線性誤差大等.二、壓電式傳感器原理壓電式傳感器的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng).她是以壓電晶片作為傳感元件

15、將力轉(zhuǎn)換為電荷量的傳感器.具可以看作是一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的平行板電容器,其電 容量可按下式計(jì)算：施加于晶片的外力不變時(shí),且積聚在極板上的電荷假設(shè)無(wú)泄露,那么在外力繼續(xù)作用時(shí), 電荷量保持不變,而在離終止時(shí),電荷隨之消失.實(shí)踐證實(shí)：壓電晶片上所受的作用力與由此產(chǎn)生的電荷量成正比,即： q=dF,式中d為 壓電常數(shù).靜態(tài)測(cè)量時(shí),必須采取舉措,使電荷漏失減小到足夠的程度；動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí),由于電荷 可以不斷補(bǔ)充,對(duì)此要求不高.特性與應(yīng)用它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等.缺點(diǎn)是 某些壓電材料需要防潮舉措,而且輸出的直流響應(yīng)差,需要采用高輸入阻抗電路或電荷放 大器來(lái)克服這一

16、缺陷.配套儀表和低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn),使壓電傳感 器的使用更為方便.它廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域.三、光電式傳感器光電傳感器是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件,它的物理根底是光電效應(yīng).光電式傳感 器是以光電效應(yīng)為根底,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器.光電式傳感器由于反響速度快, 能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量,而且精度高、分辨力高、可靠性好,加之半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、 重量輕、功耗低、便于集成等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于軍事、宇航、通信、檢測(cè)與工業(yè)自動(dòng) 限制等各個(gè)領(lǐng)域中.業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)實(shí)生活中光電傳感器的應(yīng)霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作根底,是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感 器.霍爾傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用.原理如下列圖所示,將霍爾元件至于磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B的磁場(chǎng)中,a、b兩端通以電流i,在c、 d兩端將產(chǎn)生霍爾電勢(shì) VH=KHiBsin,逋中Kh為霍爾系數(shù),a為電流與磁場(chǎng)方向夾角.特性與應(yīng)用霍爾元件可以檢測(cè)電流、磁場(chǎng)以及它們的成績(jī),因此廣泛的應(yīng)用于壓力、振動(dòng)等參數(shù) 的測(cè)量.具有精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)性能好、工作頻帶寬、測(cè)量范圍廣、可靠性高、抗 外磁場(chǎng)干擾水平強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).多應(yīng)用于測(cè)力