傳感器總結(jié)報告

1、傳感器總結(jié)報告機械 0806 0401080623摘要:傳感器是被測量進入測量系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)一一把被測量轉(zhuǎn)換成容易檢測、傳輸和 處理的電信號。其性能直接影響整個測試裝置和測試結(jié)果的準確性、可靠性。其地位在電子技 術(shù)和測試技術(shù)中舉足輕重。關(guān)鍵詞:傳感器、特性、應(yīng)用A sum min g-up on sen sorsAbstract： sen sors are the first li nk that measured sig nals en ter into measure systemmeasured sig nals be conv erted in to electro-sig nals

2、 that is easilytested,tra nsfered and dealt with. Its function directly in flue nces the accuracy, credibility of the whole test device and test result. Its positi on is prominent in the electr onics tech nique and the test tech niq ue.Keywords： sensors、characteristics 、application傳感器種類繁多、形式多樣：有的是很小

3、的敏感元件，例如應(yīng)變片、霍爾元件等；有的是 一個復(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、 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)的變化實現(xiàn)信號轉(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，基本敏感量是位移。作用于動觸頭的位移被轉(zhuǎn)

4、換成電阻的變化。轉(zhuǎn)換原理：R=p A式中p為電阻率，I為電阻絲長度，A為電阻絲截面積。當(dāng)電阻絲的材料和直徑一定時電 阻R和電阻絲長度成線性關(guān)系，即 R=K。這樣可以通過電阻的變化推倒出相應(yīng)的長度變化， 進而可知被測量的變化。常用的變阻器式傳感器可以測量直線位移、角位移和一些非線性量。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量范圍大。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)則變化，產(chǎn)生噪聲。動態(tài)特性較差，只能測量變化較 慢的信號。(2) 導(dǎo)電橡膠變阻器其優(yōu)點是阻值連續(xù)、精度可達0.1%、動態(tài)特性較好，允許測

5、量 信號變化較快的信號、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、壽命長。應(yīng)用：適用于自動化設(shè)備中的位置、位移的檢測。如下圖是一個電阻式位移傳感器:YHD黑滑銭電阻式位移傳感器I-測就軸2-滑線電陰3啟丟4弾養(yǎng)5滑塊 居-申卻L "外殼8-無感電阻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械變形而發(fā)生相應(yīng)的變化。dR (1 2E)式中：卩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; 為應(yīng)變。金屬電阻材料的 疋很小，因此 疋£項的變化所引起的電阻變化可以忽略因此可以簡化為

6、dRR(1 2 )上式說明電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，比例系數(shù)（靈敏度）：S=1+2尸常數(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 K0。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用和特點電阻應(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)變片直接粘于被測量件上，可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度等參 數(shù)，測量范圍從10-3到108，精度達到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)測力的大小、性質(zhì)及傳感器準確度等不同要求, 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、簡單、承載能力大，主要用于中等載 荷的拉壓力測量中；環(huán)式彈性元件穩(wěn)

7、定性好、固有頻率高，主要用于中小載荷的測力中，可測 幾十到幾百的拉壓力；梁式彈性元件結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、貼片方便、靈敏度較高，主要用于 小載荷、高準確度的拉壓傳感器中，測量范圍從0.01到幾千牛頓；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)向載荷能力強。電容式傳感器電容式傳感器是將被測量物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置，其實質(zhì)是具有可變參數(shù)的電容電容式傳感器原理甴物理定律可知，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，平行極板組成的電容器的電容量為：C oA式中：S為極板間距離；A為極板介質(zhì)面積；&為極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；33為真空 中介

8、電常數(shù)。上式表明當(dāng)被測量使 3 A或S發(fā)生變化時，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原理（常為空氣），則電容量C與極距S成非線性關(guān)系。使兩極板相互覆蓋面積與極間介質(zhì)不變其靈敏度為dC d極距變化型電容式傳感器特點與應(yīng)用其優(yōu)點是靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、可進行非接觸測量；缺點是輸出非線性、電纜電容影響 較大、處理電路比較復(fù)雜。可以測量位移、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?？蓽y量角位移、

9、線位移等物理量。其優(yōu)點是輸入輸出成線性關(guān)系；缺點是靈敏 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。 種傳感器可以測量介質(zhì)的液位或某些材料的厚度、濕度、溫度等。二、電感式傳感器電感式傳感器以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化。常分為可變電磁阻式、 渦流式和差動變壓式等類型。1、可變磁阻式電感傳感器原理：LW2 oAo2式中：為空氣磁導(dǎo)率；A為空氣隙導(dǎo)磁截面積；S為空氣隙長度；W為線圈匝數(shù); 自感。此式表明，自感L與氣隙長度成反比；與氣隙導(dǎo)磁截面積 A0成正比 變間隙式：可知：L與S成反比，當(dāng)Ao不變的情況下， L與S呈非線性關(guān)系都會有oL = f ）

10、不是線性關(guān)系。當(dāng)S = 0 時，L如果考慮到磁導(dǎo)體的磁阻，貝當(dāng)S =O由于傳感器結(jié)構(gòu)上總漏磁現(xiàn)象產(chǎn)生, L0的輸出。0時，L故始終傳感器靈敏度此時為SW2 2為避免非線性誤差，要求工作間隙厶s / s o< 0.1特性：該種傳感器只適應(yīng)與一般約為 0.0011mm位移量的測量. 變氣隙面積A型自感式傳感器W2 oAoS與L成線性關(guān)系，兩端彎曲部分是磁漏造成的。特性：這種傳感器，線性較好，測量范圍較寬。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、骨架工作原理首先它是一種開磁路的，其工作原理是基于線圈磁通 的磁阻變化。這種傳感器的電感量

11、與鐵芯的位移成一定的 敏度較低，對微小位移的測量利用價值不大。特性：結(jié)構(gòu)簡單、易制作、靈敏度低，但可在測量電路決。2、渦流式電感傳感器 其工作原理是基于金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦泄漏路徑中關(guān)系，但靈方面加以解流效應(yīng)。其應(yīng)用是改變參數(shù)中某一因素，達到一定的變換目的。例如，當(dāng)S改變時，可用于測量位移、振動；當(dāng)p或卩值改變時，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)軸的振動測量及其誤 差運動的測試、轉(zhuǎn)速測量、金屬材料的厚度測量、零件計數(shù)和探傷等。轉(zhuǎn)換電路有分壓式調(diào)幅和調(diào)頻電路。下圖為分壓式調(diào)幅電路原理：3、 差動變 壓器式 電感傳 感器 原理它 是

12、利用 電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象來進行信號轉(zhuǎn)換。 實際應(yīng)用的傳感器多為螺管形差動變壓器， 其結(jié)構(gòu)和Mt丈工作原理如下圖:當(dāng)初級線圈W加上交流電壓時，次級感應(yīng)電動勢 ei、e2的大小與鐵芯位置有關(guān)。當(dāng)鐵芯 在中間位置時ei=e2,鐵芯向上移動，ei>e2；向下移動,則ei<e2。鐵芯偏離中間位置eo逐漸增大， 其輸出特性見上圖（c）。特性與應(yīng)用差動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300伽、小位移測量精度高；缺點是側(cè)量個頻率受機械部分固有頻率的限制。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

13、向和大小。可調(diào)電阻R與差動直流放大器的作用是消除傳感器零點殘余電壓并放大信號。振蕩器提供初級線圈交流電源和 相敏檢波 電路的控 制電壓。四、磁電式傳感器原理一個匝數(shù)為 W的線圈，當(dāng)穿過當(dāng)穿過該線圈的磁通 發(fā)生變化時線圈內(nèi)的感應(yīng)電動勢為: de Wdt感應(yīng)電動勢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)電動勢改變。 磁電式傳感器可分為動圈式和磁阻式。1、動圈式傳感器上圖a為線速度型磁電式傳感器。線圈在磁場中作直線運動所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢：e WBIsin。對于一個特定的傳感器來說， W、B和I均為定值，所以感應(yīng)電動勢e與速度v 成正比。上圖b為角速度型傳感器工作原理圖。線圈在磁場中轉(zhuǎn)

14、動時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為： e=BWA 3。在E、W、A為常數(shù)時，感應(yīng)電動勢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，被測體的運動使磁路磁阻改變，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動 勢。其特點是輸出阻抗不高，負載效應(yīng)對其輸出的影響可以忽略，且性能穩(wěn)定、工作可靠、使 用方便?？梢詼y量旋轉(zhuǎn)體頻數(shù)、轉(zhuǎn)速和振動等。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現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。、半導(dǎo)體應(yīng)變片原理對于半導(dǎo)體材料而言，電阻率變化所引起的電阻變化遠遠大于因幾何尺寸變化引起的電阻 變化。因此：dR ER半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度S "E。該值一般比金屬應(yīng)變片的靈敏度大

15、50 70倍特性與應(yīng)用半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點：靈敏度高、機械滯后和橫向效應(yīng)小、測量范圍大、頻響范圍寬；缺點：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將力 轉(zhuǎn)換為電荷量的傳感器。其可以看作是一個以壓電材料為介質(zhì)的平行板電容器，其電容量可按下式計算：C 0A施加于晶片的外力不變時，且積聚在極板上的電荷若無泄露，那么在外力繼續(xù)作用時,荷量保持不變，而在離終止時，電荷隨之消失。實踐證明：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)測量時，必須采取

16、措施，使電荷漏失減小到足夠的程度；動態(tài)測量時，由于電荷可以 不斷補充，對此要求不高。特性與應(yīng)用它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些 壓電材料需要防潮措施，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克 服這一缺陷。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，它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電式傳感器是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。光電式傳感器由于反應(yīng)速度快，能實現(xiàn) 非接觸測量，而且精度高、

17、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，因而廣泛應(yīng)用于軍事、宇航、通信、檢測與工業(yè)自動控制等各個領(lǐng) 域中。業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)實生活中光電傳感器的應(yīng)用非常廣泛。照相機自動測光 工業(yè)測光四、霍爾傳感器霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，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)、交通運輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。原理如下圖所示，將霍爾元件至于磁感應(yīng)強度為 B的磁場中，a、b兩端通以電流i，在c、d兩端將產(chǎn)生霍爾電勢 Vh=KBsina式中Kh為霍爾系數(shù)，a為電流與磁場方向夾角特性與應(yīng)用霍爾元件可以檢測電流、磁場以及它們的成績，因此廣泛的應(yīng)用于壓力、振動等參數(shù)的測 量。其有精度高、線性度好、動態(tài)性能好、工作頻帶寬、測量范圍廣、可靠性高、抗外磁場干 擾能力強等優(yōu)點