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 sum min g-up on sen sorsAbstract： sen sors are the first link that measuredsig nals en ter in to measure systemmeasured sig nals be conv erted into electro-sig nalsth

2、at is easily tested,tra nsfered and dealt with. Its function directly in flue nces the accuracy, credibility of the whole test device and test result. Its position is prominent in the electronics technique and the test tech niq ue.Keywords： sensors、 characteristics 、 application傳感器種類繁多、形式多樣：有的是很小的敏感

3、元件，例如應(yīng)變片、霍爾元 件等；有的是一個(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(jiàn)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，基本敏感量是位移。作用于動(dòng)觸頭的位移被轉(zhuǎn)換成電阻

4、的變化。轉(zhuǎn)換原理：iR= pa式中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)則變化，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)電橡膠變阻器其優(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

5、化較快的信號(hào)、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、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)。如下圖是一個(gè)電阻式位 移傳感器：YHD型滑錢電阻式位移傳感器卜測(cè)益軸卜滑線電陰3觸頭勺-彈簧 A滑塊6導(dǎo)軌了-外殼 吐無(wú)感電阻2、電阻應(yīng)變式傳感器（半導(dǎo)體應(yīng)變片見(jiàn)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。E)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(xiàng)的變化所引起的電阻變化可以忽略因此可以簡(jiǎn)化為dRR(1 2 )上式說(shuō)明電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成

6、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 K）在1.7到3.6之間。金屬應(yīng)變片的靈敏 度 S Ko。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用和特點(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，精度達(dá)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(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、 承載能力大，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

7、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；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(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。電容式傳感器原理甴物理定律可知，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：o A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(duì)介電常 數(shù)；0為真空中介電常數(shù)。上式表明當(dāng)被測(cè)量使 & A或S發(fā)生

8、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原理使兩極板相互覆蓋面積與極間介質(zhì)不變 成非線性關(guān)系。其靈敏度為（常為空氣），則電容量C與極距SS dCd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、處理電路比較復(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?？蓽y(cè)量角位移、線位移等物理量。其優(yōu)點(diǎn)是輸入輸 出

9、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(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：l W2 oA。2式中：W為空氣磁導(dǎo)率；Ao為空氣隙導(dǎo)磁截面積；S為空氣隙長(zhǎng)度；W為 線圈匝數(shù)；L為自感。此式表明，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：可知：L與S成反比，當(dāng)Ao不變的情況下， 變化S, L與S呈非線性關(guān)系。 L = f ( S )不是線性關(guān)系

10、。 當(dāng)S = 0時(shí)，L s 如果考慮到磁導(dǎo)體的磁阻，貝當(dāng)S =0 時(shí)，L0傳感器靈敏度此時(shí)為S2W0A0 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。為避免非線性誤差，要求工作間隙厶S / S 0e2；向下移動(dòng)，則eie2。鐵 芯偏離中間位置eo逐漸增大，其輸出特性見(jiàn)上圖（c）。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)300伽、小位移測(cè)量精度高；缺點(diǎn)是側(cè)量個(gè)頻率受機(jī)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(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?？烧{(diào)電阻R與差動(dòng)直流放大器的作用是

11、消除傳感器零點(diǎn)殘余電壓并放大信號(hào)。振蕩器提供初級(jí)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(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：de Wdt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 WBIsin。對(duì)于一個(gè)特定的傳感器來(lái)說(shuō)， W、B和I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=BWA 3。在E、W

12、、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， 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， 化引起的電阻變化。因此：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 50 70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

13、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。、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(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：C施加于晶片的外力不變時(shí)，且積聚在極板上的電荷若無(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(cè)量時(shí)，必須采取措施，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

14、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(lái)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。光電式傳感 器由于反應(yīng)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

15、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)控制等各個(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)用非常廣泛。照相機(jī)自動(dòng)測(cè)光工業(yè)測(cè)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?；魻杺鞲衅髟诠I(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=K HiBsin a式中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。其有精度高、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)干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。多應(yīng)用于測(cè)力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械 振動(dòng)等。總結(jié)：傳感器種類繁多，