傳感器工作原理

關(guān)于傳感器工作原理第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章傳感器的發(fā)展和作用人類為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官。人類依靠這些器官接收來自外界的刺激，再通過大腦進行分析判斷，發(fā)出命令而動作。隨著科學技術(shù)發(fā)展和人類社會的進步，人類為了進一步認識自然和改造自然，只靠這些感覺器官就顯得很不夠了。于是，一系列代替、補充、延伸人的感覺器官功能的各種手段就應用而生，從而出現(xiàn)了各種用途的傳感器。第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2什么是傳感器傳感器是與人的感覺器官相對應的元件國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成?！钡?頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月敏感元件——傳感器中能直接感受或響應被測量（輸入量）的部分；轉(zhuǎn)換元件——傳感器中能將敏感元件感受的或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和（或）測量的電信號的部分。第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月下圖為傳感器組成方框圖此圖也說明了傳感器的基本組成和工作原理。第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月實際上有些傳感器并不能明顯區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個部分而是二者合為一體。例如：壓電傳感器、熱電偶等，沒有中間環(huán)節(jié)，直接將被測量轉(zhuǎn)換成電信號。第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器種類繁多，功能各異。由于同一被測量可用不同轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)探測，利用同一種物理法則、化學反應或生物效應可制作出檢測不同被測量的傳感器，功能大同小異的同一類傳感器可用于不同的技術(shù)領(lǐng)域，故傳感器有不同的分類法。1.3.傳感器的分類第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月基于物理效應如聲、光、電、磁、熱等效應進行工作的物理傳感器；基于化學反應如化學吸附、選擇性化學反應等進行工作的化學傳感器；基于酶、抗體、激素等分子識別功能的生物傳感器。1）.根據(jù)傳感感知外界信息所依據(jù)的基本效應分為：第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2）.按工作原理分類應變式電容式電感式電磁式壓電式熱電式；等等第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3）.根據(jù)傳感器使用的敏感材料：半導體傳感器光纖傳感器陶瓷傳感器金屬傳感器高分子材料傳感器復合材料傳感器；等等第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4）.按照被測量：力學量傳感器熱量傳感器磁傳感器光傳感器放射線傳感器氣體成分傳感器液體成分傳感器離子傳感器真空傳感器；等等第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月5）.按能量關(guān)系可分為兩大類：能量控制型，其變換的能量是由外部電源供給，而外界的變化（即傳感器輸入量的變化）只能起到控制作用。如電橋測量電阻溫度變化時，溫度變化改變了熱敏電阻的阻值，熱敏電阻阻值的變化使電橋輸出發(fā)生變化（注意電橋的輸出是由電源供給的）能量轉(zhuǎn)換型，由傳感器輸入量變化直接引起能量變化。如熱效應中的熱電偶，當溫度變化時，直接引起輸出電勢變化。再如傳聲器直接將聲信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出。第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6）.按傳感器利用場的定律還是利用物質(zhì)的定律可分為：結(jié)構(gòu)型傳感器物型傳感器復合型傳感器第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月場的定律是關(guān)于物質(zhì)作用的定律，例如動力場的運動定律、電磁場的感應定律、光的干涉現(xiàn)象等。利用場的定律做成的傳感器，如電動式、電容式、激光檢測器等。物質(zhì)的定律是指物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的規(guī)律。如彈性尊從虎克定律、晶體的壓電性、半導體材料的壓阻、熱阻、光阻、濕阻、霍爾效應等。利用物質(zhì)的定律做成的傳感器，如壓電式傳感器、熱敏電阻、光敏電阻、光電管等第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月7）.按依靠還是不依靠外加電源工作可分為：有源傳感器（需外加電源才能工作）無源傳感器（不需外加電源）第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月8）.按輸出量可分為：數(shù)字量傳感器模擬量傳感器第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月分類方法傳感器的種類說明按依據(jù)的效應分類物理傳感器化學傳感器生物傳感器基于物理效應（光、電、聲、磁、熱）化學傳感器生物傳感器按輸入量分類位移、速度、溫度、氣體成分、濃度等傳感器傳感器以被測量命名按工作原理分類應變式、電容式、電感式、電磁式、壓電式、熱電式、傳感器等傳感器以工作原理命名按輸出信號分類模擬式傳感器數(shù)字式傳感器輸出為模擬量輸出為數(shù)字量按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量控制型傳感器直接將被測量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量由外部供給傳感器能量，而由被測量控制輸出量能量按是利用場的定律還是利用物質(zhì)的定律分類結(jié)構(gòu)型傳感器物型傳感器通過敏感元件幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換通過敏感元件材料物理性質(zhì)變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換按是否依靠外加電源分類有源傳感器無源傳感器傳感器工作需外加電源傳感器工作無需外加電源按使用敏感材料分類半導體傳感器、光纖傳感器、陶瓷傳感器、金屬傳感器、高分子材料傳感器、復合材料傳感器傳感器以使用的敏感材料命名第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月以上所列傳感器分類有較大的概括性，但由于傳感器的分類不統(tǒng)一，而這種分類很難完備，例如有的學者將傳感器作了如下分類：1）壓力：2）力/荷重；3）位移（厚度）；4）力矩；5）角度；6）角速度（轉(zhuǎn)速）；7）速度；8）加速度；9）角加速度；10）傾斜角；11）編碼器；12）震動；13）氣體/煙霧；14）溫度；15）熱能；16）濕度；17）水分；18）露點；19）液位；20）料位；21）流量；22）流速；23）風速；24）電流；25）電壓；26）電功率；27）電頻率；28）接近開關(guān)；29）磁性開關(guān)；30）pH值；31）光電開關(guān)；32）電阻率；33）電導率；34）水域氧；35）生物；36）紅外線；37）紫外線；38）光纖；39）離子；40）激光；41）超聲波；42）聲音/噪聲；43）觸覺；44）圖像/顏色；45）密度/粘度；46）混濁度。第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的性能和評價為了更好地掌握和使用傳感器，必須事先充分了解傳感器的特性。傳感器的各種特性一般是根據(jù)輸入和輸出的對應關(guān)系來描述的。傳感器在穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)或準靜態(tài)）信號作用下，輸入和輸出的對應關(guān)系為靜態(tài)特性；傳感器在動態(tài)（周期或暫態(tài)）信號作用下，輸入和輸出的對應關(guān)系為動態(tài)特性；第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的靜態(tài)特性1.靈敏度

靈敏度是描述傳感器的輸出量（一般為電學量）對輸入量（一般為非電學量）敏感程度的特性參數(shù)。其定義為：傳感器輸出量的變化值與相應的被測量（輸入量）的變化值之比，用公式表示為：可見，傳感器的校準曲線的斜率即為靈敏度。對于線性傳感器來說靈敏度是一個常數(shù)；非線性傳感器的靈敏度則隨輸入量變化。第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.線性度

理想的傳感器輸出與輸入呈線性關(guān)系。然而，輸出與輸入的線性關(guān)系嚴格來說也是不成立的，總存在一定的非線性。線性度是評價非線性程度的參數(shù)。。其定義為：傳感器的輸出——輸入校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程之比，稱作該傳感器的“非線性誤差”或稱“線性度”，也稱“非線性度”。通常用相對誤差表示其大?。菏街?，ef為非線性誤差（線性度），Δmax為校準曲線與理想擬合直線間的最大偏差，YFS為傳感器滿量程輸出平均值，如圖1.2所示第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性誤差大小是以一擬合直線或理想直線作為基準計算出來的，基準直線不同，所得的線性度就不一樣。因而不能籠統(tǒng)地提線性度或非線性誤差，必須說明其所依據(jù)的基準直線。按照所依據(jù)的基準直線不同，有理論線性度、端基線性度、獨立線性度等。理論線性度：擬合直線為理論直線，通常以0%作為直線起始點，滿量程輸出100%作為終止點。端基線性度：以校準曲線的零點和滿量程輸出值連成的直線為擬合直線。獨立線性度：作兩條與端基直線平行的直線，使之恰好包圍所有的標定點，以與二直線等距離的直線作為擬合直線。第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.靈敏度界限（閾值）輸入改變Δx時，輸出變化Δy，Δx變小，Δy也變小。但是一般來說，Δx變小到某種程度，輸出就不再變化了，這時的Δx叫做靈敏度界限。存在靈敏度界限的原因有兩個：一個是輸入的變化量通過傳感器內(nèi)部被吸收，以而反映不到輸出端上去。典型的例子是螺絲或齒輪的松動。螺絲和螺帽，齒條和齒輪之間多少有空隙，如果Δx相當于這個空隙的話，那么Δx是無法傳遞出去的。又例如，裝有軸承的旋轉(zhuǎn)軸，如果不加上能克服軸與軸之間的摩擦力的話，周是不會轉(zhuǎn)動的。第二個原因是傳感器輸出存在噪聲。如果傳感器輸出值比噪聲電平小，就無法把有用信號和噪聲分開。如果不加上最起碼的輸入值（這個輸入值所產(chǎn)生的輸出值與噪音的電平大小相當）始得不到有用的輸出值的，該輸入值即靈敏度界限。靈敏度界限也叫靈敏閾，門檻靈敏度，或閾值。第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月4.遲滯差輸入逐漸增加到某一值，與輸出逐漸減小到同一輸入值時的輸出值不相等，叫遲滯現(xiàn)象。遲滯差表示這種不相等的程度。其值以滿量程的輸出值YFS的百分數(shù)表示?；蛘呤街笑ax為輸出值在正反行程的最大差值。如圖1.3所示，Δmax=Y2-Y1圖1.3是這種現(xiàn)象稍微夸張了的曲線。一般來說輸入增加到某值時的輸出要比輸入下降到某值時的輸出小，正如圖1.3所示。如存在遲滯差，則輸入和輸出的關(guān)系就不是一一對應了，因此必須盡量減少這個差值。各種材料的物理性質(zhì)是產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因。如把應力加于某彈性材料時，彈性材料產(chǎn)生變形，應力雖然取消了但材料材料不能完全恢復原狀。又如鐵磁體、鐵電體在外加磁場、電場作用下均有這種現(xiàn)象。遲滯也反映了傳感器機械部分不可避免的缺陷，軸承磨擦、間隙、螺絲松動等。各種各樣的原因混合在一起導致了遲滯現(xiàn)象的發(fā)生。第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月5.穩(wěn)定性穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。理想的情況是，不管什么時候傳感器的靈敏度等特性參數(shù)不隨時間變化。但是實際上，隨著時間的推移，大多數(shù)傳感器的特性會改變。這是因為傳感元件或構(gòu)成傳感器的部件的特性隨時間發(fā)生變化，產(chǎn)生一種經(jīng)時變化的現(xiàn)象。即使長期放置不用的傳感器也會產(chǎn)生經(jīng)時變化的現(xiàn)象。變化與使用次數(shù)有關(guān)的傳感器，受到這種經(jīng)時變化的影響更大。因此傳感器必須經(jīng)常進行校準。第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的動態(tài)特性大多數(shù)情況下傳感器輸入信號是隨時間變化的，這時要求傳感器時刻精確的跟蹤輸入信號，按照輸入信號的變化規(guī)率輸出信號。當傳感器輸入信號變化緩慢時，是容易跟蹤的，但隨著輸入信號變化加快，傳感器隨動跟蹤性能會逐漸下降。輸入信號變化時，引起輸出信號也隨時間變化，這個過程叫響應。動態(tài)特性就是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性。響應特性即動態(tài)特性，是傳感器的重要特性之一。第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章應變式傳感器應變式傳感器是利用電阻應變效應做成的傳感器，時常用傳感器之一。應變式傳感器的核心元件是電阻應變計。電阻應變計，也叫應變計或應變片，是一種能將機械構(gòu)件上的應變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。圖2.1為其構(gòu)造簡圖。排列成網(wǎng)狀的高阻金屬絲、柵狀金屬箔或半導體片構(gòu)成敏感柵1，用粘合劑粘在絕緣的基片2上。敏感柵上貼有蓋片（即保護片）3。電阻絲較細，一般在0.015~0.06mm，其兩端焊有較粗的低阻鍍錫銅絲（0.1~0.2mm）4作為引線，以便與測量電路連接。圖2.1中l(wèi)稱為應變計的標距，也稱（基）柵長，a稱為（基）柵寬，，l×a稱為應變電阻計的使用面積。第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月使用時用粘合劑將應變計粘在被測試件表面上。試件變形時，應變計的敏感柵與試件一起變形，使電阻發(fā)生變化，由測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，在由顯示記錄儀表將其顯示記錄。應變電阻計的電阻變化是與形變成正比的，因此，由顯示記錄的電壓或電流的變化，可得知被測試件應變的大小。應變式測力傳感器由彈性體、應變計和外殼組成。彈性體是測力傳感器的基礎(chǔ)，應變計是傳感器的核心。根據(jù)彈性體結(jié)構(gòu)不同可分為：柱式、輪輻式、梁式、環(huán)式等。第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月以下是幾種應變式測力與稱重傳感器：1.柱式傳感器。柱式傳感器是稱重（或測力）傳感器應用較普遍的一種形式。右圖畫出了傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)是在圓柱或圓筒上按一定方向貼上應變計。圓筒或圓柱在外力F作用下產(chǎn)生的應變?yōu)椋菏街蠩為彈性元件的彈性模量，A為圓筒或圓柱的截面積。第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.輪輻式傳感器輪輻式傳感器是一種剪切力傳感器，其結(jié)構(gòu)如右圖1所示。由輪轱1、輪圈2、輪輻條3、承壓應變計4和拉伸應變計5等組成。輪輻條成對連接在輪鈷和輪圈之間，可為四根或八根（圖中為四根）。采用鋼球傳遞重力，因為圓球壓頭有自動定中心的功能。測量橋路圖如右圖2所示。當外力F作用在輪鈷上端面時，是輪輻條產(chǎn)生平行四邊形變形，如右圖3所示。當外力作用時，使輻條對角線縮短方向的應變計C受壓，對角線伸長方向的應變計T受拉，。每對輪輻的受拉片和受拉片串聯(lián)成一臂，受壓臂合受壓臂串聯(lián)成相鄰臂。這樣有助于消除載荷偏心對輸出的影響。加在輪鈷和輪圈上的側(cè)向力，若使一根輪輻受拉，其相對另一側(cè)受壓，由于每對輪輻截面是相等的，其上應變計阻值變化大小相等，方向相反，每個臂的總阻值無變化，對輸出無影響。全橋電路輸出為式中U為橋供電壓，K為應變計靈敏度系數(shù)，lj為應變計長，bj為寬第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.懸臂梁式傳感器懸臂梁式傳感器是一種低外形、高精度、抗偏、抗側(cè)性能優(yōu)越的稱重測力傳感器。采用彈性梁及電阻應變計作敏感轉(zhuǎn)換元件，組成全橋電路。當垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時，電阻應變計隨金屬彈性梁一起變形，其應變使應變電阻計的阻值變化而應變電橋輸出與拉力（或壓力）成正比的電壓信號。配以相應的應變儀、數(shù)字電壓表或其它二次儀表，即可顯示或記錄重量（或力）。4.環(huán)式傳感器其結(jié)構(gòu)如右圖第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章電感式傳感器基本工作原理：外界的金屬性物體對傳感器的高頻振蕩器產(chǎn)生非接觸式感應作用。振蕩器即是有纏繞在鐵氧體磁芯上的線圈而構(gòu)成的LC振蕩電路。振蕩器通過傳感器的感應面，在其上方產(chǎn)生一個高頻交變磁場。當外界金屬導電體接近這一磁場，并達到感應區(qū)時，在金屬體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應，從而導致LC振蕩電路振蕩減弱，振幅變小，即稱之為阻尼現(xiàn)象。這一振蕩變化即被開關(guān)的后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一個確定的輸出信號，觸發(fā)開關(guān)并驅(qū)動控制器件，從而達到非接觸式目標之目的。第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月開關(guān)形式/結(jié)構(gòu)形式渦流損耗決定于被檢測物體的固有阻抗，并達到感應區(qū)時，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應（材料性質(zhì)）、幾何特性（表面、尺寸）以及傳感器的振子頻率。傳感器的額定開關(guān)距離還決定于位于感應面后的鐵氧體芯的大小。由此給定了結(jié)構(gòu)和開關(guān)距離之間的相互關(guān)系。定義：

開關(guān)距離表示當開關(guān)接通時檢測目標與傳感器開關(guān)感應面之間的距離。額定開關(guān)距離（sn)是用來表示開關(guān)距離名義量值，他不考慮制造誤差和參數(shù)變化（溫度、電壓）。在技術(shù)特征表中只列出額定開關(guān)距離

實際開關(guān)距離（sr）時值在固定的溫度和電流條件下的開關(guān)距離。實際開關(guān)距離要考慮制造誤差，它與額定開關(guān)距離之間的關(guān)系是0.9sn≤sr≤1.1sn

有效開關(guān)距離（su)是在所允許的溫度及電壓范圍內(nèi)得到的可靠實用的開關(guān)距離。它與額定開關(guān)距離之間的關(guān)系是0.81sn≤su≤1.21sn

校正因數(shù)（衰減或修正系數(shù)）有關(guān)接近開關(guān)的開關(guān)距離所有詳細數(shù)據(jù)，均以一定尺寸的St37（低碳鋼）為測試材料獲得。其它材料、其它尺寸的測試目標會引起開關(guān)距離的改變。第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月對于不同的金屬不宜使用固定的修正值上表表明了所有金屬的誤差范圍，這個范圍取決于振子的特性，如頻率和阻尼材料的特性，純度、構(gòu)造和幾何形狀。材料校正系數(shù)鋼（st37）1黃銅0.35——0.50銅0.25——0.45鋁0.35——0.50不銹鋼0.6——1第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月常用接線方式第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章電容式接近開關(guān)工作原理：電容式接近開關(guān)的感應面是由兩個同軸金屬電極構(gòu)成，很象“打開的”電容器的電極見右圖1電極A和電極B杰在高頻振子的高頻反饋回路中。該高頻振子無感應目標時不感應，當被測試目標接近傳感器表面時，它就進入了這兩個電極構(gòu)成的電場，引起A、B之間的耦合電容增加，電路開始振蕩，每一振蕩的振幅均由一數(shù)據(jù)分析電路測得，并形成開關(guān)信號見右圖2第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月物理分析：電容式接近開關(guān)既能被導體目標感應，也能被非導體目標感應。以導體為材料的測試目標對傳感器表面形成一個反電極，由極板A和B構(gòu)成了串聯(lián)電容CA和CB（如右圖一）。該串聯(lián)電容的