传感器技术应用及机械量检测

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1、第五章 传感器技术及机械量检测 第一节 传感器技术概述 一、传感器的定义及分类 凡接受外界刺激并能产生输出信号，即可定义为传感 器。传感器就是用来对所测的量产生响应并提供可用的电 信号的器件，即把输入信号变成不同形式输出信号的装置 ，如麦克风、拾音器、扩音机、光电管、门铃等。传感器 的作用是接受外界信息，并将其变为信号。传感器用来代 替人的五感，即：视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。人用 来 取得这些感觉的器官是：眼、耳、鼻、舌和皮肤。 传感器按能量变换的功能可分为两大类：物理传感 器(包括温度传感器、压力传感器、光电传感器、磁传感 器、压电传感器、光纤传感器、流量传感器、声表面波传 感器、半导体

2、致冷器)和化学传感器(包括气体传感器、湿 度传感器、离子传感器)。 根据传感器的工作原理不同，一般又可以分为物性型 传感器和结构型传感器两种。物性型传感器是利用一些材 料的物理特性的变化来实现检测的。物性型传感器又称为 固体传感器，具有体积小、反应速度快、寿命长等优点。 目前利用半导体集成电路工艺技术，将敏感器件与外围电 路集成在一起，构成所谓集成传感器，它是目前传感器研 究开发最有前途的一种。结构型传感器是利用弹性管、双 金属片、电感、电容器等结构元件进行测量的，如气压表 头就是一种结构型传感器。 传感器根据输出信号的分类表 非电量型 电量 二值型 模拟型 数字型 有接点型（微动开关、接触开

3、关、行程开关） 无接点型（光电开关、接近开关） 电阻型（电位器、电阻应变片） 电压、电流型（热电偶） 电感、电容型（可变电容） 计数型（二值型+计数器） 代码型（旋转编码器） 传感器 传感器按输出信号分类如表传感器作为信号的变换 器，其输出信号原则上是任意类型的，既可以是电量型的 ，又可以是非电量型的。但在机电一体化设备中，对输出 信号为非电量的传感器，由于信号不便于处理而不予采用 。 二、传感器的转换原理 传感器的作用是接受外界信息，并将其变成信号输出。 因此，如果某种材料(半导体材料)受外界加热，致使这种 材料性质发生变化(电阻、电导发生变化)，通过检测电阻 变化量，就可以知道对应的温度；

4、也就是说，这种材料具 有将热转换成电的功能，人们就利用这种热电转换原理 来制造热敏电阻传感器等。表53列出了比较常见的几种 现象之间相互转换原理。 (一)光电转换 入射光照射到PN结上时，使PN结的正向压降发生变化 ，利用这个特性制作光敏二极管和光敏三极管，使光转换 为电压变量。同样，当光照射到半导体材料上时，使电阻 发生变化，它将光转换为半导体材料的电阻(或电导)变量 ，如图所示。 (二)热电阻转换 将半导体材料或导体加 热或冷却，使它的电阻发 生变化，应用这个效应制 作热敏电阻。它将热转换 为电阻变量，如图所示。 光电阻转换图 光电转换 光电转换 热电阻转换 (三)力电压转换 外力作用在电

5、阻应变片上，组成 电桥的四个电阻的阻值发生变化，R1 、R2电阻增大，而电阻R3、R4，阻值 减少，使电桥失去平衡，有信号输出 ；输出电压与压力呈线性关系。应用 力电压转换原理制作压力传感器， 其线路图如图53所示 (四)力电荷转换 外力作用在压电晶体( 铌酸锂、石英晶体等)上 时，使其表面产生电荷 或电压变化。根 据这个 原理制作压电传感器， 它将应力转换成电荷Q 或电压U变量，如图5 4所示。 力电压转换 压电转换 (五)磁电转换 线圈内磁芯作上下移动 ，磁路中磁阻发生变化，利 用这个效应制作磁阻传感器 。它将磁 转换为交流电压的 变化，如图55所示。 电容传感器是由介质及 被介质所分开的

6、两个电极组 成的，变化电极间的距离或 者改变两 极间的介质都可引 起电容量的变化。电容传感 器将所测变量转换为电容变 量，如图56所示。 (六)气体电阻转换 氧化物半导体材料，如Sn02、ZnO、Fe203等，当它接触气体 时，使其表面(或体内) 电阻变化，如图57所示。利用这种特性 磁阻转换 电容转换 制造各种气体传感器，用来检测一些气体，它广 泛用于矿井、工 业、环保等领域。它将气体转换为电信号输出，实现了气电转换 。 (七)温度电阻转换 半导体陶瓷 (MgCr204Ti02)材料 或多孔性绝缘薄膜 Al303(SiO2)制作在衬 底材料上，如图58 所示，当它接触湿度 环境时，吸附水汽，

7、 使其电阻发生变化； 利用这种特性制作湿 度传感器。它将湿度 转化为电信号输出， 实现了湿度电阻转 换。 气体-电阻转换 温度电阻转换 三、几种主要传感器工作原理 (一)光传感器 根据光生伏特效应，制造光敏二极管、光敏三极管、太阳电池 、电荷耦合器件等。当光敏二极管受光照射时，在PN结两端产生电 子空穴，在外部获得电流输出。图59表示光生伏特效应 的工作 原理和电压电流特性。 (二)温度传感器 利用半导体材料的 热敏特性制造热敏电阻 ，热敏电阻分为三种： 电阻随温度升高而减少 的负特性热敏电阻(NTC) ，电阻随温度升高而增 大的正特性热敏电阻 (PTC)以及达到某一温度 时电阻急剧 变化的临

8、界 特性 电流-电压特性 各种热敏电阻的 电阻-温度特性 热敏电阻(CTR)。图510表 示各种热敏电阻的电阻温 度特性。一般热敏电阻的阻 值随温度变化的曲线是非线 性的，要使其线性化， 可 以串联或并联外接固定电阻 进行折线近似。最近，利用 硅PN结的正向压降随温度 变化特性，制造温敏二极管 、温敏三极管、温控晶闸管 、集成化温度传感器等，其 性能超过热敏电阻，已广泛 应用 在各个领域。 (三)压力传感器 压力传感器目前采用半导体平面工艺技术，在N型硅面的晶体 衬底进行抛光等薄片加工，制成图形膜片；在圆形膜片内制作四个 扩散电阻，组成惠斯登电桥，如图511所示。当在膜片上加压力 A）结构B）

9、等效电阻 压力传感器 时，R1、R2电阻值增大，而R3、R4阻值减少，使电桥 失去平衡，有信号输出。半导体扩散型压力传感器可用 于电子血压计，汽车电子设备和各种压缩机控制等。 (四)磁传感器 目前利用半导体集成电路工艺技术，根据霍尔效应制 作集成化霍尔器件及MOSFET霍尔器件，已应用在汽车点 火装置及无刷电机上。利用磁场中载流子受磁场的洛伦兹 力作用而发生偏转现象，制造出磁敏二极管和磁敏三极管 等。 (五)气体传感器 人们在生活中接触到各种气体，有些气体对人体有益 ，有些气体对人体有害，必须加以控制。以前利用Sn02、 ZnO、Fe2O3烧结型气体传感器来检测CO、H2、甲烷、丙 烷、异丁烷

10、等气体。图512是利用半导体材料制造的， n沟钯栅MOSFET氢气传感器 a)版图 b)剖面图 具有一个n沟氢敏钯栅MOSFET传感器的设计图形和剖面结构；氢 气钯栅MOSFET传感器是利用氢气引起金属钯功函数的改变，进而 改变MOSFET器件的阈值电压效应而作成的传感器。 (六)湿度传感器 湿度是与人们的生活 密切相关的物理现象。以 前采用人的头发和马尾在 湿度环境中引起伸缩作用 制作湿度传感器。最近研 制了采用陶瓷和固体电介 质制作湿度传感器。图5 13是利用多孔Al302膜 制作的湿度传感器。湿度 传感器不仅用于各种空调 机，在电子灶的自动烹调 及露点检测中，也得到非 常广泛的应用。 A

11、l2O3膜湿度传感器 (七)热电传感器 当某种物质的温度发生变 化时，表面产生和温度高低相 应的电荷现象，这种现象称为 热电效应。利用这种效应制造 热电传感器，如图514所示。 具有这种效应的 材料有LiTaO8、 PbTiO8、BaTi08等 材料。内接场效应晶 体管FET是因为热电 元件感应电荷量比较 小，采用FET以实现 在高阻抗时接收，而 最后以适当的阻抗输 出。目前使用最多的 是红外传感器。 热电型红外 传感器(日本 三洋TTS- 1020) a)结构图 b)基本电路 (八)离子传感器 1970年，Bergweld 提出了利用半导体器件 作为检测溶液中的离子 活度的传感器；这种传 感

12、器类同于MOSFET， 只要把MOSFET的金属 栅去掉，使SiO2暴露出 来与被测溶液接触，在 漏源电压恒定时，漏源 电流与溶液中离子种类 及浓度有关，因此称为 离子传感器(ISFET)， 如图515所示。它将 离子活度转换为电信号 输出，实现了离子活度 的测量。 离子传感器 吸尘控制电路框图 吸尘剖面图 煤气报警电路图 自动恒温电烙铁 第二节 机械量检测传感器 机电一体化产品中经常碰到的机械量检测传感器，包括位移、 转角、速度、加速度、角加速度、力、压力、转矩、荷重等。 一、位置检测传感器 最简单也是应用最广泛的是位置传感器，一般有位置传感器与 坐标传感器之分。位置传 感器一般使用通断型的

13、最多，其检测精 度可从以mm为单位的低精度到以m为单位的高精度，而检测方式 有接触式与非接触式两种。接触式如限位开关和接触开关，而 非 接触式如接近开关和光电开关等。 (一)接触式传感器 图521为日本产接触传 感器原理结构图。当触头碰 到待测物体时，传感器的内 部接点由“开”转为“关”。表 5 4绘出部分技术参数。 接触式传感器简单来说就是高精度开关，可以测量出微小位移量。 如图522所示，当物体达到极限位置时，接点导通或断开。该传 感器的特点为小型化，而且价格低；缺点是由于接触开关故障率高 ，容易产生噪声干扰，如图523所示。 因为出现噪声，微机无法辨认信号 的真伪，出错可能性很大，所 以

14、，要采取软件或硬件的办法 来避开或消除掉这些噪声，常 用的硬件措施如图524所示。 除此之外，在工业设备上常采 用如图525所示的输入电路。 图525所示的电路可以使 通断的检测点设置的相当低 ，但在开关接通时由于LED中 电流失落。所以，当机器发生 故障时LED电源24V掉落的情况 下，从CPU方面来说，它将判 定所 输入 电路 行 程 精 度 电 缆 电源电压 接 触 力 (mm ) (m) (m) (VAC) (N) 3 0.51.5 3 100 0.31 有开关皆处于接通状态。在发生空输入时，需要使用软件来监测 它，或者用其它电路来监测24V电源电压的掉落。 (二)非接触式传感器 1高

15、频振荡式接近开关 高频振 荡式在检测部分有检测线圈，检 测对象为金属体。当开关接近金 属体时，检测线圈的电感量发生 变化，使振荡回路停振，检测出 这一停振变化， 产生输出信号， 其原理如图526所示。 高频振荡式接近开关原理示意图 2静电电容式 接近开关 静电电容 式接近开关在检测部 分采用导体电极，当 电极与被测物一 接近 ，检测部分的导体电 极与被测对象之间产 生静电电容变化。利 用这一现象制成电容 式接近开关，检测出 这一电容 3光电传感器 光电传感器是目前产量最多 应用最广的传感 器之一，它包括光敏二极管、光敏三极管、半导体色敏器件、太阳 电池、电荷耦合器件、光控晶闸 管、光耦合器件等。 静电电容式接近开关原理图。 量的变化，产生输出信号。因此，被检测的对象可以是金属、塑 料、纸、陶瓷、玻璃、水、油、溶液、木材等。 在位置检测传感器中，非接触式光耦合器件 用得最多。它比起接触式传感罪，具有造型 轻巧、价格便宜、而且不怕污染等优点。光 耦合器件是一种光电结合的器件。硅光敏三 极管为受光部分，砷化镓发光二极管为发光 部分构成光耦合器件。工作时，把电信号加 到输入端，使发光器件发光，而受光器件管 芯在此光辐射的作用下输出光电流，从而实 现电光 电两次转换，通过光进行了输入 端和输出端之间的耦合。图所示是光电三极 管型光耦合器件的图形符号