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1、传感器基础知识Version 1Date: 2011-512电感式传感器概述电阻式传感器压电式传感器电容式传感器35目 录4磁电式传感器678半导体敏感元件传感器传感器选用原则传感器的应用实例910传感器的维护与故障处理概述 人体为从外界获取信息，必须借助于感觉器官，但是单靠人们 自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功 能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说， 传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决 的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中 信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤
2、其是自动化生产过程中，要用各种传感器来 监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳 状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的 传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器1 传感器的定义与组成 1.1传感器的定义我国国家标准（GB766587）中说，传感器（Transducer/Sensor） 的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的 器件或装置“。我们的定义是：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换 为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。 这一定义包含了以下几方面的意思：传感器是测量装置，能完成检测 任务；它的输出量
3、是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物 量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示 等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；输出输入有对应关系 ，且应有一定的精确程度。 物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器 是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。1.2 传感器的构成传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传 感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进 行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放 大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 *传感器的组成传感器的组成敏感敏感 元件元件辅助电路辅助电路传感
4、传感 元件元件被测被测非电量非电量有用有用非电量非电量有有 用用 电电 量量信号调节信号调节转换电路转换电路电电 量量传感器组成框图传感器组成框图1.3 传感器的分类(1)按被测物理量分类:(2)按工作的物理基础分类:(3)按信号变换特征:(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:位移,力,温度等.机械式,电气式,光学式,流体式等.物性型,结构型.能量转换型和能量控制型.A 物性型与结构型传感器 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.B 能量转换型和能量控制型传感器 能
5、量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如:电阻应变片.1.4 常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量. 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩. 电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻变化的传感器。按 其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。 2.1 变阻器式传感器 （1）原理：它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电 阻的变化。根据下式 式中 电阻率 l 电阻
6、丝长度 A 电阻丝截面积 2 电阻式传感器如果电阻丝直径和材质一定时，则电阻值随导线长度而变 化。式中电阻值的单位为变阻器式传感器的后接电 路，一般采用电阻分压电路， 如图所示 。变阻器式传感器的优点是结构简单，性能稳定，使用 方便。缺点是分辨力不高。 R常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线形型。(2) 变阻器式传感器的性能参数:1) 线性(或曲线的一致性); 4) 移动或旋转角度范围;2) 分辨率; 5) 电阻温度系数;3) 整个电阻值的偏差; 6) 寿命;(3)变阻器式传感器的分类:变阻器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕
7、电位器按电位器结构分(4)变阻器式传感器的特点：电电阻器制作特点绕线绕线 式直径0.012-0.1mm的镍铬 合金的精密电 阻丝绕 在绝缘 的薄膜铜丝 或绝缘 的胶 木板等卷心上而制作电阻温度系数非常好，为(5 20)10-6 /；精度、稳定性、重复 性比薄膜式好；分辨力低于薄膜式金属陶瓷式电阻胶印在陶瓷基板上，并用高温烧制 而成分辨力高，环境适应性强，电阻温 度系数为20010-6 /左右导电导电 -塑料 式将基板的树脂与电阻膜制成一体，或将 电阻胶涂于薄膜基片上分辨力高，寿命长，线响应特性好 ，电阻温度系数为40010-6 /混合式导电 型树脂涂于线绕 式电阻元件上兼有绕线 式、导电 塑料
8、式的优点 ，电阻温度系数为15010-6 /(5) 应用案例1：重量的自动检测-配料设备设定值原材料比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变 阻器将位移转换为电阻的变化案例2：煤气包储量检测原理直接将代表煤气包储量的高度 变化转换为钢丝的电阻变化煤气包钢丝特点：（1）测量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。案例3：玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理直接将关节驱动电机的转动角 度变化转换为电阻器阻值变化金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应， 即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所 受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。 2.2 电阻应变式传感器 优点：体
9、积小、动态响应快测量精度高、使用简便 电阻应变式传感器分为金属电阻应变片式与半导体应变片 式两类 。1）金属电阻应变片 常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。其工作原理都 是基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。 把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的 物体表面上。在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其 电阻值发生相应变化。由此，将被测量转化为电阻变化。 金属应变计 优点：稳定性和温度特性好 缺点：灵敏度系数小2）半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。 所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力 作用时，其电阻率发生变化的现象。 金属丝电阻应
10、变片与半导体应变片的主要区别在于：前者 利用导体形变引起的电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化 引起的电阻的变化。 半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片.3）电阻应变片式传感器应用方式 （1）直接用来测定结构的应变或应力 （2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压 力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性 元件得到与被测量成正比的应变，在由应变片转换为电 阻的变化。 返回章目录4）应变片的主要参数1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示
11、应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 5）应用案例1：桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利 用汽车碍时的冲击对桥梁进行激 励，再通过应变片测量桥梁动态 变形，得到桥梁固有频率。案例2：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。3 电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化 为电感量（线圈自感量或互感量）变化的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型自感型-可变磁阻式原理:电磁感应涡流式原理:涡流效应高频反射式涡流传感器 。如图所示，高频(1
12、MHz)激励电 流产生的高频磁场作用于金属板的表 面，由于集肤效应，在金属板表面将 形成涡电流。与此同时，该涡流产生 的交变磁场又反作用于线圈，引起线 圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感 L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的 电阻率、磁导率、激励电流i及角 频率等有关。若只改变距离而保 持其它参数不变，则可将位移变化转 换为线圈自感变化，通过测量电路转 换为电压输出。高频反射式涡流传感 器多用于位移测量。 低频透射式涡流传感器 低频透射式涡流传感器的工作原 理如图所示，发射线圈1和接收线圈 2分别置于被测金属板材料G的上、 下方。由于低频磁场集肤效应小，渗 透深，当低频(音频范围)电压e1加到线
13、 圈1的两端后，所产生磁力线的一部 分透过金属板材料G,使线圈2产生感 应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁 场能量，使感应电动势e2减少，当金 属板材料G越厚时，损耗的能量越大 ，输出电动势e2越小。因此，e2的大小 与G的厚度及材料的性质有关，试验 表明，e2随材料厚度h的增加按负指数 规律减少,如图所示，因此，若金属板 材料的性质一定，则利用e2的变化即 可测量其厚度。 案例1： 测厚案例2： 零件计数案例3： 无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化 。火车轮检测油管检测4 电容式传感器 4.1 变换原理 将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+A当被测量、S
14、或发生变化时，都会引起电容的变化。 如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数， 就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。相对介电常数，空气中为1真空介电常数极板面积极板间距离1）极距变化型 优点：可进行动态非接触式测量 4.2 分类 2.面积变化型 保持电容器极板距离、介质不变，仅改变极板间的相对 覆盖面积。则此中传感器灵敏度为常数通常电容传感器的覆盖面积与线形位移间有良好的线形 关系，故面积变化型传感器有着良好的线形关系。 3.介质变化型 利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。 常用于液位测量，或某些材料的厚度、温度、湿度等参数的变 化测量 5 压电式传感器 5.1 工作
15、原理 某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而 且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状 态，这种现象称为压电效应。F+最简单的压电式传感器的工作原理如图 所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属 蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电 晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板 上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电 场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷 发生器，也可以看成是一个电容器。 工作原理：在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，常常 将两片或两片以上的晶片粘结在一起（即并联和串联），组 成压电式传感器。 +并联+串联并联和串联：压电效
16、应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测 量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才 得到保存，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 并联时，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故适用 于测量缓变信号及电荷量输出信号。串联时，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故适用于测 量以电压作输出的信号和频率较高的信号。5.2 测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号 先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方 可输入到后续显示仪表中。 5.3 应用 b) 压力变送器a) 加速度计，力传感器 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是 一种常用的加速度计。它
