传感器总结报告

1、传感器总结报告机械 0806 0401080623摘要:传感器是被测量进入测量系统的第一个环节一一把被测量转换成容易检测、传输和 处理的电信号。其性能直接影响整个测试装置和测试结果的准确性、可靠性。其地位在电子技 术和测试技术中举足轻重。关键词:传感器、特性、应用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传感器种类繁多、形式多样：有的是很小

3、的敏感元件，例如应变片、霍尔元件等；有的是 一个复杂的系统，如智能型传感器。传感器分类依据不同，分得的结果也各种各样。此报告主 要按物理现象分类方式分别介绍常用的结构型传感器、物性型传感器的工作原理、性能特点、 转换电路和应用。结构型传感器结构型传感器是依靠其结构参数的变化实现信号转换。常见的结构型传感器有：电阻式传 感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器。一、电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测量的变化转换成电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式传感器两类。1、变阻器式传感器变阻器式传感器也称为电位器式传感器，是三端电阻器件，基本敏感量是位移。作用于动触头的位移被转

4、换成电阻的变化。转换原理：R=p A式中p为电阻率，I为电阻丝长度，A为电阻丝截面积。当电阻丝的材料和直径一定时电 阻R和电阻丝长度成线性关系，即 R=K。这样可以通过电阻的变化推倒出相应的长度变化， 进而可知被测量的变化。常用的变阻器式传感器可以测量直线位移、角位移和一些非线性量。其优点是结构简单、使用方便、测量范围大。变阻器式传感器有两种形式：(1) 电阻丝式变阻器其电阻值是不连续的，一般分辨率不小于20毫米。另外，由于磨损、尘埃等原因将使接触电阻发生不规则变化，产生噪声。动态特性较差，只能测量变化较 慢的信号。(2) 导电橡胶变阻器其优点是阻值连续、精度可达0.1%、动态特性较好，允许测

5、量 信号变化较快的信号、结构紧凑、可靠性好、寿命长。应用：适用于自动化设备中的位置、位移的检测。如下图是一个电阻式位移传感器:YHD黑滑銭电阻式位移传感器I-测就轴2-滑线电阴3啟丢4弾養5滑块 居-申却L "外壳8-无感电阻2、电阻应变式传感器（半导体应变片见物性型传感器）金属电阻应变片的工作原理其工作原理基于金属的电阻一应变效应： 金属丝的电阻值随着它所受的机械变形而发生相应的变化。dR (1 2E)式中：卩为电阻丝材料的泊桑比：入为压阻系数，与材料有关；E为电阻丝材料的弹性模量; 为应变。金属电阻材料的 疋很小，因此 疋£项的变化所引起的电阻变化可以忽略因此可以简化为

6、dRR(1 2 )上式说明电阻的相对变化与应变成正比，比例系数（灵敏度）：S=1+2尸常数用于制作应变片的材料的灵敏度 K0在1.7到3.6之间。金属应变片的灵敏度 S K0。电阻应变片的应用和特点电阻应变片应用范围广泛，分为直接应用和传感器应用。直接应用是将应变片直接粘于被测量件上，可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度等参 数，测量范围从10-3到108，精度达到0.05%,且具有相当高的稳定性。弹性元件是应变式传感器的感受元件，根据测力的大小、性质及传感器准确度等不同要求, 弹性元件采用不同的结构形式：柱式弹性元件结构紧凑、简单、承载能力大，主要用于中等载 荷的拉压力测量中；环式弹性元件稳

7、定性好、固有频率高，主要用于中小载荷的测力中，可测 几十到几百的拉压力；梁式弹性元件结构简单、易于加工、贴片方便、灵敏度较高，主要用于 小载荷、高准确度的拉压传感器中，测量范围从0.01到几千牛顿；轮辐式传感器元件外形低矮，可承受大载荷，固有频率很高，常用于重型载荷的电子称中，其灵敏度不高，但抗偏心载 荷和抗侧向载荷能力强。电容式传感器电容式传感器是将被测量物理量转换为电容量变化的装置，其实质是具有可变参数的电容电容式传感器原理甴物理定律可知，当忽略边缘效应时，平行极板组成的电容器的电容量为：C oA式中：S为极板间距离；A为极板介质面积；&为极板间介质的相对介电常数；33为真空 中介

8、电常数。上式表明当被测量使 3 A或S发生变化时，都能引起电容 C的变化。根据可变参数不同，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型。1、极距变化型电容传感器极距变化型电容式传感器原理（常为空气），则电容量C与极距S成非线性关系。使两极板相互覆盖面积与极间介质不变其灵敏度为dC d极距变化型电容式传感器特点与应用其优点是灵敏度高、动态响应快、可进行非接触测量；缺点是输出非线性、电缆电容影响 较大、处理电路比较复杂。可以测量位移、压力等物理量。2、面积变化型和介质变化型电容传感器面积变化型电容传感器原理是其极距和极间介质固定不变，改变极板相互覆盖的介电面积以改变电容量。可测量角位移、

9、线位移等物理量。其优点是输入输出成线性关系；缺点是灵敏 度低。介质变化型电容传感器原理是使其他量不变，只改变两极板间介质，从而改变电容量。 种传感器可以测量介质的液位或某些材料的厚度、湿度、温度等。二、电感式传感器电感式传感器以电磁感应为基础，把被测量转换为电感量变化。常分为可变电磁阻式、 涡流式和差动变压式等类型。1、可变磁阻式电感传感器原理：LW2 oAo2式中：为空气磁导率；A为空气隙导磁截面积；S为空气隙长度；W为线圈匝数; 自感。此式表明，自感L与气隙长度成反比；与气隙导磁截面积 A0成正比 变间隙式：可知：L与S成反比，当Ao不变的情况下， L与S呈非线性关系都会有oL = f ）

10、不是线性关系。当S = 0 时，L如果考虑到磁导体的磁阻，贝当S =O由于传感器结构上总漏磁现象产生, L0的输出。0时，L故始终传感器灵敏度此时为SW2 2为避免非线性误差，要求工作间隙厶s / s o< 0.1特性：该种传感器只适应与一般约为 0.0011mm位移量的测量. 变气隙面积A型自感式传感器W2 oAoS与L成线性关系，两端弯曲部分是磁漏造成的。特性：这种传感器，线性较好，测量范围较宽。甚至可作为非接触传感螺旋管式自感式传感器该传感器是一种可变磁阻式自感式传感器。结构：螺旋线圈、铁芯、骨架工作原理首先它是一种开磁路的，其工作原理是基于线圈磁通 的磁阻变化。这种传感器的电感量

11、与铁芯的位移成一定的 敏度较低，对微小位移的测量利用价值不大。特性：结构简单、易制作、灵敏度低，但可在测量电路决。2、涡流式电感传感器 其工作原理是基于金属导体在交流磁场中的涡泄漏路径中关系，但灵方面加以解流效应。其应用是改变参数中某一因素，达到一定的变换目的。例如，当S改变时，可用于测量位移、振动；当p或卩值改变时，可作为材质鉴别和探伤等。特性与应用涡流传感器结构简单、使用方便和不受油污等介质影响。可用于回转轴的振动测量及其误 差运动的测试、转速测量、金属材料的厚度测量、零件计数和探伤等。转换电路有分压式调幅和调频电路。下图为分压式调幅电路原理：3、 差动变 压器式 电感传 感器 原理它 是

12、利用 电磁感应中的互感现象来进行信号转换。 实际应用的传感器多为螺管形差动变压器， 其结构和Mt丈工作原理如下图:当初级线圈W加上交流电压时，次级感应电动势 ei、e2的大小与铁芯位置有关。当铁芯 在中间位置时ei=e2,铁芯向上移动，ei>e2；向下移动,则ei<e2。铁芯偏离中间位置eo逐渐增大， 其输出特性见上图（c）。特性与应用差动变压器式电感传感器稳定性好、使用方便、线性范围大，有的可达300伽、小位移测量精度高；缺点是侧量个频率受机械部分固有频率的限制。该种传感器可适用于力、压力、流 体参数等测量。转换电路：上图所示电路中相敏检波器可根据输出的调幅波相位变化判别位移的方

13、向和大小。可调电阻R与差动直流放大器的作用是消除传感器零点残余电压并放大信号。振荡器提供初级线圈交流电源和 相敏检波 电路的控 制电压。四、磁电式传感器原理一个匝数为 W的线圈，当穿过当穿过该线圈的磁通 发生变化时线圈内的感应电动势为: de Wdt感应电动势e与其匝数和磁通变化率有关，改变上述因素之一将使线圈感应电动势改变。 磁电式传感器可分为动圈式和磁阻式。1、动圈式传感器上图a为线速度型磁电式传感器。线圈在磁场中作直线运动所产生的感应电动势：e WBIsin。对于一个特定的传感器来说， W、B和I均为定值，所以感应电动势e与速度v 成正比。上图b为角速度型传感器工作原理图。线圈在磁场中转

14、动时产生的感应电动势为： e=BWA 3。在E、W、A为常数时，感应电动势的大小与角速度成正比。2、磁阻式传感器工作原理是传感器固定不动，被测体的运动使磁路磁阻改变，从而在线圈中产生感应电动 势。其特点是输出阻抗不高，负载效应对其输出的影响可以忽略，且性能稳定、工作可靠、使 用方便。可以测量旋转体频数、转速和振动等。物性型传感器物性型传感器不改变其结构参数的变化而是靠其敏感元件物理性能的变化实现信号转换。、半导体应变片原理对于半导体材料而言，电阻率变化所引起的电阻变化远远大于因几何尺寸变化引起的电阻 变化。因此：dR ER半导体应变片的灵敏度S "E。该值一般比金属应变片的灵敏度大

15、50 70倍特性与应用半导体应变片的优点：灵敏度高、机械滞后和横向效应小、测量范围大、频响范围宽；缺点：温度稳定性差、灵敏度分散性较大以及较大应变作用下，非线性误差大等。二、压电式传感器原理压电式传感器的工作原理是基于压电材料的压电效应。 她是以压电晶片作为传感元件将力 转换为电荷量的传感器。其可以看作是一个以压电材料为介质的平行板电容器，其电容量可按下式计算：C 0A施加于晶片的外力不变时，且积聚在极板上的电荷若无泄露，那么在外力继续作用时,荷量保持不变，而在离终止时，电荷随之消失。实践证明：压电晶片上所受的作用力与由此产生的电荷量成正比，即：q=dF,式中d为压电常数。静态测量时，必须采取

16、措施，使电荷漏失减小到足够的程度；动态测量时，由于电荷可以 不断补充，对此要求不高。特性与应用它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些 压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克 服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为 方便。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。三、光电式传感器光电传感器是将光能转换为电能的一种器件，它的物理基础是光电效应。光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现 非接触测量，而且精度高、

17、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、 功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领 域中。业生产和现实生活中光电传感器的应用非常广泛。照相机自动测光 工业测光四、霍尔传感器霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。原理如下图所示，将霍尔元件至于磁感应强度为 B的磁场中，a、b两端通以电流i，在c、d两端将产生霍尔电势 Vh=KBsina式中Kh为霍尔系数，a为电流与磁场方向夹角特性与应用霍尔元件可以检测电流、磁场以及它们的成绩，因此广泛的应用于压力、振动等参数的测 量。其有精度高、线性度好、动态性能好、工作频带宽、测量范围广、可靠性高、抗外磁场干 扰能力强等优点