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——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 summing-up on sensors
Abstract: sensors are the first link that measured signals enter into measure system——measured signals be converted into electro-signals that is easily tested,transfered and dealt with.Its function directly influences the accuracy, credibility of the whole test device and test result.Its position is prominent in the electronics technique and the test technique.Keywords：sensors、characteristics、application 传感器种类繁多、形式多样：有的是很小的敏感元件，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换成电阻的变化。转换原理：
R=ρ
lA
式中ρ为电阻率，l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=Kl。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：
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—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。
dRR(12E)
式中：μ为电阻丝材料的泊桑比：λ为压阻系数，与材料有关；E为电阻丝材料的弹性模量；ε为应变。
金属电阻材料的λE很小，因此λEε项的变化所引起的电阻变化可以忽略因此可以简化为
dRR(12)
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+2μ=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。
二、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器。
▲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：
C0A
式中：δ为极板间距离；A为极板介质面积；ε为极板间介质的相对介电常数；ε0为真空中介电常数。上式表明当被测量使ε、A或δ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
使两极板相互覆盖面积与极间介质不变（常为空气），则电容量C与极距δ成非线性关系。其灵敏度为
SdCd0A2
▲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、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。这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。
三、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、电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：
LW0A022 式中：μ0为空气磁导率；A0为空气隙导磁截面积；δ为空气隙长度；W为线圈匝数；L为自感。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δ成反比，当A0不变的情况下，变化δ，L与δ呈非线性关系。
① L = f (δ) 不是线性关系。 ② 当δ= 0 时， L →∞
③ 如果考虑到磁导体的磁阻，则；当δ= 0 时，L ≠＞∞ 。
④ 由于传感器结构上总漏磁现象产生，故始终都会有L0 的输出。
⑤ 传感器灵敏度此时为SW0A0222
为避免非线性误差，要求工作间隙△ δ/ δ0≤0.1 ▲特性: 该种传感器只适应与一般约为0.001～1mm 位移量的测量.●变气隙面积A型自感式传感器
LW0A022
S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泄漏路径中的磁阻变化。这种传感器的电感量与铁芯的位移成一定的关系，但灵敏度较低，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，但可在测量电路方面加以解决。
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δ改变时，可用于测量位移、振动；当ρ或μ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e
1、e2的大小与铁芯位置有关。当铁芯在中间位置时e1=e2，铁芯向上移动，e1>e2;向下移动,则e1
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㎜、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Φ发生变化时线圈内的感应电动势为：
eWddt
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：eWBlsin。对于一个特定的传感器来说，W、B和l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。线圈在磁场中转动时产生的感应电动势为：e=BWAω。在Ｂ、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。
一、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：
dRRE
半导体应变片的灵敏度S≈λE。该值一般比金属应变片的灵敏度大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：
C0A
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，电荷量保持不变，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、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=KHiBsinα,式中KH为霍尔系数，α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。多应用于测力、压力、应变、机械振动等。
总结：传感器种类繁多，这里并没有一一列举，仅列举了生产生活中常见常用的几种。许多传感器的应用范围又很宽，本次总结所列举的应用仅供参考，具体应用应根据传感器静态、动态特性以及抗干扰能力、滞后等特性，还要考虑使用的技术领域、环境、精度等要求选用何种类型。总之，此份报告尚有许多不足之处，还请老师谅解。
通过本次总结，再一次比较全面的的了解、认识了不同类型传感器的原理、特性、应用和转换电路，从中受益匪浅，相信一定会对我们今后的学习生活带来很大帮助。最后，衷心感谢尤丽华、周德辉老师对我们的悉心指导！
