机电一体化系统中常用传感器的发展.docx
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机电一体化系统中常用传感器的发展
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是
当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。
如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置一一传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵“。
传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。
传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到每个领域。
下面，我就几类基本类型的传感器做些介绍：
一、电阻式传感器
电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器•按工作的原理可分为：
变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式•
如果电阻丝的直径和材料确定，单位位移的电阻值为一常数，传感器的输出与输入成线性关系。
•这类传感器结构简单，尺寸小，性能稳定。
受环境影响小。
不需放大。
滑线变阻器式传感器精度可达0.1%。
•在生活中，应用实例诸多，如重量的自动检测--配料设备、煤气包储量检
测等。
⑵•电阻应变式传感器是基于电阻应变片的使用，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。
金属应变片的电阻R为
电阻相对变化为dR/R二dl/l_2dr/r•d-/■，dl/l=；称为金属电阻丝的轴向应变，简称纵向应变。
dr/r称为电阻丝的径向应变，简称横向应变。
当电阻丝沿横向伸长时，两者之间的关系为dr/r二-」dl/l，其中」为电阻丝材料的泊桑
比，:
：
；，则dR/R=（1•2—■；：
）；，金属电阻材料的■上很小，即其压阻效应很弱，这样上式可简化为dR/R（1•2」）；，其灵敏度为S二业E=1・2・'■二常数。
为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电
dl/l
流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。
电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。
能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。
•电桥电路按辅助电源分有直流电桥和交流电桥，由于直流电桥的输出
信号在进一步放大时易产生零漂，故交流电桥的应用更为广泛。
直流电桥只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。
电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种。
直流电桥的连接方式
a）半桥单臂b）半桥双臂c）全桥
•金属应变片的稳定性和温度特性好，但其灵敏度小；而半导体应变片
应变灵敏度大；体积小;能制成具有一定应变电阻的元件，但它的缺点是温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
•它的应用实例如桥梁固有频率测量、电子称、桶式测力传感器等。
二、电容式传感器
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，若不考虑边缘效应，
其电容量为C二Aid当被测参数变化使得上式中的A、d或发生变化时，电容量C也随之变化。
若保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。
三种类型：
变极距型、变面积型、变介电常数型及每种类型的工作原理、两极板电容量的推导。
0-1—_f-n
ft
•电容式传感器的等效电路如图：
•电容式传感器的测量电路同样为电桥电路，如下图:
•电容式传感器的温度稳定性好，结构简单，动态响应好，可进行非接触测量，然而，输入阻抗高，负载能力差。
电容式传感器精度可达0.01%。
•其运用实例有电容传声器、转速测量、电容测厚仪、电容式油量表等。
电容传声器
二、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的一种置。
常分为可变
磁阻式、电涡流式和差动变压器式等类型。
其中可变磁阻式和电涡流式属于自感型传感器，差动变压器式属于互感性传感器。
（1）・可变磁阻式的原理是电磁感应，其具体电路如图：
•它结构简单，但灵敏度低
•其测量电路如图：
（2）
•电涡流式传感器的原理是基于涡流效应，其工作原理图如下:
•涡流式传感器有高频反射式和低频反射式两种，它的结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。
•涡流式传感器的应用实例有：
测厚、零件计数、侧转速、无损探伤等。
（3）•差动变压器式传感器是利用电磁感应中互感现象进行信号转换，其测量原路图如下：
H）电桥电料D）输出特性
发螺管线圈差动型屯桥屯路及输汕特性
•差动变压器式传感器响应速度快，分辨率高，测量精度高，线性好，灵敏度高，稳定性好，使用方便。
一般差动变压器传感器的线性精度可达0.01%，分辨率高达0.01伽。
•差动变压器式传感器可用于测微技术。
四、压电式传感器
•压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有
源传感器。
当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。
当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。
有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为“正压电效应”。
相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
具有压电效应的材料称为压电材料。
压电材料可以分为两大类：
压电晶体和压电陶瓷。
•压电材料的主要特性参数有：
（1）压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。
（2）弹性常数压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。
（3）介电常数对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。
（4）机械耦合系数在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。
压电式传感器的等效电路：
压电元件两电极间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘体，因此可以构成一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电
容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为：
Ca
压电元件受外力时，两表面产生等量的正负电荷，压电元件的开路电压为:
•压电传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联。
如下图（a）
•压电式传感器的测量电路：
测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用：
一是放大传感器输出的微弱信号；二是把它的高
输出阻抗变换为低输出阻抗电压放大器如图（a）：
£
HI■III-
•压电式传感器的性能特点：
高阻抗、低能量；但是无静态输出，要求有很高的电输出
阻抗。
需用低电容的低噪声电缆。
•压电式传感器的应用有：
压电式测力传感器、压电式加速度传感器、压电式金属加工
切削力测量、压电式玻璃破碎报警器等。
压电式金属加工切削力测量：
五、霍尔式传感器
•霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。
由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:
1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。
金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，
当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。
如下图：
/d
o
■o
•霍尔元件的主要性能参数：
（1）输入电阻和输出电阻
输入电阻：
控制电极间的电阻
输出电阻：
霍尔电极之间的电阻
（2）额定控制电流和最大允许控制电流
额定控制电流：
当霍尔元件有控制电流使其本身在
空气中产生10C温升时，对应的控制电流值
最大允许控制电流：
以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值
（3）不等位电势：
当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。
（4）寄生直流电势霍尔元件零位误差的一部分
当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个
直流电势
控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效
应。
两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势
（5）霍尔电势温度系数
在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率。
•霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特
性。
霍尔传感器动态性能好。
Uh
卩
k
E
由可变电阻来调节。
•霍尔传感器的基本测量电路如下：
激励电流由电压源E供给，其大小
布承式锻床力传感器原理酣
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•霍尔型传感器的应用有：
霍尔转速表、霍尔式微压力传感器、各种位
移传感器等。
辜尔转速表
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