传感器培训讲义Word文档格式.docx

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不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。

也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。

半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。

此处插入：

元素是具有温度自补偿的金属箔式应变片和半导体应变片图片。

3、应变片的粘贴

金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝或金属箔制成，如下图所示。

（a）丝式应变片 

（b）箔式应变片

4、单臂电桥、半桥、全桥测量转换电路

为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，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。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；

双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；

全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。

因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。

基本电路如下图（a）、（b）、（c）所示。

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

应变片测量电路

（a）、单臂

Uo＝U①－U③

＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R5）－R7／（R7＋R6）〕E

＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E

设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。

则Uo≈（1／4）（△R1／R1）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE

（b）、双臂（半桥）

同理:

Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE

（C）、全桥

Uo≈（△R／R）E＝KεE

单臂电桥做成flash,U0处改成万用表，当鼠标放到“R1＋△R1”部分时，鼠标变成手形，操作员控制向两边拉，电阻明显变大，同时U0处万用表电压值变化。

二、固态压阻式压力传感器

1、压阻效应

压阻效应：

在一块半导体的某一轴向施加一定的应力时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使半导体的电阻率发生变化的现象。

压阻效应的强弱可以用压阻系数π来表征。

压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。

压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。

2、压阻式传感器的结构

膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。

四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。

压阻式压力传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。

单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。

压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。

特别是它的体积小，最小的传感器可为0.8mm，在生物医学上可以测量血管内压、颅内压等参数。

3、x型硅压力传感器工作原理

压组式传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。

压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它直接通过硅膜片感受被测压力。

摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器如下图所示：

在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。

并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。

扩散硅压力传感器的工作原理：

在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流

，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂直电流方向将会产生电场变化

，该电场的变化引起电位变化，则在端可得到被与电流垂直方向的两测压力引起的输出电压Uo。

式中d为元件两端距离。

实训项目

一、电阻应变片测量——电子称

1、电阻应变片——单臂电桥实验

实验内容与步骤

1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．差动放大器调零。

从主控台接入±

15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。

将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V。

关闭主控台电源。

（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）

3．按图1-1连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。

4．加托盘后电桥调零。

电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入下表。

重量（g）

电压（mV）

6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

图1-1单臂电桥面板接线图

2、电阻应变片——半桥实验

1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实验一步骤2。

3．按图1-2接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。

图1-2半桥面板接线图

3、电阻应变片——全桥实验

3．按图1-3接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边。

图1-3全桥面板接线图

4、电阻应变片-电子称实验（标定）

电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。

1．按实验三的步骤1、2、3接好线并将差动放大器调零。

2．将10只砝码置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（满量程时的增益），使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。

3．拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将差动放大器调零和加托盘后电桥调零。

4．重复2、3步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲Kg即可以称重。

5．将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表。

6．去除砝码，托盘上加一个未知的重物（不要超过1Kg），记录电压表的读数。

根据实验数据，求出重物的重量。

电压（V）

7．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

二、扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验

实验内容及步骤

1．接入+5V、±

15V直流稳压电源，模块输出端Vo2接控制台上数显直流电压表，选择20V档，打开实验台总电源。

4．调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。

5．气室1、2的两个活塞退回到刻度“17”的小孔后，使两个气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，将MPX10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1使直流电压表200mv档显示为零。

6．保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力到0.01MPa，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。

直到P1的压力达到0.095Mpa；

填入下表。

P（kP）

Uo2（V）

7．保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，从0.01MPa每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。

直到P2的压力达到0.095Mpa；

8．保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。

直到P1的压力为0.005Mpa；

9．保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。

直到P2的压力为0.005Mpa；

10．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

图1-4扩散硅压力传感器接线图

项目二转速传感器

转速传感器，将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。

转速传感器属于间接式测量装置，可用机械、电气、磁、光和混合式等方法制造。

按信号形式的不同，转速传感器可分为模拟式和数字式两种。

一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式转速表，但在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定度不能够满足更高的要求，因此在测量方法和传感器的选择上显得尤为重要。

常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。

1、霍尔式传感器测转速

　霍尔传感器是一种磁传感器。

用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。

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。

　由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图所示，是其中一种型号的外形图。

霍尔传感器的特性：

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图所示，在一定的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

利用霍尔传感器测转速是在非磁性材料的圆盘边上均匀粘六块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出六个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。

根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度

二、光电传感器测量转速

采用光耦构成一个转速测量系统，如下图所示。

从图中可见，转子由一直流调速电机驱动，可实现大转速范围内的无级调速。

转速信号由光电传感器拾取，码盘表面黑色，圆盘边缘均匀分布了六块磁铁，然后将光电传感器固定在正对磁铁的某一适当距离处。

光电头采用低功耗高亮度LED，光源为高可靠性可见红光，无论黑夜还是白天，或是背景光强有大范围改变都不影响接收效果。

三、磁电式传感器测转速

磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成电势信号的传感器。

法拉第电磁感应定律

磁电式转速传感器是通过对磁场强弱变化的感应来测量机械轴转速的，它的内部安装有专门的磁阻元件。

磁电式转速表使用的磁阻元件，其阻抗值会随着磁场的变化而变化，这样当检测齿轮运动改变磁阻元件周围磁场时，就可反应为阻抗值的变化。

磁电式转速传感器磁阻元件阻抗值变化，会在线圈内形成一个脉冲信号，磁电式转速传感器在接收到脉冲信号后，通过公式计算就能得到被测量轴的转速值，并将其形成电压脉冲信号，最后连接到显示部件上，即可显示出测量结果。

磁电式转速传感器的磁阻元件在温度的影响下，会产生阻抗值的变化，也就是发生温漂。

磁电式转速传感器的制造企业为了减少温度对测量结果的影响，会采用双磁阻元件的设计方式，这样既可以补偿温度影响，也能增加磁电式转速表的测量灵敏度。

四、光纤传感器测转速

这种传感器的结构较简单，它利用光纤位移传感器作探头，将反射膜片粘在转动圆片上，从而构成转速测量传感器，如图所示

这种传感器工作原理为：

光源发出的光经发射光纤传输并投射到磁铁的表面，反射后由接收光纤接收并传至光敏元件。

由于磁铁均匀分布在圆盘边上，当圆盘转动时，反射光便有强弱之分，因而输出电平便有高低之分，其变化周期与转动速度相同，故可方便地用于转速测量。

五、电涡流传感器测量转速

利用电涡流的位移传感器及其位移特性，当被测转轴的端面或径向有明显的位移变化（齿轮，凸台）时，就可以得到相应的电压变化量，再配上相应电路测量转轴转速。

实训项目：

一、霍尔传感器测量转速

1．安装根据图28-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。

图28-1

2．将+5V电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。

3．打开实验台电源，选择不同电源+4V、+6V、+8V、+10V、12V（±

6）、16V（±

8）、20V（±

10）、24V驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后记录相应驱动电压下得到的转速值。

也可用示波器观测霍尔元件输出的脉冲波形。

+4V

+6V

+8V

+10V

12V

16V

20V

24V

转速（rpm）

二、磁电式传感器测量转速

1．按下图安装磁电感应式传感器。

传感器底部距离转动源4～5mm（目测），磁电式传感器的两根输出线接到频率/转速表。

2．打开实验台电源，选择不同电源+4V、+6V、+8V、+10V、12V（±

10）、24V驱动转动源（注意正负极，否则烧坏电机），可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后，记录对应的转速，也可用示波器观测磁电传感器输出的波形。

三、电涡流传感器测量转速

1、将电涡流传感器安装到转动源传感器支架上，引出线接电涡流传感器实验模块。

2、合上主控台电源，选择不同电源+4V、+6V、+8V、+10V、12V（±

10）、24V驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后，记录驱动电压对应的转速，也可用示波器观测磁电传感器输出的波形。

驱动电压（V）

4v

6v

8v

10v

12v

16v

20v

24v

四、光纤传感器测量转速

1．将光纤传感器安装在转动源传感器支架上，使光纤探头对准转动盘边缘的反射点，探头距离反射点1mm左右（在光纤传感器的线性区域内）。

2．用手拨动一下转盘，使探头避开反射面（避免产生暗电流），接好实验模块±

15V电源，模块输出Uo接到直流电压表输入。

调节Rw使直流电压表显示为零。

（Rw确定后不能改动）

3．将模块输出Uo接到频率/转速表的输入“fin”。

4．合上主控台电源，选择不同电源+4V、+6V、+8V、+10V、12V（±

10）、24V驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化。

也可用示波器观测光纤传感器模块输出的波形。

驱动电压V（V）

转速n（rpm）

五、光电传感器测量转速

1．光电传感器已安装在转动源上，如下图所示。

+5V电源接到三源板“光电”输出的电源端，光电输出接到频率/转速表的“fin”。

2．打开实验台电源开关，用不同的电源驱动转动源转动，记录不同驱动电压对应的转速，填入下表，同时可通过示波器观察光电传感器的输出波形。

六、磁敏元件测量转速

1．将磁敏传感器安装在传感器支架上，使传感器探头底部距离转盘的距离约1~2mm左右（目测）。

2．将±

15V直流稳压电源接入应变传感器实验模块，将Rw3调节到最小，短接差动放大器的两个输入端Ui，调节Rw4使Uo2输出为0（Uo2接直流电压表2V档）。

3．按图40-3接线，磁阻传感器的三根引线红色接1，蓝色接2，黑色接3，MR1、MR2与R6、R7构成一个电桥，电桥输出接差动放大器输入Ui，调节Rw1，使模块输出Uo2输出为正，且最小（若输出最小值始终为负，可掉换MR1和MR2的位置）；

输出Uo2接频率/转速表。

4．打开实验台电源开关，用不同的电源驱动转动源转动，记录不同驱动电压对应的转速，填入下表，同时可通过示波器观察光电传感器的输出波形。

项目三位移传感器

测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。

位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法，激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。

1、电感式位移传感器

电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。

电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。

电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制方面。

电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。

电感式传感器的特点是：

（1）无活动触点、可靠度高、寿命长；

（2）分辨率和灵敏度高，能测出0.01微米的位移变化；

（3）传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。

（4）线性度高、重复性好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%；

（5）测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；

（6）无输入时有零位输出电压，引起测量误差；

（7）对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；

（8）频率响应较低，不适用于高频动态测量。

电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。

常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。

在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。

　　变间隙型电感传感器：

这种传感器的气隙随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。

它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。

气隙一般取在0.1～0.5毫米之间。

　　变面积型电感传感器：

这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被测量的变化而改变,从而改变磁阻。

它的灵敏度为常数，线性度也很好。

螺管插铁型电感传感器：

由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。

其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。

衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。

这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作。

2、霍耳式位移传感器

它的测量原理是保持霍耳元件的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。

磁场梯度越大，灵敏度越高；

梯度变化越均匀，霍耳电势与位移的关系越接近于线性。

霍耳式位移传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此常用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。

消除了机械接触，寿命长、可靠性