测试与检测技术基础-传感器大作业-传感器的应用与发展综述

传感器的应用与发展综述

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一、引言

一个测试系统的第一个环节是信号的传感，传感即将被测的量或被观察的量通过一个被测量传感器或敏感元件转换成一个电的、液压的、气动的或其他形式的物理输出量，被测的或被观察的量与被转换的输出量之间根据可利用的物理定律应该具有一种明确的关系。用来完成这种转换的装置称为传感器或敏感元件。其中敏感元件是指直接感受被测物理量并对其进行转换的单元，而传感器则是敏感元件及其相关辅助元件和电路组成的整个装置，其中敏感元件是传感器的核心部件。本文通过对部分常用传感器的原理、性能、应用等方面的探究，做出对传感器发展趋势的展望。

二、不同传感器的工作原理

（一）电感式传感器

电感式传感器由振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成。振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量(如位移等)转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式(包括可变磁阻式与涡流式)和互感式(差动变压器式)两种。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。电感式传感器组成如下图1所示。

图1

（二）磁电式传感器

磁电式传感器是基于电磁感应原理,通过磁电相互作用将被

测量(如振动、位移、转速等)转换成感应电动势的传感器，它也被

称为感应式传感器、电动式传感器。根据电磁感应定律，N匝线

圈中的感应电动势。感应电动势的大小由磁通的变化率决定。磁

通量协的变化可以通过很多办法来实现:如磁铁与线圈之间作相

对运动;磁路中磁阻变化;恒定磁场中线圈面积变化等。因此可以制

造出不同类型的磁电式传感器。磁电式传感器是一种机一电能量

变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出信

号强，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围，适合于振动、转

速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。

一种装在柴油机上的磁电式传感器原理如右图所示，它主要

由旋转的触发轮（被等分的齿轮盘,上面有多齿或缺齿）和相对静止的感应线圈两部分组成。当机械运行时，触发轮与传感器之间的间隙周期性变化，磁通量也会以同样的周期变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电压信号。

（三）电阻式传感器

电阻式传感器种类繁多，应用广泛，其基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。在电阻式传感器中应用得最多的就是电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。在实际应用中，应变片主要分为金属应变片和半导体应变片两种，其工作的基本原理分别基于金属的电阻应变效应和半导体的压阻效应。

（四）压电式传感器

压电式传感器是基于压电效应的传感器。它是一种自发电式和机电转换式传感器，其敏感元件由压电材料制成，根据压电材料受力后表面产生电荷的原理，将此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。而这里的压电效一般指正压电效应，即当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

（五）电容式传感器

电容传感器是将被测的力学量如位移、力、速度、加速度等转换成电容变化的传感器。以平行班电容器为例，忽略边缘效应，其电容为：

C =(ε 0εA )/δ 其中0ε为真空介电常数，0ε=8.85×10-15F/m ；ε为极板间介质的介电常数；A 为极板面积；δ为极板

间距离。改变A 、ε和δ中的一个或多个都能改变电容的大小，可得到不同类型的电容传感器，通常可分为面积变化型、介质变化型和间隙变化型三种。

1. 面积变化型即改变电容面积使传感器工作，通常改变的面积与位移是成正比的，而电容大小与面积也成正比，故这类传感器的输入与输出是线性的，这也是它最大的优点。其缺点是横向灵敏度较大，对机械结构要求十分精确，测量精度相对变间隙式传感器较低。

2. 介质变化型即改变极板间介质的平均介电常数，通常为改变极板间不同介电常数介质的厚度或宽度。

3. 间隙变化型即改变极板间距离从而引起电容的变化。这类传感器一般是非线性的，但在△δ/δ很小时可近似看成线性。其灵敏度与间隙的平方成反比，故间隙越小灵敏度越高，但同时会增大非线性误差，所以这种传感器一般在较小范围内工作以减小非线性误差。实际应用中为提高灵敏度也常采用差动式结构。

电容式传感器测出的电容或电容变化很小，必须连接适当的放大电路将其转换为电压、电流或频率等易测量，常用有运算放大器电路、电桥测量电路和调频电路。

电容传感器可用于距离、速度、加速度及很多相关量的测量，它具有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好、可以实现无接触测量等特点。变面积型可用于测量距离、角度、压力；变介质型可用于测量厚度、非导电液体液面高度及相对湿度等；变间隙型主要用于测量距离和温度。

（六）光电传感器

光电传感器是利用光电效应工作的传感器。

光电效应一般有外光电效应、内光电效应、光生伏打效应。

1. 光照射到光电材料上，材料表面的电子吸收能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚而逸出材料表面，这种现象称为外光电效应。光子的能量和光的频率有关，光电效应方程式为：

h γ=0.5m v 2+A

其中m 为电子质量，v 为电子逸出速度，h 为普朗克常熟，γ为光的频率，A 为物体的逸出功。由此方程式可知，每一种光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值，当入射光的频率低于该值时不能引起光电子发射。