传感器基础（一）

一、传感器：

       传感器：是指能感受被测物理量的变化，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

      传感器转换后的信号大多为电信号。

二、传感器的分类：

1）按被测物理量分类：

      常见的被测物理量：

机械量：长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转角、转数、质量、重力、力、压力、真空度、力矩、风速、流速、流量等；

声：声压、噪声；

磁：磁通、磁场；

光：亮度、色彩；

2）按传感器的工作原理分类：

机械式、电气式、光学式、流体式等。

3）按信号变换特征：能量转换型和能量控制型。

能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。如：热电偶温度计、压电式加速度计。

能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。如：电阻应变片。

4）按敏感元件与被测对象之间的能量关系：

物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。如：水银温度计。

结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。如：电容式和电感式传感器。

1、电阻式传感器：把被测量转换为电阻变化的一种传感器。

按工作原理分：变阻器式（直线位移型、角位移型、非线性型）、电阻应变式、热敏式、光敏式、湿敏式等。

1）变阻器式传感器的特点：

结构简单、性能稳定、使用方便；分辨力不高，容易产生噪声，适合于测量变化较缓慢的量。

2）电阻应变式传感器：

应变效应：导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象。

压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受力时，其电阻率发生变化的现象。

金属电阻应变片和半导体应变片

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。但其温度稳定性和可重复性不如金属应变片。

应变式电阻传感器：（应用：位移传感器、加速度传感器、重量传感器、压力传感器、转矩传感器等）

将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。

将应变片贴于弹性元件上，于弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用于测量力、位移、加速度等物理参数。

热电阻传感器（-200℃~+500℃）：利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。

光敏电阻传感器：

湿敏电阻传感器：

2、电容式传感器：

变换原理：将被测物理量的变化转化为电容量的变化。

分类：极距变化型、面积变化型（平行线位移型、角位移型、柱面线位移型）、介质变化型。

应用：振动测量、旋转轴的偏心量的测量、纱条均匀度测试仪、电容式氢液高度传感器  

如下图：

3、电感式传感器：基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量的一种装置。

分为：自感型（可变磁阻型、涡流式）和互感型

涡流式电感传感器：变换原理是金属体在交变磁场中的涡流效应。

涡电流：把一个线圈放到一块金属导体板附近，距离为s，当线圈通以高频交流电流时，便产生磁通，此交变磁通通过附近的金属板时，金属板上边产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称之为涡电流或涡流。

应用：测量位移、振幅、轴心轨迹、转速、厚度等，零件计数、无损探伤。

4、磁电式传感器：

变换原理：将被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。

应用：磁电式测速传感器、测速电机

5、压电传感器：是一种可逆型换能器，其工作原理是基于某些电介质所具有的压电效应。

压电效应：某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。

应用：在机床动态切削力测试中作压力传感器；在表面粗糙度测量仪中作力传感器；在测轴承支座反力作压力传感器。

6、磁敏传感器：

霍尔效应：将霍尔元件置于磁场B中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

应用：霍尔位移传感器、电流传感器、管道裂纹检测（磁场强度变化检测）。

传感器选用原则：

选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面。

1）灵敏度：

一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑灵敏度过高引起的干扰问题和量程范围。

2）线性范围：

任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出于输入成比例关系，线性范围越宽，则表面传感器的工作量程越大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。

3）响应特性：

传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。

4）稳定性：

稳定性是表示传感器经过长期使用后，其输出特性不发生变化的特性。影响因素是时间和使用环境。

5）精确度：

是表示传感器的输出与被测量的对应程度。

6）测量方式：

传感器的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。如：接触与非接触测量、破坏与非破坏测量、在线与非在线测量等。