传感器原理及用用
一、传感器的作用
随着现代测量、控制和自动化技术的发展,传感器技术越来越受到人们的重视。特别是近 年来,由于科学技术、经济发展及生态平衡的需要,传感器在各个领域中的作用也日益显著。 在工业生产自动化、能源、交通、灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生等方面所开发的各种
传感器,不仅能代替人的五官功能,并且在检测人的五官所不能感受的参数方面创造了十分有
利的条件。工业生产中,它起到了工业耳目的作用。例如,冶金工业中连续铸造生产过程中的
钢包液位检测,高炉铁水硫磷含量分析等方面就需要多种多样的传感器为操作人员提供可靠 的数据。此外,用于工厂自动化柔性制造系统(FMS )中的机械手或机器人可实现高精度在线
实时测量,从而保证了产品的产量和质量。在微型计算机广为普及的今天,如果没有各种类型
的传感器提供可靠、准确的信息,计算机控制就难以实现。因此,近几年来传感器技术的应用
研究在许多工业发达的国家中已经得到普遍重视。
二、传感器及传感技术
传感器(transducer 或sensor )是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规
律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。
过去人们习惯地把传感器仅作为测量工程的一部分加以研究,但是自60 年代以来,随着 材料科学的发展和固体物理效应的不断发现,目前传感器技术已形成了一个新型科学技术领 域,建立了一个完整的独立科学体系——— 传感器工程学。
传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术,它是检测(传感)原理、材 料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合。
检测(传感)原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学反应和生物反应等机理,各种功 能材料则是传感技术发展的物质基础,从某种意义上讲,传感器也就是能感知外界各种被测信
号的功能材料。传感技术的研究和开发,不仅要求原理正确,选材合适,而且要求有先进、高精
度的加工装配技术。除此之外,传感技术还包括如何更好地把传感元件用于各个领域的所谓 传感器软件技术,如传感器的选择、标定以及接口技术等。总之,随着科学技术的发展,传感技
术的研究开发范围正在不断扩大。
三、传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成,有时还需要加辅助电源,用方 块图表示,如图1 所示。
非电量
敏感元件转换元件测量电路
电量
辅助电源
图1 传感器的组成方块图
敏感元件(预变换器) :在
完成非电量到电量的变换时,
并非所有的非电量都能利用现
有手段直接变换为电量,往往
是将被测非电量预先变换为另
一种易于变换成电量的非电
1
量,然后再变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件,又称预变换器。如在传感器中
各种类型的弹性元件常被称为敏感元件,并统称为弹性敏感元件。
转换元件:将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件,例如压电晶体、热电 偶等。
需要指出的是,并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件,如热敏电阻、光电器件等。 而另外一些传感器,其敏感元件和转换元件可合二为一,如固态压阻式压力传感器等。 测量电路:将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路 称为测量电路。测量电路的类型视转换元件的分类而定,经常采用的有电桥电路及其它特殊 电路,如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡回路等。
四、传感器的分类
传感器的种类很多,目前尚没有统一的分类方法,一般常采用的分类方法有如下几种。 1 .按输入量分类
如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时,则相应的传感器称为温
度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。这种分类方
法给使用者提供了方便,容易根据测量对象选择所需要的传感器。
2 .按测量原理分类
现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。如根据变电阻的原理, 相应的有电位器式、应变式传感器;根据变磁阻的原理,相应的有电感式、差动变压器式、电涡
流式传感器;根据半导体有关理论,则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。
此外,传感器通常也可按结构型和物性型分类。所谓结构型传感器,主要是通过机械结构 的几何形状或尺寸的变化,将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化,从
而检测出被测信号,这种传感器目前应用得最为普遍。物性型传感器则是利用某些材料本身 物理性质的变化而实现测量,它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。
五、传感器的发展趋向
近年来,由于半导体技术已进入了超大规模集成化阶段,各种制造工艺和材料性能的研究 已达到相当高的水平。这为传感器的发展创造了极为有利的条件。从发展前景来看,它具有 以下几个特点。
1 .传感器的固态化
物性型传感器亦称固态传感器,目前发展很快。它包括半导体、电介质和强磁性体三类, 其中半导体传感器的发展最引人注目。它不仅灵敏度高、响应速度快、小型轻量,而且便于实
现传感器的集成化和多功能化。如目前最先进的固态传感器,在一块芯片上可同时集成差压、 静压、温度三个传感器,使差压传感器具有温度和压力补偿功能。
2 .传感器的集成化和多功能化
随着传感器应用领域的不断扩大,借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密细微 加工及组装技术等,使传感器从单个元件、单一功能向集成化和多功能化方向发展。所谓集成
化,就是将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导体技术将其制作在同一芯
片上,如集成压力传感器、集成温度传感器、集成磁敏传感器等。多功能化则意味着传感器具
有多种参数的检测功能,如半导体温湿敏传感器、多功能气体传感器等。
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3 .传感器的图像化
目前,传感器的应用不仅限于对某一点物理量的测量,而开始研究从一维、二维到三维空 间的测量问题。现已研制成功的二维图像传感器,有MOS 型、CCD 型、CID 型全固体式摄像
器件等。
4 .传感器的智能化
智能传感器是一种带有微型计算机兼有检测和信息处理功能的传感器。它通常将信号检 测、驱动回路和信号处理回路等外围电路全部集成在一块基片上,使它具有自诊断、远距离通
信、自动调整零点和量程等功能。使传感器向智能化方向前进了一大步。
传感器的一般特性
传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。静态量指稳定状态的信号或变化极其缓慢 的信号(准静态) 。动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。无论对动态量或静态量,传
感器输出电量都应当不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特
应变式传感器
§ 2桘1 金属应变片式传感器
金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片,它可将试件上的应变变化转换成电阻变 化。
应用时将应变片用粘结剂牢固地粘贴在被测试件表面上。当试件受力变形时,应变片的 敏感栅也随同变形,引起应变片电阻值变化,通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。 应变式传感器已成为目前非电量电测技术中非常重要的检测手段,广泛地应用于工程测 量和科学实验中。它具有以下几个特点。
① 精度高,测量范围广。对测力传感器而言,量程从零点几N 至几百kN ,精度可达 0畅05 % F ·S (F ·S 表示满量程) ;对测压传感器,量程从几十Pa 至1011 Pa ,精度为0畅1 % F ·S 。
应变测量范围一般可由数με(微应变)至数千με(1 με 相当于长度为1 m 的试件,其变形为1
μm 时的相对变形量,即1 με = 1 × 10 - 6 ε) 。
② 频率响应特性较好。一般电阻应变式传感器的响应时间为10 - 7 s ,半导体应变式传感
器可达10 - 11 s ,若能在弹性元件设计上采取措施,则应变式传感器可测几十甚至上百kHz 的
动态过程。
③ 结构简单,尺寸小,重量轻。因此应变片粘贴在被测试件上对其工作状态和应力分布的 影响很小。同时使用维修方便。
④ 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工
作。
⑤ 易于实现小型化、固态化。随着大规模集成电路工艺的发展,目前已有将测量电路甚至 A /D 转换器与传感器组成一个整体。传感器可直接接入计算机进行数据处理。 ⑥ 价格低廉,品种多样,便于选择。
但是应变式传感器也存在一定缺点:在大应变状态中具有较明显的非线性,半导体应变式 传感器的非线性更为严重;应变式传感器输出信号微弱,故它的抗干扰能力较差,因此信号线
需要采取屏蔽措施;应变式传感器测出的只是一点或应变栅范围内的平均应变,不能显示应力
场中应力梯度的变化等。
尽管应变式传感器存在上述缺点,但可采取一定补偿措施,因此它仍不失为非电量电测技 术中应用最广和最有效的敏感元件。
电容式传感器
电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。它与电阻式、电感式传感器相比 具有以下优点。
① 测量范围大。金属应变丝由于应变极限的限制,Δ R /R 一般低于1 % ,而半导体应变
片可达20 % ,电容传感器相对变化量可大于100 % 。
② 灵敏度高。如用比率变压器电桥可测出电容值,其相对变化量可达10 - 7 。
③ 动态响应时间短。由于电容式传感器可动部分质量很小,因此其固有频率很高,适用于 动态信号的测量。
④ 机械损失小。电容传感器电极间相互吸引力十分微小,又无摩擦存在,其自然热效应甚 微,从而保证传感器具有较高的精度。
⑤ 结构简单,适应性强。电容传感器一般用金属作电极,以无机材料(如玻璃、石英、陶瓷
等)作绝缘支承,因此电容传感器能承受很大的温度变化和各种形式的强辐射作用,适合于恶
劣环境中工作。
然而,电容传感器有如下不足之处。
① 寄生电容影响较大。寄生电容主要指连接电容极板的导线电容和传感器本身的泄漏电 容。寄生电容的存在不但降低了测量灵敏度,而且引起非线性输出,甚至使传感器处于不稳定
的工作状态。
② 当电容传感器用于变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性。
近年来,由于材料、工艺,特别是在测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的 水平,因此寄生电容的影响得到较好地解决,使电容传感器的优点得以充分发挥。
传感器的应用(二)
教学目标
1.知识与技能:www.ks5u.com
(1)理解温度传感器的应用――电饭锅、测温仪的工作原理。
(2)理解光电传感器的应用――鼠标器、火灾报警器的工作原理
2.过程与方法:
(1)通过对电饭锅的构造和原理的探究以及测温仪的了解,进一步地深入认识温度传感器的应用
(2)通过对鼠标器以及火灾报警器的原理的探究,认识光传感器的应用。
3.情感、态度与价值观
(1)培养学生的学习兴趣,激发创造的欲望。
(2)感受物理与生产生活的紧密联系
教学重点
温度、光传感器的应用原理及结构。
教学难点
温度、光传感器的应用原理及结构。
教学方法
PPT 课件,演示实验,问题驱动 阅读
教学用具
铁氧体(收音机中的磁棒)、电烙铁、温度计(可达110℃的)、小磁体、电饭锅,鼠标器,烟雾式火灾报警器
教学过程
一、引入新课
上节课我们学习了力传感器、温度传感器、声音传感器及其工作原理。请大家回忆一下我们学了哪些具体的力、温度、声音传感器?
学生思考后回答:电子秤,动圈式话筒,电容式话筒,驻极体话筒,电熨斗等等。 这节课我们继续来学习一些传感器的原理和应用。我们先来做个小试验:
我们先让铁氧体和小磁体吸在一起,然后把铁氧体支起来,小磁体就被铁氧体给掉在空中了,我们再将温度计悬在铁氧体的上方,刚好使它的测温点与铁氧体接触(好监测铁氧体的温度),最后用电烙铁(功率比较大好用)给铁氧体加热。请同学们注意观察随着温度的升高,会发生什么现象?(最好用大屏幕放出来)
二、进行新课
1、温度传感器——电饭锅
在刚才实验的基础上,请同学们带着一个问题——那就是铁氧体有什么特点?去阅读本节课的第一自然段:
学生读完书后:铁氧体,它的特点是常温下,能够被磁铁吸引,但是温度上升到约为103℃时,就失去了磁性,不能被磁体吸引了。我们把103℃就叫做该材料的居里温度或居里点。
师:结合电饭锅的结构图请同学们思考与讨论:
(1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮?手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态?为什么?
(2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度?为什么?
(3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会有什么变化?这时电饭锅会自动地发生哪些动作?
(4)如果用电饭锅烧水,能否在水沸腾后自动断电?
生1:开始煮饭时,用手压下开关按钮,永磁体与感温磁体相吸,手松开后,按钮不再恢复到图示状态。
生2:水沸腾后,锅内大致保持100℃不变。
生3:饭熟后,水分被大米吸收,锅底温度升高,当温度升至“居里点103℃”时,感温磁体失去铁磁性,在弹簧作用下,永磁体被弹开,触点分离,切断电源,从而停止加热. 生4:如果用电饭锅烧水,水沸腾后,锅内保持100℃不变,温度低于“居里点103℃”,电饭锅不能自动断电。只有水烧干后,温度升高到103℃才能自动断电。
2.温度传感器的应用——测温仪
师:现在我们来学习另一个温度传感器——测温仪,请同学们阅读教材66页正文的第一二自然段,思考、讨论并回答下面问题:
(1)温度传感器测温仪有何优点?
(2)常见的测温元件有哪些?
(3) 测温仪是如何工作的
(4) 什么是热电偶?
生1:可以远距离读取温度的数值.因为温度信号变成电信号后可以远距离传输. 生2:热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等.
生3:
生4:所谓的热电偶就是将两种不同材料的导体或半导体A 和B 焊接起来,构成一个闭合回路,当导体A 和B 的两个焊接点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势, 因而在回路中形成一定大小的电流, 这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
(第四个问题,学生可能答不上来,老师可以适当的讲解)
3.光传感器的应用——鼠标器
师:阅读教材67页有关内容,思考并回答问题。
(1)鼠标器的主要组成?
(2)鼠标器中光传感器的主要部件是什么?。
(3)鼠标器的工作原理?
生1:鼠标器的内部结构包括:滚轴x ,滚轴y ,滚球,码盘,电路板。
生2: 鼠标器的光传感器主要由红外发射管、红外接收管、滚轴、滚轮组成。
生3:工作原理:当鼠标在左面上滚动时,滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动,红外接收管就收到断续的红外线脉冲,输出相应的电脉冲信号。计算机分别统计X 、y 两个方向的
脉冲信号,处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。
4.光传感器的应用——火灾报警器
师:许多会议室、宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器,火灾报警器是光传感器应用的又一实例。
师:引导学生阅读教材有关内容,思考并回答有关问题。
以利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器为例,简述其工作原理。
生:报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED 、光电三极管和不透明的挡板.平时,光电三极管收不到LED 发出的光,呈现高电阻状态.烟雾进入罩内后对光有散射作用,使部分光线照射到光电三极管上,其电阻变小.与传感器连接的电路检测出这种变化,就会发出警报.
师:实验:把光敏电阻、多用表的直流电流档和干电池按照图甲连成电路,对光照的强度进行比较性测量。光敏电阻受到的光照越强,电路中的电流越大。
白天,将它放在教室中适合阅读的地方,记下电流表的读数,晚上,用它来测灯光对书桌的照明。比较两者的差别。
还可以按照图乙,把光敏电阻R 的引脚穿过硬泡沫塑料板Z 而固定,再罩上内壁涂黑、长度足够的遮光简T ,避免杂散光的干扰然后分别把不同的光源L (如蜡烛、几种不同功率的白炽灯泡、日光灯管等)都放在与光敏电阻相同距离(例如1m )的位置,比较它们的亮度。
这个实验也可以用硅光电池来做。由于光电池在受到光照时可以自己产生电动势,所以电路中不用电源。
想一想,怎样用如图所示的装置来制作一个摄影用的曝光表?
典型例题:
1、温度传感器的应用
【例1】如图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图,箱内的电阻R1=20 kΩ,R2=10 kΩ,R3=40 kΩ,Rt 为热敏电阻,它的电阻随温度变化的图线如图乙所示.当 a 、b 端电压 Uab0时,电压鉴别器使 S 断开,停止加热,恒温箱内的温度恒定在_________℃.
解析:设电路两端电压为U ,当Uab=0时,有
解得Rt=20 kΩ
由图乙可知,当Rt=20 kΩ时,t=35℃。
答案:35
2、光传感器的应用
【例2】如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图。A 为光源,B 为光电接收器,A 、B 均固定在车身上,C 为小车的车轮,D 为与C 同轴相连的齿轮。车轮转动时,A 发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号,被B 接收并转换成电信号,由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内脉冲数为n ,累计脉冲数为N ,则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是 ,小车速度的表达式为
v= ;行程的表达式为 = 。
解析:这是一道以实际问题为背景的实验题,显然无法通过迁移课本实验中的方法来解决。但是题目给出了装置图,该图及题文中的相关说明给我们一定提示,光束原来是连续的,是转动的齿轮使光束变为脉冲,因此脉冲情况必定与齿轮(或车轮)的转动有关,也就与速度和行程有关。
根据速度的意义和车正常行驶的情况,应有v=2πR f,其中R 为车轮的半径,f 为单位时间内车轮转过的圈数;若车轮的齿数为P ,则转一圈应有P 个脉冲被B 接收到,因此有 ,代入上式,有 。
同样,根据行程的意义,应有 ,其中f 为整个行程中车轮转过的圈数;而 ,所以 。可见,还必须测量的物理量和数据是车轮的半径R 和齿轮齿数P ,速度和行程的表达式如上面两式所示。
答案:车轮的半径R 和齿轮齿数P ; ;