传感器

电阻式传感器

见 P157

电位器

见 P158

• 可用于测量角位移 / 触摸屏
• 使用时, 测量电路应有较大的内阻
• 特点: 结构简单价格低廉, 输出信号大, 分辨力较低, 动态响应较差

应变片

见 P161

将应变片的微小机械变形转化为电阻 $R$

• 可用于测量材料应变, 延伸可用于测量质量, 力与扭矩, 加速度 (惯性力), 材料振动
• 灵敏度, 温度补偿与测量电路见 P164
• 响应速度一般
• 通过增大应变片电阻值, 可以加大应变片承受电压与输出信号, 但尺寸也会增大
• 半导体应变片电阻变化的主要原因是电阻率随应变变化, 金属应变片则是长度伸长与面积缩小

其他电阻式传感器

• 热敏电阻 P165
  • 可用于温度控制
  • 分为正负温度系数两种类型, 不是热电偶
• 光敏电阻 P167
  光照越强, 电阻越小
• 磁敏电阻 P169
  • 可用于接近开关, 转速测量
  • 无法测出磁场方向
  • 其余应用类似霍尔传感器 (与永磁铁组合测金属)
• 气敏电阻 P169

电感式传感器

见 P170

自感式传感器

见 P171

将被测量转化为自感 $L$

• 有以下几种形式
  • 气隙变化型
    非线性, 高精度的小范围 ($mm$) 非接触式测量 (金属接近开关)
    使用差分结构增加灵敏度, 抗干扰 P172
  • 面积变化型
    线性性一般, 应用少
  • 螺线管型
    线性性较好, 低灵敏度的大范围测量
  • 双螺线差动管型
    线性性最好, 高灵敏度的小范围 ($\mu m$) 测量 (测微计)
• 可用于测量位移, 延伸可用于测量力与扭矩, 加速度 (惯性力), 材料振动

涡流式传感器

见 P175

将被测量转化为线圈阻抗 $Z$

• 基于涡流效应, 可测量板间距离, 电阻率, 磁导率, 激励频率
• 可测量金属距离 (金属位移传感器), 金属探测, 安全门
• 可用于金属无损探伤

互感式传感器

见 P176

将被测量转化为线圈互感 $M$

• 相比另外两种电感式传感器, 线性性最好
• 有时也称为差动变压器
• 可用于测量微小位移, 延伸可用于测量材料受力微小变形 (加速度, 压力), 材料振动, 表面粗糙度

其他传感器

电容式传感器

见 P178

将被测量转化为电容容值 $C$

• 极距变化型
  • 非线性, 灵敏度与距离有关
  • 可用于测量微小的位移, 延伸可用于测量振动 (驻极体麦克风) 与加速度
  • 使用差分结构提高线性度
• 面积变化型
  • 线性性好, 但灵敏度低
  • 可用于测量直线位移与角位移
• 介质变化型
  • 测量由介质变化导致的电容变化
  • 可用于液位与物位检测, 非金属接近开关, 触摸屏

压电式传感器

见 P184

将被测量 (外力) 转化为电荷信号 (P220 电荷放大器)

• 压电陶瓷受到外力作用时内部会被极化, 表面产生电荷
• 通过压电效应将外力转变为电荷信号, 动态响应能力最好, 通过逆压电效应产生超声波
• 可用于测量高频振动 (接收超声波, 机械振动分析), 变形 (模态分析), 受力 (加速度)
• 超声波测距中, $d=\Delta t\cdot c/2$, $\Delta t$ 为回波时间, 通过相关分析获取, $c$ 为声速, 一般取 $340m/s$

磁电传感器

见 P181

将被测量 (速度) 转化为感应电动势 $e$ (属于能量转换型传感器, 可直接读取信号, 不同于电感式传感器需要间接测量其他物理量)

• 感应电动势大小与速度 (仅能测量动态位移) 成正比, 可用于测量速度, 角速度与振动 (动圈式麦克风)
• 对速度进行处理, 可得到加速度信息, 因此可用于制作加速度传感器
• 动态响应速度较快

霍尔元件

见 P191

• 使用霍尔效应测量磁场, 可测量出磁场的大小与方向
• 结合永磁体, 可制成金属接近开关, 用于测量转速 (见 P191 例7-26)
• 结合永磁体, 利用漏磁原理, 可用于铁磁材料的无损探伤
• 根据安培定律, 可通过电流产生的磁场测量电流

光电传感器

见 P193

• 光电池 (光电二极管) 可应用于红外探测, 亮度传感器
• 光敏管 (光电晶体管) 相比光电池, 灵敏度更高
• 可用于制作光电开关, 光幕 (检测物体经过), 光电式脉冲编码器

电热偶

见 P198

不是热敏电阻, 直接将温差转变为电信号

• 热电偶必须由两种以上的材料制成
• 热电势只取决于两端温度

数字式传感器

• 光栅传感器 P205
  • 采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器
  • 利用了莫尔条纹现象
• 图像传感器 P195
  用于物体识别
• 光纤传感器 P202
  • 利用光纤在外界弯曲与相变的作用下, 其光学特性如光强、相位、偏振态等的变化来实现传和感的功能 (布拉格光栅)
  • 工作时, 光纤上各传感器设计成在频率上错开, 同时发发送信号
• 流量传感器
  • 基于多普勒效应的超声流量计
  • 基于法拉第电磁感应定律的导电液体体积流量计
• 生物传感器 P206

传感器选择

传感器选择注意

• 凡是可以直接测量位移, 速度, 加速度其中一个物理量, 就可以通过信号处理, 测出其他两个物理量
• 直接测量位移, 速度, 加速度的传感器适用于测量低频, 中频, 高频信号 (响应速度由慢到快)
• 通过对受力变形的测量可转化为加速度 (惯性力)

传感器的性能指标

见 P209