我所了解的传感器 - 图文

测试与检测技术基础传感器部分课程报告

我所了解的传感器——传感器技术漫谈

班级：机械16班 姓名：马骥遥 学号：2011010570

2014年4月24日

我所了解得传感器——传感器技术漫谈

马骥遥 2011010570 指导教师：王雪

（清华大学 精密仪器与机械学系，北京 100084）

摘要

传感器是一种可以将感测到的被测量信息按一定规律转化为电信号或其它所需信号的测试装置，是目前用途最为广泛，最有发展潜力的检测装置。它集信息的传输、处理、储存、转换等多功能与一身，是实现自动化控制的首要环节。

本文简要概述了传感器的基本分类、基本原理，着重研究了视觉传感器的相关问题，探讨了传感器的未来发展趋势，并举例介绍了传感器科技尖端的研究成果。

关键词

传感器 视觉传感器

一、传感器的基本分类和基本原理

传感器的种类很多，常见的传感器有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、

激光传感器、霍尔传感器、生物传感器、化学传感器等。

1.1 电阻式传感器

电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理

量转换成电阻值的一种测量装置。

电阻式传感器具有结构简单、原理基础、输出精度较高、线性和稳定性较好、成本较低等优势，使其成为广泛应用的传感器。目前常见的电阻式传感器的类型有如下几种：

1.1.1 电阻式应变片

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电阻式应变片

电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。

常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。

电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，一般需要采取一定的补偿措施。

1.1.2 电位计式传感器

电位器式传感器

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电位器式传感器是一种把机械的线位移和角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻和电压输出的传感元件。

按其结构形式不同，电位器式传感器可分为线绕式、薄膜式和光电式等。按照输入和输出的特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。

电位器式传感器的主要优点有：结构简单、尺寸小、精度高、重量轻、输出信号大、性能稳定。

主要缺点是要求输入能量大、电刷与电阻元件之间容易磨损。

1.1.3 压阻式传感器

压阻式压力传感器

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压阻式加速度传感器

压阻式压力传感器示意图

压阻式传感器是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。 单晶硅材料的压阻效应是指，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、真空度等的测量和控制。

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

压阻式压力传感器不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面的某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥，从而可以测量应力大小。

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电容式称重传感器

电容式位移传感器

电容式转速传感器

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手机触屏中的电容式传感器

从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量，这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。

另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5 μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.1nm，比前者提高了四个数量级，最大量程为1250 μm，而且为零磁滞，因此他在精密小位移测量中受到青睐。

电容式传感器最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器若。忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。

δ、A、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。

极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化（见电容式压力传感器）。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜。

电容式传感器的突出优点有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好等。

1.3 电感式传感器

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电感式接近传感器

电感式浮球液位传感器

电感式位移传感器

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电感式水位传感器

电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置，是铁

心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。

电感传感器主要包括自感式、互感式和电涡流式传感器。 电感式传感器具有以下特点：

（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。 （2）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。 （3）线性度和重复性都比较好，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%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。

电感传感器的缺点是，它的频率响应较低，不宜快速动态测控等。 电感传感器的使用要求较多，具体如下：

（1）检测距离的衰减性。滑翘为铁质，适合电感式传感器检测；而滑翘被测部分的尺寸略小于标准检测物尺寸（标准被测物尺寸为3倍额定检测距离，此应用中，标准尺寸应为120*120mm），这样的话就会有一定的衰减。 （2）现场抗干扰能力。这个是不容忽视的问题，普通电感式传感器容易被电机或变频器干扰，很多技术人员只对在此附近的应用选择相应强抗电磁干扰的传感器。但在汽车制造车间，厂房大，现场技术人员习惯使用对讲机沟通，尤其是边走边用对讲机对话时，会不经意的靠近传感器，导致短暂失效。

（3）安装方面。随着电感式传感器的普及，传感器不仅仅在电气性能方面有所提升，其机械方面的设计也越来越人性化。要在最大程度的实现人性化安装。减少了多种近似产品的备货和减少了安装、维护的时间。

（4）稳定运行的保障。在车厂的使用中，要杜绝任何油污、尘污的侵蚀。另外，滑翘经过轨道时，震动是长期存在的，优异的抗震动性同样是有着非常重要的作用。

电感式传感器特别适合用于酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态CO2，氨水，PVC粉料，灰料，油水界面等液位测量，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。

1.4 激光传感器

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激光测距传感器

激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量

电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。

利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。

激光位移传感器

激光测速仪

1.5 霍尔传感器

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5oxh.html