传感器实验报告

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1、传感器测位移传感器是一种物理装置或者生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理 条件（如光、热、湿度）或者化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他 装置或者器官。一、传感器的作用：英文名称： transducer / sensor国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是： “能感受规定的被测量并按照一 定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感 元件 和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到 的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足 信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测 和自动控制的首要环节

2、。“传感器 ” 在新韦式大词典中定义为： “从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器 件”。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用 “换能器 Transducer” 来称谓 “传感器 Sensor” 。、传感器的作用： 人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉 器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。 为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长， 又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首 先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传

3、感器是获取自然和生产领域 中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过 程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。 因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 在 基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多 新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm 的粒 子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。此外， 还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术 研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空

4、、超强磁场、超弱磁砀等等。显然， 要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许 多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和 高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展， 往往是一些边缘学科开发的先驱。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙 开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等 等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各 种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明

5、显 的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出 现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。三、传感器的原理：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致 伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将 转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系 的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。向传感器提供15V电源， 激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生 交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次 级线圈，得到的交流电源通过

6、轴上的整流滤波电路得到5V的直流电源，该电 源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成 的高精度稳压电源产生土4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作 为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级 的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v1v的强信号，再通过V/F转换 器 LM131 变换成频率信号，通过信号环形变压器 T2 从旋转的初级线圈传递至 静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受 的扭矩成正比的频率信号，该信号为 TTL 电平,既可提供给专用二次仪表或频率 计显示也可直接送

7、计算机处理。由于该旋转变压器动静环之间只有零点几毫米 的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具 有很强的抗干扰能力。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠 性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用 将会有巨大增长。四、传感器的应用：常见的：1.自动门，利用人体的红外微波来开关门2.烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的3.手机，数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图象4.电子称，利用力学传感器（导体应变片技术）来测量物体对应变片的压力

8、，从而达到测量重量目的5.水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等都是智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如 ,它在机器人领域中有着广 阔应用前景,智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能 ,可感知各种现象 , 完成各种动作。在工业生产中,利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（例如, 黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制。 而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些 量（如温度、压力、流量等）。Cygnus公司生产了一种葡萄糖手表，其外观像普通 手表一样,戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试

9、。葡萄糖手表上有一块 涂着试剂的垫子，当垫子与皮肤接触时，葡萄糖分子就被吸附到垫子上 ，并与试剂 发生电化学反应，产生电流。传感器测量该电流，经处理器计算出与该电流对应的 血糖浓度，并以数字量显示。五、传感器的功能：常将传感器的功能与人类 5 大感觉器官相比拟： 光敏传感器视觉 声敏传感器听觉 气敏传感器嗅觉 化学传感器味觉 压 敏、温敏、流体传感器触觉敏感元件的分类：物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 化学类，基于化学反应的原理。 生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。 通常据其基本感知功能 可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏 元件、放射

10、线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分 46 类）。传感器的特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有 相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传 感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与 其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要 参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。（1）线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范 围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。（2）灵敏度：灵敏度是传

11、感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引 起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。（3）迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特 性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输 出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。（ 4）重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。（5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身 结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。六、传感器动态特性：

12、所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中， 传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对 标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对 任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常 用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶 跃响应和频率响应来表示。传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中， 为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、 线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。 拟合直线

13、的选 取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将 与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称 为最小二乘法拟合直线。传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量变化Ax的比 值。 它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线 性关系，则灵敏度 S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。 灵 敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm 时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏

14、度， 可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。 传感器的分辨率分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输 入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出 不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变 化超过分辨率时，其输出才会发生变化。 通常传感器在满量程范围内各点 的分辨率并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最 大变化值作为衡量分辨率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分 辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。七、测位移传感器： 利用霍尔型传感器测位移霍

15、尔效应定义：金属或半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当 有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将会产生电动势，这种现象称 为霍尔效应。如下图：霍尔元件原理：由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果，设在N型半导体薄片上通以电流I, 则半导体中的载流子(电子)沿着与电流方向相反运动(速度V),由于在垂直 于半导体薄片平面的方向上施加磁场B，所以电子受洛仑兹力 的作用，向一边 偏转(虚线所示)，并使该边形成电子积累，而另一边则为正电荷积累，于是形 成电场，该电场阻止运动电子的继续偏转。当电场作用在运动电子上的力 与洛 仑兹力 相等时，电子的积累便达到动态平衡，在薄片

16、两横断面之间建立电场， 相应的电势称为霍尔电势。IBdR t霍尔系数(mV )H/ CI t控制电流(cs) B t磁感应强度(T) d t元件厚度(m)其中：1.0IB neS5 :厚度其中： n :电子浓度e :电荷量另Kh = y（neS ）贝【JE = K IBHHRh =PRPT载流体电阻率RT载流子迁移率（N型半导体的较大，很高。所以，RH大。）另kh二RHd （ V%Wb）霍尔元件灵敏度。连接电路图：输出特性线：l=10kQ1.0 利用电阻式传感器测位移电阻式传感器原理：电阻应变片的工作原理是基于应变效应, 即在导体产生机械变形时, 它的电 阻值相应发生变化。如下图所示, 一根金

17、属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻值为R=P .LS式中：P 电阻丝的电阻率；L电阻丝的长度；S电阻丝的截面积。当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长 L,横截面积相应减小 S,电阻率将 因晶格发生变形等因素而改变p ,故引起电阻值相对变化量为AR AL AS Ap= + RLSP式中 L/L是长度相对变化量，用应变表示AL =L S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量，即AS _ 2ArS - T当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长/,横截面积相应减小AA,电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了 dp，从而引起电阻值相对变化量dR dl dA dp= + -R l A p轴向应变dl8 =l径向应

18、变dA dr=2Ar式中，“为电阻丝材料的泊松比,dr dl二一卩二一陆rl负号表示应变轴向方向相反。dRdp得:K =旦=1 + 2 + 88通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。 其物理意义 是单位应变所引起的电阻相对变化量。连接电路图：r+3+5)UT2RGLeREFoINA321Shutdown输出特性曲线： 利用差动变压器测位移：差动变压器原理：差动变压器式传感器 , 简称差动变压器( Liner Variable Differential Transformer 简称 LVDT), 它是一个有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。 传 感器的可动铁芯和待测物相连 , 两个

19、次级线圈接成差动形式, 可动铁芯的位移 利用线圈的互感作用转换成感应电动势的变化, 从而得到待测位移。由差动变压器的灵敏度表达式可知，传感器的灵敏度将随电源电压Usr和变压比N2/N1的增大而提高，随 起始间隙增大而降低。一般情况下取NN2/N1=12,太大时，次级线圈的输出阻 抗过高，易受外部干扰的影响。必须注意，位移量要限制在一定范围内，6 0 一般在0.5 mm左右。6 0过大，灵敏度要降低，而且边缘磁通将增大到不能忽 略的程度， 从而使非线性增大。 在实际输出特性中， 当6 0=0 时， 还存在着零 位电压U0。连接电路:!/%、*rslx、./h,rrsi(b)差动变压器式传感器输出

20、特性曲线：输出特性曲线八、比较几种传感器的优缺点及改善电容式传感器好适 接陆输 性， 好非 效量 P二nL 2 % 习匕匕 一兀、尺可 比厶冃 2s、s雇 温结昨劭可赃具适1 1,2,应3,4,1触5,6,入亠乔影 越 抗羣容 灣 阻此电 包 出討生 韦 输斷寄 具 ，勺、 ， 1 CO17有屏? _?1- HA 0电涡流式传感器灵 ，介并触 。抗 , 宽等，接 厂臥 单 围污响非 围釧虽 简高范油影行 范速加 构度响受的进量用用扰 结敏频不质能测适响干 ? ? ? 9 ?1 2 3 4 5体要 线传径 物性 的到苴 量特 移受圈 测理 位围线制 被物高量范黠限 对的求测性感的 ? ?1路 电 偿 用 采?1X霍尔传感器切能感位用进 工可 好简熟 一要敏成利器 子一范能构应 .只置换可感OX 生结艺 广量前变即传量高飓W高訂”工 用电过件量尔测度性频性态件， 应非通元移霍行精线作靠动元单 1 2 3 4影 磁氏 势强和 电 或时 立刁 不大也 ? 4 ?1 肝2场路站 电块 唯攒整L2,堂差动变压器七 h EH 可范、咼简 能值度构 性示精结 ? ? ? ?12 3 4产压 L电保称测 艺对的 路 工的适线 和构合路偿 计结用线补 设证选豊用 ? ? ? 1 0D