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Basic knowledge of transducers 传感器的基础知识 机械工程系 测控技术与仪器 B08122 白志珍 20084012203 刘健 讲师 2012年2月5日 北华航天工业学院教务处制

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译文标题 原文标题 作 者 原文出处 Marina Lambert, Basic knowledge of transducers 传感器的基础知识 译 名 马瑞兰伯特 国 籍 英国 Heating and Ventilation Featured Articles. January 2006 传感器的基础知识 传感器是一种将能量转化为光的、机械的或者更为普遍的电信号，这种能量转换发生的过程称之为换能作用。 按照能量转换的复杂程度和控制方式，传感器被分为不同的等级，用来测量位移的电阻式传感器被分类为电阻式位移传感器，其他的分类诸如压力波纹管、压力膜和压力阀等。 1、传感器元件 大多数的传感器是由感应元件，转换元件、控制元件、当然也有例外，例如：震动膜、.波纹管、应力管和应力环、低音管和悬臂都是敏感元件。对物理量作出反应，将物理的压力和力转换为位移，这些转换量可以被用作电参数，如电压、电阻、电容或者感应系数。机械式和电子式元件合并形成机电式传感设备或传感器。相似量的结合可以作为能量输入例如：热的、光的、磁的、化学的相互结合产生的热电式、光电式、电磁式和电化学式传感器。 2、传感器灵敏度 通过校正测量系统获得的被测物理量和传感器输出信号的关系叫做传感器灵敏度K1=输出信号增量∕被测量的增量，实际上，传感器的灵敏度是已知的通过测量输出信号，输入量由下式决定，输入量=输出信号的增量∕k1。 3、理想传感器的性能特点： a)高保真性：传感器的输出波形式对被测量的真实展现，并且失真很小。 b)被测量干扰最小，任何情况下传感器的精度不能改变。 c)尺寸：必须将传感器正确的放在所需要的场所。 d)被测量和传感器信号之间要有线性关系。 e)传感器对外部变换由很小的灵敏度,例如：压力传感器常常受到外部震动和环境温度的影响 f)传感器的固有频率应能够避开被测量的频率和谐波。 4、电传感器 电传感器由很多理想特性，它们不仅实现远程测量和显示，还能提供高灵敏度。电传感器可分为如下两大类。这些传感器依靠外界电压刺激来工作。 A、变参数型包括： ⅰ）电阻式 word文档 可自由复制编辑

ⅱ）电容式 ⅲ）感应式 ⅳ）自感应式 ⅴ）互感应式 B、自激型包括: ⅰ)电磁式； ⅱ）热电式 ⅲ）光栅式； ⅳ）压电式。 这些传感器都是自己产生输出电压来反映被测量的输入并且这些过程是可逆的;例如，一般的电子传感器通常能产生出输出电压来反映晶体材料的性能，.然而，如果在材料上加一个自变电压，传感器可以通过变形或与变电压同频率的振动来体现可逆效应。 5、电阻式传感器分类： ⅰ）那些表现为大电阻变化的物理量可通过分压方式进行测量，电位器就属于此类。 ⅱ）那些表现为小电阻变化的物理量可以通过电桥电路的方式来测量， 这一类包括应变仪和电阻温度计。 5.1、电位器 绕线式电位器由许多绕在非导体骨架的电阻丝以及滑行在线圈上的触头组成。结构原理如图，触头能够转动、直线式运动或者两运动合成的螺旋式运动。 如果测量设备的电阻比电位器的电阻大，那么电压既可以是交流也可以是直流，且输出电压与输入运动成正比。这种电位器受到分辨率和电噪声的影响，电噪声被定义为能检测到的输入量的最小的变化，电噪声分辨率大小取决于线圈与滑动触头围成的面积因此，输出电压为触头从一端移到另一端时一系列阶跃。 电子噪声可以通过接触电阻的振动、触头摩擦形成的机械磨损以及从敏感元件传出的触头振动产生。另外，测得的运动量可以通过惯性和电位器中移动元件的摩擦获得较大的机械载荷。触头表面的磨损将电位器的寿命限制为多少转。通常指的是生产商在说明书中提及的“寿命转数”，一个典型值为20*1000000转,空载电位器电路的输出电压V0由下式决定：设电阻R1= xi/at *Rat，其中xi为输入位移，at为最大可能位移，Rat为电位器的电阻。那输入电压为V*R1/(R1+( Rt-R1))=V*R1/Rt=V*xi/at*Retort=V*xi/it 上式表明，对于空载电位器输出电压和输入位移呈直线关系,通过提高激励电压V可以获得高的灵敏度,但是，V的最大值由电位器线圈金属丝的功率损耗P决定，即V=(Part)1/2。 5.2、 电阻应变仪 word文档 可自由复制编辑

电阻应变仪是由机械应变产生电阻变化的传感器。它们是耦合或者非耦合的。 a）耦合应变仪运用黏合剂可将应变仪与被检测的结构或部件的表面粘合或粘牢。 耦合应变仪分为： ⅰ)粘合在绝缘纸背后的金属细丝仪 ⅱ）在环氧树脂上粘贴导电箔片的光栅 ⅲ）在环氧树脂上粘贴铜或镍的半导体丝 电阻应变仪可作为单个元件仅在一个方向测量应力，或者几个元件的组合体可在几个方向同时进行测量。 b） 非耦合应变仪： 典型应变仪表明细电阻丝在悬臂弹簧偏差作用下改变电阻丝张力进而改变电阻丝的阻值。商业上通常在力、负载、压力传感器上运用此方法。 5.3、电阻温度传感器分类： a)金属（如铂、铜、钨、镍）的阻值会随着温度的升高而增大，即有一个正温度电阻系数。 b)半导体，如用锰、钴、铬或镍的氧化物制成的电热调节器，其阻值变化与温度变化存在一个非线性关系，即通常有一个负温度电阻系数。 c)金属电阻温度传感,在窄温度变化范围内，此类传感器取决于以下关系：R1=R0[1+a(b1-b0)]，式中，a阻抗系数，R0为b0=0°时C的电阻。 d)电热调节器（半导体）电阻温度传感器。 电热调节器为感温电阻器，其阻值变化与温度变化呈非线性关系。通常此类传感器有一负温度系数。对于小的温度增量，阻值的变化大体呈线性，但是如果存在大的温差，测量电路需运用特定线性化技术生成电阻随温度变化的线性关系。 电热调节器通常被制成附有玻璃质釉的半导体圆盘形状，由于电热调节器可以小到1mn，所以响应的时间非常快。 5.4、光敏元件 光敏元件采用光敏半导体材料做成。当照射在半导体上的光强度增大，金属电极间的阻抗就会降低。光敏元件常用的半导体材料有硫化镉、硫化铅和铜锗化合物。 频率的有效范围由所用材料决定。硫化镉主要适用于可见光，硫化铅在红外线区有峰值响应，所以最适合于光故障检测以及温度测量。 5.5、放射性光元件 当光照射到放射性光元件的阴极时，电子就会获取足够能量到达阴极。阴极就会吸收这些电子产生一个通过电阻R的电流，从而形成一输出电压V。产生的光电压V=I.R式中，I为光发射电流，I=K.B且为灵敏度，B输入照度（lm），尽管输出电压word文档 可自由复制编辑