传感原理

传感原理（共11篇）

传感原理 篇1

1 概述

扭矩又叫转矩, 是反映转动设备输出力的大小的重要参数。扭矩在物理学中用下面的公式计算。

其中:P表示转动设备的输出功率, 单位千瓦 (k W) ;M表示转动设备的输出扭矩, 单位牛米 (N·m) ;N表示转动设备的转速, 单位转/分钟 (r/min) 。

从公式 (1) 可以看出, 扭矩是一个与功率和转速相关的物理量, 它反映了转动设备输出功率和转速的比值关系。如果知道了转动设备的输出功率和转动速度, 就可以利用公式1计算出转动设备的扭矩。但实际生产中, 功率的测量是不容易的, 而扭矩可以利用较简单的装置把扭矩转化为力和磁的测量, 对于力和磁这两个物理量的检测, 我们有许多成熟工具, 这样扭矩的测量就变得相对简单了。

2 电阻应变式扭矩传感器的原理

我们知道, 在通常情况下, 当金属受外力作用时它的电阻值会发生变化, 其变化大小可以依据虎克定律求得, 这就是金属应变原理。电阻应变式扭矩传感器, 就是利用应变原理制成的。它的结构原理图如图1所示。

扭矩传感器利用高档箔式应变片组成了电桥, 在力的作用下电阻值增加或减小, 当输入端加上直流电压后, 输出端就可以得到随所施力大小而改变的电压信号。再经过信号处理计算, 我们就能知道扭矩的大小了。

3 扭矩传感器应用和调试

扭矩大小是发动机台架实验的重要参数之一。“卡特皮勒1G2”发动机台架应用的就是上面介绍的电阻应变式传感器, 以此为例分析扭矩信号集散电路原理和扭矩传感器的调试。

3.1 扭矩信号集散电路原理

图2中T2、T4分别接±5V电源给扭矩传感器提供激励电压。T3接传感器的信号输出端, 以IC7650高稳定的自稳零放大器为核心组成信号放大电路, 再经过LM348进行放大处理, 输出信号给计算机。

3.2 扭矩传感器的调试

扭矩传感器的调试包括零点满度的标定和静校。

当进行零点标定时, 测功机装好校正臂和校正盘, 不放砝码, 调节扭矩信号集散板上的电位器RW2及RW5, 使端子输出电压为OV;再加满砝码, 调节电位器RW3和RW4, 使端子输出电压后9.8V。

当零点和满度标定好以后, 就可以进行静校。校验的方法很简单, 就是往校正盘中逐次放入适当砝码, 然后根据公式 (2) :

其中Me是标准力矩, G是砝码质量, g是当地重力加速度, L是校正臂的长度。

计算出的标准力矩与计算机显示力矩上比较, 就可以完成校验。

4 扭矩传感器的故障与维修

“卡特皮勒1G2”发动机台架所使用的扭矩传感器内部接线为电桥型, 可以通过万用表测量其桥臂间的电阻来辨别好坏。参考图1, 正常时R1和R3, R2和R4的电阻值应一样, 如果阻值不一样, 说明桥臂平衡已被破坏, 传感器不能使用。根据使用和维修经验看, 扭矩传感器自身发生故障的机率很小。通常, 在激励电压正常和正确安装传感器后, 故障多发生在外围电路中, 总结如表1所示:

5 磁电感应式扭矩传感器

除了电阻应变式扭矩传感器, 还有一种较特殊的扭矩传感器, 就是磁电感应式扭矩传感器, 它电定子、转子、传感器轴和辅助电路组成。转子包括线圈固定在传感器轴上, 定子永久磁铁固定在传感器外壳上, 定、转子上都有相等的齿和槽。

测量扭矩时, 用两个完全相同的传感器, 它们的转子分别固定在被测轴的两端, 而定子用支架固定。一个传感器的定子齿和转子齿相对, 另一个则定子槽和转子槽相对。当转轴以一定角速度旋转时, 则在两个传感器输出线组内感应出电势大小相等, 频率相同, 相位差180°的近似正弦波, 而当被测轴受扭矩时, 两个绕组内感应电热相位差将不再是180°, 而是扭转角与定 (转) 子齿数的积。在弹性限度内, 材料扭矩与扭转角成正比, 因此, 测出扭转角也就得到了扭矩的值。这种扭矩传感器反应较电阻应变式传感器反应灵敏, 但抗干扰能力较弱, 对应用场所的电磁强度有较高要求。

6 结论

在发动机台架试验中, 大部分测功机的扭矩测量都像“卡特皮勒1G2”发动机台架一样, 利用固定在定子上的平衡臂将扭矩变为拉压力的测量。这时扭矩传感器严格地说应该叫拉压传感器。当然, 在发动机试验台架中也有进行纯扭矩测量的, 如CL-100齿轮油试验机使用的扭矩传感器。它的工作原理与电阻应变式扭矩传感器一样, 只是传感器外形不是传统的桥形, 而是圆柱形, 四个电阻应变片是贴在转轴上使用的, 输出信号是频率信号。

参考文献

[1]葛伟亮.自动控制元件[M].北京理工大学出版社, 2007.

传感原理 篇2

电喷发动机控制系统中的氧传感器是现代汽车中一个非常重要的传感器，用来监测发动机排气中氧的含量或浓度，并根据所测得的数据输出一个信号电压，反馈给电脑，从而控制喷油量的大小，它通常安装在排气系统中，直接与排气气流接触。结构

氧传感器采用二氧化锆（一种在有氧气的情况下能产生小电压的陶瓷材料)作敏感元件，即在传感器端部有一个由二氧化锆做成的试管状的套管，传感器内侧通大气，外侧暴露在排气中。发动机排出的废气，穿过装在排气歧管中的氧传感器的端部，与二氧化锆的外侧接触。空气从传感器的另一端进入，与套管的内侧接触。套管的内外表面覆盖了薄层多孔铂(白金)作为电极，内表面是负极，外表面是正极。铂起催化作用，使排气中的氧与一氧化碳反应，减少排气中的含氧量，提高传感器的灵敏度。一般在外侧电极表面还有一个多孔氧化铝陶瓷保护层，它可以防止废气烧蚀电极，但废气能够渗进保护层与电极接触。原理

氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。其基本工作原理是：在一定条件下(高温和铂催化)，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21％，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。

传感原理 篇3

许多原子由于它们特有的电子结构而具有像针那样有南北极的磁矩。当固体受到机械应力时，通常导致一定的变形能量储存在物体中。然而材料也会产生其他效应，而形成电场。元件受压时改变了磁畴的磁矩，其结果是沿着机械力作用的方向改变磁畴特性。这称为磁弹性效应，是传感器的基础。

当施加垂直力时，由于磁弹效应将产生磁各向异性现象，磁长随时间的变化将在线圈中感应出电压，因此，感应电压取决于次但特性，因为也就取决于所加的力。

１．振弦式传感器

目前振弦式传感器主要用语实验室的电子称和其他小称。在工业上曾用于台秤和皮带称。用质量对两根阵线预加负荷，当未知负荷通过角度的弦线施加负荷连接点时，左弦将受到增强的弦力作用，从而增大了该弦的固有频率。左右弦的频率之差正在与所施加的负荷，传感器的输出与将频率差变成脉冲计数对该脉冲串采样，即可直接读出重量值。绝大多数电子称重选用电阻应变式称重传感器。

应变计基本上是一个电阻，它由平行导线或金属箱作成一定的形状，并嵌入电环氧树脂材料作成的绝缘基底中。电阻变化正比于在弹性提上所施加的力，并被精确地测量出来。

热耗散是限制应变计允许通过电流的因素。其结果也就限制了称重传感器的不平衡电压输出。在传感器弹性体中进行有效的热耗散以获得稳定的测量结果是很必要的。

在电阻应变式称重传感器中，弹性提可以采用不同的形状。如圆环、柱式或弯曲梁筹。

2.电阻应变式称重传感器误差来源分析

电阻体积改变式称重传感器如同所有其他物理元件一样受到各种误差源的影响。零点平衡和灵敏度是误差的两个主要来源。其他的误差为：非线形，滞后，蠕度和不重复性。

在相同的外界条件下，重复测量同一负荷下称重传感器输出的最大差值。不重复度在任何传感器测量系统中都是一个即简单而又十分重要的因素。由于它是随即的因而无法补偿，多仪不能在测量系统中加以校准。因此不重复度是校准过程中的不利因素，也就限制了综合测量准确度的提高。

在称重系统中使用一个以上的传感器时，通常由于传感器之间负荷分配不匀，不可避免地引起称重误差。这成为“四角效应”。如果称重传感器具有相同的特性就可避免这种称重误差。

3.称重传感器的安装

正确的安装称量传感器显然是很重要的。如果传感器安装不正确，哪怕是质量最好的传感器和电子装置，也得不到正确的结果。

没有横向力作用于传感器是极其重要的，尤其对柱式传感器横向力将产生弯曲力矩，使贴在圆柱体表面的应变计感受应变。比应变量比所测量的垂直力产生的应变大得多。

目前一般常用以下三种方法来保护传感器免受横向力的作用：

（1）采用导向承压板，允许传感器在枢轴上转动。

（2）采用自动定位滚珠支座允许支承点横向位移。

（3）采用没有限往的自动定位支承安装系统。

4.静态称重系统中传感器的安装

静态称重包括在台架和平台上的称重，料斗和料槽的称重，以及吊车和运输车辆上的称重。

在设计称台或平台时必须考虑以下三个基本因素：

（1）称台或平台的位移。

（2）称重传感器的负荷分配。

（3）作用于称台或平台的外部水平力。

5.误差来源分析

电阻应变式称重传感器如同所有其他物理元件一样受到各种误差源的影响。零点平衡和灵敏度的温度效应是误差的两个主要来源。然而，在许多承重传感器中这些效应可以被补偿，因而剩下的效应可减少到初始值的10%左右。

6.对基础和承载器的要求

一个稳定的称重系统的先决条件是具有一个刚性支撑结构与（或）基础。同样，承载器（料箱，料斗，平台）上的连接法兰，拖架等必须具有相同的刚度。这样在满负荷时角位移保持最小。

如果放在同一结构上的容器数量超过一个，该结构必须设计成足够的刚度以防止由于大的饶曲引起互相干扰误差。

通常在称重传感器下面放一快厚基板以保证负荷均匀地传递到支撑结构，这一点对混凝土基础尤为重要，通常在基础上配置一快厚钢板，以便把称重传感器安装在上面。

对于具有4个或更多称重传感器的静态系统，传感器组合安装通常用垫片，以保证传感器均匀受载。

7.称台和平台

在设计称台或平台时必须考虑以下三个基本因素：

（1）称台或平台的位移。

（2）称重传感器的负荷配置。

（3）作用于称台或平台的外部水平力。

所有称台受载时将产生一定的位移。位移量采取称台是自由浮动的还是用限位元件紧固的，这两种情况都有不同的误差源。有可能降低系统的准确度。

在自由浮动称台中，称台本身的位移不会引起任何称重误差，但在称重时作用于称台的水平力使秤台碰状到自由浮动秤台四周的缓冲器，摩擦引起力的旁路，从而减少了称重传感器上的负荷。这种随即误差可能相当大，在称重过程中必须防止这种现象的出现。

所有称台受载时将产生一定的位移，位移量取决于称台是自由浮动的还是用限往元件紧固的，这两种情况都有不同的误差源，有可能降低系统的准确度。

CCD图像传感器原理 篇4

1 CCD分类

a.从CCD的工作特性可分为：线性CCD和矩阵式CCD。b.从工艺特性又可分为：单CCD、3CCD及Super CCD三种。c.按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD。

2 CCD结构

CCD从结构上分为线阵CCD和面阵CCD，从受光方式分为正面光照和背面光照两种。线阵CCD有单沟道和双沟道两种信号读出方式，其中双沟道信号读出方式的信号转移效率高。面阵CCD的结构复杂，常见的有帧转移 (FT) CCD、全帧转移 (FFT) CCD、隔列内线转移 (IIT) CCD、帧内线转移 (FIT) CCD、累进扫描内线转移 (PSIT) CCD等。

3 CCD成像原理

CCD (Charge Coupled Devices, CCD) 由大量独立光敏元件组成，每个光敏元件也叫一个像素。这些光敏元件通常是按矩阵排列的，光线透过镜头照射到光电二极管上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度，图像光信号转换为电信号。当CCD工作时，CCD将各个像素的信息经过模/数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。

CCD工作过程可分为电荷存储、电荷转移、电荷输出和图像信息还原四个阶段。

3.1 电荷存储

构成CCD基本单位是MOS电容器，类似于MOS晶体管结构，和其他电容器一样，MOS电容器能够储存电荷。当金属电极（称为栅）加正电压时（衬底接地），在电压的作用下，就会产生一个垂直于衬底表面的电场。在此电场的作用下，P型硅中的多子空穴被向下排斥，形成耗尽层。电子在那里势能较底，可以形象化地说，形成了电子的势阱，势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，栅电压越大，势阱越深。

3.2 电荷转移

若CCD基本单位MOS电容器之间排列足够紧密（通常相邻MOS电容电极间隙小于3μm），使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可使信号电荷（电子）在各个势阱中转移，并力图向表面势S最大的位置堆积。因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲G，就可改变它们对应的MOS的表面势S，亦即可改变势阱深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。就电荷转移方式来讲，CCD有二相、三相、四相等多种结构形式。下面是三相CCD转移图：

3.3电荷输出

电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构应用最广泛，结构如下图：

(a）浮置扩散输出（b）浮置栅输出

3.4 图象信息还原

Bayer方式滤色器，R-G-B-G四个单元为一组，G是R和B的两倍，因为人眼的视锥细胞对绿色更敏感。现在数码相机普遍采用的方式：R-Gr-B-Gb混合色亮度等于R、G、B各分量亮度之和，根据R、G、B三分量比例来还原色彩。

4 CCD主要参数

CCD主要参数有：总像素、有效像素、尺寸、灵敏度、量子效率、光谱响应特性、转移效率、不均匀度、动态范围、采样精度、线性度、噪声等。

4.1 灵敏度

它是指在一定光谱范围内单位曝光量的输出信号电压（电流）。也相当于投射在光敏元上的单位辐射功率所产生的电压（电流）。

4.2 量子效率

如果说灵敏度是从宏观角度描述CCD光电特性，那么量子效率是对同一个问题的微观描述，可以理解为1个光子能产生的电子数。

4.3 光谱响应特性

主要由光电二极管特性决定。下图是Si光电二极管的光谱响应曲线。

Si材料的禁带宽度决定了光谱响应的长波极限，由于波长愈短，半导体对光波的吸收系数愈小，这就决定了光谱响应的短波极限。

4.4 转移效率

转移效率η是指电荷包在进行每一次转移中的效率，即电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有部分的电荷转移过去，余下1-η部分没有被转移，由于CCD中信号电荷包大都要经历上千次的转移，即使值几乎接近1，但其总效率往往仍然很低。例如，如果转移效率为0.999，转移2000次的话，总效率只有0.135。S0009CCD的转移效率为0.99999, 平均转移2000次，总效率为0.98。

4.5 不均匀度

CCD成像器件不均匀性包括光敏元不均匀和CCD (CMOS）不均匀。一般CCD是近似均匀的，即每次转移效率是一样的。光敏元响应不均匀是由于工艺过程及材料不均匀引起的，画素越多，均匀性问题越突出，不均匀度是影响像素提高的因素，也是成品率下降的重要原因。CCD的成品率一般不足50%。

4.6 动态范围/采样精度

上限取决于光敏元势阱容量，下限取决于CCD能分辨的最小信号，即等效噪声信号。

动态范围=光敏元满阱信号/等效噪声信号

采样精度是指输出电荷经A/D转换成数字信号的位 (Bit) 数。采样精度越高，层次越多，图像越细腻。现在数码单反相机采样精度为12bits。采样精度影响到颜色层次过渡细腻程度，动态范围则影响到整个图像表达明暗动态范围。

4.7 线性度

线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量关系是否成直线关系。

通常在弱信号和接近满阱信号时，线性度比较差。在弱信号时，噪声影响大，信噪比低；在接近满阱信号时，耗尽层变窄，使量子效率下降，灵敏度降低，。

参考文献

[1]李云飞、李敏杰等, TDI-CCD图像传感器的噪声分析与处理, 光学精密工程, 2007-cqvip.com

[2]熊平, CCD与CMOS图像传感器特点比较, 半导体光电, 2004-cqvip.com

传感器原理学习心得 篇5

姓名： 哥

08级电子信息科学与技术1班

传感器原理学习心得

传感器应用极其广泛，而且种类繁多，涉及的学科也很多，通过对传感器的学习让我基本了解了传感器的基本概念及传感器的静、动态 特性电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式、磁敏式、光电式传感器与光纤传感器的结构、工作原理及应用。

传感器的特性主要是指输出入输入之间的关系。当输入量为常量或变化很慢时，其关系为静态特性。当输入量随时间变换较快时，其关系为动态特性。

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

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。

传感器的作用主要是感受和响应规定的被测量，并按一定规律将其转换成有用输出，特别是完成非电量到电量的转换。传感器的组成并无严格的规定。一般说来，可以把传感器看做由敏感元件（有时又称为预变换器）和变换元件（有时又称为变换器）两部分组成。

敏感元件

在具体实现非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有的技术手段直接变换为电量，有些必须进行预变换，即先将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种非电量。这种能完成预变换的器件称为敏感元件。变换器

能将感受到的非电量变换为电量的器件称为变换器，例如，可以将位移量直接变换为电容、电阻及电感的电容变换器、电阻变换器及电感变换器，能直接把温度变换为电势的热电偶变换器。显然，变换器是传感器不可缺少的重要组成部分。

在实际情况中，由于有一些敏感元件直接就可以输出变换后的电信号，而一些传感器又不包括敏感元件在内，因此常常无法将敏感元件与变换器加以严格区别。

通过本学期的学习让我了解在实际使用中对传感器的选择的要求如下： 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行 — 个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定.因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制.在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指针.2、灵敏度的选择

通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好.因为只有灵敏度高时,与被测

量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理.但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度.因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽员减少从外界引入的厂扰信号.传感器的灵敏度是有方向性的.当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好.3、频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有 — 定延迟,希望延迟时间越短越好.传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低.在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过火的误差.4、线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围.以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值.传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度.在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求.但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的.当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便.5、稳定性

传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性.影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境.因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力.在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响.传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化.在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验.6、精度

精度是传感器的一个重要的性能指针,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节.传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高.这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器.如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器.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、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。

目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。

通过对这门课的学习开阔了我的视野，让我了解了以前没有了解的东西。在韩老师的指导下让我明白了学习要有自觉性，要自己积极主动地去学习。

2010年6月28日星期一

07级自动化2班

传感原理 篇6

【关键词】传感器 CDIO 教学模式

一、引言

我国高等教育的迫切任务是尽快培养与国际接轨的中国工程师，然而在我国工科的教育实践中存在不少问题，如重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新的培养等。国内外的经验都表明CDIO的理念和方法是先进可行的，适合工科教育教学过程各个环节的改革。CDIO代表构思（conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。学院引入CDIO工程教育理念的目的就是要对传统的工程教育模式进行改革。

二、CDIO理念下的教学模式改革

在CDIO理念下的传感器相关课程，主要探讨一种将项目引入到教学中的教学模式。

1、明确学习目标。作为“传感器原理及应用”课程的授课教师，在学生首次接触该门课程时，将一个广阔的视野展示在他们面前，引用生活中鲜活生动的实例、具体的视频播放来冲击和震撼学生，进而进一步激发他们的求知欲和探索的兴趣。因此，作为课程开端的绪论尤为重要，摒弃传统教学中发展历史、发展前景的固定模式，取而代之的是大量的图片和视频展示，既包含大量的实际工程专业信息，又激发学生的兴趣，取得了事半功倍的效果。

2、课堂教学改革。基于CDIO设计理念，根据物联网专业涉及的传感器应用知识和检测非电量的难易程度，设计情境化教学方式，使学生在教学过程中掌握各类传感器选用、测量电路调试等相关专业知识和技能，同时提高学生职业素质和能力。同时，教学手段采用板书与PPT课件相结合的方法，图片、文字、动画以课件形式给出，有利于提高课堂效率，而工作原理推导、分析过程则采用板书形式，以加深印象，突出重要性。此外，计算机辅助教学工具MATLAB、Proteus的运用也必不可少，能更加直观、简洁、生动的反映出各种物理量的测量、显示结果。

三、实验与实践教学改革

以CDIO教学大纲为依据，整合院内所有各系现有实验室、实践资源创建CDIO创新实践平台，支持学生开展不同层次的项目、实验以及创新实践活动，从机制上保证学生创新精神和创新能力的培养；实现实践教学和理论教学的无缝连接。在实验与实践内容上，设计三类实验：一是验证性实验，紧跟理论教学进程，通过该类实验掌握常用传感器的使用和标定方法以及接口电路的设计，独立进行实验数据读取和实验结果分析，着重培养个人能力；二是综合性实验，从教学项目中，挑选了一些设计比较成熟、典型的项目让学生去实践开发，通过课堂外完成的知识积累动手设计实验、交流讨论，完成对实验的综合参数测量，使学生主动去解决实际问题；三是设计性实验，是一个综合性较强的实验课题，要求学生在具备了一定的实验能力的基础上，运用所学的相关知识进行综合分析、设计，用科学的方法来解决实际的问题，完成整个系统的设计和实现，使得传感器的学习有血有肉，和实际的应用实现无缝接轨，这样就增加了课程学习和实验开展的有效性和科学性，培养学生实际工程系统能力。

四、教学效果评价

传统评价方式主要通过最终考试成绩来实现，存在目标单一、内容片面简单化等缺点，而对传感器原理及应用课程本身来说，学习是一个积累、实践、创新的过程。故对学习成果的最终评价，采用闭卷考试占总成绩的50%，平时出勤、协作表现、主动意识等占15%，实验与实践占35%。从CDIO理念的角度出发，这种评价方式可以比较充分地反映学生在学习过程中取得的进展，促进学生学习主动性的形成，起到激励作用。

五、结论

生物传感器的原理与应用 篇7

1 生物传感器原理

生物传感器是一种以生物活性物质如酶、蛋白质、微生物、DNA及生物膜等作为敏感元件与适当的物理或化学转换器有机结合而组成的分析检测装置。

其工作原理[1]如下:待测物质经扩散作用进入分子识别元件 (生物活性材料) , 经分子识别作用与分子识别元件特异性结合, 发生生物化学反应, 产生的生物学信息通过相应的信号转换元件转换为可以定量处理的光信号或电信号, 再经电子测量仪的放大、处理和输出, 即实现分析检测的目标。

如图1所示, 生物物传感器具有接受器与转换器的功能, 由分子识别元件、转换器和信号放大装置组成。其中分子识别元件即固定化的生物敏感材料或者生物敏感膜, 主要包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸和高分子聚合物等;转换器的作用在于将各种生物的、化学的和物理的信息转换成电信号。微电子学和传感器技术的不断发展为检测生物学反应过程产生的信息提供了丰富的手段, 常见的转换器有氧电极、光敏管、场效应管和压电晶体等。

生物传感器存在多种分类方式。 (1) 是按照生物活性物质实施分类, 主要可以划分成酶传感器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器、细胞传感器以及DNA传感器等; (2) 是按照具体检测原理进行划分, 可以划分成光学生物传感器、压电传感器以及电化学传感器等; (3) 是根据相应的生物敏感物质之间的作用类型实施分类, 主要可以划分成亲和型与代谢型; (4) 是按照所监测到的生物量、物理量以及化学量情况, 将其划分成胰岛素传感器、热传感器以及光传感器等。

从生物传感器的具体特点进行分析, 具体情况如下。

(1) 生物传感器的速度相对较快, 且成本较低。比如, 固定化酶生物传感分析仪主要是利用固定化酶膜为相应的分析工具, 其酶法分析试剂能够进行反复使用, 大约可以利用数千次, 这种情况下, 其分析成本仅仅是手掌型血糖分析仪的大约十分之一。而且具有相对较高的分析速度, 一般情况下不到二十秒就会得到相应的分析结果与检测结果。 (2) 具有较强的专一性, 通常情况下, 生物传感器仅仅只对一些特定物质起反应, 不会受到颜色以及浊度等的影响, 也不需要实施样品预处理。 (3) 稳定性较好, 具有较强的分析精度。最后, 操作系统相对简单, 非常容易实现自动化分析处理。

2 生物传感器的应用

2.1 在食品工业中的应用

主要包括如下几点:

(1) 食品品质检测[3]包括畜禽肉、鱼肉和牛乳新鲜度的评定上, 目前, 加拿大、日本正在出售检测鱼新鲜度的生物传感器;还有食品滋味及熟度的检测, 日本农林水产省研制出一种传感器, 可“品尝”肉汤的风味; (2) 食品成分快速分析包括蛋白质和氨基酸的检测, 糖含量的检测, 有机酸和醇类等物质的检测等; (3) 食品安全检查包括食品中微生物的检测, 生物毒素的检测, 残留农药的检测, 食品添加剂的检测[2]。

2.2 在环境监测中的应用

(1) 水质监测, 目前, 生物传感器已用水中生化需氧量 (BOD) , 酚、三氯乙烯、硝酸盐及其他有机污染物的检测。 (2) 大气质量监测, 生物传感器可监测大气中的CO2, NOx, NH3CH4等[3]。

2.3 在医学的应用

生物传感器在医学领域发挥的作用越来越大。例如, 在临床医学中, 酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶, 制成微生物传感器。在军事医学中, 生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。目前, 生物传感器已应用于监测多种细菌、毒素与病毒, 还可以测量乙酸、乳酸以及尿酸等[4]。

2.4 在其他领域的应用

生物传感器在发酵工业和军事领域等也有广泛的应用。例如, 微生物传感器已用于发酵工业中的原材料、代谢产物和微生物细胞数目的测定, 在军事上, 生物传感器在化学、生物战剂的侦检方面具有独特的优势, 已应用于监测多种细菌、病毒等[2]。

3 结语

生物传感器技术已经取得了长足的发展和进步, 未来还将遇到各种问题和挑战, 但是它的应用前景和自身优势毋庸置疑。可以预见, 未来的生物传感器将实现功能多样化、微型化、智能化、集成化等特点, 并成为人们生产和生活中不可缺少的重要工具。

摘要：现阶段, 生物传感器的敏感元件是生物活性单元, 借助相应的物理转换装置以及化学转换装置可以对所规定的被分析物实施检测与分析, 由于其具有相对较高的灵敏度、检测速度以及相对较低的成本, 故可以实施连续性的动态化监测。该文首先描述生物传感器工作原理、结构、特点和分类等, 然后描述生物传感器在食品工业、环境监测和医学等领域中的应用现状。

关键词：生物传感器,原理,应用

参考文献

[1]马莉萍, 毛斌, 刘斌, 等.生物传感器的应用现状与发展趋势[J].传感器与微系统, 2009, 28 (4) :1-4.

[2]陈辉, 朱鸿杰.生物传感器研究进展[J].河北农业科学, 2010, 14 (9) :149-151.

[3]蒋雪松, 王剑平, 应义斌, 等.用于食品安全监测的生物传感器的研究进展[J].农业工程学报, 2007, 23 (5) :272-277.

自动门微波传感器原理 篇8

关键词：真空度,自动门微波传感器,反射式,遮断式

自动门微波传感器是采用多普勒原理的一种自动门微波传感器。适用于人或物体运动时信号的采集。在立体范围内主要为非接触式, 且不受气候条件影响, 易于隐蔽。该传感器主要由发射与接收双矩形腔体;振荡、混频电路;选频、放大、整形、灵敏度调整电路;信号显示控制电路及稳压电源组成。该传感器结构紧凑, 可长时间连续工作, 因此最适用于测速系统的智能控制、机要档案部门防盗报警的监控及自动门控制系统信号的采集。

1 自动门微波传感器的分类

由发射天线发出的微波, 遇到被测物时将吸收或反射, 使功率发生变化。若利用接收天线, 接收通过实测或由被测物反射回来的微波, 并将它转化成电信号, 再由测量和指示, 就实现了微波检测过程。根据上述原理, 微波检测传感器可分为反射式与遮断式两种。

1.1 反射式传感器

这种反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔, 来表达实测物的位置、厚度等参数。

1.2 遮断式传感器

这种遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物的位置与含水量等参数。

2 自动门微波传感器的原理

2.1 自动门微波传感器的工作原理

自动门微波传感器使用直径9 cm的微型环形开线用微波探测, 其天线在轴线方向产生一个椭圆形径为0 m~5 m (可调) 空间微波戒区, 当人体活动时其反射的回波和微波感应控制器发出的原微波场 (或频率) 相干涉而发生变化, 这一变化量经PLC12F510进行检测、放大、整形、多重比较以及延处理后, 由白色导线输出电压控制信号。

自动门微波感应控制器内部由环形天线和微波三极管组成一个工作频率为2.4 Hz的微波振荡器, 环形天线既做发射天线也可接收人体移动而反射的回波。内部微波三极管的半导体PN结混频后差拍检出微弱的频移信号 (即检测到人体的移动信号) 。

2.2 自动门微波传感器的工作原理图

自动门微波传感器由放大部分、电源部分、控制部分组成, 如图1所示。

3 自动门微波传感器的规格

●实用技术:单片机控制微波传感器

●检测原理:多普勒微波反射式

●微波中心频率:12 GHz/24.25 GHz/多普勒频率1 Hz~500 Hz

●发射功率:5 m W

●安装高度:2.1 m~3.0 m

●感应角度:水平角120° (天线端) 垂直角25°~90° (可调)

●检测区域: (典型值) 4 m (W) ×2.5 m (D) 增益65 d B

●检测模式:运动

●最小检测运动速度:5 cm/s (沿天线纵轴线测试)

●检测区域调整:机械调整平面天线仰角

●检测灵敏度调整:调整电位器

●温度范围:-20℃~+55℃

●抗干扰性能:电磁兼容性 (EMC) 符合89/336EEC标准

●电源电压:AC12 V~24 V±10%DC12 V~30 V±10%

●动作指示灯:接通电源电压, 自检 (指示灯闪烁5次)

绿色—正常状态

红色—感应状态

4 传感器结构说明

5 采用微波控制的优点

1) 成本低, 开发商易采用。

2) 几乎不受温度影响, 控制距离稳定。

3) 内含稳压电路, 适应新楼房电压偏差大的实际情况, 直流交流9 V~12 V都可以。

4) 当住户防盗门打开时灯即亮, (红外技术是:门打开灯不亮, 人移动时灯才会亮) , 更显人性化。

5) 灵敏度高、使用方便、节省电能。

6 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。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。为了适应这种情况, 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。

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。

7 结束语

自动门微波传感器是基于独特的微波传输技术, 其超薄的天线能实现多种频谱;根据雷达工作原理可以提供连续波多普勒雷达、调频连续波多普勒雷达、脉冲多模雷达;发送频率24GHz;探测精确、成本低、控制距离稳定不受干扰、灵敏度高、使用方便、节省电等特点。

参考文献

[1]郁有文, 常健, 程继红.传感器原理及工程应用[M].第2版.西安:西安电子科技大学出版社, 2002.

[2]张虹.电路与电子技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006.

霍尔速度传感器原理及算法介绍 篇9

工作原理

信号偏移处理

在现代汽车领域, 往往要求传感器模块工作在-40℃至150℃范围, 有些甚至要求工作在175℃。一方面磁性材料会受到温度影响, 另外霍尔探头本身也有温度效应。因此必须对霍尔传感器进行温度补偿。

除温度影响外, 霍尔元件还容易受到机械应力, 焊接或者封装影响, 且由于半导体工艺的波动造成产品之间存在差异, 如霍尔材料或者厚度不均匀等, 造成信号的偏差和漂移。通过chopper主动误差补偿方法可以消除信号路径产生的偏移、机械应力对霍尔探头影响以及焊接注塑等工艺对封装的影响所带来的偏差和漂移。

霍尔探头输出信号主要由三部分组成:工艺造成的差异, 机械应力误差以及霍尔电压。这三部分只有霍尔电压才是有用的信号, 其余部分是需要消除掉的偏差。

如图1所示, 在阶段1电流自上而下流入霍尔探头, 从右到左采样霍尔电压。在阶段2电流从左往右流入霍尔探头, 从上往下采样霍尔电压。同样的, 在阶段3和阶段4输入电流和输出电压继续旋转90°。由图1可以看出, 通过旋转电流方法, 只是改变了偏差的方向, 而不会改变霍尔电压的方向。通过代数方法很容易消除掉信号的偏差及漂移。

信号处理

霍尔速度传感器主要由电源电压调整电路, 霍尔探头, 放大器, 滤波器, 比较器, 数字信号处理电路, AD转换器, DA转换器等组成。霍尔探头检测到的磁场信号经过放大器放大并经过低通滤波器后由AD转换器转换成数字信号。AD转换器, 数字信号处理电路以及DA转换器组成闭环回路, 信号数字化后进入数字信号处理电路中, 处理电路会检测信号上升或者下降瞬态情况并相应触发输出信号, 同时还会检测信号最大最小值并计算其平均值, 该平均值通过DA转换后反馈到输入信号中用于补偿磁场信号偏移。比较器用于比较磁滞信号, 信号会根据不同磁滞算法进行切换。

英飞凌霍尔速度传感器介绍

英飞凌以TLE49XX命名霍尔系列传感器, 其中字母E代表汽车级, I代表工业级, V代表消费级。数字49代表霍尔感应原理, 50代表i GMR感应原理, 51代表AMR感应原理。最后两位数字代表其应用。英飞凌霍尔速度传感器可以应用在轮速, 变速箱速度, 凸轮轴和曲轴速度及位置检测等。

在信号输出方面, 主要有两线制电流式和三线制电压式两种。两线制电流式输出电流信号在7m A和14m A这两个电流上变换。图2是典型的两线制电流式传感器应用电路。

三线制电压式接口通常是“开路漏极接口 (Open-Drain-Interface) ”或“开路集电极接口 (Open-CollectorInter f ace) ”, 对于这类接口传感器, 外围电路需要有上拉电阻。图3是典型的三线制电压式应用电路。当输出MOSFET截止时, 输出信号Vsignal被上拉电阻拉升到输入电压Vs。当输出MOSFET导通时, MOSFET内阻相对于上拉电阻小很多, 因此输出信号Vsignal被拉低到地。

单霍尔传感器

在凸轮轴应用中, 凸轮轴传感器用于检测凸轮轴转速及位置, 它和曲轴传感器配合, 用于燃油喷射控制, 提高燃油效率。发动机启动时要求传感器能够迅速检测目标轮是齿还是槽。也就是说传感器还处于静止状态时就必须能够检测出目标轮状态, 即上电检测 (True Power On) 功能, 这一特性是差分式霍尔传感器所不具备的。英飞凌TLE498X系列 (含TLE4983C, TLE4984C以及在研发中的TLE4986C) 是专门针对凸轮轴应用的单霍尔速度传感器, 具有TPO功能, 动态自我标定算法, 可下线编程, 灵敏度及稳定性高等特点。

差分霍尔传感器

英飞凌提供差分霍尔传感器用于速度检测, 如果需要方向检测功能则需要有第三个霍尔探头用于检测目标轮转动方向。图4为带有方向检测功能的差分霍尔传感器。假设从左到右霍尔探头分别为B1, B3, B2。则ΔBspeed=B2-B1, ΔBdir=B3- (B 2+B 1) /2。取决于目标轮转动方向, 中间霍尔探头信号会比速度信号超前或者延迟90°, 通过比较方向和速度信号之间相位, 传感器能够判断出目标轮转动方向, 并输出相应PWM信号。

背磁

磁性传感器信号的产生离不开磁场, 而传感器感应面和目标轮之间磁场产生方式主要有两种:一种是磁性轮, 如图5左所示。还有一种是针对非磁性轮应用, 如图5右所示。对于这种非磁性轮应用, 设计时需要在传感器背面集成磁铁, 即背磁方式 (back bias) 。对于背磁方式, 除客户自主设计磁铁外, 英飞凌还提供集成背磁版本 (Integrated Back Bias) 的磁速传感器。需要特别指出的是, 对于需要有TPO功能的凸轮轴传感器以及基于i GMR感应原理的磁速传感器, 其背磁方式需要有磁路抑制技术, 英飞凌能够提供具有相关专利技术的背磁方案。

磁速传感器通过测量磁通量的变化来检测目标轮的运动以及参考位置, 在英飞凌规格书中, 差分式霍尔传感器可工作在磁场N极或者S极, 其背磁场强范围在-500~500m T, 传感器工作在更大的磁场强度下不会造成传感器的损坏, 其背磁磁场强度会直接影响传感器气隙表现。两个霍尔探头静态磁场差分强度ΔBstatic需要小于30m T, 如图6所示, 两个霍尔探头距离为2.5mm (TLE4941Plus C为2.0mm以便更好适应更小齿距的轮速传感器应用) , 需满足ΔBstatic=|Bp1-Bp2|<30m T, 如果ΔBstatic大于30m T, 可能造成输出信号占空比不良。为了减小静态差分磁场强度, 对于背磁感应方式, 传感器设计时可在背磁和传感器之间增加导磁片, 这样可以使得磁场分布更加均匀, 从而减小两个霍尔探头之间静态磁场强度差异。

磁滞概念

磁速传感器在汽车上有不同应用, 如轮速, 变速箱速度, 凸轮轴和曲轴速度及位置检测等, 其应用环境也不同。为了更好适应不同应用, 获得更好性能, 英飞凌磁性传感器提供灵活的磁滞算法, 主要有四种磁滞算法:HF (Hidden F i x e d) , V F (V i s i b l e F i x e d) , H A (H i d d e nAdaptive) , VA (Visible Adaptive) 。

所谓Hidden磁滞概念, 即信号在过零点处切换。输入信号幅度很容易受到空气间隙变化的影响, 而由于Hidden磁滞切换点在过零点处, 从而可以避免受到信号幅度影响, 所以Hidden磁滞算法可以获得最佳的相位精度。所谓Visible磁滞概念, 即信号在额定磁滞带上切换。对于齿距较长的目标轮, 选用Visible磁滞算法, 可以获得比较稳定的输出信号。

图7是典型的60-2齿的凸轮轴应用, 在目标轮长槽处, 由于差分式霍尔传感器两个霍尔探头检测到的磁场强度一样, 因此会有很长一段差分信号ΔB为0, 在信号处理过程中, 如果选用Hidden磁滞算法, 容易导致输出信号相位抖动。而选用Visible磁滞算法, 输出信号比较稳定。

所谓Adaptive磁滞概念, 即其磁滞水平受输入信号幅度影响。选用Adaptive磁滞算法, 能够起到振动抑制作用。所谓Fixed磁滞概念, 即磁滞水平为一定值。

为了更好地理解英飞凌磁性传感器磁滞算法的概念, 下面以TLE492X系列产品为例做进一步解释。

如图8所示为Hidden Fixed磁滞算法, 以TLE4926C-HT E6547为例, 其磁滞算法为Hidden Fixed。当输入信号幅值超过额定磁滞带时 (图例磁滞带阈值ΔBHYS为2m T) , 信号在过零点处切换。

如图9所示为Visible Fixed磁滞概念, 以TLE4924-1 E6547为例, 其磁滞算法为Visible Fixed。从图中可以看出其信号切换点在磁滞带上而不是过零点处, 又由于是Fixed磁滞, 因此其磁滞带为定值 (图例磁滞带阈值ΔBHYS为2.8m T) 。

如图10为Hidden Adaptive磁滞概念, 以TLE4927C E6547为例, 磁滞算法为Hidden Adaptive, 其信号切换在过零点处, 磁滞带水平动态对应PGA等级。当输入信号幅值超过该PGA等级对应磁滞带时, 信号会在过零点处切换。

超声波传感器原理及应用 篇10

20 世纪中叶, 人们发现某些介质的晶体 (如石英晶体、酒石酸钾钠晶体、PZT晶体等) 在高电压窄脉冲作用下, 能产生较大功率的超声波。它与可闻声波不同, 可以被聚焦, 能用于集成电路的焊接、显像管内部的清洗。现在超声波的应用已经渗透到我们生活中的许多领域, 例如B超、遥控、防盗、无损探伤, 等等, 为人类的生活带来极大的便利。

1 超声波传感器的工作原理

超声波是指频率高于20KH z的机械波。为了以超声波作为检测手段, 必须产生超生波和接收超声波。超声波传感器是一种可逆换能器, 利用晶体的压电效应和电致伸缩效应, 将机械能与电能相互转换, 实现对各种参量的测量。

目前常用的是压电式超声波发生器, 它是利用压电晶体的谐振来工作的, 该传感器有两个压电晶片和一个共振板, 当其两极外加脉冲信号, 且频率等于压电晶片的固有振荡频率时, 压电晶片将会发生共振, 并带动共振板振动产生超声波。反之, 如果两电极间未外加电压, 当共振板接收到超声波时, 将迫使压电晶片振动, 将机械能转换为电信号, 这时它就成为超声波接收器。

2 超声波传感器的应用

超声波传感器具有成本低、安装维护方便、体积小、可实现非接触测量, 同时不易受电磁、烟雾、光线、被测对象颜色等影响, 能实现在黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰和有毒等环境下工作, 因此在工业领域得到广泛的应用。

本文结合超声波传感器的工作原理, 简单论述了超声波在测井仪、自动焊缝跟踪、液位测量、液体浓度检测等方面的应用。

2.1 超声波传感器在测井仪中的应用

煤矿立井往往是采用钻井法施工, 在施工过程中可以对已成井控的半径, 井斜进行测量, 然后根据测量结果来确定井孔的偏斜程度及井壁有无塌方、缩径等现象, 并且及时采取措施, 保证成井井筒质量。对井径、井斜进行测量的方法一般有灯光测量法、重锤打印测量法、机械测井仪测量法和超声波测量法等。前两种测量方法测量精度低, 不能连续测量, 无法测出井径, 日前主要采用后两种测量方法。超声波井径、井斜测量具有测量精度高, 使用方便, 测量结果直观等特点, 它是种非接触式的检测方式。与其它方法相比, 它不受光线、被测对象颜色等影响对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有较强适应能力。

2.2 超声波在测量液位中的应用

超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号在液体中传播, 遇到空气与液体的界面后被反射, 接收到回波信号后根据超声波的往返时间就可以推算出距离或液位高度, 这种利用超声波进行测量的方法相比其它测量方法有很多优点:不需要任何机械传动部件, 无需接触被测液体, 不怕电磁干扰, 属于非接触式测量。因此性能稳定, 可靠性高, 寿命长, 响应时间短, 可以方便地实现无滞后的实时测量。

2.3 超声波自动焊缝跟踪

由于超声波传感器具有不受弧光和强电磁十扰、对检测物体表面起伏变化敏感、性价比高、可穿透烟尘等优点, 近年来在焊缝跟踪中得到了一定的应用。

用超声波传感器跟踪波纹板的一个波纹周期, 对输出信号进行快速傅立叶变换和巴特沃兹滤波后, 求出波纹板槽面与斜边交接处的折弯位置, 实现了波纹板折线焊缝自动跟踪。

2.4 超声波液体浓度检测

超声波液体浓度检测原理是基于超声波在液体中传播速度与液体浓度和温度之间存在着函数关系。根据声学原理, 液体中超声波传播的速度是液体弹性模量和密度的函数, 超声波的速度随液体弹性模量或密度而变, 同时也是溶液质量浓度和温度的函数。因此只要在不同温度下测得超声波的传导速度, 即可求出液体的质量浓度。

3 超声波传感器的发展趋势

超声波传感器作为典型的非接触检测技术, 同时具有体积小、成木低, 不受电磁、光线、烟雾等干扰的优点, 具有广阔的发展前景。以上综合分析了超声波传感器在工业几个典型方面的应用, 以下对超声波传感器的发展趋势做简单展望:

一是智能化、数字化, 新型超声波传感器应用于调整、适应不同的测量距离, 输出的信号有多种类型, 使得应用更加灵活。

二是多种传感器融合技术, 随着工业现场对传感器的检测精度和可靠性要求越来越高, 多种传感器 (如激光测距、红外线等) 与超声波传感器冗余结合使用, 充分发挥各自的优势, 提高传感器的总体性能, 也将成为超声波传感器的一个发展趋势。

4 总结

本文简要介绍了超声波的工作原理, 结合超声波传感器的特征, 给出了超声波传感器的在工业方面的几种典型应用, 并对传感器的发展趋势作了简单的展望。为今后对超声波传感器的进一步学习和研究提供一定的参考价值和实用价值。

摘要：本文简要介绍了超声波的工作原理、特点, 并分析了超声波传感器在工业的几个典型方面如测井仪、自动焊缝跟踪、液位测量、液体浓度检测等方面的应用。最后, 对超声波的发展趋势做了展望。

关键词：超声波传感器,原理,应用

参考文献

[1]赵小强, 赵连玉.超声波测距系统中的温度补偿[J].组合机床与自动化加工技术, 2008.

[2]李敏哲, 赵继印, 李建坡.基于超声波传感器的无线液位测量系统[J].仪表技术与传感器, 2005.

[3]施涌潮等.传感器检测技术[M].北京:国防工业出版社, 2007.

电磁类开关型传感器原理及其应用 篇11

当今社会以计算机技术、通信技术与传感器技术为核心支柱的信息技术飞速发展, 其中各类高、精、尖的传感器产品种类繁多、五花八门、不胜枚举。电磁类接近开关是传感器家族中众多的传感器中的一种, 它是利用电磁感应的工作原理, 用先进的工艺制成的, 是一种位置传感器。它能通过传感器与物体之间的位置关系变化, 将非电量或电磁量转化为电信号, 再通过二次仪表对电信号的处理达到控制或测量的目的。本文介绍了几种常用的电磁类接近开关型传感器, 对它们的原理与应用进行了说明。

(二) 电感式接近开关

1. 原理。

电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器, 它由LC高频振荡器、信号触发器和开关放大器组成。振荡电路的线圈产生高频交流磁场, 该磁场经由传感器的感应面释放出来。当有金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时, 就会使该金属物体内部产生涡流, 这个涡流反作用于接近开关, 使接近开关振荡能力衰减, 内部电路的参数发生变化, 当信号触发器探测到这一衰减现象时, 便把它转换成开关电信号。由此识别出有无金属物体接近开关, 进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。

2. 应用实例。

从图1可以看出电感式接近开关 (GDKG) 的应用, 利用它对金属物的敏感性, 可以对物体实现定位、数目的检测、料位的控制等功能。

3. 使用注意事项。

(1) 当被检测物体为非金属时, 在检测距离很小时也有反应, 另外很薄的镀膜层是检测不到的。 (2) 电感式接近开关的接通时间为50mS, 所以在用户使用产品时, 因负载和接近开关采用不同的电源, 所以务必先接通接近开关的电源。 (3) 请勿将接近开关置于200高斯以上的直流磁场环境下使用, 以免造成误动作。 (4) 不要将接近开关置于化学溶剂, 特别是在强酸, 强碱的环境中。

4. 电感式接近开关术语解释。

(1) 检测距离:动作距离是指被检测物体按一定方式移动时, 从基准位置 (接近开关的感应表面) 到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。 (2) 设定距离:接近开关在实际工作中整定的距离, 一般为额定动作距离的0.8倍。 (3) 回差值:动作距离与复位距离之间的绝对值。 (4) 标准检测体:可使接近开关作比较的金属检测体。一般采用的检测体为正方形A3钢, 厚度为1mm, 所采用的边长是接近开关检测面的2.5倍。 (5) 输出状态:分为常开和常闭两种类型。当无检测物体时, 常开型的接近开关所接通的负载, 由于接近开关内部的输出晶体管的截止而不工作, 当检测到物体时, 晶体管导通, 负载得电工作。 (6) 检测方式:分为埋入式和非埋入式两种类型。埋入式的接近开关在安装上为齐平安装型, 可与安装的金属物件形成同一表面, 非埋入式的接近开关则需把感应头露出, 以达到其长检测距离的目的。 (7) 响应频率f:按规定的1秒的时间间隔内, 接近开关动作循环的次数。响应时间t:接近开关检测到物体时间到接近开关出现电平状态翻转的时间之差, 可用公式t=1/f换算。 (8) 导通电压降:即接近开关在导通状态时, 开关内输出晶体管上的电压降。 (9) 输出形式:分NPN二线, NPN三线, NPN四线, PNP二线, PNP三线, PNP四线, DC二线, AC二线, AC五线 (自带继电器) 等几种常用的形式输出。

(三) 霍尔式接近开关

1. 原理

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时, 薄片的两端就会产生电位差, 这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U, 其表达式为:U=K·I·B/d, 其中K为霍尔系数, I为薄片中通过的电流, B为外加磁场 (洛伦慈力Lorrentz) 的磁感应强度, d是薄片的厚度。由此可见, 霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔接近开关就属于这种有源磁/电转换器件, 它是在霍尔效应原理的基础上, 利用先进的集成封装和组装工艺制作而成, 它可方便地把磁输入信号转换成实际应用中的电信号, 同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。

霍尔接近开关的输入端是以磁感应强度B来表征的, 当B值达到一定的程度 (如B1) 时, 霍尔接近开关内部的触发器翻转, 霍尔接近开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出, 和电感式接近开关类似有:NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型 (双极性) 、双信号输出几种类型之分。

霍尔接近开关是磁性接近开关中的一种, 具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点, 内部采用环氧树脂封灌制做成一体化结构, 所以能在各类恶劣环境下可靠地工作。霍尔接近开关可应用于接近开关, 压力开关, 里程表等, 它是一种新型的电器配件。图2是它的内部原理及转移特性图。霍尔式开关比电感式开关响应频率高, 它用磁钢触发, 电感式用导磁金属触发, 霍尔式开关感应距离除了与传感器本身性能有关外, 还与所选磁钢磁场强度有关。

2. 霍尔接近开关术语解释

(1) 磁感应强度:霍尔接近开关在工作时, 它所要求磁钢具有的磁场强度的大小。一般磁感应强度值B为0.02~0.05特斯拉。

(2) 响应频率:按规定在1秒的时间间隔内, 允许霍尔开关动作循环的次数。

(3) 输出状态:分为常开、常闭、锁存等几种类型。例如, 当无被检测物体时, 常开型的霍尔开关所接通的负载, 由于霍尔接近开关内部的输出晶体管的截止而不工作, 当检测到物体时, 晶体管导通, 负载得电工作。

(4) 输出形式:分为NPN、PNP、常开、常闭、多功能等几种常用的型式输出。

(5) 动作距离:动作距离是指被检测物体按一定方式移动时, 从基准位置 (霍尔开关的感应表面) 到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指霍尔开关动作距离的标称值。

(6) 回差距离:动作距离与复位距离之间的绝对值。

3. 应用实例

图3是由霍尔接近开关与其它芯片组成的智能型磁敏转速测试仪的工作原理框图。由于转速信号是以脉冲形式出现的, 当被测磁性物体磁场强度达到25毫特斯拉以上时, 其输出是标准的TTL电平。利用计算机的智能型控制、运算功能, 组成的转速表既简单又精确。如用3020型霍尔式接近开关, 单片机用8031 (它的晶振为6MHz, 经12分频后为0.5MHz) , 则其测量的最大转速为0.5MHz, 而最小测量转速可无限低。

4. 注意事项

(1) 直流型霍尔接近开关产品所使用的直流电压为3~28V, 其典型的应用范围一般采用5~24V, 过高的电压会引起其内部霍尔元器件参数随电压升高而变化的不稳定性, 而过低的电压容易让外界的温度变化影响磁场强度特性, 从而引起电路误动作。

(2) 当使用霍尔接近开关驱动感性负载时, 请在负载两端并接入续流型二极管, 否则会因感性负载长期动作时的瞬态高压脉冲影响霍尔开关的使用寿命。

(3) 一般霍尔接近开关产品用SMD工艺生产制造而成, 并经严格的测试合格后才出厂。在一般情况下使用是不会出现被损坏现象的, 但为了防止意外性事件发生, 用户在接通电源前应检查接线是否正确, 并核定其电压是否为额定值。

(四) 其它磁性接近开关介绍

1. 工作原理

磁性接近开关能以细小的开关体积达到最大的检测距离。它能检测磁性物体 (一般为永久磁铁) , 然后产生触发开关信号输出。由于磁场能通过很多非磁性物, 所以此触发过程并不一定需要把目标物体直接靠近磁性接近开关的感应面, 而是通过磁性导体 (如, 铁) 把磁场传送至远距离, 例如, 信号能够通过高温的地方传送到磁性接近开关而产生触发动作信号。

它的操作原理与电感式接近开关类似, 其内部包含一个LC振荡器、一个信号触发器和一个开关放大器, 还有一个非晶体化的、高穿透率的磁性软玻璃金属铁芯, 该铁芯造成涡流损耗使振荡电路产生衰减, 如果把它放置在一个磁场范围内 (例如, 永久磁铁附近) 此时正在影响振荡电路衰减的涡流损耗会被减少, 振荡电路不再衰减。因此, 磁性接近开关的消耗功率由于有永久磁铁接近而增加, 信号触发器被启动产生输出信号。它有广泛的应用, 如:可以通过塑胶容器或导管来对物体进行检测;高温环境的物体检测;物料的分辨系统;用磁石辨认代码等。限于篇幅, 具体应用不作介绍。

2. 磁性开关与其它接近开关的特点比较

优点: (1) 传感器可以整体安装在金属中。 (2) 传感器对并排安装没有任何要求。 (3) 传感器顶部 (传感面) 可以由金属制成。 (4) 传感器具有价格低廉, 结构简单。 (5) 它具有大的感应范围和高的开关频率。

缺点: (1) 动作距离受检测体 (一般为磁铁或磁钢) 的磁场强度影响较大。 (2) 检测体的接近方向会影响动作距离的大小, (径向接近是轴向接近时动作距离的一半) 。 (3) 径向接近时有可能会出现两个工作点。 (4) 检测体在固定时不允许用铁氧体或螺丝钉, 只能用非铁质材料。

(五) 结束语

磁性接近开关的种类很多、用途很广。以上介绍的只是其中的几种典型结构型式, 以及这几种接近开关的 (种类繁多的) 应用中的一小部分应用。它们可以在工业过程控制、物体检测、智能仪器仪表、军事、家用电器、安全保卫等诸多领域得到应用。它的发展方向是:微型化、智能化、高性能、高灵敏度、高稳定度、低价格、低功耗。我们相信随着计算机技术、芯片制造技术和传感器技术的飞速发展, 越来越多的、功能更强大的接近开关会不断出现。

参考文献

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[2]何立民.单片机应用系统设计[M]北京:北京航空航天大学出版社, 1990.

[3]李科杰.新编传感器技术手册[M].北京:国防工业出版社, 2003.

[4]郁有文.传感器原理及工程应用 (第三版) [M].西安:西安科技大学出版社, 2008.