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传感器的类型及原理

发表时间:2012年02月27日 来源:汽配百科 编辑:沫沫

传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成,是能感受规定的物理量,并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说,传感器是把非电量转换成电量的装置。

(1)敏感元件是指能直接感受(或响应)被测量的部分,即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。   

(2)转换元件则将上述非电量转换成电参量。   

(3)测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量,以便进行显示、记录、控制和处理的部分。     

常见传感器类型及工作原理      

(一)霍耳式传感器   

1.霍耳效应   

半导体或金属薄片置于磁场中,当有电流(与磁场垂直的薄片平面方向)流过时,在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势,这种现象称为霍耳效应。   

2.霍耳元件   

目前常用的霍耳材料锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等 。N型锗容易加工制造,霍耳系数、温度性能、线性度较好;P型硅的线性度最好,霍耳系数、温度性能同N型锗,但电子迁移率较低,带负载能力较差,通常不作单个霍耳元件。

(二)热电式传感器   

1.热电效应   

将两种不同性质的金属导体A、B接成一个闭合回路,如果两接合点温度不相等(T0≠T),则在两导体间产生电动势,并且回路中有一定大小的电流存在,此现象称为热电效应。   

2.热电阻传感器   

热电阻材料通常为纯金属,广泛使用的是铂、铜、镍、铁等   

3.热敏电阻传感器   

热敏电阻用半导体制成,与金属热电阻相比有以下特点:   

(1)电阻温度系数大,灵敏度高;(2)结构简单,体积小,易于点测量;(3)电阻率高,且适合动态测量; (4)阻值与温度变化的关系是非线性的;(5)稳定性较差。   

(三)光电式传感器   

1.光电效应   

当光线照射物体时,可看作一串具有能量E的光子轰击物体,如果光子的能量足够大,物质内部电子吸收光子能量后,摆脱内部力的约束,发生相应电效应的物理现象,称为光电效应。   

(1)在光线作用下,电子逸出物体表面的现象,称为外光电效应,如光电管、光电倍增管等。   

(2)在光线作用下,物体的电阻率改变的现象,称为内光电效应,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。   

(3)在光线作用下,物体产生一定方向电动势的现象,称为光生伏特现象,如光电池(属于对感光面入射光点位置敏感的器件)等。     

2.光敏管   

光敏管(光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等)属于半导体器件。

3.光敏电阻   

光敏电阻受到光线照射时,电子迁移,产生电子—空穴对,使电阻率变小。光照越强,阻值越低。入射光线消失,电子—空穴对恢复,电阻值逐渐恢复原值。  

4.电致发光   

固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。电致发光是将电能直接转换成光能的过程。发光二极管(LED)是以特殊材料掺杂制成的半导体电致发光器件。当其PN结正向偏置时,由于电子—空穴复合时产生过剩能量,该能量以光子形式放出而发光。

(四)压电式传感器   

1.压电效应   

对某些电介质沿着一定方向加力而使其变形时,在一定表面上产生电荷,当外力撤除后,又恢复到不带电状态,这种现象称为正压电效应。在电介质的极化方向施加电场,电介质会在一定方向上产生机械变形或机械压力,当外电场去除后,变形或应力随之消失,此现象称为逆压电效应。   

2.压电元件   

压电式传感器是物性型的、发电式传感器。常用的压电材料有石英晶体(SiO2)和人工合成的压电陶瓷。压电陶瓷的压电常数是石英晶体的几倍,灵敏度较高。

(五)磁电效应   

根据法拉第电磁感应定律,N匝线圈在磁场中运动,切割磁力线(或线圈所在磁场的磁通变化)时,线圈中所产生的感应电动势的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率,   

(1)转动式磁电传感器   

软铁、线圈和永久磁铁固定不动。由导磁材料制成的测量齿轮安装在被测旋转体上,每转过一个齿,测量齿轮与软铁之间构成的磁路磁阻变化一次,磁通也变化一次。线圈中感应电动势的变化频率(脉冲数)等于测量齿轮上的齿数和转速的乘积。

(2)直线移动式磁电传感器   

直线移动式磁电传感器由永久磁铁、线圈和传感器壳体等组成。当壳体随被测振动体一起振动且在振动频率远大于传感器的固有频率时,由于弹簧较软,运动件质量相对较大,运动件来不及随振动体一起振动(静止不动)。此时,磁铁与线圈之间的相对运动速度接近振动体的振动速度。

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