傳感器原理及其在測(cè)試中的應(yīng)用

張鵬濤

（凱邁（洛陽(yáng)）測(cè)控有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

1 傳感器簡(jiǎn)介

傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件，是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，能將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)。傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件，而傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的傳感器。傳感器是傳感器系統(tǒng)的組成部分，是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口[1]。

2 傳感器的主要特性

2.1 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指在整個(gè)工作時(shí)間段傳感器對(duì)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，是傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)。傳感器的穩(wěn)定性主要取決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是在沒有目標(biāo)信號(hào)時(shí)，傳感器在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)的輸出響應(yīng)。區(qū)間漂移是傳感器在連續(xù)目標(biāo)信號(hào)時(shí)，輸出響應(yīng)信號(hào)的變化，表現(xiàn)為輸出信號(hào)在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)強(qiáng)度的變化。

2.2 靈敏度

靈敏度是指輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的比值，取決于傳感器自身的性能。多數(shù)傳感器的設(shè)計(jì)原理都物理、化學(xué)及光學(xué)結(jié)構(gòu)。傳感器的選擇要保證其對(duì)測(cè)量信號(hào)有足夠的靈敏度。

3 測(cè)試設(shè)備中常用傳感器分析

3.1 光電開關(guān)

光電開關(guān)通過探測(cè)發(fā)射端和接收端之間的光的強(qiáng)弱變換，將光的變化轉(zhuǎn)化為電流的變換，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)的目的。由于光電開關(guān)的輸入和輸出回路之間是隔離的，所用可以應(yīng)用到很多場(chǎng)合[2]。

3.1.1 工作原理

光電開關(guān)利用檢測(cè)物體對(duì)光束的遮擋或反射，產(chǎn)生電信號(hào)的選通，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)物體的有無或位置信息的測(cè)量。光電開關(guān)的檢測(cè)物體不僅局限于金屬，所有可對(duì)光線進(jìn)行反射或遮擋的物體均可被檢測(cè)。

在光電開關(guān)的1腳和2腳加一個(gè)電壓（5 V），發(fā)光二極管產(chǎn)生光源。光電二極管接收到光線后，3腳和4腳導(dǎo)通。導(dǎo)通的阻抗受接收的光源強(qiáng)弱決定，若光電開關(guān)被遮擋，光電二極管無法接受光源，則光電開關(guān)3腳和4腳截至。

反射型光電開關(guān)與其原理相似，只是發(fā)光二極管發(fā)出的光源需經(jīng)過反射后才能被光電二極管接收。其光電二極管兩端是否導(dǎo)通，同樣受接收光源強(qiáng)弱決定。

3.1.2 在測(cè)試設(shè)備中的使用

由于光電開關(guān)具有安裝方便、使用簡(jiǎn)單及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于測(cè)試設(shè)備。特別是一些到位信號(hào)的檢測(cè)方面，通過簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)件對(duì)光路進(jìn)行遮擋，即可實(shí)現(xiàn)光電二極管兩端信號(hào)的變化，從而產(chǎn)生到位信號(hào)。

對(duì)于光電開關(guān)在測(cè)試設(shè)備中的故障排除可以從如下幾個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。

（1）光電開關(guān)中發(fā)光二極管兩端（1腳和2腳）是否存在電勢(shì)差（一般為5 V，由光電開關(guān)的型號(hào)及在實(shí)際中的應(yīng)用決定）。

（2）在發(fā)光二極管兩端存在電勢(shì)差和光路未被遮擋的情況下，測(cè)量光電二極管兩端電勢(shì)應(yīng)相同。在光路被遮擋的情況下，光電二極管兩端應(yīng)截至。

（3）光電二極管及發(fā)光二極管符合二極管的特性，可以用萬用表進(jìn)行二極管測(cè)試。

（4）光電開關(guān)管腳焊接位置容易受力，導(dǎo)致接觸問題，應(yīng)重點(diǎn)檢查。（可采用“菲利普接頭”的形式消除受力問題）

光電開關(guān)在普通光照環(huán)境下能穩(wěn)定工作，但使用時(shí)還應(yīng)回避將傳感器光軸正對(duì)強(qiáng)光源。

3.2 熱電偶

3.2.1 熱電偶的簡(jiǎn)介

熱電阻主要利用金屬的電阻值隨溫度變化而變化的特性來對(duì)溫度及溫度的變化量進(jìn)行測(cè)量。目前，較為廣泛使用的熱電阻材料為鎳、銅及鉑等，它們具有性能穩(wěn)定、溫度范圍寬、溫度系數(shù)大、線性度好及加工容易等特點(diǎn)。

3.2.2 熱電偶的工作原理

當(dāng)金屬兩端處于不同溫度時(shí)，自由電子便會(huì)從高溫區(qū)向低溫區(qū)擴(kuò)散，從而產(chǎn)生從高溫區(qū)到低溫區(qū)的熱電流。熱電偶使用不同的兩金屬連結(jié)成回路，由于不同金屬的電子擴(kuò)散速度存在差異，擴(kuò)散電流大小也會(huì)不同，因此在連結(jié)回路中將存在微小的靜電流。電流的大小取決于金屬兩端的溫度差，也取決于金屬之間的材質(zhì)差異，其原理如圖1所示。

圖1 熱電偶原理示意圖

3.2.3 熱電偶的使用

（1）通過查詢分度表測(cè)得被測(cè)件溫度

實(shí)際使用中，熱電偶的工作端與被測(cè)件接觸，自由端懸空與儀表相連。對(duì)自由端的電勢(shì)差進(jìn)行測(cè)量，查詢其熱電偶對(duì)應(yīng)的分度表，得出被測(cè)件（接觸點(diǎn)）的溫度。這種狀態(tài)下要求自由端處于恒定的零度狀態(tài)。

但在很多情況下，冷端的溫度并不是0 ℃，而是某一個(gè)溫度“Tn”。因此，測(cè)試時(shí)，必須對(duì)測(cè)量到的電勢(shì)進(jìn)行修正：

熱偶電動(dòng)勢(shì)=儀表測(cè)量值+室溫修正值，即測(cè)量冷端溫度換算出電壓值，與熱電偶的電壓值相加，根據(jù)分度表?yè)Q算出實(shí)際溫度。

（2）通過專用溫度儀表進(jìn)行溫度測(cè)試

如果使用專用的溫度儀對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，只需將熱電偶的測(cè)量端與被測(cè)溫度點(diǎn)相連，自由端與溫度儀的輸入相連。溫度儀會(huì)自動(dòng)根據(jù)室溫對(duì)自由端進(jìn)行電勢(shì)的溫度補(bǔ)償，同時(shí)將所測(cè)得的電勢(shì)轉(zhuǎn)化為溫度顯示出來。

用專用溫度儀表進(jìn)行溫度測(cè)試時(shí)，需注意熱電偶的型號(hào)要與儀表的設(shè)置型號(hào)一致，否則測(cè)量端的溫度值將不能正常顯示。

3.3 電阻應(yīng)變片

3.3.1 電阻應(yīng)變片簡(jiǎn)介

電阻應(yīng)變片簡(jiǎn)稱應(yīng)變片，是用于測(cè)量應(yīng)變（受力變形）的元件。通過將應(yīng)變片粘貼結(jié)構(gòu)件上，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)件上的應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片電阻的變換，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件應(yīng)變的測(cè)量。

電阻應(yīng)變片通常是由金屬材料繞成柵狀，夾在兩層絕緣薄片中制成，用導(dǎo)線與金屬材料相連，作為應(yīng)變片的引線，如圖2所示。

3.3.2 電阻應(yīng)變片的工作原理

金屬絲的電阻值除了與材料的性質(zhì)有關(guān)外，還與金屬絲的長(zhǎng)度、橫截面積有關(guān)。將應(yīng)變片粘貼在結(jié)構(gòu)件上，當(dāng)結(jié)構(gòu)件受力變形時(shí)，金屬絲的長(zhǎng)度及橫截面積也隨著一起變化，進(jìn)而導(dǎo)致電阻的變化。金屬絲在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時(shí)，應(yīng)變與電阻變化率dR/R成線性關(guān)系：

其中，Ks為材料的靈敏系數(shù)，其值與金屬絲的材料有關(guān)，是金屬材料的電阻應(yīng)變效果是否顯著的標(biāo)志。ε為該點(diǎn)的應(yīng)變。

圖2 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖

需注意，電阻應(yīng)變片的應(yīng)變量受應(yīng)變的作用力是否與應(yīng)變片的受力截面一致有關(guān)。應(yīng)變的作用力與應(yīng)變片的截面一致，則應(yīng)變片的應(yīng)變量最大，否則相反。

3.3.3 電阻應(yīng)變片在測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用

測(cè)試設(shè)備中，電阻應(yīng)變片主要用于結(jié)構(gòu)件所受應(yīng)力量的測(cè)量。通過把應(yīng)變片粘貼在結(jié)構(gòu)件上，把結(jié)構(gòu)件所受應(yīng)力的大小轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)，對(duì)其放大后進(jìn)行測(cè)試。

3.4 電橋電路

3.4.1 電橋簡(jiǎn)介

電橋可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻變量的測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性好、精度高、測(cè)量范圍寬及靈敏度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)試設(shè)備。

一個(gè)電源及4個(gè)連接在一起的電阻可以組成一個(gè)簡(jiǎn)單的電橋電路，如圖3所示。

圖3 電橋組成示意圖

圖3中，E為電源，U為電橋B、D兩端的電勢(shì)差。依據(jù)電阻的分壓原理可以得出：

如果R1R3=R2R4，則U=0，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，電橋兩端沒有電壓信號(hào)輸出。當(dāng)某個(gè)電阻的阻值發(fā)生變化時(shí)，電橋?qū)?huì)出現(xiàn)不平衡，使電橋BD兩端之間產(chǎn)生電勢(shì)差。

3.4.2 電橋在電阻應(yīng)變片測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

將電阻應(yīng)變片粘貼在結(jié)構(gòu)件上組成電橋電路。把結(jié)構(gòu)件所受應(yīng)力的大小轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)。對(duì)產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行放大后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)件所受應(yīng)力大小的測(cè)量。為提高靈敏度，結(jié)構(gòu)件所受應(yīng)力的測(cè)量通常使用四臂電橋。

3.4.3 應(yīng)變片在電橋電路中的三種連接方式

圖3中電橋的四個(gè)橋臂的電阻分別記為R1、R2、R3和 R4。

（1）若4個(gè)電阻均為電阻應(yīng)變片，則為全橋接法。

（2）若其中兩個(gè)橋臂為電阻應(yīng)變片，另外兩個(gè)為無感電阻，則為半橋接法。

（3）若其中一個(gè)橋臂為電阻應(yīng)變片，而另外三個(gè)無感電阻，則為單臂接法。

3.4.4 電橋電路中的三種連接方式靈敏度的比較

使用全橋進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)被測(cè)件發(fā)生受力而產(chǎn)生變形時(shí)，貼在其上的應(yīng)變片R1、R2、R3和R4將產(chǎn)生應(yīng)變分別記為 ε1、ε2、ε3及 ε4。應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生響應(yīng)的變化，分別記為ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4。依據(jù)電阻的分壓原理，可求得此時(shí)電橋的輸出電壓為：

當(dāng)粘貼在結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變時(shí)，通過電橋可以將這種應(yīng)變線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓Ｊ褂脮r(shí)只要對(duì)這個(gè)電壓進(jìn)行測(cè)量，就可以通過儀器對(duì)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。

處于電橋的相對(duì)位置的應(yīng)變應(yīng)相加，相鄰橋臂的應(yīng)變應(yīng)相減。電橋的這一特性被稱為加減特性。為了讓電橋有高靈敏度，設(shè)兩兩相鄰橋臂是差動(dòng)關(guān)系且可得到全橋的靈敏度比半橋高，半橋的靈敏度比單臂橋高。

4 結(jié) 論

傳感器的使用早已滲透到人們生活的方方面面，特別是工業(yè)生產(chǎn)、資源調(diào)查、海洋探測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷及生物工程等領(lǐng)域。作為人們快速獲取、分析及利用信息的基礎(chǔ)，傳感器必將獲得快速的發(fā)展。