傳感器在自動(dòng)控制中的應(yīng)用

謝元成 駱雪匯

廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院 廣東廣州 510075

一、傳感器的分類

(一)按照傳感器的內(nèi)部工作原理來分類

這種按照內(nèi)容的工作原理來進(jìn)行分類，主要是根據(jù)輸入與輸出之間的變換關(guān)系，利于工作技術(shù)人員從原理上進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，從而更好地進(jìn)行應(yīng)用。

(二)按照傳感器的能量轉(zhuǎn)換來分類

這類傳感器主要有兩類，一類是由被測對(duì)象直接輸入能量使其工作，無須額外加入輔助電源。如我們常見的熱電偶傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器，等等。另外一類需要外部提供能量使其工作，需要外加電源，我們把這一類傳感器稱之為能量型控制傳感器，如我們常見的電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器都屬于這一類型。

(三)按信號(hào)的轉(zhuǎn)換特征來分類

按照信號(hào)的轉(zhuǎn)換特征可以分為結(jié)構(gòu)型和物性型兩類傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器主要通過改變傳感器的結(jié)構(gòu)使被測參數(shù)發(fā)生變化，如我們常見的電容式傳感器，當(dāng)其兩個(gè)極板正對(duì)面積、極間距離、極間介質(zhì)發(fā)生變化的時(shí)候，它的容量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。另外一類是根據(jù)物質(zhì)的某些性質(zhì)跟隨被測量變化而跟著變化，如我們常見的壓電效應(yīng)，當(dāng)相應(yīng)的石英晶體受到壓力的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)勢這種壓電效應(yīng)。

二、常見傳感器工作原理及應(yīng)用

(一)熱電偶傳感器

熱電偶傳感器是一種不需要外加電源，在有溫差的情況下就可以直接產(chǎn)生電動(dòng)勢，使用方便、成本低廉，應(yīng)用范圍非常廣泛。

(1)熱電效應(yīng)。熱電偶傳感器由兩種不同成分的導(dǎo)體(或者半導(dǎo)體)連接成一個(gè)閉合的回路，在這個(gè)回路當(dāng)中會(huì)有兩個(gè)連接點(diǎn)，分別設(shè)為A點(diǎn)和B點(diǎn)，當(dāng)這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不一致的時(shí)候，這個(gè)閉合回路就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)勢，這就是熱電效應(yīng)。

(2)熱電效應(yīng)的原理分析。產(chǎn)生熱電效應(yīng)原因主要是接觸電動(dòng)勢。兩種不同材料相互接觸的時(shí)候，由于兩種材料不一樣，因此它們內(nèi)部的自由電子密度也不一樣，在它們的接觸面會(huì)進(jìn)行擴(kuò)散現(xiàn)象。失去自由電子的一方會(huì)帶正電，而得到自由電子的一方會(huì)帶負(fù)電；在這種擴(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行的同時(shí)，兩種材料因?yàn)檎?fù)電的形成而產(chǎn)生一個(gè)電場，這個(gè)電場會(huì)使自由電子朝著與擴(kuò)散方向相反的方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)擴(kuò)散和電場原因引起的自由電子運(yùn)動(dòng)相對(duì)平衡的時(shí)候，整個(gè)閉合回路也就處于一個(gè)平衡狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候閉合回路的總電動(dòng)勢也就是熱電偶的總電動(dòng)勢。

(3)熱電偶的均質(zhì)導(dǎo)體定律及應(yīng)用。熱電偶的閉合回路必須是由兩種不同的材料組成，否則無論兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度相差多少，整個(gè)回路的熱電勢會(huì)一直為零。熱電偶的這種均質(zhì)導(dǎo)體定律，由于材料相同，自由電子的相對(duì)擴(kuò)散量為零，不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，所以可以用來判斷兩種導(dǎo)體(半導(dǎo)體)材料是否相同。

(4)熱電偶的中間導(dǎo)體定律。在熱電偶的閉合回路中串接第三種材料，如果第三種材料的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路中的總電動(dòng)勢跟原來兩種材料組成的熱電偶總電動(dòng)勢相同。熱電偶的這種中間導(dǎo)體定律，工程上為我們在回路中串接各種檢測儀表提供了理論依據(jù)和便捷。

(5)熱電偶的中間溫度定律。熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度分別是T和Tn時(shí)等于該熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度T、Tn和Tn、To時(shí)熱電動(dòng)勢的代數(shù)之和。熱電偶的中間溫度定律表明，熱電偶兩種材料分別被同種材料的延長線延長之后，總電動(dòng)勢與中間溫度無關(guān)，只與延長后熱電偶兩端的溫度有關(guān)。熱電偶的這種特性為補(bǔ)償線的使用提供了理論依據(jù)和參考，而且可以延長測量距離且測溫成本大大降低。熱電偶的中間溫度定律在工程中一個(gè)重要的應(yīng)用就是冷端修正，熱電偶特性表分度表的測量數(shù)值在冷端溫度為零攝氏度的情況下得到的。因此，應(yīng)用中間溫度定律可以很方便地進(jìn)行修正。

(二)霍爾傳感器

(1)霍爾效應(yīng)。有電流流過的導(dǎo)體(或者半導(dǎo)體)置于磁場中時(shí)，導(dǎo)體的兩個(gè)側(cè)面會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這個(gè)現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。它的原理是自由電子在磁場中時(shí)定向流動(dòng)時(shí)，會(huì)在洛倫磁力的作用下發(fā)生偏移，從而使得失去電子的一側(cè)帶正電，得到電子的一側(cè)帶負(fù)電，定向移動(dòng)的自由電子在受到洛倫磁力的同時(shí)，也會(huì)受到兩側(cè)電場力的作用，這兩個(gè)作用力方向相反，當(dāng)它們大小也相等的時(shí)候，定向移動(dòng)的自由電子受到全力為零。在兩側(cè)產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的電壓，也就是我們所說的霍爾電壓。

(2)霍爾電壓的影響因素。霍爾電壓的大小主要取決于三個(gè)方面的因素，一是電源提供電流的大小，流過的電流與產(chǎn)生的霍爾電壓成正比；二是所處磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，它也是與產(chǎn)生的霍爾電壓成正比；三是霍爾元件的厚度與產(chǎn)生的霍爾電壓成反比。因此，為了得到比較大的霍爾電壓，常把霍爾元件制作得很薄，但厚度減輕的同時(shí)，霍爾元件的電阻會(huì)變大，容易在工作的過程中發(fā)熱。

(3)霍爾效應(yīng)的應(yīng)用。霍爾傳感器的應(yīng)用主要用于非接觸式的測量當(dāng)中，一是用于測量磁場的強(qiáng)度，由于霍爾電壓與所處的磁場成正比，而且霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度是線性關(guān)系，所以在應(yīng)用的時(shí)候非常方便；二是用于測量壓力，在測量壓力的過程中，先把壓力轉(zhuǎn)換成位移，再把位移轉(zhuǎn)換成磁場強(qiáng)度的變化，最后轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電流或者電壓；三是應(yīng)用于鍵盤按鍵，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵，由于霍爾按鍵沒有直接的接觸和碰撞，所以使用壽命長；四是非接觸測量大電流，由于霍爾電壓與導(dǎo)體所處磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比，而有電流流過的導(dǎo)體周圍存在磁，根據(jù)這個(gè)原理，制作出相應(yīng)的非接觸式電流測量工具，非常便捷；五是無刷電機(jī)的應(yīng)用，相比傳統(tǒng)的有刷電機(jī)，電刷壽命相對(duì)較短、噪聲相對(duì)較大，霍爾元件由于無需直接接觸，所以用霍爾元件設(shè)計(jì)制作的無刷電機(jī)壽命長，噪聲較小。

(三)電容傳感器

電容傳感器的結(jié)構(gòu)就是兩個(gè)金屬極板，極板中間有一層介質(zhì)(也可以是真空)，如果給兩個(gè)極板通電，兩個(gè)極板就會(huì)儲(chǔ)存電荷，所以電容器實(shí)際上就是一種電荷儲(chǔ)能元件。

(1)變面積式電容器。變面積式電容器，主要是通過改變兩個(gè)金屬極板之間的正對(duì)面積，從而改變電容容量的大小。常見的變面積電容有直接位移型、角位移型、圓桶式、差動(dòng)式幾種。圓桶式變面積電容器，性能比較穩(wěn)定，差動(dòng)式電容器靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。變面積式電容器的輸入與輸出之間是一種線性關(guān)系，我們以前很多調(diào)頻收音機(jī)常采用變面積式電容來改變諧振頻率。

(2)變極間距離式電容器。變極間距離式的電容器，主要通過改變兩個(gè)極板間的距離來調(diào)整電容容量的大小，極間距離越小，電容容量越大，容量與極間距離是一個(gè)反比關(guān)系。這種變極間距離的電容器分辨率很高，可以用來測量微米級(jí)別的位移，由于輸入與輸出之間是一個(gè)非線性的關(guān)系，所以變極間距離電容傳感器測量的范圍很小。

(3)變介質(zhì)電容傳感器。這種電容傳感器通過改變兩個(gè)極板間的介質(zhì)來改變電容容量的大小，根據(jù)電容容量的公式，可以很容易推導(dǎo)出輸入輸出之間也是一個(gè)線性關(guān)系。這種變極間介質(zhì)傳感器，可以用來測量溫度、密度、和判斷物體材料。電容式傳感器油量表，采用的就是改變極間介質(zhì)，以改變電容容量的大小，從而改變輸出電壓的大小，最后通過轉(zhuǎn)換電路，改變儀表的顯示數(shù)據(jù)。

(四)電阻式傳感器

電子式傳感器的工作原理主要是將被量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電阻值的變化，再通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或者電流信號(hào)進(jìn)行輸出。電阻式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度較高、性能非常穩(wěn)定，所以在工程中應(yīng)用十分廣泛，常用來測量位移、壓力、扭矩、速度，等等。

(1)彈性敏感元件及應(yīng)用。彈性第三元件在外力的作用下產(chǎn)生變形，在外力去掉的情況下恢復(fù)原來的形狀，具有這種彈性變形的元件稱為彈性元件。彈性元件在傳感器的技術(shù)中有著非常重要的位置和意義，它并不是直接將被測對(duì)象轉(zhuǎn)換成電參量，它首先把力或者壓力等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位移或者應(yīng)變，再配合相關(guān)的傳感器將被測對(duì)象轉(zhuǎn)換成電壓或者電流。彈性元件的敏感特性包括剛度、靈敏度、彈性滯后、彈性后效、固有振動(dòng)頻率五個(gè)方面。在選擇彈性元件材料的時(shí)候，材料應(yīng)該具備以下基本要求，一是具有很好的機(jī)械特性和機(jī)械加工特性；二是具有良好的彈性特性；三是溫度和膨脹系數(shù)小；四是抗氧化和耐腐蝕的化學(xué)性能穩(wěn)定。

(2)電位器式傳感器。電位器傳感器是將物理位移或者角度位移轉(zhuǎn)換成一定比例關(guān)系的電阻或者電壓輸出的敏感元件。電位器的優(yōu)點(diǎn)很多，體積小、重量輕、精度高、性能穩(wěn)定、輸出信號(hào)比較大。它的缺點(diǎn)主要是電刷與電阻之間是一種直接接觸，隨著使用時(shí)間和使用次數(shù)的增加，磨損比較大。電位器傳感器的主要應(yīng)用有壓力式電位器傳感器、位移式電位器式傳感器和加速度式電位器傳感器。

(3)應(yīng)變式電阻傳感器。電阻應(yīng)變片主要是把應(yīng)變量轉(zhuǎn)換電阻變化量的敏感元件。導(dǎo)體或者半導(dǎo)體在機(jī)械外力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，使用導(dǎo)體或者半導(dǎo)體阻值產(chǎn)生相應(yīng)的變量，這種現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。對(duì)于一段導(dǎo)體或者半導(dǎo)體，阻值與導(dǎo)體的長度成正比，與導(dǎo)體的截面積成反比。應(yīng)變式電阻傳感器根據(jù)生產(chǎn)和工程的需要，常制作成變化片結(jié)構(gòu)，變化片結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)就是靈敏度高，容易批量生產(chǎn)。

(4)測量轉(zhuǎn)換電路。應(yīng)變片測量的主要原理將應(yīng)變片固定在測量對(duì)象上面，當(dāng)被測對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)變片電阻值也隨著發(fā)生相應(yīng)的變化。在測量轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)中，主要是電橋電路，在沒有測量時(shí)，橋式電路的兩個(gè)輸出端電壓調(diào)節(jié)為零，當(dāng)有輸入時(shí)，輸出端輸出相應(yīng)的電壓。橋式電路的結(jié)構(gòu)有單臂半橋、雙臂半橋、全橋幾種形式。

(五)壓電式傳感器及應(yīng)用

壓電式傳感器是一種有源型傳感器，即壓電式傳感器在進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換的過程中不需要外加能源或者激勵(lì)源，在外力的作用下，表面會(huì)直接產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。由于壓電傳感器是對(duì)力敏感的一種元件，所以測量的主要對(duì)象是那些可以轉(zhuǎn)換成力的相關(guān)物理量，如力、位移、變形、加速度、重量，等等。壓電式傳感器結(jié)構(gòu)非常簡單、性能可靠、體積小、質(zhì)量輕，應(yīng)用非常的廣泛，主要應(yīng)用于石油勘探、生物醫(yī)學(xué)、工程力學(xué)、聲波測量，等等。

(1)石英晶體壓電效應(yīng)的原理。石英晶體是一個(gè)六角棱柱體，以三維空間坐標(biāo)來進(jìn)行定位，石英晶體有三個(gè)晶軸，分別是x軸、y軸、z軸。x軸稱為電軸，垂直于電軸晶面上的壓電效應(yīng)最敏感；y軸稱為機(jī)械軸，在電場的作用下，y軸的機(jī)械變形是最明顯的；z軸稱為光軸，z軸的方向是沒有任何壓電效應(yīng)的。石英晶體的化學(xué)成分是SiO2，假如沿著石英晶體的光軸作一個(gè)垂直光軸的橫截面，這個(gè)截面是近似等六邊形，這個(gè)正等六邊形頂角依次鑲嵌著帶正電的硅離子和氧離子，他們交替排列，在不受外力的情況下，正負(fù)電荷平衡，處于中性狀態(tài)，是不帶電的。當(dāng)沿著x軸方向施加一個(gè)力的時(shí)候，正等六邊形發(fā)生形變，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，垂直于電軸x軸的平面上會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢。正負(fù)電荷的具體極性由結(jié)構(gòu)及壓力方向來決定的，如果把帶負(fù)電的氧離子壓入，那晶體表面將會(huì)帶正電。如果在拉力作用下，會(huì)產(chǎn)生相反的電荷。

(2)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)。壓電陶瓷是經(jīng)過人工加工和整理后的多晶壓電材料。原始的壓電材料由于內(nèi)部各個(gè)電疇的方向不規(guī)則，極化效應(yīng)相互抵消，多晶壓電材料整體不帶電，呈中性，因此也不會(huì)具有壓電效應(yīng)。當(dāng)用一定的方式對(duì)多晶壓電材料進(jìn)行電場影響時(shí)，多晶材料內(nèi)部的各個(gè)電疇會(huì)在外電場的作用下、按電場的方向規(guī)則排列，在去除外電場后，這些受外電場極化過的各個(gè)電疇不會(huì)回到原始的不規(guī)則排列狀態(tài)，而是呈現(xiàn)規(guī)則排列狀態(tài)。這種內(nèi)部電疇規(guī)則排列的多晶體壓電材料具有壓電效應(yīng)。

(3)高分子壓電材料。高分子壓電材料是最近流行、發(fā)展很快的一種新型材料，因?yàn)槠浔旧硎且环N柔性材料，所以在應(yīng)用的過程中可以根據(jù)實(shí)際的需要制作成各種形式的壓電材料，如薄膜、電纜等形式。但是這種柔性材料，目前普遍工作溫度范圍不大、強(qiáng)度不高、抗干擾能力較差、在惡劣條件下，容易老化。

(六)超聲波傳感器

超聲波傳感器主要通過超聲波的產(chǎn)生、傳播及接收的整個(gè)過程來完成的。超聲波在傳播的過程中，對(duì)固體和液體的衰減很小，穿透力也很強(qiáng)，超聲波在物體的表面會(huì)產(chǎn)生反射、折射以及波形的變換，超聲波的這些特性可以應(yīng)用于超聲成像、厚度測量、流速測量等。超聲波的傳播方式主要為直線傳播，傳播的能力與頻率成正比，頻率越高、傳播能力越強(qiáng)，頻率越低、傳播能力越弱。

(1)聲波的特性。聲波在傳播的過程中，影響聲波傳播速度的主要因素有介質(zhì)的聲阻抗、介質(zhì)的密度以及介質(zhì)的彈性系數(shù)。聲波在氣體中的傳播速度是344米/秒，液體中傳播的速度為900～1900米/秒。超聲波由聲源產(chǎn)生以后，超聲波束以一定的角度逐漸向外擴(kuò)散，在中心軸線的上超聲波相對(duì)較強(qiáng)。超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的時(shí)候，在兩種介質(zhì)的交界面上會(huì)產(chǎn)生反射和折射兩種現(xiàn)象。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量會(huì)越來越小。超聲波探頭的工作原理有多種方式，在檢測技術(shù)中最常用和最普遍的制作材料是壓電晶體和壓電陶瓷。

(2)超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波技術(shù)最常見的就是測量材料的厚度，由于超聲波在相應(yīng)的介質(zhì)中傳播的速度是固定的，如果知道了傳播的時(shí)間，也就可以很容易計(jì)算出相應(yīng)的傳播距離。

(3)用超聲波測量流體的速度。測量流體速度的方法有很多，常見的有多普勒效應(yīng)法、傳播速度變化法、波速移動(dòng)法，等等。利用超聲波傳感器也可以完成流體的速度，其原理主要是應(yīng)用超聲波傳輸?shù)臅r(shí)間差法。用超聲波測量流體速度的具體方法如下，在流體的不同位置安裝兩個(gè)雙向超聲波傳感器，即兩個(gè)超聲波傳感器都有發(fā)射和接收的功能。假如兩個(gè)超聲波之間的距離為s，超聲在靜止流體中的速度為c，水流的速度為v，這個(gè)時(shí)候順流的傳播時(shí)間為t1=s/(c+v)，而逆流的傳播時(shí)間為t2=s/(c-v)；根據(jù)這兩個(gè)等式可以推導(dǎo)出流體的速度。