传感器原理82450.ppt

生产自动化传感器传感器概述 ¡甚么是传感器¡感测器分类¡感测器需要的特性¡感测器物理量转换甚么是传感器 ¡控制系统中可量测物理量(诸如：温度，压力，或位置)、监视系统输出，并可转换系统输出成电气信号，再馈回控制器的组件，称为传感器 控制器 加热系统 恒温受控系统 温度感测系统 输出(系统温度值) 输入(设定恒温值) +-传感器分类 分类 测定量 机械 压力、力、重量、速度、加速度、转速、动量、长度、厚度、振动    频率 频率、时间 电 电压、电流、电力、电荷、电阻、电容、电感、电磁波     磁 磁通、磁场 光 照度、色、光、红外线、紫外线 温度 温度、热量、比热 音响 噪音、音压、音频 生医 心音、血压、体温、脑波图、心电图、血氧饱和度 化学 浓度、成分、PH值、密度、比重 传感器需要的特性 1.尺寸2.准确度3.精确度4.操作范围5.响应速度6.校正7.可靠度8.经济性9.稳定性10.温度限制11.容易应用传感器物理量转换 ¡基本上，传感器对物理量的变化会变换成电阻、电流或电压等形式之变化量，最后需以一转换电路转换成电压输出其方块图如下图：物理量的变化电流变化电阻变化电压输出转换电路电压变化::传感器物理量转换¡一般而言，图中最后的电压输出均相当小，因此通常需要再利用放大电路来加以放大讯号，然后才可以经由控制单元接口撷取至计算机中进行处理做各种自动化控制的应用，完整感测电路应如下图：感测组件物理量变化 转换电路　 放大电路 控制单元接口 依据变化量分类¡变化量在1μm~ 10000μm范围：有应变计(STRAIN GAGE)，或光之干涉作用产生的明暗变化之测定方式等。

¡变化量在0.01mm~ 10mm：有差动变压器(LVDT)，光电开关脉波数测定法，磁场强度测定法，电容量测定法等¡变化量在1mm~ 1000mm：可使用电位计(Potentiometer)，光电开关脉波数测定法，电磁感应脉波数测定法等¡变化量在0.1m以上者：可使用超音波反射测距法，光波反射测距等方式应变计(STRAIN GAGE)¡应变计又称为负荷囊(load cell)，在1856年由Load Kelvin所发现，由金属材料加压变形后，金属阻抗产生变化所做成的当金属材料受到拉力或张力时，金属材料变细，电气阻抗增加反之，受到压缩时，则金属阻抗变小应用这种方法做成的被称为应变计此类感测装置可以将物理现象中的压力变换成电气信号输出，因此常被用在荷重、张力、压力转换的场合之中 应变计的构造¡下图是一个标准典型的应变规一个只有几微米厚度金属阻抗薄片固着在一片电子绝缘材料上使用一特定的接着剂为适合所需的外形，在照相蚀刻过程中已将不需要的部份去除掉，如此输出阻抗改变值的导线就可以固定了应变计阻抗一般皆设为120Ω、 350Ω 应变计原理¡应变在测量金属线（或金箔）上由于应变而改变电子阻抗，现在我们就来研究当金属线产生应变时，电子阻抗改变的情况。

应变计原理¡金属样本的电阻，可由下式定出R0＝l0A0ρ式中R0＝样本的电阻(Ω)ρ ＝样本电阻系数(resistivity)(Ω-m)l0＝样本长度(m)A0＝截面积(m2)应变计原理R＝l0＋△lA0－△AρR≒l0A0ρ（1+2△ll0）2R0△ll0△R≒V＝l0A0＝（l0＋△l）（A0－△A）电阻的变化应变计原理¡例题  有一电阻值为120Ω的金属线，试求1000μm/m应变所造成的电阻变化解：  2R0△ll0△R≒△R≒△R≒(2)(120)(10-3)0.24Ω应变计的一般特性1.非线性2.应变计电流3.感应频率4.破坏 　1.非线性¡虽然应变计会由于型式、外形、尺寸及构造的差异而使线性有所差别，但应变在3000到4000 * 10-6所测得的应变值，大约近似1%的非线性¡应变在增加时应变计常数有降低的倾向在应变6000到8000 * 10-6时会有3到5%的改变假若应变继续增加，应变计会剥离或不与测试体接触一般而言，应变计大致会在应变10000到30000 * 10-6时剥离 2.应变计电流 ¡应变计所使用电流的上限为20mA，虽然会因为应变计的尺寸和测试体的热当量（此因素会　影响热能的消散）而有差异产生。

所以，应变计适用的最大电压为：桥式应变规120Ω电压5V，350Ω应变规电压14V 3.响应频率 ¡在使用应变计测量动态现象时，应变是经由基座及黏胶而传送到电阻传感器上此传送过　程非常的迅速例如震动现象，应变计上的应力分布并不是均匀的，因为会受到测试体内　部结构组件所传送弹性应力波的影响从实验获得，在应变计长10mm及3mm时各别的传送节点大约近似1.6μs及0.47μs （至少频率为170KHZ及360KHZ）因此除了特例外，机件或结构组件的快速应变行为可仅仅使用应变计量测 4.破坏¡假若施于应变计上的应变非常多且大，就可能导致阻抗增加，导线及抗阻器无法接续，且由于扬起的导线而使接着的基座剥离，这些因素会导致应变计无法继续使用，称之应变计”破坏”应变计破坏的耐久性和应变所施于及循环有关，且和型式、外形、尺寸都有关生命周期的设定是用高于100 * 10-6的应变变化的周期应变和示波器上±1500 * 10-6反复应变的长钉形波形作比较而得一般应变计的生命周期为105次循环 磁传感器(Magnetic Sensor)¡将一个线圈安置于一磁场中，当有物体接近，干扰了磁场，线圈即根据此一磁场之变化而输出电压信号，以此作为应用即为磁传感器。

磁感测原理¡1.安培定律：电流I通过一导体时，会在周围空间产生一垂直于电流方向分布的磁场B如下图所示，电流越大，磁场就越强而离导线越近，磁场也增强磁感测原理¡2.科学家楞次(Lentz)在做电磁铁实验时，他把磁铁由线圈中拿出，结果注意到线圈中有电流发生，再把磁铁放进去，又发现有反方向的电流产生磁感测原理¡3.法拉第—亨利定律： 假设有一个封闭的导电回路如果将之放在一个因时间而交变的磁场中，将在此回路中产生一个交变的电流此电流被一个电动势所推动，此电动势之大小视磁场变化率（包括磁场大小，时间长短）而定其公式为：V=dφdt-磁感测原理磁传感器(Magnetic Sensor)¡以一个线圈安置于一磁场中，当有物体接近，干扰了磁场，线圈即根据此一磁场之变化而输出电压信号磁传感器(Magnetic Sensor)线性差动变压器感测(LVDT)l具有可于变压器内移动的磁心的位置传感器磁心的位置与输出电压的相位和大小成正比LVDT利用的原理和变压器的原理相似，唯一的差别是变压器的铁心是固定不变的，而差动变压器的导磁铁心则是可移动的，且因为铁心是可移动的，也就会影响次级线圈的电压感应量，而使次级线圈的电压随着铁心的变化而移动。

 线性差动变压器感测(LVDT)线性差动变压器感测(LVDT)LVDT特性：l输出电压正确的比例于铁心的位移，其线性精确度可达±0.1%～±1%程度l灵敏度高：l负载阻抗范围大：l零点稳定性高：可达1μl使用频率范围大：可达50Hz～10KHzl可以测试振动之特性：可测试100Hz的机械振动，如使用特殊方法可测到1000Hz左右l线性范围广：小的LVDT范围为±0.005英吋，大的可达±2英吋l负耐震耐久性，无疲劳损耗线性差动变压器感测(LVDT)电缆 线夹测头测杆导向壳 体 传感器外型示意图超音波距离感测(Ultrasonic Distance Sensor)¡超音波：  在空气中传送之波，如果其频率在16Hz~20KHz之间，则可由人耳感受到振动，产生音感，上述之波称为『音波』，若频率更高，则称为『超音波』(ULTRASONIC WAVE)¡回音：  由于空气粒子具有完全弹性，碰撞时动能损失甚少，如果空气粒子撞击结构紧密的粒子组织表面，如金属、石板、水面、纸张、衣物等，由于无法造成对方之位移，则将以原有速度弹回，这些回弹之空气粒子亦形成了压力或波动，同样以音速向四周扩散，此即回音(ECHO)。

超音波距离感测(Ultrasonic Distance Sensor)¡若能量取回波传回之时间，乘以当时空气之速度，及等于波之来回行程，来回行程之1/2即为发射点至反射物之距离，此即音波测距之原理其公式为：D(距离)=△T（时间差）× C(波速)2超音波距离感测(Ultrasonic Distance Sensor)超音波距离感测(Ultrasonic Distance Sensor)回转角度传感器(Rotation Angle Sensor)¡电位计(potentiometer)或称(电压计)，也称为“pots”或可变电阻器，通常被制造成不管使用多久均能维持原有的特性，若当位置传感器使用，电位计可以是直线或旋转式位置传感器电位计输出一个电压值，其正比于沿着可变电阻器之滑动器的位置 近接位置传感器(Proximity Position Sensor)1.接触型近接传感器：    由于接触型侦测器具有动作简单、电路简单等优点，但其属于接触型的侦测器，因此它基本上有一些机械上的缺点如下：1)使用机械结构之杆，容易因撞击次数过多而使金属疲劳，变形断裂2)微动开关之机构可能损坏，且通电时会产生火花，久之便会接触不良。

3)密闭状况不佳，容易渗入油气或水份而导致故障4)受杆之长度与形状限制，安装设计较麻烦5)有些对象不适合以碰触方式测定其存在，例如质轻之物品、脆弱的、价昂的，或液状之物件等接触型近接传感器¡limit switch (极限开关) 接触型近接传感器¡reed relay (磁簧继电器) 非接触型近接传感器： ¡霍尔效应近接传感器  当磁场出现时半导体材料产生电压的现象，主要使用于近接传感器非接触型近接传感器： ¡电容型近接传感器 非接触型近接传感器： ¡电感型近接传感器 l光学近接开关光电传感器(Photo Sensor)¡光传感器具有一受光之表面，利用入射光子之能量，激发自由电子，造成光电流，达成『光→电气』之转换光敏电阻(photo resistance) ¡利用如硫化镉(CdS)的材料成 ，当光亮度增加它的阻抗减少 ，它不贵且非常灵敏右图为 它的典型接口电路，当光亮度 增强，Rpd值减少，Vout增 光二极管(photodiode) ¡光二极管是一个光灵敏的二极管一个小型窗户让光直接照射于PN接面上，它可增加逆电流下图为此光二极管的接口电路注意此光二极管是反向偏压且逆电流被OP放大器加以转换放大。

光敏晶体管(photo transistor )¡晶体管之PN接合面受到外光线照射时，基极电流将随之增加基极电流增加后被放大hf倍(电流放大率)成为集极电流像这样子将光信号变成电气信号之晶体管称为光敏晶体管光敏晶体管因为具有放大作用，所以其受换效率要比光二极赵高很多光敏晶体管图并无基极导线以光来产生基极电流，于CE接面产生电子电洞对，光亮度越高，晶体管导通越多 光电池 ¡光电池与其他已讨论的传感器不同;因为它由光产生力;亮度越高，电压越大在PN接合面成半导体与金属之接合面照射光线时，在接合部将产生电动势光电池有亮度表及曝光表等用的硅光电池以及被当做电源使用的太阳电池 温度传感器(Temperature Sensor )¡温度是一种抽象的量故而必须藉看多种材料随温度变化之特性来定义之有数种不同的材料可订定出温度及相位转换之关系，温度范围包括-183oC到1064oC(-297oF到1938oF) ¡适合作温度测量的各种传感器包含电阻式温度检测器(RTD)，热阻器，膨胀温度计，热电偶及测高温计每一种传感器都有其优点与缺点，通常对特定应用的适当传感器之选择是根据温度的范围，准确度的要求，环境、动态响应的要求与适用的仪器来考虑。

温度传感器IC温度传感器¡晶体管或者是二极管之P-N接面，于施加顺向偏压时，将产生一顺向压降VBE或VF，此一电压之数目，与通过之电流，以及接面之绝对温度T有关¡据此一特性，可以利用晶体管或半导体之此种VBE变化之测定，来计算温度之变化IC温度传感器¡AD590是一种电流型传感器，会随温度高低而改变其本身电流大小当电源电压在Ｖcc=4Volt~30Volt之间时，其电流将随温度的大小而线性地变化由于电源电压的变动亦会影响AD590电流的输出，但随电源电压的变大，其电压变动所造成的影响将变小，因此一般建议采用较高电源电压AD590对温度T的端电流关系式为：¡I(T)=I(0)=1μA/oC*T(oC) =273.2μA=TμA RTD温度传感器¡一般而言，导电物质之电阻与周围之温度有一定的关系，温度变化会影响电阻数值，反过来说测定某一导体的电阻值，就可以推算当时的温度数值¡白金感温电阻具有高精确度及高安定性，在-200℃~600℃之间亦有很好的线性度一般而言，白金pt100感温电阻在低温-200℃~-100℃间其温度系数较大；在中温100℃~300℃间有相当良好的线性特性；而在高温300℃~500℃间其温度系数则变小。

由于在0℃时，白金pt100电阻值为100Ω，已被视为金属感温电阻的标准规格运算放大器¡一般而言，传感器的输出均为很小的变化量，因此需利用放大器来放大感测讯号，以下将介绍运算放大器的特性与分析方法¡由于理想运算放大器具有以下的特性：1.输入阻抗极高，即放大器之正负两端内阻很大，可近似为2.输出阻抗极小，即放大器之输出端内阻很小，可近似为03.运算放大器之放大率极大，可近似为4.运算放大器之向应带宽极大¡由以上特性可知：1.由于放大器之正负两端内阻很大，故其间电流I02.由于放大器内之电路V-与V+两点间电流I0，因此V-与V+间其压降亦可近似为0，所以V-=V+ 简易运算放大器电路反相放大器（inverting amplifier)AOIR2R10ViI+=0iI- =0输入阻抗输出阻抗123Voltage Follower (Buffer) 耦随器（缓冲器）O =IIiI=0IOIRiG=1 、 Ri 、 Ro0 用途：1.改善负载效应2.快速，宽带3.通常可提供大电流给负载4.特别适用于高输出阻抗的讯号源注意事项：不是每一种运算放大器都可接成缓冲器有些会产生高频振荡，这是由于高频时，开路增益的相位达180º，且增益大小大于1，形成正回授。

Weighted Summer (加权加法器）OR112ni1i2iniRnRfR2Summing amplifier差动放大器（difference amplifier)OR112R2R3R4差动放大器有两个输入讯号，利用线性迭加法：先令2 =0，得输出O1 再令1 =0，得输出O2 然后O = O1+ O2 R112R2R3R4O1R112R2R3R4O2仪器放大器（instrumentation amplifier)增益调整有现成的IC产品！比较器(Comparators)¡在纯模拟电路 (Analogy Circuit) 之应用中，比较器(Comparator)是被用于有限个可能状况的选择之应用上，即此种类电路能比较一个输入讯号之电压值与另一输入端之参考电压，以决定输出电压之大小，故比较器可广泛应用于各种实际之电子电路中Outin00inOut+Out(max)-Out(max)比较器(Comparators)¡例题：  如下图所示之电路，若输入讯号 ，试分别绘出输入与输出电压对时间之曲线假设输入讯号频率相当低，且饱和电压±Vsat＝ ± 13V。

vovin10 VWK10WK15-+比较器(Comparators)¡解：： 利用分压定律可知参考电压，  故输出电压  可表示为™1. 　 当 　 ™2. 　 当　 ¡因输入讯号为正弦波，故必须以正弦函数来计算      之角度为分压法 惠斯登电阻电桥 若令R1=R2=R且R3=R(0)，则输出电压模拟式传感器技术问题¡噪声问题¡飘移(drift)问题¡非线性问题¡时间延迟问题¡IC温度感测实验¡RTD感测实验¡应变计感测实验¡光电感测实验¡近接位置感测实验¡回转角度感测实验¡磁感测实验¡超音波距离感测实验¡线性差动变压器感测实验。