傳感器原理及其在測試中的應(yīng)用

張鵬濤

（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽 471000）

1 傳感器簡介

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的器件，是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，能將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號。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，是被測量信號輸入的第一道關(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)信號時(shí)，輸出響應(yīng)信號的變化，表現(xiàn)為輸出信號在整個(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和輸入信號的比值，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測量信號有足夠的靈敏度。

3 測試設(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)用到很多場合[2]。

3.1.1 工作原理

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

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 在測試設(shè)備中的使用

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

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

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

（2）在發(fā)光二極管兩端存在電勢差和光路未被遮擋的情況下，測量光電二極管兩端電勢應(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強(qiáng)光源。

3.2 熱電偶

3.2.1 熱電偶的簡介

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溫度及溫度的變化量進(jìn)行測量。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）通過查詢分度表測得被測件溫度

實(shí)際使用中，熱電偶的工作端與被測件接觸，自由端懸空與儀表相連。對自由端的電勢差進(jìn)行測量，查詢其熱電偶對應(yīng)的分度表，得出被測件（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，測試時(shí)，必須對測量到的電勢進(jìn)行修正：

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

（2）通過專用溫度儀表進(jìn)行溫度測試

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

用專用溫度儀表進(jìn)行溫度測試時(shí)，需注意熱電偶的型號要與儀表的設(shè)置型號一致，否則測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)變片簡介

電阻應(yīng)變片簡稱應(yīng)變片，是用于測量應(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)變片在測試設(shè)備中的應(yīng)用

測試設(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，對其放大后進(jìn)行測試。

3.4 電橋電路

3.4.1 電橋簡介

電橋可以實(shí)現(xiàn)對電阻變量的測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、線性好、精度高、測量范圍寬及靈敏度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測試設(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輸出。當(dāng)某個(gè)電阻的阻值發(fā)生變化時(shí)，電橋?qū)霈F(xiàn)不平衡，使電橋BD兩端之間產(chǎn)生電勢差。

3.4.2 電橋在電阻應(yīng)變片測試系統(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。對產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行放大后，可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)件所受應(yīng)力大小的測量。為提高靈敏度，結(jié)構(gòu)件所受應(yīng)力的測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)行測量，當(dāng)被測件發(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?。使用時(shí)只要對這個(gè)電壓進(jìn)行測量，就可以通過儀器對結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變進(jìn)行測量。

處于電橋的相對位置的應(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、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。