传感器在自动控制中的应用

谢元成 骆雪汇

广州工程技术职业学院 广东广州 510075

一、传感器的分类

(一)按照传感器的内部工作原理来分类

这种按照内容的工作原理来进行分类，主要是根据输入与输出之间的变换关系，利于工作技术人员从原理上进行分析和设计，从而更好地进行应用。

(二)按照传感器的能量转换来分类

这类传感器主要有两类，一类是由被测对象直接输入能量使其工作，无须额外加入辅助电源。如我们常见的热电偶传感器、压电式传感器、光电式传感器，等等。另外一类需要外部提供能量使其工作，需要外加电源，我们把这一类传感器称之为能量型控制传感器，如我们常见的电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器都属于这一类型。

(三)按信号的转换特征来分类

按照信号的转换特征可以分为结构型和物性型两类传感器。结构型传感器主要通过改变传感器的结构使被测参数发生变化，如我们常见的电容式传感器，当其两个极板正对面积、极间距离、极间介质发生变化的时候，它的容量也会发生相应的变化。另外一类是根据物质的某些性质跟随被测量变化而跟着变化，如我们常见的压电效应，当相应的石英晶体受到压力的时候，会产生相应的电动势这种压电效应。

二、常见传感器工作原理及应用

(一)热电偶传感器

热电偶传感器是一种不需要外加电源，在有温差的情况下就可以直接产生电动势，使用方便、成本低廉，应用范围非常广泛。

(1)热电效应。热电偶传感器由两种不同成分的导体(或者半导体)连接成一个闭合的回路，在这个回路当中会有两个连接点，分别设为A点和B点，当这两个结点温度不一致的时候，这个闭合回路就会产生相应的电动势，这就是热电效应。

(2)热电效应的原理分析。产生热电效应原因主要是接触电动势。两种不同材料相互接触的时候，由于两种材料不一样，因此它们内部的自由电子密度也不一样，在它们的接触面会进行扩散现象。失去自由电子的一方会带正电，而得到自由电子的一方会带负电；在这种扩散现象进行的同时，两种材料因为正负电的形成而产生一个电场，这个电场会使自由电子朝着与扩散方向相反的方向运动，当扩散和电场原因引起的自由电子运动相对平衡的时候，整个闭合回路也就处于一个平衡状态，这个时候闭合回路的总电动势也就是热电偶的总电动势。

(3)热电偶的均质导体定律及应用。热电偶的闭合回路必须是由两种不同的材料组成，否则无论两个结点的温度相差多少，整个回路的热电势会一直为零。热电偶的这种均质导体定律，由于材料相同，自由电子的相对扩散量为零，不会产生热电动势，所以可以用来判断两种导体(半导体)材料是否相同。

(4)热电偶的中间导体定律。在热电偶的闭合回路中串接第三种材料，如果第三种材料的两个结点温度相同，则回路中的总电动势跟原来两种材料组成的热电偶总电动势相同。热电偶的这种中间导体定律，工程上为我们在回路中串接各种检测仪表提供了理论依据和便捷。

(5)热电偶的中间温度定律。热电偶的两个结点温度分别是T和Tn时等于该热电偶在结点温度T、Tn和Tn、To时热电动势的代数之和。热电偶的中间温度定律表明，热电偶两种材料分别被同种材料的延长线延长之后，总电动势与中间温度无关，只与延长后热电偶两端的温度有关。热电偶的这种特性为补偿线的使用提供了理论依据和参考，而且可以延长测量距离且测温成本大大降低。热电偶的中间温度定律在工程中一个重要的应用就是冷端修正，热电偶特性表分度表的测量数值在冷端温度为零摄氏度的情况下得到的。因此，应用中间温度定律可以很方便地进行修正。

(二)霍尔传感器

(1)霍尔效应。有电流流过的导体(或者半导体)置于磁场中时，导体的两个侧面会产生电动势，这个现象就是霍尔效应。它的原理是自由电子在磁场中时定向流动时，会在洛伦磁力的作用下发生偏移，从而使得失去电子的一侧带正电，得到电子的一侧带负电，定向移动的自由电子在受到洛伦磁力的同时，也会受到两侧电场力的作用，这两个作用力方向相反，当它们大小也相等的时候，定向移动的自由电子受到全力为零。在两侧产生相对稳定的电压，也就是我们所说的霍尔电压。

(2)霍尔电压的影响因素。霍尔电压的大小主要取决于三个方面的因素，一是电源提供电流的大小，流过的电流与产生的霍尔电压成正比；二是所处磁场的磁感应强度，它也是与产生的霍尔电压成正比；三是霍尔元件的厚度与产生的霍尔电压成反比。因此，为了得到比较大的霍尔电压，常把霍尔元件制作得很薄，但厚度减轻的同时，霍尔元件的电阻会变大，容易在工作的过程中发热。

(3)霍尔效应的应用。霍尔传感器的应用主要用于非接触式的测量当中，一是用于测量磁场的强度，由于霍尔电压与所处的磁场成正比，而且霍尔电压与磁感应强度是线性关系，所以在应用的时候非常方便；二是用于测量压力，在测量压力的过程中，先把压力转换成位移，再把位移转换成磁场强度的变化，最后转化成相应的电流或者电压；三是应用于键盘按键，相比于传统的机械按键，由于霍尔按键没有直接的接触和碰撞，所以使用寿命长；四是非接触测量大电流，由于霍尔电压与导体所处磁场的磁感应强度成线性正比，而有电流流过的导体周围存在磁，根据这个原理，制作出相应的非接触式电流测量工具，非常便捷；五是无刷电机的应用，相比传统的有刷电机，电刷寿命相对较短、噪声相对较大，霍尔元件由于无需直接接触，所以用霍尔元件设计制作的无刷电机寿命长，噪声较小。

(三)电容传感器

电容传感器的结构就是两个金属极板，极板中间有一层介质(也可以是真空)，如果给两个极板通电，两个极板就会储存电荷，所以电容器实际上就是一种电荷储能元件。

(1)变面积式电容器。变面积式电容器，主要是通过改变两个金属极板之间的正对面积，从而改变电容容量的大小。常见的变面积电容有直接位移型、角位移型、圆桶式、差动式几种。圆桶式变面积电容器，性能比较稳定，差动式电容器灵敏度高，抗干扰能力强。变面积式电容器的输入与输出之间是一种线性关系，我们以前很多调频收音机常采用变面积式电容来改变谐振频率。

(2)变极间距离式电容器。变极间距离式的电容器，主要通过改变两个极板间的距离来调整电容容量的大小，极间距离越小，电容容量越大，容量与极间距离是一个反比关系。这种变极间距离的电容器分辨率很高，可以用来测量微米级别的位移，由于输入与输出之间是一个非线性的关系，所以变极间距离电容传感器测量的范围很小。

(3)变介质电容传感器。这种电容传感器通过改变两个极板间的介质来改变电容容量的大小，根据电容容量的公式，可以很容易推导出输入输出之间也是一个线性关系。这种变极间介质传感器，可以用来测量温度、密度、和判断物体材料。电容式传感器油量表，采用的就是改变极间介质，以改变电容容量的大小，从而改变输出电压的大小，最后通过转换电路，改变仪表的显示数据。

(四)电阻式传感器

电子式传感器的工作原理主要是将被量转换成相应电阻值的变化，再通过相应的转换电路转换成电压或者电流信号进行输出。电阻式传感器结构简单、灵敏度较高、性能非常稳定，所以在工程中应用十分广泛，常用来测量位移、压力、扭矩、速度，等等。

(1)弹性敏感元件及应用。弹性第三元件在外力的作用下产生变形，在外力去掉的情况下恢复原来的形状，具有这种弹性变形的元件称为弹性元件。弹性元件在传感器的技术中有着非常重要的位置和意义，它并不是直接将被测对象转换成电参量，它首先把力或者压力等转换成相应的位移或者应变，再配合相关的传感器将被测对象转换成电压或者电流。弹性元件的敏感特性包括刚度、灵敏度、弹性滞后、弹性后效、固有振动频率五个方面。在选择弹性元件材料的时候，材料应该具备以下基本要求，一是具有很好的机械特性和机械加工特性；二是具有良好的弹性特性；三是温度和膨胀系数小；四是抗氧化和耐腐蚀的化学性能稳定。

(2)电位器式传感器。电位器传感器是将物理位移或者角度位移转换成一定比例关系的电阻或者电压输出的敏感元件。电位器的优点很多，体积小、重量轻、精度高、性能稳定、输出信号比较大。它的缺点主要是电刷与电阻之间是一种直接接触，随着使用时间和使用次数的增加，磨损比较大。电位器传感器的主要应用有压力式电位器传感器、位移式电位器式传感器和加速度式电位器传感器。

(3)应变式电阻传感器。电阻应变片主要是把应变量转换电阻变化量的敏感元件。导体或者半导体在机械外力的作用下产生机械变形，使用导体或者半导体阻值产生相应的变量，这种现象叫做电阻应变效应。对于一段导体或者半导体，阻值与导体的长度成正比，与导体的截面积成反比。应变式电阻传感器根据生产和工程的需要，常制作成变化片结构，变化片结构最大的特点就是灵敏度高，容易批量生产。

(4)测量转换电路。应变片测量的主要原理将应变片固定在测量对象上面，当被测对象发生变化时，应变片电阻值也随着发生相应的变化。在测量转换电路的设计中，主要是电桥电路，在没有测量时，桥式电路的两个输出端电压调节为零，当有输入时，输出端输出相应的电压。桥式电路的结构有单臂半桥、双臂半桥、全桥几种形式。

(五)压电式传感器及应用

压电式传感器是一种有源型传感器，即压电式传感器在进行能源转换的过程中不需要外加能源或者激励源，在外力的作用下，表面会直接产生电荷，从而实现非电量测量。由于压电传感器是对力敏感的一种元件，所以测量的主要对象是那些可以转换成力的相关物理量，如力、位移、变形、加速度、重量，等等。压电式传感器结构非常简单、性能可靠、体积小、质量轻，应用非常的广泛，主要应用于石油勘探、生物医学、工程力学、声波测量，等等。

(1)石英晶体压电效应的原理。石英晶体是一个六角棱柱体，以三维空间坐标来进行定位，石英晶体有三个晶轴，分别是x轴、y轴、z轴。x轴称为电轴，垂直于电轴晶面上的压电效应最敏感；y轴称为机械轴，在电场的作用下，y轴的机械变形是最明显的；z轴称为光轴，z轴的方向是没有任何压电效应的。石英晶体的化学成分是SiO2，假如沿着石英晶体的光轴作一个垂直光轴的横截面，这个截面是近似等六边形，这个正等六边形顶角依次镶嵌着带正电的硅离子和氧离子，他们交替排列，在不受外力的情况下，正负电荷平衡，处于中性状态，是不带电的。当沿着x轴方向施加一个力的时候，正等六边形发生形变，产生极化现象，垂直于电轴x轴的平面上会产生电动势。正负电荷的具体极性由结构及压力方向来决定的，如果把带负电的氧离子压入，那晶体表面将会带正电。如果在拉力作用下，会产生相反的电荷。

(2)压电陶瓷的压电效应。压电陶瓷是经过人工加工和整理后的多晶压电材料。原始的压电材料由于内部各个电畴的方向不规则，极化效应相互抵消，多晶压电材料整体不带电，呈中性，因此也不会具有压电效应。当用一定的方式对多晶压电材料进行电场影响时，多晶材料内部的各个电畴会在外电场的作用下、按电场的方向规则排列，在去除外电场后，这些受外电场极化过的各个电畴不会回到原始的不规则排列状态，而是呈现规则排列状态。这种内部电畴规则排列的多晶体压电材料具有压电效应。

(3)高分子压电材料。高分子压电材料是最近流行、发展很快的一种新型材料，因为其本身是一种柔性材料，所以在应用的过程中可以根据实际的需要制作成各种形式的压电材料，如薄膜、电缆等形式。但是这种柔性材料，目前普遍工作温度范围不大、强度不高、抗干扰能力较差、在恶劣条件下，容易老化。

(六)超声波传感器

超声波传感器主要通过超声波的产生、传播及接收的整个过程来完成的。超声波在传播的过程中，对固体和液体的衰减很小，穿透力也很强，超声波在物体的表面会产生反射、折射以及波形的变换，超声波的这些特性可以应用于超声成像、厚度测量、流速测量等。超声波的传播方式主要为直线传播，传播的能力与频率成正比，频率越高、传播能力越强，频率越低、传播能力越弱。

(1)声波的特性。声波在传播的过程中，影响声波传播速度的主要因素有介质的声阻抗、介质的密度以及介质的弹性系数。声波在气体中的传播速度是344米/秒，液体中传播的速度为900～1900米/秒。超声波由声源产生以后，超声波束以一定的角度逐渐向外扩散，在中心轴线的上超声波相对较强。超声波从一种介质传播到另一种介质的时候，在两种介质的交界面上会产生反射和折射两种现象。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量会越来越小。超声波探头的工作原理有多种方式，在检测技术中最常用和最普遍的制作材料是压电晶体和压电陶瓷。

(2)超声波传感技术的应用。超声波技术最常见的就是测量材料的厚度，由于超声波在相应的介质中传播的速度是固定的，如果知道了传播的时间，也就可以很容易计算出相应的传播距离。

(3)用超声波测量流体的速度。测量流体速度的方法有很多，常见的有多普勒效应法、传播速度变化法、波速移动法，等等。利用超声波传感器也可以完成流体的速度，其原理主要是应用超声波传输的时间差法。用超声波测量流体速度的具体方法如下，在流体的不同位置安装两个双向超声波传感器，即两个超声波传感器都有发射和接收的功能。假如两个超声波之间的距离为s，超声在静止流体中的速度为c，水流的速度为v，这个时候顺流的传播时间为t1=s/(c+v)，而逆流的传播时间为t2=s/(c-v)；根据这两个等式可以推导出流体的速度。