传感器工作原理及故障判断方法
概述
综合录井技术是在钻井过程中应用电子技术、计算机技术及分析技术，借助分析仪器进行各种石油地质、钻井工程及其它随钻信息的采集（收集）、分析处理，进而达到发现油气层、评价油气层和实时钻井监控目的的一项随钻石油勘探技术。应用综合录井技术可以为石油天然气勘探开发提供齐全、准确的第一性资料，是油气勘探开发技术系列的重要组成部分。
综合录井技术主要作用为随钻录井、实时钻井监控、随钻地质评价及随钻录井信息的处理和应用。
综合录井技术的特点有：录取参数多、采集精度高、资料连续性强、资料处理速度快、应用灵活、服务范围广等。
目前国际国内先进的综合录井仪参数的检测精度上有了大幅度的提高，也扩展了计算机系统功能，形成了随钻计算机实时监控和数据综合处理网络，部分综合录井仪还配套了随钻随测(MWD)系统，增加了远程传输等功能，实现了数据资源的共享。其原理框图见图1。
图1：综合录井仪基本结构图
1、传感器
亦称一次仪表，是将一种物理量转换为另一种物理量的设备。其输入信号为待测物理量，如温度、密度、压力、电阻率、距离等，输出信号为可以被二次仪表或计算机接收的物理量，如电流、电压、电阻等。传感器是综合录井仪的最基础部分，其工作性能的好坏直接影响着录井质量。
2、气体检测仪
气体检测仪主要包括烃类检测仪、非烃组分检测仪（或二氧化碳检测仪）等气体检测设备，以及脱气器、氢气发生器、空气压缩机等辅助设备。烃类检测仪主要是利用FID技术测量钻井液中的烃类气体含量；非烃组分检测仪是利用热导池鉴定器测量钻井液中CO2、H2等其它气体的含量。
3、计算机系统
随着计算机技术的发展及应用，目前综合录井仪的计算机系统不仅担负着参数的采集、处理、存储和输出的任务。其存储的资料还可以按照用户的要求，应用其它专用软件进行进一步处理，以完成地质勘探、钻井监控及其它录井目的。同时其联机系统已形成多用户的网络化计算机系统，实现多用户、网络化数据管理，具有携带近程或远程工作站的功能，以便于大型应用软件的使用和数据资源的共享。
4、输出设备
综合录井仪输出设备主要有显示器、记录仪、打印机、绘图仪等等。其用途是将计算机采集、处理的信息通过直观的方式呈现给用户以进行进一步的应用。
本文将从气体检测仪、传感器与接口系统等方面介绍综合录井仪的调校方法。
传感器
一、绞车传感器
该传感器被安装在钻机滚筒轴上，通过测量钻机大绳收放时滚筒的角运动来监测大钩垂向运动，计算大钩的位置变化，计算钻头位置以及井深等参数的变化。
具体工作方式是当滚筒产生角位移时，传感器的转子随之产生位移，传感器输出一种相位差为90°的脉冲。该脉冲在数据接口或计算机的处理下，转变为大钩的位移变化。因此现场一般情况下要收集输入大绳、滚筒的相关参数：
绞车传感器是由一个定子部件和一个转子部件组成。定子部件为一个金属圆盘外壳，其上并排安装有两个马蹄形邻近探测头；转子部件为一个具有12个方齿的齿轮。在安装传感器时，转子与滚筒轴被固定在一起，定子部件固定不动，当大钩上提下放时，滚筒转动，转子随之转动，（图2）。
图2 临近绞车传感器内部结构图
1、工作原理
绞车传感器的种类很多，常用的有光学编码、临近及光电耦合式传感器。
（１）光电耦合式绞车传感器
光电耦合式绞车传感器的电路原理图如图3：
图3：绞车传感器电路原理图
图中D1、D2为发光二极管，发出红外线。T1、T2为光敏三极管，二者集成在光电耦合器感应探头中。图中的其它电路都集成密封在传感器上。当遮光片（光齿）随绞车轴转动时，分别阻断、导通光电耦合器中的红外线，使绞车传感器输出脉冲信号。
当遮光片（光齿）阻断红外线时，光敏三极管的基级没有输入信号，三极管处于截止状态，输出脚A（B）输出低电平。
当遮光片（光齿）导通红外线时，红外线照射到光敏三极管的基级，三极管处于导通状态，输出脚A（B）输出高电平。
遮光片（光齿）采用圆盘状十二齿交错结构，根据光齿结构将光电耦合器感应探头在安装位置上进行设计和调节就可以使A、B两脚输出相应位差为90o的脉冲信号。如图4所示：
图4：绞车传感器输出脉冲信号图
两路脉冲信号经过绞车板电路触发、鉴相、倍频处理后，就可以输出48个脉冲信号（绞车传感器每转动一圈）。
（２）邻近探头式绞车传感器
邻近探测头实际上是一个无触点开关，它由一个振荡器组成。在振荡线圈感应面的前方产生一个交变电磁场。当有金属片接近振荡线圈时，探测头附近的高频磁场在金属片中感应出涡流，造成较大的能量损失，输出一个低电压信号；当有金属片远离振荡线圈时，探测头附近的高频磁场的能量损失较小，此时输出的电压近似于传感器振荡线路供电电压，因此输出一个高电压信号。
当大钩运动时，传感器转子部件随滚筒一起转动，转子齿轮的齿与齿间空交替地通过探测头前方，使探测头电路输出一系列高电压与低电压相间的脉冲信号，这些脉冲信号被送到信号处理放大器和单稳线路中加以处理，从而得出“不探测”（高电压）和“探测”（低电压）的脉冲信号。
图５邻近探头式绞车传感器
２、绞车传感器的主要技术指标
绞车传感器在正常工作情况下，主要有以下技术指标：
①工作电压：3～15V（DC），一般采用5V（DC）供电。
②输出脉冲信号电平：高电平≥4.3V；低电平≤0.5V(5V供电时)。
③动作响应时间：150us。
④灵敏度：7.5o/脉冲（每周48个脉冲）。
⑤精确度：±1脉冲（传感器转动一周）。
３、安装使用方法及注意事项
传感器的安装是录井仪器安装最重要的环节，安装性能的好坏决定了传感器性能的发挥，最终决定了录井资料质量和录井服务质量。下面介绍传感器的安装及注意事项：
（１）安装位置
绞车传感器安装在滚筒轴上，并随着滚筒轴转动，监测滚筒轴所发生的角位移，测量、计算钻头所在的井深。
（２）安装步骤
卸下滚筒轴端面的护罩及气管线接头，先将传感器安装牢固，再把气管线接头装上，用绞车皮带将传感器的外壳固定牢固后，装上护罩。同时采取密封措施，防止泥浆或其它污染物喷溅到传感器上，腐蚀传感器外壳，污染传感器内部电路及探头。
（３）电缆线的铺设
一般采用铺设在钻台下面，或者铺设在不易被砸碰、损坏的地方。主要以安全、可靠且不影响井场工作人员现场操作为原则。
（４）传感器与加长电缆的连接
光电耦合式绞车传感器的四芯线定义：
1#脚（红）：工作电源+5V；2#脚（黄）：输出脉冲信号B；
3#脚（黑）：工作电源0V； 4#脚（兰）：输出脉冲信号A。
光电耦合式绞车传感器的四芯线定义：
1#脚空；３#脚：输出脉冲信号Ａ；
２#脚：工作电源５V（８Ｖ）；4#脚：输出脉冲信号Ｂ。
根据上述定义，与电缆线四芯线的定义相对应连接，连接处采取密封、绝缘措施。
从两种传感器的电缆线的定义可以看出，当传感器类型不同时，传感器连接方式也有所改变，因此在使用或更换传感器时，一定要分清传感器的型号，线的定义，然后才能根据加长电缆线的定义一一对应连接。
（５）对传感器要采取防水、防污染措施
由于现场工业用水一般水质较差，含杂质较多，导电能力较强。尽管
内部电路和传感器已采取密封防水措施，但仍可能使内部电路产生短路故障。另外光电耦合探头的工作主要以红外线照射为基础，若探头中被污染物污染了，将会影响测量效果。
４、故障判断及排除方法
绞车传感器在使用过程中，故障具体表现为：井深面板指示灯不闪烁；井深不跟踪；井深误差较大等故障现象。
主要故障点为
（１）传感器探头部分故障：损坏、污染、位置变动；
（２）传感器内部电路损坏（光电耦合式）；
（３）连接线故障。短路、断路、接触不良、连接线过长电压衰减大等。
根据现场经验，可以从以下几个方面进行检测：
（１）传感器初步检查
图６传感器与万用表连接示意图
当用万用表的电阻档测量输出信号线的电阻时，从图３可以看出：只有传感器的信号Ａ（Ｂ）与０Ｖ（地）之间的电阻比较小，电源与０Ｖ（地）之间的电阻由于受二极管的反向截止的影响，电阻值在表笔连接方式不同时，是变化的，电源与信号线之间的电阻比较大。
（２）供电检查
绞车传感器在使用过程中，一般的工作电压为5V，连接传感器后，用万用表测量传感器的1#脚与3#脚应接近5V。如果变化较大，根据上面的工作原理图可以判断传感器内部可能有短接故障。现场可以根据实际情况判断是否有进水的可能性，同时将传感器拆卸下来进行维修：或清除积水；或更换探头及电路板，再进一步判断故障点。
（３）传感器输出信号检查
在绞车传感器随滚筒轴转动过程中，井深面板两个指示灯应该交替闪烁；传感器两个脉冲信号输出端输出高低电平：高电平约为4.3V，低电平小于0.5V（新传感器的技术指标，旧传感器的输出电平可能要低一些，但高电平最小不能低于3.６V）。如果上述信号不正常，在传感器上可以从以
下几个方面检查：
首先检查与传感器相连的加长电缆线是否短路或断路：可以先用万用表在传感器输出端测量供电电压（1#脚与3#脚之间）以及传感器的信号输出电压（2#脚与3#脚之间；4#脚与3#脚之间），然后在仪器房内部测量绞车传感器的供电电压及信号输出电压，二者的测量值相同或比较接近。否则可以判断加长电缆线有故障，现场可根据实际情况判断是短路、断路或者接触不良导致信号衰减过大。另外也可以将加长电缆线从测量电路中断开，一端将四芯线的头短接，另一端用万用表电阻档测量加长电缆线四根线之间的电阻，线与线之间的电阻应该相同或接近。否则可根据实际测量电阻的情况判断加长电缆线是短路、断路或者接触不良。此时应更换加长电缆线，然后进一步判断是否有其它故障点。或者用其它型号传感器直接接在仪器房内部，确定故障是否在加长电缆线上。
其次检查传感器的输出电压：在绞车传感器随滚筒轴转动过程中，断开2#脚、4#脚与电缆线的连接，电缆线的1#脚、3#脚仍连接着，用万用表测量传感器的信号输出电压（2#脚与3#脚；4#脚与3#脚之间）应分别有4.3V 和0.5V电压变化。否则可以判断传感器输出脉冲信号出现了故障，并可依据实际测量的结果判断传感器是两路脉冲信号出现了故障，还是一路脉冲信号出现了故障，即传感器的感应探头出现了故障。此时可以将传感器密封盖拆卸开，观察判断传感器探头内部是否被油污、灰尘等污染了，并对传感器进行保养，然后进一步测试传感器的故障点，在确定传感器故障后，将传感器更换。另外，由于传感器随滚动轴转动的速度不一定适合测量（速度太快，万用表反应速度慢，无法准确测量，速度太慢，浪费时间），此时可以将传感器拆卸下来，人工转动传感器进行检测，可以得到较好的测量效果。
图７传感器检验连线示意图
（４）传感器技术性能指标测试
绞车传感器的技术性能指标不好主要会引起井深测量不准、误差较大等现象。此时将传感器从滚筒轴上拆卸下来，人工转动传感器，观察绞车面板指示灯的闪烁变化情况（绞车面板指示灯应该交替闪烁）。同时记录绞车传感器转动圈数和绞车面板（计算机）采集记录的脉冲数，二者进行比较：按照绞车传感器每转动一圈，绞车面板（计算机）采集记录48个脉冲数的比例计算。一般情况下采用正、反转动绞车传感器各20圈，绞车面板（计算机）采集记录的脉冲数均为960个，误差不大于20个脉冲。如果误差较大，则说明传感器技术性能指标较差，可考虑更换传感器。
（５）机械故障判断
一般情况下，在绞车传感器安装前，应该检查绞车传感器的机械故障。转动绞车传感器，在转动过程中若有轧动声或转轴卡滞，视为传感器有机械故障。此时应拆卸开传感器的密封盖，检查12转齿是否变形，是否与探头间发生摩擦；检查轴承是否有破损故障。及时保养排除传感器的机械故障，避免损坏传感器的探头及电路。
６、传感器室内检验
（1）检验设备
计量标准器的配置见表1。
表1 检验用计量标准器一览表
辅助设备的配置见表2。
表2 检验用辅助设备一览表
（2）检验项目
传感器的检验项目见表3。
表3 检验项目一览表
（3）检验方法
3.1 外观检查
目测检查传感器的机械转动应灵活、通畅，无卡滞现象。传感器的外观应完好。
3.2 内部电路检查
用数字万用表的电阻档检查传感器的内部线路应无短路、断路。
3.3 高、低电平检验
用数字万用表测量传感器的信号A脚和B脚输出的电压，该电压应符合传感器技术指标的要求。
3.4 误码率检验
以不同的速度转动传感器（最大500r/min），从标准转速仪上读取传感器从启动到停止所转动的圈数，并同时从计算机上读取其脉冲示值。然后计算传感器的误码率。
3.5 鉴别力（阈）检验
将传感器转动7.5°，从计算机上观察传感器输出脉冲的示值变化。（4）每米最大理论误差的计算：
根据现场经验：平均每米大约需要200个脉冲，每个脉冲所代表的距离为：α=1/200=0.005m
每米绞车传感器需要转动圈数：N=200/48≈4.2周
若每周的误差为±1脉冲，这样平均每米的脉冲误差数为：β=±4.2个脉冲。平均每米的误差为：
Δ=α3β=±4.230.005=±0.021m
由此可以得出：在现场录井过程中，如果每米最大误差小于2cm应属于正常。一般情况下，传感器的误码率都比较小，在实验室内检验过程中，以每分钟500转的速度的转动传感器，20圈后（960个脉冲），传感器的丢失的脉冲一般不超过5个。
二、泵冲传感器
1、工作原理
泵冲速指单位时间内泥浆泵作用的次数。单位：冲/min。它是计算钻井液入口排量及钻井液迟到时间的重要参数，还可用于判断泵故障，与
立管压力等参数综合分析可以判断井下钻具事故等。
图9 传感器电路图
泵冲速传感器也是一种邻近传感器。由一个长柱形外壳及邻近探测头组成。邻近探测头实际上是一个无触点开关，它由一个振荡器组成。在振荡线圈感应面的前方产生一个交变电磁场。当有金属片接近振荡线圈时，探测头附近的高频磁场在金属片中感应出涡流，造成较大的能量损失，输出一个低电压信号；当有金属片远离振荡线圈时，探测头附近的高频磁场的能量损失较小，此时输出的电压近似于传感器振荡线路供电电压，因此输出一个高电压信号。
泥浆泵工作时，其活塞作往复运动，安装在活塞上的金属片交替地通过探测头前方，使探测头电路输出一系列高电压与低电压相间的脉冲信号，这些脉冲信号被送到信号处理放大器和单稳线路中加以处理，从而得出“不探测”（高电压）和“探测”（低电压）的脉冲信号。传感器内部电路图如图14。
目前综合录井仪的泵冲（转速）传感器供电有+8V、+24V等，一般情况下，高电平和低电平的范围如下：
正常的高电平值：G ＝U 3（90±5）%
正常的低电压值：L ＝U 3（20±5）%
其中U为传感器工作电压值。
现场可以用万用表测量传感器的输出电压值。
目前GEO6000综合录井仪的泵冲（转速）传感器供电为+8V，一般情况下，高电平应该接近8V；低电平4.4V左右。当传感器供电为+24V，高电平23V左右；低电平接近4V。如图2（a）
高电平低电平
低电平
负电平
图a 图b
图13 传感器输出信号
2、安装使用方法及注意事项
传感器的安装是录井仪器安装最重要的环节，安装性能的好坏决定了传感器性能的发挥，最终决定了录井资料质量和录井服务质量。下面介绍传感器的安装及注意事项：
（2）安装位置
一般的说明书都介绍泵冲传感器安装在泥浆泵活塞的拉杆上，但由于工程频繁修泵，容易移动探头的位置或损坏传感器，导致反复维修或安装。因此现在都选择将传感器安装在泥浆泵的护罩上，将探头焊接在泥浆泵头的转轴上。或者选择适当的测量位置，焊好金属探头，用支架将泵冲传感器固定好。
转盘转速传感器一般利用支架安装在靠近转盘主轴的适当部位，在转盘的轴面上焊接探头。由于传感器安装在钻台上，安装时要考虑传感器的安全且方便以后检修、更换，同时不影响工程人员现场操作。
（2）安装步骤
在泥浆泵头的护罩上开一个孔（一般在400平方厘米左右，太小不利于传感器的安装与调试。），然后将传感器支架焊接在护罩上，在泥浆泵头的转轴上焊上金属探头，再将泵冲传感器固定在支架上。
转速传感器是在转盘主轴附近或在驱动转盘的动力源的适当部位焊接支架，将金属探头焊接在转盘主轴或焊接在在驱动转盘的动力源的轴面上。然后将传感器固定好。
（3）安装时应注意以下问题：
（1）调整探头感应面的位置与传感器的端面之间的距离，一般应小于12mm。
（2）探头感应面与传感器的端面要尽量保持平行。
（3）选取尽量大的金属探头（一般选择探头感应面的长宽为30mm）。
（4）避免金属屑或带金属屑的油污玷污感应面，造成磁短路或传感器误动作。
（5）安装时尽量避免阳光直射和雨淋，以提高传感器的可靠性和使用寿命。
（6）加长电缆线的铺设，以不妨碍工作人员的现场操作和不易被碰砸、损坏且架设安全、可靠为原则。特别是在钻台上电缆线一定要铺设较为隐蔽的地方。
（7）传感器的安装要牢固可靠，避免重复安装和调试。安装同时要注意人身安全。
（4）传感器与加长电缆的连接与调试
泵冲（转速）传感器的三芯线定义：
1#脚（棕）：工作电源+8V（+24V）；2#脚（红）：空；3#脚（橙）：输出信号。
上述三芯线的定义为标准定义，也可以打开传感器自己定义。根据三芯线的定义，与电缆线三芯线的定义相对应连接，连接处采取密封、绝缘措施。
一般电缆线连接正确后，传感器指示灯亮（现已出现另一种泵冲传感器，其工作状态正好相反，但工作原理和输出信号相似。），当有金属物体在传感器的端面来回移动时，指示灯闪烁，面板或计算机有采集电压；信号线连接不正确时，传感器指示灯亮，当有金属物体在传感器的端面来回移动时，指示灯也闪烁，但面板（计算机）无采集电压。此时传感器输出信号如图2（b）所示，是一组负脉冲信号，因此面板（计算机）采集不到电压。
在传感器连接好后，可以用万用表测量传感器1、3脚的电压，一般输出电压为3.5~8V（8V供电），或3.9~23.7V（24V供电）。因为仪器面板（计算机）采集的是输出电压的上升沿，因此输出电压有一个足够大的变化范围即可。
（5）传感器的标定
由于传感器安装的位置不同，传感器所测量的脉冲数也不一样，例如泵的转轴处和泵的活塞拉杆处的脉冲数就不一样。因此在现场录井过程中，要用秒表实际测量泵冲（转速）脉冲数，根据实际测量的泵冲（转速）数对传感器进行标定。一般采用两点标定，即零脉冲和实际测量的脉冲。如果有条件可以采用多点标定。
3、故障判断及排除方法
泵冲（转速）传感器在使用过程中，故障主要表现为：传感器无输出信号。根据现场经验，可以从以下几个方面进行检测：
（1）供电检查
泵冲（转速）传感器在使用过程中，一般的工作电压为8V或24V，可以先用万用表测量供电电压，然后在仪器房内部测量泵冲传感器的供电电压，二者的测量值相同或比较接近。否则可以判断加长电缆线有故障，现场可根据实际情况判断是短路、断路或者接触不良导致信号衰减过大。连接传感器后，再用万用表测量传感器的1#脚与3#脚的电压应接近8V或24V。如果变化较大，可以判断传感器内部可能有短接故障。现场可以根据实际情况判断是否有进水的可能性，同时将传感器拆卸下来，打开传感器的密封盖，再进一步判断故障点。
（2）传感器输出信号检查
传感器在工作中，无信号输出时，首先要观察传感器上的指示灯是否有相应的闪烁。如果指示灯常灭或常亮，应检查加长电缆线是否短路或断路。
方法如下：将加长电缆线从测量电路中断开，一端将二芯线的头短接，另一端用万用表电阻档测量加长电缆线二根线之间的电阻，线与线之间的电阻应该很小（小于1Ω）。否则可根据实际测量电阻的情况判断加长电缆线是断路或者接触不良。此时应更换加长电缆线，然后进一步判断是否有其它故障点。
其次是检查传感器是否有故障，可以将传感器拆卸下来直接接在仪器房内部，用金属物体靠近传感器的端面，指示灯应有亮的动作，远离时有灭的动作。否则可以判断传感器损坏。更换新的传感器。
如果传感器良好，应调整传感器与探头之间的距离，直到传感器工作状态良好。
如果在其他地方测试传感器时，或在仪器房内部不接泵冲通道的情况
下，可按照图3的连接方式连接测试
传感器。
因为稳压电源输出的电压为
图3 稳定的24V（8V），若直接将传感器连接到电源上，传感器可以正常工作，但传感器两端的输出电压永远为稳压电源输出电压。因此必须在电路中串联一个1KΩ的电阻作为分压电阻，当金属物体（探头）远离时，可用万用表测量传感器两端输出低电平，指示灯灭；当金属物体（探头）靠近时，可用万用表测量传感器两端输出高电平，指示灯亮。根据上述状态的是与否，判断传感器的好与坏。
4 传感器室内检验
（1）检验设备
计量标准器的配置见下表
辅助设备的配置见下表
（2）检验内容
传感器的校准项目见下表。
（３）检验方法
３.1 外观检查
目测检查传感器的外观。
３.2 内部电路检查
用数字万用表的电阻档检查传感器的内部线路。
３.3 高、低电平校准
将传感器与稳压电源和数字繁用表连接在一起。转动探头，从数字万用表上读取传感器输出的高、低电压示值
图1 传感器校准连线示意图
３.4 误码率检验
按图2将传感器与标准转速仪、稳压电源、电阻、通用计数器连接在一起。按照不同转速，转动探头，从标准转速仪上分别读取传感器各校准点正、反转从启动到停止所转动的圈数，并同时从通用计数器上分别读取其脉冲示值。计算误码率。
图2 传感器校准连线示意图
6.5 测量距离校准
逐渐拉大传感器端面与金属探头感应面之间的距离，从数字万用表上观察传感器输出电压的示值变化。当传感器的输出电压从低电平突变到高电平时，用钢卷尺测量传感器端面与金属探头感应面之间的距离。
三、压力传感器
１、工作原理
压力传感器按照用途可分为悬重、立管压力、套管压力和扭矩四种传感器。如图8，传感器的压力感应部分是一个集成压敏元件组成的惠斯顿电桥，由于硅材料的压阻效应，在恒压供电的条件下，桥路输出信号与被测压力成正比。该信号经过传感器内部电路处理，最后输出4～20mA电流信号。
常用压力传感器原理分析 振膜式谐振压力传感器 振膜式压力传感器结构如图(a)所示。振膜为一个平膜片，且与环形壳体做成整体结构，它和基座构成密封的压力测量室，被测压力 p经过导压管进入压力测量室内。参考压力室可以通大气用于测量表压，也可以抽成真空测量绝压。装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片提供激振力，当激振 频率与膜片固有频率一致时，膜片产生谐振。没有压力时，膜片是平的，其谐振频率为 f0；当有压力作用时，膜片受力变形，其张紧力增加，则相应的谐振频率也随之增加，频率随压力变化且为单值函数关系。 在膜片上粘贴有应变片，它可以输出一个与谐振频率相同的信号。此信号经放大器放大后，再反馈给激振线圈以维持膜片的连续振动，构成一个闭环正反馈自激振荡系统。如图(b)所示 压电式压力传感器 某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电 的状态，此现象称为“压电效应”。常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造 多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。 压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系： Q=kSp 式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。 图1为一种压电式压力传感器的结构示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力 均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。 除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。
半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如图所示。当有电流 I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH ，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。 原理简述如下：激励电流 I 从 a 、 b 端流入，磁场 B 由正上方作用于薄片，这时电子 e 的运动方向与电流方向相反，将受到洛仑兹力 FL 的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的 c 、 d 方向产生电场 E 。电子积累得越多， FE 也越大，在半导体薄片 c 、 d 方向的端面之间建立的电动势 EH 就是霍尔电势。 由图可以看出，流入激励电流端的电流 I 越大、作用在薄片上的磁场强度B 越强，霍尔电势也就越高。磁场方向相反，霍尔电势的方向也随之改变，因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁场。 半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如图所示。当有电流 I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH ，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。 原理简述如下：激励电流 I 从 a 、 b 端流入，磁场 B 由正上方作用于薄片，这时电子 e 的运动方向与电流方向相反，将受到洛仑兹力 FL 的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的 c 、 d 方向产生电场 E 。电子积累得越多， FE 也越大，在半导体薄片 c 、 d 方向的端面之间建立的电动势 EH 就是霍尔电势。 由图可以看出，流入激励电流端的电流 I 越大、作用在薄片上的磁场强度B 越强，霍尔电势也就越高。磁场方向相反，霍尔电势的方向也随之改变，因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁场。
(1) 1 dR d R dA A 四种压力传感器的基本工作原理及特点 一：电阻应变式传感器 1 1电阻应变式传感器定义 被测的动态压力作用在弹性敏感元件上， 使它产生变形，在其变形的部位粘 贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称 为电阻应变式压力传感器。 1.2电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片 箔式应变片是以厚度为0.002―― 0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔 栅宽度为0.003――0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝 （直 径0. 015--0. 05mm ），平行地排成栅形（一般2――40条），电阻值60――200 ?， 通常为 120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即 制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于 待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时， 电阻片 也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。 I 绘式应吏片 b ）笹式应变片 材料的电阻变化率由下式决定:
式中; R—材料电阻2
3 —材料电阻率 由材料力学知识得; K —金属电阻应变片的敏感度系数 式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分 dR 、dL 改写成增 量出、/L,可得 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形 而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了 ZR 的变化，也就得 到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。 1.3电阻应变式传感器的分类及特点 「测低压用的膜片式压力传感器 常用的电阻应变式压力传感器包括彳测中压用的膜片一一应变筒式压力传感器 -测高压用 的应变筒式压力传感器 1.3.1膜片一一应变筒式压力传感器的特点 该传感器的特点是具有 较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、 动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。 适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如 火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。 1.3.2膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性 较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于 0.5%，同时又有较高 的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。 B 这种传感器与膜片一应变筒式压力传感器相比， 自振频率较低，因此在低dR "R [(1 2 ) C(1 2 )]
传感器及其工作原理 【三维目标】 1．知识与技能： （1）、了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义； （2）、知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的工作原理。 （3）、了解传感器的应用。 2．过程与方法： 通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践 能力和创新思维能力。 3．情感、态度与价值观 （1）、体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。 （2）、通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。【教学重点】：理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。 【教学难点】：分析并设计传感器的应用电路。 【教学方法】：实验、探究、讨论 【教学用具】：干簧管，磁铁，光敏电阻、热敏电阻演示仪、传感器简单应用实验盒、万用表。 【教学过程】 一、引入新课 准备知识：从上世纪八十年代起，国际上出现了“传感器热”，传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。本课的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。 今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的？楼梯上的电灯如何能人来就开，人走就熄的？工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐华夏大地时，机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的？所有这些，都离不开一个核心，那就是本堂课将要学习的传感器。 二、新课教学 1．什么是传感器 演示实验1：如图1所示，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，当把磁铁放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移开，灯泡熄灭。
常用传感器的工作原理及应用
3.1.1电阻式传感器的工作原理 应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件：具有弹性应变特性的物体 3.1.3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。 工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。 应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。 1．电阻应变效应 ○
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 2．电阻应变片的结构 基片 b l 电阻丝式敏感栅 金属电阻应变片的结构 4．电阻应变式传感器的应用 （1）应变式力传感器 被测物理量：荷重或力 一
二 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的 测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等 （2）应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式 弹性元件。 （3）应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力。 （4）应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据：a =F/m 。 3.2电容式传感器 3.2.1电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的 平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时， 电容量C 也随之变化。 d S C ε=
压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分,由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电 信号作输出,给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。 压力传感器的种类繁多，如压阻式压力传感器、应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感 器、压磁式压力传感器、谐振式压力传感器及差动变压器式压力传感器，光纤压力传感器等。 一、压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片 受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。 压阻式具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 1、压阻式压力传感器基本介绍 压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片，称为半导体应变片，因此 应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器，另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩 散电阻，以此扩散电阻的传感器称为扩散型压阻传感器。 半导体应变式传感器半导体应变式传感器的结构形式基本上与电阻应变片传感器相同，也是由弹性敏感元件等三部分组成，所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制成。半导体应变片与金属应变片相比，最 突出的优点是它的体积小而灵敏高。它的灵敏系数比后者要大几十倍甚至上百倍，输出信号有时不必放大 即可直接进行测量记录。此外，半导体应变片横向效应非常小，蠕变和滞后也小，频率响应范围亦很宽， 从静态应变至高频动态应变都能测量。由于半导体集成化制造工艺的发展，用此技术与半导体应变片相结 合，可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器，使测量系统大为简化。但是半导体应变片也存 在着很大的缺点，它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级，灵敏系数随温度变化较大它的应变 —电阻特性曲线性较大，它的电阻值和灵敏系数分散性较大，不利于选配组合电桥等等。 扩散型压阻式传感器扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同时特性不一样。因此必须根据传感器受力变形情况来加工制作扩散硅敏感电阻膜片。 利用半导体压阻效应，可设计成多种类型传感器，其中压力传感器和加速度传感器为压阻式传感器的基本 型式。 硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。硅膜片是核心部分，其外形状象杯故名硅杯，在硅膜上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的电阻，经蒸镀金属电极及连线，接成惠斯登电桥 再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系数相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，从而使扩散电阻的电阻值发 生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值。
霍尔电流传感器工作原理 1、直放式（开环）电流传感器（CS系列） 当原边电流I P流过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压V S精确的反映原边电流I P。一般的额定输出标定为4V。 2、磁平衡式（闭环）电流传感器（CSM系列） 磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。 具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。 3、霍尔电压（闭环）传感器（VSM系列）
霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似，也是以磁平衡方式工作的。原边电压VP通过限流电阻Ri产生电流，流过原边线圈产生磁场，聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件输出信号控制的补偿电流IS流过副边线圈产生的磁场进行补偿，其补偿电流IS精确的反映原边电压VP。 4、交流电流传感器（A-CS系列） 交流电流传感器主要测量交流信号灯电流。是将霍尔感应出的交流信号经过AC-DC及其他转换，变为0～4V、0～20mA（或4～20mA）的标准直流信号输出供各种系统使用。
压力传感器 压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 1、压阻式压力传感器原理与应用： 压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。 压阻效应 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器结构 压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
压力变送器的工作原理 压力变送器的工作原理 压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、放大电路和支持结构件三类组成。它能将测压元件传感器测量到的气体、液体等物理压力参数变化转换成电信号(如4~20mA等)，以提供指示报警仪、记载仪、调理器等二次仪表进行显示、指示和调整。 压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后转换为成4～20mA 信号输出。 压差变送器也称差压变送器，主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力差信号转变成标准的电流电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。 差压变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～20MPA）和微差压变送器（0～30kPa）两种。 差压变送器的测量原理是：流程压力和参考压力分别作用于集成硅压力敏感元件的两端，其差压使硅片变形（位移很小，仅μm级），以使硅片上用半导体技术制成的全动态惠斯登电桥在外部电流源驱动下输出正比于压力的mV级电压信号。由于硅材料的强性极佳，所以输出信号的线性度及变差指标均很高。工作时，压力变送器将被测物理量转换成mV级的 电压信号，并送往放大倍数很高而又可以互相抵消温度漂移的差动式放大器。放大后的信号经电压电流转换变换成相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入压力成线性对应关系的标准电流电压信号。 压力传感器工作原理 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用 1 、应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式
江苏省淮阴中学06－07年度优秀教学案例 《传感器及其工作原理》的创新教学设计 王刚 教学依据 ①物理（新人教版）选修3－2第六章第1节《传感器及其工作原理》（P56－P60）； ②新物理课程标准（实验）. 教学流程图
教学目标1.知识与技能：①知道非电学量转换成电学量的技术意义；②通过实验，知道常见传感器的工作原理；③初步探究利用和设计简单的传感器. 2.过程与方法：①通过对实验的观察、思考和探究，让学生了解传感器、熟悉传感器工作原理；②让学生自己设计简单的传感器，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的实践能力和创新思维能力. 3.情感态度与价值观：在理解传感器工作原理的基础上，通过自己设计简单的传感器，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣. 重、难点 1.几种常见传感器的工作原理（演示实验）；2.学生自己设计简单的传感器. 教学策略 用几个有趣的传感器实验引入课题，激发学生探究传感器原理的兴趣.给出“传感器就是把非电学量转换为电学量”的概念之后，重点介绍光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻.安排音乐茶杯和火警装置两个设计性问题让学生体会传感器的简单应用.结合电容、霍尔效应、电阻定律等知识让学生设计传感器，进一步深化传感器的工作原理.最后在对本节课总结的基础上，结合《思考与讨论》进行教学反馈. 教学程序 教学环节教学内容及师生互动设计情感与方法 一．课题的引入 二．什么是传感器？【演示实验1】干簧管控制电路的通断 如图，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开 关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移 走，灯泡熄灭. 师问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？ 生猜：（可以自由讨论，也可以请学生回答） 师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路 图，了解元件“干簧管”的结构。探明原因：玻璃管内封入 两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时，两个簧 片被磁化而接通，电路导通。所以，干簧管能起到开关的作 用。 师点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发 光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。 【演示实验2】声光控开关控制电路的通断 ①先在普通光照条件下， ②在把开关置于黑暗环境中。 师生总结：声光控开关 师：刚才的两个实验，都用了一种元件，这些元件能够 感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制，这种元件有 一个专门的名称：传感器。什么是传感器呢？它能够感受诸 如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按 照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的 通断。我们把这种元件叫做传感器。它的优点是：把非电学 量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处 理和控制了。 其实，传感器并不神秘。你家里可能就有很多的传感 器。请大家相互说说看，你家里，或者在你的生活当中，都 （演示实验1： 干簧管传感器） （干簧管的实 物及原理图） 学生对干簧 管并不熟悉，因 此才有了好奇。 声光控开关在 生活中很普及， 所以又有亲切 感
霍尔电流传感器的种类及工作原理 1.简介 霍尔电流传感器可以分为很多种，如果按照原理可以分为开环霍尔电流传感器（Open Loop Hall Effect）和闭环霍尔电流传感器(Close Loop Hall Effect)。基于开环原理的电流传感器结构简单，可靠性好，过载能力强，体积较小，但也有很多缺点，如温度影响大，精度低，反应时间不够快，频带宽度窄等。而闭环霍尔电流传感器等特点是精度高，响应快，频带宽，但同时也有缺点，即过载能力差，体积较大，工艺比较复杂，同时价格也偏高。 1原理图如下： 开环原理霍尔电流传感器示意图 闭环原理霍尔电流传感器示意图 2 霍尔电流传感器的工作原理 霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。 1图片来自PAS 网站
2.1 电流传感 器的输出信号 2当原边导线经过电 流传感器时，原边电流IP 会产生磁力线，原边磁力 线集中在磁芯气隙周围， 内置在磁芯气隙中的霍尔 电片可产生和原边磁力线 成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS，并存在以下关系式：IS*NS= IP*NP。其中，IS—副边电流；IP—原边电流；NP—原边线圈匝数；NS —副边圈匝数；NP / NS—匝数比，一般取NP=1。 电流传感器的输出信号是副边电流IS，它与输入信号（原边电流IP）成正比，IS 一般小，只有10~400mA。如果输出电流经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。 2.2 电流传感器供电电压V A V A指电流传感器的供电电压，它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围，传感器不能正常工作或可靠性降低。另外，传感器的供电电压V A又分为正极供电电压V A+和负极 供电电压V A-。要注意单相供电的传感器，其供电电压V Amin是双相供电电压V Amin 的2倍，所以其测量范围要高于双相供电的传感器。 2.3 测量范围Ipmax 测量范围指电流传感器可测量的最大电流值，测量范围 一般高于标准额定值I 。 2.4霍尔电流传感器工作原理 霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。 直放式电流传感器（开环式）：当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，一般的额定输出标定为4V。 磁平衡式电流传感器（闭环式）：磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS，并存在以下关系式： IS* NS= IP*NP。（其中，IS—副边电流；IP—原边电流；NP—原边线圈匝数；NS—副边线圈匝数；NP/NS—匝数比，一般取NP=1。）磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip 2董高峰《浅析霍尔电流传感器的应用》
压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 1、应变片压力传感器原理与应用： 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 1．1、金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 1．2、电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）
振动传感器种类、原理及发展趋势 【摘要】振动传感器是一种能感受机械运动振动的参量(振动速度、频率，加速度等)并转换成可用输出信号的传感器。 在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。 【关键词】种类；原理；发展趋势 【Abstract】:Vibration transducer is atransducer that can feel the vibration of a mechanical movement parameters (frequency of the vibration velocity, acceleration, etc.) and converted into usable output signal of the sensor. At the height of the development of modern industry, modern testing technology to digitization, information management has become an inevitable trend of development, and testing system for the front end is the sensor, it is the soul of an entire test system, is listed as a leading-edge technology around the world, particularly in recent years, the rapid development of IC technology and computer technology, the development of a sensor provides a good and reliable scientific and technology base. Place the sensor development, Crescent IK, and multipurpose digital, is a modern and intelligent sensor development, an important feature. 【Keywords】:type , principle , inevitable trend of development 振动传感器的分类
电阻应变式压力传感器工作原理细解 2011-10-14 15:37元器件交易网 字号： 中心议题： 电阻应变式压力传感器工作原理 微压力传感器接口电路设计 微压力传感器接口系统的软件设计 微压力传感器接口电路测试与结果分析 解决方案： 电桥放大电路设计 AD7715接口电路设计 单片机接口电路设计 本文采用惠斯通电桥滤出微压力传感器输出的模拟变量，然后用INA118放大器将此信号放大，用7715A/D 进行模数转换，将转换完成的数字量经单片机处理，最后由LCD 将其显示，采用LM334 做的精密5 V 恒流源为电桥电路供电，完成了微压力传感器接口电路设计，既能保证检测的实时性，也能提高测量精度。 微压力传感器信号是控制器的前端，它在测试或控制系统中处于首位，对微压力传感器获取的信号能否进行准确地提取、处理是衡量一个系统可靠性的关键因素。后续接口电路主要指信号调节和转换电路，即能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。由于用集成电路工艺制造出的压力传感器往往存在：零点输出和零点温漂，灵敏度温漂，输出信号非线性，输出信号幅值低或不标准化等问题。本文的研究工作，主要集中在以下几个方面：
(1)介绍微压力传感器接口电路总体方案设计、系统的组成和工作原理。 (2)系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及接口电路，包括A/D 转换电路、单片机接口电路、1602显示电路。 (3)对系统采用的软件设计进行研究，并简要阐述主要流程图，包括主程序、A/D 转换程序、1602显示程序。 1 电阻应变式压力传感器工作原理 电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把4 个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。 当有压力时各桥臂的电阻状态都将改变，电桥的电压输出会有变化。 式中：Uo 为输出电压，Ui 为输入电压。 当输入电压一定且ΔRi <
全向振动传感器 它是一种全方位固态振动控制器件，传感部分采用目前最先进的固态加速度检测器件，既对振动有很高的检测灵敏度，也对周围环境的声音信号抑制，具有很强的抗干扰能力。 目前所出现的振动传感器为一弹簧振子,通过碰撞实现振动感应,主要缺点是有方向性,可靠性差。针对这一缺陷,本方案使用的传感器, 克服了这一弱点。敏感器件采用压电陶瓷片,置于一密闭腔中,两侧为金属小球,空腔设计为球形, 以利用小球滚动。在三维空间中,无论传感器在什么方位,始终有小球与压电陶瓷片接触。在振动时,小球对压电陶瓷片压力变化,产生脉动电压, 从而实现振动感应。因为本振动传感器的输出电压幅度主要取决于振动强度,在不同方向上振动, 输出电压太小差别不大，故为全方向性。 (1) 全向振动传感器工作原理 全向振动传感器,是一种目前广泛应用的报警检测传感器，它内部用压电陶瓷片加弹簧重锤结构检测振动信号，并通过LM358等运放放大并输出控制信号。如图2-8所示为全向振动传感器电路图。 ND-2采用特别设计的低功耗检测控制芯片，静态耗电小于1μA ，是目前振动传感器中耗电最小的器件。为了方便使用，采用引线方式。引线连接方式：红线为电源正极，绿线为输出端，黑线为地。如图2-9所示为ND-2引线图。 当检测到振动大于一定幅度时，动作指示灯点亮，并发出报警。振动检测的灵敏度可以通过灵敏度调节旋钮调节，顺时针灵敏度增加，逆时针灵敏度降低。 3V 图2-8 全向振动传感器电路图 红 绿 黑 图2-9 ND-2引线图 如图2-10所示，ND-2采用集电极开路输出方式，其内部三极管的控制电流不小于10mA 。受内部定时器的控制，每检测出一次振动信号，三极管导通5秒，
5.2 常见传感器的工作原理 ［课时安排］1课时 ［教学目标］： （一）知识与技能 1．通过实物认识光敏电阻，了解光传感器的工作原理。了解光传感器的用途。2．通过实物认识热电偶和热敏电阻，了解温度传感器的工作原理。了解温度传感器的用途。 3．利用传感器制作简单的自动控制装置，通过实验认识传感器，体会非电学量转换成电学量好处。 （二）过程与方法 实验探究及要求学生使用多种资源去收集信息，多整理信息，最后形成书面报告在课堂上与教师和同学交流。 （三）情感、态度与价值观 激发学生的学习兴趣，拓展他们的视野，培养学生收集信息、与他人进行交流的能力，提高他们的创新意识。 通过分析事例，培养学生全面认识和对待事物的科学态度。 ［教学重难点］：光敏电阻和热敏电阻的工作原理及实验设计 ［教学器材］：光敏电阻和热敏电阻，小灯炮，干簧管，欧姆表，烧杯，导线，二极管，干电池，开水等 ［教学方法］：实验探究，讲授 ［教学过程］ （一）引入新课 通过教师演示实验，用光敏电阻控制小灯炮的亮暗。 （二）进行新课 一、.光电传感器原理 1、工作原理：光电传感器是指能够感受光信号，并按照一定规律把光信号 转换成电学量信号器件。 光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 2、干簧管： 3、光敏电阻： A：实验探究及见课件： 用多用电表测量光敏电阻的阻值，改变入射到光敏电阻上光的强度，再次测量阻值，并将各数据记人表格
电流传感器的工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
电流传感器工作原理 电流传感器是传感器的一种分类，其主要信号源是采集信号的电流大小！主要参数为其电流大小！检测方法一般是检测电流特性的器件，一般有电流表之类的！ 工作原理主要是霍尔效应原理. 一、以零磁通闭环产品原理为例: 1、当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS，并存在以下关系式： IS* NS= IP*NP 其中，IS—副边电流； IP—原边电流； NP—原边线圈匝数； NS—副边线圈匝数； NP/NS—匝数比，一般取NP=1。 电流传感器的输出信号是副边电流IS，它与输入信号（原边电流IP）成正比， IS一般很小，只有10~400mA。如果输出电流经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。 2、传感器供电电压VA VA指电流传感器的供电电压，它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围，传感器不能正常工作或可靠性降低，另外，传感器的供电电压VA又分为正极供电电压VA+和负极供电电压VA-。要注意单相供电的传感器，其供电电压VAmin是双相供电电压VAmin的2倍，所以其测量范围要相供高于双电的传感器。 3、测量范围Ipmax 测量范围指电流传感器可测量的最大电流值，测量范围一般高于标准额定值IPN。 二、电流传感器主要特性参数 1、标准额定值IPN和额定输出电流ISN
压电式压力传感器原理、特点及应用 压电式压力传感器的原理 压电式压力传感器的原理主要是压电效应，它是利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器，比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大 的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来。但是实际上并不是这样的。因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。而石英呢，其实是一种天然的晶体，而压电效应就是在此晶体的基础上发现的。在规定的范围里， 压电性质是不会消失，而是一直存在的。但是如果温度在这个规定的范围之外，压电性质就会彻底地消失不见。当应力发生变化的时候，电场的变化很小很小，其他的一些压电晶体就会替代石英。酒石酸钾钠，它是具有很大的压电系数和压电灵敏度的，但是，它只可以使用在室内的湿度 和温度都比较低的地方。磷酸二氢胺是一种人造晶体，它可以在很高的湿度和很高的温度的环境中使用，所以，它的应用是非常广泛的。随着技术的发展，压电效应也已经在多晶体上得到应用了。例如：压电陶瓷，铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等都包括在内。
压电式压力传感器的特点 以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。 它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，例如：加速度和压力。它有很多优点：重量较轻、工作可靠、结构很简单、信噪比很高、灵敏度很高以及信频宽等等。但是它也存在着某些缺点：有部分电压材料忌潮湿，因此需要采取一系列的防潮措施，而输出电流的响应又比较差， 那就要使用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点，让仪器更好地工作。 压电式压力传感器的应用 压电式压力传感器的应用领域很广泛：电声学、生物医学和工程力学等等。它能够测量发动机里面的燃烧压力，也能够应用在军事方面。它可以测量在膛中的枪炮子弹在击发的那一刻，膛压的改变量以及炮口所受到的冲击波压力。它能够测量很小的压力，也能够测量大 的压力。由于它的使用寿命很长、重量较轻、体积较小、结构较简单，因此它所涉及的领域远远不止这些。在对建筑物、桥、汽车和飞机等的冲击和震动的测量，也是非常广泛的。特别是在宇航和航空的领域
机电一体化技术常用传感器及其原理 班级：机械设计制造及其自动化姓名： 学号：
一、传感器的分类 传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。按被测物理量划分的传感器，常见的有：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 按工作原理可划分为： 1．电学式传感器 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。 电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。 2．磁学式传感器 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的
测量。 3．光电式传感器 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 4．电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。 5．电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。 6．半导体传感器 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 7．谐振式传感器 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。 8．电化学式传感器 电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。 另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电