Basic knowledge of transducers
A transducer is a device which converts the quantity being measured into an optical, mechanical, or-more commonly-electrical signal. The energy-conversion process that takes place is referred to as transduction.
Transducers are classified according to the transduction principle involved and the form of the measured. Thus a resistance transducer for measuring displacement is classified as a resistance displacement transducer. Other classification examples are pressure bellows, force diaphragm, pressure flapper-nozzle, and so on.
1、Transducer Elements
Although there are exception ,most transducers consist of a sensing element and a conversion or control element. For example, diaphragms,bellows,strain tubes and rings, bourdon tubes, and cantilevers are sensing elements which respond to changes in pressure or force and
convert these physical quantities into a displacement. This displacement may then be used to change an electrical parameter such as voltage, resistance, capacitance, or inductance. Such combination of mechanical and electrical elements form electromechanical transducing devices or transducers. Similar combination can be made for other energy input such as thermal. Photo, magnetic and chemical,giving thermoelectric, photoelectric,electromaanetic, and electrochemical transducers respectively.
2、Transducer Sensitivity
The relationship between the measured and the transducer output signal is usually obtained by calibration tests and is referred to as the transducer sensitivity K1= output-signal increment / measured increment . In practice, the transducer sensitivity is usually known, and, by measuring the output signal, the input quantity is determined from input= output-signal increment / K1.
3、Characteristics of an Ideal Transducer
The high transducer should exhibit the following characteristics
a) high fidelity-the transducer output waveform shape be a faithful reproduction of the measured; there should be minimum distortion.
b) There should be minimum interference with the quantity being measured; the presence of the transducer should not alter the measured in any way.
c) Size. The transducer must be capable of being placed exactly where it is needed.
d) There should be a linear relationship between the measured and the transducer signal. e) The transducer should have minimum sensitivity to external effects, pressure
transducers,for example,are often subjected to external effects such vibration and temperature. f) The natural frequency of the transducer should be well separated from the frequency and harmonics of the measurand.
4、Electrical Transducers
Electrical transducers exhibit many of the ideal characteristics. In addition they offer high sensitivity as well as promoting the possible of remote indication or mesdurement.
Electrical transducers can be divided into two distinct groups:
a) variable-control-parameter types,which include:
i)resistance
ii) capacitance
iii) inductance
iv) mutual-inductance types
These transducers all rely on external excitation voltage for their operation.
b) self-generating types,which include
i) electromagnetic
ii)thermoelectric
iii)photoemissive
iv)piezo-electric types
These all themselves produce an output voltage in response to the measurand input and their effects are reversible. For example, a piezo-electric transducer normally produces an output voltage in response to the deformation of a crystalline material; however, if an alternating voltage is applied across the material, the transducer exhibits the reversible effect by deforming or vibrating at the frequency of the alternating voltage.
5、Resistance Transducers
Resistance transducers may be divided into two groups, as follows:
i) Those which experience a large resistance change, measured by using potential-divider methods. Potentiometers are in this group.
ii)Those which experience a small resistance change, measured by bridge-circuit methods. Examples of this group include strain gauges and resistance thermometers.
5.1 Potentiometers
A linear wire-wound potentiometer consists of a number of turns resistance wire wound around a non-conducting former, together with a wiping contact which travels over the barwires. The construction principles are shown in figure which indicate that the wiper
displacement can be rotary, translational, or a combination of both to give a helical-type motion. The excitation voltage may be either a.c. or d.c. and the output voltage is
proportional to the input motion, provided the measuring device has a resistance which is much greater than the potentiometer resistance.
Such potentiometers suffer from the linked problem of resolution and electrical noise. Resolution is defined as the smallest detectable change in input and is dependent on the
cross-sectional area of the windings and the area of the sliding contact. The output voltage is thus a serials of steps as the contact moves from one wire to next.
Electrical noise may be generated by variation in contact resistance, by mechanical wear due to contact friction, and by contact vibration transmitted from the sensing element. In addition, the motion being measured may experience significant mechanical loading by the inertia and friction of the moving parts of the potentiometer. The wear on the contacting surface limits the life of a potentiometer to a finite number of full strokes or rotations usually referred to in the manufacturersquo;s specification as the lsquo;number of cycles of life expectancyrsquo;, a typical value being 20*1000000 cycles.
The output voltage V0 of the unload potentiometer circuit is determined as follows. Let
resistance R1= xi/xt *Rt where xi = input displacement, xt= maximum possible displacement, Rt total resistan
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传感器的基础知识
传感器是一种把被测量转换为光的、机械的或者更平常的电信号的装置。能量转换的过程称之为换能。
按照转换原理和测量形式对传感器进行分类。用来测量位移的电阻式传感器被归为电阻式位移传感器。分类如压力波纹管、压力膜和压力阀等。
1、传感器元件
除特例外，大多数的传感器都由敏感元件、转换元件或控制元件组成。如振动膜、波纹管、应力管和应力环、低音管和悬臂都是敏感元件，它们对压力和力作出响应把物理量转变成位移。然后位移可以改变电参数，如电压、电阻、电容或者感应系数。机械式和电子式元件合并形成机电式传感设备或传感器。这样的组合可用来输入能量信号。热的，光的，磁的和化学的相互结合产生的热电式、光电式、电磁式和电化学式传感器。
2、传感器灵敏度
通过校正测量系统获得的被测物理量和传感器输出信号的关系叫做传感器灵敏度K1，也就是K1=输出信号增量/测量增量。实际中，传感器的灵敏度是已知的，并且通过测量输出信号，输入量由下式决定，输入量=输出信号增量/K1。
3、理想传感器的特性
a）高保真性：传感器输出波形应该真实可靠地再现被测量，并且失真很小。 b）可测量最小的干扰，任何时候传感器的出现不能改变被测量。
c）尺寸：传感器必须能正确地放在所需的地方。
d）被测量和传感器信号之间应该有一个线性关系。
e）传感器对外部影响的灵敏度应该小，例如压力传感器经常受到外部振动和温度的 响。
f）传感器的固有频率应该避开被测量的频率和谐波。
4、电传感器
电传感器具有许多理想特性。它们不仅实现远程测量和显示，还能提供高灵敏度。 电传感器可分为两大类。
a）变参数型，包括：
i）电阻式；
ii）电容式；
iii自感应式；
iv）互感应式；
这些传感器的工作依靠外部电压。
b） 自激型，包括：
i） 电磁式；
ii）热电式；
iii）光栅式；
iv）压电式。
这些传感器根据测量输入值产生输出电压，而且这一过程是可逆的。比如，在一般情况下，压电式传感器可根据晶体材料的变形产生一个输出电压；但是，如果在材料上施加一个可变电压，传感器可以通过变形或与变电压同频率的振动来体现可逆效应。
5、电阻式传感器
电阻式传感器可以分为两大类：
i）那些表现为大电阻变化的物理量可通过分压方式进行测量，电位器就属于此类。 ii）那些表现为小电阻变化的物理量可通过桥电路方式进行测量，这一类包括应变仪和电阻温度计。
5.1 电位器
绕线式电位器由许多绕在非导体骨架的电阻丝以及滑行在线圈上的触头组成。结构原理如图，触头能够转动、直线式运动或者两运动合成的螺旋式运动。
如果测量设备的电阻比电位器的电阻大，那么电压既可以是交流也可以是直流，且输出电压与输入运动成正比。
这样的电位器存在着分辨率和电子噪声的问题。分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量，分辨率大小取决于线圈与滑动触头围成的面积。因此，输出电压为触头从一端移到另一端时一系列阶跃。
电子噪声可以通过接触电阻的振动、触头摩擦形成的机械磨损以及从敏感元件传出的触头振动产生。另外，测得的运动量可以通过惯性和电位器中移动元件的摩擦获得较大的机械载荷。触头表面的磨损将电位器的寿命限制为多少转。通常指的是生产商在说明书中提及的“寿命转数”，一个典型值为20*1000000转。
空载电位器电路的输出电压V0由下式决定：设电阻R1= xi/xt *Rt，其中xi为输入位移，xt为最大可能位移，Rt为电位器的电阻。那么输入电压V0= V* R1/(R1 ( Rt-R1))=V*R1/Rt=V*xi/xt*Rt/Rt=V*xi/xt 上式表明，对于空载电位器输出电压和输入位移呈直线关系。
通过提高激励电压V可以获得高的灵敏度。但是，V的最大值由电位器线圈金属丝的功率损耗P决定，即V=(PRt)1/2。
5.2 电阻应变仪
电阻应变仪是由机械应变产生电阻变化的传感器。它们可以是耦合的或者非耦合的 a）耦合应变仪
运用黏合剂可将应变仪与被检测的结构或部件的表面粘合或粘牢。
耦合应变仪分为：
i)粘合在绝缘纸背后的金属细丝仪
ii)在环氧树脂上粘贴导电箔片的光栅
iii）在环氧树脂上粘贴铜或镍的半导体丝
电阻应变仪可作为单个元件仅在一个方向测量应力，或者几个元件的组合体可在几个方向同时进行测量。
b） 非耦合应变仪
一典型应变仪表明细电阻丝在悬臂弹簧偏差作用下改变电阻丝张力进而改变电阻丝的阻值。商业上通常在力、负载、压力传感器上运用此方法。
5.3 电阻温度传感器
此传感器的材料有以下两大类
a)金属（如铂、铜、钨、镍）的阻值会随着温度的升高而增大，即有一个正温度电阻系数。
b)半导体，如用锰、钴、铬或镍的氧化物制成的电热调节器，其阻值变化与温度变化存在一个非线性关系，即通常有一个负温度电阻系数。
a)金属电阻温度传感器
在窄温度变化范围内，此类传感器取决于以下关系：R1=R0[1 a(b1-b0)] 式中，a阻抗系数，R0为b0=0°时C的电阻
b)电热调节器（半导体）电阻温度传感器
电热调节器为感温电阻器，其阻值变化与温度变化呈非线性关系。通常此类传感器有一负温度系数。对于小的温度增量，阻值的变化大体呈线性，但是如果存在大的温差，测量电路需运用特定线性化技术生成电阻随温度变化的线性关系。
电热调节器通常被制成附有玻璃质釉的半导体圆盘形状。由于电热调节器可以小到1mn，所以响应的时间非常快。
5.4 光敏元件
光敏元件采用光敏半导体材料做成。当照射在半导体上的光强度增大，金属电极间的阻抗就会降低。光敏元件常用的半导体材料有硫化镉、硫化铅和铜锗化合物。
频率的有效范围由所用材料决定。硫化镉主要适用于可见光，硫化铅在红外线区有峰值响应，所以最适合于光故障检测以及温度测量。
5.5 放射性光元件
当光照射到放射性光元件的阴极时，电子就会获取足够能量到达阴极。阴极就会吸
收这些电子产生一个通过电阻R的电流，从而形成一输出电压V。
产生的光电压V=I.R式中，I为光发射电流，I=K.B且为灵敏度，B输入照度（lm） 尽管输出电压能够表示照明的强度，这类元件却更多的应用于计算或调节，这里照射到阴极的光可被中断。
6、电容式传感器
电容量随着相对介电常数、截面面积、或者极板间的距离的变化而变化。电容的特征曲线表明，在空间的一段范围内，截面面积和相对介电常数的变化与电容量变化成线性关系。不象电位器，变极距型电容传感器有无限的分辨率，这最适合测量微小的位移增量的位移。
7、电感式传感器
电感可以通过改变电感电路的阻抗来调节。 电容式和电感式传感器的测量技术：
a）用差分式电容或电感作为交流电桥
b）用交流电位计电路做动态测量
c）用直流电路为电容器提供正比于容值变化的电压
d）采用调频法，C或者L随着振荡电路频率的变化而改变
电容式和电感式传感器的一些重要特性如下：
i)分辨率无限
ii）精确到满量程的 -0.1%
iii）位移范围从25*10-6m到10-3m
iv）上升时间小于50us
典型的被测量是位移、压力、振动量、声音和液位。
8、线性调压器
9、压电式传感器
10、电磁式传感器
11、热电式传感器
12、光电管13、机械式传感器及敏感元件
传感器技术
传感器一种通过检测某一参数而产生信号的装置。这一参数可以是位置、力、力矩、压力、温度、湿度、速度、加速度或震动。从传统意义上来说，传感器（比如执行器、开关）可用于限制机器参数的极限位置。常见的传感器有(a)限制工作台运动的机床停止开关，(b)具有自动关闭功能的压力仪表和温度仪表，（c）防止速度超限的调速器。传感器技术已成为制造过程和系统的重要方面。它对于数据的正确采集、机器和系统的检测、通讯以及计算机控制是很必要的。 传感器能够将一种物理量转换为另一种物理量，因此，传感器通常（被看作）指转换器。模拟传感器产生信号，比如电压信号，该信号与被测物理力量成一定比例。数字传感器具有数字输出，该数字输出能够直接被传递到计算机上。模数转换器能够在模拟传感器和计算机之间起到接口作用。
传感器的分类
在制造业中，传感器可以分为以下几类：机械类传感器可以用来测量位置、形状、速度、力、力矩、压力、震动、应变和质量。电器类传感器可以用来测量电压、电流、电荷、电传导率。磁传感器可以用来测量磁场、磁通量、磁导率。热传感器可以用来测量温度、热流、热传导率以及特殊热量。其他类型的传感器有声学传感器、超声波传感器、化学传感器、光学传感器、放射传感器、激光传感器、光纤传感器。
根据应用的不同，传感器可以由金属材料、非金属材料、有机材料、无机材料以及流体、气体、等离子体和半导体构成。利用这些材料的不同特性，传感器将被测的物理量或参数转换为模拟信号或数字信号输出。比如，普通的水银温度计的工作原理就是根据水银和玻璃的热膨胀率的不同而工作的。
类似地，当机器某一零件、物体障碍物、被测量与传感器空间中的障碍物遮挡住光束时，就可被光电器件感知并检测到。接近开关（指感知并测量开关与物体或机器的运动之间的距离）可根据声学、磁学、电容、光学原理工作。其他执行器依靠接触物体来执行相应的操作（通常机电一体化的方法）。传感器对于智能机器人的控制是不可缺少的，并且通过模仿人类，传感器的特性得到了很大发展。
触觉传感技术通过一组传感器可以连续不断的测量接触力的变化。这样一个系统能够监控任意的三维空间。
在视觉传感器（机器视觉，计算机视觉）中，光学摄像头感知物体的存在以及物体的形状。接着，微处理器处理图像（通常不到1秒）和测量图像，并且该测量是数字化的（这一过程被称之为图像识别）。机器视觉传感器特别适用于不能直接接触到的零件的测量，恶劣的制造环境，大量微小特性的测量以及与零件的物理接触会造成零件破换的情况。
智能传感器能够执行逻辑功能，进行双向通讯，作出判断并执行相应的操作。必要的输入和作出判断所需的条件被固化到智能传感器中。比如，带有传感器的计算机芯片能够编程，当刀具失效时，能够自动地使机床停下来。同样地，如果移动机器人与物体突然接触放生碰撞时，智能传感器就可以通过检测像距离、热量、噪声这些参数使移动机器人或机械臂停止。
传感器融合技术。传感器融合技术主要指将多种传感器以一定的方式组合起来，将每一个传感器的数据（比如力、震动、温度、维数）整合起来，获得更高级别的的信息和可靠性。传感器融合技术的一个常见应用是喝一杯热咖啡。尽管我们将这样一个平凡的小事认为是理所当然的事，但我们很容易地观察到，这样一个过程涉及到了从眼睛、嘴唇、舌头、手的数据输入，通过我们最基本的视觉、听觉、嗅觉、触觉，就可以实时监测相对运动、位以及温度。这样，如果咖啡太热，我们端茶杯草嘴唇的手的运动就会被控制并作出相应的调整。
传感器融合技术最早应用于机器人的移动控制、导弹的飞行追踪和类似的军事运用上，这主要是因为这些检测活动是在模仿人的行为。传感器融合技术应用的另一个例子是机床操作。在机床操作中，有一整套不同类型而又集合在一起的传感器，用于监控（a）工作的维度和表面光洁度（表面处理？），(b)=切削力、震动、磨损，(c)刀具-工件系统各部分的温度以及轴的（传递）功率。
传感器融合技术的一个重要方面是传感器（工作状态）的确认，即某一传感器失效时就可被检测出来，从而使控制系统保持高的可靠性。从应用的角度讲，接收来自不同传感器的多余参数是有必要的。可以看出，组成各种各样的传感器的所有数据的接收、整合、处理时一个复杂的问题。
随着传感器尺寸的不断减小、传感器质量的不断提高、传感器技术的不断被进步，以及计算机控制系统、人工智能、专家系统和人工神经网络技术的不断发展，传感器融合技术已变得切实可行并能以较低的成本获得。
光纤传感器用于汽轮机发动机，并不断得到发展。这些光线传感器安装在发动机的关键部位，监控发动机的内部环境，比如温度、压力、气流。光纤传感器连续不断的监控信号将有助于检测出潜在的发动机故障问题，并可提供必要的数据用于提高发动机的工作效率。
在现代社会中，信息化的需求越来越庞大，传感器的信息采集中发挥了重要作用。他们可以把各种物理信息，按照一定的规则，为可测量的电信号。我们所测量的电信号，以及相关的物理信息的关系的变化的基础上，我们可以得到所测量的物理信息的变化或大小。
根据该传感器的工作原理，我们可以划分成多种类型的传感器，如光电传感器，电荷传感器，电位型传感器，半导体传感器，电传感器，磁传感器，谐振式传感器，电动化学式传感器等。
霍尔传感器是利用霍尔元件的霍尔效应原理，可以音乐会的物理信息，如电流，磁场，位移，压力等，为电动势输出。它属于电位型传感器。目前，这种传感器主要是霍尔集成电路的核心单元是基于霍尔效应，这是由通过集成电路技术。因此，它不仅是一种集成电路，而是一种磁传感器。
本文根据实际的应用，主要是霍尔电流传感器。
霍尔效应
当我们的金属或半导体晶片放置在一个磁场，并且如果有一个通过它的电流，它会产生电动势，在垂直方向上的电场和磁场，调用此种物理现象霍尔效应。
霍尔效应原理图
电子磁场中产生的洛伦兹力的作用下，通
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