物理量典型传感器解读

### 物理量典型传感器解读 在工业和科研领域，传感器是获取物理量信息的关键工具。不同类型的传感器针对不同的物理量进行测量，下面将详细介绍几种常见的物理量传感器。 #### 1. 反射光强度与物体位置关系 反射光强度的最小值和最大值对应着被测物体位置的变化，其关系可以用以下公式表示： \[ \Delta x_1 = N\cdot\frac{\lambda}{2}, \Delta x_2 = (N + \frac{1}{2})\cdot\frac{\lambda}{2} \] 其中，\(N = 1, 2, \cdots\) 为自然数，\(\lambda\) 是辐射的波长。由于光电二极管传感器具有高光谱灵敏度，特别是在波长为 850 nm 的红外辐射区域，它们还可用于非接触式温度和温度场的测量。 #### 2. 速度传感器 速度传感器主要用于检测旋转轴的转速，常见的有测速、电感和光学传感器。 - **测速速度传感器** - **测速发电机**：由带有永磁体突出磁极的转子组成，其圆周运动在定子线圈中感应出交流电压。交流电压的有效值和频率与转子的转速 \(n\) 和磁极数 \(N\) 成正比，公式为： \[ U_G = k_G\cdot n\cdot N, f = \frac{M\cdot n}{2} \] 其中，\(k_G\) 是测速发电机的电压转换常数。 - **测速动力计**：由永磁体定子组成，在其直流磁场中，转子线圈感应出交流电压，通过换向器整流为中值直流电压，公式为： \[ U_D = k_D\cdot n\cdot N \] 其中，\(k_D\) 是测速动力计的电压转换常数。 - **电感速度传感器**：带有感应线圈的电感速度传感器由一个圆盘组成，圆盘周围等距固定着 \(M\) 个永磁体。圆盘旋转时，永磁体附近的感应通量发生变化，在感应线圈中产生电压脉冲，其频率由永磁体数量 \(M\) 和旋转圆盘的转速 \(n\) 决定，公式为： \[ f = \frac{1}{T}= M\cdot n\cdot2 \] 此外，也可以使用霍尔探头来指示永磁体磁场的变化，其输出电压与永磁体附近的磁场变化成正比。 - **光电速度传感器** - **通过光束的光学速度传感器**：由包含光束源（通常是发光二极管或激光二极管）的光学系统组成，光线穿过被测转速圆盘的孔。透射光线由快速光电二极管感应，其闭合方向的电流进行频率调制，频率由圆盘的转速 \(n\) 和孔或半透明部分的数量 \(M\) 决定，公式为： \[ f = M\cdot n \] - **反射式光学速度传感器**：利用激光二极管产生的光束从均匀分布在轴圆周上的反射面反射，例如粘贴的斑马胶带。这种传感器还可用于测量轴的扭转和扭转振荡，由时间变化比例 \(\Delta T/T\) 确定，其中： \[ T = \frac{1}{n\cdot N} \] \(T\) 是光电二极管脉冲电流信号的周期时间，\(n\) 是转速，\(N\) 是轴上黑白标记的数量，\(\Delta T\) 是由轴的扭转振荡引起的时间 \(T\) 的变化。 #### 3. 机械应力和力传感器 在技术实践中，测量机械应力最常用的是应变计、压电、磁弹性、共振和光弹性测量原理。 - **应变计式机械应力传感器** - **应变计类型**：线式、箔式和半导体应变计用于测量机械应力和扭矩。金属应变计由康铜、卡玛、镍铬合金、铂钨合金等制成，或蒸镀在弹性垫上。特殊环氧树脂用于将应变计传感器粘贴到被测结构上，以确保高附着力和最小滑动。 - **电阻变化与应力关系**：当导体受到拉伸机械应力时，其电阻的比例变化由长度变化 \(\Delta l/l\)、横截面积变化 \(\Delta S/S\) 和电阻率变化 \(\Delta\rho/\rho\) 决定，公式为： \[ \frac{\Delta R}{R}=\frac{\Delta l}{l}-\frac{\Delta S}{S}+\frac{\Delta\rho}{\rho} \] 假设导体材料应力引起的结构变化可忽略不计（对于长度变化 \(\varepsilon = \Delta l/l < 10^{-3}\)），导体电阻的比例变化与长度比例变化的关系可表示为： \[ \frac{\Delta R}{R}=\frac{\Delta l}{l}(1 + 2\mu+\frac{\Delta\rho/\rho}{\Delta l/l})= k_{\varepsilon}\cdot\frac{\Delta l}{l} \] 其中，\(k_{\varepsilon}\) 是变形灵敏度系数，\(\mu\) 是泊松常数，\(p_e\) 是压阻系数，\(E\) 是杨氏弹性模量。 - **应变计特性**：应变计