生產自動化 感測器

感測器概述 甚麼是感測器 感測器分類 感測器需要的特性 感測器物理量轉換

甚麼是感測器 控制系統中可量測物理量(諸如：溫度，壓力，或位置)、監視系統輸出，並可轉換系統輸出成電氣信號，再饋回控制器的元件，稱為感測器。 加熱系統 恆溫受控系統 溫度感測系統 輸出 (系統溫度值) 輸入 (設定恆溫值) + -

感測器分類 測定量 分類 機械 壓力、力、重量、速度、加速度、轉速、動量、長度、厚度、振動 頻率 頻率、時間 電 壓力、力、重量、速度、加速度、轉速、動量、長度、厚度、振動    頻率 頻率、時間 電 電壓、電流、電力、電荷、電阻、電容、電感、電磁波     磁 磁通、磁場 光 照度、色、光、紅外線、紫外線 溫度 溫度、熱量、比熱 音響 噪音、音壓、音頻 生醫 心音、血壓、體溫、腦波圖、心電圖、血氧飽和度 化學 濃度、成分、PH值、密度、比重

感測器需要的特性 尺寸。 準確度。 精確度。 操作範圍。 響應速度。 校正。 可靠度。 經濟性。 穩定性。 溫度限制。 容易應用。

感測器物理量轉換 基本上，感測器對物理量的變化會變換成電阻、電流或電壓等形式之變化量，最後需以一轉換電路轉換成電壓輸出。其方塊圖如下圖： : 電流變化 電阻變化 電壓輸出 轉換電路 電壓變化 :

感測器物理量轉換 一般而言，圖中最後的電壓輸出均相當小，因此通常需要再利用放大電路來加以放大訊號，然後才可以經由控制單元介面擷取至電腦中進行處理做各種自動化控制的應用，完整感測電路應如下圖： 感測元件物理量變化 轉換電路　 放大電路 控制單元介面

依據變化量分類 變化量在1μm~ 10000μm範圍：有應變計(STRAIN GAGE)，或光之干涉作用產生的明暗變化之測定方式等。 變化量在0.01mm~ 10mm：有差動變壓器(LVDT)，光電開關脈波數測定法，磁場強度測定法，電容量測定法等。 變化量在1mm~ 1000mm：可使用電位計(Potentiometer)，光電開關脈波數測定法，電磁感應脈波數測定法等。 變化量在0.1m以上者：可使用超音波反射測距法，光波反射測距等方式。

應變計(STRAIN GAGE) 應變計又稱為負荷囊(load cell)，在1856年由Load Kelvin所發現，由金屬材料加壓變形後，金屬阻抗產生變化所做成的。當金屬材料受到拉力或張力時，金屬材料變細，電氣阻抗增加。反之，受到壓縮時，則金屬阻抗變小。應用這種方法做成的被稱為應變計。此類感測裝置可以將物理現象中的壓力變換成電氣信號輸出，因此常被用在荷重、張力、壓力轉換的場合之中。

應變計的構造 下圖是一個標準典型的應變規。一個只有幾微米厚度金屬阻抗薄片固著在一片電子絕緣材料上使用一特定的接著劑。為適合所需的外形，在照相蝕刻過程中已將不需要的部份去除掉，如此輸出阻抗改變值的導線就可以固定了。應變計阻抗一般皆設為120Ω、 350Ω 。

應變計原理 應變在測量金屬線（或金箔）上由於應變而改變電子阻抗，現在我們就來研究當金屬線產生應變時，電子阻抗改變的情況。

應變計原理 金屬樣本的電阻，可由下式定出 l0 R0＝ ρ A0 式中R0＝樣本的電阻(Ω) ρ ＝樣本電阻係數(resistivity)(Ω-m) l0＝樣本長度(m) A0＝截面積(m2)

應變計原理 V＝l0A0＝（l0＋△l）（A0－△A） R＝ l0＋△l A0－△A ρ R≒ l0 A0 ρ （1+2 △l ） 2R0 電阻的變化

應變計原理 例題 有一電阻值為120Ω的金屬線，試求1000μm/m應變所造成的電阻變化。 解： 2R0 △l l0 △R≒ (2)(120)(10-3) 0.24Ω

應變計的一般特性 非線性。 應變計電流。 感應頻率。 破壞。 　

1.非線性 雖然應變計會由於型式、外形、尺寸及構造的差異而使線性有所差別，但應變在3000到4000 * 10-6所測得的應變值，大約近似1%的非線性。 應變在增加時應變計常數有降低的傾向。在應變6000到8000 * 10-6時會有3到5%的改變。假若應變繼續增加，應變計會剝離或不與測試體接觸。一般而言，應變計大致會在應變10000到30000 * 10-6時剝離。

2.應變計電流 應變計所使用電流的上限為20mA，雖然會因為應變計的尺寸和測試體的熱當量（此因素會　影響熱能的消散）而有差異產生。所以，應變計適用的最大電壓為：橋式應變規120Ω電壓5V，350Ω應變規電壓14V。

3.響應頻率 在使用應變計測量動態現象時，應變是經由基座及黏膠而傳送到電阻感應器上。此傳送過　程非常的迅速。例如震動現象，應變計上的應力分佈並不是均勻的，因為會受到測試體內　部結構元件所傳送彈性應力波的影響。從實驗獲得，在應變計長10mm及3mm時各別的傳送節點大約近似1.6μs及0.47μs （至少頻率為170KHZ及360KHZ）。因此除了特例外，機件或結構元件的快速應變行為可僅僅使用應變計量測。

4.破壞 假若施於應變計上的應變非常多且大，就可能導致阻抗增加，導線及抗阻器無法接續，且由於揚起的導線而使接著的基座剝離，這些因素會導致應變計無法繼續使用，稱之應變計”破壞”。應變計破壞的耐久性和應變所施於及循環有關，且和型式、外形、尺寸都有關。生命週期的設定是用高於100 * 10-6的應變變化的週期應變和示波器上±1500 * 10-6反覆應變的長釘形波形作比較而得。一般應變計的生命週期為105次循環。

磁感測器(Magnetic Sensor) 將一個線圈安置於一磁場中，當有物體接近，干擾了磁場，線圈即根據此一磁場之變化而輸出電壓信號，以此作為應用即為磁感測器。

磁感測原理 1.安培定律：電流I通過一導體時，會在周圍空間產生一垂直於電流方向分佈的磁場B如下圖所示，電流越大，磁場就越強而離導線越近，磁場也增強。

磁感測原理 2.科學家楞次(Lentz)在做電磁鐵實驗時，他把磁鐵由線圈中拿出，結果注意到線圈中有電流發生，再把磁鐵放進去，又發現有反方向的電流產生。

磁感測原理 3.法拉第—亨利定律： 假設有一個封閉的導電回路。如果將之放在一個因時間而交變的磁場中，將在此回路中產生一個交變的電流。此電流被一個電動勢所推動，此電動勢之大小視磁場變化率（包括磁場大小，時間長短）而定。其公式為： V= dφ dt -

磁感測原理

磁感測器(Magnetic Sensor) 以一個線圈安置於一磁場中，當有物體接近，干擾了磁場，線圈即根據此一磁場之變化而輸出電壓信號。

磁感測器(Magnetic Sensor)

線性差動變壓器感測(LVDT) 具有可於變壓器內移動的磁心的位置感應器。磁心的位置與輸出電壓的相位和大小成正比。LVDT利用的原理和變壓器的原理相似，唯一的差別是變壓器的鐵心是固定不變的，而差動變壓器的導磁鐵心則是可移動的，且因為鐵心是可移動的，也就會影響次級線圈的電壓感應量，而使次級線圈的電壓隨著鐵心的變化而移動。

線性差動變壓器感測(LVDT)

線性差動變壓器感測(LVDT) LVDT特性： 輸出電壓正確的比例於鐵心的位移，其線性精確度可達±0.1%～±1%程度。 靈敏度高： 負載阻抗範圍大： 零點穩定性高：可達1μ。 使用頻率範圍大：可達50Hz～10KHz。 可以測試振動之特性：可測試100Hz的機械振動，如使用特殊方法可測到1000Hz左右。 線性範圍廣：小的LVDT範圍為±0.005英吋，大的可達±2英吋。 負耐震耐久性，無疲勞損耗。

線性差動變壓器感測(LVDT) 感測器外型示意圖 電纜 殼 體 線夾 導向 測杆 測頭

超音波距離感測(Ultrasonic Distance Sensor) 超音波： 在空氣中傳送之波，如果其頻率在16Hz~20KHz之間，則可由人耳感受到振動，產生音感，上述之波稱為『音波』，若頻率更高，則稱為『超音波』(ULTRASONIC WAVE)。 回音： 由於空氣粒子具有完全彈性，碰撞時動能損失甚少，如果空氣粒子撞擊結構緊密的粒子組織表面，如金屬、石板、水面、紙張、衣物等，由於無法造成對方之位移，則將以原有速度彈回，這些回彈之空氣粒子亦形成了壓力或波動，同樣以音速向四周擴散，此即回音(ECHO)。

超音波距離感測(Ultrasonic Distance Sensor) 若能量取回波傳回之時間，乘以當時空氣之速度，及等於波之來回行程，來回行程之1/2即為發射點至反射物之距離，此即音波測距之原理。其公式為： D(距離)= △T（時間差）× C(波速) 2

超音波距離感測(Ultrasonic Distance Sensor)

超音波距離感測(Ultrasonic Distance Sensor)

迴轉角度感測器(Rotation Angle Sensor) 電位計(potentiometer)或稱(電壓計)，也稱為“pots”或可變電阻器，通常被製造成不管使用多久均能維持原有的特性，若當位置感測器使用，電位計可以是直線或旋轉式位置感測器。電位計輸出一個電壓值，其正比於沿著可變電阻器之滑動器的位置。

近接位置感測器(Proximity Position Sensor) 接觸型近接感測器： 由於接觸型偵測器具有動作簡單、電路簡單等優點，但其屬於接觸型的偵測器，因此它基本上有一些機械上的缺點如下： 使用機械結構之桿，容易因撞擊次數過多而使金屬疲勞，變形斷裂。 微動開關之機構可能損壞，且通電時會產生火花，久之便會接觸不良。 密閉狀況不佳，容易滲入油氣或水份而導致故障。 受桿之長度與形狀限制，安裝設計較麻煩。 有些物件不適合以碰觸方式測定其存在，例如質輕之物品、脆弱的、價昂的，或液狀之物件等。

接觸型近接感測器 limit switch (極限開關)

接觸型近接感測器 reed relay (磁簧繼電器)

非接觸型近接感測器： 霍爾效應近接感測器 當磁場出現時半導體材料產生電壓的現象，主要使用於近接感應器。

非接觸型近接感測器： 電容型近接感測器

非接觸型近接感測器： 電感型近接感測器 光學近接開關

光電感測器(Photo Sensor) 光感測器具有一受光之表面，利用入射光子之能量，激發自由電子，造成光電流，達成『光→電氣』之轉換。

光敏電阻(photo resistance) 利用如硫化鎘(CdS)的材料成 ，當光亮度增加它的阻抗減少 ，它不貴且非常靈敏。右圖為 它的典型介面電路，當光亮度 增強，Rpd值減少，Vout增。

光二極體(photodiode) 光二極體是一個光靈敏的二極體。一個小型窗戶讓光直接照射於PN接面上，它可增加逆電流。下圖為此光二極體的介面電路。注意此光二極體是反向偏壓且逆電流被OP放大器加以轉換放大。

光電晶體(photo transistor ) 電晶體之PN接合面受到外光線照射時，基極電流將隨之增加。基極電流增加後被放大hf倍(電流放大率)成為集極電流。像這樣子將光信號變成電氣信號之電晶體稱為光電晶體。光電晶體因為具有放大作用，所以其受換效率要比光二極趙高很多。光電晶體圖並無基極導線。以光來產生基極電流，於CE接面產生電子電洞對，光亮度越高，電晶體導通越多。

光電池 光電池與其他已討論的感測器不同;因為它由光產生力;光度越高，電壓越大。在PN接合面成半導體與金屬之接合面照射光線時，在接合部將產生電動勢。光電池有光度表及曝光表等用的矽光電池以及被當做電源使用的太陽電池。

溫度感測器(Temperature Sensor ) 溫度是一種抽象的量故而必須藉看多種材料隨溫度變化之特性來定義之。有數種不同的材料可訂定出溫度及相位轉換之關係，溫度範圍包括-183oC到1064oC(-297oF到1938oF)。 適合作溫度測量的各種感應器包含電阻式溫度檢測器(RTD)，熱阻器，膨脹溫度計，熱電偶及測高溫計。每一種感應器都有其優點與缺點，通常對特定應用的適當感應器之選擇是根據溫度的範圍，準確度的要求，環境、動態響應的要求與適用的儀器來考慮。

溫度感測器

IC溫度感測器 電晶體或者是二極體之P-N接面，於施加順向偏壓時，將產生一順向壓降VBE或VF，此一電壓之數目，與通過之電流，以及接面之絕對溫度T有關。 據此一特性，可以利用電晶體或半導體之此種VBE變化之測定，來計算溫度之變化。

IC溫度感測器 AD590是一種電流型感測器，會隨溫度高低而改變其本身電流大小。當電源電壓在Ｖcc=4Volt~30Volt之間時，其電流將隨溫度的大小而線性地變化。由於電源電壓的變動亦會影響AD590電流的輸出，但隨電源電壓的變大，其電壓變動所造成的影響將變小，因此一般建議採用較高電源電壓。AD590對溫度T的端電流關係式為： I(T)=I(0)=1μA/oC*T(oC) =273.2μA=TμA

RTD溫度感測器 一般而言，導電物質之電阻與周圍之溫度有一定的關係，溫度變化會影響電阻數值，反過來說測定某一導體的電阻值，就可以推算當時的溫度數值。 白金感溫電阻具有高精確度及高安定性，在-200℃~600℃之間亦有很好的線性度。一般而言，白金pt100感溫電阻在低溫-200℃~-100℃間其溫度係數較大；在中溫100℃~300℃間有相當良好的線性特性；而在高溫300℃~500℃間其溫度係數則變小。由於在0℃時，白金pt100電阻值為100Ω，已被視為金屬感溫電阻的標準規格。

運算放大器 一般而言，感測器的輸出均為很小的變化量，因此需利用放大器來放大感測訊號，以下將介紹運算放大器的特性與分析方法。 由於理想運算放大器具有以下的特性： 輸入阻抗極高，即放大器之正負兩端內阻很大，可近似為。 輸出阻抗極小，即放大器之輸出端內阻很小，可近似為0。 運算放大器之放大率極大，可近似為。 運算放大器之嚮應頻寬極大。 由以上特性可知： 由於放大器之正負兩端內阻很大，故其間電流I0。 由於放大器內之電路V-與V+兩點間電流I0，因此V-與V+間其壓降亦可近似為0，所以V-=V+ 。

簡易運算放大器電路 反相放大器（inverting amplifier) A O I R2 R1 0V iI+=0 iI- =0 輸入阻抗 輸出阻抗 1 2 3

Voltage Follower (Buffer) 耦隨器（緩衝器） iI=0 I I Ri I O O =I G=1 、 Ri 、 Ro0 用途： 1.改善負載效應 2.快速，寬頻 3.通常可提供大電流給負載 4.特別適用於高輸出阻抗的訊號源 注意事項： 不是每一種運算放大器都可接成緩衝器。有些會產生高頻振盪，這是由於高頻時，開路增益的相位達180º，且增益大小大於1，形成正回授。

Weighted Summer (加權加法器） Summing amplifier R1 1 i i1 Rf R2 2 i2 O Rn n in

差動放大器（difference amplifier) 差動放大器有兩個輸入訊號，利用線性疊加法： 先令2 =0，得輸出O1 再令1 =0，得輸出O2 然後O = O1+ O2 R1 1 O 2 R3 R4 R2 R2 R1 1 R1 1 O1 O2 2 2 R3 R3 R4 R4

儀器放大器（instrumentation amplifier) 增益調整 有現成的IC產品！

比較器(Comparators) 在純類比電路 (Analogy Circuit) 之應用中，比較器(Comparator)是被用於有限個可能狀況的選擇之應用上，即此種類電路能比較一個輸入訊號之電壓值與另一輸入端之參考電壓，以決定輸出電壓之大小，故比較器可廣泛應用於各種實際之電子電路中。 Out in +Out(max) -Out(max)

比較器(Comparators) 例題： 如下圖所示之電路，若輸入訊號 ，試分別繪出輸入與輸出電壓對時間之曲線。假設輸入訊號頻率相當低，且飽和電壓±Vsat＝ ± 13V。 v o in 10 V W K 10 15 - +

比較器(Comparators) 解： 利用分壓定律可知參考電壓， 故輸出電壓 可表示為。 1. 當 。 2. 當 。 故輸出電壓 可表示為。 1. 　 當 　 。 2. 　 當　 。 因輸入訊號為正弦波，故必須以正弦函數來計算 之角度為

分壓法

惠斯登電阻電橋 若令R1=R2=R且R3=R(0)，則輸出電壓

類比式感測器技術問題 雜訊問題。 飄移(drift)問題。 非線性問題。 時間延遲問題。

IC溫度感測實驗 RTD感測實驗 應變計感測實驗 光電感測實驗 近接位置感測實驗 迴轉角度感測實驗 磁感測實驗 超音波距離感測實驗 線性差動變壓器感測實驗