第四章 常用傳感器

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1、 　　　　　　　　 第4章 常用傳感器 ????傳感器是將被測的某一物理量（或信號）按一定規(guī)律轉換為另外一種（或同種）與之有確定對應關系的、便于應用的物理量（或信號）輸出的裝置。 4．1傳感器概述 4．1．1傳感器的分類 ??1） 按傳感器的工作機理分為物理型、化學型和生物型。 ??2） 按傳感器的構成原理分為結構型和物性型兩大類。 ??3） 按傳感器的能量轉換情況分為能量控制型和能量轉換型。 4．1．2傳感器的性能要求 ??1） 靈敏度高，輸入和輸出之間應具有較好的線性關系； ??2） 噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能； ??3） 滯后、漂移誤差?。? ??4）

2、動態(tài)特性良好； ??5） 接入測量系統(tǒng)時對被測量產(chǎn)生影響小； ??6） 功耗小，復現(xiàn)性好，有互換性； ??7） 防水及抗腐蝕等性能好，能長期使用； ??8） 結構簡單，容易維修和校正； ??9） 低成本，通用性能。 ? ? ? ? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 4．2傳感器選用原則 4.2.1 靈敏度 ????傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小，即被測量稍有微小變化，傳感器即有較大的輸出。 4.2.2 線性范圍 ????任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內輸出和輸入成比例關系。線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 4.

3、2.3 響應特性 ????傳感器的響應特性必須在所測頻率范圍內盡量保持不失真。實際傳感器的響應總有一定延遲，但延遲時間越短越好。 4.2.4 穩(wěn)定性 ????傳感器的穩(wěn)定性是指經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。 4.2.5 精確度 ????傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量的對應程度。 ? ? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 4.3電阻式傳感器 4．3．1電阻應變式傳感器 ????應變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應變片。將電阻應變片粘貼在被測試件表面或各種彈性敏感元件上，可構成測量

4、位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)的電阻應變片式傳感器。 ????應變式傳感器具有以下特點： ????1）精度高，測量范圍廣；2）使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；3）結構簡單，體積小，重量輕；4）頻率響應較好，既可用于靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量；5）價格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。 ??1．應變式傳感器的工作原理 ??（1）金屬的電阻應變效應 金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應變效應。 若金屬的長度為，截面積為，電阻率為，其未受力時的電阻為，則 （4.1） 如果金屬絲沿軸向方向受拉力變形，其長

5、度變化，截面積變化，電阻率變化，將式（4.1）微分，整理得 (4.2) 對于圓形截面有 所以： （4.3） 為金屬絲軸向相對伸長及軸向應變 ；則為電阻絲徑向相對伸長及徑向應變。經(jīng)過整理得 （4.5） （4.6） (4.7) 稱為金屬絲的靈敏度系數(shù)。 ??（2）應變片的基本結構及測量原理 ????電阻絲應變片是用直徑為0.025mm左右，具有高電阻率得電阻絲制成的，為獲得高的電阻值，將電阻絲排列成柵狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的機座上。 應變式傳感器是將應變片粘貼于彈性體表面或直接將應變片粘貼于被測試件上。彈性體或試件的變形通過基底和粘結劑傳遞給敏感柵，使其電阻值發(fā)生相應的

6、變化，并通過轉換電路轉化為電壓或電流底變化，即可測量應變。 ??2．電阻應變片的分類及材料 ????金屬電阻應變片分為絲式、箔式、金屬膜式和半導體式（壓阻式）。 金屬絲式應變片有回線式和短接式兩種。 制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。 ????金屬箔式應變片是利用照相制版或光刻技術，將厚約為0.003～0.01mm的金屬箔片制成敏感柵。箔式應變片的優(yōu)點是：①可制成多種復雜性狀、尺寸準確的敏感柵，其柵長最小可做到0.2mm，以適應不同的測量要求；②橫向效應好；③散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；④蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長；⑤生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。 4．3．

7、2壓阻式傳感器 ??1．基本工作原理 ????半導體材料受到應力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。 壓阻式傳感器的優(yōu)點是：①靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需要放大可直接用于測量；②分辨率高，例如測量電壓時可測出10～20 Pa的微壓；③測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應高；④可測量低頻加速度和直線加速度。其最大的缺點是溫度誤差大，故需要溫度補償或在恒溫條件下使用。 4．3．3變阻式傳感器 ??1．變阻式傳感器的結構及分類 ????變阻式傳感器又稱為電位器式傳感器，它們有電阻元件及電刷（活動觸點）兩個基本部分組成。 ????電位器的優(yōu)點是：①結構簡單，尺

8、寸小，重量輕，價格低廉且性能穩(wěn)定；②受環(huán)境因素（如溫度、濕度、電磁場干擾等）影響??；③可以實現(xiàn)輸入－輸出間任意函數(shù)關系；④輸出信號大，一般不需要放大。它的缺點是：因為存在電刷于線圈或電阻膜之間的摩擦，因此需要較大的輸入能量；磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量精度，使分辨力較低；動態(tài)響應較差適合于測量變化較緩慢的量。 ??2．電阻式傳感器的原理與特性 ????圖4.4為線性電阻器的電阻分壓電路，負載電阻為,電位器的長度為，總電阻為，電刷位移為，相應的電阻為，電源電壓為，輸出電壓為 （4.15） 當時，電壓輸出為 （4.16） 式中為電位器的電壓靈敏度。 ?

9、? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 4．4電感式傳感器 4．4．1自感型傳感器 ??1．可變磁阻式傳感器 ????可變磁阻式傳感器的結構原理如圖4.5所示，它由線圈、鐵芯及銜鐵組成，在鐵芯和銜鐵之間有空氣隙。由電工學可知，線圈自感為 (4.17) ??式中：--線圈匝數(shù)； ????--磁路總磁阻。 ??當空氣隙較小，而且不考慮磁路的鐵損時，則磁路總磁阻為 (4.18) ??式中：--導磁體（鐵芯）的長度，m； --鐵芯磁導率，H/m； --鐵芯導磁橫截面積，，； --空氣隙長度m； --空氣磁導率，H/m； --空氣隙導磁橫截面積，。

10、 ??因為，所以 (4.19) ??因此，自感L可寫成 （4.20） ??上式表明自感與氣隙成反比。 ??2．渦流式傳感器 4．4．2互感型（差動變壓器式）傳感器 ????互感型傳感器的工作原理式利用電磁感應中的互感現(xiàn)象，將被測位移量轉換成線圈互感的變化。 ????由于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器，實際常用的為螺管形差動變壓器，其工作原理如圖4.12所示。傳感器由初級線圈和兩個參數(shù)完全相同的次級線圈、組成。線圈中心插入圓柱形鐵芯，次級線圈、反極性串聯(lián)見圖4.12b。當初級線圈加上交流電壓時，如果，則輸出電壓為；當鐵芯向上運動時，；當鐵芯向下運動時，。鐵

11、芯偏離中心位置越大，越大，其輸出特性如圖4.12c所示。 ? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 4．5電容式傳感器 4．5．1工作原理及類型 ????由物理學可知，在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量 F （4.22） 式中：--真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m； --極板間介質的相對介電系數(shù)，在空氣中為； --極板的覆蓋面積，； --兩平行極板間的距離，m。 ????電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介電常數(shù)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應用較廣。 ??1．極距變化型電容式傳感器 ????在電容器中，如果兩極板相互覆蓋面積

12、及板間介質不變，則電容量與極距呈非線性作用下發(fā)生位移時，引起電容量的變化為 （4.23） 由此可得到傳感器的靈敏度為 （4.24） ??2．面積變化型電容式傳感器 ????面積變化型電容式人傳感器的工作原理是在被測參數(shù)的作用下來變化極板的有效面積，常用的由角位移型和線位移型兩種。 ??3．介電常數(shù)變化型電容式傳感器 ???? ????變介電常數(shù)型電容器的結構原理如圖4.19所示。這種傳感器大多用于測量電介質的厚度（圖4.19a）、位移（4.19b）、液位（4.19c），還可根據(jù)極板間介質的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量（圖4.19d）等。

13、 ????若忽略邊緣效應，則圖4.19a、b、c所示傳感器的電容量與被測量的關系為 （4.31） （4.32） (4.33) ??式中：、、--兩固定極板間的距離、極間高度及間隙中空氣的介電常數(shù)； 、、--被測物的厚度、被測液面高度和它的介電常數(shù)； 、、--固定極板板長、寬及被測物體進入兩極板中的長度（被測值）； 、--內、外極筒的工作半徑。 4．5．2特點與應用 ??1．主要特點 ?1） 輸入量小而靈敏度高。 ???2） 電參量相對變化大。 ???3） 動態(tài)特性好。 ???4） 能量損耗小。 ???5） 結構簡單，適應性好。 ??2．主要缺點 ??? ??

14、?1) 非線性大。 ???2) 電纜分布電容影響大 　 ? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 4．6壓電式傳感器 4．6．1壓電效應與壓電材料 ??? 某些物質，當沿著一定方向對其加力而使其變形時，在一定表面上將會產(chǎn)生電荷，而外力去掉后又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。 ????明顯呈現(xiàn)壓電效應的材料叫壓電材料。常用的壓電材料有兩大類：一類是壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉大等；另一類是多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鈷鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，簡稱壓電陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯（PDVF）作為一種新型的高分子物性型傳感材料，也被廣泛應用。 石英晶體有天然石英和

15、人造石英。 4．6．2壓電式傳感器及其等效電路 ? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 4.7磁電式傳感器 ? 4．7．1磁感應電式傳感器 ????磁感應電式傳感器簡稱感應式傳感器，也稱電動式傳感器。它把被測物理量的變化轉變?yōu)楦袘妱觿?，是一種機－電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應范圍（一般位10～1000Hz），適用于振動、轉矩、扭矩等測量，但這種傳感器的尺寸和重量都較大。 ????按工作原理不同，磁感應電式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式。 1． 恒定磁通式 當線圈在垂直于磁場方向作直線運動和旋轉

16、運動時，若以線圈相對磁場運動的速度或角速度表示，則產(chǎn)生的感應電動勢為： （4.40） 式中：--每匝線圈的平均長度； --線圈所在磁場的磁感應強度； --每匝線圈的平均截面積； --線圈運動方向與磁場方向的夾角； --傳感器結構系數(shù)。 2．變磁通式 ???? ????變磁通式又稱變磁阻式或變氣隙式，常用來測量旋轉物體的角速度， 4．7．2霍爾式傳感器 ????霍爾式傳感器也是一種磁電式傳感器。它利用霍爾元件基于霍爾效應將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器。 ??1． 霍爾效應 ????金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流通過時，在垂直與電流和磁場的方向將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。 ??2． 霍爾元件 ????基于霍爾效應工作的半導體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導體材料， 4．7．3磁阻效應傳感器（見教材）