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(cè)的某一物理量（或信號(hào)）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為另外一種（或同種）與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的物理量（或信號(hào)）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(jī)理分為物理型、化學(xué)型和生物型。 ??2） 按傳感器的構(gòu)成原理分為結(jié)構(gòu)型和物性型兩大類。 ??3） 按傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)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(yīng)具有較好的線性關(guān)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(dòng)態(tài)特性良好； ??5） 接入測(cè)量系統(tǒng)時(shí)對(duì)被測(cè)量產(chǎn)生影響小； ??6） 功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性； ??7） 防水及抗腐蝕等性能好，能長(zhǎng)期使用； ??8） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)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(nèi)輸出和輸入成比例關(guān)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(yīng)特性 ????傳感器的響應(yīng)特性必須在所測(cè)頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，但延遲時(shí)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(guò)長(zhǎng)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(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。 ? ? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 4.3電阻式傳感器 4．3．1電阻應(yīng)變式傳感器 ????應(yīng)變式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。將電阻應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件表面或各種彈性敏感元件上，可構(gòu)成測(cè)量

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

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(duì)于圓形截面有 所以： （4.3） 為金屬絲軸向相對(duì)伸長(zhǎng)及軸向應(yīng)變 ；則為電阻絲徑向相對(duì)伸長(zhǎng)及徑向應(yīng)變。經(jīng)過(guò)整理得 （4.5） （4.6） (4.7) 稱為金屬絲的靈敏度系數(shù)。 ??（2）應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理 ????電阻絲應(yīng)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(jī)座上。 應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或直接將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)試件上。彈性體或試件的變形通過(guò)基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，使其電阻值發(fā)生相應(yīng)的

6、變化，并通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓或電流底變化，即可測(cè)量應(yīng)變。 ??2．電阻應(yīng)變片的分類及材料 ????金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式、金屬膜式和半導(dǎo)體式（壓阻式）。 金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種。 制作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。 ????金屬箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻技術(shù)，將厚約為0.003～0.01mm的金屬箔片制成敏感柵。箔式應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是：①可制成多種復(fù)雜性狀、尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，其柵長(zhǎng)最小可做到0.2mm，以適應(yīng)不同的測(cè)量要求；②橫向效應(yīng)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(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)；⑤生產(chǎn)效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。 4．3．

7、2壓阻式傳感器 ??1．基本工作原理 ????半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：①靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需要放大可直接用于測(cè)量；②分辨率高，例如測(cè)量電壓時(shí)可測(cè)出10～20 Pa的微壓；③測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高；④可測(cè)量低頻加速度和直線加速度。其最大的缺點(diǎn)是溫度誤差大，故需要溫度補(bǔ)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(jié)構(gòu)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(dòng)觸點(diǎn)）兩個(gè)基本部分組成。 ????電位器的優(yōu)點(diǎn)是：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺

8、寸小，重量輕，價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；②受環(huán)境因素（如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等）影響小；③可以實(shí)現(xiàn)輸入－輸出間任意函數(shù)關(guān)系；④輸出信號(hào)大，一般不需要放大。它的缺點(diǎn)是：因?yàn)榇嬖陔娝⒂诰€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(huì)降低測(cè)量精度，使分辨力較低；動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差適合于測(cè)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(fù)載電阻為,電位器的長(zhǎng)度為，總電阻為，電刷位移為，相應(yīng)的電阻為，電源電壓為，輸出電壓為 （4.15） 當(dāng)時(shí)，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(jié)構(gòu)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(xué)可知，線圈自感為 (4.17) ??式中：--線圈匝數(shù)； ????--磁路總磁阻。 ??當(dāng)空氣隙較小，而且不考慮磁路的鐵損時(shí)，則磁路總磁阻為 (4.18) ??式中：--導(dǎo)磁體（鐵芯）的長(zhǎng)度，m； --鐵芯磁導(dǎo)率，H/m； --鐵芯導(dǎo)磁橫截面積，，； --空氣隙長(zhǎng)度m； --空氣磁導(dǎo)率，H/m； --空氣隙導(dǎo)磁橫截面積，。

10、 ??因?yàn)?，所? (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(dòng)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(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。 ????由于常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式，故又稱差動(dòng)變壓器式傳感器，實(shí)際常用的為螺管形差動(dòng)變壓器，其工作原理如圖4.12所示。傳感器由初級(jí)線圈和兩個(gè)參數(shù)完全相同的次級(jí)線圈、組成。線圈中心插入圓柱形鐵芯，次級(jí)線圈、反極性串聯(lián)見(jiàn)圖4.12b。當(dāng)初級(jí)線圈加上交流電壓時(shí)，如果，則輸出電壓為；當(dāng)鐵芯向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，；當(dāng)鐵芯向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，。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(xué)可知，在忽略邊緣效應(yīng)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(zhì)的相對(duì)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(yīng)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(zhì)不變，則電容量與極距呈非線性作用下發(fā)生位移時(shí)，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(cè)參數(shù)的作用下來(lái)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(jié)構(gòu)原理如圖4.19所示。這種傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度（圖4.19a）、位移（4.19b）、液位（4.19c），還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量（圖4.19d）等。

13、 ????若忽略邊緣效應(yīng)，則圖4.19a、b、c所示傳感器的電容量與被測(cè)量的關(guān)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(cè)物的厚度、被測(cè)液面高度和它的介電常數(shù)； 、、--固定極板板長(zhǎng)、寬及被測(cè)物體進(jìn)入兩極板中的長(zhǎng)度（被測(cè)值）； 、--內(nèi)、外極筒的工作半徑。 4．5．2特點(diǎn)與應(yīng)用 ??1．主要特點(diǎn) ?1） 輸入量小而靈敏度高。 ???2） 電參量相對(duì)變化大。 ???3） 動(dòng)態(tài)特性好。 ???4） 能量損耗小。 ???5） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好。 ??2．主要缺點(diǎn) ??? ??

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(yīng)與壓電材料 ??? 某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，在一定表面上將會(huì)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(yīng)。 ????明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)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(jiǎn)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(yīng)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(yīng)電式傳感器 ????磁感應(yīng)電式傳感器簡(jiǎn)稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動(dòng)式傳感器。它把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)，是一種機(jī)－電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍（一般位10～1000Hz），適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩、扭矩等測(cè)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(yīng)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(dāng)線圈在垂直于磁場(chǎng)方向作直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)

16、運(yùn)動(dòng)時(shí)，若以線圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速度或角速度表示，則產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： （4.40） 式中：--每匝線圈的平均長(zhǎng)度； --線圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度； --每匝線圈的平均截面積； --線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角； --傳感器結(jié)構(gòu)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(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)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(yīng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。 ??1． 霍爾效應(yīng) ????金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，在垂直與電流和磁場(chǎng)的方向?qū)a(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 ??2． 霍爾元件 ????基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料， 4．7．3磁阻效應(yīng)傳感器（見(jiàn)教材）