第四章常用传感器

第4章常用传感器传感器是将被测的某一物理量（或信号）按一定规律转换为另外一种（或同种）与之有确定对应关系的、便于应用的物理量（或信号）输出的装置。4．1传感器概述4．1．1传感器的分类1）按传感器的工作机理分为物理型、化学型和生物型。2）按传感器的构成原理分为结构型和物性型两大类。3）按传感器的能量转换情况分为能量控制型和能量转换型。4．1．2传感器的性能要求1）灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；2）噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；3）滞后、漂移误差小；4）动态特性良好；5）接入测量系统时对被测量产生影响小；6）功耗小，复现性好，有互换性；7）防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；8）结构简单，容易维修和校正；9）低成本，通用性能。4.3电阻式传感器4．3．1电阻应变式传感器应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。将电阻应变片粘贴在被测试件表面或各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变片式传感器。应变式传感器具有以下特点：1）精度高，测量范围广；2）使用寿命长，性能稳定可靠；3）结构简单，体积小，重量轻；4）频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；5）价格低4．2传感器选用原则4.2.1灵敏度传感器的灵敏度越高，可以感知的变化量越小，即被测量稍有微小变化，传感器即有较大的输出。4.2.2线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出和输入成比例关系。线性范围越宽，则表明传感器的工作量程愈大。4.2.3响应特性传感器的响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。实际传感器的响应总有一定延迟，但延迟时间越短越好。4.2.4稳定性传感器的稳定性是指经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。4.2.5精确度传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。廉，品种多样，便于选择和大量使用。1．应变式传感器的工作原理（1）金属的电阻应变效应金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。若金属的长度为，截面积为，电阻率为，其未受力时的电阻为，则（4.1）如果金属丝沿轴向方向受拉力变形，其长度变化，截面积变化，电阻率变化，将式（4.1）微分，整理得(4.2)对于圆形截面有所以：（4.3）为金属丝轴向相对伸长及轴向应变；则为电阻丝径向相对伸长及径向应变。经过整理得（4.5）（4.6）(4.7)称为金属丝的灵敏度系数。（2）应变片的基本结构及测量原理电阻丝应变片是用直径为0.025mm左右，具有高电阻率得电阻丝制成的，为获得高的电阻值，将电阻丝排列成栅状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的机座上。应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，使其电阻值发生相应的变化，并通过转换电路转化为电压或电流底变化，即可测量应变。2．电阻应变片的分类及材料金属电阻应变片分为丝式、箔式、金属膜式和半导体式（压阻式）。金属丝式应变片有回线式和短接式两种。制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。箔式应变片的优点是：①可制成多种复杂性状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②横向效应好；③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；⑤生产效率高，便于实现自动化生产。4．3．2压阻式传感器1．基本工作原理半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。压阻式传感器的优点是：①灵敏度非常高，有时传感器的输出不需要放大可直接用于测量；②分辨率高，例如测量电压时可测出10～20Pa的微压；③测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；④可测量低频加速度和直线加速度。其最大的缺点是温度误差大，故需要温度补偿或在恒温条件下使用。4．3．3变阻式传感器1．变阻式传感器的结构及分类变阻式传感器又称为电位器式传感器，它们有电阻元件及电刷（活动触点）两个基本部分组成。电位器的优点是：①结构简单，尺寸小，重量轻，价格低廉且性能稳定；②受环境因素（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响小；③可以实现输入－输出间任意函数关系；④输出信号大，一般不需要放大。它的缺点是：因为存在电刷于线圈或电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，使分辨力较低；动态响应较差适合于测量变化较缓慢的量。2．电阻式传感器的原理与特性图4.4为线性电阻器的电阻分压电路，负载电阻为,电位器的长度为，总电阻为，电刷位移为，相应的电阻为，电源电压为，输出电压为（4.15）当时，电压输出为（4.16）式中为电位器的电压灵敏度。4．4电感式传感器4．4．1自感型传感器1．可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器的结构原理如图4.5所示，它由线圈、铁芯及衔铁组成，在铁芯和衔铁之间有空气隙。由电工学可知，线圈自感为(4.17)式中：--线圈匝数；--磁路总磁阻。当空气隙较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为(4.18)式中：--导磁体（铁芯）的长度，m；--铁芯磁导率，H/m；--铁芯导磁横截面积，，；--空气隙长度m；--空气磁导率，H/m；--空气隙导磁横截面积，。因为，所以(4.19)因此，自感L可写成（4.20）上式表明自感与气隙成反比。2．涡流式传感器4．4．2互感型（差动变压器式）传感器互感型传感器的工作原理式利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器，实际常用的为螺管形差动变压器，其工作原理如图4.12所示。传感器由初级线圈和两个参数完全相同的次级线圈、组成。线圈中心插入圆柱形铁芯，次级线圈、反极性串联见图4.12b。当初级线圈加上交流电压时，如果，则输出电压为；当铁芯向上运动时，；当铁芯向下运动时，。铁芯偏离中心位置越大，越大，其输出特性如图4.12c所示。4．5电容式传感器4．5．1工作原理及类型由物理学可知，在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量F（4.22）式中：--真空介电常数，F/m；--极板间介质的相对介电系数，在空气中为；--极板的覆盖面积，；--两平行极板间的距离，m。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介电常数变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。1．极距变化型电容式传感器在电容器中，如果两极板相互覆盖面积及板间介质不变，则电容量与极距呈非线性作用下发生位移时，引起电容量的变化为（4.23）由此可得到传感器的灵敏度为（4.24）2．面积变化型电容式传感器面积变化型电容式人传感器的工作原理是在被测参数的作用下来变化极板的有效面积，常用的由角位移型和线位移型两种。3．介电常数变化型电容式传感器变介电常数型电容器的结构原理如图4.19所示。这种传感器大多用于测量电介质的厚度（图4.19a）、位移（4.19b）、液位（4.19c），还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量（图4.19d）等。若忽略边缘效应，则图4.19a、b、c所示传感器的电容量与被测量的关系为（4.31）（4.32）(4.33)式中：、、--两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数；、、--被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数；、、--固定极板板长、宽及被测物体进入两极板中的长度（被测值）；、--内、外极筒的工作半径。4．5．2特点与应用1．主要特点1）输入量小而灵敏度高。2）电参量相对变化大。3）动态特性好。4）能量损耗小。5）结构简单，适应性好。2．主要缺点1)非线性大。2)电缆分布电容影响大4．6压电式传感器4．6．1压电效应与压电材料某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将会产生电荷，而外力去掉后又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。明显呈现压电效应的材料叫压电材料。常用的压电材料有两大类：一类是压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠大等；另一类是多晶压电陶瓷，如钛酸钡、钴钛酸铅、铌镁酸铅等，简称压电陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯（PDVF）作为一种新型的高分子物性型传感材料，也被广泛应用。石英晶体有天然石英和人造石英。4．6．2压电式传感器及其等效电路4.7磁电式传感器4．7．1磁感应电式传感器磁感应电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机－电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般位10～1000Hz），适用于振动、转矩、扭矩等测量，但这种传感器的尺寸和重量都较大。按工作原理不同，磁感应电式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式。1．恒定磁通式当线圈在垂直于磁场方向作直线运动和旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度或角速度表示，则产生的感应电动势为：（4.40）式中：--每匝线圈的平均长度；--线圈所在磁场的磁感应强度；--每匝线圈的平均截面积；--线圈运动方向与磁场方向的夹角；--传感器结构系数。2．变磁通式变磁通式又称变磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度，4．7．2霍尔式传感器霍尔式传感器也是一种磁电式传感器。它利用霍尔元件基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器。1．霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直与电流和磁场的方向将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。2．霍尔元件基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料，4．7．3磁阻效应传感器（见教材）