電容、電感與發(fā)電型傳感器

第四章、傳感器測量原理電阻傳感器應(yīng)用——井筒直徑測量

八臂井徑儀測井筒直徑，測臂緊貼井壁，當井壁有變形時，帶動測桿2軸向移動，拉桿電位器的測桿1緊緊頂住測桿2的端面，測桿1作同步隨動。測桿1的軸向移動就將套管臂井徑的大小變化轉(zhuǎn)換成拉桿電位器的電阻變化。圖8-218臂井徑儀原理圖固態(tài)壓阻式傳感器利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，即電阻發(fā)生后變化，然后，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。壓阻式壓力傳感器優(yōu)點：

1.

頻率響應(yīng)高，f0可達1.5M；

2.

體積小、耗電少；

3.

靈敏度高、精度好，可測量到0.1%的精確度；

4.

無運動部件（敏感元件與轉(zhuǎn)換元件一體）。

壓阻式壓力傳感器缺點：

1.

溫度特性差；

2.

工藝復雜。用于測量直升飛機機翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。第四章、傳感器測量原理4.3電容式傳感器

變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++Aδ、A或ε（極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)）發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。為真空介電常數(shù)4.3電容式傳感器

a)極距δ變化型++++++可以看出，(1)靈敏度S與極板間距δ的平方成反比，有線性誤差，δ愈小，靈敏度S愈高。（2）為減少此誤差，一般極距變化范圍約為Δδ／δ0≈0.1，可獲得近似的線性關(guān)系。適用于測試小位移(0.01μm至數(shù)百μm)。實際應(yīng)用中，為了改善非線性，常采用差動結(jié)構(gòu)，如圖。它有三個極板，其中兩個極板固定不動，只有中間極板能產(chǎn)生移動。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)鞲衅黛`敏度提高一倍，并且線性誤差也可大大減少，同時還能克服如電源電壓、環(huán)境溫度等變化對測試精度的影響。產(chǎn)品：壓差傳感器.

如圖，膜片3與鍍在球形玻璃表面的金屬層2形成一個差動電容。在壓差Δp＝pl—p2作用下，膜片向壓力小的方向移動，引起差動電容量C的變化，電容C與壓差Δp成比例。它適用于測液(氣)體微壓差b)面積變化型角位移型+++面積變化型電容傳感器的輸入與輸出呈線性關(guān)系，靈敏度為常數(shù)，可用于測試角位移或較大的線位移。平面線位移型4.3電容式傳感器

4.3電容式轉(zhuǎn)速檢測

當定極板2與齒頂相對時電容量最大，而與齒隙相對時，電容量最小。齒輪1轉(zhuǎn)動時，電容傳感器產(chǎn)生周期信號，經(jīng)測試電路3轉(zhuǎn)換為脈沖信號，用頻率計4顯示齒輪轉(zhuǎn)速。c)介質(zhì)變化型4.3電容式傳感器

4.3電容式傳感器

電容式液位傳感器（液位計/料位計）電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。a)諧振電路3測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化?？蓪㈦娙葑兓D(zhuǎn)化為輸出電壓的變化b)運算放大器電路

4.3電容式傳感器

手機觸摸屏：電阻屏，電容屏，紅外線以及超聲波電容屏：當手指觸摸到屏時，手機與屏之間形成一個耦合電容，手指從觸摸點吸走部分電流，這個電流分別從觸控屏四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，車載電容稱重第四章、傳感器測量原理4.4電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型4.4電感式傳感器1自感型--可變磁阻式原理:電磁感應(yīng)其中，磁回路磁阻Rm導體磁阻遠小于空氣磁阻4.4電感式傳感器變間隙型電感氣隙愈小，靈敏度S愈高。由于S不是常數(shù)，故會出現(xiàn)線性誤差。為減小這一誤差，規(guī)定δ在較小范圍±Δδ內(nèi)變化。設(shè)初始間隙為δ0，一般取Δδ／δ0≤0.1，這種傳感器一般只適用于0.001~1mm范圍的小位移測試。4.4電感式傳感器若將兩線圈接在電橋的相鄰臂時，其輸出靈敏度可提高一倍，且可改善其非線性特性。差動型變面積型L與A0呈線性特性，但靈敏度較低，常用于角位移測試。單螺管型a,當銜鐵在線圈中運動，磁阻將發(fā)生變化，導致自感L變化。單螺管型結(jié)構(gòu)簡單、但靈敏度較低，適用于較大位移(mm量級)測試。由于有限長度線圈的軸向磁場強度分布不均勻，因此，只有在線圈中段才有較好的線性關(guān)系。差接螺管型c

，電感變化量增加一倍，能部分地消除磁場不均勻所造成的非線性影響。測試范圍在0~300μm，最高分辨率可達0.5μm。螺管型電感傳感器電感式接近傳感器（金屬）4.4電感式傳感器2渦流式:渦流效應(yīng)電渦流式傳感器原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，金屬導體置于變化的磁場中時，導體的表面就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的漩渦狀感應(yīng)電流稱為電渦流，線圈的等效阻抗Z：4.4電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高；抗干擾能力強；不受被測件油污介質(zhì)的影響；非接觸測量；圖4-16渦流式傳感器1殼體；2框架；3線圈；4保護套；5填料；6螺母；7電纜電渦流傳感器優(yōu)點：電渦流傳感器應(yīng)用：位移、振動測量，材質(zhì)鑒別以及無損檢測振動計案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測油管檢測4.4電感式傳感器4.4電感式傳感器電渦流傳感器的測量電路，通常采用電橋和諧振電路。諧振電路有調(diào)幅電路和調(diào)頻電路。

將傳感器線圈接入LC調(diào)諧電路，使其諧振頻率隨被測量而改變，輸出的幅值或頻率隨被測量變化，以實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。4.4電感式傳感器調(diào)頻電路工作原理

分壓式調(diào)幅電路原理互感型傳感器

互感型傳感器是利用互感現(xiàn)象將被測物理量轉(zhuǎn)換成線圈互感變化來實現(xiàn)測試的，如圖所示，它有原、副兩個線圈，當原線圈W輸入交變電流i時，副線圈W1產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e，其大小與電流i的變化率成正比，即式中，M為互感系數(shù)。當被測參數(shù)使互感系數(shù)M變化時，副線圈輸出電動勢也會隨之產(chǎn)生相應(yīng)變化。2互感型--差動變壓器當活動銜鐵向上移動時,由于磁阻的影響，W2中磁通將大于W1，使e1>e2。反之，e1<e2。輸出Uo=e1-e2，所以Uo也必將隨銜鐵位移x而變化。

差動變壓器式傳感器中的兩個次級線圈反相串聯(lián)，其等效電路如圖在實際工程測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它的測量范圍大，可測1～100mm的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。案例：板的厚度測量~案例：張力測量4.4電感式傳感器案例：加速度測量4.4電感式傳感器電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖1差動變壓器；2鐵心；3連桿；4中間膜片案例：壓力測量中間膜片4在壓差Δp＝p1－p2的作用下產(chǎn)生位移。通過連桿3帶動差動變壓器中的鐵心2移動，從而將壓差Δp轉(zhuǎn)換成變壓器的電壓輸出。案例：發(fā)動機凸輪軸檢測由于各個方向的外圓表面到圓心的距離是不同的，就可通過一個位移測量傳感器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)后續(xù)信號處理來獲得參數(shù)。

需求分析：

為滿足凸輪的位移測量，保證磨削加工的工件測量精度為微米級，就必須選用高精度的位移傳感器；由于是磨削加工，外圓形狀誤差不會很大，小量程即可滿足測量要求；非在線方式，低速回轉(zhuǎn)下測量即可，傳感器的頻響特性不需要很高，同時測量方式可選用接觸或非接觸方式，但要考慮傳感器成本。基于以上考慮，可選用的傳感器有？（1）變極距電容傳感器；（2）電渦流傳感器；（3）差動變壓器位移傳感器分析與比較：（1）變極距電容傳感器是非接觸測量，具有高的精度而且靈敏度高，響應(yīng)速度快，能抵抗高溫、振動和潮濕，適應(yīng)于測位移小量程，但用于電容式傳感器的位移測量電路較為復雜，一般采用調(diào)幅電路或調(diào)頻電路，后續(xù)調(diào)理相對復雜，增加了系統(tǒng)復雜性；同時，本測量系統(tǒng)被測工件表面在加工中會有油污，會影響電容傳感器的測量。（2）電渦流傳感器同樣具有靈敏度高、響應(yīng)快速、非接觸測量的特點，常規(guī)類型量程1～2毫米，但從實際應(yīng)用來講，其精度不足；如選用高精度型，其量程為250微米，分辨率0.01微米，但這種類型成本較高。（3）差動變壓器位移傳感器能提供所需的準確度、精度和可靠性，盡管為接觸式測量，但低速測量廣泛使用，為此，本例適用的位移檢測方法就是使用差動變壓器位移傳感器，把它直接安裝在回轉(zhuǎn)臺旁來測量凸輪的外圓回轉(zhuǎn)位移?；剞D(zhuǎn)臺傳感器工件信號調(diào)理信號處理及顯示為實現(xiàn)以上的測量，測量系統(tǒng)需要包含四個部分。首先需要一個回轉(zhuǎn)工作臺，以實現(xiàn)工件的回轉(zhuǎn)；其次需要一個位移測量傳感器來測量外圓位移的動態(tài)數(shù)值；第三提供位移傳感器的調(diào)理裝置；第四要提供信號處理和顯示裝置。根據(jù)以上分析所設(shè)計的一個測量系統(tǒng)框架如下圖示。4.5壓電式傳感器

1.變換原理:半導體材料的壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。利用這個特性，用于壓力，應(yīng)力，加速度測量，也用于超聲波發(fā)生器與接收器裝置。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷石英晶體(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片石英晶體為六角形晶柱，兩端為棱錐，Z為光軸，光線入射不產(chǎn)生雙折射；X電軸為橫截面對角線；Y機械軸，第四章、傳感器測量原理

若從晶體上沿y方向切下一塊晶片，當沿電軸x方向施加作用力Fx時，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為式中,d11為x方向受力的壓電系數(shù)，該電荷大小只與力成正比第四章、傳感器測量原理

當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，晶體變形P1增大，P2、P3減小。在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向為正電荷。在y軸方向上仍不出現(xiàn)電荷。y軸方向受力當作用力Fy的方向相反時，電荷的極性也隨之改變。第四章、傳感器測量原理當石英晶體受到沿x軸方向的壓力，晶體產(chǎn)生壓縮變形，正負離子的相對位置變動，正負電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量不等于零。在x軸的正方向出現(xiàn)負電荷，電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。x軸方向受力第四章、傳感器測量原理不受力或Z軸受力如果沿z軸方向施加作用力，因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第四章、傳感器測量原理壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，它同時也是一個電容器，適用于動態(tài)測量；等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源等效為一個電荷源第四章、傳感器測量原理+并聯(lián)+串聯(lián)F+q=DF

并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。

串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。案例：力傳感器2、測量電路

壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。常用的后續(xù)電路為：電荷放大器，它是一個高增益帶電容反饋的運算放大器電荷放大器由運算放大器基本特性，可得電荷放大器的輸出電壓

通常A=104~108，(A-1)Cf>>Ca+Cc+Ci，可見，電荷放大器的輸出電壓uo只與輸入電荷以及反饋電容Cf，有關(guān)，與電纜電容Cc無關(guān)，且與q成正比，這是電荷放大器的最大特點：不受傳輸電纜的影響案例：加速度傳感器它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。壓電陶瓷壓電陶瓷和石英晶體不同，前者是人工制造的多晶體壓電材料，而后者是單晶體。壓電陶瓷的優(yōu)點是：壓電系數(shù)大，成本低。

在玩具小狗的肚子中安裝壓電陶瓷制作的蜂鳴器，玩具都會發(fā)出逼真有趣的聲音。

壓電陶瓷在汽車上應(yīng)用越來越廣泛。在汽車的制動器活塞里安裝一種簡單的壓電陶瓷致動器，向內(nèi)部制動杉塊的支撐板施加“抖動”頻率，有效抑制產(chǎn)生尖利噪音的振動，從而能在溫度濕度變化和剎車系統(tǒng)正常磨損的情況下發(fā)揮作用。壓電橡膠壓電陶瓷比較脆，少許沖擊力會破裂，很難形成任意形狀，用壓電陶瓷粉末分散在無壓電性的橡膠基體中制成壓電復合材料，同時具備橡膠的柔軟性以及可變性性質(zhì)，同時具備壓電特性?？沙惺軟_擊載荷；應(yīng)用：在橋面與軌枕間的間隙處設(shè)置壓電橡膠，可檢測列車通過產(chǎn)生的沖擊力PVDF（聚偏氟乙烯）是一種新型的聚合物壓電薄膜，高分子壓電薄膜：高分子材料壓電特性不是很好，但易于生產(chǎn)，柔軟，面積大，容易制成傳感器陣列，用于機器人觸覺4.6磁電式傳感器

磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N變換原理:

法拉第電磁感應(yīng)定律，把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢線圈的感應(yīng)電動勢e為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。

動圈式傳感器線速度型角速度型測速電機磁阻式傳感器

1.熱電溫度計(熱電偶)

利用熱電效應(yīng)，當物體受熱，電子(空穴)隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動時，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。4.7熱敏傳感器熱敏傳感器主要：1、熱電偶；2、熱電阻；3、紅外測溫

將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流。熱電偶測溫基本定律1)均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。TT02)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V2熱敏電阻傳感器

半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。RT產(chǎn)品3人體熱電型(熱釋)紅外傳感器物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。

人體溫在36~37，發(fā)出紅外波9~10um，遠紅外，第三章、測試系統(tǒng)的基本特性2-1進行某動態(tài)壓力測量時，所采用的壓電式傳感器的靈敏度為90.9nC/MPa，

將它與增益為0.005V/nC的電荷放大器相連，而電荷放大器的輸出接到一臺筆式記錄儀上，記