常用的傳感器匯總

第三章常用的傳感器本章學(xué)習(xí)要求傳感器是一種獲取信息的裝置，是測試系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。完成本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到了解傳感器的的作用了解傳感器的分類3掌握機(jī)械式、電阻式、電容式、電感式傳感器的工作原理。4、了解傳感器的選用原則第一節(jié)傳感器的分類一、傳感器的分類傳感器的分類方法很多，概括起來，主要有下面幾種分類方法。按被測物理量來分類，可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。按傳感器工作的物理原理來分類，可分為機(jī)械式、電氣式、輻射式、流體式等。按信號變換特征來分類，可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。所謂物性型傳感器，是利用敏感器件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號的檢測。例如，用水銀溫度計(jì)測溫，是利用了水銀的熱脹冷縮的現(xiàn)象；用光電傳感器測速，是利用了光電器件本身的光電效應(yīng)。所謂結(jié)構(gòu)型傳感器，則是通過傳感器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換了石英晶體的壓電效應(yīng)等。例如，電容式傳感器，是通過極板間距離發(fā)生變化而引起電容量的變化；電感式傳感器，是通過活動銜鐵的位移引起自感或互感的變化等。按傳感器與被測量之間的關(guān)系來分類，可分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型。能量轉(zhuǎn)換型傳感器(或稱無源傳感器)，是直接由被測對象輸入能量使其工作的。例如，熱電偶將被測溫度直接轉(zhuǎn)換為電量輸出。由于這類傳感器在轉(zhuǎn)換過程中需要吸收被測物體的能量，容易造成測量誤差。能量控制傳感器，也稱有源傳感器，是從外部供給輔助能量使傳感器工作的，并且由被測量來控制外部供給能量的變化。另外，按傳感器輸出量的性質(zhì)可分為模擬式和數(shù)字式第二節(jié)自學(xué)第三節(jié)電阻式傳感器學(xué)習(xí)要求完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：掌握電阻式傳感器的工作原理了解電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)、分類掌握變阻器式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器在結(jié)構(gòu)和工作原理的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)

了解電阻式傳感器的應(yīng)用一、分類按其工作原理可分為變阻器式（電位器式）、電阻應(yīng)變式傳感器兩種二、工作原理㈠變阻器式傳感器工作原理變阻器式傳感器也稱電位器式傳感器，其工作原理是將物體的位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。根據(jù)式式中：p——電阻率電阻絲長度A 電阻絲截面積'直線位移型變阻器式傳感器［角位移型非線性型等dRR=kxS二"-=吊數(shù)S二二k二吊數(shù)da aR=kxS二"-S-dR-k-常數(shù)2)角位移傳感器da a3)非線性傳感器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定;受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響?。豢梢詫?shí)現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關(guān)系；輸出信號大，一般不需放大。缺點(diǎn)：因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；由于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，所以分辨力較低;動態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的量。㈡電阻應(yīng)變式傳感器J金屬電阻應(yīng)變片I半導(dǎo)體應(yīng)變式1、金屬電阻應(yīng)變片其結(jié)構(gòu)見圖其工作原理：應(yīng)變片發(fā)生變形時(shí)，阻值發(fā)生變化。竺dp其結(jié)構(gòu)見圖其工作原理：應(yīng)變片發(fā)生變形時(shí)，阻值發(fā)生變化。竺dpdA dpdR=^Rd/+竺dA+dlr――電阻絲半徑dl-2r――電阻絲半徑dl-2旦dr+丄dpnr3 nr2,JJ,dr dp'=R—-d—+丄Ilrp丿dR=Enr2(dldl—=8l縱向應(yīng)變dRR橫向應(yīng)變drrdRR橫向應(yīng)變drrd_7泊桑比=Xc=XE8P E――彈性模量；c――正應(yīng)力；X――壓阻系數(shù)。dR=8+2ue+XEe=G+2d+九E\?(1+2u\RdRSg=~dT=1+2d=常數(shù)Sg~(1.7~3.6)優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定,價(jià)格低。缺點(diǎn):精度不高,靈敏度低。2、半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理：半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)：單晶片材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率P發(fā)生變化的現(xiàn)象。膠膜襯底dR=XE8，內(nèi)引線

'焊接板dR=XE8，內(nèi)引線

'焊接板dRS=——=XEg8比金屬絲的靈敏度大50~70倍。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高。

缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性能差，靈敏度分散度大，以及在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大等。應(yīng)用：見書P633、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實(shí)例①直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。②將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參量的傳感器。第四節(jié)電感式傳感器學(xué)習(xí)要求了解電感式傳感器的工作原理了解可變磁阻式電感傳感器、渦流式電感傳感器和差動變壓器式傳感器的特點(diǎn)了解可變磁阻式電感傳感器、渦流式電感傳感器和差動變壓器式傳感器的應(yīng)用一、分類電感式傳感器自感型互感型電感式傳感器自感型互感型可變磁阻式渦流式二、自感型1、可變磁阻式電感傳感器可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由線圈、鐵芯及銜鐵組成線圈電感（自感）可用下式計(jì)算L=W2此如果空氣隙即較小，而且不考慮磁路的鐵損時(shí)，則磁路總磁阻為式中'一一導(dǎo)磁體（鐵芯）的長度，m；岸——鐵芯導(dǎo)磁率，H/m；s 鐵芯導(dǎo)磁橫截面積，m2；8――空氣隙長度，m；旳——空氣導(dǎo)磁率，H/m；叼 空氣隙導(dǎo)磁橫截面積，m2。因?yàn)閊平，則因此，自感L可寫為 牯上式表明，自感L與空氣隙8成反比，而與空氣隙導(dǎo)磁截面積S0成正比。當(dāng)固定S0不變,變化8時(shí)，L與8呈非線性（雙曲線）關(guān)系，如上圖所示。此時(shí)，傳感器的靈敏度為~dS~282靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，8愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一誤差，通常規(guī)定8在較小的范圍內(nèi)工作。故靈敏度S趨于定值，即輸出與輸入近似成線性關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中，一般取A5/^-0Jo這種傳感器適用于較小位移的測量，一般約為0.001?1mmo

如將§固定，變化空氣隙導(dǎo)磁截面積S0時(shí)，自感L與S0呈線性關(guān)系如下圖所示。$二axf嚴(yán)豐r/V/ C片1 1L 11■?可變磁阻式面積型傳感器幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)有:可變導(dǎo)磁面積型、差動型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動型。雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計(jì)上，其測量范圍為0?300um，最小分辨力為0.5um。這種傳感器的線圈接于電橋上,構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線圈電感LrL2隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所示。2、渦電流式利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。分析表明：由于渦流磁場的作用使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化。Z的變化與5金屬板的電阻率P、磁導(dǎo)率卩以及線圈激磁圓頻率°等有關(guān)。改變其中某一因素，即可達(dá)到不同的變換目的。例：變化5，可作為位移，振動測量。變化P或卩，可作為材質(zhì)鑒別或探傷等。習(xí)題：若差動變氣隙式電感傳感器的銜鐵處于平衡位置時(shí)，上、下氣隙5，現(xiàn)銜鐵上下平移，上氣隙為5_A5，下氣隙為5+A5。AL1、 求電感相對變化量L。AL AL2、 對L表達(dá)式線性處理后，電感相對變化量L3、 由此產(chǎn)生的相對（非線性誤差）r是多少。檢查電路：

1）、分壓式調(diào)幅電路0輸出濾波LR金屬板振蕩器檢波 1）、分壓式調(diào)幅電路0輸出濾波LR金屬板振蕩器檢波 A赦大計(jì) 箏Z±AZ n 或一g C豐高頻撮蕩蠱X如鑒頻器調(diào)頻電路工作原理調(diào)頻電路工作原理優(yōu)點(diǎn)：用于動態(tài)非接觸測量，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不受油液等介質(zhì)影響，分辨率高，可達(dá)1卩m。用于位移、振動、測量等。二、互感式傳感器——差動變壓器式電傳感器原理：利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測位移轉(zhuǎn)化成線圈互感的變化。e=e工作：當(dāng)鐵心在中心位置時(shí)，eie2e〉e當(dāng)鐵心向上運(yùn)動時(shí)，1 2e〉00e<e當(dāng)鐵心向下運(yùn)動時(shí)，1 2e<00可見：其輸出為一交流電壓。若用交流電壓表指示，只能反映鐵心位移大小，不反映位移的方向性。優(yōu)點(diǎn)；精度高（0.1卩m），線性范圍大，穩(wěn)定度好和使用方便。第五節(jié)電容式傳感器學(xué)習(xí)要求完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：掌握電容式傳感器工作原理掌握電容式傳感器的分類、及它們各自的特點(diǎn)了解電容式傳感器的測量電路一、變換原理：電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的以最簡單的平行極板電容器為例說明其工作原理。在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為c_用es式中&0——真空的介電常數(shù)，￡0=8.854X10-i2F/m；S 極板的遮蓋面積，m2；&——極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，在空氣中，￡=1;5――兩平行極板間的距離，m。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣?？蛇M(jìn)行非接觸測量缺點(diǎn)：靈敏度與5成反比，極距越小，靈敏度越高等?0?1存在非線性誤差，測量范圍小50配合使用的電子線路復(fù)雜二）面積變化型S=dC呂=常數(shù)dA5優(yōu)點(diǎn)：靈敏度為線性，測量范圍大。可用于測量大的角位移或線位移，差動式比單邊結(jié)構(gòu)的靈敏度高一倍。角位移型平面線位移型圓柱體線位移型（三）介質(zhì)變化型利用介質(zhì)介電常數(shù)變化將被測量轉(zhuǎn)化為電容量的傳感器。常用測量材料的厚度、液位等二、測量電路（自學(xué)）1、電橋型電路2、直流極化電路3、諧振電路4、調(diào)頻電路第六節(jié)傳感器選用原則了解傳感器的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展后，如何根據(jù)測試目的和實(shí)際條件，正確合理地選用傳感器，也是需要認(rèn)真考慮的問題。下面就傳感器的選用問題作一些簡介。選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個(gè)方面的問題。(1)靈敏度一般說來，傳感器靈敏度越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測量有一微小變化，傳感器就有較大的輸出。但是，在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問題。其一，當(dāng)傳感器的靈敏度很高時(shí)，那些與被測信號無關(guān)的外界噪聲也會同時(shí)被檢測到，并通過傳感器輸出，從而干擾被測信號。因此，為了既能使傳感器檢測到有用的微小信號，又能使噪聲干擾小，就要求傳感器的信噪比愈大愈好。也就是說，要求傳感器本身的噪聲小，而且不易從外界引進(jìn)干擾噪聲。其二，與靈敏度緊密相關(guān)的是量程范圍。當(dāng)傳感器的線性工作范圍一定時(shí)，傳感器的靈敏度越高，干擾噪聲越大，則難以保證傳感器的輸入在線性區(qū)域內(nèi)工作。不言而喻，過高的靈敏度會影響其適用的測量范圍。其三，當(dāng)被測量是一個(gè)向量，并且是一個(gè)單向量時(shí)，就要求傳感器單向靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好；如果被測量是二維或三維的向量，那么還應(yīng)要求傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。(2)響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。此外，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，只是希望延遲的時(shí)間越短越好。(3)線性范圍任何傳感器都有一定的線性工作范圍。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。然而，對任何傳感器，保證其絕對工作在線性區(qū)域內(nèi)是不容易的。在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以取其近似線性區(qū)域。例如，變間隙型的電容、電感式傳感器，其工作區(qū)均選在初始間隙附近。而且必須考慮被測量變化范圍，令其非線性誤差在允許限度以內(nèi)。(4)穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。為了保證穩(wěn)定性，在選擇傳感器時(shí)，一般應(yīng)注意兩個(gè)問題。其一，根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器。例如，選擇電阻應(yīng)變式傳感器時(shí)，應(yīng)考慮到濕度會影響其絕緣性，濕度會產(chǎn)生零漂，長期使用會產(chǎn)生蠕動現(xiàn)象等。又如，對變極距型電容式傳感器，因環(huán)境濕度的影響或油劑浸人間隙時(shí)，會改變電容器的介質(zhì)。光電傳感器的感光表面有塵埃或水汽時(shí)，會改變感光性質(zhì)。其二，要創(chuàng)造或保持一個(gè)良好的環(huán)境，在要求傳感器長期地工作而不需經(jīng)常地更換或校準(zhǔn)的情況下，應(yīng)對傳感器的穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求。(5)精確度傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被