常用傳感器工作原理及應(yīng)用技術(shù)

1、電阻式傳感器的工作原理應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變：當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件：具有彈性應(yīng)變特性的物體電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。工作原理：當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上， 彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā) 生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移， 然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片， 引起應(yīng)變片的電阻值變化， 通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成。應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量。1. 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工

2、作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。2. 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)(1 )應(yīng)變式力傳感器被測物理量：荷重或力主要用途：作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等(2主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。(3 感壓膜感受上面液體的壓力。(4)用于物體加速度的測量。依據(jù)：a=F/m。3.2電容式傳感器電容式傳感器的工作原理由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器,如果不考慮邊緣效應(yīng)， 其電容

3、量當(dāng)被測參數(shù)變化使得S、d或&發(fā)生變化時，電容量如果保持其中兩個參數(shù)不變， 而僅改變其中一個參數(shù),C也隨之變化。就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。1 變間隙型電容傳感器此時電容C變?yōu)?S dgdo式中：£ g云母的相對介電常數(shù)，e g=7；£ 0空氣的介電常數(shù)，e 0=1 ；d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。:d爲(wèi)1 d1:放置云母片的電容器云2. 變iii刊我電祥士感巒被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積s改變，從而得到電容量的變化。 當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向

4、平移x時，則電容變化量為；0 ；r=X bd式中C0= e 0 e r ba/d為初始電容。電容相對變化量為3. 變介皿式電容式傳感祥323 電容式傳感器的應(yīng)用1. 電容式壓力傳感器2. 電容式加速度傳感器3.3電感式傳感器電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理，它把被測量轉(zhuǎn)化為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式(包括可變磁阻式與渦流式)和互感式(差動變壓器 式)兩種。自感式傳感器自感式電感傳感器主要有變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時，氣隙厚度S發(fā)生改

5、變，引起磁路中磁阻變化， 從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。1. 變間隙型電感傳感器2. 變面積型電感傳感器3. 螺管型電感傳感器4. 差動式電感傳感器為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動式電感傳感器。5. 自感式傳感器的測量電路電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等?；ジ惺絺鞲衅靼驯粶y的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應(yīng)用最

6、多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1100mm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。1. 互感式傳感器的工作原理互感式傳感器的工作原理類似變壓器的作用原理。2. 差動變壓器的結(jié)構(gòu)類型3. 差動變壓器式傳感器測量電路問題：(1) 差動變壓器的輸出是交流電壓 (用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不 能反映移動的方向)；(2) 測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，常常采用差動整 流電路和相敏檢波電路。(1) 差動整流電路這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。(2)

7、 相敏檢波電路電感式傳感器的應(yīng)用1 差動變壓器式力傳感器2沉筒式液位計3.4壓電式傳感器 341壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。 有時人們把這種機械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為"正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。具有壓電效應(yīng)的材料稱為 壓電材料。1. 單晶壓電晶體2.2. 新型壓電材料新型壓電材料主要有有機壓電薄膜和壓電

8、半導(dǎo)體等。壓電式傳感器的應(yīng)用1.主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。2.主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)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。3.5霍爾傳感器霍爾傳感器是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn) 換成電動勢輸出的一種傳感器。霍爾元件的工作原理霍爾元件賴以工作的物理基礎(chǔ)是霍爾效應(yīng)。1. 霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢曰，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。流入激勵電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪h可

9、表示為：Eh = Kh IBkH為靈敏度系數(shù)，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強度和 單位控制電流時的霍爾電勢的大小。2. 霍爾元件的結(jié)構(gòu)及特性霍爾元件是一種四端元件。比較常用的霍爾元件有三種結(jié)構(gòu)：單端引出線型、臥式型和雙端引出線型?；魻杺鞲衅鞯臏y量電路3.5.3 集成霍爾電路霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。3.6熱敏傳感器熱敏傳感器主要有熱電式和熱電阻式。1.熱電偶工作原理熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點溫度T和TO不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。三/ 6熱電動勢

10、是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(珀爾貼電勢)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(湯姆遜電勢) 所組成。熱電動勢的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接點溫度有關(guān)。接觸電動勢：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。溫差電動勢：同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度是不同的，當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體A與B接觸時，接觸面上就會發(fā)生電子擴散，電子從電子密度高的導(dǎo)體流向密度低的導(dǎo)體。電子擴散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為 NA和NB,且NA> NB,電子擴散的結(jié)果使導(dǎo)體 A失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則獲得電子而帶負電， 在接觸面 形成電

11、場。這個電場阻礙了電子的擴散，達到動平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差， 即接觸電勢，其大小為式中，k 玻耳茲曼常數(shù)， k=1.38 x 10-23J/K ;e電子電荷量， e= 1.6 x 10-19 C ;T接觸處的溫度，K;NA NB分別為導(dǎo)體 A和B的自由電子密度。式中b為湯姆遜系數(shù)，表示溫差1C所產(chǎn)生的電動勢值，其大小與材料性質(zhì)及兩端的溫度有關(guān)。導(dǎo)體A和B組成的熱電偶閉合電路在兩個接點處有兩個接觸電勢eA/T)與eA&TO)，又因為T>TO,在導(dǎo)體A和B中還各有一個溫差電勢。 所以閉合回路總熱電動勢 Hb(T,T0)應(yīng)為接 觸電動勢和溫差電勢的代數(shù)和，即：E血(丁血)

12、=加-(力-巾曲2 熱電偶基本定律(1) 中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。(2) 中間溫度定律在熱電偶測溫回路中，t c為熱電極上某一點的溫度，熱電偶 AB在接點溫度為t、t 0時 的熱電勢eAE(t, t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、0時的熱電勢eAB(t, t c)和eA/tc, t0)的代數(shù)和，即eAB( t,t 0)= eAB( t,t c)+ eAE( tc, t 0)(3) 參考電極定律3. 熱電偶的材料與結(jié)構(gòu)(1) 熱電偶的材料。鉑銠10-鉑(分度號為S)、鉑銠13-鉑(R)、鉑銠3

13、0-鉑銠6(B)、鎳鉻-鎳硅(K)、鎳鉻- 康銅(E)、鐵-康銅(J)、銅-康銅(T)和鎳鉻硅-鎳硅(N)。(2) 熱電偶的結(jié)構(gòu)普通型熱電偶：主要用于測量氣體、蒸氣和液體等介質(zhì)的溫度。鎧裝熱電偶：由金屬保護套管、絕緣材料和熱電極三者組合成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電 偶。薄膜熱電偶：用真空蒸鍍的方法，把熱電極材料蒸鍍在絕緣基板上而制成。測量端既小又薄，厚度約為幾個微米左右，熱容量小，響應(yīng)速度快，便于敷貼。3.6.2 熱電阻式傳感器1熱電阻優(yōu)點： 1、測量精度高 2 、有較大的測量范圍，尤其在低溫方面 3 、易于使用在自動測 量和遠距離測量中 4 、與熱電偶相比，沒有參比端誤差問題作為熱阻材料的特點：1、 高且穩(wěn)定的溫度系數(shù)和大的電阻率，以便提高靈敏度和保證測量精度2、良好的輸出特性，3、在使用范圍內(nèi)，其化學(xué)物理性能應(yīng)保持穩(wěn)定4、良好的工藝性，以便批量生產(chǎn)降低成本 熱電阻按感溫元件的材質(zhì)分金屬與半導(dǎo)體兩類。金屬導(dǎo)體有鉑、銅、鎳、 銠鐵及鉑鈷合 金等，在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的有鉑、銅兩種熱電阻；半導(dǎo)體有鍺、碳和熱敏電阻等。按準(zhǔn) 確度等級分為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計和工業(yè)熱電阻。按結(jié)構(gòu)分為薄膜型和鎧裝型等。（1） 鉑熱電阻鉑的物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定， 并有良好的工藝性。 以鉑作為感溫元件具有示值穩(wěn)定， 測 量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，其使用范圍是200C 850C。除作為溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛用于高精度