常用傳感器原理及應(yīng)用

關(guān)于常用傳感器原理及應(yīng)用4.1概述一、傳感器的定義傳感器（transducer/senor）是將被測(cè)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用的某種物理量的裝置。通常將傳感器看作是一個(gè)把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置。測(cè)力計(jì)壓力計(jì)溫度計(jì)第2頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、傳感器的組成傳感器通常由三部分組成：敏感元件：直接感受被測(cè)量,輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入,它把輸入轉(zhuǎn)換成電量參量。轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號(hào)的電路。第3頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、傳感器的類型1、按被測(cè)對(duì)象分：位移傳感器、壓力傳感器和壓力傳感器等；2、按工作原理分：電阻應(yīng)變式、電感式、電容式和壓電式等；3、按被測(cè)量的轉(zhuǎn)換特征分：結(jié)構(gòu)型和物性型。結(jié)構(gòu)型傳感器：是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的。例如，電容式傳感器依靠極板間距離變化引起電容量變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感變化等。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。例如利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象制成水銀溫度計(jì)來(lái)測(cè)溫；利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成壓電測(cè)力計(jì)等。4、按照能量的傳遞方式分：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。

能量控制型傳感器是從外部供給輔助能量使其工作的，并由被測(cè)量來(lái)控制外部供給能量的變化；能量轉(zhuǎn)換型傳感器是直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等。第4頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.2電阻應(yīng)變式傳感器一、電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。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。應(yīng)用范圍：可測(cè)量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。

1、金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)工作的。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)。第5頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理電阻絲應(yīng)變片是用直徑為0.025mm具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基底上。電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護(hù)作用的覆蓋層。第6頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天原理公式：K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。通常K0=1.7～3.6

大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與其所受的軸向應(yīng)變是成正比的。應(yīng)用：將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(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，其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可測(cè)量應(yīng)變。第7頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天1）將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用形狀不同的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測(cè)部位，可測(cè)得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等。第8頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天2）應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來(lái)測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測(cè)量成正比的應(yīng)變，再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂梁隨之產(chǎn)生于位移相等的撓度，因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。將應(yīng)變片接入橋路，輸出與位移成正比的電壓信號(hào)。

測(cè)量時(shí)，基座固定在振動(dòng)體上。振動(dòng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲變形。梁的應(yīng)變?cè)谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)與振動(dòng)體的加速度成正比。

第9頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、半導(dǎo)體應(yīng)變片

1）壓阻效應(yīng):半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。對(duì)于半導(dǎo)體硅，πL=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011N/m2，則k0=πLE＝50～100。半導(dǎo)體電阻材料的靈敏系數(shù)比金屬絲的要高50～70倍。第10頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天2）壓阻式傳感器的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):

靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大可直接用于測(cè)量；

分辨率高，例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出10～20Pa的微壓；測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高；可測(cè)量低頻加速度和直線加速度。缺點(diǎn)：溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。第11頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.3電感式傳感器電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。它是把被測(cè)量如位移等，轉(zhuǎn)換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(dòng)變壓器式）兩種。一、自感式傳感器（可變磁阻式傳感器）可變磁阻式傳感器自感

自感L與氣隙δ成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積S0成正比。μ0—空氣導(dǎo)磁率；W—線圈匝數(shù)第12頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、變氣隙式L與δ呈非線性（雙曲線）關(guān)系。傳感器的靈敏度為

靈敏度S與氣隙長(zhǎng)度δ的平方成反比，δ愈小，靈敏度S愈高。這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為0.001～1mm。第13頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、變面積式自感L與S0

呈線性關(guān)系，這種傳感器靈敏度較低。第14頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、螺管式單螺管線圈型，當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米)測(cè)量。

第15頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天雙螺管線圈差動(dòng)型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測(cè)微計(jì)上，其測(cè)量范圍為0～300μm，最小分辨力為0.5μm。線圈電感L1、L2隨鐵芯位移而變化.測(cè)量精度高，量程較大。二、差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）第16頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、電渦流式傳感器高頻（數(shù)MHz以上）激勵(lì)電流i施加于鄰近金屬板一側(cè)的線圈，由線圈產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用于金屬板的表面。在金屬板表面薄層內(nèi)產(chǎn)生渦流i，渦流i又產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)，反作用于線圈上，由此引起線圈自感L或線圈阻抗z的變化。L的變化程度取決于線圈至金屬板之間的距離δ、金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及激勵(lì)電流i的幅值與角頻率ω等。當(dāng)被測(cè)位移量發(fā)生變化時(shí)，使線圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致線圈阻抗z的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出。高頻反射式渦流式傳感器常用于位移測(cè)量。第17頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天

低頻透射式渦流傳感器多用于測(cè)定材料厚度。發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別放在被測(cè)材料G的上下，低頻(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，并在被測(cè)材料G中產(chǎn)生渦流i，此渦流損耗了部分能量，使貫穿ω2的磁力線減少，從而使ω2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e2減小。e2的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)與理論證明，e2隨材料厚度h增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小。因而按e2的變化便可測(cè)得材料的厚度。第18頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天第19頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.4電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。

一、電容式傳感器的工作原理和類型上式表明，當(dāng)被測(cè)量δ、A或ε發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過(guò)配套的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。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。第20頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天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及極間介質(zhì)不變，則電容量與極距δ呈非線性關(guān)系。當(dāng)兩極板在被測(cè)參數(shù)作用下發(fā)生位移，引起電容量的變化為

靈敏度第21頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天靈敏度K與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。一般通過(guò)減小初始極距來(lái)提高靈敏度。由于電容量C與極距δ呈非線性關(guān)系，故這將引起非線性誤差。實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對(duì)測(cè)量精度的影響，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。第22頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.面積變化型電容式傳感器

面積變化型電容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，常用的有角位移型和線位移型兩種。由于平板型傳感器的可動(dòng)極板稍有極距方向移動(dòng)會(huì)影響測(cè)量精度。

第23頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天上述可知，面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于較大角位移及直線位移的測(cè)量。第24頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.介電常數(shù)變化型電容傳感器

大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，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、容量等。變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理δ、h、ε0—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)；δx、hx、ε—被測(cè)物的厚度、被測(cè)液面高度和它的介電常數(shù)；l、b、ax—固定極板長(zhǎng)、寬及被測(cè)物進(jìn)入兩極板中的長(zhǎng)度（被測(cè)值）；r1、r2—內(nèi)、外極筒的工作半徑。

第25頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天電容傳感器特點(diǎn)與應(yīng)用主要優(yōu)點(diǎn):(1)輸人能量小而靈敏度高。

(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。主要缺點(diǎn):非線性大。第26頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天應(yīng)用（1）電容式測(cè)厚儀:

測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中厚度C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容，其總電容為C=C1+C2。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化。通過(guò)檢測(cè)電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。第27頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）電容式轉(zhuǎn)速傳感器

當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為z,頻率為f,則轉(zhuǎn)速為:第28頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.5壓電式傳感器壓電式傳感器是以某些材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力的作用下，這些材料的表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。一、壓電效應(yīng)與壓電材料

1、壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)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)。

如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。第29頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。常用的壓電材料有：壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為壓電陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯(PVDF)作為一種新型的高分子物性型傳感材料得到廣泛的應(yīng)用。（新型材料）第30頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、等效電路

壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器C0并聯(lián)的等效電路。也可等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器C0串聯(lián)的等效電路。由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小的程度；而在作動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，電荷可以不斷補(bǔ)充，從而供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電式傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。

第31頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式

在實(shí)際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產(chǎn)生