第4章 传感器的基本类型及其工作原理

热能与动力工程测试技术第四章传感器的基本类型及其工作原理第一节概述机械测量法------电测法（非电量的电测技术）非电量的电测技术：首先通过传感器将非电量转换为电量，然后进行电量的转换、显示和记录。组成：传感器、信号调节电路、记录和显示装置优点：易于实现集中检测、控制和远距离测量响应速度快便于实现连续测量、自动记录、自动控制准确度和灵敏度高，可放大与计算机连接，记录、处理数据方便重要元件：传感器定性人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。定量传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。人与机器的机能对应关系图外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器传感器的定义（Sensor）能够感受规定的被测量并按一定规律和精度转换成可用输出信号的器件或装置.（GB7665-87）它是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。输入量是物理量、化学量和生物量。输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理及显示）输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。传感器的分类（1）按被测物理量分类：压力传感器、温度传感器、速度传感器；（2）按测量原理分类：电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电式传感器；（3）按输出信号的性质分类：数字式传感器、模拟式传感器。本节需要掌握的知识点：1、什么是非电量的电测技术？2、什么是传感器？3、传感器的作用是什么？如何分类？第二节电阻式传感器电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。一、金属应变式传感器目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器，应变式传感器有下列优点：1.精确度，线性度好，灵敏度高2.滞后和蠕变都较小，寿命高3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测4.结构较简单，体积较小应用灵活5.工作稳定和保养方便应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。1、工作原理（一）金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。取一根长度为L，截面积为A，电阻率为的金属丝，未受力时其电阻R为AlρR当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示kεlΔlkRΔRεlΔl电阻应变片测量应变的理论基础ΔRΔlF2、应变片的结构（1）敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。（2）基底绝缘及传递应变。测量是应变片的基底提高粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。（3）粘结剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。（4）覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。（5）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。3、应变片的温度补偿(一)温度误差：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。①电阻应变片与被测构件一起变形②电阻应变片处于自由状态ΔtlαΔlnlgglgα构件材料的线胀系数ΔtlαΔlnlnnlgα电阻应变片材料的线胀系数第一种误差原因：温度变化引起的应变片的附加变形导致电阻变化。ΔtlαΔlnlggΔtlαΔlnlnnlnlgαα产生附加变形Δt)lα(αlΔnlnlgtlΔlRkΔR)αRk(αRΔlnlgttΔRΔlF第二种误差原因：电阻值本身存在一定的电阻温度系数，温度改变时，电阻也发生变化ΔtαRΔRt总的电阻误差)αRk(αRΔlnlgtt)αk(ααRΔ)αΔtRk(αΔtαRΔRlnlglnlgtt(二)温度补偿通常补偿温度误差的方法有自偿法和线路补偿法1．桥路补偿1b2aRRRR1bb2aaRRRRRR)()(2．应变片自补偿法(1)选择特定的应变片)αk(ααRΔ)αΔtRk(αΔtαRΔRlnlglnlgtt=0)αk(ααlnlg(2)采用双金属栅自补偿应变片应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。12()()ttRR③热敏电阻补偿法热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出电压。选则分流电阻的值可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。二、电位计式传感器原理：位移变换----电阻器滑臂位置----电阻变化本节需要掌握的知识点：1、什么是电阻式传感器？2、金属应变式传感器的工作原理是什么？可用来测量哪些物理量？3、电位计式传感器可用来测量哪些物理量？第三节电感式传感器电感是导线内通过交流电流时，在导线的内部及其周围产生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器。我们先来看一个例子，来体会一下将非电量转化为电感值的变化。被测量转化为自感量电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。自感与互感自感当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势（电动势用以表示有源元件理想电源的端电压），这就是自感。互感两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度。一、自感式电感传感器1、工作原理变磁阻式传感器的结构如图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或钋镆合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为δ,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度δ发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。1、线圈2、铁心3、衔铁变气隙式变截面式螺管式式中:Rm——磁路总磁阻。对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为式中:μi——各段导磁体的导磁率;lI——各段导磁体的长度;Ai——各段导磁体的截面积;μ0——真空导磁率;A——气隙截面积;δ——气隙的厚度。根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:m2RNLAμ2δAμlR0iimi2δAμNRNL02m2上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变或A0均可导致电感变化,因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积Ｓ0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。上式表明，自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积S0成正比。此时，传感器的灵敏度为：2δAμNRNL02m22022δAμNdδdLS2、输出特性设电感传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ,可知L与δ之间是非线性关系,特性曲线如图,初始电感量为二、差动式电感传感器（互感式电感传感器）把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组都用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样。非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1～100mm范围内的机械位移,并具有测量精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优点。本节需要掌握的知识点：1、什么是电感式传感器？2、自感式电感传感器的组成？有哪几种？第四节电容式传感器电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或和被测物）就是一个可变电容器。我们先来看一个例子，来体会一下将非电量转化为电容值的变化。实例一：指纹识别传感器图为IBMThinkpadT42/T43的指纹识别传感器指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面。当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。下图为指纹经过处理后的成像图：优点：体积小、成本低、成像精度高、耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。电容式传感器的工作原理和结构由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为dεAc式中:ε——电容极板间介质的介电常数,ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数;A——两平行板所覆盖的面积;d——两平行板之间的距离。图4-1平板电容器S当被测参数变化使得式中的A、d或ε发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。因此,电容式传感器可分为变极板间隙型、变面积型和变介电常数型三种类型。一、变极板间隙型电容传感器当传感器的εr和A为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为000dAcr若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd,电容量增大ΔC,则有ddddCdddCC100可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是双曲线关系。此时ΔC与Δd近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时,才有近似的线性输出。二、变面积型电容式传感器改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有线位移型和角位移型两种。线位移型电容式传感器主要分为：平面线位移型和圆柱线位移型两种。图示为平面线位移型图示为圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化，其电容为：)/ln(212rrxCx——外圆筒与内圆筒覆盖部分长度；r1、r2——外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径其灵敏度为：常数)/ln(2120rrdxdC图为典型的角位移型电容式传感器，当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。三、变介电常数型电容式传感器1.图示为一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。dDhcln)(210式中：ε——空气介电常数;C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,C0=由式可见,此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。dDHln2设被测介质的介电常数为ε1,液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,则此时变换器电容值为dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21图示为一种常用的测量厚度结构。Sxdccc10101021)(111产品陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。压力变送器料位计本节需要掌握的知识点：1、什么是电容式传感器？2、电容式传感器有哪几种类型？第五节压电式传感器压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时,其表面