第四章 常用传感器.

第四章常用传感器原理及应用传感器是将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。通常将传感器看作是一个把被测非电量转换为电量的装置。传感器位于测控系统的首端，是获取准确可靠信息的关键装置。传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。ΩV常用传感器的分类机械量:长度、厚度、位移、速度、加速度、转数、质量，重量、力、压力、力矩；声:声压、噪声；磁:磁通、磁场；温度:温度、热量、比热；光：亮度、色彩。1.按被测物理量分类机械式，电气式，光学式，流体式等。2.按工作的物理基础分类:3.按信号变换特征分：物性型传感器：依靠敏感元件本身物理化学性质的变化，实现信号的变换的。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器结构型传感器：依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换的。力传感器4.按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。例如：热电偶温度计，压电式加速度计。能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。例如：电阻应变片。测量对象传感器辅助能源输入输入能量控制型传感器的工作方式还有一种传感器信号（辅助能源产生）激励被测对象，传感器获取的信号是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。不同的情况下，传感器的换能元件可能有一个或两个以上。位移电容变化的能量型传感器电容变化电容式位移传感器如超声波探伤仪、γ射线测厚仪、X射线衍射仪等。质量加速度力发生器电流—力变换器电容型司服式加速度计框图弹簧片位移电容变化的能量型传感器电容电容式压力传感器压力弹性件力电容传感器电路位移电容电流输出第一节电阻应变式传感器电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。任何非电量，只要能设法转换为应变，都可以利用电阻应变片进行测量。因此，电阻应变式传感器可以用来测量应变、力、扭矩、位移、加速度等多种参数，而且具有灵敏度高、测量精确、动态响应快、技术成熟等特点，在各行业获得了广泛应用。电阻应变片可分为金属电阻应变片与半导体应变片两类。（1）金属电阻应变片常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。丝式应变片的主要结构是由做成栅状的电阻丝（敏感栅）、绝缘基片和覆盖层三部分组成。箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003—0.01mm之间，可根据需要制成任意形状。它的线条均匀、尺寸准确、散热好、易粘贴、适于大批量生产，已逐渐取代丝式应变片。金属电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应。即当金属丝在外力作用下产生机械变形时，电阻值发生变化。把应变片粘贴在弹性敏感元件或需要测量变形的试件表面上。受到外力作用，电阻丝随着一起变形，引起电阻值发生变化。这样，将被测量转换为电阻变化。工作原理:上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,对上式求导数,可得金属应变片的电阻R为ALR/dALdAALdLAdR2代入得ALR/dRAdARLdLRdR金属丝：2rAdrdrldlRdR2rdrdA2纵向应变;ldl泊桑比径向应变;ldlrdrEd有关。与电阻丝轴向所受应力dE)21(ERdR2E为弹性模量。为正应力、为压阻系数、其中，是由电阻丝几何尺寸的改变引起的;)21（E是由电阻率随应变的改变引起的。1E对于金属电阻丝KRdR)21(灵敏度为21RdRSg应变计金属应变计二、半导体应变计工作原理基于半导体材料的压阻效应。压阻效应：指单晶体半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化。KERdRERdR)21(E)21(因为半导体的ERdRSg半导体应变片的灵敏度为除上面介绍的体型半导体应变片外，还有薄膜型半导体应变片和扩散型半导体应变片。薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体村料沉积在带有绝缘层的基底上制成的。扩散型半导体应变片是在半导体基片上用集成电路工艺制成扩散电阻（P型或N型）构成的。2）将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的传感器。为了保证测量的精确度，一般要采取温度补偿措施，以消除温度变化所造成的误差。1）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力分布或所产生的应变，为结构设什、应力校核或分析结构在使用中产生破坏的原因等提供试验数据。三、电阻应变片的应用电阻应变片主要有以下两种应用方式：四、转换电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化dR/R，通常还需要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。一般采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。电桥电路在第五章作介绍。第二节电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。电感式传感器的种类较多，主要有自感式、差动变压器式和电涡流式。电感式传感器有以下优点：灵敏度高（能测01μm的位移）、线性较好（非线性误差0.1％）、输出功率大等。其主要缺点是频率响应较低，另外传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围越大，分辨率越低。一、自感式传感器自感式传感器可分为变气隙式、变面积式和螺旋管式三类，其结构原理如图4-4所示。1.变气隙式变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上，衔铁和铁心间有一气隙δ。根据磁路的基本知识，线圈自感量L为mRNL2式中N—线圈匝数；mR—磁路总磁阻假设气隙磁场是均匀的，而且不考虑磁路的铁损，则总磁阻为mR111Al222Al002A、、21ll—铁心、衔铁、气隙的导磁长度；021、、—铁心、衔铁、气隙的导磁率；021AAA、、—铁心、衔铁、气隙的横截面积。式中：mR111Al222Al002A002221112AAlAl铁心磁阻与气隙磁阻相比要小得多，即2δAμN002L故002AmR上式表明，自感L与气隙距离δ成反比，而与气隙截面积A0成正比。若固定截面积A0，变化气隙长度δ时，L与δ呈非线性关系，当气隙长度有一微小变化量dδ时，引起自感量的变化量dL为dANdL2002故传感器的灵敏度为2002ANKK与气隙距离的平方成反比，δ愈小，灵敏度愈高。为了减少非线性误差，此传感器适用于较小位移的测量。2.变面积式如果固定气隙长度δ而改变气隙截面积A0就构成了变面积式。这种类型的传感器的灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏度为一常数，因而线性度较好，量程范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便。3.螺管式螺管圈内插入一个活动的柱型衔铁，就构成了螺管式自感传感器。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈磁路中磁阻变化，从而使线圈的自感发生变化。这类型的传感器的灵敏度更低，但测量范围大，线性也较好，具备自由行程任意安排，装配方便等优点。上述三种类型的自感式传感器在使用时一般由两单一结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结构，除了可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。自感式传感器主要利用交流电桥电路把电感变化转换成电压（或电流）变化，再送入下一级电路进行放大或处理。二、差动变压器式传感器差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数M的变化。传感器本身是互感系数可变的变压器，接线方式是差动的。因为它是基于互感变化的原理，故也称为互感式传感器。差动变压器以螺管型最为常用，由衔铁、螺管形线圈框架、一次绕组和二次绕组构成，一次绕组做激励用，两个参数完全相同的二次绕组反相串接成差动形式。（1）（3）（2）当一次绕组加上交流电压U1时，两个二次绕组分别产生感应电势e1和e2，输出电压U1＝e1-e2。当衔铁在中央位置时，e1=e2，输出电压为零。当衔铁偏离中央位置，输出电压正比于偏移量的大小。差动式传感器精度较高，可达0.5％，量程范围较大，可用于位移、液位、流量等的测量。三、电涡流式传感器金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，像水中的漩涡一样，故称为电涡流或涡流。图4-6是高频反射式电涡流传感器的工作原理图。将一个线圈置于金属板附近，距离为δ当线圈中通以高频交变电流i时，便在线圈周围产生交变磁通Φ。交变磁通通过金属板时，金属板上便产生电涡流i。该电涡流也将产生交变磁通Φ1，根据楞次定律，电涡流的交变磁场与线圈的磁场变化相反，Φ1总是抵抗Φ的变化。由于电涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗z发生变化。影响线圈阻抗z发生变化的因素，除了线圈与金属板的距离δ以外，还有金属板的电阻率ρ磁导率μ以及线圈激磁角频率ω等。若固定某些参数恒定不变，而只改变其中的一个参数，这样阻抗z就能成为这个参数的单值函数，如只变化δ可作位移、振动测量；如变化ρ或μ值，可作村质鉴别或探伤等。电涡流式传感器的线圈结构很简单，可以绕成一个扁平线圈，粘贴于框架上；也可以在框架上开一条槽，导线绕在槽内而形成一个线圈。图4—7为CZF一回型传感器结构图，它是采用导线绕在框架上的形式，框架材料是聚四氟乙烯。电涡流传感器的变换电路主要有阻抗分压式调幅电路和调频电路。电涡流式传感器不但具有结构简单、使用方便、灵敏度高、不受油污介质影响等优点，而且可用于动态非接触测量。这种传感器在测量位移、振幅、材料厚度等参数方面应用较多。高速旋转机械中，在测量旋转轴的轴向位移和径向振动，以及连续监控等方面发挥了独特的优点。第三节电容式传感器电容式传感器是以可变参数的电容器作为传感元件，将被测非电量转换为电容量变化。由物理学可知，两平行极板组成的电容器（如图4—8所示），如果不考虑边缘效应，其电客量为AC),,(AfC式中：;极间介质相对介电常数）；极板间距离（m）。极板面积（2mA+++A实用的电容式传感器，常使三个参数中的两个保持不变，只改变其中的一个参数来使电客量发生变化。因此电容式传感器可以分为三种类型：极距变化型、面积变化型和介电常数变化型。1.极距变化型动极板在被测参量的作用下发生位移，改变了间隙δ的大小，在极板面积A和介质介电常数ε不变时，电容量C与极距δ的关系是反比例关系，呈非线性。传感器灵敏度为21AddCK由于极距不能取大，否则将降低灵敏度，而且为了减少非线性误差，通常在较小的间隙变化范围内工作。为了提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形式，灵敏度可提高一倍，而非线性也可大为降低。2.面积变化型在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位移型两种。图4-9a为直线位移型。当动极板沿x方向移动时，动、定极板覆盖面积发生变化，电容量也随之变化。bxC常数）(bdxdCKr式中，b为极板宽度。灵敏度为输出与输入成线性关系。2222rrA—为覆盖面积对应的中心角（弧度）图4-9b为角位移型；其电容量C所以电容量为22rC由于覆盖面积灵敏度：常数22rddCK面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位移的测量。3.介电常数变化型这种类型的传感器可以用来测量液体的液位和材料的厚度等。图4-10是液位测量示意图。由两个圆筒形金属导体构成的圆筒形电容器，当中间所充介质是空气时，两圆筒间的电容量为)/ln(21rRLC如果电极的一部分被非导电性液体所浸没时，则会有电容量的增量ΔC产生，)/ln()(212rRlC式中ε2—液体介电常数；l—液体侵没长度。电容增量ΔC与液体浸没的长度l成正比关系，因此测出电容增量的数值便可知道液位的高度。如果被测介质为导电性液体时，内电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质；