常用傳感器與敏感元件

常用傳感器與敏感元件趙汗青機電教研室學習重點1）獲取被測量的基本方法，傳感器的分類及依據(jù)的原理；2）參量型（電阻、電容、電感）傳感器的作用原理、測量電路和典型應用；3）傳感器的選用原則可轉(zhuǎn)換的信號機械信號電信號輻射信號（光波超聲波紅外波）流體信號傳感器的作用傳感器：工程測量中通常把直接作用于被測量，并能按一定方式將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。按被測物理量按工作原理機械式電子式光學式流體式按能量變換關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型能量控制型物性型結(jié)構(gòu)型集成化傳感器多環(huán)節(jié)集成多參量集成模擬式數(shù)字式按信號變換特征按輸出信號分位移傳感器力傳感器溫度傳感器等3.傳感器的性能要求1）足夠的容量2）匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高3）精度適當，穩(wěn)定性高4）反應速度快，工作可靠性高5）適應性和適用性強一、電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器按工作的原理可分為:熱敏式電阻應變式變阻器式光敏式電敏式3.2電阻式傳感器二、變阻器式傳感器

直線位移型：

R=ktx

kt為單位長度中的電阻。

其靈敏度：角位移型 靈敏度：

α－觸點轉(zhuǎn)角(rad)；

kr－單位弧度對應的電阻值。變阻器式傳感器變阻器的分辨率

取決于電阻元件的結(jié)構(gòu)型式。為在小范圍空間中得到足夠高的電阻值，常采用線繞式電阻元件。當滑臂觸點從一圈導線移動至下一圈時，電阻值的變化是臺階形的，由此則限制了器件的分辨率。實際中能做到繞線間的密度為25圈/mm，對直線移動式裝置來說，分辨率最小為40μm，而對一個單線圈5cm直徑的轉(zhuǎn)動式電位計來說，其最好的角分辨率為約0.1o。為改善分辨率，也可采用碳膜或?qū)щ娝芰想娮柙?/p>

電阻應變式傳感器--應變片金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻式傳感器1)工作原理金屬應變片的電阻R為電阻式傳感器(1)

金屬應變片（不變）金屬應變計(2)半導體應變片（變化）半導體應變計電阻式傳感器2)金屬應變計金屬應變計有:絲式和箔式優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點:靈敏度系數(shù)小.應變計電阻式傳感器3)半導體應變計優(yōu)點：應變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應變電阻的元件.缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。應變計電阻式傳感器體型薄膜型擴散型

案例：4)應用電阻式傳感器案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。德國HBM電阻應變式傳感器電阻式傳感器2.金屬應變片的主要參數(shù)：①

基長l：又稱標距，即敏感柵的縱向長度。②

基寬b：敏感柵的橫向?qū)挾取＂?/p>

電阻值R：指應變片未經(jīng)安裝也不受外力情況下于室溫時所測定的電阻值。有60Ω，120Ω，200Ω，350Ω，1000?幾種規(guī)格，最常用的為120Ω。④

靈敏度S：即單位應變引起的電阻相對變化，是應變片的重要技術(shù)參數(shù)，通常S=2。⑤允許電流：允許通過應變片的最大工作電流。三、應變片的粘貼常用的粘接劑：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等；高溫下：專用陶瓷粉末等無機粘接劑。對粘接劑的要求：保證粘接面有足夠的強度、絕緣性能、抗蠕變、以及溫度變化范圍等。使用粘接方法的溫度范圍：-249℃～816℃對超高溫度來說，常要采用焊接技術(shù)來進行連接。四、應變片的應用

結(jié)構(gòu)的應力和應變分析；用于制成力、位移、壓力、力矩和加速度等測量傳感器。圖4.10粘貼應變計的力和力矩傳感器（a）拉力桿（b）壓力桿（c）彎曲懸臂（d）扭矩軸3.3電容式傳感器

1.變換原理:

將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++A

當被測量δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。第三章常用傳感器2分類

a)極距變化型;+++c)介質(zhì)變化型電容式傳感器

b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.一、間隙變化型

這種類型的傳感器常常固定一塊極板（圖中極板2）而使另一塊極板移動（圖中極板1），從而來改變間隙δ以引起電容的變化。設(shè)間隙有一改變量Δδ， 將上式按泰勒級數(shù)展開為：(4.38)(4.39)變間隙式電容傳感器

當Δδ為小值時，當Δδ/δ=0.1時，可得電容變化量 電容傳感器的靈敏度 實際應用中為提高傳感器的靈敏度，常采用差動式結(jié)構(gòu)。 由此可得靈敏度二、面積變化型

采用改變電容器極板面積是另一種獲取電容傳感器輸出變化的方法。

面積變化型電容傳感器

圖中(b)為通過線性位移改變電容器極板面積的型式。當動電極在x方向有位移Δx時，極板面積的改變量將是 電容的改變量將是 其靈敏度 可見該靈敏度為一常數(shù)，因此輸入、輸出關(guān)系為線性。

圖中(a)為轉(zhuǎn)角型結(jié)構(gòu)，當改變兩極板間的相對轉(zhuǎn)角時，兩極板的相對公共面積發(fā)生變化。由圖可知，該公共覆蓋面積

α-公共覆蓋面積對應的中心角；

r-半圓形極板半徑。 因此當有轉(zhuǎn)角變化Δα時，電容量改變 同樣得這種情況下電容器的靈敏度該靈敏度為一常數(shù)，輸入與輸出仍為線性關(guān)系。

圖中（c）為圓柱體線位移型結(jié)構(gòu)，其中圓周為固定，圓柱在其中移動。利用高斯積分可得該電容器的電容量 式中

D－圓周內(nèi)徑；

d－圓柱外徑。 兩者覆蓋長度x的變化為Δx時，電容變化量 其靈敏度也可將變面積型傳感器做成差動型的。中間電極移動式電容傳感器（a）板式（b）柱式（c）柱式差動型三、介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型傳感器的分類極板上覆蓋有介質(zhì)；介質(zhì)可移動。圖4.47介質(zhì)變化型傳感器（a）極板上覆蓋有介質(zhì)（b）介質(zhì)可移動極板上覆蓋有介質(zhì) 如圖所示，該電容器具有兩不同的電介質(zhì)，其介電常數(shù)分別為εr1和εr2，其介質(zhì)厚度分別為a1和a2，且a1+a2=a0。整個裝置可視為由兩電容器串聯(lián)而成，其總電容量C由兩電容器的電容C1和C2所確定，由此得(4.53)極板上覆蓋有介質(zhì)(4.54) 為分析簡單起見，設(shè)介質(zhì)1為空氣，即εr1=1，則(4.54)式變?yōu)椋?4.55)

此方法可用來對不同材料如紙、塑料膜、合成纖維等的厚度進行測定。

介質(zhì)可移動 這種結(jié)構(gòu)相當于將兩電容器作并聯(lián)。此時的總電容由兩部分組成：電容C1(介電常數(shù)εr1，極板面積b0(l0-l))和電容C2(介電常數(shù)εr2，極板面積b0l)。由此得： 設(shè)介質(zhì)1為空氣，因此εr1

=1，又設(shè)介質(zhì)全部為空氣的電容器的電容為C0，則C0=ε0b0l0/a0。由于介質(zhì)2的插入所引起的電容C的相對變化ΔC/C0則正比于插入深度l：這一原理常用于對非導電液體和松散物料的液位或堆積高度的測量。(4.57)圖4.48測量非導電液或松散物料填充高度的電容傳感器

電容式傳感器所測出的電容及電容變化量均很小，因此必須后接適當?shù)姆糯箅娐穼⑺鼈冝D(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。運算放大器電路 將公式（4.37）代入上式可得

式中

ei——信號源電壓；

eo——運放輸出電壓；

co——固定電容；

cx——傳感器等效電容。運算放大器式電路輸出電壓eo與電容傳感器間隙δ成正比關(guān)系。

電橋測量電路 根據(jù)電橋平衡公式有：

其中實部有： 上式可通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R1來滿足，對虛部則有： 同樣可通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容器C1來實現(xiàn)。當電容傳感器C2有變化時，則電橋相應地有輸出。(4.60)(4.61)(4.62)(4.63)圖4.51文氏式電容測量電橋調(diào)頻電路 電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩器的諧振頻率f為： 式中L——振蕩回路電感。 當被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變化。其輸出經(jīng)限幅、鑒頻和放大后變成電壓輸出。(4.66)圖4.53調(diào)頻電路工作原理電容傳感器的最大缺點：易受連接電纜線形成的寄生電容的影響。消除寄生電容的方法：將后續(xù)電路的前級放置在緊靠電容傳感器的地方，以盡量減少電纜長度及位置變化帶來的影響。采用等電位傳輸（亦稱驅(qū)動電纜）技術(shù)。圖4.54驅(qū)動電纜工作原理3應用1.震動，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動，位置，膨脹3.撓度，變形，波動，傾斜4.尺寸，公差，分選，零件識別5.沖擊，應變，軸向振動6.軸承振動，油膜間隙，磨擦，偏心電容式傳感器

3.4電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型第三章常用傳感器1自感型--可變磁阻式a)變間隙型原理:電磁感應電感式傳感器b)變面積型c）螺線管型電感式傳感器d)差動型電感式傳感器2渦流式原理:渦流效應原線圈的等效阻抗Z變化：電感式傳感器a)高頻反射式：（集膚效應）電感式傳感器b)低頻透射式：（互感原理）應用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;

壓力,流量,液位;張力,重力,負荷量;扭矩,

應力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.案例：板的厚度測量

~案例：張力測量電感式傳感器案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測電感式傳感器案例：測厚案例：零件計數(shù)電感式傳感器3變壓器式--差動變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.電感式傳感器3.7傳感器選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、線性范圍、響應特性、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。

1、靈敏度一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。

a)靈敏度過高引起的干擾問題；

b)量程范圍。

c)交叉靈敏度問題。第三章常用傳感器3響應特性傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。實際上傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。2線性范圍任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線