各種自動(dòng)化傳感器的使用

第三章傳感器§3-1傳感器的概念§3-2電阻式傳感器§3-3電容式傳感器§3-4電感式傳感器§3-6壓電式傳感器第三章傳感器傳感器是人類(lèi)五官的延伸，又稱(chēng)之為電五官；傳感器技術(shù)通訊技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)

五官神經(jīng)大腦傳感器是獲取自然和消費(fèi)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段；現(xiàn)代工業(yè)消費(fèi)尤其是自動(dòng)化消費(fèi)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制消費(fèi)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)；信息技術(shù)三大支柱傳感器已浸透到諸如工業(yè)消費(fèi)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境維護(hù)、資源探測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物維護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以致各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化工程，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。傳感器是將感知到的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成易丈量的信號(hào)，把相應(yīng)的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。§3-1傳感器的定義一、傳感器的定義〔Transducer/Sensor〕定義：將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的，易于丈量，傳輸和處置的信號(hào)的安裝。GB7665一87：可以感受規(guī)定的被丈量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或安裝。傳感器功用：感知被測(cè)信息，并傳送給檢測(cè)安裝傳感器及傳感技術(shù)可從以下幾個(gè)方面了解：①傳感器是丈量器件或安裝，能完成檢測(cè)義務(wù)；②輸入量為位移、壓力、溫度、分量等被丈量，是非電量；③輸出量通常為易于傳輸、轉(zhuǎn)換、處置、顯示的電物理量〔如：電壓、電流、頻率、功率等〕，也可以是氣、光等物理量；④輸出、輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的準(zhǔn)確程度。1.傳感器在工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的運(yùn)用工業(yè)自動(dòng)化、全自動(dòng)、半自動(dòng)消費(fèi)線〔石油、化工、鋼鐵、鐵路、機(jī)械、電力〕自動(dòng)控制系統(tǒng)〔正確的信息檢測(cè)準(zhǔn)確的控制〕傳感器的運(yùn)用領(lǐng)域傳感器的運(yùn)用領(lǐng)域2.汽車(chē)與傳感器速度、里程、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量平安氣囊系統(tǒng)、防盜安裝、黑匣子發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力〔日本豐田汽車(chē)〕3.傳感器與家用電器電子爐灶、洗碗機(jī)、遙控電視、錄像機(jī)、電飯煲微波爐〔松下電器采用濕度傳感器〕電冰箱〔溫控器—>控制緊縮機(jī)的開(kāi)關(guān)〕家庭自動(dòng)化〔平安監(jiān)視與報(bào)警、空調(diào)與照明控制、家務(wù)勞動(dòng)自動(dòng)化、人身安康管理〕傳感器的運(yùn)用領(lǐng)域4.傳感器在機(jī)器人上的運(yùn)用傳統(tǒng)機(jī)器人〔臂的位置和角度傳感器〕智能機(jī)器人〔觸覺(jué)、壓覺(jué)、分量、視覺(jué)等〕5.傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的運(yùn)用運(yùn)用醫(yī)學(xué)傳感器〔B超儀、CT、核磁共振等〕醫(yī)療保健產(chǎn)品：電子血壓計(jì)、脈搏計(jì)、電子溫度計(jì)。傳感器的運(yùn)用領(lǐng)域6.傳感器與環(huán)境維護(hù)大氣污染指數(shù)、水質(zhì)污染、環(huán)境噪聲等各種環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器7.傳感器與航空航天飛機(jī)的自動(dòng)駕駛〔飛行姿態(tài)、間隔、航線〕惡劣環(huán)境的“盲目〞著陸空—空導(dǎo)彈的自動(dòng)跟蹤傳感器的運(yùn)用領(lǐng)域8.傳感器與遙感技術(shù)遙感技術(shù)：從飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、船舶上對(duì)遠(yuǎn)間隔的寬廣區(qū)域的被測(cè)物體及其形狀進(jìn)展大規(guī)模探測(cè)的一門(mén)技術(shù)。探測(cè)礦藏：人造衛(wèi)星上的紅外傳感器紅外線的量經(jīng)過(guò)微波地面站計(jì)算機(jī)分析處置傳感器的運(yùn)用領(lǐng)域傳感器市場(chǎng)構(gòu)造從市場(chǎng)來(lái)看,力、壓力、加速度、物位、溫度、濕度、水分等傳感器將堅(jiān)持較大的需求量。二、傳感器的組成二、傳感器的組成普通的，傳感器由敏感元件、二次變換部分、輔助部分組成。傳感器的組成敏感元件〔預(yù)變換器〕:它是直接感受被丈量，并輸出與被丈量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。二次變換部分：敏感元件的輸出是轉(zhuǎn)換元件的輸入，主要作用將輸入轉(zhuǎn)換成電參數(shù)。并非一切的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，如熱電偶！輔助部分：將轉(zhuǎn)換元件的輸出進(jìn)展放大、運(yùn)算、處置等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，便于運(yùn)用。傳感器的組成氣體壓力傳感器1-殼體2-膜盒3-電感線圈4-磁芯5-轉(zhuǎn)換電路壓力位移電感〔敏感元件〕〔轉(zhuǎn)換元件〕〔丈量電路〕傳感器的組成熱電偶?jí)弘娛郊铀俣葌鞲衅魅?、傳感器的分?lèi)傳感器是知識(shí)技術(shù)密集的行業(yè)，與許多學(xué)科有關(guān)，種類(lèi)繁多，分類(lèi)方法也很多。按任務(wù)機(jī)理：物理型、化學(xué)型、生物型；按構(gòu)成原理：構(gòu)外型、物性型；構(gòu)外型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律構(gòu)成的，包括動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律，電磁場(chǎng)的電磁定律等；這類(lèi)傳感器的特點(diǎn)是傳感器的任務(wù)原理是以傳感器中元件相對(duì)位置變化引起場(chǎng)的變化為根底，而不是以資料特性變化為根底。傳感器的分類(lèi)物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，如虎克定律、歐姆定律等。這種法那么，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)方式給出。這些常數(shù)的大小，決議了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感器的性能隨資料的不同而異。傳感器的分類(lèi)按能量轉(zhuǎn)換情況：能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型；能量控制型傳感器在信息變化過(guò)程中，其能量需求外電源供應(yīng)；(無(wú)源傳感器)能量轉(zhuǎn)換型傳感器主要由能量變換元件構(gòu)成，不需外加電源；(有源傳感器)傳感器的分類(lèi)按丈量原理分：電參量式傳感器(電阻式、電感式、電容式)磁電式傳感器(磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式)；壓電式傳感器；光電式傳感器；氣電式傳感器；熱電式傳感器；波式傳感器；射線式傳感器；半導(dǎo)體式傳感器；其他原理的傳感器。傳感器的分類(lèi)按傳感器用途分(輸入量)溫度傳感器濕度傳感器壓力傳感器位移傳感器轉(zhuǎn)速傳感器流量傳感器火災(zāi)傳感器傳感器的分類(lèi)按傳感器輸出信號(hào)方式可分為：模擬傳感器和數(shù)字傳感器。按輸入量分類(lèi)優(yōu)點(diǎn)：比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于運(yùn)用者根據(jù)用途選用。缺陷：沒(méi)有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差別，不便于運(yùn)用者比較各種傳感器的原理異同點(diǎn)。傳感器的分類(lèi)按原理分類(lèi)：優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)傳感器的任務(wù)原理比較清楚，類(lèi)別少，有利于傳感器專(zhuān)業(yè)任務(wù)者對(duì)傳感器的深化研討分析。缺陷：不便于運(yùn)用者根據(jù)用途選用。四、傳感器的命名法由主題詞加四級(jí)修飾語(yǔ)構(gòu)成傳感器1、被丈量2、轉(zhuǎn)換原理3、特征描畫(huà)4、主要技術(shù)目的〔量程、靈敏度、準(zhǔn)確度等〕例：傳感器位移應(yīng)變式100㎜習(xí)慣上用反序法，也可用簡(jiǎn)稱(chēng)。五、對(duì)傳感器的性能要求可靠性：指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的運(yùn)用條件和期限內(nèi)堅(jiān)持其準(zhǔn)確計(jì)量性能的才干。選擇性：傳感器的輸出不受(少受)非被丈量〔干擾〕的影響。超然性：傳感器不影響被測(cè)系統(tǒng)原來(lái)形狀的才干。〔實(shí)踐有影響〕加速度傳感器§3-2電阻式傳感器受位移、壓力、光熱……的作用RR+△R電阻式傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將被測(cè)物體的變形轉(zhuǎn)換成電阻變化，在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出的傳感器。它可以丈量力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度、溫度等各種非電量。現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用于工程丈量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。一、導(dǎo)電資料的電阻效應(yīng)當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)活力械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種景象稱(chēng)為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一根長(zhǎng)度為l、截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲，其電阻R為

兩邊取對(duì)數(shù)，得等式兩邊取微分，l△l§3-2電阻式傳感器dR/R——電阻的相對(duì)變化；dρ/ρ——電阻率的相對(duì)變化；dl/l——金屬絲長(zhǎng)度相對(duì)變化，用ε表示，ε=dl/l,稱(chēng)為金屬絲長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變；dS/S——截面積的相對(duì)變化。S=πr2dS/S=2·dr/rdr/r為金屬絲半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變?yōu)棣舝。εr=–με由資料力學(xué)知：§3-2-1

導(dǎo)電資料的電阻效應(yīng)將微分dR、dρ改寫(xiě)成增量ΔR、Δρ，那么金屬絲電阻的相對(duì)變化與金屬絲的伸長(zhǎng)或縮短之間存在比例關(guān)系。比例系數(shù)KS稱(chēng)為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。變形變性§3-2-1

導(dǎo)電資料的電阻效應(yīng)物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。KS由兩部分組成：前一部分是〔1+2μ〕，由資料的幾何尺寸變化引起，普通金屬μ≈0.3，因此〔1+2μ〕≈1.6；后一部分為，電阻率隨應(yīng)變而引起的〔稱(chēng)“壓阻效應(yīng)〞〕。對(duì)金屬資料，以前者為主，那么KS≈1+2μ；對(duì)半導(dǎo)體，KS值主要由電阻率相對(duì)變化所決議。實(shí)驗(yàn)闡明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。通常KS在1.8～3.6范圍內(nèi)?！?-2-1

導(dǎo)電資料的電阻效應(yīng)§3-2-2電位計(jì)式傳感器二、電位計(jì)式傳感器電位計(jì)式傳感器也稱(chēng)為變阻器式傳感器，它經(jīng)過(guò)改動(dòng)電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。根據(jù)下式式中:ρ—電阻率；l—電阻絲長(zhǎng)度；A—電阻絲截面積。假設(shè)電阻絲直徑和材質(zhì)一定時(shí)，那么電阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而變化。式中電阻值的單位為Ω。常用電位計(jì)式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。§3-2-2電位計(jì)式傳感器直線位移型：當(dāng)被測(cè)位移變動(dòng)時(shí)，觸點(diǎn)c沿變阻器挪動(dòng)。假設(shè)挪動(dòng)x，那么c點(diǎn)與A點(diǎn)之間電阻值：R=kix傳感器靈敏度：S=dR/dx=ki式中k——單位長(zhǎng)度內(nèi)的電阻值。當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)，ki為一常數(shù)。這時(shí)傳感器的輸出(電阻)與輸入(位移)成線性關(guān)系?！?-2-2電位計(jì)式傳感器回轉(zhuǎn)型變阻器式傳感器，其電阻值隨轉(zhuǎn)角而變化。其靈敏度式中α—轉(zhuǎn)角[rad]kα—單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值?！?-2-2電位計(jì)式傳感器非線性變阻器式傳感器，或稱(chēng)為函數(shù)電位器。當(dāng)被丈量與電刷位移x之間具有某種函數(shù)關(guān)系時(shí)，經(jīng)過(guò)它可以獲得輸出電阻與輸入被丈量的線性關(guān)系。設(shè)r(x)為電位器恣意瞬時(shí)位置〔微小區(qū)間Δx〕內(nèi)的電阻，那么電阻位移為x時(shí)總電阻值為：假設(shè)被丈量為z(x)，它是位移x的函數(shù)，假設(shè)要得到線性輸出，應(yīng)滿(mǎn)足在知z(x)的情況下，可以求得r(x)和Rx,r(x)可以用來(lái)確定電位器的骨架外形?！?-2-2電位計(jì)式傳感器變阻器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，運(yùn)用方便。缺陷是分辨力不高，由于遭到電阻絲直徑的限制。提高分辨力需運(yùn)用更細(xì)的電阻絲，其繞制較困難。所以變阻器式傳感器的分辨力很難優(yōu)于20μm。由于構(gòu)造上的特點(diǎn)，這種傳感器還有較大的噪聲。電刷和電阻元件之間接觸面的變動(dòng)和磨損、塵埃附著等，都會(huì)使電刷在滑動(dòng)中的接觸電阻發(fā)生不規(guī)那么的變化，從而產(chǎn)生噪聲。變阻器式傳感器被用于線位移、角位移丈量，在丈量?jī)x器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計(jì)等?！?-2-2電位計(jì)式傳感器變阻器式傳感器產(chǎn)品3.2電阻式傳感器案例：分量的自動(dòng)檢測(cè)--配料設(shè)備比較分量設(shè)定原資料3.2電阻式傳感器原理：彈簧->力->位移->電位器->電阻案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)煤氣包鋼絲3.2電阻式傳感器原理：鋼絲->收線圈數(shù)->電位器->電阻案例：玩具機(jī)器人〔廣州中鳴數(shù)碼〕3.2電阻式傳感器原理：電機(jī)->轉(zhuǎn)角->電位器->電阻3.2電阻式傳感器案例：振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器適宜于金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、古建筑的防備，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。3.2電阻式傳感器三、電阻應(yīng)變片金屬應(yīng)變片式傳感器的中心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。金屬應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。§3-2

電阻式傳感器§3-2-3電阻應(yīng)變片1、絲式應(yīng)變片由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的資料將直接影呼應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)運(yùn)用條件和要求合理地加以選擇。2341bl柵長(zhǎng)柵寬電阻應(yīng)變片構(gòu)造表示圖〔1〕敏感柵由金屬細(xì)絲繞成柵形，直徑：〔0.015～0.05〕mm應(yīng)變片的阻值：60Ω、120Ω、200Ω等多種規(guī)格，以120Ω最為常用?！苍试S有一定的誤差，但不能太大，否那么影響平衡〕標(biāo)距=柵寬×柵長(zhǎng)=b×l較大的應(yīng)變片：5×100〔200〕mm較小的應(yīng)變片：1×1〔2〕mm等。構(gòu)造：回線式〔a〕和短接式〔b〕普通至少用兩個(gè)，一個(gè)做丈量，一個(gè)做溫度補(bǔ)償，或用四個(gè)，兩個(gè)做丈量，兩個(gè)做溫度補(bǔ)償?！?-2-3電阻應(yīng)變片對(duì)敏感柵的資料的要求：①應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)堅(jiān)持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；③電阻溫度系數(shù)要??；④抗氧化才干高，耐腐蝕性能強(qiáng)；⑤在任務(wù)溫度范圍內(nèi)能堅(jiān)持足夠的抗拉強(qiáng)度；⑥加工性能良好，易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對(duì)引線資料的熱電勢(shì)小。對(duì)應(yīng)變片要求必需根據(jù)實(shí)踐運(yùn)用情況，合理選擇。§3-2-3電阻應(yīng)變片〔2〕基底和蓋片基底用于堅(jiān)持敏感柵、引線的幾何外形和相對(duì)位置，蓋片既堅(jiān)持敏感柵和引線的外形和相對(duì)位置，還可維護(hù)敏感柵?；椎娜L(zhǎng)稱(chēng)為基底長(zhǎng)，其寬度稱(chēng)為基底寬?；踪Y料：膠基和紙基〔3〕引線是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線，直徑〔0.15～0.2〕mm。對(duì)引線資料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵資料都可制造引線。§3-2-3電阻應(yīng)變片〔4〕粘結(jié)劑用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一同。運(yùn)用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件外表某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的外表應(yīng)變傳送給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類(lèi)。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫暖中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂，聚酰亞胺等。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等?！?-2-3電阻應(yīng)變片2、箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片那么是用柵狀金屬箔片替代柵狀金屬絲。金屬箔柵系用光刻技術(shù)制造，適于大批量消費(fèi)。其線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。箔片厚約1—10μm，散熱好，粘結(jié)情況好，傳送試件應(yīng)變性能好。因此目前運(yùn)用的多系金屬箔式應(yīng)變片?！?-2-3電阻應(yīng)變片3、薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)開(kāi)展的產(chǎn)物，厚度在0.1μm以下。是采用真空蒸發(fā)法，將電阻資料蒸鍍?cè)诨咨现瞥擅舾袞哦鴺?gòu)成應(yīng)變片。靈敏度系數(shù)高，易于規(guī)模消費(fèi)，是一種很有出路的新型應(yīng)變片。用得較少，自學(xué)了解?！?-2-3電阻應(yīng)變片4、半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片最簡(jiǎn)單的典型構(gòu)造如下圖。半導(dǎo)體應(yīng)變片的運(yùn)用方法與金屬電阻應(yīng)變片一樣，即粘貼在彈性元件或被測(cè)物體上，其電阻值隨被測(cè)試件的應(yīng)變而變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片的任務(wù)原理是基于半導(dǎo)體資料的壓阻效應(yīng)?！?-2-3電阻應(yīng)變片所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體資料在沿某一軸向遭到外力作用時(shí)，其電阻率ρ發(fā)生變化的景象。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高；缺陷：穩(wěn)定性差，非線性嚴(yán)重。做一批應(yīng)變片，各不一樣；同一批應(yīng)變片在不同條件下，變化很大。§3-2-3電阻應(yīng)變片5、應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K：金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)——指應(yīng)變片安裝于試件外表，在其軸向方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件外表上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。Ks:金屬絲的靈敏度系數(shù)——金屬單絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之比。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻—應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻—應(yīng)變特性重新測(cè)定?！?-2-3電阻應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)闡明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?chǔ)旁诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。即：K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。留意，K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件資料的泊松比為0.285的鋼材時(shí)測(cè)得的。丈量結(jié)果闡明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。緣由：膠層傳送變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的要素。思索：K與KS大小的關(guān)系？§3-2-3電阻應(yīng)變片第三節(jié)電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。特點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，體積小，可實(shí)現(xiàn)非接觸式丈量，能在高溫、輻射和劇烈振動(dòng)等惡劣條件下任務(wù)。運(yùn)用：壓力、差壓、液位、振動(dòng)、位移、加速度、成分含量等多方面的丈量?！?-3電容式傳感器任務(wù)原理：電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的安裝。它本質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。從物理學(xué)可知，由兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量為：式中εr——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，在空氣中εr=1；εo——真空中介電常數(shù)，εo＝8.85×10-12F／m；d——極板間間隔；S——極板間相互覆蓋面積?！?-3電容式傳感器當(dāng)被丈量使d、S或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容C的變化。假設(shè)堅(jiān)持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改動(dòng)另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為電容量的變化。根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可分為極距變化型、面積變化型和介量變化型三類(lèi)。在實(shí)踐中，極距變化型與面積變化型的運(yùn)用較為廣泛?！?-3電容式傳感器類(lèi)型：(一)面積變化型在變換極板面積的電容傳感器中，普通常用的有角位移型和線位移型兩種?！?-3電容式傳感器角位移型：當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋面積就改動(dòng)，從而改動(dòng)電容的輸出。當(dāng)=0時(shí)，當(dāng)≠0時(shí)，傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系?！?-3電容式傳感器平面線位移型電容傳感器：當(dāng)動(dòng)板沿X方向挪動(dòng)時(shí)，覆蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之變化。其電容量C

式中b—極板寬度。靈敏度此傳感器的電容量C與程度位移x呈線性關(guān)系。§3-3電容式傳感器圓柱體線位移型電容傳感器。動(dòng)板(圓柱)與定板(圓柱)相互覆蓋，其電容量式中D——圓筒孔徑；d——圓柱外徑。當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度x變化時(shí)，電容量C發(fā)生變化，其靈敏度§3-3電容式傳感器

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。但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移的丈量?！?-3電容式傳感器(二)介量變化型這種傳感器大多用來(lái)丈量電介質(zhì)的厚度、位移、液位、液量。還可根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度的改動(dòng)而丈量溫度、濕度等。當(dāng)電極間存在導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)，電極的外表應(yīng)涂蓋絕緣層〔如0.1mm厚的聚四氟乙烯等〕，防止電極間短路。圖中是這種傳感器的典型實(shí)例?！?-3電容式傳感器電容式液位傳感器傳感器的電容量C與被測(cè)液位高度h呈線性關(guān)系。相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián)：=C0+Ah§3-3電容式傳感器另一種構(gòu)造：d0d1ε1ε0假設(shè)d0,d1知時(shí)，此構(gòu)造可用來(lái)測(cè)未知資料的介電常數(shù)假設(shè)ε1知時(shí)，此構(gòu)造可用來(lái)測(cè)某介電資料的厚度〔如紙張、塑料薄膜等〕§3-3電容式傳感器(三)極距變化型假設(shè)兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，那么電容量C與極距δ呈非線性關(guān)系。當(dāng)極距有一微小變化量dδ時(shí)，引起電容的變化量dC為由此可以得到傳感器靈敏度§3-3電容式傳感器可以看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距越小靈敏度越高。顯然，由于靈敏度隨極距而變化，這將引起線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)任務(wù)，以便獲得近似線性關(guān)系。普通取極距變化范圍約為Δd／d0≈0.1?！?-3電容式傳感器結(jié)論：當(dāng)d/d0<<1時(shí)，電容輸出可簡(jiǎn)化為：此時(shí)，C與d呈線性關(guān)系，同時(shí)，減小d0可提高傳感器的靈敏度。但d0過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。為提高傳感器的靈敏度，極板間可采用高介電常數(shù)的資料作介質(zhì)，如云母，塑料膜等。普通變極板間間隔電容式傳感器的起始電容在20～100pF之間，極板間間隔在20～200μm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10,在微位移的丈量中運(yùn)用廣泛。§3-3電容式傳感器將電容變化量按級(jí)數(shù)展開(kāi)，可得：忽略高次項(xiàng)，變極距型電容傳感器的靈敏度為：思索線性項(xiàng)與二次項(xiàng)：§3-3電容式傳感器傳感器的相對(duì)非線性誤差為：結(jié)論：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。在實(shí)踐運(yùn)用中，為了提高傳感器的靈敏度、線性度以及抑制某些外界條件(如電源電壓、環(huán)境溫度等)的變化對(duì)丈量準(zhǔn)確度的影響，經(jīng)常采用差動(dòng)式。為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式構(gòu)造。§3-3電容式傳感器差動(dòng)平板式電容傳感器構(gòu)造圖當(dāng)中間的動(dòng)極板上移d時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d,電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d,§3-3電容式傳感器按級(jí)數(shù)展開(kāi)，電容值的總變化量為：§3-3電容式傳感器相對(duì)變化量為：略去高次項(xiàng)，相對(duì)非線性誤差為：結(jié)論：電容傳感器做成差動(dòng)式后，靈敏度添加了一倍，而非線性誤差大大降低了?！?-3電容式傳感器差動(dòng)式電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)：1、提高了靈敏度2、降低了非線性誤差3、抑制了溫漂，降低了誤差§3-3電容式傳感器利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由丈量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，這種安裝稱(chēng)為電感式傳感器。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，任務(wù)可靠，丈量精度高，輸出功率大；能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)間隔傳輸。缺陷：靈敏度、線性度和丈量范圍相互制約；傳感器頻率呼應(yīng)低，不適宜快速動(dòng)態(tài)丈量?！?-4電感式傳感器第四節(jié)電感式傳感器§3-4電感式傳感器電渦流式按轉(zhuǎn)換原理分：自感式和互感式種類(lèi)差動(dòng)變壓器按構(gòu)造方式分：氣隙型和螺管型運(yùn)用：廣泛的用于位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等參量的丈量§3-4電感式傳感器一、自感式傳感器1、氣隙型電感傳感器任務(wù)原理組成：線圈1，銜鐵3和鐵芯2等。圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為lδ。0.5lδ123x(a)變隙式(b)變截面式傳感器中有一個(gè)氣隙lδ，它隨被測(cè)物體的位移而產(chǎn)生±lδ的變化，由于銜鐵與其同步挪動(dòng)，將引起磁路中氣隙磁阻發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感的變化。用于較小行程l1：鐵芯磁路總長(zhǎng)；μ1：鐵芯磁導(dǎo)率；l2：銜鐵的磁路長(zhǎng)；μ2：銜鐵磁導(dǎo)率；S：氣隙磁通截面積；μ0：真空磁導(dǎo)率，S1：鐵芯橫截面積；μ0=4π×10-7H／m；S2：銜鐵橫截面積；lδ：空氣隙總長(zhǎng)。由磁路根本知識(shí)知，線圈自感為:線圈匝數(shù)磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻)磁路總磁阻為:§3-4電感式傳感器磁阻是表示物質(zhì)對(duì)磁通量所呈現(xiàn)的阻力的一個(gè)物理量。§3-4電感式傳感器由于自感傳感器的鐵芯普通在非飽和形狀下，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，即μ1=μ2>>μ0所以上式可簡(jiǎn)化為可見(jiàn)，自感L是氣隙截面積和長(zhǎng)度的函數(shù)，即L＝f(S,lδ)，假設(shè)S堅(jiān)持不變，那么L為lδ的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感傳感器；假設(shè)堅(jiān)持lδ不變，使S隨位移變化，那么構(gòu)成變截面式自感傳感器。§3-4電感式傳感器輸出特性曲線L=f〔S〕LSLSL=f〔lδ〕變氣隙式傳感器特性曲線變截面積式傳感器特性曲線L=f(lδ)為非線性關(guān)系。當(dāng)lδ＝0時(shí)，L為∞，思索導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)lδ＝0時(shí)，并不等于∞，而具有一定的數(shù)值，在lδ較小時(shí)其特性曲線如圖中虛線所示。如上下挪動(dòng)銜鐵使面積S改動(dòng)，從而改動(dòng)L值時(shí),那么L＝f(S)的特性曲線為不斷線。ΔLΔlδ自感變化靈敏度為：線性度lδLΔL1ΔL2L0lδ0結(jié)論：①當(dāng)氣隙lδ發(fā)生變化時(shí)，自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化Δlδ/lδ的增大而添加；②氣隙減少Δlδ所引起的自感變化ΔL1與氣隙添加同樣Δlδ所引起的自感變化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值隨Δlδ/lδ的添加而增大?！?-4電感式傳感器§3-4電感式傳感器由前面的分析可見(jiàn)，變氣隙式電感傳感器的丈量范圍與靈敏度及線性度相矛盾。由于以上特點(diǎn)，為了減小非線性誤差，那么要限定lδ的范圍，因此變間隙式傳感器只能用于微小位移的丈量。為了改善其非線性，常采用差動(dòng)式的構(gòu)造。任務(wù)原理如下：§3-4電感式傳感器EUSC1342ⅠⅡRR(l-Δlδ)/2(l-Δlδ)/2差動(dòng)變氣隙式自感傳感器構(gòu)造由兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全一樣的線圈組成。當(dāng)銜鐵3挪動(dòng)時(shí)，一個(gè)線圈的自感添加，另一個(gè)線圈的自感減少，構(gòu)成差動(dòng)方式。靈敏度：線性度：§3-4電感式傳感器2、螺管型電感傳感器種類(lèi)：?jiǎn)尉€圈和差動(dòng)式構(gòu)造方式。單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器任務(wù)時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源鼓勵(lì)時(shí)，那么線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。用于較大行程rx螺旋管鐵心單線圈螺管型傳感器構(gòu)造圖l§3-4電感式傳感器線圈電感：l——線圈長(zhǎng)度rc——銜鐵半徑r——平均半徑μr——鐵心的有效磁導(dǎo)率N——匝數(shù)lc——銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度假設(shè)被丈量與Δlc成正比，那么ΔL與被丈量也成正比。實(shí)踐上由于磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，輸入量與輸出量之間關(guān)系非線性的。螺管線圈內(nèi)磁場(chǎng)分布曲線rxl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H〔〕INlx〔l〕鐵芯在開(kāi)場(chǎng)插入〔x=0〕或幾乎分開(kāi)線圈時(shí)的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長(zhǎng)度時(shí)的靈敏度小得多。這闡明只需在線圈中段才有能夠獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。§3-4電感式傳感器為了提高靈敏度與線性度,常采用差動(dòng)螺管式自感傳感器。這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的丈量范圍為(5～50)mm,非線性誤差在0.5％左右。2lcΔlc2l線圈Ⅱ線圈Ⅰr0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH〔〕INl差動(dòng)螺旋管式自感傳感器(a)構(gòu)造表示圖(b)磁場(chǎng)分布曲線x(l)(a)(b)§3-4電感式傳感器§3-4電感式傳感器綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)：①構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造裝配容易；②由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大；③由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾；④由于磁阻高，為了到達(dá)某一自感量，需求的線圈匝數(shù)多，因此線圈分布電容大；⑤要求線圈框架尺寸和外形必需穩(wěn)定，否那么影響其線性和穩(wěn)定性。二、互感式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱(chēng)為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的根本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)方式銜接，故稱(chēng)差動(dòng)變壓器式傳感器。構(gòu)造：變隙式、變面積式和螺管式。其中螺線管式最為常用，可丈量1～100mm的機(jī)械位移?！?-4電感式傳感器構(gòu)造及任務(wù)原理原理：當(dāng)初級(jí)線圈加上某一頻率的正弦交流電壓后，次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓e21,e22，它們的大小與鐵芯在線圈內(nèi)的位置有關(guān)，e21和e22反極性銜接就得到輸出電壓e2§3-4電感式傳感器等效電路～～e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1～在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。初級(jí)線圈的電流值為：ω—鼓勵(lì)電壓的角頻率；e1—鼓勵(lì)電壓；e1初級(jí)線圈鼓勵(lì)電壓L1,R1初級(jí)線圈電感和電阻M1,M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感L21,L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感R21,R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻§3-4電感式傳感器N2為次級(jí)線圈匝數(shù)。Rm1和Rm2是經(jīng)過(guò)兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻。在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為初級(jí)線圈對(duì)兩次級(jí)線圈的互感系數(shù)：§3-4電感式傳感器其幅值：輸出阻抗：因此空載輸出電壓:§3-4電感式傳感器運(yùn)用丈量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。1.差動(dòng)變壓器式加速度傳感器用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必需是振動(dòng)頻率的十倍以上，才干得到準(zhǔn)確的丈量結(jié)果?？烧闪康恼穹鶠?0.1～5)mm，振動(dòng)頻率為(0～150)Hz。穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)～220V加速度a方向a輸出1211彈性支承2差動(dòng)變壓器§3-4電感式傳感器2.微壓力變送器將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件〔膜片、膜盒和彈簧管等〕相結(jié)合，可以組成各種方式的壓力傳感器?！?20V1接頭2膜盒3底座4線路板5差動(dòng)變壓器6銜鐵7罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動(dòng)變壓器相敏檢波電路1234567這種變送器可分檔丈量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號(hào)電壓為(0～50)mV，精度為1.5級(jí)?！?-4電感式傳感器§3-6壓電式傳感器第六節(jié)壓電式傳感器壓電傳感器是典型的有源傳感器。又稱(chēng)自發(fā)電式傳感器及電勢(shì)式傳感器。壓電傳感器的任務(wù)原理是基于某些晶體受力后在其外表產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。特點(diǎn)：體積小、分量輕、構(gòu)造簡(jiǎn)單、靈敏度高、任務(wù)可靠；適宜動(dòng)態(tài)力學(xué)丈量，不能丈量靜態(tài)量。目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力學(xué)或壓力的丈量。壓電傳感器是一個(gè)機(jī)電轉(zhuǎn)換元件。運(yùn)用：拾音器、壓電引信、燃?xì)恻c(diǎn)火具。§3-6壓電式傳感器§3-6壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)一些晶體構(gòu)造的資料，當(dāng)沿著一定方向遭到外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化景象，同時(shí)在某兩個(gè)外表上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；而當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)不帶電的形狀；當(dāng)作用力方向改動(dòng)時(shí)，電荷的極性也隨著改動(dòng)。晶體受作用力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的景象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。反之，假設(shè)給晶體施加以交變電場(chǎng)，晶體本身那么產(chǎn)活力械變形，這種景象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，又稱(chēng)電致伸縮效應(yīng)。壓電效應(yīng)具有可逆性。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)§3-6-1壓電效應(yīng)ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX晶體縱向壓電效應(yīng):通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)〞；橫向壓電效應(yīng):而把沿機(jī)械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)；沿光軸Z－Z方向受力那么不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。光軸電軸機(jī)械軸§3-6-1壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)：在Y－Y方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，其電荷分布與X－X方向受力所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)情況相反；當(dāng)Y方向受壓時(shí)〔FY<0〕，X正半軸方向產(chǎn)生負(fù)電荷，X負(fù)半軸方向產(chǎn)生正電荷;當(dāng)Y方向受拉時(shí)〔FY>0