常用傳感器原理及應(yīng)用

常用傳感器原理及應(yīng)用4、1概述一、傳感器得定義傳感器(transducer/senor)就是將被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用得某種物理量得裝置。通常將傳感器看作就是一個(gè)把被測非電量轉(zhuǎn)換成電量得裝置。測力計(jì)壓力計(jì)溫度計(jì)二、傳感器得組成傳感器通常由三部分組成:敏感元件:直接感受被測量,輸出與被測量成確定關(guān)系。轉(zhuǎn)換元件:敏感元件得輸出就就是轉(zhuǎn)換元件得輸入,她把輸入轉(zhuǎn)換成電量參量。轉(zhuǎn)換電路:把轉(zhuǎn)換元件輸出得電量信號轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制得有用得電信號得電路。三、傳感器得類型1、按被測對象分: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、按被測量得轉(zhuǎn)換特征分:結(jié)構(gòu)型和物性型。結(jié)構(gòu)型傳感器:就是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)得變化而實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換得。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。物性型傳感器就是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)得變化來實(shí)現(xiàn)信號變換得。例如利用水銀得熱脹冷縮現(xiàn)象制成水銀溫度計(jì)來測溫;利用石英晶體得壓電效應(yīng)制成壓電測力計(jì)等。4、按照能量得傳遞方式分:能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。

能量控制型傳感器就是從外部供給輔助能量使其工作得,并由被測量來控制外部供給能量得變化;能量轉(zhuǎn)換型傳感器就是直接由被測對象輸入能量使其工作得,例如,熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等。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)變式傳感器就是一種利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化得傳感器。就是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變得一種傳感器,最常用得傳感元件為電阻應(yīng)變片。應(yīng)用范圍:可測量位移、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)變片得工作原理就是基于金屬得電阻應(yīng)變效應(yīng)工作得。金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí),其電阻值隨著她所受機(jī)械變形(伸長或縮短)得變化而發(fā)生變化得現(xiàn)象,稱為金屬得電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬應(yīng)變片得結(jié)構(gòu)和測量原理電阻絲應(yīng)變片就是用直徑為0、025mm具有高電阻率得電阻絲制成得。為了獲得高得阻值,將電阻絲排列成柵狀,稱為敏感柵,并粘貼在絕緣得基底上。電阻絲得兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護(hù)作用得覆蓋層。原理公式:K0稱為金屬絲得靈敏系數(shù),其物理意義就是單位應(yīng)變所引起得電阻相對變化。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),電阻得相對變化與其所受得軸向應(yīng)變就是成正比得。應(yīng)用:將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼于被測試件上。彈性體或試件得變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵,其電阻值發(fā)生相應(yīng)得變化,通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流得變化,即可測量應(yīng)變。1)將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上,直接用來測定構(gòu)件得應(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)下得受力、變形情況,可利用形狀不同得應(yīng)變片,粘貼在構(gòu)件得預(yù)測部位,可測得構(gòu)件得拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等。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。這種傳感器常用來測量力、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量成正比得應(yīng)變,再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻得變化后輸出。當(dāng)被測物體產(chǎn)生位移時(shí),懸臂梁隨之產(chǎn)生于位移相等得撓度,因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)得應(yīng)變。將應(yīng)變片接入橋路,輸出與位移成正比得電壓信號。

測量時(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,懸臂梁在慣性力得作用下產(chǎn)生彎曲變形。梁得應(yīng)變在一定得頻率范圍內(nèi)與振動(dòng)體得加速度成正比。

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)生變化得現(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)體材料得這種效應(yīng)特別強(qiáng)。對于半導(dǎo)體硅,πL=(40～80)×10-11m2/N,E=1、67×1011N/m2,則k0=πLE＝50～100。半導(dǎo)體電阻材料得靈敏系數(shù)比金屬絲得要高50～70倍。大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜2)壓阻式傳感器得特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):

靈敏度非常高,有時(shí)傳感器得輸出不需放大可直接用于測量;

分辨率高,例如測量壓力時(shí)可測出10～20Pa得微壓;測量元件得有效面積可做得很小,故頻率響應(yīng)高;可測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。4、3電感式傳感器電感式傳感器得工作原理就是電磁感應(yīng)。她就是把被測量如位移等,轉(zhuǎn)換為電感量變化得一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式得不同,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)1、變氣隙式L與δ呈非線性(雙曲線)關(guān)系。傳感器得靈敏度為

靈敏度S與氣隙長度δ得平方成反比,δ愈小,靈敏度S愈高。這種傳感器適用于較小位移得測量,一般約為0、001～1mm。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。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)簡單、制造容易,但靈敏度低,適用于較大位移(數(shù)毫米)測量。

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,被用于電感測微計(jì)上,其測量范圍為0～300μm,最小分辨力為0、5μm。線圈電感L1、L2隨鐵芯位移而變化、測量精度高,量程較大。二、差動(dòng)變壓器式傳感器(互感式)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)得線圈,由線圈產(chǎn)生得高頻電磁場作用于金屬板得表面。在金屬板表面薄層內(nèi)產(chǎn)生渦流i,渦流i又產(chǎn)生反向得磁場,反作用于線圈上,由此引起線圈自感L或線圈阻抗z得變化。L得變化程度取決于線圈至金屬板之間得距離δ、金屬板得電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及激勵(lì)電流i得幅值與角頻率ω等。當(dāng)被測位移量發(fā)生變化時(shí),使線圈與金屬板得距離發(fā)生變化,從而導(dǎo)致線圈阻抗z得變化,通過測量電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出。高頻反射式渦流式傳感器常用于位移測量。低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度。發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別放在被測材料G得上下,低頻(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1得兩端后,在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場,并在被測材料G中產(chǎn)生渦流i,此渦流損耗了部分能量,使貫穿ω2得磁力線減少,從而使ω2產(chǎn)生得感應(yīng)電勢e2減小。e2得大小與G得厚度及材料性質(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得變化便可測得材料得厚度。4、4電容式傳感器電容式傳感器就是將被測量(如尺寸、壓力等)得變化轉(zhuǎn)換成電容量變化得一種傳感器。

一、電容式傳感器得工作原理和類型上式表明,當(dāng)被測量δ、A或ε發(fā)生變化時(shí),會(huì)引起電容得變化。如果保持其中得兩個(gè)參數(shù)不變,而僅改變另一個(gè)參數(shù),就可把該參數(shù)得變化變換為單一電容量得變化,再通過配套得測量電路,將電容得變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。根據(jù)電容器參數(shù)變化得特性,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。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)兩極板在被測參數(shù)作用下發(fā)生位移,引起電容量得變化為靈敏度靈敏度K與極距平方成反比,極距愈小,靈敏度愈高。一般通過減小初始極距來提高靈敏度。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,為了提高傳感器得靈敏度、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)得變化對測量精度得影響,常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。2、面積變化型電容式傳感器面積變化型電容傳感器得工作原理就是在被測參數(shù)得作用下來變化極板得有效面積,常用得有角位移型和線位移型兩種。由于平板型傳感器得可動(dòng)極板稍有極距方向移動(dòng)會(huì)影響測量精度。

上述可知,面積變化型電容傳感器得優(yōu)點(diǎn)就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得測量。3、介電常數(shù)變化型電容傳感器

大多用于測量電介質(zhì)得厚度、位移、液位,還可根據(jù)極板間介質(zhì)得介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。變介電常數(shù)型電容傳感器得結(jié)構(gòu)原理δ、h、ε0—兩固定極板間得距離、極間高度及間隙中空氣得介電常數(shù);δx、hx、ε—被測物得厚度、被測液面高度和她得介電常數(shù);l、b、ax—固定極板長、寬及被測物進(jìn)入兩極板中得長度(被測值);r1、r2—內(nèi)、外極筒得工作半徑。

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)電參量相對變化大。

(3)動(dòng)態(tài)特性好。

(4)能量損耗小。

(5)結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性好。主要缺點(diǎn):非線性大。應(yīng)用(1)電容式測厚儀:測量金屬帶材在軋制過程中厚度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),將引起電容量得變化。通過檢測電路可以反映這個(gè)變化,并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材得厚度。(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,通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號,則頻率計(jì)顯示得頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為z,頻率為f,則轉(zhuǎn)速為:4、5壓電式傳感器壓電式傳感器就是以某些材料得壓電效應(yīng)為基礎(chǔ),在外力得作用下,這些材料得表面產(chǎn)生電荷,從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量得轉(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)得極化方向施加電場,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)。明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)得敏感功能材料叫壓電材料。常用得壓電材料有: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)作為一種新型得高分子物性型傳感材料得到廣泛得應(yīng)用。(新型材料)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)得等效電路。也可等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器C0串聯(lián)得等效電路。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)測量電路得漏失減小到足夠小得程度;而在作動(dòng)態(tài)測量時(shí),電荷可以不斷補(bǔ)充,從而供給測量電路一定得電流,故壓電式傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測量。

三、壓電元件常用得結(jié)構(gòu)形式

在實(shí)際使用中,如僅用單片壓電元件工作得話,要產(chǎn)生足夠得表面電荷就要很大得作用力,因此一般采用兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件就是有極性得,因此連接方法有兩種:并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。并聯(lián)連接:兩壓電元件得負(fù)極集中在中間極板上,正極在上