1.2 常用传感器工作原理及测量电路

第一章传感器及其应用—常用传感器工作原理和测量电路—一电阻式传感器工作原理电阻式传感器测量原理:被测的非电量ΔR电量输出其基本原理为：设有一根长度为L，截面积为A，电阻率为ρ的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示：AlR三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ，如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变化，构成不同电阻传感器：1、长度L发生变化——电位器式传感器；2、截面积A、长度L发生变化——电阻应变片传感器；3、电阻率ρ发生变化——热敏电阻、光导性光检测器等。电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。电位器式传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型等，如图所示。•电位器式传感器一般采用电阻分压电路，将电参量R转换为电压输出给后续电路，如图所示。当触头移动时，输出电压为：LxRRxLuu1Lio二电容式传感器工作原理0rSSCddS——极板相对覆盖面积；d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数，；ε——电容极板间介质的介电常数。δSε变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)1.变极距型电容传感器dsCr00200001)1(1ddddCddCddsCCCr非线性关系若△d/d1时，则上式可简化为ddCCC00若极距缩小△d最大位移应小于间距的1/10差动式改善其非线性初始电容2.变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为dbxaCCCr)(00△C与△x间呈线性关系电容式角位移传感器0000dsCr00000(1)rsCCCd当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系3.变介电常数型电容式传感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容电容式液位传感器电容与液位的关系为：4电容式传感器的应用(1)电容式差压传感器(2)电容式加速度传感器(3)电容式振动位移传感器三电感式传感器工作原理1自感式传感器li——各段导磁体的长度；Ui——各段导磁体的磁导率；Si——各段导磁体的截面积；δ——空气隙的厚度；U0——真空磁导率;S——空气隙截面积SSlNLiii02/2//线圈自感S,fLSfL21fL变气隙型传感器变截面型传感器变间隙式电感传感器2mNLR2mNLR传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈电感：2mNLRN为线圈匝数，Rm为磁路总磁阻。特点：灵敏度高，非线性误差较大，制作装配比较困难。变面积型电感传感器气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。螺管型电感传感器衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。差动式电感传感器•为了改善线性在实际中大都采用差动式，采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。•要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。差动式优点：1、线性好；2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；3、温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能够相互抵消而减小。2差动变压器传感器（互感）互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般，这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。两个次级绕组的同名端则反向串联。图3.2.6差动变压器输出电压特性曲线差动变压器的结构类型（3）差动变压器应用力和力矩的测量微小位移的测量压力测量加速度传感器四压电式传感器工作原理压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面聚集电荷，电荷量相等，极性相反，相当于一个以压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的各种物理量。常用的压电材料•石英晶体•水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、磷酸二氢钾等）•铌酸锂晶体•压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）•压电半导体•高分子压电材料石英晶体的压电效应•是二氧化硅单晶，属于六角晶系。石英晶体优点：•它的介电常数和压电常数的温度稳定性很好；•工作温度范围很宽；•机械强度高，可承受108Pa的压力；•在冲击作用下，漂移也很小；•弹性系数较大。可用于测量大量程的力和加速度压电陶瓷的压电效应•是一种多晶体电体，具有电畴结构的压电材料。电团是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。压电式传感器的应用•压电式力传感器•压电式压力传感器•压电式加速度传感器电桥电路又叫惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。电桥电路按其所采用的激励电源类型直流电桥交流电桥工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。四传感器测量电路1直流电桥直流电桥桥路输出)()())((-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI（1）平衡电桥：IL=0时平衡条件:R1R4=R2R3R1/R2=R3/R4R1+⊿R1R2R4R3UILRL（2）不平衡直流电桥当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：URRRRRRRRU))((432132410应变片工作时，其电阻变化ΔR))(())(())((44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。此时有：)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU当ΔRiR(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则RRRRRRRRUU432104432104UKU①ΔRiR时，电桥的输出电压与应变成线性关系。②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。③若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。④电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。⑤增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。略去分母中的ΔR1/R1项,假设ΔR1/R11理想的线性关系：实际输出电压：RRUU4'010211424RRRRURRRUU电桥的相对非线性误差：KRRRRRRUU21211211121111'00单臂电桥：即R1桥臂变化ΔR半桥差动电桥R1R2F][4332211110RRRRRRRRRUUU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2RRUU20＝R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用输出电压为：RRUU0U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3全桥差动电路恒流源供电电桥假设ΔRT为温度引起的电阻变化IIIADCABC21电桥的输出为RIRRRIRRRIUUTTBD)(21)(210电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。2交流电桥如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为交流电桥。为适应电感、电容式传感器的需要交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。（1）交流电桥的平衡条件交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感或变压器的两个次级线圈交流电桥的四个桥臂分别用阻抗、、、表示1Z2Z3Z4Z交流电桥的平衡条件为：3241ZZZZ电阻交流电桥电感电桥电容电桥变压器电桥电路电阻交流电桥1、单臂电阻；2、等臂差动电桥；3、全桥交流电桥。电感电桥两相邻桥臂为电感L1和L2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中和为电感线圈的有功电阻。1R2R若设Z1、Z2为传感器阻抗RRR21且LLL21LRZZZj21则有RRR21另有由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电感式传感器的两差动电感，工作时：ZZZ1ZZZ2电桥的输出电压为：ZZUURZZZZRRZURRRUZZZU22221211211211o当ωL＞＞R'时，上式可近似为：LLUU2o交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。电容电桥两相邻桥臂为电容C1和C2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中和为电容介质损耗电阻。1R2R设Z1、Z2为传感器阻抗，RRR21CCC21且CRZZZj121有RRR21由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两差动电容，ZZZ1ZZZ2电桥的输出电压为：ZZUURZZZZRRZURRRUZZZU22221211211211o当ωC＞＞R'时，上式可近似为：CCUU2o交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。变压器电桥电路电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电桥它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差动电容或差动电感分别接在另两个臂设其阻抗分别为Z1和Z2，(由于被测量使传感器的阻抗发生变化)ZZZ1ZZZ2电桥的输出电压为：ZZUUZZZUUZIU2222212o