常用传感器原理及应用

第四章常用传感器原理及应用4.1概述4.2电阻应变式传感器4.3电感式传感器4.4电容式传感器4.5压电式传感器4.6磁敏传感器4.7光电式传感器4.8集成传感器4.1概述一、传感器的定义传感器（transducer/senor）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成电量的装置。测力计压力计温度计二、传感器的组成传感器通常由三部分组成：敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。三、传感器的类型1、按被测对象分：位移传感器、压力传感器和压力传感器等；2、按工作原理分：电阻应变式、电感式、电容式和压电式等；3、按被测量的转换特征分：结构型和物性型。结构型传感器：是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感变化等。物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如利用水银的热胀冷缩现象制成水银温度计来测温；利用石英晶体的压电效应制成压电测力计等。4、按照能量的传递方式分：能量控制型和能量转换型。能量控制型传感器是从外部供给辅助能量使其工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化；能量转换型传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。4.2电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。1、金属电阻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工作的。金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。金属应变片的结构和测量原理电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基底上。电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护作用的覆盖层。原理公式：K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。通常K0=1.7～3.6大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的。应用：将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等。2）应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。当被测物体产生位移时，悬臂梁随之产生于位移相等的挠度，因而应变片产生相应的应变。将应变片接入桥路，输出与位移成正比的电压信号。测量时，基座固定在振动体上。振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁在惯性力的作用下产生弯曲变形。梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。2、半导体应变片1）压阻效应:半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化的现象。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。对于半导体硅，πL=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011N/m2，则k0=πLE＝50～100。半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。2）压阻式传感器的特点优点:灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度和直线加速度。缺点：温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。4.3电感式传感器电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。一、自感式传感器（可变磁阻式传感器）可变磁阻式传感器自感自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积S0成正比。μ0—空气导磁率；W—线圈匝数1、变气隙式L与δ呈非线性（双曲线）关系。传感器的灵敏度为灵敏度S与气隙长度δ的平方成反比，δ愈小，灵敏度S愈高。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1mm。2、变面积式自感L与S0呈线性关系，这种传感器灵敏度较低。3、螺管式单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米)测量。双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化.测量精度高，量程较大。二、差动变压器式传感器（互感式）三、电涡流式传感器高频（数MHz以上）激励电流i施加于邻近金属板一侧的线圈，由线圈产生的高频电磁场作用于金属板的表面。在金属板表面薄层内产生涡流i，涡流i又产生反向的磁场，反作用于线圈上，由此引起线圈自感L或线圈阻抗z的变化。L的变化程度取决于线圈至金属板之间的距离δ、金属板的电阻率ρ、磁导率μ以及激励电流i的幅值与角频率ω等。当被测位移量发生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻抗z的变化，通过测量电路转化为电压输出。高频反射式涡流式传感器常用于位移测量。低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。发射线圈ω1和接收线圈ω2分别放在被测材料G的上下，低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料G中产生涡流i，此涡流损耗了部分能量，使贯穿ω2的磁力线减少，从而使ω2产生的感应电势e2减小。e2的大小与G的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，e2随材料厚度h增加按负指数规律减小。因而按e2的变化便可测得材料的厚度。4.4电容式传感器电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。AC=εδ一、电容式传感器的工作原理和类型上式表明，当被测量δ、A或ε发生变化时，会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。1.极距变化型电容式传感器在电容器中，如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则电容量与极距δ呈非线性关系。当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为2Adcd灵敏度2dcAdK灵敏度K与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量C与极距δ呈非线性关系，故这将引起非线性误差。实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。2.面积变化型电容式传感器面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用下来变化极板的有效面积，常用的有角位移型和线位移型两种。由于平板型传感器的可动极板稍有极距方向移动会影响测量精度。上述可知，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。3.介电常数变化型电容传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。变介电常数型电容传感器的结构原理δ、h、ε0—两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数；δx、hx、ε—被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数；l、b、ax—固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）；r1、r2—内、外极筒的工作半径。电容传感器特点与应用主要优点:(1)输人能量小而灵敏度高。(2)电参量相对变化大。(3)动态特性好。(4)能量损耗小。(5)结构简单，适应性好。主要缺点:非线性大。应用（1）电容式测厚仪:测量金属带材在轧制过程中厚度C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容，其总电容为C=C1+C2。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。（2）电容式转速传感器当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z,频率为f,则转速为:4.5压电式传感器压电式传感器是以某些材料的压电效应为基础，在外力的作用下，这些材料的表面产生电荷，从而实现非电量到电量的转换。一、压电效应与压电材料1、压电效应与逆压电效应某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。常用的压电材料有：压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯(PVDF)作为一种新型的高分子物性型传感材料得到广泛的应用。（新型材料）二、等效电路压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器C0并联的等效电路。也可等效为一个电压源U和一个电容器C0串联的等效电路。由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态测量。三、压电元件常用的结构形式在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用两片或两片以上压电元件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种：并联连接和串联连接。并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。4.5磁敏传感器磁敏传感器的磁敏元件对磁场敏感，能够将磁学物理量转换成电信号。磁敏元件有霍尔元件、磁敏电阻、磁敏管等。一、霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。二、霍尔元件基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。三、应用举例a端通入电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。霍尔元件可以