《测试技术》第四章传感器的基本类型及其工作原理解读

第四章传感器的基本类型及其工作原理动力装置电控技术研究所1.概述；2.电阻式传感器；3.电感式传感器；4.电容式传感器；5.压电式传感器；6.磁电式传感器。7.热电式传感器；8.光电式传感器；9.霍尔传感器；10.数字式传感器；11.传感器信号处理电路。辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件，是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器的组成第一节.概述传感器的分类第一节.概述（1）按被测物理量分类（2）按测量原理分类（3）按输出信号性质分类被测量为压力、温度、速度等物理量，相应的为压力传感器、温度传感器等基于物理学现象，如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器等模拟式传感器、数字式传感器第二节.电阻式传感器电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变化的一种传感器。一、金属应变式传感器金属电阻应变计效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：slRdlF金属丝的原始电阻金属丝的原始电阻率金属丝的原始长度金属丝的原始横截面积上式中：为导体的轴向应变量；为导体的横向应变量由材料力学得：式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右可得到：上式说明：电阻应变效应主要取决于它的几何应变和本身特有的导电性能第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器设金属丝在外力作用下沿轴线伸长，伸长量设为△l，并因此截面积变化△A，电阻率的变化为△ρ，相应的电阻变化为dR。对式全微分得电阻变化率dR/R为：lAdRlRs/dRR2dRdldrdRlrdll12dRdR（）lrlr/drr第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器43211—引出线2—敏感栅3—覆盖层4—基底（a）金属丝短接式；（b）金属箔式；（c）用于扭矩测量；（d）用于流体压力测量第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—粘贴技术（1）（2）（3）（4）（5）（6）第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—粘贴技术（7）（8）（9）（10）（11）（12）为构件线胀系数第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—温度误差温度误差①温度变化引起的应变片电阻变化②温度变化引起应变片变形，产生附加应变附加应变的影响glgnlltlg''lglnn()tllt构件的线胀伸长量为应变片处于自由状态nlnnllt为应变片线胀系数ln应变片产生附加变形温度对电阻的影响'tRRt温度引起的电阻变化lgln[()]tRRkt第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—温度补偿温度补偿方法①桥路补偿法②应变片自补偿法选择特定的应变片采用双金属敏感栅自补偿应变片热敏电阻补偿应变片测量电路142301234()()RRRRUERRRR取值则有：1234RRRRR04RUR142301234()()RRRRUERRRR第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—温度补偿选择材料时满足第二节.电阻式传感器一、金属应变式传感器—应变片自补偿①选择特定的应变片/[()]0lglnRRkt()lglnk②采用双金属敏感栅自补偿应变片选择材料时满足R1R212RR则可实现温度补偿双金属丝敏感栅③热敏电阻补偿法第二节.电阻式传感器二、半导体式压阻传感器很多固体材料受到应力作用，电阻率会发生变化，称为压阻效应半导体材料的压阻效应最为明显，如硅/锗压阻式传感器ａ）结构图ｂ）主要元件硅环压力传感器第二节.电阻式传感器二、半导体式压阻传感器压阻式加速度传感器当质量块受加速度作用时，硅梁根部受应力作用.第二节.电阻式传感器电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器电阻式压力传感器电阻式压力传感器第二节.电阻式传感器三、电位计式传感器用于角位移和线位移测量的电阻式传感器这类传感器通常以电位计的形式接入测量电路，称为电位计式传感器第二节.电阻式传感器三、电位计式传感器baRLRxRUxUL电位计式传感器原理图非线性相对误差为：令与呈非线性关系//LxRRmRRx，(0,0;1,)xxxRxRR时时得1(1)LxUUmxxLU00000()()()100%[1]100%()()1[1]100%1(1)LmLmLmLmLmUUUUUmxxx非线性相对误差00000()()()100%[1]100%()()1[1]100%1(1)LmLmLmLmLmUUUUUmxx第二节.电阻式传感器三、电位计式传感器当位移量时,1/2x得最大相对误差为11(1)100%100%1144maxLmRRmax负载电阻越大，相对误差越小LR四、气敏传感器第二节.电阻式传感器五、湿敏传感器半导体气敏元件与被测气体接触后，会造成半导体性质的变化，以此特性来检测气体的成分的传感器，称为气敏传感器。有些材料的电阻值会随空气湿度的变化而变化，利用此原理制成的传感器，称为湿敏电阻传感器。第三节.电感式传感器电感式传感器，利用线圈自感或互感的变化，把被测物理量如位移、振动、压力、流量等转换为线圈上电感量变化的传感器。电感式传感器互感式电感传感器自感式电感传感器变气隙式电感传感器变截面式电感传感器螺管式电感传感器第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—变气隙式电感传感器自感式电感传感器的结构2mNLR线圈电感量线圈匝数；磁路的总磁阻NmR如果气隙厚度较小，则总磁阻值为：0022imiilRAAA202NAL第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—变气隙式电感传感器灵敏度S为2022dLNASd变隙式电压传感器的L-δ特性难度可见δ值越小，灵敏度越高为了保证线性度，变气隙式传感器只能工作在一段比较小的区域内第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—变气隙式电感传感器的应用变隙电感式压力传感器结构图线圈铁芯衔铁膜盒PU～A线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁～输出P第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—变气隙式电感传感器的应用变隙式差动电感压力传感器第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—变截面式电感传感器123被测物体带动衔铁作线位移或角位移时，磁路中气隙截面积发生变化，变化量为△A20()2NAALL202dLNSdA上式中，线圈匝数，气隙厚度不变，L是气隙截面积A的函数N灵敏度变截面式第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—螺管式电感传感器rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图l螺管型自感传感器：单线圈和差动式单线圈螺管型传感器主要包括：螺管线圈和圆柱形铁芯传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化，当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx（l）铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。第三节.电感式传感器一、自感式电感传感器—螺管式电感传感器第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1-100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器—变隙式差动变压器结构变隙式差动变压器结构示意图第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器—螺线管式差动变压器(c)1U2U2U1U(d)螺线管式差动变压器结构示意图第三节.电感式传感器2U1U01U2U(e)(f)一、互感式电感传感器—变面积式差动变压器变面积式差动变压器结构示意图第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器—工作原理工作原理变隙式差动变压器闭磁路变隙式差动变压器的结构如右图所示，在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反相串联。第三节.电感式传感器一、互感式电感传感器oU12e2ae2be2ae2bUo＋－O1—理想特性；2—实际特性－变隙式差动变压器输出特性iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb－＋－＋变隙式差动变压器等效电路第四节.电容式传感器电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。上式中：ε0—真空的介电常数；s—极板的遮盖面积；ε—极板间相对介电系数；δ—两平行极板间的距离。0sC两极板间的电容量第四节.电容式传感器一、变极板间隙型电容传感器传感器固定一块极板，而使另一块极板移动，从而来改变间隙δ以引起电容的变化设间隙有一改变量Δδ，则有：0AC电容传感器的灵敏度02CAS实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构01222ACCC第四节.电容式传感器二、变面积型电容传感器改变电容器极板面积获取电容传感器输出变化第四节.电容式传感器三、变介电常数型电容传感器1112211222()lnln22()lnlnhhhCRRrrhhRRrr输出电容C与液面高度成线性关系容器内介质的介电常数容器上面气体介质介电常数21第四节.电容式传感器此方法可用来对不同材料如纸、塑料膜、合成纤维等的厚度进行测定三、变介电常数型电容传感器—应用此方法可用来测量位移第五节.压电式传感器一些物质在外力作用下表面会产生电荷；压电传感器工作原理，基于某些物质的压电效应；压电传感器是力敏感元件，主要用于测量可转换成力的物理量，如压力、加速度等。一、工作原理—压电效应压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。压电材料受力变形，在表面产生电荷—正压电效应压电材料通电压，材料变形—逆压电效应压电材料压电晶体压电陶瓷第五节.压电式传感器F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－一、工作原理—压电效应压电效应示意图压电效应的可逆性逆压电效应电能机械能正压电效应第五节.压电式传感器(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)一、工作原理—石英晶体x方向,为电轴；y方向,为力轴；Z方向,为光轴.第五节.压电式传感器二、工作原理—压电元件连接方式(a)相同极性端粘结(b)不同极性端粘结并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。第五节.压电式传感器二、工作原理—压电传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。前置放大器作用：一是把它的高输出阻抗变换