各種自動化傳感器的使用

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五官的延伸，又稱之為電五官；傳感器技術(shù)通訊技術(shù)計算機技術(shù)

五官神經(jīng)大腦傳感器是獲取自然和消費領域中信息的主要途徑與手段；現(xiàn)代工業(yè)消費尤其是自動化消費過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制消費過程中的各個參數(shù)；信息技術(shù)三大支柱傳感器已浸透到諸如工業(yè)消費、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境維護、資源探測、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物維護等等極其廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以致各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化工程，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器是將感知到的各種信號轉(zhuǎn)換成易丈量的信號，把相應的信號輸入計算機，計算機發(fā)出指令，控制各執(zhí)行機構(gòu)?！?-1傳感器的定義一、傳感器的定義〔Transducer/Sensor〕定義：將被測參量轉(zhuǎn)換為與之對應的，易于丈量，傳輸和處置的信號的安裝。GB7665一87：可以感受規(guī)定的被丈量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或安裝。傳感器功用：感知被測信息，并傳送給檢測安裝傳感器及傳感技術(shù)可從以下幾個方面了解：①傳感器是丈量器件或安裝，能完成檢測義務；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、輸入有對應關系，且應有一定的準確程度。1.傳感器在工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)中的運用工業(yè)自動化、全自動、半自動消費線〔石油、化工、鋼鐵、鐵路、機械、電力〕自動控制系統(tǒng)〔正確的信息檢測準確的控制〕傳感器的運用領域傳感器的運用領域2.汽車與傳感器速度、里程、發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量平安氣囊系統(tǒng)、防盜安裝、黑匣子發(fā)動機氣缸壓力〔日本豐田汽車〕3.傳感器與家用電器電子爐灶、洗碗機、遙控電視、錄像機、電飯煲微波爐〔松下電器采用濕度傳感器〕電冰箱〔溫控器—>控制緊縮機的開關〕家庭自動化〔平安監(jiān)視與報警、空調(diào)與照明控制、家務勞動自動化、人身安康管理〕傳感器的運用領域4.傳感器在機器人上的運用傳統(tǒng)機器人〔臂的位置和角度傳感器〕智能機器人〔觸覺、壓覺、分量、視覺等〕5.傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學上的運用運用醫(yī)學傳感器〔B超儀、CT、核磁共振等〕醫(yī)療保健產(chǎn)品：電子血壓計、脈搏計、電子溫度計。傳感器的運用領域6.傳感器與環(huán)境維護大氣污染指數(shù)、水質(zhì)污染、環(huán)境噪聲等各種環(huán)境監(jiān)測儀器7.傳感器與航空航天飛機的自動駕駛〔飛行姿態(tài)、間隔、航線〕惡劣環(huán)境的“盲目〞著陸空—空導彈的自動跟蹤傳感器的運用領域8.傳感器與遙感技術(shù)遙感技術(shù)：從飛機、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、船舶上對遠間隔的寬廣區(qū)域的被測物體及其形狀進展大規(guī)模探測的一門技術(shù)。探測礦藏：人造衛(wèi)星上的紅外傳感器紅外線的量經(jīng)過微波地面站計算機分析處置傳感器的運用領域傳感器市場構(gòu)造從市場來看,力、壓力、加速度、物位、溫度、濕度、水分等傳感器將堅持較大的需求量。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〔預變換器〕:它是直接感受被丈量，并輸出與被丈量成確定關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)換元件的輸出進展放大、運算、處置等進一步轉(zhuǎn)換，便于運用。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壓電式加速度傳感器三、傳感器的分類傳感器是知識技術(shù)密集的行業(yè)，與許多學科有關，種類繁多，分類方法也很多。按任務機理：物理型、化學型、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中場的定律構(gòu)成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等；這類傳感器的特點是傳感器的任務原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為根底，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程中，其能量需求外電源供應；(無源傳感器)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；半導體式傳感器；其他原理的傳感器。傳感器的分類按傳感器用途分(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傳感器傳感器的分類按傳感器輸出信號方式可分為：模擬傳感器和數(shù)字傳感器。按輸入量分類優(yōu)點：比較明確地表達了傳感器的用途，便于運用者根據(jù)用途選用。缺陷：沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機理上有何共性和差別，不便于運用者比較各種傳感器的原理異同點。傳感器的分類按原理分類：優(yōu)點是：對傳感器的任務原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業(yè)任務者對傳感器的深化研討分析。缺陷：不便于運用者根據(jù)用途選用。四、傳感器的命名法由主題詞加四級修飾語構(gòu)成傳感器1、被丈量2、轉(zhuǎn)換原理3、特征描畫4、主要技術(shù)目的〔量程、靈敏度、準確度等〕例：傳感器位移應變式100㎜習慣上用反序法，也可用簡稱。五、對傳感器的性能要求可靠性：指傳感器在規(guī)定的運用條件和期限內(nèi)堅持其準確計量性能的才干。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：傳感器不影響被測系統(tǒng)原來形狀的才干?！矊嵺`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變效應，將被測物體的變形轉(zhuǎn)換成電阻變化，在經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出的傳感器。它可以丈量力、壓力、位移、應變、加速度、溫度等各種非電量?，F(xiàn)已被廣泛運用于工程丈量和科學實驗中。一、導電資料的電阻效應當金屬絲在外力作用下發(fā)活力械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種景象稱為金屬的電阻應變效應。設有一根長度為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——電阻的相對變化；dρ/ρ——電阻率的相對變化；dl/l——金屬絲長度相對變化，用ε表示，ε=dl/l,稱為金屬絲長度方向上的應變或軸向應變；dS/S——截面積的相對變化。S=πr2dS/S=2·dr/rdr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應變?yōu)棣舝。εr=–με由資料力學知：§3-2-1

導電資料的電阻效應將微分dR、dρ改寫成增量ΔR、Δρ，那么金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關系。比例系數(shù)KS稱為金屬絲的應變靈敏系數(shù)。變形變性§3-2-1

導電資料的電阻效應物理意義：單位應變引起的電阻相對變化。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，電阻率隨應變而引起的〔稱“壓阻效應〞〕。對金屬資料，以前者為主，那么KS≈1+2μ；對半導體，KS值主要由電阻率相對變化所決議。實驗闡明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與軸向應變成正比。通常KS在1.8～3.6范圍內(nèi)。§3-2-1

導電資料的電阻效應§3-2-2電位計式傳感器二、電位計式傳感器電位計式傳感器也稱為變阻器式傳感器，它經(jīng)過改動電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。根據(jù)下式式中:ρ—電阻率；l—電阻絲長度；A—電阻絲截面積。假設電阻絲直徑和材質(zhì)一定時，那么電阻值隨導線長度而變化。式中電阻值的單位為Ω。常用電位計式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等?！?-2-2電位計式傳感器直線位移型：當被測位移變動時，觸點c沿變阻器挪動。假設挪動x，那么c點與A點之間電阻值：R=kix傳感器靈敏度：S=dR/dx=ki式中k——單位長度內(nèi)的電阻值。當導線分布均勻時，ki為一常數(shù)。這時傳感器的輸出(電阻)與輸入(位移)成線性關系。§3-2-2電位計式傳感器回轉(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—單位弧度對應的電阻值?！?-2-2電位計式傳感器非線性變阻器式傳感器，或稱為函數(shù)電位器。當被丈量與電刷位移x之間具有某種函數(shù)關系時，經(jīng)過它可以獲得輸出電阻與輸入被丈量的線性關系。設r(x)為電位器恣意瞬時位置〔微小區(qū)間Δx〕內(nèi)的電阻，那么電阻位移為x時總電阻值為：假設被丈量為z(x)，它是位移x的函數(shù)，假設要得到線性輸出，應滿足在知z(x)的情況下，可以求得r(x)和Rx,r(x)可以用來確定電位器的骨架外形。§3-2-2電位計式傳感器變阻器式傳感器的優(yōu)點是構(gòu)造簡單，性能穩(wěn)定，運用方便。缺陷是分辨力不高，由于遭到電阻絲直徑的限制。提高分辨力需運用更細的電阻絲，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，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和磨損、塵埃附著等，都會使電刷在滑動中的接觸電阻發(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，在丈量儀器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計等。§3-2-2電位計式傳感器變阻器式傳感器產(chǎn)品3.2電阻式傳感器案例：分量的自動檢測--配料設備比較分量設定原資料3.2電阻式傳感器原理：彈簧->力->位移->電位器->電阻案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲3.2電阻式傳感器原理：鋼絲->收線圈數(shù)->電位器->電阻案例：玩具機器人〔廣州中鳴數(shù)碼〕3.2電阻式傳感器原理：電機->轉(zhuǎn)角->電位器->電阻3.2電阻式傳感器案例：振動式地音入侵探測器適宜于金庫、倉庫、古建筑的防備，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。3.2電阻式傳感器三、電阻應變片金屬應變片式傳感器的中心元件是金屬應變片，它可將試件上的應變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。金屬應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉(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變敏感元件構(gòu)成。當被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小?！?-2

電阻式傳感器§3-2-3電阻應變片1、絲式應變片由敏感柵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變片的性能。因此，應根據(jù)運用條件和要求合理地加以選擇。2341bl柵長柵寬電阻應變片構(gòu)造表示圖〔1〕敏感柵由金屬細絲繞成柵形，直徑：〔0.015～0.05〕mm應變片的阻值：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〕標距=柵寬×柵長=b×l較大的應變片：5×100〔200〕mm較小的應變片：1×1〔2〕mm等。構(gòu)造：回線式〔a〕和短接式〔b〕普通至少用兩個，一個做丈量，一個做溫度補償，或用四個，兩個做丈量，兩個做溫度補償。§3-2-3電阻應變片對敏感柵的資料的要求：①應變靈敏系數(shù)大，并在所測應變范圍內(nèi)堅持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應變片；③電阻溫度系數(shù)要??；④抗氧化才干高，耐腐蝕性能強；⑤在任務溫度范圍內(nèi)能堅持足夠的抗拉強度；⑥加工性能良好，易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對引線資料的熱電勢小。對應變片要求必需根據(jù)實踐運用情況，合理選擇?！?-2-3電阻應變片〔2〕基底和蓋片基底用于堅持敏感柵、引線的幾何外形和相對位置，蓋片既堅持敏感柵和引線的外形和相對位置，還可維護敏感柵。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬?；踪Y料：膠基和紙基〔3〕引線是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線，直徑〔0.15～0.2〕mm。對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?！?-2-3電阻應變片〔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。運用金屬應變片時，也需用粘結(jié)劑將應變片基底粘貼在構(gòu)件外表某個方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的外表應變傳送給應變計的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑用于低溫、常溫暖中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。§3-2-3電阻應變片2、箔式應變片金屬箔式應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。其線條均勻，尺寸準確，阻值一致性好。箔片厚約1—10μm，散熱好，粘結(jié)情況好，傳送試件應變性能好。因此目前運用的多系金屬箔式應變片?！?-2-3電阻應變片3、薄膜應變片是薄膜技術(shù)開展的產(chǎn)物，厚度在0.1μm以下。是采用真空蒸發(fā)法，將電阻資料蒸鍍在基底上制成敏感柵而構(gòu)成應變片。靈敏度系數(shù)高，易于規(guī)模消費，是一種很有出路的新型應變片。用得較少，自學了解。§3-2-3電阻應變片4、半導體應變片半導體應變片最簡單的典型構(gòu)造如下圖。半導體應變片的運用方法與金屬電阻應變片一樣，即粘貼在彈性元件或被測物體上，其電阻值隨被測試件的應變而變化。半導體應變片的任務原理是基于半導體資料的壓阻效應。§3-2-3電阻應變片所謂壓阻效應是指單晶半導體資料在沿某一軸向遭到外力作用時，其電阻率ρ發(fā)生變化的景象。優(yōu)點：靈敏度高；缺陷：穩(wěn)定性差，非線性嚴重。做一批應變片，各不一樣；同一批應變片在不同條件下，變化很大?！?-2-3電阻應變片5、應變片的靈敏度系數(shù)K：金屬應變片的靈敏度系數(shù)——指應變片安裝于試件外表，在其軸向方向的單向應力作用下，應變片的阻值相對變化與試件外表上安裝應變片區(qū)域的軸向應變之比。Ks:金屬絲的靈敏度系數(shù)——金屬單絲的電阻相對變化與它所感受的應變之比。當金屬絲做成應變片后，其電阻—應變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應變片的電阻—應變特性重新測定?！?-2-3電阻應變片實驗闡明，金屬應變片的電阻相對變化與應變ε在很寬的范圍內(nèi)均為線性關系。即：K為金屬應變片的靈敏系數(shù)。留意，K是在試件受一維應力作用，應變片的軸向與主應力方向一致，且試件資料的泊松比為0.285的鋼材時測得的。丈量結(jié)果闡明，應變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。緣由：膠層傳送變形失真，橫向效應也是一個不可忽視的要素。思索：K與KS大小的關系？§3-2-3電阻應變片第三節(jié)電容式傳感器電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。特點：構(gòu)造簡單，體積小，可實現(xiàn)非接觸式丈量，能在高溫、輻射和劇烈振動等惡劣條件下任務。運用：壓力、差壓、液位、振動、位移、加速度、成分含量等多方面的丈量?！?-3電容式傳感器任務原理：電容式傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的安裝。它本質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。從物理學可知，由兩個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電容式傳感器當被丈量使d、S或ε發(fā)生變化時，都會引起電容C的變化。假設堅持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改動另一個參數(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。在實踐中，極距變化型與面積變化型的運用較為廣泛?！?-3電容式傳感器類型：(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：當動板有一轉(zhuǎn)角時，與定板之間相互覆蓋面積就改動，從而改動電容的輸出。當=0時，當≠0時，傳感器的電容量C與角位移呈線性關系。§3-3電容式傳感器平面線位移型電容傳感器：當動板沿X方向挪動時，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呈線性關系?！?-3電容式傳感器圓柱體線位移型電容傳感器。動板(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。當覆蓋長度x變化時，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)點是輸出與輸入成線性關系。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、濕度的改動而丈量溫度、濕度等。當電極間存在導電物質(zhì)時，電極的外表應涂蓋絕緣層〔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與被測液位高度h呈線性關系。相當于兩個電容器并聯(lián)：=C0+Ah§3-3電容式傳感器另一種構(gòu)造：d0d1ε1ε0假設d0,d1知時，此構(gòu)造可用來測未知資料的介電常數(shù)假設ε1知時，此構(gòu)造可用來測某介電資料的厚度〔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呈非線性關系。當極距有一微小變化量dδ時，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，以便獲得近似線性關系。普通取極距變化范圍約為Δd／d0≈0.1。§3-3電容式傳感器結(jié)論：當d/d0<<1時，電容輸出可簡化為：此時，C與d呈線性關系，同時，減小d0可提高傳感器的靈敏度。但d0過小，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)。最大位移應小于間距的1/10,在微位移的丈量中運用廣泛?！?-3電容式傳感器將電容變化量按級數(shù)展開，可得：忽略高次項，變極距型電容傳感器的靈敏度為：思索線性項與二次項：§3-3電容式傳感器傳感器的相對非線性誤差為：結(jié)論：要提高靈敏度，應減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。在實踐運用中，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)的變化對丈量準確度的影響，經(jīng)常采用差動式。為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式構(gòu)造?！?-3電容式傳感器差動平板式電容傳感器構(gòu)造圖當中間的動極板上移d時，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電容式傳感器按級數(shù)展開，電容值的總變化量為：§3-3電容式傳感器相對變化量為：略去高次項，相對非線性誤差為：結(jié)論：電容傳感器做成差動式后，靈敏度添加了一倍，而非線性誤差大大降低了?！?-3電容式傳感器差動式電容傳感器的優(yōu)點：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原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉(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，這種安裝稱為電感式傳感器。優(yōu)點：構(gòu)造簡單，任務可靠，丈量精度高，輸出功率大；能實現(xiàn)信息的遠間隔傳輸。缺陷：靈敏度、線性度和丈量范圍相互制約；傳感器頻率呼應低，不適宜快速動態(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差動變壓器按構(gòu)造方式分：氣隙型和螺管型運用：廣泛的用于位移、振動、壓力、應變、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原理組成：線圈1，銜鐵3和鐵芯2等。圖中點劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為lδ。0.5lδ123x(a)變隙式(b)變截面式傳感器中有一個氣隙lδ，它隨被測物體的位移而產(chǎn)生±lδ的變化，由于銜鐵與其同步挪動，將引起磁路中氣隙磁阻發(fā)生相應的變化，從而導致線圈電感的變化。用于較小行程l1：鐵芯磁路總長；μ1：鐵芯磁導率；l2：銜鐵的磁路長；μ2：銜鐵磁導率；S：氣隙磁通截面積；μ0：真空磁導率，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。由磁路根本知識知，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)對磁通量所呈現(xiàn)的阻力的一個物理量?！?-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，其磁導率遠大于空氣的磁導率，因此鐵芯磁阻遠較氣隙磁阻小，即μ1=μ2>>μ0所以上式可簡化為可見，自感L是氣隙截面積和長度的函數(shù)，即L＝f(S,lδ)，假設S堅持不變，那么L為lδ的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感傳感器；假設堅持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)為非線性關系。當lδ＝0時，L為∞，思索導磁體的磁阻，當lδ＝0時，并不等于∞，而具有一定的數(shù)值，在lδ較小時其特性曲線如圖中虛線所示。如上下挪動銜鐵使面積S改動，從而改動L值時,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當氣隙lδ發(fā)生變化時，自感的變化與氣隙變化均呈非線性關系，其非線性程度隨氣隙相對變化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，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，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，常采用差動式的構(gòu)造。任務原理如下：§3-4電感式傳感器EUSC1342ⅠⅡRR(l-Δlδ)/2(l-Δlδ)/2差動變氣隙式自感傳感器構(gòu)造由兩個電氣參數(shù)和磁路完全一樣的線圈組成。當銜鐵3挪動時，一個線圈的自感添加，另一個線圈的自感減少，構(gòu)成差動方式。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：單線圈和差動式構(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。傳感器任務時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當用恒流源鼓勵時，那么線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關。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——線圈長度rc——銜鐵半徑r——平均半徑μr——鐵心的有效磁導率N——匝數(shù)lc——銜鐵進入線圈的長度假設被丈量與Δlc成正比，那么ΔL與被丈量也成正比。實踐上由于磁場強度分布不均勻，輸入量與輸出量之間關系非線性的。螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線rxl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H〔〕INlx〔l〕鐵芯在開場插入〔x=0〕或幾乎分開線圈時的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長度時的靈敏度小得多。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?！?-4電感式傳感器為了提高靈敏度與線性度,常采用差動螺管式自感傳感器。這種差動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差動螺旋管式自感傳感器(a)構(gòu)造表示圖(b)磁場分布曲線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：①構(gòu)造簡單，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，易受外部磁場干擾；④由于磁阻高，為了到達某一自感量，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的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的根本原理制成的，并且次級繞組用差動方式銜接，故稱差動變壓器式傳感器。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的機械位移?！?-4電感式傳感器構(gòu)造及任務原理原理：當初級線圈加上某一頻率的正弦交流電壓后，次級線圈產(chǎn)生感應電壓e21,e22，它們的大小與鐵芯在線圈內(nèi)的位置有關，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)，差動變壓器的等效電路如圖。初級線圈的電流值為：ω—鼓勵電壓的角頻率；e1—鼓勵電壓；e1初級線圈鼓勵電壓L1,R1初級線圈電感和電阻M1,M1分別為初級與次級線圈1,2間的互感L21,L22兩個次級線圈的電感R21,R22兩個次級線圈的電阻§3-4電感式傳感器N2為次級線圈匝數(shù)。Rm1和Rm2是經(jīng)過兩個次級線圈的磁阻。在次級線圈中感應出電壓e21和e22，其值分別為初級線圈對兩次級線圈的互感系數(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電感式傳感器運用丈量振動、厚度、應變、壓力、加速度等各種物理量。1.差動變壓器式加速度傳感器用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必需是振動頻率的十倍以上，才干得到準確的丈量結(jié)果?？烧闪康恼穹鶠?0.1～5)mm，振動頻率為(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差動變壓器§3-4電感式傳感器2.微壓力變送器將差動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差動變壓器6銜鐵7罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動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，輸出信號電壓為(0～50)mV，精度為1.5級?！?-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。又稱自發(fā)電式傳感器及電勢式傳感器。壓電傳感器的任務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。特點：體積小、分量輕、構(gòu)造簡單、靈敏度高、任務可靠；適宜動態(tài)力學丈量，不能丈量靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力學或壓力的丈量。壓電傳感器是一個機電轉(zhuǎn)換元件。運用：拾音器、壓電引信、燃氣點火具?！?-6壓電式傳感器§3-6壓電式傳感器一、壓電效應一些晶體構(gòu)造的資料，當沿著一定方向遭到外力作用時，內(nèi)部產(chǎn)生極化景象，同時在某兩個外表上產(chǎn)生符號相反的電荷；而當外力去掉后，又恢復不帶電的形狀；當作用力方向改動時，電荷的極性也隨著改動。晶體受作用力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種機械能轉(zhuǎn)換為電能的景象稱為正壓電效應。反之，假設給晶體施加以交變電場，晶體本身那么產(chǎn)活力械變形，這種景象稱為逆壓電效應，又稱電致伸縮效應。壓電效應具有可逆性。電能機械能正壓電效應逆壓電效應§3-6-1壓電效應ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系ZYX晶體縱向壓電效應:通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應〞；橫向壓電效應:而把沿機械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應；沿光軸Z－Z方向受力那么不產(chǎn)生壓電效應。光軸電軸機械軸§3-6-1壓電效應縱向壓電效應橫向壓電效應：在Y－Y方向受力產(chǎn)生的壓電效應，其電荷分布與X－X方向受力所產(chǎn)生的壓電效應情況相反；當Y方向受壓時〔FY<0〕，X正半軸方向產(chǎn)生負電荷，X負半軸方向產(chǎn)生正電荷;當Y方向受拉時〔FY>0