常用傳感器原理及應(yīng)用學(xué)習(xí)教案

會(huì)計(jì)學(xué)1常用(chánɡyònɡ)傳感器原理及應(yīng)用第一頁，共35頁。4.1概述(ɡàishù)一、傳感器的定義傳感器（transducer/senor）是將被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用的某種物理量的裝置(zhuāngzhì)。通常將傳感器看作是一個(gè)把被測非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置(zhuāngzhì)。測力計(jì)壓力計(jì)溫度計(jì)第1頁/共35頁第二頁，共35頁。二、傳感器的組成(zǔchénɡ)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：敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入,它把輸入轉(zhuǎn)換成電量參量(cānliàng)。轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號(hào)的電路。第2頁/共35頁第三頁，共35頁。三、傳感器的類型(lèixíng)1、按被測對(duì)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、按被測量的轉(zhuǎn)換特征分：結(jié)構(gòu)型和物性型。結(jié)構(gòu)型傳感器：是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的。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。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身(běnshēn)物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。例如利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象制成水銀溫度計(jì)來測溫；利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成壓電測力計(jì)等。4、按照能量的傳遞方式分：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。能量控制型傳感器是從外部供給輔助能量使其工作的，并由被測量來控制外部供給能量的變化；能量轉(zhuǎn)換型傳感器是直接由被測對(duì)象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等。第3頁/共35頁第四頁，共35頁。4.2電阻(diànzǔ)應(yīng)變式傳感器一、電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用(chánɡyònɡ)的傳感元件為電阻應(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)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)工作的。金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械(jīxiè)變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械(jīxiè)變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。第4頁/共35頁第五頁，共35頁。金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和測量(cèliáng)原理電阻絲應(yīng)變片是用直徑為0.025mm具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基底(jīdǐ)上。電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護(hù)作用的覆蓋層。第5頁/共35頁第六頁，共35頁。原理(yuánlǐ)公式：K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)(xiāngduì)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(bǐlì)極限范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與其所受的軸向應(yīng)變是成正比的。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。彈性體或試件的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)的變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可測量應(yīng)變。第6頁/共35頁第七頁，共35頁。1）將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。例如，為了研究(yánjiū)或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用形狀不同的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測部位，可測得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等。第7頁/共35頁第八頁，共35頁。2）應(yīng)變片粘貼(zhāntiē)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的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。當(dāng)被測物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂(xuánbì)梁隨之產(chǎn)生于位移相等的撓度，因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。將應(yīng)變片接入橋路，輸出與位移成正比的電壓信號(hào)。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(chǎnshēng)慣性力，懸臂梁在慣性力的作用下產(chǎn)生(chǎnshēng)彎曲變形。梁的應(yīng)變在一定的頻率范圍內(nèi)與振動(dòng)體的加速度成正比。第8頁/共35頁第九頁，共35頁。2、半導(dǎo)體應(yīng)變(yìngbiàn)片1）壓阻效應(yīng)(xiàoyìng):半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)(xiàoyìng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)(xiàoyìng)特別強(qiáng)。對(duì)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)體電阻材料的靈敏(línɡm(xù)ǐn)系數(shù)比金屬絲的要高50～70倍。第9頁/共35頁第十頁，共35頁。2）壓阻式傳感器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的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的微壓；測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高；可測量低頻(dīpín)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。第10頁/共35頁第十一頁，共35頁。4.3電感式傳感器電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。它是把被測量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同(bùtónɡ)，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(zìɡǎn)式傳感器（可變磁阻式傳感器）可變磁阻式傳感器自感(zìɡǎn)

自感(zìɡǎn)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)第11頁/共35頁第十二頁，共35頁。1、變氣隙式L與δ呈非線性（雙曲線）關(guān)系。傳感器的靈敏度為

靈敏度S與氣隙長度(chángdù)δ的平方成反比，δ愈小，靈敏度S愈高。這種傳感器適用于較小位移的測量，一般約為0.001～1mm。第12頁/共35頁第十三頁，共35頁。2、變面積(miànjī)式自感(zìɡǎn)L與S0呈線性關(guān)系，這種傳感器靈敏度較低。第13頁/共35頁第十四頁，共35頁。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(zhìzào)容易，但靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米)測量。第14頁/共35頁第十五頁，共35頁。雙螺管線圈(xiànquān)差動(dòng)型，較之單螺管線圈(xiànquān)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(xiànquān)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(hùgǎn)式）第15頁/共35頁第十六頁，共35頁。三、電渦流(wōliú)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)的線圈，由線圈產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板的表面(biǎomiàn)。在金屬板表面(biǎomiàn)薄層內(nèi)產(chǎn)生渦流i，渦流i又產(chǎn)生反向的磁場，反作用于線圈上，由此引起線圈自感L或線圈阻抗z的變化。L的變化程度取決于線圈至金屬板之間的距離δ、金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及激勵(lì)電流i的幅值與角頻率ω等。當(dāng)被測位移量發(fā)生變化時(shí)，使線圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致線圈阻抗z的變化，通過(tōngguò)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。第16頁/共35頁第十七頁，共35頁。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的上下，低頻(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，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的磁力線減少，從而使ω2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e2減小。e2的大小與G的厚度及材料性質(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)(zhǐshù)規(guī)律減小。因而按e2的變化便可測得材料的厚度。第17頁/共35頁第十八頁，共35頁。第18頁/共35頁第十九頁，共35頁。4.4電容式傳感器電容式傳感器是將被測量(cèliáng)（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。一、電容式傳感器的工作原理(yuánlǐ)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)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過(tōngguò)配套的測量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，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。第19頁/共35頁第二十頁，共35頁。1.

極距變化(biànhuà)型電容式傳感器在電容器中，如果兩極板相互(xiānghù)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，引起電容量的變化為靈敏度第20頁/共35頁第二十一頁，共35頁。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，為了提高傳感器的靈敏度、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）的變化對(duì)測量精度(jīnɡdù)的影響，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。第21頁/共35頁第二十二頁，共35頁。2.面積變化型電容式傳感器面積變化型電容傳感器的工作原理是在被測參數(shù)的作用下來變化極板的有效面積，常用(chánɡyònɡ)的有角位移型和線位移型兩種。由于平板型傳感器的可動(dòng)極板稍有極距方向移動(dòng)會(huì)影響(yǐngxiǎng)測量精度。

第22頁/共35頁第二十三頁，共35頁。上述(shàngshù)可知，面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)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的測量。第23頁/共35頁第二十四頁，共35頁。3.介電常數(shù)變化型電容傳感器

大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板(jíbǎn)間介質(zhì)的介電常數(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)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理δ、h、ε0—兩固定極板(jíbǎn)間的距離、極間高度及間隙中空氣的介電常數(shù)；δx、hx、ε—被測物的厚度、被測液面高度和它的介電常數(shù)；l、b、ax—固定極板(jíbǎn)長、寬及被測物進(jìn)入兩極板(jíbǎn)中的長度（被測值）；r1、r2—內(nèi)、外極筒的工作半徑。

第24頁/共35頁第二十五頁，共35頁。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(duì)變化大。(3)動(dòng)態(tài)特性好。(4)能量損耗小。(5)結(jié)構(gòu)(jiégòu)簡單，適應(yīng)性好。主要缺點(diǎn):非線性大。第25頁/共35頁第二十六頁，共35頁。應(yīng)用(yìngyòng)（1）電容式測厚儀:測量(cèliáng)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)，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)和顯示出帶材的厚度。第26頁/共35頁第二十七頁，共35頁。（2）電容式轉(zhuǎn)速(zhuànsù)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(zhuǎnhuàn)為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為z,頻率為f,則轉(zhuǎn)速為:第27頁/共35頁第二十八頁，共35頁。4.5壓電式傳感器壓電式傳感器是以某些材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力的作用(zuòyòng)下，這些材料的表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。一、壓電效應(yīng)與壓電材料(cáiliào)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)的極化方向施加電場，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)。第28頁/共35頁第二十九頁，共35頁。明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。常用的壓電材料有：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(yīzhǒnɡ)新型的高分子物性型傳感材料得到廣泛的應(yīng)用。（新型材料）第29頁/共35頁第三十頁，共35頁。二、等效電路

壓電元件等效為一個(gè)(yīɡè)電荷源Q和一個(gè)(yīɡè)電容器C0并聯(lián)的等效電路。也可等效為一個(gè)(yīɡè)電壓源U和一個(gè)(yīɡè)電容器C0串聯(lián)的等效電路。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)測量電路的漏失減小到足夠小的程度；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的電流，故壓電式傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測量。第30頁/共35頁第三十一頁，共35頁。三、壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式

在實(shí)際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產(chǎn)生(chǎnshēng)足夠的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，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：兩壓電元件的負(fù)極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，此時(shí)電容量大，輸出電荷量大，適用于測量(cèliáng)緩變信號(hào)和以電荷為輸出的場合。串聯(lián)連接：上極板為正