C4-模拟量传感器解析

C4模拟量传感器传感器作用及分类电阻式传感器电感式传感器电容式传感器压电式传感器磁电式传感器4.1传感器的作用与分类4.1.1传感器的作用2.变换作用：将非电量变换成电量。传感器是限制系统中的第一个环节，它具有两个作用：敏感作用：感受物理量的变更，以完成对被测信号的拾取。对应这两个作用，传感器一般由两部分组成，即敏感元件与变换元件，二者有时很简洁分开，有时合二为一。传感器是以确定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器通常由三部分组成：敏感元件：干脆感受被测量,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、记录或限制的有用的电信号的电路。4.1.2传感器的分类按输出信号是模拟量还是数字量，可分成模拟传感器与数字传感器。（I(t)，V(t)，数字量，频率量）。按变换原理，可分为参量型与发电型参量型：被测量使传感器本身的电参量R、L、C变更，这种传感器工作时必需有外加电源，故又称为无源型，通常将其接入电桥、谐振电路等信号调整器中，再变换成电压或电流量。发电型：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可干脆接入放大器或记录仪器，所以又称为有源型，一般不需外加电源，如热电偶、压电型传感器等。但由于能量有限，通常还要接放大器。发电型参量型测力计压力计4.1.3传感器工作原理与标定

任何一种传感器其工作原理都是基于某一种物理现象或化学现象。这种现象抽象成若干个物理量（其中有一个电量）按确定规律相互影响，可用一个数学公式来表示（建立一个数学模型），即：通常为电量的y=f(x1,x2,……,xn)（通常为非电量）如：R=ρL/A就描述了四个物理量间的关系。传感器的制造：能够让被测量影响某一个参数，而通过另一个电参数的变更来反映被测量的大小，既传感器的设计、研制都要基于某种物理效应，在此基础上再设计出敏感部分的结构以及变换部分的结构。传感器在运用之前一般要进行标定，即确定输入与输出的关系，通常由于制作误差和原理的志向化，使输入输出不能严格满足志向的物理公式。所以，只有给定已知输入，确定输入、输出二者间关系后才能运用。4.2电阻传感器

1、变阻器式传感器（电位器式传感器）1）工作原理电阻式传感器可分为电位计式和应变式。电位计式传感器通常用电阻丝绕在框架上，变更电阻丝的接入长度，引起输出电阻的变更。位移变更转换为阻值的变更等效电路分析:L-变阻器总长;x-电刷移动量.C点与A点电阻：灵敏度：kl-单位长度电阻值传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系xLACBEE1负载特性(其后接电路一般接受电阻分压电路)ERLRxR-RxE1为减小后接电路的影响，一般RL>>R0LE分类单圈电位器（一般用于音量限制)多圈电位器（精密调整电路中)直线滑动式电位器(一般用于电视机、音响中作音量限制或均衡限制)优点结构简洁，价格低廉，且性能稳定；受环境温度影响小；输出信号大，一般不需放大缺点电刷与线圈式电阻膜之间摩擦，需较大的输入能量；磨损与尘埃引起接触电阻变更，引入噪声,影响运用寿命，降低牢靠性精度低，动态响应差应用：主要用来测量位移、压力、加速度等2）电阻应变式传感器--应变片基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发朝气械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变更而发生变更的现象。金属电阻应变片半导体应变片①工作原理金属应变片的电阻R为工作时把应变片用特制胶水粘贴在弹性元件或须要测量变形的物体表面，外力作用下，电阻丝伴同物体一起变形，其电阻值发生相应变更。（压力）代入有：金属丝截面积：金属丝体积不变：有：单位应变所引起的电阻相对变更对金属材料，导电率不变或很小，即金属丝应变片：表明电阻相对变更率与应变成正比，称比值S为应变系数或灵敏度，即：（取值一般在1.7～3.6）优点：结构简洁，性能稳定，价格低;缺点：精度不高，灵敏度低分丝式和箔式，有单轴，多轴（应变花），同轴多栅等多种类型半导体应变片简化为：基于半导体材料的压阻效应：半导体材料受到外力作用时，电阻率发生变更。（或者温度、光辐射）对半导体来说，由几何尺寸引起，优点：灵敏度高;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。灵敏度：金属丝电阻应变片——利用导体形变引起电阻变更；半导体应变片——利用半导体电阻率变更引起电阻变更。（是金属丝灵敏度的50－70倍）②应变片的主要参数

（4）其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞后、乏累寿命、横向灵敏度等）。（1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，常用b×L表示。（2）电阻值：应变计的原始电阻值。（3）灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。③电阻应变片应用应变式传感器应用的两种方式：弹性体－把被测的物理量（力、扭矩、压力）转化为弹性体的应变值应变片－作为传感元件，将应变转换为电阻值的变更干脆测力或应变为探讨机械、桥梁等构件在工作状态下的受力变形态况，可利用不同形态的应变片贴在构件的预定部位，测其拉、压应力、扭矩或弯矩，为结构设计、应力校核或构件破坏预料供应试验数据。应变片贴在弹性体上可测力、位移、压力、加速度等梁的应变与质量块相对于基座的位移成正比④应变片测量电路VER1R2R4R3接受转换电路把电阻的变更转换为电压或电流的变更，这种电路称为测量电路。电桥abcdI1I2R1R2R3R4UiUo组桥时，应变片的灵敏系数必需一样，初始零位表明各桥臂应变对电桥输出的影响－相对桥臂应变值相加，相邻桥臂应变值相减全桥方式工作方式单臂双臂全桥应变片所在桥臂R1R1,R2R1,R2,R3,R4输出电压UoR1或R1,R3产生＋ΔR,R2或R2,R4产生-ΔR应变片电桥工作方式和输出电压温度补偿概念：作为测量应变的金属应变片，希望电阻值仅随应变变更，而干扰因素主要是温度变更。缘由：①电阻温度效应：②线膨胀系数不同产生的电阻变更：其中：β1--试件线膨胀系数

β2--电阻丝线膨胀系数S--应变片灵敏度桥路补偿

利用电桥相邻的相等两臂同时产生大小相等、符号相同的电阻增量（加减特性），从而不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿。abcdI1I2UiUoR1±△RR4±△RR3±△RR2±△R全桥补偿法abcdR1＋△RR3R4UiUoR2＋△R半桥补偿法R1-工作片R2-温度补偿R1、R2

-工作片R3、R4

-温度补偿案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。晶振输出CPU时钟输出电源+电源地串行时钟输入串行数据输出片选测试输出差分信号输入+差分信号输入-电压参考-电压参考+晶振输入串行数据输入测试输出测试输出中断输出复位测试输出测试输出差分信号输入+差分信号输入-模拟电源+模拟电源地CS5550管脚引线4.3电感式传感器1.自感式传感器1)工作原理：线圈的自感与磁路的磁阻有关。其中w－线圈匝数，Rm－磁路磁阻磁阻Rm与磁路各段的性质有关，磁路通常由铁芯及铁芯间的空气隙组成。μi,μ0分别为铁芯和空气隙的磁导率。Ai为各段铁芯及空气隙的截面积。li和δi分别为铁芯长度和空气隙厚度。基本原理：将被测量的变更转化位电感量的变更。在变压器中，铁芯为闭合回路，因此空气磁阻为0，而在传感器中，则利用空气磁阻，在磁阻的表达式中。∵μ0<<μi,即Rm主要由空气的磁阻构成。

通常只要（设法）使空气隙的厚度δ和截面积Ai发生变更，便可以使自感发生变更，因此可构成下列三种传感器。变气隙式工作原理及结构：灵敏度：

呈非线性。

变气隙截面式：输出为线性螺管式在螺管线圈内插入铁芯，铁芯上下移动时，磁阻发生变更，这种传感器制造简洁，适用于较大位移测量（数毫米），但灵敏度较低。2）好用差动式自感传感器。一般好用的自感式传感器，通常是构成差动式的，其输出特性大有改善。以变气隙式为例：在初始位置时，衔铁位于气隙的中间，两线圈的电感值：L1=L2=L总电感的变更量：dLS=L1-L2=0。L1=L+dL，L2=L-dL由于两个电感量一个增加，一个减小，因此称之为差动式。总的电感变更量dLS=L1-L2=2dL当被测量使衔铁偏离中间位置时，两个磁路的磁阻由于气隙厚度变更而发生变更，两个电感分别变更为：灵敏度

可见，不仅灵敏度提高，而且线性范围也增加了。因此，运用自感传感器多组成差动式，如差动变气隙，差动变面积，差动螺管式。通常接入电桥进行测量，用来测量位移量。由此可见，差动式传感器比单边传感器的灵敏度提高一倍，其输出特性为△L～△δ双螺管线圈差动型差动变面积型4.2.1磁电式传感器1.工作原理：依据电磁感应定理，一个匝数为w的线圈，当穿过该线圈的磁通Φ发生变更时，其感应电动势的大小为：电动势与磁通变更量有关。导致磁通变更的缘由有多种，当线圈的匝数及磁感应强度不变时，磁通的变更率与磁路的磁阻及线圈在磁场中的运动速度有关。依据利用被测量变更线圈速度或磁阻的方式，可将电动式传感器分成动圈式和变磁阻式。①动圈式工作原理a.线圈在磁场中作直线运动

其中，w－线圈匝数，B－磁感应强度，l－单匝线圈有效长度，v－线圈与磁场的相对速度。b.线圈在磁场中作旋转运动

其中，k－与结构有关的系数（＜１），A－线圈的截面积，ω－角速度。

②变磁阻式工作原理：一般通过变更传感器到被测对象间的气隙厚度等方法来变更磁路磁阻。2.电动式传感器的构成及其应用①振动测量动圈式相对速度传感器：由两部分组成，一部分安装在被测物体上，通常是磁铁与壳体，另一部分是线圈，固定在参照物体上；当两个物体产生相对运动时，便产生电压量输出。（P104图5－40）动圈式确定速度传感器：传感器壳体固定在被测振动物理上，当壳体以大于某一频率点的频率振动时，线圈芯轴系统（质量大，惯性力大）相对于大地是静止的，因此壳体磁钢与线圈之间的相对速度就是被测物体的确定速度，线圈以这一速度切割磁力线，产生的电动势的大小即反应了被测对象的运动速度。（P104图5－41）变磁