常用传感器与敏感元件

常用传感器与敏感元件赵汗青机电教研室学习重点1）获取被测量的基本方法，传感器的分类及依据的原理；2）参量型（电阻、电容、电感）传感器的作用原理、测量电路和典型应用；3）传感器的选用原则可转换的信号机械信号电信号辐射信号（光波超声波红外波）流体信号传感器的作用传感器：工程测量中通常把直接作用于被测量，并能按一定方式将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。按被测物理量按工作原理机械式电子式光学式流体式按能量变换关系能量转换型能量控制型物性型结构型集成化传感器多环节集成多参量集成模拟式数字式按信号变换特征按输出信号分位移传感器力传感器温度传感器等3.传感器的性能要求1）足够的容量2）匹配性好，转换灵敏度高3）精度适当，稳定性高4）反应速度快，工作可靠性高5）适应性和适用性强一、电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器按工作的原理可分为:热敏式电阻应变式变阻器式光敏式电敏式3.2电阻式传感器二、变阻器式传感器

直线位移型：

R=ktx

kt为单位长度中的电阻。

其灵敏度：角位移型 灵敏度：

α－触点转角(rad)；

kr－单位弧度对应的电阻值。变阻器式传感器变阻器的分辨率

取决于电阻元件的结构型式。为在小范围空间中得到足够高的电阻值，常采用线绕式电阻元件。当滑臂触点从一圈导线移动至下一圈时，电阻值的变化是台阶形的，由此则限制了器件的分辨率。实际中能做到绕线间的密度为25圈/mm，对直线移动式装置来说，分辨率最小为40μm，而对一个单线圈5cm直径的转动式电位计来说，其最好的角分辨率为约0.1o。为改善分辨率，也可采用碳膜或导电塑料电阻元件。

电阻应变式传感器--应变片金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即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。电阻式传感器1)工作原理金属应变片的电阻R为电阻式传感器(1)

金属应变片（不变）金属应变计(2)半导体应变片（变化）半导体应变计电阻式传感器2)金属应变计金属应变计有:丝式和箔式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计电阻式传感器3)半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。应变计电阻式传感器体型薄膜型扩散型

案例：4)应用电阻式传感器案例：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。德国HBM电阻应变式传感器电阻式传感器2.金属应变片的主要参数：①

基长l：又称标距，即敏感栅的纵向长度。②

基宽b：敏感栅的横向宽度。③

电阻值R：指应变片未经安装也不受外力情况下于室温时所测定的电阻值。有60Ω，120Ω，200Ω，350Ω，1000Ώ几种规格，最常用的为120Ω。④

灵敏度S：即单位应变引起的电阻相对变化，是应变片的重要技术参数，通常S=2。⑤允许电流：允许通过应变片的最大工作电流。三、应变片的粘贴常用的粘接剂：环氧树脂、酚醛树脂等；高温下：专用陶瓷粉末等无机粘接剂。对粘接剂的要求：保证粘接面有足够的强度、绝缘性能、抗蠕变、以及温度变化范围等。使用粘接方法的温度范围：-249℃～816℃对超高温度来说，常要采用焊接技术来进行连接。四、应变片的应用

结构的应力和应变分析；用于制成力、位移、压力、力矩和加速度等测量传感器。图4.10粘贴应变计的力和力矩传感器（a）拉力杆（b）压力杆（c）弯曲悬臂（d）扭矩轴3.3电容式传感器

1.变换原理:

将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++A

当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。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。第三章常用传感器2分类

a)极距变化型;+++c)介质变化型电容式传感器

b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.一、间隙变化型

这种类型的传感器常常固定一块极板（图中极板2）而使另一块极板移动（图中极板1），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， 将上式按泰勒级数展开为：(4.38)(4.39)变间隙式电容传感器

当Δδ为小值时，当Δδ/δ=0.1时，可得电容变化量 电容传感器的灵敏度 实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构。 由此可得灵敏度二、面积变化型

采用改变电容器极板面积是另一种获取电容传感器输出变化的方法。

面积变化型电容传感器

图中(b)为通过线性位移改变电容器极板面积的型式。当动电极在x方向有位移Δx时，极板面积的改变量将是 电容的改变量将是 其灵敏度 可见该灵敏度为一常数，因此输入、输出关系为线性。

图中(a)为转角型结构，当改变两极板间的相对转角时，两极板的相对公共面积发生变化。由图可知，该公共覆盖面积

α-公共覆盖面积对应的中心角；

r-半圆形极板半径。 因此当有转角变化Δα时，电容量改变 同样得这种情况下电容器的灵敏度该灵敏度为一常数，输入与输出仍为线性关系。

图中（c）为圆柱体线位移型结构，其中圆周为固定，圆柱在其中移动。利用高斯积分可得该电容器的电容量 式中

D－圆周内径；

d－圆柱外径。 两者覆盖长度x的变化为Δx时，电容变化量 其灵敏度也可将变面积型传感器做成差动型的。中间电极移动式电容传感器（a）板式（b）柱式（c）柱式差动型三、介质变化型介质变化型传感器的分类极板上覆盖有介质；介质可移动。图4.47介质变化型传感器（a）极板上覆盖有介质（b）介质可移动极板上覆盖有介质 如图所示，该电容器具有两不同的电介质，其介电常数分别为εr1和εr2，其介质厚度分别为a1和a2，且a1+a2=a0。整个装置可视为由两电容器串联而成，其总电容量C由两电容器的电容C1和C2所确定，由此得(4.53)极板上覆盖有介质(4.54) 为分析简单起见，设介质1为空气，即εr1=1，则(4.54)式变为：(4.55)

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。

介质可移动 这种结构相当于将两电容器作并联。此时的总电容由两部分组成：电容C1(介电常数εr1，极板面积b0(l0-l))和电容C2(介电常数εr2，极板面积b0l)。由此得： 设介质1为空气，因此εr1

=1，又设介质全部为空气的电容器的电容为C0，则C0=ε0b0l0/a0。由于介质2的插入所引起的电容C的相对变化ΔC/C0则正比于插入深度l：这一原理常用于对非导电液体和松散物料的液位或堆积高度的测量。(4.57)图4.48测量非导电液或松散物料填充高度的电容传感器

电容式传感器所测出的电容及电容变化量均很小，因此必须后接适当的放大电路将它们转换成电压、电流或频率等输出量。运算放大器电路 将公式（4.37）代入上式可得

式中

ei——信号源电压；

eo——运放输出电压；

co——固定电容；

cx——传感器等效电容。运算放大器式电路输出电压eo与电容传感器间隙δ成正比关系。

电桥测量电路 根据电桥平衡公式有：

其中实部有： 上式可通过调节可调电阻R1来满足，对虚部则有： 同样可通过调节可调电容器C1来实现。当电容传感器C2有变化时，则电桥相应地有输出。(4.60)(4.61)(4.62)(4.63)图4.51文氏式电容测量电桥调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率f为： 式中L——振荡回路电感。 当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化。其输出经限幅、鉴频和放大后变成电压输出。(4.66)图4.53调频电路工作原理电容传感器的最大缺点：易受连接电缆线形成的寄生电容的影响。消除寄生电容的方法：将后续电路的前级放置在紧靠电容传感器的地方，以尽量减少电缆长度及位置变化带来的影响。采用等电位传输（亦称驱动电缆）技术。图4.54驱动电缆工作原理3应用1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2.位移，移动，位置，膨胀3.挠度，变形，波动，倾斜4.尺寸，公差，分选，零件识别5.冲击，应变，轴向振动6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心电容式传感器

3.4电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型第三章常用传感器1自感型--可变磁阻式a)变间隙型原理:电磁感应电感式传感器b)变面积型c）螺线管型电感式传感器d)差动型电感式传感器2涡流式原理:涡流效应原线圈的等效阻抗Z变化：电感式传感器a)高频反射式：（集肤效应）电感式传感器b)低频透射式：（互感原理）应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;

压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,

应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：板的厚度测量

~案例：张力测量电感式传感器案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测电感式传感器案例：测厚案例：零件计数电感式传感器3变压器式--差动变压器工作原理:互感现象.电感式传感器3.7传感器选用原则

选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。

1、灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。

a)灵敏度过高引起的干扰问题；

b)量程范围。

c)交叉灵敏度问题。第三章常用传感器3响应特性传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。2线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。在线