包装工程测试4参考

第四章常用传感器4.1概述4.2电阻传感器

4.3电容传感器4.4电感传感器4.5磁电传感器4.6压电传感器4.7磁敏传感器4.8传感器选用原则▼▼▼▼▼▼▼▼4.1概述1.传感器(Sensor)定义

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。狭义上，非电信号电信号。在非电量电测系统中的作用

敏感作用：感受并拾取被测对象的信号

变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。获得传感器信号的两种方法直接获得电信号的变化（开关传感器）；2.传感器的分类(1)按被测物理量分类(2)按传感器元件的变换原理分类位移传感器,流量传感器,温度传感器等.电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等.能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.

例如:电阻应变片.能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测.

例如:超声波发生器和接受器.(3)按传感器的能量传递方式分类3.传感器的性能要求工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力与检测系统匹配性好，转换灵敏度高精度适当，稳定性高反应速度快，工作可靠性高适应性和适用性强4.常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转速,

质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,

流量;声:

声压,噪声.磁:

磁通,磁场.温度:

温度,热量,比热.光：亮度，色彩▲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湿敏式4.2电阻式传感器1.可调电位器

为输出电压(V)；为外加固定电压(V);

为材料的总电阻();为固定端至滑块的电阻()2.应变式电阻传感器丝式应变片

箔式应变片

(1).应变效应导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。应变片受力

应变

比例关系

比例关系

应变片电阻的变化

(2).工作原理式中，ρ——导线的电阻率，又称为电阻系数金属导线的应变电阻效应：当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。S由两部分组成：前一部分(1+2μ)是由金属导线的几何变形引起的；后一部分λE除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。μ：泊松系数，E:弹性模量，ε:纵向应变，λ:压阻系数

推导<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(3).应变片的主要参数

1)几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用

b×L表示。2)电阻值：应变计的原始电阻值。

3)灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4)其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。

(4).金属应变计金属应变计有:

1、丝式

2、箔式

3、薄膜式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计(5).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。应变计体型薄膜型扩散型立柱应力

桥梁应力

(6).应变式电阻传感器的应用

德国HBM电阻应变式传感器

质量传感器

位移传感器

加速度计

压力传感器

压力传感器

转矩传感器

3.其他电阻传感器

(1).热电阻传感器

利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。温度(热量)的变化电阻的变化温度检测

:-200℃～+500℃(2).热敏电阻传感器

圆形热敏电阻柱形热敏电阻珠形热敏电阻热敏电阻在电路中的符号非线性元件:它的温度-电阻关系是指数关系

温度为-50℃～＋350℃

(3).光敏电阻传感器

(4).湿敏电阻传感器

▲光敏电阻主要被用作自动控制中的开关元件检测空气湿度(水分)。某些金属氧化物(如氧化锂)，能在水中电离，当吸收水分后，氧化物的电离程度增大，导电性增加而电阻减小。4.3电容式传感器

1.变换原理

将被测物理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。2.分类

a)极距变化型+++c)介质变化型b)面积变化型:平面线位移型,角位移型,柱面线位移型3.灵敏度

a)极距变化型传感器的灵敏度近似为：变极距电容传感器

平板电容器传感器灵敏度b)面积变化型a)直线位移型

直线位移型b)角位移型

传感器灵敏度角位移型c)介质变化型介质常数变化型电容式传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。

电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接被目前的显示仪表显示，也很难被记录仪接受，不便于传输。必须借助测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。4.电容传感器的测量电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此加入鉴频器，用此鉴频器可调整地非线性特性去补偿其他部分的非线性，并将频率的变化转换为振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如下图所示，Cx为电容变换器。（1）调频测量电路4电容式传感器的测量电路图中调频振荡器的振荡频率为式中：L0——振荡回路的电感；C

——振荡回路的总电容，

。其中，C1为振荡回路固有电容；C2为传感器引线分布电容；而为传感器的电容。

图4-12调频式测量电路原理框图4电容式传感器的测量电路当被测信号为0时，ΔC=0，则，所以振荡器有一个固有频率：当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为：调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度，可以测至0.01μm级位移变化量。信号输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收以实现遥测遥控。4电容式传感器的测量电路

运算放大器的放大倍数K非常大，而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。下图是运算放大器式电路原理图。图4-13运算放大器式电路原理图（2）运算放大器式电路4电容式传感器的测量电路图中Cx为电容式传感器，是交流电源电压，是输出信号电压，Σ是虚地点。由运算放大器工作原理可得：如果传感器是一只平板电容，则Cx=εA/d，代入上式有：上式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。4电容式传感器的测量电路

二极管双T型交流电桥又称为二极管T型网络，如图所示。e是高频电源，它提供幅值为Ui的对称方波，VD1、V为特性完全相同的两个二极管，，C1、C2为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时，C1=C2。图4-14二极管双T型交流电桥（3）二极管双T型交流电桥4电容式传感器的测量电路电路工作原理如下：当e为正半周时，二极管导通、截止，于是电容C1充电；在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1、负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。在负半周内，导通、截止，则电容C2充电；在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。根据上面所给的条件，电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。4电容式传感器的测量电路若传感器输入不为0，则C1≠C2，那么I1≠I2，此时RL上必定有信号输出，其输出在一个周期内的平均值为:

式中f为电源频率。当RL已知，上式中（常数），则：输出电压U0不仅与电源电压的幅值和频率有关，而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压U0是电容C1和C2的函数。4电容式传感器的测量电路该电路输出电压较高，当电源频率为1.3MHz,电源电压Ui=46V时,电容从-7～+7pF变化，可以在1MΩ负载上得到-5～+5V的直流输出电压。电路的灵敏度与电源幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。当Ui幅值较高，使二极管工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2及RL有关，其值为1～100kΩ。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1kΩ的负载电阻上升时间为20μs左右，故可用来测量高速的机械运动。4电容式传感器的测量电路

下图为一种差动脉冲宽度调制电路。当接通电源后，若触发器Q端为高电平(U1)，端为低电平(0)，则触发器通过R1对C1充电；当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器IC1产生一个脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平，端为高电平(U1)。图4-15差动脉冲调宽电路（4）脉冲宽度调制电路4电容式传感器的测量电路此时，电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器IC2输出一个脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。当C1=C2时，各点的电压波形如下图(a)所示，Q和两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1＞C2时，各点的电压波形如下图(b)所示，Q、两端间的平均电压（经一个低通滤波器）为：4电容式传感器的测量电路

上式中：T1和T2分别为端和端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。（a）（b）图4-16各点电压波形图4电容式传感器的测量电路根据电路知识可求出将这两个式子代入上式，可得当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，由上式有：4电容式传感器的测量电路这种电路只采用直流电源，无需振荡器，要求直流电源的电压稳定度较高，但比高稳定度的稳频稳幅交流电源易于做到。用于差动式变面积型电容传感器时有：这种电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出；直流信号的极性取决于C1和C2；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。4电容式传感器的测量电路如下图所示，C1、C2为传感器的两个差动电容。图4-17变压器电桥（5）变压器电桥4电容式传感器的测量电路电桥的空载输出电压为：对变极距型电容传感器，，代入上式得：可见，对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。

电容式传感器由于结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以它可以在温度变化大、有各种辐射等恶劣环境下工作。电容式传感器可以制成非接触式测量器，响应时间短，适合于在线和动态测量。电容式传感器具有高灵敏度，且其极间的相互吸引力十分微小，从而保证了较高的测量精度。近年来电容式传感器被广泛地应用在厚度、位移、压力、密度、物位等物理量的测量中。下面简单介绍几种电容式传感器的应用。5.电容式传感器应用5电容式传感器的应用湿度的检测广泛用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域。湿度的测量一般用湿敏元件。常用的湿敏元件有阻抗式湿敏元件和电容湿敏元件。前者的阻抗与湿度曲线呈现非线性；后者的电容与湿度曲线基本呈线性关系。下面介绍MC-2型电容湿敏元件的应用，其基本原理是相对湿度的变化影响到聚合物的介电常数，从而改变了传感器的电容值。传感器测量电路包括自激多谐振荡器、脉宽调制电路、频率/电压转换器电路F/V和A/D转换器。如下图所示。（1）数字湿度计5电容式传感器的应用图4-18数字湿度计电路5电容式传感器的应用下图所示为频率型差动式电容测厚传感器系统组成框图。

（a）（b）图4-19频率型差动式电容式电容测厚传感器原理框图（2）差动式电容测厚传感器5电容式传感器的应用

将被测电容C1、C2作为各变换振荡器的回路电容，振荡器的其它参数为固定值，等效电路如图（b）所示，图中C0为耦合和寄生电容，振荡频率f为式中：

——极板间介质的相对介电常数；A——极板面积；dx——极板间距离；Cx——待测电容器的电容量。5电容式传感器的应用所以：设两传感器极板间距离固定为d0，若在同一时间分别测得上、下极板与金属板材上、下表面距离为dx1、dx2，则被测金属板材厚度。可见，振荡频率包含了电容传感器的间距dx的信息。各频率值通过取样计数器获得数字量，消除非线性频率变换产生的误差，即可获得板材厚度。5电容式传感器的应用

下图是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。图4-20电容式料位传感器结构示意图（3）电容式料位传感器5电容式传感器的应用◆检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。传感器的静电电容可由下式表示： 式中：k——比例常数；

——被测物料的相对介电常数；

——空气的相对介电常数；D——储罐的内径；d——测定电极的直径；h——被测物料的高度。5电容式传感器的应用假定罐内没有物料时的传感器静电电容为，放入物料后传感器静电电容为，则两者电容差为由上式可见，两种介质常数差别越大，极径D与d相差愈小，传感器灵敏度就愈高。4.电容式传感器的应用振动测量

旋转轴的偏心量的测量

电容式氢液高度传感器

纱条均匀度测试仪

▲介质变化型电容传感器▲优点：电容传感器结构简单、灵敏度高、动态特性好，在自动检测技术中占有重要地位。它还易于实现非接触测量，采用适当的检测电路与之匹配，可以获得很高的灵敏度。如用电容式传感器测微小位移和振动，其灵敏度可达0.01μm，这是其他类型的机械量传感器所无法比拟的。缺点：初始电容较小，受引线电容、寄生电容的干扰影响较大。近年来随着电子技术的发展，上述问题正在得到逐步解决。4.4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1.可变磁阻式(自感型)原理:电磁感应

W:线圈匝数；

L1:软铁长度；μ1：软铁磁导率；μ0：空气磁导率A1：铁芯导磁截面A0：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁(1).间隙变化型间隙变化型可变磁阻式传感器结构

当μ0

、A0固定不变，改变δ时，L与δ呈非线形（双曲线）关系，L与δ的双曲线关系

传感器灵敏度：(2).面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构

当μ0

、δ

固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系，传感器灵敏度L与A0的线形关系=常数(3).螺线管型

当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。(4).差动型变间隙型差动变压器输出特性传感器灵敏度2.涡流式电感传感器

当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。涡流式电感传感器可分为1）高频反射式2）低频投射式原线圈的等效阻抗Z变化：(1).高频反射式（集肤效应）高频反射式涡流传感器δ(2).低频透射式（互感原理）低频透射式涡流传感器e2随材料厚度增加变化的规律4.涡流式传感器的应用案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量径向振动的测量构件振幅的测量构件振型的测量轴心轨迹的测量其中，n为转轴的转速；f为脉冲频率；z为转轴上的槽数或齿数。案例:转速的测量案例：测厚案例：零件计数案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：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3.变压器式--差动变压器工作原理:互感现象.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▲4.5磁电传感器

1.变换原理

磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势e为

磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

2.分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.动圈式传感器

l:每匝线圈的平均长度；B:线圈所在磁场的磁感应强度；A:每匝线圈的截面积；θ:线圈运动方向与磁场方向的夹角；k:传感器的结构系数。4.磁阻式传感器

5.磁电传感器的应用

测速电机磁电式测速传感器测频数测转速偏心测量振动测量▲4.6压电传感器

1.变换原理

某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。压电效应式中，q为电荷[量]；D为压电常数，与材质及切片方向有关；F为作用力。q=DFea：开路电压；q:压电晶片表面上的电荷；Ca

为压电晶片的电容。2.测量电路

等效电荷源

Cc:分布电容；Ri:输入电阻；Ra:漏电阻；Ci:输入电容压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：(1)放大微弱的压电信号(2)进行阻抗匹配

电压放大器电荷放大器(1).主要作用放大器的输入电压：系统的输出电压为：

系统的灵敏度为：当电缆长度变化时，Cc变化，ei变化，系统的灵敏度发生变化，此时测试比较困难(2).电压放大器q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推导(3).电荷放大器3.压电传感器的应用压力变送器加速度计，力传感器

压电式压力传感

压电式压力传感器特性

阻抗头的结构原理图

阻抗头的安装结构

▲4.7磁敏传感器1.半导体霍尔元件霍尔效应

当半导体中流过一个电流时，若在与该电流垂直的方向上外加一个磁场，则在与电流及磁场分别成直角的方向上会产生一个电压。这种现象也称为霍尔效应

。霍尔效应原理图

半导体霍尔元件的结构

半导体磁敏电阻

半导体磁敏电阻的结构(蛇形元件)

利用磁场造成的电流偏转使元件阻抗增加这种特点制成的双端磁敏传感器。磁性体磁敏电阻

利用强磁材料的磁场异向性制成的磁敏元件。磁性体磁敏电阻的结构电磁感应型磁敏传感器原理：范围：法拉第电磁感应定律

只能检测交流磁场，不能检测直流磁场

电磁感应型磁敏传感器

2.磁敏传感器的应用

电流计磁感应开关磁敏电位器霍尔电动机纸币及预付卡识别设卡形电流计的结构

霍尔电动机的结构示意图

霍尔电动机等效电路

▲4.8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。

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