《飞机仪表》第二章-传感器原理

1、第二章 传感器原理,传感器是指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。所以传感器又称为敏感元件、检测器件、转换器件等。 如在电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件，在机械测量中的转矩、转速测量装置，在超声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器。,传感器概述,根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即： 敏感元件、转换元件、转换电路,有时还需外加辅助电源提供转换能量,传感器的组成,将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号部分,直接感受或响应被测量部分,微弱信号进行信号调理与转换、放大、运算与调制部分,1. 按被测参数分类： 温度传感

2、器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等。 2. 按传感器工作原理分类: 应变式、电容式、压电式、磁电式、光电式等。 3. 按能量传递方式分类: 有源的和无源的传感器。 目前一般采用前两种分类方法。,传感器的分类,传感器的特性,传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。 传感器的输入输出特性是其基本特性，一般把传感器作为二端网络研究时，输入输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。,航空仪表的使用环境条件恶劣 温度-60 度至 +60度，空气静压和密度，湿度，振动、冲击和线加速度，电源、其它（防盐雾、防霉、防水及长期存储等因素）。,一架现代飞机上装备200多只传感器 1. 飞行状

3、态、飞行姿态信息及其操纵系统工作参数传感器。用于航姿系统、飞参系统、飞行控制系统。 2. 导航、定位参数传感器。用于导航系统、通信系统。 3. 动力装置及燃滑油系统工作参数传感器。用于发动机及进气道系统、燃油管理系统和滑油系统。 4. 其它机载设备系统工作参数传感器。用于液压、电源、起落架、环控、救生、安全与防护等系统。,2.1 弹性敏感元件,弹性元件的种类,弹簧管,波纹管,膜片,弹性元件的材料,通常使用的材料为合金结构钢、铜合金、铝合金等。 铬锰弹簧钢和铬钒弹簧钢具有优良的机械性能，可用于制作承受交变载荷的重要弹性敏感元件。 黄铜可用于制造受力不大的弹簧及膜片。 德银用于制造抗腐蚀的弹性元件

4、。 锡磷青铜用于制造一般的弹性元件或抗腐蚀性能好的弹性元件。 铍青铜用于制造精度高、强度好的弹性敏感元件。不锈钢用于制造强度高、耐腐蚀性好的弹性敏感元件。,基本概念,变形外力导致的物体尺寸和形状的改变。 弹性变形外力消失后可以恢复原来状态的变形。 弹性元件具有弹性变形的物体。被测参数线/角位移。 弹性特性外力与变形的关系。线性的或者非线性的。,基本概念,刚度弹性元件抵抗变形的能力 。 灵敏度单位力产生变形的大小。 外力相同时，变形大的灵敏度高，变形小的灵敏度低。,基本概念,弹性迟滞弹性变形范围内，加载曲线和卸载曲线不一致现象。 弹性后效载荷改变后，变形不能立即完成，一定时间后才完成变形的状况。

5、 两者均反映了变形落后于压力的现象。,弹性敏感元件,1.圆柱弹簧将被测力转换为线位移。,K为弹簧刚度，K一定时，外力与变形成正比。 外力一定时，弹簧变形与自身刚度成反比。 K较小时，灵敏度提高。,2.平板螺旋弹簧将被测力矩转换为角位移。外端固定，内端受外力距作用产生角位移变形 。,弹簧弹性刚度一定时，外力矩和角位移变形量成正比； 弹性刚度小时，灵敏度提高。,3.膜片和膜盒两个波纹膜片对焊在一起的腔体盒状元件。,膜盒两侧压力不同，产生位移，两者成非线性关系。 膜片参数：膜片厚度，波纹高度，波纹数目,4. 弹簧管弧状弹性金属管，开口端固定，封闭端随管子移动。,管内流体运动时，自由端产生位移。流体压

6、力与产生位移成正比； 将流体压力转换为角位移。,2.2 干簧管传感器,干簧管传感器,模拟量开关量 结构：玻璃管（密封惰性气体），内部两支簧片（导电导磁材料）。,干簧管传感器,原理：磁物质接近玻璃管，引起管内磁力线变化，簧片磁化后互相吸引，电路连通；磁场消失后，簧片因自身弹性分开，电路断开。 优点：体积小，质量轻，动作时间短，不产生电火花等。,2.3 电阻式传感器,电阻式传感器把非电量（力、位移、角速度、温度和力矩等）转换为电阻值变化的传感器。,应变式荷重传感器,箔式、 电阻丝式、丝式,2.3.1 电位器,线位移、机械转角电信号 特点：结构简单，输出功率大，精度不高。 与被测量的关系，线性函数和

7、非线性函数关系。,线性电阻器：,被测量的位移变化带动电刷移动，改变电阻的输出，输出电阻为电刷触点到固定端的量。,输出电阻：,空载时输出电压：,有负载时输出电压：,负载误差：有负载时的输出电压和无负载时的输出电压之差。,负载误差,2.3.2 热电阻式传感器,热电阻/热敏电阻：利用热电阻效应（物质电阻率随温度变化而变化）做成的感温元件 半导体或导体材料,热电阻,大多数金属，电阻与温度的关系：,为导体的电阻温度系数，大多为正，温度升高，电阻值增大,选择金属电阻做测温元件的要求： 电阻温度系数大且稳定； 电阻率大，以减小尺寸； 电阻-温度关系为线性； 物理、化学性质稳定； 材料易获得，便宜。,常用材料

8、：铂、铜、镍,铂（Pt）：贵金属，物化性能稳定，耐氧化，很宽的温度范围；易于提纯，复现性好，可做成极细的铂丝或铂箔；电阻温度系数小，价格高，易被污染。 铜（Cu）：稳定性好（-50120），温度系数大，易于提纯，价格低；易氧化，不宜在侵蚀性介质和高温下工作 镍（Ni）：机械性能强，化学性能稳定，电阻率比铜高，便宜，温度系数大；电阻-温度关系为非线性，复制性差,热敏电阻,电阻值随温度变化而显著变化的半导体电阻。 分为正温度系数电阻，负温度系数电阻，临界温度系数电阻。 灵敏度高（温度变化大，阻值变化大），信号处理方便，便于大批量生产，便宜；体积小而且坚固。测量范围窄，互换性差。,热敏电阻温度与阻值

9、关系：,B为热敏电阻的材料常数，是一个描述热敏电阻材料物理特性的参数，也是热灵敏度指标。 B值越大，表示热敏电阻器的灵敏度越高。 应注意的是，在实际工作时，B值并非一个常数，而是随温度的升高略有增加。,结构： 扁平圆形密封容器，其中装有特殊导电液体并留有气泡； 上部装有两对相互绝缘、对称而又相互垂直的电极； 圆形底座与外壳相通构成中心电极。,2.3.3 液体摆（角位移电阻）,液体摆,原理： 水平时，气泡处于中央，盖住四个电极的面积相等，导电液体盖住四个电极的面积也相等，因而四个电极经导电液至中心电极的电阻是相等的。,液体摆,原理： 倾斜时，气泡偏离中央位置，盖住对应两个电极的面积不再相等，导电

10、液体盖住这两个电极的面积也不相等，被液体盖住面积小的电极至中心电极的电阻增大，被液体盖住面积大的电极至中心电极的电阻减小。,液体摆,通过对应电极电阻的变化指示出一个平面绕两个正交轴的倾斜。,2.4 电感式传感器,电感式传感器是利用线圈自感(L)或互感系数(M)的变化来实现非电量测量的一种装置。 非电量自感/互感系数电压/电流 电感式传感器种类： 自感式（电感式传感器） 互感式（差动变压器式传感器） 电涡流式 (涡流传感器),主要特点： 结构简单、工作可靠； 灵敏度高，能分辨0.01m的位移变化； 测量精度高、零点稳定、输出功率较大； 可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统

11、中被广泛采用。 主要缺点： 灵敏度、线性度和测量范围相互制约； 传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。,变气隙式（自感式）传感器,1.工作原理,变气隙厚度式自感式传感器,图中A1、A2分别为定铁芯和衔铁(动铁芯)的截面积，为气隙厚度，W为线圈的匝数。,线圈自感系数为：,磁路总磁阻为：,li、 、Ai磁通通路的长度及对应的磁导率和截面积,由于空气的磁阻Rm0远大于铁磁物质的磁阻，所以略去铁芯的磁阻后可得：,因此线圈自感系数可以写成：,可以看出，当线圈匝数W为常数时，线圈自感系数L只是磁路中磁阻Rm的函数，改变气隙厚度 或气隙截面积A0都会导致自感系数变化。因此自感式传感器又可分为变气隙厚度

12、的传感器和变气隙面积A0的传感器。,L 非线性关系 衔铁上移， =0 - L=L0 +L,输出特性,衔铁下移， =0 +，L=L0 -L 线性处理，忽略高次项，得： 灵敏度：,灵敏度与线性度相矛盾,变隙式电感式传感器适用于测量微小位移；采用差动变隙式电感传感器减小非线性误差。,变气隙式差动传感器,变气隙差动式传感器,结构： 两个完全相同的铁芯中间共用一个活动衔铁。 铁芯上的线圈和两个电阻构成交流电桥，接交流电源 U，输出电压为Us 。,1. 衔铁位于中间位置时，气隙、电感、感抗等相等，输出电压为0； 2. 衔铁偏离中间位置时，与衔铁气隙减小的铁芯一端线圈电感增大， 另一铁芯线圈电感减小，此时电

13、桥不平衡，有输出电压。,由公式可以看出来:电源电压和初始间隙都确定的情况下，输出电压与衔铁位移量成正比，相位与移动方向有关。,衔铁向下移动时，位移量为正，输出电压为正。,螺线管式差动变压器结构,工作原理 由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。,1活动衔铁；2导磁外壳；3骨架；4匝数W1；5匝数W2a；6匝数W2b,螺线管式差动变压器,螺线管式差动变压器传感器中的两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如图所示。,下图给出了差动变压器输出电压Uo与活动衔铁位移x的关系曲线。图中实线为理论特性曲线，虚线为实际特性曲线。,由图可以

14、看出，理想情况下，当衔铁位于中心位置时，两个次级线圈感应电压大小相等、方向相反，差动输出电压为零，但实际情况是差动变压器输出电压往往并不等于零。 差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,2.5 电容式传感器,电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为:,式中 电容器极板间介质的介电常数， (其中 为真空的介电常数， =8.851012F/m， 为极板间介质的相对介电常数)； A两平行板所覆盖的面积； l两平行板之间的距离。,电容式传感器可分为变

15、极距型、变面积型和变介电常数型三种。,（1）变极距型电容式传感器,条件：测量范围ll0,灵敏度与极距l成反比，极距越小，灵敏度越高。,灵敏度:,实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。,线位移型电容式传感器 平面线位移 圆柱线位移 平面线位移型传感器如图，电容量为：,（2）面积变化型电容传感器,由,结论: 面积变化型电容传感器电容量C与水平位移呈线性关系。,灵敏度:,电容式圆柱形传感器(面积变化型),电容量C与轴向位移呈线性关系,（3）变介质型电容传感器,在固定两极板之间加入空气以外的其他被

16、测固体介质，当介质变化时，电容量也随之变化。忽略边界效应，假设空气相对介电常数为 ，固体介质相对介电常数为 ，电容量为,假设两极板间距离为l ，则 l1=ll2 ，电容量为：,当极板面积和极板间距一定时，电容量大小和被测固体材料的厚度和被测固体材料的介电常数有关。如果已知材料的介电常数，可以制成测厚仪，而已知材料的厚度，可制成介电常数的测量仪。,2.6 热电式传感器,热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测

17、量。,民航中用于测量飞机发动机的排气温度。,喷气发动机排气温度传感器,两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。,热电偶的工作原理,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。,热端,冷端,1. 接触电势,eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及

18、导体中的电子密度有关。,A,eA(T,To),To,T,eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。,2. 温差电势,温差电势原理图,导体A与B组成热电偶闭合回路时，热电偶中总的热电势为： 热电势接触电势温差电动势,实验和理论均已证明： 热电偶回路的热电动势主要是由接触电势引起的。又由于EAB（T）和EAB（T0）的极性相反，所以回路总电势为：,结论:,如果热电偶两材料相同，则无论接点处的温度如何，总热电势为零； 如果两接点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总

19、热电势为零； 热电偶产生的热电势只与材料、接点处的温度有关，而与材料的尺寸、几何形状无关；,若A、B材料确定，热电势EAB(T,T0)是两接点温度T和T0的函数差,即,如果T0保持恒定,则f(T0)=C(常数)，热电势EAB(T,T0)只是工作端温度T的单值函数。,喷气发动机排气温度传感器,2.7 压电式传感器,压电传感器的工作原理,以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出，从而实现力电信号转换。 压电元件是一种典型的力敏感元件，可用来测量最终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、加速度等。,2020/7/3,75,压电效应 某些电介质物质，在沿着一

20、定方向上受到外力的作用而变形时，内部产生极化现象，同时在它的相应表面上会产生极性相反的电荷； 当外力撤消后，又重新回到不带电的状态；当作用力改变方向时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转化为电能的现象称为正压电效应，又称为顺压电效应。 压电效应所产生的电荷量与施加的外力大小成正比，其压电方程为：,石英晶体的压电效应 1. 石英晶体是最常用的压电晶体，天然的结构具有规则的几何形状，其理想外形是一个正六面体，如图（a）所示。,石英晶体结构图,石英晶体的压电效应 2.石英晶体的结构可用三条相互垂直的轴来表示，如图（b）所示，纵向的Z轴是过锥形顶端的轴线，称为光轴；经过六面体的棱线且垂直于Z轴的为X

21、轴，称为电轴；垂直于六面体的棱面且与X轴和Z轴同时垂直的Y轴称为机械轴。,石英晶体结构图,（a）X轴向受压力 （b）X轴向受拉力 （c）Y轴向受压力 （d）Y轴向受拉力,电荷极性与受力方向的关系 压电效应作用力的方向不同时，其电荷的极性也不一样。,当沿X轴方向施加压力作用时，晶体沿X轴方向产生压缩形变，并出现极化现象，正负离子的相对位置发生变动。,反之，施加拉力时，出现的电荷极性方向相反，即X轴的正方向出现负电荷，X轴的负方向出现正电荷。 当同一晶片受到沿Y轴方向上的力作用时，同样会产生极化现象，电荷仍然产生在垂直于X轴的表面上。 综上，无论沿X轴方向，还是沿Y轴方向对石英晶体施加作用力时，都

22、会产生压电效应。沿电轴X称为纵向压电效应，沿机械轴Y横向压电效应。 当石英晶体受到沿Z轴方向的力作用时，无论是压缩应力，还是拉伸应力，都不会产生压电效应。,压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。,2020/7/3,81,压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷内部具有自发极化的电畴结构，无电场时，电畴杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。 施加电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场的方向排列，从而使材料得到

23、极化，去掉外电场，电畴的极化方向基本保持不变。,2.8 同位器及随动系统,飞机仪表中，需要将机件角位置远距离传输给仪表或设备； 如发动机油门杆位置、襟翼收放角度指位表，陀螺测量的姿态角、航向姿态指引仪、自动驾驶仪等； 这里就用到了同位器和随动系统。,功能：远距离传送角位移信号,电源,电位器式同位器结构,发送器：环形电位器，3电刷互成120，同轴相连，检测角位移并随之转动； 接收器：三线圈式电流比值表，3个相同线圈互成120，星形或三角形； 指针：固定于活动磁铁转子轴上，指示角位移。 发送器三把电刷通过三根线与接收器相连，直流电源加载到发送器电阻直径两端。,电位器式同位器工作原理,输入角位移改变

24、发送器三把电刷的电位，接收器线圈相应点电位随之改变； 使得接收器三个线圈的电流比值改变，进一步导致合成磁场方向改变； 磁场作用使活动磁铁转动，输出角位移。,电位器式同位器工作原理,角位移为0时： 电刷1处于电极正极位置，使得1线圈端点电位最高，2、3线圈端点电位低且相等； 线圈1中电流最大，磁场强度（H1）最大，2、3线圈电流小且相等，磁场强度(H2,H3)小且相等； H2,H3合成方向（H）与H1相同，活动磁铁停在H方向，指示为0。,电位器式同位器工作原理,角位移为30时： 电刷顺时针转过30，线圈电位（1：高，2：低，3：两端相等）； 线圈中电流(1、2相等，3为0)，磁场（H1=H2，H3=0）； 合成磁场方向H与H1有30夹角，活动磁铁与H同向，指示为30。,电位器式同位器特点,优点：结构简单，传输角度不受限制。 缺点：接收器输出角位移与发送器输入角位移不等，引起的误差。,双电位器式随动系统,测量元件：两个电位器 输入：发送器电刷与环形电阻的相对角位移； 输出：输出轴的角位移（接收器电刷与环形电阻的角位移）,双电位器式随动系统,协调状态（0）： 发送器电刷A、B与接收器的输出a、b垂直， a、b输出电压为0； 电机不转动