常用传感器的工作原理及应用.docx

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常用传感器的工作原理及应用

常用传感器的工作原理及应用

3.1.1电阻式传感器的工作原理

应变：

物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象

弹性应变：

当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变

弹性元件：

具有弹性应变特性的物体

3.1.3电阻应变式传感器

电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。

工作原理：

当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。

输出的电量大小反映被测量的大小。

结构：

应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。

应用：

广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。

1．电阻应变效应

电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。

2．电阻应变片的结构

金属电阻应变片的结构

4．电阻应变式传感器的应用

（1）应变式力传感器

被测物理量：

荷重或力

主要用途：

作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。

力传感器的弹性元件：

柱式、筒式、环式、悬臂式等

（2）应变式压力传感器

主要用来测量流动介质的动态或静态压力

应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。

（3）应变式容器内液体重量传感器

感压膜感受上面液体的压力。

（4）应变式加速度传感器

用于物体加速度的测量。

依据：

a=F/m。

3.2电容式传感器

3.2.1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

当被测参数变化使得S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。

如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。

电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。

1．变间隙型电容传感器

此时电容C变为：

式中：

εg—云母的相对介电常数，εg=7；

ε0—空气的介电常数，ε0=1；

d0—空气隙厚度；

dg—云母片的厚度。

放置云母片的电容器

云

2．变面积式电容传感器

被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。

当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为

式中C0=ε0εrba/d为初始电容。

电容相对变化量为

3．变介质式电容式传感器

3.2.3．电容式传感器的应用

1．电容式压力传感器

2．电容式加速度传感器

3.3电感式传感器

电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它把被测量转化为电感量变化的一种装置。

按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。

3.3.1自感式传感器

自感式电感传感器主要有变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。

由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。

铁芯和衔铁由导磁材料制成。

在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。

当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

1．变间隙型电感传感器

2．变面积型电感传感器

3．螺管型电感传感器

4．差动式电感传感器

为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动式电感传感器。

5．自感式传感器的测量电路

电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。

3.3.2互感式传感器

把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。

这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。

差动变压器结构形式：

变隙式、变面积式和螺线管式等。

在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。

1．互感式传感器的工作原理

互感式传感器的工作原理类似变压器的作用原理。

2．差动变压器的结构类型

3．差动变压器式传感器测量电路

问题：

（1）差动变压器的输出是交流电压（用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向）；

（2）测量值中将包含零点残余电压。

为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。

（1）差动整流电路

这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。

（2）相敏检波电路

3.3.3电感式传感器的应用

1．差动变压器式力传感器

2．沉筒式液位计

3.4压电式传感器

3.4.1压电效应

某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。

这种现象称压电效应。

当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。

有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。

相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。

具有压电效应的材料称为压电材料。

1．单晶压电晶体

2．多晶压电陶瓷

3．新型压电材料

新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。

3.4.3压电式传感器的应用

1．压电式测力传感器

主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。

2．压电式加速度传感器

主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。

整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。

3.5霍尔传感器

霍尔传感器是一种磁电式传感器。

它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。

3.5.1霍尔元件的工作原理

霍尔元件赖以工作的物理基础是霍尔效应。

1．霍尔效应

半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。

流入激励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。

霍尔电势EH可表示为：

EH=KHIB

kH为灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。

2．霍尔元件的结构及特性

霍尔元件是一种四端元件。

比较常用的霍尔元件有三种结构：

单端引出线型、卧式型和双端引出线型。

3.5.2霍尔传感器的测量电路

3.5.3集成霍尔电路

霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。

3.6热敏传感器

热敏传感器主要有热电式和热电阻式。

1．热电偶工作原理

热电效应：

两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。

由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。

热电动势是由两种导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成。

热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。

接触电动势:

由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。

温差电动势:

同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。

导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。

电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。

设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NA＞NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则获得电子而带负电，在接触面形成电场。

这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其大小为

式中，k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；

e——电子电荷量，e＝1.6×10-19C；

T——接触处的温度，K；

NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。

式中σ为汤姆逊系数，表示温差1℃所产生的电动势值，其大小与材料性质及两端的温度有关。

导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB（T）与eAB（T0），又因为T＞T0，在导体A和B中还各有一个温差电势。

所以闭合回路总热电动势EAB（T,T0）应为接触电动势和温差电势的代数和，即：

2．热电偶基本定律

（1）中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。

（2）中间温度定律

在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB（t,t0）等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB（t,tc）和eAB（tc,t0）的代数和，即

eAB（t,t0）=eAB（t,tc）+eAB（tc,t0）

（3）参考电极定律

3．热电偶的材料与结构

（1）热电偶的材料。

铂铑10-铂（分度号为S）、铂铑13-铂（R）、铂铑30-铂铑6（B）、镍铬-镍硅（K）、镍铬-康铜（E）、铁-康铜（J）、铜-康铜（T）和镍铬硅-镍硅（N）。

（2）热电偶的结构

普通型热电偶：

主要用于测量气体、蒸气和液体等介质的温度。

铠装热电偶：

由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组合成一体的特殊结构的热电

偶。

薄膜热电偶：

用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成。

测量端既

小又薄，厚度约为几个微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴。

3.6.2热电阻式传感器

1．热电阻

优点：

1、测量精度高2、有较大的测量范围，尤其在低温方面3、易于使用在自动测量和远距离测量中4、与热电偶相比，没有参比端误差问题

作为热阻材料的特点：

1、高且稳定的温度系数和大的电阻率，以便提高灵敏度和保证测量精度

2、良好的输出特性，

3、在使用范围内，其化学物理性能应保持稳定

4、良好的工艺性，以便批量生产降低成本

热电阻按感温元件的材质分金属与半导体两类。

金属导体有铂、铜、镍、铑铁及铂钴合金等，在工业生产中大量使用的有铂、铜两种热电阻；半导体有锗、碳和热敏电阻等。

按准确度等级分为标准电阻温度计和工业热电阻。

按结构分为薄膜型和铠装型等。

（1）铂热电阻

铂的物理化学性能极为稳定，并有良好的工艺性。

以铂作为感温元件具有示值稳定，测量准确度高等优点，其使用范围是－200℃~850℃。

除作为温度标准外，还广泛用于高精度的工业测量。

（2）铜热电阻

铜热电阻的使用范围是-50~150℃，具有电阻温度系数大，价格便宜，互换性好等优点，但它固有电阻太小，另外铜在250℃以上易氧化。

铜热电阻在工业中的应有逐渐减少。

2．热敏电阻传感器

（1）负温度系数热敏电阻（NTC）

（2）正温度系数热敏电阻（PTC）

（3）临界温度系数热敏电阻（CTR）

热敏电阻优点如下：

灵敏度高，体积小，响应快，功耗低，价格低廉

缺点是阻值与温度的关系呈非线性，元件的稳定性和互换性较差。