常用传感器的工作原理及应用

第三章常用传感器的工作原理及应用。

教学要求。1．掌握各种传感器的工作原理。

2．熟悉各种传感器的测量电路。

3．掌握各种传感器的应用。

教学手段多**课件多种传感器演示。

教学重点各种传感器的应用领域。

教学课时 15学时。

教学内容。3.1 电阻式传感器。

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。

3.1.2电位器式传感器。

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。

3．应变片的粘贴技术（自学）

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。

电阻应变式加速度传感器结构图。

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。

变间隙式电容式传感器

当传感器的εr和s为常数，初始极距为d0时，初始电容量c0为。

若电容器极板间距离由初始值d0缩小了δd，电容量增大了δc，则有

在式中，若δd/d0<<1时，则展成级数：

此时c与δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在δd/d0很小时，才有近似的线性关系。

另外，在d0较小时，对于同样的δd变化所引起的δc可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质，如图所示，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。

云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kv/mm，而空气仅为3 kv/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。

一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pf之间，极板间距离在25~200μm 的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。

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=ε0εr ba/d为初始电容。电容相对变化量为

这种形式的传感器其电容量c与水平位移δx呈线性关系。

直线位移型电容传感器原理图

3．变介质式电容式传感器

此时变换器电容值为：

电容式液位变换器结构原理图。

式中： c0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即

可见：此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。

3.2.2．电容式传感器的测量电路。

1．运算放大器电路

由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗zi很高，运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。如图所示。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=εs/d，代入，可得

式中“－”号表示输出电压uo的相位与电源电压反相。可见运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。

运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，注意条件：要求zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压ui的幅值和固定电容c值稳定。

运算放大器式电路原理图。

2．二极管双t交流电桥。

e是高频电源，它提供了幅值为u的对称方波，vd1、vd2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻r1=r2=r，c1、c2为传感器的两个差动电容。

二极管双t交流电桥

当传感器没有输入时，c1=c2。

电路工作原理：当e为正半周时，二极管vd1导通、vd2截止，于是电容c1充电，其等效电路如图（b）所示；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。

当e为负半周时，vd2导通、vd1截止，则电容c2充电，其等效电路如图（c）所示；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 。

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。

若传感器输入不为0，则c1≠c2, i1≠i2, 此时在一个周期内通过rl上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为

式中， f为电源频率。

当rl已知，式中

则上式可改写为

可知，输出电压uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与t形网络中的电容c1和c2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压uo是电容c1和c2的函数。电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。

3．调频电路

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。

可将频率作为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，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。

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。

螺线管式差动变压器结构

差动变压器等效电路

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

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