1、第3章普通傳感器和敏感元件，第1節(jié)普通傳感器的分類，第2節(jié)機(jī)械傳感器和儀器，第3節(jié)電阻、電容和電感傳感器，第4節(jié)磁電、壓電和熱電傳感器，第7節(jié)半導(dǎo)體傳感器，第10節(jié)傳感器的選擇原則，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感器的定義：傳感器是測(cè)量裝置，將測(cè)量數(shù)據(jù)以一定的精度和規(guī)律性轉(zhuǎn)換成一定的物理量，便于應(yīng)用。傳感器是一種通過(guò)檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種形式的裝置。目前，傳感器轉(zhuǎn)換的信號(hào)大多是電信號(hào)。因此，從狹義上講，傳感器是一種將從外部輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。定義說(shuō)明：傳感器是能夠完成檢測(cè)任務(wù)的測(cè)量裝置；它的輸入量是一定的測(cè)量量，可以是物理量(如位移、溫度、力、壓力、速度、加

2、速度等)。)、化學(xué)數(shù)量、生物量等。它的輸出是一定的物理量，應(yīng)該便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等。它可以是煤氣、光和電，但主要是電；輸出和輸入之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)該有一定的準(zhǔn)確性。傳感器的重要性：傳感器是人類感官的延伸，可以檢測(cè)人類不能或不能用感官直接感知的事物；傳感器是人們認(rèn)識(shí)自然界事物的有力工具，是測(cè)量?jī)x器和被測(cè)物之間的接口。傳感器是測(cè)試系統(tǒng)的第一步，其性能直接影響整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試精度至關(guān)重要。傳感器的基本組成：敏感元件：它直接感應(yīng)被測(cè)物理量，并輸出與被測(cè)物理量有一定關(guān)系的信號(hào)。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出是轉(zhuǎn)換元件的輸入，轉(zhuǎn)換元件將輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。轉(zhuǎn)換電路：將轉(zhuǎn)換元件的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成有

3、用的電信號(hào)，便于處理、顯示、記錄或控制。其組成如圖所示。第一部分是常用傳感器的分類。1.根據(jù)測(cè)量的物理量，機(jī)械量為：長(zhǎng)度、厚度、位移、速度、加速度、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)數(shù)、質(zhì)量、重量、力、壓力、真空度、扭矩、風(fēng)速、流速和流速；聲音：聲壓，噪音，磁：磁通量，磁場(chǎng)，溫度：溫度，熱量，比熱，光：亮度，顏色，共同測(cè)量的物理量，2。根據(jù)傳感器的工作原理分類，機(jī)械、電氣、光學(xué)、流體等。能量轉(zhuǎn)換和能量控制，3。根據(jù)敏感元素和被測(cè)物體。能量轉(zhuǎn)換型(無(wú)源傳感器):直接從被測(cè)物體輸入能量以使其工作。例如，熱電偶溫度計(jì)、磁電加速度計(jì)。能量控制型(主動(dòng)傳感器):從外部提供能量，并被測(cè)量以控制從外部提供的能量的變化。例如，電阻

4、應(yīng)變儀。4、根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換特征：物理型：依靠敏感元件材料的物理特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，如：水銀溫度計(jì)，結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，如：電容式和電感式傳感器。在第二部分中，機(jī)械傳感器和儀器使用彈性體作為敏感元件，輸入可以是力、壓力和溫度等物理量，輸出是彈性元件的彈性變形。經(jīng)過(guò)放大后，彈性變形可以轉(zhuǎn)化為儀器指針的偏轉(zhuǎn)，測(cè)量的大小可以用刻度來(lái)表示。應(yīng)用實(shí)例：測(cè)力計(jì)、壓力表和溫度計(jì)。測(cè)力計(jì)、壓力表、溫度計(jì)和彈性膜片，特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀；彈性變形不應(yīng)過(guò)大，以減少線性誤差；由于慣性大，固有頻率低，只適合慢速或靜態(tài)測(cè)量。彈性元件具有蠕變和彈性后效，它們影響輸出

5、和輸入之間的線性關(guān)系。第3節(jié)電阻、電容和電感傳感器1。電阻傳感器電阻傳感器是一種conv傳感器工作原理：電導(dǎo)體的電阻值：式中：r電阻()；材料電阻率(mm2/m)；l導(dǎo)體長(zhǎng)度(m)；導(dǎo)體的橫截面積(mm2)。電阻絲的直徑和材料是恒定的，電阻值隨電阻絲的長(zhǎng)度而變化。壓敏電阻傳感器包括線性位移型、角位移型和非線性型。線性位移kl是單位長(zhǎng)度的電阻。靈敏度：角位移靈敏度：接觸角(弧度)；電阻值對(duì)應(yīng)ka單位弧度。在非線性輸出電阻(或電壓)和電刷位移(包括線性位移或角位移)之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的電位計(jì)。壓敏電阻傳感器的以下電路：電阻分壓電路，壓敏電阻傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便；缺

6、點(diǎn)：分辨率受到電阻絲直徑的限制，很難超過(guò)20m；噪音大(電刷和電阻元件之間的接觸面磨損、灰塵粘附等)。)。電阻應(yīng)變傳感器的可測(cè)參數(shù)：應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等。電阻應(yīng)變傳感器：金屬電阻應(yīng)變儀和半導(dǎo)體應(yīng)變儀。(1)金屬電阻應(yīng)變儀的基本工作原理：當(dāng)應(yīng)變儀發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化。主要形式：金屬電阻應(yīng)變儀有導(dǎo)線型和箔型。線應(yīng)變儀用0 . 010 . 05毫米的線纏繞形成一個(gè)靈敏的柵格，柵格粘在絕緣基片和覆蓋層之間，并通過(guò)導(dǎo)線與電路相連。主要形式：金屬電阻應(yīng)變儀有導(dǎo)線型和箔型。金屬箔應(yīng)變片是利用照相或光刻技術(shù)制作的厚度約為0.0030.01毫米的金屬箔制成的敏感網(wǎng)格。優(yōu)點(diǎn)：可制成各種形狀

7、復(fù)雜、尺寸精確的敏感網(wǎng)格；良好的散熱條件；生產(chǎn)效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。應(yīng)變片，實(shí)際金屬應(yīng)變片，電阻相對(duì)變化率公式的推導(dǎo)：應(yīng)變片的實(shí)際應(yīng)用：將應(yīng)變片粘貼在彈性元件或待測(cè)物體的表面。在外力的作用下，金屬絲隨物體變形，電阻值發(fā)生變化，測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化。設(shè)A=r2，R為電阻絲的半徑，代入上述公式得到電阻的相對(duì)變化，(35)，再代入公式(35)，得到，說(shuō)明：Sg為應(yīng)變計(jì)的系數(shù)或靈敏度，金屬電阻絲的靈敏度總是在1.73.6。(2)半導(dǎo)體應(yīng)變儀半導(dǎo)體應(yīng)變儀的結(jié)構(gòu)如圖所示，使用方法與電阻絲應(yīng)變儀相同。工作原理：當(dāng)單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這就是壓阻效應(yīng)。事實(shí)上，所

8、有材料都在不同程度上表現(xiàn)出壓阻效應(yīng)，但這種效應(yīng)在半導(dǎo)體材料中尤為強(qiáng)烈。在外力作用下，單晶半導(dǎo)體的原子晶格排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率和載流子濃度的變化，從而導(dǎo)致電阻率的變化。線電阻應(yīng)變儀和半導(dǎo)體應(yīng)變儀的主要區(qū)別是什么？半導(dǎo)體應(yīng)變儀的優(yōu)點(diǎn)是：的靈敏度很高，有時(shí)傳感器的輸出可以直接用于測(cè)量而不需要放大；體積小，擴(kuò)大了半導(dǎo)體應(yīng)變儀的應(yīng)用范圍。最大的缺點(diǎn)是溫度誤差大，所以需要溫度補(bǔ)償或恒溫。(3)電阻應(yīng)變儀傳感器的應(yīng)用示例應(yīng)變儀附著在被測(cè)部件上，并直接用于測(cè)量部件的應(yīng)力或應(yīng)變。應(yīng)變儀連接到彈性元件，并與彈性元件一起形成應(yīng)變傳感器。該傳感器通常用于測(cè)量力、位移、壓力和加速度等物理參數(shù)。在這種情況下

9、，與測(cè)量應(yīng)變成比例的應(yīng)變將由彈性元件獲得，其將由應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換成電阻的變化，然后輸出。3.固體壓阻傳感器的工作原理：它與半導(dǎo)體應(yīng)變儀一樣，利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。他們之間的區(qū)別制造工藝：彈性元件：即襯底，沿一定晶體方向切割的n型硅膜片；敏感元件：擴(kuò)散電阻，襯底上擴(kuò)散的p型導(dǎo)電層；基板和導(dǎo)電層相互貫通并緊密結(jié)合，可視為一個(gè)整體。4。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變片的基本組成：交流電橋(包括應(yīng)變片)放大電路、相敏檢測(cè)、低通濾波、顯示和記錄，以及變阻器傳感器的下列電路：電阻分壓電路，主要形式：金屬電阻應(yīng)變片有兩種：線型和箔型。線應(yīng)變儀用0 . 010 . 05毫米的線纏繞形成一個(gè)靈敏的柵格，柵格粘在絕緣基片和覆蓋層之間

10、，并通過(guò)導(dǎo)線與電路相連。2.電容式傳感器1。變換原理的定義：電容式傳感器使用電容作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容的變化。公式：平板電容器的電容可表示為：各參數(shù)的含義：當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，板間介質(zhì)的介電常數(shù)=1；0真空介電常數(shù)，0=8.8510-12(F/m)；極板面積(m2)；兩塊板之間的距離(m)。結(jié)論：測(cè)量時(shí)，A或變化會(huì)引起電容c的變化，這個(gè)參數(shù)的變化可以轉(zhuǎn)化為電容的變化，只要保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，只改變另一個(gè)參數(shù)即可。分類：根據(jù)電容參數(shù)變化的特點(diǎn)，電容傳感器可分為三種類型：極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型。前兩種類型被廣泛使用。(1)極距變化型，當(dāng)極距有微小變化d時(shí)，電容變化dC

11、為，靈敏度為、結(jié)論：(2)面積變化型，a)角位移型，電容，靈敏度，結(jié)論：輸出與輸入之間存在線性關(guān)系。b)平面線性位移型、c)圓柱線性位移型和(3)介質(zhì)變化型，主要用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移和液位，也可以根據(jù)板間介電常數(shù)隨溫度、濕度和電容的變化來(lái)測(cè)量溫度、濕度和電容。說(shuō)明：圖314a，當(dāng)兩塊固定板之間的介電層的厚度、溫度或濕度發(fā)生變化時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致電容發(fā)生變化；圖314b，電容式液位計(jì)，液位位置的變化，兩個(gè)電極的侵入高度和電容。2.測(cè)量電路的電容傳感器將測(cè)得的電容轉(zhuǎn)換成電容的變化，然后后續(xù)電路將其轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出。(1)作為電橋的一部分，橋式電路電容傳感器的電容變化被轉(zhuǎn)換

12、成電橋電壓輸出。圖為一個(gè)由電感和電容組成的交流電橋。電橋的輸出是調(diào)幅波，經(jīng)過(guò)放大、相敏解調(diào)和濾波后輸出。(2) DC極化電路，也稱為靜態(tài)電容傳感器電路，主要用于電容式麥克風(fēng)或壓力傳感器。組成：彈性膜片、電容、DC極化電壓E0、高阻電阻R.輸出電壓：測(cè)量：測(cè)量氣流(或液流)的振動(dòng)速度，然后測(cè)量其壓力。(3)諧振電路和調(diào)頻電路的工作原理，(4)調(diào)頻電路，(5)輸出電壓與運(yùn)算放大器電路位移的關(guān)系：然后是u0信號(hào)源電壓；Ug運(yùn)算放大器輸出電壓；一氧化碳固定電容；cx傳感器的等效電容。輸出電壓ug與電容傳感器的間隙成正比。4.電容式傳感器的應(yīng)用：電容式傳感器廣泛應(yīng)用于位移、壓力、流量和液位的測(cè)量。電容式

13、傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高。如果有電容式位移傳感器，精度可達(dá)5米。(1)在軋制過(guò)程中，用電容測(cè)厚儀：測(cè)量金屬帶材的厚度，在C1和C2工作板與帶材之間形成兩個(gè)電容，總電容為C=C1C2。軋制過(guò)程中，當(dāng)金屬帶厚度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起電容的變化。這種變化可以通過(guò)檢測(cè)電路反映出來(lái)，并且條帶的厚度可以被轉(zhuǎn)換和顯示。(2)電容式速度傳感器，當(dāng)檔位1.自感式(1)可變磁阻式組成：線圈、鐵芯和電樞。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈自感l(wèi)是N線圈匝數(shù)，Rm是磁路的總磁阻H-1。當(dāng)氣隙很小時(shí)，磁路的總磁阻，(323)，其中L芯的磁導(dǎo)率長(zhǎng)度(m)；鐵芯的磁導(dǎo)率(高/米)；磁芯的橫截面積，A=ab(m2)；氣隙寬度(m)；0

14、透氣性，0=410-7(高/米)；A0氣隙磁截面積(m2)的磁阻與氣隙的磁阻相比非常小，可以忽略不計(jì)，因此總磁阻Rm近似替換為323。可以得到，當(dāng)A0被固定和改變時(shí)，L以非線性關(guān)系改變，此時(shí)傳感器的靈敏度和靈敏度S與的平方值成反比，并且因?yàn)樗皇浅?shù)，非線性誤差將發(fā)生。因此，這種傳感器通常被指定在小的氣隙變化范圍內(nèi)工作。當(dāng)氣隙變化很小，即0時(shí)，靈敏度s約為，此時(shí)s為某個(gè)值，輸出與輸入近似線性。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常選擇/0.1。該傳感器適用于測(cè)量小位移，一般為0.0011毫米。幾種常用的變磁阻傳感器的典型結(jié)構(gòu)在自感L和A0之間具有線性關(guān)系，該傳感器靈敏度低。差動(dòng)式，當(dāng)電樞位移時(shí)，兩個(gè)線圈之間的間隙

15、可以根據(jù)。一個(gè)線圈的自感增加，另一個(gè)線圈的自感減少。當(dāng)兩個(gè)線圈連接到電橋的相鄰支路時(shí)，輸出靈敏度可以提高一倍，線性度也可以提高。單螺線管線圈型，當(dāng)鐵芯在線圈中移動(dòng)時(shí)，它會(huì)改變磁阻并使線圈自感發(fā)生變化。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，但靈敏度低，適用于測(cè)量大位移(幾毫米)。差動(dòng)式雙螺線管線圈比單螺線管線圈具有更高的靈敏度和線性度，用于電感測(cè)微計(jì)，測(cè)量范圍為0300米，最小分辨率為0.5米。該傳感器的線圈與電橋相連，形成兩個(gè)橋臂。線圈電感L1和L2隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如圖所示。(2)渦流傳感器的轉(zhuǎn)換原理：利用交變磁場(chǎng)中金屬導(dǎo)體的渦流效應(yīng)。高頻反射式渦流傳感器的工作原理：渦流產(chǎn)生：當(dāng)交流高頻電流

16、通過(guò)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交流磁通量。在線圈附近的金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，稱為渦流。電阻：根據(jù)楞次定律，渦流產(chǎn)生的交變磁通量1將與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相反，即1將抵抗的變化。線圈阻抗變化及其影響因素：由于渦流磁場(chǎng)的作用，線圈的等效阻抗會(huì)發(fā)生變化，變化的程度不僅與它們之間的距離有關(guān)，還與金屬導(dǎo)體的電阻率和磁導(dǎo)率以及線圈勵(lì)磁電流的循環(huán)頻率有關(guān)。主要應(yīng)用：變化，可作為位移和振動(dòng)測(cè)量；變更可用作材料標(biāo)識(shí)；變化，可用于探傷。渦流傳感器測(cè)量電路：調(diào)頻電路：渦流傳感器應(yīng)用：動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量渦流位移和振動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)厚儀無(wú)損檢測(cè)徑向跳動(dòng)、轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動(dòng)、速度和厚度測(cè)量零件計(jì)數(shù)、表面裂紋和缺陷測(cè)量、徑向振動(dòng)測(cè)量、軸心軌跡測(cè)量、轉(zhuǎn)速

17、測(cè)量、零件計(jì)數(shù)、表面裂紋測(cè)量、滲透厚度測(cè)量，2?；ジ胁顒?dòng)變壓器電感傳感器傳感器本質(zhì)上是一個(gè)變壓器，初級(jí)線圈連接到穩(wěn)定的交流電源，次級(jí)線圈感應(yīng)輸出電壓。m改變，次級(jí)線圈的輸出電壓也改變。因?yàn)閮蓚€(gè)次級(jí)線圈經(jīng)常用來(lái)形成差動(dòng)式，所以它也被稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。工作原理如圖320所示。差動(dòng)變壓器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高達(dá)0.1m；線性范圍高達(dá)100毫米；穩(wěn)定性好，使用方便。因此，它是w根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)通過(guò)線圈的磁通量變化時(shí)，線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。結(jié)論：線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小取決于線圈的匝數(shù)和通過(guò)線圈的磁通量的變化率。磁通量的變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻和線圈移動(dòng)速度有關(guān)。改變這些因素之一可以改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。1.動(dòng)圈式和線速度式的工作原理：根據(jù)直線位移裝置的工作原理，線圈在磁場(chǎng)中直線運(yùn)動(dòng)，從而切割磁力線，