1、第4章通用傳感器原理和應(yīng)用，4.1概述4.2電阻應(yīng)變傳感器4.3傳感傳感器4.4電容傳感器4.5電容傳感器4.6磁傳感器4.7光電傳感器4.8集成傳感器4.1概述，1，傳感器定義傳感器(transducer/senor)按照一定的規(guī)律易于應(yīng)用，一般來說，傳感器是將測量的非電容轉(zhuǎn)換為電源的設(shè)備、測力計、壓力計、溫度計、2、傳感器配置、傳感器通常由敏感因素：直接檢測測量、輸出和測量決定關(guān)系組成。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出是轉(zhuǎn)換元件的輸入，該元件將輸入轉(zhuǎn)換為電子參數(shù)。電路轉(zhuǎn)換：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為易于處理、顯示、記錄或控制的有用電信號的電路。3，傳感器類型，1，按測試對象：位移傳感器、壓力傳感

2、器、壓力傳感器等2，根據(jù)工作原理：電阻應(yīng)變、劉濤、電容和壓電等；3、根據(jù)實測轉(zhuǎn)換特性：結(jié)構(gòu)和物理特性。結(jié)構(gòu)傳感器：根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化執(zhí)行信號轉(zhuǎn)換。例如，電容式傳感器會隨著極板間距離的變化而發(fā)生電容變化。觸電型傳感器依靠電樞位移引起磁感或互感變化等。物理傳感器根據(jù)敏感組件材料本身物理特性的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。例如，利用水銀的熱膨脹冷縮現(xiàn)象制作水銀溫度計來測量溫度。利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作壓電系統(tǒng)等。4、根據(jù)能量傳遞方式：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。能量控制傳感器通過從外部供給輔助能量來運行，并測量以控制外部供給能量的變化。能量轉(zhuǎn)換傳感器通過測量對象(如熱電偶溫度計、彈性壓力計等)直接輸入能量來

3、工作。4.2電阻應(yīng)變傳感器，1，電阻應(yīng)變傳感器電阻應(yīng)變傳感器是使用電阻應(yīng)變計將應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。測量物體力變形引起的變形的傳感器，最常用的傳感器元素是電阻應(yīng)變。適用范圍：您可以測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。1，金屬電阻應(yīng)變計金屬電阻應(yīng)變計的工作原理基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時其阻力值隨機械變形(拉伸或縮短)而變化的現(xiàn)象稱為金屬的阻力變形效應(yīng)。金屬應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)和測量原理，電阻線應(yīng)變計由直徑為0.025mm、電阻率高的電阻線制成。為了獲得高電阻，將電阻線排列成稱為敏感格柵的晶格，并貼在絕緣的基底上。電阻線兩端焊接引線。敏感的澆口上貼著有

4、保護作用的蓋子。原理公式：K0稱為金屬線的敏感性系數(shù)，物理意義是單位變形引起的電阻的相對變化。一般情況下，K0=1.73.6，在電阻線拉伸比限制范圍內(nèi)，電阻的相對變化與接收軸變形成正比。應(yīng)用：將應(yīng)變計粘貼到彈性體表面，或?qū)?yīng)變計直接粘貼到測試零件上。彈性體或試樣的變形通過基底和粘合劑傳遞到敏感晶格，電阻值相應(yīng)地變化，可以通過將電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流來測量應(yīng)變。1)將應(yīng)變計粘貼到測試的零部件上，以直接測量零部件的應(yīng)力或變形。例如，為了研究或驗證某些零部件(例如機械、橋梁、建筑等)工作狀態(tài)下的力、變形，可以使用不同外觀的變形將其粘貼到零部件的預(yù)測部分。您可以測量元件的拉力、壓力應(yīng)力、扭矩或彎矩。2)

5、應(yīng)變計附著在彈性元件上，與彈性元件一起形成應(yīng)變傳感器。此傳感器常用于測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性分量接收與測量成比例的變形，然后通過變異轉(zhuǎn)換為阻力的變化，然后輸出。測量的物體產(chǎn)生位移時，懸臂梁發(fā)生位移相同的撓曲，因此應(yīng)變相應(yīng)地變形。將變徑連接到橋路，輸出與位移成比例的電壓信號。測量時，支架固定在振動體上。振動加速度賦予質(zhì)量塊慣性力，懸臂梁在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲變形。梁的變形在一定的頻率范圍內(nèi)與振動體的加速度成正比。2，半導(dǎo)體應(yīng)變計，1)壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力時電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。事實上，任何材料徐璐以不同的程度表現(xiàn)出電阻效果，但是半導(dǎo)體材料的這種效果特別強

6、。對于半導(dǎo)體硅，L=(4080)10-11m2/N，E=1.671011N/m2，k0=LE50100。半導(dǎo)體電阻材料的敏感系數(shù)比金屬線高5070倍。2)壓力電阻傳感器的特征優(yōu)點：靈敏度很高，有時即使傳感器的輸出沒有放大，也可以直接用于測量。例如，在測量壓力時，分辨率高，例如可以測量1020Pa的微壓力。測量元件的有效面積可以很小，所以頻率響應(yīng)很高?？梢詼y量低頻加速度和線性加速度。缺點：溫度誤差大，必須在溫度補償或恒溫條件下使用。4.3電感傳感器，電感傳感器作為電磁感應(yīng)工作。將位移等測量轉(zhuǎn)換為觸電量變化的裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)換方法，可分為自感(包括可變磁阻和渦流)和互感(差動變壓器)。1，磁感應(yīng)傳感器

7、(可變磁阻傳感器)可變磁阻傳感器磁感應(yīng)L與氣隙成反比，與氣隙磁截面區(qū)域S0成正比。0空氣磁導(dǎo)率；w線圈匝，1，氣隙，L與非線性(雙曲)關(guān)系。傳感器的靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，越小，靈敏度S越高。此傳感器適用于小位移測量，一般約為0.0011 mm。2，可變面積表達式，磁感L和S0是線性關(guān)系，此傳感器靈敏度低。3，螺旋管，單螺桿線圈類型，芯在線圈中移動時，松弛發(fā)生變化，線圈磁感發(fā)生變化。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但靈敏度低，適用于大位移(數(shù)毫米)測量。雙螺旋線圈微分類型，具有比單螺旋線圈類型更高的靈敏度和線性性，測量范圍為0300米，最小分辨率為0.5m。線圈電感L1，L2隨鐵芯位移而變

8、化。測量精度高，距離大。2，差動變壓器傳感器(互感)，3，渦流傳感器，高頻(MHz以上)勵磁電流I適用于相鄰金屬板一側(cè)的線圈，線圈產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板表面。在金屬板表面的薄層內(nèi)產(chǎn)生旋渦I，漩渦I再次產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁場，反作用于線圈，引起線圈磁感L或線圈阻抗Z的變化。l的變化程度取決于線圈到金屬板的距離、金屬板的電阻率、電導(dǎo)率、激勵電流I的大小和角度頻率等。測量的位移量發(fā)生變化時，線圈和金屬板之間的距離發(fā)生變化，線圈阻抗z的變化通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射渦流傳感器常用于位移測量。低頻透射渦流傳感器主要用于測量材料厚度。發(fā)射線圈1和接收線圈2分別放置在測試的材料G的上方和下方，低頻(音

9、頻范圍)電壓E1添加到線圈1的兩端后，在周圍空間產(chǎn)生交流電磁場，在測試的材料G產(chǎn)生渦流I。這個渦流失去了部分能量，減少了穿透2的磁力線，減少了2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢E2。E2的大小與G的厚度和材料特性相關(guān)，實驗和理論證明E2隨著材料厚度H的增加而根據(jù)負金志洙定律減少。因此，可以根據(jù)E2的變化測量材料的厚度。4.4容量傳感器，容量傳感器是將測量(如大小、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換為容量變化的傳感器。，1，電容式傳感器的工作原理和類型，常識表明，測量、A或更改時會發(fā)生電容變化。如果將這些參數(shù)中的兩個保持不變，僅更改其他參數(shù)，則可以將這些參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為單個容量變化，然后通過匹配的測量電路將容量變化轉(zhuǎn)換為電信號輸

10、出。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特點，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用更廣。1 .極距變化型電容式傳感器在電容器中，如果陽極板復(fù)蓋徐璐區(qū)域，并且極間介質(zhì)保持不變，則容量和極距將成為非線性關(guān)系。陽極板在測量參數(shù)的作用下位移時，電容量的變化與靈敏度、靈敏度K與極距平方成反比，極距越小，靈敏度越高。通常，通過減小初始極距來提高靈敏度。由于電容C和極距是非線性關(guān)系，因此可能發(fā)生非線性誤差。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常使用差動容量傳感器，以提高傳感器的靈敏度，增加線性操作范圍，克服電源電壓、環(huán)境溫度等外部條件的變化對測量精度的影響。2 .面積變化型電容式傳感器面積變

11、化型容量傳感器的工作原理是在測量參數(shù)的作用下改變極板的有效面積，有兩種常用的角度位移型和線位移型。如果平板傳感器的可移動極板稍微向極距方向移動，則可能影響測量精度。如上所述，面積變化型容量傳感器的優(yōu)點是輸出和輸入是線性關(guān)系，但是與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于大角度位移和直線位移測量。3 .油田常數(shù)變化型容量傳感器大部分用于測量油田介質(zhì)的厚度、位移、水位，根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，可以根據(jù)溫度、濕度、容量變化來測量溫度、濕度、容量等?？勺冸姵?shù)容量傳感器的結(jié)構(gòu)原理，H，0固定極板之間的距離，極間高度和間距中空氣的電常數(shù)X，hx，測量的水的厚度，測量的液面高度及其介電常數(shù)L，B，ax固定極板

12、長度，寬度和測量的物體進入極板的長度(測量值)。R1、R2內(nèi)外極管的工作半徑。容量傳感器功能及應(yīng)用主要優(yōu)點3360 (1)輸送能量小，靈敏度高。(2)電參數(shù)相對變化較大。(3)動態(tài)特性好。(4)能源損失小。(5)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好。主要缺點：非線性對。應(yīng)用，(1)電容測厚儀3360測量軋制過程中金屬帶材的厚度，在C1，C2操作極板和帶材之間形成兩個電容，總電容為C=C1 C2。金屬條在軋制中厚度的變化會引起電容量的變化?？梢詸z測回路以反映這些變化，并轉(zhuǎn)換和顯示條帶的厚度。(2)電容式速度傳感器，齒輪旋轉(zhuǎn)時，電氣容量周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號時，頻率計顯示的頻率指示轉(zhuǎn)速大小。如果將齒

13、數(shù)設(shè)定為z，頻率設(shè)定為f，則旋轉(zhuǎn)速度為：4.5壓電傳感器，壓電傳感器基于某些材料的壓電效應(yīng)，在外力作用下，這些材料的表面會產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)從非電量到功率的轉(zhuǎn)換。1，壓電效應(yīng)和壓電材料1，壓電效應(yīng)和反向壓電效應(yīng)一些物質(zhì)在特定方向施加力使其變形時，在特定表面發(fā)生電荷，外力去除后，又回到?jīng)]有電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在這些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些物質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力，當(dāng)外部電場退出時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種現(xiàn)象稱為逆壓效應(yīng)。叫做電拉伸效果。明顯表現(xiàn)壓電效果的敏感功能材料稱為壓電材料。常用的壓電材料是壓電單晶，例如石英、酒石酸鉀鈉等。多晶壓電陶瓷(如鈦酸、鈦

14、酸鉛、鎂酸鉛等)也稱為壓電陶瓷。此外，聚乙烯(PVDF)是一種新型的高分子物理性能檢測材料，廣泛應(yīng)用。(新型材料)，2，等價電路，壓電元件等于電荷源Q和電容器C0平行的等價電路。也可以相當(dāng)于電壓源U和電容器C0的串行等效電路。由于不可避免地有電荷泄漏，在使用電壓式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)值時，必須采取措施使電荷通過壓電元件測量電路的泄漏而減少到足夠小的程度。進行動態(tài)測量時，電荷不斷補充，可以給測量電路提供一定的電流，電壓式傳感器適合動態(tài)測量。3，壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式是在實際使用中，例如，僅用一個壓電元件工作，生產(chǎn)足夠的表面電荷需要很大的作用力，所以一般使用兩個或更多壓電元件的組合。壓電元件具有

15、極性，因此有兩種連接方法：并行連接和串行連接。并行連接：兩個壓電元件的陰極集中在中間極板上，正極連接在上下兩側(cè)，此時電容大，輸出電荷大，適用于以輸出測量慢信號和電荷的情況。串行連接：上極板為正極，下極板為負極，中間有一個元件的陰極與另一個元件的正極連接。此時傳感器本身的電容器小，輸出電壓大，需要電壓時適用。測量電路還需要高輸入阻抗。4.5磁傳感器，磁傳感器的磁傳感器元素對磁場敏感，能把磁物理量轉(zhuǎn)換成電信號。磁感應(yīng)零件有霍爾元件、磁感應(yīng)電阻、磁感應(yīng)等。一個、霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片被放置在磁場中，如果電流過時，則以垂直于電流和磁場的方向產(chǎn)生電動勢。這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。第二，霍爾元件根據(jù)霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體元件稱為霍爾元件，霍爾元件使用了很多N型半導(dǎo)體材料。孔元素越薄(D越小)