常用传感器及工作原理及应用

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1、第三章常用传感器的工作原理及应用Ø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。Ø教学手段多媒体课件多种传感器演示Ø教学重点各种传感器的应用领域Ø教学课时15学时Ø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

2、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

3、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：荷重或力十三主要用途：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

4、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

5、，电容量增大了ΔC，则有十三在式中，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

6、母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/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=ε0εrba/d为初始电容。电容相对变化量为这种形式

7、的传感器其电容量C与水平位移Δx呈线性关系十三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“

8、－”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。十三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