常用传感器工作原理及测量电路.ppt

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1、第一章传感器及其应用—常用传感器工作原理和测量电路—一电阻式传感器工作原理电阻式传感器测量原理:被测的非电量ΔR电量输出其基本原理为：设有一根长度为L，截面积为A，电阻率为ρ的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示：三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ，如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变化，构成不同电阻传感器：1、长度L发生变化——电位器式传感器；2、截面积A、长度L发生变化——电阻应变片传感器；3、电阻率ρ发生变化——热敏电阻、光导性光检测器等。电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。电位器式

2、传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型等，如图所示。电位器式传感器一般采用电阻分压电路，将电参量R转换为电压输出给后续电路，如图所示。当触头移动时，输出电压为：二电容式传感器工作原理S——极板相对覆盖面积；d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数，；ε——电容极板间介质的介电常数。δSε变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)1.变极距型电容传感器非线性关系若△d/d<<1时，则上式可简化为若极距缩小△d最大位移应小于间距的1/10差动式改善其非线性初始电容2.变面积

3、型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为△C与△x间呈线性关系电容式角位移传感器当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系3.变介电常数型电容式传感器初始电容电容式液位传感器电容与液位的关系为：4电容式传感器的应用(1)电容式差压传感器(2)电容式加速度传感器(3)电容式振动位移传感器三电感式传感器工作原理自感式传感器li——各段导磁体的长度；Ui——各段导磁体的磁导率；Si——各段导磁体的截面积；δ——空气隙的厚度；U0——真空磁导率;S——空气隙截面积线圈自感变气隙型传感器变截面型传感器变间隙式电感传感器传感器由线圈、铁心和衔铁

4、组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈电感：N为线圈匝数，Rm为磁路总磁阻。特点：灵敏度高，非线性误差较大，制作装配比较困难。变面积型电感传感器气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。螺管型电感传感器衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感

5、器。差动式电感传感器为了改善线性在实际中大都采用差动式，采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。差动式优点：1、线性好；2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；3、温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能够相互抵消而减小。2差动变压器传感器（互感）互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般，这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式

6、又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。两个次级绕组的同名端则反向串联。图3.2.6差动变压器输出电压特性曲线差动变压器的结构类型（3）差动变压器应用力和力矩的测量微小位移的测量压力测量加速度传感器四压电式传感器工作原理压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面聚集电荷，电荷量相等，极性相反，相

7、当于一个以压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的各种物理量。常用的压电材料石英晶体水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、磷酸二氢钾等）铌酸锂晶体压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）压电半导体高分子压电材料石英晶体的压电效应是二氧化硅单晶，属于六角晶系。石英晶体优点：它的介电常数和压电常数的温度稳定性很好；工作温度范围很宽；机械强度高，可承受108Pa的压力；在冲击作用下，漂移也很小；弹性系数较大。可用于测量大量程的力和加速度压电陶瓷的压电效应是一种多晶体电体，具有电畴结构的压电材料。