常用传感器的工作原理及应用9.docx
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常用传感器的工作原理及应用9
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。
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Ø
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
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Ø
Ø教学内容
3.1电阻式传感器
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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
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
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。
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。
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。
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。
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
1．差动变压器式力传感器
2．沉筒式液位计
3.4压电式传感器
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。
这种现象称压电效应。
当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。
有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
具有压电效应的材料称为压电材料。
1．单晶压电晶体
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。
图示为天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。
石英晶体各个方向的特性是不同的。
其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。
通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。
而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
石英晶体
（a）晶体外形；（b）切割方向；（c）晶片
2．多晶压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。
在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。
因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。
在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。
外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。
让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。
3．新型压电材料
新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。
4．等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。
同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为
式中：
A——压电片的面积；
d——压电片的厚度；
εr——压电材料的相对介电常数。
因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。
如图（a）所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为
压电传感器也可以等效为一个电荷源。
如图（b）所示。
压电元件的等效电路
（a）电压源（b）电荷源
压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。
这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图所示。
压电传感器的实际等效电路
（a）电压源（b）电荷源
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。
其作用为：
一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。
压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：
电压放大器和电荷放大器。
1.电压放大器（阻抗变换器）
下图（a）、（b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。
在图（b）中，电阻R=RaRi/（Ra+Ri），电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，则其电压为
式中：
Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；
d——压电系数。
电压放大器电路原理及其等效电路图
（a）放大器电路（b）等效电路
2．电荷放大器
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。
由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。
式中：
uo——放大器输出电压；
ucf——反馈电容两端电压。
电荷放大器等效电路
1．压电式测力传感器
主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。
2．压电式加速度传感器
主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。
整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。
3.5霍尔传感器
霍尔传感器是一种磁电式传感器。
它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。
由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:
1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。
例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。
霍尔元件赖以工作的物理基础是霍尔效应。
1．霍尔效应
半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。
流入激励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。
霍尔电势EH可表示为：
EH=KHIB
kH为灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。
2．霍尔元件的结构及特性
霍尔元件是一种四端元件。
比较常用的霍尔元件有三种结构：
单端引出线型、卧式型和双端引出线型。
3.5.3集成霍尔电路
霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。
1．线性型霍尔集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。
较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。
2．开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。
当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。
较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。
3.5.4霍尔传感器的应用
霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即EH=KHIBcos。
利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。
这使得霍尔传感器有许多用途。
1．电流的测量
2．位移的测量
3．角位移及转速的测量
4．运动位置的测量
另外还有霍尔特斯拉计（高斯计）、霍尔传感器用于测量磁场强度、霍尔转速表、霍尔式接近开关等。
3.6热敏传感器
热敏传感器主要有热电式和热电阻式。
热电偶作为温度传感器，测得与温度相应的热电动势，由仪表显示出温度值。
它广泛用来测量-200℃~1300℃范围内的温度，特殊情况下，可测至2800℃的高温或4K的低温。
它具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广等特点。
由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制、以及对温度信号的放大，变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。
1．热电偶工作原理
热电效应：
两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。
由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。
热电动势是由两种导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成。
热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。
接触电动势:
由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。
温差电动势:
同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。
导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。
电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。
设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NA＞NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则获得电子而带负电，在接触面形成电场。
这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其大小为
式中，k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；
e——电子电荷量，e＝1.6×10-19C；
T——接触处的温度，K；
NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。
因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。
由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温（T）端电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。
因而在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势，它与温度的关系为
式中σ为汤姆逊系数，表示温差1℃所产生的电动势值，其大小与材料性质及两端的温度有关。
导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB（T）与eAB（T0），又因为T＞T0，在导体A和B中还各有一个温差电势。
所以闭合回路总热电动势EAB（T,T0）应为接触电动势和温差电势的代数和，即：
对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度T的单值函数，即EAB（Ｔ,T0）=f（T）。
这就是热电偶测量温度的基本原理。
在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。
2．热电偶基本定律
（1）中间导体定律
在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。
根据这一定则，可以将热电偶的一个接点断开接入第三种导体，也可以将热电偶的一种导体断开接入第三种导体，只要每一种导体的两端温度相同，均不影响回路的总热电动势。
在实际测温电路中，必须有连接导线和显示仪器，若把连接导线和显示仪器看成第三种导体，只要他们的两端温度相同，则不影响总热电动势。
（2）中间温度定律
在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB（t,t0）等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB（t,tc）和eAB（tc,t0）的代数和，即
eAB（t,t0）=eAB（t,tc）+eAB（tc,t0）
（3）标准导体（电极）定律
如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知，这个定律就称为标准电极定律。
（4）均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积，长度以及温度分布如何均不产生热电动势。
如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关，与热电偶的温度分布无关；如果热电极为非均质电极，并处于具有温度梯度的温场时，将产生附加电势，如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。
3．热电偶的材料与结构
（1）热电偶的材料。
适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40~50种。
国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。
分别是：
铂铑10-铂（分度号为S）、铂铑13-铂（R）、铂铑30-铂铑6（B）、镍铬-镍硅（K）、镍铬-康铜（E）、铁-康铜（J）、铜-康铜（T）和镍铬硅-镍硅（N）。
（2）热电偶的结构
普通型热电偶：
主要用于测量气体、蒸气和液体等介质的温度。
铠装热电偶：
由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组合成一体的特殊结构的热电
偶。
薄膜热电偶：
用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成。
测量端既
小又薄，厚度约为几个微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴。
4．热电偶冷端的温度补偿
根据热电偶测温原理，只有当热电偶的参考端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。
我们经常使用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端的温度为0℃为先决条件的。
但是在实际使用中，因热电偶长度受到一定限制，参考端温度直接受到被测介质与环境温度的影响，不仅难于保持0℃，而且往往是波动的，无法进行参考端温度修正。
因此，要使变化很大的参考端温度恒定下来，通常采用以下方法：
（1）0℃恒温法
（2）冷端温度修正法
（3）补偿导线法
5．热电偶测温线路
1．热电阻
温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。
电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化来测量温度的元件，它由热电阻体（感温元件），连接导线和显示或纪录仪表构成。
习惯上将用作标准的热电阻体称为标准温度计，而将工作用的热电阻体直接称为热电阻。
他们广泛用来测量-200~850℃范围内的温度，少数情况下，低温可至1K，高温可达1000℃。
在常用的电阻温度计中，标准铂电阻温度计的准确度最高，并作为国际温标中961.78℃以下内插用标准温度计。
同热电偶相比，具有准确度高，输出信号大，灵敏度高，测温范围广，稳定性好,输出线性好等特性；但结构复杂，尺寸较大，因此热相应时间长，不适于测量体积狭小和温度瞬变区域。
热电阻按感温元件的材质分金属与半导体两类。
金属导体有铂、铜、镍、铑铁及铂钴合金等，在工业生产中大量使用的有铂、铜两种热电阻；半导体有锗、碳和热敏电阻等。
按准确度等级分为标准电阻温度计和工业热电阻。
按结构分为薄膜型和铠装型等。
（1）铂热电阻
铂的物理化学性能极为稳定，并有良好的工艺性。
以铂作为感温元件具有示值稳定，测量准确度高等优点，其使用范围是－200℃~850℃。
除作为温度标准外，还广泛用于高精度的工业测量。
（2）铜热电阻
铜热电阻的使用范围是-50~150℃，具有电阻温度系数大，价格便宜，互换性好等优点，但它固有电阻太小，另外铜在250℃以上易氧化。
铜热电阻在工业中的应有逐渐减少。
2．热敏电阻
热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。
NTC又可分为两大类：
第一
升级会员 