常用的传感器汇总.docx

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常用的传感器汇总

第三章常用的传感器

本章学习要求

传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节。

完成本章内容的学习后应能做到：

1.了解传感器的的作用

2.了解传感器的分类

3掌握机械式、电阻式、电容式、电感式传感器的工作原理。

4、了解传感器的选用原则

第一节 传感器的分类

一、传感器的分类

　　传感器的分类方法很多，概括起来，主要有下面几种分类方法。

（1）按被测物理量来分类，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。

（2）按传感器工作的物理原理来分类，可分为机械式、电气式、辐射式、流体式等。

（3）按信号变换特征来分类，可分为物性型和结构型。

　　①所谓物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。

例如，用水银温度计测温，是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应。

②所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换了石英晶体的压电效应等。

　　例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。

（4）按传感器与被测量之间的关系来分类，可分为能量转换型和能量控制型。

能量转换型传感器（或称无源传感器），是直接由被测对象输入能量使其工作的。

例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。

由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。

能量控制传感器，也称有源传感器，是从外部供给辅助能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。

（5）另外，按传感器输出量的性质可分为模拟式和数字式

第二节

自学

第三节    电阻式传感器

学习要求

完成本节内容的学习后应能做到：

1.掌握电阻式传感器的工作原理 

2.了解电阻式传感器的结构、分类 

3.掌握变阻器式传感器、电阻应变式传感器在结构和工作原理的相同点和不同点 

4.了解电阻式传感器的应用

一、分类

按其工作原理可分为变阻器式（电位器式）、电阻应变式传感器两种。

二、工作原理

㈠变阻器式传感器工作原理

变阻器式传感器也称电位器式传感器，其工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化。

根据式     

式中：

------电阻率

-------电阻丝长度

A-------电阻丝截面积

1） 

直线位移型

2） 角位移传感器    

3） 非线性传感器

优点：

①结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；

②受环境因素（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响小；

③可以实现输出—输入间任意函数关系；

④输出信号大，一般不需放大。

缺点：

①因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；

②由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；

③动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。

㈡电阻应变式传感器

1、金属电阻应变片

其结构见图

其工作原理：

应变片发生变形时，阻值发生变化。

  r——电阻丝半径

——纵向应变

  ——横向应变

——泊桑比

   E——弹性模量；

——正应力；

——压阻系数。

~（1.7~3.6）

优点:

结构简单,性能稳定,价格低。

缺点:

精度不高,灵敏度低。

2、半导体应变片

工作原理：

半导体材料压阻效应。

压阻效应：

单晶片材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率

发生变化的现象。

比金属丝的灵敏度大50~70倍。

优点：

灵敏度高。

缺点：

温度稳定性能差，灵敏度分散度大，以及在较大应变作用下，非线性误差大等。

应用：

见书P63

3、电阻应变式传感器的应用实例

①   直接用来测定结构的应变或应力。

②    将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参量的传感器。

第四节   电感式传感器

学习要求

1.了解电感式传感器的工作原理

2.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的特点

3.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的应用

一、分类

二、自感型

1、可变磁阻式电感传感器

可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈、铁芯及衔铁组成。

线圈电感（自感）可用下式计算

如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为

式中

——导磁体（铁芯）的长度，m；

——铁芯导磁率，H/m；

s——铁芯导磁横截面积，m2；

δ——空气隙长度，m；

——空气导磁率，H/m；

——空气隙导磁横截面积，m2。

因为

，则

因此，自感L可写为

上式表明，自感L与空气隙δ成反比，而与空气隙导磁截面积S0成正比。

当固定S0不变，变化δ时，L与δ呈非线性（双曲线）关系，如上图所示。

此时，传感器的灵敏度为

灵敏度S与气隙长度的平方成反比，δ愈小，灵敏度愈高。

由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定δ在较小的范围内工作。

故灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。

实际应用中，一般取

。

这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1mm。

如将δ固定，变化空气隙导磁截面积S0时，自感L与S0呈线性关系如下图所示。

几种常用可变磁阻式传感器的典型结构有:

可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。

双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。

这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。

2、涡电流式

利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。

分析表明：

由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化。

Z的变化与

金属板的电阻率

、磁导率

以及线圈激磁圆频率

等有关。

改变其中某一因素，即可达到不同的变换目的。

例：

变化

，可作为位移，振动测量。

变化

或

，可作为材质鉴别或探伤等。

习题：

若差动变气隙式电感传感器的衔铁处于平衡位置时，上、下气隙

，现衔铁上、下平移，上气隙为

，下气隙为

。

1、求电感相对变化量

。

2、对

表达式线性处理后，电感相对变化量

。

3、由此产生的相对（非线性误差）

是多少。

检查电路：

1）、分压式调幅电路

优点：

用于动态非接触测量，结构简单，使用方便，不受油液等介质影响，分辨率高，可达1

。

用于位移、振动、测量等。

 二、互感式传感器——差动变压器式电传感器

原理：

利用电磁感应中的互感现象，将被测位移转化成线圈互感的变化。

工作：

当铁心在中心位置时，

     当铁心向上运动时， 

     当铁心向下运动时， 

可见：

其输出为一交流电压。

若用交流电压表指示，只能反映铁心位移大小，不反映位移的方向性。

优点；精度高（0.1

），线性范围大，稳定度好和使用方便。

第五节 电容式传感器 

学习要求

完成本节内容的学习后应能做到：

1.掌握电容式传感器工作原理 

2.掌握电容式传感器的分类、及它们各自的特点

3.了解电容式传感器的测量电路

一、变换原理：

电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的　

以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。

在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为

式中ε0——真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；

S——极板的遮盖面积，m2；

ε——极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1；

δ——两平行极板间的距离，m。

根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。

（一）

极距变化型

优点：

可进行非接触测量

缺点：

①   灵敏度与

成反比，极距越小，灵敏度越高

②   存在非线性误差，测量范围小

③   配合使用的电子线路复杂

（二）面积变化型

优点：

灵敏度为线性，测量范围大。

可用于测量大的角位移或线位移，差动式比单边结构的灵敏度高一倍。

角位移型      平面线位移型         圆柱体线位移型

（三）介质变化型

利用介质介电常数变化将被测量转化为电容量的传感器。

常用测量材料的厚度、液位等。

二、测量电路（自学）

1、电桥型电路

2、直流极化电路

3、谐振电路

4、调频电路

第六节   传感器选用原则 

了解传感器的结构及其发展后，如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器，也是需要认真考虑的问题。

下面就传感器的选用问题作一些简介。

选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。

（1）灵敏度

一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。

但是，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。

 其一，当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。

因此，为了既能使传感器检测到有用的微小信号，又能使噪声干扰小，就要求传感器的信噪比愈大愈好。

也就是说，要求传感器本身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。

其二，与灵敏度紧密相关的是量程范围。

当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。

不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。

其三，当被测量是一个向量，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好；如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。

（2）响应特性

　　传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。

此外，实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，只是希望延迟的时间越短越好。

   （3）线性范围

　　任何传感器都有一定的线性工作范围。

传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。

　　然而，对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。

在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。

例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。

而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。

   （4）稳定性

　　稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。

影响传感器稳定性的因素是时间与环境。

为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意两个问题。

其一，根据环境条件选择传感器。

例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。

又如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。

光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性质。

其二，要创造或保持一个良好的环境，在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的要求。

（5）精确度

　　传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。

在实际中也并非要求传感器的精确度愈高愈好，这还需要考虑到测量目的，同时还需要考虑到经济性。

因为传感器的精度越高，其价格就越昂贵，所以应从实际出发来选择传感器。

量值，必须有高精确度的传感器。

（6）测量方式传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。

例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。

除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。