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1、第四章传感器技术传感器是测量系统的感受和变换的部件。一般将被测量装换成电信号，有利于远距离的监控，连续自动检测。 按被测量分类有：（标定问题）压力温度转矩转速流量应变按工作原理：电阻式 电感式 电容式 热电式 光电式 压电式按能量转换：有源传感器（能将外界机械能转换为电能）磁，光，压，热 无源传感器（只改变电路中的电参量，需配有激励电源） 电阻式，电容式，电感式。4 . 1传感器基本形式和原理一压电传感器1.压电效应有些晶体或半导体，当受到外力作用而发生变形时，表面上会产生电荷。称为压效 应（顺压电效应），用于测定压力，振动等。反之，在压电材料上施加交变电场，材料会发生机械变形，称为逆压电效应
2、。来 作为超声波发生器。例：石英经过处理后，是六面体的棱柱体x轴为电轴y轴为机械轴z轴为光轴特性：沿x轴作用力Fx，在垂直于x轴表面产生压电效应后为纵压效应，（+）沿y轴方向作用力Fy,在垂直于x轴的两面产生大小相等，符号相反的电荷。称横向压力 效应（-）电荷场产生在垂直于 x轴的表面上，其电荷为（图2个）厂Qx =KFx （K-压电系数，与材料有关）jQy=-KFyb （b t 灵敏）a a反之，在交变电场作用下，沿Y轴方向的机械变形最明显，称逆压电效应。2 压电传感输出的电荷是与所施加的压力成正比。能测量力，压力，速度，振动等物理量。一般内二片以上压电元件组成，于有极性，有串联和并联联接方
3、式并联（图）Q 二 Q0V = nV0C = nC0特点：输出Q大,串联（图）Q = QoV 二 nV0c二C0特点：输出v大,nC小，时间常数小，瞬态。C大，T大，缓变信号。压电晶片的绝缘电阻很高，置于两级之间含连接导线，可能为是电容器。Co7. ” s压电传感器内阻抗非常高，输出信号位于微弱，需经电荷放大器放大，并可转换为电设单片Q0 VC0组合后为Q、V、Cx压电传感的能量以电压或电荷两种电量形式输出的电压灵敏度s =FS -竺 Q . Fg k ifF C电荷K .：F：FSqK值大的材料，C小的导线作为输出线。为提高压电晶体的灵敏度，可选用 要求自振频率高，质量小，刚度大，装配的时加
4、预紧力消除间隙。要求好的绝缘性能，用无水酒精擦洗，在120摄氏度烘和内烘 3小时（一般用电吹风）。高温时要求外部冷却。3.测量电路测量电路采用电荷放大器，传感器，导线、电荷放大器一同稳定标定时：直流电压表，往复式压力针。二、电阻式传感器复杂构件用电算不能解决将零件变形参数（非电量）转换成电压（或电流）变化参数（电量）有变阻式（改变导体长度）、压阻式（改变内部接触电阻）、电阻应变式（改变内部应力）、 热敏电阻式（由于温度变化引起电阻变化 ）测量位移、转角、力、应力、压力、温度等。1.工作原理如金属电阻丝电阻R = :A电阻率（门 mm2m）,-m;A-mm2x当电阻丝受拉伸式压缩后，几何尺寸变化
5、，电阻值也变化nR 二n nl - nA,dRd dA由材料力学可知:ddrX（纵向应变）,r （横向应变），亠r-rL （泊桑比）聖:2 ,聖=2虫=2AA rxd _dA = * _2= ；x(12TA（体积变化率）dVVdA dA J纱d-=C 2i)dRR-；x(1 -21)；x(1- 2i)对于某一金属- C = comtdR=(1 2* C(1 -2i) = K0；xidK0电阻丝镍铬合金，康铜合金应变率灵敏系数K0 =1.8-3.6半导体电阻丝K0 =100以上2. 结构 （图） 丝式应变片易于粘贴耐热、耐湿性差制造简单，价格便宜 半导体应变片灵敏度高对环境温度变化敏感 箔式应变
6、片（经光刻技术，腐蚀等工序制成厚度为0.0030.010）精度高，适应性好，广泛应用3. 温度补偿从两个方面考虑：电阻丝本身R=f（T）电阻丝本身与试件或弹性元件的膨胀系数不同引起的S -匕若=t c R 二 R ：t RK（ :1 - ：2）t 二 R K（ r - 12）kt 二 R： a ：t式中K 电阻丝灵敏系数:-电阻丝电阻温度系数-1 -2 试件、电阻丝线膨胀系数：A 电阻温度系数。4.测量电路直流电桥电路，将电阻信号变电压信号。三、电容式传感器电容式传感器具有可变参数的传感器，通常以空气为介质， 二个多属平板作电极电容量：z SC式中：S极板间相互覆盖的工作面积。（4-1图）0两
7、极板的距离;介质介电常数1） 变间距式：S、；不变，改变KC呈反比为双曲线非线性能否用传感器？（图）60C1-0 -L-.：-!9（1 -舄）Ad-1 +I 6CoAdtC1 = C0 K 匸6Ki-C = C1 -C0K J：-；二 C0（1 - o）= K a、对于差动式:2K -线性度提高，工作范围扩大，灵敏度提高一倍。:过小，易电容击穿，一般数量元母片（固体介质）由于分线中增加了一项常数项，且初始间隙比减小，使线性得到一定改善（4-2图）2）变面积式直线位移（X ）co二；a b5C1 - Co-；b、-X O为线性灵敏度=16CXC =C1 Co 二 K X （4-3 图） 角位移C
8、o；2Qr21 2r (Q 亠、Q)C1 = 26Kq线性3）变介电常数（P73）（5-2 图）a b ；2b(l -a) q b l q b a( ；2 - ；J=+ = + 6-:a(【2 - -1)(5-1图）4）测量电路常用位于调制与解调电路（介电常数与环境温度有关，需在测量电路中进行温度补偿）四、电感传感器电感传感器是将非电量的位移、转角、压力、振动等转换为电感的变化量接入电桥电路，再变为电压输出、1.自感式（线圈式）（5-3图）W2Rm式中人W线圈匝数；Rm 磁路的总磁阻（Q ?S）铁芯衔铁的磁阻 空气隙的磁阻2：同理：A6L - L。max =(0.15 0.20)： 可用差动式
9、5测量电路:调制和解调电路电感 t电压（P70图4-6）（空气的导磁系数2.互感式（变压器式）差动式将被测量转换为线圈的互感变化量，内两个铁芯和一个公用衔铁组成。AMU。=5 U =2UsMUs0 衔铁偏差中心位置，单个次级线圈的感应电压；M -衔铁处于中心位置，单个次级线圈珠互感电压；M 互感变化量。（P71图4-7 ）测量电路：差动整流电路。五、磁电式传感器用于测量转速、振幅、位移、加速度、转矩等物理量。1 .线圈运动式感应电势：U =W B L dx sin J 10(V) dt式中：v 线圈运动方向与磁场方向的夹角;L 每匝导线线圈的长度;B 气隙处磁感应强度（高斯）；W 匝数；dx巴
10、一线圈运动的线速度。dt 施转运动（P75图4-13 b用于测量转角、测速）da 二 阿Ddt 10（V）D-线圈直径2.铁芯运动式（P76图4-14,用于测转角,测速）2： * w n z2 60式中：z 匝数n 的 r/mm气隙中最大磁通量感应电势的频率f正比于被测转速 z如匝数为z=60 ,贝U f = n轴速表=频率计60为求系数，加速度接入须分，积分电路，求出X(d 2x (ddt2 dt2六、霍尔效应传感器某半导体元件在垂直于共薄片上穿过磁力线B1-2通以控制电流 3-4输出电压VHRh 霍尔常数h 元件厚度B 磁电感应强度Ka 霍尔效应灵敏系数结构简单，噪声小，频响宽，非接解式 位移、力、压力、开关控制元件。 .4-2 信号转换与传播传感器输出的是电阻、电感、电气、 信号。 一般需转换为电压信号常用信号转换 与传播的电有：电桥电路、谐振 （ 频率调制 ） 电路、阻抗匹配电路、运算电路。 .4-3 信号处理有源滤波器，绝对值检测电路，峰值保持电路.4-4 测量电路噪声与抑制 P87来源、抑制方式 （ 屏蔽，接地，隔离，滤波电路 ）