常用傳感器的工作原理及應(yīng)用

1、電阻式傳感器的工作原理 應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象 彈性應(yīng)變：當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變 彈性元件：具有彈性應(yīng)變特性的物體3.1.3電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。 工作原理：當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成。應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量。1電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變

2、片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)”。2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（1）應(yīng)變式力傳感器被測(cè)物理量：荷重或力主要用途：作為各種電子稱(chēng)與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。 力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等（2）應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。（3）應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器感壓膜感受上面液體的壓力。（4）應(yīng)變式加速度傳感器用于物體加速度的測(cè)量。依據(jù)：a=F/m。 3.

3、2電容式傳感器電容式傳感器的工作原理由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、d或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。1變間隙型電容傳感器此時(shí)電容C變?yōu)椋菏街校篻云母的相對(duì)介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。放置云母片的電容器云 2變面積式電容傳感器 被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化

4、。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移x時(shí)，則電容變化量為 式中C0=0r ba/d為初始電容。電容相對(duì)變化量為 3變介質(zhì)式電容式傳感器 電容式傳感器的應(yīng)用 1電容式壓力傳感器 2電容式加速度傳感器 3.3電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理，它把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）兩種。自感式傳感器自感式電感傳感器主要有變間隙型、變面積型和螺管型三種類(lèi)型。由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁

5、路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。1變間隙型電感傳感器2變面積型電感傳感器3螺管型電感傳感器4差動(dòng)式電感傳感器 為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)式電感傳感器。5自感式傳感器的測(cè)量電路電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。 互感式傳感器 把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱(chēng)為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接， 故稱(chēng)差動(dòng)變壓器式傳感器。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓

6、器，它可以測(cè)量1100mm機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。1互感式傳感器的工作原理互感式傳感器的工作原理類(lèi)似變壓器的作用原理。2差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型3差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路問(wèn)題：（1）差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向)； （2）測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。 為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 (1)差動(dòng)整流電路 這種電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流， 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。 (2)相敏檢波電路 電感式傳感器的應(yīng)用1

7、差動(dòng)變壓器式力傳感器2沉筒式液位計(jì)3.4 壓電式傳感器 壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷， 當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱(chēng)為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。具有壓電效應(yīng)的材料稱(chēng)為壓電材料。1單晶壓電晶體2多晶壓電陶瓷3新型壓電材料 新型壓電材料主要有有機(jī)壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體等。壓電式傳感器的應(yīng)用 1壓電式測(cè)力傳感

8、器主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 2壓電式加速度傳感器主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。3.5霍爾傳感器 霍爾傳感器是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。霍爾元件的工作原理霍爾元件賴以工作的物理基礎(chǔ)是霍爾效應(yīng)。1霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。流入激勵(lì)電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可表示為：EH

9、=KH IBkH為靈敏度系數(shù)，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電勢(shì)的大小。2霍爾元件的結(jié)構(gòu)及特性霍爾元件是一種四端元件。比較常用的霍爾元件有三種結(jié)構(gòu)：?jiǎn)味艘鼍€型、臥式型和雙端引出線型?；魻杺鞲衅鞯臏y(cè)量電路 集成霍爾電路霍爾集成電路可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩大類(lèi)。3.6熱敏傳感器 熱敏傳感器主要有熱電式和熱電阻式。1熱電偶工作原理熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器叫做熱電偶。熱電動(dòng)勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)（珀?duì)栙N電勢(shì)）和單

10、一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）所組成。熱電動(dòng)勢(shì)的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān)。接觸電動(dòng)勢(shì):由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。溫差電動(dòng)勢(shì):同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度是不同的，當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體A與B接觸時(shí)，接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散，電子從電子密度高的導(dǎo)體流向密度低的導(dǎo)體。電子擴(kuò)散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB，且NANB，電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面形成電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子的擴(kuò)散，達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，在接觸區(qū)形成一個(gè)

11、穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢(shì)，其大小為式中，k玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；e電子電荷量，e1.6×10-19 C；T接觸處的溫度，K； NA，NB分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。式中為湯姆遜系數(shù)，表示溫差1所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，其大小與材料性質(zhì)及兩端的溫度有關(guān)。導(dǎo)體A和B組成的熱電偶閉合電路在兩個(gè)接點(diǎn)處有兩個(gè)接觸電勢(shì)eAB(T)與eAB(T0)，又因?yàn)門(mén)T0，在導(dǎo)體A和B中還各有一個(gè)溫差電勢(shì)。所以閉合回路總熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T,T0)應(yīng)為接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電勢(shì)的代數(shù)和，即：2熱電偶基本定律（1）中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)

12、體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。（2）中間溫度定律在熱電偶測(cè)溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t, t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t, tc)和eAB(tc, t0)的代數(shù)和，即 eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) （3）參考電極定律3熱電偶的材料與結(jié)構(gòu)（1）熱電偶的材料。鉑銠10-鉑(分度號(hào)為S)、鉑銠13-鉑(R)、鉑銠30-鉑銠6(B)、鎳鉻-鎳硅(K)、鎳鉻-康銅(E)、鐵-康銅(J)、銅-康銅(T)和鎳鉻硅-鎳硅(N)。（2）熱電偶的結(jié)構(gòu)普通型熱電偶：主要用于

13、測(cè)量氣體、蒸氣和液體等介質(zhì)的溫度。鎧裝熱電偶：由金屬保護(hù)套管、絕緣材料和熱電極三者組合成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。薄膜熱電偶：用真空蒸鍍的方法，把熱電極材料蒸鍍?cè)诮^緣基板上而制成。測(cè)量端既小又薄，厚度約為幾個(gè)微米左右，熱容量小，響應(yīng)速度快，便于敷貼。熱電阻式傳感器 1熱電阻優(yōu)點(diǎn)：1、測(cè)量精度高 2、有較大的測(cè)量范圍，尤其在低溫方面 3、易于使用在自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量中 4、與熱電偶相比，沒(méi)有參比端誤差問(wèn)題作為熱阻材料的特點(diǎn)：1、 高且穩(wěn)定的溫度系數(shù)和大的電阻率，以便提高靈敏度和保證測(cè)量精度2、 良好的輸出特性，3、 在使用范圍內(nèi)，其化學(xué)物理性能應(yīng)保持穩(wěn)定4、 良好的工藝性，以便批量生產(chǎn)降低成本熱電阻按感溫元件的材質(zhì)分金屬與半導(dǎo)體兩類(lèi)。金屬導(dǎo)體有鉑、銅、鎳、銠鐵及鉑鈷合金等，在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的有鉑、銅兩種熱電阻；半導(dǎo)體有鍺、碳和熱敏電阻等。按準(zhǔn)確度等級(jí)分為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)和工業(yè)熱電阻。按結(jié)構(gòu)分為薄膜型和鎧裝型等。(1)鉑熱電阻鉑的物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定，并有良好的工藝性。以鉑作為感溫元件具有示值穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，其使用范圍是200850。除作為溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛用于高精度