各种自动化传感器的使用

第三章传感器§3-1传感器的概念§3-2电阻式传感器§3-3电容式传感器§3-4电感式传感器§3-6压电式传感器第三章传感器传感器是人类五官的延伸，又称之为电五官；传感器技术通讯技术计算机技术

五官神经大脑传感器是获取自然和消费领域中信息的主要途径与手段；现代工业消费尤其是自动化消费过程中，要用各种传感器来监视和控制消费过程中的各个参数；信息技术三大支柱传感器已浸透到诸如工业消费、宇宙开发、海洋探测、环境维护、资源探测、医学诊断、生物工程、甚至文物维护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以致各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化工程，都离不开各种各样的传感器。传感器是将感知到的各种信号转换成易丈量的信号，把相应的信号输入计算机，计算机发出指令，控制各执行机构。§3-1传感器的定义一、传感器的定义〔Transducer/Sensor〕定义：将被测参量转换为与之对应的，易于丈量，传输和处置的信号的安装。GB7665一87：可以感受规定的被丈量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或安装。传感器功用：感知被测信息，并传送给检测安装传感器及传感技术可从以下几个方面了解：①传感器是丈量器件或安装，能完成检测义务；②输入量为位移、压力、温度、分量等被丈量，是非电量；③输出量通常为易于传输、转换、处置、显示的电物理量〔如：电压、电流、频率、功率等〕，也可以是气、光等物理量；④输出、输入有对应关系，且应有一定的准确程度。1.传感器在工业检测和自动控制系统中的运用工业自动化、全自动、半自动消费线〔石油、化工、钢铁、铁路、机械、电力〕自动控制系统〔正确的信息检测准确的控制〕传感器的运用领域传感器的运用领域2.汽车与传感器速度、里程、发动机旋转速度、燃料剩余量平安气囊系统、防盗安装、黑匣子发动机气缸压力〔日本丰田汽车〕3.传感器与家用电器电子炉灶、洗碗机、遥控电视、录像机、电饭煲微波炉〔松下电器采用湿度传感器〕电冰箱〔温控器—>控制紧缩机的开关〕家庭自动化〔平安监视与报警、空调与照明控制、家务劳动自动化、人身安康管理〕传感器的运用领域4.传感器在机器人上的运用传统机器人〔臂的位置和角度传感器〕智能机器人〔触觉、压觉、分量、视觉等〕5.传感器在医疗及人体医学上的运用运用医学传感器〔B超仪、CT、核磁共振等〕医疗保健产品：电子血压计、脉搏计、电子温度计。传感器的运用领域6.传感器与环境维护大气污染指数、水质污染、环境噪声等各种环境监测仪器7.传感器与航空航天飞机的自动驾驶〔飞行姿态、间隔、航线〕恶劣环境的“盲目〞着陆空—空导弹的自动跟踪传感器的运用领域8.传感器与遥感技术遥感技术：从飞机、人造卫星、宇宙飞船、船舶上对远间隔的宽广区域的被测物体及其形状进展大规模探测的一门技术。探测矿藏：人造卫星上的红外传感器红外线的量经过微波地面站计算机分析处置传感器的运用领域传感器市场构造从市场来看,力、压力、加速度、物位、温度、湿度、水分等传感器将坚持较大的需求量。二、传感器的组成二、传感器的组成普通的，传感器由敏感元件、二次变换部分、辅助部分组成。传感器的组成敏感元件〔预变换器〕:它是直接感受被丈量，并输出与被丈量成确定关系的某一物理量的元件。二次变换部分：敏感元件的输出是转换元件的输入，主要作用将输入转换成电参数。并非一切的传感器都包括敏感元件和转换元件，如热电偶！辅助部分：将转换元件的输出进展放大、运算、处置等进一步转换，便于运用。传感器的组成气体压力传感器1-壳体2-膜盒3-电感线圈4-磁芯5-转换电路压力位移电感〔敏感元件〕〔转换元件〕〔丈量电路〕传感器的组成热电偶压电式加速度传感器三、传感器的分类传感器是知识技术密集的行业，与许多学科有关，种类繁多，分类方法也很多。按任务机理：物理型、化学型、生物型；按构成原理：构外型、物性型；构外型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等；这类传感器的特点是传感器的任务原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为根底，而不是以资料特性变化为根底。传感器的分类物性型传感器是利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。这种法那么，大多数是以物质本身的常数方式给出。这些常数的大小，决议了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随资料的不同而异。传感器的分类按能量转换情况：能量控制型、能量转换型；能量控制型传感器在信息变化过程中，其能量需求外电源供应；(无源传感器)能量转换型传感器主要由能量变换元件构成，不需外加电源；(有源传感器)传感器的分类按丈量原理分：电参量式传感器(电阻式、电感式、电容式)磁电式传感器(磁电感应式、霍尔式、磁栅式)；压电式传感器；光电式传感器；气电式传感器；热电式传感器；波式传感器；射线式传感器；半导体式传感器；其他原理的传感器。传感器的分类按传感器用途分(输入量)温度传感器湿度传感器压力传感器位移传感器转速传感器流量传感器火灾传感器传感器的分类按传感器输出信号方式可分为：模拟传感器和数字传感器。按输入量分类优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于运用者根据用途选用。缺陷：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差别，不便于运用者比较各种传感器的原理异同点。传感器的分类按原理分类：优点是：对传感器的任务原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业任务者对传感器的深化研讨分析。缺陷：不便于运用者根据用途选用。四、传感器的命名法由主题词加四级修饰语构成传感器1、被丈量2、转换原理3、特征描画4、主要技术目的〔量程、灵敏度、准确度等〕例：传感器位移应变式100㎜习惯上用反序法，也可用简称。五、对传感器的性能要求可靠性：指传感器在规定的运用条件和期限内坚持其准确计量性能的才干。选择性：传感器的输出不受(少受)非被丈量〔干扰〕的影响。超然性：传感器不影响被测系统原来形状的才干。〔实践有影响〕加速度传感器§3-2电阻式传感器受位移、压力、光热……的作用RR+△R电阻式传感器是利用电阻应变效应，将被测物体的变形转换成电阻变化，在经过转换电路变成电量输出的传感器。它可以丈量力、压力、位移、应变、加速度、温度等各种非电量。现已被广泛运用于工程丈量和科学实验中。一、导电资料的电阻效应当金属丝在外力作用下发活力械变形时，其电阻值将发生变化，这种景象称为金属的电阻应变效应。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为

两边取对数，得等式两边取微分，l△l§3-2电阻式传感器dR/R——电阻的相对变化；dρ/ρ——电阻率的相对变化；dl/l——金属丝长度相对变化，用ε表示，ε=dl/l,称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；dS/S——截面积的相对变化。S=πr2dS/S=2·dr/rdr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。εr=–με由资料力学知：§3-2-1

导电资料的电阻效应将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，那么金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。变形变性§3-2-1

导电资料的电阻效应物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：前一部分是〔1+2μ〕，由资料的几何尺寸变化引起，普通金属μ≈0.3，因此〔1+2μ〕≈1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的〔称“压阻效应〞〕。对金属资料，以前者为主，那么KS≈1+2μ；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决议。实验阐明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。§3-2-1

导电资料的电阻效应§3-2-2电位计式传感器二、电位计式传感器电位计式传感器也称为变阻器式传感器，它经过改动电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。根据下式式中:ρ—电阻率；l—电阻丝长度；A—电阻丝截面积。假设电阻丝直径和材质一定时，那么电阻值随导线长度而变化。式中电阻值的单位为Ω。常用电位计式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。§3-2-2电位计式传感器直线位移型：当被测位移变动时，触点c沿变阻器挪动。假设挪动x，那么c点与A点之间电阻值：R=kix传感器灵敏度：S=dR/dx=ki式中k——单位长度内的电阻值。当导线分布均匀时，ki为一常数。这时传感器的输出(电阻)与输入(位移)成线性关系。§3-2-2电位计式传感器回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化。其灵敏度式中α—转角[rad]kα—单位弧度对应的电阻值。§3-2-2电位计式传感器非线性变阻器式传感器，或称为函数电位器。当被丈量与电刷位移x之间具有某种函数关系时，经过它可以获得输出电阻与输入被丈量的线性关系。设r(x)为电位器恣意瞬时位置〔微小区间Δx〕内的电阻，那么电阻位移为x时总电阻值为：假设被丈量为z(x)，它是位移x的函数，假设要得到线性输出，应满足在知z(x)的情况下，可以求得r(x)和Rx,r(x)可以用来确定电位器的骨架外形。§3-2-2电位计式传感器变阻器式传感器的优点是构造简单，性能稳定，运用方便。缺陷是分辨力不高，由于遭到电阻丝直径的限制。提高分辨力需运用更细的电阻丝，其绕制较困难。所以变阻器式传感器的分辨力很难优于20μm。由于构造上的特点，这种传感器还有较大的噪声。电刷和电阻元件之间接触面的变动和磨损、尘埃附着等，都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不规那么的变化，从而产生噪声。变阻器式传感器被用于线位移、角位移丈量，在丈量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。§3-2-2电位计式传感器变阻器式传感器产品3.2电阻式传感器案例：分量的自动检测--配料设备比较分量设定原资料3.2电阻式传感器原理：弹簧->力->位移->电位器->电阻案例：煤气包储量检测煤气包钢丝3.2电阻式传感器原理：钢丝->收线圈数->电位器->电阻案例：玩具机器人〔广州中鸣数码〕3.2电阻式传感器原理：电机->转角->电位器->电阻3.2电阻式传感器案例：振动式地音入侵探测器适宜于金库、仓库、古建筑的防备，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。3.2电阻式传感器三、电阻应变片金属应变片式传感器的中心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。金属应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，经过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。§3-2

电阻式传感器§3-2-3电阻应变片1、丝式应变片由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的资料将直接影呼应变片的性能。因此，应根据运用条件和要求合理地加以选择。2341bl栅长栅宽电阻应变片构造表示图〔1〕敏感栅由金属细丝绕成栅形，直径：〔0.015～0.05〕mm应变片的阻值：60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。〔允许有一定的误差，但不能太大，否那么影响平衡〕标距=栅宽×栅长=b×l较大的应变片：5×100〔200〕mm较小的应变片：1×1〔2〕mm等。构造：回线式〔a〕和短接式〔b〕普通至少用两个，一个做丈量，一个做温度补偿，或用四个，两个做丈量，两个做温度补偿。§3-2-3电阻应变片对敏感栅的资料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内坚持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化才干高，耐腐蚀性能强；⑤在任务温度范围内能坚持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好，易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线资料的热电势小。对应变片要求必需根据实践运用情况，合理选择。§3-2-3电阻应变片〔2〕基底和盖片基底用于坚持敏感栅、引线的几何外形和相对位置，盖片既坚持敏感栅和引线的外形和相对位置，还可维护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。基底资料：胶基和纸基〔3〕引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线，直径〔0.15～0.2〕mm。对引线资料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅资料都可制造引线。§3-2-3电阻应变片〔4〕粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一同。运用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件外表某个方向和位置上。以便将构件受力后的外表应变传送给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温暖中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。§3-2-3电阻应变片2、箔式应变片金属箔式应变片那么是用栅状金属箔片替代栅状金属丝。金属箔栅系用光刻技术制造，适于大批量消费。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约1—10μm，散热好，粘结情况好，传送试件应变性能好。因此目前运用的多系金属箔式应变片。§3-2-3电阻应变片3、薄膜应变片是薄膜技术开展的产物，厚度在0.1μm以下。是采用真空蒸发法，将电阻资料蒸镀在基底上制成敏感栅而构成应变片。灵敏度系数高，易于规模消费，是一种很有出路的新型应变片。用得较少，自学了解。§3-2-3电阻应变片4、半导体应变片半导体应变片最简单的典型构造如下图。半导体应变片的运用方法与金属电阻应变片一样，即粘贴在弹性元件或被测物体上，其电阻值随被测试件的应变而变化。半导体应变片的任务原理是基于半导体资料的压阻效应。§3-2-3电阻应变片所谓压阻效应是指单晶半导体资料在沿某一轴向遭到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的景象。优点：灵敏度高；缺陷：稳定性差，非线性严重。做一批应变片，各不一样；同一批应变片在不同条件下，变化很大。§3-2-3电阻应变片5、应变片的灵敏度系数K：金属应变片的灵敏度系数——指应变片安装于试件外表，在其轴向方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件外表上安装应变片区域的轴向应变之比。Ks:金属丝的灵敏度系数——金属单丝的电阻相对变化与它所感受的应变之比。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。§3-2-3电阻应变片实验阐明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。即：K为金属应变片的灵敏系数。留意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件资料的泊松比为0.285的钢材时测得的。丈量结果阐明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。缘由：胶层传送变形失真，横向效应也是一个不可忽视的要素。思索：K与KS大小的关系？§3-2-3电阻应变片第三节电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化的一种传感器。特点：构造简单，体积小，可实现非接触式丈量，能在高温、辐射和剧烈振动等恶劣条件下任务。运用：压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等多方面的丈量。§3-3电容式传感器任务原理：电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的安装。它本质上是一个具有可变参数的电容器。从物理学可知，由两个平行极板组成的电容器其电容量为：式中εr——极板间介质的相对介电常数，在空气中εr=1；εo——真空中介电常数，εo＝8.85×10-12F／m；d——极板间间隔；S——极板间相互覆盖面积。§3-3电容式传感器当被丈量使d、S或ε发生变化时，都会引起电容C的变化。假设坚持其中的两个参数不变，而仅改动另一个参数，就可把该参数的变化变换为电容量的变化。根据电容器变化的参数，可分为极距变化型、面积变化型和介量变化型三类。在实践中，极距变化型与面积变化型的运用较为广泛。§3-3电容式传感器类型：(一)面积变化型在变换极板面积的电容传感器中，普通常用的有角位移型和线位移型两种。§3-3电容式传感器角位移型：当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖面积就改动，从而改动电容的输出。当=0时，当≠0时，传感器的电容量C与角位移呈线性关系。§3-3电容式传感器平面线位移型电容传感器：当动板沿X方向挪动时，覆盖面积发生变化，电容量也随之变化。其电容量C

式中b—极板宽度。灵敏度此传感器的电容量C与程度位移x呈线性关系。§3-3电容式传感器圆柱体线位移型电容传感器。动板(圆柱)与定板(圆柱)相互覆盖，其电容量式中D——圆筒孔径；d——圆柱外径。当覆盖长度x变化时，电容量C发生变化，其灵敏度§3-3电容式传感器

面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移的丈量。§3-3电容式传感器(二)介量变化型这种传感器大多用来丈量电介质的厚度、位移、液位、液量。还可根据介质的介电常数随温度、湿度的改动而丈量温度、湿度等。当电极间存在导电物质时，电极的外表应涂盖绝缘层〔如0.1mm厚的聚四氟乙烯等〕，防止电极间短路。图中是这种传感器的典型实例。§3-3电容式传感器电容式液位传感器传感器的电容量C与被测液位高度h呈线性关系。相当于两个电容器并联：=C0+Ah§3-3电容式传感器另一种构造：d0d1ε1ε0假设d0,d1知时，此构造可用来测未知资料的介电常数假设ε1知时，此构造可用来测某介电资料的厚度〔如纸张、塑料薄膜等〕§3-3电容式传感器(三)极距变化型假设两极板相互覆盖面积及极间介质不变，那么电容量C与极距δ呈非线性关系。当极距有一微小变化量dδ时，引起电容的变化量dC为由此可以得到传感器灵敏度§3-3电容式传感器可以看出，灵敏度K与极距平方成反比，极距越小灵敏度越高。显然，由于灵敏度随极距而变化，这将引起线性误差。为了减小这一误差，通常规定在较小的间隙变化范围内任务，以便获得近似线性关系。普通取极距变化范围约为Δd／d0≈0.1。§3-3电容式传感器结论：当d/d0<<1时，电容输出可简化为：此时，C与d呈线性关系，同时，减小d0可提高传感器的灵敏度。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为提高传感器的灵敏度，极板间可采用高介电常数的资料作介质，如云母，塑料膜等。普通变极板间间隔电容式传感器的起始电容在20～100pF之间，极板间间隔在20～200µm的范围内。最大位移应小于间距的1/10,在微位移的丈量中运用广泛。§3-3电容式传感器将电容变化量按级数展开，可得：忽略高次项，变极距型电容传感器的灵敏度为：思索线性项与二次项：§3-3电容式传感器传感器的相对非线性误差为：结论：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。在实践运用中，为了提高传感器的灵敏度、线性度以及抑制某些外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对丈量准确度的影响，经常采用差动式。为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式构造。§3-3电容式传感器差动平板式电容传感器构造图当中间的动极板上移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d,电容器C2的间隙d2变为d0+d,§3-3电容式传感器按级数展开，电容值的总变化量为：§3-3电容式传感器相对变化量为：略去高次项，相对非线性误差为：结论：电容传感器做成差动式后，灵敏度添加了一倍，而非线性误差大大降低了。§3-3电容式传感器差动式电容传感器的优点：1、提高了灵敏度2、降低了非线性误差3、抑制了温漂，降低了误差§3-3电容式传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由丈量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种安装称为电感式传感器。优点：构造简单，任务可靠，丈量精度高，输出功率大；能实现信息的远间隔传输。缺陷：灵敏度、线性度和丈量范围相互制约；传感器频率呼应低，不适宜快速动态丈量。§3-4电感式传感器第四节电感式传感器§3-4电感式传感器电涡流式按转换原理分：自感式和互感式种类差动变压器按构造方式分：气隙型和螺管型运用：广泛的用于位移、振动、压力、应变、流量、比重等参量的丈量§3-4电感式传感器一、自感式传感器1、气隙型电感传感器任务原理组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为lδ。0.5lδ123x(a)变隙式(b)变截面式传感器中有一个气隙lδ，它随被测物体的位移而产生±lδ的变化，由于衔铁与其同步挪动，将引起磁路中气隙磁阻发生相应的变化，从而导致线圈电感的变化。用于较小行程l1：铁芯磁路总长；μ1：铁芯磁导率；l2：衔铁的磁路长；μ2：衔铁磁导率；S：气隙磁通截面积；μ0：真空磁导率，S1：铁芯横截面积；μ0=4π×10-7H／m；S2：衔铁横截面积；lδ：空气隙总长。由磁路根本知识知，线圈自感为:线圈匝数磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)磁路总磁阻为:§3-4电感式传感器磁阻是表示物质对磁通量所呈现的阻力的一个物理量。§3-4电感式传感器由于自感传感器的铁芯普通在非饱和形状下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，即μ1=μ2>>μ0所以上式可简化为可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即L＝f(S,lδ)，假设S坚持不变，那么L为lδ的单值函数，构成变隙式自感传感器；假设坚持lδ不变，使S随位移变化，那么构成变截面式自感传感器。§3-4电感式传感器输出特性曲线L=f〔S〕LSLSL=f〔lδ〕变气隙式传感器特性曲线变截面积式传感器特性曲线L=f(lδ)为非线性关系。当lδ＝0时，L为∞，思索导磁体的磁阻，当lδ＝0时，并不等于∞，而具有一定的数值，在lδ较小时其特性曲线如图中虚线所示。如上下挪动衔铁使面积S改动，从而改动L值时,那么L＝f(S)的特性曲线为不断线。ΔLΔlδ自感变化灵敏度为：线性度lδLΔL1ΔL2L0lδ0结论：①当气隙lδ发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化Δlδ/lδ的增大而添加；②气隙减少Δlδ所引起的自感变化ΔL1与气隙添加同样Δlδ所引起的自感变化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值随Δlδ/lδ的添加而增大。§3-4电感式传感器§3-4电感式传感器由前面的分析可见，变气隙式电感传感器的丈量范围与灵敏度及线性度相矛盾。由于以上特点，为了减小非线性误差，那么要限定lδ的范围，因此变间隙式传感器只能用于微小位移的丈量。为了改善其非线性，常采用差动式的构造。任务原理如下：§3-4电感式传感器EUSC1342ⅠⅡRR(l-Δlδ)/2(l-Δlδ)/2差动变气隙式自感传感器构造由两个电气参数和磁路完全一样的线圈组成。当衔铁3挪动时，一个线圈的自感添加，另一个线圈的自感减少，构成差动方式。灵敏度：线性度：§3-4电感式传感器2、螺管型电感传感器种类：单线圈和差动式构造方式。单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器任务时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源鼓励时，那么线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。用于较大行程rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器构造图l§3-4电感式传感器线圈电感：l——线圈长度rc——衔铁半径r——平均半径μr——铁心的有效磁导率N——匝数lc——衔铁进入线圈的长度假设被丈量与Δlc成正比，那么ΔL与被丈量也成正比。实践上由于磁场强度分布不均匀，输入量与输出量之间关系非线性的。螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H〔〕INlx〔l〕铁芯在开场插入〔x=0〕或几乎分开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这阐明只需在线圈中段才有能够获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。§3-4电感式传感器为了提高灵敏度与线性度,常采用差动螺管式自感传感器。这种差动螺管式自感传感器的丈量范围为(5～50)mm,非线性误差在0.5％左右。2lcΔlc2l线圈Ⅱ线圈Ⅰr0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH〔〕INl差动螺旋管式自感传感器(a)构造表示图(b)磁场分布曲线x(l)(a)(b)§3-4电感式传感器§3-4电感式传感器综上所述，螺管式自感传感器的特点：①构造简单，制造装配容易；②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；④由于磁阻高，为了到达某一自感量，需求的线圈匝数多，因此线圈分布电容大；⑤要求线圈框架尺寸和外形必需稳定，否那么影响其线性和稳定性。二、互感式传感器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根本原理制成的，并且次级绕组用差动方式衔接，故称差动变压器式传感器。构造：变隙式、变面积式和螺管式。其中螺线管式最为常用，可丈量1～100mm的机械位移。§3-4电感式传感器构造及任务原理原理：当初级线圈加上某一频率的正弦交流电压后，次级线圈产生感应电压e21,e22，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关，e21和e22反极性衔接就得到输出电压e2§3-4电感式传感器等效电路～～e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1～在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的电流值为：ω—鼓励电压的角频率；e1—鼓励电压；e1初级线圈鼓励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻§3-4电感式传感器N2为次级线圈匝数。Rm1和Rm2是经过两个次级线圈的磁阻。在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为初级线圈对两次级线圈的互感系数：§3-4电感式传感器其幅值：输出阻抗：因此空载输出电压:§3-4电感式传感器运用丈量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。1.差动变压器式加速度传感器用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必需是振动频率的十倍以上，才干得到准确的丈量结果。可丈量的振幅为(0.1～5)mm，振动频率为(0～150)Hz。稳压电源振荡器检波器滤波器(b)(a)～220V加速度a方向a输出1211弹性支承2差动变压器§3-4电感式传感器2.微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件〔膜片、膜盒和弹簧管等〕相结合，可以组成各种方式的压力传感器。～220V1接头2膜盒3底座4线路板5差动变压器6衔铁7罩壳V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路1234567这种变送器可分档丈量(–5×105～6×105)N/m2压力，输出信号电压为(0～50)mV，精度为1.5级。§3-4电感式传感器§3-6压电式传感器第六节压电式传感器压电传感器是典型的有源传感器。又称自发电式传感器及电势式传感器。压电传感器的任务原理是基于某些晶体受力后在其外表产生电荷的压电效应。特点：体积小、分量轻、构造简单、灵敏度高、任务可靠；适宜动态力学丈量，不能丈量静态量。目前多用于加速度和动态力学或压力的丈量。压电传感器是一个机电转换元件。运用：拾音器、压电引信、燃气点火具。§3-6压电式传感器§3-6压电式传感器一、压电效应一些晶体构造的资料，当沿着一定方向遭到外力作用时，内部产生极化景象，同时在某两个外表上产生符号相反的电荷；而当外力去掉后，又恢复不带电的形状；当作用力方向改动时，电荷的极性也随着改动。晶体受作用力产生的电荷量与外力的大小成正比，这种机械能转换为电能的景象称为正压电效应。反之，假设给晶体施加以交变电场，晶体本身那么产活力械变形，这种景象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。压电效应具有可逆性。电能机械能正压电效应逆压电效应§3-6-1压电效应ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX晶体纵向压电效应:通常把沿电轴X－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〞；横向压电效应:而把沿机械轴Y－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；沿光轴Z－Z方向受力那么不产生压电效应。光轴电轴机械轴§3-6-1压电效应纵向压电效应横向压电效应：在Y－Y方向受力产生的压电效应，其电荷分布与X－X方向受力所产生的压电效应情况相反；当Y方向受压时〔FY<0〕，X正半轴方向产生负电荷，X负半轴方向产生正电荷;当Y方向受拉时〔FY>0