第3章 常用传感器

第3章 常用传感器■ 传感器的定义（GB7665-87）能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

■ 传感器的组成● 敏感元件：如压电式加速度计中的质量块、应变式力传感器中的弹性元件等。

● 转换元件：如压电式加速度计中的压电晶片、应变式力传感器中的应变片等。

● 其他元件：壳体、引线等。

■ 传感器的分类● 按被测量的属性分：位移、速度、加速度、力、压力、流量、温度等传感器。

● 按传感器的工作原理分：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、光电式等。

● 按信号转换特征分：结构型传感器、物性型传感器。

● 按传感器输出参量的状态分：模拟传感器、数字传感器。

● 按工作时是否需要外部能源分：参量型传感器、发电型传感器。

3.1 电阻式传感器将被测量的变化转换成电阻变化的传感器。

分为： ● 变阻器式 ● 电阻应变式● 敏感电阻式（热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻等）3.1.1 变阻器式传感器1. 工作原理图3-1 变阻器式传感器a) 工作原理 b) 分压式测量线路Sx R x xR p po == （3-1） （常数）.const Adx dR S o ===ρ（3-2） 变阻器式传感器的静态灵敏度理论上为常数，输出电阻o R 的变化与输入位移x 的变化成线性比例关系——零阶系统。

变阻器式传感器一般后接分压式测量电路（图3-1b ）。

输出o e 与输入位移x 的关系为：s pL p p o e x x R R x x e )1(1-+=（3-3） 负载特性：由于测量电路后面还要连接各种信号调理电路，即连接一定的负载，使得输出电压o e 与输入位移x 之间实际上是非线性关系。

（强调：增大输入阻抗容易引入干扰！） 阶梯特性：对于线绕式变阻器式传感器，在触点移动一个电阻丝直径d 的范围内不会使输出电压o e 产生变化，因此，变阻器式传感器的位移分辨力d i ≥。

2. 结构线位移型、角位移型、函数型等。

特点：结构简单，性能稳定，受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响小，输出信号大，成本低，精度较高（可优于0.1%）；存在摩擦和磨损，噪声大，抗冲击、振动性能差，易受灰尘等因素的影响，要求大能量输入，动态特性差。

3.1.2 电阻应变式传感器1. 工作原理长度为L 、截面积为A 、电阻率为ρ的金属导体的电阻R 为ALR ρ= （3-4）ρρd A dA L dL R dR +-= （3-5） 若金属导体是截面半径为r 的金属丝，则有：2r A π=，rdr dA π2=，ε=L dL ，μεμ-=-=LdLr dr ，λσρρ=d ，εσE =， 其中：ε——所承受的应变；σ——轴向正应力；μ——材料的泊松比；λ——材料的压阻系数；E ——材料的弹性模量。

故ελμλμ)21()21(E LdLE R dR ++=++= （3-6）应变片的灵敏度SE RdR L dL R dR S λμε++===)21( （3-7） 则 εS RdR= （3-8）金属应变片：电阻变化主要由应变效应引起，E λμ>>+21，μ21+≈S （多在1.7~3.6之间）； 半导体应变片：电阻变化主要由压阻效应引起， μλ21+>>E ，E S λ≈（多在60~150之间）。

特点：金属电阻应变片的灵敏度较低，但温度稳定性好、非线性误差小；半导体应变片的灵敏度较高，横向效应和机械滞后小，其缺点是温度稳定性差，非线性误差大。

2. 结构⑴ 金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的敏感元件为栅形的金属敏感栅，有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。

图3-2 金属电阻应变片的结构a) 丝式 b) 箔式⑵ 半导体应变片半导体应变片主要有体型、薄膜型、扩散型三种类型。

图3-3 体型半导体应变片的结构1—引线2—半导体片3—基片图3-4 薄膜型半导体应变片的结构图3-5 扩散型半导体应变片的结构1—锗膜2—绝缘层3—金属箔基底4—引线1—N型硅2—P型硅扩散层3—二氧化硅绝缘层4—铝电极5—引线3. 应用⑴直接用来测定构件的应变或应力。

图3-6 电阻应变片测量示例a) 齿轮轮齿弯矩测量b) 飞机机身应力测量c) 立柱应力测量d) 桥梁应力测量⑵与弹性元件一起构成各种电阻应变式传感器，用来测量力、位移、压力、加速度等工程参数。

图3-7 几种电阻应变式传感器的原理示意图a) 位移传感器b) 加速度传感器c)力传感器d) 扭矩传感器e) 压力传感器3.2 电感式传感器电感式传感器是一种把被测量的变化转换成线圈电感参数（自感系数、互感系数、等效阻抗）变化的传感器，其工作原理是基于电磁感应。

按变换方式的不同，电感式传感器可分为自感式、互感式和涡流式）三种。

3.2.1 自感传感器1. 工作原理自感传感器将被测量的变化转换成线圈本身自感系数的变化。

图3-8 自感传感器原理a) 工作原理 b) 输入输出特性mR WL 2=（3-11） AR R R R m m m m 02μδ=≈+=气气铁 （3-12）式中 A ——磁路的导磁截面积；0μ——空气的磁导率，H/m 10π470-⨯=μ。

传感器线圈的自感L 为δμ202AN L = （3-13）传感器的灵敏度S 为2022δμδA N d dL S -== （3-14） 当传感器工作在初始气隙0δ附近较小的范围δ∆±内时，灵敏度)21(2)(22020022002202δδδμδδμδμ∆--≈∆+-=-=A N A N A N S （3-15） 为使输入输出近似保持线性关系，通常1.0/0≤∆δδ差动式自感传感器：)(2)(22200200220210221δδμδδμδμδμ∆+-∆-=-=-=∆AN A N A N A N L L L002δδδμ∆⋅≈A N2. 测量电路把两个线圈分别接在交流电桥相邻的两个桥臂上，电桥的输出与输入x 基本保持线性关系。

图3-9 变气隙式差动自感传感器a) 工作原理 b) 转换电路 c) 特性曲线差动传感器的特点：● 灵敏度比单圈式提高了一倍；● 大大改善了传感器的非线性；● 在一定程度上实现了对某些误差的补偿（如环境条件变化、铁心材料的磁特性不均匀等）。

其他形式的自感传感器：图3-10 其他形式的自感传感器a) 变面积型 b) 单螺线管型 c) 差动螺线管型3. 结构3.2.2 涡流传感器1. 工作原理涡流式传感器是基于电磁学中的涡流效应工作的。

涡流效应：把一个扁平线圈置于一金属板附近，当线圈中通以高频交变电流i 时，线圈中便产生交变磁通1m Φ。

此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便会感应出电流e i 。

所感应出的电流在金属内呈体分布而且是环状闭合的，故称为涡电流或涡流。

根据楞次定律，所感应出的涡流也产生一磁通2m Φ，其方向总是与1m Φ相反，即抵抗原磁通1m Φ的变化，这种现象称为涡流效应。

线圈的等效阻抗可近似用下面的函数表示：图3-11 涡流效应),,,,,,(ρμωδN R I f Z = （3-16） 式中 δ——线圈到金属板的距离； ω——激励电流的频率； I ——激励电流的强度； R ——线圈半径； N ——线圈匝数；μ——金属板的磁导率； ρ——金属板的电阻率。

2. 测量电路涡流传感器的转换电路主要有交流电桥、分压式调幅电路及调频电路等。

图3-12 分压式调幅电路图3-13 分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性a) 谐振曲线 b) 输出特性3. 结构涡流传感器主要用于动态非接触测量，测量范围视传感器的结构尺寸、线圈匝数、激励电源频率等因素而定，一般从±1mm 到±10mm 不等，最高分辨力可达1μm 。

此外，这种传感器还具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等特点。

因此，涡流式位移测量仪、涡流式测振仪、涡流式无损探伤仪、涡流式测厚仪等在机械、冶金等行业得到了日益广泛的应用。

图3-14为CZF-1型涡流传感器的结构示意图。

图3-14 CZF-1型涡流传感器的结构1—线圈 2—框架 3—框架衬套 4—固定螺母 5—电缆3.2.3 互感传感器1. 工作原理互感传感器是根据电磁感应中的互感原理工作的。

互感原理：当某一线圈中通以交变的电流时，在其周围产生交变的磁通，因而在其邻近的线圈上感应出感生电动势。

感生电动势12e 的大小为 dtdi Me 112-= （3-18）图3-15 互感现象 图3-16 互感传感器原理传感器一般设计成开磁路，此时互感M 为：),,,,,(021S N N f M δμμ= （3-19） 式中 21,N N ——一、二次线圈的匝数；μμ,0——真空（空气）的磁导率； δ——空气隙的长度； S ——导磁截面积。

互感传感器有很多种型式，其中最常用的是差动变压器式位移传感器。

图3-17 差动变压器式传感器工作原理示意图 图3-18 反串连接211t M ∝ 222t M ∝ （3-20）从而 211kt e = 222kt e = （3-21） 2. 测量电路差动变压器的测量电路是图3-18所示的反串连接电路。

反串连接后的输出电压o e 为)(222121t t k e e e o -=-=])()[(2020x t x t k ∆--∆+= x S x kt ∆⋅=∆⋅=02图3-19 差动变压器的输入输出特性曲线差动变压器式传感器的零点残余电压。

3. 结构■ 本课小结1. 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常有敏感元件、转换元件和其他元件组成。

2. 传感器可以从不同角度进行分类，应特别注意结构型、物性型传感器的特点。

3. 电阻式传感器有变阻器式、电阻应变式、敏感电阻式三种。

电阻应变式传感器是工程上广泛使用的一种传感器，应注意掌握金属应变片和半导体应变片的工作原理、性能特点等。

4. 电感传感器有自感传感器、互感传感器、涡流传感器三种。

这三种传感器的应用都比较广泛，也应重点注意它们的工作原理、测量电路及性能特点等。

第3章 常用传感器3.3 电容式传感器电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的传感装置。

电容传感器的种类：极距变化型、面积变化型、介质变化型三种。

1. 工作原理一对平行极板组成的电容器的电容量为δεεAC 0= （3-23）式中 0ε——真空的介电常数，F/m 1085.8120-⨯=ε； ε——极板间介质的相对介电常数； A ——极板有效作用面积； δ——极板间距。

ε、A 、δ的变化都会引起电容量C 的变化，从而可制成三种类型的电容传感器。

图3-20 极距变化型电容传感器及其输入输出特性a) 工作原理 b) 输入输出特性■ 极距变化型电容传感器（图3-20）δδεεd AdC 200-= （3-24）传感器的灵敏度为200δεεδA d dCS -== （3-25） 这种传感器由于存在原理上的非线性，灵敏度随极距变化而变化，故通常是在较小的极距变化范围（1.0/0≤∆δδ）内工作。