《飞机仪表》第二章传感器原理

原理： 水平时，气泡处于
中央，盖住四个电极的 面积相等，导电液体盖 住四个电极的面积也相 等，因而四个电极经导 电液至中心电极的电阻 是相等的。
液体摆
原理： 倾斜时，气泡偏离
中央位置，盖住对应两 个电极的面积不再相等， 导电液体盖住这两个电 极的面积也不相等，被 液体盖住面积小的电极 至中心电极的电阻增大， 被液体盖住面积大的电 极至中心电极的电阻减 小。
1. 衔铁位于中间位置时，气隙、电感、感抗等相等， 输出电压为0； 2. 衔铁偏离中间位置时，与衔铁气隙减小的铁芯一 端线圈电感增大， 另一铁芯线圈电感减小，此时电 桥不平衡，有输出电压。
U s 2 U
U s 2 U
由公式可以看出来:电源 电压和初始间隙都确定 的情况下，输出电压与 衔铁位移量成正比，相 位与移动方向有关。
li
i Ai
li、 i、Ai——磁通通路的长度及对应的磁导率和截面积
Rm
li
i Ai
由于空气的磁阻Rm0远大于铁磁物质的磁阻，所 以略去铁芯的磁阻后可得：
Rm
li 2δ μi Ai μ0A0
因此线圈自感系 数可以写成：
L W2 μ0A0W2
Rm
2δ
x R m L
x R m L
基本概念
变形—外力导致的物体尺寸和形状的改 变。 弹性变形—外力消失后可以恢复原来状 态的变形。 弹性元件—具有弹性变形的物体。被测 参数→线/角位移。 弹性特性—外力与变形的关系。线性的 或者非线性的。
基本概念
刚度—弹性元件抵抗变形的能力 。 灵敏度—单位力产生变形的大小。
外力相同时，变形大的灵敏度高， 变形小的灵敏度低。
4. 弹簧管—弧状弹性金属管，开口端固 定，封闭端随管子移动。
✓管内流体运动时，自由端产生位移。流体压力与产生 位移成正比； ✓将流体压力转换为角位移。
2.2 干簧管传感器
干簧管传感器
模拟量→开关量 结构：玻璃管（密 封惰性气体），内部 两支簧片（导电导磁 材料）。
干簧管传感器
原理：磁物质接近玻璃管， 引起管内磁力线变化，簧片 磁化后互相吸引，电路连通； 磁场消失后，簧片因自身弹 性分开，电路断开。 优点：体积小，质量轻， 动作时间短，不产生电火花 等。
航空仪表的使用环境条件恶劣
温度-60 度至 +60度，空气静压和密 度，湿度，振动、冲击和线加速度，电 源、其它（防盐雾、防霉、防水及长期 存储等因素）。
一架现代飞机上装备200多只传感器
1. 飞行状态、飞行姿态信息及其操纵系统工作参 数传感器。用于航姿系统、飞参系统、飞行控制 系统。
2. 导航、定位参数传感器。用于导航系统、通信 系统。
L=L0 + L
LL0 L200A0W 2 1L0
0
1时，将上式用泰勒 展级 开数 ： 0
LL 0 LL 0 1 0 0 2 0 3L
衔铁下移 ， = 0 + ，L=L0 - L
0 1 LL 0 0 1 0 0 2 0 3L
L
线性处理，忽略高次项，L0得： 0
灵敏度：
K0
L L0
1
0
灵敏度与线性度相矛盾
变隙式电感式传感器适用于测量微小位移；采用差动变 隙式电感传感器减小非线性误差。
变气隙式差动传感器
变气隙差动式传感器
结构： 两个完全相同的铁芯中间共用一个活动衔铁。 铁芯上的线圈和两个电阻构成交流电桥，接交
流电源 U，输出电压为Us 。
l——两平行板之间的距离。
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变 介电常数型三种。
（1）变极距型电容式传感器
C x0r A C 0 1 C 0 ( 1 l/l0 ) l0 l 1 l/l0 条件：测量范围△l«l0
传感器概述
传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转 换成可用输出信号的器件或装置。所以传感器又称为敏 感元件、检测器件、转换器件等。
如在电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件及 气敏元件，在机械测量中的转矩、转速测量装置，在超 声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器。
传感器的组成
根据传感器的功能要求，它一般应由三 部分组成，即：
应变式、电容式、压电式、磁电式、光电式等。 3. 按能量传递方式分类:
有源的和无源的传感器。 目前一般采用前两种分类方法。。
传感器的特性
传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。 传感器的输入—输出特性是其基本特性，一般把
传感器作为二端网络研究时，输入—输出特性 是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的 对应关系。
2.5 电容式传感器
电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板
电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为:
C
rA 0
l
式中 ——电容器极板间介质的介电常数， (其
中
o
为真空的介电常数，
or
=8.85×10―12F/m， 为极
o
r
板间介质的相对介电常数)；
A——两平行板所覆盖的面积；
2.平板螺旋弹簧—将被测力矩转换为角 位移。外端固定，内端受外力距作用产 生角位移变形 。
M k
✓弹簧弹性刚度一定时，外力矩和角位移变形量成正比； ✓弹性刚度小时，灵敏度提高。
3.膜片和膜盒—两个波纹膜片对焊在一起 的腔体盒状元件。
✓膜盒两侧压力不同，产生位移，两者成非线性关系。 ✓膜片参数：膜片厚度，波纹高度，波纹数目
主要特点： 结构简单、工作可靠； 灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化； 测量精度高、零点稳定、输出功率较大； 可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制， 在工业自动控制系统中被广泛采用。 主要缺点： 灵敏度、线性度和测量范围相互制约； 传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。
变气隙式（自感式）传感器
2.3 电阻式传感器
电阻式传感器把非电量（力、位移、角速度、温度和力 矩等）转换为电阻值变化的传感器。
应变式荷重传感器
箔式、
电阻丝式、 丝式
2.3.1 电位器
线位移、机械转角→电信号 特点：结构简单，输出功率大，精度不高。 与被测量的关系，线性函数和非线性函数关系。
线性电阻器： 被测量的位移变化带动电刷移动，改
热电阻
大多数金属，电阻与温度的关系： R t R 0[1+（ t-t0） ]
为导体的电阻温度系数，大多为正，温度升高，电阻值增大
选择金属电阻做测温元件的要求： 电阻温度系数大且稳定； 电阻率大，以减小尺寸； 电阻-温度关系为线性； 物理、化学性质稳定； 材料易获得，便宜。
常用材料：铂、铜、镍
铂（Pt）：贵金属，物化性能稳定，耐氧化，很 宽的温度范围；易于提纯，复现性好，可做成极 细的铂丝或铂箔；电阻温度系数小，价格高，易 被污染。 铜（Cu）：稳定性好（-50~120℃），温度系数大， 易于提纯，价格低；易氧化，不宜在侵蚀性介质 和高温下工作 镍（Ni）：机械性能强，化学性能稳定，电阻率 比铜高，便宜，温度系数大；电阻-温度关系为非 线性，复制性差Biblioteka 1.工作原理l1 A1
A2
L
W l2
1 线圈 2 定铁芯
3 衔铁(动铁芯)
变气隙厚度式自感式传感器
l1 A1
A2
L
W l2
1 线圈 2 定铁芯
3 衔铁(动铁芯)
图中A1、A2分别为定铁芯和衔铁(动铁芯)的截面 积，δ为气隙厚度，W为线圈的匝数。
线圈自感系数为： 磁路总磁阻为：
LW 2 Rm
Rm
B值越大，表示热敏电阻器的灵敏度越高。 应注意的是，在实际工作时，B值并非一 个常数，而是随温度的升高略有增加。
2.3.3 液体摆（角位移→电阻）
结构： 扁平圆形密封容器，
其中装有特殊导电液体 并留有气泡；
上部装有两对相互 绝缘、对称而又相互垂 直的电极；
圆形底座与外壳相 通构成中心电极。
液体摆
液体摆
通过对应电极 电阻的变化指示出 一个平面绕两个正 交轴的倾斜。
2.4 电感式传感器
电感式传感器是利用线圈自感(L)或互感系 数(M)的变化来实现非电量测量的一种装置。
非电量→自感/互感系数→电压/电流 电感式传感器种类： 自感式（电感式传感器） 互感式（差动变压器式传感器） 电涡流式 (涡流传感器)
敏感元件、转换元件、转换电路
有时还需外加辅助电源提供转换能量
直接感受或 响应被测量 部分
将敏感元件感受或 响应的被测量转换 成适合于传输或测 量的电信号部分
微弱信号进行 信号调理与转 换、放大、运 算与调制部分
传感器的分类
1. 按被测参数分类： 温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传
感器等。 2. 按传感器工作原理分类:
dF kx dx
kf
dx dF
kf kx 1
基本概念
弹性迟滞—弹性变形范围内，加载曲线 和卸载曲线不一致现象。 弹性后效—载荷改变后，变形不能立即 完成，一定时间后才完成变形的状况。 两者均反映了变形落后于压力的现象。
弹性敏感元件
1.圆柱弹簧—将被测力转换为线位移。
F(x) kx
✓K为弹簧刚度，K一定时，外力与变形成正比。 ✓外力一定时，弹簧变形与自身刚度成反比。 ✓K较小时，灵敏度提高。
衔铁向下移动时，位 移量为正，输出电压 为正。
螺线管式差动变压器
工作原理 由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中
央的圆柱形铁芯等组成。
匝数为W2a的次级线圈
5
匝数为W1的初级线圈
4
匝数为W2b的次级线圈
6
△x
1 活动衔铁
2 导磁外1壳—活 动 衔 铁 ； 2—导 磁 外 壳 ；
3 骨架 3—骨 架 ； 4—匝 数W为1的 初 级 绕 5—匝 数W为2a的 次 级 绕 6—匝 数W为2b的 次 级 绕
3. 动力装置及燃滑油系统工作参数传感器。用于 发动机及进气道系统、燃油管理系统和滑油系统。
4. 其它机载设备系统工作参数传感器。用于液压、 电源、起落架、环控、救生、安全与防护等系统。
2.1 弹性敏感元件
弹性元件的种类
弹簧管
波纹管
膜片
弹性元件的材料
通常使用的材料为合金结构钢、铜合金、 铝合金等。 铬锰弹簧钢和铬钒弹簧钢具有优良的机械性 能，可用于制作承受交变载荷的重要弹性敏 感元件。 黄铜可用于制造受力不大的弹簧及膜片。 德银用于制造抗腐蚀的弹性元件。 锡磷青铜用于制造一般的弹性元件或抗腐蚀 性能好的弹性元件。
螺线管式差动变压器结构 1—活动衔铁；2—导磁外壳；3—骨架；4—匝数W1；5—匝数W2a；6—匝数W2b
螺线管式差动变压器传感器中的两个次级线圈反 相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布 电容的理想条件下，其等效电路如图所示。
下图给出了差动变压器输出电压Uo与活动衔铁位移 Δx的关系曲线。图中实线为理论特性曲线，虚线为 实际特性曲线。
l1 A1
L
W l2
1 线圈 2 定铁芯
A2
3 衔铁(动铁芯)
只是磁可路以中看磁出阻，R当m线的圈函匝数数，W改为变常气数隙时厚，度线或圈气自隙感截系面数积Lδ
A0都会导致自感系数变化。因此自感式传感器又可分为变 气隙厚度的传感器和变气隙面积A0的传感器。
输出特性
L0
0 A0W 2 20
L~ 非线性关系 衔铁上移 ， = 0 -
热敏电阻
✓电阻值随温度变化而显著变化的半导体电阻。 ✓分为正温度系数电阻，负温度系数电阻，临界温度 系数电阻。 ✓灵敏度高（温度变化大，阻值变化大），信号处理 方便，便于大批量生产，便宜；体积小而且坚固。 测量范围窄，互换性差。
热敏电阻温度 与阻值关系：
Rt R0[B（1t -t10）]
B为热敏电阻的材料常数，是一个描述热 敏电阻材料物理特性的参数，也是热灵敏度 指标。
变电阻的输出，输出电阻为电刷触点 到固定端的量。
负载
输出电阻：
电刷
Rx
x l
R
空载时输出电压：
u
ux
x l
u0
有负载时 输出电压：
uR(lx)(RR 1l1 RxxlR)R1Rxlu0
负载
电刷
负载误差
负载误差：有负载时的输出电压和无负载时的输出电 压之差。
2.3.2 热电阻式传感器
•热电阻/热敏电阻：利用热电阻效应（物质电阻 率随温度变化而变化）做成的感温元件 •半导体或导体材料
U2b
理论特性 曲线
U0 U2a
U0= U2a-U2b 实际特性曲线
ΔU0
U2b
U0
U2a
U0= U2a-U2b
ΔU0
由图可以看出，理想情况下，当衔铁位于中心位置时， 两个次级线圈感应电压大小相等、方向相反，差动输 出电压为零，但实际情况是差动变压器输出电压往往 并不等于零。 差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压， 记作ΔUo，它的存在使传感器的输出特性不经过零点， 造成实际特性与理论特性不完全一致。