常用传感器的工作原理及应用

常用传感器的工作原理及应用

3.1.1电阻式传感器的工作原理

应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象

弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变

弹性元件：具有弹性应变特性的物体

3.1.3电阻应变式传感器

电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。

工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。

结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。

应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。

1．电阻应变效应

○

电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。

2．电阻应变片的结构

基片

b

l

电阻丝式敏感栅

金属电阻应变片的结构

4．电阻应变式传感器的应用

（1）应变式力传感器

被测物理量：荷重或力

一

二

主要用途：作为各种电子称与材料试验机的

测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。

力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等

（2）应变式压力传感器

主要用来测量流动介质的动态或静态压力

应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式

弹性元件。

（3）应变式容器内液体重量传感器

感压膜感受上面液体的压力。

（4）应变式加速度传感器

用于物体加速度的测量。

依据：a =F/m 。 3.2电容式传感器

3.2.1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

当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时，

电容量C 也随之变化。 d

S C ε=

三 如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中

一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。

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．变间隙型电容传感器

此时电容C 变为：

式中：εg —云母的相对介电常数，εg=7； ε0—空气的介电常数，ε0=1；

d 0—空气隙厚度；

d g —云母片的厚度。 A εr d 0

00εεεd d S C g g +=

四

放置云母片的电容

器

云

2．变面积式电容传感器

被测量通过动极板移动引起两极板有效覆

盖面积S 改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx 时，则电容变化量为

式中C 0=ε0εr ba /d 为初始电容。电容相对变化量为

εg d d ε000r x b C C C d εε∆⋅∆=-=a

x C C ∆=∆0

3．变介质式电容式传感器

3.2.3．电容式传感器的应用

1．电容式压力传感器

2．电容式加速度传感器

3.3电感式传感器

电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它把被测量转化为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。

3.3.1自感式传感器

自感式电感传感器主要有变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。

在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

五

1．变间隙型电感传感器

2．变面积型电感传感器

3．螺管型电感传感器

4．差动式电感传感器

为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动式电感传感器。

5．自感式传感器的测量电路

电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。

3.3.2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基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。

差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。

在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。

1．互感式传感器的工作原理

互感式传感器的工作原理类似变压器的作

六

用原理。

2．差动变压器的结构类型

3．差动变压器式传感器测量电路

问题：

（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向)；

（2）测量值中将包含零点残余电压。

为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。

(1)差动整流电路

这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。

(2)相敏检波电路

3.3.3电感式传感器的应用

1．差动变压器式力传感器

2．沉筒式液位计

3.4 压电式传感器

3.4.1压电效应

七