传感器的简单介绍

传感器的简单介绍

一．变磁阻式传感器

1. 变磁阻式传感器属于电感式传感器，原理是利用电磁感应原理将被测量的非物理量如位移，压力，流量等转变成线圈自感量L的变化，再由测量电路转化为电压或电流的变化量输出的一种传感器。变磁阻式传感器的原理结构如右图所示。它由线圈，铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片构成，在铁芯和衔铁之间有气隙，设气隙厚度为＆，衔铁即是与传感器的运动部分相连。当衔铁移动时，就会引起气隙厚度＆变化，从而引起电感值变化。因此，只要能够测出电感值的变化，就能确定衔铁的位移量变化大小和方向。

线圈中的电感量可以用下式表示：L= /I=(N )/I. 其中---线圈总磁

量，I---线圈电流，N---线圈的匝数，是

穿过线圈的磁通。

由磁路欧姆定律得：=IN/R,

式中：R是磁路总电阻。此外，由于气

隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是

均匀的。

若忽略磁路磁损，则磁路总电阻为R=

,式中u

---铁芯材料的导磁率；u ---衔铁材料的

导磁率；L---磁通通过铁芯的长度；L---

磁通通过衔铁的长度；S---铁芯的截面

积；S---衔铁的截面积；u---空气的导磁

率；S---气隙的截面积；---气隙的厚度。

通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁

阻，则：

上式可以近似认为

联立上式可得：

上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅与磁路中磁阻R有关，只要改变或均可以导致电感变化。目前，使用最广泛的是变气隙厚度式的电感传感器。2.测量电路

电感式传感器的测量电路有交流电桥式，交流变压器式以及谐振式等几种形式。下面主要介绍交流电桥式测量电路和交流变压器式测量电路。1）下图（2）所示为交流电桥式测量电路，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z和Z，另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替，

其输出电压：

式中L----衔铁在中间位置时单个线圈的电感；L----单线圈电感的变化量。

2）下图（3）是交流变压器式

测量电路，电桥两臂Z ,Z 作为

传感器线圈阻抗，另外两桥臂为

变压器次级线圈的阻抗。当负载

阻抗为无穷大时，桥路输出电

压：

当传感器的衔铁处于中间位置，即是Z =Z =Z时，有U =0，电桥平衡。当传感器

衔铁上移时，即是Z =Z+ Z，Z =Z— Z,此时：U = .当传感器衔铁下移时，则Z =Z—

Z =Z+ Z,此时：U＝从上述两式可以看出，衔铁上下移动相同的距离时，输出电压的大小相同，但方向相反。由于Ｕ是交流电压，输出指示无法直接判断位移方向。

３．应用

下图（４）所示为变隙压力传感器的

结构图，它由膜盒，铁芯，衔铁及线

圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一

起。当压力进入膜盒时，膜盒

的顶端在压力Ｐ的作用下产生与压力Ｐ

大小成正比的位移。于是衔铁也发生移

动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表就反映了被测压力的大小。

二．电容式传感器及压力检测

１．电容式传感器的工作原理

由绝缘介质分开的两个平板电容器

其电容量为Ｃ＝。式中，

Ｓ为两平行极板所覆盖的面积，d为两平行

极板的距离，为电容板间的介电常数。当被

测参数变化使得式（）中的S,d，发生变化时，电容C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，仅改变一个参数，就可把该参数的变化转化为电容量的变化。因此，电容传感器有三种类型，即变极距型，变面积S型，变介电常数型。2.电容式传感器的测量电路

用于电容式传感器的测量电路很多，常用的有：普通交流电桥，紧耦合电感臂电桥，变压器电桥等。

普通交流电桥

下图（5）所示为电容C，C 和阻抗Z，Z 组成的交流电桥测量电路，其中C为电容传感器的电容，Z 为等效配接阻抗，C 和Z分别为固定电容和阻抗。

电桥初始状态调至平衡，当传感器电容C变化时，电桥失去平衡而输出电压，此交流电压的幅值随C而变化，电桥的输出电压为U =

式中：Z为电容臂阻抗，Z为传感器电容变化时对应阻抗增量，Z 为电桥输出端放大器的输入阻抗。

这种交流电桥测量电路要求提供幅值和频率很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗Z 很高。为了改善电路的动态响应特性，一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的5---10倍。

3.压力检测

电容式压力传感器测压的实质是利用电容两个极板间的距离变化实现压力---位移---电容量的变化。电容式压力传感器由一个固定电极和一个膜片电极组成，在压力作用下膜片变形，引起电容变化，结构如下图（6）所示。

由于膜片电极在压力作用下产生弯曲变形而不是平行移动，因此电容变化的计算十分复杂。经推导，压力P引起膜片电容式压力传感器电容变化的相对值为；式中：为默片的拉伸张力，a为

膜片直径，d 为无压力时电容间距。以上公式仅适用于静态受力情况，忽略了膜片背后的空气阻尼等复杂因素影响。

电容式压力传感器的优点是灵敏度高，所需的测量力很小，可以测量微压；内部没有较明显的位移元件，寿命长，动态响应快可以测量快变压力。另外这种传感器的缺点主要是传感器和连接线路的寄生电容影响大，非线性较为严重。但一般测量精度可优于+1%，适合测量快变压力。