安全监测与监控技术-常用传感器.ppt

第3章 安全检测常用传感器,3.1 传感器的作用及分类 3.2 结构型传感器 3.3 物性传感器 3.4 其他类型传感器 3.5 传感器的选用原则,3.1 传感器的作用及分类,3.1.1传感器的作用传感器是实现检测与自动控制(包括遥感、遥测、遥控)的首要环节，而传感技术是衡量科学技术现代化程度的重要标志。如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，一切准确的检测与控制将无法实现。当今的世界正处在信息革命的新时代，而信息革命的两大重要支柱是信息采集与信息处理。信息的采集(捕获)与转换主要依赖于各种类型的传感器，信息的处理主要依靠电子技术和各种计算机。计算机与各种智能仪器将很快地在各个科学技术部门发挥巨大作用。然而，如果没有各种类型的传感器去准确地捕获并转换信息，即使最现代化的计算机也无法充分发挥其应有的作用。,目前，传感器的应用已经渗透到各个学科领域，从高新技术直到每个家庭日常生活。如空间技术、海洋开发、资源探测、生物工程、人体科学等高技术领域中许多新的进展和突破，都是以实验检测为基础并与传感器技术的发展密切相关的；工业生产过程的现代化，几乎主要依靠各种传感器来监测与控制生产过程的各种参数，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率与高质量；在生活领域中已进人每一个家庭，据不完全统计，现代高级轿车中所应用的传感器可达56种之多。又如目前常用的19种家用电器中，总共应用了53个(21种)传感器。传感器应用的技术水平成为衡量一个国家的科技和工业水平的重要标志。传感器技术已形成一个完整独立的科学体系，相信在不久的将来，对传感器的研究将进人一个崭新的阶段。,3.1.2传感器的分类1.按输入量（被测对象）分类输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。其中，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等等。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据被测对象选择所需要的传感器。,2.按转换原理分类从传感器的转换原理来说，通常分为结构型、物性型两大类。结构型传感器是利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等）实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。,3.按能量转换的方式分类按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等(如磁电式、压电式、光电池、热电偶等)；无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。,4.按输出信号的形式分类按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式。5.按输入和输出的特性分类按输入、输出特性，传感器可分为线性和非线性两类。,3.2 结构型传感器,3.2.1 电阻式传感器 1.电阻式传感器原理 金属体都有一定的电阻，电阻值因金属的种类而异。同样的材料，越细或越薄，则电阻值越大。当加有外力时，金属若变细变长，则阻值增加；若变粗变短，则阻值减小。如果发生应变的物体上安装有（通常是粘贴）金属电阻，当物体伸缩时，金属体也按某一比例发生伸缩，因而电阻值产生相应的变化。,设有一根长度为l，截面积为A，电阻率为的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示：,（3-1）,从上式可见，若导体的三个参数（电阻率、长度和截面积）中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。例如，若改变长度l，则可形成电位器式传感器；改变l、A和则可做成电阻应变片；改变，则可形成热敏电阻、光导性光检测器等。,2.电位器式传感器电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。电位器式传感器分为线绕式和非线绕式两大类。线绕电位器是最基本的电位器式传感器；非线绕式电阻传感器则是在线绕电位器的基础上，在电阻元件的形式和工作方式上有所发展，包括薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器等。线绕电位器式传感器的核心，即转换元件是精密电位器。它可实现机械位移信号与电信号的模拟转换，是一种重要的机电转换元件。线绕电位器式传感器原理图如图3-1所示。,图3-1线绕电位器式传感器原理图,工作时，在电阻元件的两端，即Ui端加上固定的直流工作电压，从Uo端就有电压输出，并且，这个输出电压的大小与电刷所处的位置相关。当电刷臂随着被测量产生位移x时，输出电压也发生相应的变化，这是精密电位器的基本工作原理。易见,（3-2）,线绕电位器式传感器又分为直线位移型、角位移型和非线性型等。不管是哪种类型的传感器，都由线圈、骨架和滑动触头等组成。线圈绕于骨架上，触头可在绕线上滑动，当滑动触头在绕线上的位置改变时，即实现了将位移变化转换为电阻变化。,如图3-2所示，线绕电位器主要由骨架、绕组、电刷、导电环及转轴等部分组成。线绕电位器的骨架一般由胶木等绝缘材料或表面覆有绝缘层的金属骨架构成。根据需要，骨架可做成不同的形状，如环带状、弧状、长方体或螺旋状等。绕组即电阻元件，由漆包电阻丝整齐地绕制在骨架上构成，其两个引出端UAB是电压输入端。电刷由电刷头和电刷臂组成（电刷头一般焊接在电刷臂上），电刷被绝缘地固定在电位器的转轴上，绕组与电刷头接触的工作端面用打磨和抛光的方法去掉漆层，以便与电刷接触。另外两个引出端UAC是电压输出端。,图3-2线绕电位器式传感器的组成(a)直线位移型；(b)角位移型；(c)非线性型,3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电阻的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，从而确定被测量的大小。电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一，它可用于不同的弹性敏感元件形式，构成测量位移、加速度、压力等各种参数的电阻应变式传感器。它的主要优点是：（1）由于电阻应变片尺寸小、重量轻，因而具有良好的动态特性。而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布基本上没有影响，适用于静态和动态测量；,（2）测量应变的灵敏度和精度高，可测量12m应变，误差小于1%2%；（3）测量范围上，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形，变形范围从1%20%；（4）能适应各种环境，可在高（低）温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。电阻应变式传感器缺点是输出信号微弱，在大应变状态下具有较明显的非线性等。,1）工作原理及结构参数电阻应变片的工作原理如图3-3所示。它是基于导体和半导体材料的“电阻应变效应”和“压阻效应”。电阻应变效应是指电阻材料的电阻值随机械变形而变化的物理现象；压阻效应是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的物理现象。下面以单根电阻丝为例说明电阻应变片的工作原理。,图3-3电阻应变片原理图,设电阻丝的长度为l，截面积为A，电阻率为，其初始电阻值为当电阻丝受到拉伸或压缩时，其几何尺寸和电阻值同时发生变化，对式两边取对数后再微分，即可求得电阻的相对变化为,（3-3）,上式中:R为电阻值（）；l为电阻丝的长度（m）；A为电阻丝的截面积（mm2）；为电阻丝的电阻率（mm2/m）。,如果对整条电阻丝长度作用均匀应力，由于l、A、的变化而引起电阻的变化，可通过对式（3-3）的全微分求得,（3-4）,相对变化量,（3-5）,假设电阻丝是圆截面，则A2r，其中r为电阻丝的半径，微分后可得：,则,（3-6）,令电阻丝轴向相对伸长，即轴向应变为,电阻丝径向相对伸长，即径向应变为dr/r，由材料力学获知，在弹性范围内，金属丝沿长度方向伸长或缩短时，轴向应变和径向应变的关系如下:,（3-7）,式中:为金属材料的泊松系数，即径向应变和轴向应变的比例系数。负号表示方向相反，所以,经整理后得,（3-8）,定义金属丝的灵敏系数为,（3-9）,它的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。可知，受两个因素影响，一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即（1+2）项；另一个是受力后材料的电阻率发生变化而引起，即d/项。对于确定的材料，（1+2）项是常数，其数值约为12之间，并且由实验证明d/也是一个常数，因此灵敏系数k为常数，则得,（3-10）,上式表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。,导体或半导体材料在外界作用下（如压力等）产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应”。把依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上，则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上，从而使应变片上电阻丝的阻值发生变化，通过测量阻值的变化量，就可反映出外界作用的大小。,2）电阻应变片的分类和结构.电阻应变片的分类电阻应变片的种类繁多，分类方法也各异。按所选用的敏感材料可分为：金属应变片和半导体应变片。按敏感栅结构可分为：单轴应变片和多轴应变片。,按基底材料可分为：纸质应变片、胶基应变片、金属基底应变片、浸胶基应变片。按制栅工艺可分为：丝绕式应变片、短接式应变片、箔式应变片、薄膜式应变片。按使用温度可分为：低温应变片(-30以下)、常温应变片(-3060)、中温应变片（60350）、高温应变片（350以上）。,按安装方式可分为：粘贴式应变片、焊接式应变片、喷涂式应变片、埋入式应变片。按用途可分为：一般用途应变片、特殊用途应变片（水、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）。按制造工艺可分为：体型半导体应变片、扩散（含外延）型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、N-P元件半导体型应变片。,.电阻应变片的结构电阻应变片(简称应变片）的种类繁多，但基本构造大体相同，都是由敏感栅、基底、覆盖层、引线和粘合剂构成，如图3-4所示。,图3-4电阻应变片的基本结构,敏感栅由金属或半导体材料制成，电阻丝（箔条）是用来感受应变的，是应变片的敏感元件；基底和覆盖层（厚度一般在0.03mm左右）是用来保护敏感栅、传递应变并使敏感栅和被测试件之间具有很好的绝缘性能，它通常根据应用范围的不同而采用不同的材料，常见的有纸基和胶基；引线是将敏感栅接到测量电路中去，它由直径为0.150.30mm镀银铜丝或镍铬铝丝制成。金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。,半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应制成的一种纯电阻性元件。对半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称之为压阻效应。半导体应变片主要有体型、薄膜型和扩散型等三种。体型半导体应变片是将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而制成的应变片。薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成的。,扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。半导体应变片与金属电阻应变片相比其灵敏度高5070倍，另外，其横向效应和机械滞后小。但它的温度稳定性差，在较大应变下，灵敏度的非线性误差大。,3）电阻应变式传感器的测量电路利用应变片可以感受由被测量产生的应变，并得到电阻的相对变化。通常可以通过电桥将电阻的变化转变成电压或电流信号。图3-5给出了常用的全桥电路，Uo为输出电压，R1为受感应变片，其余R2、R3、R4为常值电阻。为便于讨论，假设电桥的输入电源内阻为零，输出为空载。基于上面的假设，电桥的输出电压为,（3-11）,图3-5桥式电路,平衡电桥就是指电桥的输出电压Uo为零的情况。当在电桥的输出端接有检流计时，流过检流计的电流为零，即平衡电桥应满足,（3-12）,在上述电桥中，R1为受感应变片，即单臂受感。当被测量变化引起应变片的电阻产生R1的变化时，上述平衡关系被破坏，检流计有电流通过。,（3-13）,（3-14）,（3-15）,电桥电压灵敏度定义为,（3-16）,分析发现：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，电桥供电电压愈高，电桥电压灵敏度愈高，但是供桥电压的升高受到应变片允许功耗的限制，所以一般供桥电压应适当选择；电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值的函数，因此必须恰当地选择桥臂比的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。下面分析当供桥电压确定后，应取何值，电桥电压灵敏度才最高。,令，可得,（3-17）,求得当n=1时，Kv有最大值。即当，电桥的灵敏度最高。由式（3-15）可知，电桥的输出电压和电源电压及电阻相对变化成正比，而与各桥臂阻值大小无关。,3.2.2电容式传感器1.电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器常用的是平板电容器和圆筒形电容器。1）平板电容器平板电容器由两个金属平行板组成，通常以空气为介质，如图3-6所示。,图3-6平行板电容器,在忽略边缘效应时，平行板电容器的电容为,（3-18）,(3-19),式中:C电容量（F）；0真空介电常数；r极板间介质的相对介电常数；A极板的有效面积（m2）；d两平行极板间的距离（m）。,2)圆筒形电容器圆筒形电容器由内外两个金属圆筒组成，设动极筒的外半径为r，定极筒的内半径为R，动极筒伸进定极筒的长度为l，如图3-7所示。则圆筒形电容器的电容为,（3-20）,当被测非电量使得式（3-18）中的A、d或发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅仅改变另一个参数，就可把被测参数的变化转换为电容量的变化。因此，电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。这样，电容式传感器可依此划分为三种类型，即变间隙型（d变化）、变面积型（A变化）和变介质型（变化）。,图3-7圆筒形电容器,2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器如图3-8所示，它有一个固定极板和可动极板，其间为空气介质。当传感器的0和A为常数、初始极距为d时，其初始电容量为,（3-21）,一般地，取C=20300pF，d=0.0251mm。,图3-8变极距型电容传感器(a)移动型；(b)感应型；(c)差动型,当动极板因被测量变化而向上移动使d减小d时，电容量增大C，则有,等式两边同时除以C，有,（3-22）,如果满足d/d1时，则式（3-22）可用泰勒级数展开成,（3-23）,略去高次非线性项，则可得近似线性关系和灵敏度Kc，其关系式分别为,（3-24）,（3-25）,图3-9变极距型电容传感器的特性曲线,Kc称为电容传感器的灵敏系数。其物理意义是单位位移引起电容量相对变化的大小。其输出特性曲线如图3-9所示。如果考虑式（3-23）的前两项，则,（3-26）,其非线性误差为,（3-27）,图3-10变极距型电容传感器的非线性特性,由上述讨论可知：（1）变极距型电容传感器只有在d很小时，即小测量范围内时，才有近似的线性输出；（2）极距d越小，灵敏度越高，故可用减小极距的办法来提高灵敏度；（3）但是，极距d过小会带来两个问题：一是使非线性误差增加，如图3-10所示；二是易造成极板间介质击穿，并增加极板的加工与安装的难度。,解决这两个问题的办法：（1）既要提高灵敏度，又要减小非线性误差，可采用差动法解决；（2）既要提高灵敏度，又不使极板介质击穿，可在两极板之间加固定介质。,3.差动变极距型电容传感器差动变极距型电容传感器结构如图3-11所示，上下为定极板，中间为动极板，在初始位置时，d1=d2=d，C1=C2=C。,图3-11差动变极距型电容传感器,这种传感器工作时，如果动极板上移d，则,（3-28）,（3-29）,（3-30）,电容总的变化为,（3-31）,电容的相对变化为,（3-32）,略去高次项，则 与 的近似线性关系式为,（3-33）,则差动电容传感器的灵敏度为,（3-34）,4.电容式传感器测量电路 电容式传感器将被测量转换成电容量的变化，但由于电容及其变化量均很小（pF级），因此必须借助测量电路检测出这一微小电容及增量，并将其转换成电压、电流或频率，以便于显示、记录或传输。电容式传感器的测量电路种类很多，除前面介绍的电桥电路外，还可采用运算放大器电路、调频电路和差动脉冲宽度调制电路等。,1）运算放大器电路为克服电容式传感器极距的变化呈非线性关系缺点，最方便、简单的办法就是把变极距型电容传感器作为比例运算放大器的反馈环节，如图3-12所示。图中，运算放大器的输入端为电容C0，其反馈环节为变极距式电容传感器Cx，亦为电容，根据比例放大的运算关系,（3-35）,故可得,（3-36）,上式表明，若激励电压Ui与输入电容C0保持不变，则输出电压Uo与极距成线性关系。此电路常用于位移测量传感器。,图3-12运算放大器电路,2）电桥型电路电桥型电路通常将电容传感器接入电桥，作为桥路的一部分，如图3-13所示。差动电容C1、C2作为相邻两臂接入电桥，另一相邻两臂为电感，构成电容传感器变压器电桥。电桥的输出是调幅波，经交流放大后，需经过相敏检波和滤波便可得到与电容量变化相应的直流输出。此电路要求电源电压和频率一定要非常稳定，否则会产生测量误差。另外，电容的变化范围亦不能太大，过大会使电桥输出产生非线性失真，造成较大误差。,图3-13电容传感器变压器电桥型电路,3）调频电路图3-14所示为电容式传感器作为调频振荡器中谐振回路的一部分。当物体的振动作为输入量时便引起电容传感器的电容量发生相应的变化，导致振荡器的振动频率的变化并输出相应的调频波，再由鉴频器转换为相应的电压变化，最后放大输出。此种电路具有抗干扰性强、灵敏度高等优点，可测0.01m的位移变化量。其缺点是电缆的分布电容影响较大，对电路设计要求较高。,图3-14电容传感器调频电路,图3-15脉冲宽度调制电路,图3-16脉冲宽度调制电路波形（a）1=C2时各点的电压波形;（b）1C2时各点的电压波形,输出电压uAB经低通滤波后，便可得到一直流输出电压Uo，其值为A、B两点电压平均值UA与UB之差，即,式中：T1、T2C1、C2充至Uc需要的时间，即A点和B点的脉冲宽度；U1触发器输出的高电位。,由于U1的大小是固定的，因此，输出直流电压Uo随T1和T2而变，即随uA和uB的脉冲宽度而变，而电容C1和C2分别与T1和T2成正比。在电阻R1=R1=R时,（3-38）,由此可知，直流输出电压Uo与电容C1和C2之差成比例，极性可正可负。,对于极距变化型差动电容传感器,（3-39）,对于面积变化型差动电容传感器,（3-40）,根据以上分析可知，电容传感器测量电路具有如下特点：（1）不论是极距变化型或面积变化型，其输入与输出变化量都呈线性关系，而且脉冲宽度调制电路对传感元件的线性要求不高；（2）不需要解调电路，只要经过低通滤波器就可以得到直流输出；（3）调宽脉冲频率的变化对输出无影响；（4）由于采用直流稳压电源供电，不存在对其波形及频率的要求。,3.2.3电感式传感器电感式传感器有如下几个特点：（）结构简单，无活动电触点，工作可靠，寿命较长；（）灵敏度和分辨率高，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出；（）线性度和重复性比较好，在一定位移（如几十微米至几毫米）内，传感器非线性误差可做到0.050.1，并且稳定性好。,1.自感式电感传感器1）自感式电感传感器原理自感式电感传感器主要用来测量位移或者是可以转换成位移的被测量，如振动、厚度、压力、流量等。工作时，衔铁通过测杆与被测物体相接触，被测物体的位移将引起线圈电感量的变化，当传感器线圈接入测量转换电路后，电感的变化将被转换成电压、电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。,由电工知识可知，线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，即线圈的自感系数L=/I=N/I（H）。=N为磁链，为磁通（I为流过线圈的电流，N为线圈匝数。根据磁路欧姆定律：=NIS/l，为磁导率，S为磁路截面积，l为磁路总长度。令Rm=l/S为磁路的磁阻，可得线圈的电感量为,（3-41）,磁路的总长度包括铁芯长度li1、衔铁长度li2和两个空气间隙l0的长度。因铁芯和衔铁均为导磁材料，磁阻可忽略不计，则式（3-41）可改写为,（3-42）,2）变气隙长度式电感传感器变气隙长度式电感传感器的结构如图3-17（a）所示。由式（3-41）可知，若S为常数，则L=f（l），即电感L是气隙厚度l的函数，故称这种传感器为变气隙截面式电感传感器。由于电感量L与气隙厚度l成反比，故输入/输出是非线性关系，输出特性如图3-18（a）所示。,图3-17自感式电感传感器结构示意图（a）变气隙长度式;（b）变气隙截面式;（c）螺管式,图3-18电感式传感器的输出特性（a）变气隙长度式输出特性；（b）变气隙截面式输出特性,可见，l越小，灵敏度越高。为提高灵敏度，保证一定的线性度，变这种传感器适用于较小位移的测量，测量范围约在0.0011mm左右。由于行程小，而且衔铁在运行方向上受铁芯限制，制造装配困难，所以近年来较少使用该类传感器。,3）变气隙截面式电感传感器变气隙截面式电感传感器的结构如图3-17（b）所示。由式（3-41）可知，若保持气隙厚度l为常数，则L=f（S），即电感L是气隙截面积S的函数，故称这种传感器为变截面式电感传感器。但是，由于漏感等原因，变截面式电感传感器在S=0时，仍有一定的电感，所以其线性区较小，为了提高灵敏度，常将l做得很小。变截面式传感器灵敏度比变间隙型小，但线性较好，量程也比变间隙式大，使用比较广泛。输出特性如图图3-18（b）所示。,4）螺管式电感传感器螺管式电感传感器的结构如图3-17（c）所示。螺管型电感式传感器结构由一柱型衔铁插入螺管圈内构成。其衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入深度有关。理论上，电感相对变化量与衔铁位移相对变化量成正比，但由于线圈内磁场强度沿轴线分布不均匀。所以实际上它的输出仍有非线性。,设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为n、衔铁进入线圈的长度为la、衔铁的半径为ra、铁芯的有效磁导率为m，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系为,（3-43）,由上式可知，螺管型电感式传感器的灵敏度较低，但由于其量程大且结构简单，易于制作和批量生产，因此它是使用最广泛的一种电感式传感器。,5）差动电感传感器以上三种类型的传感器，由于线圈中流过负载的电流不等于零，存在起始电流，非线性较大，而且有电磁吸力作用于活动衔铁；易受外界干扰的影响，如电源电压和频率的波动、温度变化等都将使输出产生误差，所以不适用于精密测量，只用在一些继电信号装置。在实际应用中，广泛采用的是将两个电感式传感器组合在一起，形成差动式传感器。,图3-19差动E型自感传感器结构原理,2.互感式电感传感器互感式电感传感器是利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的变化。互感式电感传感器实际上是一个具有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。变压器初级线圈接入交流电源时，次级线圈因互感作用产生感应电动势，当互感变化时，输出电势亦发生变化。由于它的两个次级线圈常接成差动的形式，故又称为差动变压器式电感传感器，简称差动变压器。差动变压器的结构形式较多，下面介绍目前广泛采用的螺管式差动变压器。,1）工作原理螺管式差动变压器主要由线圈框架A、绕在框架上的一组初级线圈W和两个完全相同的次级线圈W1、2及插入线圈中心的圆柱形铁芯B组成，如图3-20（a）所示。,图3-20差动变压器（a）结构原理;（b）等效电路;(c）输出特性,当初级线圈W加上一定的交流电压时，次级线圈W1和W2由于电磁感应分别产生感应电势e1和e2，其大小与铁芯在线圈中的位置有关。把感应电势e1和e2反极性串联，则输出电势为,次级线圈产生的感应电势为,（3-44）,式中:M初级线圈与次级线圈之间的互感；i流过初级线圈的激磁电流。,以上分析表明，差动变压器输出电压的大小反映了铁芯位移的大小，输出电压的极性反映了铁芯运动的方向。从特性曲线看出，差动变压器输出特性的非线性得到很大的改善。实际上，当铁芯位于中间位置时，差动变压器输出电压eo并不等于零，把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。零点残余电压产生的原因主要是传感器在制作时两个次级线圈的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的，零点残余电压一般在几十毫伏以下。在实际应用时，应设法减小零点残余电压，否则将会影响传感器的测量结果。,2）测量电路差动变压器的输出是一个调幅波，且存在一定的零点残余电压，因此为了判别铁芯移动的大小和方向，必须进行解调和滤波。另外，为消除零点残余电压的影响，差动变压器的后接电路常采用差动整流电路和相敏检波电路。差动整流电路就是把差动变压器的两个次级线圈的感应电动势分别整流，然后将整流后的两个电压或电流的差值作为输出。现以电压输出型全波差动整流电路为例来说明其工作原理，电路连接如图3-21（a）所示。,图3-21差动变压器测量电路及波形（a）电路图;（b）波形图,由图3-21（a）可见，无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流过两个电阻R的电流总是从a到b，从d到c，故整流电路的输出电压,（3-45）,其波形图如图3-21（b）所示，当铁芯在零位时，uo=0，铁芯在零位以上或零位以下时，输出电压的极性相反，于是零点残余电压会自动抵消。差动变压器具有测量精度高、线性范围大（100mm）、灵敏度高、稳定性好和结构简单等优点，被广泛用于直线位移的测量。,3.2.4磁电式传感器1.磁电感应式传感器磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势，是一种机-电能量转换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率范围（一般为101000Hz），适应于振动、转速、扭矩等测量。根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中作切割磁力线运动或穿过线圈的磁通量变化时，线圈中产生的感应电动势e与磁通的变化率有如下关系：,（3-46）,在电磁感应现象中，磁通量的变化是关键。进入线圈的磁通量越大，d也越大，如果相对运动速度越快，即v或越大，相当于dt越小，就越大。感应电动势e还与线圈匝数N成正比。不同类型的磁电感应式传感器，实现磁通量变化的方法不同，有恒磁通的动圈式与动铁式磁电感应式传感器，有变磁通的（变磁阻）的开磁路式或闭磁路式磁电感应式传感器。磁电感应式传感器的直接应用是测量线速度v和角速度，如图3-22所示。其中图（a）为测线速度v，图（b）为测角速度。当线圈垂直于磁场方向运动时，磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入量转换成线圈中的感应电势输出的一种传感器。由于不需要辅助电源，所以是一种有源传感器，也被称为感应式传感器或电动式传感器。,图3-22磁电感应式传感器,若线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线时，则线圈两端产生的感应电势e为,（3-47）,式中：B磁场的磁感应强度；x线圈与磁场相对运动的位移；线圈与磁场相对运动的速度；线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；N线圈的有效匝数；l每匝线圈的平均长度。,当90（线圈垂直切割磁力线）时，式（3-47）可写成,若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，则线圈的感应电势为,（3-49）,（3-48）,式中：旋转运动的相对角速度，；S每匝线圈的截面积；线圈平面的法线方向与磁场方向的夹角。,当时，式（3-49）可写成,（3-50）,由式（3-48）和式（3-50）可知，当传感器的结构确定后，B、S、N、l均为定值，因此，感应电势与相对速度（或）成正比。从磁电感应式传感器的工作原理可知，它只适宜于动态测量。如果在其测量电路中接入积分电路，输出的感应电势就会与位移成正比；如果接入微分电路，输出的感应电势就与加速度成正比。因此，磁电感应式传感器还可用来测位移和加速度。,2.变磁阻式磁电式传感器1）开磁路变磁阻式转速传感器传感器由永久磁铁、感应线圈、软铁、齿轮组成，如图3-23所示。齿轮安装在被测转轴上，与转轴一起旋转。当齿轮旋转时，由齿轮的凹凸引起磁阻变化，以使磁通发生变化，因而在线圈中感应出交变电势，其频率等于齿轮的齿数z和转速n的乘积，即,（3-51）,式中：z齿轮的齿数；n被测轴转速(rpm)；f感应电势频率(-1)。,图3-23开磁路变磁阻式转速传感器,2）闭磁路变磁阻式转速传感器闭磁路变磁阻式转速传感器的结构如图3-24所示。它是由安装在转轴上的内齿轮和永久磁铁、外齿轮及线圈构成的。内、外齿轮的齿数相等。测量时，转轴与被测轴相连，当旋转时，内、外齿的相对运动使磁路气隙发生变化，从而磁阻发生变化，并使贯穿于线圈的磁通量变化，在线圈中感应出电势。与开磁路相同，也可通过感应电势频率测量转速。,图3-24闭磁路变磁阻式转速传感器,3.3 物性传感器,3.3.1压电式传感器 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆向压电效应是指当某晶体沿一定方向受到电场作用时，相应地在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力，又称电致伸缩效应。当外加电场撤去后，晶体内部的应力或变形也随之消失。,1.压电效应下面以石英单晶压电晶体为例，说明压电效应原理。石英是典型的压电晶体，其化学成分是二氧化硅（SiO2），压电系数较低，d112.310-12C/N。它的压电效应在几百度的温度范围内不随温度而变化，但到573时，完全丧失压电性质，这是它的居里点。石英具有很大的机械强度，在研磨质量好时，可以承受7001000Ncm2的压力，并且机械性质也较稳定。,图3-25表示了天然结构石英晶体的理想外形，它是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴z-z称为光轴，经过正六面体棱线，并垂直于光轴的x-x轴,x-x轴称为电轴，与x-x轴和z-z轴同时垂直的y-y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。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”，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方向受力但不产生压电效应。,图3-25石英晶体的理想外形及坐标系,石英晶体所以具有压电效应，是与它的内部结构分不开的。组成石英晶体的硅离子和氧离子O在M平面投影，如图3-26所示。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图中正六边形排列，图中“”代表Si4+离子，“”代表2O2-离子。下面讨论石英晶体受外力作用时晶格的变化情况。当无作用力Fx时，正、负离子正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩，如图3-26(a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零。当沿电轴x-x施加作用力Fy时，在上方正离子局部占优，在下方负离子局部占优，于是上方带正电，下方带负电，如图3-26(b）所示。当沿机械轴y-y轴施加作用力Fx时，在上方负离子局部占优，在下方正离子局部占优，于是上方带负电，下方带正电，如图3-26（c）所示。,图3-26压电效应原理图,将沿电轴x轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应，而把沿机械轴y轴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轴方向受力则不会产生压电效应。当压电晶片受到沿x轴方向的力Fx时，就在与x轴垂直的平面上产生电荷Qx为,（3-52）,式中：d11为压电系数，而石英晶体d112.310-12C/N。若在同一压电晶片上的作用力是沿y轴方向，电荷仍在与x轴垂直的平面上出现，电荷大小为,（3-53）,2.压电材料1）压电晶体石英是典型的压电晶体，其化学成分是二氧化硅（SiO2），压电系数较低，d112.31012CN。它在几百度的温度范围内不随温度而变，但到573时，完全丧失压电性质，这是它的居里点。石英具有很大的机械强度，在研磨质量好时，可以承受7001000kgmm2的压力，并且机械性质也较稳定。除天然石英和人造石英晶体外，近年来铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、锗酸锂LiGeO3等许多压电单晶在传感技术中也获得广泛应用。,2）多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体，主要有极化的铁电陶瓷（钛酸钡）、锆钛酸铅等。钛酸钡是使用最早的压电陶瓷，它具有较高的压电常数，约为石英晶体的50倍。但它的居里点低，约为120，机械强度和温度稳定性都不如石英晶体。锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT），随配方和掺杂的变化可获得不同的性能。它的压电常数很高，约为（200500）10-12，居里点约为310，温度稳定性比较好，是目前使用最多的压电陶瓷。由于压电陶瓷的压电常数大，灵敏度高，价格低廉，在一般情况下，都采用它作为压电式传感器的压电元件。,3）新型压电材料新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。有机压电薄膜是由某些高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成的具有压电特性的薄膜，如聚仿氟乙烯、聚氟乙烯等。有机压电薄膜具有柔软、不易破碎、面积大等优点，可制成大面积阵列传感器和机器人触觉传感器。压电半导体是指既具有半导体特性又具有压电特性的材料，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。由于同一材料上兼有压电和半导体两种物理性能，故可以利用压电性能制作敏感元件，又可以利用半导体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传感器。,3.压电传感器等效电路当压电晶片受力时，在它的两个电极上会产生极性相反、电量相等的电荷。这样可以把压电传感器看成一个静电发生器。两个极板上聚集电荷，中间为绝缘体，它又可以看成一个电容器，如图3-27（a）所示。其电容量为,（3-54）,式中：S极板面积；d压电晶片厚度；介质介电常数；,0真空介电常数（0=8.8510-12F/m）；r压电材料的相对介电常数（石英晶体为4.85）。由于电容器上的开路电压Ua电荷量Q与电容Ca三者之间存在以下关系：,可见压电式传感器可以等效为一个电压源Ua和一个电容Ca的串联电路，如图3-27（b）所示。也可以等效为一个电流源I和一个电容Ca的并联电路，如图3-27（c）所示。,图3-27压电传感器（a）压电元件;（b）电压等效电路;（c）电荷等效电路,由等效电路可知，只有在外电路负载无穷大，内部信号电荷无“漏损”时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存下来。但事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷能得以补充时才适于使用，因此压电晶片不适合于静态测量。如果把压电式传感器和测量仪表连接时，还需考虑连接导线的等效电容Cc、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci，Ra为压电传感器绝缘电阻，Ca为压电式传感器的等效电容。因此，压电传感器完整的等效电路如图3-28所示。,图3-28压电传感器完整的等效电路,在压电式传感器中，往往采用多片压电晶片粘结在一起，其连接方式有两种(如图3-29所示)。（a）为串联接法，其输出电容C输出电压U及电荷量Q与单片间的关系为,（3-55）,（b）为并联接法，其输出电容C输出电压U及电荷量Q与单片间的关系为,（3-56）,图3-29压电晶片的串、并联（a）串联接法；（b）并联接法,.压电传感器的测量电路 1）电压放大器（阻抗变换器）图3-30是一种电压放大器（阻抗变换器）电路图。它具有很高的输入阻抗（一般1000M以上）和很低的输出阻抗（小于100，频率范围2100KHz）。因此用该阻抗变换器可将高内阻的压电传感器与一般放大器相匹配。该阻抗变换器第一级采用MOS场效应管构成源极输出器，第二级是用锗管构成对输入端的负反馈，以提高输入阻抗，电路中的R1、R2是场效应管V的偏置电阻，R3是一个100M的大电阻，主要起提高输入阻抗的作用，R5是场效应管的漏极负载电阻，根据V漏极电流大小即可确定R5的数值（在调试中确定），R4是源极接地电阻，也是VT的负载。,R4上的交流电压通过C2反馈到场效应管的输入端，使A点电位提高，保证了较高的交流输入阻抗。二极管VD1，VD2起保护场效应管的作用，同时又可以起温度补偿作用。它是利用二极管的