电容、电感与发电型传感器

第四章、传感器测量原理电阻传感器应用——井筒直径测量

八臂井径仪测井筒直径，测臂紧贴井壁，当井壁有变形时，带动测杆2轴向移动，拉杆电位器的测杆1紧紧顶住测杆2的端面，测杆1作同步随动。测杆1的轴向移动就将套管臂井径的大小变化转换成拉杆电位器的电阻变化。图8-218臂井径仪原理图固态压阻式传感器利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，即电阻发生后变化，然后，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式压力传感器优点：

1.

频率响应高，f0可达1.5M；

2.

体积小、耗电少；

3.

灵敏度高、精度好，可测量到0.1%的精确度；

4.

无运动部件（敏感元件与转换元件一体）。

压阻式压力传感器缺点：

1.

温度特性差；

2.

工艺复杂。用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。第四章、传感器测量原理4.3电容式传感器

变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++Aδ、A或ε（极板间介质相对介电常数）发生变化时，都会引起电容的变化。为真空介电常数4.3电容式传感器

a)极距δ变化型++++++可以看出，(1)灵敏度S与极板间距δ的平方成反比，有线性误差，δ愈小，灵敏度S愈高。（2）为减少此误差，一般极距变化范围约为Δδ／δ0≈0.1，可获得近似的线性关系。适用于测试小位移(0.01μm至数百μm)。实际应用中，为了改善非线性，常采用差动结构，如图。它有三个极板，其中两个极板固定不动，只有中间极板能产生移动。这种结构能够将传感器灵敏度提高一倍，并且线性误差也可大大减少，同时还能克服如电源电压、环境温度等变化对测试精度的影响。产品：压差传感器.

如图，膜片3与镀在球形玻璃表面的金属层2形成一个差动电容。在压差Δp＝pl—p2作用下，膜片向压力小的方向移动，引起差动电容量C的变化，电容C与压差Δp成比例。它适用于测液(气)体微压差b)面积变化型角位移型+++面积变化型电容传感器的输入与输出呈线性关系，灵敏度为常数，可用于测试角位移或较大的线位移。平面线位移型4.3电容式传感器

4.3电容式转速检测

当定极板2与齿顶相对时电容量最大，而与齿隙相对时，电容量最小。齿轮1转动时，电容传感器产生周期信号，经测试电路3转换为脉冲信号，用频率计4显示齿轮转速。c)介质变化型4.3电容式传感器

4.3电容式传感器

电容式液位传感器（液位计/料位计）电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。a)谐振电路3测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。可将电容变化转化为输出电压的变化b)运算放大器电路

4.3电容式传感器

手机触摸屏：电阻屏，电容屏，红外线以及超声波电容屏：当手指触摸到屏时，手机与屏之间形成一个耦合电容，手指从触摸点吸走部分电流，这个电流分别从触控屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，车载电容称重第四章、传感器测量原理4.4电感式传感器

电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型4.4电感式传感器1自感型--可变磁阻式原理:电磁感应其中，磁回路磁阻Rm导体磁阻远小于空气磁阻4.4电感式传感器变间隙型电感气隙愈小，灵敏度S愈高。由于S不是常数，故会出现线性误差。为减小这一误差，规定δ在较小范围±Δδ内变化。设初始间隙为δ0，一般取Δδ／δ0≤0.1，这种传感器一般只适用于0.001~1mm范围的小位移测试。4.4电感式传感器若将两线圈接在电桥的相邻臂时，其输出灵敏度可提高一倍，且可改善其非线性特性。差动型变面积型L与A0呈线性特性，但灵敏度较低，常用于角位移测试。单螺管型a,当衔铁在线圈中运动，磁阻将发生变化，导致自感L变化。单螺管型结构简单、但灵敏度较低，适用于较大位移(mm量级)测试。由于有限长度线圈的轴向磁场强度分布不均匀，因此，只有在线圈中段才有较好的线性关系。差接螺管型c

，电感变化量增加一倍，能部分地消除磁场不均匀所造成的非线性影响。测试范围在0~300μm，最高分辨率可达0.5μm。螺管型电感传感器电感式接近传感器（金属）4.4电感式传感器2涡流式:涡流效应电涡流式传感器原理根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中时，导体的表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的漩涡状感应电流称为电涡流，线圈的等效阻抗Z：4.4电感式传感器结构简单，灵敏度高；抗干扰能力强；不受被测件油污介质的影响；非接触测量；图4-16涡流式传感器1壳体；2框架；3线圈；4保护套；5填料；6螺母；7电缆电涡流传感器优点：电涡流传感器应用：位移、振动测量，材质鉴别以及无损检测振动计案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测4.4电感式传感器4.4电感式传感器电涡流传感器的测量电路，通常采用电桥和谐振电路。谐振电路有调幅电路和调频电路。

将传感器线圈接入LC调谐电路，使其谐振频率随被测量而改变，输出的幅值或频率随被测量变化，以实现信号转换。4.4电感式传感器调频电路工作原理

分压式调幅电路原理互感型传感器

互感型传感器是利用互感现象将被测物理量转换成线圈互感变化来实现测试的，如图所示，它有原、副两个线圈，当原线圈W输入交变电流i时，副线圈W1产生感应电动势e，其大小与电流i的变化率成正比，即式中，M为互感系数。当被测参数使互感系数M变化时，副线圈输出电动势也会随之产生相应变化。2互感型--差动变压器当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2中磁通将大于W1，使e1>e2。反之，e1<e2。输出Uo=e1-e2，所以Uo也必将随衔铁位移x而变化。

差动变压器式传感器中的两个次级线圈反相串联，其等效电路如图在实际工程测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它的测量范围大，可测1～100mm的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。案例：板的厚度测量~案例：张力测量4.4电感式传感器案例：加速度测量4.4电感式传感器电感式压力传感器结构图1差动变压器；2铁心；3连杆；4中间膜片案例：压力测量中间膜片4在压差Δp＝p1－p2的作用下产生位移。通过连杆3带动差动变压器中的铁心2移动，从而将压差Δp转换成变压器的电压输出。案例：发动机凸轮轴检测由于各个方向的外圆表面到圆心的距离是不同的，就可通过一个位移测量传感器获取相关数据，经后续信号处理来获得参数。

需求分析：

为满足凸轮的位移测量，保证磨削加工的工件测量精度为微米级，就必须选用高精度的位移传感器；由于是磨削加工，外圆形状误差不会很大，小量程即可满足测量要求；非在线方式，低速回转下测量即可，传感器的频响特性不需要很高，同时测量方式可选用接触或非接触方式，但要考虑传感器成本。基于以上考虑，可选用的传感器有？（1）变极距电容传感器；（2）电涡流传感器；（3）差动变压器位移传感器分析与比较：（1）变极距电容传感器是非接触测量，具有高的精度而且灵敏度高，响应速度快，能抵抗高温、振动和潮湿，适应于测位移小量程，但用于电容式传感器的位移测量电路较为复杂，一般采用调幅电路或调频电路，后续调理相对复杂，增加了系统复杂性；同时，本测量系统被测工件表面在加工中会有油污，会影响电容传感器的测量。（2）电涡流传感器同样具有灵敏度高、响应快速、非接触测量的特点，常规类型量程1～2毫米，但从实际应用来讲，其精度不足；如选用高精度型，其量程为250微米，分辨率0.01微米，但这种类型成本较高。（3）差动变压器位移传感器能提供所需的准确度、精度和可靠性，尽管为接触式测量，但低速测量广泛使用，为此，本例适用的位移检测方法就是使用差动变压器位移传感器，把它直接安装在回转台旁来测量凸轮的外圆回转位移。回转台传感器工件信号调理信号处理及显示为实现以上的测量，测量系统需要包含四个部分。首先需要一个回转工作台，以实现工件的回转；其次需要一个位移测量传感器来测量外圆位移的动态数值；第三提供位移传感器的调理装置；第四要提供信号处理和显示装置。根据以上分析所设计的一个测量系统框架如下图示。4.5压电式传感器

1.变换原理:半导体材料的压电效应

某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。利用这个特性，用于压力，应力，加速度测量，也用于超声波发生器与接收器装置。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片石英晶体为六角形晶柱，两端为棱锥，Z为光轴，光线入射不产生双折射；X电轴为横截面对角线；Y机械轴，第四章、传感器测量原理

若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿电轴x方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，其大小为式中,d11为x方向受力的压电系数，该电荷大小只与力成正比第四章、传感器测量原理

当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体变形P1增大，P2、P3减小。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。y轴方向受力当作用力Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。第四章、传感器测量原理当石英晶体受到沿x轴方向的压力，晶体产生压缩变形，正负离子的相对位置变动，正负电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量不等于零。在x轴的正方向出现负电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。x轴方向受力第四章、传感器测量原理不受力或Z轴受力如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。第四章、传感器测量原理压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，它同时也是一个电容器，适用于动态测量；等效为一个与电容相串联的电压源等效为一个电荷源第四章、传感器测量原理+并联+串联F+q=DF

并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。

串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。案例：力传感器2、测量电路

压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。常用的后续电路为：电荷放大器，它是一个高增益带电容反馈的运算放大器电荷放大器由运算放大器基本特性，可得电荷放大器的输出电压

通常A=104~108，(A-1)Cf>>Ca+Cc+Ci，可见，电荷放大器的输出电压uo只与输入电荷以及反馈电容Cf，有关，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点：不受传输电缆的影响案例：加速度传感器它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。压电陶瓷压电陶瓷和石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体压电材料，而后者是单晶体。压电陶瓷的优点是：压电系数大，成本低。

在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具都会发出逼真有趣的声音。

压电陶瓷在汽车上应用越来越广泛。在汽车的制动器活塞里安装一种简单的压电陶瓷致动器，向内部制动杉块的支撑板施加“抖动”频率，有效抑制产生尖利噪音的振动，从而能在温度湿度变化和刹车系统正常磨损的情况下发挥作用。压电橡胶压电陶瓷比较脆，少许冲击力会破裂，很难形成任意形状，用压电陶瓷粉末分散在无压电性的橡胶基体中制成压电复合材料，同时具备橡胶的柔软性以及可变性性质，同时具备压电特性。可承受冲击载荷；应用：在桥面与轨枕间的间隙处设置压电橡胶，可检测列车通过产生的冲击力PVDF（聚偏氟乙烯）是一种新型的聚合物压电薄膜，高分子压电薄膜：高分子材料压电特性不是很好，但易于生产，柔软，面积大，容易制成传感器阵列，用于机器人触觉4.6磁电式传感器

磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种能量转换型传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N变换原理:

法拉第电磁感应定律，把被测量的物理量转换为感应电动势线圈的感应电动势e为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。

动圈式传感器线速度型角速度型测速电机磁阻式传感器

1.热电温度计(热电偶)

利用热电效应，当物体受热，电子(空穴)随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。4.7热敏传感器热敏传感器主要：1、热电偶；2、热电阻；3、红外测温

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流。热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V2热敏电阻传感器

半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。RT产品3人体热电型(热释)红外传感器物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。

人体温在36~37，发出红外波9~10um，远红外，第三章、测试系统的基本特性2-1进行某动态压力测量时，所采用的压电式传感器的灵敏度为90.9nC/MPa，

将它与增益为0.005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记