《自動檢測技術(shù)》第二章 參量型傳感器

第二章參量型傳感器

2.1電阻應(yīng)變式傳感器2.2電感式傳感器2.3電容式傳感器第二章參量型傳感器參量型傳感器的工作原理是將被測的物理量轉(zhuǎn)化為電參量的一類傳感器。其在感受外界被測量后，直接輸出的不是電量，而是電參量，如電阻、電感、電容等。因此參量型傳感器卞要有電阻式傳感器、電容式傳感器和電感式傳感器等。由于這類傳感器只能輸出隨被測量變化的參量信號，因此在使用時，必須將其接入電橋或諧振電路等線路中，以便將這些參量信號變成電信號。本章主要介紹幾種常用的參量型傳感器。上一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器電阻傳感器的基本原理是將各種被測非電量轉(zhuǎn)換成電阻的變化量，然后通過對電阻變化量的測量，達(dá)到測量非電量的目的。本節(jié)主要介紹電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理、測量電路及具體的應(yīng)用。2.1.1

電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片是一種能夠?qū)⒈粶y試件上的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件，是電阻應(yīng)變式傳感器的重要組成部分。在外力的作用下，導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料會發(fā)生機(jī)械形變，其電阻值也要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。下面以金屬電阻絲材料為例來分析應(yīng)變效應(yīng)。下一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器金屬絲的電阻值可以表示為：兩邊求導(dǎo)可以知道，電阻絲應(yīng)變片的電阻相對變化量與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即：上一頁下一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器2.1.2電阻應(yīng)變片的類型與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片主要有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片常見的有金屬絲式、金屬箔式和金屬薄膜式三種。1)金屬絲式。金屬絲式應(yīng)變片主要山電阻絲、基底、覆蓋層和引出線組成，如圖2-1所示。2)金屬箔式。金屬箔式應(yīng)變片的敏感柵是用金屬箔制成的。箔式應(yīng)變片具有表面積與截面積之比大、散熱條件好、允許通過電流較大、靈敏度高的特點(diǎn)。

3)金屬薄膜式。上一頁下一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片。半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料作為敏感柵制成的。半導(dǎo)體應(yīng)變片是直接用單，單晶鍺或單晶硅等半導(dǎo)體材料制成的，主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，橫向效應(yīng)小。它的缺點(diǎn)是敏感系數(shù)受溫度的影響較大，電阻與應(yīng)變片非線性嚴(yán)重。電阻應(yīng)變片的粘貼

1）試件的表面處理

2）粘貼

3）固化處理

4）粘貼質(zhì)量檢查

5）引線的焊接及防護(hù)上一頁下一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器2.1.3

電阻應(yīng)變式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路應(yīng)變片測量應(yīng)變是通過敏感柵的電阻相對變化而得到的。通常金屬電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)k0很小，機(jī)械應(yīng)變一般在10*10-6到3000*10-6之間，可見電阻相對變化是很小的。電阻變化用一般測量電阻的儀表很難直接測出來，必須用專門的電路來測量這種微弱的電阻變化。最常用的電路為電橋電路，如圖2-2

所示。常用的電橋電路有單臂電橋、雙臂電橋和全橋三種。上一頁下一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器單臂電橋只有一個橋臂電阻是應(yīng)變片，其余三個橋臂均為固定電阻。若R1產(chǎn)生一個增量，則：當(dāng)，電橋稱為等臂電橋。

若滿足，則

可以看出，當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓也隨著變化。上一頁下一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器雙臂電橋?yàn)榱藴p少和克服非線性誤差，常采用差動電橋。在試件上安裝兩個應(yīng)變片，如R1受拉，R2受壓，然后接入電橋相鄰臂，組成雙臂電橋。若滿足，則這時輸出電壓UO與成線性關(guān)系，電橋靈敏度比單臂時提高一倍。由于采用差動對稱結(jié)構(gòu)，雙臂電橋自身具有溫度補(bǔ)償功能。上一頁下一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器全橋?yàn)榱诉M(jìn)一步提高電橋靈敏度，更好地進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可采用差動、對稱的四臂電橋，即全橋。所謂差動、對稱，也就是四個橋臂中R1

、R3

承受拉應(yīng)變，R2、R4

承受壓應(yīng)變。若滿足，則：由此可知，全橋的靈敏度最高，雙臂電橋的靈敏度次之，單臂電橋的靈敏度最低。上一頁下一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器2.1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用十分廣泛，除測量應(yīng)變外，還可以測量力、壓力、加速度、位移等。下面介紹電阻應(yīng)變式傳感器在實(shí)踐中的具體應(yīng)用。電阻應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變式力傳感器是測量拉伸力、壓縮力、彎曲和扭矩等負(fù)重的傳感器。根據(jù)彈性敏感元件的不同形狀，可制成柱形、環(huán)型和懸臂梁式力傳感器。

圖2-3為柱式電阻應(yīng)變式力傳感器示意圖。

圖2-4為懸掛梁式力傳感器示意圖。上一頁下一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種力的檢測裝置，它通過質(zhì)量塊的慣性將加速度轉(zhuǎn)換為力，然后再作用于彈性元件上，其結(jié)構(gòu)原理如圖2-5所示。測量時，將該裝置固定在被測物體卜，當(dāng)被測物體以加速度a運(yùn)動時，質(zhì)量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，即F=-ma，使懸臂梁產(chǎn)生彎曲變形。根據(jù)梁上粘貼的應(yīng)變片的變形便可測出力的大小，在已知m的情況下可以算出被測加速度的大小。上一頁下一頁返回2.1

電阻應(yīng)變式傳感器壓阻式壓力傳感器

固態(tài)壓阻式傳感器是利用在半導(dǎo)體材料的基片上，用集成電路的工藝制成擴(kuò)散電阻，當(dāng)該電阻受壓時，力作用在硅晶體上并使電阻發(fā)生變化的原理做成的。由于其沒有可動部分，所以也稱它為固態(tài)壓阻傳感器。圖2-6是固態(tài)壓阻式壓力傳感器外形圖。利用固態(tài)壓阻式壓力傳感器還可以測量液位，如圖2-8所示。上一頁返回2.2

電感式傳感器

電感式傳感器種類很多，常見的有自感式、互感式和渦流式三種。本節(jié)主要介紹自感式傳感器和互感式（差動變壓器式）傳感器，它們能對位移以及與位移有關(guān)的工件尺寸、壓力、振動等參數(shù)進(jìn)行測量，在自動檢測技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。2.2.1自感式傳感器1）自感式傳感器的線圈是繞在鐵心上的，在鐵心與銜鐵之間有一個空氣隙，空氣隙厚度為。傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連，運(yùn)動部分產(chǎn)生位移時空氣隙厚度產(chǎn)生變化，從而使電感量發(fā)生變化。如圖2-9所示為自感式傳感器的原理下一頁返回2.2

電感式傳感器由電工學(xué)可知，線圈的電感值可由下式計算當(dāng)鐵心材料和線圈匝數(shù)確定后，電感L與氣隙長度成反比，與導(dǎo)磁路的有效橫截面S成正比。因此，可以將自感式傳感器分成變間隙式和變截面式兩類。上一頁下一頁返回2.2

電感式傳感器2）螺管式電感傳感器螺管式電感傳感器主要由一只螺管和一根柱形銜鐵組成。傳感器工作時，銜鐵在線圈中伸入長度的變化將引起螺線管電感量的變化。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，但靈敏度稍低，且銜鐵在螺線管中間部分工作時，才有希望獲得較好的線性關(guān)系。螺管式電感傳感器適用于測量稍大一點(diǎn)的位移。3）差動螺管式傳感器差動式自感傳感器是由兩個相同自感式傳感器及一個共用銜鐵組成。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時，兩個線圈的自感量一個增加，一個減小，形成差動形式。

圖2-10

為螺管式差動傳感器的結(jié)構(gòu)，圖2-11為螺管式差動傳感器的輸出特性。上一頁下一頁返回2.2

電感式傳感器4）自感式傳感器測量轉(zhuǎn)換電路變壓器式電橋電路如圖2-12

為變壓器式電橋電路，差動式傳感器中的兩個線圈作為相鄰橋臂，電源變壓器的二次線圈經(jīng)中心抽頭后作為電橋的另兩個橋臂。電橋的輸出電壓為：通過變壓器電橋電路的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了傳感器線圈自感量與輸出電壓信號之間的轉(zhuǎn)換。同時還說明，輸出電壓的相位與鐵芯移動的方向有關(guān)。上一頁下一頁返回2.2

電感式傳感器差動相敏檢波電路以二極管環(huán)形（全波）差動相敏檢波電路為例說明其工作原理。如圖2-14

所示，4個特性相同的二極管以同一方向串接成一個閉合回路，組成環(huán)形電橋。圖2-15

給出了差動相敏檢波電路的輸人輸出電壓波形，圖中（a）、（b）變化規(guī)律完全相同。因此UL的幅值反映廠被測位移量的大小，uL的極性反映了被測位移量的方向。上一頁下一頁返回2.2

電感式傳感器2.2.2

差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次繞組與二次繞組間的互感量的裝置，由于兩個二次繞組采用差動接法，固稱差動變壓器。它能實(shí)現(xiàn)被測非電量與線圈互感量之間的轉(zhuǎn)換。差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理如圖2-16

所示，螺線管型差動變壓器的線圈由一次線圈和二次線圈組成，并且二次線圈是由兩個結(jié)構(gòu)、參數(shù)完全相同的線圈反極性串聯(lián)而成，即采用差動接法。差動變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理相似，當(dāng)一次線圈加上交流勵磁電壓后，由于互感的作用，二次線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。上一頁下一頁返回2.2

電感式傳感器差動變壓器式傳感器的整流電路差動變壓器輸出的是交流量，大小與銜鐵的位移成正比，其輸出如用交流電壓表來測量時，尤法判別銜鐵移動的方向。為了達(dá)到能辨別移動方向并消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，常采用差動整流電路或相敏檢波電路，其中以差動整流電路最為常用。如圖2-17為全波差動整流電路。上一頁下一頁返回2.2

電感式傳感器2.2.3

電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器主要用于測量位移，凡是能轉(zhuǎn)換成位移變化的參數(shù)，如力、加速度、振動等都可以用電感式傳感器來進(jìn)行測量。差動位移計。差分變壓器位移計內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。圓度測量。圖2-19為測量工件圓度的示意圖。工件固定不動，電感測頭圍繞著工件緩慢旋轉(zhuǎn)。通過杠桿，將工件不圓度引起的位移傳遞給電感測頭中的鐵芯，導(dǎo)致差動變壓器中的鐵芯產(chǎn)生位移，從而差動電感有相應(yīng)的輸出。上一頁返回2.3

電容式傳感器

電容式傳感器是以不同類型的電容器作為傳感元件，并通過電容傳感元件把被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，然后再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等信號輸出的測量裝置。電容傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，分辨率高，工作可靠，非接觸測量，并能在高溫、輻射、強(qiáng)烈振動等惡劣條件下工作，易于獲得被測量與電容量變化的線性關(guān)系。可用于壓力、壓差、振動、位移、加速度、液位、料位、成分含量等物理量的測量。下一頁返回2.3

電容式傳感器2.3.1

電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)平板式電容器是由兩塊金屬板，中間夾一層電介質(zhì)構(gòu)成，如圖2-20

所示。如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為：電容C是S，d，三個參量的函數(shù)，這就是電容傳感器的基本工作原理。根據(jù)這個原理，固定三個參量中的任意兩個，電容傳感器可以分為變極距式、變面積式和變介電常數(shù)式三類。上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器變極距式電容傳感器圖2-21是變極距式電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)可動極板向上移動，圖2-21的電容增量為：在實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度、一減少外界因索（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的影響，電容傳感器也和電感傳感器一樣常做成差動結(jié)構(gòu)，如圖2-22所示上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器變面積式電容傳感器圖2-23是變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，將動極板左右偏離一個位移量，則電容傳感器兩極板間的相對有效面積將改變，由S變?yōu)?，電容量C也隨之發(fā)生變化，其變化量為：由此可見，電容的變化量與面積的變化量成線性關(guān)系。上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器由于各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容傳感器兩極板間插人不同介質(zhì)時，電容傳感器的電容量會發(fā)生變化，根據(jù)這種工作原理制作的電容傳感器稱為變介電常數(shù)式電容傳感器。圖2-24是一種常用的變介電常數(shù)式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中兩平行電極固定不動，極距為，相對介電常數(shù)為的電介質(zhì)插人電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積和電容器式傳感器的容量，則插入介質(zhì)后的電容傳感器的總電容量C為：上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器2.3.2

電容式傳感器的測量電路電容式傳感器可以將被測的非電量轉(zhuǎn)換為電容的變化量。但由于電容值非常小，不能直接用現(xiàn)有的顯示儀表來顯示、記錄，更難以傳輸，因此還需要用測量電路把電容量的變化轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率等電信號，以便進(jìn)行顯示、記錄或傳輸。電容式傳感器的測量電路很多，常用的有橋式電路、調(diào)頻振蕩電路、運(yùn)算放大器式電路和脈沖寬度調(diào)制電路等。上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器橋式電路圖2-25所示為橋式測量轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)電橋平衡時，當(dāng)輸入

改變時，，電橋失去平衡，電橋有輸出電壓，圖2-25（b）為差動接法的電橋測量電路，輸出電壓為上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)被測量導(dǎo)致電容器式傳感器的電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就會隨之發(fā)生變化調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大可以用儀器進(jìn)行顯示或記錄。如圖2-26

所示為調(diào)頻式測量電路原理框圖。上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器當(dāng)被測信號為零時，蕩器有一個固有頻率：當(dāng)被測信號不為零，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時頻率為：調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并可以與微機(jī)相連，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送和接收，便于遙測、遙控。上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)大，輸人阻抗高，利用運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以將它作為電容式傳感器的測量電路。如圖2-27

所示為運(yùn)算放大器式測量電路原理圖。由此可知，運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器2.3.3

電容式傳感器的應(yīng)用電容傳感器的用途有許多，可以利用極距變化的原理測量振動、壓力，利用相對面積變化的原理精確地測量角位移和直線位移，利用介電常數(shù)變化的原理測量空氣相對濕度、液位、物位等。電容器式加速度傳感器圖2-28差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。電容器式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其他氣體作阻尼物質(zhì)。上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器電容式壓力傳感器如圖2-29所示為差動電容器式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所示，膜片為動電極，兩個在四形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動電容器。當(dāng)被測壓力或壓差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，所形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電流或電壓的變化。上一頁下一頁返回2.3

電容式傳感器電容器式油量表如圖2-30所示為用于測量液位高低的電容器式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。變換器電容值為：變換器的電容增量正比于被測液位高度h。所以，可以通過測量電容的變化量來測量液位。如圖2-31所示為電容器式油量表結(jié)構(gòu)示意圖，是電容式傳感器在測量油箱液位中的具體應(yīng)用。上一頁返回圖2-1

電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖返回1-電阻；2-基底；3-覆蓋層；4-引出線圖2-2

電橋結(jié)構(gòu)返回圖2-3柱式電阻應(yīng)變式力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖返回a)承重等截面圓柱；b)側(cè)面展開圖圖2-4

懸臂梁式力傳感器示意圖返回圖2-5加速度傳感器返回1-基座；2-應(yīng)變片；3-質(zhì)量塊；4-懸臂梁圖2-6固態(tài)壓阻傳感器外形返回圖2-8投人式液位傳感器返回1-支架；2-壓阻式壓力傳感器；3-背床管圖2-9自感傳感器的原理圖返回圖2-10螺線管式差動傳感器返回1-測桿；2-銜鐵；3-線圈；4-工件圖2-11螺線管式差動傳感器輸出特性