模拟式传感器：原理详解与应用分析

用模拟式传感器可以测量如位移、温度等物理量和作为模拟电量的电压或电流等。

8.7.2.1 位移与角度测量用传感器

图8-41所示的线性电位器和图8-42所示的旋转式电位器是有源传感器，只适用于位移和角度的测量。

图8-41 线性电位器

图8-42 旋转式电位器

测量电路。图8-43所示的传感器B1是由直流电源提供电源。电位器作为分压器在工作。通过被测物使电位器的滑动触头移动，因此改变了抽头的分电压U₁。输出电压U₁以一个很大的输入电阻接到测量放大器上，使电位器实际上处于无负载状态。所测出的电压与滑动触头的位置x成比例，因此也与被测物的位移s和转角α成比例。

线性电位器能测量的位移为5～4000mm，而旋转式电位器可测量的角度为0°～355°。

应用：线性电位器可用作测量位移，如机床工作台；旋转式电位器可用作转角的采集，如图8-44所示的机器人或测量技术中的联杆角。

图8-43 线性电位器的测量电路

图8-44 电动机转角传感器

磁敏元件传感器。磁敏元件传感器与线性电位器和旋转式电位器相反，它没有滑动触头。电阻的变化是通过无接触实现的。这种传感器的优点是结构无磨损。在磁敏元件上，磁场垂直于磁敏元件平面上电流的方向转动。当接近磁敏元件旁转动永磁铁时，电阻便发生了变化，因此传感器信号也发生了变化。由于传感器结构的变化，永磁铁的位移变化和转角变化与传感器信号成比例。

应用：磁敏元件传感器用于小位移和小角度的无接触测量，如电动车的油门踏板和制动踏板行程的测量。

8.7.2.2 用于测量应变、力、压力及转矩的传感器

为了测量工件的力、转矩、压力、拉伸或压缩，则使用电阻应变片（DMS）。电阻应变片传感器是无源传感器。在拉伸下，电阻应变片的电阻因其长度变长和截面积变小而变化。在压缩时，电阻值变小。

DMS常制成箔DMS。箔DMS是由薄金属箔刻蚀出的测量栅条。这种传感器由于有矩形的测量栅条因而具有有效长度长及灵敏度高的特点。图8-45所示为能同时对多个方向进行测量的具有2个和4个元件的DMS。

作为测量元件的半导体DMS由硅制的带条组成，与金属电阻应变相比，这种电阻应变片不仅体积小，而且其灵敏度高约100倍。

要用特殊的胶把电阻应变片胶粘在被测物体上，并且使测量栅条的长度方向指向要研究的拉伸或压缩方向。DMS用电阻应变片的额定电阻为120Ω、350Ω和600Ω。

应用：电阻应变片用于机器、运输工具部件、桥梁、钢结构等的应变测量以及力、转矩或压力的测量。

测量电路。电阻的变化量要用电桥来采集，并区分为

1）带有源DMS的1/4电桥电路。

图8-45 电阻应变片的结构形式

2）带2个DMS的1/2电桥电路。

3）带4个DMS的全电桥电路。

在1/4电桥电路的有源DMSB1的电桥臂中接一个用于补偿温度影响的DMSB2。

图8-46所示的1/2电桥电路有一个用于拉伸和压缩的DMS。在压力传感器的测量弹簧体上胶粘一个双DMS。当压力作用在弹簧体上时，B1发生压缩而B2发生拉伸。

全电桥电路是把两个获得拉伸的DMS和两个获得压缩的DMS固定在被测物体上，用全电桥电路采集在4个DMS上轴的转矩（图8-47）。全电桥特别灵敏。(www.xing528.com)

图8-46 1/2电桥电路

图8-47 全电桥电路

如图8-48所示，压力传感器是一个接到测量膜片上的由4个元件组成的DMS接线盒。当有压力作用在膜片上时，B1和B3拉伸，而B2和B4压缩（全电桥）。

8.7.2.3 温度测量用传感器

温度传感器能把温度转换为电压。

测量任务和使用范围（图8-49a）决定了传感器的类型，最常用的有以下几种：

1）电阻温度计。

2）热敏电阻。

3）温差电偶。

（1）电阻温度计 这种无源传感器的功能是以温度与电阻之间的关系为基础。电阻探测器有绕线电阻或薄膜电阻，大多采用在0℃时有100Ω额定电阻的铂（Pt100）或镍（Ni100）作为电阻材料。

图8-50所示是与温度变化成比的电阻变化曲线。

图8-48 有DMS接线盒的压力传感器

图8-49 温度传感器的结构及使用范围

a）温度传感器使用范围 b）热电偶的结构

镍传感器的温度系统约为铂传感器的两倍，所以这种传感器比较灵敏，其特性曲线仍不是线性的。

应用：电阻温度计用于温度测量，例如电炉、空调设备和冰箱。

（2）热敏电阻 温度测量也以与温度有关的电阻的变化为基础。由于不同的电气特性，所以NTC与PTC之间是有区别的。

温差电偶 温差电偶是一个有源传感器，它能把热能转变为电能。由两根不同金属或合金如铁和康铜被焊接在一起的导线，形成如图8-49b所示的温差电偶。在加热两不同金属连接点时，便出现一个温差电压，温差电压随焊接点与自由端之间温差的增加而升高，且与温差电偶的组成无关。

在传感器的温差电偶上把由相同金属的导线连接起来，以阻止传感器接线处的附加温差电压。由于温差电压很小，只有几个μV/K，所以要用一个测量放大器进行处理。于是测量点与显示装置之间的温差就可以测量。

把另一个同样类型的温差电偶接到补偿线的端部，便得到一个如图8-51所示的比较位。然后测量测量点与比较位之间温度。为了精确测量，应使比较位的温度保持不变。

应用：温差电偶多用于高温测量，如锅炉或淬火炉。

图8-50 Pt100的特性曲线

图8-51 有温差电偶和比较位的温度传感器