传感器技术与应用：基本电量传感器、电位器式传感器、电感式传感器、电容式传感器详解
传感器技术与应用：基本电量传感器、电位器式传感器、电感式传感器、电容式传感器详解
传感器技术是现代科技的重要组成部分，广泛应用于工业自动化、医疗设备、汽车电子等领域。本文将详细介绍基本电量传感器、电位器式传感器、电感式传感器和电容式传感器的原理、结构和应用，帮助读者深入了解这一重要技术领域。
2.1电位器式位移传感器
电位器式传感器主要用来测量位移，通过其他敏感元件（如膜片、膜盒、弹簧管等）将非电量（如力、位移、形变、速度、加速度等）的变化量，变换成与之有一定函数关系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达到对非电量测量的目的。
2.1.1电位器式位移传感器基本原理
线绕电位器式传感器的核心是线绕电位器。图2-1是常用电位器式传感器的结构原理图，该类传感器主要是由触点机构和电阻器两部分组成。
2.1.2电位器式位移传感器的噪声与结构要求
电位器式位移传感器主要由骨架、电阻丝和电刷（活动触点）等组成。电刷是由回转轴、滑动触点以及与其他被测量相连接的机构所驱动。对该类传感器的基本要求是：噪声和非线性失真小，灵敏度高，稳定性好。
1.噪声 2.电阻丝 3.骨架 4.电刷
2.1.3非线绕电位器式位移传感器
非线绕电位器又叫函数电位器，是电位器式传感器未来的发展方向。主要有以下几种：
1.合成膜电位器 2.金属膜电位器 3.导电塑料电位器 4.光电电位器
2.1.4电位器式位移传感器的应用
电位器式位移传感器常用来测量几毫米到几十米的位移和几度到360度的角度。如图2-4所示为我国研制的采用精密合成膜电位器的CⅡ-8型拉线式大位移传感器。
2.2电感式传感器
电感式传感器以电和磁为媒介，利用磁场变换引起线圈的自感量或互感量的变化，把非电量转换为电量的装置。
2.2.1.自感式位移传感器
自感式传感器是把被测量变化转换成线圈自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。
1.自感式位移传感器基本原理
目前使用的自感式传感器主要有三种类型：变气隙型、变面积型和螺管插铁型。它们的基本结构包括线圈、铁芯和活动衔铁等三部分，如图2-5所示。
2.变气隙式自感传感器的主要特性
3.变面积式自感传感器的主要特性
4.螺线管式自感传感器的主要特性
2.2.2差动式自感传感器
差动式自感传感器是将有公共衔铁的两个相同自感传感器结合在一起的一种传感器。该类传感器不仅可以克服零位输出信号的问题，同时还可以提高电感传感器的灵敏度以及减小测试误差。
1.差动式自感传感器基本原理
2.差动式自感传感器特性
差动式比单线圈式的灵敏度提高一倍 差动式的线性度得到明显改善。
2.2.3互感式电感传感器
互感式电感传感器又称为变压器式传感器，它与自感式传感器的不同之处在于互感式传感器是先把被测非电量的变化转化成线圈相互的互感量的变化，然后再经过变换，成为电压信号输出。
1.互感式电感传感器基本结构与原理
螺管型差动变压器按绕组排列形式有二节式、三节式、四节式和五节式。不管绕组排列方式如何，其主要结构都是由线圈绕组、可移动衔铁和导磁外壳三大部分组成。
2.差动变压器式传感器主要特性
铁芯处于中间位置，M1=M2=M，
(1）灵敏度
单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时，输出的电压，以V/m表示
(2) 线性度
(3) 零点残余电压及消除的方法
2.2.4电涡流式传感器
成块的金属置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内都会产生感应电动势，形成电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，呈类似图2-15(a)所示的水涡形状，故称之为电涡流
1.电涡流式传感器基本结构与原理
高频反射式涡流传感器的结构很简单，主要是一个安置在框架上的线圈，线圈可以绕成扁平圆形，粘贴于框架上，也可以在框架上开一条槽，导线绕制在槽内而形成一个线圈。
2.电涡流传感器主要特性
涡流传感器的最大特点是可以对一些参数进行非接触式的连续测量，动态响应好，灵敏度较高。
2.2.5电感传感器典型应用
差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如力、力矩、压力、压差、振动、加速度、应变、液位等。
1.自感式位移传感器
2.差动变压器式微小位移测量传感器
3.涡流位移传感器
4.涡流振幅测量
5.涡流厚度测量
6.涡流探伤
2.3电容式传感器
电容式传感器是一种将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。它结构简单、体积小、分辨力高，具有平均效应，测量精度高，可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，广泛应用于压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等方面的测量。
2.3.1电容式传感器的基本结构与原理
常用的电容式传感器的结构形式有变面积型、变极距型、变介电常数型，如图2-25所示。
2.3.2电容式传感器的等效电路
图2-27所示是电容式传感器的等效电路。通常，电容式传感器的电容C只有在环境温度不高，湿度不大，电源频率适中的条件下，才能看作是纯电容。
2.3.3电容式传感器的转换电路
电容式传感器的转换电路很多，主要有调频电路、谐振电路、脉冲电路、运算放大电路、一般交流电桥电路、紧耦合电桥电路、变压器电桥电路、二极管双T交流电桥电路以及脉冲调宽电路。
1.调频电路
调频电路将电容传感器作为振荡器的谐振回路的一部分，当输入非电量变化导致电容传感器的电容发生变化时，就使振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化在鉴频器中变换为振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或者用记录仪器记录下来。
2.运算放大器电路
3.交流电桥
2.3.4电容式传感器的优缺点分析
优点：
（1）输入能量低。
（2）可以获得较大的相对变化量。
（3）能在恶劣的环境下工作。
（4）本身发热影响小。
（5）动态响应快。
缺点：
（1）输出特性为非线性。
（2）泄漏电容的影响。
2.3.5电容式传感器的应用举例
1.电容式振动位移传感器
如图2-31所示为电容式振动位移传感器应用示意图，其中传感器的一极是被测物体表面,这种传感器不仅可以测量振动的位移，而且可以测量转轴的回转精度和轴心的动态偏摆。
2.电荷平衡式位移传感器
功用
1、测量飞机全机油箱组（副油箱除外）总的可用油量；
2、测量主油箱可用油量；
3、发出主油箱满油信号和剩油（返航）警告信号；
4、满油控制信号，发出翼后油箱满发出副油箱500升信号和 油信号，以便控制加油量；
5、向飞行参数记录系统和483数传系统提供油量信号。
组成
工作原理
1.基本工作原理
自平衡电桥的原理
1、功用
将电容传感器输出的电容转换为电压，此电压经放大器放大后驱动随动电机，随动电机带动指针指示出相应的油量。
2、组成
3、工作原理
根据交流电桥的平衡条件： 相对两桥臂复数阻 抗的乘积相等。
结构 （一）传感器
1、功用：将飞机的储油量转换为电容值。
2、特性曲线
理想情况下：
实际情况下：
3、GUC-44传感器（图）