阻抗式结构性传感器.ppt

传感器,1 阻抗式结构型传感器的敏感元件 2 电阻应变式传感器 3 电容式传感器 4 电感式传感器 5 调理电路 6 微机械传感器 7 阻抗式结构型传感器应用与设计示例,阻抗式结构型传感器技术,电感式传感器,阻抗式结构型传感器的敏感元件,1.1弹性敏感原件的主要性能： 1.弹性特性 （式中：F表示施加于敏感元件的力或力矩，为变形量或位移） 2.灵敏度和刚度 敏感元件的刚度是灵敏度的倒数。,3.谐振频率 注：敏感元件的谐振频率可由计算获得，但必须由实验校正。 4.弹性滞后和后效 5.安全系数 注：安全系数越大，敏感元件的过载能力越强，但可能体积越 大，越笨重。一般以1.55为宜。 6.其他,1.2 常用弹性元件的结构和性能 1.基本拉压： 材料受力变形的最基本形式是拉压变形，由下式计算： 等截面杆件、等壁厚圆筒可视为基本拉伸结构。设计时应满足： 2.弹性梁： 悬臂梁：变形以弯曲为主的结构称为弹性梁 只有一端支承的梁称为悬臂梁结构， 如图所示。,等强度梁：由上式可以看出，等截面梁测试点的应力和应变均与位置Lo有关，使用时不够方便， 为此可以设计等强度梁，如上图所示，使得：,则：梁各处的应力相等，应变也相等。因此，使用时 可以不考虑测试点的位置。,1.2 常用弹性元件的结构和性能(2),这时有：,两端固定梁：有较高的刚性和承载能力，两端固定梁是一种静 不定系统，常用梁中点位置作为测试点，称为中断面。,最大挠度也发生在a断面，为：,1.2 常用弹性元件的结构和性能(3),3.环形结构：（圆环形结构和扁环形结构） 圆环形结构,扁圆环形结构,注：扁环的应力和应变可采用圆环计算方法。,1.2 常用弹性元件的结构和性能(4),4.膜片式结构,膜受载后变形，中心的挠度0最大。设膜厚为h， 1）如果0/h1/3，则可按厚膜计算，厚膜的变形以弯曲为主， 膜的拉压处于次要地位； 2）如果0/h5，则按薄膜计算，认为薄膜是柔软的，无弯曲 刚度和弯曲应力，膜的变形以拉压为主。,平膜（平膜适合于测量受均布载荷的情形 ）,在集中载荷p的作用下，,1.2 常用弹性元件的结构和性能(5),在膜中心r=0处，膜的切向应力和径向应力相等，切向应变和径向应变也相等，而且达到正的最大值，为：,在膜片边缘r=R处，膜的切向应力和径向应力、切向应力都达到 负的最大值，而切向应变为零：,1.2 常用弹性元件的结构和性能(6),可见，径向应力和应变有一拐点，拐点在r=0.573R处，此时r0，r0，使用单轴应变计时应避开这个点。,平膜片的挠度为：,可见，中心r=0处挠度最大，为：,平膜片的最小自振频率为：,1.2 常用弹性元件的结构和性能(7),带有硬中心的膜片,特征：膜的中心很厚，可以认为是刚体 ，如图所示：,硬中心的挠度仍然最大：,最大弯曲应力发生在硬心的边缘和膜 片的边缘：,1.2 常用弹性元件的结构和性能(8),5.弹性谐振元件,1）两端固定弦的振动频率可用下式计算：,2）两端固定矩形截面振动梁的固有频率按下式计算：,6.其它,1.3 弹性敏感元件的材料,高弹性合金和恒弹性合金，石英和硅，硅合金,1.2 常用弹性元件的结构和性能(9),电阻应变式传感器,电阻应变式传感器的工作原理基于四个基本的转换环节： 力(F) 应变() 电阻变化(R) 电压输出(V)。,1. 导电材料的电阻应变效应,通过对上式两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化：,图2.10 导体受位伸后的参数变化,令(ll)=，（dAA）2（drr）=2 。 带入上式可得：,2.1 电阻应变计的基本原理与结构,金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系：,式中C布里奇曼常数，由材料和加工方式决定，因此,代人式（234），并考虑到实际上面RR，故可得,式中 Km（2）C（12）金属丝材的应变灵敏系数 （简称灵敏系数）。 上式表明：金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。 这就是金属材料的电阻应变效应。,2.1 电阻应变计的基本原理与结构(2),2 .电阻应变计的类型,常见的电阻应变式传感器是带有封装结构的敏感元 件，称为应变片,图2.11 典型应变计的结构与组成 (a) 丝式(b)箔式(c)半导体 1敏感栅 2基底 3引线 4盖层 5粘结剂 6电极,如图2.11所示，敏感栅是实现应变电阻转换的敏感元件。图中l表示栅长，b表示栅宽，一般在25mm之间。其电阻值一般为100。通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。基底的作用是保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，应变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用。基底很薄，一般为0.020.04mm 。引线与测试电路连接，通常取直径约0.10.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。盖层是纸质或胶质的保护层，起着防潮。防蚀、防损等作用。,2.1 电阻应变计的基本原理与结构(3),3.应变计的使用,粘贴工艺：准备涂胶贴片复查接线防护,粘结剂的主要功能是要在切向准确传递试件的应变。一般要求具备：(1)与试件表面有很高的粘结强度，一般抗剪强度应大于9.8MPa；(2)蠕变、滞后小，温度和力学性能参数要尽量与试件相匹配；(3)抗腐蚀，涂刷性好,固化工艺简单;(4)电绝缘性能、耐老化与耐温耐湿性能均良好。,非粘贴式应变计和粘贴式应变计,注：常温和高温时的区别,2.1 电阻应变计的基本原理与结构(4),2.2 电阻应变计的主要特性：,1.静态特性,灵敏系数（K）,必须指出，应变计的灵敏系数K并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数Km。一般情况下，KxKm。这是因为，在单向应力产生双向应变的情况下K除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定即应变计的标定；故K又称标定灵敏系数。上述规定条件是：试件材料取泊松比。0.285的钢；试件单向受力；应变计轴向与主应力方向一致。,x应变计轴向应变； Kx 应变计的灵敏系数。,机械滞后（Zj）,通常在室温条件下，要求机械滞后 Zj310。实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。,蠕变()和零漂（PO）,蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求 315s。,2.2 电阻应变计的主要特性(2),应变极限（lim）,非线性误差达到10时的真实应变值称为应变极限lim。如图2.14所示。应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要求lim8000。,图2.14应变计的极限应变特性,2.动态特性,实际衡量应变计动态工作性能的另一个重要指标是疲劳寿命。它是指粘贴在试件上的应变计，在恒幅交变应力作用下，连续工作直至疲劳损坏时的循环次数，用N表示。它与应变计的取材、工艺和引线焊接、粘贴质量等因素有关，一般要求N105107次。,2.2 电阻应变计的主要特性(3),温度效应及其热输出,设工作温度变化为t，则由此引起粘贴在试件上的应变计电阻 的相对变化为,上式即应变计的温度效应；相对的热输出为,一般at2010-6C-1，若s=1110-6C-1、t=1510-6C-1，t5，取K2则t=202+(15-11) 5 10-6=70 u。热输出通常可以造成10%以上的误差，因此必须采取相应措施消除。,2.3 电阻应变计的温度效应及其补偿,热输出补偿方法,.自补偿法,(1)单丝自补偿 通过改变敏感栅的合金成份及热处理规范来调整t、t能与试件材料的s相匹配，使应变丝材料满足,结构简单，使用方便，但通用性差，应变丝制造工艺较复杂。,(2).双丝自补偿应变计电阻R由两部分 电阻Ra和Rb组成，即 R=RaRb,这种应变计的特点与单丝自补偿应变计 相似，但只能在选定的试件上使用。,.电路补偿法补偿法,2.3 电阻应变计的温度效应及其补偿(2),图2.16双丝半桥式热补偿应变计 图2.17 补偿块半桥热补偿应变计,（1）双丝半桥式,（2）块补偿式,（3）其它,2.3 电阻应变计的温度效应及其补偿(3),电容式传感器,31电容式传感器的原理与结构,1.电容式传感器的原理,若被测量的变化使式中、A、r三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。,2变极距型电容传感器,图2.19 膜片结构电容传感器,球面上，宽为dr，长为2r的窄环与固定片所 构成的局部电容为：,图2.20 电容压力传感器两种结构 a ) 双圆形膜结构 b ) 环形膜结构,式中，d为电容极板起始间距。 在y/dl时，根据泰勒级数展 开式，可近似取为,则挠曲时的总电容为起始电容加上增量电容，即,最后可得电容相对变化为,31电容式传感器的原理与结构(2),3. 变面积型电容传感器,图2.21圆筒电容传感器,(1).圆筒形电容器如图所示， 这种传感器的电容为,图2.22 变面积型差动式结构 (a)扇形平板结构 (b)柱面板结构,(2)C的初始位置必须保证 与A、B的初始电容值相同。 对图（a）有：,对图（b）有,31电容式传感器的原理与结构(3),4变介质型电容传感器,图2.23 薄膜型陶瓷湿敏传感器,常用的金属氧化物材料是三氧化二铝（Al2O3）和五氧化二钽(Ta2O5)。薄膜型湿度传感器响应很快，但高温环境下宜采用钽电容式湿敏传感器。,(a)电介质插入式,图2.24为原理结构。图2.24（a）中两平行极板固定不动，极距为0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插人电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果:,31电容式传感器的原理与结构(4),3.2应用中存在的问题及其改进措施,1 变极距型平板电容传感器线性问题,当传感器的r和A为常数，初始极距为0，由式2.43知其 初始电容量C0为,当动极端板因被测量变化而向上移动使0减小0时， 电容量增大C则有：,可见，传感器输出特性Cf（）是非线性的。电容相对变化量为：,如果满足条件（/0）1，式（2-54）可按级数展开:,图2.25 变极距型传感器的非线性,略去高次（非线性）项，可得近似的 线性关系和灵敏度S分别为:,如果考虑式（255）中的线性项及 二次项，则,&,相对非线性误差ef为,3.2应用中存在的问题及其改进措施(2),由上讨论可知： （1）变极距型电容传感器只有在|/0|很小（测量范围）时，才有近似的线性输出； （2）灵敏度S与初始极距0的平方成反比，故可用减少0的办法来提高灵敏度。但是，0的减小会导致非线性误差增大；0过小还可能引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质例如在电容式压力传感器中，常取00.10.2mm，C0在20100 pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01pm的线位移，故在微位移检测中应用最广。,2 分布参数,图2.27电容传感器的等效电路,3.2应用中存在的问题及其改进措施(3),在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑L的存在， 会使传感器有效电容变化:,从而引起传感器有效灵敏度的改变:,在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定,驱动电缆法,图2.28驱动电缆法原理图,3.2应用中存在的问题及其改进措施(4),整体屏蔽法,图2.29整体屏蔽法原理图,采用组合式与集成技术,3.边缘效应,图2.30带有保护环的电容传感器的原理结构 图2.31带保护环的电容传感器,3.2应用中存在的问题及其改进措施(5),4.静电引力,电容器两极板间存在电场，因此极板上也作用着静电引力F：,5.温度影响,图2.32电容式传感器的温度误差,温度对结构尺寸的影响,现以图2-32所示变极距型为例，设定极板厚度为g0，绝缘件厚度b0，动极板至绝缘底部的壳体长为a0，各零件材料的线胀系数分别为aa、ab、ag。当温度由t0变化t后，极间隙将由0a0b0g0变成t；由此引起的温度误差,3.2应用中存在的问题及其改进措施(6),由此可见，消除温度误差的条件为：,温度对介质的影响,温度对介电常数的影响随介质不同而异,3.2应用中存在的问题及其改进措施(7),电感式传感器,4.1电感式传感器原理,图2.33 变磁阻式传感器原理,磁通量与线圈参数有如下关系：,表2-1 磁路与电路的参数的对应关系,4.1电感式传感器原理(2),4.2 自感式传感器的原理与结构,1变气隙式自感传感器,如忽略漏磁等因素，则线圈的电感可表示为：,为了精确分析传感器的特性，引入等效磁导率e的概念,同时：,可得带气隙铁心线圈的电感为,传感器的灵敏度为,由伤势可知，变气隙式传感器的输出特性是非线性的，式中负号 表示灵敏度随气腺增加而减小，欲增大灵敏度，应减小l但受到 工艺和结构的限制。为保证一定的测量范围与线性度，对变气隙 式传感器，常取 l=0.21mm，变化区间l=（1/101/20）l。,4.2 自感式传感器的原理与结构(2),2变面积式自感传感器,式中 K 0W2（llr）,为一常数。,3螺管式自感传感器,图2.34 螺管式自感传感器结构原理,4.2 自感式传感器的原理与结构(3),当铁芯进入线圈后，铁芯中的极化作用使被覆盖的那部分线圈 局部电感增大，其电感增量为：,电感增量可令表示为,4.2 自感式传感器的原理与结构(4),4.3 互感式传感器（差动变压器）的原理和结构,图2.35 差动变压器的等效电路,单个次级线圈的感应电势,输出阻抗,4.3 互感式传感器（差动变压器）的原理和结构(2),图2.36 各种差动变压器结构示意图,（a）、（b）、（c）气隙式；（d）、（e）变面积式；（f）螺管式,4.3 互感式传感器（差动变压器）的原理和结构(3),当衔铁上移时,上气隙变为1=0-,下气隙为2=0+， 因而上磁路磁阻减小,下磁路磁阻增加。此时l 2，E21E22， 输出电压,两初次级间的互感为：,4.3 互感式传感器（差动变压器）的原理和结构(4),因此可得：,在忽略铁心磁阻于漏磁通得情况下,4.3 互感式传感器（差动变压器）的原理和结构(5),如果忽略2项，并设Rll=R12=R1, L0=W12/(20/0S)， 上式可改写并整理为,形差动变压器的灵敏度表达式,4.3 互感式传感器（差动变压器）的原理和结构(6),图2.37 激励频率与灵敏度的关系,4.3 互感式传感器（差动变压器）的原理和结构(7),4.4 自感式和互感式传感器的误差,1输出特性的非线性,2零位误差,图2.38 零位误差 图2.39零位误差的波形,3温度误差,环境温度对自感式传感器的影响主要通过（1）材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化，（2）材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化，（3）磁性材料磁导纲度系数，绕阻绝缘材料的介质温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。,4激励电源的影响,5互感式传感器的温度误差,低频激励时线圈的品质因数低，温度误差大。,4.4 自感式和互感式传感器的误差(2),图2.41 差动变压器零位补偿,图2.40 温度补偿电路,4.4 自感式和互感式传感器的误差(3),4.5电涡流式传感器,1. 电涡流式传感器的工作原理,图2.42 电涡流传 感器原理,根据基尔霍夫定律，可列出电压平衡方程组,解之得：,由此可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为,线圈的等效电感为,4.5电涡流式传感器(2),2电涡流式传感器的结构和类型,反射式,图3.44 电涡流传感器的结构 1线圈；2框架；3衬套； 4支座；5电缆；6接头,4.5电涡流式传感器(3),透射式,图2.45 透射式涡流传感器工作原理,图2.46 线圈电压与被测金属板厚度的关系 图2.47 贯穿深度t、感应电压U2、 金属板厚度的关系,4.5电涡流式传感器(4),调理电路,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥） 1电桥的分类 测量电路，通常由应变测量电桥作为前端电路。 典型的电桥如图2-48所示 : 四个臂Z1、Z2、Z3、Z4按顺钟 向为序AC为电源端，BD为输出 端。AB、BC、CD及DA都称为 电桥的一个臂。当一个臂、二个 臂乃至四个臂接入传感器时，就 相应谓之单臂工作、双臂工作 和全臂工作电桥。,测量电桥按如下方法分类 : （1）按电源分，有直流电桥和交流电桥。 （2）按工作方式分，有平衡桥式电路（零位测量法）和不平衡桥式电路（偏差测量法）。 （3）按桥臂关系分，有：对输出端对称；对电源端对称；半等臂和全等臂电桥。 （4）接负载的不同要求：输出电压或电流，电桥还可分电压输出桥和功率输出桥。,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(2),2.直流电压电桥的输出,平衡条件为：,输出电压为Uo:,如果只有一个桥臂R1为传感器，其它桥臂为平固定电阻，且：R1R2R3R4，则上式为：,分母中忽略R，则：,电桥的输出灵敏度为：,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(3),若已知金属应变计 K=2.5，允许测试的最大应变5000 ，接成全等臂单臂工作电桥（R10; R2=R3=R4=0）。最大非线性误差:,若采用半导体应变计，设K=120，其他条件同上，则,由此可见： 采用金属应变计，在一般应变范围内，非线性误差l。故在此允许的非线性范围内，金属应变计电桥的电压输出特性可由式（2-105）表示成线性关系。 采用半导体应变计时，由于非线性误差随K而大增，必须采取补偿措施。,由此引起的相对误差为：,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(4),3电桥的非线性误差及其补偿,电桥的供电电压为：,设电桥为全等臂，电桥的输出为：,略去 R ，则可得线性输出：,可得恒流源电桥非线性误差为 :,通过计算，非线性误差明显减小了,1）恒流源补偿法,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(3),可见，四臂差动工作，不仅消除了非线性误差，而且输出为单臂工作是的4倍。此外，差动电桥还能有效地消除或补偿温度引起的误差。提高灵敏度、降低非线性误差、有效地补偿温度误差是差动技术的特点，在电桥测量中有广泛的应用。,四壁差动电桥,2）差动电桥补偿法,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(4),4.信号调理电路,对于桥路电压的放大，一般采用图中所示仪表放大器（或称仪器放大器、数据放大器）电路解决。,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(5),5交流电桥,1)紧耦合电感电桥（Blumlein电桥）,图中所示为用于电容传感器测量的紧耦合电感臂电桥。其结构特点是两个电感桥臂互为紧耦合。电桥输出电压的一般表达式为：,当电桥带高阻抗负载（ZL）时，将Z1/jC，ZC/jC2，Z/ZC/C，Z12jL，耦合系数K1代入上式得,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(6),铽性曲线如图所示。谐振点在 即 处。谐振点左侧 时，灵敏度与 成正比；在谐振点右侧 时，灵敏 度趋向于2，呈水平特性。为了有高的稳定性，应使 增大；当 的值大于2时，电源频率或电感的变化将不会引起灵敏度变化。,紧耦合电感电桥抗干扰性好、稳定性高，目前已广泛用于电容式传感器中，同时它也很适合较高载波频率的电感式和电阻式传感器使用。,电桥灵敏度为：,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(7),2)电容传感器测量电桥,电桥的空载输出电压为,对变极距型电容传感器,，代入上式得,可见，对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(8),3）电感传感器测量电桥,自感式传感器常用的交流电桥有以下几种：,输出端对称电桥,（a）一般形式 (b)变压器电桥,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(9),源端对称电桥,电桥得输出电压为,设工作时，则有,这种电桥由于变压器次级接地，可避免静电感应干扰，但由于开路时电桥本身存在非线性，故只适用于示值范围较小的测量。,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(10),4)电容式和电感式传感器的辨向电路,图2.59 相敏检波电路 (a)带相敏检波的交流电桥 (b)实用电路,5.1 电桥式测量电路（直流与交流电桥）(11),52 阻抗式传感器的差动结构 1电阻应变式传感器的差动结构,如图所示为典型的应变式传感器差动结构。梁的上下表面各贴一个应变片R1、R2，梁受力矩M的作用发生弯曲变形，上表面受拉，R1的电阻变大，下表面受压，RB的电阻变小。一般R1、R2为规格相同的应变片，则：R1-RB=2R，因此，灵敏比只有一个应变片R1时提高一倍。通常R1、R2接入图所示的电桥，构成差动电桥。,差动式应变梁,2电容式传感器的差动结构,变极距型差动式结构,图中所示为差动结构，动极板置于两定极板之间。初始位置时，120，两边初始电容相等。当动极板向上有位移时，两边极距为10，20；两组电容一增一减。,电容总的相对变化量为：,略去高次项，可得近似的线性关系,相对非线性误差为,差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。,52 阻抗式传感器的差动结构(2),3差动式自感传感器,图2.62 差动自感传感器 （a）气隙式；(b)变截面式； (c)螺管式 1，2线圈；3铁芯或磁性套管；4衔铁,传感器的灵敏度为,采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。,52 阻抗式传感器的差动结构(3),5.3 电流电压积分差动电路,1积分电路,常用这种电路构成数字式测量电路，将输出uo为作为比较器的一个输出，当ui接入时，电路开始计时，当uo达到某一电平时，比较器翻转，作为计数中止信号中止计时。此时，电容C为：,由式可以看出，电容C的大小与积分时间成正比。常将uo作为比较器的输入控制计时器，构成数字式测量电路。根据这各电容充放电的原理，可以设计各种差动式测量电路。,2双T二极管交流电桥,U是高频电源，提供幅值为U的对称方波（正弦波也适用）；D1、D2为特性完全相同的两个二极管，R1R2R；C1、C2为传感器的两个差动电容。在电源的正半周，D1导通，D2截止，结果C1充电，C2放电，RL的电流为I1、I2之和；在电电源的负半周，D2导通，D1截止，结果C2充电，C1放电，RL的电流为I1、I2之和。当传感器没有位移输人时，C1C2，RL在一个周期内流过的平均电流为零，无电压输出。当C1或C2变化时，RL上产生的平均电流将不再为零，当因而有信号输出。其输出电压的平均值为：,该电路适用于各种电容式传感器。,5.3 电流电压积分差动电路(2),3 脉冲调宽电路,图2.66差动脉冲调宽电路,图中C1和C2为传感器的两个差动电容。线路由两个电压比较器IC1和IC2，一个双稳态触发器FF和两个充放电回路R1C1和R2C2（R1R2）所组成；Ur为参考直流电压；双稳态触发器的两输出端电平由两比较器控制。,5.3 电流电压积分差动电路 (3),当C1C2时，各点的电压波形如图（a）所示，Q和两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1C2时，各点的电压波形如图（b）所示，Q、两端间的平均电压（经一低通滤波器）为,式中：Tl和T2分别为Q端和端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。,这种线路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出；直流信号的极性取决于C1和C2；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线便输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。还可以用2524系统或555定时期设计脉宽市制测量电路。,5.3 电流电压积分差动电路 (4),54 直接放大,1.运算放大器直接放大,对变极距型电容传感器（ ）这种电路的输出为：,配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。,2.专用集成电路,MS3110电容通用读出集成电路,整个芯片单一5伏供电，V2P25是内部2.5伏分压，VNEG就是地电位。图中二路V2P25/VNEG相位相反，在时序控制下轮流接通V2P25和VNEG。相敏整流部分未标出，包含在图中低通滤波器部分中。该电路的增益(Gain)、带宽(BW)、输出直流偏置(Offset)都可程控。该电路对敏感电容的分辨率为4.0 aF/Hz。,直接放大电路不象电桥一样可以设置调零措施，但随着嵌入式系统的应用，可以在软件中进行调零，还可以根据情况在软件中设置测量的灵敏度。,54 直接放大 (2),3.频率式测量电路：,调频电路原理图,调频电路的灵敏度较高，可测至0.01级位变化量；频率输出易于得到数字输出而不需要A/D转换器；能获得高电平（伏特级）直流信号，抗干扰能力强，可以发送、接受实现遥测遥控。但调频电路的频率受温度和电缆电容影响较大，需采取稳频措施，要求各元件参数稳定、直流电源电压稳定，电路较复杂，频率稳定度也不可能很高，约为，因此精度为0.1%1% 。电平电路输出非线性较大，需用线性化电路进行补偿。,54 直接放大(3),微机械传感器,61 微机电系统的分类和特点,微机电系统是指总尺度在毫米级以下的机电系统，右面是以尺度为标准的分类：,微机械系统有以下特点： 微机械中起主导作用的力是表面力。 材料不同。 能源供给。 微机械传感器的信号获取、传输都与传统传感器不同。 制品的性能不同。 微机电系统的设计理论和制造方法与普通传感器不同。 微机械传感器的应用领域更为广泛。,61 微机电系统的分类和特点(2),62微机械传感器的制造技术 基本工艺有：生长、掺杂、腐蚀、刻蚀、淀积、牺牲层、键合、制膜。 其中光刻、腐蚀、键合、制膜是最基本的方法。 1.光刻（LIGA）技术：光刻的原理是光只对掩膜版上的透明区起作用，掩膜版下面是一层光敏，受光照后可以显影，被光照的区域在显影过程中被溶解，原来被掩盖的就暴露出来，以便进一步的工艺处理。 2.键合技术：可分为阳极键合和熔融键合，阳极键合的原理是在一定温度（键合温度）、电流作用下，在两个零件的接触面发生化学反应，形成牢固的固相键合，接合强度相当于接合件原材料本身的强度。熔融键合的方法是将需接合的元件的加热到一定温度，使接合表面处于熔融状态，分子力将导致元件的接合。 3.腐蚀：腐蚀方法可分为干法刻蚀（惰性气体腐蚀）和湿法腐蚀（化学溶液腐蚀）。其中最重要的是湿法腐蚀。湿法腐蚀又可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。,4.薄膜生成技术：薄膜生成技术用以在硅衬底的表面上制用各种薄膜，可分为物理淀积法和化学淀积法两种。常用的物理淀积法有真空蒸镀和溅射镀膜。化学淀积法主要是气相淀积法，使淀积的化合物（如卤化物）升华为气体，与载体气体在高温环境中化学反应，生成固态淀积物质并使之淀积在衬底上，形成膜。又分为常压淀积法、低压淀积法和等离子淀积法。 5.牺牲层技术：其方法是将多层膜组合在一起，设法腐蚀掉两层薄膜中下面（或是里面）的一层，在膜与衬底之间或膜与膜之间形成内部的空腔。被腐蚀掉的一层称为牺牲层。,薄膜生成技术和牺性层技术合称表面成型技术,6.2微机械传感器的制造技术(2),63 微机械传感器的结构和原理,1电容式硅微加速度传感器原理,电容式硅微加速度传感器（平衡式）,微硅加速度传感器的工作原理与一般常用的加速度传感器如液浮摆式加速度传感器、石英加速度传感器、金属挠性加速度传感器等的工作原理基本一样，都有一个质量摆敏感加速度，并转换为电容信号。但硅微电容式加速度传感器多为力平衡式传感器，目前它的敏感部可分为单摆式结构、梳齿结构、跷跷板式结构。,2压阻式加速度传感器,硅压阻式加速度传感器,压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥。在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用发生变化，引起测量电桥输出电压变化，一种应用SDB 技术和多晶硅淀积的一种体加工三轴加速度计的结构如图 所示。,在4 根梁上做扩散电阻，对于垂直板块方向(即z方向) 的加速度，4 个电阻一致增加或减小，而当板块受到平行板块方向(即x 、y 方向) 的加速度时，板块绕外框架发生扭转，4个电阻中，某两个增大，另两个减小，将这4 个电阻按一定次序组成惠斯通电桥,即可测试加速度。电阻及导线用掺杂扩散的方法获得。,63 微机械传感器的结构和原理(2),3硅热电耦式加速度传感器,硅微热电耦式加速度传感器,热源处于硅片的中央，硅片悬在空穴中间。在热源的四周均匀分布有热电耦堆(铝/多晶硅)。图中的加速度传感器上有两路信号，一路是测量X 轴加速度的，另一路是测量Y 轴加速度的。在没有加速度的情况下。热源的温度梯度均匀分布，对四周的热电耦而言，温度是一样的，输出的电压也是一样的，热自由交换。任何方向的加速度将打破温度分布平衡，使之分布不平衡，输出的电压也将随之改变。热电耦输出的电压差和加速度成正比例。,63 微机械传感器的结构和原理(3),4硅微光波导加速度传感器,隧道效应式加速器传感器,图 (a) 为加速度传感器的原理图、图 (b) 为结构示意图。射入波导1 的一束光，到达分束器时，分为透射和反射两个部分，其中反射部分进入波导4 ，并到达光探测器2。,透射部分进入波导2，波导2穿过悬臂梁的顶部，然后经过一个微小的空气间隙耦合到波导3 ,当探测器1作用时探测进入波导3的光强。当加速度为零时，波导2和波导3端面正对，此时经空气间隙耦合进入波导3的光最强。因为空气间隙距离仅有几个微米，可以认为从波导2 出射的光完全照射在波导3的端面上。进入波导3 的光强度仅同波导3 界面的反射率有关。当加速度不为零，在质量块惯性力作用下，悬臂梁将发生弯曲，波导2和波导3相对截面间将发生微小位移，位移量的大小是加速度的函数。可以近似认为波导3截面上的光入射角不随加速度的大小变化。耦合到波导3的光强仅同二者正对截面大小有关，通过测量波导3光强的变化可以得到相应的加速度值。,63 微机械传感器的结构和原理(4),5隧道电流式加速度计,隧道式电流型加速度计是将微机械加工的硅结构与基于电子隧穿效应的新的高灵敏测量技术结合在一起形成的。其基本原理是利用在窄的真空势垒中的电子隧穿效应。在距离接近原子线度的针尖与电极之间加一电压，电子就会穿过两个电极之间的势垒，流向另一电极,形成隧道电流。隧道电流对针尖与电极之间的距离变化非常敏感，距离每减小0.1 nm，隧道电流就会增加一个数量级，由此可做出灵敏度非常高的微机械加速度计。,63 微机械传感器的结构和原理(5),结构型阻抗式传感器示例,7.1电阻应变式传感器,电阻应变式传感器的应用,1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。 2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。,图2.77 电阻应变式加速度传感器 1壳体 2质量块 3悬臂梁 4应变片 5阻尼,图中是一种典型的结构型传感器，也是典形的加速度传感器的结构，其中，质量块的作用是敏感加速度并将其转换为对弹性梁的作用力；因此是敏感元件，弹性梁的作用将力转换为变形以便于电阻应变计的测量，因此，弹性梁和应变计都是转换元件。利用这种结构还可以设计电容式和电感式加速度传感器。,7.2电容式传感器,1.电容式水果质量传感器,电容式水果质量传感器,图为实现水果无损检测的测量电路原理图，正弦波发生器输出的驱动电流I流过由标准电阻Rb 和被测水果作为介质的电容器Z构成的串联电路，通过2个具相同增益的K的差分放大器输出E1E2，可测得水果的特性参数为：,达到水果分选的目的。,2.电容式倾角传感器,一种液态电极差动电容式倾角传感器件结构如图所示。当可转动电极(1) 绕轴心转动时, 其分别与固定电极(2) (3) 构成的电容C1、C2 发生差动变化, 通过测量电容量随倾角的,变化而实现对倾角变化量的检测。图2 所示为一维液态电这种传感结构，以夹层腔体中液态导电体(1)作为电容运动电极, 配合固定电容电极2、3以及在其表面的电介质层, 构成差动可变电容结构，当传感器绕其工作轴转动时，可变电容的电容量发生差动变化。经差动脉冲宽度调制电路处理后, 即可得到相对于角度变化的线性电压。,液态电极差动电容结构原理图,7.2电容式传感器(2),3.电容式差压传感器,电容式差压传感器原理结构,由两个玻璃圆盘和一个金属(不锈钢)膜片组成。两玻璃圆盘上的凹面深约25?m，其上各镀以金作为电容式传感器的两个固定极板，而夹在两凹圆盘中的膜片则为传感器的可动电极，则形成传感器的两个差动电容C1、C2。当两边压力p1、p2相等时，膜片处在中间位置与左、右固定电容间距,相等，因此两个电容相等；当p1p2时，膜片弯向p2，那么两个差动电容一个增大、一个减小，且变化量大小相同；当压差反向时，差动电容变化量也反向。这种差压传感器也可以用来测量真空或微小绝对压力，此时只要把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。,7.2电容式传感器(3),4.电容式接近开关,电容式接近传感器,主要高频振荡器、整流器、整形和放大电路组成。电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。通过后级电路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。,7.2电容式传感器(4),7.3电感式传感器,1.深亚微米精度电感式位移传感器,(a) 传感器结构示意图 (b) 半桥工作原理 差动自感式微位移传感器原理图,线圈的电感可用下式计算：,h为线圈的高度；R、r为线圈的外径和内径；L0 为线圈初始电感；t0 为铁芯位于该线圈中的初始长度。可见线圈电感量的变化正比于测杆位移的变化t 量. 并