第4章-阻抗型传感器

第四章阻抗型传感器,本章目录4.1电阻式传感器4.2电容式传感器4.3电感式传感器,4.1电阻式传感器电阻式传感器是将非电量转换为电阻变化的传感器。用途很广，种类很多。,本节内容4.1.1电位器式传感器4.1.2应变式传感器和压阻式传感器4.1.3热电阻和热敏电阻4.1.4气敏电阻4.1.5湿敏电阻4.1.6电阻传感器接口电路,4.1.1电位器式传感器,基本介绍电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电气和电子设备中。最早获得工业应用的传感器之一。主要是把机械位移转换为与其成一定函数关系的电阻（或电压）输出。它除了用于线位移和角位移的测量外，还可用于测量一切能通过敏感器转换为位移的其他非电量，如压力、加速度、液位等。,优点结构简单、尺寸小、重量轻、输出特性精度高且稳定性好，可以实现线性及任意函数特性；受环境因素（如湿度、温度、电磁干扰等）影响小；输出信号较大，一般不需要放大。,4.1.1.1基本工作原理,电阻器电刷,C图CB短接，电位器作为变阻器应用。阻值为位移的函数。分压器：d图把电位器作为分压器使用。输出电压为位移的函数,图411电位器式传感器工作原理,变阻器:,4.1.1.2输入输出特性,线性电位器非线性电位器,线性电位器：空载时，输出电压（电阻）与电刷位移之间具有线性关系的电位器。,非线性电位器：空载时，输出电压（电阻）与电刷位移之间具有非线性关系的电位器，也称函数电位器。非线性电位器的用途：可使传感器获得各种特殊要求的非线性函数（如指数函数、三角函数、对数函数及其他任意函数）输出。,4.1.1.3结构形式,线绕电位器非线绕电位器,图412线绕电位器,绕线电位器的优点：精度高、性能稳定、易于达到较高的线性度和实现各种非线性特性。缺点：如阶梯误差、分辨力低、耐磨性差、寿命较低等。非绕线电位器的优点：分辨力比绕线电位器高、耐磨性好、寿命长。缺点：特性对温度、湿度变化比较敏感，且要求接触压力大，只能用于推动力大的敏感元件。,光电电位器是一种非接触式电位器，它以光束代替常规的电刷，克服了接触式电位器共有的耐磨性差、寿命短的缺点。本身也有缺点,图412（C）线绕电位器与光电电位器结构,1光电导层2基体3薄膜电阻带4窄光束5导电电极,粗调与微调,拉绳式位移电位器,4.1.2应变式传感器（重要）,4.1.2.1应变电阻效应应变电阻效应：导体或半导体在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，机械形变导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变电阻效应”。对于横截面均匀的导体或半导体，其电阻为,参考教材P47,图4-1-3,图413导体受拉伸后的参数变化,当受到轴向力而被拉伸或压缩时，相关参数会发生变化，因而电阻值会发生变化，对上式两边取对数再微分，可得,轴向应变径向应变泊松比面应变体应变,金属材料的电阻相对变化为,式中，为金属材料的应变灵敏系数。,为由一定的材料和加工方式决定的常数。,A、若为（金属）导体金属导体电阻率相对变化与其体应变的关系成正比,压阻效应：导体或半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为“压阻效应”。,半导体材料受到应力的作用，电阻率的相对变化与作用于材料的轴向应力成正比,式中，为半导体材料在受力方向的压阻系数。轴向应力与轴向力及轴向线应变关系为,式中，为半导体材料的弹性模量。,B、若为半导体,半导体材料的电阻相对变化为,式中，为半导体材料的应变灵敏系数。,半导体和导体的电阻变化由两部分组成，一部分是由于材料受力后几何尺寸变化（应变）引起的（式中前两项），另一部分是由于受力后电阻率发生变化引起的（式中后一项）。,注意：金属材料的电阻变化以结构尺寸变化为主。半导体材料的电阻变化以压阻效应即电阻率变化为主。半导体材料的应变灵敏系数要比金属材料的应变灵敏度系数高出几十倍。,导体半导体,应变电阻效应的表达式为,式中，为应变电阻材料的应变灵敏系数，为轴向应变。结论：应变电阻阻值的相对变化与应变电阻的应变成正比。利用应变电阻效应可以将应变转换为电阻的相对变化，做成应变式传感器。有时将半导体应变式传感器称为压阻式传感器,4.1.2.2应变式传感器,应变片：由金属或半导体制成的片状的应变电阻转换元件。电阻应变片是应变式传感器的核心元件。,应变式传感器的组成（两种）,直接将应变片粘贴在被测量的受力构件上，使应变片随受力构件一起变形，进而转换为电阻变化；将应变片粘贴到弹性敏感元件上，由弹性敏感元件将被测物理量（如力、压力、加速度等）转换为应变，进而转换为电阻变化。,测量电路（将应变片电阻变化转换为电压或电流的信号）,1）电阻应变片的组成结构和类型,图1-4应变片的基本结构,敏感栅：应变片内实现应变-电阻转换的传感元件。基底：纸质或胶质材料，以保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置。盖片：纸质或胶质材料，保护敏感栅，粘贴在之上，起防潮、防蚀、防损等作用。引出线：用以与外界测量电路连接。基底及其粘合层起着把试件应变传递给敏感栅的作用。基底必须很薄。,按制造敏感栅的材料,电阻应变片,金属应变片,半导体应变片：一般为单根状,按敏感栅的形状和制造工艺,丝式：直径0.0150.05mm的金属丝绕制成，应用最早。箔式：金属箔（厚度0.0020.005mm）经光刻腐蚀成栅状。（横向效应小、测量精度高、散热好、工作电流大、测量灵敏度高和易于批量生产，基本取代电阻丝式应变片）薄膜式：真空蒸发或者真空积淀的方法在薄膜薄的绝缘基底上形成金属电阻材料薄膜（0.1微米以下）。,优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数大，因而输出也大，不需要放大器就可直接与记录仪连接，测量系统得到简化。缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大。,图1-5丝式应变片与箔式应变片(a)电阻丝式应变片(b)箔式应变片,2）电阻应变片的灵敏系数,应变电阻材料本身的灵敏系数用应变电阻材料制作成电阻应变片，并贴在试件表面后，其灵敏系数需要重新实验测定（抽样测定，取平均值）。,数学定义,产品应变片灵敏系数试件表面安装应变片区域的轴向应变,原因：粘合层传递应变有损失横向效应,敏感栅由多条轴向纵栅和横向圆弧栅组成。当试件承受单向应力时，其表面处于平面应变状态，即轴向拉伸和横向收缩。从而引起总的电阻变化为,纵向灵敏系数；横向灵敏系数。,3）应变片的选择和安装,选择：应变片的种类很多。根据试验环境、应变性质、试件状况及测试精度选择合适的应变片。安装：应变片的安装质量是决定测试精度及可靠性的关键之一。,安装方法,粘贴法：最常用；焊接法：适用于金属基底的应变片；喷涂法：主要用于高温应变测量。,4）温度误差及其补偿,温度变化引起应变片电阻变化，并且其数量级与试件应变所造成的电阻变化几乎有相当的数量级，容易造成测量误差，因此有必要对其进行补偿。温度变化引起应变片电阻变化的原因：,敏感栅电阻本身随温度变化,试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使敏感栅产生附加形变，造成电阻变化。,（1）敏感栅电阻本身随温度变化,式中，应变片在温度为和时的电阻值；应变片电阻的温度系数温度的变化值,（2）试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使敏感栅产生附加形变，从而造成电阻变化。,敏感栅材料：试件材料：,不粘接在一起时，,粘接在一起时，应变片被迫拉长，产生的附加形变为,即附加应变为,即附加应变为,从而产生电阻变化为,由（1）和（2）可得温度变化引起的总的电阻变化为,折算成“虚假视应变”为,虚假视应变的含义P51,应变片所粘贴的试件受力引起的真实应变和温度变化引起的虚假视应变使应变电阻总的变化为：,消除温度误差的方法,温度补偿电路（最常用的和最好的补偿法是电桥补偿法）,恒温措施，但成本太高，难以实现。,4.1.2.3固态压阻式传感器（半导体应变式传感器）,半导体材料目前现已制成两类传感器,半导体应变式传感器,扩散型压阻式传感器：在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件。应变电阻与基底是同一块材料，通常是半导体硅，因此又称为扩散硅压阻式传感器。,扩散型压阻式传感器优点：,由于取消了胶接，它的蠕变、滞后及老化现象大为减少，而且不存在胶层的热阻妨碍，导热性能大为改善；由于这类传感器是半导体硅做芯片，利用集成电路工艺制成，可在制备传感器的芯片时，同时设计制造一些温度补偿、信号处理与放大电路，就能够成集成传感器。如果进一步与微处理器相结合，就有可能制成智能传感器。（介绍一下微机电系统MEMS）,压阻式传感器（半导体应变式传感器）的优点与缺点P52,优点：灵敏度非常高，有时传感器的输出不需要放大即可用于测量；分辨力高；测量元件的有效面积可做的很小，故频率响应高；可测量低频加速度与直线加速度。缺点：温度误差较大，故需温度补偿或在恒温条件下使用。,4.1.3热电阻（金属）和热敏电阻（半导体）,电阻温度传感器：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。,按电阻材料分为,金属热电阻（简称热电阻）,半导体热电阻（简称热敏电阻）,4.1.3.1热电阻,大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可表示为:(电阻随温度升高而升高）,适合于制作温度测量敏感元件的电阻材料要具备以下要求：4点，P53,目前列入标准系列且大量生产的有：铂热电阻、铜热电阻、镍铁热电阻、钨热电阻等。,铂热电阻（贵重金属）优点：物理、化学性能极为稳定，并且具有良好的工艺性，易于提纯，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。缺点：电阻温度系数小。构成：用铂丝双绕在云母、石英或陶瓷支架上，或采用溅射工艺在石英或陶瓷基座上生成铂薄膜，构成电阻体，电阻体端线与银丝焊接引出连线，外面再套上玻璃或涂釉加以绝缘和保护，构成铂电阻传感器。,铂电阻与温度之间的关系近似直线，可表示为：,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关，通常用百度电阻比表示铂的纯度。即,国内统一设计的工业用标准铂电阻其百度电阻比,分度号,选定了可根据公式构成的分度表查表获得当前的温度。,防爆,铜热电阻（比铂经济，在测量精度要求不高而温度又较低的场合，用铜电阻更合适。）优点：温度系数比铂高，易于提纯加工，价格便宜。缺点：易于氧化，不适于在腐蚀性介质或高温下工作；电阻率低，铜电阻的体积较大。构成：P53,在温度范围内，铜电阻与温度之间近似为线性关系,其他热电阻镍和铁电阻的温度系数都较大，电阻率也较高，因此也适合做热电阻，但由于存在易氧化或非线性严重等缺点，所以这两种热电阻目前应用较少。铜、铂热电阻不适宜做低温和超低温测量，近年来，一些新颖的测量低温的热电阻材料相继出现：铟电阻，锰电阻，碳电阻等。,4.1.3.2热敏电阻,图417热敏电阻典型特性,负温度系数热敏电阻（NTC）正温度系数热敏电阻（PTC）（开关）临界温度系数热敏电阻（CTC）（开关）,负温度系数热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，通常它测量范围内的温度，与热电阻相比，有以下特点：（P54）,1）热敏电阻的类型和特点,2）热敏电阻的结构,图18热敏电阻的结构及符号(a)结构(b)符号1探头2引线3壳体,图19热敏电阻的结构形式a)圆片型，b)薄膜型，c)柱型，d)管型，e)平板型，f)珠型，g)扁型，h)垫圈型，i)杆型,根据不同的使用要求，热敏电阻可做成不同的形状结构：,3）NTC型热敏电阻的特性,A、在不太宽的温度范围内（小于），电阻温度特性可用如下公式描述：,热敏电阻阻值随温度变化大，所以灵敏度很高，约为热电阻的10倍，并且体积小，非常适合测量微弱温度变化。,B、由于热敏电阻非线性严重，所以在实际使用时，需要对其进行线性化处理。处理方法：给热敏电阻并联一个温度系数很小的固定电阻，使其等效电阻与温度的关系在一定的温度范围内是线性的。所需的这个固定电阻的阻值,图110热敏电阻伏安特性,C、伏安特性,要根据热敏电阻的允许功耗来确定电流。,4.1.4气敏电阻,气敏电阻式利用半导体与气体接触而电阻发生变化的效应制成的气敏元件。,4.1.4.1材料与结构,金属氧化物（利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，半导体陶瓷，简称半导瓷）,如，氧化锡制成的气敏电阻应用最为广泛。,气敏电阻按结构分可分为烧结型、薄膜型、厚膜型,图4111半导体气敏电阻元件的结构(a)烧结型元件；(b)薄膜型元件；(c)厚膜元件,加热器的作用：烧掉附着在探测部位处的油雾、尘埃，同时加速气体的吸附，从而提高元件的灵敏度和响应速度，一般将元件加热到,4.1.4.2工作原理,按阻值变化机理分类,表面控制型：使半导体载流子增多或减少来引起半导体电阻率变化。（较常见）,体控型：半导体体内晶格发生变化而引起电阻变化。,氧化锡为例（表面控制型）,图12N型半导体气敏电阻的阻值变化,4.1.5湿敏电阻,氯化锂湿敏电阻,半导瓷湿敏电阻,高分子膜湿敏电阻,（感湿原理P58）,氯化锂湿敏电阻：利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。,图13烧结型湿敏电阻结构,高分子膜湿敏电阻,4.1.6电阻传感器接口电路（重点）,电阻传感器接口电路：进一步将电阻传感器的电阻转换为电压、电流、频率等便于放大和显示的电量形式。设计接口电路的原则：尽可能使得转换量与被测非电量导致的电阻变化成线性关系。,电桥电路（惠斯通电桥、有源电桥）（重点）,分压电路,电阻电流转换电路,电阻频率转换电路,接口电路,4.1.6.1电桥电路1）惠斯通电桥,惠斯登桥（英语：Wheatstonebridge，又称惠斯同电桥、惠斯通电桥）是在1833年由SamuelHunterChristie发明，1843年由查理斯惠斯登改进及推广的一种测量工具。它用来精确测量未知电阻器的电阻值。,为什么要用惠斯通电桥测电阻？一句话，精确，其它方法误差大。（微差法）零位线性、温度误差、系统误差。,直流电桥（接入电阻）和交流电桥（接入电阻、电容、电感）,连接搭配方式是固定的。,差动,图4115电阻传感器电桥的实例,等臂电桥，初始时4臂电阻都相等，即,为被测非电量，表示被测非电量引起的传感器电阻的变化。,电阻传感器电桥,单臂电桥双臂电桥差动半桥差动全桥,什么是差动,以单臂电桥为例计算：,代入,得,在时，,上式近似为,非线性误差为,目的是线性化,严格讲，,灵敏度,若在计算电阻变化时，不仅考虑被测量引起的电阻变化，还同时考虑温度引起的电阻变化，则等臂电桥的几种工作情况对比如下（表4-1-1，P61）：（注：非线性误差计算时未考虑温度影响）,传感器电桥的工作情况,恒压源供电,恒流源供电,(a),(b),(c),(d),对比上表，得到结论：,（1）差动半桥和差动全桥与单臂电桥相比，有三个优点：灵敏度提高；非线性误差减小；温度误差减小。（2）图（b）虽然也是双臂工作，与单臂电桥相比，只能提高灵敏度，不能减小非线性误差和温度误差。（3）恒流源供电时单臂电桥和差动半桥的温度误差都比恒压源供电时小，恒流源供电时差动全桥在理论上无温度误差。（4）应尽可能采用差动式电阻传感器和差动电桥。,(a),最佳方式，恒流源供电的差动全桥。,以上讨论了电阻传感器的电阻变化的绝对值都相同的几种工作情况，下面讨论电阻变化的绝对值不相同的工作情况。,假设惠斯通电桥4臂分别接入4个型号相同且初始电阻也都相同的电阻传感器，即,初始时，电桥平衡，即,电阻变化时（被测非电量或温度变化引起的），得到电桥的开路输出电压为,略去的二阶微量，上式近似为（线性化）,非线性误差近似为,结论：由于温度引起的电阻变化符号（方向）是相同的，如果电阻传感器接在电桥的相邻两臂（什么是相邻），温度引起的电阻变化将互相抵消，其影响将减小或消除。被测非电量若使两电阻传感器的阻值变化符号相同，则应将这两电阻传感器接在电桥的相对两臂，但是这只能提高电桥输出电压，并不能减小温度变化的影响和非线性误差。被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相反，则应将这两组传感器接在电桥的相邻两臂，即构成差动电桥，这既能提高电桥输出电压，又能减小温度变化的影响和非线性误差。,例：,在右图中接入四个型号相同的应变片，它们的初始电阻值和灵敏系数都相同，利用得到该应变电桥输出电压为,在电桥电源电压稳定不变的情况下，只要测出应变电桥输出电压，就可求得相应的应变。,备注：半导体应变片的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数大几十倍，应变电桥输出电压不必再放大，因此多采用直流电桥。相反，金属应变片多采用交流电桥（可配合变压器进行放大）湿敏电阻如果采用直流电桥，在工作过程中会出现离子的定向迁移和积累，致使元件失效或性能降低，因此所有湿敏电阻的供电电源都必须是交流或换向直流（注意不是脉动直流）。,2）有源电桥,图4116有源电桥,均为线性关系（要求会自行推导，作业，推导输入输出关系）,虚短，虚断,图4117SnO2气敏电阻测量电路,4.1.6.2分压电路,将传感器电阻与负载电阻串联，通过测量负载电压测量引起传感器电阻变化的非电量。,4.1.6.3电阻-电流转换电路,图4118电阻电流转换式测湿电路,电阻电流转换电路是将电阻传感器与电流表串联，通过测量流过传感器的电流来求得引起传感器电阻变化的非电量。此法适用于允许流经较大电流、以电子导电为主的烧结型湿敏电阻元件。,4.1.6.4电阻-频率转换电路,图4119电阻频率转换电路,RC正弦振荡器,RC方波发生器,4.2电容式传感器,4.2.1基本原理与结构类型4.2.2输入输出特性4.2.3接口电路,电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测量的变化转换为电容量的变化的一种传感器。,本节内容,4.2.1基本原理与结构类型,平行平面形电容器电容为,平行平面形,平行曲面形,两个极板相互覆盖的面积两个极板间的距离极板间介质的介电常数,基本工作原理：让其中一个参数随被测量变化，其它两个固定不变，从而把被测量变化转化为电容器电容的变化。,4.2.1.1基本原理,前提：板极的几何尺寸远大于极间距离和介质均匀（此时电场的边缘效应可以忽略）,平行曲面形电容器电容为（同轴圆通）,当时，近似有,在条件下（电场的边缘效应可以忽略）,基本工作原理：让其中一个参数随被测量变化，其它两个固定不变，从而把被测量变化转化为电容器电容的变化。,电容式传感器指纹识别系统,电容式触摸屏,电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。由于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，故其稳定性较差，往往会产生漂移现象。该种触摸屏适用于系统开发的调试阶段。,当今触摸屏技术电容技术触摸屏CTP（CapacityTouchPanel）是利用人体的电流感应进行工作的。电容屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层ITO（纳米铟锡金属氧化物），最外层是只有0.0015mm厚的矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作工作面，四个角引出四个电极，内层ITO为屏层以保证工作环境。当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指吸收走一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。可以达到99%的精确度，具备小于3ms的响应速度。电容屏主要有自电容屏与互电容屏两种，以现在较常见的互电容屏为例，内部由驱动电极与接收电极组成，驱动电极发出低电压高频信号投射到接收电极形成稳定的电流，当人体接触到电容屏时，由于人体接地，手指与电容屏就形成一个等效电容，而高频信号可以通过这一等效电容流入地线，这样，接收端所接收的电荷量减小，而当手指越靠近发射端时，电荷减小越明显，最后根据接收端所接收的电流强度来确定所触碰的点。电容屏要实现多点触控，靠的就是增加互电容的电极，简单地说，就是将屏幕分块，在每一个区域里设置一组互电容模块都是独立工作，所以电容屏就可以独立检测到各区域的触控情况，进行处理后，简单地实现多点触控。苹果iPad2电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器，同时透光率更高。代表产品就是苹果iPodtouch和iPad系列产品，拥有其他产品难以超越的非凡触控体验，为电容屏的成功推广立下了汗马功劳。,电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点(X,Y)的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。很多LCD模块都采用了电阻式触摸屏，这种屏幕可以用四线、五线、七线或八线来产生屏幕偏置电压，同时读回触摸点的电压。电阻式触摸屏基本上是薄膜加上玻璃的结构，薄膜和玻璃相邻的一面上均涂有ITO（纳米铟锡金属氧化物）涂层，ITO具有很好的导电性和透明性。当触摸操作时，薄膜下层的ITO会接触到玻璃上层的ITO，经由感应器传出相应的电信号，经过转换电路送到处理器，通过运算转化为屏幕上的X、Y值，而完成点选的动作，并呈现在屏幕上。,电容屏与电阻屏的对比电容屏能更好支持多点触控多点触摸屏有别于传统的单点触摸屏，多点触摸屏的最大特点在于可以两只手，多个手指，甚至多个人，同时操作屏幕的内容，更加方便与人性化。多点触摸技术也叫多点触控技术。与电阻屏相比电容触屏比较容易实现多点触摸技术，目前多点触控技术已在电容屏上基本实现。电容屏造价更高虽然电容屏拥有诸多优点，但是因为其材料特殊、工艺精湛、其造价较高。当然这也跟厂商的不同而不同，一般来说电容屏的价格也会比电阻屏贵15%到40%。这些额外成本对旗舰级产品可能影响较小，但是对于中、底等价位智能手机确实高门槛，所以目前市场上的多数智能手机价格不菲，其中很多一部分原因是其使用了电容屏的缘故。总结从客观的角度来说电容电阻各有千秋，电容屏虽然在用户体验是更胜一筹，但是因其价格原因，暂时不可能大范围应用，而电阻屏却比较大众化、比较实用些，因为大多数国人还是比较喜欢用手写输入的，且电阻屏基本不受环境影响，造价低廉，还不容易损害，虽然说屏幕容易产生划痕，但随便买张手机屏幕保护膜就能解决，所以电阻屏还是早期智能机的主流触屏材料，不过随着时间的推移，电容屏已经成为一个趋势，现在越来越多的智能手机向多点电容式触控技术方面发展。,4.2.1.2电容式传感器的结构类型,变极距型变面积型变介质型,按被测量所改变的电容器参数分类,角位移式线位移式,按被测位移分类,单一式差动式,按组成方式分类,平板电容（平行平面型）圆筒电容（平行曲面型）,按电容极板形状分类,4.2.2输入输出特性,4.2.2.1变极距型电容传感器,差动式变极距型电容传感器的差动电容公式为,单一的变极距型电容传感器的电容公式为,这种形式易于测量电路接口，而且成简单的比例关系。,4.2.2.2变面积型电容传感器,（1）线位移式变面积型,（2）角位移式变面积型,这两种不同的角位移式变面积型电容传感器差动式电容公式均为,4.2.2.3变介质型电容传感器,两种情况引起电容介质变化,一种介质，介电常数随湿度、温度变化。例如电容式温度传感器和湿度传感器。两种介质，两种介质的位置或厚度变化。例如电容式位移传感器、电容式厚度传感器和电容式物（液）位传感器。,电容式位移传感器,图24线位移式变介质型差动结构,差动式电容公式为,4.2.4电容式传感器接口电路,电容式传感器接口电路作用：将电容的变化转换为电压或频率。基本原则：尽可能使输出电压或频率与被测非电量导致的电容变化成线性关系。,比例运算法电路（分压式）交流电桥差动脉冲调宽电路二极管环形电桥,接口电路,4.2.4.1比例运算法电路,图426比例运算法测量电路（a）恒电流激励电路（适于单一的变极距型电容传感器）（b）恒电压激励电路（适于单一的变面积型和变介质型电容传感器）（C）差动电路（适于差动式变面积型电容器）,（a）恒电流激励电路,单一的变极距型电容传感器的电容公式为,输出电压与被测位移成线性关系。,（b）恒电压激励电路,单一的变面积型电容传感器,输出电压与被测位移成线性关系。,（C）差动电路（适于差动式变面积型电容器）,差动式电容公式为,图427两种交流电桥（a）电阻平衡臂交流电桥（b）变压器电桥,4.2.4.2交流电桥（重要）,差动式变极距型电容传感器的差动电容公式为,若阻抗为电容：,4.3电感式传感器,电感式传感器：一种利用磁路磁阻变化，引起传感器线圈的电感（自感或互感）变化来检测非电量的一种机电转换装置。主要特征：具有线圈绕组。优点：结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分辨力较高、稳定性好。缺点：频率响应低、不宜于快速动态测量。,种类,自感式传感器（有人习惯称为电感式传感器）互感式传感器（常称为差动变压器式传感器）电涡流式传感器压磁式传感器,本节内容4.3.1自感式传感器4.3.2互感式传感器4.3.3电涡流式传感器,4.3.1自感式传感器,图3-1单一式自感传感器1线圈，2铁心，3衔铁(a)变隙型；(b)变截面型；(c)螺管型,自感式传感器实质上是一个具有可变气隙的铁心线圈。,图32差动式自感传感器(a)变隙型；(b)变截面型；(c)螺管型,自感式传感器按磁路几何参数变化形式不同分类,变气隙型；变截面型；螺管型,按组成方式分类,单一式差动式,图3-1单一式自感传感器(a)变隙型；,为保证一定的测量范围和线性度，对变气隙型自感传感器，常取,图32差动式自感传感器(a)变隙型,衔铁向下移动,两线圈自感分别为,图3-1单一式自感传感器(b)变截面型；,图32差动式自感传感器(b)变截面型；,图3-1单一式自感传感器(c)螺管型；,图32差动式自感传感器(c)螺管型；,随着衔铁插入深度的不同，将引起线圈漏磁通路径中磁阻变化，从而使线圈的自感发生变化。,线圈长度线圈磁导率衔铁半径线圈半径,当衔铁处于中间位置时，两个电感相等。若衔铁偏离中间位置，令，则,三种类型的自传感器比较：变气隙型灵敏度最高，螺管型灵敏度最低；变气隙型的主要缺点是：非线性严重，为了限制非线性，示值范围只能较小；并且它的自由行程受铁心限制，制造装配困难。变面积型和螺管型的优点是：具有较好的线性，因而示值范围可取大一些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便。此外，螺管型与变面积型相比，批量生产中的互换性好。由于具备以上优点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，因此目前螺管型自传感器的应用越来越多。零件的互换性：是指从一批相同零件中任取一件，不经修配就能装配到机器或部件中，并满足产品的性能要求。零件具有互换性有利于组织协作和专业化生产，对保证产品质量，降低成本及方便装配、维修有重要意义。,基本原则：尽可能使得输出电压、电流或频率与被测非电量成线性关系。,电感式传感器的接口电路,1）变压器电桥2）带相敏整流的交流电桥3）差动电感脉冲调宽电路4）欧姆法测量电路,1）变压器电桥（回忆）,图427变压器电桥,图32差动式自感传感器(a)变隙型；,输出电压与被测位移成线性关系其它几种差动式电感传感器也适用,图3-1单一式自感传感器(a)变隙型；,输出电压与被测位移成非线性关系。差动式不仅可以消除非线性还使得灵敏度提高一倍。,4.3.2互感式传感器（差动变压器，重点）4.3.2.1工作原理与类型,组成：一次线圈、二次线圈、铁心、衔铁。工作原理：一次线圈接入交流激励电压，二次线圈感应产生输出电压。被测量使衔铁移动，引起一次、二次线圈间的互感变化，输出电压因而也相应变化。一般这种传感器的二次线圈有两个且按差动方式连接，故常称为差动变压器式传感器，简称差动变压器。,图436差动变压器及其等效电路,一次线圈的电流为,两个二次线圈的感应电压分别为,由于两个线圈按差动方式连接，因此，传感器开路输出电压为,传感器的输出阻抗为,差动变压器可等效为c图所示开路电压为，内阻为的电压源。,图37各种差动变压器的结构示意图(a)、(b)、(c)变气隙式；(d)、(e)变面积式；(f)螺管式,变气隙型，灵敏度高，但测量范围小，一般用于测量几微米到几百微米的位移；变面积型，可分辨零点几角秒以下的角位移，线性范围达；螺管型，可测量几纳米到1m的位移，但灵敏度稍低。,比较：,4.3.2.2输入输出特性,图38型铁芯变气隙型差动变压器,以型铁心的变气隙型差动变压器为例来推导差动变压器的输出特性。,设为线圈电流产生的磁通，为穿过线圈的部分，根据电工学中关于自感与互感的定义可知,线圈的自感线圈与线圈的互感,即互感与自感之比等于两线圈匝数之比。,设上对线圈的自感为，与之间的互感为,下对线圈的自感为，与之间的互感为,衔铁移动使变化，也将使得变化。由于两检测线圈按差动方式（反相串联）连接，故开路输出电压为,设上下两激励线圈的直流电阻分别为，激励电压为，则激励电流为,代入，有,设，将代入上式，得,激励线圈的品质因数,两个分量，为减少正交分量，应提高值。,输出电压幅值为,当激励频率过低，时，有,当激励频率增加到,图439灵敏度与激励频率的关系,注：当继续增加到超过某一数值时（视铁心材料而异），由于导线趋肤效应和铁损等影响而使灵敏度下降。通常选取合适的较高激励频率，以保持灵敏度不变。这样既可以放宽对激励频率稳定度的要求（当频率一定范围变化时，灵敏度不变），又可在一定激励电压条件下减小磁通和匝数，从而减小尺寸。,4.3.2.3接口电路,反串电路（结构简单，差动变压器本身就带有测量电路）桥路（缺点是灵敏度为反串电路的一半，优点是不再需要另外配置调零电路）,衔铁位于正中时，有可能输出电压不为零，因此可能需要调零电路。,当两桥臂电阻相等时，空载输出电压为（衔铁位于正中）,差动变压器的输出电压是调幅波，为了辨别衔铁的移动方向，需要进行解调，常用的调解电路有：,差动相敏检波电路差动整流电路（电流型，用于连接低阻抗负载场合;电压型，用于连接高阻抗负载场合）,图4311差动整流电路,全波电流输出型,半波电流输出型,全波电压输出型,半波电压输出型,4.3.3电涡流式传感器,电涡流式传感器是基于电涡流效应而工作的传感器。主要优点是可实现非接触式测量。,4.3.3.1电涡流效应,成块的金属置于激励线圈产生的交变磁场中，金属体内就要产生感应电流，这种电流的流线呈闭合曲线，类似水涡形状，故称之为电涡流。这种现象称为电涡流效应。,高频感应炉冶炼金属的原理（导体电阻小，电流很大）,图4312电涡流强度与X/P关系曲线,由公式和归一化曲线可以看出，电涡流强度正比于激励电流，并随的增加而急剧减小，因此利用电涡流传感器测量位移时，只在很小的范围（一般取）内能得到较好的线性度和较高的灵敏度。,由于趋肤效应的缘故，电涡流只能在金属导体靠近激励线圈一侧的表面薄层内形成，而且，电涡流强度随表面深度增加按照指数规律衰减。电涡流轴向渗透深度定义为电涡流强度减小到表面电涡流强度的处的表面厚度,式中，,金属导体的电阻率金属导体的磁导率励磁频率,电涡流的深度,中文名称：趋肤效应英文名称：skineffect其他名称：集肤效应定义：对于导体中的交流电流，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。随着电流频率的提高，趋肤效应使导体的电阻增大，电感减小。,电涡流的半径,图4313电涡流区的形成,因此被测金属导体的表面尺寸不应少于激励线圈外径的两倍。否则就不能全部利用所能产生的电涡流效应，致使灵敏度降低。,图4314电涡流的两种作用方式,电涡流的两种作用方式,激励线圈产生的交变磁场在金属导体表面形成涡流环，此涡流环所产生的磁场也必将反过来抵消激励磁场或者在另一侧线圈中感应新的电动势（当金属板很薄时）。,反射式电涡流传感器透射式电涡流传感器,4.3.3.2反射式涡流传感器,图4315反射式涡流传感器,变间隙型，变面积型，螺管型,按照传感器线圈与被测导体相对运动形式，像电感式传感器一样，用以测量位移的反射式涡流传感器可以分为,不是差动,短路套筒,螺管线圈,等效电路的电压平衡方程为（基尔霍夫定律）,解此方程组可求得传感器线圈的等效阻抗为,式中，,线圈的品质因数由无涡流时的，下降为,原理本质：,反射式涡流传感器的阻抗、电感和品质因数都是由等多参数决定的多元函数。若只改变其中的一个参数，其余参数保持不变，反射式涡流传感器便成为测定这个可变参数的传感器。其应用大致有四个方面：P86。,金属导体的电阻率金属导体的磁导率距离线圈的激励频率,1）利用位移作为变量，可以测量位移、厚度、振动、转速等；也可以做成接近开关、计数器等。2）利用作为变量，可以测量温度、判别材质；3）利用作为变量，可以测量应力、硬度等；4）利用变量等综合影响，可以将涡流传感器装在机场、海关、钱币厂、监狱等重要场所的安全通道，有效的探测出枪支、匕首等金属武器及其他大件金属物品。还可以检查金属表面（已涂防锈漆）的裂纹以及焊接处的缺陷等。,如被测物体为非导电物体，只要在被测物体靠近传感器线圈一侧表面上贴一块面积足够大的金属片即可。,4.3.3.3透射式涡流传感器,金属板厚度涡流贯穿深度比例常数,发射线圈,接收线圈,被测金属板,原理本质：,感应电压与厚度及频率的关系,较小时，曲线斜率较大；较大时，曲线斜率较大。因此，从灵敏度高考虑，测薄板时应选较高的激励频率，测厚板时应选较低的激励频率。,4.3.3.4测量电路,被测参数变化可引起线圈的变化，所以，反射式涡流传感器可以选择中任意一个参数构成测量电路，不过目前较多的方案还是用电感的变化组成测量电路，这也是把涡流传感器归入电感式传感器的原因。,电桥电路,图4318差动式涡流传感器和电桥电路,超精密电涡流位移传感器,电涡流缓速器是一种汽车辅助制动装置，俗称电刹。,该装置安装在汽车驱动桥与变速箱之间，通过电磁感应原理实现无接触制动。它是一种辅助制动系统，是制动系统的一个必要补充，但不能取代主制动系统。电涡流缓速器一般由定子、转子及固定支架组成。缓速器工作时，定子线圈内通电产生磁场，而转子随传动轴一起旋转。转子切割定子产生的磁力线，从而在转子盘内部产生涡旋状的感应电流。这样，定子就会向转子施加一个阻碍转子旋转的电磁力，从而产生制动力矩。同时，涡流在具有一定电阻的转子盘内部流通，由于电阻的热效应会把电能转化为热能，这样，车辆行驶的动能就通过电磁感应和电阻发热最终转化为热能散发。,电涡流缓速器一般用于重型汽车和汽车列车。它具有制动强度较大，且易控制的特点。,安装电涡流缓速器可以提高车辆的安全性、经济性、环保性、稳定性和舒适性，具体地，其在安全性、经济性和环保性方面的优越性表现如下：1.安全性(1)能够承负汽车运行中绝大部分制动负荷，使车轮制动器温升大为降低以确保车轮制动器处于良好工作状态，进而缓解或避免车辆跑偏、传统刹车失灵和爆胎等安全隐患。(2)能够在一个相当宽的转速范围内提供强劲的制动力矩，而且低速性能良好。车速在10公里/小时的时候，缓速器就能提供缓速制动；车速达到20公里/小时，缓速器就能达到最大的制动力矩。(3)是一个相对独立的反应灵敏的辅助制动系统，它的转子与传动轴紧固在一起，任何时候都能按司机的意愿提供制动力矩，因而它的性能优于发动机排气制动。(4)采用电流直接驱动，无中间环节，其操纵响应时间非常短，仅40毫秒，比液力缓速器响应时间快20倍。2.经济性(1)由于电涡流缓速器的定子和转子之间没有接触，不存在磨损，因而故障率极低，平时除了做好例行检查，保持清洁以外，其他工作很少，所以维修费用极低。（2）由于电涡流缓速器能够承担车辆大部份制动力矩，因而能够延长轮制动器的使用寿命，降低用于车辆制动系统的维修费用，提高经济效益。据统计，安装电涡流缓速器的车辆，其车轮制动器寿命至少可以延长4-7倍，轮胎寿命延长20%。3.环保性制动片在摩擦过程中会产生很多粉尘，粉尘中含有