传器【人大精品课件】

1、 绪绪 论论 一、传感器的作用一、传感器的作用 （一）传感器在国民经济中的地位（一）传感器在国民经济中的地位 （二二）现代仪器仪表系统的基本结构与组成现代仪器仪表系统的基本结构与组成 仪器仪表测量系统的结构图仪器仪表测量系统的结构图 传感器举例传感器举例（1 1）弹簧秤）弹簧秤 （2 2）水银温度计）水银温度计 （3 3）热敏电阻）热敏电阻 (4）磁电式传感器磁电式传感器 对于不同的被测物理量要采用不同的传感器。对于不同的被测物理量要采用不同的传感器。传感器传感器信号调理信号调理数据显示和记录数据显示和记录被测对象被测对象观察者观察者（三）现代传感器的作用和主要应用领域（三）现代传感器的作用和

2、主要应用领域 1、传感器的作用、传感器的作用 信息采集系统的首要部件信息采集系统的首要部件 实现测量和自动控制的主要环节实现测量和自动控制的主要环节 信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础 2、主要应用领域举例、主要应用领域举例 传感器在工业生产中的作用传感器在工业生产中的作用 自动化生产中用于过程参数的监测和控制自动化生产中用于过程参数的监测和控制 例例1 1 化工产品自动生产过程控制化工产品自动生产过程控制 进料进料 称重、成分或浓度传感器称重、成分或浓度传感器 原料反应容器原料反应容器 测定容器中的压力、液位等传感器测定容器中的压力、液位等传感器 半

3、成品传输管道半成品传输管道 传输速度或流量传感器传输速度或流量传感器 管道上执行机构管道上执行机构 压力或压强检测传感器压力或压强检测传感器 成品自动分装成品自动分装 称重传感器称重传感器 例例2 2 蒸汽加热器的出口温度控制蒸汽加热器的出口温度控制 传感器在科学研究中的作用传感器在科学研究中的作用 例例1、以现代飞行器为例、以现代飞行器为例 “阿波罗阿波罗10” 所用传感器所用传感器 运载火箭部分：运载火箭部分：2077个个 ；宇宙飞船部分：；宇宙飞船部分：1218个个 传感器传感器神舟七号飞船的神经系统神舟七号飞船的神经系统 研究人员为研究人员为“神舟神舟”系列飞船研制、配套生产了几十种传

4、感系列飞船研制、配套生产了几十种传感 器。从航天员手腕到飞船的轨道舱、推进舱、返回舱的各个舱器。从航天员手腕到飞船的轨道舱、推进舱、返回舱的各个舱 段上，传感器遍布段上，传感器遍布“神舟七号神舟七号”飞船。有控制航天员生活环境的飞船。有控制航天员生活环境的 传感器，有环境测量用的传感器传感器，有环境测量用的传感器,有航天员生理监测用的传感器，有航天员生理监测用的传感器， 还有航天员舱外服使用的环境监测和生理指标监测用的传感器。还有航天员舱外服使用的环境监测和生理指标监测用的传感器。 例例2：显微镜的发明对生物科学的影响：显微镜的发明对生物科学的影响 人眼只能看清大小为人眼只能看清大小为0.10

5、.2mm的东西；的东西； 十六世纪出现了光学显微镜，分辨力可达十六世纪出现了光学显微镜，分辨力可达2000埃埃 (1埃=10-7 mm) ，人类发现了构成生物基础的细胞；，人类发现了构成生物基础的细胞； 二十世纪三十年代出现了电子显微镜，分辨率高达二十世纪三十年代出现了电子显微镜，分辨率高达 23埃，可观察细胞内的超微结构，清晰辨别出细胞膜埃，可观察细胞内的超微结构，清晰辨别出细胞膜 的结构。的结构。 传感器在现代化战争中的作用传感器在现代化战争中的作用 例：两次伊拉克战争为例例：两次伊拉克战争为例 1991年海湾战争年海湾战争 美国使用的精密制导炸弹和导弹占美国使用的精密制导炸弹和导弹占 8

6、% 2003年伊拉克战争年伊拉克战争 精密制导炸弹和导弹的使用率提高到精密制导炸弹和导弹的使用率提高到90%以上以上二二 . .传感器的定义和组成传感器的定义和组成 1.1.什么是传感器？什么是传感器？ 2.2.传感器包含的四层含义传感器包含的四层含义 3.3.传感器的组成传感器的组成 传感器一般由传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路敏感元件、转换元件、基本转换电路 三部分组成。三部分组成。 （1 1） 敏感元件敏感元件- - 直接感受被测量，并输出与被测量成直接感受被测量，并输出与被测量成 确定关系的某一物理量的元件。确定关系的某一物理量的元件。 （2 2） 转换元件转换元件-它把敏

7、感元件的输出转换成电路参数它把敏感元件的输出转换成电路参数 （3 3） 转换电路转换电路-有时转换电路也纳入信号调理部分，有时转换电路也纳入信号调理部分， 它将电路参量（电阻、电感、电容等）转换成电量它将电路参量（电阻、电感、电容等）转换成电量 输出。输出。三三、传感器的分类及对它的一般要求三、传感器的分类及对它的一般要求（一）分类（一）分类 1、 按传感器的工作机理划分按传感器的工作机理划分 2、按构成原理划分、按构成原理划分 3、根据传感器的能量转换情况划分、根据传感器的能量转换情况划分 4、按照物理原理划分、按照物理原理划分 5、按照传感器的用途划分、按照传感器的用途划分（二）一般要求（

8、二）一般要求 静态精度、动态性能、灵敏度、分辨力、量程等。静态精度、动态性能、灵敏度、分辨力、量程等。四四.传感器技术的发展现状和展望传感器技术的发展现状和展望 1、扩展检测范围，提高检测性能、扩展检测范围，提高检测性能 包括检测参数的包括检测参数的种类种类以及以及检测范围检测范围 2、高新技术和最新科技成果的大量采用、高新技术和最新科技成果的大量采用 新技术包括：新技术包括：计算机技术、激光技术、微纳米技术、计算机技术、激光技术、微纳米技术、 网络技术和传感技术等；网络技术和传感技术等； 新理论成果：新理论成果：信息论、控制论、系统工程论等；信息论、控制论、系统工程论等； 新工艺技术：新工艺

9、技术：微机电技术、光学椭偏技术、光纤微机电技术、光学椭偏技术、光纤 技术及近场光学技术等；技术及近场光学技术等； 新材料应用：新材料应用：半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料和智能材料；半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料和智能材料； 3、传感器的集成化、功能化、传感器的集成化、功能化 集成化：集成化：其一是实现传感器一体化其一是实现传感器一体化 其二是构成二维或三维传感器其二是构成二维或三维传感器 功能化功能化：使传感器具有理解、分析、判断、控制等多种功能。使传感器具有理解、分析、判断、控制等多种功能。4、传感器工作方式的立体化、系统化和网络化、传感器工作方式的立体化、系统化和网络化 使单个传感

10、器能同时处理一维、二维和三维的信息；使单个传感器能同时处理一维、二维和三维的信息； 将传感器进行空间配置，通过计算机和数据传输技术，对将传感器进行空间配置，通过计算机和数据传输技术，对 大型工业装置和工业控制过程实施立体化网络化监测。大型工业装置和工业控制过程实施立体化网络化监测。 5.5.便携式和具有个性化的传感器的发展便携式和具有个性化的传感器的发展 使传感器体现出便携性、灵活性和个性化的特点。使传感器体现出便携性、灵活性和个性化的特点。 6.6.我国传感器的差距我国传感器的差距 可靠性差；可靠性差； 性能落后；性能落后； 自动化程度低；自动化程度低； 更新周期慢更新周期慢五五. .本课程

11、的特点和任务本课程的特点和任务 教学目的及要求教学目的及要求1. 本课程作为测试技术与仪器专业的专业核心课，旨在为学生掌握测本课程作为测试技术与仪器专业的专业核心课，旨在为学生掌握测控仪器控仪器 及测控系统的设计和应用知识打下基础。及测控系统的设计和应用知识打下基础。2. 本课程主要讲述几何量、机械量以及其他相关量的检测中所选用的本课程主要讲述几何量、机械量以及其他相关量的检测中所选用的传感器的基本原理、性能及工程设计方法，同时还将介绍部分新型传传感器的基本原理、性能及工程设计方法，同时还将介绍部分新型传感器的知识。要求学生通过学习掌握传感器设计的基本方法和思路，感器的知识。要求学生通过学习掌

12、握传感器设计的基本方法和思路，并具有正确选用传感器的能力，了解传感器的发展方向，增强学生开并具有正确选用传感器的能力，了解传感器的发展方向，增强学生开发新型传感器的能力。发新型传感器的能力。3. 所需前修课程为：高等数学、普通物理、电路分析基础、模电、数所需前修课程为：高等数学、普通物理、电路分析基础、模电、数电基础。电基础。(b)(c)(2)(2)常用的拟和方法常用的拟和方法五、分辨力与阈值五、分辨力与阈值 分辨力分辨力 - 是指传感器能检测到的输出量变化的最小是指传感器能检测到的输出量变化的最小 输入增量。输入增量。 阈阈 值值- 是指当输入量变小到某一值时，传感器不是指当输入量变小到某一

13、值时，传感器不 能检测到输出量的变化能检测到输出量的变化 ,这时的输入量称这时的输入量称 为传感器的阈值。即传感器输入零点附近为传感器的阈值。即传感器输入零点附近 的分辨力。的分辨力。两个概念两个概念 分辨力说明传感器可测出的最小输入增量；分辨力说明传感器可测出的最小输入增量； 的区别的区别 而阈值则说明了传感器最小可测出的输入量。而阈值则说明了传感器最小可测出的输入量。 九、静态测量不确定度九、静态测量不确定度1、定义、定义静态测量不确定度（即静态误差）是指静态测量不确定度（即静态误差）是指 传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值 的可能偏离程度

14、。的可能偏离程度。2、标准差计算方法、标准差计算方法 各测试点的残差；各测试点的残差； 测试点数。测试点数。 3、静态误差、静态误差niiyn12)(11iyn%100)3(fsy2222srhl 动特性动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。总的来说，它取决于传感器本身，但另一方面它特性。总的来说，它取决于传感器本身，但另一方面它也与被测量的变化形式有关。也与被测量的变化形式有关。 就传感器本身而言，它一般由若干环节组成。我们把就传感器本身而言，它一般由若干环节组成。我们把传感器的组成环节分为以下三类：传感器的组成环节分为以下三类：（1）接触式环节

15、）接触式环节 （2）模拟环节）模拟环节 （3）数字环节）数字环节 就被测量的变化形式来讲，可分为以下几类：就被测量的变化形式来讲，可分为以下几类： 第二节第二节 传感器的动特性传感器的动特性动态测量输入信号可分类如下：动态测量输入信号可分类如下： 传感器的传感器的“标准标准”输入有三种：正弦输入；阶跃输入输入有三种：正弦输入；阶跃输入和线性输入，经常使用的是前两种。和线性输入，经常使用的是前两种。一、数学模型与传递函数一、数学模型与传递函数 用线性微分方程式表示的数学模型用线性微分方程式表示的数学模型 初始条件为零的条件下所得的传递函数为初始条件为零的条件下所得的传递函数为xbdtdxbdtx

16、dbyadtdyadtydammmnnn0101 0101)()()(asasabsbsbswsxsynnmm 传感器的传递函数具备三个重要特征传感器的传递函数具备三个重要特征二、频率特性二、频率特性)sin()sin( )()(arctan)( )()()( )( , )( , )()()( )(002221)(21tkatbxkeypqqpakjwkjwkkeajqpkejkkjwjjj示为输入与输出的关系可表相频特性为幅频特性为的幅值和相角分别为的实部和虚部分别为 第三节第三节 传感器的标定传感器的标定 概述概述1、什么是传感器的标定？、什么是传感器的标定？2、传感器标定有哪两层含义？、

17、传感器标定有哪两层含义？3、为什么传感器要进行标定？（标定的目的）、为什么传感器要进行标定？（标定的目的）4、标定的基本方法？、标定的基本方法？5、绝对法标定系统和比较法标定系统？、绝对法标定系统和比较法标定系统？4 4、标定的基本方法、标定的基本方法 标定的基本方法是利用一种标准装置产生的已知标定的基本方法是利用一种标准装置产生的已知 非电量（如标准力、压力、位移等）作为输入量，非电量（如标准力、压力、位移等）作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量；输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量；对所获得的传感器的输入量和输出量进行处理和对所获得的传感器的输入量和输出量进行处理和

18、比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。换换句话讲，根据试验数据确定传感器的各项性能指句话讲，根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也就是确定传感器的测量精度。标，实际上也就是确定传感器的测量精度。5、绝对法标定系统和比较法标定系统、绝对法标定系统和比较法标定系统绝对法标定系统绝对法标定系统比较法标定系统比较法标定系统一、传感器静特性的标定方法一、传感器静特性的标定方法1 1、建立静态标定的环境条件、建立静态标定的环境条件2 2、静态标定的技术指标、静态标定的技术指

19、标 线性度、迟滞性、重复性、灵敏度等线性度、迟滞性、重复性、灵敏度等3 3、静态标定的步骤、静态标定的步骤 二、传感器动特性的实验确定法二、传感器动特性的实验确定法常见方法常见方法 ：阶跃信号响应法：阶跃信号响应法 正弦信号响应法正弦信号响应法 随机信号响应法随机信号响应法 脉冲信号响应法脉冲信号响应法（一）阶跃信号响应法（一）阶跃信号响应法1)()()()()() 1(0001001sksxsyswskxsysxabydtdyaaxbyadtdya1.一阶传感器一阶传感器 时间常数时间常数 的确定的确定当输入当输入x是幅值为是幅值为a的阶跃函数时，可以解得的阶跃函数时，可以解得 0001 )

20、1 ()(abkkaaekatyt静态灵敏度，时间常数式中 不考虑瞬态响应的全过程，在测得的传感器阶跃响应曲线上，取不考虑瞬态响应的全过程，在测得的传感器阶跃响应曲线上，取输出值达到其稳态值的输出值达到其稳态值的63.2%处所经过的时间即为其时间常数。处所经过的时间即为其时间常数。kaka63. 01s234kakaekatytekatyt632. 0 )368. 01 ( )1 ()( )1 ()(1时式中考虑瞬态响应的全过程有：考虑瞬态响应的全过程有：)(1ln )(1katyztzekatyt令根据测得的输出信号根据测得的输出信号 做出做出 曲线，则曲线，则 )(tytz zt 如图为无

21、杠杆传动如图为无杠杆传动的电接触式传感器的电接触式传感器检测圆工件示意图检测圆工件示意图3 测杆测杆 2 螺旋螺旋 弹簧弹簧 1 平行片簧平行片簧 4 工件工件一个圆形工件基本一个圆形工件基本 粗磨粗磨 精磨精磨 停止加工停止加工的磨加工过程：的磨加工过程：ymmgfftfmaf 21)( 则：由：通过受力分析通过受力分析可求得：可求得：)()21 (020meffc结论：一般情况下，工作频率结论：一般情况下，工作频率 不可超过不可超过 ，若超，若超 过，测杆将脱离工件，产生动态误差。过，测杆将脱离工件，产生动态误差。cff如图为具有传动杠如图为具有传动杠杆的接触式传感器杆的接触式传感器测量圆

22、工件示意图测量圆工件示意图如图为采用抬头机如图为采用抬头机构的接触式传感器构的接触式传感器测量工件示意图测量工件示意图测杆振荡曲线如下：测杆振荡曲线如下：2.强制送入测位的情况强制送入测位的情况 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器2-1 应变式传感器应变式传感器一一 . 工作原理工作原理 （一）金属电阻应变效应（一）金属电阻应变效应 )(21 )2(1 2 2 )( 00lllrkkllllrrllllrrllrrllrrssllrr应变效应的表达式：（二）应变片的基本结构及测量原理（二）应变片的基本结构及测量原理 1. 应变片的结构应变片的结构 2. 测量原理测量原理 （1）测受力应变）

23、测受力应变 测量时，应变片直接粘贴在被测对象表面。测量时，应变片直接粘贴在被测对象表面。 应力与应变的关系：应力与应变的关系： （2）测量力、位移、加速度等参数）测量力、位移、加速度等参数 测量时，应变片粘贴在弹性元件上，通过弹性敏感元件，测量时，应变片粘贴在弹性元件上，通过弹性敏感元件， 将测量参数的变化转换为应变，而应变引起的阻值变化再通过将测量参数的变化转换为应变，而应变引起的阻值变化再通过 转换电路转换为相应的电压或电流变化。转换电路转换为相应的电压或电流变化。 3. 特点特点e（二）直流电桥的非线性误差（二）直流电桥的非线性误差 电桥实际输出特性与理想的线性特性之间的电桥实际输出特性

24、与理想的线性特性之间的 偏差，即为电桥输出的非线性误差。偏差，即为电桥输出的非线性误差。1.非线性误差非线性误差 的计算的计算lurrrrrrrrurrururrrurrrururrrrrrrr21141 )2(1221221 , 11111121243401114321以单臂电桥为例，设等臂工作条件下的实际输出为以单臂电桥为例，设等臂工作条件下的实际输出为 ： 0u则非线性误差应为：则非线性误差应为：% 1002 % 1002121 % 1004121114141 % 1001111111000rrrrrrurrrrrrurruuul设理想的线性输出为设理想的线性输出为 :0u)111( 4

25、13210 xxxxurru% 1002 1rrl2. 减小非线性误差的措施减小非线性误差的措施 （1）采用差动电桥（参考）采用差动电桥（参考p29） （2）采用恒流源电桥（参考）采用恒流源电桥（参考p30）恒流源电桥如图所示：恒流源电桥如图所示：0 , 00432143213241321101urrrrrirrrrrrrrririuurab电桥初始处于平衡状态当时当ab恒流源电桥如图所示：恒流源电桥如图所示：ab)4(141 4)(, 201rrrirrrrrrurrr时当恒压源电桥的输出：恒压源电桥的输出：)2(11410rrrruu 两者相比，恒流源输出电压的分母中两者相比，恒流源输出电

26、压的分母中 被被 除，除，所以非线性误差减小所以非线性误差减小1/2。rr4五五. 温度误差及其补偿温度误差及其补偿（一）温度误差（一）温度误差 1. 应变片的温度误差应变片的温度误差 2 . 产生原因产生原因（二）温度补偿（二）温度补偿 1. 自补偿法自补偿法 单丝自补偿法单丝自补偿法 组合式自补偿法组合式自补偿法2. 线路补偿法线路补偿法 （1）补偿原理）补偿原理 电桥电路中相邻两臂同时产生大小相等，符号电桥电路中相邻两臂同时产生大小相等，符号相同的电阻增量时，其电桥的输出不会改变相同的电阻增量时，其电桥的输出不会改变。 （2）补偿方法）补偿方法 采用补偿应变片采用补偿应变片 采用差动半桥

27、、全桥电路采用差动半桥、全桥电路 采用负温度系数的热敏电阻采用负温度系数的热敏电阻 （二）应变式压力传感器（二）应变式压力传感器 1. 膜片式压力传感器膜片式压力传感器)(1 (83)3)(1 (8322222222xrehpxrehptr（2 2）膜片内任意一点的应变值计算式：膜片内任意一点的应变值计算式： （3）由应力分布规律可找出贴片方法：）由应力分布规律可找出贴片方法：一般在圆心处沿一般在圆心处沿 切向贴两片（产生最大正应变），在边缘处沿径向贴两片切向贴两片（产生最大正应变），在边缘处沿径向贴两片 （产生最大负应变），组成四臂差动电桥，以提高灵敏度和（产生最大负应变），组成四臂差动电桥

28、，以提高灵敏度和 进行温度补偿。进行温度补偿。 （1 1）膜片上各点的径向应力和切向应力计算式：膜片上各点的径向应力和切向应力计算式： )31 ()1(83)3()1(83222222xrhpxrhptr（4 4）应变分布分析：应变分布分析： 膜片中心处的应变（膜片中心处的应变（ ） 0 x222183rehptr（正向最大）（正向最大）膜片边缘处的应变（膜片边缘处的应变（ ）rx 0 , 31430222rrtrxrehp（负向最大）（负向最大） 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 2-2 压阻式传感器压阻式传感器一一 .基本工作原理基本工作原理 （一）简述（一）简述 （二）压阻效应（二）

29、压阻效应 1 1 定义定义所谓半导体的压阻效应是指单晶半导体材料在所谓半导体的压阻效应是指单晶半导体材料在 沿某一轴向受力作用时，其电阻率沿某一轴向受力作用时，其电阻率 随之发生随之发生 变化。变化。 2 2 工作原理工作原理elellellerrllrr)21 ( 应变灵敏度系数：应变灵敏度系数： 由于半导体是各向异性材料，因此它的压阻系数不由于半导体是各向异性材料，因此它的压阻系数不 仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，而且还与晶向仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，而且还与晶向 有关。有关。 elerrk0 应变灵敏度系数：应变灵敏度系数：elerrk03 压阻效应的产生压阻效应的产生 （1

30、）机理）机理 （2）晶向及表示方法：截距表示法；）晶向及表示方法：截距表示法； 法线表示法法线表示法 （3 3）压阻系数的求法）压阻系数的求法 的定义的定义 的矩阵表示法的矩阵表示法 单晶硅的压阻系数计算单晶硅的压阻系数计算： ijeellrrij 压阻系数的矩阵表示法压阻系数的矩阵表示法 单晶硅压阻系数矩阵单晶硅压阻系数矩阵 4. 4.半导体应变片的特点半导体应变片的特点 （1 1）应变片系数远大于金属丝应变片。前者可达）应变片系数远大于金属丝应变片。前者可达 5050 100 , 100 , 后者后者1.71.73.63.6； （2 2）最大缺点：温度影响）最大缺点：温度影响及非线性及非线

31、性大，安装困难。大，安装困难。二二 . .温度误差及其补偿温度误差及其补偿 1 1、产生原因、产生原因 零位漂移零位漂移压阻式传感器中，压阻式传感器中，四个四个扩散电阻的扩散电阻的 阻值及其阻值及其温度系数温度系数不一致不一致，电阻值随温度变化而变化，电阻值随温度变化而变化， 引起传感器的零位漂移。引起传感器的零位漂移。 灵敏度漂移灵敏度漂移由于压阻系数随温度变化而引起。由于压阻系数随温度变化而引起。 当温度升高时，压阻系数变小，传感器的灵敏度要降当温度升高时，压阻系数变小，传感器的灵敏度要降 低；反之，灵敏度将升高。低；反之，灵敏度将升高。 2 2、补偿措施、补偿措施2、补偿措施、补偿措施（

32、1）采用串、并联电阻的方法，可对零位温漂）采用串、并联电阻的方法，可对零位温漂进行补偿。进行补偿。（2）在电桥的电源回路中串联二极管）在电桥的电源回路中串联二极管vd可补偿可补偿灵敏度温漂。灵敏度温漂。 （二）压阻式压力传感器（二）压阻式压力传感器 1、硅集成微型压力传感器、硅集成微型压力传感器 微机电系统（也称微机械）是微机电系统（也称微机械）是20世纪末新兴的世纪末新兴的 “微、纳米级的制造微、纳米级的制造”技术领域。它是采用与半导技术领域。它是采用与半导体体 集成电路相似的批处理工艺制造的，尺寸在微米到集成电路相似的批处理工艺制造的，尺寸在微米到 毫米之间，含有可活动的机械元件或特定机械

33、结构毫米之间，含有可活动的机械元件或特定机械结构 的微器件或微系统；多以微型传感器或微型制动器的微器件或微系统；多以微型传感器或微型制动器 的形式出现，并和处理电路相连。完整的微机电系的形式出现，并和处理电路相连。完整的微机电系 统还可能包含能源、通信等其他功能模块。统还可能包含能源、通信等其他功能模块。微机电系统微机电系统 )( memssystemmechanicalelectromicro 压阻式压力传感器用于流体压力、差压、液位等压阻式压力传感器用于流体压力、差压、液位等的测量。在生物学上可测量血管内压、颅内压等参数的测量。在生物学上可测量血管内压、颅内压等参数.2、x型硅压力传感器型

34、硅压力传感器第三章第三章 电感式传感器电感式传感器概述概述 1、什么是电感传感器？、什么是电感传感器？2、电感传感器的特点、电感传感器的特点 第一节第一节 工作原理工作原理 一、自感式传感器的工作原理一、自感式传感器的工作原理 （一）组成结构（一）组成结构 线圈、铁心和衔铁线圈、铁心和衔铁 （二）工作原理（二）工作原理2 )(2)(2)( 02002snlssslrrrrnliiifmm（三）类型（三）类型 1、变气隙型电感传感器、变气隙型电感传感器 2、变截面型电感传感器、变截面型电感传感器 3、螺管型电感传感器、螺管型电感传感器（四）三种传感器的性能比较（四）三种传感器的性能比较二、差动变

35、压器的工作原理二、差动变压器的工作原理 （互感式传感器（互感式传感器) （一）组成结构（一）组成结构 一次线圈、二次线圈、磁心和线圈框一次线圈、二次线圈、磁心和线圈框 （二）工作原理（二）工作原理 传感器工作时，被测量的变化将使磁心位移，而传感器工作时，被测量的变化将使磁心位移，而磁心位移将引起磁链和互感变化，最终使输出电压磁心位移将引起磁链和互感变化，最终使输出电压变化。变化。)/()( , 11011111111212212112ljrumjeuljruieijdtideiiiddmndtidmdtdetjmtjm又设 差动变压器等效电路及输出特性差动变压器等效电路及输出特性 第三节第三节

36、 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度一、自感传感器的转换电路和灵敏度一、自感传感器的转换电路和灵敏度 转换电路转换电路 （一）变压器电桥（一）变压器电桥 （二）带相敏整流的交流电桥（二）带相敏整流的交流电桥+-+-iiuuu0002zz2zz0当活动铁芯处于初始平衡状态时当活动铁芯处于初始平衡状态时当活动铁芯向当活动铁芯向线圈线圈1方向方向移动时移动时（d点电位高于点电位高于c点）点）当活动铁芯向当活动铁芯向线圈线圈2方向方向移动时移动时（d点电位低于点电位低于c点）点）结论：结论：不论电源电压的极性如何变化，传感器经相敏不论电源电压的极性如何变化，传感器经相敏整流后的输出信号极性只

37、随其整流后的输出信号极性只随其被测被测输入输入量量极性改变，极性改变，即传感器输出采用带相敏整流的交流电桥后，得到的即传感器输出采用带相敏整流的交流电桥后，得到的输出特性既能反映位移的大小，又能反映位移的方向。输出特性既能反映位移的大小，又能反映位移的方向。（假设输出参考方向取（假设输出参考方向取d c的方向）的方向）差动式电感测厚仪差动式电感测厚仪（三）谐振式调幅电路（三）谐振式调幅电路（四）调频电路（四）调频电路（五）调相电路（五）调相电路自感传感器的灵敏度自感传感器的灵敏度结构灵敏度结构灵敏度 转换电路灵敏度转换电路灵敏度 总灵敏度总灵敏度tkckxukkkctz0 （三）谐振式调幅电路

38、（三）谐振式调幅电路 （四）调频电路（四）调频电路 （五）调相电路（五）调相电路0u二、差动变压器的转换电路二、差动变压器的转换电路 （一）反串电路（一）反串电路 （二）桥路（二）桥路 （三）差动整流电路（三）差动整流电路 1、常用两种形式、常用两种形式 电流输出型电流输出型 电压输出型电压输出型 2、工作原理：分析、工作原理：分析“全波电压输出电路全波电压输出电路” 全波电压输出差动整流电路电路全波电压输出差动整流电路电路工作原理：工作原理： 如图所示，无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如如图所示，无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电阻何，流经电阻r的电流总是从的电流总是从a到到b

39、, 或从或从d到到c.工作原理：工作原理： 如图所示，无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如如图所示，无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电阻何，流经电阻r的电流总是从的电流总是从a到到b, 或从或从d到到c. 假设假设 点为点为“+” 点为点为“-”，则电流路径是，则电流路径是fefgdche 假设假设 点为点为“-” 点为点为“+”，则电流路径是，则电流路径是feehdcgf同理，可分析另一个次级线圈的情况。同理，可分析另一个次级线圈的情况。输出电压波形如下：输出电压波形如下：磁心下移，磁心下移， 则则磁心在零位，磁心在零位，则则磁心上移，磁心上移，则则dcabeedcabee 0)

40、(cdabsceeudcabee0)(cdabsceeu0)(cdabsceeu 一、工作原理一、工作原理 1、什么是电涡流？、什么是电涡流？ 当金属导体置于变化着的磁场中或者在磁场当金属导体置于变化着的磁场中或者在磁场 中运动时，在金属导体内部会产生感应电流，中运动时，在金属导体内部会产生感应电流， 由于这种电流在导体内是自行闭合的，因此称由于这种电流在导体内是自行闭合的，因此称 之为电涡流或涡流。之为电涡流或涡流。 2、产生涡流的两个条件、产生涡流的两个条件 存在交变磁场；存在交变磁场； 导体处在交变磁场中或在磁场中作切割磁力线导体处在交变磁场中或在磁场中作切割磁力线 运动。运动。 第五节

41、第五节 涡流传感器及其应用涡流传感器及其应用,fz 式中：式中： -涡流线圈的等效阻抗涡流线圈的等效阻抗 -金属导体的电阻率金属导体的电阻率 -金属导体的磁导率金属导体的磁导率 - 激磁电流的频率激磁电流的频率z3. 等效电路分析等效电路分析 3. 等效电路分析等效电路分析 由等效电路列写电压方程式由等效电路列写电压方程式 可得：可得：线圈的等效电感：线圈的等效电感： 线圈的等效电阻线圈的等效电阻222222221lrmlll222222221lrmrrr 222222221222222221lrmlljlrmrrz等效阻抗等效阻抗 * 注意注意 当金属导体为磁性材料时，当金属导体为磁性材料时

42、， 增大；增大； 当金属导体为非磁性材料时，当金属导体为非磁性材料时， 减小；减小； 等效电阻的变化与材料性质无关，它始终是增加的。等效电阻的变化与材料性质无关，它始终是增加的。 4. 4. 高频反射式和低频透射式涡流传感器高频反射式和低频透射式涡流传感器 （1）高频反射式涡流传感器：）高频反射式涡流传感器： 它是指涡流只存在于金属导体的表面薄层内。它是指涡流只存在于金属导体的表面薄层内。 金属导体内产生的涡流所建立起来的反磁场以及涡流金属导体内产生的涡流所建立起来的反磁场以及涡流 要损耗一部分能量，其结果是使原激励线圈的阻抗改要损耗一部分能量，其结果是使原激励线圈的阻抗改 变。这种情况下，变

43、。这种情况下， 激励电流的频率达到激励电流的频率达到兆赫以上兆赫以上， 这种传感器通常用来测量位移、振动等物理量。这种传感器通常用来测量位移、振动等物理量。ll（2 2） 低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 1. 1. 涡流式传感器的特点涡流式传感器的特点 涡流式传感器结构简单，使用方便，易于进行涡流式传感器结构简单，使用方便，易于进行 非接触的连续测量，灵敏较高，适用性强，因此非接触的连续测量，灵敏较高，适用性强，因此 得到广泛应用。得到广泛应用。 二、涡流传感器的应用二、涡流传感器的应用 涡流式传感器的被测量可以是位移涡流式传感器的被测量可以是位移 ，也可以是，也可以是被测材料的性质

44、（被测材料的性质（ 或或 ），其应用大致有），其应用大致有下列四个下列四个方面：方面： （1 1）利用位移）利用位移 作为变换量，可以做成测量位移作为变换量，可以做成测量位移厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可以做成接近厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可以做成接近开关、计数器等；开关、计数器等； （2 2）利用）利用 作为变换量，可以做成测量温度、材作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等传感器；质判别等传感器； （3）利用）利用 作为变换量，可以做成测量应力、作为变换量，可以做成测量应力、 硬度等传感器；硬度等传感器； （4）利用）利用 等综合影响，可以做成探伤等综合影响，可以做成探伤 装

45、置等。装置等。 ,2. 涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用3. 涡流传感器应用举例涡流传感器应用举例习题习题1 1（提示：涡流渗透深度计算公式为：（提示：涡流渗透深度计算公式为： ）) ( 3 .50mmfhr习题习题2 2 分析变气隙式电感传感器的灵敏度和非线性的表达分析变气隙式电感传感器的灵敏度和非线性的表达式。当组成差动形式后，该传感器的性能有何改善？式。当组成差动形式后，该传感器的性能有何改善？（用推导结果说明）（用推导结果说明） 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。同物理量的变化

46、转换为电容量的变化。 一、工作原理一、工作原理s二、类型二、类型 忽略边缘效应，一平板电容器的电容可表达为：忽略边缘效应，一平板电容器的电容可表达为： 显然，决定显然，决定c值大小有三个因素值大小有三个因素: 改变改变 、 或或 任何一个任何一个参数都能引起电容参数都能引起电容c值的变化。值的变化。 电容传感器的类型：变电容传感器的类型：变 型、变型、变 型、变型、变 型。型。 其中：其中： 为真空介电常数为真空介电常数ssscr0 s0)/(6 . 31)/(1085. 8120cmpfmf变极距型电容传感器的原理图及输出特性变极距型电容传感器的原理图及输出特性 （一）（一） 变极距型电容传

47、感器变极距型电容传感器设平板电容的极间距改变设平板电容的极间距改变 ，则，则 当当 ，则，则 传感器的灵敏度传感器的灵敏度 : : .1 2000cccsscscc120 scc0cckggk结论：结论： 变极距型传感器存在着原理非线性，变极距型传感器存在着原理非线性， 可用差动结构形式改善非线性。可用差动结构形式改善非线性。 （二）（二） 变面积型电容传感器变面积型电容传感器 （1 1）由图（）由图（b b），当线性位移改变），当线性位移改变 ，则：，则： （输入与输出关系为线性关系）（输入与输出关系为线性关系）xxbcr0llll（2 2）由图（）由图（a a），当有转角变化），当有转角变

48、化 时，时， （输入与输出关系为线性关系）（输入与输出关系为线性关系） （扇形面积：（扇形面积： ）（3 3）由图（）由图（c c），当园柱移动位移），当园柱移动位移 时，时， （园柱体的电容公式：（园柱体的电容公式： ）220rcrrrs22212llcrrlrrllrrlc0121212)ln(2)ln()(2ln2l12ln 2rrlc说明：说明： 这种形式的传感器电容变化量这种形式的传感器电容变化量c c与位移变化量与位移变化量l l成线性关系。采用圆柱形电容器的原因，主要成线性关系。采用圆柱形电容器的原因，主要考虑到动极板作径向移动时，不影响电容器的输出考虑到动极板作径向移动时，不影

49、响电容器的输出特性。特性。结论：结论： 与变极距型电容传感器相比，变面积型传感器与变极距型电容传感器相比，变面积型传感器的测量范围大，可测较大的线位移或角位移（的测量范围大，可测较大的线位移或角位移（1 1至至几十度）。几十度）。 变极距型电容传感器，要求传感器的绝缘材变极距型电容传感器，要求传感器的绝缘材料有高的绝缘性能。料有高的绝缘性能。（三）变介电常数型传感器（三）变介电常数型传感器xxxxabccccc000)(极板长为极板长为 a ， 极板宽为极板宽为 b ，介质介电系数介质介电系数 ，真空介电系数，真空介电系数0图图42厚度传感器极板间两种介质厚度分别是厚度传感器极板间两种介质厚度

50、分别是 和和 ，则传感器的电容量等于两个电容，则传感器的电容量等于两个电容串联，输出电容关系式：串联，输出电容关系式：x)(xxl00)()(xxxxlabblc1c2c表表41中中 型单组式平板形线位移传感器的型单组式平板形线位移传感器的 电容量与被测量的关系式：电容量与被测量的关系式： c1与与 c2 相并联相并联极板长为极板长为 a ， 极板宽为极板宽为 b ，介质插入深度，介质插入深度介质介电系数介质介电系数 ，真空介电系数，真空介电系数0 xl图图43液位传感器的电容量与被测量的关系式：液位传感器的电容量与被测量的关系式：)ln()(2)ln(2120120rrhrrhcx01r2r

51、xhh1c2c c1与与 c2 相并联相并联说明：说明： 在上述测量方法中，当电极间存在导电物质在上述测量方法中，当电极间存在导电物质时，电极表面应涂盖绝缘层，如涂时，电极表面应涂盖绝缘层，如涂0.1mm0.1mm厚的聚厚的聚四氟乙烯等），防止电极短路。四氟乙烯等），防止电极短路。 第二节第二节 转转 换换 电电 路路 一、电容式传感器的等效电路一、电容式传感器的等效电路 二、电桥电路二、电桥电路 三、二极管双三、二极管双t形电路形电路 四、差动脉冲调宽电路四、差动脉冲调宽电路 五、运算放大器式电路五、运算放大器式电路 六、调频电路六、调频电路四、差动脉冲调宽电路四、差动脉冲调宽电路abcab

52、c1. 高，高， 低，低， 合向合向 ， 合向合向 ， 合向合向 ， 经经 向向 充电，充电， 经经 到地放电；到地放电；qq1sab2s3sclubrl,1c2caabc1. 高，高， 低，低， 合向合向 ， 合向合向 ， 合向合向 ， 经经 向向 充电，充电， 经经 到地放电；到地放电；qq1sab2s3scluarl,2c1cb21cc 21cc 第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点1主要性能主要性能 （一）静态灵敏度（一）静态灵敏度 被测量变化缓慢的状态下，被测量变化缓慢的状态下， 电容变化量与引起其变化的被测量之比。电容变化量与引起其变化的被测量之比。 1.

53、对变极距型对变极距型 改进方法：改进方法：（1）在极板间放置云母片或塑料薄膜）在极板间放置云母片或塑料薄膜 可改善电容传感器的灵敏度。可改善电容传感器的灵敏度。 （2）采用差动传感器结构）采用差动传感器结构1 320 ckg 2.对圆柱变面积型对圆柱变面积型 差动结构的传感器灵敏度：差动结构的传感器灵敏度：（二）非线性（二）非线性 1.对单组式变极距型传感器对单组式变极距型传感器)ln(2 )ln(2120120rrlcrrlclckg)ln(4/)ln()(2)ln()(2121212rrlrrllrrlllckg%1001320cc(4) (4) 采用采用“驱动电缆驱动电缆”技术（技术（“

54、双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输”技术技术） 所谓所谓“驱动电缆驱动电缆”技术是指传感器与测量电路前置级之间技术是指传感器与测量电路前置级之间 采用双屏蔽层电缆连接，其内屏蔽层与信号传输线通过采用双屏蔽层电缆连接，其内屏蔽层与信号传输线通过 1 1 ：1 1 放大器保持为等电位，从而消除连线分布电容的影响。由于放大器保持为等电位，从而消除连线分布电容的影响。由于 屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为 “驱动电缆驱动电缆”。注意：该技术对注意：该技术对1:1放大器的输入阻抗要求很高，且放放大器的输入阻抗要求很高，且放 大倍数准确

55、度要达到大倍数准确度要达到1/1000，相移为零。它能保，相移为零。它能保 证传感器电容值小于证传感器电容值小于1pf,电缆长度超过电缆长度超过10m远远 时，也能正常工作。时，也能正常工作。第四节第四节 电容式传感器举例电容式传感器举例一、集成式电容传感器一、集成式电容传感器 （一）基本类型及工作原理（一）基本类型及工作原理1、加速度集成电容传感器、加速度集成电容传感器1c2c悬臂梁悬臂梁2、压力集成电容传感器、压力集成电容传感器采用硅腐蚀技术、硅和采用硅腐蚀技术、硅和 玻璃的静电键合以及常规集成电路工艺技术制造。玻璃的静电键合以及常规集成电路工艺技术制造。（二）转换电路（二）转换电路 1、

56、开关电容转换电路、开关电容转换电路aabb1）在控制脉冲的前半周期，）在控制脉冲的前半周期， 置置 ， 置置 ， 即即 接接 而而 接地；接地；1s2sab1sefru 2s2）在控制脉冲的后半周期，）在控制脉冲的后半周期， 置置 ， 置置 ， 即即 接接 而而 接地；接地；1s2sab2sefru 1s1）在控制脉冲的前半周期，）在控制脉冲的前半周期， 置置 ， 置置 ， 即即 接接 而而 接地；接地； 输出电压为：输出电压为：1s2sab1sefru 2sefrefruccucjcju 31 130112）在控制脉冲的后半周期，）在控制脉冲的后半周期， 置置 ， 置置 ， 即即 接接 而而

57、 接地；接地； 输出电压为：输出电压为：1s2sab2sefru 1sefruccu 320 故输出电压经隔直后为一方波电压，其前后半周期的故输出电压经隔直后为一方波电压，其前后半周期的 幅值差为：幅值差为：)(213 0cccuuefr 2、二极管环形检波电路、二极管环形检波电路1vd2vdu为正半周的信号流向：为正半周的信号流向： 导通；导通； 截止；截止；u为负半周的信号流向：为负半周的信号流向： 导通；导通； 截止；截止；;032充电电荷经充电，电荷经cvdacvdbx;401点放电上的电荷经点放电，上的电荷经bvdcavdcx3 2,vdvd4 1,vdvd4 1,vdvd3 2,v

58、dvdu为正半周的信号流向：为正半周的信号流向：u为负半周的信号流向：为负半周的信号流向： 上述充放、电过程，上述充放、电过程，即在一个周期内即在一个周期内，有电荷，有电荷 qba 从从b点经点经 cx 转移到转移到a点，同时有电荷点，同时有电荷qab从从a点经点经c0转移到转移到b点。点。 被测压力使被测压力使cx变化，则变化，则 ，结果，结果 从而使从而使a点和点和b点有静电荷积累，存在电势差点有静电荷积累，存在电势差u0，且且 ;032充电电荷经充电，电荷经cvdacvdbx;401点放电上的电荷经点放电，上的电荷经bvdcavdcx0ccxabbaqq000)(2ccccuuuxxd（

59、三）特点与应用（三）特点与应用二、容栅式传感器二、容栅式传感器 容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。即将电容传感器中的电发展起来的一种新型传感器。即将电容传感器中的电容极板刻成一定形状和尺寸的栅片，再配以相应的测容极板刻成一定形状和尺寸的栅片，再配以相应的测量电路就可构成容栅测量系统。量电路就可构成容栅测量系统。 三、力平衡式电容传感器三、力平衡式电容传感器（一）闭环反馈式传感器的原理与特点（一）闭环反馈式传感器的原理与特点闭环系统框图及闭环系统框图及 传递函数传递函数)()(1)()(00swswswswf（二）力平衡

60、式加速度电容传感器（二）力平衡式加速度电容传感器1、系统组成、系统组成位移传感器位移传感器力矩器力矩器2、传递函数、传递函数第五节第五节 电容式传感器的应用电容式传感器的应用一、电容式位移传感器一、电容式位移传感器二、电容式加速度传感器二、电容式加速度传感器三、电容式差压传感器三、电容式差压传感器第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器 本章主要内容：本章主要内容： * * 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 * * 霍尔式传感器霍尔式传感器 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量磁电式传感器是通过磁电作用将被测量( (如振动、如振动、 位位移、移、转速等）转换成电信号的一种传感器转速等）转换成电信号