Chapter61-6传感器原理与测量电路

1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第6章、传感器原理与测量电路章、传感器原理与测量电路本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理4.4.了解传感器测量电路了解传感器测量电路机械工程测试技术机械工程测试技术华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院种类繁多；大量学科交叉；应用广泛；实用性强；6.1 概述概述华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.6.本章的学习要求本章的学习要求掌握常用传感器的工作原理及结构特点；了解传感器的应用方法；常用传感器的典型后续处理电路；常用传感器的使用注意事项；太阳能热水器上传感

2、器应用6.1 概述概述华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第6章、传感器测量原理章、传感器测量原理6.1 6.1 概述概述1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2. 2. 传感器的构成传感器的构成 传感器由敏感

3、器件与辅助器件组成。敏感器件传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 6.1 概述概述dV华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4. 4. 传感器的分类传感器的分类6.1 概述概述1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角

4、, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.1 概述概述机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .2)2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: :华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.1 概述概述能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控

5、制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.1 概述概述4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本

6、身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 6.2 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一是把被测量转换为电阻变化的一种传感器种传感器, , 按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式热敏式、光敏式、电敏式.1 1 变阻器式传感器变阻器式传感器第第

7、6章、传感器测量原理章、传感器测量原理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 等效电路分析等效电路分析: :xL6.2 电阻式传感器电阻式传感器L-L-变阻器总长变阻器总长; ;x-x-电刷移动量电刷移动量. .R-R-总电阻总电阻; ; R RL L电刷电阻电刷电阻; ;R=K*ll=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1 / E华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器x=L*E1 / E= K*E10 LEE1x华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器EE1V VRmRxR-Rx1EE1= =xLRmR+ +Lx()-

8、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器负载效应负载效应1EE1= =xLRmR+ +Lx()-0LE华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院(2) (2) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: : 1) 1)线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性); 4); 4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; ; 2) 2) 分辨率分辨率; 5); 5)电阻温度系数电阻温度系数; ; 3) 3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差; 6); 6)寿命寿命; ;(3)(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类6.2 电阻式传感器电阻式传感器按测量类型：

9、按测量类型：单圈电位器单圈电位器多圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器按制作方式：按制作方式：线绕电位器线绕电位器导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电导电材料粉材料粉华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品6.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料6.2 电阻式传感器电阻式传感器原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电

10、阻华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝6.2 电阻式传感器电阻式传感器原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）6.2 电阻式传感器电阻式传感器原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生

11、机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化象。生变化象。 6.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1) 1) 工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数6.2 电阻式传感器电阻式传感器金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR/=dAldAAldlAdR+=2代入代入AlR/=dRAdARldlRdR+=华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器d

12、AdAldlRdR+=有：有：金属丝：金属丝：2rA=drdrldlRdR+=2金属丝体积不变：金属丝体积不变：=ldlrdr华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器有：有：dRdR+=2对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：)21(+=RdR金属丝应变片：金属丝应变片：华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院应变计6.2 电阻式传感器电阻式传感器金属应变计金属应变计华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器半导体应变计半导体应变计drdrldlRdR+=2简化为：简化为：dRdR=E= 优点：灵敏度大优点：灵敏度大; ;

13、体积小体积小; ; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3) 3) 应变片的主要参数应变片的主要参数 4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 6.2 电阻式传感器电阻式传感器1 1）几何参数：表距）几何参数：表距L L和丝栅宽度和丝栅宽度b b，制造厂常用，制造厂常用 b bL L表示。表示。2 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。 3 3）灵敏

14、系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器3) 3) 应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(32413142+=华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器ERRRRRRRRV)(32413142+=令：令：RR =1dRRR+=4RRR=32ERRdRRRRRdRRRV)()(+=RdRE=4)21(+=RdR金属丝应变片：金属丝应变片：V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线形关系，可以用电桥测量电压

15、测量应变华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.1.目测电阻应变片有无折痕目测电阻应变片有无折痕. .断丝等断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5欧姆欧姆. .4.4.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。酒精棉球反复擦洗

16、贴处，直到棉球无黑迹为止。4.4.应变片粘贴应变片粘贴: :在应变片基底上挤一小滴在应变片基底上挤一小滴502502胶水，胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器5.5.焊线焊线: :用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于大于500M500M欧。欧。7.7.应变片保护：用应变片保护：用704704硅橡胶覆于应变片上，防止硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮

17、。受潮。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器标准产品标准产品华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量6.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。6.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过

18、程监测6.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量6.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第6章、传感器测量原理章、传感器测量原理6.3 6.3 电感式传感

19、器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.3 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型2002ANL =原理原理: :电磁感应电磁感应华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院自感式传感器自感式传感器 自感式传感器原自感式传感器原理结构如图所示。缠理结构如图所示。缠绕在铁芯上的线圈中绕在

20、铁芯上的线圈中通以交变电流通以交变电流 ，产生，产生磁通，形成磁通回路。磁通，形成磁通回路。线圈自感可按下式计线圈自感可按下式计算。算。式中式中NN线圈匝数；线圈匝数； 磁路总磁阻磁路总磁阻m2RNL=mRdi1 S23图自感式传感器 线圈； 2 铁芯； 3 衔铁。 1华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 对图示情况，因为气隙厚度对图示情况，因为气隙厚度d d较小，可以认为气较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则总磁阻隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则总磁阻为为 式中式中 l li i各段磁导体各段磁导体 的长度；的长度；S Si i各段磁导体截面积；各段磁导体截面积； i i

21、各段磁导体的磁导率各段磁导体的磁导率；S S 空气隙横截面积空气隙横截面积； 0 0空气的磁导率空气的磁导率 SdSlRiii0m2)(+=6.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 常用的三种类型自感式位移传感器 变气隙式变面积式螺管式 (a)(b)(c)dx(a)(b)xx(c)6.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 为了提高传感器的灵敏度和精度，增大线性范为了提高传感器的灵敏度和精度，增大线性范围，实际上许多传感器都做成差动式。如图围，实际上许多传感器都做成差动式。如图4- 4-1616所示，其机械结构相当于两个上述变气

22、隙厚所示，其机械结构相当于两个上述变气隙厚度元件的组合。输出特性如图度元件的组合。输出特性如图4-174-17所示。后续所示。后续电路采用交流电桥，两电感式传感元件，分别电路采用交流电桥，两电感式传感元件，分别接到交流电桥相邻两臂，形成电桥电路。接到交流电桥相邻两臂，形成电桥电路。差动式自感传感器的输出特性图4-16 差动式自感传感器图4-17 输出输出 iL1-x0+x位移d0d0L2i1i2ZLucL1L2x06.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）6.3 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技

23、大学机械学院2 2 涡流式涡流式原理原理: :涡流效应涡流效应6.3 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ =4.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院电涡流传感器电涡流传感器 电涡流式传感器的工作原理是基于金属平板置电涡流式传感器的工作原理是基于金属平板置于交变磁场中产生感应电流，这种电流在金属于交变磁场中产生感应电流，这种电流在金属平板内自行闭合，称之为涡流。平板内自行闭合，称之为涡流。 类型：高频反射式和低频透射式类型：高频反射式和低频透射式 特点：灵敏度高，分辨率可达特

24、点：灵敏度高，分辨率可达1m1m，频率范围，频率范围 010kHz010kHz，非接触式测量和抗干扰性强。，非接触式测量和抗干扰性强。6.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 如图如图4-204-20所示，将扁平线圈所示，将扁平线圈1 1置于金置于金属导体属导体2 2附近，当线圈中通以正弦附近，当线圈中通以正弦交变电流交变电流i i1 1时，线圈的周围空间产时，线圈的周围空间产生正弦交变磁场生正弦交变磁场H H1 1，处于此交变磁，处于此交变磁场中的金属导体内就会产生涡流场中的金属导体内就会产生涡流i i2 2，此涡流也将产生交变磁场此涡流也将产生交变磁场H

25、H2 2，H H2 2的的方向与方向与H H1 1的方向相反，由于涡流要的方向相反，由于涡流要消耗一部分能量，从而使线圈的等消耗一部分能量，从而使线圈的等效参数发生变化，这种变化可用等效参数发生变化，这种变化可用等效电路作简化推导效电路作简化推导。 H1H2i1i212 d图4-20 电涡流作用原理1线圈；2金属导体。6.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 图图4-214-21所示是涡流传所示是涡流传感器元件及被测金属感器元件及被测金属表面所形成的电磁耦表面所形成的电磁耦合等效电路，它相当合等效电路，它相当于一个变压器耦合，于一个变压器耦合，初级为扁平线圈，

26、次初级为扁平线圈，次级为涡电流形成的单级为涡电流形成的单圈线圈。两线圈分别圈线圈。两线圈分别可等效为一电阻与电可等效为一电阻与电感的组合感的组合。 图 4-21 电涡流传感器的 等效电路R1L1 R2L2 M6.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 两线圈通过磁通耦合，用互感系数两线圈通过磁通耦合，用互感系数 来表示它们的来表示它们的耦合程度。根据基尔霍夫定律，可写出方程组耦合程度。根据基尔霍夫定律，可写出方程组由此方程组求解可得线圈的等效阻抗为由此方程组求解可得线圈的等效阻抗为=+=+0jjjj2222121111ILIRIMEIMILIR)( j)(222

27、2222122222221LRMLLLRMRRZ+=6.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 线圈的等效电感为线圈的等效电感为线圈的等效品质因数线圈的等效品质因数 Q Q值为值为式中式中 无涡流影响下线圈的无涡流影响下线圈的Q Q值，值， 金属导体中产生电涡流部分的阻抗，金属导体中产生电涡流部分的阻抗，22222221)( LRMLLL+=222212222212011ZMRRZMLLQQ+=0Q110RLQ=2Z2222222LRZ+=6.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.3 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学

28、院华中科技大学机械学院产品：产品：6.3 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle6.3 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测6.3 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2 互感型互感型-差动变压器差动变压器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感现象互感现象.EwEout6.3 电

29、感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型传感器测量电路传感器测量电路4.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院差动变压器差动变压器测量电路测量电路4.4 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院互感式传感器互感式传感器1）工作原理与结构）工作原理与结构 其基本结构与原理和常用变压器类似，常其基本结构与原理和常用变压器类似，常称变压器式传感器。与变压器的不同之处：变称变压器式传感器。与变压器的不同之处：变压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路；

30、前压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路；前者原、副边间的互感系数是常数，而后者的互者原、副边间的互感系数是常数，而后者的互感系数随衔铁移动有相应变化。感系数随衔铁移动有相应变化。6.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 基本互感传感器的原基本互感传感器的原理结构如图理结构如图4-184-18所示，所示，线圈线圈W1W1为初级线圈为初级线圈（原边），线圈（原边），线圈W2W2为为次级线圈（副边）。次级线圈（副边）。当原边通以交流当原边通以交流i i1 1时，时，根据变磁通全回路上根据变磁通全回路上磁通的交变变化，而磁通的交变变化，而在副边上感生感应电在副边上感生

31、感应电势，其大小为势，其大小为 121dieMdt= i1e21 3 图 4-18 互感式传感器 1初级线圈； 2铁芯； 3次级线圈；4衔铁。 2146.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 如图如图4-194-19（a a）、（）、（b b）所示是用以测量直线位移）所示是用以测量直线位移和角位移的两种差动变压器，它们具有一个原边线圈和角位移的两种差动变压器，它们具有一个原边线圈和两个副边线圈。根据前述分析，两次级分别具有感和两个副边线圈。根据前述分析，两次级分别具有感应电动势，将二电势相互反接，如图应电动势，将二电势相互反接，如图4-194-19（c c）所

32、示。）所示。当衔铁处于中央位置时，若两次级线圈参数及磁路尺当衔铁处于中央位置时，若两次级线圈参数及磁路尺寸相等，即寸相等，即 ，故，故 ；当衔铁向上运动；当衔铁向上运动时，时， ，当衔铁向下运动时，当衔铁向下运动时， ，其特性如图，其特性如图4-194-19（d d）所示。）所示。12ee =00e =12ee12ee (a)直线位移差动变压器；(b)角度位移差动变压器；(c)差动工作原理 ；(d)输出特性。 图 4-19 差动传感器 P x W1 W W2 W1 e 0 eo W2 W W W1 W2 e1 e2 eo= e1 e2 P x 铁芯位置x e1 e2 eo=e1-e2 (a)

33、(b) (c) (d) 6.3.2电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器6.3 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 6.3 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院案例：案例：张力测量张力测量6.3 电感式传感器电感式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第6章、传感器测量原理章、传感器测量原理6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成

34、的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AC0=+ A 、A A或或发生变发生变化时，都会引起化时，都会引起电容的变化。电容的变化。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院（1）优点）优点高阻抗，小功率，因而仅需要很小的输入力和很低高阻抗，小功率，因而仅需要很小的输入力和很低的输入能量；的输入能量；可获得较大的相对改变量，从而具有较高的信噪比可获得较大的相对改变量，从而具有较高的信噪比和系统稳定性；和系统稳定性；动态响应快，能在几兆赫的频率下工作；动态响应快，能在几兆赫的频率下工作；结构简单，应用较广，可在恶劣环境中工作；结构简单，应用较广，可在恶劣环境中工作；可以进

35、行非接触测量。可以进行非接触测量。（2）缺点）缺点输出特性非线性较严重；输出特性非线性较严重；分布电容影响较大，分布电容不仅降低了转换效率，分布电容影响较大，分布电容不仅降低了转换效率，还会引起测量误差。还会引起测量误差。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院工作原理及结构工作原理及结构 电容传感器是将各种被测物理量转换成电容量变电容传感器是将各种被测物理量转换成电容量变化的一种传感器。其最基本结构形式如图化的一种传感器。其最基本结构形式如图4-224-22所所示。根据物理学中的推导，两平行平板导体之间示。根据物理学中的推导，两平行平板导体之间的电容量为的电容量为 极板间介质的相对介电常数极

36、板间介质的相对介电常数； 真空介电常数；真空介电常数； S两极板间相互覆盖面积；两极板间相互覆盖面积；d d两极板间的距离。两极板间的距离。dSC0r= d图4-22 电容传感器r06.3.36.3.3电容传感器电容传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.4 电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+AC0=+华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 图中（图中（a a）是最基本的变极距型电容传感器。定极板固定，动）是最基本的变极距型电容传感器。定极板固定，动极板随被测体而移动，这样就能改变二极板之间的电容量。极板随被测体而移动，这样就能改变二极板之间的电容量。 为了提

37、高灵敏度和线性度，以及克服某些外界条件，如电源为了提高灵敏度和线性度，以及克服某些外界条件，如电源电压、环境温度变化的影响，常采用差动形式的电容传感器，电压、环境温度变化的影响，常采用差动形式的电容传感器，其原理结构如图其原理结构如图4-234-23（b b）所示，上下两极板是固定板，中间）所示，上下两极板是固定板，中间极板是活动极板。极板是活动极板。 图图4-23(d)4-23(d)是一种电容式加速度传感器。敏感加速度的质量块是一种电容式加速度传感器。敏感加速度的质量块用二弹簧片固定，其上下两平面为差动式电容器的活动板。用二弹簧片固定，其上下两平面为差动式电容器的活动板。质量块感受加速度而产

38、生位移时电容随之变化。质量块感受加速度而产生位移时电容随之变化。 (a)基本变极距型；(b)差动型 ；(c)压力传感器 ；(d)加速度传感器。 图 4-23 变极距型电容传感器 P a (a) (b) (c) (d) 可动极板固定极板1可动极板固定极板2固定极板固定极板固定极板华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容

39、传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。 6.4 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院b)b)面积变化型面积变化型AC0=角位移型角位移型+6.4 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院AC0=平面线位移型平面线位移型6.4 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院柱面线位移型柱面线位移型. .AC0=6.4 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 图图4-264-26（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）、（）、（d d）是用以测量线位）

40、是用以测量线位移的电容传感器元件，图移的电容传感器元件，图4-264-26（e e）是用以测量角位）是用以测量角位移的电容传感元件，它们都是将位移变为电容器的移的电容传感元件，它们都是将位移变为电容器的相互覆盖面积的变化。为了提高灵敏度，可以采用相互覆盖面积的变化。为了提高灵敏度，可以采用差动式（差动式（b b）、多片式）、多片式(a)(a)、(e)(e)或多齿式（或多齿式（d d）。因为）。因为在式（在式（4-374-37）中电容的变化是与二极板相互覆盖面积）中电容的变化是与二极板相互覆盖面积成线性关系，所以这种方案较之变极距型方案在此成线性关系，所以这种方案较之变极距型方案在此方面有可取之

41、处方面有可取之处。6.3.36.3.3电容传感器电容传感器 (a) (b) (c) (d) (e) 图 4-26 变面积型电容传感元件 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院c) c) 介质变化型介质变化型AC0=6.4 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 图图4-274-27是利用改变介电常是利用改变介电常数的电容传感元件。数的电容传感元件。(a)(a)在在两固定极板间有一介质层两固定极板间有一介质层通过，介质层的厚度变化通过，介质层的厚度变化或湿度变化均会引起其在或湿度变化均会引起其在极板内的介电常数总的变极板内的介电常数总的变化；化；(b)(b)为工业上

42、广泛应用为工业上广泛应用的液位计，内外二圆筒作的液位计，内外二圆筒作为电容器的二极板，液位为电容器的二极板，液位的变化引起极板间总的介的变化引起极板间总的介电常数的变化，介电常数电常数的变化，介电常数的变化引起电容的变化，的变化引起电容的变化，从而达到测量厚度、湿度从而达到测量厚度、湿度或液体等物理参数的目的。或液体等物理参数的目的。 图 4-27 变介电常数电容传感元件 h x 2 (b) 1 D1 C (a) D2 6.3.36.3.3电容传感器电容传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）6.4 电容

43、式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。6.4 电

44、容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.4 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3 3 测量电路测量电路a)a)电桥电路电桥电路 6.4 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院b) b) 谐振电路谐振电路 LCf210=6.4 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院d) d) 运算放大器电路运算放大器电路 6.4 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院动手做：动手做：观察你计算机上使用的麦观察你计算机上使用的麦克风，并用它测量你自己克风，并用它测量你自己

45、的声音，绘出频谱。的声音，绘出频谱。6.4 电容式传感器电容式传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第6章、传感器测量原理章、传感器测量原理6.56.5压电式传感器压电式传感器 1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应 +串联串联+并联并联某些晶体物质，当沿一定方向对其施加力而使它变某些晶体物质，当沿一定方向对其施加力而使它变形时，内部就产生极化现象，在它们的表面会产生形时，内部就产生极化现象，在它们的表面会产生电荷；当外力除去后，又重新恢复不带电状态，这电荷；当外力除去后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为种现象称为“正压电效应正压电效应”。压电式传感器就是利。压电式传感器

46、就是利用了物质的用了物质的“正压电效应正压电效应”，通常均简称压电效应。，通常均简称压电效应。F+q=DF华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 1) 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷传感器。同时，它也是一个电容器，晶体上一个电荷传感器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种电介质，则其电容量为间物质等效于一种电介质，则其电容量为dAC0ra=华中科技大学机械学院华中科技大学机械学

47、院 压电传感器可以等效为压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电一个与电容相串联的电压源压源 压电传感器也可以等压电传感器也可以等效为一个电荷源效为一个电荷源 图 4-37 压电传感器的等效电路 Ua (a)电压源 ；(b)电荷源。 (a) (b) Q Ca Ca6.3.4 6.3.4 压电式传感器压电式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6.5压电式传感器压电式传感器 2 2、测量电路、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输

48、入到后续显示仪表中。过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2) 电压放大器电压放大器 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需接入一个高量较小，因此它的测量电路通常需接入一个高输入阻抗的前置放大器。根据压电传感器的等输入阻抗的前置放大器。根据压电传感器的等效电路，它的输出可以是电压，也可以是电荷，效电路，它的输出可以是电压，也可以是电荷，因此前置放大器有两种形式：因此前置放大器有两种形式：电压放大器和电电压放大器和电荷放大器。荷放大器。 电压前置放大器（阻抗变换器）的作用是电压前置放大器（

49、阻抗变换器）的作用是将压电传感器的高输出阻抗变为低输出阻抗，将压电传感器的高输出阻抗变为低输出阻抗，并将压电传感器的微弱电压信号放大。并将压电传感器的微弱电压信号放大。6.3.4 6.3.4 压电式传感器压电式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 电压放大器电路原理图及其等效电路。等效电阻等效电阻R为为 ：等效电容等效电容C为：为： 图 4-39 电压放大器电路原理及其等效电路图 (a) (b) (a)放大器电路 ；(b)输入端简化等效电路。 Ca Cc Ua Ra Ci Ri Ui A Uo Ua C R Ca Uo Ui A iaiaRRRRR+=icaCCCC+=6.3.4 6

50、.3.4 压电式传感器压电式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 若压电元件受正弦力若压电元件受正弦力F F= =F Fm msinsintt 的作用，则其的作用，则其电压为电压为 式中式中 U Um m压电元件输出电压幅值，压电元件输出电压幅值，U Um m= =dFdFm m/ /C Ca a ；d d压电系数。压电系数。由此可求得放大器输入端电压，其复数形式由此可求得放大器输入端电压，其复数形式tUtCdFUasinsinmma=)(j1j)(j1jaicaiCCCRRdFCCRRdFU+=+=6.3.4 6.3.4 压电式传感器压电式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械

51、学院放大器输入端电压的幅值及与所测作用力的相位差放大器输入端电压的幅值及与所测作用力的相位差将由下式表示，即将由下式表示，即 在理想情况下，在理想情况下，R Ra a、R Ri i 都为无限大，即都为无限大，即 R R（C Cc c+ +C Ci i+ +C Ca a）11，那么由式（，那么由式（4-494-49），放大），放大器输入端的电压器输入端的电压U Usrmsrm为为 表明表明U Usrmsrm与被测频率与被测频率 无关。无关。+=+=)(arctg2)(1aic2aic22msrmCCCRCCCRRdFUaicmsrmCCCdFU+=6.3.4 6.3.4 压电式传感器压电式传感器

52、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3) 电荷放大器电荷放大器 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，它电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，它实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，当略去算放大器，当略去R Ra a和和R Ri i后，电荷放大器可用后，电荷放大器可用图图4-404-40表示。表示。 C CF F为电荷放大器反馈电容，为电荷放大器反馈电容，R RF F为并在反馈电容为并在反馈电容两端的漏电阻。两端的漏电阻。 图 4-40 电荷放大器等效电路 Cc Q Ci Ui A Uo Ca CF RF 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 电荷放大器输出电压为电荷放大器输出电压为通常通常A A=10=104 410106 6，故式中，故式中所以所以由上式可知，电荷放大器的输出电压由上式可知，电荷放大器的输出电压 与电缆电容与电缆电容C Cc c无关，而与无