第4章结构型传感器

1、1第第4章章 结构型传感器结构型传感器 2第第4章章 结构型传感器结构型传感器4.3 电感式传感器电感式传感器4.2 电容式传感器电容式传感器4.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器34.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4.1.1 工作原理工作原理4.1.2 结构与类型结构与类型4.1.3 主要特性主要特性4.1.4 温度效应及其补偿温度效应及其补偿4.1.5 电桥测量电路电桥测量电路4电阻应变式传感器是利用电电阻应变式传感器是利用电阻阻应应变片将应变转换为电阻变片将应变转换为电阻的变化的变化，从而从而实现电测非电量的实现电测非电量的传感器传感器。电阻应变片的工作原理是基于电阻应变片的工作

2、原理是基于电电阻应变效应阻应变效应。即在导体产生机械。即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变变形时，它的电阻值相应发生变化。化。4.1.1 工作原理工作原理5在外界力的作用下，将引起金属或半导体材料在外界力的作用下，将引起金属或半导体材料发生机械变形，其电阻值将会相应发生变化，发生机械变形，其电阻值将会相应发生变化，这种现象称为这种现象称为“电阻应变效应电阻应变效应”。对于不同的。对于不同的材料，电阻率相对变化的受力效应是不同的。材料，电阻率相对变化的受力效应是不同的。4.1.1 4.1.1 工作原理工作原理61. 金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应 通过研究发现，通过研究发现

3、，金属材料的电阻率相对变化正比金属材料的电阻率相对变化正比于体积的相对变化于体积的相对变化，即有，即有 式中，式中，C为由材料及加工方式决定的与金属导体晶为由材料及加工方式决定的与金属导体晶格结构相关的比例系数。格结构相关的比例系数。71. 金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应 将式（将式（4-6）代入（）代入（4-5）可有）可有 式中，式中，Km=(1+2)+C(1-2)为金属电阻丝的应变灵为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它由两部分组成：前半部分为受力后敏度系数，它由两部分组成：前半部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致，后半部分为因应变而金属丝几何尺寸变化所致，后半部分为因应变而发生的电

4、阻率相对变化发生的电阻率相对变化.8金属材料的电阻相对变化与其线应变金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。成正比。这就是这就是金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应。1. 金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应 一般金属材料：一般金属材料： Km=(1+2)+C(1-2) 以前者为以前者为主，则主，则Km 1+2=26. 由以上分析可见：由以上分析可见：92. 半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应 研究发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效研究发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，即：应，即： 式中，式中， 为作用于材料上的轴向应力；为作用于材料上的轴向应力； 为

5、半导体为半导体在受力方向的压阻系数；在受力方向的压阻系数；E为半导体材料的弹性模为半导体材料的弹性模量。量。10由以上分析可知，外力作用而引起的轴向应变，由以上分析可知，外力作用而引起的轴向应变，将导致电阻丝的电阻成比例地变化，通过转换电将导致电阻丝的电阻成比例地变化，通过转换电路可将这种电阻变化转换为电信号输出。这就是路可将这种电阻变化转换为电信号输出。这就是应变片测量应变的基本原理应变片测量应变的基本原理。2. 半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应 将式（将式（4-8）代入式（）代入式（4-5）可得）可得 式中，式中，Ks=(1+2)+ E为半导体丝材的为半导体丝材的应变灵敏度

6、系应变灵敏度系数数。前半部分为尺寸变化所致，后半部分为半导。前半部分为尺寸变化所致，后半部分为半导体材料的压阻效应所致体材料的压阻效应所致. Ks值主要是由电阻率值主要是由电阻率相对变化所决定。相对变化所决定。11 利用金属或半导体材料电阻丝（也称应变丝）利用金属或半导体材料电阻丝（也称应变丝）的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的敏感元件。为在较小的尺寸范围内敏感应变，的敏感元件。为在较小的尺寸范围内敏感应变，并产生较大的电阻变化，通常把应变丝制成栅并产生较大的电阻变化，通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件，即状的应变敏感元件，即电阻应变计电阻应变计

7、，简称，简称应变应变计计。4.1.2 结构与类型结构与类型121.应变片的结构应变片的结构13（1）按加工方法）按加工方法,可以将应变片分为以下四种：可以将应变片分为以下四种：丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片、薄膜丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片、薄膜应变片应变片（2）按敏感栅的材料）按敏感栅的材料,可将应变计分为金属应变可将应变计分为金属应变计和半导体应变计两大类计和半导体应变计两大类2. 应变计的类型应变计的类型14 制作应变片敏感栅常用的金属材料有康铜制作应变片敏感栅常用的金属材料有康铜Ni45Cu55、镍铬合金、镍铬合金Cr20Ni80、铁铬铝合金、铁铬铝合金Fe70Cr25A

8、l5、铁镍铬合金（卡玛）、铁镍铬合金（卡玛）Ni74Cr20Fe3AB贵金属（铂、铂钨合金等）材料贵金属（铂、铂钨合金等）材料等，等，其中康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。其中康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。除敏感栅以外，对基底材料、粘结剂、引线的除敏感栅以外，对基底材料、粘结剂、引线的材料方面都有要求，可以根据应用对象的不同材料方面都有要求，可以根据应用对象的不同进行选择。进行选择。3. 电阻应变计的材料电阻应变计的材料15 选用应变计时，首先应根据使用的目的、要求、选用应变计时，首先应根据使用的目的、要求、对象及环境条件等，对应变计的类型进行选择；对象及环境条件等，对应变计的类型进行选择

9、；然后根据使用温度、时间、最大应变量及精度要然后根据使用温度、时间、最大应变量及精度要求，选用合适的敏感栅、基底材料的应变计；接求，选用合适的敏感栅、基底材料的应变计；接着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻值；最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大值；最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大小选择合适尺寸的应变计。小选择合适尺寸的应变计。4. 电阻应变计的选用与粘贴电阻应变计的选用与粘贴16 电阻应变片工作时，是用粘贴剂粘贴到被测试电阻应变片工作时，是用粘贴剂粘贴到被测试件或传感器的弹性元件上的。粘贴剂形成的胶件或传感器的弹性元件上的。粘贴剂形成的

10、胶层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上去，所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有去，所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有着直接的影响。着直接的影响。4. 电阻应变计的选用与粘贴电阻应变计的选用与粘贴174. 电阻应变计的选用与粘贴电阻应变计的选用与粘贴AA:单轴片；单轴片；HA:45度双联片；度双联片；GB:半桥半桥片；片；FG:全桥片；全桥片；KA：圆片圆片184.1.3 主要特性主要特性静态特性静态特性是指应变计感受不随时间变化或变化是指应变计感受不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性，表征静态特性的指缓慢的应变时的输出特性，表征静态特性的指标主

11、要有：标主要有：灵敏度系数灵敏度系数、机械滞后机械滞后、蠕变蠕变、应应变极限变极限等。等。19将具有初始电阻值将具有初始电阻值R的应变计安装于试件表面，的应变计安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变计阻在其轴线方向的单向应力作用下，应变计阻值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为灵敏度系数。灵敏度系数。应变计的电阻应变特性与单根电阻丝时不应变计的电阻应变特性与单根电阻丝时不同，一般情况下，应变计的灵敏系数小于相同，一般情况下，应变计的灵敏系数小于相应长度单根应变丝的灵敏系数。应长度单根应变丝的灵敏系数。1. 灵敏度系数（灵敏度系数（k）20将直的

12、金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，直的金属丝小，其灵敏系数降低了其灵敏系数降低了，这种现象这种现象称称为应变片的为应变片的横向效应横向效应。为了减为了减小小横向效应横向效应带来的带来的测量误差测量误差，一般采用一般采用短接式或直角式横栅，现在更多的是采用箔式短接式或直角式横栅，现在更多的是采用箔式应变片，可有效克服横向效应的影响。应变片，可有效克服横向效应的影响。2. 横向效应横向效应21产生机械滞后的原因主要是敏感栅、基底和产生机械滞后的原因主要是敏感栅、基底

13、和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的所造成的。为了减小机械滞后为了减小机械滞后，除选用合适除选用合适的粘合剂外的粘合剂外，最好在最好在正式使用之前预先加、正式使用之前预先加、卸卸载若干次载若干次再正式测量再正式测量，以减小机械滞后的，以减小机械滞后的影响影响。3. 机械滞后机械滞后22粘贴在试件上的应变计粘贴在试件上的应变计，在温度保持恒定在温度保持恒定、不承受机械应变时不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化其电阻值随时间而变化的特性的特性，称为称为应变计的零漂应变计的零漂。如果在一定温如果在一定温度下度下，使其承受恒定的机械应变使其承受恒定的

14、机械应变，应变计，应变计电电阻值随时间而变化的特性阻值随时间而变化的特性，称为称为应变计的蠕应变计的蠕变变。一般蠕变的方向与原应变变化的方向相一般蠕变的方向与原应变变化的方向相反。反。选用弹性模量较大的粘贴剂和基底材料，选用弹性模量较大的粘贴剂和基底材料，有利于蠕变性能的改善。有利于蠕变性能的改善。4. 蠕变和零漂蠕变和零漂23应变计的线性应变计的线性（灵敏系数为常数灵敏系数为常数）特性特性，只有只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一入的真实应变超过某一极极限值时限值时，应变计的输应变计的输出特性将出特性将呈现呈现非线性。在恒温

15、条件下非线性。在恒温条件下，使非线使非线性误差达到性误差达到10%10%时的真实应变值时的真实应变值，称为称为应变极限应变极限。5. 应变极限应变极限24应变片绝缘电阻应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求为与被测试件之间的电阻值。通常要求为50 100M以上。不影响应变片工作特性的最以上。不影响应变片工作特性的最大电流称为大电流称为最大工作电流最大工作电流。工作电流大，输。工作电流大，输出信号就大，灵敏度也就高。但是电流过大出信号就大，灵敏度也就高。但是电流过大时，会使应变片发热、变形，使零漂、蠕变时，会使应变片发热、变形，使零漂、蠕变

16、增加，甚至烧坏。如果散热条件好，则电流增加，甚至烧坏。如果散热条件好，则电流可适当大一些。可适当大一些。6. 绝缘电阻和最大工作电流绝缘电阻和最大工作电流25二、二、 动态特性动态特性以正弦变化的应变为例，介绍应变计的动态以正弦变化的应变为例，介绍应变计的动态特性。特性。当应变按正弦规律变化时当应变按正弦规律变化时，应变应变片片反反映出来的是应变映出来的是应变片片敏感栅敏感栅上上各点应变量的平各点应变量的平均值均值，显然显然与某一与某一“点点”的应变值的应变值不同，应不同，应变片所反映的波幅将低于真实应变波，从而变片所反映的波幅将低于真实应变波，从而带来一定的误差。显然这种误差将随着应变带来一

17、定的误差。显然这种误差将随着应变片基长的增加而增大。片基长的增加而增大。26设有一波长为设有一波长为、频、频率为率为f f的正弦应变波的正弦应变波=0 0sin(2sin(2 x/)x/)，在在试件试件中以速度中以速度 沿应沿应变片栅长方向传播，变片栅长方向传播，应变片的基长为应变片的基长为L L0 0。图图4-64-6所示为某一时刻所示为某一时刻应变片正处于应变波应变片正处于应变波达到最大幅值时的瞬达到最大幅值时的瞬时关系图。时关系图。二、二、 动态特性动态特性27二、二、 动态特性动态特性 这时应变片两端的坐标为：这时应变片两端的坐标为：x x1 1=/4-L=/4-L0 0/2/2，x

18、x2 2=/4+L=/4+L0 0/2/2，则此时应变计输出的平均应变，则此时应变计输出的平均应变p p达到最大值达到最大值 则可求出应变波波幅测量相对误差为则可求出应变波波幅测量相对误差为28二、二、 动态特性动态特性 由式（由式（4-114-11）可知，测量误差与应变波波长对基）可知，测量误差与应变波波长对基长的比值长的比值n=/Ln=/L0 0有关，当有关，当/L/L0 0越大，则误差越越大，则误差越小。一般可取小。一般可取/L/L0 0=10=10 2020，这时测量误差约为，这时测量误差约为1.6%1.6%0.4%0.4%。l0/29二、二、 动态特性动态特性 因为因为=v/f=v/

19、f，且，且=nL=nL0 0，则应变片可测频，则应变片可测频率率f f、应变波波速、应变波波速v v以及波长与基长之比的以及波长与基长之比的关系为关系为302 2、阶跃应变信号的响应特性、阶跃应变信号的响应特性vltk08 . 0上升时间上升时间tk（应变输出从（应变输出从10%上升到上升到90%的最大值所需时间）可表示为的最大值所需时间）可表示为 阶跃应变：阶跃应变：理论响应：理论响应：实际响应：实际响应：若取若取l0=20mm，v=5000m/s，则则tk=3.210-6 s。 314.1.4 温度效应及其补偿温度效应及其补偿一、温度效应一、温度效应用应变计测量时，用应变计测量时，通常通常

20、希望工作温度是恒定希望工作温度是恒定的，的，实际应用时工作温度可能偏离实际应用时工作温度可能偏离或或超出常超出常温范围温范围，致使致使应变计的应变计的工作特性改变工作特性改变而而影响影响输出输出。这种由温度变化引起应变计这种由温度变化引起应变计输出输出变化变化的现象的现象，称为称为应变应变片片的温度效应的温度效应（也称温度（也称温度误差，误差，又称又称）。）。32温度效应产生的原因温度效应产生的原因: :1. 1. 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变产生附加应变; ;2. 2. 试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同

21、，使应变片产生附加应变使应变片产生附加应变一、一、 温度效应温度效应33设环境温度变化为设环境温度变化为t（）时，）时，应变片敏感栅材料的电阻温度系数应变片敏感栅材料的电阻温度系数为为t，则应变片产生的电阻相对变化，则应变片产生的电阻相对变化为为tRRt 134敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当系数不同，当t存在时引起应变片的附加存在时引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为应变，相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数应变片灵敏系数; e试件材料线试件材料线膨胀系数；膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀敏感栅材料线膨胀系数。系数。tKRRge 2353.3

22、 电阻应变片的主要特性温度变化温度变化t形成的总电阻相对变化形成的总电阻相对变化tKtRRRRRRgett21ttKKRRgettt 相应的虚假应变为相应的虚假应变为因此，应变片因此，应变片热输出的大小不热输出的大小不仅与应变片敏感仅与应变片敏感栅材料的性能参栅材料的性能参数数(K、t,、g)有有关，而且与被测关，而且与被测试件材料的线膨试件材料的线膨胀系数胀系数(e)有关。有关。36二、二、 电阻应变片的温度补偿电阻应变片的温度补偿应变片应变片自补偿法自补偿法1桥路补偿法桥路补偿法2热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法3371、 应变片应变片自补偿法自补偿法这种方法是通过精心选配敏感栅材料与结构这种

23、方法是通过精心选配敏感栅材料与结构参数参数，使得当温度变化时，产生的附加应变，使得当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消。为零或相互抵消。 选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片，也称单丝自补偿，也称单丝自补偿应变片应变片 双丝自补偿应变双丝自补偿应变片片382、 桥路补偿法桥路补偿法桥路补偿桥路补偿，也称，也称补偿片法补偿片法，是最常用而且效果较好的，是最常用而且效果较好的线路补偿方法。桥路补偿的优点是方法简单，在常温线路补偿方法。桥路补偿的优点是方法简单，在常温下补偿效果好。但是当温度变化梯度较大时，很难做下补偿效果好。但是当温度变化梯度较大时，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情

24、况，因而会到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而会影响补偿效果。影响补偿效果。393、热敏电阻补偿法、热敏电阻补偿法如图如图4-94-9所示，热敏电所示，热敏电阻阻R Rt t处在与应变片相同处在与应变片相同的温度条件下，当应变的温度条件下，当应变片的灵敏度随温度升高片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻而下降时，热敏电阻R Rt t的阻值也下降，使电桥的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥而增加，从而提高电桥的输出，以补偿因应变的输出，以补偿因应变片引起的输出下降。选片引起的输出下降。选择分流电阻择分流电阻R Rs s的值，可的值，可以得到良好

25、的补偿效果以得到良好的补偿效果404.1.5 电桥测量电路电桥测量电路2013年年4月月24日星期三日星期三dq一、应变电桥一、应变电桥典型的阻抗应变电桥如图典型的阻抗应变电桥如图4-104-10所示，四个桥臂所示，四个桥臂Z Z1 1、Z Z2 2、Z Z3 3、Z Z4 4按顺时针为序，按顺时针为序，acac为电源端，为电源端，bdbd为输出端。为输出端。当桥臂接入应变计时，即当桥臂接入应变计时，即称为称为应变电桥应变电桥。当一个臂、。当一个臂、二个臂甚至四个臂接入应二个臂甚至四个臂接入应变计时，就相应构成了单变计时，就相应构成了单臂、双臂和全臂工作电桥。臂、双臂和全臂工作电桥。414.1

26、.5 电桥测量电路电桥测量电路2013年年4月月12日星期五日星期五d二、直流电桥二、直流电桥直流电桥的基本形式直流电桥的基本形式如图如图4-114-11所示。电桥所示。电桥各臂的电阻值分别为各臂的电阻值分别为R R1 1、R R2 2、R R3 3和和R R4 4，U U是直流是直流电源电压，电源电压，U U0 0是输出电是输出电压。压。42二、二、 直流电桥直流电桥 当当U U0 0=0=0时，电桥处于平衡状态，则有：时，电桥处于平衡状态，则有：R R1 1R R3 3=R=R2 2R R4 4，此即电桥平衡条件。根据此条件，此即电桥平衡条件。根据此条件可分为以下三种情况：可分为以下三种情

27、况： （1 1）对输出端对称对输出端对称，即，即R R1 1=R=R2 2，R R3 3=R=R4 4，这种，这种结构形式也称为第一种对称形式；结构形式也称为第一种对称形式； （2 2）对电源端对称对电源端对称，即，即R R1 1=R=R4 4，R R2 2=R=R3 3，这种，这种结构形式也称为第二种对称形式；结构形式也称为第二种对称形式； （3 3）全等臂电桥结构全等臂电桥结构，即，即R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4。43单臂工作电桥单臂工作电桥一个桥臂上为电阻应变片，其一个桥臂上为电阻应变片，其他桥臂上为固定电阻，如图他桥臂上为固定电阻，如图4-124-12所示。输

28、出电压为：所示。输出电压为：二、二、 直流电桥直流电桥44二、二、 直流电桥直流电桥 上式中，上式中， 称为称为电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度。 显然，可通过适当提高电源电压显然，可通过适当提高电源电压U U（受应变片允许承受（受应变片允许承受的最大电流限制）或调节桥臂比的最大电流限制）或调节桥臂比n n的方式，提高单臂电桥的方式，提高单臂电桥的灵敏度。通过进一步的分析可知，当电源电压一定时，的灵敏度。通过进一步的分析可知，当电源电压一定时，如果如果n=1n=1，则可以有最大的电压灵敏度，即采用第一种对，则可以有最大的电压灵敏度，即采用第一种对称的电桥结构形式。此时，电压灵敏度为称的电桥结构形式

29、。此时，电压灵敏度为K Ku u=U/4=U/4，输出电，输出电压为压为45二、二、 直流电桥直流电桥 若在两个桥臂上接入电阻应变片，其他桥臂上为固定电阻，若在两个桥臂上接入电阻应变片，其他桥臂上为固定电阻，从而构成双臂工作电桥从而构成双臂工作电桥 ， 如图如图4-144-14所示所示 。输出电压为：。输出电压为： 由式（由式（4-304-30）可知，）可知，差动电桥的输出是线性的，没有非线性差动电桥的输出是线性的，没有非线性误差问题误差问题。与式（。与式（4-244-24）相比，）相比，灵敏度提高了一倍灵敏度提高了一倍。双臂工作电桥双臂工作电桥46二、二、 直流电桥直流电桥47二、二、 直流

30、电桥直流电桥2013年年4月月12日星期五日星期五t 若四个桥臂上为全为电阻应变片，也即构成全桥工作电桥若四个桥臂上为全为电阻应变片，也即构成全桥工作电桥 ， 如图如图4-154-15所示所示 。 这种电桥也称为这种电桥也称为差动全桥差动全桥。这时电桥不。这时电桥不再平衡，输出电压为：再平衡，输出电压为： 由式（由式（4-324-32）可见，差动全桥的电压输出是线性的，没有）可见，差动全桥的电压输出是线性的，没有非线性误差问题。与式（非线性误差问题。与式（4-244-24）、（）、（4-304-30）相比，）相比，差动全差动全桥的灵敏度是单臂电桥的桥的灵敏度是单臂电桥的4 4倍，是双臂差动电桥

31、的倍，是双臂差动电桥的2 2倍。倍。全臂工作电桥全臂工作电桥48三、三、 交流电桥交流电桥直流应变电桥输出电压直流应变电桥输出电压很小，一般都要加放大很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。桥多采用交流电桥。分布电容分布电容交流电桥很适合电容交流电桥很适合电容式、电感式传感器的式、电感式传感器的测量需要，应用场合测量需要，应用场合较多。较多。491.1. 弹性敏感元件（弹性敏感元件（P80P80） 物体在外力作用下而改变原来尺寸物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，当外力去或形状的现象称为变形，当外力去

32、掉后物体又能完全恢复其原来的尺掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性寸和形状，那么这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。为弹性元件。四、四、 电阻应变片式传感器及其应用电阻应变片式传感器及其应用502. 2. 电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器主要有两个方面的应用：电阻应变式传感器主要有两个方面的应用：一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一方面则是作为转换元件，通过变测量；另一方面则是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件构成传感器，

33、用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。弹性元件应变的其他物理量作间接测量。四、四、 电阻应变片式传感器及其应用电阻应变片式传感器及其应用作业：作业：4-5、4-6514.2 电容式传感器电容式传感器4.2.1 工作原理、类型及特性工作原理、类型及特性4.2.2 应用注意事项及措施应用注意事项及措施4.2.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路52 电容式传感器的优点：电容式传感器的优点： （1 1）分辨力很高，能测量低达）分辨力很高，能测量低达1010-7-7F F的电容的电容值或值或0.01m0.01m的绝对变化量，或高达的绝对变化量，或高达100%100%200%

34、200%的相对变化量（的相对变化量（ C/CC/C），因此适合微信），因此适合微信息的检测；息的检测； （2 2）动极板质量很轻，自身的功耗、发热）动极板质量很轻，自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度，并具有和迟滞极小，可获得高的静态精度，并具有很好的动态特性；很好的动态特性； （3 3）结构简单，不含有机材料或磁性材料，）结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境（除高湿外）的适应性强；对环境（除高湿外）的适应性强； （4 4）过载能力强，可实现无接触测量。）过载能力强，可实现无接触测量。534.2.1 工作原理、类型及特性工作原理、类型及特性 电容量C与极板间介质的介电常数、极板间

35、的有效面积S以及两极板间的距d有关： 工作原理工作原理54 类型和特性类型和特性 根据上述原理，在应用中电容式传感器根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型，即可以有三种基本类型，即变极距变极距( (或称变或称变间隙）型间隙）型、变面积型变面积型和和变介电常数型变介电常数型。 它们的电极形状有平板形、圆柱形和球它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。平面形三种。4.2.1 工作原理、类型及特性工作原理、类型及特性55 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 传感器两极板间的传感器两极板间的和和S S为常数，通过电容为常数，通过电容极板间距离的变化实现对相关物理量的测量。极板间距

36、离的变化实现对相关物理量的测量。4.2.1 工作原理、类型及特性工作原理、类型及特性5620001)1 (1 ddddCddCddsCCC已知初始电容为已知初始电容为C C0 0若极距缩小若极距缩小d d非线性关系非线性关系 变极距型电容传感器变极距型电容传感器57ddCCC00若若d/d1d/d1时，则可简化为时，则可简化为最大位移应小于间距的最大位移应小于间距的1/10 1/10 。ddCC058差动式电容传感器差动式电容传感器ddCCC001ddCCC002若电极位移若电极位移d d02dCCd灵敏度提高一倍。灵敏度提高一倍。59变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 测量中动极板移动

37、时，两极板间的相对有效测量中动极板移动时，两极板间的相对有效面积面积S S发生变化，引起电容发生变化，引起电容C C发生变化。发生变化。4.2.1 工作原理、类型及特性工作原理、类型及特性60变面积型电容传感器变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电着长度方向平移时，其电容变化量化为容变化量化为:0()rax babb xCCCdddC C与与x x间呈线性关系间呈线性关系 61变介质型电容传感器变介质型电容传感器 变介质变介质电容传感器的结构型式电容传感器的结构型式较多，较多，可以用来测量纸可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度张、绝缘薄膜等的厚度以及

38、液位高低等，以及液位高低等，也可用来测也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。4.2.1 工作原理、类型及特性工作原理、类型及特性 d d为运动介质的厚度，为运动介质的厚度，d d保持不变，改变保持不变，改变 可作为介电常数的测试仪器。可作为介电常数的测试仪器。0r 介电常数介电常数 保持不变，保持不变，d d改变，可作为测厚仪器。改变，可作为测厚仪器。rrddDSC0)1 (10rdDCC 测液位高度测液位高度（根据液体容器的形状计算）（根据液体容器的形状计算）dDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(2121)(2120006

39、44.2.2 应用注意事项及措施应用注意事项及措施电容的相对变化量为：传感器的相对非线性误差为： 电容传感器的灵敏度为K=S/d02，要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，而非线性误差随着d0的减小而增大。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，往往采用差动式结构。电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性65差动电容传感器具有如下特性：4.2.2 应用注意事项及措施应用注意事项及措施66等效电路等效电路 以上以上对各种电容传感器的特性分析对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的都是在纯电容的条件下进行的。若电容传感器条件下进行的。若电容传感器工作工作在高温、高湿及高在高温、

40、高湿及高频激励条件下工作频激励条件下工作，则电容的，则电容的附加损耗附加损耗等等影响影响不可忽不可忽视，这时电容传感器的视，这时电容传感器的等效电路如图等效电路如图4-284-28所示。所示。4.2.2 应用注意事项及措施应用注意事项及措施67 边缘效应边缘效应边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结可以采用带有保护环的结构构，如图如图4-294-29所示。所示。4.2.2 应用注意事项及措施应用注意事项及措施68静电引力静电引力电容式传感器两极板间因存在静电场

41、电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有而作用有静电引力或力矩静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工静电引力的大小与极板间的工作电压作电压、介电常数介电常数、极间距离有关极间距离有关。通常这种静通常这种静电引力很小电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。须考虑因静电引力造成的测量误差。4.2.2 应用注意事项及措施应用注意事项及措施69 寄生电容寄生电容寄生电容与传感器电容相关联、影响传感寄生电容与传感器电容相关联、影响传感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度

42、。必须消除和减小它。响仪器的精度。必须消除和减小它。消除和减小寄生电容可采用如下方法：消除和减小寄生电容可采用如下方法：1. 采用采用“驱动电线驱动电线”技术技术2. 采用组合式与集成技术采用组合式与集成技术3. 整体屏蔽法整体屏蔽法4.2.2 应用注意事项及措施应用注意事项及措施2013年年4月月25日星期四日星期四dq70温度影温度影响响（1 1）温度对结构尺寸的影响温度对结构尺寸的影响电容传感器由于极电容传感器由于极板板间隙很小而对结构尺寸间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。的变化特别敏感。（2 2）温度对介质的影响温度对介质的影响温度对介电常数的影响随介质不同而温度对介电常数的影响随介

43、质不同而变化，变化，空气及云母的介电常数温度系数近似为零空气及云母的介电常数温度系数近似为零，而某些液体介质而某些液体介质，如硅油、医麻油、煤油等如硅油、医麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。其介电常数的温度系数较大。4.2.2 应用注意事项及措施应用注意事项及措施714.2.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 电容式传感器的优点：电容式传感器的优点： （1 1）分辨力很高，能测量低达）分辨力很高，能测量低达1010-7-7F F的电容的电容值或值或0.01m0.01m的绝对变化量，或高达的绝对变化量，或高达100%100%200%200%的相对变化量（的相对变化量（ C/C

44、C/C），因此适合微信），因此适合微信息的检测；息的检测； （2 2）动极板质量很轻，自身的功耗、发热）动极板质量很轻，自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度，并具有和迟滞极小，可获得高的静态精度，并具有很好的动态特性；很好的动态特性； （3 3）结构简单，不含有机材料或磁性材料，）结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境（除高湿外）的适应性强；对环境（除高湿外）的适应性强； （4 4）过载能力强，可实现无接触测量。）过载能力强，可实现无接触测量。72图图4-324-32为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示膜片为动极为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示膜片为动极板，两个在凹形玻

45、璃上的金属镀层为固定电极，从而构成了差动板，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，从而构成了差动电容传感器。电容传感器。4.2.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路73图图4-334-33为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为两个动极板（与壳体电连接）。两个端面经过磨平抛光后作为两个动极板（与壳体电连接）。4.2.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路741. 调频电路调频电路2

46、013年年4月月19日星期五日星期五调频测量电路调频测量电路是把电容式传感器作为振荡器谐振回是把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时，振路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。调频电路中可以将振荡器的振荡频率就发生变化。调频电路中可以将振荡频率作为输出信号，也可以经过荡频率作为输出信号，也可以经过f/Vf/V转换成电压转换成电压信号输出，参见图信号输出，参见图4-344-34所示。所示。751. 调频电路调频电路 L-C L-C谐振回路的振荡频率谐振回路的振荡频率 当被测信号为零时，当被测信号为零时， C=0C=0，则，则C=CC=

47、C1 1+C+C2 2+C+C0 0，所以振荡器有一个初始振荡频，所以振荡器有一个初始振荡频率率f f0 0： 761. 调频电路调频电路 当被测信号不为零时，当被测信号不为零时， C C 0 0，则振荡器，则振荡器的振荡频率发生变化，此时频率为的振荡频率发生变化，此时频率为 由上式可知，根据频率的变化由上式可知，根据频率的变化 f f可以测可以测出电容的变化出电容的变化 C C，从而完成对物理量的测，从而完成对物理量的测量。调频测量电路具有较高的灵敏度，可量。调频测量电路具有较高的灵敏度，可以测量以测量0.01m0.01m级位移变化量。级位移变化量。772. 运算放大器式电路运算放大器式电路

48、图图4-354-35是运算放大器测量电路原理图。图中是运算放大器测量电路原理图。图中C Cx x是传感器的电容是传感器的电容, ,U Ui i是交流电源电压，是交流电源电压，U Uo o是输出是输出电压信号。电压信号。782. 运算放大器式电路运算放大器式电路2013年年4月月19日星期五日星期五t由运算放大器的工作原理可有：由运算放大器的工作原理可有： 如果是变极距式的电容传感器，则如果是变极距式的电容传感器，则C Cx x = = S/ dS/ dx x，代入上式可有：，代入上式可有： 式中，式中，“”号表示输出电压与电源电号表示输出电压与电源电压反相。压反相。 79 变间隙电容传感器的测

49、量电路为运算放大器电路变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。，如图所示。C C0 0=200pF=200pF，传感器的起始电容量，传感器的起始电容量C Cx0 x0=20pF,=20pF,定动极板距离定动极板距离d d0 0=1.5mm,=1.5mm,运算放大器为理想运算放大器为理想放大器放大器( (即即K,K,Z Zi i),), 输入电压输入电压u u1 1=5sin=5sint tV V。 求当电容传感动极板上输求当电容传感动极板上输 入一位移量入一位移量x x=0.15mm=0.15mm使使 d d0 0减小时减小时, ,电路输出电压电路输出电压u u0 0 为多少为多

50、少? ? 80双T二极管型测量电路如图4-36所示。3. 双双T二极管二极管型电路型电路双双T T型电路工作原理分析型电路工作原理分析 正半周正半周D1D1导通导通D2D2截止截止C1C1充电充电； 负半周负半周D1D1截止截止D2D2导通导通C2C2充电充电； v 一个周期内负载一个周期内负载R RL L上输出上输出 电压电压U URLRL与电源电压与电源电压V VE E幅值、幅值、 频率频率f f有关有关; ;与电容的差值与电容的差值 (C1-C2)(C1-C2)成正比成正比 )()()2()()(1212021CCfURRRRRRRdttItITRIUELLLLTLLRL83双双T T二

51、极管二极管型电路型电路的应用特点和要求的应用特点和要求: :(1)(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；(2)(2)二极管二极管D D1 1、D D2 2工作于高电平下工作于高电平下，因而非线性失真小因而非线性失真小；(3)(3)其灵敏度与电源频率有关其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定因此电源频率需要稳定；(4)(4)将将D D1 1、D D2 2、R R1 1、R R2 2安装在安装在C C1 1、C C2 2附近能消除电缆寄生附近能消除电缆寄生电容影响电容影响，线路简单线路简单；(5)(5)输出电压较高输出电压较高；(6)(6)输

52、出阻抗与电容输出阻抗与电容C C1 1和和C C2 2无关无关，而仅，而仅与与R R1 1、R R2 2及及R RL L有关；有关；(7)(7)输出信号的上升沿时间输出信号的上升沿时间取决于负载电阻取决于负载电阻R RL L，可用于可用于动态测动态测 量量；(8)(8)传感器的频率响应取决于振荡器的频率传感器的频率响应取决于振荡器的频率。84差动差动脉冲调宽电路不需要载频和附加解调线脉冲调宽电路不需要载频和附加解调线路路，无，无波形和相移失真波形和相移失真，输出信号只需要通输出信号只需要通过低通滤波器引出过低通滤波器引出，直流信号的极性取决于直流信号的极性取决于C C1 1和和C C2 2；对

53、变极距和变面积的电容传感器均对变极距和变面积的电容传感器均可获得线可获得线性性输出输出。这种。这种脉宽调制线路也便于脉宽调制线路也便于与传感器做在一起与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰从而使传输误差和干扰大大减小。大大减小。4.差动差动脉冲调宽电路脉冲调宽电路电路原理图电路原理图双稳态触发器VD1VD2R1R2AuABFGCx1Cx2BQQ#A1A2UruAU1ouBU1ouABouFoUrT1U1uGUroT2U1tttttuAU1otuBU1ouABUoouFUrouGUroT2T1U1tttt(a)(b)波形图波形图 87 电路组成：电路组成： A1A1、A2A2比较器；比较器； 双

54、稳态触发器；双稳态触发器； VD1VD1、VD2VD2与电阻；与电阻； 组成充放电回路；组成充放电回路；U Ur r参考直参考直 流电压；流电压； 双稳态作输出；双稳态作输出； 电容电容C1C1、C2C2为传感器差动电容。为传感器差动电容。作业：作业：4-16884.3 电感式传感器电感式传感器4.3.1 自感式传感器自感式传感器4.3.2 互感式传感器互感式传感器4.3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器894.3 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是利用线圈自感或互电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以感的变化来实现测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力、

55、流量、重用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。量、力矩、应变等多种物理量。904.3 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是一种机电转换装置，特电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控制设备中广泛应用。别是在自动控制设备中广泛应用。 电感式传感器利用电磁感应定律将被测电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动）非电量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感或互感的变化。转换为电感或互感的变化。 按传感器结构可分为：按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。自感式、互感式、电涡流式。各种电感式传感器各种电感式传感器非接触式位移传感器测厚传

56、感器电 感 粗 糙 度 仪接近式传感器921. 工作原理与输出特性工作原理与输出特性934.3.1 自感式传感器自感式传感器 当线圈匝数一定时，电感当线圈匝数一定时，电感L L仅仅是磁路中磁阻仅仅是磁路中磁阻R Rm m的函数，的函数，当改变气隙长度当改变气隙长度 或气隙面积或气隙面积S S均可导致电感均可导致电感L L的变化。相的变化。相应的，变磁阻式电感传感器可分为变气隙长度和变气隙面应的，变磁阻式电感传感器可分为变气隙长度和变气隙面积两种类型的传感器，前者用来测量线位移，后者用来测积两种类型的传感器，前者用来测量线位移，后者用来测量角位移。量角位移。 对于变面积式电感传感器而言，对于变面

57、积式电感传感器而言，线圈电感线圈电感L L与气隙面积与气隙面积S S是是成正比的，而变气隙长度传感器中电感成正比的，而变气隙长度传感器中电感L L和气隙长度和气隙长度 成反成反比比。00LL94 电感电感L和气隙长度和气隙长度 的特的特性曲线可用图性曲线可用图4-40所示。所示。非线性越严重。因此，为非线性越严重。因此，为了得到较好的线性特性，了得到较好的线性特性，必须把衔铁的工作位移限必须把衔铁的工作位移限制在较小的范围内。一般制在较小的范围内。一般取取=(0.1 0.2) 0。1. 工作原理与输出特性工作原理与输出特性95I-的关系特性参见图4-41虚实线所示，这是一种理想的特性曲线，实际

58、测得的特性曲线是一条不过零点的曲线，如图中实线曲线所示。这是因为：（1）当气隙长度趋于零时，R趋于零，与R相比较，RF就不能忽略不计了，这时L=W2/ RF接近于一定值，因而这时有一个起始电流存在。（2）当气隙很大时，线圈的铜电阻与线圈的感抗相比不能忽略，这时最大电流将趋向于一个稳定值 。1. 工作原理与输出特性工作原理与输出特性96 图图4-42所示为所示为 型差动电感传感器的原理型差动电感传感器的原理和测量线路接线图。和测量线路接线图。 测量时，衔铁与被测件物体相连，当被测量时，衔铁与被测件物体相连，当被测物体上下移动时，带动衔铁也以相同的测物体上下移动时，带动衔铁也以相同的位移量上下移动

59、，使得上下两个传感器的位移量上下移动，使得上下两个传感器的气隙长度发生大小相等、方向相反的变化，气隙长度发生大小相等、方向相反的变化，从而导致一个线圈的电感量增加，另一个从而导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动。线圈的电感量减小，形成差动。2. 差动式电感传感器差动式电感传感器972. 差动式电感传感器差动式电感传感器982. 差动式电感传感器差动式电感传感器差动电感传感器的优点：差动电感传感器的优点：1 1、差动电桥能使变间隙式电感传感器的非线、差动电桥能使变间隙式电感传感器的非线 性大大减小性大大减小（没有偶次方）（没有偶次方）；2 2、在同样的工作范围内差动电桥的非

60、线性度、在同样的工作范围内差动电桥的非线性度减小了，灵敏度提高了一倍减小了，灵敏度提高了一倍（4-934-93）；3 3、组成差动电桥测量电路，补偿了温度对两、组成差动电桥测量电路，补偿了温度对两个线圈参数的影响。个线圈参数的影响。002LL993. 自感式电感传感器主要误差分析自感式电感传感器主要误差分析 自感式电感传感器在对非电量的测量中产生误自感式电感传感器在对非电量的测量中产生误差的原因：差的原因：（1 1）输出特性的非线性）输出特性的非线性（2 2）电源电压和频率波动的影响）电源电压和频率波动的影响（3 3）温度变化的影响）温度变化的影响（4 4）输出电压与电源电压的相位差）输出电压