电阻电感电容传感器专题培训课件

4.1概述1.传感器定义

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。

物理量电量

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号转换成电信号的装置。3.传感器的分类4.1概述1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,

旋转角,转数,质量,重量,力,

压力,真空度,力矩,风速,流速,

流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩工作原理：基于应变片的应变效应特点：

1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。

2）易于实现自动化测量，如多点测量，远距离测量。

3）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。

4）可以测量多种物理量。

4.2电阻式传感器电阻应变式传感器的发展历史

1856年：发现金属材料的应变效应；

1931年：制成第一片应变片；

1940年，发明应变式传感器。

应变式传感器举例可测力、压力、应力、位移、加速度、温度、湿度等。ToOne4.2.1电阻应变片的工作原理1金属的应变效应ToOne

金属丝（导体）在外力作用下发生机械变形时，其电阻发生变化，此种现象称为金属的电阻应变效应。

3电阻——应变特性

由物理学可知，一根金属丝的电阻为：

式中：R－金属丝的电阻；ρ－金属丝的电阻率；L－长度

F－截面积，

取一段金属丝如下图示，当金属丝受拉力F时，其L、F、ρ和R的变化分别为dL、dF、dρ和dR。2电阻应变片的结构

1）基底：固定敏感栅及绝缘；0.02～0.04mm厚；纸质或胶质。

2）电阻丝：金属丝绕成栅状，敏感栅。d=0.015～0.05mm。作用：感应变的变化大小。

3）覆盖层：作用，防潮、防蚀、防损等。

4）引线：通常取直径约为0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线。4电阻应变片的横向效应

将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，从而其灵敏系数较直的金属丝灵敏系数小的现象。应变片金属电阻应变片半导体应变片丝式箔式薄膜应变片4.2.2电阻应变片的种类和主要参数丝式应变片

回线式应变片

短接式应变片

箔式应变片

利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003～0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大。薄膜应变片

金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。To4.1.3半导体应变片

半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。压阻效应：当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。优点：体积小、灵敏度高、频率响应范围很宽。缺点：温度系数大、测量应变时非线性较严重。4.2.3各种应变片的特点

丝绕式应变片用耐用性不同合金材料绕制而成可适应不同温度，尤适高温，但横向效应大，散热差。

短接式应变片敏感栅轴向用高ρ丝，横向用低l丝材料组合而成横向效应小，可做成双丝温度白补偿，适中、高温，但N,εlin低

箔式应变片敏感栅用厚3～10μm的铜镍合金箔光刻而成尺寸小，品种多，静、动特性及散热性均好。工艺复杂，常用常温。半导体式应变片由单晶半导体径切型，切条、光刻腐蚀成形再粘贴。灵敏系数比金属大50～80倍，动特好；但温度，时间稳定性较差。

特殊用途ε=(2~5)×105με大应变的应变片、防水、防磁等应变片。

4.2.4电阻应变片的参数1)应变片电阻值（R0）：有60，120，350，600和1000Ω的各种阻值，120Ω最常见；2)绝缘电阻：即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于1010Ω(1万M)；3)灵敏系数K：要求K大而稳定；4)允许电流：电流一般为25mA；5)应变极限：测量最大的应变值；6)机械滞后、零漂、蠕变。蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。

应变片的型号代码

BX120－3CA100(11)例，标称电阻为120Ω

，栅长为3mm的箔式应变片

标称电阻值(Ω)基底材料种类应变片类型可温度自补偿的材料线膨胀系数应变计的栅长敏感栅结构形状极限工作温度(℃)S—丝绕式D—短接式B—箔式T—特殊用途A—半导体式Z—纸H—环氧类F—酚醛类J—聚脂式X—缩醛类P—金属薄片L—临时基底60120200350500(650)1000

9111623270.26500.581001,101502,12200315420530应变计金属应变片电阻应变式传感器的应用：测力4.2.5电阻应变片的应用案例：机器人握力测量4.2电阻式传感器4.2电阻式传感器温度测量电路VER1R2R3R4第3节电感式传感器3.1自感式电感式传感器3.2差动变压器式电感式传感器3.3涡流式电感式传感器3.4小结电感传感器照片应用：位移、振动、压力、应变、流量、比重等的测量。

分类：工作原理：基于电磁感应现象，利用线圈自感或互感的改变来实现非电量电测。电感式传感器自感型互感型：差动变压器自感式（可变磁阻型）涡流式特点：结构简单、工作可靠、寿命长灵敏度高、分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好缺点：频率响应低，不适宜快速动态测量4.1自感式传感器3.1.1工作原理1自感型--可变磁阻式原理:电磁感应ToFive相应地，自感式电感传感器分为变气隙厚度电感传感器、变气隙面积S电感传感器、变铁芯磁导率电感式传感器

图4-14自感式传感器示意图

a)变气隙式b)变截面式c)螺管式

1—线圈2—铁心3—衔铁4—测杆5—被测件1.变气隙厚度式电感传感器特点：非线性误差大，常用于小位移测量，且制作装配比较困难，但灵敏度高。1.变气隙厚度式电感传感器特点：非线性误差大，常用于小位移测量，且制作装配比较困难，但灵敏度高。2.变气隙面积式电感传感器特点：线性特性，灵敏度低，常用于角位移测量。

3.变铁芯磁导率式电感传感器

原理：利用某些铁磁材料的压磁效应，又称压磁式传感器。压磁效应：当铁磁材料受力时，在物体内部产生应力，从而引起磁导率发生变化。应用：主要用于测力。3.1.3自感式（变磁阻式）传感器的应用

To4.3.1用于接触式测量；用于静态、动态测量；用于位移、压力、流量、液位等测量。3.2差动变压器式电感式传感器工作原理：利用电磁感应中互感现象将被测量变化转化为线圈互感的变化。

e12=-Mdi/dtM：互感系数，反映了两线圈的耦合紧密程度，其大小与两线圈相对位置及线圈介质的导磁能力有关。初级线圈次级线圈衔铁为板形，灵敏度高，测量范围窄；圆柱形衔铁测量较大位移；可测量微小角位移1.螺管式差动变压器

1）结构与工作原理

(a)三段式PS1S2(b)二段式

螺管形差动变压器按绕组排列方式有：一段式、二段式、三段式、四段式及五段式。其主要结构都是由三部分组成：线圈绕组，可移衔铁，导磁外壳。

次级线圈初级线圈2.差动变压器的应用板的厚度测量

板的两侧对称放置两个差动变压器传感器，板的厚度对应变压器铁芯位移量，并由变压器传感器输出电压信号实现厚度测量。张力测量To4.3.2第4节电容式传感器4.1电容式传感器的工作原理及结构形式4.2传感器的等效电路4.3传感器的信号调理电路4.4影响传感器精度的因素4.5传感器应用工作原理：利用电容器的原理，将被测非电量转化为电容量的变化。优点：结构简单、体积小、分辨率高、频响范围宽、可非接触测量。缺点：电容量小，输出阻抗高；存在寄生电容，导致性能不稳定；有的传感器输出特性为非线性。应用：位移、振动、加速度、压力、液位等。4.1电容式传感器的工作原理及结构形式根据电容器变化参数的不同，分为3种类型：变间隙式：测量微小线位移变面积式：测量角位移或较大线位移变介电常数式：测量液位、固体厚度、介质湿度、密度4.1.1变间隙式电容传感器有了云母片，极板间起始距离可大大减小。差动式电容传感器差动结构的优点：灵敏度提高一倍；非线性误差大大下降；还能减小静电引力带来的误差，改善环境影响造成的误差。4.1.2变面积式电容传感器（1）角位移式角位移型+++（2）线位移式

增大极板边长b，减小间隙d，都可以提高灵敏度。但边长a过大，边缘效应会影响线性特性。4.1.3变介电常数式电容传感器（1）测量液位（2）测量纸张、绝缘薄膜厚度或粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质湿度4.4电容式传感器

1.电容式测微仪

用以测量金属表面状况、距离尺寸、振幅等参数，一般采用单极式变间隙电容传感器。4.5电容式传感器的应用驻极体电容传声器

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。特点是体积小、性能优越、使用方便。电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的极距发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。4.4电容式传感器

2.差动电容式压力传感器ToTwo（动电极）（固定电极）（固定电极）3.电容式液位传感器4.电容式液位传感器第十一节

传感器信号处理电路

目的：将电阻、电感、电容变化转化为电压或电流的变化。

1.测量电桥的工作原理1。直流电桥1)单臂电桥

单臂电桥灵敏度最低，且存在非线性误差。双臂电桥全桥两个性能相同应变片，一个受拉应力，一个受压应力四个性能相同应变片，两个受拉应力