传感器与智能检测技术 课件全套 第1-12章 传感器概述基本特性-智能汽车中的传感器

《传感器与检测技术》第1章-传感器概述与基本特性学习内容1.1、传感器概述1.2、传感器的静态特性第1章-传感器概述与基本特性1.3、传感器的动态特性【学习目标】1.掌握传感器的定义；2.理解传感器的敏感元件、转换元件和转换电路；3.熟悉传感器的分类；4.掌握传感器的静态特性和动态特性；5.了解传感器的发展趋势。【重点和难点】1.传感器定义、组成和分类；2.传感器特性指标；3.传感器的动态特性分析。【职业素养】1.熟知传感器定义、分类，了解其在多领域应用及特殊要求。2.关注前沿动态、行业标准，确保工作与时俱进、符合规范。3.能洞察应用场景需求，发现既有问题并思考改进方向。4.精准把握精度、分辨率等静态特性与响应时间等动态特性，依需求选型设计。5.运用算法处理原始数据、提取有效信息，为决策控制助力。1.1、传感器概述1.1.1、传感器的定义与组成传感器的定义

根据我国国家标准（GB/T7665–2005），传感器（Transducer/Sensor）的定义为：“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。（1）传感器是一种能够完成提取外界信息任务的装置。（2）传感器的输入量通常指非电量，如物理量、化学量、生物量等；而输出量是便于传输、转换、处理、显示等的物理量，主要是电量信号。例如电容传感器的输入量可以是力、压力、位移、速度等非电量信号，输出则是电压信号。（3）传感器的输出量与输入量之间精确地保持一定规律。这一定义包含了几个方面的含义：1.1、传感器概述一、传感器的定义与组成传感器的组成（1）敏感元件：是传感器中能直接感受被测量的部分，即直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量。（2）转换元件：是传感器中将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。（3）转换电路：将电路参数转换成便于测量的电压、电流、频率等电量信号。1.1、传感器概述1.1.2、传感器的分类按被测量来分。按传感器的工作原理来分。按能量关系来分按输出信号来分传感器常用的分类方法有几种：1.1、传感器概述按被测量分类物理传感器化学传感器生物传感器位移传感器气体传感器细胞传感器力传感器离子活度传感器免疫传感器速度传感器离子浓度传感器微生物传感器振动传感器成分传感器酶传感器

压力传感器温度传感器…组织传感器……1.1、传感器概述阻抗式传感器电动势式传感器电阻式传感器霍尔式传感器光纤传感器电容式传感器压电式传感器红外传感器电感式传感器热电偶传感器图像传感器………光电式传感器按工作原理分类1.1、传感器概述直接将被测量转换为电信号。热电偶传感器、压电传感器…能量转换型（发电型）能量控制型（电参量型）先将被测量转换为电参量，在外部辅助电源作用下才输出电信号。应变式传感器、电容式传感器…按能量关系（被测量与输出电信号的关系）分类1.1、传感器概述输出信号为模拟量的传感器。如，热电阻传感器、压电传感器…模拟式传感器数字式传感器按输出信号分类输出信号为数字量或数字编码的传感器。如，光电编码式传感器、光电接近开关、感应同步器…1.1、传感器概述1.2.3、传感器技术的发展1固态化趋向2集成化和多功能化趋向3图象化趋向4智能化趋向

将敏感元件、转换单元和信号处理单元集成。

传感器信号处理的智能化，可完成传感器的自动补偿，自动调整和信号的识别等等。

固态传感器体积小，便于集成。目前最先进的固态传感器是在一块芯片上同时集成差压、静压和温度传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿。

开始发展从一维、二维到三维空间的测量问题。1.1、传感器概述1.2-传感器的静态特性1.2传感器的静态特性传感器的基本特性：传感器的输入－输出关系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现传感器的静态特性：在稳态信号作用下的输入－输出关系。不含有时间变量。输入信号分为：稳态、动态对应传感器特性：静态特性、动态特性1.2传感器的静态特性1.2.1线性度传感器的输入、输出间成线性关系的程度非线性特性的线性化处理式中——线性度（非线性误差）；

——最大非线性绝对误差；——输出满量程。1.2传感器的静态特性1.2.2灵敏度传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值或1.2传感器的静态特性1.2.3分辨率分辨率是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示。1.2传感器的静态特性1.2.4迟滞在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等的现象产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等迟滞用正、反行程输出值间的最大差值与满量程输出的百分比表示，即：1.2传感器的静态特性1.2.5阈值传感器阈值是指传感器在接收到外界输入信号时，所能感知的最小或最大的信号强度的值。当一个传感器的输入从零开始缓慢地增加时，只有在达到某一最小值后才测得出输出变化，也就是零位附近的分辨力，这个最小值就称为传感器的阈值。大多数情况下阈值的大小主要取决于传感器的噪声大小。1.2传感器的静态特性1.2.6重复性传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入－输出特性曲线一致的程度

重复性指标一般采用输出最大不重复误差

与满量程输出

的百分比表示。即：1.2传感器的静态特性1.2.7漂移传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象产生原因：传感器自身结构参数老化(零点漂移)测试过程中环境发生变化(温度漂移)1.3、传感器的动态特性1.3传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。常采用阶跃信号和正弦信号作为输入信号在采用阶跃输入研究传感器的时域动态特性时，常用延迟时间、上升时间、响应时间、超调量等来表征传感器的动态特性。在采用正弦输入信号研究传感器的频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数动态误差（如温度计测温）1.3.1传感器的数学模型传感器的理想动态特性：当输入量随时间变化时，输出量能立即随之无失真地变化。实际上：存在弹性、惯性、阻尼元件，与输入量、输入量的变化速度、输入量变化的加速度等有关工程上常用线性时不变系统理论来描述传感器的动态特性用常系数线性微分方程（线性定常系统）表示传感器输出量与输入量的关系1.3传感器的动态特性线性时不变系统有两个重要的性质叠加性如果则：频率保持特性如果则：1.3传感器的动态特性1.3传感器的动态特性1.3.2传递函数特性关系式（常系数线性微分方程。如果输入信号为静态信号，表达式？）：传递函数：变形（体现内部结构参数的外部反映，只与系统结构参数有关）：拉氏变换（设各阶时间导数的初始值为0）：1.3传感器的动态特性1.3.3频率响应函数傅立叶变换得到频率响应特性：相频特性：幅频特性：指数表示：1.3传感器的动态特性1.3.4一阶传感器的频率响应一阶传感器的微分方程为：它可改写为：式中——传感器的时间常数，

；——传感器的静态灵敏度，

1.3传感器的动态特性一阶传感器的传递函数、频率响应特性、幅频特性、相频特性分别如下：

传递函数频率响应特性幅频特性相频特性1.3传感器的动态特性1.3.5二阶传感器的频率响应典型的二阶传感器的微分方程为：传递函数

式中（传感器的静态灵敏度。可令

，即

）；

（传感器的固有角频率，时间常数

）；

（传感器的阻尼系数）。1.3传感器的动态特性频率响应特性：幅频特性：相频特性阻尼在0－1之间，工作频率远低于传感器的固有角频率时，频率响应特性越好：无失真！1.3传感器的动态特性动态特性分析一阶传感器的时域动态特性图二阶传感器的时域动态特性1.3传感器的动态特性1.3.6一阶或二阶传感器的动态特性参数

①时间常数

：传感器输出由零上升到稳态值的63.2%所需的时间，见图1.9（a）。

②上升时间

：传感器输出由稳态值的10%上升到90%所需的时间，见图1.9（b）。

③响应时间：传感器输出由零上升达到并一直保持在允许误差范围所需的时间。可以是2%、5%或10%，根据实际情况确定。

④最大超调量：输出最大值与输出稳态值的相对误差，即

⑤振荡次数：调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。

⑥稳态误差：无限长时间后传感器的稳态输出值与目标值之间偏差的相对值，即【本章小结】1.传感器是一种能够感觉外界信息并按一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。有时还要加上辅助电源。

2.传感器的静态特性反映了输入信号处于稳定状态时的输出/输入关系。衡量静态特性的主要指标有精确度、稳定性、灵敏度、线性度、迟滞和可靠性等。

3.传感器的动态特性是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性。时域分析主要讨论传感器在单位阶跃输入下的响应，主要从稳定性、准确性和快速性三方面衡量；频域分析则是讨论传感器在正弦输入下的稳态响应，并着重从系统的幅频特性和相频特性来分析。4.测量就是通过实验对客观事物取得定量数值的过程。测量方法有多种不同的分类方法：电测法和非电测法、直接测量和间接测量、静态测量和动态测量、接触式测量和非接触式测量、模拟式测量和数字式测量。其中电测法应用最为广泛。

5.测量误差是客观存在的。可用绝对误差、相对误差和引用误差表示。按照误差的表现规律，主要包括系统误差和随机误差。《传感器与检测技术》感

谢

聆

听机械工业出版社《传感器与检测技术》主讲：XXX第2章-电阻式传感器学习内容2.1电阻应变式传感器2.2气敏电阻传感器第2章-电阻式传感器2.3湿敏电阻传感器【学习目标】知道电阻应变式传感器、气敏电阻传感器、湿敏电阻传感器的工作原理及特点；了解电阻应变式传感器、气敏电阻传感器、湿敏电阻传感器的分类及应用。理解电阻式传感器的直流测量电桥的工作原理；理解电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。

【重点和难点】重点：应变与应变效应的涵义；电阻应变片的温度误差及其补偿方法；应变电阻式传感器的工作原理；电阻应变片的测量电路。难点：电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。

【职业素养】把握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性会分析电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法；了解气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点；会分析半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理；了解应变电阻式传感器的典型应用。第2章-电阻式传感器2.1电阻应变式传感器2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器应变

物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。工作原理

当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。弹性元件具有弹性应变特性的物体弹性应变

当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变2.1电阻应变式传感器2.1.1应变效应应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。一根金属电阻丝如右图所示，在其未受力时，原始电阻值为：

2.1电阻应变式传感器金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。2.1电阻应变式传感器

当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为

：式中：dL/L——长度相对变化量，用应变ε表示为

电阻相对变化量：2.1电阻应变式传感器dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则：材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为：μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。

2.1电阻应变式传感器推得：

定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为2.1电阻应变式传感器一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（∆ρ/ρ）/ε。对金属材料：1+2μ＞＞(∆ρ/ρ)/ε对半导体材料：(∆ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。

灵敏度系数K受两个因素影响2.1电阻应变式传感器2.1.2电阻应变片种类常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片半导体应变片分类金属电阻应变片半导体应变片丝式箔式薄膜式2.1电阻应变式传感器金属电阻应变片金属电阻应变片有丝式和箔式等结构形式丝式金属电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。1—引线

2—覆盖层

3—基底

4—敏感栅2.1电阻应变式传感器敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。基底绝缘及传递应变。测量时应变片的基底粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。通常由纸膜、胶质膜等制成。覆盖层

起保护敏感栅的作用。防湿、防腐蚀、防尘等。

引线

引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线，通常用直径0.1~0.15mm的镀锡铜线或扁带形的其他金属材料制成，用于连接电阻丝与测量电路，输出电参量。2.1电阻应变式传感器

箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。

箔式的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。

箔式应变片与基片的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。目前广泛用于各种应变式传感器中。

箔式金属应变片2.1电阻应变式传感器半导体电阻应变片灵敏度取决于电阻率的变化（压阻效应为主）由于：压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。2.1电阻应变式传感器分析：当半导体应变片受轴向力作用时半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：式中：π——半导体材料的压阻系数;

σ——半导体材料的所受应变力;

E——半导体材料的弹性模量;

ε——半导体材料的应变。

2.1电阻应变式传感器因此：实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：

2.1电阻应变式传感器

测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值σ为：σ=E·ε

2.1电阻应变式传感器2.1.3应变片的动态响应特性

电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声波相同，对于钢材v≈5000m/s。应变波由试件材料表面，经粘合层、基片传播到敏感栅，所需的时间是非常短暂的，如应变波在粘合层和基片中的传播速度为1000m/s，粘合层和基片的总厚度为0.05mm，则所需时间约为5×10⁻⁸s，因此可以忽略不计。但是由于应变片的敏感栅相对较长，当应变波在纵栅长度方向上传播时，只有在应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。2.1电阻应变式传感器

当测量按正弦规律变化的应变波时，由于应变片反映出来的应变波是应变片纵栅长度内所感受应变量的平均值→应变片所反映的波幅将低于真实应变波→带来一定的测量误差（应变片基长

↑→测量误差↑）

。

假设应变波的波长为

，应变片的基长

，则应变波达到最大幅值时其两端坐标应为2.1电阻应变式传感器应变片在其基长

内测得的平均应变

的最大值为故应变波幅的测量误差为

由上式可知:测量误差与应变波长对基长的相对比值

有关。

愈大,误差愈小,一般可取

=10~20。在这种情况下,其相对误差为1.6%~0.4%。考虑到,,故有2.1电阻应变式传感器

应变片的理论响应特性图a所示，

为上升时间滞后示意。由于应变片粘合层对应变中高次谐波的衰减作用，实际应变片响应波形如图b所示。以输出从稳态值的10%上升到稳态值的90%的这段时间作为上升时间

，估算式为应变片的可测频率为ab2.1电阻应变式传感器2.1.4应变片的测量电路

金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。通常采用电桥电路实现微小电阻值变化的电压输出。

例如，有一金属箔式应变片，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2

，所以必须使用电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将

R/R转换为输出电压Uo的。

2.1电阻应变式传感器直流电桥的工作原理

如图所示为一直流供电的平衡电阻电桥，它的4个桥臂由电阻

，

，

，

组成。为直流电源，接入电桥的A、C两个点，从电桥的B、D两个点得到输出，其输出电压为

。（2.13）2.1电阻应变式传感器当电桥平衡时，Uo=0，则有：

R1R4=R2R3或：

电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。2.1电阻应变式传感器应变片单臂直流电桥应变片测量电桥在工作前应使电桥平衡（称为预调平衡），以使工作时的电桥输出电压只与应变片感受应变所引起的电阻变化有关。初始条件为

单臂工作电桥只将一个桥臂上的电阻换成应变片，如图所示，将

换成应变片，测量时应变片的电阻变化为。将代入式（2.13），电路输出电压为（2.15）2.1电阻应变式传感器将

代入式（2.15），可得

电桥的电压灵敏度为一般情况下，

量很小，因为

，可以忽略式中的分母中的，因此（2.17）2.1电阻应变式传感器应变片双臂直流电桥（半桥式）

式（2.17）是略去了分母中的较小量

得到的理想值，但这种处理会使结果存在非线性误差。为减小非线性误差可采用差动是电桥，也就是半桥式或全桥式。

半桥电路中用两只应变片，把两只应变片接入电桥的相邻两支桥臂。根据被测试件的受力情况，一个受拉（

），一个受压（

），如图所示。使两支桥臂的应变片的电阻变化大小相同、方向相反，即处于差动工作状态，此时，输出端电压为（2.19）将

，

代入式（2.19）中，得双臂电桥的电压灵敏度为2.1电阻应变式传感器应变片四臂直流电桥（全桥式）把4只应变片接入电桥，并且差动工作，即两个应变片受拉，两个受压，如图2-8所示。则将

，

代入式（2.21）中，得（2.21）（2.22）对比式（2.18）、式（2.20）、式（2.22）可知，用直流电桥做应变的测量电路时，电桥输出电压与被测应变量呈线性关系，而在相同条件下（供电电源和应变片的型号不变），差动工作电路输出信号更大，半桥差动输出是单壁输出的2倍，全桥差动输出是单臂输出的4倍。即全桥工作时，输出电压最大，检测的灵敏度最高。2.1电阻应变式传感器2.1.5电阻应变片温度误差及其补偿应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。

1)电阻温度系数的影响

敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0(1+α0Δt)

当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：

ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt

式中:Rt——温度为t时的电阻值；

R0——温度为t0时的电阻值；α0——温度为t0时金属丝的电阻温度系数；Δt——温度变化值，Δt=t-t0。2.1电阻应变式传感器

2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l0,它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)

当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为：

2.1电阻应变式传感器电阻应变片的温度补偿方法

电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。

电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法。

g为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和R2对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。2.1电阻应变式传感器

测量方法：

当被测试件不承受应变时：R1和R2又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有：工程上，一般按R1=R2=R3=R4

选取桥臂电阻。

温度补偿的实现：当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即：

2.1电阻应变式传感器应变的测量：被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量ΔR’1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为：可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。

注意补偿条件：

①在应变片工作过程中，保证R3=R4。②R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。③粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。④两应变片应处于同一温度场。

2.2气敏电阻传感器2.2气敏电阻传感器2.2.1气敏电阻的主要类型电阻式气体传感器是目前使用较广泛的气敏传感元件之一。按其结构可分为三类：烧结型、薄膜型和厚膜型。烧结型气敏元件MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组为加热电极兼工作电极。

气敏电阻工作时必须加热到200~300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）2.2气敏电阻传感器薄膜型气敏元件薄膜型气敏元件的制作是采用真空镀膜或溅射的方法，在处理好的石英或陶瓷基片上形成一薄层金属氧化物薄膜（SnO2、ZnO等），再引出电极，就构成了薄膜型气敏元件。大量实验证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。薄膜型气敏元件的结构如图2-17所示。该类器件的优点是灵敏度高、响应快、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等。2.2气敏电阻传感器厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与3％～15％重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400～800℃高温下烧结1～2小时制成优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产

厚膜型气敏器件

2.2气敏电阻传感器2.2.2、气敏电阻的典型应用矿灯瓦斯报警器

如图所示为矿灯瓦斯报警器原理图。瓦斯探头由QM-N5型气敏元件、

及4V矿灯蓄电池等组成。

为瓦斯报警设定电位器。当瓦斯超过某一设定点时，

输出信号通过二极管VD1加到VT2基极上,VT2导通，VT3，VT4便开始工作。VT3,VT4为互补式自激多谐振荡器，它们的工作使继电器吸合与释放,信号灯闪光报警。2.2气敏电阻传感器自动排风扇控制器

当厨房由于油烟污染或由于液化石油气泄漏（或其他燃气）达到一定浓度时，它能自动开启排风扇，净化空气，防止事故。

如图所示为自动排风扇控制器。该电路采用QM-N10型气敏传感器，它对天然气、煤气、液化石油气有较高的灵敏度，并且对油烟也敏感。传感器的加热电压直接由变压器次级（6V）经降压提供；

工作电压由全波整流后，经

滤波及

，VZ5稳压后提供。传感器负载电阻由

及

组成(更换

的大小，可调节控制信号与待测气体的浓度关系)。

，VD6，

，IC1组成开机延时电路，调整使其延时为60s左右(防止初始稳定状态误动作)。

当达到报警浓度时，IC1的两端为高电平，使IC4输出高电平，此信号使VT2导通，继电器吸合(启动排风扇)；组成排风扇延迟停电电路，使IC4出现低电平后10才使J释放；另外，IC4输出高电平使IC2，IC3组成的压控振荡器起振，其输出使VT1导通或截止交替出现，则LED(红色)闪光报警信号。LED(绿色)为工作指示灯。2.2气敏电阻传感器家用有毒气体报警器一氧化碳、液化气、甲烷、丙烷等都是有毒或可燃性气体。在家庭中，若有毒或可燃性气体浓度超过一定值时，将对人身安全造成危害。下图是家用有毒气体报警器的电路图，其中QM-N10是电阻式气体传感器,它采用的是N型半导体器件，用作探测头。QM-N10是一种新型的低功耗、高灵敏度的气敏元件，其内部有一个加热丝和一对探测电极(A极与K极)。当空气中不含有毒气体或有毒气体的浓度很低时，A、K两极间电阻值很大，流过电位器RP的电流很小，K点为低电平，达林顿管U850不导通；当空气中有毒气体的浓度达到一定值时，A、K两点间电阻值迅速下降，使得电位器RP上流过的电流突然增加，K点电位升高，向电容C2充电，直至C2上电压达到U850的导通电位(约1.4V)，U850导通，驱动集成芯片KD9561控制扬声器发声报警。当有毒气体浓度下降到使A、K两点间恢复到高电阻状态时，K点电位低于1.4V，U850截止，报警消除。2.3湿敏电阻传感器2.3湿敏电阻传感器2.3.1湿度的定义及其表示方法所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量它通常有如下几种表示方法：绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸气的质量，其数学表达式为：

绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量。相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数。其数学表达式为：相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用露点是指在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度。2.3湿敏电阻传感器电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器

氯化锂湿敏电阻是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。它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。

原理：当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。湿敏电阻结构示意图氯化锂湿度—电阻特性曲线2.3湿敏电阻传感器陶瓷式电阻湿敏传感器陶瓷湿敏电阻传感器的核心部分是用铬酸镁-氧化钛(MgGr204-TiO2)等金属氧化物以高温烧结工艺制成的多孔陶瓷半导体，结构如图所示。它的气孔率高达25%以上，具有1um以下的细孔分布。与日常生活中赏用的结构致密的陶瓷相比，其接触空气的表面显著增大，所以水蒸气极易被吸附于其表面及其空隙之中，使其电阻率下降。当相对湿度从1%RH变化到95%RH时，其电阻率变化高达4个数量级以上，因此在测量电路中必须考虑采用对数压缩手段。多孔陶瓷置于空气中易被灰尘、油烟污染，从而使感湿面积下降。如果将湿敏陶瓷加热到400℃以上，就可使污物挥发或烧掉，使陶瓷恢复到初期状态，因此必须定期给加热丝通电。陶瓷湿敏传感器吸湿快(10s左右)，而脱湿要慢许多，从而产生滞后现象。当吸附的水分子不能全部脱出时，会造成重现性误差及测量误差。2.3湿敏电阻传感器2.3.2湿敏电阻传感器的典型应用汽车后玻璃加热去湿电路

如图所示。图中

为嵌入玻璃的加热电阻

，

为设置在后窗玻璃上的湿度传感器。由VT1和VT2半导体管接成施密特触发电路，在VT1的基极接有由

，

和湿度传感器电阻

组成的偏置电路。在常温常湿条件下，由于

的阻值较大，VT1处于导通状态，VT2处于截止状态，继电器KA不工作，加热电阻无电流流过。当室内外温差较大且湿度过大时，湿度传感器

的阻值减小，使VT1处于截止状态，VT2翻转为导通状态，继电器KA吸合，其常开触点KA，闭合，加热电阻开始加热，后窗玻璃上的潮气被驱散。2.3湿敏电阻传感器

浴室镜面水汽清除器电路

如图所示。浴室镜面水汽清除器主要由电热丝、结露传感器、控制电路等组成，其中电热丝和结露传感器安装在玻璃镜子的背面，用导线将它们与控制电路连接起来。【本章小结】弹性敏感元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力转换成电量。

2.电阻应变片传感器的工作原理是基于电阻应变效应，即金属丝的电阻随着它所受的机械变形而发生相应变化。电阻应变式传感器可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数，是目前应用最广泛的传感器之一。

3.压阻式传感器工作原理是基于半导体材料压阻效应，具有灵敏度高、动态性能好、精度高等特点，是应用广泛且发展迅速的一种传感器。4.

气敏电阻传感器是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器，可广泛用于化工生产中气体成分检测与控制;煤矿瓦斯浓度的检测与报警;环境污染的监测;煤气泄漏；燃烧情况的检测与控制。5.湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成，可用于纺织、造纸、电子、建筑、食品、医疗对湿度要求的控制场合。《传感器与检测技术》感

谢

聆

听机械工业出版社《传感器与检测技术》第3章-电感式传感器学习内容3.1、自感式传感器3.2、互感式传感器第3章-电感式传感器3.3、电涡流式传感器第3章-电感式传感器【学习目标】1.掌握自感式电感传感器的工作原理、输出特性和灵敏度；2.掌握互感式电感传感器的输出特性和灵敏度；3.会比较单线圈和差动两种自感式（变气隙式）电感传感器的特性；4.了解电感式传感器的不同测量电路；5.了解电感式传感器的典型应用。

【重点和难点】重点：

自感式、互感式电感传感器的工作原理、输出特性；电涡流电感式传感器的工作原理、等效电路。难点：差动整流电路和相敏检波电路。

【职业素养】1.深入理解自感式、互感式电感传感器的工作原理、输出特性；2.深入理解电涡流电感式传感器的工作原理、等效电路；3.理解差动整流电路和相敏检波电路；4.会分析自感式电感传感器的交流电桥、变压器式交流电桥和谐振式测量电路；5.了解电涡流电感式传感器的调频式、调幅式测量电路；6.了解自感式、差动变压器和电涡流电感传感器的典型应用。电感式传感器的工作基础：电磁感应即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量分为自感式、互感式、涡流式等特点：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、重复性好第3章-电感式传感器3.1、自感式传感器3.1自感式传感器3.1.1工作原理

变磁阻电感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。铁心和衔铁由导磁材料制成。

根据磁路的基本知识，线圈自感可按下式计算：mRNL2=磁路总磁阻由铁芯、衔铁与空气间隙组层，一般情况下，贴心和衔铁的磁阻与空气间隙的磁阻相比很小，则该磁路的总磁阻：电感量计算公式：

请分析电感量L与气隙厚度

及气隙的有效截面积A之间的关系。N：线圈匝数；A：气隙的有效截面积；

0

：真空磁导率；

：气隙厚度。

Ｌ＝f（

，A

）A不变

变气隙型传感器

不变变截面型传感器线圈中放入圆形衔铁可变自感螺管型传感器3.1自感式传感器3.1.2变气隙型自感式传感器输出特性L与δ之间是非线性关系，结构图和特性曲线如图所示δ线圈铁芯衔铁Δδ分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为

当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ，则此时输出电感为3.1自感式传感器当Δδ/δ0<<1时（泰勒级数）：可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即（3.7）（3.8）3.1自感式传感器同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有（3.9）（3.10）对式（3-8）、（3-10）作线性处理，即忽略高次项后，可得3.1自感式传感器灵敏度为可见：变气隙电感式传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变气隙电感式传感器适用于测量微小位移的场合。3.1自感式传感器3.1.3差动式自感式传感器输出特性衔铁上移：衔铁下移：无论衔铁上移或下移，非线性都将增大。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变气隙电感式传感器，结构如图所示。3.1自感式传感器衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（3.7）及式（3.9）表示，差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2,具体表达式为对上式进行线性处理,即忽略高次项得：灵敏度K0为：比较单线圈式和差动式：①差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于Δδ/δ0<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善。3.1自感式传感器3.1自感式传感器3.1.3自感式传感器测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。交流电桥式测量电路同样地，当衔铁下移时：当衔铁上移时：3.1自感式传感器变压器式交流电桥电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压

当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有 ，电桥平衡。当传感器衔铁上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此时可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。3.1自感式传感器6/5/2026102相敏整流电路：既反映输入的大小，又能辩向图中：Z1、Z2为电感传感器的两个线圈，作为交流电桥相邻的两个桥臂；R1、R2两个相同的电阻作为电桥的另两个相邻桥臂。VD1、VD2、VD3、VD4四只二极管构成了相敏整流器。指示电表V则为零刻度居中的直流电压表或数字电压表。CDAB3.1自感式传感器6/5/20261031）衔铁在中间位置时：

Z=Z1=Z2

输出为零3.1自感式传感器2）如衔铁往线圈１方向移：

Z1=Z+ΔZZ2=Z-ΔZ当电源正半周上正下负时，VC＞VD

输出为正当电源负半周上负下正时，VC＞VD

输出仍为正所以：当衔铁往线圈1方向移动时，输出为正（直流电压表正向偏转），其大小与位移相关；6/5/20261043）同理：如衔铁往线圈２方向移：

Z1=Z-ΔZZ2=Z+ΔZ

当电源上正下负时，VC＜VD

输出为负当电源上负下正时，VC＜VD输出仍为负所以：当衔铁往线圈2方向移动时，输出为负（直流电压表反向偏转），其大小与位移相关。3.1自感式传感器谐振式测量电路分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。调幅电路特点：此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。3.1自感式传感器

调频电路：振荡频率 。当L变化时，振荡频率随之变化，根据

f的大小即可测出被测量的值。具有严重的非线性关系。3.1自感式传感器3.2、互感式传感器3.2互感式传感器

把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器，简称差动变压器。

差动变压器电感式传感器的结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。

在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，本章主要讲解螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。3.2互感式传感器3.2.1螺线管差动变压器互感式传感器工作原理

当初级绕组加以激励电压U时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组N2a和N2b中便会产生感应电势E2a和E2b。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理,将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联,因而Uo=E2a-E2b=0,即差动变压器输出电压为零。螺线管式差动变压器等效电路

基本特性

根据差动变压器等效电路。当次级开路时式中：U——初级线圈激励电压；

ω——激励电压U的角频率；

I1——初级线圈激励电流；

r1、

L1——初级线圈直流电阻和电感。..3.2互感式传感器根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得

上式说明，当激磁电压的幅值U和角频率ω、初级绕组的直流电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。3.2互感式传感器①活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M

故Uo=0M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

与E2a同极性。.②活动衔铁向上移动时故输出电压的有效值为③活动衔铁向下移动时M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故与E2b同极性。.3.2互感式传感器3.2互感式传感器3.2.2互感式传感器测量电路

问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);

（2）测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。3.2互感式传感器

这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。Uab=Uao-Ubo差动整流电路可以克服零点残余电压的影响。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。

差动整流电路u0处于正半周时，VD2、VD3导通，VD1、VD4截止，形成两条电流通路，等效电路如图3.15所示。电流通路1为→C→VD2→B→→→RL→

电流通路2为

→RL→→→B→VD3→D→二极管相敏检波电路

3.2互感式传感器相敏检波电路

当u2与u0同处于负半周时，VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，同样有两条电流通路，等效电路如图3.16所示。电流通路1为→RL→→→A→R→VD1→C→

电流通路2为

→D→R→VD4→A→→→RL→

传感器衔铁上移传感器衔铁下移

图3.15等效电路

图3.16等效电路

3.2互感式传感器3.3、电涡流传感器3.3电涡流传感器3.3.1工作原理

当线圈中有交变高频电流i１时，会引起一交变磁场H１

在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流i２，该电流i２即为电涡流。根据楞次定律，由该电涡流产生的交变磁场H２将与线圈产生的磁场H１方向相反，亦即H２将抵抗H１的变化。由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻抗发生变化。电涡流式传感器工作原理示意图电涡流效应演示

当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电流表的读数变大，说明线圈的等效阻抗变小。3.3电涡流传感器3.3电涡流传感器对电涡流式传感器等效电路，根据基尔霍夫定律，列出回路1和回路2的电压平衡方程:

（3.42）

（3.43）等效电路分析

经上分析电涡流式传感器测量位移的工作原理可总结为：当传感器线圈与被测导体间距离远近不同时，它们间的耦合程度不同，反映出的线圈

、

、

的变化就不一样，通过测量

、

、

的变化，就可得到位移量的变化。解（3.42）、（3.43）方程可得到回路内的电流

和

，并进一步求得线圈受金属导体影响后的等效阻抗为：3.3电涡流传感器3.3.2电涡流传感器种类

涡流传感器在金属体上生产的涡流，由于涡流的集肤效应，其渗透深度h与传感器的激磁电流的频率f有关，它们的关系是：

因为涡流的大小与渗透深度均与激磁电流频率密切相关，所以根据激磁电流的频率进行分类，涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。高频反射涡流传感器工作原理：线圈通以高频交流电流I1，线圈周围产生交变磁通H1，它通过金属板形成闭路。金属导体便产生涡流i2，由于集肤效应，高频电磁场不能透过具有一定厚度的金属板，而仅作用于表面的薄层内，电涡流i2除要消耗在金属板发热之外，还将产生交变磁通H2。

根据楞次定律，H2与H1方向相反。由于H2的反作用，抵销部分H1，故两个磁场叠加后，使原来的电感量减小，导致其阻抗的变化，随之线圈电流i1的大小和相位都要发生变化,变化的程度与x有关，据此可进行测量。3.3电涡流传感器低频透射涡流传感器

根据电路理论，由于集肤效应，金属导体产生的电涡流贯穿深度与传感器线圈激磁电流的频率有关。频率越低，电涡流的贯穿深度越厚。利用此原理，制成低频透射涡流传感器，适合测量金属材料的厚度。

工作原理：图中L1为发射线圈L2为接收线圈，L1通入低频信号后，产生交变磁场。磁力线在金属板上产生涡流I，涡流I产生的磁场抵销L1的部分磁力线，使L2接收的磁力线减少，感应电压U2减小，金属板越厚，涡流损耗越大，U2越小，由此可以检测出金属板的厚度。3.3电涡流传感器3.3.3电涡流传感器测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。

传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x),该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。振荡器的频率为为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。3.3电涡流传感器调频式电路3.3电涡流传感器

调幅式电路

由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压：

式中,Z为LC回路的阻抗。

当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。3.4电感式传感器典型应用3.4.1自感式传感器的应用变间隙式差动电感压力传感器电感式测微仪3.4电感式传感器典型应用3.4.2互感式传感器的应用差动变压器式加速度传感器原理图差动变压器式压力传感器原理图1—罩壳；2—差动变压器；3—插头；4—膜盒；5—接头；6—衔铁3.4电感式传感器典型应用3.4.3电涡流传感器的应用如图所示，在一个旋转体上开一条或数条槽，或者将其做成齿状，在其旁边安装一个电涡流式传感器。当旋转体运动时，电涡流式传感器将周期性地改变输出电压信号，此电压信号经过放大、整形，可用频率计指示出频率数值。此值与槽数和被测转速有关,即转速测量3.4电感式传感器典型应用无损探伤电涡流探伤原理用涡流探伤时的测试信号

在探测过程当中，被测体如有裂纹出现，也将引起金属的电阻率、磁导率的变化。裂纹处也可解释为有位移值的变化。这些综合参数（

，

，

）的变化将引起传感器线圈的等效阻抗发生变化，会使调制频率信号在裂纹处会产生较大变化，如图3-32所示，通过对测量信号的变化观测即可达到探伤的目的。【本章小结】1.电感式传感器利用被测量的变化使线圈电感量发生改变来实现测量的。它可分为自感式传感器、变压器式传感器、电涡流式传感器等几种，而前两种又统称为电感式传感器。2.自感式变间隙传感器有基本变间隙传感器与差动变间隙式传感器。两者相比，后者的灵敏度比前者的高一倍，且线性度得到明显改善。

3.变压器式传感器属于互感式传感器，把被测得的非电量转换为线圈间互感量的变化。差动变压器的结构形式有变隙式、变面积式和螺线管式等，其中应用最多的是螺线管式差动变压器。4.电涡流式传感器具有结构简单，频率响应宽，灵敏度高，测量范围大，抗干扰能力强等优点，特别是电涡流式传感器可以实现非接触式测量。应用电涡流式传感器可实现多种物理量的测量，也可用于无损探伤。5.本章除介绍不同类型传感器的工作原理外，还介绍了针对不同传感器的输出变量

、

、

的不同测量电路及各种传感器的应用。《传感器与检测技术》感

谢

聆

听机械工业出版社《传感器与检测技术》主讲：XXX第4章-电容式传感器学习内容4.1电容式传感器工作原理4.2电容式传感器测量电路第4章-电容式传感器4.3电容传感器的典型应用【学习目标】1.知道电容式传感器的工作原理及特点；2.理解电容式传感器的测量电路；3.了解电容式传感器的分类及应用【重点和难点】重点：电容式传感器的工作原理、测量电路；电容式传感器的灵敏度及非线性分析。难点：二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路的工作原理。【职业素养】1.深入理解平板电容式传感器（变面积型、变介质型、变极距型）以及圆筒电容式传感器（变介质型）的工作原理；2.理解调频电路、运算放大器、变压器式交流电桥、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等测量电桥；3.了解电容式传感器的典型应用；4.会分析变极距型电容式传感器的非线性。第4章-电容式传感器4.1电容式传感器工作原理4.1电容式传感器工作原理S——极板相对覆盖面；

d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数；ε0

＝8.854×10-12(F/m)ε——电容极板间介质的介电常数。ε=ε0εr

δSε

由物理学可知，由两平行板组成的平行板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：dS4.1.1变面积式电容传感器4.1电容式传感器工作原理可见，增加极板宽度b，减小两板间距d都可以提高传感器的灵敏度。但d太小时，容易引起短路。此传感器的灵敏度K可用下式求得对于图a平板形位移电容传感器，当动极板移动x后：C0——初始电容值灵敏度为常数线性关系4.1电容式传感器工作原理

平板电容式角位移传感器结构如图4-3所示。设两片极板完全重合（

）时的电容量为

，动极板转动角度

后，电容量变为电容变化量为灵敏度为4.1.2变极距式电容传感器4.1电容式传感器工作原理若变极距式电容器受外力作用，极距减小

，则电容器容量改变为：若

，则

，该式可化简为其灵敏度为4.1电容式传感器工作原理差动变极距式电容传感器在实际应用中，为了改善非线性特性，提高灵敏度及减少电源电压、环境温度等外界因素的影响，电容传感器也常做成差动形式，电容差值为：此时传感器灵敏度由此可见，在电容传感器做成差动式之后，灵敏度提高一倍，且非线性误差减少一个数量级，因此在实际应用中被较多采用。4.1电容式传感器工作原理常见的差动电容式传感器还有以下几种类型，结构原理图如图所示4.1.2变介电常数式电容传感器4.1电容式传感器工作原理

因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数4.1电容式传感器工作原理平面式平面式测位移传感器当有位移输人时，介质板向左移动，使部分介质的介电常数改变，则此时等效电容相当于、并联

，

，即由此可见，电容变化量

与位移

呈线性关系。4.1电容式传感器工作原理测厚仪该电容器的总电容等于由两种介质分别组成的两个电容

与

串联，即

由上式可知，若被测介质的介电常数ex已知，测出输出电容C的值，可求出待测材料的厚度x。若厚度x已知，测出输出电容C的值，也可求出待测材料的介电常数ex。因此，可将此传感器用作介电常数ex测量仪。4.1电容式传感器工作原理圆柱式圆柱式电容器结构图电容式液位计圆柱式电容的计算公式为：下图为电容式液位计原理图。同心圆柱状极板，插入液体深度

，两极板间构成电容式传感器。该电容器总电容为：4.2电容式传感器测量电路4.2电容式传感器测量电路

转换电路实现将微小的电容变化转换为电压、电流或频率等信号。电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥等。被测非电量电容变化电量电容式传感器转换电路2026/6/51484.2.1调频电路

调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f产生相应的变化。4.2电容式传感器测量电路2026/6/5149当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率随之改变，即振荡器频率受传感器电容所调制。

调频电路的灵敏度高，抗干扰能力强。调频振荡器的频率为：

Ｌ—振荡回路的电感Ｃ—振荡回路总电容4.2电容式传感器测量电路2026/6/5150

将电容器接入开环放大倍数为Ａ的运算放大电路中，作为电路的反馈组件。4.2.2运算放大器式电路

图中U是交流电源电压，C是固定电容，Cx是传感器电容，Uo是输出信号电压。传感器电容4.2电容式传感器测量电路2026/6/5151由理想放大器的工作原理可得：结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性。4.2电容式传感器测量电路4.2.3变压器式交流电桥4.2电容式传感器测量电路变压器式交流电桥电路

如图所示为差动接法变压器交流电桥电路，其中相邻两臂接入差动结构的电容传感器。电容传感器没有检测到被测量时，

，电路输出当被测量变化时，则输出电压

与

之间的关系可表示为由上式表明，变压器交流电桥电路

与被测电容

之间呈线性关系。4.2.4脉冲宽度调制电路4.2电容式传感器测量电路原理图

波形图

电路分析：双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。4.2电容式传感器测量电路根据电路知识可求出将这两个式子代入上式，可得4.2电容式传感器测量电路4.2.1电容式压力传感器差动电容式压力传感器原理图电容式差压变送器实物图

上图所示为差动电容式压力传感器原理图。把绝缘的玻璃或陶瓷材料内侧磨成球面，在球面上镀上金属镀层做两固定的电极板。在两个电极板中间焊接一金属膜片，作为可动电极板，用于感受外界的压力。在动极板和定极板之间填充硅油。无压力时,膜片位于电极中间，上下两电路相等。加人压力时,在被测压力的作用下，膜片弯向低压的一边,从而使一个电容量增加，另一个电容量减少，电容量变化的大小反映了压力变化的大小。该压力传感器可用于测量微小压差。4.2电容式传感器测量电路4.2.2电容式位移传感器变面积式位移传感器结构图

这种电容式位移传感器采用了差动式结构如图所示。当测量杆随被测位移运动而带动活动电极位移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，其电容量也相应产生变化。4.2电容式传感器测量电路4.2.3电容式加速度传感器电容式加速度传感器结构图

当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时,质量块在惯性空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使

、

产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速。

加速度传感器安装在