第二章无源传感器.ppt

1、第 1 章 无源传感器,1.1 电阻式传感器,核心器件：线绕电位器、电阻应变片等。 主要应用：力学参数的测量(位移、压力、荷重、加速度等)。,1.1.1 电位器式电阻传感器,一、线绕式电位器传感器 1.线绕式电位器的结构和工作原理, 空载特性,等截面线绕式电位器, 有载特性,结论：K L不能太小！,2.线绕式电位器的阶梯特性及其分辨率, 阶梯特性及产生原因,图 13 阶梯特性,阶梯特性是由滑动触点(电刷)在移动过程中, 从一匝滑到另一匝时电阻值产生突变所引起的。其阶梯值U为：,N 绕线总匝数, 分辨率及阶梯误差 分辨率：,阶梯误差：,在理想情况下，工作曲线均匀穿过实际曲线的阶梯，此时的阶梯误差

2、为：,一、应变效应的理论基础 1金属导体的 电阻定律(线材),其全微分：,给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系。在力的作用下，L、A、均可发生变化，R 亦可发生变化。,1.1.2A 应变式电阻传感器,2材料的泊松比 与 dL/L、dA/A 在力的作用下的相互关系,定义：,*可得电阻的相对变化与轴向(线)应变的关系,半导体材料的总电阻的相对变化与应变的关系为：,最后得到半导体应变电阻效应的灵敏系数 ：,*,5讨论：一般材料= 0.20.4、E =(0.12.1)1011N/m2、=(4080)10-11m2/N，所以(c1时，如康铜)：,由此可见半导体材料的应变电阻效应要更大些。

3、,2分类 (按敏感栅的结构特点和构成材料进行分类),丝式 箔式 半导体式,3工作方式 (工作原理),应变片在使用时，用粘合剂粘在试件表面，用来测量试件表面的应变的。粘贴时需使栅丝的轴线沿应变方向。,注：当试件的应变方向不单一时，要使用多片。,1直流电桥法,当负载电阻R L时，输出电压U0,1-6,当负载电阻R L为有限值时的输出电压U0,实际使用中负载电阻R L虽然无法满足，但下式很容易满足：,此时输出电压U0仍可表示为：,电桥的平衡条件 这是我们熟知的：U0=0 R1R4-R2R3=0,电压灵敏度,根据电桥的平衡条件，在平衡条件下有：,应变片受应变作用，电桥从平衡状态开始， R 1 R 1+

4、R 1， U0 为：,实际应用中，可用电阻应变片来代替R1，设桥臂比n :,几点讨论,同时与应变、供电电压E成正比，但 E 的增大受电阻最大允许功耗的限制。, S V是n 的函数,平衡时的,非线性误差： 定义为,金属应变片R 较小，在要求不高时非线性误差可以忽略，半导体则必须补偿。,非线性误差的补偿方法,差动电桥法 a半桥差动电路,由于n = 1 所以,输出U 0为纯线性，且灵敏度提高了一倍。,1-7,b全桥差动电路,输出U 0为也纯线性，且灵敏度又提高了一倍。,有些使用条件下，无法构成差动电桥时，可以采用下面介绍的恒流源供电的方法进行补偿。,恒流源供电法 a恒流源供电电桥,特点：桥路供电电流

5、I =恒量。,工作原理分析 设：流过R1、R2支路的电流为I1； 流过R3、R4支路的电流为I2。 输出U 0在无应变时为:,当有应变发生时R 1 R 1+R 1，在无应变时满足R1=R2=R3=R4输出为：,1-9,b双恒流源电路,例如：某应变测量电桥的SV = 5mV/V, 则当供桥电压为6V时，满量程输出电压为30mV。,特点：输入阻抗等于运放的差动输入阻抗(目前运放的差动输入阻抗可以做到1091012)，增益调节方便。是典型仪器放大器电路。,特点：输入阻抗等于运放的差动输入阻抗，电路简单，增益亦可调节。, 电路类型,1.1.2B 应变式电阻传感器的应用,一、力（荷重）传感器 1. 柱式

6、力传感器（柱的截面积为A）,轴向应变。,2 .梁式荷重传感器 等截面梁式荷重传感器,一端固定，一端自由，厚度为h, 长度L0 ，自由端力F 的作用点到应变片的距离为L ，该点的协强：,此位置上下两侧分别粘有4只应变片，R1、R4同侧；R3 、R2同侧，这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥。, 等应力（等胁强）梁式荷重传感器,通常采用厚度 h 不变，宽度 b 改变来满足：,其他讨论与等截面梁式荷重传感器相同。,二、应变式加速度传感器 基本原理：F = m a 。,对于梁式传感器当集中质量块的质量为m 时：,实际应用中a 不是恒量(也不能是恒量),所以需要分析其动态响应 (二阶传

7、感器)。设传感器的壳体在外力作用下做简谐振动，其位移为,x,比较, 系统分析,必须避免！,一般为 0.40.8,对于(正弦)激励,系统的输出x( t )应为输入x1( t )与其幅频特性的乘积(x与x1的相差近似为零),x(t )的振幅xm,三、应变式压力（压强）传感器 薄板式(膜片式)压力传感器 当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生形变(应变)，贴在另一侧的应变片随之形变(应变)，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。,正应变最大,径向负应变最大, 贴片位置,在t =r的两个半径处分别粘贴个于检测径向应变和切向应变的应变片，构成全差动电桥。, 筒式应变压力

8、传感器,性能特点：可用于高压测量。 结构特点：圆柱盲孔，环向应变。,环向应变p,壁厚较薄时,以上两款压力传感器均是利用弹性元件将压力转变成应变，再用应变电阻（应变片）将这种应变转变成电阻的变化，从而测得作用压力的大小。金属应变片的性能较为稳定，工艺也较为成熟，但比较复杂，贴片的工艺水平对性能的影响较大，输出较小。,四、固态压力传感器 结构 利用半导体扩散技术，在n型硅基底(硅杯的圆形膜片)上扩散出4个p型电阻，利用其压阻效应，构成敏感电桥，当压力作用在薄片上，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。, 受压圆膜的应力分布,径向 切向,1.1.3 热电阻 利用电阻

9、率（电阻值）随温度的变化特性测温 一、常用的几种金属热电阻 1.铂电阻 铂电阻的物理、化学比较稳定，因而在温度不是太高的工业测温领域应用比较广泛。在0630.74温度范围内，铂电阻的阻值与温度的关系：,-1900温度范围内阻值与温度关系：,为了使用上的便利，已将R0不同铂电阻的Rt - t关系制成了分度表，供使用时查阅。,2关于铂电阻温度系数的说明 铂电阻的温度系数与其纯度有关，铂的纯度常用W(100)来表示，在精密测量时应给与充分考虑。,而根据R0可分为46、50（Pt50）、100（Pt100）、300（Pt300）和1000等几档。,3铜电阻 在对测量精度要求不太高，测温范围不大的情况下

10、，可以使用铜电阻，以利于降低成本。在-50150的温度范围内铜电阻的的阻值与温度的关系为：,4其它热电阻（低温热电阻） 铟、锰、碳等电阻可以在低温下工作，测温下限可达-200以下。,W铜(100)1.425，大于铂电阻。即灵敏度比铂电阻高，成本也低。,二、热电阻的测量电路 三线制电桥电路和四线恒流源电路 如(a)图所示。其目的是为了减小引线电阻对测量的影响。,(a)图的等效电路如左下图。采用这种方法可以将引线电阻r1、 r2的影响减小一半左右，但不能完全消除。如果利用 (b)图所示的四线电阻连接法，采用恒流源供电可以完全消除引线电阻的影响。当测量仪表的内阻无限大时,由于没有电流流过测量仪表一侧

11、的电路，所以测量仪表的读数U为U =RtI0，与引线电阻r1 r4无关。,2热敏电阻的温度特性 热敏电阻的温度特性由三种类型： 负电阻温度系数热敏电阻（NTC）； 正电阻温度系数热敏电阻（PTC）； 具有临界温度特性的热敏电阻（CTR），即在某各温度下（临界温度），电阻的阻值将会发生突变。 应该指出，由于热敏电阻的线性不好，现在已基本不再用来作温度测量使用了。但是由于成本低，在定点温度控制等场合中还有较大的应用市场。,1热敏电阻的结构形式 热敏电阻是由一些金属氧化物按不同比例配方经高温烧结而成，或用半导体材料制成的。形状有很多种，如所示。,四、热敏电阻,1.2 电容式传感器,1.2.1 电容式

12、传感器的结构和工作原理,典型应用范围：差压、(角)位移、振动、加速度、物位、成分含量、层析,一、基本工作原理（物理学内容的复习） 1.平行板电容器,电容量C,忽略了边缘效应,当平行板的间距d 远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时，对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。,2.同心圆筒形电容器,忽略了边缘效应: L (R r ),在上述两种电容器中，决定其容量大小的诸多参数之一在待测对象的作用发生变化，其电容量将随之改变，这就是电容式传感器的物理基础。对于平行板电容器可以变化的参数有：、A、d等；对于同心圆筒形电容器可以变化的参数有：、L、r/R等。,二、变极距型电容式传感器（平行板

13、电容器式）,当极距 d0 d1 = d0-d 时，则电容量C0 C1。,C0,0,然而，d0受介质的绝缘强度限制（空气:约 3KV/mm），不可太小。通常，d 在25200m之间， d /d0 0.1（非线性误差不可太大）。 利用d C的特性，可以测量微小位移或厚度。,放置了介质片的变极距型电容式传感器容量变化公式的推导,三、变极板面积形电容传感器,定极板,动极板,平板电容式角位移传感器,1.角位移传感器 模型：两半圆形板极(定板极和动板极)的间距为d , 面积均为A ，可绕同圆心转动，其夹角为。,C1（C）与（角位移）成线性关系。,2.同心圆筒形线位移电容式传感器 模型：如右图。初始电容C0

14、：,当内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：,四、动介质型电容式位移传感器,模型：如右图，这种电容可以看成是CA、CB两个电容的并联。设板极宽度为b 则：,C与a 成线性关系。,由于单层平板式电容的容量较小，所以实际应用中常常采用多片重叠极板并将其并联，以增大容量。如收音机的调谐电容等。,五、电容式传感器的输出特性,从前述讨论可知，变极板面积形电容传感器的电容量与作用量（、L）间呈严格的线性关系，而变极距型电容式传感器仅在d/d 较小时呈近似线性关系。按线性关系处理，必然带来一定的非线性误差。,为减小或消除这种非线性误差，可采用差动电容式传感器。,1. 差动电容式传感器及其输出特性,(C1、

15、C2的介质相同),设初态d01=d02=d0, 则C01=C02=C0。动板极上移d：,不会过零点的,2.变极距型电容式传感器的输出特性,对这两个输出特性作一简单的比较即可发现，差动电容传感器的非线性因子要比变极距型电容式传感器的非线性因子小得多，做近似性线性处理后，差动电容传感器的非线性误差自然也要小得多。,3. 近似公式的非线性相对误差, 差动电容传感器,变极距型电容式传感器,实际公式,近似公式,六、电容式传感器的输出灵敏度,输出灵敏度的定义：电容量的变化C与引起该变化的机械位移L (d )的比值。,1. 平板型变极距型电容式传感器的输出灵敏度,2. 其它类型的电容式传感器的输出灵敏度,此

16、处讨论从略，请同学们自行讨论，日后可能作为作业问题。,1.2.2 电容式传感器的等效电路及特性,一、电容式传感器的等效电路,图3-9电容式传感器的等效电路,RP 并联损耗电阻(板极间的漏电及介质损耗) RS 串联损耗电阻(引线电阻及高频驱肤效应) L 分布电感 C 传感器电容,在RP、 RS忽略时，传感器的等效电容Ce由:,容抗 感抗,二、电容式传感器的几个典型特点,1.高阻抗 直流电阻趋于无穷大，交流阻抗1/( jC)由于C一般较小，当频率不太高时交流阻也很大。 2.小功率 视在功率PC=UI=U 2C，由于C很小，则在频率不太高时PC也很小。 3.存在静电吸引力 由于板极间距很小，所以静电

17、力就比较明显，特别是小板极间距测量时可能会引入附加误差。 4.测量回路通常要用交流回路。,三、边缘效应及修正,+,-,d,平行板电容器,电力线,边缘效应,实际电容量：,修正方法：使用保护环。,1.2.3 电容式传感器的信号变换电路,一、交流不平衡电桥,对于差动电桥：,实际上，对于差动电容传感器，初态电容C1=C2=C则其初态阻抗：,关于平板型差动电容式传感器的详细讨论,二、差动脉宽调制电路,1.电路基本结构（R-S 触发器）,2.工作过程,设加电初态 则C1充电。开始时刻，VC、VD Ur A2输出低,输出低电平 C1 经D1放电 VC Ur A1输出低电平 C2 经D2放电 VD Ur， A

18、1恢复高电平。同时C1充电。 C1充电时间T1,R-S 触发器高电平输出,3.输出分析,对于变极距差动电容传感器:,三、运算放大器电路,反相比例放大器：,由于dx=d0+d，所以d =0时U00，欲使d =0时U0= 0，可用：,Cx0为初态电容 （d =0）,变极距,反相比例放大器：,相位相反,四、电容式传感器的应用,1. 电容式压力传感器 主要讨论球、平面型差动电容压力传感器。,原理模型 当PH=PL时中心膜片处于平直状态，膜片两侧电容均为C0；PHPL时，中心膜片上凸，上部电容为CL，下部电容为CH。此时，CH 相当于当前膜片位置与平直位置间的电容CA和C0的串联；而C0又可以看成是膜片

19、上部电容CL与的CA串联。即：,现在，需要解决的问题是，中心膜片处于平直状态时，C0=C(d0)=?；当PHPL模片上凸hmax时，CA=C(h)=?。,电容量分析 设膜片半径为a，球冠形固定电极的半径为R，固定电极的实际拱底半径为b，拱底距膜片的距离为db，当d0R时：,在PH-PL作用下中心膜片的上凸量h近似为:,而CA为：(积分求解过程省略),利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出U0 ：,输出U0与差压PH-PL成正比。,计算点半径,2. 电容式物位传感器（物位计） 根据电容式物位计原理示意图，可以得到该同心圆筒形电容器的总电容C与Lx成正比：, 一种实际的电容式液位计模型 这种电容式液位计适合用于测量水或其它具有导电性质液体的液位，浸没在液体中的绝缘电缆的芯线作为同轴电容器的内导体，导电性液体作为,外导体，绝缘层为电介质,介电常数为=0r 。当浸没深度为h，电缆的芯线直径为d1，电缆外径为d2时，芯线与导电液体间的电容Cx：,与h成正比。, 模型电路分析 这种电容式液位计的测量电路由环形二极管电路构成，用频率为f(周期为T )的方波驱动。方波低电平为E1，高电平为E2，工作过程如下： 方波高电平期间,方波电平经C1、D1给Cx充电到E2，又经C1、 Ce、D3给C