4参数式传感器及其应用.ppt

1、第四章 参数式传感器及其应用,1、了解传感器基本概念 2、电阻式传感器（工作原理、测量电路、特点及应用） 3、电容式传感器（工作原理、测量电路、特点及应用） 4、电感式传感器（工作原理、测量电路、特点及应用）,本章学习要求：,传感技术是自动检测和自动控制系统的第一基础。,测试系统基本组成,在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器： 电冰箱、电饭煲中的温度传感器; 空调中的温度和湿度传感器; 煤气灶中的煤气泄漏传感器; 电视机和影碟机中的红外遥控器; 照相机中的光传感器; 汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。,4.1 概 述,1. 传感器定义,眼（视觉） 耳（听觉） 鼻（嗅觉） 皮肤（触觉） 舌

2、（味觉）,感知外界信息 大脑 肌体,人体系统和机器系统比较,人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。 传感器是人体感官的补充和延伸，有人又称“电五官”。,传感器的定义:,广义： 传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一 定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。 狭义： 能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 国家标准（GB/76652005） 对传感器（Sensor/transducer）定义是： 能够感受规定的被测量并按照一

3、定规律转换成可用输出信 号的器件和装置.,传感器是测量装置，能完成检测任务； 输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,以上定义表明传感器有以下含义：,按使用的场合不同又称为:,发送器、传送器、变送器、检测器、探头,为一次仪表,传感器由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成：,2、传感器的构成,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,敏感元件感受被测量; 转换元件将响应的被测量转换成电参量;

4、 基本电路把电参量接入电路转换成电量;,敏感元件 力、转矩应变 转换元件 应变电阻,转换电路 电阻电压,3. 传感器的分类,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,位移传感器, 力传感器, 声传感器, 压力传感器， 流量传感器， 温度传感器等.,按被测量分类:,2)按工作原理分类:,电阻应变式传感器， 电容传感器， 磁电式传感器， 光电式传感器， 光纤式传感器等,能量转换型:直接由被测对象输入能量

5、使其工作. （有源） 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 （无源） 供给能量的变化.例如:电容式传感器.,3)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号 变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,输出量性质： 电参数型/参数式：R、L、C 工程参数电参数 基本类型:电阻、电感和电容式 无源传感器：本身没有内在的能量转换 电量型/发电式：电压、电流、电荷 工程参数电信号 基本类型:压电式、磁电式、光电式、霍尔式以及热电式 有源传感器：本身就有

6、内在的能量转换,4.2 电阻式传感器,电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化,是能量控制型传感器。 按其工作原理可分为电阻应变式、变阻器式(电位器式)以及热电阻式传感器。,一、电阻应变式传感器,电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。 应变式传感器特征： 不同材料类型：金属应变片、半导体应变片 应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度 主要优点：使用简单、精度高、范围大体积小等,优点：精度高，测量范围广 频率响应特

7、性较好 结构简单，尺寸小，重量轻 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择,缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信 号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内 的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不 能用于过高温度场合下的测量。,各种电子秤,广泛应用于,应变计,金属应变计,1、应变片工作原理,（1）应变片结构 敏感栅高阻金属丝、金属箔 基底绝缘材料 盖片保护层,电阻应变片结构示意图,应变片式传感器的核心元件是应变片，它可将试件上的 应变变化转换成电阻变化。,b,l,敏

8、感栅 由金属细丝绕成栅形。,栅长,栅宽,应变片的标准名义电阻值 （指应变片没有安装且不受力 的情况下，在室温时测定的电 阻值。）通常为60、120、350、600、1000等。 应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许的工作电压亦愈大，可提高测量灵敏度。,应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。,应变片的尺寸制造厂常用b l表示。,（2）应变效应,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机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化现象。,设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的

9、金属丝，其电阻R为,当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值R的变化引起电阻的相对变化为:,式中：,电阻的相对变化,电阻率的相对变化,金属丝长度相对变化，用表示，为金属丝的轴向应变,截面积的相对变化,dr/r金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。,S= r 2,dS /S=2dr/r,r= ,由材料力学知,将微分dR、d改写成增量R、，则,金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。 比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。,式中为金属材料的泊松系数。,KS由两部分组成： 1+2：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此 （1+2）1.6； ：电阻率随应变而引起的变化（称“压阻效

10、应”）。 金属材料：以前者为主，则KS 1+2； 半导体： KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。,金属应变片灵敏系数KS由材料的几何尺寸决定的 应力 =E 可见 应变 R/R 应力 R/R 通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测 量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。,压阻效应：半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明 显变化，这种现象称为压阻效应。,半导体应变片又称压阻式传感器 优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型 化和集成化等。 缺点：受温度影响较大。,半导体材

11、料的灵敏系数S主要由压阻效应引起的电阻率 的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。,对半导体：,式中 压阻系数 E弹性模量,kS50100,应变片技术参数,按材料分： 金属式： 丝式、箔式、薄膜型 半导体式： 体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型 按结构分：单片、双片、特殊形状 按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下,（3）应变片种类,丝式 ：0.025mm金属丝（康铜、镍铬合金、贵金属）做敏感栅 箔式 ：用光刻腐蚀工艺、照相制版制作成厚0.0030.01 的金属箔栅 薄膜式：真空溅射或真空沉积技术，在绝缘基片上蒸度几几百纳米金属电阻薄膜。,(1)灵敏系数,金属丝做成应变片后电阻应变特

12、性与单根金属丝不同； 实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范 围内均为线性关系。,2、应变片的主要特性,测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。 原因：胶层传递变形失真 横向效应,丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分,b,O,l,r,r,dl,d,0,金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,(2)横向效应,横向效应使灵敏系数K下降,横向效应系数H：横向灵敏系数与轴向灵敏系数

13、之比值。,由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。 即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。,为减小横向效应，常采用箔式应变片。,应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性 不重合，即为机械滞后。 产生原因： a 、应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发 生少量不可逆变化；b、在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的 变形或者粘结剂固化不充分。,机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。,(3)机械滞后,对于粘贴好的

14、应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其 电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电 阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。,(4)零点漂移和蠕变,(5)应变极限,在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。,（6）动态特性 当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。,3、应变片的测量电路（信号调理电路）,由于将应变等机械量转换为电阻

15、的变化，此变化的数量是很 微弱的，因此须采用高精度的测量电路电桥。 电桥的作用：将电阻、电感、电容等微小电参量的变化转换为 电压或电流的变化。,电桥分类： 直流电桥 按电源性质分： 交流电桥,按输出方式分：,功率电桥（接低阻抗负载）,电压电桥（接高阻抗负载）,(1)直流电桥,*平衡条件,相对桥臂电阻之积相等。,*电桥的接法 根据电桥工作中桥臂电阻值变化的情况，电桥可分为,半桥单臂,半桥双臂,全桥,讨论： 设： 电桥起始是平衡的,由于 ，电桥输出公式又可写成 ey = e0 e0,上式为电桥加减特性表达式。,（全等臂电桥）,相邻相减，相对相加。,单臂工作：即只有一只电阻R产生R变化时，电桥输出电

16、压,双臂工作：设R1产生正R的变化，R产生负R的变化， 且变化的绝对值相等； 即 ， ， ， ，则电桥输出,即为单臂工作的2倍。,电压与应变成线性关系，可以用电桥测量电压以测量应变,四臂工作：设R1、R3产生正R的变化，R2、R4产生负R的变化，且R绝对值相等，即R1、R3产生正应变，R2、R4产生负应变，且应变的绝对值相等，则电桥的输出 即为单臂工作的4倍。 不同的电桥接法，输出电压不同，全桥接法可获得最大的 输出，其灵敏度最高。,工程上常利用电桥的加减特性，作温度补偿和提高灵敏度等。,电桥加减特性的应用1-温度补偿 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变,电桥加减特性的应用2-提高

17、灵敏度,直流电桥 优点：电源稳定、电路简单，仍是主要测量电路； 缺点：直流放大器较复杂，存在零漂、工频干扰。 交流电桥 优点：放大电路简单、无零漂，不受干扰，为特定 传感器带来方便； 缺点：需专用测量仪器或电路不易取得高精度。 交流电桥对供桥电源要求具有良好的电压波形和频率稳定性。,(2)交流电桥,不同的交流电桥,说明：加减特性对交流电桥形式也完全适用。,动态电阻应变仪中电桥的阻容调节,电阻应变仪 电阻应变片的电阻变化很小。测量电桥的输出信号也很小，不足以推动显示和记录装置，因此需将电桥的输出信号用一个高增益的放大器进行放大，以便推动显示或记录装置，用于完成这一任务的仪器称应变仪。,在测量前，

18、应将电桥调平。但由于接入电桥的每个应变片不可能绝对相同，各桥臂的连接导线及接触电阻也不可能完全一样，因而需设置电阻平衡装置； 对于交流电桥，还须设置电容平衡装置，以消除应变片线栅及接线分布电容的影响。,电阻应变仪,按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动态应变仪，按应变力频率又可细分为： 静态 5Hz； 静动态几百Hz； 动态 5KHz； 超动态几十KHz； 交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、 放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示 电路组成。,交流电桥电阻应变仪工作原理框图,电桥： 测20-200Hz应变力，输出调幅调制波； 放大器：将电桥输出的调幅波放大； 振荡器：产生等幅正弦波提供电桥

19、电压和相敏检波 器参考电压； 相敏检波器：如果应变有拉应变和压应变，可通 过相敏检波电路区分双相信号； 相移器：相敏检波器的参考信号与被测信号有严 格的相位关系； 滤波器：为了还原被检测的信号用低通滤波器去 掉高频保留低频应变信号。,(1) 温度误差 用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。 因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素： 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温

20、度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,4、应变片的温度误差及其补偿,因此，由温度变化引起的总的相对电阻增量为 或,可见：由于温度变化而引起附加电阻变化或造成了虚假应变， 从而给测量带来误差。,常用的温度补偿方法有三种： 桥路补偿法、应变片的自补偿、热敏电阻。,工作片R1粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片R 粘贴在一块不受力的与试件相同材料上。,采用原理：电桥的相邻相减原则。,桥路补偿法,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。,构件受弯 曲应力,构件受单向应力,应变片自补偿法

21、 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为温度自补偿应变片。 选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数 和线膨胀系数 满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。 必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用。,单丝自补偿应变片 若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使 即,双金属敏感栅自补偿应变片 这种应变片也称组合式自补偿应变片。这是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同(一个为正，一个为负)的特性，将二者串联绕制成敏感栅。随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反

22、。,如图所示，热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。,USC,R2,R4,R1,R3,E,Rt,R5,热敏电阻补偿法,1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。 2）将应

23、变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。,电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面：,5、 应变式传感器应用,案例：桥梁固有频率测量,上海卢浦大桥通车应变试验,打桩船吊塔 强度试验,金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。 应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻

24、的变化。,柱式力传感器 梁式力传感器 应变式压力传感器 应变式加速度传感器,力传感器（测力与秤重）,载荷和力传感器是工业测量中使用较多的一种传感器，传感器量程从几克到几百吨。测力传感器主要作为各种电子秤和材料实验的测力元件，或用于发动机的推动力测试，水坝坝体承载状态的监测等。 力传感器的弹性元件有： 柱式、梁式、环式、轮辐式等 (1)柱式力传感器 有空心、实心 在圆筒（柱）上按一定方式粘 贴应变片，圆柱（筒）在外力F 作用下产生形变。,测力与秤重,荷重传感器弹性元件形式,(2)悬臂梁式力传感器,悬臂梁式传感器是一种高精度、性能优良的秤重测力传感器，采用弹 性梁和应变片作转换元件。当力作用在弹性

25、元件（梁）上时，金属与应变 片一起变形使应变片的电阻变化。 悬臂梁主要有两种形式：等截面梁、等强度梁。,（a）等截面梁,（b）等强度梁,梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S型拉力梁等。,（a）双孔梁 （b）S形,各种平行双孔梁,案例：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。,(3)轮辐式测力传感器（剪切力）,轮辐式传感器结构主要由五个部分组成: 轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片。,应变式压力传感器 测量气体或液体压力的薄板式传感器。当气体或液体压力 作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应 变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破

26、 坏，产生输出电压。,（b）,（a）,应变式压力传感器,应变片,应变式加速度传感器 由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。,L,应变片,质量块m,弹簧片,外壳,基座,a,应变式加速度传感器,当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。,案例：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、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,6、压阻式传感器,应变测量: 将半导体条制作成 敏感元件粘贴在被 测试件上。 压力测量: 与

27、金属膜片式压力 传感器原理相同。,利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种物性型 传感器。,加速度测量： 传感器弹性元件是硅梁，在硅梁的根部有四个扩散电阻，当硅梁的自由端因加速度受力作用时，惯性使梁弯曲，弯矩产生的应力使四个电阻值发生变化，应变范围在400500。,压阻式传感器有许多优点： 灵敏度高、动态响应好、 精度高、易于微型化和集成化等。 压阻式传感器缺点： 温度特性差；工艺复杂 压阻式传感器应用领域： 航空工业：用硅压力传感器测量机翼气流 压力分布，发动机进气口处的 动压畸变。 生物医学：将10m厚的硅膜片注射到 生物体内，可做体内压力测 量，插入心脏导管内测量心血管，以及颅内、眼球

28、内压力。 兵器工业：测量爆炸压力和冲击波，测量枪炮腔内压力。 防爆检测：压阻式传感器所需电流小，在可燃体和气体许可值以下，是理想的防爆 压力传感器。,微型硅应变压力传感器,铂、铜的电阻-温度特性曲线 半导体的电阻-温度特性曲线,1、工作原理： 当温度变化时，物质的电阻率随温度变化而变化，热电阻材料的电阻值随温度而变化。用测量电路可将变化的电阻值转换成电信号输出，从而得到被测温度。,二、热电阻式传感器,从敏感元件材料分，热电阻传感器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。半导体热电阻又称热敏电阻。,热电阻材料选择 电阻温度系数a要大，制成的温度传感器的灵敏度越高。电阻温度系数与材料的纯度有关，纯度

29、越高，a值就越大，且稳定 材料的电阻率要大，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小，对温度变化的响应就比较快 在整个测量范围内，物理化学性质稳定、线性、良好重复性 易于加工复制，价格便宜,几种热电阻材料特性,2、金属热电阻传感器,工业中应用最多的是铂和铜,铂电阻 化学稳定性很高，容易提纯，便于加工最常用的材料 用于 范围内的测温、也是基准温度计,铂电阻精度等级：决定于纯度 纯度：百度电阻比W(100)=R100/R0 1.391工业标准 分度号： BA1、BA2（分度表P52）,HT-101铂电阻元件（honeywell ） 分度号：PT100（BA2）量程：-200-450精度：A：0.06 B

30、：0.12外形：1.63.2 25,温度系数a高于其它金属的值，价格低廉，易于提纯 在-50150范围内近似呈线性关系 缺点 电阻率小，体积较大，铜电阻丝细而长，故机械强度降低 易氧化，只能用于无侵蚀性介质,铜电阻,热电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路。为消除引线引起的测量误差，一般采用三线连接法。,三线法,3、热敏电阻传感器,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，元件可制成球状、片状、圆柱状等。,它有负温度系数热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻PTC和临界温度系数 热敏电阻CTR 三种类型。,多数热敏电阻具有负的温度系数，即随温度上升阻

31、值下降，同时灵敏度也下降，这个特性限制了它在高温条件下使用。,热敏电阻不宜用于较宽的温度范围，但对于特定的温度点的检测却十分灵敏。因此热敏电阻可用做温控元件、电路保护元件等。,特点：测量灵敏度较高、成本低、体积小（点温度测量）、 重复性好，可满足不同测温对象的要求，而且适合动态 测量。 缺点：性能不稳定，互换性差，导致测量精度不高。,产品,应用 热电阻式温度传感器（负温度系数）,冷却水温测量：非线性变化、非线性电流、非线性刻度，测量有限温度范围内的温度,温度补偿电路：仪表线圈R铜导线(正系数)，r为锰铜电阻(0温系)，Rt负温系数,温度控制电路：可调电阻、负温度系数热敏电阻和继电器线圈串联组成

32、,温度上升阻值下降电流变大继电器开启降温,温控器,应用,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,4.3 电容式传感器,电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。,电容式传感器的特点是： 小功率、高阻抗;本身发热影响小; 电容器小几十几百微法，具有高输出阻抗; 静电引力小（极板间），工作所需作用力很小； 可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好； 可进行非接触测量。 传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力

33、、压差、液面、成份含量等方面的测量。,各种电容式传感器,1、工作原理:,将被测非电量的变化转化为电容量的变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,当被测量、A或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,一、工作原理与类型,2、分类,a)变极距型;,a)变极距型,传感器的灵敏度为 常数,极距愈小，灵敏度愈高。由于电容量C与极距呈非线性关系， 故这将引起非线性误差。 一般当极距变化 ，或 此时传感器的灵敏度近似为常数。 实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、 增大线性工作范围和克服外界条件(如电源 电压、环境温度等

34、)的变化对测量精度的影 响，常常采用差动型电容式传感器。,b)面积变化型,当动极板有角位移时,电容变化量:,灵敏度： =常数,常用的有角位移型和线位移型两种。,线位移型电容传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种,平面线位移型,灵敏度： =常数,当动极板移动后，覆盖面积发生变化，由此产生的电容变化量,圆柱线位移型：,当覆盖长度l变化时，电容的变化量,灵敏度： =常数,面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型电容式传感器相比，灵敏度较低，适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量。变面积电容式传感器由于存在边缘效应,仍然有非线性,变介电常数型电容传感器由于存在边缘效应,仍然

35、有非线性,c)变介电常数型,C1,C,C2,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,变面积型：大位移测量。,变介电常数型：温度、物位、液位等测量。,电容传感器中电容值变化都很微小，电缆分布电容影响大,不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。,原理是： 连接电缆采用双层屏蔽 内屏蔽与被屏蔽的导线 的电位相同。从而消除 引线与内屏蔽之间的电 容。,分布电容（每米可达几百皮法）常常比传感器电容（一般几十个皮法）还大，为克服分布电容影响,常采用双层屏蔽等位传输技术，又叫“驱动电缆技术”。为提高电容传感器的稳定性，克服寄生电容耦合（不稳定值），所采取的屏蔽措施。,二、测量电路（转换电

36、路）,1、电桥电路,由变压器副边、电容组成的交流电桥，电容变化转换为电 桥电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记 录仪器。,2、谐振电路,电容传感器的电容作为谐振回路(L2、C2、CX)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波、滤波即可得到相应的输出。,为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性 区域内最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。,3. 二极管双T型电路,R,R,RL,C2,C1,VD1,VD2,iC1,i

37、C2,+,+,UE,(a),供电电压：幅值为UE、周期为T、 占空比为50的方波。 VD1、VD2：特性相同的二极管 C1、C2：差动电容传感器 R：固定电阻 RL：负载。,负载RL上的平均值电压：,4、差动脉冲调宽电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。,t,uA,uA,uB,uB,uAB,uAB,UF,UF,UG,UG,Ur,Ur,Ur,Ur,-U1,U1,T1,U1,-U1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,T2,U1,U1,U1,U1,T1,T2,t,t,t,t,t,t,t,t,t,(a),(b),差

38、动脉冲调宽电路各点电压波形图,U0,UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为,设R1R2R，则,因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。,5、运算放大器电路,采用比例运算放大器电路，可以使变极距型电容式传感器输 出电压与位移的关系转换为线性关系。,三、应用,位移测量 压力测量 水分检测：粮食、油 液位测量 加速度测量,与电感传感器相比，可以对非金属材料测量，如涂层、油 膜厚度、电介质的湿度、容量、厚度等。可检测塑料、木材、 纸张、液体等电介质。,电容测位移,液压差传感器,加速度传感器,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,电容式接近开关,4.4 电感

39、式传感器,自感式传感器 差动变压器（互感式） 电涡流式传感器,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）转换为电感或互感的变化。,按传感器转换原理可分为：,优点： 结构简单、可靠，测量力小 衔铁为0.520010-4N时，磁吸力为(110)10-4N。 分辨力高 机械位移：0.1m，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 重复性好，线性度优良 在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。,1、工作原理:电磁感应,一、自感式传感器 有气隙型和螺管型两种结构。 （一

40、）气隙型自感传感器,变气隙式,由这两式得：,磁路总磁阻为：,考虑到导磁体磁阻远比气隙磁阻小，可以忽略不计，故,则得：,灵敏度： 常数,1）变气隙式,变气隙式传感器的输出特性是非线性的，愈小，灵敏度愈高。为了减小非线性误差，通常规定在较小的范围内工作。,当S0固定不变，变化时，L 与呈非 线性（双曲线）关系。,实际应用中，一般取 。这种传感器适用于较小 位移的测量，一般约为0.0011 mm。,2、特性分析 主要特性:灵敏度和线性度,2）变面积式,如将固定，变化空气隙导磁截面积S0时，自感L与S0呈线性关系。,变面积式传感器的输出特性是线性的。与变气隙式传感器比较灵敏度低。,（二）螺管式自感传感

41、器 单螺管线圈式 当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻， 使线圈自感发生变化。,螺管式电感传感器结构简单，制造容易。由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大，易于测量较大位移。,理论证明： 只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的 线性特性。,以上三种传感器存在以下缺点 1.测量精度低，易受外界干扰（温度、电源波动等）； 2.存在非线性； 3.灵敏度低,在测试中经常采用的措施：,一般将传感器接成差动形式 提高测量灵敏度 减小非线性误差 减小外界干扰 减小电磁吸力的影响,差动式原理： 差动变隙式由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。 当被测量通过导杆使衔铁左右位移时，两

42、个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。,双螺管线圈差动型传感器及测量电路,线圈电感L1、L2随铁芯位移而 变化，并作为电桥两个相邻桥臂。 双螺管线圈差动型，较之单螺 管线圈型有较高灵敏度及线性。 用于电感测微计上， 其 测量范围为0300m 最小分辨力为0.5m,（三）测量电路 1、交流电桥 交流电桥是自感传感器的主要测量电路，为了提高灵敏度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式。,交流电桥结构示意图 等效电路,该电桥结构简单，其电阻R3、R4可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。,因,输出电压为：,2、变压器式交流电桥,电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流变压器

43、次级线圈各占12，交流供电。 桥路输出电压为：,衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相差180， 要判断衔铁方向就是判断信号相位。 为了判别交流信号的相位，需接入专门的相敏检波电路。,当衔铁在中间位置 Z1=Z2=Z U0=0,当衔铁偏移时输出电压,当衔铁偏向另一方向,3、谐振式（调幅、调频）,调幅式电路 输出幅值随电感L变化,调频电路 电感L变化时谐振频率变化,压力测量,被测压力经位移电压两次转换输出,电感式接近传感器（金属）,二、差动变压器（互感式） 把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器。 （一）结构原理与等效电路 分气隙型和差动变压器两种。目前多采用螺管型差动变压器

44、。,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,1,2,4,3,1,2,3,(a)气隙型,(b)螺管型,基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。 初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。,等效电路： 两个次级线圈必须反相串联，保证差动形式。 如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈 互感系数相等 电动势相等,差动输出电压为零：,可见: 输出电压大小和符号反映 了铁心位移的大小和方向。,若衔铁上移,若衔铁下移,当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。,由此得到输出电压有效值为 ：,可见输出电压与互感的差值

45、有关,根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为,铁芯向右移， 输出与E2a同极性； 铁芯向左移， 输出与E2b同极性； 输出电压的幅值取决于线圈 互感即衔铁在线圈中移动的 距离X。Uo与Ui的相位由衔 铁的移动方向决定。,零点残余电压,由于两个次级线圈绕组电气系数 （M互感 L电感 R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同 又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素。 实际的特性曲线，在零点上总有一个最小的输出电压（从零点几mV到数十mV ），这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。,零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区； 零点残余电压

46、输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响 电路正常工作等,消除零点残余电压方法： 1从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。,2选用合适的测量电路,采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。,3采用补偿线路 由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(

47、a)。由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,调相位式残余电压补偿电路,并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。,e1,e2,C,R1,R2,W,电位器调零点残余电压补偿电路,R或L补偿电路,e1,e2,L0,W,e1,e2,R0,W,(a),(b),接入R0(几百k)或补偿线圈L0(几百匝)。绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。电路如图。,（二）测量电路