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1、第第4 4章章 常用傳感器常用傳感器Transducer4.1 傳感器概述傳感器概述( (Introduction)4.2 傳感器選用原則傳感器選用原則(Principle of Transducer Selection)4.3 電阻式傳感器電阻式傳感器(Resistance Transducer)4.4 電感電感傳感器傳感器(Inductance Transducer)4.5 電容傳感器電容傳感器(Capacitance Transducer)4.1 傳感器概述傳感器概述 (Introduction)1.傳感器概念 是指直接作用于被測量，并能按一定規(guī)律將其轉換是指直接作用于被測量，并能按一定
2、規(guī)律將其轉換成同種或別種量值輸出的器件成同種或別種量值輸出的器件。傳感器傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個測試裝置的工作質量。2.傳感器分類 按被測量分類位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。 按工作機理分類機械式、電氣式、光學式、化學型等機械式、電氣式、光學式、化學型等。傳感器概述傳感器概述(2/5) 按構成原理分類物性型 依靠敏感元件本身的物理化學性質的變化實現信依靠敏感元件本身的物理化學性質的變化實現信號變換號變換。 如水銀溫度計、壓電式傳感器等如水銀溫度計、壓電式傳感器等。結構型 依靠傳感器結構參量的變化實現信號轉換依靠傳感器
3、結構參量的變化實現信號轉換。 如電容如電容式、電感式傳感器等式、電感式傳感器等。 按能量變換關系分類能量轉換型(無源型、 發(fā)電型或主動傳感器）直接由被測對象輸入能量使其工作。直接由被測對象輸入能量使其工作。 如熱電偶溫度計、彈性如熱電偶溫度計、彈性壓力計、壓電式傳感器壓力計、壓電式傳感器。能量轉換型傳感器存在負載效應能量轉換型傳感器存在負載效應。能量控制型( 有源型、能量調節(jié)型或被動傳感器)由外部輔助能量使其工作，并由被測量控制外部供給能量的由外部輔助能量使其工作，并由被測量控制外部供給能量的變化變化。如電橋式電阻應變計等如電橋式電阻應變計等。傳感器的換能元件可能不止一個（如電容式壓力傳感器）
4、，傳感器的換能元件可能不止一個（如電容式壓力傳感器），甚至是一個小型裝置（如力反饋式加速度計）甚至是一個小型裝置（如力反饋式加速度計）。注意：傳感器概述傳感器概述(3/5)3.傳感器的性能要求（9）低成本、通用性強。）低成本、通用性強。（1）靈敏度高，輸入和輸出之間有較好的線性關系）靈敏度高，輸入和輸出之間有較好的線性關系；（2）噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能）噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能；（3）滯后、漂移誤差?。?、漂移誤差小；（4）動態(tài)特性良好）動態(tài)特性良好；（5）在接入測量系統(tǒng)中，對被測量不產生影響；）在接入測量系統(tǒng)中，對被測量不產生影響；（6）功耗小，復現性好，有互換性；）功耗
5、小，復現性好，有互換性；（7）防水及耐腐蝕等性能好，能長期使用）防水及耐腐蝕等性能好，能長期使用；（8）結構簡單，容易維修和校正；）結構簡單，容易維修和校正；傳感器概述傳感器概述(4/5)傳感器的技術指標基本參數指標環(huán)境參數指標可靠性指標其他指標量程指標量程指標:量程范圍、過載能力等靈敏度指標靈敏度指標: :靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關指標精度有關指標: :精度、誤差、線性、滯后、重復性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動態(tài)性能指標動態(tài)性能指標:固有頻率、阻尼比、時間常數、頻率響應范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時間、過沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等溫度指標溫度指標:工作溫度范圍、溫度誤差
6、、溫度漂移、溫度系數、熱滯后等抗沖振指標抗沖振指標: :允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差等其他環(huán)境參數其他環(huán)境參數: :抗潮濕、耐介質腐蝕能力、抗電磁干擾能力等工作壽命、平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關指標使用有關指標: :供電方式(直流、交流、頻率及波形等)及功率、各項分布參數值、電壓范圍與穩(wěn)定度等結構方面指標結構方面指標: :外形尺寸、重量、殼體材質、結構特點等安裝連接方面指標安裝連接方面指標: :安裝方式、饋線電纜等傳感器概述傳感器概述(5/5)4.傳感器的發(fā)展趨勢（6）研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。）研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。（
7、1）采用新原理、開發(fā)新型傳感器；）采用新原理、開發(fā)新型傳感器；（2）大力開發(fā)物性型傳感器；）大力開發(fā)物性型傳感器；（3）傳感器的集成化）傳感器的集成化；（4）傳感器的多功能化）傳感器的多功能化；（5）傳感器的智能化）傳感器的智能化(smart sensor)；4.2 傳感器選用原則傳感器選用原則 (Principle of Transducer Selection)1.靈敏度傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小。傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小。 傳感器往往傳感器往往要求有較大的信噪比。要求有較大的信噪比。傳感器的量程范圍與靈敏度密切相關。傳感器的量程范圍與靈敏度密切相關。 過高的
8、靈敏度會影響過高的靈敏度會影響其適用的范圍。其適用的范圍。在測量過程中，傳感器在被測量方向上的靈敏度愈高愈好，在測量過程中，傳感器在被測量方向上的靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好；而橫向靈敏度愈小愈好； 對于二維或三維矢量的測量，傳感對于二維或三維矢量的測量，傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。器的交叉靈敏度愈小愈好。2.線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內輸出與輸入任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內輸出與輸入成比例關系。成比例關系。 線性范圍越寬，傳感器的工作量程越大。線性范圍越寬，傳感器的工作量程越大。傳感器選用原則傳感器選用原則(2/2)3.響應特性傳感器響應特性必須在
9、所測頻率范圍內盡量保持不失真。傳感器響應特性必須在所測頻率范圍內盡量保持不失真。實際傳感器的響應總有一定的延遲，但延遲時間越短越好。實際傳感器的響應總有一定的延遲，但延遲時間越短越好。4.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指經過長期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。穩(wěn)定性是指經過長期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間和環(huán)境。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間和環(huán)境。5.精確度精確度表示傳感器輸出與被測量的對應程度。精確度表示傳感器輸出與被測量的對應程度。傳感器的精確度并非越高越好，選擇時應從實際出發(fā)。傳感器的精確度并非越高越好，選擇時應從實際出發(fā)。6.其他選用原則如實際測試條件下的工作方
10、式等因素。如實際測試條件下的工作方式等因素。4.3 電阻式傳感器電阻式傳感器 (Resistance Transducer) 電阻式傳感器電阻式傳感器 將被測量轉換成電阻變化量，再通過中間將被測量轉換成電阻變化量，再通過中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進行測量。變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進行測量。電阻式傳感器按工作原理可分為：電阻式傳感器按工作原理可分為：（5）氣敏電阻式）氣敏電阻式（6）光敏電阻式等）光敏電阻式等（1）變阻器（電位器）式）變阻器（電位器）式（2）應變片式（彈性電阻式）應變片式（彈性電阻式）（3）熱敏電阻）熱敏電阻（4）磁敏電阻式）磁敏電阻式電阻式傳感器電阻式傳感
11、器(2/22)1.電阻應變式傳感器（1）應變式傳感器工作原理）應變式傳感器工作原理1）金屬的電阻應變效應）金屬的電阻應變效應 是指導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電是指導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨所受機械變形（應變）的變化而發(fā)生變化的現象。阻值隨所受機械變形（應變）的變化而發(fā)生變化的現象。電阻應變效應設金屬絲長度為設金屬絲長度為l，截面積為，截面積為A，電阻率為，電阻率為 ，AlR則其阻值為則其阻值為金屬絲變形時，金屬絲變形時， 、l、A將同時發(fā)生變化，從而導致將同時發(fā)生變化，從而導致R改變。改變。若若 、l、A的變化量為的變化量為d 、dl、dA，則，則AAllRAARRll
12、RRddddddd電阻式傳感器電阻式傳感器(3/22)AAllRRdddd即：即：對半徑為對半徑為r的金屬電阻絲有：的金屬電阻絲有：2rArrAd2drrllRRd2ddd，ll d：電阻絲軸向相對變形，或稱：電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應變縱向應變。rrd：電阻絲徑向相對變形，或稱：電阻絲徑向相對變形，或稱橫向應變橫向應變。llrrdd橫向應變與縱向應變間的關系為橫向應變與縱向應變間的關系為式中式中 為泊松比。負號表示兩者變化相反。為泊松比。負號表示兩者變化相反。d：電阻率相對變化，與電阻絲軸向所受正應力：電阻率相對變化，與電阻絲軸向所受正應力 有關。有關。電阻式傳感器電阻式傳感器(4/22
13、)EdE為電阻絲材料的為電阻絲材料的彈性模量彈性模量； 為為壓阻系數壓阻系數，與材質有關。，與材質有關。ERR21d21dRR受力后電阻絲幾何尺寸變化所受力后電阻絲幾何尺寸變化所引起，對于同一材料（引起，對于同一材料（1+2v）為常數。為常數。受力后電阻率的改變引受力后電阻率的改變引起，對金屬材料，起，對金屬材料， E很很小。小。 在電阻絲拉伸比例范圍內，電阻相對變化與其所受的軸向在電阻絲拉伸比例范圍內，電阻相對變化與其所受的軸向應變成正比。應變成正比。電阻式傳感器電阻式傳感器(5/22)constant21/d/d0llRRS電阻應變片的電阻應變片的應變系數或靈敏度應變系數或靈敏度S0定義為
14、定義為通常，通常，S0 =1.73.6。2）應變片的基本結構及測量原理）應變片的基本結構及測量原理典型結構：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪典型結構：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑合金等，直徑 0.025 mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導線接于電路中?；透采w層之間，由引出導線接于電路中。測量原理：測量原理：將應變片將應變片粘貼于彈性體表面粘貼于彈性體表面或者直接將應變片或者直接將應變片粘貼在被測粘貼在被測件上件上，被測物變形通過基底和粘結劑傳遞給敏感柵，被測物變形通過基底和粘結劑傳遞給敏感柵 阻阻值變化值變化
15、轉換電路轉換為電壓或電流信號。轉換電路轉換為電壓或電流信號。電阻式傳感器電阻式傳感器(6/22)如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉換為應如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉換為應變，可以構成各種不同的傳感器。變，可以構成各種不同的傳感器。（2）電阻應變片的分類及材料）電阻應變片的分類及材料金屬電阻應變片分為金屬電阻應變片分為絲式絲式、箔式箔式和和膜式膜式。1）絲式應變片）絲式應變片金屬絲式應變片有回線式和短接式兩種。金屬絲式應變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式短接式電阻式傳感器電阻式傳感器(7/22)絲式應變片絲式應變片制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼制作簡單、性能穩(wěn)定、成本
16、低、易粘貼。n 回線式應變片因回線式應變片因圓弧部分參與變形，橫向效應較大。圓弧部分參與變形，橫向效應較大。n 短接式應變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑短接式應變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大大 510倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點是倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點是克服了橫向效應。克服了橫向效應。安全電流：安全電流：1050 mA，電阻：，電阻：50 1 000 （典型（典型120 ）。）。2）箔式應變片）箔式應變片箔式應變片由厚度為箔式應變片由厚度為 310 m 的康銅箔或鎳鉻箔經光刻，腐的康銅箔或鎳鉻箔經光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。蝕工藝制成的柵狀箔片。 大批量生產，可制成多種
17、復雜形狀。大批量生產，可制成多種復雜形狀。 散熱好，允許電流大。散熱好，允許電流大。 橫向效應、蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。橫向效應、蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。 柔性好（可貼于形狀復雜的表面），傳遞試件應變性能好。柔性好（可貼于形狀復雜的表面），傳遞試件應變性能好。電阻式傳感器電阻式傳感器(8/22)3）膜式應變片）膜式應變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在度在0.1 mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。 應變靈敏度大。應變靈敏度大。 允許電流密度大。允許電流密度大。 工作范圍廣，
18、可達工作范圍廣，可達- -197317 。（3）電阻應變片的應用）電阻應變片的應用 測量結構的應變或應力。測量結構的應變或應力。 將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數的傳感器。加速度等物理參數的傳感器。電阻式傳感器電阻式傳感器(9/22)齒輪輪齒彎矩齒輪輪齒彎矩x位移傳感器位移傳感器m質塊質塊加速度傳感器加速度傳感器F柱式測力傳感器柱式測力傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器(10/22)注意事項注意事項應變極限：機械滯后：零漂和蠕變零漂和蠕變：零漂零漂：恒定溫度，無機械應變時，應變片阻值隨時間變：恒定溫度，無機械應變時，應
19、變片阻值隨時間變化的特性?；奶匦浴Ｈ渥內渥儯汉愣囟?、恒定應變時，應變片阻值隨時間變化：恒定溫度、恒定應變時，應變片阻值隨時間變化的特性。的特性。 應變大應變大 輸出非線性大。誤差為輸出非線性大。誤差為10%時對應的時對應的應變作為應變片的應變極限。應變作為應變片的應變極限。 敏感柵、底基及膠粘層承受機械應變后，一般都敏感柵、底基及膠粘層承受機械應變后，一般都會存在殘余變形，造成應變片的機械滯后。會存在殘余變形，造成應變片的機械滯后。電阻式傳感器電阻式傳感器(11/22)動態(tài)響應特性動態(tài)響應特性應變片柵長/mm0.20.51235101520最高工作頻率/kHz125050025012583
20、.3502516.612.5溫度影響：溫度變化導致應變片電阻變化與由應變引起的電溫度影響：溫度變化導致應變片電阻變化與由應變引起的電阻變化往往具有同等數量級，須用適當電路進行阻變化往往具有同等數量級，須用適當電路進行溫度補償溫度補償。（4）電阻應變片的特點）電阻應變片的特點 性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在 1.0% 0.1%，高精度力，高精度力傳感器已能達到傳感器已能達到0.03% 0.01%。 測量范圍廣測量范圍廣壓力：壓力：104109 Pa；力：力：0.1 107 N。 能適應較大的振動和沖擊，抗輻射能力強。能適應較大的振動和沖擊，抗輻射能力強。電阻式傳感器電阻
21、式傳感器(12/22)2.壓阻式傳感器（1）基本工作原理 是指半導體材料受到應力作用時，其電阻率發(fā)生是指半導體材料受到應力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現象。變化的現象。壓阻效應單晶半導體在外力作用下的電阻變化量仍為單晶半導體在外力作用下的電阻變化量仍為ERR21d對半導體而言，電阻率變化引起的電阻變化對半導體而言，電阻率變化引起的電阻變化 E 遠遠大于遠遠大于形變引起的電阻變化形變引起的電阻變化(1+2v) ，則，則 實際上，任何材料都不同程度地呈現壓阻效應，實際上，任何材料都不同程度地呈現壓阻效應，但半導體材料的這種效應特別強。但半導體材料的這種效應特別強。dd)21 (dRR電阻式傳感器電阻
22、式傳感器(13/22)ERRSL0/d靈敏度：靈敏度：ELLd由半導體理論由半導體理論 E 半導體材料的彈性模量。半導體材料的彈性模量。 L 沿某晶向沿某晶向L的壓阻系數；的壓阻系數； 沿某晶向沿某晶向L的應力；的應力；半導體電阻材料的靈敏度比金屬絲要高半導體電阻材料的靈敏度比金屬絲要高5070倍。倍。例：對于半導體硅，例：對于半導體硅， L=(4080)10- -11 m2/N，E=1.671011 Pa,則則S0 = LE50100。電阻式傳感器電阻式傳感器(14/22)（2）壓阻式傳感器類型與特點 壓阻式傳感器有兩種類型壓阻式傳感器有兩種類型1）利用半導體材料的體電阻制成粘貼式的應變片，
23、其使用）利用半導體材料的體電阻制成粘貼式的應變片，其使用方法與電阻應變片類似。方法與電阻應變片類似。2）在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，）在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，作為測量傳感元件，測量壓力和加速度等物理量。作為測量傳感元件，測量壓力和加速度等物理量。 壓阻式傳感器的優(yōu)點壓阻式傳感器的優(yōu)點缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。1）靈敏度非常高。）靈敏度非常高。2）分辨率高，例如測量壓力時可測出）分辨率高，例如測量壓力時可測出1020 Pa的微壓。的微壓。3）測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應高
24、。）測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應高。4）可測量低頻加速度和直線加速度。）可測量低頻加速度和直線加速度。電阻式傳感器電阻式傳感器(15/22)3. 變阻器式傳感器（1）變阻器式傳感器的結構和原理變阻器式傳感器實際是變阻器式傳感器實際是精密線繞電位器精密線繞電位器，通過改變電位器觸，通過改變電位器觸頭位置將位移轉換為電阻變化。頭位置將位移轉換為電阻變化。導體材質和截面積一定，其阻值隨導線長度而線性變化。導體材質和截面積一定，其阻值隨導線長度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任何可以轉換為位移的物理參數，如壓
25、力、加速度等。何可以轉換為位移的物理參數，如壓力、加速度等。1）直線位移型）直線位移型xCxABCR改變觸點改變觸點C的位置時，的位置時，AC間電阻值為間電阻值為xKRLKL：單位長度內的電阻值，：單位長度內的電阻值，/m。電阻式傳感器電阻式傳感器(16/22)LKxRSdd傳感器靈敏度：傳感器靈敏度：當導線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關系。當導線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關系。2）角位移型）角位移型KR 角位移；角位移；K 單位弧度電阻值單位弧度電阻值, /rad 。傳感器靈敏度：傳感器靈敏度：KRSddACB電阻式傳感器電阻式傳感器(17/22)3）非線性
26、型）非線性型2kxR （2）變阻器式傳感器的特性變阻器式傳感器具有階梯特性和負載效應。變阻器式傳感器具有階梯特性和負載效應。xACB電阻式傳感器電阻式傳感器(18/22)階梯輸出特性 是指電位器觸點的最小位移為線圈的一匝，每是指電位器觸點的最小位移為線圈的一匝，每當觸點移動一個節(jié)距，輸出電阻產生一匝電阻值的跳躍，即當觸點移動一個節(jié)距，輸出電阻產生一匝電阻值的跳躍，即輸出電阻值不是位移的連續(xù)函數，而是階梯形折線。輸出電阻值不是位移的連續(xù)函數，而是階梯形折線。理想電位器每個階梯大小均相理想電位器每個階梯大小均相同，通過每個階梯中點的直線同，通過每個階梯中點的直線即為理論特性曲線。即為理論特性曲線。
27、xR01）階梯輸出特性）階梯輸出特性電阻式傳感器電阻式傳感器(19/22)階梯誤差 是指理想階梯特性線對理論直線的最大偏差。是指理想階梯特性線對理論直線的最大偏差。 階梯誤差階梯誤差%1002121jnRnRe式中：式中：n為總匝數。為總匝數。顯然，減小顯然，減小ej必須增加必須增加n，當骨架長度不變時，只有減小線徑。，當骨架長度不變時，只有減小線徑。 分辨率（力）分辨率（力）定義為電位器總匝數的倒數。定義為電位器總匝數的倒數。分辨率例：例：1 000匝直線型線繞電位器，分辨率為匝直線型線繞電位器，分辨率為0.1%，即該電位器，即該電位器僅能檢測到它的總量程僅能檢測到它的總量程1/1 000以
28、上的位移量。以上的位移量。電阻式傳感器電阻式傳感器(20/22) 線性度線性度線性度 是指由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻導是指由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻導致階梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性。致階梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性。2）負載特性）負載特性u0 xpxRLuy對于后接電阻分壓電路的對于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器：變阻器式傳感器：020L0LuRRRRRRRuxxxy式中：式中：R0 變阻器總電阻；變阻器總電阻； Rx x段的電阻。段的電阻。 電阻式傳感器電阻式傳感器(21/22)0RRrxpxxr 令令，對直線位移型變阻器，對直線位移型變阻器，
29、0)1 (1urmrruyL0RRm 于是，于是，式中：式中：00ruuy空載時，空載時， 由此可見，接入負載電阻由此可見，接入負載電阻RL后，輸出后，輸出uy與與r不再保持線性關系。不再保持線性關系。負載誤差負載誤差由負載特性引起的非線性誤差。由負載特性引起的非線性誤差。01102030405060m = 5m = 2m = 1m = 0.5m = 0.1m = 0reL%100)1 (111%10000Lrmruuueyyy若整個行程內誤差不超過若整個行程內誤差不超過1%3%，必須有，必須有RL (1020)R0 。電阻式傳感器電阻式傳感器(22/22)因觸點與繞線間存在摩擦，動態(tài)響應較差
30、。分辨力低，一般因觸點與繞線間存在摩擦，動態(tài)響應較差。分辨力低，一般小于小于20 m。噪聲大。噪聲大。 主要應用于線位移、角位移測量。或作為伺服記錄儀或電子主要應用于線位移、角位移測量?；蜃鳛樗欧涗泝x或電子電位差計。電位差計。 （3）變阻器式傳感器特點優(yōu)點：優(yōu)點：結構簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號大，受外界條件結構簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號大，受外界條件影響小。影響小。缺點：缺點：（4）變阻器式傳感器的應用4.4 電感式傳感器電感式傳感器 (Inductance Transducer) 將被測量，如位移或能轉換成位移的機械量，將被測量，如位移或能轉換成位移的機械量，轉換為電感量的
31、變化。轉換為電感量的變化。電感式傳感器 互感型（差動變壓器式）互感型（差動變壓器式）按照變換方式的不同可分為：按照變換方式的不同可分為： 自感型（包括可變磁阻式與渦流式）自感型（包括可變磁阻式與渦流式）1. 自感型傳感器（1）可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，在鐵心與銜可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，在鐵心與銜鐵之間存在氣隙鐵之間存在氣隙 。電感式傳感器電感式傳感器(2/20)由電工學可知，線圈自感量：由電工學可知，線圈自感量：m2RWiWL i 線圈中流過的電流。線圈中流過的電流。 通過線圈的磁通量。通過線圈的磁通量。 Rm 磁路的總磁阻（磁路的總磁阻（H-1）
32、，）， Rm= RF + R ，其中，其中RF為為 鐵心與銜鐵心與銜鐵的磁阻；鐵的磁阻；R為空氣隙磁阻。為空氣隙磁阻。ix123L0 1線圈；線圈；2鐵心；鐵心；3銜鐵銜鐵式中：式中：W 線圈匝數；線圈匝數；電感式傳感器電感式傳感器(3/20)式中：式中：l1、l2 鐵心和銜鐵的導磁長度；鐵心和銜鐵的導磁長度； 1、2 鐵鐵心心和銜鐵的磁導率；和銜鐵的磁導率； A1、A2 鐵鐵心心和銜鐵的導磁截面積；和銜鐵的導磁截面積； 氣隙長度；氣隙長度； 0 空氣磁導率，空氣磁導率，0=410-7 Hm-1 ； A0 空氣隙導磁截面積?？諝庀秾Т沤孛娣e。00222111m2AAlAlR若不考慮磁路的鐵損，
33、且空氣隙若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙 較小時：較小時：00m2AR一般，一般，1和和2遠遠大于遠遠大于0，即：，即：RF R ，因此，因此，電感式傳感器電感式傳感器(4/20)2002AWL 自感自感L與氣隙與氣隙 成反比，與氣隙導磁截面積成反比，與氣隙導磁截面積A0成正比。成正比。結論：當固定當固定A0，變化，變化 時，時，L 與與 成非線性關系，傳感器靈敏度成非線性關系，傳感器靈敏度LAWLS20022為了減小非線性誤差，為了減小非線性誤差， / 0 0.1。變氣隙長度式傳感器適。變氣隙長度式傳感器適用于微小位移的測量，范圍為用于微小位移的測量，范圍為0.0011 mm。傳感器傳感器靈敏度
34、與氣隙長度的平方成反比。靈敏度與氣隙長度的平方成反比。結論：電感式傳感器電感式傳感器(5/20)1）可變磁阻式傳感器典型結構 可變導磁面積型可變導磁面積型特點：線性，靈敏度低。特點：線性，靈敏度低。 差動變氣隙型差動變氣隙型特點：提高靈敏度，改善線性特性。特點：提高靈敏度，改善線性特性。xx00電感式傳感器電感式傳感器(6/20)特點：結構簡單，易制特點：結構簡單，易制造，靈敏度低，適于較造，靈敏度低，適于較大位移（數毫米）測量。大位移（數毫米）測量。 單螺管線圈型單螺管線圈型 雙螺管差動型雙螺管差動型特點：提高靈敏度，特點：提高靈敏度，改善線性特性。改善線性特性。xx電感式傳感器電感式傳感器
35、(7/20)2）差動變氣隙傳感器工作原理）差動變氣隙傳感器工作原理對差動式傳感器，當共用銜鐵位移時，兩線圈的間隙按對差動式傳感器，當共用銜鐵位移時，兩線圈的間隙按 0 、 0+ 變化，即一個線圈自感增加，另一個減小。變化，即一個線圈自感增加，另一個減小。1002111)(2LAWLLL1002221)(2LAWLLL 3211LL當當 / e2，eo與與e1同相。同相。 i222o2eLRMe 鐵芯鐵芯P下移：下移：M1 = MM，M2 = M+ M，e1 e2，eo 0，eo與與e2同相。同相。 i222o2eLRMe eo與與 M成正比。成正比。電感式傳感器電感式傳感器(19/20)（3）
36、幾點說明）幾點說明 存在零點殘余電壓（鐵心位于中心處時，存在零點殘余電壓（鐵心位于中心處時，M1 M2，eo 0）。）。 傳感器輸出電壓包含了位移的大小及方向傳感器輸出電壓包含了位移的大小及方向 相敏檢波。相敏檢波。R用于調節(jié)零點殘余電壓的大小。用于調節(jié)零點殘余電壓的大小。放大器相敏檢波振蕩器差動相敏檢波電路工作原理xR電感式傳感器電感式傳感器(20/20)（4）差動變壓器式傳感器的優(yōu)點）差動變壓器式傳感器的優(yōu)點 包含機械結構，頻率響應較低，不宜測量高頻動態(tài)參量。包含機械結構，頻率響應較低，不宜測量高頻動態(tài)參量。 精度高精度高(0.1 m 數量級，最高可達數量級，最高可達0.01 m )，高精
37、度型非，高精度型非線性誤差可達線性誤差可達0.1%。 線性范圍大（可達線性范圍大（可達 100 mm）。）。 穩(wěn)定性好，結構簡單，使用方便。穩(wěn)定性好，結構簡單，使用方便。 4.5 電容式傳感器電容式傳感器 (Capacitance Transducer)1.工作原理及分類電容式傳感器電容式傳感器是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種傳是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。感器。A電容式傳感器實質是一具有可變電容式傳感器實質是一具有可變參數的電容器。參數的電容器。AC0電容量為電容量為 介質相對真空的介電常數，空氣介質相對真空的介電常數，空氣 1。 0 真空的介電常數，真空的介電常數，
38、0=8.85 10-12F/m。 極板間距。極板間距。A 極板面積。極板面積。 、A或或 發(fā)生變化都會引起發(fā)生變化都會引起C變化。變化。電容式傳感器電容式傳感器(2/12)實際使用中，通常僅改變一個參數，根據變化參數的不實際使用中，通常僅改變一個參數，根據變化參數的不同，可分為三類：同，可分為三類： 改變極板間距的極距變化型；改變極板間距的極距變化型； 改變極板相互遮蓋面積的面積變化型；改變極板相互遮蓋面積的面積變化型； 改變極板間介質的介質變化型（改變改變極板間介質的介質變化型（改變 ）。）。 （1）極距變化型電容式傳感器）極距變化型電容式傳感器000ACC 與極距成反比， 當極板間當極板間
39、距減小距減小 時，電容為時，電容為00AC0C0C極距變化型電容傳感器電容式傳感器電容式傳感器(3/12) 30200001CC100000001/1/CCCCCC電容增量為電容增量為當當 / 01時，有時，有（近似線性）（近似線性） 00CC忽略非線性項，得忽略非線性項，得 403020非線性誤差為非線性誤差為20000ACCS靈敏度靈敏度靈敏度與極距的平方成反比，極距靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距受極板越小，靈敏度越高，但極距受極板間擊穿電壓的限制。間擊穿電壓的限制。電容式傳感器電容式傳感器(4/12)030200001 CC設間距增加設間距增加 通常極距變化范圍通
40、常極距變化范圍 / 0 0.1，僅適于較小位移的測量，僅適于較小位移的測量（0.01 m數百微米）。數百微米）。為了提高靈敏度、線性特性及為了提高靈敏度、線性特性及克服電源電壓、環(huán)境溫度等對克服電源電壓、環(huán)境溫度等對測量精度的影響，常采用差動測量精度的影響，常采用差動式，靈敏度提高一倍，非線性式，靈敏度提高一倍，非線性誤差減小為誤差減小為 705030221電容式傳感器電容式傳感器(5/12)（2）面積變化型電容式傳感器）面積變化型電容式傳感器該傳感器的工作原理是在被測參數的作用下來變化極板的有該傳感器的工作原理是在被測參數的作用下來變化極板的有效面積，常分為效面積，常分為角位移型角位移型和和
41、線性位移型線性位移型。1）角位移型）角位移型 22rA220rC constant2dd20rCS式中：式中： 覆蓋面積對應的中心角；覆蓋面積對應的中心角； r 極板半徑。極板半徑。1 動板；2 定板12電容式傳感器電容式傳感器(6/12) 2）平面線位移型）平面線位移型bxA bxC0constantdd0bxCS式中：式中：b 極板寬度。極板寬度。 xxxb121 動板；2 定板電容式傳感器電容式傳感器(7/12) 3）圓柱線位移型）圓柱線位移型 )/ln(20dDxCconstant)/ln(2dd0dDxCS式中：式中：D 圓筒孔徑；圓筒孔徑； d 圓柱外徑。圓柱外徑。面積變化型電容傳
42、感器輸入輸出呈線性關系，但靈敏面積變化型電容傳感器輸入輸出呈線性關系，但靈敏度較低，適用較大直線位移及角位移測量。度較低，適用較大直線位移及角位移測量。 dD12xl01 動板；2 定板電容式傳感器電容式傳感器(8/12)（3）介質變化型電容式傳感器）介質變化型電容式傳感器厚度為厚度為 2 的介質在電容器的介質在電容器中左右運動：中左右運動：- 介質介電常數改變；介質介電常數改變； - 電容量改變。電容量改變。10blC 無介質無介質 2時，時，存在介質存在介質 2時，時，C=CA+CB （并聯）（并聯）2121CCCCCA22112212)(bxbxb 電容器極板寬度CACB12xl2電容式
43、傳感器電容式傳感器(9/12)lxCCxlbCB001)(式中：式中： 1= - 2 。212121001lxCCC21212101ddlCxCS顯然，靈敏度為常數，輸入輸出呈線性關系。顯然，靈敏度為常數，輸入輸出呈線性關系。電容式傳感器電容式傳感器(10/12) 可實現非接觸測量；可實現非接觸測量； 一般傳感器兩極板間電容很?。◣灼しㄒ话銈鞲衅鲀蓸O板間電容很小（幾皮法 幾十皮法）幾十皮法） 導致低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百導致低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百M）、負載能力）、負載能力弱，電纜分布電容（大且不穩(wěn)定）影響大。弱，電纜分布電容（大且不穩(wěn)定）影響大。（2）測量電路）測量電路電橋型電路電橋型電路L1L2C1C2放大相敏解調濾波2.特點與應用 輸入能量?。O板間靜電引力?。?，靈敏度、高動態(tài)特輸入能量小（極板間靜電引力?。?，靈敏度、高動態(tài)特性好（可動質量小，固有頻率高）；性好（可動質量小，固有頻率高）；（1）特點）特點電容式傳感器電容式傳感器(11/12)調頻振蕩器限幅鑒頻放大輸出Cx傳感器調頻電路3）應用）應用 電容式測厚電容式測厚軋輥工作極板被測帶材電容式傳感器電容式傳感器(12/12) 轉速測量轉速測量12341 齒輪2 定極3 電容傳感器 4 頻率計
測試技術課件 4 常用傳感器
