1、第三章 傳感器,3-1 傳感器的概念 3-2 電阻式傳感器 3-3 電容式傳感器 3-4 電感式傳感器 3-6 壓電式傳感器,第三章 傳感器,傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官； 傳感器技術(shù) 通信技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 五官 神經(jīng) 大腦 傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主 要途徑與手段 ； 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)；,信息技術(shù)三大支柱,傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源探測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種

2、各樣的傳感器。 傳感器是將感知到的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成易測(cè)量的信號(hào)，把相應(yīng)的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,3-1傳感器的定義,一、傳感器的定義（ Transducer/Sensor ） 定義：將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的，易于測(cè)量，傳輸和處理的信號(hào)的裝置。 GB7665一87：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。 傳感器功用：感知被測(cè)信息，并傳遞給檢測(cè)裝置,傳感器及傳感技術(shù),可從以下幾個(gè)方面理解： 傳感器是測(cè)量器件或裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)； 輸入量為位移、壓力、溫度、重量等被測(cè)量，是非電量； 輸出量通常為易于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示的電物理量（如：電壓、電

3、流、頻率、功率等），也可以是氣、光等物理量； 輸出、輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。,1.傳感器在工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 工業(yè)自動(dòng)化、全自動(dòng)、半自動(dòng)生產(chǎn)線 （石油、化工、鋼鐵、鐵路、機(jī)械、電力） 自動(dòng)控制系統(tǒng) （正確的信息檢測(cè) 準(zhǔn)確的控制）,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,2.汽車與傳感器 速度、里程、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量 安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、黑匣子 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力（日本豐田汽車） 3.傳感器與家用電器 電子爐灶、洗碗機(jī)、遙控電視、錄像機(jī)、電飯煲 微波爐（松下電器采用濕度傳感器） 電冰箱（溫控器控制壓縮機(jī)的開關(guān)） 家庭自動(dòng)化（安全監(jiān)視與報(bào)警、空調(diào)與照明控制、家務(wù)勞動(dòng)

4、自動(dòng)化、人身健康管理）,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,4.傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用 傳統(tǒng)機(jī)器人（臂的位置和角度傳感器） 智能機(jī)器人（觸覺、壓覺、重量、視覺等） 5.傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 應(yīng)用醫(yī)學(xué)傳感器（B超儀、CT、核磁共振等） 醫(yī)療保健產(chǎn)品：電子血壓計(jì)、脈搏計(jì)、電子溫度計(jì)。,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,6.傳感器與環(huán)境保護(hù) 大氣污染指數(shù)、水質(zhì)污染、環(huán)境噪聲等 各種環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器 7.傳感器與航空航天 飛機(jī)的自動(dòng)駕駛（飛行姿態(tài)、距離、航線） 惡劣環(huán)境的“盲目”著陸 空空導(dǎo)彈的自動(dòng)跟蹤,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,8.傳感器與遙感技術(shù) 遙感技術(shù)：從飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、船舶上對(duì)遠(yuǎn)距離的廣大區(qū)域的被測(cè)物體及其狀態(tài)進(jìn)行大

5、規(guī)模探測(cè)的一門技術(shù)。 探測(cè)礦藏： 人造衛(wèi)星上的紅外傳感器 紅外線的量 通過微波 地面站 計(jì)算機(jī)分析處理,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,傳感器市場(chǎng)結(jié)構(gòu),從市場(chǎng)來看, 力、 壓力、 加速度、 物位、 溫度、 濕度、 水分等傳感器將保持較大的需求量。,二、傳感器的組成,二、傳感器的組成 一般的，傳感器由敏感元件、二次變換部分、輔助部分組成。,傳感器的組成,敏感元件（預(yù)變換器）:它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 二次變換部分：敏感元件的輸出是轉(zhuǎn)換元件的輸入，主要作用將輸入轉(zhuǎn)換成電參數(shù)。 并非所有的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，如熱電偶！ 輔助部分：將轉(zhuǎn)換元件的輸出進(jìn)行放大、運(yùn)算、

6、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，便于應(yīng)用。,傳感器的組成,氣體壓力傳感器,1-殼體 2-膜盒 3-電感線圈 4-磁芯 5-轉(zhuǎn)換電路,壓力,位移,電感,（敏感元件）,（轉(zhuǎn)換元件）,（測(cè)量電路）,傳感器的組成,熱電偶,壓電式加速度傳感器,三、傳感器的分類,傳感器是知識(shí)技術(shù)密集的行業(yè)，與許多學(xué)科有關(guān)，種類繁多，分類方法也很多。 按工作機(jī)理：物理型、化學(xué)型、生物型； 按構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型、物性型； 結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律構(gòu)成的，包括動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律，電磁場(chǎng)的電磁定律等；這類傳感器的特點(diǎn)是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對(duì)位置變化引起場(chǎng)的變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。,傳感器的分類,物性型傳感器

7、是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，如虎克定律、歐姆定律等。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。,傳感器的分類,按能量轉(zhuǎn)換情況：能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型； 能量控制型傳感器在信息變化過程中，其能量需要外電源供給；(無源傳感器) 能量轉(zhuǎn)換型傳感器主要由能量變換元件構(gòu)成，不需外加電源；(有源傳感器),傳感器的分類,按測(cè)量原理分： 電參量式傳感器(電阻式、電感式、電容式) 磁電式傳感器(磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式)； 壓電式傳感器； 光電式傳感器； 氣電式傳感器； 熱電式傳感器； 波式傳感器； 射線式傳感器； 半導(dǎo)體式傳感器；

8、 其他原理的傳感器。,傳感器的分類,按傳感器用途分(輸入量) 溫度傳感器 濕度傳感器 壓力傳感器 位移傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器 流量傳感器 火災(zāi)傳感器,傳感器的分類,按傳感器輸出信號(hào)形式可分為：模擬傳感器和數(shù)字傳感器。 按輸入量分類 優(yōu)點(diǎn)：比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)用途選用。 缺點(diǎn)：沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便于使用者比較各種傳感器的原理異同點(diǎn)。,傳感器的分類,按原理分類： 優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)傳感器的工作原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對(duì)傳感器的深入研究分析。 缺點(diǎn)：不便于使用者根據(jù)用途選用。,四、傳感器的命名法,由主題詞加四級(jí)修飾語構(gòu)成 傳感器 1、被測(cè)

9、量 2、轉(zhuǎn)換原理 3、特征描述 4、主要技術(shù)指標(biāo) （量程、靈敏度、準(zhǔn)確度等） 例：傳感器 位移 應(yīng)變式 100 習(xí)慣上用反序法，也可用簡(jiǎn)稱。,五、對(duì)傳感器的性能要求,可靠性：指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的使用條件和期限內(nèi)保持其準(zhǔn)確計(jì)量性能的能力。 選擇性：傳感器的輸出不受(少受)非被測(cè)量（干擾）的影響。 超然性：傳感器不影響被測(cè)系統(tǒng)原來狀態(tài)的能力。（實(shí)際有影響） 加速度傳感器,3-2 電阻式傳感器,受位移、壓力、光熱的作用 R R+R 電阻式傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將被測(cè)物體的變形轉(zhuǎn)換成電阻變化，在經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出的傳感器。 它可以測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度、溫度等各種非電量。 現(xiàn)已被廣泛應(yīng)

10、用于工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。,一、導(dǎo)電材料的電阻效應(yīng) 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。,設(shè)有一根長度為l、截面積為S、電阻率為的金屬絲，其電阻R為 兩邊取對(duì)數(shù)，得 等式兩邊取微分，,l,l,3-2 電阻式傳感器,dR/R 電阻的相對(duì)變化； d/電阻率的相對(duì)變化； dl/l 金屬絲長度相對(duì)變化，用表示，= dl/l ,稱為金屬絲長度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變； dS/S 截面積的相對(duì)變化。,S= r 2,dS /S=2dr/r,dr/r為金屬絲半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變?yōu)閞。,r= ,由材料力學(xué)知：, 3-2-1 導(dǎo)電材料的電阻效應(yīng),將微分dR、

11、d改寫成增量R、，則,金屬絲電阻的相對(duì)變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關(guān)系。比例系數(shù)KS稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。,變形,變性, 3-2-1 導(dǎo)電材料的電阻效應(yīng),物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。 KS由兩部分組成： 前一部分是（1+2），由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬0.3，因此（1+2）1.6； 后一部分為 ，電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。 對(duì)金屬材料，以前者為主，則KS 1+2； 對(duì)半導(dǎo)體， KS值主要由電阻率相對(duì)變化所決定。 實(shí)驗(yàn)表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。通常KS在1.83.6范圍內(nèi)。, 3-2-1 導(dǎo)電材料的電阻效應(yīng),3-2-2

12、 電位計(jì)式傳感器,二、電位計(jì)式傳感器 電位計(jì)式傳感器也稱為變阻器式傳感器，它通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。根據(jù)下式 式中: 電阻率；l電阻絲長度；A電阻絲截面積。 如果電阻絲直徑和材質(zhì)一定時(shí)，則電阻值隨導(dǎo)線長度而變化。式中電阻值的單位為。,常用電位計(jì)式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。,3-2-2 電位計(jì)式傳感器,直線位移型：當(dāng)被測(cè)位移變動(dòng)時(shí)，觸點(diǎn)c沿變阻器移動(dòng)。若移動(dòng)x，則c點(diǎn)與A點(diǎn)之間電阻值：R=kix 傳感器靈敏度：S=dR/dx=ki 式中k單位長度內(nèi)的電阻值。 當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)，ki為一常數(shù)。這時(shí)傳感器的輸出(電阻)與輸入(位移)成線性關(guān)系。,3-2-2 電

13、位計(jì)式傳感器,回轉(zhuǎn)型變阻器式傳感器，其電阻值隨轉(zhuǎn)角而變化。其靈敏度 式中轉(zhuǎn)角rad k單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值。,3-2-2 電位計(jì)式傳感器,非線性變阻器式傳感器，或稱為函數(shù)電位器。當(dāng)被測(cè)量與電刷位移x之間具有某種函數(shù)關(guān)系時(shí)，通過它可以獲得輸出電阻與輸入被測(cè)量的線性關(guān)系。設(shè)r(x)為電位器任意瞬時(shí)位置（微小區(qū)間x）內(nèi)的電阻，則電阻位移為x時(shí)總電阻值為： 如果被測(cè)量為z(x)，它是位移x的函數(shù)， 若要得到線性輸出，應(yīng)滿足 在已知z(x)的情況下，可以求得r(x) 和Rx, r(x)可以用來確定電位器的骨架形狀。,3-2-2 電位計(jì)式傳感器,變阻器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。 缺點(diǎn)是

14、分辨力不高，因?yàn)槭艿诫娮杞z直徑的限制。提高分辨力需使用更細(xì)的電阻絲，其繞制較困難。所以變阻器式傳感器的分辨力很難優(yōu)于20m。 由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，這種傳感器還有較大的噪聲。電刷和電阻元件之間接觸面的變動(dòng)和磨損、塵埃附著等，都會(huì)使電刷在滑動(dòng)中的接觸電阻發(fā)生不規(guī)則的變化，從而產(chǎn)生噪聲。 變阻器式傳感器被用于線位移、角位移測(cè)量，在測(cè)量儀器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計(jì)等。,3-2-2 電位計(jì)式傳感器,變阻器式傳感器產(chǎn)品,3.2 電阻式傳感器,案例：重量的自動(dòng)檢測(cè)-配料設(shè)備,3.2 電阻式傳感器,原理：彈簧-力-位移 -電位器-電阻,案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè),3.2 電阻式傳感器,原理：鋼絲-收線圈數(shù) -

15、電位器 -電阻,案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼 ）,3.2 電阻式傳感器,原理：電機(jī)-轉(zhuǎn)角 -電位器 -電阻,3.2 電阻式傳感器,案例：振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器,適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。,3.2 電阻式傳感器,三、電阻應(yīng)變片 金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。金屬應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。,

16、3-2 電阻式傳感器,3-2-3 電阻應(yīng)變片,1、絲式應(yīng)變片 由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。,2,3,4,1,b,l,柵長,柵寬,電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖,（1） 敏感柵 由金屬細(xì)絲繞成柵形，直徑：（0.0150.05）mm 應(yīng)變片的阻值：60、120、200等多種規(guī) 格，以120最為常用。（允許有一定的誤差，但不能太大，否則影響平衡） 標(biāo)距=柵寬柵長=bl 較大的應(yīng)變片：5100（200）mm 較小的應(yīng)變片：11（2）mm等。 結(jié)構(gòu)：回線式（a）和短接式（b）,一般至少用兩個(gè)，一個(gè)做測(cè)量，一

17、個(gè)做溫度補(bǔ)償， 或用四個(gè)，兩個(gè)做測(cè)量，兩個(gè)做溫度補(bǔ)償。,3-2-3 電阻應(yīng)變片,對(duì)敏感柵的材料的要求： 應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常 數(shù)； 電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片； 電阻溫度系數(shù)要小； 抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)； 在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度； 加工性能良好，易于拉制成絲或軋壓成箔材； 易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小。 對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。,3-2-3 電阻應(yīng)變片,（2） 基底和蓋片 基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬?；?/p>

18、材料：膠基和紙基,（3） 引線 是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線，直徑（0.150.2）mm。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。,3-2-3 電阻應(yīng)變片,（4） 粘結(jié)劑 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。 常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。,3-

19、2-3 電阻應(yīng)變片,2、箔式應(yīng)變片 金屬箔式應(yīng)變片則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵系用光刻技術(shù)制造，適于大批量生產(chǎn)。其線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。箔片厚約110m，散熱好，粘結(jié)情況好， 傳遞試件應(yīng)變性能好。 因此目前使用的多系金屬箔式應(yīng)變片。,3-2-3 電阻應(yīng)變片,3、薄膜應(yīng)變片 是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，厚度在0.1m以下。 是采用真空蒸發(fā)法，將電阻材料蒸鍍?cè)诨咨现瞥擅舾袞哦纬蓱?yīng)變片。 靈敏度系數(shù)高，易于規(guī)模生產(chǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。 用得較少，自學(xué)了解。,3-2-3 電阻應(yīng)變片,4、半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片最簡(jiǎn)單的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用方法與金屬

20、電阻應(yīng)變片相同，即粘貼在彈性元件或被測(cè)物 體上，其電阻值隨被測(cè)試件的應(yīng) 變而變化。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于 半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。,3-2-3 電阻應(yīng)變片,所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高； 缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，非線性嚴(yán)重。 做一批應(yīng)變片，各不相同； 同一批應(yīng)變片在不同條件下，變化很大。,3-2-3 電阻應(yīng)變片,5、應(yīng)變片的靈敏度系數(shù) K：金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸向方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。 Ks: 金屬絲的靈敏度系數(shù)金屬單絲的電阻相對(duì)變化與

21、它所感受的應(yīng)變之比。 當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測(cè)定。,3-2-3 電阻應(yīng)變片,實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。 即： K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時(shí)測(cè)得的。,測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。,思考：K與KS大小的關(guān)系？,3-2-3 電阻應(yīng)變片,第三節(jié) 電容式傳感器,電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容

22、量變化的一種傳感器。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。 應(yīng)用：壓力、差壓、液位、振動(dòng)、位移、加速度、成分含量等多方面的測(cè)量。,3-3 電容式傳感器,工作原理： 電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 從物理學(xué)可知，由兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量為： 式中r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，在空氣中r=1； o真空中介電常數(shù)，o8.8510-12Fm； d極板間距離； S極板間相互覆蓋面積。,3-3 電容式傳感器,當(dāng)被測(cè)量使d、S或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容C的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改

23、變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為電容量的變化。 根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三類。在實(shí)際中，極距變化型與面積變化型的應(yīng)用較為廣泛。,3-3 電容式傳感器,類型： (一)面積變化型 在變換極板面積的電容傳感器中，一般常用的有角位移型和線位移型兩種。,3-3 電容式傳感器,角位移型：當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間 相互覆蓋面積就改變，從而改變電容的輸出。,當(dāng)=0時(shí)，,當(dāng)0時(shí)，,傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系。,3-3 電容式傳感器,平面線位移型電容傳感器：當(dāng)動(dòng)板沿X方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之變化。其電容量C 式中b極板寬度。 靈敏度,此傳感

24、器的電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系。,3-3 電容式傳感器,圓柱體線位移型電容傳感器。動(dòng)板(圓柱)與定板(圓柱)相互覆蓋，其電容量 式中D圓筒孔徑； d圓柱外徑。 當(dāng)覆蓋長度x變化時(shí)， 電容量C發(fā)生變化，其靈 敏度,3-3 電容式傳感器,面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系。但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移的測(cè)量。,3-3 電容式傳感器,(二)介質(zhì)變化型 這種傳感器大多用來測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位、液量。還可根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度的改變而測(cè)量溫度、濕度等。 當(dāng)電極間存在導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)，電極的表面應(yīng)涂蓋絕緣層（如0.1mm厚的聚四氟乙烯等），防止電極

25、間短路。 圖中是這種傳感器的典型實(shí)例。,3-3 電容式傳感器,電容式液位傳感器,傳感器的電容量C與被測(cè)液位高度h呈線性關(guān)系。,相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián)：,= C0+A h,3-3 電容式傳感器,另一種結(jié)構(gòu)：,d0,d1,1,0,若d0,d1已知時(shí)，此結(jié)構(gòu)可用來 測(cè)未知材料的介電常數(shù) 若1已知時(shí)，此結(jié)構(gòu)可用來測(cè)某介電材料的厚度（如紙張、塑料薄膜等）,3-3 電容式傳感器,(三)極距變化型 如果兩極板互相覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，則電容量C與極距呈非線性關(guān)系。當(dāng)極距有一微小變化量d時(shí)，引起電容的變化量dC為 由此可以得到傳感器靈敏度,3-3 電容式傳感器,可以看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距越小靈敏

26、度越高。顯然，由于靈敏度隨極距而變化，這將引起線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作，以便獲 得近似線性關(guān)系。 一般取極距變化 范圍約為 dd 00.1。,3-3 電容式傳感器,結(jié)論：當(dāng)d/d01時(shí)，電容輸出可簡(jiǎn)化為：,此時(shí)，C與d呈線性關(guān)系，同時(shí)，減小d0可提高傳感器的靈敏度。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為提高傳感器的靈敏度，極板間可采用高介電常數(shù)的材料作介質(zhì)，如云母，塑料膜等。,一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF之間，極板間距離在20200m的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10,在微位移的測(cè)量中應(yīng)用廣泛。,3-3 電容式傳感器,將電容

27、變化量按級(jí)數(shù)展開，可得：,忽略高次項(xiàng)，變極距型電容傳感器的靈敏度為：,考慮線性項(xiàng)與二次項(xiàng)：,3-3 電容式傳感器,傳感器的相對(duì)非線性誤差為：,結(jié)論：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。,在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、線性度以及克服某些外界條件(如電源電壓、環(huán)境溫度等)的變化對(duì)測(cè)量精確度的影響，常常采用差動(dòng)式。為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。,3-3 電容式傳感器,差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖,當(dāng)中間的動(dòng)極板上移d時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d,電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d,3-3 電容式傳感器,按級(jí)數(shù)展開，,電容值的總變化量

28、為：,3-3 電容式傳感器,相對(duì)變化量為：,略去高次項(xiàng)，,相對(duì)非線性誤差為：,結(jié)論：電容傳感器做成差動(dòng)式后，靈敏度增加了一倍，而非線性誤差大大降低了。,3-3 電容式傳感器,差動(dòng)式電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)： 1、提高了靈敏度 2、降低了非線性誤差 3、抑制了溫漂，降低了誤差,3-3 電容式傳感器,利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù) L 或互感系數(shù) M 的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，測(cè)量精度高，輸出功率大；能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸。 缺點(diǎn)：靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約；傳感器頻率響應(yīng)低，不適

29、合快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。,3-4 電感式傳感器,第四節(jié) 電感式傳感器,3-4 電感式傳感器,電渦流式 按轉(zhuǎn)換原理分：自感式和互感式 種類 差動(dòng)變壓器 按結(jié)構(gòu)形式分：氣隙型和螺管型 應(yīng)用：廣泛的用于位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等參量的測(cè)量,3-4 電感式傳感器,一、自感式傳感器 1、氣隙型電感傳感器 工作原理 組成：線圈1，銜鐵3和鐵芯2等。 圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為l 。,0.5l,1,2,3,x,(a)變隙式,(b)變截面式,傳感器中有一個(gè)氣隙 l ，它隨被測(cè)物體的位移而產(chǎn)生 l 的變化，由于銜鐵與其同步移動(dòng)，將引起磁路中氣隙磁阻發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感的變化。,用于較

30、小行程,l1：鐵芯磁路總長； 1：鐵芯磁導(dǎo)率； l2：銜鐵的磁路長； 2：銜鐵磁導(dǎo)率； S：氣隙磁通截面積； 0：真空磁導(dǎo)率， S1：鐵芯橫截面積； 0=410-7Hm； S2：銜鐵橫截面積； l：空氣隙總長。,由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為:,線圈匝數(shù),磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻),磁路總磁阻為:,3-4 電感式傳感器,磁阻是表示物質(zhì)對(duì)磁通量所呈現(xiàn)的阻力的一個(gè)物理量。,3-4 電感式傳感器,由于自感傳感器的鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，即1=2 0所以上式可簡(jiǎn)化為,可見，自感L是氣隙截面積和長度的函數(shù)，即 Lf(S,l)，如果S保持

31、不變，則L為l的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感傳感器；若保持l不變，使S隨位移變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器。,3-4 電感式傳感器,輸出特性曲線,L=f（S）,L,S,L,S,L=f（l）,變氣隙式傳感器特性曲線,變截面積式傳感器特性曲線,L=f(l)為非線性關(guān)系。當(dāng)l0時(shí)，L為，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)l0時(shí)，并不等于，而具有一定的數(shù)值，在l較小時(shí)其特性曲線如圖中虛線所示。如上下移動(dòng)銜鐵使面積S改變，從而改變L值時(shí),則Lf(S)的特性曲線為一直線。, L, l,自感變化靈敏度為：,線性度,l,L,L1,L2,L0,l0,結(jié)論：當(dāng)氣隙l發(fā)生變化時(shí)，自感的變化與氣隙變 化均呈非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣

32、隙相對(duì)變化l/l的增大而增加； 氣隙減少l所引起的自感變化L1與氣隙增加同樣l所引起的自感變化L2并不相等，即L1L2，其差值隨l/l的增加而增大。,3-4 電感式傳感器,3-4 電感式傳感器,由前面的分析可見，變氣隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾。 由于以上特點(diǎn)，為了減小非線性誤差，則要限定l的范圍，因此變間隙式傳感器只能用于微小位移的測(cè)量。 為了改善其非線性，常采用差動(dòng)式的結(jié)構(gòu)。 工作原理如下：,3-4 電感式傳感器,E,USC,1,3,4,2,R,R,(l- l)/2,(l- l)/2,差動(dòng)變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成。當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí)，一個(gè)線

33、圈的自感增加，另一個(gè)線圈的自感減少，形成差動(dòng)形式。,靈敏度：,線性度：,3-4 電感式傳感器,2、螺管型電感傳感器 種類：?jiǎn)尉€圈和差動(dòng)式結(jié)構(gòu)形式。 單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。,用于較大行程,r,x,螺旋管,鐵心,單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖,l,3-4 電感式傳感器,線圈電感： l線圈長度 rc銜鐵半徑 r平均半徑 r鐵心的有效磁導(dǎo)率 N匝數(shù) lc銜鐵進(jìn)入線圈的長度,若被測(cè)量與lc成正比，則L與被測(cè)量也成正比。實(shí)際上由于磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，輸

34、入量與輸出量之間關(guān)系非線性的。,螺管線圈內(nèi)磁場(chǎng)分布曲線,r,x,l,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,H（ ）,IN,l,x（l）,鐵芯在開始插入（x=0）或幾乎離開線圈時(shí)的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長度時(shí)的靈敏度小得多。這說明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。,3-4 電感式傳感器,為了提高靈敏度與線性度,常采用差動(dòng)螺管式自感傳感器。這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測(cè)量范圍為(550)mm,非線性誤差在0.5左右。,2lc,lc,2l,線圈,線圈,r,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,-0.

35、8,0.8,0.4,1.2,-1.2,-0.4,x,H（ ）,IN,l,差動(dòng)螺旋管式自感傳感器 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)磁場(chǎng)分布曲線,x(l),(a),(b),3-4 電感式傳感器,3-4 電感式傳感器,綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易； 由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大； 由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾； 由于磁阻高，為了達(dá)到某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大； 要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。,二、互感式傳感器 把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。 這種傳感器是根據(jù)變壓

36、器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。 結(jié)構(gòu)：變隙式、變面積式和螺管式。 其中螺線管式最為常用，可測(cè)量1100mm的機(jī)械位移。,3-4 電感式傳感器,結(jié)構(gòu)及工作原理,原理：當(dāng)初級(jí)線圈加上某一頻率的正弦交流電壓后，次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓e21,e22，它們的大小與鐵芯在線圈內(nèi)的位置有關(guān)， e21和e22反極性連接就得到輸出電壓e2,3-4 電感式傳感器,等效電路,e2,R21,R22,e21,e22,e1,R1,M1,M2,L21,L22,L1,I1,在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。 初級(jí)線圈的電流值為：,激勵(lì)電壓的角頻率；

37、e1激勵(lì)電壓；,e1 初級(jí)線圈激勵(lì)電壓 L1,R1 初級(jí)線圈電感和電阻 M1,M1 分別為初級(jí)與次級(jí)線圈 1,2間的互感 L21,L22 兩個(gè)次級(jí)線圈的電感 R21,R22 兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻,3-4 電感式傳感器,N2為次級(jí)線圈匝數(shù)。 Rm1和Rm2是通過兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻。,在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為,初級(jí)線圈對(duì)兩次級(jí)線圈的互感系數(shù)：,3-4 電感式傳感器,其幅值：,輸出阻抗：,因此空載輸出電壓:,3-4 電感式傳感器,應(yīng)用 測(cè)量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。 1. 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器 用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以

38、上，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果?？蓽y(cè)量的振幅為(0.15)mm，振動(dòng)頻率為(0150)Hz。,穩(wěn)壓電源,振蕩器,檢波器,濾波器,(b),(a),220V,加速度a方向,a,輸出,1,2,1,1 彈性支承 2 差動(dòng)變壓器,3-4 電感式傳感器,2. 微壓力變送器 將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。,220V,1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動(dòng)變壓器 6 銜鐵 7 罩殼,V,振蕩器,穩(wěn)壓電源,差動(dòng)變壓器,相敏檢波電路,1,2,3,4,5,6,7,這種變送器可分檔測(cè)量(51056105)N/m2壓力，輸出信號(hào)電壓為(050)mV，精度為

39、1.5級(jí)。,3-4 電感式傳感器,3-6 壓電式傳感器,第六節(jié) 壓電式傳感器 壓電傳感器是典型的有源傳感器。 又稱自發(fā)電式傳感器及電勢(shì)式傳感器。 壓電傳感器的工作原理是基于某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。 特點(diǎn)： 體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、工作可靠； 適合動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)量，不能測(cè)量靜態(tài)量。,目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力學(xué)或壓力的測(cè)量。 壓電傳感器是一個(gè)機(jī)電轉(zhuǎn)換元件。 應(yīng)用： 拾音器、壓電引信、燃?xì)恻c(diǎn)火具。,3-6 壓電式傳感器,3-6 壓電式傳感器,一、壓電效應(yīng) 一些晶體結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； 而當(dāng)外力去掉

40、后，又恢復(fù)不帶電的狀態(tài)； 當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。,晶體受作用力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。 反之，如果給晶體施加以交變電場(chǎng)，晶體本身則產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，又稱電致伸縮效應(yīng)。 壓電效應(yīng)具有可逆性。,電能,機(jī)械能,正壓電效應(yīng),逆壓電效應(yīng),3-6-1 壓電效應(yīng),Z,X,Y,(a),(b),石英晶體 (a)理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系,Z,Y,X,晶體 縱向壓電效應(yīng):通常把沿電軸XX方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”； 橫向壓電效應(yīng):而把沿機(jī) 械軸YY方向的力作用 下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng) 稱為“橫向壓電效應(yīng)； 沿光軸ZZ方向受力則 不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,光軸,電軸,機(jī)械軸,3-6-1 壓電效應(yīng),縱向壓電效應(yīng) 橫向壓電效應(yīng)：在YY方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，其電荷分布與XX方向受力所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)情況相反；當(dāng)Y方向受壓時(shí)（FY0），其電荷分布如同X方向受壓所示。,3-6-1 壓電效應(yīng),晶體切片,沿晶軸方向切下一六面體,3-6-1 壓電效應(yīng),石英晶體的壓電效應(yīng)可以概括為： 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系