1、主要內容,3.1,3.2,3.3,電阻式傳感器,電容式傳感器,電感式傳感器,3.1 電阻式傳感器,電阻式傳感器組成,電阻式傳感器分類 電阻應變式、壓阻式、熱阻式、光敏電阻式、磁敏電阻等。,一、應變式傳感器,電阻應變式傳感器定義 它是利用彈性敏感元件將被測量轉變?yōu)槠鋺?再通過粘貼在其上的電阻應變片將應變轉換為電阻變化，最后通過測量電路（電橋）轉換為輸出電壓的裝置。,應變片：利用金屬絲的電阻應變效應或半導體的壓阻效應制成的一種轉換傳感元件。,分類：電阻絲應變片和半導體應變片。,1 、電阻絲的應變效應,金屬絲受拉時，l 變長、r 變小，導致R變大 。,金屬絲沿軸向受到拉伸或壓縮，其阻值增大或減小，

2、此現象為電阻應變效應。 電阻變化（應變）與伸長量的關系？,圖3-1電阻絲的應變效應,1.電阻絲的應變效應,設有一長度為、截面積為S、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為 當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導致R變大；又如，某些半導體受拉時，將變大，導致R變大。,實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量R R與材料力學中的軸向應變的關系在很大范圍內是線性的，即,對于不同的金屬材料，K 略微不同，一般為2左右。而對半導體材料而言，由于其感受到應變時，電阻率 會產生很大的變化，所以靈

3、敏度比金屬材料大幾十倍。,在材料力學中，稱為電阻絲的軸向應變，也稱縱向應變，是量綱為1的數。 通常很小，常用10-6表示之。例如，當 為0.000001時，在工程中常表示為110-6或m/m。在應變測量中，也常將之稱為微應變()。 對金屬材料而言，當它受力之后所產生的軸向應變最好不要大于110-3，即1000m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂。,應變片用于測量力F的計算公式,由材料力學可知，=F /（SE），所以R /R又可表示為 如果應變片的靈敏度K 和試件的橫截面積A以及彈性模量均為已知，則只要設法測出R /R的數值，即可獲知試件受力的大小，例如可用于電子秤的稱重。,2、電阻絲

4、應變片的結構與類型,圖 3-2 電阻絲應變片結構,（1） 結構,箔式應變片的外形,敏感柵 感受應變，并將應變轉換為電阻的變化。,基底 絕緣及傳遞應變。由紙薄、膠質膜等制成。,粘結劑 敏感柵與基底、基底與試件、基底與覆蓋層之間的粘結。,覆蓋層 保護作用。防濕、蝕、塵。,引線（低阻易焊） 連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。,應變片的使用面積和阻值表示其規(guī)格。 如（310）mm2 ，120。,根據制柵工藝的不同分為絲式、 箔式和薄膜式。 絲式制作：粘貼工藝。 箔式制作工藝：照相制版或光刻技術。 薄膜式制作工藝：真空蒸發(fā)或真空沉積。 應變片的選擇 根據測量精度、允許工作電流、散熱、體積、是否批量等要求

5、查手冊選擇。,（2）電阻絲應變片的種類,圖 3-3 箔式電阻絲應變片結構,應變片的粘貼： 1. 去污：采用手持砂輪工具除去構件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。,2.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應變片放上去，并調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。,3.測量 ：從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發(fā)現端子折斷和壞的應變片。,4.焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。,5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引

6、線和應變片。,3、電阻應變片的特性,（1）應變片的靈敏系數K,=0,285鋼件,確定方法：實驗測定,確定過程：,應變片,F,F,應力儀測出X,電 位 差 計 測 R/R,圖 3-4 應變片K確定方法,敏感柵是由n條直線段和（n1）個半徑為r的半圓組成, 若該應變片承受軸向應力而產生縱向拉應變x時, 則各直線段的電阻將增加, 但在半圓弧段則受到從+x到x之間變化的應變。即從拉應變過渡到壓應變。,（2）橫向效應,定性分析,圖 3-5 應變片的軸向受力與 橫向效應,a點：只有X。 b點： 既有X ，又有 Y 。 c點：只有 Y 。,圓弧段橫向收縮引起阻值減小量對軸向伸長引起阻值增加量起著抵消作用。

7、因而同樣應變阻值變化減小，K值減小，此現象為橫向效應。,減小橫向效應 加長敏感柵縱柵，加寬縮短橫柵，消除圓弧。 箔式和薄膜式應變片橫向效應可忽略。,定量分析 應變片置于二維應力場，即有 ，又有 。,（3-9）,4、應變片的溫度誤差及補償 （1）溫度誤差 由于測量現場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差, 稱為應變片的溫度誤差。,產因之一:電阻絲溫度系數的影響,（3-10）,產因之二:試件材料與電阻絲材料的線膨脹系數的 影響,（3-11）,（3-12）,（3-13）,（3-15）,（3-14）,（3-16）,（3-17）,（2）溫度補償,方法一:應變片的自補償法,特種應變片 T0T=0,電阻絲材

8、料與被測材料配合恰當。,選擇式應變片的自補償法,（3-18）,兩段敏感柵的電阻大小選擇,雙金屬敏感柵自補償應變片,（3-19）,R1,R2,圖3-6 雙金屬敏感柵自補償,方法二:橋路補償法 補償原理：橋路相臨兩臂增加相同電阻，對電橋 輸出無影響。,電橋輸出,U 0=A（R1 R4 RB R3）,溫度補償條件是什么？,（2-20）,電橋輸出 Uo=A（R1+R1t）R4 (RB+RBt)R3=0 ,電橋輸出電壓為 Uo = AR1R4K Uo 與成單值函數關系。與溫度變化無關。 結論：單臂橋加補償片可實現溫度補償。,應變輸出R1=R1K,（2-21）,金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆

9、表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。 例如，有一金屬箔式應變片，標稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應變片的阻值R 的變化量僅為0.2，所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量。下面分析該橋式測量轉換電路是如何將R /R轉換為輸出電壓Uo的。,5、電阻應變片的測量電路,圖3-8 不平衡直流電橋,U0=？ 等臂電橋四個橋臂均為應變片，感受應變。 U0=？,（3-22）,四個臂為應變片工作時，其電阻變化R,（1）不平衡電橋電路的輸出,（3-23）,當Ri R ( i=1,2,3,

10、4) 時，略去上式中的高階微量,（3-24）,單臂電橋,R1,F,U0,R1R1,R4,R3,U,R2,圖3-10 單臂電橋,圖3-9 懸臂梁應變,（3-25）,半橋差動電橋,圖3-11 差動直流電橋,（3-26）,R2R2,R4R4,全橋差動電路,圖3-12 全橋差動電路,（3-27）,調節(jié)RP，最終可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、R2并聯RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預調到零位，這一過程稱為調零。圖中的R5是用于減小調節(jié)范圍的限流電阻。,結論： Ri R時，電橋的輸出電壓與應變成線性關系。 若相對兩橋臂應變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。為了產

11、生最大輸出電壓,應使一個對角線應變片受拉,另一對對角線應變片受壓。 電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。（應使工作電流小于允許電流） 增大電阻應變片的靈敏系數K，可提高電橋的輸出電壓。,（2）非線性誤差及其補償,單臂電橋，即R1橋臂變化R，理想的線性關系,實際輸出電壓,非線誤差誤差,（2-28）,（2-29）,（2-30）,半橋與全等臂橋輸入輸出成線性關系。 電橋靈敏度是單臂橋的兩倍，全等臂橋靈敏度是單臂橋的四倍。 溫度補償作用。 實驗驗證,應用 測量力、位移、加速度、扭矩等。它由彈性元件和粘貼在其表面的應變片組成。,6、電阻應變式傳感器的應用,制作 彈性元件的制作加工。 應變片的正確粘貼。

12、,結構形式 柱式、懸臂梁式、環(huán)式和輪輻式等。,（a）實心圓柱；（b）空心圓筒；,圖3-13柱式力彈性體結構圖,（1）柱（筒）式力傳感器,縱向對稱兩兩串接為了減小偏心載荷及彎矩的影響； 橫向貼片作溫度補償用。,橫向應變片的應變?yōu)?（3-31）,（3-32）,接成差動全等臂電橋，總的應變?yōu)?電橋輸出為,（3-33）,（2-34）,（2）懸臂梁式力傳感器,F,固定點,F,固定點,電纜,應變片在懸臂梁上的粘貼及變形,輸出電壓為,（2-36）,（2-37）,（2-35）,傳感器為懸臂梁式傳感器。懸臂梁端部受質量塊慣性力作用，距端部L處的應變?yōu)?應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置,F,F,F,荷重傳

13、感器原理演示,荷重傳感器上的應變片在重力作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。,汽車衡,荷重傳感器應用估算,例：用荷重傳感器稱重，荷重傳感器銘牌：F m=100103N，K= 2mV/V，當橋路電壓為6V時，測得橋路的輸出電壓為24mV，求被測荷重為多少噸。 被測荷重,共性:將應變片貼于應變值最大的點上，接于全橋電路，產生較大輸出（具有較高的靈敏度）注意對角線上的應力狀態(tài)一致,不同點:結構不同,敏感元件受力等產生的應變與被測量關系不同。各性能參數有所不同,應用范圍有所不同。 （查手冊）,總結各種結構電阻應變傳感器的共性是什么？ 不同之處是什么？,定義 單晶半導體材料受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變

14、化，這種效應稱為壓阻效應 。 特點 靈敏系數大，分辨率高。頻率響應高，體積小。溫度誤差較大，要有溫度補償措施。 分類 體型壓阻式傳感器和擴散型壓阻式傳感器。,二、壓阻式傳感器,半導體電阻率,1、壓阻效應的定量關系,（3-38）,（3-39）,（3-40）,（3-41）,缺點 溫度穩(wěn)定性較差，非線性較大。,2、半導體電阻應變片的結構及特點,制作 從單晶硅或鍺上切下薄片制成。,結構組成 基片、半導體薄片、引線。,優(yōu)點 靈敏系數大，橫向效應和機械滯后小。,圖3-16 體型半導體應變片的結構形式,輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。,消除了環(huán)境溫度的變化對輸出的影響。,3、測量電路與溫度補償,恒壓源,恒流源,（

15、3-42）,（3-43）,3-17恒壓（流）源供電電橋,4、 壓阻式傳感器應用,3-18壓阻式壓力傳感器結構簡圖 1低壓腔 2高壓腔 3硅杯 4引線 5硅膜片,（1）結構,低壓進氣口,高壓進氣口,膜片上徑向應力r和切向應力t的分布,（3-44）,沿徑沿 兩側采用擴散工藝制作四個電阻。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片上各點產生應力，4個電阻在應力的作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應的電壓。此電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。測得不平衡電橋的輸出電壓就能求得膜片所受的壓力差大小。,（3-45）,材料應變的測量,斜拉橋上的斜拉索應變測試,電子天平,電子天平的精度可達十萬分之一,人體秤,應變式數顯扭

16、矩扳手,可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。,上表中，哪幾個型號是半導體應變片？依據是什么？,應變片主要性能指標舉例,金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩大類。,熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化的特性對與溫度相關的參量進行檢測的裝置。,定義,測溫、測溫范圍主要在中低溫區(qū)（-200650）,應用,分類,三、熱電阻傳感器,1、金屬熱電阻,（1）鉑熱電阻,R t=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),熱電特性 （RTT）,當溫度t為-2000時,當溫度

17、t為0650時,對純度一定的鉑熱電阻， A、B、C為一常數。,R t = R0(1+At+Bt2),（3-46）,（3-47）,有R0=100和R0=1000及R0=500三種, 它們的分度號分別為Pt100、Pt1000和Pt500。,工業(yè)用鉑熱電阻的種類,查分度表法：鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表, 即R tt 的關系表, 這樣在實際測量中, 只要測得熱電阻的阻值Rt ， 便可從分度表上查出對應的溫度值。,計算溫度的方法,公式計算法：由測得的熱電阻阻值，由熱電特性公式計算出相應的溫度值。,鉑電阻的靈敏度。,R t=R0（1+t）, 純度 W100=R100/R0 。 按IEC標準, 工業(yè)

18、使用的鉑熱電阻W1001.387。,使用場合:不宜在還原性介質中使用。,（3-48）,（2）銅熱電阻,測量范圍為-50+150。熱電特性為：,R t=R0（1+t）,Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。,分度號,不宜在氧化性介質中使用。適于在無水分及侵蝕性 介質的溫度測量。,使用場合,（3-49）,（3）熱電阻的結構,圖3-19熱電阻結構圖,圖3-19（a）銅熱電阻結構圖,圖3-19（b）鉑熱電阻結構圖,利用半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質 而制成的溫度敏感元件。,定義,隨著溫度的升高，一方面，半導體的價電子受熱激發(fā)躍遷到較高的能級產生新的電子空穴對，使載流子數增加，電

19、阻率減??；另外一方面，半導體材料的載流子的平均運動速度升高，阻礙載流子定向運動能力增強，電阻率增大。,工作機理,2、熱敏電阻,半導體熱敏電阻主要類型,正溫度系數熱敏電阻PTC和負溫度系數熱敏電阻NTC。,主要用于控溫、保護等場合。如半導體器件的過熱 保護。電機、變壓器、音響設備的安全保護等。,PTC的應用場合,NTC熱敏電阻主要用于測溫和溫度補償。,NTC的應用場合,RT=R0e B(1/T1/T0),（1）熱電特性 （RTT）,T=373.15K(100)，T0=293.15K (20 ) R20、R100 已知，計算B,材料常數B的確定,溫度靈敏度的確定,（3-50）,（3-51）,（3-

20、52）,不同型號的熱敏電阻B值不同，它反映T0與T溫度之間 電阻值變化大小。,（2）熱敏電阻的伏安特性,圖3-20 熱敏電阻的伏安特性,工業(yè)用鉑電阻采用三線制測量電路和四線制測量電路。,3、熱電阻傳感器的應用 （1）金屬熱電阻傳感器,溫度測量，測量電路采用電橋電路。,圖3-21 三線制測量電路,三線制補償原理 電橋的相臨兩個橋臂增加了相同導線電阻，差動輸出后，可消除導線電阻的影響。,輸出電壓,（3-53）,圖3-22 四線制測量電路,四線制補償原理,當實際溫度低于設定溫度時，熱敏電阻阻值較大，VT1的基射極間的電壓大于導通電壓，TV1導通，VT2也導通，繼電器J線圈得電，其常開觸點J1吸合，電

21、熱絲加熱。發(fā)光二極管發(fā)光，指示電路處于加熱狀態(tài)。 當實際溫度高于設定溫度時，熱敏電阻阻值較小，VT1的基射極間的電壓小于導通電壓，TV1截止，VT2也截止，繼電器J1線圈失電，其常開觸點J1斷開，電熱絲斷電。小溫度范圍的溫度控制。,（2）熱敏電阻傳感器,溫度控制,圖3- 25 溫度控制器,將負溫度系數的熱敏電阻與小阻值錳銅絲電阻并聯后再與被補償元件串聯。,溫度補償,補償原理,溫度變化T，零件阻值變化R1，熱敏電阻并聯電路阻值變化R2，合理選擇電路參數，使,補償方法,錳銅絲電阻,R2,R1,被補償元件,RT,圖3- 26溫度補償電路,當光敏電阻受到光照時， 阻值減小。,四、光敏電阻,光敏電阻演示

22、,當光敏電阻受到光照時，光生電子空穴對增加，阻值減小，電流增大。,暗電流（越小越好）,、 光敏電阻的結構與工作原理,光敏電阻的結構,圖3-27光敏電阻的電極圖案,光照射到本征半導體上，材料中的價帶電子吸收了光子能量躍遷到導帶，激發(fā)出電子、空穴對，增強了導電性能，使阻值降低。光照停止，電子空穴對又復合，阻值恢復。,圖3-28 光敏電阻工作原理圖,工作原理,、 光敏電阻的主要參數和基本特性,（2） 基本特性 伏安特性 一定光照，R一定，I正比于U。 一定電壓，I隨著光照E增強而增大。 ERI。,（1） 主要參數,圖3-29 光敏電阻的伏安特性,光照特性（IE） 光敏電阻的光照特性為非線性，不宜作檢

23、測元件，主要用于自動控制中。 如光照度計：農作物日照時數測定。,圖3-30 光敏電阻的光照特性,無光照V0=VL 。有光照V0=VH。 輸出接單片機的I/O口，每2分鐘對此口查詢1次，為高電平，計數一次，為低電平，不計數。1天查詢720次。,圖3-31 光敏電阻的應用,圖3-32 光敏電阻的光譜特性, 光譜特性（Kr%）,光敏電阻的相對靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性。 亦稱為光譜響應。,不同材料，其峰值波長不同。 同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同，響應電流不同。 應根據光源的性質，選擇合適的光電元件，使光電元件得到較高得相對靈敏度。,頻率特性 光敏電阻受到（調制）交變光作用

24、，光電流與頻率的關系。反映光敏電阻的響應速度。,3- 33 調制原理圖,轉盤,3- 34光敏電阻的頻率特性,3- 35光敏電阻的溫度特性,3- 36光敏電阻的光譜溫度特性,電感式傳感器的工作基礎：電磁感應 即利用線圈自感或互感的改變來實現非電量測量,按轉換原理分為自感式、互感式、電渦流式等 特點： 工作可靠、壽命長 靈敏度高，分辨力高 精度高、線性好 性能穩(wěn)定、重復性好,a)變間隙式氣隙型 b)變面積式截 c)螺管式螺管型 3-37自感式傳感器原理圖,一、自感式傳感器,1、原理,線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成,氣隙變小，電感變大，電流變小,當鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和

25、感抗XL 較小，所以電流I 較大。當鐵心閉合時，磁阻變小、電感變大，電流減小。,原理式的推導,鐵心的結構和材料確定后，自感是氣隙厚度和氣隙截面積的函數。,螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵插入深度 不同而變化的基礎上。,2 、變氣隙式自感傳感器靈敏度,氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻,當銜鐵上移時, 傳感器氣隙減小, 即=0, 則此時輸出電感為L = L0+L,（1）簡單變氣隙式自感傳感器靈敏度,線圈的電感為,3-38變間隙式電感傳感器L-特性,當/ 1時, 可將上式用泰勒級數展開,當銜鐵下移時, 傳感器氣隙增大, 即=0, 則此時輸出電感為L = L0L。,可見：變間隙式電感傳感器的測量

26、范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此適用于測量微小位移的場合。,忽略高次項后,與,銜鐵上移 切線斜率變大,銜鐵下移 切線斜率變小,與線性度,銜鐵上移：,銜鐵下移：,無論上移或下移，非線性都將增大。,1-鐵芯； 2-線圈； 3-銜鐵,3-39差動式變間隙式電感傳感器,為了減小非線性誤差，提高靈敏度實際測量中廣泛采用差動變氣隙式電感傳感器。,（2）差動變氣隙式電感傳感器靈敏度,在變隙式差動電感傳感器中，當銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。,曲線1、2為L1、L2 的特性，3為差動特性,當銜鐵向上移動時，兩個線圈的電感變化量L1、L2,結論： 差動式為簡

27、單式電感傳感器靈敏度的2倍。 非線性減小。簡單式電感傳感器非線性誤差,克服溫度等外界共模信號干擾。,3、 變面積式自感傳感器靈敏度,輸入與輸出呈線性關系。得到較大的線性范圍。,靈敏度,特點,(1) 變壓器電路,圖3-40 變壓器電橋,3、 電感式傳感器測量電路,初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z, u0=0,輸出空載電壓,電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗。,銜鐵偏離中間零點，下移時,傳感器銜鐵上移時,可知：銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由于 是交流電壓， 輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。,空載輸出

28、電壓與電感的變化成線性關系,(2) 帶相敏檢波的電橋電路,電路作用： 辨別銜鐵位移方向。 U0的大小反映位移的大小，U0的極性反映位移的方向。 消除零點殘余電壓。 使x=0時，U0=0。,未加相敏整流器和加相敏整流器的電橋輸出、輸入特性曲線如圖。,圖3-8 非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較 (a) 非相敏整流電路；（b） 相敏整流電路,實測得到的 相敏檢波電路的特性曲線,通過調零電路，可使輸出曲線平移到原點。,標定位移時的實驗數據及曲線,設銜鐵移動使Z1=Z+Z，Z2=Z-Z。 當電源u上端為正（A正），下端為負時（B負）,當電源u上端為負（A負），下端為正時（B正）,在電源一個周期內，電

29、壓表的輸出始終為上正下負。即輸出的極性取決于銜鐵位移的方向。,設銜鐵移動使Z1=Z-Z，Z2=Z+Z時，分析輸出電壓的極性。,調頻電路：是傳感器電感L的變化將引起輸出電壓頻率的變化。 通常把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中， 其振蕩頻率。當L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據f的大小即可測出被測量的值。,(3) 調頻電路,傳感器自感變化將引起輸出電壓頻率的變化,G,C,L,f,圖3-42調頻電路,5、 自感式傳感器應用舉例,圖3-43變隙差動式電感壓力傳感器,敏感元件：C形彈簧管 轉換元件：差動變隙自 感傳感器 轉換電路：變壓器電橋,當被測壓力進入C形彈簧管時， C形彈簧管產生變形， 其自由

30、端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化。即一個電感量增大，另一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關系， 所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓， 即可得知被測壓力的大小。,二、互感式傳感器,1、互感式傳感器的結構與工作原理,根據變壓器的基本原理制成的。次級繞組采用差動形式連接, 故稱差動變壓器式傳感器。 與普通變壓器的區(qū)別與聯系。,（1）結構,-活動銜鐵；-導磁外殼；-骨架；-匝數為W1初級繞組；-匝數為W2a的次級繞組；-匝數為W2b的次級繞組,圖3-45 螺管式差動變壓器的結構,（2

31、）工作原理 差動變壓器一次線圈加一定頻率的激勵，由于一次和二次線圈之間的互感，二次線圈產生感應電勢。,銜鐵處于中間位置,銜鐵上移,銜鐵下移,差動變壓器輸出電壓與活動銜鐵位移x的關系曲線，呈V字形。是E2a 曲線與E2b曲線合成的結果。,（3）特性曲線,被測量的變化帶動銜鐵產生位移，引起原副邊磁阻 變化,進而原副邊磁鏈和互感系數的變化，最終使兩 個次級線圈產生感應電勢不同,差動輸出電壓變化。,圖3-46 差動變壓器輸出電壓特性曲線,2、基本特性,圖3-47差動變壓器等效電路,（1） 等效電路,當次級開路時 ,初級線圈有激勵電流,二次線圈由于互感產生互感電動勢為,空載輸出電壓為,由于次級兩繞組反相

32、串聯，且考慮到次級開路，則由以上關系可得,輸出電壓的有效值為,當激磁電壓的幅值U和角頻率、 初級繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時，差動變壓器輸出電壓僅僅是初級繞組與兩個次級繞組之間互感之差的函數。 只要求出互感M1和M2對活動銜鐵位移x的關系式，再代入上式即可得到螺線管式差動變壓器的基本特性表達式。,(1) 活動銜鐵處于中間位置時 M1=M2=M U2=0,(2) 活動銜鐵向上移動時 M1=M+M M2=MM,(3) 活動銜鐵向下移動時 M1=M M M2=M+M,短路阻抗,（2）主要性能 靈敏度,提高靈敏度的措施 增大U1、提高Q值、增大D 、減小損耗。, 頻率特性,圖3-48 KE與f

33、的關系曲線,取測量范圍為線圈骨架長度的1/101/4，激勵頻率采用中頻，配用相敏檢波式測量電路 。,線性度,保證線性度的措施,零點殘余電壓,定義：把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓。（x0， U0e00),產生原因 兩個二次測量線圈的等效參數不對稱，阻抗不 同，基波分量不能抵消。 鐵芯的B-H特性的非線性，產生高次諧波不同，不 能互相抵消。,減小零點殘余電壓措施,制造工藝上，做到磁路對稱，線圈對稱，鐵芯材料 均勻。 加補償電路。,差動整流電路。,補償電路：,補償原理：改變二次側線圈的阻抗，使兩二次輸出 電壓的大小和相位改變，使零點電壓最小。,串聯電阻補償基波分量，并聯電容補償高次

34、諧波。,圖3-49 補償零點殘余電壓的電路,3、測量電路,功能：,測量位移的大小，辨別移動方向，消除零點殘余電壓。,（1）差動整流電路,整流原理 把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流, 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。,圖3-50 差動整流電路,全波電壓輸出 輸出電壓極性反映位移的方向。,半波電壓輸出,全波電流輸出,考慮電流輸出型與電壓輸出型各自適應場合。,(a)、(b)適用于高阻抗負載 (c)、(d)適用于低阻抗負載 電阻R0用于調整零點殘余電壓。,（2）相敏檢波電路,(a）被測位移變化波形圖； (b)差動變壓器激勵電壓波形； (c) 差動變壓器輸出電壓波形； (d)相敏檢波解調電壓

35、波形； (e)相敏檢波輸出電壓波形,圖3-52 相敏檢波電路電壓波形,工作原理（過程） 當位移x 0時, u2與uS同頻同相,uL0。 當位移x 0時, u2與uS同頻反相, uL0。,x 0時, u2與uS為同頻同相 當u2與uS均為正半周時, uS使環(huán)形電橋中二極管VD1、D4截止, VD2、VD3導通, 得圖 3-51（b）的等效電路。,u22在RL上產生的電壓為,當u2與us均為負半周時, 二極管VD2、VD3截止, VD1、 VD4導通。 其等效電路如圖 3 -51（c）所示。,輸出電壓亦為,結論：位移X0, 不論u2與uS是正半周還是負半周，負載RL兩端得到的電壓u0始終為正。,當

36、x0時,u2與uS為同頻反相。 不論u2與uS是正半周還是負半周, 負載電阻RL兩端得到的輸出電壓u0表達式總是為,相敏檢波器輸出電壓的變化規(guī)律不僅反映了位移變化的大小，而且反映了位移的方向。,結論：位移X0, 不論u2與uS是正半周還是負半周，負載RL兩端得到的電壓u0始終為負。,4、 差動變壓器應用,1-接頭；2-膜盒； 3-底座；4-線路板； 5-差動變壓器線圈； 6-銜鐵；7-罩殼； 8-插頭；9-通孔,傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結合， 可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計,圖3-53 微壓力傳感器,圖3-54 微壓力傳感器測量電路,三、電渦流傳感器,當電渦流

37、線圈與金屬板的距離x 減小時，電渦流線圈的等效電感L 減小，等效電阻R 增大。感抗XL 的變化比 R 的變化 大 得 多，流過電渦流線圈的電流 i1 增大。,電渦流在我們日常生活中經?？梢杂龅?干凈、高效的 電磁爐,電磁爐內部的勵磁線圈,高頻電流通過勵磁線圈，產生交變磁場，在鐵質鍋底會產生無數的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋 內 的 食 物。,渦流定義： 塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時, 導體內將產生呈渦旋狀的感應電流, 此電流叫電渦流, 以上現象稱為電渦流效應。,傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。,分類, 對位移、厚度、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測。,應用,1

38、、高頻反射式電渦流傳感器,3-55 渦流的產生,工作過程信號流程,傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數關系式為 Z=F（, , r, f, x） ,Z=F（x）,（1）工作原理,（2）等效電路分析,線圈和導體的回路方程,由方程解得線圈等效阻抗Z的表達式為,Leq線圈受電渦流影響后的等效電感,式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻,線圈的等效品質因數Q值為,被測量的變化，引起線圈電感L、阻抗Z和品質因數Q的變化， 通過測量電路將Z或L或Q轉變?yōu)殡娦盘?，可測被測量。,可見：因渦流效應，線圈的品質因素Q下降。,（3） 傳感器的結構,交變磁場,電渦流探頭外形,線圈 框架 3框架襯套 4 支架

39、5電纜 6插頭,3-58 高頻渦流傳感器的結構,CZF-1系列傳感器的性能,分析上表請得出結論： 探頭的直徑與測量范圍及分辨力之間有何關系？,大直徑電渦流探雷器,（4） 被測材料對諧振曲線的影響,圖3-59 傳感器的諧振曲線,被測體為非磁材料，線圈的等效電感減小，諧振曲線右移； 被測體為軟磁材料，線圈的等效電感增大，諧振曲線左移。 定頻時，回路失諧，傳感器的阻抗及品質因數降低。,諧振頻率,（5）測量方法 定頻調幅法,石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（f0）穩(wěn)定的激勵電流io，LC回路輸出電壓,輸出電壓為高頻載波的等幅電壓或調幅電壓。,高頻放大器：電平抬高。 檢波電路：取出等

40、幅電壓。 濾波電路：濾出高頻雜散信號，取出與距離（振動）對應的直流電壓U0。,當金屬導體遠離或去掉時，LC并聯諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈現的阻抗最大， 諧振回路上的輸出電壓也最大；當金屬導體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經放大、 檢波后， 由指示儀表直接顯示出x的大小。 ,3-61 輸出特性曲線,X在（1/5 1/3）D（線框直徑）,3-62 調頻測距電路原理圖,調頻法,鑒頻器特性,使用鑒頻器可以將f 轉換為電壓Uo,鑒頻器的輸出電壓與輸入頻率成正比,2、低頻透射

41、式渦流傳感器,3-63(a)透射式渦流傳感器原理 (b) 線圈感應電勢與厚度關系曲線,測厚的依據: E的大小間接反映了M的厚度t,（1）工作原理,發(fā)射線圈,接收線圈,（2）影響E的因素,頻率、材料一定，板越厚，接收線圈E越小。,板厚、材料一定，頻率越高，E越小。,材料一定，不同頻率下的E與t的關系,3-64 不同頻率滲透深度對E=f(t)曲線的影響,厚板，較低頻率,薄板，較高頻率,為了得到較高的靈敏度，根據板厚選擇激勵頻率。,更換被測材料時,采取變頻的方法,使?jié)B透深度基本 不變,靈敏度不變。,測試頻率與材料關系,3、 渦流式傳感器的應用,（1）厚度測量,渦流傳感器S1、S2 與被測帶材表面之間

42、的距離分別為x1和x2。兩探頭距離為D。,結構組成,工作原理,x1和x2由渦流傳感器測出，經調理電路變?yōu)閷碾妷褐担俳汚/D轉換器，變?yōu)閿底至浚腿雴纹瑱C。單片機分別算出x1和x2值，然后由公式d=D(x1+ x2)計算出板厚。D值由鍵盤設定。板厚值送顯示器顯示。,圖3-65 高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖,位移測量,位移測量包含： 偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。來自不同應用領域的許多量都可歸結為位移或間隙變化。,數顯位移測量儀及探頭,偏心和振動檢測,測量彎曲、波動、變形,對橋梁、絲桿等機械結構的振動測量，須使用多個傳感器。,（2） 轉速測量

43、,若轉軸上開z 個槽(或齒)，頻率計的讀數為f（單位為Hz），則轉軸的轉速n（單位為r/min）的計算公式為,特點：可實現非接觸式測量，抗污染能力很強。最高測量轉速可達60萬r/min,例： 下圖中，設齒數z =48，測得頻率 f=120Hz，求該齒輪的轉速n 。,電動機轉速測量,電渦流式通道安全檢查門,安檢門的內部設置有發(fā)射線圈和接收線圈。當有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導體表面產生電渦流，會在接收線圈中感應出電壓，計算機根據感應電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側面還安裝一臺“軟x光”掃描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學圖像。,安檢門演示,（

44、3）渦流探傷,圖3-67 波接管成型工藝流程框圖,當金屬片未靠近探頭時，LC并聯諧振回路阻抗較大，輸出電壓大。設計經處理后的輸出電壓V0大于比較器的參考電壓VR。比較器輸出高電平。,（4）三杯式風速傳感器,它的結構是碗式風杯轉動軸上的固定的金屬片圓盤。當風杯受風而轉動時，圓盤上的金屬片便不斷地接近或離開渦流傳感器探頭中的振蕩線圈，造成回路失諧，輸出電壓下降（磁回路間斷短路）。,風速轉換為電脈沖信號。 如頻率速度轉換常數為1.87HZ/m/s。 風速為v=f/1.87(m/s) 如將脈沖送入單片機的計數口T1，T0定時1分鐘計T1中的計數值N，由公式,當金屬片靠近探頭時，LC諧振回路失諧，阻抗下

45、降，輸出電壓減小。V0 VR。比較器輸出低電平。,圓盤轉動圈數N1=渦流產生的次數N2=比較器 輸出脈沖數N3。,若想提高分辨能力，可在圓盤上等距放多個金屬片，轉一圈輸出多個脈沖。 風速計算公式,Z：圓盤上放金屬片的個數。,計算出風速值。,XC （X：位移、加速度、液位、料位、振動、濕度）,一、工作原理和類型,原理式,類型,變間隙式、變面積式和變介電常數式。,圖3-69 電容傳感器原理圖,3.3、電容式傳感器,圖3-70 電容傳感器結構圖 變極距(）型: (a)、(e) 變面積型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數( )型: （i）(l),1、變極距型電容傳感

46、器 （1）簡單變極距型電容傳感器,。,靈敏度推導,若以容抗為輸出,亦可用泰勒展開式表示為,（2）差動變間隙式電容傳感器,圖3-71差動變間隙式電容傳感器結構圖,靈敏度推導 設動極板上移 。,差動電容傳感器非線性誤差,單極非線性誤差,非線性誤差減小一個數量級。,2、變面積型電容傳感器,（1）線位移,圖3-72變面積型電容傳感器原理圖,（2）電容式角位移傳感器,當=0時,當0時,圖3-74電容角位移傳感器原理圖,3、 變介電常數型電容式傳感器,圖3-75電容式液位傳感器,（1）根據各種介質 的介電常數不同， 檢測液面或料位的高度。,結構形式 電容的連接方式。,電容與液位的關系：,（2）測量被測介質

47、的插入深度,圖3-76變介電常數式電容傳感器,當X=0時，傳感器的初始電容,當被測電介質進入極板間x深度后，引起電容相對變化量為,電容變化量與電介質移動量x呈線性關系。,有介質插入 兩段電容并聯,二、 電容式傳感器等效電路,傳感器電容,引線電阻、極板電阻 和金屬支架電阻組成,極板間漏電阻,電容傳感器的等效靈敏度,ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關，且隨變化而變化。定頻、定長。,1、 調頻電路,圖3-78調頻電路原理框圖,三、電容傳感器測量電路,混頻后,被測量引起電容變化,鑒頻器：頻率變化轉換為幅值變化。,線性檢波器：測幅辨相，測振動。,低通濾波器：直流平均，測位移。,調頻電容傳感器測量

48、電路具有較高的靈敏度， 可以測量高至0.01m級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數字儀器測量， 并與計算機通訊，抗干擾能力強， 可以發(fā)送、 接收， 以達到遙測遙控的目的。,2、 運算放大器式電路,Cx是傳感器電容 C是固定電容 u0是輸出電壓信號,3-79運算放大器式電路原理圖,特點：能克服變極距型電容傳感器的非線性。,式中“”號表示輸出電壓Uo的相位與電源電壓反相?？梢娺\算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關系。,3、二極管雙T型電路,當傳感器沒有輸入時，C1=C2。 電路工作原理：當e為正半周時，二極管VD1導通、VD2截止，于是電容C1充電，其等效電路如圖5-13（b）所示；在隨后負半周

49、出現時，電容C1上的電荷通過電阻R1，負載電阻RL放電，流過RL的電流為I1。 當e為負半周時，VD2導通、VD1截止，則電容C2充電，其等效電路如圖5-13（c）所示；在隨后出現正半周時， C2通過電阻R2，負載電阻RL放電，流過RL的電流為I2 。 電流I1=I2，且方向相反，在一個周期內流過RL的平均電流為零。,若傳感器輸入不為0，則C1C2, I1I2, 此時在一個周期內通過RL上的平均電流不為零， 因此產生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內平均值為,式中, f為電源頻率。,當RL已知，上式中,可改寫為,輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關，而且與T形網絡中的電容C1和C2的差值有關。當電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數。 電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關，故輸入電源要求穩(wěn)定。 當U幅值較高，使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時，測量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關，而僅與R1、 R2及RL有關，約為1100k。輸出信號的上升沿時間取決于負載電阻。對于1 k的負載電阻上升時間為20s左右， 故可用來測量高速的機械運動。,4、脈沖寬度調制電路 差動電容傳感器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器及低通濾波器有機配合，實現,（1）工作原理 正半周 設上電后RS觸