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1、2.5 几种常见传感器原理,2.5.1 RLC传感器,一、电阻应变式传感器,位移或应变能够引起某些材料的电阻值变化，因此可用它们构成电阻应变式传感器。 特点：分辨率高(1m)，误差小(1%), 重量轻，量程大，尺寸小，价格低，可用来测动态和静态量。,工作原理,电阻式传感器测量原理: 被测的非电量 R 电量输出 其基本原理为：设有一根长度为L，截面积为A，电阻率为的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示：,三个参数：长度L，截面积A，电阻率，如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变化，构成不同电阻传感器： 1、长度L发生变化电位器式传感器； 2、截面积A、长度L发生变化电阻应变片传感器； 3、电阻率发
2、生变化热敏电阻、光导性光检测器等。,1.电位器式传感器,通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。,电位器式传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型等，如图所示。,电位器式传感器一般采用电阻分压电路，将电参量R 转换为电压输出给后续电路，如图所示。当触头移动时，输出电压为：,2.电阻应变片,片状电阻元件贴在构件上构成。 有丝绕式，短接式，泊式，半导体，还可用硅条做成产品。,典型结构,康铜应用最广； 半导体电阻温度系数大，要进行温度补偿； 半导体有很高的压阻效应，灵敏度是康铜的7090倍，但非线性也比较大。,电桥电路又叫惠斯登电桥，
3、它是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。,电桥电路按其所采用的激 励电源类型,直流电桥,交流电桥,工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。,3 传感器测量电路,直流电桥,直流电桥,桥路输出,（1）平衡电桥：IL=0时 平衡条件 :,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,（2）不平衡直流电桥,当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：,应变片工作时，其电阻变化R,采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时有：,当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则, Ri R
4、时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,略去分母中的R1/R1项 ,假设R1/R11,理想的线性关系：,实际输出电压：,电桥的相对非线性误差：,单臂电桥：即R1桥臂变化R,半桥差动电桥,R1R2R3R4=R，
5、R1R2=R,严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用,输出电压为：,全桥差动电路,恒流源供电电桥,假设RT为温度引起的电阻变化,电桥的输出为,电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比， 但与温度无关，因此测量不受温度的影响。,交流电桥,如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为交流电桥。,为适应电感、电容式传感器的需要,交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。,（1）交流电桥的平衡条件,交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感或变压器的两个次级线圈,交流电桥的四个桥臂分别用阻抗 、 、 、 表示,交流电桥的平衡条件为：,
6、电阻交流电桥 电感电桥 电容电桥 变压器电桥电路,电阻交流电桥,1、单臂电阻； 2、等臂差动电桥 ； 3、全桥交流电桥。,电感电桥,两相邻桥臂为电感L1和L2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中 和 为电感线圈的有功电阻。,若设Z1、Z2为传感器阻抗,且,则有,另有,由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电感式传感器的两差动电感，工作时：,电桥的输出电压为：,当LR 时，上式可近似为：,交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。,电容电桥,两相邻桥臂为电容C1和C2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中 和 为电容介质损耗电阻。,设Z1、Z2为传感器阻抗，,且,有,由于电桥是双臂工作，所以接入
7、的是差动电容式传感器的两差动电容，,电桥的输出电压为：,当CR 时，上式可近似为：,交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。,变压器电桥电路,电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电桥,它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差动电容或差动电感分别接在另两个臂,设其阻抗分别为Z1和Z2，,(由于被测量使传感器的阻抗发生变化),电桥的输出电压为：,实际测量中，4个阻抗难于达到真正平衡，为此常采用下面的电桥平衡电路进行调整。各电位器值10R，r25R。 实际应用时还在输入回路中加接小的铜电阻，或者在受感臂中串接热敏电阻等，来实现温度补偿。,4.应用实例血管外血压传感
8、器,由插管技术将血液压力传到圆帽，膜片产生位移，带动活动元件移动，使R1，R4以及R2, R3发生反方向应变，使连接它们的全桥失去平衡，产生输出。,5.应用实例脉象传感器,脉搏波经传感顶子作用于等强度悬臂梁的自由端，使之弯曲变形。贴在梁上下面的应变片接入全桥或半桥，输出的电压即反应脉动规律。,侧视图 上视图,6.水银橡胶管应变仪传感器,在一个可伸缩的橡胶管中充满导电液体（如KCl，水银），也可以是导电碳粒，可测量心脏，血管，手足，胸腔尺寸变化。可测的应变较小，保证电阻变化与应变成线性关系。频率上限为10Hz。,二、电容式传感器,1.工作原理 被测量改变传感器的电容量，再转换成电量输出。基本形式
9、是平板电容器，电容量为 C=0rS/x 常通过极距x来实现测量，也可以改变介电常数r和极板面积S。 上式微分得电容传感器的灵敏度 K=C/x=- 0rS/x2 并得到 dC/C= -dx/x 说明在任何中心点附近电容量相对变化与位移的相对变化成正比关系。,工作原理,S 极板相对覆盖面积； d 极板间距离； r相对介电常数； 0真空介电常数，； 电容极板间介质的介电常数。,变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l),变极距型电容传感器,非线性关系,若d/d1时，则上式可简化为,若极距缩小d,最大位移应小于
10、间距的1/10 差动式改善其非线性,初始电容,变面积型电容传感器,当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时，其电容变化量化为,C与x间呈线性关系,电容式角位移传感器,当=0时,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系,变介电常数型电容式传感器,初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,2.测量电路 1）直流极化电压电路,这是最简单的测量动态位移变化的电路，将传感器与直流电源V和大负载电阻R串接，在R上测量输出电压V0 ，它与极距x间有关系： X0是无位移时的电容极距，RC，R1M 实际上是高通滤波器，增大R，C能降低fc，但会增加非线性，要求x/x0很小。,2）变频电路,C被接入Ha
11、rtley振荡器回路，信号频率为: 位移输入被转换成信号频率的改变，通过测量f来了解位移量。 能测量的位移可以接近直流，但是存在非线性。,3）运放测量电路,C是电容传感器 低端频响很好,接近直流 输出电压与位移成线性 关系 放大器增益等于反馈阻抗与输入阻抗之比,故 输出是由位移x调制的调幅信号，用解调器和低通滤波器来得到正比与x的电压信号。,4）电桥测量电路,用差动三端电容测量精确位移。d0平衡位置，x向上正向位移，有 C10rA/(d0-x), C20rA/(d0+x),可采用电容电桥测量，输出电压为,也可采用变压器比率臂电桥，放大器电流正比于(C1-C2)=x(2A0r/(d02-x2)，
12、通常xd0,因此输出与位移成正比。 该电路有高灵敏度，高精度的优点，还能测量不同距离上的电容。,3.电容压力传感器,左)电容传声器：声波作用于弹性膜上，使其与固定电极间的距离改变，即C改变。 右)电容心音传感器。 频响宽，失真小，应用广：录音，语声和心音测量等。,三、电感式传感器,1 原理 输入的位移使线圈的自感量或线圈间的互感量发生变化，由此转换成电量变化。前者为电感传感器，后者称变压器式传感器。,自感式传感器,l i 各段导磁体的长度； U i各段导磁体的磁导率； S i 各段导磁体的截面积； 空气隙的厚度； U0 真空磁导率; S 空气隙截面积,线圈自感,变气隙型传感器 变截面型传感器,
13、变间隙式电感传感器,传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。 线圈电感：,N为线圈匝数，Rm为磁路总磁阻。,特点：灵敏度高，非线性误差较大，制作装配比较困难。,变面积型电感传感器,气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。,螺管型电感传感器,衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量
14、生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。,差动式电感传感器,为了改善线性在实际中大都采用差动式， 采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。,要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。,差动式优点： 1、线性好； 2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍； 3、温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器的影响，由于能够相互抵消而减小； 4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能够相互抵消而减小。,2 差动变压器传感器（互感）,互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。 一般
15、，这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。,两个次级绕组的同名端则反向串联。,差动变压器输出电压特性曲线,差动变压器的结构类型,实例：差动电感加速度计,测量震颤麻痹症病人手指的颤抖程度，诊断病情和了解疗效。 弹簧所系的质量块的偏移正比于作用在上面的加速度。 在10V电压下，具有83.36mVG-1的灵敏度，量程30G，频响030Hz。,3.测量电路,除了差动电感和差动变压器外，单一电感传感器可以用交变的恒流源激励L来测量其端压，它正比于电感量。缺点是高频时因寄生电容影响存在非线性误差。 常把L接入电容三点式振荡回路，产生振荡频率为： 这种方法线性度好。测
16、量出来的是频率变化，这有利于数字化。,差动电感传感器，可以将电感作为桥臂，如图a所示。图中Ve表示交流激励电压。 还可以采取图b所示紧耦合的电感固定臂电桥的结构形式，其灵敏度较高，电桥也容易平衡。,四、 电磁式传感器,这是一类利用电磁感应定律设计的传感器，可测量许多物理量，典型的产品有电磁血流计、电动式传感器。 1.电动式传感器 也称动圈式传感器，利用电磁感应定律设计。 机械系统的线圈架上绕N匝线圈，永久磁铁环，磁极环等。,外界输入作用力F驱动机械系统运动，线圈随之运动（动圈），切割磁力线，在线圈中产生感应电势： eBlv ldN，d为线圈直径，N匝数。B和导线长度l为常数，因此感应电动势e和运动速度v成正比。 由此测出F作用下动圈的运动，用来构成心音传感器，声压传感器等。 逆向使用：输入激励电流，产生推力使线圈运动，形成压力发生器，可以做电动式心脏推进装置等。,
