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1、传感器及应用 第2章,要点： 1.各种传感器的位移转换原理、特性、基本测量电路及延伸至的其他物理量的测量， 2.电桥电路的特性。,第2章 线性位移传感器及应用, 2.1 电阻式传感器 2.2 电容式传感器 主要内容： 1.应变式传感器的组成 2.电阻应变片的灵敏度 3.电阻应变片的结构类型 4. 应变电桥的特性,位移是制造业中最常见的被测物理量之一。线性位移传感器也是构成其他各种机械量传感器和流体压力、液位传感器的基础。,5.电位器的位移转换原理 6.电容式传感器的类型与特点 7.电容式传感器的转换电路,2.1 电阻式传感器,2.1.1 应变式传感器 1.应变式传感器的组成,示例： 应变式角位
2、移传感器,2. 电阻应变片的灵敏度 （1）金属电阻应变片的灵敏度,式中，K为应变灵敏度系数。由表2-1可以看出，金属应变片K2 。 （2）半导体的压阻效应与压阻系数,式中，E为半导体材料的弹性模量，l为半导体材料的压阻系数。半导体应变片又称压阻元件，其灵敏度K约为几十甚至几百，远大于金属电阻的应变灵敏度。但其温度稳定性远不如金属电阻应变片。,3.电阻应变片的结构类型,（1）金属电阻应变片的结构类型 如图2-3所示，金属电阻应变片有丝式、箔式和薄膜式。 图a为其结构示意图，敏感栅粘贴在基底上，上面覆盖保护层。基底有纸基和胶基两种。应变片的纵向尺寸为工作长度，反映被测应变，其横向应变将造成测量误差
3、。,图b为圆角丝栅，其横向应变会引起较大测量误差，但耐疲劳性好，一般用于动态测量。 图c为直角丝栅，精度高，但耐疲劳性差，适用于静态测量。,箔式电阻应变片的丝栅形状可与应力分布相适应，制成各种专用应变片，如图d为应变式扭矩传感器专用，图f为板式压力传感器专用。,箔式电阻应变片的电阻值分散度小，可做成任意形状，易于大量生产，成本低，散热性好，允许通过大的电流，灵敏度高，耐蠕变和耐漂移能力强。,薄膜应变片是采用真空镀膜技术在很薄的绝缘基底上蒸镀金属电阻材料薄膜，再加上保护层形成的。其优点是灵敏度高，允许通过大的电流。 （2）半导体应变片的结构类型 半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型等型式。扩散型半
4、导体应变片是在硅片上用扩散技术制成4个电阻并构成电桥，利用硅材料本身作为弹性敏感元件，还可以把补偿电路和其他信号处理电路集成在一起，构成集成力敏传感器。,体型半导体应变片结构示意图，1-基片， 2-条状半导体， 3-引线。,表2-1 应变片主要技术参数,4. 转换电路,a）单臂 b）双臂,电桥可用作电阻、电容和电感式传感器的测量电路。电桥在初始状态是平衡的，输出电压等于零；当桥臂参数变化时才输出电压，称为不平衡电桥，其特性是非线性的。,c）全桥 d)交流电桥,（1）电阻电桥的输出电压,式中，相邻桥臂间为相减关系， 相对桥臂间为相加关系。,（2）应变电桥的工作方式 对于应变式传感器，其电桥电路可
5、分为全桥、单臂电桥和双臂电桥工作方式。全桥和双臂电桥还可构成差动工作方式。,半桥单臂工作方式：R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻,半桥双臂工作方式：R1、R2均为电阻应变片，R3、R4为固定电阻,差动电桥： 构成差动电桥的条件为： 相邻桥臂应变片的应变方向应相反，相对桥臂应变片的应变方向应相同。 如果各应变片的应变量相等，则称为对称电桥。,差动电桥可提高电桥的灵敏度。由于消除或减小了分母中的R项和分子中的R2项，因此减小了电桥的非线性。同时相邻桥臂对相同方向的变化有补偿（相互抵消）作用，因此还可实现温度补偿。,对称差动半桥的输出电压,对称差动全桥的输出电压,2.1.2 电位器式传感器
6、原理,VOLFA位移传感器外形,电位器的位移电压转换原理,2.2 电容式传感器原理,电容式传感器可分为改变两金属板间的距离式、改变两金属板的相对有效面积式和改变电介质 式三种结构类型。,根据平行金属板间的电容量公式,2.2.1 电容式传感器的类型,由图b可知其特性为非线性，但若很小时，则可以近似为线性特性，而且具有很高的灵敏度,1.改变极板间距离的平板电容式传感器,因此，变极距式用于微小位移的测量及构成压力、加速度等传感器。,如图c所示为差动式结构，可以提高灵敏度、减小非线性。,2.改变极板间有效面积的电容式传感器,结构形式：有平板式、扇形平板式、柱面板式、圆筒面式四种，及差动式。其中，平板式
7、和圆筒面式用以测量直线位移，扇形平板和柱面板式用以测量角位移。,3.改变电极间介质的电容式传感器,由于电容量与面积变化成正比，因此，变面积式电容传感器的特性为线性特性，测量范围宽，但灵敏度较低。,传感器的电容增量与被测介质高度成正比。故电容式传感器常用来测量液位和料位的高度。,式中,2.2.2 电容式传感器的转换电路 1.桥式电路,图2-9 电容传感器桥式转换电路 a)单臂电容电桥 b)差动电容电桥 c)双T电桥,图c为双T形电桥原理图，激励电源为稳频、稳幅的高频对称方波，它利用二极管控制传感器电容Cx和电容C的充放电，当Cx=C时，负载RL上流过的平均电流为零；当Cx变化时，负载RL上得到与
8、电容变化成比例的信号电压。,2.差动脉冲调宽电路,变极距差动电容传感器输出,变面积差动电容传感器输出,2.2.3 电容式位移传感器的实用结构 电容式位移传感器的位移测量范围为在1m10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2，变面积式和变介质式电容传感器的测量位移大、精度较高，其分辨率可达0.3m。如图2-11所示是一个大位移变介质式电容位移传感器的实用结构。,小结： 1.应变式传感器的组成 2.电阻应变片的灵敏度 3.电阻应变片的结构类型 4.应变电桥的特性 5.电位器的位移转换原理 6.电容式传感器的类型与特点 7.电容式传感器的转换电路 作业：2-1、2-3、2-7、2-8, 2.3
9、 电感式传感器 2.4 电涡流式传感器 主要内容： 1.自感式电感传感器的结构与特性 2.差动变压器的结构与特性 3.电涡流传感器的结构与特性 4.电涡流传感器的使用注意事项,2.3 电感式传感器,2.3.1 自感式传感器 自感式传感器的结构形式分为闭磁路（变气隙）型和开磁路（螺管）型两种。 1.变气隙式（闭磁路式）自感传感器,由铁心、线圈、衔铁、测杆及弹簧等组成。,（1）变气隙长度式电感传感器 电感L与l0气隙长度成反比，因此，其线性度差、示值范围窄、自由行程小，常用于直线小位移的测量，及结合弹性敏感元件构成压力传感器、加速度传感器等。 （2）变气隙截面式电感传感器 L与S0成正比。因此，变
10、截面式传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，通常用来测量比较大的直线位移和角位移。 （3）差动式结构 为了扩大示值范围和减小非线性误差，可采用差动结构，差动式有两个线圈L1和L2，将它们接在电桥的相邻臂，构成差动电桥，不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大为减小。,（H）,线圈的自感系数L与线圈的匝数N和两个空气间隙的参数之间的关系为,2.螺管式（开磁路式）自感式传感器,螺管式自感传感器在螺线管中插入圆柱形铁心而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。,3.电感传感器的转换电路,电感式传感器常用交流阻抗电桥和谐振电路实现信号转换。如图2-15所示为电感式传感器
11、常用的交流阻抗电桥，电桥的平衡也可用如图2-4d所示的电路来调节。,2.3.2 差动变压器,1.差动变压器的结构与原理 如图2-16a所示，在差动螺管式自感传感器中间加一组一次侧线圈，即构成差动变压器两个绕组为二次侧绕组。,图2-16 差动变压器的结构与原理图 a）结构与原理图 b）等效电路 1一次侧线圈 2二次侧线圈 3衔铁,2.差动变压器的特性,（1）主要技术指标 WY系列差动变压器式位移传感器的主要技术指标见表2-2。,0.11500,0.1,0.1,1600,0.5,（2）输出特性曲线 在线性范围内，输出电动势随衔铁正、负位移而线性增大。,（3）零点残余电压 由于工艺上的原因，差动变压
12、器两个二次绕组不可能完全对称，其次由于线圈中的铜损、磁性材料的铁损和材质的不均匀性、线圈匝间分布电容的存在、以及导磁材料磁化特性的非线性引起电流波形畸变而产生的高次谐波，使励磁电流与所产生的磁通不同相，当位移x为零时输出电动势e不等于零，这个不为零的输出电动势称零点残余电压，如图2-17b所示。,消除零点残余电压的方法：除了从设计和工艺上采取措施外，常采用相敏检波电路和适当的补偿电路（参阅第10章）。相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁的移动方向，而且有利于消除零点残余电压，其特性如图2-17c所示。,图2-17 差动变压器的输出特性 a)理想特性 b)零点残余电压 c)相敏检波后特性,（4）灵敏度与
13、激励电源的关系 差动变压器的灵敏度用(mV/mm)/V来表示，它与激励电动势和频率有关。e1越大，灵敏越高。但e1过大，会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，e1常取38V；激励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，常选410kHz。 （5）灵敏度与二次绕组匝数的关系 二次绕组匝数越多，灵敏度越高，两者成线性关系。但是匝数增加，零点残余电压也随之变大。,3.差动变压器的差动整流电路,图2-18 差动整流电路 a）全波电流输出 b）半波电流输出 c)全波电压输出 d）半波电压输出,2.4 电涡流式传感器,电涡流在用电中是有害的，应尽量避免，如电机、变压器的铁心用相互绝缘的硅钢片叠成，以切断电涡
14、流的通路；而在电加热方面却有着广泛应用，如金属热加工的400Hz中频炉、表面淬火的2MHz高频炉、烹饪用的电磁炉等。在检测领域，电涡流式传感器结构简单，其最大特点是可以实现非接触测量，因此在工业检测中得到了越来越广泛的应用。例如位移、厚度、振动、速度、流量和硬度等，都可以使用电涡流式传感器来测量。,2.4.1 电涡流式传感器的工作原理,由电涡流所造成的能量损耗将使线圈电阻有功分量增加，由电涡流产生反磁场的去磁作用等效于使线圈电感量减小，从而引起线圈等效阻抗Z及等效品质因数Q值的变化。,所以凡是能引起电涡流变化的非电量，例如金属的电导率、磁导率、几何形状、线圈与导体的距离等，均可通过测量线圈的等
15、效电阻R、等效电感L、等效阻抗Z及等效品质因数Q来测量。,2.4.2 电涡流式传感器的结构,电涡流式传感器的结构主要是一个绕制在框架上的线圈。,图2-20 CZF-l型传感器的结构图 1线圈 2框架 3框架衬套4支座 5电缆 6插头,2.4.3 电涡流传感器的转换电路,电涡流式传感器可以采用谐振电路来转换。谐振电路的输出也是调制波，控制幅值变化的称调幅波，控制频率变化的称调频波。调幅波要经过幅值检波，调频波要经过鉴频才能获得被测量的电压。 如图2-21所示,晶体振荡器输出频率固定的正弦波，经限流电阻R接电涡流传感器线圈与电容器的并联电路。当LC谐振频率等于晶振频率时输出电压幅度最大，偏离时输出
16、电压幅度随之减小，是一种调幅波。该调幅信号经高频放大、检波、滤波后输出与被测量相应变化的直流电压信号。,图2-21 CZF-1型电涡流传感器测量电路框图,2.4.4 电涡流式传感器使用注意事项,充分利用电涡流以获得准确的测量效果，使用时应注意：,1.电涡流轴向贯穿深度的影响,（1）导体厚度的选择 利用电涡流式传感器测距离时，应使导体的厚度远大于电涡流的轴向贯穿深度；采用透射法测厚度时，应使导体的厚度小于轴向贯穿深度。 （2）励磁电源频率的选择 导体材料确定之后，可以改变励磁电源频率来改变轴向贯穿深度。电阻率大的材料应选用较高的励磁频率，电阻率小的材料应选用较低的励磁频率。,涡流在金属导体中的轴向衰减深度t可以表示为,2.电涡流的径向形成范围,线圈电流所产生的磁场不能涉及到无限大的范围，电涡流密度也有一定的径向形成范围。在线圈轴线附近，电涡流的密度非常小，愈靠近线圈的外径处，电涡流的密度愈大，在等于线圈外径1.8倍处,电涡流密度将衰减到最大值的5。为了充分利用涡流效应，被测金属导
