参数式传感器及其应用课件

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1、测试技术测试技术 参数式传感器及其应用参数式传感器及其应用第四章第四章参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件内容内容 1.传感器概念传感器概念2.电阻式传感器电阻式传感器3.电容式传感器电容式传感器4.电感式传感器电感式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件基本概念基本概念传感器：一种能把传感器：一种能把特定的信息特定的信息（物理、化（物理、化学、生物）按学、生物）按一定规律一定规律转换成某种转换成某种可用信可用信号号输出的器件和装置。输出的器件和装置。1 1、传感器概念传感器概念 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件基本概念基本概念信息检测的不可缺少的首

2、要环节，它的直接影响测试系统的信息检测的不可缺少的首要环节，它的直接影响测试系统的整体测试精度整体测试精度工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表传感器传感器 Transducer/Sensor/probe 1 1、传感器概念传感器概念 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件基本概念基本概念信息检测的不可缺少的首要环节，它的直接影响测试系统的整体信息检测的不可缺少的首要环节，它的直接影响测试系统的整体测试精度测试精度工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表传感器传感器 Transd

3、ucer/Sensor/probe 国家标准（国家标准（GB766587）对传感器）对传感器定义定义: 感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置器件或装置一个指定的传感器，只能感受规定的物理量（一个指定的传感器，只能感受规定的物理量（电量、非电量电量、非电量) )传感器的输出信号中载有被测量信息，且能远距离传送传感器的输出信号中载有被测量信息，且能远距离传送 电信号、光信号、气动信号电信号、光信号、气动信号输入输出关系服从一定规律，可以复现输入输出关系服从一定规律，可以复现公认、标准公认、标准1 1、传感器概念传感器概念 参

4、数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件组成组成感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置号的器件或装置敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路被测量被测量电量电量敏感元件敏感元件直接感受被测量直接感受被测量转换为有确定关系的易转换为有确定关系的易变成电量的其它量变成电量的其它量转换元件转换元件将将其其它它物物理理量量直直接接转转换换为为有有确确定定关关系系的的电电量的元件量的元件便于远传、接收的信号便于远传、接收的信号420mA、5V服从一定的可复现的规律服从一定的可复现的规律Vf（p）、）、Qf（p）Rf（）Lf

5、（x）规定的物理量规定的物理量压力压力应变应变振动、位移振动、位移1 1、传感器概念传感器概念 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件敏感元件敏感元件 力、转矩力、转矩应变应变转换元件转换元件 应变应变电阻电阻 转换电路转换电路 电阻电阻电压电压参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件基本特性基本特性测试系统的一个基本单元，具有：测试系统的一个基本单元，具有：静态特性静态特性 测量范围、灵敏度、精度等测量范围、灵敏度、精度等动态特性动态特性 带宽带宽 频响曲线频响曲线1 1、传感器概念传感器概念 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件分类分类用途用途/ /输入量输入

6、量: :适合于用户机械量：位移、力、速度、加速度、振动机械量：位移、力、速度、加速度、振动热工量：温度、压力、流量、流速热工量：温度、压力、流量、流速光学量：光强、光通量、辐射能光学量：光强、光通量、辐射能能量关系能量关系 能量转换型能量转换型/ /有源型：热电偶、光电池、压电式、惯性式有源型：热电偶、光电池、压电式、惯性式能量控制型：获取的信息能量来控制、调制外部激励能量控制型：获取的信息能量来控制、调制外部激励 涡流、涡流、R R、L L、C C参数型参数型1 1、传感器概念传感器概念 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件分类分类输出量性质：输出量性质：适合于研发电参数型电参数

7、型/ /参数式：参数式：R R、L L、C C工程参数工程参数电参数电参数基本类型基本类型: :电阻、电感和电容式电阻、电感和电容式无源传感器：本身没有内在的能量转换无源传感器：本身没有内在的能量转换电量型电量型/ /发电式：电压、电流、电荷发电式：电压、电流、电荷工程参数工程参数电信号电信号基本类型基本类型: :压电式、磁电式、光电式、霍尔式以及热电式压电式、磁电式、光电式、霍尔式以及热电式有源传感器：本身就有内在的能量转换有源传感器：本身就有内在的能量转换1 1、传感器概念传感器概念 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件定义：定义：将将非电量非电量变化转换为变化转换为电阻电阻变

8、化的传感器变化的传感器测量的物理量测量的物理量应变应变应变片应变片热热热敏电阻热敏电阻位移位移/ /距离距离电位器电位器转换元件转换元件电阻电阻R R转换电路转换电路直流电桥直流电桥2 2、电阻式传感器、电阻式传感器电阻电阻R R参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应变片式传感器应变片式传感器p工作原理：应变效应工作原理：应变效应应变片的电阻：应变片的电阻： l l长度长度 A A截面、半径截面、半径r r 电阻率电阻率微应变微应变材料在材料在轴向受力轴向受力的作用，产生的作用，产生机械变形机械变形/ /结构变形结构变形微应变微应变 Al2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感

9、器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应变片式传感器应变片式传感器p工作原理工作原理微应变微应变结构尺寸变化结构尺寸变化 应变单位：应变单位：（1 1= =1x101x10-6-6m m/m/m） 材料的泊松比材料的泊松比Al2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应变片式传感器应变片式传感器p工作原理工作原理电阻率变化电阻率变化金属材料金属材料 材料的材料的泊松比泊松比 C C常数常数半导体材料半导体材料 半导体材料在受力方向半导体材料在受力方向压阻系数压阻系数 E E半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量Al2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数

10、式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应变片式传感器应变片式传感器p工作原理工作原理n金属材料金属材料 一一般般0.3，C1，因因此此金金属属材材料料的的电电阻阻应应变变效效应应主主要要来来自自结结构构尺寸的变化尺寸的变化尺寸效应尺寸效应，且灵敏系数较小，约为，且灵敏系数较小，约为2.0左右。左右。n半导体材料半导体材料 E(1+E(1+) )，因因此此半半导导体体材材料料的的电电阻阻变变化化主主要要来来自自压压阻阻效效应应，灵敏系数较大，约为灵敏系数较大，约为50200，且分散性大。，且分散性大。2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应变片式

11、传感器应变片式传感器p应变片技术参数应变片技术参数类类 型型金属应变片金属应变片半导体应变片半导体应变片测量范围测量范围0.150000 0.0013000 灵敏系数灵敏系数1.84.550200标称阻值标称阻值120，350，600，500010005000电阻受温度影响电阻受温度影响温度系数是温度系数是正值正值温度系数是温度系数是负值，负值， 0.15%/0C电阻容差电阻容差0.1%0.35%1%2%有效栅长度有效栅长度/mm0.4150 标准值：标准值：310152 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应变片式传感器应变片式传感器p应变片技术参数

12、应变片技术参数(金属金属)应变片材料应变片材料康铜：常用的电阻丝材料卡玛合金：适用于长时间静态测量，比康铜具有更长的疲劳寿命和更宽的温度范围铂钨合金：具有极长的疲劳寿命绝绝缘缘电电阻阻：应变片绝缘电阻R是指已粘贴的应变片与被测试件之间的电阻值，一般要求R108最最大大工工作作电电流流Imax已安装的应变片敏感栅允许通过的不影响其工作特性的最大电流值.通常静态测量取25mA左右，动态测量可取75100mA2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应变片式传感器应变片式传感器p应变片结构应变片结构50年代以前2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其

13、应用课件参数式传感器及其应用课件柱式柱式应变片式传感器应变片式传感器p应变片使用应变片使用敏感元件敏感元件膜片式膜片式（气体、液体）（气体、液体）梁式梁式等截面梁等截面梁双孔梁双孔梁S型拉力梁型拉力梁2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应变片式传感器应变片式传感器p应变片的安装应变片的安装安装安装力传递力传递测量效果测量效果 受力的方向受力的方向应变片纵向应变片纵向安安装装方方法法有有三三种种：粘粘贴贴法法、焊焊接接法法和和喷喷涂涂法法，其其中粘贴法最为常用中粘贴法最为常用2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应

14、用课件应变片式传感器应变片式传感器p温度误差温度误差温度引起的测量误差温度引起的测量误差Rt、R0应变片在温度应变片在温度t、t0时电阻值时电阻值应变片电阻丝的电阻温度系数应变片电阻丝的电阻温度系数电阻丝材料和试件材料的电阻丝材料和试件材料的线膨胀系数线膨胀系数应变片灵敏系数应变片灵敏系数t 温度变化量温度变化量必须采用一定的方法来补偿电阻应变片输出的必须采用一定的方法来补偿电阻应变片输出的温度误差温度误差，实用中常采用实用中常采用桥路补偿桥路补偿方法方法电阻温度效应电阻温度效应热膨胀效应热膨胀效应2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应变片式传感器

15、应变片式传感器p温度补偿温度补偿温度效应：阻值随温度变化温度效应：阻值随温度变化被测体线胀：不同的线胀系数被测体线胀：不同的线胀系数电桥连接电桥连接差动：相邻臂差动：相邻臂提高灵敏度提高灵敏度补偿：相邻臂补偿：相邻臂2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件热电阻式传感器热电阻式传感器p工作原理：工作原理：金属或半导体的电阻值是温度的函数金属或半导体的电阻值是温度的函数 当温度升高当温度升高1时，大多数金属的阻值要时，大多数金属的阻值要增加增加0.40.6%，而半导体的电阻值要，而半导体的电阻值要减小减小36%n一般纯金属在温度变化范围不大时，其电阻值与

16、温度的关一般纯金属在温度变化范围不大时，其电阻值与温度的关系近似为系近似为n某些半导体的电阻值与温度的关系为某些半导体的电阻值与温度的关系为2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件热电阻式传感器热电阻式传感器p电阻电阻温度特性曲线温度特性曲线铂、铜的电阻特性曲线比较理想铂、铜的电阻特性曲线比较理想 半导体的电阻特性曲线半导体的电阻特性曲线2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件热电阻式传感器热电阻式传感器p热电阻材料选择热电阻材料选择n电阻温度系数电阻温度系数a要大要大，制成的温度传感器的灵敏度越高。电阻温度系

17、数，制成的温度传感器的灵敏度越高。电阻温度系数与材料的纯度有关，与材料的纯度有关，纯度越高纯度越高，a值就越大，且稳定值就越大，且稳定n材料的材料的电阻率要大电阻率要大，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小，对温度变，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小，对温度变化的响应就比较快化的响应就比较快n在整个测量范围内，物理化学性质稳定、线性、良好重复性在整个测量范围内，物理化学性质稳定、线性、良好重复性n易于加工复制，价格便宜易于加工复制，价格便宜几种热电阻材料特性2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件热电阻式传感器热电阻式传感器p金属电阻：金属电阻：工业中

18、应用最多的是铂和铜工业中应用最多的是铂和铜n铂电阻铂电阻化学稳定性很高，容易提纯，便于加工化学稳定性很高，容易提纯，便于加工最常用的材料最常用的材料用于用于13.81K630范围内的测温、也是基准温度计范围内的测温、也是基准温度计2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件热电阻式传感器热电阻式传感器n铂电阻铂电阻精度等级：决定于纯度精度等级：决定于纯度纯度：纯度：百度电阻比百度电阻比W(100)=R100/R0 1.391工业标准工业标准分度号：分度号： BA1、BA2HT-101HT-101铂电阻元铂电阻元件件（honeywell ） 分度号：分度号：

19、pT100pT100（BA2BA2）量程：量程：-200-450-200-450精度：精度：A A：0.06 B0.06 B：0.120.12外形：外形：1.63.2 251.63.2 25 2 2、电阻式传感器、电阻式传感器分度号分度号R0（）精度精度等等级R100/R0R0允允许的的误差（）差（）测量最大允量最大允许偏差（偏差（）BA146.001.39100.00070.05级：-2000时(0.15+4.510-3t)0500时(0.15+3.010-3t)级：-2000时(0.3+6.010-3t)0500时(0.3+4.510-3t)1.39100.0010.1BA2100.001

20、.39100.00070.051.39100.0010.1参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件热电阻式传感器热电阻式传感器n膜膜铂电阻铂电阻用真空沉积的用真空沉积的薄膜技术薄膜技术把铂把铂溅射溅射在陶瓷基片上，膜厚在在陶瓷基片上，膜厚在2m以内，用玻璃烧结料固定以内，用玻璃烧结料固定Ni(或或Pd)引线，经激光调阻制成薄引线，经激光调阻制成薄膜元件膜元件微型化、反应快微型化、反应快2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件热电阻式传感器热电阻式传感器p金属电阻：金属电阻：工业中应用最多的是铂和铜工业中应用最多的是铂和铜n铜电阻铜电阻温度系数温

21、度系数a高高于其它金属的值，价格低廉，易于提纯于其它金属的值，价格低廉，易于提纯在在-50150范围内近似呈线性关系范围内近似呈线性关系缺点缺点电阻率小电阻率小，体积较大，铜电阻丝细而长，故机械强度降低，体积较大，铜电阻丝细而长，故机械强度降低易氧化，只能用于无侵蚀性介质易氧化，只能用于无侵蚀性介质2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件热电阻式传感器热电阻式传感器p半导体电阻半导体电阻具有具有负的电阻温度系数负的电阻温度系数：温度降低时，其电阻值增加，灵敏度增大：温度降低时，其电阻值增加，灵敏度增大具有灵敏度高、体积小、热容量小的优点，可作为精密温度

22、测量具有灵敏度高、体积小、热容量小的优点，可作为精密温度测量常用的测温电阻有锗电阻和热敏电阻常用的测温电阻有锗电阻和热敏电阻n锗电阻锗电阻电阻温度关系很稳定，重复性很好电阻温度关系很稳定，重复性很好迄今所研究过的半导体中最理迄今所研究过的半导体中最理想的想的低温测量元件低温测量元件标定一次可长期使用，而且它的测量精度可达到标定一次可长期使用，而且它的测量精度可达到0.005K许多国家将锗电阻温度计作为许多国家将锗电阻温度计作为4.2K20K之间的标准测温仪表之间的标准测温仪表2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件热电阻式传感器热电阻式传感器p半导体电

23、阻半导体电阻n热敏电阻：热敏电阻：正、负、临界温度系数正、负、临界温度系数测量灵敏度较高、成本低、体积小（点温度测量）、重复性测量灵敏度较高、成本低、体积小（点温度测量）、重复性好，可满足不同测温对象的要求，而且适合动态测量好，可满足不同测温对象的要求，而且适合动态测量缺点是性能不稳定，缺点是性能不稳定，互换性差互换性差，导致测量精度不高，导致测量精度不高空调系空调系统的温控元件统的温控元件 a) a)圆片型圆片型 b)b)柱型柱型 c)c)平板型平板型 d)d)结构组成结构组成 e)e)符号符号2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件电位计电位计p原

24、理及结构原理及结构结构：结构：带有直线或旋转带有直线或旋转滑动触头滑动触头的的电电阻器件阻器件将将线位移或角位移转换为线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻与其成一定函数关系的电阻种类种类：按按结构形式结构形式可分为绕线式、薄可分为绕线式、薄膜式等膜式等原理原理2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应用应用p应变式力传感器应变式力传感器n被测物理量被测物理量：载荷或力载荷或力n用途：用途：各种电子衡器的测力元件，测量范围从各种电子衡器的测力元件，测量范围从1mN108Nn特点：特点：分辨率高，误差较小，测量范围大，静态与动态都可测，能分辨率高，

25、误差较小，测量范围大，静态与动态都可测，能在严酷环境工作的特点在严酷环境工作的特点n柱式测力元件：体积小、结构紧凑、构造简单柱式测力元件：体积小、结构紧凑、构造简单柱式柱式2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应用应用p应变式力传感器应变式力传感器ZL110力传感器力传感器额定载荷额定载荷 1050（kg）灵敏度灵敏度 2.00.2%（mV/kg/V）非线性非线性 0.02% F.S 滞后滞后 0.02% F.S 激励电压激励电压 912 VDC 重复度重复度 0.02% F.S温度补尝范围温度补尝范围 -10 +40 蠕变蠕变 0.02% F.S/

26、30min 允许使用范围允许使用范围 -20 +55 激励电压为激励电压为10V时，时，满载荷满载荷时的输出是多少？时的输出是多少？2 2、电阻式传感器、电阻式传感器与激励电与激励电压有关压有关参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件 应用应用p应变式压力传感器应变式压力传感器n被测物理量被测物理量：液体、气体的动态和静态压力测量：液体、气体的动态和静态压力测量n用途：用途：动力管道设备进、出口气体和液体的压力，发动机喷口压力，动力管道设备进、出口气体和液体的压力，发动机喷口压力，内燃机管道压力等内燃机管道压力等n结构：膜片式或筒式弹性元件结构：膜片式或筒式弹性元件 在压力的作用下，在

27、压力的作用下，圆膜片产生径向应变圆膜片产生径向应变和和切向应变切向应变应变片应变片2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应用应用p应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器原理：弹性元件在传递转矩时产生的应变来测量扭矩原理：弹性元件在传递转矩时产生的应变来测量扭矩 轴受到扭矩作用时，轴受到扭矩作用时，剪切应力剪切应力与它所传递的扭矩有线性关系与它所传递的扭矩有线性关系 其中：其中：Mk转轴所受的转轴所受的扭矩扭矩、G剪切弹性模量剪切弹性模量 2 2、电阻式传感器、电阻式传感器集流环集流环参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应用应用动态电阻应变仪动态

28、电阻应变仪应变片：应变片：1201K输出：输出：5V_p（电流（电流5mA） 激励电压为激励电压为10V时，时，满载荷满载荷时的输出是多少？时的输出是多少？2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应用应用p热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器（负温度系数）（负温度系数）冷却水温冷却水温测量测量：非线性变化、非线性电流、非线性刻度，测量有限温度范围内的温度温度补偿电路：仪表线圈R铜导线(正系数)，r为锰铜电阻(0温系)，Rt负温系数温度控制电路：可调电阻、负温度系数热敏电阻和继电器线圈串联组成2 2、电阻式传感器、电阻式传感器温度上升温度上升阻值下降阻值

29、下降电电流变大流变大继电器开启降温继电器开启降温参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应用应用p电位计式压力传感器在压力作用下，在压力作用下，膜盒中心点产膜盒中心点产生位移生位移，推动连杆上移，使得，推动连杆上移，使得曲柄带动电位计电刷滑动，电曲柄带动电位计电刷滑动，电位计输出与压力成位计输出与压力成比例比例的电压的电压信号信号1膜盒 2连杆 3曲柄 4电刷 5电阻元件2 2、电阻式传感器、电阻式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件传感器传感器定义：感受特定量、一定规律、可用输出信号定义：感受特定量、一定规律、可用输出信号组成：三部分功能组成：三部分功能电阻式传感器

30、电阻式传感器应变片原理应变片原理: :结构尺寸效应、压阻效应结构尺寸效应、压阻效应应用：差动、补偿原则、敏感元件应用：差动、补偿原则、敏感元件热电阻传感器：热阻效应热电阻传感器：热阻效应应用：铂电阻、铜电阻；锗电阻、热敏电阻应用：铂电阻、铜电阻；锗电阻、热敏电阻电位计：电位计：滑动触头滑动触头种类种类：绕线式、薄膜式绕线式、薄膜式回顾回顾参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件定义：定义：将被测量变化转换为将被测量变化转换为电容电容变化的传感器变化的传感器电容传感器特点电容传感器特点结构简单，分辨率高，工作可靠结构简单，分辨率高，工作可靠 可非接触测量，可在恶劣环境下工作可非接触测量，

31、可在恶劣环境下工作测量的物理量测量的物理量位移位移压力压力液位液位介质介质转换元件转换元件 电容电容C A3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件工作原理工作原理在忽略边缘效应的情况下，平行极板电容器的电容量在忽略边缘效应的情况下，平行极板电容器的电容量 基本类型基本类型变极距变极距：位移：位移变面积变面积A A：位移、压力（差动）：位移、压力（差动）变介质变介质：介电常数：介电常数AUQ3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件变极距式变极距式 两极板在被测对象作用下发生位移两极板在被测对象作用下发生位移变化时变化时

32、变极距型电容传感器的变极距型电容传感器的灵敏度灵敏度是非线性的是非线性的 极距愈小，灵敏度愈高极距愈小，灵敏度愈高, ,受击穿电压的限制受击穿电压的限制 一般一般极距取极距取0.10.11mm1mm左右左右减小非线性误差减小非线性误差 选择初始距离选择初始距离; ;微小位移量的测量微小位移量的测量非接触测量非接触测量3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件变极距式变极距式 差动差动方式方式 两个变极距电容传感器，被测位移使两个变极距电容传感器，被测位移使动片动片变化，引起极距差动变变化，引起极距差动变化，两个输出电容也差动变化，提高测量灵敏度化，两个输出电

33、容也差动变化，提高测量灵敏度 差动电容传感器通常均接成电桥进行放大:电桥的相邻两个桥臂动片动片定片定片定片定片3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件变面积式：变面积式：相对面积变化相对面积变化输出特性：线性输出特性：线性 测量测量1cm10cm中等大小的位移中等大小的位移灵敏度灵敏度 减小极距减小极距可提高灵敏度可提高灵敏度差动方式差动方式：提高灵敏度：提高灵敏度 3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件变介质式变介质式输出特性：线性输出特性：线性 灵敏度灵敏度 增加面积增加面积A、减小极距、减小极距可提高灵敏度可提

34、高灵敏度应用应用 液位高低液位高低 介电常数介电常数内圆筒内圆筒 外圆筒外圆筒介质介质3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件传感器优点传感器优点输入能量小而灵敏度高输入能量小而灵敏度高精度高达精度高达0.01% 0.01% 动态特性好，适合测量动态参数动态特性好，适合测量动态参数能量损耗小能量损耗小结构简单，环境适应性好（高温、辐射等）结构简单，环境适应性好（高温、辐射等）缺点缺点：电缆分布电容影响大：电缆分布电容影响大3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数

35、式传感器及其应用课件应用应用p电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路并联电阻并联电阻RP代表极板间代表极板间泄漏电阻泄漏电阻和介质损和介质损耗耗，低频时影响较大低频时影响较大串联电阻串联电阻RS表征引线电阻、极板电阻，通表征引线电阻、极板电阻，通常很小，它随频率增高而增大，只有在极常很小，它随频率增高而增大，只有在极高工作频率时才考虑高工作频率时才考虑电感电感L包括电容器本身电感和外部接线电感包括电容器本身电感和外部接线电感谐振频率谐振频率：几十兆赫几十兆赫工作频率应工作频率应低于谐振频率低于谐振频率（一般选为谐振（一般选为谐振频率的频率的1/21/3）3、电容式传感器、电容式传感器参数

36、式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应用应用p电容测量的几点考虑电容测量的几点考虑抗干扰：电容量很小（几个抗干扰：电容量很小（几个pf 几十个几十个pf），），易受外界电易受外界电场的干扰，这样，就要求采用场的干扰，这样，就要求采用输入阻抗高，噪声低的前置输入阻抗高，噪声低的前置放大器放大器，引出线应尽量短，采用屏蔽线，而且屏蔽线与壳，引出线应尽量短，采用屏蔽线，而且屏蔽线与壳体及可动电极应有可靠的接地，以尽量减小外电场的干扰体及可动电极应有可靠的接地，以尽量减小外电场的干扰应正确选择应正确选择极板间的绝缘材料极板间的绝缘材料，通常要求绝缘电阻在，通常要求绝缘电阻在100M以上，以减小

37、漏电阻对测量精度的影响以上，以减小漏电阻对测量精度的影响环境温度环境温度：采用补偿电桥以抵消：采用补偿电桥以抵消介电常数介电常数随温度的变化随温度的变化, ,尽尽量选择膨胀系数低的量选择膨胀系数低的材料材料制造电容式传感器，以减小尺寸制造电容式传感器，以减小尺寸随温度的变化随温度的变化3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件典型结构典型结构 变极距变极距(）型）型: (a)、(e) 变面积型变面积型(A)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l)3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课

38、件参数式传感器及其应用课件应用应用p电容式压差传感器电容式压差传感器结构：结构：变间隙变间隙差动方差动方式电容传感式电容传感器器固定极板固定极板:两个凹面镀金两个凹面镀金的的玻璃圆盘玻璃圆盘可动电极可动电极:一个金属一个金属(不锈钢不锈钢)膜片膜片当当p1p2时，膜片弯向一侧，那时，膜片弯向一侧，那么两个差动电容一个增大、一个么两个差动电容一个增大、一个减小，且变化量大小相同减小，且变化量大小相同当压差反向时，差动电容变化量当压差反向时，差动电容变化量也反向也反向特点：特点：结构简单，灵敏度高，响结构简单，灵敏度高，响应速度快应速度快(约约100ms)，能测微小，能测微小压差压差(00.75P

39、a)电容式差压传感器结构示意图1金属镀层 2凹形玻璃 3膜片4过滤器 5外壳3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应用应用p电容式微加速度传感器电容式微加速度传感器结构：差动式电容传感器结构：差动式电容传感器上、下电极上、下电极：固定不动固定不动动片动片：左端固定在衬底上左端固定在衬底上的的悬臂梁悬臂梁，可以上下振动，可以上下振动时微动时微动三维方向的振动或加速度三维方向的振动或加速度测量：测量：在壳体内的三个相互在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器垂直方向安装三个加速度传感器 3硅衬底，4底层多晶硅上电极，5中间层多晶硅振动片； 6顶层多晶硅

40、上电极3、电容式传感器、电容式传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件优点：多极点：多极电容、容、闭环反反馈式式测量量电路路提高了提高了抗干抗干扰能力能力提高了提高了测量量精度精度(可达可达5m)极大地极大地扩展了展了量程量程(可达可达1m)3、电容式传感器、电容式传感器应用应用p容栅式位移传感器容栅式位移传感器结构：结构：差动式多级电容传感器差动式多级电容传感器一定形状和尺寸的栅片一定形状和尺寸的栅片长栅长栅(定栅定栅)：均匀排列电极：均匀排列电极动栅对动栅对：一对相同尺寸的交错对插电极梳：一对相同尺寸的交错对插电极梳定栅尺动栅对发射极接收极反射极参数式传感器及其应用课件参数式

41、传感器及其应用课件定义：定义：基于基于电磁感应原理电磁感应原理，将被测量转化为电感量，将被测量转化为电感量测量的物理量测量的物理量位移位移压力压力流量流量振动振动分类分类电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型4、电感式、电感式传感器传感器 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件变磁阻传感器变磁阻传感器单边电感式单边电感式 当铁心磁导率远远大于空气磁当铁心磁导率远远大于空气磁导率时导率时 自感量与位移成反比自感量与位移成反比，特性曲，特性曲线非线性线非线性存在问题存在问题灵敏度低、非线性严重灵敏度低、非线性严重铁心对衔铁的吸力比较大铁心对衔铁的

42、吸力比较大微小位移的测量：微小位移的测量：0.0010.0011mm1mm线圈线圈衔铁衔铁铁芯铁芯N4、电感式、电感式传感器传感器 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件变磁阻传感器变磁阻传感器差动式差动式差动线圈差动线圈电桥测量电桥测量测量电感量测量电感量 结构：螺线管式差动变压器结构：螺线管式差动变压器非线性得到了补偿，灵敏度也提高一倍，非线性得到了补偿，灵敏度也提高一倍，吸引力相互抵消吸引力相互抵消特点：分辨率很高特点：分辨率很高可达可达0.010.01微米微米测测量范围一般小於量范围一般小於2 2毫米毫米主要用于位移测量，也可以用于主要用于位移测量，也可以用于振动、振动、压力

43、、流量、液位压力、流量、液位等参数测量等参数测量磁心磁心线圈线圈1 1线圈线圈2 2变压器变压器电桥电桥测杆测杆被测件被测件电源电源U Ue e4、电感式、电感式传感器传感器 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件互感式互感式差动变压器差动变压器结构：结构：初级线圈初级线圈、完全对称的反极性串联的、完全对称的反极性串联的次级线圈次级线圈、衔铁衔铁原理：原理：输出电压幅值与输出电压幅值与铁心铁心位移大小成正比，不能反映其方向位移大小成正比，不能反映其方向输出电压存在一定的零点残余电压输出电压存在一定的零点残余电压 4、电感式、电感式传感器传感器 理论理论实际实际x0零点零点UT 残余电

44、压残余电压WW1W2WPx参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件互感式差动变压器式互感式差动变压器式差动相敏检波差动相敏检波（位移方向）（位移方向）解决铁心解决铁心位移的方向性位移的方向性单输出对应多输入单输出对应多输入输出存在一定的零点残余电压输出存在一定的零点残余电压调零调零R小位移测量的差动相敏检波电路小位移测量的差动相敏检波电路直接测量直接测量：直线位移；间接测量：力、重量、液位：直线位移；间接测量：力、重量、液位敏感元件敏感元件4、电感式、电感式传感器传感器 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件电涡流传感器电涡流传感器原理：涡流效应原理：涡流效应结构：高频激励电

45、流结构：高频激励电流+ +线圈线圈输出：电涡流线圈的等效阻抗输出：电涡流线圈的等效阻抗 Z=R+jL=f（i1、f、 、 、t、x） 距离距离x x、导体、导体 、 、t t有关有关测量电路：谐振电路测量电路：谐振电路调幅调幅调频调频靠近的被测导体内产生电涡流靠近的被测导体内产生电涡流i2，它也产生交变磁场它也产生交变磁场H2，H2的方向的方向与与H1的方向相反。由于磁场的方向相反。由于磁场H2的的反作用，反作用，抵销部分原磁场抵销部分原磁场4、电感式、电感式传感器传感器 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件电涡流传感器电涡流传感器灵敏度灵敏度被测面材料被测面材料 ( 、 、t)被

46、测面形状被测面形状自身空间自身空间其它被测量其它被测量表面电导率表面电导率 表面裂纹表面裂纹 、 、t4、电感式、电感式传感器传感器 切角面切角面3x探头直径探头直径圆柱面圆柱面3x探头直径探头直径传感器传感器参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应用应用p自感压力传感器自感压力传感器结构结构膜盒膜盒弹性敏感元件弹性敏感元件衔铁衔铁原原理理：压压力力变变化化时时，膜膜盒盒带带动动衔衔铁铁位移，位移，线圈线圈自感变化量自感变化量p变隙差动式自感压力传感器变隙差动式自感压力传感器结构结构C形弹簧管形弹簧管弹性敏感元件弹性敏感元件衔铁衔铁原原理理：流流体体压压力力进进入入弹弹簧簧管管后后，

47、其其自自由由端端向向外外伸伸展展，带带动动动动衔衔铁铁移移动动，引起电感变化引起电感变化1衔铁 2铁芯芯 3线圈圈 4膜盒膜盒4、电感式、电感式传感器传感器 5C型型弹簧管簧管 6、8线圈圈 7 衔铁 9机械零点机械零点调零螺零螺钉参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件应用应用p表面形貌仪表面形貌仪 T200型表面粗糙度测量仪型表面粗糙度测量仪测量范围：触针位移：测量范围：触针位移：2/20/200m分辨率：分辨率： 0.001/0.01mp测力传感器测力传感器力力弹性外壳弹性外壳测杆测杆磁心磁心差动变压器差动变压器4、电感式、电感式传感器传感器 参数式传感器及其应用课件参数式传感器

48、及其应用课件接触式位移传感器1引线电缆 2固定磁筒 3衔铁 4线圈 5测力弹簧 6防转销4、电感式、电感式传感器传感器 应用应用p电感测微计电感测微计 核心：螺线管式差动变压器，常用于测量工件的外形尺寸和轮廓形状核心：螺线管式差动变压器，常用于测量工件的外形尺寸和轮廓形状滚珠分选滚珠分选参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用4、电感式、电感式传感器传感器 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件教材：教材：4-3，4-7 参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件电容式传感器电容式传感器三种基本形式：变极距式、变面积式、变介质式三种基

49、本形式：变极距式、变面积式、变介质式应用：差动应用：差动提高灵敏度；敏感元件提高灵敏度；敏感元件优点：优点：灵敏度高、精度高、能耗小、结构简单灵敏度高、精度高、能耗小、结构简单电感式传感器电感式传感器自感式差动变压器：自感式差动变压器：变磁阻变磁阻两组线圈两组线圈+ +铁芯铁芯+ +桥路桥路互感式差动变压器：互感式差动变压器：变耦合变耦合三组线圈三组线圈+ +铁芯铁芯+ +相敏相敏涡流传感器涡流传感器涡流效应、测量电路涡流效应、测量电路谐振电路谐振电路灵敏度（灵敏度（被测面材料被测面材料 、 、t、被测面形状、自身空间、被测面形状、自身空间）应用：接触测量、非接触测量应用：接触测量、非接触测量回顾回顾参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件参数式传感器及其应用课件