傳感器原理及應(yīng)用06898

1、教材傳感器原理及應(yīng)用 黃賢武 鄭筱霞 編箸 電子科技大學(xué)出版社參考書n傳感器原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第三版）劉迎春葉湘濱編箸國(guó)防科技大學(xué)出版社n傳感器原理與應(yīng)用技術(shù) 劉愛華，滿寶元編著 人民郵電出版社,2006年第一章基本概念基本概念 1-1 傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成 1-2 傳感器的特性傳感器的特性 1-3 傳感器的誤差及信噪傳感器的誤差及信噪比比第一章基本概念基本概念1-1 傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成 1-2 傳感器的特性傳感器的特性 1-3 傳感器的誤差及信噪比傳感器的誤差及信噪比1-11-1傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成n傳感器的定義傳感器的定義 n傳感器的分類傳

2、感器的分類 n被測(cè)量與能量變換被測(cè)量與能量變換 一、傳感器的定義一、傳感器的定義 1、定義n所謂傳感器是來(lái)自“感覺(jué)”一詞傳感器技術(shù)屬現(xiàn)代高新技術(shù)（電五官） n根據(jù)GB7665-87，【傳感器】（TransducerSensor）的定義定義為：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。n我國(guó)往往把“傳感器”和“敏感元件”等同使用傳感器的定義傳感器的定義2、傳感器的組成n敏感元件敏感元件（Sensing element） 直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分。有時(shí)也將敏感元件稱為傳感器。n轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件（Transduction element） 能將敏感

3、元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。傳感器的定義傳感器的定義3、傳感器的特征參數(shù)傳感器的特征參數(shù)n被測(cè)量傳感器輸入量，是傳感器命名和分類的重要依據(jù)。n輸出量含有原始信號(hào)，且為便于接收與處理的信號(hào)形式。傳感器的定義傳感器的定義4、傳感器的傳感器的應(yīng)用從被檢測(cè)對(duì)象中獲取原始信號(hào)（1）用于自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 傳感器的定義傳感器的定義4、傳感器的傳感器的應(yīng)用續(xù)（2）用于測(cè)控系統(tǒng) n汽車扭距測(cè)量汽車扭距測(cè)量 機(jī)床加工精度測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量n密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型機(jī)器人服務(wù)員機(jī)器人服務(wù)員AGV自動(dòng)送貨車自動(dòng)送貨車香港理工香港理工AGV模型模型醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)航天航天傳

4、感器與環(huán)境保護(hù)傳感器與環(huán)境保護(hù) 煙塵濁度測(cè)量煙塵濁度測(cè)量二、傳感器的分類二、傳感器的分類 1 1、按傳感器輸入量（用途）分類、按傳感器輸入量（用途）分類 生產(chǎn)廠家往往按輸入量分類，以向戶提供基本的使用信息。 如：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、壓力傳感器、流速傳感器、溫度傳感器、光強(qiáng)傳感器、濕度傳感器、粘度傳感器、濃度傳感器、。 傳感器的分類傳感器的分類 2、按傳感器工作機(jī)理分類 此種分類方法能表示輸入變量和輸出變之間的關(guān)系。 傳感器的分類傳感器的分類 2、按傳感器工作機(jī)理分類續(xù)1（1）物性型傳感器 是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)把被測(cè)量直接轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。如

5、：各種壓電晶體傳感器。（2）結(jié)構(gòu)型傳感器 是以結(jié)構(gòu)（如形狀、尺寸）為基礎(chǔ)，利用某些物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量。如：氣隙型電感式傳感器。 傳感器的分類傳感器的分類 2、按傳感器工作機(jī)理分類續(xù)2（3）化學(xué)傳感器 是利用化學(xué)反應(yīng)的原理，把無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。如：離子選擇性電極。（4）生物傳感器是一種利用生物活性物質(zhì)選擇性的識(shí)別和測(cè)定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。近年來(lái)發(fā)展很快。傳感器的分類傳感器的分類 3、按信息能量變換方式分類在傳感器內(nèi)部，信息的傳遞與變換伴隨著能量的流動(dòng)。（1）能量變換型：傳感器從被測(cè)對(duì)象中獲取能量，用于直接輸出。如：熱電偶、光電池、壓電式、電磁感應(yīng)

6、式、固體電解質(zhì)氣敏傳感器等。（2）能量控制型：傳感器從被測(cè)對(duì)象中獲取能量，用于控制激勵(lì)源，故又稱有源型傳感器。如：電阻式、電感式、電容式、霍爾式、。三、被測(cè)量與能量變換三、被測(cè)量與能量變換1 1、示容變量和示強(qiáng)變量、示容變量和示強(qiáng)變量(1)示容變量或稱為流通變量、擴(kuò)展量(Extensive) 示容變量是與空間分布成比例的量，表示能容納多少的量。如：長(zhǎng)度、面積、體積、質(zhì)量、位移、速度、電荷、磁力線、電流、熱流、熵、。被測(cè)量與能量變換被測(cè)量與能量變換 1、示容變量和示強(qiáng)變量(2)示強(qiáng)變量或跨越變量,密集量(Intensive) 示強(qiáng)變量是指在某種場(chǎng)合下，表示作用程度的量。 如：力、壓力、溫度、溫差

7、、電壓、磁通、光通、氣體濃度、濕度。被測(cè)量與能量變換被測(cè)量與能量變換 1、示容變量和示強(qiáng)變量示容量與示強(qiáng)量組合之積是與某種能量相對(duì)應(yīng)的。 如：力與位移之積是功、力與速度之積是功率、壓力與體積之積是氣體力學(xué)能量、溫度與熵之積是熱能、溫差與熱流之積是熱功率、電壓與電荷之積是電能、電壓與電流之積是電功率。被測(cè)量與能量變換被測(cè)量與能量變換 2、傳感器能量變換 傳感器的工作過(guò)程可以視為是將示容量與示強(qiáng)量由一種組合變成另一種組合。被測(cè)量與能量變換被測(cè)量與能量變換 3 3、能量變換與誤差、能量變換與誤差（1）傳感器從被測(cè)物體拾取能量時(shí)對(duì)被測(cè)物體的狀態(tài)產(chǎn)生了影響，從而導(dǎo)致了誤差。如：熱電偶測(cè)溫時(shí)，輸入的熱流是

8、被測(cè)物體傳遞的，若熱電偶的熱容量過(guò)大，將使被測(cè)物體的溫度下降，從而產(chǎn)生誤差。（2）傳感器輸出端的負(fù)載消耗傳感器的能量時(shí)，亦對(duì)被測(cè)物體造成誤差。 傳感器對(duì)被測(cè)物體的影響越小，負(fù)載對(duì)傳感器輸出的影響越小，測(cè)量精度就越高。被測(cè)量與能量變換被測(cè)量與能量變換 4 4、傳感器信號(hào)變換 根據(jù)傳感器輸出信號(hào)是模擬量或是數(shù)字量，可將信號(hào)變換分為兩大類?！灸M變換】輸入為模擬量，輸出為模擬量?！緮?shù)字變換】輸入為模擬量，輸出為數(shù)字量。 被測(cè)量與能量變換被測(cè)量與能量變換 5、傳感器的輸入與輸出特性 （1）傳感器的輸入特性（負(fù)荷效應(yīng)）傳感器的輸入特性是用來(lái)衡量傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響程度。其主要參數(shù)是廣義輸入阻抗Zi，定

9、義為由于示強(qiáng)變量X與示容變量x的乘積為能量W（或功率），則有能量或功率：被測(cè)量與能量變換被測(cè)量與能量變換 5、傳感器的輸入與輸出特性可知： 當(dāng)被測(cè)量為示強(qiáng)變量時(shí)（如：被測(cè)量為力、壓力、溫度等），傳感器廣義輸入阻抗越大，從被測(cè)對(duì)象吸收的能量就越小，誤差也就越小。 當(dāng)被測(cè)量為示容變量時(shí)（如：位移、速度、加速度等），傳感器廣義輸入阻抗則越小越好。 當(dāng)被測(cè)示容變量為0時(shí)（如：用力傳感器測(cè)量靜態(tài)力時(shí)），此時(shí)被測(cè)點(diǎn)處于力平衡狀態(tài)，速度為0，此時(shí)輸入特性應(yīng)用靜態(tài)剛度來(lái)表示靜態(tài)剛度：，此時(shí)被測(cè)力的功： kFW2被測(cè)量與能量變換被測(cè)量與能量變換 5、傳感器的輸入與輸出特性（2）傳感器的輸出特性（阻抗匹配）傳感器

10、的輸出特性是用來(lái)衡量傳感器承受負(fù)載能力大小的重要參數(shù)。主要參數(shù)是廣義輸出阻抗Zo，定義為 從提高負(fù)載能力出發(fā)，Zo 越小越好，承載能力強(qiáng)；從獲得最大功率出發(fā)，Zo 等于負(fù)載阻抗。總的要求是：希望從被測(cè)對(duì)象處獲取較小的能量，而輸出大的有用信號(hào)。 四、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)四、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)n發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象n開發(fā)新材料n采用微細(xì)加工技術(shù)n集成化n智能化n仿生傳感器第一章基本概念基本概念1-1 傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成 1-2 傳感器的特性傳感器的特性 1-3 傳感器的誤差及信噪比傳感器的誤差及信噪比 1-2 傳感器的特性傳感器的特性n傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 n傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的

11、動(dòng)態(tài)特性 傳感器的特性就是對(duì)輸入輸出關(guān)系的描述，理想的特性是在任何情況下輸入與輸出都是一一對(duì)應(yīng)的。分靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。 1-2 傳感器的特性傳感器的特性一、傳感器的靜態(tài)特性【靜態(tài)特性】：輸入不隨時(shí)間變化時(shí)（在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下），傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系。 、變換函數(shù)（靜態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型）、變換函數(shù)（靜態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型） 變換函數(shù)反映傳感器輸入與輸出間的關(guān)系式， y=f(x) 其中x為輸入量，y為輸出量。幾種典型的變換函數(shù)如下表一、傳感器的靜態(tài)特性、變換函數(shù) 通常，要求傳感器在靜態(tài)情況下的輸入與輸出保持線性關(guān)系，實(shí)際上，如上表所示，很難滿足理想的線性關(guān)系，一般用多項(xiàng)式表示 只有當(dāng)二階以

12、上的項(xiàng)為0時(shí)，才滿足理想的線性關(guān)系。 一、傳感器的靜態(tài)特性 2、靈敏度（靜態(tài)靈敏度） 當(dāng)輸入變化為x時(shí)，有： 其中k(x)稱為靈敏度，是傳感器在工作點(diǎn)上的微商（dydx），是靜態(tài)特性的最主要指標(biāo)。當(dāng)k(x)為定值時(shí)，即y與x成比例，由測(cè)量值y便可直接求得x。靈敏度具有可比性。一、傳感器的靜態(tài)特性 3、精度傳感器的精度是指測(cè)量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度表示重復(fù)某個(gè)讀數(shù)的能力，其誤差愈小，則精度愈高。定義為：傳感器的精度表示傳感器在規(guī)定條件下允許的最大絕對(duì)誤差相對(duì)于傳感器滿量程輸出的百分比， 其中，A為測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差。在應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化傳感器的精度的表示方法，引用了精度等級(jí)的概

13、念，分為：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等級(jí)越小精度越高 一、傳感器的靜態(tài)特性 4、線性度（非線性誤差） 在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程（F.S）輸出值的百分比稱為線性度。 線性度： 擬合方法有基端線性擬合、最佳直線擬合和最小二乘法擬合。 一、傳感器的靜態(tài)特性 5、最小檢測(cè)量和分辨率 是指?jìng)鞲衅髂艽_切反映被測(cè)量的最低極限量 x，小于這個(gè)量的區(qū)域稱為死區(qū)。對(duì)于數(shù)字傳感器，常用分辨率來(lái)表示。最小檢測(cè)量(或感度)的影響因素二：(1) 輸入的變動(dòng)量x在傳感器內(nèi)部被吸收 如：帶有螺紋或齒條傳遞的傳感器，由于螺紋和螺母間、齒輪和齒條間存在間

14、隙，當(dāng)輸入變量x小于這一間隙時(shí)，便被傳感器內(nèi)部吸收。一、傳感器的靜態(tài)特性 5、最小檢測(cè)量和分辨率續(xù)1(2) 傳感器輸入、輸出端均存在噪聲干擾，x過(guò)小時(shí)，被外界噪聲所淹沒(méi)。最小檢測(cè)量： 其中，C為系數(shù)，一般取15，N為噪聲電平，K為靈敏度。對(duì)于數(shù)字式傳感器，則用輸出數(shù)字指示值最后一位數(shù)字所代表的輸入量來(lái)表示，稱為分辨率。一、傳感器的靜態(tài)特性 6、滯后性在輸入量增加過(guò)程中測(cè)得的某一點(diǎn)輸出值，與在輸入減少過(guò)程測(cè)得的同一點(diǎn)值不一樣，這種現(xiàn)象稱為滯后。圖中曲線稱為滯環(huán)特性曲線。一、傳感器的靜態(tài)特性 6、滯后性續(xù)1對(duì)滯后性的衡量，一般用滯環(huán)的最大偏差或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比來(lái)表示，稱為滯環(huán)誤

15、差 或 如果傳感器存在滯后性，則輸入與輸出就不能保持一一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此應(yīng)盡量使之變小。產(chǎn)生滯后性的原因主要是材料的物理性質(zhì)所造成的。一、傳感器的靜態(tài)特性 7、重復(fù)性重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全量程范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次所得特性曲線的不一致性。 一、傳感器的靜態(tài)特性 7、重復(fù)性續(xù)1不一致性一般用各測(cè)量值正、反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩位或三倍值與滿量程輸出值的百分比來(lái)表示（或稱為回差） 或 其中，為標(biāo)準(zhǔn)偏差。 一、傳感器的靜態(tài)特性 8、零點(diǎn)漂移傳感器無(wú)輸入（或某一輸入值不變）時(shí)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值），即為零點(diǎn)飄移，用百分比表示： 其中，y0為最大零點(diǎn)偏

16、差（或相應(yīng)偏差）。 一、傳感器的靜態(tài)特性 9、溫度漂移溫漂表示溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1時(shí)，輸出最大偏差與滿量程的百分比表示： 其中，max為輸出最大偏差，T為溫度變化范圍。 1-2 傳感器的特性傳感器的特性二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性【傳感器動(dòng)態(tài)特性】傳感器的響應(yīng)特性?！緜鞲衅黜憫?yīng)】當(dāng)輸入信號(hào)隨時(shí)間變化時(shí)，輸出信號(hào)隨之變化的情況。二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性 1、動(dòng)態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型 由于傳感器在工作中，質(zhì)量加速或減速需要時(shí)間，能量存取需要時(shí)間，信號(hào)在傳輸過(guò)程中克服阻力需要時(shí)間，所以輸出信號(hào)總是要遲后輸入信號(hào)，不可能同步變化。動(dòng)態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型為一常系數(shù)微分方程: 式中，y(

17、t)為輸出信號(hào)，x(t)為輸入信號(hào)，a0,a1,an及b0,b1,bm均為常數(shù)。 二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性 1、動(dòng)態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型續(xù)1對(duì)上式兩邊進(jìn)行拉氏變換，得 則得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下 在一般情況下，上面的傳遞函數(shù)可以分解為分母 為一次多項(xiàng)式和二次多項(xiàng)式的分式形式，用一次多項(xiàng)式作分母的系統(tǒng)稱為傳遞函數(shù)的一階系統(tǒng)（即慣性環(huán)節(jié)），用二次多項(xiàng)式作分母的系統(tǒng)稱為傳遞函數(shù)的二階系統(tǒng)（即振蕩環(huán)節(jié)）。所以一階和二階系統(tǒng)的響應(yīng)是最基本的響應(yīng)。傳感器的動(dòng)態(tài)特性 2、零階傳感器的數(shù)學(xué)模型 零階傳感器的微分方程只有a0、b0兩個(gè)系數(shù)，方程為: 或 其中k為靜態(tài)靈敏度，所以零階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性即就是系統(tǒng)的靜態(tài)特性。 傳

18、感器的動(dòng)態(tài)特性 2、零階傳感器的數(shù)學(xué)模型-續(xù)1典型的零階系統(tǒng)如線性電位器輸出電壓與電刷位移之間的關(guān)系： 傳感器的動(dòng)態(tài)特性3、一階傳感器的數(shù)學(xué)模型(慣性環(huán)節(jié)) n一階系統(tǒng)的方程式為 或 其中(a1/a0)，稱為時(shí)間常數(shù)，(b0/a0)為靜態(tài)靈敏度。n一階系統(tǒng)函數(shù)（傳遞函數(shù)）傳感器的動(dòng)態(tài)特性3、一階傳感器的數(shù)學(xué)模型-續(xù)1 典型的一階傳感器如熱電偶傳感器的動(dòng)態(tài)特性3、一階傳感器的數(shù)學(xué)模型-續(xù)2 微分方程如下: 其中:Rmc，為熱電偶的時(shí)間常數(shù)，R 為介質(zhì)與熱電偶之間的熱阻， m 熱電偶質(zhì)量， c 為熱電偶的比熱， mc 為熱電偶的熱容量。傳感器的動(dòng)態(tài)特性4、二階傳感器的數(shù)學(xué)模型(振蕩環(huán)節(jié)) n二階系

19、統(tǒng)的微分方程為n二階系統(tǒng)函數(shù)（拉氏傳遞函數(shù)） 傳感器的動(dòng)態(tài)特性4、二階傳感器的數(shù)學(xué)模型-續(xù)1式中 ，為靜態(tài)剛度； ，無(wú)阻尼固有頻率； ，阻尼比。 上述三個(gè)量稱為二階傳感器的特征量。典型的二階傳感器有光線示波器的振動(dòng)子、鎧裝熱電偶（即帶保護(hù)套管的熱電偶）。傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性【時(shí)域方面】采用瞬態(tài)響應(yīng)法（階躍響應(yīng)）【頻域方面】采用頻率響應(yīng)法（正弦響應(yīng)）（1）單位階躍響應(yīng)函數(shù)為傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性階躍響應(yīng)1（2）一階傳感器的階躍響應(yīng) 其中， ，為時(shí)間常數(shù)。傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性階躍響應(yīng)2（3）二階傳感器的階躍響應(yīng) 二階系統(tǒng)分欠阻尼系統(tǒng)（R 時(shí)，有：其中，

20、1，為工作臂 Rx 的電阻相對(duì)變化率。 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路2 2、直流電橋的特點(diǎn)及基本類型、直流電橋的特點(diǎn)及基本類型、結(jié)構(gòu)：直流電橋是由連接成環(huán)形的四個(gè)電阻（橋臂電阻）所組成，由一直流電源提供能量，輸出端與放大器相連。金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路、電橋平衡條件：此時(shí)，測(cè)量輸出端的輸出為零。 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路、橋路輸出電壓若輸出端放大器的輸入阻抗很高，則可視為輸出端開路，即：RL，此時(shí)兩支路中的電流分別為 在 R1 和 R3 上的壓降分別為 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路則橋路輸出端的電壓為金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路、電橋的電壓靈敏度若R1為電阻式傳感器，R2、R

21、3、R4 為固定橋臂，R10、R20、R30、R40為平衡時(shí)的初始阻值，此時(shí)輸出為零，當(dāng)RL，R1變化R 時(shí)，則輸出為金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路令，根據(jù)平衡條件：(橋臂比），則 如果R1，略去分母中的R，則有 則電壓靈敏度為： 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路提高 KU 的途徑：n提高電源電壓（受電源耗散功的限制）；n選擇合適的橋臂比n（n=1時(shí)最大： ）。 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路3 3、電橋的結(jié)構(gòu)形式、電橋的結(jié)構(gòu)形式（1）串聯(lián)對(duì)稱式：相等兩橋臂同在一個(gè)支路中形成串聯(lián)形式。即 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路在單臂工作時(shí)，R1=R10+R，取RL=，此時(shí)有 令 ，根據(jù)平衡條件：，則 略

22、去分母中的R，近似有： 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路從上式中可看出：n輸出電壓的大小只與R有關(guān)，且成正比；n必須有高穩(wěn)定性電源，以維持UE不變，否則會(huì)影響輸出；n只有當(dāng) 2R4 時(shí)，上式才成立。金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路()并聯(lián)對(duì)稱式 相等兩橋臂分別接入不同支路的對(duì)稱位置。即 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路在單臂工作時(shí)，R1=R10+R，取 RL=，此時(shí)有令 ，則有 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路從上式中可看出:n輸出電壓除與R 和 UE 有關(guān)外，還與同一支路中橋臂比m有關(guān)，n當(dāng)m=1時(shí)，與串聯(lián)對(duì)稱式相同。 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路（3）等臂電橋 組成橋路的四個(gè)臂，其阻值均相等。即

23、 平衡條件： ， 假設(shè) RL=，根據(jù)應(yīng)變片的工作情況，分三種情況加以分析 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路 單臂工作：電橋工作臂 R1 為電阻傳感元件。 輸出電壓金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路 半橋線路（雙臂工作）：電橋工作臂 R1 和R2 為電阻傳感元件。輸出電壓 從公式中可以看出 nUO 與R 之間為線性關(guān)系；n輸出電壓為單臂時(shí)的兩倍。金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路 全橋線路（四臂工作）：電橋的四個(gè)工作 臂均為電阻傳感元件。輸出電壓: 從公式中可以看出nUO 與R 之間為線性關(guān)系；n輸出電壓為單臂時(shí)的倍；n輸出電壓UO 與電源電壓 UE 的比值在數(shù)值上等于R。金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路、

24、負(fù)載電阻為有限值的情況上述均假定 RL=，當(dāng) RL 為有限值時(shí)，則負(fù)載 RL 上的壓降為 式中，RTh為等效內(nèi)阻 上式說(shuō)明，在考慮負(fù)載后，輸出電壓縮小了 倍。金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路、橋路的電阻平衡n在橋路中，實(shí)際上很艱使橋臂電阻絕對(duì)相同，總會(huì)存在差異，因此，必須設(shè)計(jì)調(diào)零電路，以使初始狀態(tài)達(dá)到平衡。n調(diào)零電路一般由兩個(gè)電阻（其中一個(gè)為可調(diào)電阻）組成星形連接電路。 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路帶調(diào)零電路的電橋。 可調(diào)平衡范圍金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路6、非線性誤差及其補(bǔ)償方法從前述電橋的輸出電壓知： 其中，說(shuō)明橋的輸出出電壓與輸入電壓之間為非線性關(guān)系，只有在時(shí)，略去分母中的，才能滿足

25、線性關(guān)系，但測(cè)量的應(yīng)變較大時(shí)，這種條件難于滿足，因而會(huì)造成較大的誤差，此時(shí)需要采取其它的補(bǔ)償方法。 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路(1) 提高橋臂比n 提高橋臂比n可使的影響下降，可適當(dāng)減少非線性誤差，當(dāng)n=1時(shí)，橋的輸出電壓最大。 (2) 采用差動(dòng)電橋 采用差動(dòng)電橋是最佳方案，從前述串聯(lián)對(duì)稱式電橋知，當(dāng)采用半橋差動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，其輸出為 ,為線性關(guān)系。 若采用全橋差動(dòng)電路，則輸出為 亦為線性關(guān)系。金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路（3）采用恒流源供橋當(dāng)供橋電源采用恒流源時(shí)，電橋輸出為 解得 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路則輸出電壓為 對(duì)于等臂電橋R1=R2=R3=R4，在單臂工作時(shí)，其輸出為 而恒壓供

26、橋時(shí)為則輸出電壓為 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路7、交流電橋平衡條件 電橋的輸出電壓： 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路交流電橋 單臂交流電橋輸出電壓 差動(dòng)交流電橋（半橋線路）輸出電壓 雙差動(dòng)交流電橋（全橋線路）輸出電壓 金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路交流電橋應(yīng)變儀組成方框圖 2-2金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 用應(yīng)變片制成的傳感器應(yīng)用很廣，如力傳感器、扭矩傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、稱重傳感受器等，量程從幾克到幾百噸。金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 （1）柱式傳感器結(jié)構(gòu)：、彈性敏感元件為實(shí)心或空心圓柱。、應(yīng)變片將敏感元件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻。分別在軸

27、向和周向各布置4個(gè)應(yīng)變片。金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，則軸向和周向的應(yīng)變片感受的應(yīng)變?yōu)? 軸向應(yīng)變： 周向應(yīng)變：其中，S 為彈性元件的截面積，F(xiàn) 為作用力，E 為彈性模量，為泊松比。金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用當(dāng)采用全橋差動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，輸出為與作用力在正比。 金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（2）梁式力傳感器（等強(qiáng)度梁或等截面梁）n等強(qiáng)度彈性元件是一特殊形式的懸臂梁。金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用沿梁的長(zhǎng)度方向上的截面抗彎模量W的變化與彎矩M的變化成正比梁各點(diǎn)的應(yīng)變值為(等強(qiáng)度各點(diǎn)相等) 式中, bx 為與x 對(duì)應(yīng)的梁寬；h

28、 為梁的厚度； F 被測(cè)作用力。 金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用若等臂結(jié)構(gòu)，即: ， ，電橋輸出為 金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用n應(yīng)變式加速度傳感器是典型的梁式傳感器，彈性元件為懸臂梁，加速度感受元件為一慣性質(zhì)量塊 m 金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 測(cè)量原理：慣性質(zhì)量塊在加速度的作用下，產(chǎn)生慣性力 F = ma，梁在慣性力的作用下發(fā)生變形，應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度成正比。 金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用n電阻應(yīng)變式電子稱 -梁式傳感器的另一個(gè)典型應(yīng)用 它是在一個(gè)S 型雙彎曲懸臂梁上貼四片應(yīng)變片，組成橋路。 雙彎曲梁的應(yīng)變

29、為 式中，b為梁厚 金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用橋路輸出為 金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(3) 應(yīng)變式壓力傳感器彈性元件為一薄壁圓板，應(yīng)變片貼于圓板上。 金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 當(dāng)均布?jí)毫ψ饔糜诒“鍟r(shí)圓板上各點(diǎn)的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)變分布金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 當(dāng)均布?jí)毫ψ饔糜诒“鍟r(shí)，圓板上各點(diǎn)的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力可用以下兩式表示 徑向應(yīng)力： 切向應(yīng)力： 其中，R 和 h 分別為圓板的半徑和厚度，x 為離圓心的徑向距離。金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 圓板邊緣處（x = R）的應(yīng)力為徑向應(yīng)力： 切向應(yīng)力： 可見，圓板周邊處的徑向

30、應(yīng)力最大 金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用圓板內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變值計(jì)算公式為在圓板中心處（x = 0）的應(yīng)變值為 在圓板邊緣處（x = R）的應(yīng)變值為金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用n貼片時(shí)徑向應(yīng)變片應(yīng)避開r=0 處，一般在圓片邊緣處沿徑向貼兩片，在中間沿切向貼兩片。n應(yīng)變片R1、R4 和 R2、R3 接在橋路的相鄰臂內(nèi)，以提高靈敏度并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 第二章 電阻式傳感器及檢測(cè)電路電阻式傳感器及檢測(cè)電路 2-1 線繞電位器式傳感器線繞電位器式傳感器 2-2 金屬電阻應(yīng)變傳感器金屬電阻應(yīng)變傳感器 2-3 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 2-3 壓阻式傳感器壓阻式傳感器一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)

31、及工作原理壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 壓阻式傳感器是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，直接作為敏感元件而制成的傳感器。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，橫向效應(yīng)小，滯后和蠕變小。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，非線性較大。2-3 壓阻式傳感器一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理、壓阻效應(yīng)、壓阻效應(yīng)【壓阻效應(yīng)】沿半導(dǎo)體的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變與電阻的相對(duì)變化之間的關(guān)系如下 一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 壓阻效應(yīng)有：則靈敏度為： 由于 K 值一般為70160，而（1+2）約為 1.6，故可以略去，

32、則: 一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理、擴(kuò)散硅壓阻器件、擴(kuò)散硅壓阻器件擴(kuò)散硅壓阻器件是一個(gè)由四個(gè)擴(kuò)散電阻構(gòu)成的惠斯登電橋。設(shè)計(jì)要求：、等臂電橋（四個(gè)橋臂電阻值相等）；、差動(dòng)結(jié)構(gòu)（電橋相鄰兩臂的壓阻效應(yīng) 大小相等符號(hào)相反）；、四個(gè)橋臂的溫度系數(shù)相同。 這樣的電橋?yàn)槔硐雺鹤桦姌?，橋臂電阻是?yīng)變和溫度 t 的函數(shù):電橋電源既可用恒壓電源也可用恒流電源。用恒壓電源供電時(shí)，電橋輸出為: 用恒流電源供電時(shí)，電橋輸出為: 其中: ， ， t為電阻溫度系數(shù)，kt為靈敏度溫度系數(shù)。一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 擴(kuò)散硅壓阻器件)1 (tRRtO)1 (tkKKtO一、壓

33、阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理、壓阻器件的特性、壓阻器件的特性 、溫度性能 溫度系數(shù)較大，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生溫漂，且壓阻系數(shù)隨溫度而變化。 、線性度 在數(shù)百微應(yīng)變范圍內(nèi)呈線性。2-3 壓阻式傳感器二、應(yīng)用n壓阻式壓力傳感器（固態(tài)壓力傳感器）其結(jié)構(gòu)與應(yīng)變式壓力傳感器類似，彈性元件為一塊圓形硅膜片，在膜片上利用集成電路的工藝擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的硅電阻。n壓阻式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)與應(yīng)變式加速度傳感器類似，彈性元件為一硅制懸臂梁，在梁的根部利用集成電路的工藝擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的硅電阻，梁的自由端裝有一慣性質(zhì)量塊用來(lái)感受加速度。 2-3 壓阻式傳感器三、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償三、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)

34、償 、恒流供電電橋、恒流供電電橋?yàn)榱藴p少溫度影響，壓阻器件多采用恒流源供電。當(dāng)采用等臂差動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，橋路輸出為 式中， 為溫度引起的阻值變化。可見，此時(shí)橋路輸出與溫度無(wú)關(guān)。三、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償用串、并聯(lián)電阻法進(jìn)行補(bǔ)償。三、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償n串聯(lián)電阻 RS 用于調(diào)零；n并聯(lián)電阻 RP 用于補(bǔ)償；其值通過(guò)計(jì)算求得。n在電源回路中串聯(lián)一定數(shù)量的二極管可以對(duì)靈敏度溫度補(bǔ)償，因?yàn)槎O管 PN 結(jié)的溫度特性為負(fù)值，溫度升高時(shí)，二極管正向壓降減少，橋路輸出電壓增高。 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 3-1 概述概述 3-2 電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路

35、3-3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器【能量變換】屬能量控制型傳感器 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器n【原理】由一個(gè)恒定的激勵(lì)源在兩金屬導(dǎo)體之間建立一電場(chǎng)，被測(cè)對(duì)象通過(guò)某種方式改變或調(diào)制電場(chǎng)的某一參數(shù)，使電場(chǎng)能量發(fā)生變化，測(cè)出能量的變化就可獲得所需的信號(hào)。n【用途】檢測(cè)位移、液位、濕度、含水量n【類型】變面積（A）型，變介質(zhì)介電常數(shù)()，變極板間距（d）型。n【特點(diǎn)】測(cè)量范圍大、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、機(jī)械損失小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；寄生電容影響較大、線性度較差、受大氣溫度和濕度影響 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 3-1 概述概述 3-2

36、 電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路 3-3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 3-1 概述概述一、電容傳感器的工作原理 平板電容器的電容量，在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，有: 式中: A為兩極板間的有效覆蓋面積； d 為兩極板間的距離； 為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； 概述概述一、電容傳感器的工作原理 r為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； 0為真空的介電常數(shù) 從電容量表達(dá)式可看出：電容量與覆蓋面積成正比，與相對(duì)介電常數(shù)成正比，與兩極板間距成反比。因此，通過(guò)改變復(fù)蓋面積或相對(duì)介電常數(shù)或極板間距，都可以引起電容量的相對(duì)變化，這是電容傳感器的基本工作原理。 概概 述述二、典型的電容傳感器 、變面積（、變面積（A

37、 A）型型改變兩極板間的有效覆蓋面積來(lái)獲得電容量的變化。 二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型、角位移式 電容量與角位移成線性關(guān)系。靈敏度，增大初始電容C0 可以提高靈敏度K。 二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型、直線位移式 靈敏度 ，增大初始電容C0 可以提高靈敏度K。 二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型（3）圓柱直線位移式 靈敏度 ，增大初始電容 C0 可以提高靈敏度K。 概概 述述二、典型的電容傳感器、變介質(zhì)介電常數(shù)、變介質(zhì)介電常數(shù)()() 平板式 電容量為兩個(gè)電容C0 和C1 的串聯(lián)，其值為: 二、典型的電容傳感器2、變介質(zhì)介電常數(shù)（） 、圓筒式兩個(gè)電容C0和C1并聯(lián)，其值為

38、 二、典型的電容傳感器2、變介質(zhì)介電常數(shù)（）可見，傳感器電容量與液位高度 h1 成線性關(guān)系。物質(zhì)名稱物質(zhì)名稱 相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)r r 物質(zhì)名稱物質(zhì)名稱 相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)r r 水 80 玻璃 3.7 甲醇 37 瀝青 2.7 乙醇 2025 砂 35 鹽 6 空氣及其它氣體 11.2 紙 2二、典型的電容傳感器、變極板間距（、變極板間距（d d）型型 二、典型的電容傳感器、變極板間距（d）型 當(dāng)間距 d0 減少 d 時(shí)，電容量為其中，得相對(duì)變化值為 二、典型的電容傳感器、變極板間距（d）型當(dāng)d 1，傳感器的總阻抗(等效電路總阻抗)為: 電感相對(duì)變化為: 可見，并聯(lián)電容后，傳感器

39、的靈敏度提高了。因此，在測(cè)量中，如改變了電纜，則需重新標(biāo)定。 三、測(cè)量電路 2 2、測(cè)量電路、測(cè)量電路 （1） 交流電橋 電感線圈一般接成差動(dòng)式。電橋的平衡條件為 電橋的輸出電壓幅值為： 三、測(cè)量電路 2 2、測(cè)量電路、測(cè)量電路（2）變壓器電橋 電橋的兩個(gè)平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊。電橋的輸出與前面交流電橋類似。 第四章第四章 電感式傳感器電感式傳感器 4-1 4-1 自感式傳感器自感式傳感器 4-2 4-2 差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器4-3 4-3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器4-2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 差動(dòng)變壓器大都采用螺管型，這是一種互感式電感傳感器。 4-2 4-2 差動(dòng)變壓

40、器式差動(dòng)變壓器式傳感器傳感器一、結(jié)構(gòu)及工作原理1、結(jié)構(gòu)：差動(dòng)變壓器大都采用螺管型，較少采用氣隙型。主要元件有：初級(jí)線圈、次級(jí)線圈、線圈框架和銜鐵組成。4-2 差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式傳感器傳感器一、結(jié)構(gòu)及工作原理2、工作原理差動(dòng)變壓器與一般變壓器基本相同，不同之點(diǎn)是：一般變壓器是閉合磁路，而差動(dòng)變壓器是開磁路，且銜鐵是運(yùn)動(dòng)的。差動(dòng)變壓器是工作在互感變化的基礎(chǔ)上。 4-2 差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式傳感器傳感器二、特性分析 、等效電路、等效電路在忽略線圈寄生電容和銜鐵損耗的情況下，差動(dòng)變壓器的等效電路為： 二、特性分析 、等效電路變壓器初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流為其中,為激勵(lì)電壓的角頻率； L1、R1 分

41、別為初級(jí)線圈的電感和電阻。在次級(jí)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為 其中，M1、M2分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1、2間的互感。二、特性分析 、等效電路則，空載輸出電壓為 電壓的有效值為： 其中，U20為磁芯處于中間位置時(shí)（ ）的輸出電壓。 二、特性分析 、等效電路輸出阻抗為：二、特性分析 、等效電路磁芯移動(dòng)時(shí)的三種情況 （1）磁芯在中間位置； （2）磁芯左行時(shí)；（3）磁芯右行時(shí)。 二、特性分析 、等效電路（1）磁芯在中間位置： （殘余電壓） （2）磁芯左行時(shí)： （3）磁芯右行時(shí)： 二、特性分析 、等效電路輸出曲線二、特性分析、特性分析 、靈敏度差動(dòng)變壓器有負(fù)載時(shí)，次級(jí)線圈輸出總電壓有效值為 式中 為靈敏度系數(shù)； ，

42、為非線性部分； 2、特性分析 、靈敏度 ，鐵芯位移量； lA 鐵芯長(zhǎng)度；b0、b1 分別為次級(jí)線圈和初級(jí)線圈的長(zhǎng)度 d 兩線圈間的氣隙厚度；r1、r0 分別為線管的內(nèi)、外徑。 上式說(shuō)明，鐵芯位移 x 和輸出電壓 UO 之間不是線性關(guān)系。2、特性分析 、靈敏度 靈敏度系數(shù) K1 與線圈的結(jié)構(gòu)尺寸、初級(jí)線圈匝數(shù)、激勵(lì)電源的電壓和頻率等因素有關(guān)。 靈敏度系數(shù)與激勵(lì)電壓關(guān)系： 靈敏度系數(shù)與線圈匝數(shù) N 的關(guān)系 當(dāng)原邊線圈電阻 R1L1 時(shí)，有： ，A為常數(shù)。所以，提高匝數(shù)比可以提高差動(dòng)變壓器的靈敏度。2、特性分析 、誤差分析 影響誤差的主要因素是零點(diǎn)殘余電壓。當(dāng)變壓器的鐵芯處于中間位置時(shí)，在理想條件下

43、，其輸出電壓應(yīng)為零；但實(shí)際上，在使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍然有一微小的電壓值（從幾mV到幾十mV）存在，稱為零點(diǎn)殘留電壓。產(chǎn)生的原因：差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)線圈不可能完全一樣；磁性材料磁化曲線的非線性。消除和減少方法：提高工藝精度；選用好的測(cè)量電路；采用補(bǔ)償電路（調(diào)相補(bǔ)償電路、調(diào)零補(bǔ)償電路、R 或 L 補(bǔ)償電路等）。4-2 差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式傳感器傳感器三、測(cè)量電路 差動(dòng)應(yīng)壓器的輸出電壓為交流，與銜鐵位移量成正比，用交流表測(cè)量其輸出只能反映銜鐵位移的大小，不能反映其移運(yùn)方向，因此，差動(dòng)變壓器常采用整流電路和相敏檢波電路來(lái)進(jìn)行測(cè)量。4-2 差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式傳感器傳感器三、測(cè)量電路 、差動(dòng)

44、整流電路一般為二極管組成的全波整流電路。 三、測(cè)量電路 、差動(dòng)整流電路電路波形圖三、測(cè)量電路 、差動(dòng)整流電路 電路輸出： 無(wú)論線圈的極性如何變化，電流總是： a b, c d 。三、測(cè)量電路 、差動(dòng)整流電路輸出波形:三、測(cè)量電路、相敏檢波電路、相敏檢波電路 相敏檢波電路由二極管組成，這種電路容易做到輸出平衡，而且便于阻抗匹配。 其直流輸出的極性能反映鐵芯位移的方向，即鐵芯位置從零點(diǎn)向左、右移動(dòng)，對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)為負(fù)極性或正極性。 三、測(cè)量電路 、相敏檢波電路 三、測(cè)量電路 、相敏檢波電路 UE 經(jīng)移相后得 Ur ，二者頻率相同，相位相同（上行）或相反（下行）。（1）、鐵芯在中間位置時(shí)： U2 =

45、 0，只有Ur 作用，此時(shí)，UGP、UPH大小相等，方向相反，UO = 0。三、測(cè)量電路 、相敏檢波電路(2)、鐵芯上移時(shí)：U2 0正半周：i1：A1D1D32DCB UO = UGP-UPH = U2，為正。三、測(cè)量電路 、相敏檢波電路(2)、鐵芯上移時(shí)：U2 0負(fù)半周：i1：D2D2D41ABC UO = UGP-UPH = -U2，為正?？梢?，UO 恒為正。三、測(cè)量電路 、相敏檢波電路（3）鐵芯下移時(shí)，U2 0 這時(shí)，U2與Ur反相，即U2為正半周時(shí)，Ur為負(fù)半周，故有 正半周： 三、測(cè)量電路 、相敏檢波電路負(fù)半周： （負(fù)電壓） 可見，UO 恒為負(fù)。 第四章第四章 電感式傳感器電感式傳感

46、器 4-1 4-1 自感式傳感器自感式傳感器 4-2 4-2 差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器4-3 4-3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器4-3 電渦流式傳感器【渦流】當(dāng)導(dǎo)體置于交流磁場(chǎng)或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體上會(huì)引起感應(yīng)電流，此電流要導(dǎo)體內(nèi)閉合，形成渦流。 4-3 電渦流式傳感器概述 電渦流大小與導(dǎo)體電阻率、導(dǎo)磁率、產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈與被測(cè)物體之間的距離d、激勵(lì)電源的頻率f 等有關(guān)，固定其中若干個(gè)參數(shù)不變，就能按渦流大小測(cè)量另外某一個(gè)參數(shù)，電渦流傳感器就是按此原理構(gòu)成的。4-3 電渦流式傳感器概述電渦流的大小常用其穿透深度h 表示， 式中： 為導(dǎo)體電阻率(cm)； r 為導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率；

47、f 為交變磁場(chǎng)頻率(Hz)。4-3 電渦流式傳感器概述【用途】檢測(cè)位移、振動(dòng)、應(yīng)力、表面溫度、流量和探傷等?！咎攸c(diǎn)】靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量、測(cè)量對(duì)象廣?！绢愋汀扛哳l反射式和低頻透射式。 4-3 電渦流式傳感器一、結(jié)構(gòu)及工作原理 1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 目前較常用的電渦流傳感器是高頻反射式電渦流傳感器，主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈組成。 一、結(jié)構(gòu)及工作原理 2、工作原理 傳感器線圈由高頻信號(hào)激勵(lì)，使之產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)i ，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體接近線圈時(shí)，在磁場(chǎng)作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與磁場(chǎng)相交鏈的電渦流ie ,而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)e 來(lái)阻礙磁場(chǎng)的變化。 一、結(jié)構(gòu)及工

48、作原理 2、工作原理 從能量角度來(lái)看，在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗 (當(dāng)頻率較高時(shí)可以忽略磁損耗)。能量損耗使傳感器的Q 值和等效阻抗Z 降低，因此當(dāng)被測(cè)物體與傳感器間的距離d 改變時(shí)，傳感器的Q 值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量，這就是電渦流傳感器的工作原理。 4-3 電渦流式傳感器二、等效電路 無(wú)論運(yùn)用什么方式構(gòu)成傳感器，其最終特性都與渦流有關(guān)，故需研究渦流形成和分布規(guī)律。 (1) 渦流的徑向分布 渦流環(huán)路可看作以線圈(半徑為R)軸線為中心的短路環(huán)，處于交變磁場(chǎng)下的金屬板上有無(wú)窮多個(gè)這樣的短路環(huán)，其中任一個(gè)環(huán)中渦流密度是環(huán)半徑和磁感應(yīng)分布的函數(shù)。二、等效電路渦流分布

49、規(guī)律其分布隨r/R的變化規(guī)律為式中： ； J0 為r=R ( )處的電流密度。渦流形成的范圍約為(0.5251.39)R 。二、等效電路渦流分布規(guī)律 上式表明，渦流的分布規(guī)律(曲線形狀)與線圈、金屬板間的距離d無(wú)關(guān)、但d改變時(shí)，渦流密度J0和jr都將發(fā)生變化。設(shè)金屬板中的等效電流為Ie,其與激勵(lì)電流I有： 二、等效電路渦流分布規(guī)律 歸一化曲線如圖示： 可見，Ie隨d的增加而急劇下降，故利用渦流傳感器測(cè)量位移時(shí)，只在很小的測(cè)量范圍內(nèi)得到較好的線性和較高的靈敏度。 二、等效電路渦流分布規(guī)律(2)渦流的軸向分布渦流沿激勵(lì)磁場(chǎng)軸向分布是不均勻的，有式中：x 金屬中某點(diǎn)與表面的距離 h 渦流滲透深度。二

50、、等效電路渦流分布規(guī)律 電流密度主要分布在表面附近(即趨膚效應(yīng))，故可用一個(gè)厚為x0的矩形來(lái)代替指數(shù)分布，使矩形面積與曲線面積相等。 二、等效電路 綜上所述，渦流分布可視為一個(gè)平均半徑為R0，厚度為x0的矩形截面圓環(huán)，即把金屬看作一匝短路線圈，它與傳感器存在磁耦合，于是，可得到等效電路。 二、等效電路等效電路二、等效電路根據(jù)克希荷夫定律，可得如下電路方程 解上述方程組可求得 和 二、等效電路由此求得線圈的等效阻抗Z和等效Q值等： 二、等效電路 這樣，就可以將傳感器與被測(cè)物體間的距離變換為傳感器線圈的等效阻抗Z和等效電感L及等效Q值三個(gè)參數(shù)了。 測(cè)量L、Z、Q 就可獲得距離d 。4-3 電渦流式

51、傳感器三、測(cè)量電路 電渦流傳感器的測(cè)量電路就是為了要測(cè)量傳感器的等效阻抗Z和等效電感L及等效Q值三個(gè)參數(shù)。 測(cè)量電路主要有三種： 1、變頻調(diào)幅式； 2、恒定頻率調(diào)幅式； 3、調(diào)頻式。 三、測(cè)量電路1、載波頻率改變的調(diào)幅法和調(diào)頻法 電路框圖三、測(cè)量電路1、載波頻率改變的調(diào)幅法和調(diào)頻法 這種形式的電路是一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器，把傳感器線圈L接入振蕩器回路中，在未測(cè)量前，回路諧振頻率為fo ，此時(shí)輸出的電壓為諧振電壓Uo ，當(dāng)被測(cè)物體接近電感線圈時(shí)，振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線向兩邊移動(dòng)且得平坦，此時(shí)由傳感器回路組成的諧振器的輸出電壓的頻率f 和幅值U 均發(fā)生變化。三、測(cè)量電路1、載波頻率改變的

52、調(diào)幅法和調(diào)頻法諧振曲線三、測(cè)量電路1、載波頻率改變的調(diào)幅法和調(diào)頻法(1)如果取幅值U 作為檢測(cè)值，則稱為變頻調(diào)幅式，直接反映了Q 值的變化，因此可以用于以Q 值為輸出的電渦流傳感器。 (2)如果取頻率f 的變化作為檢測(cè)值，則為用來(lái)測(cè)量傳感器的等效電感量L ，這種方法稱為調(diào)頻法。 三、測(cè)量電路1、載波頻率改變的調(diào)幅法和調(diào)頻法典型測(cè)量電路 三、測(cè)量電路2、恒定頻率的載波調(diào)幅法 恒定頻率的載波調(diào)幅法的工作原理是由頻率穩(wěn)定的振蕩器(一般用石英振蕩器)提供一個(gè)高頻信號(hào)，激勵(lì)傳感器線圈和并聯(lián)電容組成的并聯(lián)回路 三、測(cè)量電路2、恒定頻率的載波調(diào)幅法 當(dāng)回路的固有頻率與激勵(lì)頻率相等時(shí)，輸出電壓最大。 在測(cè)量時(shí)

53、，被測(cè)物體接近傳感器，傳感器等效阻抗發(fā)生變化回路失諧，振峰偏離諧振點(diǎn)，輸出電壓發(fā)生變化，達(dá)到測(cè)量的目的，但此時(shí)激勵(lì)頻率并未變化，故稱為恒定頻率的載波調(diào)幅法。 4-3 電渦流式傳感器四、透射式電渦流傳感器 工作原理4-3 電渦流式傳感器四、透射式電渦流傳感器 激勵(lì)線圈L1 和接收線圈L2 分別位于材料M 的上、下方，L1 產(chǎn)生的磁力線切割金屬板M，并在其中產(chǎn)生渦流i，渦流損耗了部分磁場(chǎng)能量，使達(dá)到L2 的磁力線減少，從而使L2 上的U下降，顯然，隨著厚度d 的變化，損耗也變化，L2 上的U變化，這樣通過(guò)U 的測(cè)量即可測(cè)量厚度d 。 4-3 電渦流式傳感器五、應(yīng)用 由于電渦流傳感器測(cè)量范圍大，靈敏

54、度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，且為非接觸式測(cè)量，故應(yīng)用十分廣泛。 4-3 電渦流式傳感器五、應(yīng)用被測(cè)參數(shù)變 換 量特 征位 移振 動(dòng)厚 度傳感器線圈與被測(cè)體之間的距離d非接觸式連續(xù)測(cè)量受剩磁的影響表面溫度電解質(zhì)濃度速度(流量)被測(cè)體的電阻率非接觸式連續(xù)測(cè)量需進(jìn)行溫度補(bǔ)償位 移振 動(dòng)厚 度被測(cè)體的磁導(dǎo)率非接觸式連續(xù)測(cè)量受剩磁和材質(zhì)的影響探 傷d 、可定量判斷第五章第五章 壓電式傳感器壓電式傳感器 5-1 5-1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 5-2 5-2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路5-3 5-3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 第五章第五章 壓電式傳感器壓電式傳感器概述【能量變換】

55、壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器。 第五章第五章 壓電式傳感器壓電式傳感器概述n【原理】壓電效應(yīng) n【用途】測(cè)量加速度、壓力、流量等 n【類型】壓電晶體式，壓電陶瓷式 n【特點(diǎn)】響應(yīng)頻帶：0.3Hz60 kHz； 靈敏度高：電壓靈敏度達(dá)1000 mV/ms-2； 信噪比大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，工作可靠。 存在一定的老化現(xiàn)象。 第五章第五章 壓電式傳感器壓電式傳感器 5-1 5-1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 5-2 5-2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路5-3 5-3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 5-1 壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)【壓電效應(yīng)】某些晶體或陶瓷材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ?/p>

56、使之變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力消失后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)?！灸鎵弘娦?yīng)】將壓電材料置于電場(chǎng)，會(huì)發(fā)生變形，即所謂電致伸縮效應(yīng)。5-1 壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 主要的壓電材料有：石英晶體（天然的）和壓電陶瓷（人工制造的）。 天然結(jié)構(gòu)的石英晶體 是一個(gè)六角形晶柱。 5-1 壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 正六面體 光 軸 縱向軸, Z-Z 軸； 電 軸 過(guò)正六面體棱線, 并垂直于光軸, X-X 軸； 機(jī)械軸 與光軸和電軸垂直的軸，Y-Y 軸。 5-1 壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)n力沿光軸(Z軸)作用時(shí)，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)；n力沿電軸(X軸)作用時(shí)，產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱縱向壓電效

57、應(yīng)；n力沿機(jī)械軸(Y軸)作用時(shí)，產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱橫向壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 1、石英晶體壓電效應(yīng)的機(jī)理 石英晶體的壓電效應(yīng)是由于石英晶體在外力作用下，晶格發(fā)生變化所造成的。石英晶體由硅離子Si4+和氧離子O2-組成，在Z平面的投影為一、壓電效應(yīng) 1、石英晶體壓電效應(yīng)的機(jī)理 設(shè) 為三對(duì)電偶極矩，當(dāng)沒(méi)有外力作用時(shí)，它們互成120的夾角，所以有 一、壓電效應(yīng) 1、石英晶體壓電效應(yīng)的機(jī)理當(dāng)晶體沿 x 方向受壓時(shí)，有：此時(shí)在x軸方向出現(xiàn)正電荷。 一、壓電效應(yīng) 1、石英晶體壓電效應(yīng)的機(jī)理當(dāng)晶體沿x方向受拉時(shí)，有:此時(shí)在x軸方向出現(xiàn)負(fù)電荷。 一、壓電效應(yīng) 2 2、壓電系數(shù)、壓電系數(shù)石英晶體切片的方法一般有兩種

58、: (1)x切片 兩個(gè)端面與x 軸垂直。切片的兩個(gè)面鍍有金屬銀，使之成為電極板。 一、壓電效應(yīng) 2、壓電系數(shù)壓電系數(shù)(2)y切片兩個(gè)端面與y軸垂直。切片的兩個(gè)面鍍有金屬銀，使之成為電極板。 一、壓電效應(yīng) 2、壓電系數(shù)壓電系數(shù)對(duì)于x 切片，當(dāng) x 方向受到壓應(yīng)力xx作用時(shí)，有 式中 Pxx 極化強(qiáng)度，在數(shù)值上等于晶面 上的電荷密度； d11 壓電系數(shù)，d11= 2.310-12 C/N； Fx 沿x方向的壓縮力； l、b 晶體的長(zhǎng)度和寬度。一、壓電效應(yīng) 2、壓電系數(shù)壓電系數(shù)設(shè)晶片在垂直于x軸平面上的電荷為Qx，則 即 極間電壓為 其中一、壓電效應(yīng) 2、壓電系數(shù)壓電系數(shù)【結(jié)論】傳感器輸出的電荷或電

59、壓與作用在傳感器上的力成正比。由于作用力或力矩的方向不同，晶體的壓電系數(shù)共有18個(gè)，方程為：一、壓電效應(yīng) 2、壓電系數(shù)壓電系數(shù) 由于z軸（光軸）方向不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，實(shí)際上系數(shù)矩陣的元素值為 5-1 壓電效應(yīng)二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，其原始的壓電陶瓷材料（多晶鐵電體）并不具有壓電性。當(dāng)將這關(guān)材料在一定溫度下做極化處理后，才具有壓電性。5-1 壓電效應(yīng)二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)極間電荷為:5-1 壓電效應(yīng)三、壓電材料 n主要的壓電材料有： (1) 壓電晶體（如石英）； (2) 壓電陶瓷（如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛）。n對(duì)壓電材料的要求、要求有較大的壓電常數(shù)（轉(zhuǎn)換性能）； 、機(jī)

60、械強(qiáng)度高、剛度大（機(jī)械性能）， 以獲得寬的線性范圍和高的固有頻率；5-1 壓電效應(yīng)三、壓電材料 、具有高電阻率和大的介電常數(shù)（電性能）， 以減少外部分布電容的影響并獲得好的低 頻特性； 、溫度和濕度穩(wěn)定性好（環(huán)境適應(yīng)性）； 、要求壓電性能不隨時(shí)間變化（時(shí)間穩(wěn)定 性）。三、壓電材料、石英晶體石英晶體是一種具有良好壓電特性壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性很好，在常溫下這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化。三、壓電材料、石英晶體 由圖可見，在20200溫度范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少0.016；但是當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)（573）時(shí)，石英晶體便失去了壓電特性。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械