參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用

測(cè)試技術(shù)——

參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用第四章問題：1.測(cè)量位移可以采用什么傳感器？2.為什么實(shí)際中的電容及電感傳感器常采用差動(dòng)形式？3.電渦流傳感器一般測(cè)量什么量，其工作原理是什么？?jī)?nèi)容4.1傳感器概念4.2電阻式傳感器4.3電容式傳感器4.4電感式傳感器重點(diǎn)：掌握每種傳感器的工作原理及其應(yīng)用1)基本概念國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—87）對(duì)傳感器定義:

感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置內(nèi)涵：一個(gè)指定的傳感器，只能感受規(guī)定的物理量輸入輸出關(guān)系服從一定規(guī)律傳感器的輸出信號(hào)中載有被測(cè)量信息4.1傳感器概念

什么是傳感器？重要作用：機(jī)械量檢測(cè)中不可缺少的首要環(huán)節(jié)它的精度直接影響測(cè)試系統(tǒng)的整體測(cè)試精度工程實(shí)際中俗稱測(cè)量頭、檢測(cè)器等，也稱為一次儀表傳感器Transducer/Sensor/probe

4.1傳感器概念

2)組成敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量敏感元件直接感受被測(cè)量（如：位移）轉(zhuǎn)換為有確定關(guān)系的、易變成電參數(shù)的其它物理量（如：應(yīng)變）轉(zhuǎn)換元件將其它物理量直接轉(zhuǎn)換為有確定關(guān)系的電參量的元件（如：電阻）有的傳感器兩元件合二為一。

一般傳感器4.1傳感器概念

敏感元件力、轉(zhuǎn)矩應(yīng)變轉(zhuǎn)換元件應(yīng)變電阻

轉(zhuǎn)換電路電阻電壓測(cè)力環(huán)測(cè)扭矩軸拉力傳感器4.1傳感器概念

可見（1）敏感元件可以將被測(cè)量進(jìn)行多于一次的變換；（2）敏感元件可以是多個(gè)零件的組合體。位移傳感器敏感元件直線位移徑向位移徑向位移彎曲變形彎曲變形應(yīng)變轉(zhuǎn)換元件應(yīng)變電阻4.1傳感器概念

波登管一端開通，一端封閉，當(dāng)流體進(jìn)入管中后封閉端產(chǎn)生位移，其位移大小正比于流體的壓強(qiáng)。敏感元件：波登管（C型管）壓強(qiáng)→位移轉(zhuǎn)換元件：銜鐵位移→電感5—C型彈簧管6、8—線圈7—銜鐵9—機(jī)械零點(diǎn)調(diào)零螺釘

4.1傳感器概念

基本特性包括靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性兩大類性能指標(biāo)。靜態(tài)特性

量程、靈敏度、分辨率、精度、非線性、穩(wěn)定性等。動(dòng)態(tài)特性可用頻率范圍動(dòng)態(tài)放大比設(shè)計(jì)或選用時(shí)必須考慮的問題3)傳感器基本特性4.1傳感器概念

4)傳感器分類

一種被測(cè)量可以用不同類型的傳感器來測(cè)量同一原理的傳感器通常又可測(cè)量多種非電量輸入量分類法可分為溫度、壓力、位移、速度、濕度等傳感器。該分類法適合于用戶和銷售商，便于很明確地根據(jù)用途選用傳感器。輸出量分類法

可分為參數(shù)式傳感器和發(fā)電式傳感器兩類。該分類法適合研發(fā)者和學(xué)習(xí)者，以便于掌握傳感器的工作原理。4.1傳感器概念

將輸入的機(jī)械參數(shù)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳?shù)變化的傳感器。常用的有電阻、電感和電容式三種基本參數(shù)傳感器。這種傳感器由于在工作時(shí)其本身沒有內(nèi)在的能量轉(zhuǎn)換，而不能產(chǎn)生電信號(hào)輸出，故常常也被稱之為無源傳感器。

將輸入的機(jī)械參數(shù)信號(hào)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出的傳感器。常用的有壓電式、磁電式、光電式、霍爾式以及熱電式等類型傳感器。在工作時(shí)其本身就有內(nèi)在的能量轉(zhuǎn)換，且能夠產(chǎn)生電信號(hào)輸出，故它常常也被稱之為有源傳感器。

參數(shù)式傳感器發(fā)電式傳感器

本章重點(diǎn)介紹參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用

下一章將介紹發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用4.1傳感器概念

定義：將非電量變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器分類：敏感元件

.彈性元件、熱敏元件、滑塊轉(zhuǎn)換元件電阻轉(zhuǎn)換電路直流電橋4.2電阻式傳感器電阻R電阻應(yīng)變式熱電阻式電位計(jì)式電阻式傳感器測(cè)應(yīng)變測(cè)溫度測(cè)位移應(yīng)變式傳感器的工作原理：利用微應(yīng)變與電阻的關(guān)系

根據(jù)電阻定律，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻可以表示為：第一項(xiàng)表示材料幾何尺寸變化引起的電阻變化第二項(xiàng)表示材料特性電阻率變化引起的電阻變化1）

應(yīng)變片式傳感器材料在軸向受力的作用，產(chǎn)生機(jī)械變形/結(jié)構(gòu)變形——微應(yīng)變?nèi)?duì)數(shù)再微分：已知：可得：——電阻應(yīng)變式傳感器4.2電阻式傳感器分析電阻率變化（1）金屬材料-與體應(yīng)變成比例

式中：C比例常數(shù)（2）半導(dǎo)體材料-取決于壓阻效應(yīng)式中：л半導(dǎo)體材料在受力方向壓阻系數(shù)

E半導(dǎo)體材料的彈性模量——電阻應(yīng)變式傳感器4.2電阻式傳感器金屬材料一般ν≈0.3，C≈1，因此金屬材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要來自結(jié)構(gòu)尺寸的變化——尺寸效應(yīng)，且靈敏系數(shù)較小，約為2.0左右。半導(dǎo)體材料

лE>>(1+2ν)，因此半導(dǎo)體材料的電阻變化主要來自

壓阻效應(yīng)，靈敏系數(shù)較大，約為50～200，分散性大。——電阻應(yīng)變式傳感器4.2電阻式傳感器應(yīng)變片式傳感器技術(shù)參數(shù)類型金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量范圍με0.1～500000.001～3000靈敏系數(shù)1.8～4.550～200標(biāo)稱阻值Ω120，350，600，…，50001000～5000電阻受溫度影響溫度系數(shù)是正值溫度系數(shù)一般是負(fù)值電阻容差0.1%～0.35%1%～2%有效柵長(zhǎng)度/mm0.4～150標(biāo)準(zhǔn)值：3～101～5——電阻應(yīng)變式傳感器4.2電阻式傳感器金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的性能比較——電阻應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變片：

優(yōu)點(diǎn)是靈敏度一般為常數(shù)。

溫度影響比半導(dǎo)體小，由溫度引起的電阻變化與試件應(yīng)變帶來的電阻變化也幾乎是同一數(shù)量級(jí)。

缺點(diǎn)是靈敏度較低，需要放大電路。半導(dǎo)體應(yīng)變片：

優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，比金屬材料約高50倍，因此有時(shí)可以不加放大器，使測(cè)量電路大大簡(jiǎn)化。

缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)大，比常用金屬絲材料大幾十倍，因此對(duì)溫度過于敏感；

此外大應(yīng)變時(shí)靈敏度不為常數(shù)4.2電阻式傳感器為什么是缺點(diǎn)？應(yīng)變片結(jié)構(gòu)目前主要使用金屬箔式應(yīng)變片——電阻應(yīng)變式傳感器各種形式應(yīng)變花4.2電阻式傳感器常用金屬應(yīng)變片材料康銅(銅鎳為主的合金)：常用的電阻絲材料（電阻溫度系數(shù)低）卡瑪合金：比康銅具有更長(zhǎng)的疲勞壽命和更寬的溫度范圍

適用于長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)測(cè)量鉑鎢合金：具有極長(zhǎng)的疲勞壽命應(yīng)變片性能對(duì)絕緣電阻要求高：

粘貼的應(yīng)變片與被測(cè)試件之間的電阻值一般要求R＞108Ω限制最大工作電流Imax：

應(yīng)變片敏感柵允許通過的不影響其工作特性的最大電流值

通常靜態(tài)測(cè)量取25mA左右，動(dòng)態(tài)測(cè)量可取75～100mA——電阻應(yīng)變式傳感器？4.2電阻式傳感器柱式應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用膜片式（氣體、液體）等截面梁雙孔梁S型拉力梁——電阻應(yīng)變式傳感器等截面梁4.2電阻式傳感器應(yīng)變片的安裝安裝質(zhì)量力傳遞效果

測(cè)量效果安裝方向：應(yīng)變大的方向——應(yīng)變片縱向安裝方法：粘貼法、焊接法和噴涂法，其中粘貼法最為常用——電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用中注意事項(xiàng)1：4.2電阻式傳感器應(yīng)變傳感器溫度誤差及補(bǔ)償溫度引起的測(cè)量誤差溫度效應(yīng)：阻值隨溫度變化熱膨脹效應(yīng)：不同的線膨脹系數(shù)導(dǎo)致不同應(yīng)變電阻溫度效應(yīng)熱膨脹效應(yīng)Rt、R0—應(yīng)變片在溫度t、t0時(shí)電阻值α—應(yīng)變片電阻絲的電阻溫度系數(shù)β—電阻絲材料和試件材料的線膨脹系數(shù)Ｓ—應(yīng)變片靈敏系數(shù)Δt—溫度變化量——電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用中注意事項(xiàng)2：4.2電阻式傳感器溫度補(bǔ)償方法一：采用橋路補(bǔ)償方法電橋特征：輸出電壓與相鄰臂阻值之差成比例。因此：電橋可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?！娮钁?yīng)變式傳感器溫度補(bǔ)償方法二：采取自補(bǔ)償應(yīng)變片（適當(dāng)選擇溫度系數(shù)及線膨脹系數(shù)敏感珊材料）合理選擇敏感柵材料,即其電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β使等式為零。4.2電阻式傳感器2）

熱電阻式傳感器——測(cè)量溫度工作原理：

利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器叫做電阻式溫度傳感器。

兩種類型

金屬熱電阻：純金屬是制造熱電阻的主要材料

可以應(yīng)用于熱電阻的金屬有鉑、銅、鎳、鐵等

半導(dǎo)體熱敏電阻：分為三類：

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）；

正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）；

臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTC，在一定溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變）。PTC和CTC型在一定溫度范圍內(nèi)，阻值隨溫度劇烈變化，因此常用作開關(guān)元件，溫度變化測(cè)量主要使用NTC型熱敏電阻。

——熱電阻式傳感器4.2電阻式傳感器兩種類型熱電阻特點(diǎn)：

A.靈敏度溫度升高1℃：大多數(shù)金屬的阻值要增加0.4~0.6%——正溫度效應(yīng)

NTC半導(dǎo)體的電阻值要減小3~6%——負(fù)溫度效應(yīng)——熱電阻式傳感器一般純金屬在溫度變化范圍不大時(shí)，電阻值與溫度的關(guān)系近似為線性NTC半導(dǎo)體的電阻值與溫度的關(guān)系為非線性關(guān)系

其中，B是熱敏電阻的材料常數(shù)。B.線性度4.2電阻式傳感器電阻—溫度特性曲線鉑、銅的電阻特性曲線比較理想半導(dǎo)體的電阻特性曲線——熱電阻式傳感器4.2電阻式傳感器熱電阻材料選擇電阻溫度系數(shù)α要大，制成的溫度傳感器的靈敏度高。電阻溫度系數(shù)與材料的純度有關(guān)，純度越高，α值就越大，且穩(wěn)定電阻率要大，這樣可使熱電阻體積較小，熱慣性較小，對(duì)溫度變化的響應(yīng)就比較快在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、線性、良好重復(fù)性易于加工復(fù)制，價(jià)格便宜——熱電阻式傳感器4.2電阻式傳感器常用熱電阻：

（1）鉑電阻：

化學(xué)穩(wěn)定性很高，容易提純，便于加工

是最常用的金屬熱電阻材料用于-259.34～630.74℃范圍內(nèi)的測(cè)溫

是基準(zhǔn)溫度計(jì)——熱電阻式傳感器4.2電阻式傳感器薄膜鉑電阻用真空沉積的薄膜技術(shù)把鉑濺射在陶瓷基片上，膜厚在2μm以內(nèi)，用玻璃燒結(jié)料固定Ni(或Pd)引線，制成薄膜元件.特點(diǎn)：微型化、反應(yīng)快——熱電阻式傳感器4.2電阻式傳感器（2）銅電阻優(yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)α高，價(jià)格低廉，易于提純?cè)?50～150℃范圍內(nèi)近似呈線性關(guān)系缺點(diǎn)：電阻率小，體積較大，銅電阻絲細(xì)而長(zhǎng)，故機(jī)械強(qiáng)度降低易氧化，只能用于無侵蝕性介質(zhì)——熱電阻式傳感器4.2電阻式傳感器幾種金屬熱電阻材料特性——熱電阻式傳感器

鎳和鐵電阻雖然也適合做熱電阻，但由于易氧化、非線性嚴(yán)重，較少應(yīng)用.4.2電阻式傳感器（3）鍺電阻鍺是最常用的半導(dǎo)體材料，純鍺在低溫下電阻率太大,對(duì)溫度的靈敏度也不高，因此必須摻雜微量的雜質(zhì).

特點(diǎn)：具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)：溫度降低時(shí)，其電阻值增加，靈敏度增大電阻溫度關(guān)系很穩(wěn)定，重復(fù)性很好——迄今所研究過的半導(dǎo)體中最理想的低溫測(cè)量元件標(biāo)定一次可長(zhǎng)期使用，而且它的測(cè)量精度可達(dá)到0.005K許多國家將鍺電阻溫度計(jì)作為4.2K~20K之間的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀表——熱電阻式傳感器4.2電阻式傳感器3）

電位計(jì)式電阻傳感器原理：將線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻結(jié)構(gòu)：帶有直線或旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)觸頭的電阻器件種類：按結(jié)構(gòu)形式可分為繞線式、薄膜式等——電位計(jì)式傳感器4.2電阻式傳感器4）

電阻式傳感器的應(yīng)用（1）應(yīng)變式力傳感器被測(cè)物理量：載荷或力

各種類型的測(cè)力元件，測(cè)量范圍從1mN～108N特點(diǎn)：分辨率高，誤差較小，測(cè)量范圍大，靜態(tài)與動(dòng)態(tài)都可測(cè)，能在嚴(yán)酷環(huán)境下工作柱式測(cè)力元件：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡(jiǎn)單柱式這是一個(gè)重要特性！4.2電阻式傳感器

（2）應(yīng)變式壓力傳感器被測(cè)物理量：液體、氣體的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力例如：動(dòng)力管道設(shè)備進(jìn)、出口氣體和液體的壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口壓力，內(nèi)燃機(jī)管道壓力等。4.2電阻式傳感器結(jié)構(gòu)：膜片式或筒式彈性元件在壓力的作用下，圓膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變應(yīng)變片（3）應(yīng)變式扭矩傳感器原理：彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變

軸受到扭矩作用時(shí)，剪切應(yīng)變與它所傳遞的扭矩有線性關(guān)系

其中：Me轉(zhuǎn)軸所受的扭矩、G剪切模量、W扭轉(zhuǎn)模量

應(yīng)變片扭矩傳感器徑向刷式集流環(huán)示意圖1-扭矩軸；2-應(yīng)變片；3-絕緣環(huán)；4-滑環(huán)；5-電刷4.2電阻式傳感器（4）熱敏電阻：種類繁多；由單晶、多晶以及玻璃、塑料等半導(dǎo)體材料制成

PTC、CTC熱敏電阻隨溫度變化阻值變化劇烈，常用開關(guān)元件NTC測(cè)量靈敏度較高、成本低、體積?。c(diǎn)溫度測(cè)量），可滿足不同測(cè)溫對(duì)象的要求，而且適合動(dòng)態(tài)測(cè)量缺點(diǎn)是性能不穩(wěn)定，互換性差，導(dǎo)致測(cè)量精度不高——空調(diào)系統(tǒng)的溫控元件a)圓片型b)柱型c)平板型d)結(jié)構(gòu)組成e)符號(hào)——熱電阻式傳感器4.2電阻式傳感器1—膜盒

2—連桿

3—曲柄4—電刷5—電阻元件（5）電位計(jì)式壓力傳感器

敏感元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移，再由電位計(jì)將位移轉(zhuǎn)換為與之成對(duì)應(yīng)關(guān)系的電阻或電壓信號(hào)輸出。4.2電阻式傳感器傳感器定義：感受特定量、一定規(guī)律、可用輸出信號(hào)組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件電阻式傳感器1）應(yīng)變式傳感器

原理:結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)、壓阻效應(yīng)2）熱電阻傳感器：

原理：熱阻效應(yīng)3）電位計(jì)傳感器：

原理：滑動(dòng)觸頭位移改變阻值電阻式傳感器回顧

2）工作原理在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平行極板電容器的電容量:

δAεUQ3）基本類型

變極距δ：位移

變面積A：位移、壓力（差動(dòng)）變介質(zhì)ε：厚度、液位工作原理：將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容參數(shù)的變化。4.3電容式傳感器1）組成：由兩個(gè)平行導(dǎo)體（板）構(gòu)成的電容。A（1）變極距式

兩極板在被測(cè)對(duì)象作用下,間隙δ發(fā)生變化

電容量C與極距δ呈非線性關(guān)系，為了減小非線性誤差，極距不能太小，通常極距變化范圍/00.01～0.1。此類電容傳感器僅適于微小位移的測(cè)量（0.001mm～零點(diǎn)幾毫米）；靈敏度s與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，為了提高靈敏度，極距應(yīng)盡可能小極距減小受限制：一是非線性誤差增大；二是容易發(fā)生電容極板間的電擊穿。一般初始極距0＝0.1～1mm左右。用于非接觸測(cè)量靈敏度4.3電容式傳感器如何既能改善非線性、又能提高靈敏度？性能改進(jìn)方法——差動(dòng)方式

兩個(gè)變極距電容傳感器，被測(cè)位移使動(dòng)片變化，引起極距差動(dòng)變化，兩個(gè)輸出電容也差動(dòng)變化：一個(gè)增大、一個(gè)減小。

如果在電路設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)：輸出量與兩個(gè)電容變化量之差成比例，則差動(dòng)方式的靈敏度就是原來2倍。

差動(dòng)電容傳感器常采用交流電橋進(jìn)行放大，兩個(gè)電容就是電橋的相鄰兩個(gè)橋臂。動(dòng)片定片定片δδ4.3電容式傳感器什么電路可以實(shí)現(xiàn)此功能？差動(dòng)變極距式電容傳感器性能分析：

對(duì)于兩個(gè)極板構(gòu)成的平行極板電容器，見圖(a),假設(shè)動(dòng)極板上移時(shí)，極板間距由初始距離變?yōu)?，電容變化?/p>

則電容的相對(duì)變化量為：

因?yàn)?lt;<1，將上式按冪級(jí)數(shù)展開,得到忽略二次以上高次項(xiàng)的近似解.

對(duì)于三個(gè)極板構(gòu)成的差動(dòng)電容器，見圖(c),假設(shè)動(dòng)極板上移時(shí)，上、下極板間距分別變?yōu)榕c，電容為得到了忽略三次以上高次項(xiàng)解?？梢姡翰顒?dòng)電容器靈敏度提高，非線性誤差減小。4.3電容式傳感器（2）變面積式：相對(duì)面積變化

靈敏度可見:

靈敏度為常數(shù)，輸出特性為線性;減小極距δ可提高靈敏度;可測(cè)量1cm～10cm中等大小的位移.應(yīng)用中也采用差動(dòng)方式：提高靈敏度

4.3電容式傳感器（3）變介質(zhì)式內(nèi)圓筒外圓筒介質(zhì)靈敏度可見：

靈敏度為常熟，輸出特性為線性；增加面積A、減小極距δ可提高靈敏度。應(yīng)用

液位高低片狀材料的厚度4.3電容式傳感器4）電容式傳感器優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：分辨率高（變極距式）精度高達(dá)0.01%動(dòng)態(tài)特性好，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)量能量損耗小非接觸測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）缺點(diǎn)：電纜分布電容影響大4.3電容式傳感器

5）電容測(cè)量時(shí)的幾點(diǎn)考慮抗干擾：電容量很?。◣讉€(gè)pf~幾十個(gè)pf），易受外界電場(chǎng)干擾，因此：

采用輸入阻抗高，噪聲低的前置放大器引出線應(yīng)盡量短

采用屏蔽線，而且屏蔽線與殼體及可動(dòng)電極應(yīng)有可靠的接地

盡量減小外電場(chǎng)的干擾；極板間絕緣材料要求高：通常要求絕緣電阻在100MΩ以上，以減小漏電阻對(duì)測(cè)量精度的影響；環(huán)境溫度影響：

采用補(bǔ)償電橋以抵消介電常數(shù)隨溫度的變化盡量選擇膨脹系數(shù)低的材料制造電容式傳感器，以減小尺寸隨溫度的變化。4.3電容式傳感器如何補(bǔ)償？6）電容式傳感器典型結(jié)構(gòu)

變極距(δ）型:(a)、(e)

變面積型(A)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）

變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)4.3電容式傳感器7）電容式傳感器的應(yīng)用（1）電容式轉(zhuǎn)速傳感器（2）電容式厚度傳感器——電容式傳感器的應(yīng)用4.3電容式傳感器（3）電容式壓差傳感器結(jié)構(gòu)：變間隙差動(dòng)方式電容傳感器固定極板:兩個(gè)凹面鍍金的玻璃圓盤可動(dòng)電極:一個(gè)金屬(不銹鋼)膜片當(dāng)p1≠p2時(shí)，膜片彎向一側(cè)，那么兩個(gè)差動(dòng)電容一個(gè)增大、一個(gè)減小，且變化量大小相同當(dāng)壓差反向時(shí)，差動(dòng)電容變化量也反向特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，響應(yīng)速度快(約100ms)，能測(cè)微小壓差(0～0.75Pa)電容式差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1－金屬鍍層2－凹形玻璃3－膜片4－過濾器5－外殼——電容式傳感器的應(yīng)用4.3電容式傳感器（4）電容式加速度傳感器

微加速度傳感器：上、下電極固定不動(dòng)，動(dòng)片是左端固定在襯底上的懸臂梁，可以上下振動(dòng)。三維方向的振動(dòng)或加速度測(cè)量：在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器

3硅襯底，4底層多晶硅——下電極，5中間層多晶硅——振動(dòng)片；6頂層多晶硅——上電極——電容式傳感器的應(yīng)用4.3電容式傳感器宏觀尺度電容式加速度傳感器變極距式電容傳感器產(chǎn)品舉例非接觸DWC型電容式位移測(cè)量?jī)x：平面、圓柱面線性量程:5/10/50/100/500/1000/2000/3000/4000/5000μm分辨率:0.01%FS

非線性:0.25%FS

頻響:0--7.5KHz

電源:+15V,-15V

輸出:-5V--+5V

溫度穩(wěn)定性:0.25%FS/h

具有自校靈敏度.非線性功能——電容式傳感器的應(yīng)用4.3電容式傳感器電容式傳感器回顧特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、工作可靠、可非接觸測(cè)量類型類型靈敏度特性常測(cè)量應(yīng)用形式變極距式非線性微小位移0.001—﹤1mm壓力、加速度常用差動(dòng)變面積式線性中等位移1-10cm常用差動(dòng)變介質(zhì)式線性液位厚度定義及分類：

基于電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量.

可測(cè)量的物理量位移壓力流量電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型4.4電感式傳感器

分類：1）自感型變磁阻傳感器

組成：自感型變磁阻傳感器由線圈、鐵心、銜鐵三部分組成。原理：將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感系數(shù)的變化。

由于鐵心磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，自感傳感器的自感量為：氣隙面積、氣隙長(zhǎng)度改變時(shí)，均會(huì)引起磁路磁阻變化.4.4電感式傳感器

磁路磁阻Rm由鐵心和銜鐵的磁阻Rf和氣隙磁阻兩部份組成，即：設(shè)線圈匝數(shù)為N，線圈自感L的定義為：其中：自感型變磁阻傳感器靈敏度

變面積式靈敏度變氣隙式靈敏度自感型變磁阻傳感器類型

變面積式變氣隙式靈敏度低，較少使用靈敏度高，常用變氣隙式靈敏度也可表示為4.4電感式傳感器

自感傳感器缺點(diǎn)：

（a）變面積型工作特性是線性的，但靈敏度低；（b）變氣隙型靈敏度高,但非線性嚴(yán)重；為減小非線性誤差，氣隙的初始值δ0不宜過??；為獲得較高靈敏度，氣隙的初始值δ0不宜過大；

=0.1～0.5mm，=(1/5～1/10)

僅測(cè)量較小位移0.001——﹤1mm；（c）鐵心對(duì)銜鐵的吸力比較大。如何既提高靈敏度又改善非線性？4.4電感式傳感器

雙邊差動(dòng)式自感型傳感器結(jié)構(gòu)：自感傳感器采用兩個(gè)線圈激磁，共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵組成，工作時(shí)兩線圈的自感呈反相變化，形成差動(dòng)輸出。應(yīng)用：主要用于位移測(cè)量，也可以用于振動(dòng)、壓力、流量、液位等參數(shù)測(cè)量

差動(dòng)式自感型傳感器可以使兩線圈對(duì)銜鐵吸引力相互抵消工作范圍可以達(dá)到氣隙的30%，測(cè)量范圍可達(dá)2mm

實(shí)際使用的電感傳感器幾乎全是差動(dòng)的4.4電感式傳感器

2）互感式差動(dòng)變壓器互感式電感傳感器，是一種線圈互感值隨鐵芯位移改變而變化的變磁阻式傳感器，其原理類似于變壓器。它主要用于位移測(cè)量，也可以用于振動(dòng)、壓力、流量、液位等參數(shù)測(cè)量。當(dāng)它用于精密小位移測(cè)量時(shí)，一般約為0.001~lmm。應(yīng)用最多的就是螺線管式差動(dòng)變壓器，它具有測(cè)量精確度高、測(cè)量范圍大（可擴(kuò)大到數(shù)百mm，視結(jié)構(gòu)尺寸而定）、穩(wěn)定性好和使用方便等特點(diǎn)。4.4電感式傳感器

組成：兩個(gè)線圈、一個(gè)鐵芯原理：互感型電感式傳感器工作時(shí)，線圈1通入交變電流，在線圈附近空間產(chǎn)生磁通，從而在線圈2產(chǎn)生感生電壓。即：式中，M21是兩線圈之間的互感系數(shù)，即：當(dāng)鐵芯在兩個(gè)線圈的孔中左、右移動(dòng)時(shí)，M21隨著N21變化，u2隨之變化

傳感器工作原理：將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為線圈互感系數(shù)的變化。注意：u2與x之間的關(guān)系呈現(xiàn)非線性，靈敏度也低實(shí)用中常采用雙邊差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)改善其非線性、提高靈敏度。

4.4電感式傳感器

互感式差動(dòng)變壓器組成：初級(jí)線圈、完全對(duì)稱的反極性串聯(lián)的次級(jí)線圈、鐵芯原理：輸出電壓幅值與鐵芯位移大小成正比理論實(shí)際Δx0—零點(diǎn)UT

—?dú)堄嚯妷篧W1W2WPx三段式雙邊差動(dòng)變壓器量程10-20mm4.4電感式傳感器

調(diào)零電阻R解決輸出存在的零點(diǎn)殘余電壓相敏檢波解決鐵心位移的方向性（單輸出對(duì)應(yīng)多輸入）優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，性能穩(wěn)定，精度高。缺點(diǎn)：不能反映其方向輸出電壓存在一定的零點(diǎn)殘余電壓

4.4電感式傳感器

二段式差動(dòng)變壓器測(cè)量技術(shù)

測(cè)量大位移時(shí)可采用兩段式差動(dòng)變壓器,工作行程可達(dá)數(shù)百毫米（線圈布局不同、心棒構(gòu)造不同）

l（1L、1R）一感應(yīng)線圈

2一鐵心

3一滑動(dòng)支承4一外殼

5一端蓋

6一磁極

7一膠木管

8一勵(lì)磁線圈靈敏度一般可達(dá)0.5-5V/mm

。為提高靈敏度，勵(lì)磁電壓在10V左右，電源頻率以1-10kHz為好。差動(dòng)變壓器4.4電感式傳感器

3）電渦流傳感器渦流效應(yīng)（電磁感應(yīng)定律）：塊狀金屬置于變化著的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)自身閉合，稱為電渦流，此現(xiàn)象為電渦流效應(yīng)。

(與變壓器原理相似,二次側(cè)只有一匝并且輸出端總是短路的。)組成：高頻激勵(lì)電流+線圈表征：電渦流線圈的等效阻抗

Z=R+jωL=F（i1、f、、、t、x）

靠近的被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流i2，它也產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H2，H2的方向與H1的方向相反。由于磁場(chǎng)H2的反作用，導(dǎo)致傳感器線圈阻抗變化。測(cè)量原理：線圈阻抗與距離x、導(dǎo)體、、t有關(guān)，通過測(cè)量阻抗變化獲得位移、振動(dòng)、材料鑒別、探傷等靈敏度取決于被測(cè)面材料(、、t)4.4電感式傳感器

電渦流傳感器特性(1)電渦流在金屬導(dǎo)體的縱深方向不是均勻分布的，只集中在導(dǎo)體表面。頻率越高，滲透深度越淺頻率越低，滲透深度越深因此，改變頻率可控制檢測(cè)深度。(2)當(dāng)被測(cè)對(duì)象的材質(zhì)改變時(shí)，輸出的特性曲線也不同，使用時(shí)要注意。優(yōu)點(diǎn)：非接觸測(cè)量、線性好，工作范圍寬，

分辨率高，受溫度、濕度的影響小，

使用調(diào)整也比較方便。缺點(diǎn)：靈敏度稍低于變氣隙式電容傳感器。

這點(diǎn)優(yōu)于電容傳感器！4.4電感式傳感器

如何利用它？一體化電渦流位移/振動(dòng)傳感器（內(nèi)置前置器）

常用的渦流探頭＋前置器eddyNCDT3300渦流式傳感器線性量程:2mm絕對(duì)誤差:≤±0.25%FS分辨率:0.005%FS頻率響應(yīng):25kHz(-3dB)探頭適用溫度：-50℃至+150℃4.4電感式傳感器

（1）自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)膜盒——彈性敏感元件