阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器課件

傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)1阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器的敏感元件

2電阻應(yīng)變式傳感器3電容式傳感器4電感式傳感器第二章阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器技術(shù)電感式傳感器1阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器的敏感元件第二章阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器技2阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器的敏感元件彈性敏感元件的主要性能1.1常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能1.2彈性敏感元件的材料1.3阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器的敏感元件彈性敏感元件的主要性能1.1常用31.1彈性敏感原件的主要性能：

1.彈性特性

（式中：F表示施加于敏感元件的力或力矩，ε為變形量或位移）

2.靈敏度和剛度

敏感元件的剛度是靈敏度的倒數(shù)。

1.1彈性敏感原件的主要性能：43.諧振頻率

注：敏感元件的諧振頻率可由計(jì)算獲得，但必須由實(shí)驗(yàn)校正。

4.彈性滯后和后效

5.安全系數(shù)注：安全系數(shù)越大，敏感元件的過(guò)載能力越強(qiáng)，但可能體積越大，越笨重。一般以1.5～5為宜。

6.其他：材料蠕變、溫度特性等。3.諧振頻率51.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能

1.基本拉壓：材料受力變形的最基本形式是拉壓變形，由下式計(jì)算：

等截面桿件、等壁厚圓筒可視為基本拉伸結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足：

2.彈性梁：①懸臂梁：變形以彎曲為主的結(jié)構(gòu)稱為彈性梁.只有一端支承的梁稱為懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖所示。

1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能6②等強(qiáng)度梁：由上式可以看出，等截面梁測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變均與位置Lo有關(guān)，使用時(shí)不夠方便，為此可以設(shè)計(jì)等強(qiáng)度梁，如上圖所示，使得：則：梁各處的應(yīng)力相等，應(yīng)變也相等。因此，使用時(shí)可以不考慮測(cè)試點(diǎn)的位置。1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(2)②等強(qiáng)度梁：由上式可以看出，等截面梁測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變均與位7

這時(shí)有：③兩端固定梁：有較高的剛性和承載能力，兩端固定梁是一種靜不定系統(tǒng)，常用梁中點(diǎn)位置作為測(cè)試點(diǎn)，稱為中斷面。最大撓度也發(fā)生在中斷面，為：1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(3) 這時(shí)有：③兩端固定梁：有較高的剛性和承載能力，兩端固定梁是83.環(huán)形結(jié)構(gòu)：（圓環(huán)形結(jié)構(gòu)和扁環(huán)形結(jié)構(gòu)）

①圓環(huán)形結(jié)構(gòu)②扁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)注：扁環(huán)的應(yīng)力和應(yīng)變可采用圓環(huán)計(jì)算方法。1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(4)3.環(huán)形結(jié)構(gòu)：（圓環(huán)形結(jié)構(gòu)和扁環(huán)形結(jié)構(gòu)）②扁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)注：扁94.膜片式結(jié)構(gòu)膜受載后變形，中心的撓度ω0最大。設(shè)膜厚為h，1）如果ω0/h<1/3，則可按厚膜計(jì)算，厚膜的變形以彎曲為主，膜的拉壓處于次要地位；2）如果ω0/h＞5，則按薄膜計(jì)算，認(rèn)為薄膜是柔軟的，無(wú)彎曲剛度和彎曲應(yīng)力，膜的變形以拉壓為主。①平膜（平膜適合于測(cè)量受均布載荷的情形）在集中載荷p的作用下，1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(5)4.膜片式結(jié)構(gòu)膜受載后變形，中心的撓度ω0最大。設(shè)膜厚為h，10平膜片的撓度為：

可見(jiàn)，中心r=0處撓度最大，為：

平膜片的最小自振頻率為：

1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(7)平膜片的撓度為： 11②帶有硬中心的膜片特征：膜的中心很厚，可以認(rèn)為是剛體，如圖所示：硬中心的撓度仍然最大：

最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在硬心的邊緣和膜片的邊緣：1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(8)②帶有硬中心的膜片特征：膜的中心很厚，可以認(rèn)為是剛體，如125.彈性諧振元件1）兩端固定弦的振動(dòng)頻率可用下式計(jì)算：2）兩端固定矩形截面振動(dòng)梁的固有頻率按下式計(jì)算：6.其它結(jié)構(gòu)：波紋管、波登管等。1.3彈性敏感元件的材料

高彈性合金和恒彈性合金，石英和硅，硅合金1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(9)5.彈性諧振元件1）兩端固定弦的振動(dòng)頻率可用下式計(jì)算：2）兩13電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變計(jì)的基本原理與結(jié)構(gòu)2.1電阻應(yīng)變計(jì)的主要特性2.2電阻應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償2.3電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變計(jì)的基本原理與結(jié)構(gòu)2.1電阻應(yīng)變計(jì)的14電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理基于四個(gè)基本的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：

力(F)→應(yīng)變(ε)→電阻變化(?R)→電壓輸出(?V)。

2.1電阻應(yīng)變計(jì)的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理基于四個(gè)基本的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：

力(F15電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)電測(cè)非電量的傳感器。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)。即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。2.1.1工作原理電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而16在外界力的作用下，將引起金屬或半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形，其電阻值將會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。對(duì)于不同的材料，電阻率相對(duì)變化的受力效應(yīng)是不同的。2.1.1工作原理在外界力的作用下，將引起金屬或半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形，其電阻171.金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料的電阻率相對(duì)變化正比于體積的相對(duì)變化，即有式中，C為由材料及加工方式?jīng)Q定的與金屬導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)相關(guān)的比例系數(shù)。1.金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料的電阻率相18金屬材料的電阻相對(duì)變化與其線應(yīng)變?chǔ)懦烧?。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。1.金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)將式（4-6）代入（4-5）可有式中，Km=(1+2μ)+C(1-2μ)為金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，它由兩部分組成：前半部分為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致，后半部分為因應(yīng)變而發(fā)生的電阻率相對(duì)變化.由以上分析可見(jiàn)：金屬材料的電阻相對(duì)變化與其線應(yīng)變?chǔ)懦烧?。這就是金屬材料的應(yīng)192.半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料具有壓阻效應(yīng)，即：式中，

為作用于材料上的軸向應(yīng)力；

為半導(dǎo)體在受力方向的壓阻系數(shù)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量。2.半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材20由以上分析可知，外力作用而引起的軸向應(yīng)變，將導(dǎo)致電阻絲的電阻成比例地變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路可將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。這就是應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。2.半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)將式（4-8）代入式（4-5）可得式中，Ks=(1+2μ)+

E為半導(dǎo)體絲材的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。前半部分為尺寸變化所致，后半部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致.由以上分析可知，外力作用而引起的軸向應(yīng)變，將導(dǎo)致電阻絲的電阻21

利用金屬或半導(dǎo)體材料電阻絲（也稱應(yīng)變絲）的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可以制成測(cè)量試件表面應(yīng)變的敏感元件。為在較小的尺寸范圍內(nèi)敏感應(yīng)變，并產(chǎn)生較大的電阻變化，通常把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變敏感元件，即電阻應(yīng)變計(jì)，簡(jiǎn)稱應(yīng)變計(jì)。2.1.2結(jié)構(gòu)與類型

應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)利用金屬或半導(dǎo)體材料電阻絲（也稱應(yīng)變絲）的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可22應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)23（1）按加工方法,可以將應(yīng)變片分為以下四種：絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片、薄膜應(yīng)變片（2）按敏感柵的材料,可將應(yīng)變計(jì)分為金屬應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)兩大類

應(yīng)變計(jì)的類型2.應(yīng)變計(jì)的類型（1）按加工方法,可以將應(yīng)變片分為以下四種：絲式應(yīng)變片、箔式24

制作應(yīng)變片敏感柵常用的金屬材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，其中康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。除敏感柵以外，對(duì)基底材料、粘結(jié)劑、引線的材料方面都有要求，可以根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同進(jìn)行選擇。電阻應(yīng)變計(jì)的材料3.電阻應(yīng)變計(jì)的材料制作應(yīng)變片敏感柵常用的金屬材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金25

選用應(yīng)變計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)使用的目的、要求、對(duì)象及環(huán)境條件等，對(duì)應(yīng)變計(jì)的類型進(jìn)行選擇；然后根據(jù)使用溫度、時(shí)間、最大應(yīng)變量及精度要求，選用合適的敏感柵、基底材料的應(yīng)變計(jì)；接著根據(jù)測(cè)量線路或儀器選擇合適應(yīng)變計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)阻值；最后還應(yīng)根據(jù)試件表面可貼應(yīng)變片的面積大小選擇合適尺寸的應(yīng)變計(jì)。電阻應(yīng)變計(jì)的選用4.電阻應(yīng)變計(jì)的選用與粘貼選用應(yīng)變計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)使用的目的、要求、對(duì)象及環(huán)境條件等26

電阻應(yīng)變片工作時(shí)，是用粘貼劑粘貼到被測(cè)試件或傳感器的彈性元件上的。粘貼劑形成的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將被測(cè)應(yīng)變傳遞到敏感柵上去，所以粘貼劑以及粘貼技術(shù)對(duì)于測(cè)量結(jié)果有著直接的影響。電阻應(yīng)變計(jì)的粘貼4.電阻應(yīng)變計(jì)的選用與粘貼電阻應(yīng)變片工作時(shí)，是用粘貼劑粘貼到被測(cè)試件或傳感器的彈性元272.2主要特性靜態(tài)特性是指應(yīng)變計(jì)感受不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)變時(shí)的輸出特性，表征靜態(tài)特性的指標(biāo)主要有：靈敏度系數(shù)、機(jī)械滯后、蠕變、應(yīng)變極限等。2.2主要特性靜態(tài)特性是指應(yīng)變計(jì)感受不隨時(shí)間變化或變化緩慢28將具有初始電阻值R的應(yīng)變計(jì)安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變計(jì)阻值的相對(duì)變化與試件表面軸向應(yīng)變之比即為靈敏度系數(shù)。應(yīng)變計(jì)的電阻－應(yīng)變特性與單根電阻絲時(shí)不同，一般情況下，應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)小于相應(yīng)長(zhǎng)度單根應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)。1.靈敏度系數(shù)（k）將具有初始電阻值R的應(yīng)變計(jì)安裝于試件表面，在其軸線方向的單向29橫向效應(yīng)將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，其靈敏系數(shù)降低了，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。為了減小橫向效應(yīng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，一般采用短接式或直角式橫柵，現(xiàn)在更多的是采用箔式應(yīng)變片，可有效克服橫向效應(yīng)的影響。2.橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不30

機(jī)械滯后產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的。為了減小機(jī)械滯后，除選用合適的粘合劑外，最好在正式使用之前預(yù)先加、卸載若干次再正式測(cè)量，以減小機(jī)械滯后的影響。3.機(jī)械滯后機(jī)械滯后產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受31蠕變和零漂粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變計(jì)的零漂。如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變計(jì)的蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變變化的方向相反。選用彈性模量較大的粘貼劑和基底材料，有利于蠕變性能的改善。4.蠕變和零漂蠕變和零漂粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)32應(yīng)變極限應(yīng)變計(jì)的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過(guò)某一極限值時(shí)，應(yīng)變計(jì)的輸出特性將呈現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限。5.應(yīng)變極限應(yīng)變極限應(yīng)變計(jì)的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性，只有在一定的應(yīng)變33圖2.14應(yīng)變計(jì)的極限應(yīng)變特性2.動(dòng)態(tài)特性實(shí)際衡量應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)工作性能的另一個(gè)重要指標(biāo)是疲勞壽命。它是指粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在恒幅交變應(yīng)力作用下，連續(xù)工作直至疲勞損壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，用N表示。它與應(yīng)變計(jì)的取材、工藝和引線焊接、粘貼質(zhì)量等因素有關(guān)，一般要求N＝105～107次。2.2電阻應(yīng)變計(jì)的主要特性(3)圖2.14應(yīng)變計(jì)的極限應(yīng)變特性2.動(dòng)態(tài)特性實(shí)際衡量應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)34①溫度效應(yīng)及其熱輸出設(shè)工作溫度變化為△t℃，則由此引起粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)電阻的相對(duì)變化為

上式即應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)；相對(duì)的熱輸出為

一般at＝20×10-6C-1，若βs=11×10-6C-1、βt=15×10-6C-1，，△t＝5℃，取K＝2則εt=[20÷2+(15-11)]×5×10-6=70uε。熱輸出通?？梢栽斐?0%以上的誤差，因此必須采取相應(yīng)措施消除。2.3電阻應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償①溫度效應(yīng)及其熱輸出設(shè)工作溫度變化為△t℃，則由此引起粘貼35②熱輸出補(bǔ)償方法ⅰ.自補(bǔ)償法(1)單絲自補(bǔ)償通過(guò)改變敏感柵的合金成份及熱處理規(guī)范來(lái)調(diào)整αt、βt能與試件材料的βs相匹配，使應(yīng)變絲材料滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但通用性差，應(yīng)變絲制造工藝較復(fù)雜。(2).雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)電阻R由兩部分電阻Ra和Rb組成，即R=Ra＋Rb

這種應(yīng)變計(jì)的特點(diǎn)與單絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)相似，但只能在選定的試件上使用。ⅱ.電路補(bǔ)償法2.3電阻應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償(2)②熱輸出補(bǔ)償方法ⅰ.自補(bǔ)償法(1)單絲自補(bǔ)償通過(guò)改變敏感柵36圖2.16雙絲半橋式熱補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)圖2.17補(bǔ)償塊半橋熱補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)（1）雙絲半橋式（2）塊補(bǔ)償式（3）其它2.3電阻應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償(3)圖2.16雙絲半橋式熱補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)圖237電容式傳感器電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)1.1應(yīng)用中存在的問(wèn)題及其改進(jìn)措施1.3電容式傳感器電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)1.1應(yīng)用中存在的問(wèn)題及383.2.1工作原理、類型及特性

由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)的影響，其電容量C與極板間介質(zhì)的介電常數(shù)ε、極板間的有效面積S以及兩極板間的距d有關(guān)：

當(dāng)被測(cè)參數(shù)的變化使式中d、S、εr三個(gè)參量中任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容量的變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)時(shí)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。工作原理3.2.1工作原理、類型及特性由絕緣介質(zhì)分開(kāi)39

類型和特性

根據(jù)上述原理，在應(yīng)用中電容式傳感器可以有三種基本類型，即變極距(或稱變間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。類型和特性根據(jù)上述原理，在應(yīng)用中電容式40變極距型電容傳感器

傳感器兩極板間的ε和S為常數(shù)，通過(guò)電容極板間距離的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)物理量的測(cè)量。變極距型電容傳感器傳感器兩極板間的ε和S為常數(shù)，通過(guò)41變面積型電容式傳感器

測(cè)量中動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)有效面積S發(fā)生變化，引起電容C發(fā)生變化。變面積型電容式傳感器測(cè)量中動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)42變介質(zhì)型電容傳感器

變介質(zhì)電容傳感器的結(jié)構(gòu)型式較多，可以用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度以及液位高低等，也可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度。變介質(zhì)型電容傳感器變介質(zhì)電容傳感器的結(jié)構(gòu)型式較多，可433.2應(yīng)用注意事項(xiàng)及措施電容的相對(duì)變化量為：傳感器的相對(duì)非線性誤差為：

電容傳感器的靈敏度為K=εS/d02，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，而非線性誤差隨著d0的減小而增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，往往采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。電容式傳感器的靈敏度及非線性3.2應(yīng)用注意事項(xiàng)及措施電容式傳感器的靈敏度及非線性44差動(dòng)電容傳感器具有如下特性：差動(dòng)電容傳感器具有如下特性：45等效電路

以上對(duì)各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。若電容傳感器工作在高溫、高濕及高頻激勵(lì)條件下工作，則電容的附加損耗等影響不可忽視，這時(shí)電容傳感器的等效電路如圖4-28所示。等效電路以上對(duì)各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的46

邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖4-29所示。邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線47靜電引力電容式傳感器兩極板間因存在靜電場(chǎng)，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動(dòng)力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差。靜電引力電容式傳感器兩極板間因存在靜電場(chǎng)，而作用有靜電引力或48

寄生電容寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)、影響傳感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào),影響儀器的精度。必須消除和減小它。消除和減小寄生電容可采用如下方法：1.采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)2.采用組合式與集成技術(shù)3.整體屏蔽法寄生電容寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)、影響傳感器的靈敏49溫度影響（1）溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響電容傳感器由于極板間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。（2）溫度對(duì)介質(zhì)的影響溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而變化，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零，而某些液體介質(zhì)，如硅油、醫(yī)麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。溫度影響（1）溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響50電感式傳感器

電感器式傳感器的原理4.1自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)4.2互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）4.3自感式和互感式傳感器的誤差4.4電渦流式傳感器4.5電感式傳感器電感器式傳感器的原理4.1自感式傳感器的原理與514.1電感式傳感器原理圖2.33變磁阻式傳感器原理磁通量Φ與線圈參數(shù)有如下關(guān)系(Φ為磁通量，W為線圈匝數(shù)，I為電流，RM為磁阻）：4.1電感式傳感器原理圖2.33變磁阻式傳感器原理磁通量Φ52

電路

磁路

I

電流

磁感應(yīng)通量

電動(dòng)勢(shì)

WI

磁通勢(shì)

電導(dǎo)率

磁導(dǎo)率

電阻

磁阻

V

電壓

磁壓表2-1磁路與電路的參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系4.1電感式傳感器原理(2)電路534.2自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)1．變氣隙式自感傳感器（鐵心、銜鐵、氣隙）如忽略漏磁等因素，則線圈的電感可表示為：

為了精確分析傳感器的特性，引入等效磁導(dǎo)率μe的概念

同時(shí)：4.2自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)1．變氣隙式自感傳感器（鐵心54可得帶氣隙鐵心線圈的電感為

傳感器的靈敏度為

由上勢(shì)可知，變氣隙式傳感器的輸出特性是非線性的，式中負(fù)號(hào)表示靈敏度隨氣隙增加而減小，欲增大靈敏度，應(yīng)減小lδ但受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。為保證一定的測(cè)量范圍與線性度，對(duì)變氣隙式傳感器，常取lδ=0.2～1mm，變化區(qū)間Δlδ=（1/10～1/20）lδ。4.2自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)(2)可得帶氣隙鐵心線圈的電感為傳感器的靈敏度為由上勢(shì)可知，變氣隙552．變面積式自感傳感器

式中K'＝

μ0W2／（lδ＋l／μr）,為一常數(shù)。

3．螺管式自感傳感器

圖2.34螺管式自感傳感器結(jié)構(gòu)原理

4.2自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)(3)2．變面積式自感傳感器3．螺管式自感傳感器圖2.3456當(dāng)鐵芯進(jìn)入線圈后，鐵芯中的極化作用使被覆蓋的那部分線圈局部電感增大，其電感增量為：

電感增量可另表示為

4.2自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)(4)當(dāng)鐵芯進(jìn)入線圈后，鐵芯中的極化作用使被覆蓋的那部分線圈電感增574.3互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)圖2.35差動(dòng)變壓器的等效電路4.3互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)圖2.3558單個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢(shì)

輸出阻抗

4.3互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(2)單個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢(shì)輸出阻抗459圖2.36各種差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖（a）、（b）、（c）氣隙式；（d）、（e）變面積式；（f）螺管式4.3互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(3)圖2.36各種差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖（a）、（b）、（c）60當(dāng)銜鐵上移△δ時(shí),上氣隙變?yōu)棣?=δ0-△δ,下氣隙為δ2=δ0+△δ，因而上磁路磁阻減小,下磁路磁阻增加。此時(shí)φl(shuí)＞φ2，E21＞E22，輸出電壓兩初次級(jí)間的互感為：

4.3互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(4)當(dāng)銜鐵上移△δ時(shí),上氣隙變?yōu)棣?=δ0-△δ,下氣隙為δ2=61因此可得：

在忽略鐵心磁阻于漏磁通得情況下4.3互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(5)因此可得：在忽略鐵心磁阻于漏磁通得情況下4.3互感式62如果忽略△δ2項(xiàng)，并設(shè)Rll=R12=R1,L0=W12/(2δ0/μ0S)，上式可改寫并整理為

Π形差動(dòng)變壓器的靈敏度表達(dá)式

4.3互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(6)如果忽略△δ2項(xiàng)，并設(shè)Rll=R12=R1,L0=W12/63圖2.37激勵(lì)頻率與靈敏度的關(guān)系4.3互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(7)圖2.37激勵(lì)頻率與靈敏度的關(guān)系4.3互感式傳感644.4自感式和互感式傳感器的誤差