精密測(cè)試技術(shù)：CH 4 常用傳感器

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1、第第4 4章章 常用傳感器常用傳感器Transducer4.1 傳感器概述傳感器概述 Introduction4.2 傳感器選用原則傳感器選用原則 Principle of Transducer Selection4.3 電阻式傳感器電阻式傳感器 Resistance Transducer4.4 電感式電感式傳感器傳感器 Inductance Transducer4.5 電容式傳感器電容式傳感器 Capacitance Transducer4.1 傳感器概述傳感器概述1.傳感器概念 是指直接作用于被測(cè)量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換是指直接作用于被測(cè)量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器

2、件成同種或別種量值輸出的器件。傳感器傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測(cè)試裝置的工作質(zhì)量。2.傳感器分類(lèi) 按被測(cè)量分類(lèi)位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。按工作原理分類(lèi)機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、化學(xué)型等機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、化學(xué)型等。傳感器概述傳感器概述(2/5)按信號(hào)變換特征分類(lèi)物性型 依靠敏感元件本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化實(shí)現(xiàn)信依靠敏感元件本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換號(hào)變換。如水銀溫度計(jì)、壓電式傳感器等如水銀溫度計(jì)、壓電式傳感器等。結(jié)構(gòu)型 依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。如電容式、

3、電感式傳感器等如電容式、電感式傳感器等。按能量變換關(guān)系分類(lèi)能量轉(zhuǎn)換型(無(wú)源型、發(fā)電型或主動(dòng)傳感器）直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。如熱電偶溫度計(jì)、彈性如熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)、壓電式傳感器壓力計(jì)、壓電式傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器存在負(fù)載效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換型傳感器存在負(fù)載效應(yīng)。能量控制型(有源型、能量調(diào)節(jié)型或被動(dòng)傳感器)由外部輔助能量使其工作，并由被測(cè)量控制外部供給能量的由外部輔助能量使其工作，并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化變化。如電橋式電阻應(yīng)變計(jì)等如電橋式電阻應(yīng)變計(jì)等。傳感器的換能元件可能不止一個(gè)（如電容式壓力傳感器），傳感器的換能元件可能不止一個(gè)（如電容式壓力傳感器），甚至是一個(gè)小型裝置（如力反

4、饋式加速度計(jì)）甚至是一個(gè)小型裝置（如力反饋式加速度計(jì)）。注意：傳感器概述傳感器概述(3/5)3.傳感器的性能要求（9）低成本、通用性強(qiáng)。）低成本、通用性強(qiáng)。（1）靈敏度高，輸入和輸出之間有較好的線性關(guān)系）靈敏度高，輸入和輸出之間有較好的線性關(guān)系；（2）噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能）噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能；（3）滯后、漂移誤差?。?、漂移誤差小；（4）動(dòng)態(tài)特性良好）動(dòng)態(tài)特性良好；（5）在接入測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)被測(cè)量不產(chǎn)生影響；）在接入測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)被測(cè)量不產(chǎn)生影響；（6）功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性；）功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性；（7）防水及抗腐蝕等性能好，能長(zhǎng)期使用）防水及抗腐蝕等性

5、能好，能長(zhǎng)期使用；（8）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維修和校正；）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維修和校正；傳感器概述傳感器概述(4/5)傳感器的技術(shù)指標(biāo)基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其它指標(biāo)量程指標(biāo)量程指標(biāo):量程范圍、過(guò)載能力等靈敏度指標(biāo)靈敏度指標(biāo):靈敏度、分辨力、滿(mǎn)量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關(guān)指標(biāo)精度有關(guān)指標(biāo):精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo):固有頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時(shí)間、過(guò)沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等溫度指標(biāo)溫度指標(biāo):工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo)抗沖振指標(biāo):允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、

6、沖振所引入的誤差等其它環(huán)境參數(shù)其它環(huán)境參數(shù):抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁干擾能力等工作壽命、平均無(wú)故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標(biāo)使用有關(guān)指標(biāo):供電方式(直流、交流、頻率及波形等)、功率、各項(xiàng)分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等結(jié)構(gòu)方面指標(biāo)結(jié)構(gòu)方面指標(biāo):外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等安裝連接方面指安裝連接方面指標(biāo)標(biāo):安裝方式、饋線電纜等傳感器概述傳感器概述(5/5)4.傳感器的發(fā)展趨勢(shì)（6）研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生傳感器。）研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生傳感器。（1）采用新原理、開(kāi)發(fā)新型傳感器；）采用新原理、開(kāi)發(fā)新型傳感器；（2）大力開(kāi)發(fā)物性型傳感器；）大力開(kāi)發(fā)物性型傳

7、感器；（3）傳感器的集成化）傳感器的集成化；（4）傳感器的多功能化）傳感器的多功能化；（5）傳感器的智能化）傳感器的智能化(Smart Sensor)；4.2 傳感器選用原則傳感器選用原則1.靈敏度傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小。傳感器往往傳感器往往要求有較大的信噪比。要求有較大的信噪比。傳感器的量程范圍與靈敏度密切相關(guān)。過(guò)高的靈敏度會(huì)影響過(guò)高的靈敏度會(huì)影響其適用的范圍。其適用的范圍。在測(cè)量過(guò)程中，傳感器在被測(cè)量方向上的靈敏度愈高愈好，在測(cè)量過(guò)程中，傳感器在被測(cè)量方向上的靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好；而橫向靈敏度愈小愈好；對(duì)于二維或三維向量的測(cè)量，傳感對(duì)于二維或三維向量的測(cè)量

8、，傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。器的交叉靈敏度愈小愈好。2.線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。成比例關(guān)系。線性范圍越寬，傳感器的工作量程越大。傳感器選用原則傳感器選用原則(2/2)3.響應(yīng)特性傳感器響應(yīng)特性必須在所測(cè)頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。傳感器響應(yīng)特性必須在所測(cè)頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，但延遲時(shí)間越短越好。實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，但延遲時(shí)間越短越好。4.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。穩(wěn)定性是指經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能

9、。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間和環(huán)境。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間和環(huán)境。5.精確度精確度表示傳感器輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。精確度表示傳感器輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。傳感器的精確度并非越高越好，選擇時(shí)應(yīng)從實(shí)際出發(fā)。傳感器的精確度并非越高越好，選擇時(shí)應(yīng)從實(shí)際出發(fā)。6.其它選用原則如實(shí)際測(cè)試條件下的工作方式等因素。如實(shí)際測(cè)試條件下的工作方式等因素。4.3 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器電阻式傳感器 將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再通過(guò)中間將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再通過(guò)中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進(jìn)行測(cè)量。變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進(jìn)行測(cè)量。電阻式傳感器按工作原理可分為：電阻式

10、傳感器按工作原理可分為：（5）氣敏電阻式）氣敏電阻式（6）光敏電阻式等）光敏電阻式等（1）變阻器（電位器）式）變阻器（電位器）式（2）應(yīng)變片式（彈性電阻式）應(yīng)變片式（彈性電阻式）（3）熱敏電阻）熱敏電阻（4）磁敏電阻式）磁敏電阻式電阻式傳感器電阻式傳感器(2/22)1.電阻應(yīng)變式傳感器（1）應(yīng)變式傳感器工作原理）應(yīng)變式傳感器工作原理1）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 是指導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電是指導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨所受機(jī)械變形（應(yīng)變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。阻值隨所受機(jī)械變形（應(yīng)變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻應(yīng)變效應(yīng)設(shè)金屬絲長(zhǎng)度為設(shè)金屬絲長(zhǎng)度為L(zhǎng)

11、，截面積為，截面積為A，電阻率為，電阻率為，則其阻值為：則其阻值為：金屬絲變形時(shí)，金屬絲變形時(shí)，、l、A將同時(shí)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致將同時(shí)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致R改變。改變。若若、l、A的變化量為的變化量為d、dl、dA，則：，則：電阻式傳感器電阻式傳感器(3/22)即：即：對(duì)半徑為對(duì)半徑為r的金屬電阻絲有：的金屬電阻絲有：，：電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱(chēng)：電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱(chēng)縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變。：電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱(chēng)：電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱(chēng)橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變。橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變間的關(guān)系為：橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變間的關(guān)系為：式中式中 為泊松比。負(fù)號(hào)表示兩者變化相反。為泊松比。負(fù)號(hào)表示兩者變化相反。：電阻

12、率相對(duì)變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力：電阻率相對(duì)變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力 有關(guān)。有關(guān)。電阻式傳感器電阻式傳感器(4/22)E為電阻絲材料的為電阻絲材料的彈性模量彈性模量；為為壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)。，與材質(zhì)有關(guān)。受力后電阻絲幾何尺寸變化所受力后電阻絲幾何尺寸變化所引起，對(duì)于同一材料引起，對(duì)于同一材料（1+2v）為常數(shù)。）為常數(shù)。受力后電阻率的改變引受力后電阻率的改變引起，對(duì)金屬材料，起，對(duì)金屬材料，E很很小。小。在電阻絲拉伸比例范圍內(nèi)，電阻相對(duì)變化與其所受的軸向在電阻絲拉伸比例范圍內(nèi)，電阻相對(duì)變化與其所受的軸向應(yīng)變成正比。應(yīng)變成正比。電阻式傳感器電阻式傳感器(5/22)電阻應(yīng)變片的電阻

13、應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)或靈敏度應(yīng)變系數(shù)或靈敏度sg定義為：定義為：通常，通常，sg=1.74.6。2）應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理）應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理典型結(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪?shù)湫徒Y(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑合金等，直徑 0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路中?；透采w層之間，由引出導(dǎo)線接于電路中。測(cè)量原理：測(cè)量原理：將應(yīng)變片將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片或者直接將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)粘貼在被測(cè)件上件上，被測(cè)物變形通過(guò)基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，被測(cè)物變

14、形通過(guò)基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵-阻阻值變化值變化 -轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)。電阻式傳感器電阻式傳感器(6/22)如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，可以構(gòu)成各種不同的傳感器。變，可以構(gòu)成各種不同的傳感器。（2）電阻應(yīng)變片的分類(lèi)及材料）電阻應(yīng)變片的分類(lèi)及材料金屬電阻應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片分為絲式絲式、箔式箔式和和膜式膜式。1）絲式應(yīng)變片）絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種。金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式短接式電阻式傳感器電阻式傳感器(7/22)絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片制作簡(jiǎn)

15、單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼制作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼?；鼐€式應(yīng)變片因回線式應(yīng)變片因圓弧部分參與變形，橫向效應(yīng)較大圓弧部分參與變形，橫向效應(yīng)較大；短接式應(yīng)變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑短接式應(yīng)變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大大 510倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點(diǎn)是倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點(diǎn)是克服了橫向效應(yīng)克服了橫向效應(yīng)安全電流：安全電流：1050mA，電阻：，電阻：50 1000（典型（典型120）。）。2）箔式應(yīng)變片）箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片由厚度為箔式應(yīng)變片由厚度為 110 m 的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。蝕工藝制成的柵狀

16、箔片。大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀；大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀；散熱好，允許電流大；散熱好，允許電流大；橫向效應(yīng)、蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)；橫向效應(yīng)、蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)；柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。電阻式傳感器電阻式傳感器(8/22)3）膜式應(yīng)變片）膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在度在0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。應(yīng)變靈敏系數(shù)大；應(yīng)變靈敏系數(shù)大；允許電流密度大；允許電流密

17、度大；工作范圍廣，可達(dá)工作范圍廣，可達(dá)-197317。（3）電阻應(yīng)變片的應(yīng)用）電阻應(yīng)變片的應(yīng)用 測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力；測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力；將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器加速度等物理參數(shù)的傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器(9/22)齒輪輪齒彎矩齒輪輪齒彎矩x位移傳感器位移傳感器m質(zhì)塊質(zhì)塊加速度傳感器加速度傳感器F柱式測(cè)力傳感器柱式測(cè)力傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器(10/22)注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)應(yīng)變極限：機(jī)械滯后：零漂和蠕變零漂和蠕變：零漂零漂：恒定溫度，無(wú)機(jī)械應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變：恒定溫度，無(wú)機(jī)械應(yīng)變

18、時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性?；奶匦?。蠕變?nèi)渥儯汉愣囟?、恒定?yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化：恒定溫度、恒定應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性。的特性。應(yīng)變大應(yīng)變大 輸出非線性大。輸出非線性大。誤差誤差10%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限。變，作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限。敏感柵、底基及膠粘層承受機(jī)械應(yīng)變后，一般都敏感柵、底基及膠粘層承受機(jī)械應(yīng)變后，一般都會(huì)存在殘余變形，造成應(yīng)變片的機(jī)械滯后會(huì)存在殘余變形，造成應(yīng)變片的機(jī)械滯后電阻式傳感器電阻式傳感器(11/22)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)變片柵長(zhǎng)(mm)0.20.51235101520最高工作頻率(KHz)12505002501258

19、3.3502516.612.5溫度影響：溫度變化導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化與由應(yīng)變引起的電溫度影響：溫度變化導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化與由應(yīng)變引起的電阻變化往往具有同等數(shù)量級(jí)，須用適當(dāng)電路進(jìn)行阻變化往往具有同等數(shù)量級(jí)，須用適當(dāng)電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償。（4）電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)）電阻應(yīng)變片的特點(diǎn) 性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在 1.0%0.1%，高精度力，高精度力傳感器已能達(dá)到傳感器已能達(dá)到0.03%0.01%；測(cè)量范圍廣測(cè)量范圍廣壓力：壓力：104109Pa；力：力：0.1 107N。能適應(yīng)較大的振動(dòng)和沖擊，抗輻射能力強(qiáng)。能適應(yīng)較大的振動(dòng)和沖擊，抗輻射能力強(qiáng)。電阻式傳感器電阻式傳感器(

20、12/22)2.壓阻式傳感器（1）基本工作原理 是指半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生是指半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。變化的現(xiàn)象。壓阻效應(yīng)單晶半導(dǎo)體在外力作用下的電阻變化量仍為：?jiǎn)尉О雽?dǎo)體在外力作用下的電阻變化量仍為：對(duì)半導(dǎo)體而言，電阻率變化引起的電阻變化對(duì)半導(dǎo)體而言，電阻率變化引起的電阻變化 E 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形變引起的電阻變化變引起的電阻變化(1+2v)，則，則 實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。電阻式傳感器電阻式傳感器(13/22)靈敏度系數(shù)：靈敏度

21、系數(shù)：由半導(dǎo)體理論由半導(dǎo)體理論 E 半導(dǎo)體材料的彈性模量。半導(dǎo)體材料的彈性模量。L 沿某晶向沿某晶向L的壓阻系數(shù)；的壓阻系數(shù)；沿某晶向沿某晶向L的應(yīng)力；的應(yīng)力；半導(dǎo)體電阻材料的靈敏系數(shù)比金屬絲要高半導(dǎo)體電阻材料的靈敏系數(shù)比金屬絲要高5070倍。倍。例：對(duì)于半導(dǎo)體硅，例：對(duì)于半導(dǎo)體硅，L=(4080)10-11m2/N，E=1.671011Pa，則則Sg=LE50100。電阻式傳感器電阻式傳感器(14/22)（2）壓阻式傳感器類(lèi)型與特點(diǎn) 壓阻式傳感器有兩種類(lèi)型壓阻式傳感器有兩種類(lèi)型1）利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片，其使用）利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片，其使用方法與電阻應(yīng)變

22、片類(lèi)似方法與電阻應(yīng)變片類(lèi)似2）在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，）在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，作為測(cè)量傳感元件，測(cè)量壓力和加速度等物理量作為測(cè)量傳感元件，測(cè)量壓力和加速度等物理量 壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)是溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用缺點(diǎn)是溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用1）靈敏度非常高）靈敏度非常高2）分辨率高，例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出）分辨率高，例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出1020Pa的微壓的微壓3）測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高）測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高4）可測(cè)量低頻加速度和直線加速度）可測(cè)量低頻加速

23、度和直線加速度電阻式傳感器電阻式傳感器(15/22)3.變阻器式傳感器（1）變阻器式傳感器的結(jié)構(gòu)和原理變阻器式傳感器實(shí)際是變阻器式傳感器實(shí)際是精密線繞電位器精密線繞電位器，通過(guò)改變電位器觸，通過(guò)改變電位器觸頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而線性變化。導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測(cè)量線位移和角位移，還可以測(cè)量任變阻器式傳感器除可以測(cè)量線位移和角位移，還可以測(cè)量任何可以轉(zhuǎn)換為位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。何可以轉(zhuǎn)換為位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。1）直）直線位移型線位移型xCxABCR改

24、變觸點(diǎn)改變觸點(diǎn)C的位置時(shí)，的位置時(shí)，AC間電阻值為間電阻值為kl：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)的電阻值：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)的電阻值電阻式傳感器電阻式傳感器(16/22)傳感器靈敏度：傳感器靈敏度：（/m）當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時(shí)，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時(shí)，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。2）角位移型）角位移型：角位移；角位移；k：?jiǎn)挝换《入娮柚?。單位弧度電阻值。傳感器靈敏度：傳感器靈敏度：（/rad）ACB電阻式傳感器電阻式傳感器(17/22)3）非線性型）非線性型（2）變阻器式傳感器的特性變阻器式傳感器具有階梯特性和負(fù)載效應(yīng)。變阻器式傳感器具有階梯特性和負(fù)載效應(yīng)。xACB電阻式傳感器電阻式

25、傳感器(18/22)階梯輸出特性 是指電位器觸點(diǎn)的最小位移為線圈的一匝，每是指電位器觸點(diǎn)的最小位移為線圈的一匝，每當(dāng)觸點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，輸出電阻產(chǎn)生一匝電阻值的跳躍，即當(dāng)觸點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，輸出電阻產(chǎn)生一匝電阻值的跳躍，即輸出電阻值不是位移的連續(xù)函數(shù)，而是階梯形折線。輸出電阻值不是位移的連續(xù)函數(shù)，而是階梯形折線。理想電位器每個(gè)階梯大小均相理想電位器每個(gè)階梯大小均相同，通過(guò)每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線同，通過(guò)每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線即為理論特性曲線。即為理論特性曲線。xR01）階梯輸出特性）階梯輸出特性電阻式傳感器電阻式傳感器(19/22)階梯誤差是指理想階梯特性線對(duì)理論直線的最大偏差。是指理想階梯特性線對(duì)理論直線

26、的最大偏差。階梯誤差階梯誤差式中，式中，n為總匝數(shù)。為總匝數(shù)。顯然，減小顯然，減小ej必須增加必須增加n，當(dāng)骨架長(zhǎng)度不變時(shí)，只有減小線徑。，當(dāng)骨架長(zhǎng)度不變時(shí)，只有減小線徑。分辨率（力）分辨率（力）定義為電位器總匝數(shù)的倒數(shù)。定義為電位器總匝數(shù)的倒數(shù)。分辨率例：例：1000匝直線型線繞電位器，分辨率為匝直線型線繞電位器，分辨率為0.1%，即該電位器僅，即該電位器僅能檢測(cè)到它的總量程能檢測(cè)到它的總量程1/1000以上的位移量。以上的位移量。電阻式傳感器電阻式傳感器(20/22)線性度線性度線性度 是指由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻?qū)侵赣捎陔娮杞z本身的不均勻性或間隔的不均勻?qū)е码A梯特性非理想

27、階梯，增加了傳感器的非線性性。致階梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性性。2）負(fù)載特性）負(fù)載特性u(píng)0 xpxRLuy對(duì)于后接電阻分壓電路的對(duì)于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器：變阻器式傳感器：其中：其中：R0：變阻器總電阻；變阻器總電阻；Rx：x段的電阻。段的電阻。電阻式傳感器電阻式傳感器(21/22)令令，對(duì)直線位移型變阻器，對(duì)直線位移型變阻器，于是：于是：其中：其中：空載時(shí)：空載時(shí)：由此可見(jiàn)，接入負(fù)載電阻由此可見(jiàn)，接入負(fù)載電阻RL后，輸出后，輸出uy與與r不再保持線性關(guān)系。不再保持線性關(guān)系。負(fù)載誤差負(fù)載誤差由負(fù)載特性引起的非線性誤差。由負(fù)載特性引起的非線性誤差。0110203040506

28、0m=5m=2m=1m=0.5m=0.1m=0reL若整個(gè)行程內(nèi)誤差不超過(guò)若整個(gè)行程內(nèi)誤差不超過(guò)13%，必須有：，必須有：RL(1020)R0電阻式傳感器電阻式傳感器(22/22)因觸點(diǎn)與繞線間存在摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。分辨力低，一般因觸點(diǎn)與繞線間存在摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。分辨力低，一般小于小于20 m。噪聲大。噪聲大。主要應(yīng)用于線位移、角位移測(cè)量。或作為伺服記錄儀或電子主要應(yīng)用于線位移、角位移測(cè)量。或作為伺服記錄儀或電子電位差計(jì)。電位差計(jì)。（3）變阻器式傳感器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號(hào)大，受外界條件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號(hào)大，受外界條件影響小。影響小。缺

29、點(diǎn)：缺點(diǎn)：（4）變阻器式傳感器的應(yīng)用4.4 電感式傳感器電感式傳感器 將被測(cè)量，如位移或能轉(zhuǎn)換成位移的機(jī)械量，將被測(cè)量，如位移或能轉(zhuǎn)換成位移的機(jī)械量，轉(zhuǎn)換為電感量的變化。轉(zhuǎn)換為電感量的變化。電感式傳感器 互感型（差動(dòng)變壓器式）互感型（差動(dòng)變壓器式）按照變換方式的不同可分為：按照變換方式的不同可分為：自感型（包括可變磁阻式與渦電流式）自感型（包括可變磁阻式與渦電流式）1.自感型傳感器（1）可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵組成，在鐵芯與銜可變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵組成，在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙鐵之間存在氣隙。電感式傳感器電感式傳感器(2/20)由電工學(xué)可知，線圈自感量：由

30、電工學(xué)可知，線圈自感量：W：線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)；i：線圈中流過(guò)的電流；線圈中流過(guò)的電流；：通過(guò)線圈的磁通量；：通過(guò)線圈的磁通量；Rm：磁路的總磁阻磁路的總磁阻（H-1）；Rm=RF+R RF：鐵芯與銜鐵的磁阻；鐵芯與銜鐵的磁阻；R：空氣隙磁阻空氣隙磁阻。ix123L01-線圈線圈 2-鐵心鐵心 3-銜鐵銜鐵電感式傳感器電感式傳感器(3/20)其中：其中：l1、l2 ：鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁長(zhǎng)度；鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁長(zhǎng)度；1、2：鐵芯和銜鐵的磁導(dǎo)率；：鐵芯和銜鐵的磁導(dǎo)率；A1、A2：鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁截面積；鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁截面積；：氣隙長(zhǎng)度；：氣隙長(zhǎng)度；0：空氣磁導(dǎo)率，：空氣磁導(dǎo)率，0=4 10-7；A0

31、：空氣隙導(dǎo)磁截面積空氣隙導(dǎo)磁截面積。若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙 較小時(shí)：較小時(shí)：一般，一般，1和和 2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 0，即：，即：RF R ，因此：因此：電感式傳感器電感式傳感器(4/20)自感自感L與氣隙與氣隙 成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。成正比。結(jié)論：當(dāng)固定當(dāng)固定A0，變化變化 時(shí)，時(shí)，L 與與 成非線性關(guān)系，傳感器靈敏度：成非線性關(guān)系，傳感器靈敏度：為了減小非線性誤差，為了減小非線性誤差，/0 0.1。變氣隙長(zhǎng)度式傳感器適。變氣隙長(zhǎng)度式傳感器適用于微小位移的測(cè)量，范圍：用于微小位移的測(cè)量，范圍：0.0011mm。傳感器傳感

32、器靈敏度與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比。靈敏度與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比。結(jié)論：電感式傳感器電感式傳感器(5/20)1）可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu) 可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型特點(diǎn)：線特點(diǎn)：線性，靈敏度低。性，靈敏度低。差動(dòng)變氣隙型差動(dòng)變氣隙型特點(diǎn)：提高靈敏度，改善線性性。特點(diǎn)：提高靈敏度，改善線性性。xx電感式傳感器電感式傳感器(6/20)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制造，靈敏度低，適于較造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測(cè)量。大位移（數(shù)毫米）測(cè)量。單螺管線圈型單螺管線圈型 雙螺管差動(dòng)型雙螺管差動(dòng)型特點(diǎn)：提高靈敏度，特點(diǎn)：提高靈敏度，改善線性性。改善線性性。xx電感式傳感器電感式傳感器(7/2

33、0)2）差動(dòng)變氣隙傳感器工作原理）差動(dòng)變氣隙傳感器工作原理對(duì)差動(dòng)式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時(shí)，兩線圈的間隙按對(duì)差動(dòng)式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時(shí)，兩線圈的間隙按 0、0+變化，即一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)減?。鹤兓?，即一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)減?。寒?dāng)當(dāng)/e2，eo與與e1同相。同相。鐵芯鐵芯P下移：下移：M1=M M，M2=M+M，e1 e2，eo 0，eo與與e2同相。同相。eo與與 M成正比成正比電感式傳感器電感式傳感器(19/20)（3）幾點(diǎn)說(shuō)明）幾點(diǎn)說(shuō)明 存在零點(diǎn)殘余電壓（鐵芯位于中心處時(shí)，存在零點(diǎn)殘余電壓（鐵芯位于中心處時(shí)，M1 M2，eo 0）；）；傳感器輸出電壓包含了位移的大小及方向傳感

34、器輸出電壓包含了位移的大小及方向-相敏檢波相敏檢波R用于調(diào)節(jié)零點(diǎn)殘余電壓的大小。用于調(diào)節(jié)零點(diǎn)殘余電壓的大小。放大器相敏檢波振蕩器差動(dòng)相敏檢波電路工作原理xR電感式傳感器電感式傳感器(20/20)（4）差動(dòng)變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)）差動(dòng)變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn) 包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)較低，不宜測(cè)量高頻動(dòng)態(tài)參量。包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)較低，不宜測(cè)量高頻動(dòng)態(tài)參量。精度高精度高(0.1 m 數(shù)量級(jí)，最高可達(dá)數(shù)量級(jí)，最高可達(dá)0.01 m)，高精度型，高精度型非線性誤差可達(dá)非線性誤差可達(dá)0.1%；線性范圍大（可達(dá)線性范圍大（可達(dá) 100mm）；）；穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；4.5

35、 電容式傳感器電容式傳感器1.工作原理及分類(lèi)電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。感器。A電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一具有可變電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一具有可變參數(shù)的電容器。參數(shù)的電容器。電容量為電容量為 -介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，空氣介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，空氣 1 0-真空的介電常數(shù)，真空的介電常數(shù)，0=8.85 10-12F/m -極板間距；極板間距；A：極板面積。極板面積。、A或或 發(fā)生變化都會(huì)引起發(fā)生變化都會(huì)引起C變化變化電容式傳感器電容式傳感器(2/12)實(shí)際使用中，通常僅改變一個(gè)參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不實(shí)際使用中，通常僅改變

36、一個(gè)參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不同，可分為三類(lèi)：同，可分為三類(lèi)：改變極板間距的極距變化型；改變極板間距的極距變化型；改變極板相互遮蓋面積的面積變化型；改變極板相互遮蓋面積的面積變化型；改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型（改變改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型（改變）；）；（1）極距變化型電容式傳感器）極距變化型電容式傳感器C 與極距成反比，當(dāng)極板間當(dāng)極板間距減小距減小時(shí)，電容為：時(shí)，電容為：C極距變化型電容傳感器電容式傳感器電容式傳感器(3/12)電容增量為：電容增量為：當(dāng)當(dāng)/01時(shí)，有：時(shí)，有：（近似線性）（近似線性）忽略非線性項(xiàng)，得：忽略非線性項(xiàng)，得：非線性誤差為：非線性誤差為：靈敏度：靈敏度：靈敏度與極距的平

37、方成反比，極距靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距受極板越小，靈敏度越高，但極距受極板間擊穿電壓的限制間擊穿電壓的限制電容式傳感器電容式傳感器(4/12)設(shè)間距增加設(shè)間距增加 通常極距變化范圍通常極距變化范圍 /0 0.1，僅適于較小位移的測(cè)量，僅適于較小位移的測(cè)量（0.01 m數(shù)百微米）。數(shù)百微米）。為了提高靈敏度、線性性及克為了提高靈敏度、線性性及克服電源電壓、環(huán)境溫度等對(duì)測(cè)服電源電壓、環(huán)境溫度等對(duì)測(cè)量精度的影響量精度的影響-常采用差常采用差動(dòng)式，靈敏度提高一倍，非線動(dòng)式，靈敏度提高一倍，非線性誤差減小為：性誤差減小為：21電容式傳感器電容式傳感器(5/12)（2）面積變

38、化型電容式傳感器）面積變化型電容式傳感器變化極板的有效面積，常分為變化極板的有效面積，常分為角位移型角位移型和和線性位移型線性位移型。1）角位移型）角位移型 ：覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角；：覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角；r：極板半徑。極板半徑。1 動(dòng)板 2 定板12電容式傳感器電容式傳感器(6/12)2）平面線位移型）平面線位移型其中，其中，b：極板寬度。極板寬度。xxxb121 動(dòng)板 2 定板電容式傳感器電容式傳感器(7/12)3）圓柱線位移型）圓柱線位移型 D：圓筒孔徑；圓筒孔徑；d：圓柱外徑。圓柱外徑。面積變化型電容傳感器輸入輸出成線性關(guān)系，但靈敏面積變化型電容傳感器輸入輸出成線性關(guān)系，但靈敏度較低，

39、適用較大直線位移及角位移測(cè)量。度較低，適用較大直線位移及角位移測(cè)量。dD12xl01 動(dòng)板 2 定板電容式傳感器電容式傳感器(8/12)（3）介質(zhì)變化型電容式傳感器）介質(zhì)變化型電容式傳感器厚度為厚度為 2 的介質(zhì)在電容器的介質(zhì)在電容器中左右運(yùn)動(dòng)中左右運(yùn)動(dòng)-介質(zhì)介電常數(shù)改變介質(zhì)介電常數(shù)改變-電容量改變。電容量改變。無(wú)介質(zhì)無(wú)介質(zhì) 2時(shí)，時(shí)，存在介質(zhì)存在介質(zhì) 2時(shí)，時(shí)，C=CA+CB（并聯(lián)）并聯(lián)）b電容器極板寬度CACB12xl2電容式傳感器電容式傳感器(9/12)其中，其中，1=-2顯然，靈敏度為常數(shù)，輸入輸出成線性關(guān)系。顯然，靈敏度為常數(shù)，輸入輸出成線性關(guān)系。電容式傳感器電容式傳感器(10/12

40、)可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量；可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量；一般傳感器兩極板間電容很?。◣灼しㄒ话銈鞲衅鲀蓸O板間電容很?。◣灼し?幾十皮法）幾十皮法）導(dǎo)致低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百導(dǎo)致低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百M(fèi)）、負(fù)載能力）、負(fù)載能力弱，電纜分布電容（大且不穩(wěn)定）影響大。弱，電纜分布電容（大且不穩(wěn)定）影響大。2）測(cè)量電路）測(cè)量電路電橋型電路電橋型電路L1L2C1C2放大相敏解調(diào)濾波2.特點(diǎn)與應(yīng)用 輸入能量?。O板間靜電引力?。?、靈敏度、高動(dòng)態(tài)特輸入能量?。O板間靜電引力?。?、靈敏度、高動(dòng)態(tài)特性好（可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高）；性好（可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高）；1）特點(diǎn)）特點(diǎn)電容式傳感器電容式傳感器(11/12)調(diào)頻振蕩器限幅鑒頻放大輸出Cx傳感器調(diào)頻電路3）應(yīng)用）應(yīng)用 電容式測(cè)厚電容式測(cè)厚軋輥工作極板被測(cè)帶材電容式傳感器電容式傳感器(12/12)轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量12341 齒輪2 定極3 電容傳感器 4 頻率計(jì)