测试技术课件：CH 4 常用传感器

第第4 4章章 常用传感器常用传感器Transducer4.1 传感器概述传感器概述( (Introduction)4.2 传感器选用原则传感器选用原则(Principle of Transducer Selection)4.3 电阻式传感器电阻式传感器(Resistance Transducer)4.4 电感电感传感器传感器(Inductance Transducer)4.5 电容传感器电容传感器(Capacitance Transducer)4.1 传感器概述传感器概述 (Introduction)1.传感器概念 是指直接作用于被测量，并能按一定规律将其转换是指直接作用于被测量，并能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件成同种或别种量值输出的器件。传感器传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。2.传感器分类 按被测量分类位移、力、温度、压力、流量、速度传感器等位移、力、温度、压力、流量、速度传感器等。 按工作机理分类机械式、电气式、光学式、化学型等机械式、电气式、光学式、化学型等。传感器概述传感器概述(2/5) 按构成原理分类物性型 依靠敏感元件本身的物理化学性质的变化实现信依靠敏感元件本身的物理化学性质的变化实现信号变换号变换。 如水银温度计、压电式传感器等如水银温度计、压电式传感器等。结构型 依靠传感器结构参量的变化实现信号转换依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。 如电容如电容式、电感式传感器等式、电感式传感器等。 按能量变换关系分类能量转换型(无源型、 发电型或主动传感器）直接由被测对象输入能量使其工作。直接由被测对象输入能量使其工作。 如热电偶温度计、弹性如热电偶温度计、弹性压力计、压电式传感器压力计、压电式传感器。能量转换型传感器存在负载效应能量转换型传感器存在负载效应。能量控制型( 有源型、能量调节型或被动传感器)由外部辅助能量使其工作，并由被测量控制外部供给能量的由外部辅助能量使其工作，并由被测量控制外部供给能量的变化变化。如电桥式电阻应变计等如电桥式电阻应变计等。传感器的换能元件可能不止一个（如电容式压力传感器），传感器的换能元件可能不止一个（如电容式压力传感器），甚至是一个小型装置（如力反馈式加速度计）甚至是一个小型装置（如力反馈式加速度计）。注意：传感器概述传感器概述(3/5)3.传感器的性能要求（9）低成本、通用性强。）低成本、通用性强。（1）灵敏度高，输入和输出之间有较好的线性关系）灵敏度高，输入和输出之间有较好的线性关系；（2）噪声小，并且具有抗外部噪声的性能）噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；（3）滞后、漂移误差小）滞后、漂移误差小；（4）动态特性良好）动态特性良好；（5）在接入测量系统中，对被测量不产生影响；）在接入测量系统中，对被测量不产生影响；（6）功耗小，复现性好，有互换性；）功耗小，复现性好，有互换性；（7）防水及耐腐蚀等性能好，能长期使用）防水及耐腐蚀等性能好，能长期使用；（8）结构简单，容易维修和校正；）结构简单，容易维修和校正；传感器概述传感器概述(4/5)传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其他指标量程指标量程指标:量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标: :灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等精度有关指标精度有关指标: :精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性等动态性能指标动态性能指标:固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间、过冲量、稳态误差等温度指标温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标抗冲振指标: :允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差等其他环境参数其他环境参数: :抗潮湿、耐介质腐蚀能力、抗电磁干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标使用有关指标: :供电方式(直流、交流、频率及波形等)及功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等结构方面指标结构方面指标: :外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装连接方面指标安装连接方面指标: :安装方式、馈线电缆等传感器概述传感器概述(5/5)4.传感器的发展趋势（6）研究生物感官，开发仿生传感器。）研究生物感官，开发仿生传感器。（1）采用新原理、开发新型传感器；）采用新原理、开发新型传感器；（2）大力开发物性型传感器；）大力开发物性型传感器；（3）传感器的集成化）传感器的集成化；（4）传感器的多功能化）传感器的多功能化；（5）传感器的智能化）传感器的智能化(smart sensor)；4.2 传感器选用原则传感器选用原则 (Principle of Transducer Selection)1.灵敏度传感器的灵敏度越高，可以感知的变化量越小。传感器的灵敏度越高，可以感知的变化量越小。 传感器往往传感器往往要求有较大的信噪比。要求有较大的信噪比。传感器的量程范围与灵敏度密切相关。传感器的量程范围与灵敏度密切相关。 过高的灵敏度会影响过高的灵敏度会影响其适用的范围。其适用的范围。在测量过程中，传感器在被测量方向上的灵敏度愈高愈好，在测量过程中，传感器在被测量方向上的灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好；而横向灵敏度愈小愈好； 对于二维或三维矢量的测量，传感对于二维或三维矢量的测量，传感器的交叉灵敏度愈小愈好。器的交叉灵敏度愈小愈好。2.线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。成比例关系。 线性范围越宽，传感器的工作量程越大。线性范围越宽，传感器的工作量程越大。传感器选用原则传感器选用原则(2/2)3.响应特性传感器响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。传感器响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。实际传感器的响应总有一定的延迟，但延迟时间越短越好。实际传感器的响应总有一定的延迟，但延迟时间越短越好。4.稳定性稳定性是指经过长期使用后，其输出特性不发生变化的性能。稳定性是指经过长期使用后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间和环境。影响传感器稳定性的因素是时间和环境。5.精确度精确度表示传感器输出与被测量的对应程度。精确度表示传感器输出与被测量的对应程度。传感器的精确度并非越高越好，选择时应从实际出发。传感器的精确度并非越高越好，选择时应从实际出发。6.其他选用原则如实际测试条件下的工作方式等因素。如实际测试条件下的工作方式等因素。4.3 电阻式传感器电阻式传感器 (Resistance Transducer) 电阻式传感器电阻式传感器 将被测量转换成电阻变化量，再通过中间将被测量转换成电阻变化量，再通过中间变换电路将电阻变化变换为电压或电流进行测量。变换电路将电阻变化变换为电压或电流进行测量。电阻式传感器按工作原理可分为：电阻式传感器按工作原理可分为：（5）气敏电阻式）气敏电阻式（6）光敏电阻式等）光敏电阻式等（1）变阻器（电位器）式）变阻器（电位器）式（2）应变片式（弹性电阻式）应变片式（弹性电阻式）（3）热敏电阻）热敏电阻（4）磁敏电阻式）磁敏电阻式电阻式传感器电阻式传感器(2/22)1.电阻应变式传感器（1）应变式传感器工作原理）应变式传感器工作原理1）金属的电阻应变效应）金属的电阻应变效应 是指导体在外力作用下发生机械变形时，其电是指导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随所受机械变形（应变）的变化而发生变化的现象。阻值随所受机械变形（应变）的变化而发生变化的现象。电阻应变效应设金属丝长度为设金属丝长度为l，截面积为，截面积为A，电阻率为，电阻率为 ，AlR则其阻值为则其阻值为金属丝变形时，金属丝变形时， 、l、A将同时发生变化，从而导致将同时发生变化，从而导致R改变。改变。若若 、l、A的变化量为的变化量为d 、dl、dA，则，则AAllRAARRllRRddddddd电阻式传感器电阻式传感器(3/22)AAllRRdddd即：即：对半径为对半径为r的金属电阻丝有：的金属电阻丝有：2rArrAd2drrllRRd2ddd，ll d：电阻丝轴向相对变形，或称：电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变纵向应变。rrd：电阻丝径向相对变形，或称：电阻丝径向相对变形，或称横向应变横向应变。llrrdd横向应变与纵向应变间的关系为横向应变与纵向应变间的关系为式中式中 为泊松比。负号表示两者变化相反。为泊松比。负号表示两者变化相反。d：电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力：电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力 有关。有关。电阻式传感器电阻式传感器(4/22)EdE为电阻丝材料的为电阻丝材料的弹性模量弹性模量； 为为压阻系数压阻系数，与材质有关。，与材质有关。ERR21d21dRR受力后电阻丝几何尺寸变化所受力后电阻丝几何尺寸变化所引起，对于同一材料（引起，对于同一材料（1+2v）为常数。为常数。受力后电阻率的改变引受力后电阻率的改变引起，对金属材料，起，对金属材料， E很很小。小。 在电阻丝拉伸比例范围内，电阻相对变化与其所受的轴向在电阻丝拉伸比例范围内，电阻相对变化与其所受的轴向应变成正比。应变成正比。电阻式传感器电阻式传感器(5/22)constant21/d/d0llRRS电阻应变片的电阻应变片的应变系数或灵敏度应变系数或灵敏度S0定义为定义为通常，通常，S0 =1.73.6。2）应变片的基本结构及测量原理）应变片的基本结构及测量原理典型结构：将一根高电阻率金属丝（康铜、镍铬、卡玛典型结构：将一根高电阻率金属丝（康铜、镍铬、卡玛合金等，直径合金等，直径 0.025 mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路中。基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路中。测量原理：测量原理：将应变片将应变片粘贴于弹性体表面粘贴于弹性体表面或者直接将应变片或者直接将应变片粘贴在被测粘贴在被测件上件上，被测物变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，被测物变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅 阻阻值变化值变化 转换电路转换为电压或电流信号。转换电路转换为电压或电流信号。电阻式传感器电阻式传感器(6/22)如果把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应如果把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，可以构成各种不同的传感器。变，可以构成各种不同的传感器。（2）电阻应变片的分类及材料）电阻应变片的分类及材料金属电阻应变片分为金属电阻应变片分为丝式丝式、箔式箔式和和膜式膜式。1）丝式应变片）丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式两种。金属丝式应变片有回线式和短接式两种。回线式短接式电阻式传感器电阻式传感器(7/22)丝式应变片丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。n 回线式应变片因回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大。圆弧部分参与变形，横向效应较大。n 短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大大 510倍的镀银丝短接而成，其优点是倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。克服了横向效应。安全电流：安全电流：1050 mA，电阻：，电阻：50 1 000 （典型（典型120 ）。）。2）箔式应变片）箔式应变片箔式应变片由厚度为箔式应变片由厚度为 310 m 的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔片。蚀工艺制成的栅状箔片。 大批量生产，可制成多种复杂形状。大批量生产，可制成多种复杂形状。 散热好，允许电流大。散热好，允许电流大。 横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。 柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。电阻式传感器电阻式传感器(8/22)3）膜式应变片）膜式应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在度在0.1 mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。 应变灵敏度大。应变灵敏度大。 允许电流密度大。允许电流密度大。 工作范围广，可达工作范围广，可达- -197317 。（3）电阻应变片的应用）电阻应变片的应用 测量结构的应变或应力。测量结构的应变或应力。 将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。加速度等物理参数的传感器。电阻式传感器电阻式传感器(9/22)齿轮轮齿弯矩齿轮轮齿弯矩x位移传感器位移传感器m质块质块加速度传感器加速度传感器F柱式测力传感器柱式测力传感器电阻式传感器电阻式传感器(10/22)注意事项注意事项应变极限：机械滞后：零漂和蠕变零漂和蠕变：零漂零漂：恒定温度，无机械应变时，应变片阻值随时间变：恒定温度，无机械应变时，应变片阻值随时间变化的特性。化的特性。蠕变蠕变：恒定温度、恒定应变时，应变片阻值随时间变化：恒定温度、恒定应变时，应变片阻值随时间变化的特性。的特性。 应变大应变大 输出非线性大。误差为输出非线性大。误差为10%时对应的时对应的应变作为应变片的应变极限。应变作为应变片的应变极限。 敏感栅、底基及胶粘层承受机械应变后，一般都敏感栅、底基及胶粘层承受机械应变后，一般都会存在残余变形，造成应变片的机械滞后。会存在残余变形，造成应变片的机械滞后。电阻式传感器电阻式传感器(11/22)动态响应特性动态响应特性应变片栅长/mm0.20.51235101520最高工作频率/kHz125050025012583.3502516.612.5温度影响：温度变化导致应变片电阻变化与由应变引起的电温度影响：温度变化导致应变片电阻变化与由应变引起的电阻变化往往具有同等数量级，须用适当电路进行阻变化往往具有同等数量级，须用适当电路进行温度补偿温度补偿。（4）电阻应变片的特点）电阻应变片的特点 性能稳定、精度高，综合误差在性能稳定、精度高，综合误差在 1.0% 0.1%，高精度力，高精度力传感器已能达到传感器已能达到0.03% 0.01%。 测量范围广测量范围广压力：压力：104109 Pa；力：力：0.1 107 N。 能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强。能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强。电阻式传感器电阻式传感器(12/22)2.压阻式传感器（1）基本工作原理 是指半导体材料受到应力作用时，其电阻率发生是指半导体材料受到应力作用时，其电阻率发生变化的现象。变化的现象。压阻效应单晶半导体在外力作用下的电阻变化量仍为单晶半导体在外力作用下的电阻变化量仍为ERR21d对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化 E 远远大于远远大于形变引起的电阻变化形变引起的电阻变化(1+2v) ，则，则 实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。但半导体材料的这种效应特别强。dd)21 (dRR电阻式传感器电阻式传感器(13/22)ERRSL0/d灵敏度：灵敏度：ELLd由半导体理论由半导体理论 E 半导体材料的弹性模量。半导体材料的弹性模量。 L 沿某晶向沿某晶向L的压阻系数；的压阻系数； 沿某晶向沿某晶向L的应力；的应力；半导体电阻材料的灵敏度比金属丝要高半导体电阻材料的灵敏度比金属丝要高5070倍。倍。例：对于半导体硅，例：对于半导体硅， L=(4080)10- -11 m2/N，E=1.671011 Pa,则则S0 = LE50100。电阻式传感器电阻式传感器(14/22)（2）压阻式传感器类型与特点 压阻式传感器有两种类型压阻式传感器有两种类型1）利用半导体材料的体电阻制成粘贴式的应变片，其使用）利用半导体材料的体电阻制成粘贴式的应变片，其使用方法与电阻应变片类似。方法与电阻应变片类似。2）在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，）在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，测量压力和加速度等物理量。作为测量传感元件，测量压力和加速度等物理量。 压阻式传感器的优点压阻式传感器的优点缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。1）灵敏度非常高。）灵敏度非常高。2）分辨率高，例如测量压力时可测出）分辨率高，例如测量压力时可测出1020 Pa的微压。的微压。3）测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高。）测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高。4）可测量低频加速度和直线加速度。）可测量低频加速度和直线加速度。电阻式传感器电阻式传感器(15/22)3. 变阻器式传感器（1）变阻器式传感器的结构和原理变阻器式传感器实际是变阻器式传感器实际是精密线绕电位器精密线绕电位器，通过改变电位器触，通过改变电位器触头位置将位移转换为电阻变化。头位置将位移转换为电阻变化。导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。变阻器式传感器除可以测量线位移和角位移，还可以测量任变阻器式传感器除可以测量线位移和角位移，还可以测量任何可以转换为位移的物理参数，如压力、加速度等。何可以转换为位移的物理参数，如压力、加速度等。1）直线位移型）直线位移型xCxABCR改变触点改变触点C的位置时，的位置时，AC间电阻值为间电阻值为xKRLKL：单位长度内的电阻值，：单位长度内的电阻值，/m。电阻式传感器电阻式传感器(16/22)LKxRSdd传感器灵敏度：传感器灵敏度：当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。2）角位移型）角位移型KR 角位移；角位移；K 单位弧度电阻值单位弧度电阻值, /rad 。传感器灵敏度：传感器灵敏度：KRSddACB电阻式传感器电阻式传感器(17/22)3）非线性型）非线性型2kxR （2）变阻器式传感器的特性变阻器式传感器具有阶梯特性和负载效应。变阻器式传感器具有阶梯特性和负载效应。xACB电阻式传感器电阻式传感器(18/22)阶梯输出特性 是指电位器触点的最小位移为线圈的一匝，每是指电位器触点的最小位移为线圈的一匝，每当触点移动一个节距，输出电阻产生一匝电阻值的跳跃，即当触点移动一个节距，输出电阻产生一匝电阻值的跳跃，即输出电阻值不是位移的连续函数，而是阶梯形折线。输出电阻值不是位移的连续函数，而是阶梯形折线。理想电位器每个阶梯大小均相理想电位器每个阶梯大小均相同，通过每个阶梯中点的直线同，通过每个阶梯中点的直线即为理论特性曲线。即为理论特性曲线。xR01）阶梯输出特性）阶梯输出特性电阻式传感器电阻式传感器(19/22)阶梯误差 是指理想阶梯特性线对理论直线的最大偏差。是指理想阶梯特性线对理论直线的最大偏差。 阶梯误差阶梯误差%1002121jnRnRe式中：式中：n为总匝数。为总匝数。显然，减小显然，减小ej必须增加必须增加n，当骨架长度不变时，只有减小线径。，当骨架长度不变时，只有减小线径。 分辨率（力）分辨率（力）定义为电位器总匝数的倒数。定义为电位器总匝数的倒数。分辨率例：例：1 000匝直线型线绕电位器，分辨率为匝直线型线绕电位器，分辨率为0.1%，即该电位器，即该电位器仅能检测到它的总量程仅能检测到它的总量程1/1 000以上的位移量。以上的位移量。电阻式传感器电阻式传感器(20/22) 线性度线性度线性度 是指由于电阻丝本身的不均匀性或间隔的不均匀导是指由于电阻丝本身的不均匀性或间隔的不均匀导致阶梯特性非理想阶梯，增加了传感器的非线性。致阶梯特性非理想阶梯，增加了传感器的非线性。2）负载特性）负载特性u0 xpxRLuy对于后接电阻分压电路的对于后接电阻分压电路的变阻器式传感器：变阻器式传感器：020L0LuRRRRRRRuxxxy式中：式中：R0 变阻器总电阻；变阻器总电阻； Rx x段的电阻。段的电阻。 电阻式传感器电阻式传感器(21/22)0RRrxpxxr 令令，对直线位移型变阻器，对直线位移型变阻器，0)1 (1urmrruyL0RRm 于是，于是，式中：式中：00ruuy空载时，空载时， 由此可见，接入负载电阻由此可见，接入负载电阻RL后，输出后，输出uy与与r不再保持线性关系。不再保持线性关系。负载误差负载误差由负载特性引起的非线性误差。由负载特性引起的非线性误差。01102030405060m = 5m = 2m = 1m = 0.5m = 0.1m = 0reL%100)1 (111%10000Lrmruuueyyy若整个行程内误差不超过若整个行程内误差不超过1%3%，必须有，必须有RL (1020)R0 。电阻式传感器电阻式传感器(22/22)因触点与绕线间存在摩擦，动态响应较差。分辨力低，一般因触点与绕线间存在摩擦，动态响应较差。分辨力低，一般小于小于20 m。噪声大。噪声大。 主要应用于线位移、角位移测量。或作为伺服记录仪或电子主要应用于线位移、角位移测量。或作为伺服记录仪或电子电位差计。电位差计。 （3）变阻器式传感器特点优点：优点：结构简单，性能稳定，使用方便，输出信号大，受外界条件结构简单，性能稳定，使用方便，输出信号大，受外界条件影响小。影响小。缺点：缺点：（4）变阻器式传感器的应用4.4 电感式传感器电感式传感器 (Inductance Transducer) 将被测量，如位移或能转换成位移的机械量，将被测量，如位移或能转换成位移的机械量，转换为电感量的变化。转换为电感量的变化。电感式传感器 互感型（差动变压器式）互感型（差动变压器式）按照变换方式的不同可分为：按照变换方式的不同可分为： 自感型（包括可变磁阻式与涡流式）自感型（包括可变磁阻式与涡流式）1. 自感型传感器（1）可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器由线圈、铁心和衔铁组成，在铁心与衔可变磁阻式传感器由线圈、铁心和衔铁组成，在铁心与衔铁之间存在气隙铁之间存在气隙 。电感式传感器电感式传感器(2/20)由电工学可知，线圈自感量：由电工学可知，线圈自感量：m2RWiWL i 线圈中流过的电流。线圈中流过的电流。 通过线圈的磁通量。通过线圈的磁通量。 Rm 磁路的总磁阻（磁路的总磁阻（H-1），）， Rm= RF + R ，其中，其中RF为为 铁心与衔铁心与衔铁的磁阻；铁的磁阻；R为空气隙磁阻。为空气隙磁阻。ix123L0 1线圈；线圈；2铁心；铁心；3衔铁衔铁式中：式中：W 线圈匝数；线圈匝数；电感式传感器电感式传感器(3/20)式中：式中：l1、l2 铁心和衔铁的导磁长度；铁心和衔铁的导磁长度； 1、2 铁铁心心和衔铁的磁导率；和衔铁的磁导率； A1、A2 铁铁心心和衔铁的导磁截面积；和衔铁的导磁截面积； 气隙长度；气隙长度； 0 空气磁导率，空气磁导率，0=410-7 Hm-1 ； A0 空气隙导磁截面积。空气隙导磁截面积。00222111m2AAlAlR若不考虑磁路的铁损，且空气隙若不考虑磁路的铁损，且空气隙 较小时：较小时：00m2AR一般，一般，1和和2远远大于远远大于0，即：，即：RF R ，因此，因此，电感式传感器电感式传感器(4/20)2002AWL 自感自感L与气隙与气隙 成反比，与气隙导磁截面积成反比，与气隙导磁截面积A0成正比。成正比。结论：当固定当固定A0，变化，变化 时，时，L 与与 成非线性关系，传感器灵敏度成非线性关系，传感器灵敏度LAWLS20022为了减小非线性误差，为了减小非线性误差， / 0 0.1。变气隙长度式传感器适。变气隙长度式传感器适用于微小位移的测量，范围为用于微小位移的测量，范围为0.0011 mm。传感器传感器灵敏度与气隙长度的平方成反比。灵敏度与气隙长度的平方成反比。结论：电感式传感器电感式传感器(5/20)1）可变磁阻式传感器典型结构 可变导磁面积型可变导磁面积型特点：线性，灵敏度低。特点：线性，灵敏度低。 差动变气隙型差动变气隙型特点：提高灵敏度，改善线性特性。特点：提高灵敏度，改善线性特性。xx00电感式传感器电感式传感器(6/20)特点：结构简单，易制特点：结构简单，易制造，灵敏度低，适于较造，灵敏度低，适于较大位移（数毫米）测量。大位移（数毫米）测量。 单螺管线圈型单螺管线圈型 双螺管差动型双螺管差动型特点：提高灵敏度，特点：提高灵敏度，改善线性特性。改善线性特性。xx电感式传感器电感式传感器(7/20)2）差动变气隙传感器工作原理）差动变气隙传感器工作原理对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按 0 、 0+ 变化，即一个线圈自感增加，另一个减小。变化，即一个线圈自感增加，另一个减小。1002111)(2LAWLLL1002221)(2LAWLLL 3211LL当当 / e2，eo与与e1同相。同相。 i222o2eLRMe 铁芯铁芯P下移：下移：M1 = MM，M2 = M+ M，e1 e2，eo 0，eo与与e2同相。同相。 i222o2eLRMe eo与与 M成正比。成正比。电感式传感器电感式传感器(19/20)（3）几点说明）几点说明 存在零点残余电压（铁心位于中心处时，存在零点残余电压（铁心位于中心处时，M1 M2，eo 0）。）。 传感器输出电压包含了位移的大小及方向传感器输出电压包含了位移的大小及方向 相敏检波。相敏检波。R用于调节零点残余电压的大小。用于调节零点残余电压的大小。放大器相敏检波振荡器差动相敏检波电路工作原理xR电感式传感器电感式传感器(20/20)（4）差动变压器式传感器的优点）差动变压器式传感器的优点 包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量。包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量。 精度高精度高(0.1 m 数量级，最高可达数量级，最高可达0.01 m )，高精度型非，高精度型非线性误差可达线性误差可达0.1%。 线性范围大（可达线性范围大（可达 100 mm）。）。 稳定性好，结构简单，使用方便。稳定性好，结构简单，使用方便。 4.5 电容式传感器电容式传感器 (Capacitance Transducer)1.工作原理及分类电容式传感器电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器。感器。A电容式传感器实质是一具有可变电容式传感器实质是一具有可变参数的电容器。参数的电容器。AC0电容量为电容量为 介质相对真空的介电常数，空气介质相对真空的介电常数，空气 1。 0 真空的介电常数，真空的介电常数， 0=8.85 10-12F/m。 极板间距。极板间距。A 极板面积。极板面积。 、A或或 发生变化都会引起发生变化都会引起C变化。变化。电容式传感器电容式传感器(2/12)实际使用中，通常仅改变一个参数，根据变化参数的不实际使用中，通常仅改变一个参数，根据变化参数的不同，可分为三类：同，可分为三类： 改变极板间距的极距变化型；改变极板间距的极距变化型； 改变极板相互遮盖面积的面积变化型；改变极板相互遮盖面积的面积变化型； 改变极板间介质的介质变化型（改变改变极板间介质的介质变化型（改变 ）。）。 （1）极距变化型电容式传感器）极距变化型电容式传感器000ACC 与极距成反比， 当极板间当极板间距减小距减小 时，电容为时，电容为00AC0C0C极距变化型电容传感器电容式传感器电容式传感器(3/12) 30200001CC100000001/1/CCCCCC电容增量为电容增量为当当 / 01时，有时，有（近似线性）（近似线性） 00CC忽略非线性项，得忽略非线性项，得 403020非线性误差为非线性误差为20000ACCS灵敏度灵敏度灵敏度与极距的平方成反比，极距灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距受极板越小，灵敏度越高，但极距受极板间击穿电压的限制。间击穿电压的限制。电容式传感器电容式传感器(4/12)030200001 CC设间距增加设间距增加 通常极距变化范围通常极距变化范围 / 0 0.1，仅适于较小位移的测量，仅适于较小位移的测量（0.01 m数百微米）。数百微米）。为了提高灵敏度、线性特性及为了提高灵敏度、线性特性及克服电源电压、环境温度等对克服电源电压、环境温度等对测量精度的影响，常采用差动测量精度的影响，常采用差动式，灵敏度提高一倍，非线性式，灵敏度提高一倍，非线性误差减小为误差减小为 705030221电容式传感器电容式传感器(5/12)（2）面积变化型电容式传感器）面积变化型电容式传感器该传感器的工作原理是在被测参数的作用下来变化极板的有该传感器的工作原理是在被测参数的作用下来变化极板的有效面积，常分为效面积，常分为角位移型角位移型和和线性位移型线性位移型。1）角位移型）角位移型 22rA220rC constant2dd20rCS式中：式中： 覆盖面积对应的中心角；覆盖面积对应的中心角； r 极板半径。极板半径。1 动板；2 定板12电容式传感器电容式传感器(6/12) 2）平面线位移型）平面线位移型bxA bxC0constantdd0bxCS式中：式中：b 极板宽度。极板宽度。 xxxb121 动板；2 定板电容式传感器电容式传感器(7/12) 3）圆柱线位移型）圆柱线位移型 )/ln(20dDxCconstant)/ln(2dd0dDxCS式中：式中：D 圆筒孔径；圆筒孔径； d 圆柱外径。圆柱外径。面积变化型电容传感器输入输出呈线性关系，但灵敏面积变化型电容传感器输入输出呈线性关系，但灵敏度较低，适用较大直线位移及角位移测量。度较低，适用较大直线位移及角位移测量。 dD12xl01 动板；2 定板电容式传感器电容式传感器(8/12)（3）介质变化型电容式传感器）介质变化型电容式传感器厚度为厚度为 2 的介质在电容器的介质在电容器中左右运动：中左右运动：- 介质介电常数改变；介质介电常数改变； - 电容量改变。电容量改变。10blC 无介质无介质 2时，时，存在介质存在介质 2时，时，C=CA+CB （并联）（并联）2121CCCCCA22112212)(bxbxb 电容器极板宽度CACB12xl2电容式传感器电容式传感器(9/12)lxCCxlbCB001)(式中：式中： 1= - 2 。212121001lxCCC21212101ddlCxCS显然，灵敏度为常数，输入输出呈线性关系。显然，灵敏度为常数，输入输出呈线性关系。电容式传感器电容式传感器(10/12) 可实现非接触测量；可实现非接触测量； 一般传感器两极板间电容很小（几皮法一般传感器两极板间电容很小（几皮法 几十皮法）几十皮法） 导致低频输出阻抗很大（几十甚至上百导致低频输出阻抗很大（几十甚至上百M）、负载能力）、负载能力弱，电缆分布电容（大且不稳定）影响大。弱，电缆分布电容（大且不稳定）影响大。（2）测量电路）测量电路电桥型电路电桥型电路L1L2C1C2放大相敏解调滤波2.特点与应用 输入能量小（极板间静电引力小），灵敏度、高动态特输入能量小（极板间静电引力小），灵敏度、高动态特性好（可动质量小，固有频率高）；性好（可动质量小，固有频率高）；（1）特点）特点电容式传感器电容式传感器(11/12)调频振荡器限幅鉴频放大输出Cx传感器调频电路3）应用）应用 电容式测厚电容式测厚轧辊工作极板被测带材电容式传感器电容式传感器(12/12) 转速测量转速测量12341 齿轮2 定极3 电容传感器 4 频率计