参数式传感器及其应用ppt课件

测试技术测试技术 参数式传感器及其运用参数式传感器及其运用第四章第四章内容内容 n传感器概念传感器概念n电阻式传感器电阻式传感器n电容式传感器电容式传感器n电感式传感器电感式传感器根本概念根本概念传感器：一种能把特定的信息物理、化传感器：一种能把特定的信息物理、化学、生物按一定规律转换成某种可用信学、生物按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和安装。号输出的器件和安装。1 1、传感器概念、传感器概念 根本概念根本概念信息检测的不可短少的首要环节，它的直信息检测的不可短少的首要环节，它的直接影响测试系统的整体测试精度接影响测试系统的整体测试精度工程实践中俗称丈量头、检测器等，也称工程实践中俗称丈量头、检测器等，也称为一次仪表为一次仪表传感器传感器 Transducer/Sensor/probe Transducer/Sensor/probe 1 1、传感器概念、传感器概念 根本概念根本概念信息检测的不可短少的首要环节，它的直接信息检测的不可短少的首要环节，它的直接影响测试系统的整体测试精度影响测试系统的整体测试精度工程实践中俗称丈量头、检测器等，也称为工程实践中俗称丈量头、检测器等，也称为一次仪表一次仪表传感器传感器 Transducer/Sensor/probe Transducer/Sensor/probe 国家规范国家规范GB766587GB766587对传感器定义对传感器定义:感受规定的被丈量并按一定的规律转感受规定的被丈量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或安装换成可用输出信号的器件或安装一个指定的传感器，只能感受规定的物理量一个指定的传感器，只能感受规定的物理量电量、非电量电量、非电量)传感器的输出信号中载有被丈量信息，且能传感器的输出信号中载有被丈量信息，且能远间隔传送远间隔传送 电信号、光信号、气动信号电信号、光信号、气动信号输入输出关系服从一定规律，可以复现输入输出关系服从一定规律，可以复现公认、规范公认、规范1 1、传感器概念、传感器概念 组成组成感受规定的被丈量并按一定的规律转换感受规定的被丈量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或安装成可用输出信号的器件或安装敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路被丈量被丈量电量电量敏感元件敏感元件直接感受被丈量直接感受被丈量转换为有确定关系的易变转换为有确定关系的易变成电量的其它量成电量的其它量转换元件转换元件将其它物理量直接转换为将其它物理量直接转换为有确定关系的电量的有确定关系的电量的元件元件便于远传、接纳的信号便于远传、接纳的信号420mA、5V服从一定的可复现的规律服从一定的可复现的规律Vfp、QfpRfLfx规定的物理量规定的物理量压力压力应变应变振动、位移振动、位移1 1、传感器概念、传感器概念 敏感元件敏感元件 力、转矩力、转矩应应变变转换元件转换元件 应变应变电阻电阻 转换电路 电阻电压根本特性根本特性测试系统的一个根本单元，具有：测试系统的一个根本单元，具有：静态特性静态特性 丈量范围、灵敏度、精度等丈量范围、灵敏度、精度等动态特性动态特性 带宽带宽 频响曲线频响曲线 特性曲线特性曲线 灵敏度：灵敏度：输出电压输出电压 V 1 1、传感器概念、传感器概念 分类分类用途用途/输入量输入量:适宜于用户适宜于用户机械量：位移、力、速度、加速度、振动机械量：位移、力、速度、加速度、振动热工量：温度、压力、流量、流速热工量：温度、压力、流量、流速光学量：光强、光通量、辐射能光学量：光强、光通量、辐射能能量关系能量关系 能量转换型能量转换型/有源型：热电偶、光电池、压电有源型：热电偶、光电池、压电式、惯性式式、惯性式能量控制型：获取的信息能量来控制、调制外能量控制型：获取的信息能量来控制、调制外部鼓励部鼓励 涡流、涡流、R R、L L、C C参数型参数型1 1、传感器概念、传感器概念 分类分类输出量性质：适宜于研发输出量性质：适宜于研发电参数型电参数型/参数式：参数式：R R、L L、C C工程参数工程参数电参数电参数根本类型根本类型:电阻、电感和电容式电阻、电感和电容式无源传感器：本身没有内在的能量转换无源传感器：本身没有内在的能量转换电量型电量型/发电式：电压、电流、电荷发电式：电压、电流、电荷工程参数工程参数电信号电信号根本类型根本类型:压电式、磁电式、光电式、霍尔式压电式、磁电式、光电式、霍尔式以及热电式以及热电式有源传感器：本身就有内在的能量转换有源传感器：本身就有内在的能量转换1 1、传感器概念、传感器概念 定义：将非电量变化转换为电阻变化的传感定义：将非电量变化转换为电阻变化的传感器器丈量的物理量丈量的物理量应变应变应变片应变片热热热敏电阻热敏电阻位移位移/间隔间隔电位器电位器转换元件转换元件电阻电阻R R转换电路转换电路直流电桥直流电桥2 2、电阻式传感器、电阻式传感器 V E R1 R2 R3 R4 电阻电阻R R应变片式传感器应变片式传感器任务原理：应变效应任务原理：应变效应应变片的电阻：应变片的电阻：l l长度长度 A A截面、半径截面、半径r r 电阻率电阻率微应变微应变资料在轴向受力的作用，产活力械变形资料在轴向受力的作用，产活力械变形/构造构造变形变形微应变微应变 lRAAldRddldARlA2 2、电阻式传感器、电阻式传感器应变片式传感器应变片式传感器任务原理任务原理微应变微应变构造尺寸变化构造尺寸变化 应变单位：应变单位：1=1x10-6m/m1=1x10-6m/m 资料的泊松比资料的泊松比2()22trtdl ldA Adr rv 材料的轴向线应变AldvRdRt)21(2 2、电阻式传感器、电阻式传感器应变片式传感器应变片式传感器任务原理任务原理电阻率变化电阻率变化金属资料金属资料 资料的泊松比资料的泊松比 C C常数常数半导体资料半导体资料 半导体资料在受力方向压阻系数半导体资料在受力方向压阻系数 E E半导体资料的弹性模量半导体资料的弹性模量tdEAl(12)tdC d半导体金属2 2、电阻式传感器、电阻式传感器应变片式传感器应变片式传感器任务原理任务原理金属资料金属资料 普通普通0.30.3，C1C1，因此金属资料，因此金属资料的电阻应变效应主要来自构造尺寸的变的电阻应变效应主要来自构造尺寸的变化化尺寸效应，且灵敏系数较小，约尺寸效应，且灵敏系数较小，约为为2.02.0左右。左右。半导体资料半导体资料 E(1+)E(1+)，因此半导体资料的，因此半导体资料的电阻变化主要来自压阻效应，灵敏系数电阻变化主要来自压阻效应，灵敏系数较大，约为较大，约为5050200200，且分散性大。，且分散性大。tmtSCRdRRR)21()21(ttSERdRRR)21(2 2、电阻式传感器、电阻式传感器应变片式传感器应变片式传感器应变片技术参数应变片技术参数类类 型型金属应变片金属应变片半导体应变片半导体应变片测量范围测量范围0.150000 0.0013000 灵敏系数灵敏系数1.84.550200标称阻值标称阻值120，350，600，500010005000电阻受温度影响电阻受温度影响温度系数是温度系数是正值正值温度系数是温度系数是负值，负值，0.15%/0C电阻容差电阻容差0.1%0.35%1%2%有效栅长度有效栅长度/mm0.4150 标准值：标准值：310152 2、电阻式传感器、电阻式传感器应变片式传感器应变片式传感器应变片技术参数应变片技术参数(金属金属)应变片资料应变片资料康铜：常用的电阻丝资料康铜：常用的电阻丝资料卡玛合金：适用于长时间静态丈量，比康铜具有卡玛合金：适用于长时间静态丈量，比康铜具有更长的疲劳寿命和更宽的温度范围更长的疲劳寿命和更宽的温度范围铂钨合金：具有极长的疲劳寿命铂钨合金：具有极长的疲劳寿命绝缘电阻：应变片绝缘电阻绝缘电阻：应变片绝缘电阻R R是指已粘贴的应变片是指已粘贴的应变片与被测试件之间的电阻值，普通要求与被测试件之间的电阻值，普通要求R R108108最大任务电流最大任务电流ImaxImax已安装的应变片敏感栅允许已安装的应变片敏感栅允许经过的不影响其任务特性的最大电流值经过的不影响其任务特性的最大电流值.通常静态通常静态丈量取丈量取25mA25mA左右，动态丈量可取左右，动态丈量可取7575100mA100mA2 2、电阻式传感器、电阻式传感器应变片式传感器应变片式传感器应变片构造应变片构造50年代以前2 2、电阻式传感器、电阻式传感器柱式柱式应变片式传感器应变片式传感器应变片运用应变片运用敏感元件敏感元件膜片式气体、液体膜片式气体、液体梁式梁式等截面梁等截面梁双孔梁双孔梁S型拉力梁型拉力梁2 2、电阻式传感器、电阻式传感器应变片式传感器应变片式传感器应变片的安装应变片的安装安装安装力传送力传送丈量效果丈量效果 受力的方向受力的方向应变片纵向应变片纵向安装方法有三种：粘贴法、焊接法和喷涂法安装方法有三种：粘贴法、焊接法和喷涂法，其中粘贴法最为常用，其中粘贴法最为常用2 2、电阻式传感器、电阻式传感器应变片式传感器应变片式传感器温度误差温度误差温度引起的丈量误差温度引起的丈量误差RtRt、R0R0应变片在温度应变片在温度t t、t0t0时电阻值时电阻值应变片电阻丝的电阻温度系数应变片电阻丝的电阻温度系数电阻丝资料和试件资料的线膨胀系电阻丝资料和试件资料的线膨胀系数数应变片灵敏系数应变片灵敏系数t t 温度变化量温度变化量必需采用一定的方法来补偿电阻应变片输出的温度误差，必需采用一定的方法来补偿电阻应变片输出的温度误差，适用中常采用桥路补偿方法适用中常采用桥路补偿方法tSSRRtt)(/120电阻温度效应电阻温度效应热膨胀效应热膨胀效应2 2、电阻式传感器、电阻式传感器应变片式传感器应变片式传感器温度补偿温度补偿温度效应：阻值随温度变化温度效应：阻值随温度变化被测体线胀：不同的线胀系数被测体线胀：不同的线胀系数电桥衔接电桥衔接差动：相邻臂差动：相邻臂提高灵敏度提高灵敏度补偿：相邻臂补偿：相邻臂2 2、电阻式传感器、电阻式传感器热电阻式传感器热电阻式传感器任务原理：金属或半导体的电阻值是温度的任务原理：金属或半导体的电阻值是温度的函数函数 当温度升高当温度升高11时，大多数金属的阻值时，大多数金属的阻值要添加要添加0.40.6%0.40.6%，而半导体的电阻值要减小，而半导体的电阻值要减小36%36%普通纯金属在温度变化范围不大时，其电阻普通纯金属在温度变化范围不大时，其电阻值与温度的关系近似为值与温度的关系近似为某些半导体的电阻值与温度的关系为某些半导体的电阻值与温度的关系为010ttaRRtt000ln00)11(ttttBttRRttttBeRR2 2、电阻式传感器、电阻式传感器热电阻式传感器热电阻式传感器电阻电阻温度特性曲线温度特性曲线铂、铜的电阻特性曲线比较理想铂、铜的电阻特性曲线比较理想 半导体的电阻特性曲线半导体的电阻特性曲线2 2、电阻式传感器、电阻式传感器热电阻式传感器热电阻式传感器热电阻资料选择热电阻资料选择电阻温度系数电阻温度系数a a要大，制成的温度传感器的灵敏要大，制成的温度传感器的灵敏度越高。电阻温度系数与资料的纯度有关，纯度度越高。电阻温度系数与资料的纯度有关，纯度越高，越高，a a值就越大，且稳定值就越大，且稳定资料的电阻率要大，这样可使热电阻体积较小，资料的电阻率要大，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小，对温度变化的呼应就比较快热惯性较小，对温度变化的呼应就比较快在整个丈量范围内，物理化学性质稳定、线性、在整个丈量范围内，物理化学性质稳定、线性、良好反复性良好反复性易于加工复制，价钱廉价易于加工复制，价钱廉价几种热电阻资料特性2 2、电阻式传感器、电阻式传感器热电阻式传感器热电阻式传感器金属电阻：工业中运用最多的是铂和铜金属电阻：工业中运用最多的是铂和铜铂电阻铂电阻化学稳定性很高，容易提纯，便于加工化学稳定性很高，容易提纯，便于加工最最常用的资料常用的资料用于用于13.81K13.81K630630范围内的测温、也是基准范围内的测温、也是基准温度计温度计31227320320/102735.4/108019.5/109083.38500).1(0200)100(.1CCCBCAttBtARRtttCtBtARRtt2 2、电阻式传感器、电阻式传感器热电阻式传感器热电阻式传感器铂电阻精度等级：决议于纯度铂电阻精度等级：决议于纯度纯度：百度电阻比纯度：百度电阻比W(100)=R100/R0 1.391W(100)=R100/R0 1.391工业规范工业规范分度号：分度号：BA1 BA1、BA2BA2HT-101HT-101铂电阻元件铂电阻元件honeywell honeywell 分度号：分度号：pT100pT100BA2BA2量程：量程：-200-450-200-450精度：精度：A A：0.06 B0.06 B：0.120.12外形：外形：1.61.63.2 23.2 25 5 2 2、电阻式传感器、电阻式传感器分度号分度号R0（）精度精度等级等级R100/R0R0允许的允许的误差（）误差（）测量最大允许偏差（测量最大允许偏差（）BA146.001.39100.00070.05级：级：-2000时时(0.15+4.510-3t)0500时时(0.15+3.010-3t)级：级：-2000时时(0.3+6.010-3t)0500时时(0.3+4.510-3t)1.39101.39100.0010.0010.1BA2100.001.39100.00070.051.39100.0010.1热电阻式传感器热电阻式传感器膜铂电阻膜铂电阻用真空堆积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，用真空堆积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在膜厚在2m2m以内，用玻璃烧结料固定以内，用玻璃烧结料固定Ni(Ni(或或Pd)Pd)引线，经激光调阻制成薄膜元件引线，经激光调阻制成薄膜元件微型化、反响快微型化、反响快2 2、电阻式传感器、电阻式传感器热电阻式传感器热电阻式传感器金属电阻：工业中运用最多的是铂和铜金属电阻：工业中运用最多的是铂和铜铜电阻铜电阻温度系数温度系数a a高于其它金属的值，价钱低廉，易高于其它金属的值，价钱低廉，易于提纯于提纯在在-50-50150150范围内近似呈线性关系范围内近似呈线性关系缺陷缺陷电阻率小，体积较大，铜电阻丝细而长，故机电阻率小，体积较大，铜电阻丝细而长，故机械强度降低械强度降低易氧化，只能用于无侵蚀性介质易氧化，只能用于无侵蚀性介质CtRRt/1025.4).1(302 2、电阻式传感器、电阻式传感器热电阻式传感器热电阻式传感器半导体电阻半导体电阻具有负的电阻温度系数：温度降低时，其电阻具有负的电阻温度系数：温度降低时，其电阻值添加，灵敏度增大值添加，灵敏度增大具有灵敏度高、体积小、热容量小的优点，可具有灵敏度高、体积小、热容量小的优点，可作为精细温度丈量作为精细温度丈量常用的测温电阻有锗电阻和热敏电阻常用的测温电阻有锗电阻和热敏电阻锗电阻锗电阻电阻温度关系很稳定，反复性很好电阻温度关系很稳定，反复性很好迄今所迄今所研讨过的半导体中最理想的低温丈量元件研讨过的半导体中最理想的低温丈量元件标定一次可长期运用，而且它的丈量精度可到标定一次可长期运用，而且它的丈量精度可到达达0.005K0.005K许多国家将锗电阻温度计作为许多国家将锗电阻温度计作为4.2K20K4.2K20K之间的之间的规范测温仪表规范测温仪表2 2、电阻式传感器、电阻式传感器热电阻式传感器热电阻式传感器半导体电阻半导体电阻热敏电阻：正、负、临界温度系数热敏电阻：正、负、临界温度系数丈量灵敏度较高、本钱低、体积小点温丈量灵敏度较高、本钱低、体积小点温度丈量、反复性好，可满足不同测温对度丈量、反复性好，可满足不同测温对象的要求，而且适宜动态丈量象的要求，而且适宜动态丈量缺陷是性能不稳定，互换性差，导致丈量缺陷是性能不稳定，互换性差，导致丈量精度不高精度不高空调系统的温控元件空调系统的温控元件 a)a)圆片型圆片型 b)b)柱型柱型 c)c)平板型平板型 d)d)构造组成构造组成 e)e)符号符号2 2、电阻式传感器、电阻式传感器电位计电位计原理及构造原理及构造构造：带有直线或旋转滑构造：带有直线或旋转滑动触头的电阻器件动触头的电阻器件将将线位移或角位移转换为与线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻其成一定函数关系的电阻种类：按构造方式可分为种类：按构造方式可分为绕线式、薄膜式等绕线式、薄膜式等原理原理xSLxRrRxSLxURrUUUii02 2、电阻式传感器、电阻式传感器运用运用应变式力传感器应变式力传感器被测物理量：载荷或力被测物理量：载荷或力用途：各种电子衡器的测力元件，丈量范围从用途：各种电子衡器的测力元件，丈量范围从1mN1mN108N108N特点：分辨率高，误差较小，丈量范围大，静态特点：分辨率高，误差较小，丈量范围大，静态与动态都可测，能在严酷环境任务的特点与动态都可测，能在严酷环境任务的特点柱式测力元件：体积小、构造紧凑、构造简单柱式测力元件：体积小、构造紧凑、构造简单柱式柱式2 2、电阻式传感器、电阻式传感器运用运用应变式力传感器应变式力传感器ZL110ZL110力传感器力传感器额定载荷额定载荷 10 105050kgkg灵敏度灵敏度 2.0 2.00.2%0.2%mV/kg/VmV/kg/V非线性非线性 0.02%F.S 0.02%F.S 滞后滞后 0.02%F.S 0.02%F.S 鼓励电压鼓励电压 9 912 VDC 12 VDC 反复度反复度 0.02%F.S 0.02%F.S温度补尝范围温度补尝范围-10 -10 +40 +40 蠕变蠕变 0.02%F.S/30min 0.02%F.S/30min 允许运用范围允许运用范围-20 -20 +55 +55 鼓励电压为鼓励电压为10V时，满载荷时的输出是多少？时，满载荷时的输出是多少？2 2、电阻式传感器、电阻式传感器与鼓励电与鼓励电压有关压有关 运用运用应变式压力传感器应变式压力传感器被测物理量：液体、气体的动态和静态压力丈量被测物理量：液体、气体的动态和静态压力丈量用途：动力管道设备进、出口气体和液体的压力，用途：动力管道设备进、出口气体和液体的压力，发动机喷口压力，内燃机管道压力等发动机喷口压力，内燃机管道压力等构造：膜片式或筒式弹性元件构造：膜片式或筒式弹性元件 在压力的作用下，圆膜片产生径向应变和在压力的作用下，圆膜片产生径向应变和切向应变切向应变应变片应变片2 2、电阻式传感器、电阻式传感器运用运用应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器原理：弹性元件在传送转矩时产生的应变来丈量原理：弹性元件在传送转矩时产生的应变来丈量扭矩扭矩 轴遭到扭矩作用时，剪切应力与它所传送的轴遭到扭矩作用时，剪切应力与它所传送的扭矩有线性关系扭矩有线性关系 其中：其中：MkMk转轴所受的扭矩、转轴所受的扭矩、G G剪切弹性模量剪切弹性模量 ekmxMKrGM.232 2、电阻式传感器、电阻式传感器集流环集流环运用运用动态电阻应变仪动态电阻应变仪应变片：应变片：1201201K1K输出：输出：5V_p5V_p电流电流5mA5mA 鼓励电压为鼓励电压为10V时，满载荷时的输出是多少？时，满载荷时的输出是多少？2 2、电阻式传感器、电阻式传感器运用运用热电阻式温度传感器负温度系数热电阻式温度传感器负温度系数冷却水温丈量：非线性变冷却水温丈量：非线性变化、非线性电流、非线性化、非线性电流、非线性刻度，丈量有限温度范围刻度，丈量有限温度范围内的温度内的温度温度补偿电路：仪表线圈R铜导线(正系数)，r为锰铜电阻(0温系)，Rt负温系数温度控制电路：可调电阻、负温度系数热敏电阻和继电器线圈串联组成2 2、电阻式传感器、电阻式传感器温度上升温度上升阻值下降阻值下降电电流变大流变大继电器开启降温继电器开启降温运用运用电位计式压力传感器电位计式压力传感器在压力作用下，膜盒中心点产在压力作用下，膜盒中心点产生位移，推进连杆上移，使得生位移，推进连杆上移，使得曲柄带动电位计电刷滑动，电曲柄带动电位计电刷滑动，电位计输出与压力成比例的电压位计输出与压力成比例的电压信号信号1膜盒 2连杆 3曲柄 4电刷 5电阻元件2 2、电阻式传感器、电阻式传感器传感器传感器定义：感受特定量、一定规律、可用输出信定义：感受特定量、一定规律、可用输出信号号组成：三部分功能组成：三部分功能电阻式传感器电阻式传感器应变片原理应变片原理:构造尺寸效应、压阻效应构造尺寸效应、压阻效应运用：差动、补偿原那么、敏感元件运用：差动、补偿原那么、敏感元件热电阻传感器：热阻效应热电阻传感器：热阻效应运用：铂电阻、铜电阻；锗电阻、热敏电阻运用：铂电阻、铜电阻；锗电阻、热敏电阻电位计：滑动触头电位计：滑动触头种类：绕线式、薄膜式种类：绕线式、薄膜式回想回想定义：将被丈量变化转换为电容变化的传感定义：将被丈量变化转换为电容变化的传感器器电容传感器特点电容传感器特点构造简单，分辨率高，任务可靠构造简单，分辨率高，任务可靠 可非接触丈量，可在恶劣环境下任务可非接触丈量，可在恶劣环境下任务丈量的物理量丈量的物理量位移位移压力压力液位液位介质介质转换元件转换元件 电容电容C A3、电容式传感器、电容式传感器任务原理任务原理在忽略边缘效应的情况下，平行极板电容器在忽略边缘效应的情况下，平行极板电容器的电容量的电容量 根本类型根本类型变极距变极距：位移：位移变面积变面积A A：位移、压力差动：位移、压力差动变介质变介质：介电常数：介电常数AUQmFo120r1085.8为真空介电常数为相对介电常数0AQCCU3、电容式传感器、电容式传感器 转转子子 电容式探头 D 02Add CdCd CCSd变极距式变极距式 两极板在被测对象作用下发生位移两极板在被测对象作用下发生位移变变化时化时 变极距型电容传感器的灵敏度是非线性变极距型电容传感器的灵敏度是非线性的的 极距愈小，灵敏度愈高极距愈小，灵敏度愈高,受击穿电压受击穿电压的限制的限制 普通极距取普通极距取0.10.11mm1mm左右左右减小非线性误差减小非线性误差 选择初始间隔选择初始间隔;微小位移量的丈量微小位移量的丈量非接触丈量非接触丈量3、电容式传感器、电容式传感器变极距式变极距式 差动方式差动方式 两个变极距电容传感器，被测位移使动片变两个变极距电容传感器，被测位移使动片变化，引起极距差动变化，两个输出电容也差动变化，引起极距差动变化，两个输出电容也差动变化，提高丈量灵敏度化，提高丈量灵敏度 差动电容传感器通常均接成电桥进展放大差动电容传感器通常均接成电桥进展放大:电桥电桥的相邻两个桥臂的相邻两个桥臂2ddCCddCC 两 电)容 之 差差 动(取动片动片定片定片定片定片3、电容式传感器、电容式传感器变面积式：相对面积变化变面积式：相对面积变化输出特性：线性输出特性：线性 丈量丈量1cm1cm10cm10cm中等大小的位移中等大小的位移灵敏度灵敏度 减小极距减小极距可提高灵敏度可提高灵敏度差动方式：提高灵敏度差动方式：提高灵敏度 .0dAdCSdAdC.03、电容式传感器、电容式传感器变介质式变介质式输出特性：线性输出特性：线性 灵敏度灵敏度 添加面积添加面积A A、减小极距、减小极距可提高灵敏度可提高灵敏度运用运用 液位高低液位高低 介电常数介电常数内圆筒内圆筒 外圆筒外圆筒介质介质dAdC.0AddCS.03、电容式传感器、电容式传感器 传感器优点传感器优点 输入能量小而灵敏度高输入能量小而灵敏度高 精度高达精度高达0.01%动态特性好，适宜丈量动态参数动态特性好，适宜丈量动态参数 能量损耗小能量损耗小 构造简单，环境顺应性好高温、辐射等构造简单，环境顺应性好高温、辐射等 缺陷：电缆分布电容影响大缺陷：电缆分布电容影响大3、电容式传感器、电容式传感器3、电容式传感器、电容式传感器 运用运用 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 并联电阻并联电阻RP代表极板间走漏电阻代表极板间走漏电阻和介质损耗，低频时影响较大和介质损耗，低频时影响较大 串联电阻串联电阻RS表征引线电阻、极板表征引线电阻、极板电阻，通常很小，它随频率增高电阻，通常很小，它随频率增高而增大，只需在极高任务频率时而增大，只需在极高任务频率时才思索才思索 电感电感L包括电容器本身电感和外部包括电容器本身电感和外部接线电感接线电感 谐振频率：几十兆赫谐振频率：几十兆赫 任务频率应低于谐振频率普通任务频率应低于谐振频率普通选为谐振频率的选为谐振频率的1/21/33、电容式传感器、电容式传感器 运用运用 电容丈量的几点思索电容丈量的几点思索 抗干扰：电容量很小几个抗干扰：电容量很小几个pf 几十个几十个pf，易受外界电场的干扰，这样，就要求采用输入易受外界电场的干扰，这样，就要求采用输入阻抗高，噪声低的前置放大器，引出线应尽量阻抗高，噪声低的前置放大器，引出线应尽量短，采用屏蔽线，而且屏蔽线与壳体及可动电短，采用屏蔽线，而且屏蔽线与壳体及可动电极应有可靠的接地，以尽量减小外电场的干扰极应有可靠的接地，以尽量减小外电场的干扰 应正确选择极板间的绝缘资料，通常要求绝缘应正确选择极板间的绝缘资料，通常要求绝缘电阻在电阻在100M以上，以减小漏电阻对丈量精以上，以减小漏电阻对丈量精度的影响度的影响 环境温度：采用补偿电桥以抵消介电常数随温环境温度：采用补偿电桥以抵消介电常数随温度的变化度的变化,尽量选择膨胀系数低的资料制造电尽量选择膨胀系数低的资料制造电容式传感器，以减小尺寸随温度的变化容式传感器，以减小尺寸随温度的变化3、电容式传感器、电容式传感器典型构造典型构造 变极距变极距(型型:(a)、(e)变面积型变面积型(A)型型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)h 变介电常数变介电常数()型型:i(l)3、电容式传感器、电容式传感器 运用运用 电容式压差传感器电容式压差传感器 构造：变间隙差动方式电构造：变间隙差动方式电容传感器容传感器 固定极板固定极板:两个凹面镀金的两个凹面镀金的玻璃圆盘玻璃圆盘 可动电极可动电极:一个金属一个金属(不锈不锈钢钢)膜片膜片 当当p1p2时，膜片弯向一时，膜片弯向一侧，那么两个差动电容一侧，那么两个差动电容一个增大、一个减小，且变个增大、一个减小，且变化量大小一样化量大小一样 当压差反向时，差动电容当压差反向时，差动电容变化量也反向变化量也反向 特点：构造简单，灵敏度特点：构造简单，灵敏度高，呼应速度快高，呼应速度快(约约100ms)，能测微小压差，能测微小压差(00.75Pa)电容式差压传感器构造表示图1金属镀层 2凹形玻璃 3膜片4过滤器 5外壳3、电容式传感器、电容式传感器 运用运用 电容式微加速度传感电容式微加速度传感器器 构造：差动式电容传构造：差动式电容传感器感器 上、下电极：固定不上、下电极：固定不动动 动片：左端固定在衬动片：左端固定在衬底上的悬臂梁，可以底上的悬臂梁，可以上下振动时微动上下振动时微动三维方向的振动或加速度丈量：在壳体内的三个相互三维方向的振动或加速度丈量：在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器垂直方向安装三个加速度传感器 3硅衬底，4底层多晶硅上电极，5中间层多晶硅振动片；6顶层多晶硅上电极3、电容式传感器、电容式传感器优点：多极电容、闭环反响式丈量电路优点：多极电容、闭环反响式丈量电路提高了抗干扰才干提高了抗干扰才干提高了丈量精度提高了丈量精度(可达可达5m)极大地扩展了量程极大地扩展了量程(可达可达1m)3、电容式传感器、电容式传感器 运用运用 容栅式位移传感器容栅式位移传感器 构造：差动式多级电容传感器构造：差动式多级电容传感器一定外形和一定外形和尺寸的栅片尺寸的栅片 长栅长栅(定栅定栅)：均匀陈列电极：均匀陈列电极 动栅对：一对一样尺寸的交错对插电极梳动栅对：一对一样尺寸的交错对插电极梳定栅尺动栅对发射极接纳极反射极定义：基于电磁感应原理，将被丈量转化为电感定义：基于电磁感应原理，将被丈量转化为电感量量丈量的物理量丈量的物理量位移位移压力压力流量流量振动振动分类分类电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型4、电感式传感器、电感式传感器 变磁阻传感器变磁阻传感器单边电感式单边电感式 当铁心磁导率远远大当铁心磁导率远远大于空气磁导率时于空气磁导率时 自感量与位移成反比自感量与位移成反比，特性曲线非线性，特性曲线非线性存在问题存在问题灵敏度低、非线性严重灵敏度低、非线性严重铁心对衔铁的吸力比较铁心对衔铁的吸力比较大大微小位移的丈量：微小位移的丈量：0.0010.0011mm1mm202SNL x0Li123线圈线圈衔铁衔铁铁芯铁芯N4、电感式传感器、电感式传感器 变磁阻传感器变磁阻传感器差动式差动式差动线圈电桥丈量差动线圈电桥丈量丈量丈量电感量电感量 构造：螺线管式差动变构造：螺线管式差动变压器压器非线性得到了补偿，灵敏度也非线性得到了补偿，灵敏度也提高一倍，吸引力相互抵消提高一倍，吸引力相互抵消特点：分辨率很高可达特点：分辨率很高可达0.010.01微米丈量范围普通小於微米丈量范围普通小於2 2毫毫米米主要用于位移丈量，也可以用主要用于位移丈量，也可以用于振动、压力、流量、液位等于振动、压力、流量、液位等参数丈量参数丈量 0 0 磁心磁心线圈线圈1 1线圈线圈2 2变压器变压器电桥电桥测杆测杆被测件被测件电源电源UeUe4、电感式传感器、电感式传感器 互感式差动变压器互感式差动变压器构造：初级线圈、完全对称的反极性串联的次级构造：初级线圈、完全对称的反极性串联的次级线圈、衔铁线圈、衔铁原理：原理：输出电压幅值与铁心位移大小成正比，不能反映输出电压幅值与铁心位移大小成正比，不能反映其方向其方向输出电压存在一定的零点剩余电压输出电压存在一定的零点剩余电压 4、电感式传感器、电感式传感器 120212211()iMMjUUUUrj L 实际实际实践实践x0零点零点UT 剩余电压剩余电压WW1W2WPx互感式差动变压器式互感式差动变压器式差动相敏检波位移方向差动相敏检波位移方向处理铁心位移的方向性处理铁心位移的方向性单输出对应多输入单输出对应多输入输出存在一定的零点剩余电压输出存在一定的零点剩余电压调零调零R R小位移丈量的差动相敏检波电路小位移丈量的差动相敏检波电路直接丈量：直线位移；间接丈量：力、分量、直接丈量：直线位移；间接丈量：力、分量、液位液位敏感元件敏感元件 u0 理论 实际 相敏检波 x 4、电感式传感器、电感式传感器 电涡流传感器电涡流传感器原理：涡流效应原理：涡流效应构造：高频鼓励电流构造：高频鼓励电流+线圈线圈输出：电涡流线圈的等效阻抗输出：电涡流线圈的等效阻抗 Z=R+jL=f Z=R+jL=fi1i1、f f、t t、x x 间隔间隔x x、导体、导体、t t有关有关丈量电路：谐振电路丈量电路：谐振电路调幅调幅调频调频接近的被测导体内产生电涡流接近的被测导体内产生电涡流i2，它也产生交变磁场它也产生交变磁场H2，H2的方向的方向与与H1的方向相反。由于磁场的方向相反。由于磁场H2的的反作用，抵销部分原磁场反作用，抵销部分原磁场4、电感式传感器、电感式传感器 电涡流传感器电涡流传感器灵敏度灵敏度被测面资料被测面资料 (、t)t)被测面外形被测面外形本身空间本身空间其它被丈量其它被丈量外表电导率外表电导率外表裂纹外表裂纹、t t 传传感感器器 转转子子 4、电感式传感器、电感式传感器 切角面切角面3x探头直径探头直径圆柱面圆柱面3x探头直径探头直径传感器传感器运用运用自感压力传感器自感压力传感器构造构造膜盒膜盒弹性敏感元件弹性敏感元件衔铁衔铁原理：压力变化时，膜盒带原理：压力变化时，膜盒带动衔铁位移，线圈自感变化动衔铁位移，线圈自感变化量量变隙差动式自感压力传感器变隙差动式自感压力传感器构造构造C C形弹簧管形弹簧管弹性敏感元弹性敏感元件件衔铁衔铁原理：流体压力进入弹簧管原理：流体压力进入弹簧管后，其自在端向外伸展，带后，其自在端向外伸展，带动动衔铁挪动，引起电感变动动衔铁挪动，引起电感变化化1衔铁衔铁 2铁芯铁芯 3线圈线圈 4膜盒膜盒4、电感式传感器、电感式传感器 5C型弹簧管型弹簧管 6、8线圈线圈 7 衔铁衔铁 9机械零点调零螺钉机械零点调零螺钉运用运用外表形貌仪外表形貌仪 T200 T200型外表粗糙度丈量仪型外表粗糙度丈量仪丈量范围：触针位移：丈量范围：触针位移：2/2/20/20/200m200m分辨率：分辨率：0.001/0.01m 0.001/0.01m测力传感器测力传感器力力弹性外壳弹性外壳测杆测杆磁心磁心差动变压器差动变压器4、电感式传感器、电感式传感器 接触式位移传感器1引线电缆 2固定磁筒 3衔铁 4线圈 5测力弹簧 6防转销4、电感式传感器、电感式传感器 运用运用电感测微计电感测微计 中心：螺线管式差动变压器，常用于丈量工件中心：螺线管式差动变压器，常用于丈量工件的外形尺寸和轮廓外形的外形尺寸和轮廓外形滚珠分选滚珠分选电涡流传感器的运用电涡流传感器的运用4、电感式传感器、电感式传感器 教材：教材：4-3，4-7 作业作业电容式传感器电容式传感器三种根本方式：变极距式、变面积式、变介三种根本方式：变极距式、变面积式、变介质式质式运用：差动运用：差动提高灵敏度；敏感元件提高灵敏度；敏感元件优点：灵敏度高、精度高、能耗小、构造简优点：灵敏度高、精度高、能耗小、构造简单单电感式传感器电感式传感器自感式差动变压器：变磁阻自感式差动变压器：变磁阻两组线圈两组线圈+铁芯铁芯+桥路桥路互感式差动变压器：变耦合互感式差动变压器：变耦合三组线圈三组线圈+铁芯铁芯+相敏相敏涡流传感器涡流传感器涡流效应、丈量电路涡流效应、丈量电路谐振电路谐振电路灵敏度被测面资料灵敏度被测面资料、t t、被测面外形、被测面外形、本身空间、本身空间运用：接触丈量、非接触丈量运用：接触丈量、非接触丈量回想回想