Chapter61-6傳感器原理與測量電路

1、華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院第第6章、傳感器原理與測量電路章、傳感器原理與測量電路本章學習要求：本章學習要求：1.1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.2.掌握常用傳感器測量原理掌握常用傳感器測量原理4.4.了解傳感器測量電路了解傳感器測量電路機械工程測試技術機械工程測試技術華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院種類繁多；大量學科交叉；應用廣泛；實用性強；6.1 概述概述華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.6.本章的學習要求本章的學習要求掌握常用傳感器的工作原理及結構特點；了解傳感器的應用方法；常用傳感器的典型后續(xù)處理電路；常用傳感器的使用注意事項；太陽能熱水器上傳感

2、器應用6.1 概述概述華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院第第6章、傳感器測量原理章、傳感器測量原理6.1 6.1 概述概述1. 1. 傳感器定義傳感器定義 傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成另一種信息的裝置。換成另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。號轉換成電信號的裝置。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2. 2. 傳感器的構成傳感器的構成 傳感器由敏感

3、器件與輔助器件組成。敏感器件傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉換輸出。的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 6.1 概述概述dV華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院4. 4. 傳感器的分類傳感器的分類6.1 概述概述1)1)按被測物理量分類按被測物理量分類常見的被測物理量常見的被測物理量機械量機械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉角旋轉角

4、, ,轉數轉數, ,質量質量, ,重量重量, ,力力, , 壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風速風速, ,流速流速, , 流量流量; ;聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁場磁場. .溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱比熱. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.1 概述概述機械式機械式, ,電氣式電氣式, ,光學式光學式, ,流體式等流體式等. .2)2)按工作的物理基礎分類按工作的物理基礎分類: :華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.1 概述概述能量轉換型和能量控制型能量轉換型和能量控

5、制型. .3)3)按信號變換特征按信號變換特征: :能量轉換型能量轉換型: :直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,壓電式加速度計壓電式加速度計. .能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測量控制外部從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例如例如: :電阻應變片電阻應變片. .華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.1 概述概述4)4)按敏感元件與被測對象之間的能量關系按敏感元件與被測對象之間的能量關系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來依靠敏感元件材料本

6、身物理性質的變化來實現信號變換實現信號變換. .如如: :水銀溫度計水銀溫度計. .結構型結構型: :依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器種傳感器, , 按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :變阻器式、電阻應變式、變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、電敏式熱敏式、光敏式、電敏式.1 1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器第第

7、6章、傳感器測量原理章、傳感器測量原理華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 等效電路分析等效電路分析: :xL6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器L-L-變阻器總長變阻器總長; ;x-x-電刷移動量電刷移動量. .R-R-總電阻總電阻; ; R RL L電刷電阻電刷電阻; ;R=K*ll=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1 / E華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器x=L*E1 / E= K*E10 LEE1x華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器EE1V VRmRxR-Rx1EE1= =xLRmR+ +Lx()-

8、華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器負載效應負載效應1EE1= =xLRmR+ +Lx()-0LE華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院(2) (2) 變阻器式傳感器的性能參數變阻器式傳感器的性能參數: : 1) 1)線性線性( (或曲線的一致性或曲線的一致性); 4); 4)移動或旋轉角度范圍移動或旋轉角度范圍; ; 2) 2) 分辨率分辨率; 5); 5)電阻溫度系數電阻溫度系數; ; 3) 3)整個電阻值的偏差整個電阻值的偏差; 6); 6)壽命壽命; ;(3)(3)變阻器式傳感器的分類變阻器式傳感器的分類6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器按測量類型：

9、按測量類型：單圈電位器單圈電位器多圈電位器多圈電位器直線滑動式電位器直線滑動式電位器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器按制作方式：按制作方式：線繞電位器線繞電位器導電塑料電位器導電塑料電位器普通塑料基底普通塑料基底導電導電材料粉材料粉華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院變阻器式傳感器產品變阻器式傳感器產品6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：案例：重量的自動檢測重量的自動檢測-配料設備配料設備 比較比較重量設定原材料原材料6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器原理：彈簧原理：彈簧-力力-位移位移 -電位器電位器-電阻電

10、阻華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：案例：煤氣包儲量檢測煤氣包儲量檢測煤氣包煤氣包鋼絲鋼絲6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器原理：鋼絲原理：鋼絲-收線圈數收線圈數 -電位器電位器 -電阻電阻華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：案例：玩具機器人（廣州中鳴數碼玩具機器人（廣州中鳴數碼 ）6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器原理：電機原理：電機-轉角轉角 -電位器電位器 -電阻電阻華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2 2 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器-應變片應變片 電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生

11、機械變形時，其應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形電阻值隨著所受機械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發(fā)的變化而發(fā)生變化象。生變化象。 6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院1) 1) 工作原理工作原理上述任何一個參數變換均會引起電阻變化上述任何一個參數變換均會引起電阻變化, ,求導數求導數6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器金屬應變片的電阻金屬應變片的電阻R R為為AlR/=dAldAAldlAdR+=2代入代入AlR/=dRAdARldlRdR+=華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器d

12、AdAldlRdR+=有：有：金屬絲：金屬絲：2rA=drdrldlRdR+=2金屬絲體積不變：金屬絲體積不變：=ldlrdr華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器有：有：dRdR+=2對金屬材料，導電率不變：對金屬材料，導電率不變：)21(+=RdR金屬絲應變片：金屬絲應變片：華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院應變計6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器金屬應變計金屬應變計華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器半導體應變計半導體應變計drdrldlRdR+=2簡化為：簡化為：dRdR=E= 優(yōu)點：靈敏度大優(yōu)點：靈敏度大; ;

13、體積小體積小; ; 缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3) 3) 應變片的主要參數應變片的主要參數 4 4）其它表示應變計性能的參數（工作溫度、滯后、）其它表示應變計性能的參數（工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。 6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器1 1）幾何參數：表距）幾何參數：表距L L和絲柵寬度和絲柵寬度b b，制造廠常用，制造廠常用 b bL L表示。表示。2 2）電阻值：應變計的原始電阻值。）電阻值：應變計的原始電阻值。 3 3）靈敏

14、系數：表示應變計變換性能的重要參數。）靈敏系數：表示應變計變換性能的重要參數。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器3) 3) 應變片測量電路應變片測量電路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(32413142+=華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器ERRRRRRRRV)(32413142+=令：令：RR =1dRRR+=4RRR=32ERRdRRRRRdRRRV)()(+=RdRE=4)21(+=RdR金屬絲應變片：金屬絲應變片：V V與應變成線形關系，可以用電橋測量電壓測量應變與應變成線形關系，可以用電橋測量電壓

15、測量應變華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器電阻應變片的選擇、粘貼技術電阻應變片的選擇、粘貼技術 1.1.目測電阻應變片有無折痕目測電阻應變片有無折痕. .斷絲等斷絲等 缺陷，有缺陷的應變片不能粘貼。缺陷，有缺陷的應變片不能粘貼。2.2.用數字萬用表測量應變片電阻值大用數字萬用表測量應變片電阻值大 小。同一電橋中各應變片之間阻值小。同一電橋中各應變片之間阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5歐姆歐姆. .4.4.試件表面處理：貼片處置用細紗紙打磨干凈，用試件表面處理：貼片處置用細紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。酒精棉球反復擦洗

16、貼處，直到棉球無黑跡為止。4.4.應變片粘貼應變片粘貼: :在應變片基底上擠一小滴在應變片基底上擠一小滴502502膠水，膠水， 輕輕涂抹均勻，立即放在應變貼片位置。輕輕涂抹均勻，立即放在應變貼片位置。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器5.5.焊線焊線: :用電烙鐵將應變片的引線焊接到導引線上。用電烙鐵將應變片的引線焊接到導引線上。6.6.用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣組織，應用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣組織，應 大于大于500M500M歐。歐。7.7.應變片保護：用應變片保護：用704704硅橡膠覆于應變片上，防止硅橡膠覆于應變片上，防止 受潮

17、。受潮。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器電阻應變式傳感器的應用：測力電阻應變式傳感器的應用：測力華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器標準產品標準產品華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：案例：橋梁固有頻率測量橋梁固有頻率測量6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：案例：電子稱電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：沖床生產記數案例：沖床生產記數 和生產過程監(jiān)測和生產過

18、程監(jiān)測6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：機器人握力測量案例：機器人握力測量6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器案例：案例：振動式地音入侵探測器振動式地音入侵探測器 適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現。洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院第第6章、傳感器測量原理章、傳感器測量原理6.3 6.3 電感式傳感

19、器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉化為電感量的一種裝置。測量轉化為電感量的一種裝置。分類分類: :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.3 電感式傳感器電感式傳感器1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式可變導磁面積型可變導磁面積型差動型差動型2002ANL =原理原理: :電磁感應電磁感應華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院自感式傳感器自感式傳感器 自感式傳感器原自感式傳感器原理結構如圖所示。纏理結構如圖所示。纏繞在鐵芯上的線圈中繞在

20、鐵芯上的線圈中通以交變電流通以交變電流 ，產生，產生磁通，形成磁通回路。磁通，形成磁通回路。線圈自感可按下式計線圈自感可按下式計算。算。式中式中NN線圈匝數；線圈匝數； 磁路總磁阻磁路總磁阻m2RNL=mRdi1 S23圖自感式傳感器 線圈； 2 鐵芯； 3 銜鐵。 1華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 對圖示情況，因為氣隙厚度對圖示情況，因為氣隙厚度d d較小，可以認為氣較小，可以認為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則總磁阻隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則總磁阻為為 式中式中 l li i各段磁導體各段磁導體 的長度；的長度；S Si i各段磁導體截面積；各段磁導體截面積； i i

21、各段磁導體的磁導率各段磁導體的磁導率；S S 空氣隙橫截面積空氣隙橫截面積； 0 0空氣的磁導率空氣的磁導率 SdSlRiii0m2)(+=6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 常用的三種類型自感式位移傳感器 變氣隙式變面積式螺管式 (a)(b)(c)dx(a)(b)xx(c)6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 為了提高傳感器的靈敏度和精度，增大線性范為了提高傳感器的靈敏度和精度，增大線性范圍，實際上許多傳感器都做成差動式。如圖圍，實際上許多傳感器都做成差動式。如圖4- 4-1616所示，其機械結構相當于兩個上述變氣

22、隙厚所示，其機械結構相當于兩個上述變氣隙厚度元件的組合。輸出特性如圖度元件的組合。輸出特性如圖4-174-17所示。后續(xù)所示。后續(xù)電路采用交流電橋，兩電感式傳感元件，分別電路采用交流電橋，兩電感式傳感元件，分別接到交流電橋相鄰兩臂，形成電橋電路。接到交流電橋相鄰兩臂，形成電橋電路。差動式自感傳感器的輸出特性圖4-16 差動式自感傳感器圖4-17 輸出輸出 iL1-x0+x位移d0d0L2i1i2ZLucL1L2x06.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院電感式接近傳感器（金屬）電感式接近傳感器（金屬）6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技

23、大學機械學院2 2 渦流式渦流式原理原理: :渦流效應渦流效應6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(ZZ =4.4 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院電渦流傳感器電渦流傳感器 電渦流式傳感器的工作原理是基于金屬平板置電渦流式傳感器的工作原理是基于金屬平板置于交變磁場中產生感應電流，這種電流在金屬于交變磁場中產生感應電流，這種電流在金屬平板內自行閉合，稱之為渦流。平板內自行閉合，稱之為渦流。 類型：高頻反射式和低頻透射式類型：高頻反射式和低頻透射式 特點：靈敏度高，分辨率可達特

24、點：靈敏度高，分辨率可達1m1m，頻率范圍，頻率范圍 010kHz010kHz，非接觸式測量和抗干擾性強。，非接觸式測量和抗干擾性強。6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 如圖如圖4-204-20所示，將扁平線圈所示，將扁平線圈1 1置于金置于金屬導體屬導體2 2附近，當線圈中通以正弦附近，當線圈中通以正弦交變電流交變電流i i1 1時，線圈的周圍空間產時，線圈的周圍空間產生正弦交變磁場生正弦交變磁場H H1 1，處于此交變磁，處于此交變磁場中的金屬導體內就會產生渦流場中的金屬導體內就會產生渦流i i2 2，此渦流也將產生交變磁場此渦流也將產生交變磁場H

25、H2 2，H H2 2的的方向與方向與H H1 1的方向相反，由于渦流要的方向相反，由于渦流要消耗一部分能量，從而使線圈的等消耗一部分能量，從而使線圈的等效參數發(fā)生變化，這種變化可用等效參數發(fā)生變化，這種變化可用等效電路作簡化推導效電路作簡化推導。 H1H2i1i212 d圖4-20 電渦流作用原理1線圈；2金屬導體。6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 圖圖4-214-21所示是渦流傳所示是渦流傳感器元件及被測金屬感器元件及被測金屬表面所形成的電磁耦表面所形成的電磁耦合等效電路，它相當合等效電路，它相當于一個變壓器耦合，于一個變壓器耦合，初級為扁平線圈，

26、次初級為扁平線圈，次級為渦電流形成的單級為渦電流形成的單圈線圈。兩線圈分別圈線圈。兩線圈分別可等效為一電阻與電可等效為一電阻與電感的組合感的組合。 圖 4-21 電渦流傳感器的 等效電路R1L1 R2L2 M6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 兩線圈通過磁通耦合，用互感系數兩線圈通過磁通耦合，用互感系數 來表示它們的來表示它們的耦合程度。根據基爾霍夫定律，可寫出方程組耦合程度。根據基爾霍夫定律，可寫出方程組由此方程組求解可得線圈的等效阻抗為由此方程組求解可得線圈的等效阻抗為=+=+0jjjj2222121111ILIRIMEIMILIR)( j)(222

27、2222122222221LRMLLLRMRRZ+=6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 線圈的等效電感為線圈的等效電感為線圈的等效品質因數線圈的等效品質因數 Q Q值為值為式中式中 無渦流影響下線圈的無渦流影響下線圈的Q Q值，值， 金屬導體中產生電渦流部分的阻抗，金屬導體中產生電渦流部分的阻抗，22222221)( LRMLLL+=222212222212011ZMRRZMLLQQ+=0Q110RLQ=2Z2222222LRZ+=6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學

28、院華中科技大學機械學院產品：產品：6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：連續(xù)油管的橢圓度測量案例：連續(xù)油管的橢圓度測量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：無損探傷案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測火車輪檢測油管檢測油管檢測6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2 2 互感型互感型-差動變壓器差動變壓器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感現象互感現象.EwEout6.3 電

29、感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院單螺管線圈型單螺管線圈型螺管線圈差動螺管線圈差動雙螺管線圈差動型雙螺管線圈差動型傳感器測量電路傳感器測量電路4.4 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院差動變壓器差動變壓器測量電路測量電路4.4 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院互感式傳感器互感式傳感器1）工作原理與結構）工作原理與結構 其基本結構與原理和常用變壓器類似，常其基本結構與原理和常用變壓器類似，常稱變壓器式傳感器。與變壓器的不同之處：變稱變壓器式傳感器。與變壓器的不同之處：變壓器是閉合磁路，而差動變壓器是開磁路；

30、前壓器是閉合磁路，而差動變壓器是開磁路；前者原、副邊間的互感系數是常數，而后者的互者原、副邊間的互感系數是常數，而后者的互感系數隨銜鐵移動有相應變化。感系數隨銜鐵移動有相應變化。6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 基本互感傳感器的原基本互感傳感器的原理結構如圖理結構如圖4-184-18所示，所示，線圈線圈W1W1為初級線圈為初級線圈（原邊），線圈（原邊），線圈W2W2為為次級線圈（副邊）。次級線圈（副邊）。當原邊通以交流當原邊通以交流i i1 1時，時，根據變磁通全回路上根據變磁通全回路上磁通的交變變化，而磁通的交變變化，而在副邊上感生感應電在副邊上感生

31、感應電勢，其大小為勢，其大小為 121dieMdt= i1e21 3 圖 4-18 互感式傳感器 1初級線圈； 2鐵芯； 3次級線圈；4銜鐵。 2146.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 如圖如圖4-194-19（a a）、（）、（b b）所示是用以測量直線位移）所示是用以測量直線位移和角位移的兩種差動變壓器，它們具有一個原邊線圈和角位移的兩種差動變壓器，它們具有一個原邊線圈和兩個副邊線圈。根據前述分析，兩次級分別具有感和兩個副邊線圈。根據前述分析，兩次級分別具有感應電動勢，將二電勢相互反接，如圖應電動勢，將二電勢相互反接，如圖4-194-19（c c）所

32、示。）所示。當銜鐵處于中央位置時，若兩次級線圈參數及磁路尺當銜鐵處于中央位置時，若兩次級線圈參數及磁路尺寸相等，即寸相等，即 ，故，故 ；當銜鐵向上運動；當銜鐵向上運動時，時， ，當銜鐵向下運動時，當銜鐵向下運動時， ，其特性如圖，其特性如圖4-194-19（d d）所示。）所示。12ee =00e =12ee12ee (a)直線位移差動變壓器；(b)角度位移差動變壓器；(c)差動工作原理 ；(d)輸出特性。 圖 4-19 差動傳感器 P x W1 W W2 W1 e 0 eo W2 W W W1 W2 e1 e2 eo= e1 e2 P x 鐵芯位置x e1 e2 eo=e1-e2 (a)

33、(b) (c) (d) 6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院差動變壓器位移傳感器差動變壓器位移傳感器6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：案例：板的厚度測量板的厚度測量 6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：案例：張力測量張力測量6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院第第6章、傳感器測量原理章、傳感器測量原理6.4 6.4 電容式傳感器電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測量的變化轉化為電容量變化將被測量的變化轉化為電容量變化兩平行極板組成

34、的電兩平行極板組成的電容器容器, ,它的電容量為它的電容量為: :AC0=+ A 、A A或或發(fā)生變發(fā)生變化時，都會引起化時，都會引起電容的變化。電容的變化。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院（1）優(yōu)點）優(yōu)點高阻抗，小功率，因而僅需要很小的輸入力和很低高阻抗，小功率，因而僅需要很小的輸入力和很低的輸入能量；的輸入能量；可獲得較大的相對改變量，從而具有較高的信噪比可獲得較大的相對改變量，從而具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性；和系統(tǒng)穩(wěn)定性；動態(tài)響應快，能在幾兆赫的頻率下工作；動態(tài)響應快，能在幾兆赫的頻率下工作；結構簡單，應用較廣，可在惡劣環(huán)境中工作；結構簡單，應用較廣，可在惡劣環(huán)境中工作；可以進

35、行非接觸測量?？梢赃M行非接觸測量。（2）缺點）缺點輸出特性非線性較嚴重；輸出特性非線性較嚴重；分布電容影響較大，分布電容不僅降低了轉換效率，分布電容影響較大，分布電容不僅降低了轉換效率，還會引起測量誤差。還會引起測量誤差。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院工作原理及結構工作原理及結構 電容傳感器是將各種被測物理量轉換成電容量變電容傳感器是將各種被測物理量轉換成電容量變化的一種傳感器。其最基本結構形式如圖化的一種傳感器。其最基本結構形式如圖4-224-22所所示。根據物理學中的推導，兩平行平板導體之間示。根據物理學中的推導，兩平行平板導體之間的電容量為的電容量為 極板間介質的相對介電常數極

36、板間介質的相對介電常數； 真空介電常數；真空介電常數； S兩極板間相互覆蓋面積；兩極板間相互覆蓋面積；d d兩極板間的距離。兩極板間的距離。dSC0r= d圖4-22 電容傳感器r06.3.36.3.3電容傳感器電容傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.4 電容式傳感器電容式傳感器 a)a)極距極距變化型變化型+AC0=+華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 圖中（圖中（a a）是最基本的變極距型電容傳感器。定極板固定，動）是最基本的變極距型電容傳感器。定極板固定，動極板隨被測體而移動，這樣就能改變二極板之間的電容量。極板隨被測體而移動，這樣就能改變二極板之間的電容量。 為了提

37、高靈敏度和線性度，以及克服某些外界條件，如電源為了提高靈敏度和線性度，以及克服某些外界條件，如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，常采用差動形式的電容傳感器，電壓、環(huán)境溫度變化的影響，常采用差動形式的電容傳感器，其原理結構如圖其原理結構如圖4-234-23（b b）所示，上下兩極板是固定板，中間）所示，上下兩極板是固定板，中間極板是活動極板。極板是活動極板。 圖圖4-23(d)4-23(d)是一種電容式加速度傳感器。敏感加速度的質量塊是一種電容式加速度傳感器。敏感加速度的質量塊用二彈簧片固定，其上下兩平面為差動式電容器的活動板。用二彈簧片固定，其上下兩平面為差動式電容器的活動板。質量塊感受加速度而產

38、生位移時電容隨之變化。質量塊感受加速度而產生位移時電容隨之變化。 (a)基本變極距型；(b)差動型 ；(c)壓力傳感器 ；(d)加速度傳感器。 圖 4-23 變極距型電容傳感器 P a (a) (b) (c) (d) 可動極板固定極板1可動極板固定極板2固定極板固定極板固定極板華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取料經特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容

39、傳聲器。特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院b)b)面積變化型面積變化型AC0=角位移型角位移型+6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院AC0=平面線位移型平面線位移型6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院柱面線位移型柱面線位移型. .AC0=6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 圖圖4-264-26（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）、（）、（d d）是用以測量線位）

40、是用以測量線位移的電容傳感器元件，圖移的電容傳感器元件，圖4-264-26（e e）是用以測量角位）是用以測量角位移的電容傳感元件，它們都是將位移變?yōu)殡娙萜鞯囊频碾娙輦鞲性鼈兌际菍⑽灰谱優(yōu)殡娙萜鞯南嗷ジ采w面積的變化。為了提高靈敏度，可以采用相互覆蓋面積的變化。為了提高靈敏度，可以采用差動式（差動式（b b）、多片式）、多片式(a)(a)、(e)(e)或多齒式（或多齒式（d d）。因為）。因為在式（在式（4-374-37）中電容的變化是與二極板相互覆蓋面積）中電容的變化是與二極板相互覆蓋面積成線性關系，所以這種方案較之變極距型方案在此成線性關系，所以這種方案較之變極距型方案在此方面有可取之

41、處方面有可取之處。6.3.36.3.3電容傳感器電容傳感器 (a) (b) (c) (d) (e) 圖 4-26 變面積型電容傳感元件 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院c) c) 介質變化型介質變化型AC0=6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 圖圖4-274-27是利用改變介電常是利用改變介電常數的電容傳感元件。數的電容傳感元件。(a)(a)在在兩固定極板間有一介質層兩固定極板間有一介質層通過，介質層的厚度變化通過，介質層的厚度變化或濕度變化均會引起其在或濕度變化均會引起其在極板內的介電常數總的變極板內的介電常數總的變化；化；(b)(b)為工業(yè)上

42、廣泛應用為工業(yè)上廣泛應用的液位計，內外二圓筒作的液位計，內外二圓筒作為電容器的二極板，液位為電容器的二極板，液位的變化引起極板間總的介的變化引起極板間總的介電常數的變化，介電常數電常數的變化，介電常數的變化引起電容的變化，的變化引起電容的變化，從而達到測量厚度、濕度從而達到測量厚度、濕度或液體等物理參數的目的?；蛞后w等物理參數的目的。 圖 4-27 變介電常數電容傳感元件 h x 2 (b) 1 D1 C (a) D2 6.3.36.3.3電容傳感器電容傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院產品產品. .電容式液位傳感器（液位計電容式液位傳感器（液位計/ /料位計）料位計）6.4 電容

43、式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院電容式接近開關電容式接近開關振蕩電路振蕩電路被測物體被測物體 感應電極感應電極被測電容被測電容測量頭構成電容器的一個極板，測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發(fā)生變化，使得和關的介電常數發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .接近開關的檢測物體，接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。6.4 電

44、容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3 3 測量電路測量電路a)a)電橋電路電橋電路 6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院b) b) 諧振電路諧振電路 LCf210=6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院d) d) 運算放大器電路運算放大器電路 6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院動手做：動手做：觀察你計算機上使用的麥觀察你計算機上使用的麥克風，并用它測量你自己克風，并用它測量你自己

45、的聲音，繪出頻譜。的聲音，繪出頻譜。6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院第第6章、傳感器測量原理章、傳感器測量原理6.56.5壓電式傳感器壓電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: :壓電效應壓電效應 +串聯(lián)串聯(lián)+并聯(lián)并聯(lián)某些晶體物質，當沿一定方向對其施加力而使它變某些晶體物質，當沿一定方向對其施加力而使它變形時，內部就產生極化現象，在它們的表面會產生形時，內部就產生極化現象，在它們的表面會產生電荷；當外力除去后，又重新恢復不帶電狀態(tài)，這電荷；當外力除去后，又重新恢復不帶電狀態(tài)，這種現象稱為種現象稱為“正壓電效應正壓電效應”。壓電式傳感器就是利。壓電式傳感器

46、就是利用了物質的用了物質的“正壓電效應正壓電效應”，通常均簡稱壓電效應。，通常均簡稱壓電效應。F+q=DF華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 1) 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷傳感器。同時，它也是一個電容器，晶體上一個電荷傳感器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質等效于一種電介質，則其電容量為間物質等效于一種電介質，則其電容量為dAC0ra=華中科技大學機械學院華中科技大學機械學

47、院 壓電傳感器可以等效為壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電一個與電容相串聯(lián)的電壓源壓源 壓電傳感器也可以等壓電傳感器也可以等效為一個電荷源效為一個電荷源 圖 4-37 壓電傳感器的等效電路 Ua (a)電壓源 ；(b)電荷源。 (a) (b) Q Ca Ca6.3.4 6.3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6.5壓電式傳感器壓電式傳感器 2 2、測量電路、測量電路 壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經過阻抗變換后，方可輸

48、入到后續(xù)顯示儀表中。過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2) 電壓放大器電壓放大器 壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需接入一個高量較小，因此它的測量電路通常需接入一個高輸入阻抗的前置放大器。根據壓電傳感器的等輸入阻抗的前置放大器。根據壓電傳感器的等效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷，效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷，因此前置放大器有兩種形式：因此前置放大器有兩種形式：電壓放大器和電電壓放大器和電荷放大器。荷放大器。 電壓前置放大器（阻抗變換器）的作用是電壓前置放大器（

49、阻抗變換器）的作用是將壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?，將壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩梗弘妭鞲衅鞯奈⑷蹼妷盒盘柗糯?。并將壓電傳感器的微弱電壓信號放大?.3.4 6.3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 電壓放大器電路原理圖及其等效電路。等效電阻等效電阻R為為 ：等效電容等效電容C為：為： 圖 4-39 電壓放大器電路原理及其等效電路圖 (a) (b) (a)放大器電路 ；(b)輸入端簡化等效電路。 Ca Cc Ua Ra Ci Ri Ui A Uo Ua C R Ca Uo Ui A iaiaRRRRR+=icaCCCC+=6.3.4 6

50、.3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 若壓電元件受正弦力若壓電元件受正弦力F F= =F Fm msinsintt 的作用，則其的作用，則其電壓為電壓為 式中式中 U Um m壓電元件輸出電壓幅值，壓電元件輸出電壓幅值，U Um m= =dFdFm m/ /C Ca a ；d d壓電系數。壓電系數。由此可求得放大器輸入端電壓，其復數形式由此可求得放大器輸入端電壓，其復數形式tUtCdFUasinsinmma=)(j1j)(j1jaicaiCCCRRdFCCRRdFU+=+=6.3.4 6.3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械

51、學院放大器輸入端電壓的幅值及與所測作用力的相位差放大器輸入端電壓的幅值及與所測作用力的相位差將由下式表示，即將由下式表示，即 在理想情況下，在理想情況下，R Ra a、R Ri i 都為無限大，即都為無限大，即 R R（C Cc c+ +C Ci i+ +C Ca a）11，那么由式（，那么由式（4-494-49），放大），放大器輸入端的電壓器輸入端的電壓U Usrmsrm為為 表明表明U Usrmsrm與被測頻率與被測頻率 無關。無關。+=+=)(arctg2)(1aic2aic22msrmCCCRCCCRRdFUaicmsrmCCCdFU+=6.3.4 6.3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器

52、華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3) 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，它電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，它實際上是一個具有深度電容負反饋的高增益運實際上是一個具有深度電容負反饋的高增益運算放大器，當略去算放大器，當略去R Ra a和和R Ri i后，電荷放大器可用后，電荷放大器可用圖圖4-404-40表示。表示。 C CF F為電荷放大器反饋電容，為電荷放大器反饋電容，R RF F為并在反饋電容為并在反饋電容兩端的漏電阻。兩端的漏電阻。 圖 4-40 電荷放大器等效電路 Cc Q Ci Ui A Uo Ca CF RF 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 電荷放大器輸出電壓為電荷放大器輸出電壓為通常通常A A=10=104 410106 6，故式中，故式中所以所以由上式可知，電荷放大器的輸出電壓由上式可知，電荷放大器的輸出電壓 與電纜電容與電纜電容C Cc c無關，而與無