第三章現(xiàn)代傳感器技術(shù)-電阻電容電感傳感器

1、2022-4-281現(xiàn)代傳感器技術(shù)現(xiàn)代傳感器技術(shù)面向物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)面向物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)第二篇第二篇 基本感測(cè)原理和效應(yīng)及器件基本感測(cè)原理和效應(yīng)及器件 -基本電參量的傳感原理與測(cè)量基本電參量的傳感原理與測(cè)量 2022-4-2823. 基本電參量的傳感原理與測(cè)量基本電參量的傳感原理與測(cè)量 基本電參量傳感與測(cè)量方法的重要性基本電參量傳感與測(cè)量方法的重要性 信息系統(tǒng)中尤其是計(jì)算機(jī)處理的信息主要是電信息； 許多傳感器能通過多種變換把被測(cè)量或其變化轉(zhuǎn)換成電 阻、電容、電感、電流、電壓等基本電參量； 測(cè)量電壓、電流、頻率等電信號(hào)的方法與技術(shù)相對(duì)成 熟、易實(shí)現(xiàn)； 制作電阻、電容器件的許多材料具有敏感功能； 以磁場(chǎng)為媒介

2、，一些物理量能使電感線圈的參數(shù)變化從 而感知被測(cè)量； 電阻、電容及電感容易與后接電路耦合，從而也容易借 助對(duì)電壓、電流、頻率等電信號(hào)的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)這三種電 量的測(cè)量。2022-4-2833.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量 3.1.1電阻傳感原理與器件電阻傳感原理與器件原理原理： 通過各種途徑或方式（如受力作用、加熱、冷卻），可將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值變化，測(cè)量阻值變化而得到被測(cè)量。 器件： 敏感電阻，品種類型很多； 特點(diǎn)： 作為敏感元件或轉(zhuǎn)換元件的電阻對(duì)不同參量敏感的原理或方式雖有差異，但都存在確定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 2022-4-2843.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的

3、測(cè)量 3.1.2 電阻測(cè)量方法電阻測(cè)量方法重要性重要性：以電阻實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確感知，要求準(zhǔn)確測(cè)量敏感電阻阻 值及其變化； 測(cè)量方法測(cè)量方法：按阻值大小分類，選用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法。 電阻可分為低阻(毫歐約10)、中阻(10100 k)、高 阻（兆歐級(jí)）、超高阻值（109以上）。 一般中高阻值的測(cè)量常用伏安法； 低阻值的測(cè)量需要能克服被測(cè)電阻引線電阻和接觸電阻的 影響的方法； 超高阻值的測(cè)量常用基于電容充電原理的測(cè)量方法，例如 采用運(yùn)算放大器與數(shù)字測(cè)量結(jié)合的方法。 對(duì)于高精度要求，無論恒壓或恒流激勵(lì)，都需考慮電源穩(wěn) 定性的影響。2022-4-2853.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量3.1.3

4、電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 1）應(yīng)考慮的主要問題與對(duì)策）應(yīng)考慮的主要問題與對(duì)策 電阻自熱電阻自熱：自熱導(dǎo)致阻值變化，影響分辨率或測(cè)量精度； 需控制工作電流或散熱，具體通過對(duì)發(fā)熱導(dǎo)致的允許溫升 來計(jì)算控制電流大小或所需散熱條件。 引線電阻引線電阻：影響對(duì)小電阻測(cè)量的準(zhǔn)確性；使用三、四線制元件，電流源的輸出阻抗和電壓表的輸入阻抗足夠大； 非線性非線性：導(dǎo)致測(cè)量的非線性誤差； 可通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電阻的非 線性變化進(jìn)行線性化。 傳感器引線電阻的影響 2022-4-2863.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般

5、方法）一般方法 偏轉(zhuǎn)法偏轉(zhuǎn)法：用恒壓源供電測(cè)量電阻電流，或用恒流源供電測(cè)量電阻電壓；兩者是最簡(jiǎn)單的偏轉(zhuǎn)法。 右圖為恒流激勵(lì)電阻測(cè)量法恒流激勵(lì)電阻測(cè)量法，給定激勵(lì)電壓Ur，參考電阻Rr的電流Ir = Ur /Rr，傳感電阻的電壓為 Uo與初值為Ro的傳感電阻R的變化率x 呈線性關(guān)系，但存在零位電壓UrRo/Rr。 若x1，則對(duì)應(yīng)x的輸出疊加在一個(gè)大零位電壓上。 該電路適合x較大的情況，如熱敏電阻等。roror(1)UUI RRxR3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-2873.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般方法）一般

6、方法 若通過調(diào)理電路從輸出中減去零位電壓，如取RrRo，則 從Uo中減去IrRr得到輸出：Us= UoIrRr= Ur(1+x)Ur= Urx 偏轉(zhuǎn)法中的雙讀數(shù)雙讀數(shù) (比例比例)法法- 先讀固定電阻端電壓Ur=IRr； 再讀串接的待測(cè)電阻端電壓Uo=IRo；計(jì)算可得： 若RrRo，則兩次讀數(shù)的電壓表誤差相似， 并且在取商時(shí)誤差將相互抵消。通常在測(cè)量 范圍內(nèi)，選擇Rr=Rmax。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量時(shí)只需一個(gè)精密電阻元件。oror/RRUU恒流激勵(lì)的電阻測(cè)量雙讀數(shù)法 3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-2883.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常

7、見問題與一般方法 2）一般方法）一般方法 分壓法分壓法： 常用于測(cè)阻值變化范圍很大的傳感器及非線性敏感電阻。 檢測(cè)方法如圖所示，其中圖（a）的輸出電壓： 傳感器電阻值 若R與Rr交換位置，則 分壓電路中的電流與被測(cè)電阻有關(guān)， 輸出電壓與電阻不是線性關(guān)系。 此特性有時(shí)可用于非線性傳感器的非線性校正。rorrUURRRroroUURRUorroURRUU測(cè)量電阻的分壓器法 3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-2893.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般方法）一般方法 分壓法分壓法： 上圖（b）所示分壓器電路的優(yōu)點(diǎn)是有源電

8、路的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能 力強(qiáng)，與下一級(jí)電路連接方便，傳感器電阻上的電壓降就 是激勵(lì)電壓Ur，不會(huì)隨傳感器的電阻變化而改變。 同樣，R與Rr交換位置，得到輸出與R變化率x的線性關(guān)系 顯然，在x很小時(shí)，測(cè)量效果受零位電壓影響。 分壓器法一般不適于測(cè)電阻變化范圍很小(x1)的情況。rroorr(1)UUURRxRR3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-28103.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般方法）一般方法 電橋法電橋法：惠斯通電橋常用于測(cè)量小阻值變化。 最簡(jiǎn)方法即平衡測(cè)量法（零示法），利用電動(dòng)或手動(dòng)反饋 來調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電阻大小，直

9、到圖中電橋平衡，即Uo=0，此時(shí) 即被測(cè)的R3的變化正好與為使電橋 平衡而須調(diào)節(jié)的R4的變化成正比。 達(dá)到上式所反映的平衡態(tài)與電源電 壓或電流及其可能變化無關(guān)，與平 衡態(tài)檢測(cè)器的類型（電壓或電流）或檢測(cè)器的阻抗也無關(guān)。由于僅需指示平衡，檢測(cè)器無需線性。 3421/RR RR惠斯通電橋的平衡測(cè)量法 3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-28113.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般方法）一般方法 電橋法電橋法 對(duì)遠(yuǎn)距離使用的傳感器進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)，須考慮引線電阻的影響。 一些電阻溫度系數(shù)很小的導(dǎo)體，如康銅和錳銅，其電阻率

10、 高，而銅導(dǎo)線電阻率低，但電阻溫度系數(shù)大，溫度變化可 帶來顯著誤差。 采用右圖所示三引線法可克服此 問題，其引線1和3須相同且經(jīng)受 相同溫度變化。引線2則無關(guān)緊要。 用前述四引線法可完全克服引線影 響，但成本相對(duì)增加?；菟雇姌虻娜€平衡測(cè)量法 3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-28123.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般方法）一般方法 平衡測(cè)量法/零示法的缺點(diǎn)：電橋平衡的反饋調(diào)節(jié)困難。 用數(shù)字系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)，但響應(yīng)時(shí)間難滿足動(dòng)態(tài)要求。 測(cè)控系統(tǒng)中惠斯通電橋常用不平衡輸出方式不平衡輸出方式，測(cè)量不平 衡輸出，

11、也即電橋兩個(gè)分壓電路之間的電壓差： 定義： ，則 其電壓靈敏度為34occ2314()RRUURRRR1423R /kRRRo4occoo44(1)(1)RxRUUR kRxR kR cc(1)(1)kxUkkx occcc2dddd(1)(1)(1)kxkSUUUxxkkxkx3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-28133.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般方法）一般方法 顯然，靈敏度與x有關(guān)。僅當(dāng)xk+1時(shí)，輸出電壓才與 R3=Ro(1+x)的變化成正比，否則電路給出非線性輸出。 如圖所示，x0時(shí)有最高靈敏度 不

12、難證明，k1時(shí)，也即 R1=R4且R2=R3時(shí)，S0取最大值。 在基于應(yīng)變電阻的傳感器中x很 少超過0.02，因此，惠斯通的電 橋輸出可近似為線性。通常選k=l得到高靈敏度。occ002ood1|d()(1)xUU kSxRRk3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-28143.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般方法）一般方法 不平衡電橋的非線性補(bǔ)償方法不平衡電橋的非線性補(bǔ)償方法:差動(dòng)測(cè)量差動(dòng)測(cè)量 為提高靈敏度和補(bǔ)償非線性，常用如圖所示的差動(dòng)電橋差動(dòng)電橋。 圖（a）為半橋差動(dòng)電路（|R2|R1|，平衡即應(yīng)變?yōu)榱?時(shí)R1R

13、2），輸出電壓為 k1時(shí)， 輸出為線性，且靈敏度提高一倍。311occ112234111ccc1()1/1()(1)111 cRRRUURRRRRRRRRkUUkkkkR1occ112RUUR3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-28153.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般方法）一般方法 不平衡電橋的非線性補(bǔ)償方法不平衡電橋的非線性補(bǔ)償方法:差動(dòng)差動(dòng) 上圖（b）為全橋差動(dòng)電路(|R2|R1|R3|R4|）, R1R2R3R4。輸出電壓為 顯然，全橋差動(dòng)電路的輸出也為線性，且靈敏度比半橋式 高一倍。33111occcc

14、112233441() RRRRRUUURRRRRRRRR3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-28163.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般方法）一般方法 非線性問題：非線性問題：對(duì)電阻式溫度、濕度及氣體傳感器，x可接近 1或更大，k=1的電橋非線性嚴(yán)重。如Ptl00熱電阻從0 變 到100 時(shí)，阻值從100 變到140 。 對(duì)策對(duì)策1：犧牲靈敏度換線性，如k=10或更大，并提高供電 電壓以提高靈敏度；受傳感器自熱限制，實(shí)際中宜用小占 空比的矩形電壓作激勵(lì)信號(hào)。 對(duì)策對(duì)策2：用模擬或數(shù)字技術(shù)對(duì)輸出做線性 化。右圖用運(yùn)

15、算放大器使電橋輸出呈線 性。負(fù)面影響是運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、 輸入電流及漂移等引入的測(cè)量誤差。線性化的惠斯通電橋 3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022-4-28173.1.3 電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法電阻測(cè)量需考慮的常見問題與一般方法 2）一般方法）一般方法 一般地，電阻式傳感器的檢測(cè)電路以模擬電路為主。雖也 有一些采用數(shù)字電路組成如RC振蕩器的形式，但一般難以 達(dá)到較高精度。隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，利用數(shù)字/模 擬集成電路芯片無疑將為提高電阻式傳感器的檢測(cè)精度及 降低成本帶來益處?；贏DC的比值測(cè)量電路 3.1 電阻傳感與電阻的測(cè)量電阻傳感與電阻的測(cè)量2022

16、-4-28183.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量 3.2.1 電容器與傳感原理電容器與傳感原理 電容器電容器：最簡(jiǎn)單的電容由兩塊平行金屬板組成，中間用電 介質(zhì)或絕緣材料隔開，其電容量為 C=0 A/d 式中，0為真空中的介電常數(shù)，0=8.85 pF/m；為電介質(zhì) 或絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)；A為極板的重疊面積（m2）; d為間隔的距離（m）。 傳感原理傳感原理：設(shè)傳感器的初始電容如上式所示為C，顯然，改 變d、A、中的任意一個(gè)，都可使C變化，從而形成可測(cè)量 與某個(gè)參數(shù)有關(guān)的傳感器。2022-4-2819 3.2.2 電容傳感器的傳感型式電容傳感器的傳感型式-以位移傳感為例以位移傳感為例

17、(1) 位移x使極板間距為dx，即極板間隙變化x，傳感器電容 Cx=0A /(dx) 電容量的相對(duì)變化為: 當(dāng)x/d1）的數(shù)量，總電容 為兩部分之和，其中一部分面積為A1，介電常數(shù)為2，即 C=01A1/d +02A2/d 當(dāng)W是極板有效寬度時(shí)，由于A1=Wx，A2=W(1x)，于是有 C=0W0l (21) x /d 特點(diǎn)特點(diǎn)：對(duì)于變電介質(zhì)的電容位移傳感器，傳感器電容變化 與輸入位移呈線性關(guān)系。3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2821 3.2.3 傳感器結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)傳感器結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)1 1）作用形式）作用形式 直接作用式直接作用式：傳感器即電容變換器，不需彈性元

18、件，直接 感受被測(cè)量。例如引起電容兩極板之間介質(zhì)的介電常數(shù)變 化的因素可以是介質(zhì)含水量、介質(zhì)厚度或高度，從而構(gòu)成 含水量、物位高度、介質(zhì)厚度測(cè)量的傳感器。 間接作用式間接作用式：電容傳感器由彈性元件與電容變換器組成。 由敏感元件感受被測(cè)量，輸出中間變量，如極板間距變化 或有效面積變化，電容變換器再將中間變量轉(zhuǎn)換為電容變 化輸出。根據(jù)彈性元件的不同，可構(gòu)成壓力、位移、加速 度等傳感器。3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2822 3.2.3 傳感器結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)傳感器結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn) 2）典型示例）典型示例: 差動(dòng)電容式壓差傳感器-典型間接作用式、結(jié)構(gòu)型。 當(dāng)兩隔膜外的壓力p

19、1=p2時(shí)，動(dòng)極（彈性膜片）與左右定極 間距相同，初始最大間距0，電容C1=C2=C0。當(dāng)p1p2， 即壓差作用，通過隔膜與硅油將壓力傳遞給彈性膜片，彈 性膜片（動(dòng)電極）產(chǎn)生撓曲變形，引起動(dòng)、固極間隙改變 ，值很小，可認(rèn)為=Klp 式中，K1為比例常數(shù)，p為 壓差，p=p1 p2。 若p2為大氣壓，則p為表壓， 若p2為保持常量的真空壓力， p2=p真，則p為絕對(duì)壓力。差動(dòng)式電容壓差傳感器 3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2823 3.2.3 傳感器結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)傳感器結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn) 2）典型示例）典型示例: 彈性膜片與左右極板間距由0分別變?yōu)?和 時(shí)： 式中常數(shù)K2

20、由電容器極板面積和介電常數(shù)決定。 將上兩式展開為 可得出輸入壓差p與輸出電容C/C0的關(guān)系為 式中K3=Kl/0為常數(shù)，測(cè)量C/C0可得p 。2100KCCC 2200KCCC 231000001()()CCCC232000001()()CCCC 211302100CCKCpKpCCC 3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2824 3.2.4 電容參數(shù)的測(cè)量電容參數(shù)的測(cè)量 1 1）一般方法）一般方法 將電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓、頻率、脈寬等的變化來測(cè)量 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電路和測(cè)法簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)高精度。 例如將傳感電容作為RC振蕩器的電容。但簡(jiǎn)單的檢測(cè)電路 一般易受漏電阻或寄生電容影

21、響，不適于變化很小的電 容，其應(yīng)用范圍有限，用于低精度的場(chǎng)合。 電容器等效電路電容器等效電路：如圖，C為傳感電容； Rp為電極間等效 漏電阻(等效并聯(lián)電阻)；Rs為等效串聯(lián)電阻；L為等效電感. 測(cè)量電路要求：測(cè)量電路要求：因一般電容傳感器 的電容變化范圍太小，檢測(cè)電路的 分辨率應(yīng)達(dá)fF級(jí)，須高靈敏度、低 漂移。3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2825 3.2.4 電容參數(shù)的測(cè)量電容參數(shù)的測(cè)量2 2）影響電容測(cè)量的主要因素）影響電容測(cè)量的主要因素(1)(1)激勵(lì)頻率激勵(lì)頻率：低頻時(shí)電容器呈電阻特性、高頻呈容性和感性，激勵(lì)頻率高，對(duì)測(cè)量電路輸入阻抗的要求低，利于測(cè)量，但過

22、高時(shí)對(duì)電路要求高、功耗相對(duì)大；頻率應(yīng)適中。(2)(2)激勵(lì)頻率激勵(lì)頻率: :常用方波，但其響應(yīng)輸出帶寬比激勵(lì)信號(hào)頻率高10倍以上，而其他波形的響應(yīng)輸出帶寬一般為1/2、1/3，以正弦波為激勵(lì)，測(cè)量精度高，但功耗也高；(3) 連接電纜連接電纜/導(dǎo)線帶來的寄生電容（分布式）導(dǎo)線帶來的寄生電容（分布式）：寄生電容與傳感電容并聯(lián)，且容量可能與信號(hào)電容平級(jí)或更大，影響很大。對(duì)策：盡量縮短連線。測(cè)量電容的電路主要有各種振蕩器、電橋、充/放電等，從克服寄生電容影響和微型化及其他性能要求考慮，以集成化方式實(shí)現(xiàn)為最好。 3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-28263.2.4 電容參數(shù)的測(cè)量

23、電容參數(shù)的測(cè)量 3 3）便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路）便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路 (1) 振蕩器式檢測(cè)電路振蕩器式檢測(cè)電路 原理原理：使振蕩器頻率受敏感電容控制，轉(zhuǎn)換為測(cè)頻問題； 常用類型常用類型：RC振蕩器式和LC振蕩器式。 RC式特點(diǎn)式特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，但頻率穩(wěn)定性不高、靈 敏度較低，不適于分辨率高于0.01pF的場(chǎng)合。 RC張弛振蕩器將電容轉(zhuǎn)為頻率或脈寬，但 易受雜散或電纜電容影響。 將張弛振蕩器與數(shù)字電路結(jié)合， 使抑制高、低頻干擾能力強(qiáng)、振 蕩頻率穩(wěn)定，不受寄生電容影響， 有效提高精度。RC張弛振蕩器電路 張弛振蕩器與數(shù)字邏輯電路結(jié)合 3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2

24、022-4-2827 3.2.4 電容參數(shù)的測(cè)量電容參數(shù)的測(cè)量 3) 3) 便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路 (1) 振蕩器式檢測(cè)電路振蕩器式檢測(cè)電路 LC振蕩器振蕩器：輸出頻率可表示為 特點(diǎn)特點(diǎn)：工作頻率范圍很寬，在數(shù) 百千赫到數(shù)百兆赫之間，相對(duì)RC振蕩器有明顯優(yōu)勢(shì)。 振蕩頻率對(duì)與傳感電容并聯(lián)的漏電阻不敏感，適于漏電阻 較高的場(chǎng)合；缺點(diǎn)是分布電容影響，電感元件難以集成。0 xxs2() ffCCCLC振蕩器 3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2828 3.2.4 電容參數(shù)的測(cè)量電容參數(shù)的測(cè)量 3) 3) 便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路

25、便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路 (2) 充充/ /放電式電路放電式電路 測(cè)量原理測(cè)量原理：利用方波控制電路電路中的模擬開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì) 被測(cè)電容的充/放電控制，形成受控的波形寬度。 下圖為典型充/放電式電路。其中Cx為被測(cè)電容，Cs1、Cs2 為寄生電容。用方波控制開關(guān)S1S4的狀態(tài)(S1與S4同開、 關(guān)，S2與S3同關(guān)、開)實(shí)現(xiàn)對(duì)Cx充/放電循環(huán)的控制。一個(gè)方 波信號(hào)周期一次充/放電循環(huán)。3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2829 3.2.4 電容參數(shù)的測(cè)量電容參數(shù)的測(cè)量 3) 3) 便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路 (2) 充充/ /放

26、電式電路放電式電路 上圖中，若后續(xù)差動(dòng)放大器增益為K，則輸出電壓為 U3K(U2U1)=2KfUcCxRf +K(e2el) U3與被測(cè)電容Cx成正比。e2與el可一定程度上抵消，輸出零位電壓不會(huì)很大。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：對(duì)Cs1、Cs2不敏感，其測(cè)量精度可達(dá)0.3fF。 Csl充電時(shí)接充電電源Uc，放電時(shí)接地，均不影響充/放電電流；運(yùn)放的虛地特性使Cs2不影響充/放電電流。 不足不足：電路性能受CMOS開關(guān)本身特性的限制。 開關(guān)的寄生電容與Cx串聯(lián)，對(duì)測(cè)量的影響無法避免； 電子開關(guān)切換噪聲限制了電路性能的提高。3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2830 3.2.4 電容參數(shù)的

27、測(cè)量電容參數(shù)的測(cè)量 3) 3) 便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路 (2) 充充/ /放電式電路放電式電路 充/放電式檢測(cè)電路的一種實(shí)現(xiàn)方式一種實(shí)現(xiàn)方式：如圖所示電路包括放 器、比較器、電容Coff、Cint以及由基本張弛振蕩器轉(zhuǎn)化來 的可控電流源Ich。激勵(lì)電壓Uex為被測(cè)電容提供充電電壓。 張弛振蕩器將Cx及Coff上的充電電荷轉(zhuǎn)換為周期調(diào)制的輸出3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2831 3.2.4 電容參數(shù)的測(cè)量電容參數(shù)的測(cè)量 3) 3) 便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路 (2) 充充/ /放電式電路

28、放電式電路 測(cè)量Cx需充電與放電兩個(gè)周期。下圖為兩個(gè)周期的情況。3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2832 3.2.4 電容參數(shù)的測(cè)量電容參數(shù)的測(cè)量 3) 3) 便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路 (2) 充充/ /放電式電路放電式電路 橋式檢測(cè)電路：橋式檢測(cè)電路：與電阻電橋測(cè)量法類似，用分壓法測(cè)容抗 圖示電路采用電荷放大器，恒定電壓加在敏感電容Cx上。 由反饋電容C將流過Cx的電流轉(zhuǎn)為電壓。忽略R及雜散電容 Cs3的影響，輸出電壓與傳感電容成正比，即Uo=UeCx/C 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：雜散電容Cs1和Cs2不影響電路輸出抑制寄生電容的 能力較強(qiáng)

29、，分辨率較高；但大的Cs2 可能引起振蕩。屏蔽可降低Cs3。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，需穩(wěn)幅的激勵(lì) 源及采用高品質(zhì)運(yùn)放?；陔姾煞糯笃鞯碾娙輽z測(cè)電路 3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2833 3.2.4 電容參數(shù)的測(cè)量電容參數(shù)的測(cè)量 3) 3) 便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路便于微型化和集成化的電容檢測(cè)電路 (2) 充充/ /放電式電路放電式電路 一種全橋式電路一種全橋式電路：Cr:參考電容， Cx:可變電容。Cx經(jīng)運(yùn)放 電路和Cr分別接穩(wěn)頻穩(wěn)幅正弦激勵(lì)。 R3一端接地，測(cè)試點(diǎn) 1為虛地，輸入電壓經(jīng)反向放大得輸出：U2=-UppR2/R1 過Cx和Cr的電流分別為 ，

30、當(dāng)Cx=CrR1R21時(shí)，I為零； I 正比于Cx的變化。 經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換得： 式中，K為常數(shù)。11RjwCIxPP/2RU 112pprx21j ()IIIUCC R R1opprx21j ()UIKUCC R RK 12RjwCIPP/2rRU 3.2 電容傳感與電容測(cè)量電容傳感與電容測(cè)量2022-4-2834 3.3.1 電感傳感原理電感傳感原理基本原理：基本原理：以磁場(chǎng)為媒介或基于電磁感應(yīng)，利用被測(cè)量產(chǎn)生或引起的磁阻變化使傳感線圈的電感變化來實(shí)現(xiàn)感測(cè)。傳感器核心是可變電感（自感/互感），其特征是有線圈繞組，因而難以微型化，使電感傳感器在微傳感器中少見。 測(cè)量特點(diǎn)：測(cè)量特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)電感的作

31、用方式屬于間接式；除了能感測(cè)可通過機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成位移的非電量外，也可測(cè)量能借助磁特性變化引起線圈電感變化的參量。性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境要求不高，靈敏度和分辨力較高，傳感器輸出信號(hào)強(qiáng)，線性度和重復(fù)性較好；但頻率響應(yīng)低、不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)量、尺寸因線圈限制難以減小。 3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量2022-4-2835 3.3.1 電感傳感原理電感傳感原理1 1）自感式傳感器工作原理與類型）自感式傳感器工作原理與類型- -以位移傳感器為例 N匝線圈通電流I產(chǎn)生的磁鏈與I之比稱為線圈的電感量，簡(jiǎn)稱自感L(=/I=N/I) ；其中為穿過每匝線圈的磁

32、通。根據(jù)磁路的歐姆定律有=NI/Rm, 其中Rm為此路的總磁阻因此得自感L=N2/Rm。可見：將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)化成自感變化，在線圈形狀及線圈匝數(shù)不變的情況下，可通過變磁阻實(shí)現(xiàn)自感系數(shù)變化。(1) 變氣隙型自感式傳感器及性能特點(diǎn)變氣隙型自感式傳感器及性能特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：閉磁路變氣隙型自感傳感器結(jié)構(gòu)如圖示，主要由線 圈、銜鐵和鐵芯等部分組成。 原理原理：傳感器的銜鐵因被測(cè)體帶動(dòng)而產(chǎn)生同步位移時(shí)，引起磁路中氣隙磁阻相應(yīng)變化，導(dǎo)致線圈電感變化。3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量2022-4-28363.3.1 電感傳感原理電感傳感原理1 1）自感式傳感器工作原理與類型）自感式傳感器工作原

33、理與類型- -以位移傳感器為例(1) 變氣隙型自感式傳感器及性能特點(diǎn)變氣隙型自感式傳感器及性能特點(diǎn) 磁路的總磁阻可表示為: 式中，S0為空氣隙的等效截面積/cm2; 0為空氣（或真空）的磁導(dǎo)率/H/cm； 0為第i段的磁導(dǎo)率/H/cm； Si為鐵芯磁路第i段的截面積/cm2； i為鐵芯磁路上第i段的長(zhǎng)度/cm； 為空氣隙的厚度/cm；Rm為磁路磁阻/。 鐵芯工作在非飽和態(tài)時(shí)，由上式知N匝線 圈的電感量近似為: L=N20 S0/(2)m1000022niiiiRSSS1-鐵芯; 2-銜鐵; 3-線圈變氣隙型自感式傳感器 3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量2022-4-28373.3.

34、1 電感傳感原理電感傳感原理1 1）自感式傳感器工作原理與類型）自感式傳感器工作原理與類型- -以位移傳感器為例(1) 變氣隙型自感式傳感器及性能特點(diǎn)變氣隙型自感式傳感器及性能特點(diǎn) 可知，傳感的電感與氣隙大小成反比，與氣隙導(dǎo)磁面積成正比。將電感變化轉(zhuǎn)化為阻抗變化，通過電路再轉(zhuǎn)換為電壓、電流變化，可得到對(duì)應(yīng)氣隙變化的被測(cè)位移量。特點(diǎn)特點(diǎn)：靈敏度高，但非線性嚴(yán)重，只能用于小位移測(cè)量。(2) (2) 氣隙面積變化型自感式傳感器氣隙面積變化型自感式傳感器 當(dāng)固定，改變氣隙導(dǎo)磁面積S0時(shí)， L與S0呈線性關(guān)系。變面積型的結(jié)構(gòu)如右圖所示。 氣隙面積變化型自感式傳感器 3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電

35、感測(cè)量2022-4-28383.3.1 電感傳感原理電感傳感原理1 1）自感式傳感器工作原理與類型）自感式傳感器工作原理與類型（以位移傳感器為例）(3) 螺管型自感式傳感器螺管型自感式傳感器 在傳感器的螺管線圈中插入一活動(dòng)銜鐵，銜鐵在螺管中運(yùn) 動(dòng)時(shí)磁阻變化引起L變化。該類傳感器實(shí)際常用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。 如圖所示，將鐵芯置于兩個(gè)線圈中間，當(dāng) 鐵芯移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感產(chǎn)生相反方 向的增減，然后將兩個(gè)電感接入測(cè)量電橋 的相鄰橋臂，可獲得比單線圈工作方式更 高的靈敏度和更好的線性度。差動(dòng)螺管型自感式傳感器 3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量2022-4-28393.3.1 電感傳感原理電感傳感原

36、理2 2）互感式傳感器工作原理互感式傳感器工作原理-以位移傳感器為例基本原理基本原理：電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。如圖所示，當(dāng)線圈W1輸入交流電流i1時(shí)，線圈W2中產(chǎn)生正比于i1的變化率的感應(yīng)電勢(shì)e12，即: e12= -Mdi/dtM為互感，是線圈W1和W2之間耦合程度的度量，其大小與兩線圈的相對(duì)位置及磁路的磁阻或周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率等有關(guān)。互感式傳感器互感式傳感器實(shí)質(zhì)是變壓器，其一次線圈接穩(wěn)定的交流激勵(lì)，二次線圈因感應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)輸出；被測(cè)位移或轉(zhuǎn)角等使互感變化，輸出電壓隨之變化。二次側(cè)常用兩個(gè)線圈反串聯(lián)接成差動(dòng)形式，這種傳感器又稱差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器。3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量202

37、2-4-28403.3.1 電感傳感原理電感傳感原理2 2）互感式傳感器工作原理互感式傳感器工作原理 （以位移傳感器為例）實(shí)用較多的是圖（a）所示螺管式差動(dòng)變壓器。其線圈連接方式如圖（b）所示。當(dāng)一次線圈W加正弦交流電壓Ui后，二次線圈的感應(yīng)電勢(shì)e1和e2與鐵芯在線圈中的位置有關(guān)。鐵芯居中時(shí)，e1=e2，輸出eo=e1e2=0；鐵芯上移，|e1|e2|；反之，|e2|e1|；上述兩種情況下eo的相位相差180，其幅值隨鐵芯位移x的變化而變化，如圖（c）所示。3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量2022-4-2841 3.3.1 電感傳感原理電感傳感原理 2 2）互感式傳感器工作原理互感

38、式傳感器工作原理 （以位移傳感器為例）零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓(零殘零殘)：實(shí)際中鐵芯居中時(shí)eoU0，不為零,U0即零殘。傳感器實(shí)際輸出特性如圖(c)中d的實(shí)線，虛線為理想特性。原因原因：兩二次線圈的參數(shù)不可能完全相同、制作結(jié)構(gòu)不對(duì)稱以及鐵芯的磁化曲線有非線性。零點(diǎn)殘余電壓使傳感器在零點(diǎn)附近不靈敏，并可能使后接放大器提前飽和，可能使某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生誤動(dòng)作。對(duì)策對(duì)策：有各種補(bǔ)償電路，其中差動(dòng)變壓器輸出端接相敏檢波電路，可判斷鐵芯位移方向，也能消除零點(diǎn)殘余電壓。3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量2022-4-2842 3.3.1 電感傳感原理電感傳感原理3 3）電渦流式傳感器原理電渦流式

39、傳感器原理概念概念：金屬導(dǎo)體置于變化磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種在導(dǎo)體內(nèi)是自身閉合的電流稱為電渦流或渦流。傳感器特點(diǎn)傳感器特點(diǎn)：渦流傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，廣泛用于位移、振動(dòng)和材料參數(shù)等的測(cè)量及無損探傷。其突出的是可對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行非接觸連續(xù)測(cè)量。其測(cè)量范圍和精度取決于傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)及勵(lì)磁頻率等因素。傳感器類型傳感器類型：高頻反射式和低頻透射式。高頻反射式常用來測(cè)位移、振動(dòng)等物理量；低頻透射式多用于材料厚度測(cè)量。3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量2022-4-2843 3.3.1 電感傳感原理電感傳感原理3 3）電渦流式傳感器原理電渦流式傳感器原

40、理反射式渦流傳感原理反射式渦流傳感原理：線圈中通交變電流i產(chǎn)生的磁通使得線圈附近、相距x的金屬板表層內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流即渦流i1。根據(jù)楞次定律，渦流產(chǎn)生抵抗的交變磁通1。渦流磁場(chǎng)的作用使線圈的等效阻抗變化，其變化程度與x和導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率以及線圈勵(lì)磁電流角頻率等有關(guān)。改變其中某一參數(shù)，均可改變線圈的等效阻抗，實(shí)現(xiàn)不同的變換功能。例如改變x來測(cè)量位移和振動(dòng)等。渦流傳感原理 3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量2022-4-2844 3.3.1 電感傳感原理電感傳感原理3 3）電渦流式傳感器原理電渦流式傳感器原理反射式渦流傳感原理反射式渦流傳感原理：將傳感線圈與被測(cè)金屬用圖示等效電路表達(dá)，

41、金屬板與傳感線圈磁性耦合的程度用互感系數(shù)M表示，它隨x增大而減?。籖1和L1分別為線圈電阻和電感；R2和L2分別為金屬的電阻和電感。設(shè)E為勵(lì)磁電壓，根據(jù)克?；舴蚨?略去推導(dǎo)過程)得線圈的等效電感：221222222MLLLRL3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量2022-4-2845 3.3.1 電感傳感原理電感傳感原理3 3）電渦流式傳感器原理電渦流式傳感器原理 - 反射式渦流傳感原理反射式渦流傳感原理上式中，當(dāng)金屬體為磁性材料時(shí)，有效磁導(dǎo)率隨間距x縮小而增大，Ll隨之增大。若金屬體為非磁性材料，有效磁導(dǎo)率不隨間距變化，因此Ll不變。上式中第二項(xiàng)與渦流效應(yīng)有關(guān)，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)減小線

42、圈的電感，間距越小，減小越多。由于金屬中的渦流產(chǎn)生熱而消耗能量，線圈阻抗的實(shí)部增加，且金屬板的導(dǎo)電性能和板離線圈的距離直接影響實(shí)部大小，與導(dǎo)體是否磁性材料無關(guān)。高頻反射電渦流傳感器的特殊性特殊性：被測(cè)導(dǎo)體與傳感線圈構(gòu)成傳感器系統(tǒng)，傳感器的靈敏度受導(dǎo)體性質(zhì)、尺寸影響。3.3 電感傳感與電感測(cè)量電感傳感與電感測(cè)量2022-4-2846 3.3.1 電感傳感原理電感傳感原理3 3）電渦流式傳感器原理電渦流式傳感器原理 低頻投射式渦流傳感器原理：低頻投射式渦流傳感器原理：如圖（a）所示，被測(cè)材料G上、下方分別置有發(fā)射線圈W1和接收線圈W2。在W1兩端加低頻（一般為音頻）電壓el所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在G中感應(yīng)出渦流i。渦流i的產(chǎn)生消耗了磁場(chǎng)的