杭電傳感器原理 期末復(fù)習(xí)課件

1、測量概述測量誤差（傳感器、環(huán)境、測量方法等導(dǎo)致）按誤差表示方法分： 絕對誤差、相對誤差（注意引用誤差定義，定義了儀器的等級）、基本誤差、附加誤差、 容許誤差按誤差性質(zhì)分： 隨機誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差傳感器理論基礎(chǔ)1.傳感器定義2.傳感器分類3.傳感器的應(yīng)用4.傳感器一般特性5.傳感器標(biāo)定356781012141516171820212324262728303132333435363738394041424647、4849半導(dǎo)體應(yīng)變和金屬應(yīng)變對比特點和應(yīng)用中存在的問題1.2第5章 電容式傳感器工作原理、結(jié)構(gòu)和特性5.15.2測量電路5.3電容式傳感器及其應(yīng)用 5.4第5章 電容式傳感器圖5.1

2、為這種傳感器的原理圖。當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù)，初始極距為0 ，由式(5-1)可知其初始電容量C0為(5-2)5.1.1 變極距型電容傳感器 圖5.1 變極距型電容傳感器原理圖當(dāng)動極端板因被測量變化而向上移動使0減小0時，電容量增大C則有 (5-3) 可見，傳感器輸出特性Cf()是非線性的，如圖5-2所示。電容相對變化量為 (5-4)如果滿足條件(0/0)1，式(4-4)可按級數(shù)展開成 (5-5)第5章 電容式傳感器第5章 電容式傳感器略去高次(非線性)項，可得近似的線性關(guān)系和靈敏度S分別為 和 如果考慮式(5-5)中的線性項及二次項，則 (5-6)(5-7)(5-8)式(5-6)的特性如圖5.

3、3中的直線1，而式(5-8)的特性如曲線2。因此，以式5-6作為傳感器的特性使用時，其相對非線性誤差ef為第5章 電容式傳感器第5章 電容式傳感器由上討論可知：(1)變極距型電容傳感器只有在|0/0| 很小(小測量范圍)時，才有近似的線性輸出； (2)靈敏度S與初始極距0的平方成反比，故可用減少0的辦法來提高靈敏度。例如在電容式壓力傳感器中，常取00.10.2mm，C0在20100pF之間。由于變極距型的分辨力極高，可測小至0.01m的線位移，故在微位移檢測中應(yīng)用最廣。(5-9)第5章 電容式傳感器由式(5-9)可見, 0的減小會導(dǎo)致非線性誤差增大；0過小還可能引起電容器擊穿或短路。為此，極板

4、間可采用高介電常數(shù)的材料(云母、塑料膜等)作介質(zhì)，如圖5.4所示。設(shè)兩種介質(zhì)的相對介電質(zhì)常數(shù)為r1 (空氣：r11)、r2，相應(yīng)的介質(zhì)厚度為1、2，則有第5章 電容式傳感器(5-10)圖5.5所示為差動結(jié)構(gòu)，動極板置于兩定極板之間。初始位置時，120，兩邊初始電容相等。當(dāng)動極板向上有位移時，兩邊極距為10-，2 0+； 兩組電容一增一減,由式(5-4)和式(5-5)可得電容總的相對變化量為(5-11)第5章 電容式傳感器略去高次項，可得近似的線性關(guān)系(5-12)相對非線性誤差ef為(5-13)上式與式(5-6)及式(5-9)相比可知，差動式比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)

5、上的對稱性，它還能有效地補償溫度變化所造成的誤差。2.缺點.輸出阻抗高，負(fù)載能力差電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，其值只有幾個皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達108106。因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計和使用帶來極大的不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍的環(huán)境如濕度、清潔度等。第5章 電容式傳感器 若采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，

6、但高頻放大、傳輸遠比低頻的復(fù)雜，且寄生電容影響大，不易保證工作十分穩(wěn)定。.寄生電容影響大 電容式傳感器的初始電容量小，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容（12m導(dǎo)線可達800pF）、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等所謂“寄生電容”卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨機變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度。因此對電纜的選擇、安裝、接法都有要求。第5章 電容式傳感器變化，從而引起傳感器有效靈敏度的改變 在這種情況下，每當(dāng)改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進行標(biāo)定。2.邊緣效應(yīng) 以上分析各種電容式傳感器時還忽略了邊緣效

7、應(yīng)的影響。實際上當(dāng)極板厚度h與極距之比相對較大時，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。這時，對極板半徑為r的變極距型電容傳感器，其電容值應(yīng)按下式計算：(5-21)(5-22)第5章 電容式傳感器(5-23) 邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖5.10所示。保護環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場強分布，從而克服邊緣效應(yīng)的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬作為極板。第5章 電容式傳感器第5章 電容式傳感器4.寄生電容 電容式

8、傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很小(幾pF到幾十pF)，屬于小功率、高阻抗器件，因此極易受外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)(見圖5.9)，嚴(yán)重影響感器的輸出特性，甚至?xí)蜎]有用信號而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實用的關(guān)鍵。驅(qū)動電纜法 它實際上是一種等電位屏蔽法。如圖5.11所示：在電容傳感器與測量電路的前置級之間采用雙層屏蔽電纜，并接入增益為1的驅(qū)動放大器，(接線如圖示)。第5章 電容式傳感器 這種接線法使內(nèi)屏蔽與芯線等電位，消除了芯線對內(nèi)屏蔽的容性漏電，克服了寄生電容的影響 ；而內(nèi)、外層屏蔽之間的電容變成了

9、驅(qū)動放大器的負(fù)載。因此驅(qū)動放大器是一個輸入阻抗很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1的同相放大器。該方法的難處是，要在很寬的頻帶上嚴(yán)格實現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸出與輸入的相移為零。為此有人提出，用運算放大器驅(qū)動法取代上述方法 。圖5.11 驅(qū)動電纜法原理圖.整體屏蔽法以差動電容傳感器Cx1、Cx2配用電橋測量電路為例，如圖5.12所示；U為電源電壓，K為不平衡電橋的指示放大器。所謂整體屏蔽是將整個電橋(包括電源、電纜等)統(tǒng)一屏蔽起來；其關(guān)鍵在于正確選取接地點。本例中接地點選在兩平衡電阻R3、R4橋臂中間，與整體屏蔽共地。圖5.12 整體屏蔽法原理圖第5章 電容式傳感器 這樣傳感器公用極板與屏蔽之間的寄

10、生電容C1同測量放大器的輸入阻抗相并聯(lián)，從而可將C1歸算到放大器的輸入電容中去。由于測量放大器的輸入阻抗應(yīng)具有極大的值，C1的并聯(lián)也是不希望的,但它只是影響靈敏度而已。另兩個寄生電容C3及C4是并在橋臂R3及R4上，這會影響電橋的初始平衡及總體靈敏度，但并不妨礙電橋的正確工作。因此寄生參數(shù)對傳感器電容的影響基本上被消除。整體屏蔽法是一種較好的方法；但將使總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。.采用組合式與集成技術(shù) 一種方法是將測量電路的前置級或全部裝在緊靠傳感器處，縮短電纜；另一種方法是采用超小型大規(guī)模集成電路，將全部測量電路組合在傳感器殼體內(nèi)；第5章 電容式傳感器更進一步就是利用集成工藝，將傳感器與調(diào)理等電路集成

11、于同一芯片，構(gòu)成集成電容式傳感器。5.溫度影響 環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。這種影響主要有以下兩個方面： .溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容傳感器由于極間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。第5章 電容式傳感器 隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成技術(shù)的發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷地得到克服。電容式傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有發(fā)展前途地傳感器。5.2.2 應(yīng)用中存在的問題1.等效電路

12、 上節(jié)對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時，其等效電路如圖5.9所示。第5章 電容式傳感器第5章 電容式傳感器 圖中C為傳感器電容，Rp為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗；Rs為高濕、高溫、高頻激勵工作時的串聯(lián)損耗電組，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻；L為電容器及引線電感；Cp為寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實用性能的關(guān)鍵之一，下面專門討論。可見，在實際應(yīng)用中，特別在高頻激勵時，尤需考慮L的存在，會使傳感器有效電容圖

13、5.9電容傳感器的等效電路 壓電方程及壓電常數(shù)矩陣1.2第6章 壓電式傳感器壓電效應(yīng)及材料6.16.2等效電路及測量電路6.3壓電式傳感器及其影響因數(shù) 6.4第6章 壓電式傳感器6.1 壓電效應(yīng)第6章 壓電式傳感器6.1 壓電效應(yīng)第6章 壓電式傳感器6.1.1石英晶體壓電機理第6章 壓電式傳感器第6章 壓電式傳感器第6章 壓電式傳感器第6章 壓電式傳感器第6章 壓電式傳感器6.2 壓電材料第6章 壓電式傳感器6.3 測量電路第6章 壓電式傳感器第6章 壓電式傳感器自感式傳感器1.2第7章 電感式傳感器傳感器線圈的電器參數(shù)分析7.17.2互感式傳感器7.3電渦流式傳感器7.4第7章 電感式傳感器

14、第7章 電感式傳感器第8章磁電式傳感器第8章磁電式傳感器第8章 磁電式傳感器第9章 光電式傳感器第9章 光電式傳感器第9章 光電式傳感器第9章 光電式傳感器第9章 光電式傳感器第9章 光電式傳感器第9章 光電式傳感器第9章 光電式傳感器第10章 熱電式傳感器第10章熱電式傳感器第10章 磁電式傳感器第10章熱電式傳感器第10章熱電式傳感器第10章熱電式傳感器 11.1 氣敏傳感器 11.2 濕敏傳感器 11.3 色敏傳感器 第11章 半導(dǎo)體傳感器主要內(nèi)容： 第11章 半導(dǎo)體傳感器 半導(dǎo)體傳感器是典型的物理型傳感器，它是利用某些材料的電特征的變化實現(xiàn)被測量的直接轉(zhuǎn)換，如改變半導(dǎo)體內(nèi)載流子的數(shù)目。 凡是用半導(dǎo)體材料制作的傳感器都屬于半導(dǎo)體傳感器。 其中包括：光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管、霍爾元件、磁敏元件、壓阻元件、氣敏、濕敏等等。概述 第11章半導(dǎo)體式傳感器 11.1 氣敏傳感器 11.1.1 半導(dǎo)體氣敏傳感器工作原理 氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)，導(dǎo)致敏感元件阻值變化，如： 氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體，被稱為氧化型氣體電子接收性氣體； 氫、碳氧