阻抗式結構型傳感器課件

傳感器技術傳感器技術1阻抗式結構型傳感器的敏感元件

2電阻應變式傳感器3電容式傳感器4電感式傳感器第二章阻抗式結構型傳感器技術電感式傳感器1阻抗式結構型傳感器的敏感元件第二章阻抗式結構型傳感器技2阻抗式結構型傳感器的敏感元件彈性敏感元件的主要性能1.1常用彈性元件的結構和性能1.2彈性敏感元件的材料1.3阻抗式結構型傳感器的敏感元件彈性敏感元件的主要性能1.1常用31.1彈性敏感原件的主要性能：

1.彈性特性

（式中：F表示施加于敏感元件的力或力矩，ε為變形量或位移）

2.靈敏度和剛度

敏感元件的剛度是靈敏度的倒數。

1.1彈性敏感原件的主要性能：43.諧振頻率

注：敏感元件的諧振頻率可由計算獲得，但必須由實驗校正。

4.彈性滯后和后效

5.安全系數注：安全系數越大，敏感元件的過載能力越強，但可能體積越大，越笨重。一般以1.5～5為宜。

6.其他：材料蠕變、溫度特性等。3.諧振頻率51.2常用彈性元件的結構和性能

1.基本拉壓：材料受力變形的最基本形式是拉壓變形，由下式計算：

等截面桿件、等壁厚圓筒可視為基本拉伸結構。設計時應滿足：

2.彈性梁：①懸臂梁：變形以彎曲為主的結構稱為彈性梁.只有一端支承的梁稱為懸臂梁結構，如圖所示。

1.2常用彈性元件的結構和性能6②等強度梁：由上式可以看出，等截面梁測試點的應力和應變均與位置Lo有關，使用時不夠方便，為此可以設計等強度梁，如上圖所示，使得：則：梁各處的應力相等，應變也相等。因此，使用時可以不考慮測試點的位置。1.2常用彈性元件的結構和性能(2)②等強度梁：由上式可以看出，等截面梁測試點的應力和應變均與位7

這時有：③兩端固定梁：有較高的剛性和承載能力，兩端固定梁是一種靜不定系統(tǒng)，常用梁中點位置作為測試點，稱為中斷面。最大撓度也發(fā)生在中斷面，為：1.2常用彈性元件的結構和性能(3) 這時有：③兩端固定梁：有較高的剛性和承載能力，兩端固定梁是83.環(huán)形結構：（圓環(huán)形結構和扁環(huán)形結構）

①圓環(huán)形結構②扁圓環(huán)形結構注：扁環(huán)的應力和應變可采用圓環(huán)計算方法。1.2常用彈性元件的結構和性能(4)3.環(huán)形結構：（圓環(huán)形結構和扁環(huán)形結構）②扁圓環(huán)形結構注：扁94.膜片式結構膜受載后變形，中心的撓度ω0最大。設膜厚為h，1）如果ω0/h<1/3，則可按厚膜計算，厚膜的變形以彎曲為主，膜的拉壓處于次要地位；2）如果ω0/h＞5，則按薄膜計算，認為薄膜是柔軟的，無彎曲剛度和彎曲應力，膜的變形以拉壓為主。①平膜（平膜適合于測量受均布載荷的情形）在集中載荷p的作用下，1.2常用彈性元件的結構和性能(5)4.膜片式結構膜受載后變形，中心的撓度ω0最大。設膜厚為h，10平膜片的撓度為：

可見，中心r=0處撓度最大，為：

平膜片的最小自振頻率為：

1.2常用彈性元件的結構和性能(7)平膜片的撓度為： 11②帶有硬中心的膜片特征：膜的中心很厚，可以認為是剛體，如圖所示：硬中心的撓度仍然最大：

最大彎曲應力發(fā)生在硬心的邊緣和膜片的邊緣：1.2常用彈性元件的結構和性能(8)②帶有硬中心的膜片特征：膜的中心很厚，可以認為是剛體，如125.彈性諧振元件1）兩端固定弦的振動頻率可用下式計算：2）兩端固定矩形截面振動梁的固有頻率按下式計算：6.其它結構：波紋管、波登管等。1.3彈性敏感元件的材料

高彈性合金和恒彈性合金，石英和硅，硅合金1.2常用彈性元件的結構和性能(9)5.彈性諧振元件1）兩端固定弦的振動頻率可用下式計算：2）兩13電阻應變式傳感器電阻應變計的基本原理與結構2.1電阻應變計的主要特性2.2電阻應變計的溫度效應及其補償2.3電阻應變式傳感器電阻應變計的基本原理與結構2.1電阻應變計的14電阻應變式傳感器的工作原理基于四個基本的轉換環(huán)節(jié)：

力(F)→應變(ε)→電阻變化(?R)→電壓輸出(?V)。

2.1電阻應變計的基本原理與結構電阻應變式傳感器的工作原理基于四個基本的轉換環(huán)節(jié)：

力(F15電阻應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻的變化，從而實現電測非電量的傳感器。電阻應變片的工作原理是基于電阻應變效應。即在導體產生機械變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化。2.1.1工作原理電阻應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻的變化，從而16在外界力的作用下，將引起金屬或半導體材料發(fā)生機械變形，其電阻值將會相應發(fā)生變化，這種現象稱為“電阻應變效應”。對于不同的材料，電阻率相對變化的受力效應是不同的。2.1.1工作原理在外界力的作用下，將引起金屬或半導體材料發(fā)生機械變形，其電阻171.金屬材料的應變電阻效應通過研究發(fā)現，金屬材料的電阻率相對變化正比于體積的相對變化，即有式中，C為由材料及加工方式決定的與金屬導體晶格結構相關的比例系數。1.金屬材料的應變電阻效應通過研究發(fā)現，金屬材料的電阻率相18金屬材料的電阻相對變化與其線應變ε成正比。這就是金屬材料的應變電阻效應。1.金屬材料的應變電阻效應將式（4-6）代入（4-5）可有式中，Km=(1+2μ)+C(1-2μ)為金屬電阻絲的應變靈敏度系數，它由兩部分組成：前半部分為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致，后半部分為因應變而發(fā)生的電阻率相對變化.由以上分析可見：金屬材料的電阻相對變化與其線應變ε成正比。這就是金屬材料的應192.半導體材料的應變電阻效應研究發(fā)現，鍺、硅等單晶半導體材料具有壓阻效應，即：式中，

為作用于材料上的軸向應力；

為半導體在受力方向的壓阻系數；E為半導體材料的彈性模量。2.半導體材料的應變電阻效應研究發(fā)現，鍺、硅等單晶半導體材20由以上分析可知，外力作用而引起的軸向應變，將導致電阻絲的電阻成比例地變化，通過轉換電路可將這種電阻變化轉換為電信號輸出。這就是應變片測量應變的基本原理。2.半導體材料的應變電阻效應將式（4-8）代入式（4-5）可得式中，Ks=(1+2μ)+

E為半導體絲材的應變靈敏度系數。前半部分為尺寸變化所致，后半部分為半導體材料的壓阻效應所致.由以上分析可知，外力作用而引起的軸向應變，將導致電阻絲的電阻21

利用金屬或半導體材料電阻絲（也稱應變絲）的應變電阻效應，可以制成測量試件表面應變的敏感元件。為在較小的尺寸范圍內敏感應變，并產生較大的電阻變化，通常把應變絲制成柵狀的應變敏感元件，即電阻應變計，簡稱應變計。2.1.2結構與類型

應變計的結構利用金屬或半導體材料電阻絲（也稱應變絲）的應變電阻效應，可22應變片的結構應變片的結構23（1）按加工方法,可以將應變片分為以下四種：絲式應變片、箔式應變片、半導體應變片、薄膜應變片（2）按敏感柵的材料,可將應變計分為金屬應變計和半導體應變計兩大類

應變計的類型2.應變計的類型（1）按加工方法,可以將應變片分為以下四種：絲式應變片、箔式24

制作應變片敏感柵常用的金屬材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，其中康銅是目前應用最廣泛的應變絲材料。除敏感柵以外，對基底材料、粘結劑、引線的材料方面都有要求，可以根據應用對象的不同進行選擇。電阻應變計的材料3.電阻應變計的材料制作應變片敏感柵常用的金屬材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金25

選用應變計時，首先應根據使用的目的、要求、對象及環(huán)境條件等，對應變計的類型進行選擇；然后根據使用溫度、時間、最大應變量及精度要求，選用合適的敏感柵、基底材料的應變計；接著根據測量線路或儀器選擇合適應變計的標準阻值；最后還應根據試件表面可貼應變片的面積大小選擇合適尺寸的應變計。電阻應變計的選用4.電阻應變計的選用與粘貼選用應變計時，首先應根據使用的目的、要求、對象及環(huán)境條件等26

電阻應變片工作時，是用粘貼劑粘貼到被測試件或傳感器的彈性元件上的。粘貼劑形成的膠層必須準確迅速地將被測應變傳遞到敏感柵上去，所以粘貼劑以及粘貼技術對于測量結果有著直接的影響。電阻應變計的粘貼4.電阻應變計的選用與粘貼電阻應變片工作時，是用粘貼劑粘貼到被測試件或傳感器的彈性元272.2主要特性靜態(tài)特性是指應變計感受不隨時間變化或變化緩慢的應變時的輸出特性，表征靜態(tài)特性的指標主要有：靈敏度系數、機械滯后、蠕變、應變極限等。2.2主要特性靜態(tài)特性是指應變計感受不隨時間變化或變化緩慢28將具有初始電阻值R的應變計安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應力作用下，應變計阻值的相對變化與試件表面軸向應變之比即為靈敏度系數。應變計的電阻－應變特性與單根電阻絲時不同，一般情況下，應變計的靈敏系數小于相應長度單根應變絲的靈敏系數。1.靈敏度系數（k）將具有初始電阻值R的應變計安裝于試件表面，在其軸線方向的單向29橫向效應將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，應變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，其靈敏系數降低了，這種現象稱為應變片的橫向效應。為了減小橫向效應帶來的測量誤差，一般采用短接式或直角式橫柵，現在更多的是采用箔式應變片，可有效克服橫向效應的影響。2.橫向效應橫向效應將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不30

機械滯后產生機械滯后的原因主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機械應變后所留下的殘余變形所造成的。為了減小機械滯后，除選用合適的粘合劑外，最好在正式使用之前預先加、卸載若干次再正式測量，以減小機械滯后的影響。3.機械滯后機械滯后產生機械滯后的原因主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受31蠕變和零漂粘貼在試件上的應變計，在溫度保持恒定、不承受機械應變時，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應變計的零漂。如果在一定溫度下，使其承受恒定的機械應變，應變計電阻值隨時間而變化的特性，稱為應變計的蠕變。一般蠕變的方向與原應變變化的方向相反。選用彈性模量較大的粘貼劑和基底材料，有利于蠕變性能的改善。4.蠕變和零漂蠕變和零漂粘貼在試件上的應變計，在溫度保持恒定、不承受機械應32應變極限應變計的線性（靈敏系數為常數）特性，只有在一定的應變限度范圍內才能保持。當試件輸入的真實應變超過某一極限值時，應變計的輸出特性將呈現非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達到10%時的真實應變值，稱為應變極限。5.應變極限應變極限應變計的線性（靈敏系數為常數）特性，只有在一定的應變33圖2.14應變計的極限應變特性2.動態(tài)特性實際衡量應變計動態(tài)工作性能的另一個重要指標是疲勞壽命。它是指粘貼在試件上的應變計，在恒幅交變應力作用下，連續(xù)工作直至疲勞損壞時的循環(huán)次數，用N表示。它與應變計的取材、工藝和引線焊接、粘貼質量等因素有關，一般要求N＝105～107次。2.2電阻應變計的主要特性(3)圖2.14應變計的極限應變特性2.動態(tài)特性實際衡量應變計動態(tài)34①溫度效應及其熱輸出設工作溫度變化為△t℃，則由此引起粘貼在試件上的應變計電阻的相對變化為

上式即應變計的溫度效應；相對的熱輸出為

一般at＝20×10-6C-1，若βs=11×10-6C-1、βt=15×10-6C-1，，△t＝5℃，取K＝2則εt=[20÷2+(15-11)]×5×10-6=70uε。熱輸出通常可以造成10%以上的誤差，因此必須采取相應措施消除。2.3電阻應變計的溫度效應及其補償①溫度效應及其熱輸出設工作溫度變化為△t℃，則由此引起粘貼35②熱輸出補償方法ⅰ.自補償法(1)單絲自補償通過改變敏感柵的合金成份及熱處理規(guī)范來調整αt、βt能與試件材料的βs相匹配，使應變絲材料滿足結構簡單，使用方便，但通用性差，應變絲制造工藝較復雜。(2).雙絲自補償應變計電阻R由兩部分電阻Ra和Rb組成，即R=Ra＋Rb

這種應變計的特點與單絲自補償應變計相似，但只能在選定的試件上使用。ⅱ.電路補償法2.3電阻應變計的溫度效應及其補償(2)②熱輸出補償方法ⅰ.自補償法(1)單絲自補償通過改變敏感柵36圖2.16雙絲半橋式熱補償應變計圖2.17補償塊半橋熱補償應變計（1）雙絲半橋式（2）塊補償式（3）其它2.3電阻應變計的溫度效應及其補償(3)圖2.16雙絲半橋式熱補償應變計圖237電容式傳感器電容式傳感器的原理與結構1.1應用中存在的問題及其改進措施1.3電容式傳感器電容式傳感器的原理與結構1.1應用中存在的問題及383.2.1工作原理、類型及特性

由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應的影響，其電容量C與極板間介質的介電常數ε、極板間的有效面積S以及兩極板間的距d有關：

當被測參數的變化使式中d、S、εr三個參量中任意一個發(fā)生變化時，都會引起電容量的變化。如果保持其中兩個參數不變，而僅改變其中一個參數時，就可把該參數的變化轉換為電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出。工作原理3.2.1工作原理、類型及特性由絕緣介質分開39

類型和特性

根據上述原理，在應用中電容式傳感器可以有三種基本類型，即變極距(或稱變間隙）型、變面積型和變介電常數型。它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。類型和特性根據上述原理，在應用中電容式40變極距型電容傳感器

傳感器兩極板間的ε和S為常數，通過電容極板間距離的變化實現對相關物理量的測量。變極距型電容傳感器傳感器兩極板間的ε和S為常數，通過41變面積型電容式傳感器

測量中動極板移動時，兩極板間的相對有效面積S發(fā)生變化，引起電容C發(fā)生變化。變面積型電容式傳感器測量中動極板移動時，兩極板間的相對42變介質型電容傳感器

變介質電容傳感器的結構型式較多，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度以及液位高低等，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體物質的濕度。變介質型電容傳感器變介質電容傳感器的結構型式較多，可433.2應用注意事項及措施電容的相對變化量為：傳感器的相對非線性誤差為：

電容傳感器的靈敏度為K=εS/d02，要提高靈敏度，應減小起始間隙d0，而非線性誤差隨著d0的減小而增大。在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，往往采用差動式結構。電容式傳感器的靈敏度及非線性3.2應用注意事項及措施電容式傳感器的靈敏度及非線性44差動電容傳感器具有如下特性：差動電容傳感器具有如下特性：45等效電路

以上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。若電容傳感器工作在高溫、高濕及高頻激勵條件下工作，則電容的附加損耗等影響不可忽視，這時電容傳感器的等效電路如圖4-28所示。等效電路以上對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的46

邊緣效應邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產生非線性。為了消除邊緣效應的影響，可以采用帶有保護環(huán)的結構，如圖4-29所示。邊緣效應邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產生非線47靜電引力電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數、極間距離有關。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。靜電引力電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或48

寄生電容寄生電容與傳感器電容相關聯(lián)、影響傳感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號,影響儀器的精度。必須消除和減小它。消除和減小寄生電容可采用如下方法：1.采用“驅動電纜”技術2.采用組合式與集成技術3.整體屏蔽法寄生電容寄生電容與傳感器電容相關聯(lián)、影響傳感器的靈敏49溫度影響（1）溫度對結構尺寸的影響電容傳感器由于極板間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感。（2）溫度對介質的影響溫度對介電常數的影響隨介質不同而變化，空氣及云母的介電常數溫度系數近似為零，而某些液體介質，如硅油、醫(yī)麻油、煤油等，其介電常數的溫度系數較大。溫度影響（1）溫度對結構尺寸的影響50電感式傳感器

電感器式傳感器的原理4.1自感式傳感器的原理與結構4.2互感式傳感器（差動變壓器）4.3自感式和互感式傳感器的誤差4.4電渦流式傳感器4.5電感式傳感器電感器式傳感器的原理4.1自感式傳感器的原理與514.1電感式傳感器原理圖2.33變磁阻式傳感器原理磁通量Φ與線圈參數有如下關系(Φ為磁通量，W為線圈匝數，I為電流，RM為磁阻）：4.1電感式傳感器原理圖2.33變磁阻式傳感器原理磁通量Φ52

電路

磁路

I

電流

磁感應通量

電動勢

WI

磁通勢

電導率

磁導率

電阻

磁阻

V

電壓

磁壓表2-1磁路與電路的參數的對應關系4.1電感式傳感器原理(2)電路534.2自感式傳感器的原理與結構1．變氣隙式自感傳感器（鐵心、銜鐵、氣隙）如忽略漏磁等因素，則線圈的電感可表示為：

為了精確分析傳感器的特性，引入等效磁導率μe的概念

同時：4.2自感式傳感器的原理與結構1．變氣隙式自感傳感器（鐵心54可得帶氣隙鐵心線圈的電感為

傳感器的靈敏度為

由上勢可知，變氣隙式傳感器的輸出特性是非線性的，式中負號表示靈敏度隨氣隙增加而減小，欲增大靈敏度，應減小lδ但受到工藝和結構的限制。為保證一定的測量范圍與線性度，對變氣隙式傳感器，常取lδ=0.2～1mm，變化區(qū)間Δlδ=（1/10～1/20）lδ。4.2自感式傳感器的原理與結構(2)可得帶氣隙鐵心線圈的電感為傳感器的靈敏度為由上勢可知，變氣隙552．變面積式自感傳感器

式中K'＝

μ0W2／（lδ＋l／μr）,為一常數。

3．螺管式自感傳感器

圖2.34螺管式自感傳感器結構原理

4.2自感式傳感器的原理與結構(3)2．變面積式自感傳感器3．螺管式自感傳感器圖2.3456當鐵芯進入線圈后，鐵芯中的極化作用使被覆蓋的那部分線圈局部電感增大，其電感增量為：

電感增量可另表示為

4.2自感式傳感器的原理與結構(4)當鐵芯進入線圈后，鐵芯中的極化作用使被覆蓋的那部分線圈電感增574.3互感式傳感器（差動變壓器）的原理和結構圖2.35差動變壓器的等效電路4.3互感式傳感器（差動變壓器）的原理和結構圖2.3558單個次級線圈的感應電勢

輸出阻抗

4.3互感式傳感器（差動變壓器）的原理和結構(2)單個次級線圈的感應電勢輸出阻抗459圖2.36各種差動變壓器結構示意圖（a）、（b）、（c）氣隙式；（d）、（e）變面積式；（f）螺管式4.3互感式傳感器（差動變壓器）的原理和結構(3)圖2.36各種差動變壓器結構示意圖（a）、（b）、（c）60當銜鐵上移△δ時,上氣隙變?yōu)棣?=δ0-△δ,下氣隙為δ2=δ0+△δ，因而上磁路磁阻減小,下磁路磁阻增加。此時φl＞φ2，E21＞E22，輸出電壓兩初次級間的互感為：

4.3互感式傳感器（差動變壓器）的原理和結構(4)當銜鐵上移△δ時,上氣隙變?yōu)棣?=δ0-△δ,下氣隙為δ2=61因此可得：

在忽略鐵心磁阻于漏磁通得情況下4.3互感式傳感器（差動變壓器）的原理和結構(5)因此可得：在忽略鐵心磁阻于漏磁通得情況下4.3互感式62如果忽略△δ2項，并設Rll=R12=R1,L0=W12/(2δ0/μ0S)，上式可改寫并整理為

Π形差動變壓器的靈敏度表達式

4.3互感式傳感器（差動變壓器）的原理和結構(6)如果忽略△δ2項，并設Rll=R12=R1,L0=W12/63圖2.37激勵頻率與靈敏度的關系4.3互感式傳感器（差動變壓器）的原理和結構(7)圖2.37激勵頻率與靈敏度的關系4.3互感式傳感644.4自感式和互感式傳感器的誤差