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1、第三章 电参量传感器,3.1 电容式传感器,3.1.1 电容式传感器结构与工作原理,1.变极距型电容传感器（1）简单变极距型电容传感器原理；一般在最大位移小于间距的1/10时，C与成线性关系。灵敏度；容抗输出,（2）差动变间隙式电容传感器原理灵敏度非线性误差,2.变面积型电容传感器类型：平板电容器，圆柱形电容器，角位移电容器，容栅式电容器。,变面积型线位移电容传感器 变面积型角位移电容传感器,变介电常数型电容传感器（1）介质本身介电常数变化的电容传感器（2）改变工作介质的电容式传感器,3.3.2 电容式传感器的等效电路,C：传感器电容（包含寄生电容）；R：引线电阻、极板电阻和金属支架电阻；L：
2、引线电感和电容器电感之和；RP:极板间的等效损耗电阻。,3.3.3 电容式传感器的测量电路,调频电路、运算放大器电路、双T型电桥电路和差动脉宽调制电路1.调频电路,混频器作用：1）经过差频后可消除温度等因素造成的频率漂移现象；2）降低载波频率，增大频偏，为提高鉴频器的灵敏度创造条件。,2.运算放大器电路,3.二极管双T型电桥电路,特点：线路简单，器件可全部安装在探头中，大大缩短了电容引线，减小了寄生电容的影响；二极管工作在高电平下，非线性失真小。,4.脉冲宽度调制电路,电路特点：适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器，并具有线性特征；转换效率高，直流供电，经过低通滤波器就具有较大的直流输
3、出，且调宽频率的变化对输出没有影响。,1.电容式差压传感器,特点：结构简单、灵敏度高、响应速度快（100ms），能测微小压差（00.73Pa）绝对压力。,2.差动式电容测厚传感器,3.2 电感式传感器,常用来测量位移、压力、振动、应变、流量和比重等参数。自感式（变气隙式、变截面积式和螺管式）；互感式(变气隙式和螺管式)；电涡流式（高频反射式、低频透射式）。优点：结构简单，工作可靠，灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好，性能稳定，输出阻抗小，输出功率大；抗干扰能力强。缺点：频率响应较低，不宜作快速动态测量；存在交流零位信号，灵敏度、分辨率、线性度和测量范围受限。,3.2.1 自感式传感器1 结
4、构与工作原理,2.变气隙自感传感器灵敏度及特性（1）简单变气隙自感传感器灵敏度及特性,（2）差动变气隙式自感传感器灵敏度及特性,差动灵敏度为简单的2倍；非线性减小。,3.变面积式电感传感器4.电感式传感器测量电路 变压器电桥电路；相敏检波电路；谐振电路等。（1）变压器电桥电路,（2）带相敏检波的电桥电路,电压特性曲线,（3）调频电路,3.电感式传感器应用（1）压力测量,（2）差动式电感测厚仪,3.2.2 互感式传感器,差动变压器：变间隙式；变面积式；螺线管式。具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠。用于位移、压力等的测量,1.互感式传感器的结构与工作原理,2.基本特性（1）等效电路,（2
5、）灵敏度指差动变压器初级线圈在单位电压激励下，铁芯移动单位距离时的输出电压，以V/mm表示。措施：在不使初级线圈过热的情况下，提高激励电压；提高线圈的品质因数Q；增大衔铁直径，选择导磁率高，铁损小，涡流损失小的材料。,(3)频率特性频率过低，差动变压器灵敏度低；频率过高，差动变压器铁损、磁滞、涡流效应增加，也影响灵敏度。（4）线性范围测量范围为骨架长度的1/10。（5）零点残余电压原因：两个二次测量线圈的等效参数不对称；铁芯的B-H特性曲线的非线性。,措施：增加补偿电路,3.测量电路（1）差动整流电路,（2）相敏检波电路,4.差动变压器的应用（1）微压力传感器,压力：（-46）104Pa输出：
6、050mV,（2）差动变压器式加速度传感器,3.2.3 电涡流式传感器,主要学习电涡流式传感器的原理及应用，并涉及接近开关的原理、结构、特性及应用,涡流的名词解释,涡流:块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流在导体内是闭合的,称为涡流.,涡流大小的影响因素,金属体的电阻率磁导率厚度t线圈与金属体的距离X线圈的激励频率f,（四）涡流传感器的特点,对位移、厚度、材料缺陷等实现非接触式连续测量；动态相应好；灵敏度高,（五）常见涡流式传感器原理,高频反射式涡流传感器；低频透射式涡流传感器。,1.高频反射式涡流传感器,（1）基本工作原理Z=F（,
7、r,f,x）金属板电阻率-磁导率r-线圈半径f-线圈激励频率x-与金属板距离,线圈,x,t,（2）等效电路分析,关于等效阻抗的分析,线圈阻抗的实部增大：涡流损耗、磁滞损耗等效阻抗的虚部（等效电感）：（1）L1与被测导体的磁性有关；（2）反射电感随着距离的减少而增大。总之，被测量的变化将引起线圈电感L，阻抗Z的变化，通过测量电路将L,Z转变为电信号。,（3）传感器的结构,（4）被测体材料对谐振曲线的影响,（5）测量方法定频调幅法,输出电压为高频载波的等幅电压，需进行变换成直流电压。为此回路输出电压经交流放大后通过检波电路取出等幅电压，滤掉高频杂散信号，取出与距离对云贵的直流电压U0,2.低频透射
8、式涡流传感器,（1）基本原理涡流损耗了部分磁场的能量，使达到L2的磁力线减少，引起E的下降。M的厚度t越大，涡流损耗越大，E就越小。E的大小间接反映M的厚度。,Qs为渗透深度,t较小时，f较高即渗透深度较小的曲线斜率大t较大时，相反。因此对于测量薄板，应采取较高的f，反之亦然。对于一定的频率f，当被测材料的电阻率发生变化时，渗透深度也发生改变，为了测量不同电阻率材料所得的曲线形状相似，需要在变化时相应变化f，保证测量不同材料的线性度和灵敏度。,（六）应用实例,一、板厚测量,3.3 电阻式传感器,分类：电阻应变式、压阻式、热电阻式、光敏电阻式。应用：应变、压力、位移、加速度和温度等。3.3.1
9、应变式传感器种类：电阻丝应变片和半导体应变片1.电阻丝的应变效应 金属丝的电阻随着它所受到的机械变形（拉伸或压缩）的大小发生相应变化的现象称为金属的电阻应变效应。,2.应变片的结构（1）丝式,（2）箔式：利用照相制版或光刻腐蚀技术，将电阻箔材1-10um制作在绝缘基底上。具有传递应变性能好、横向效应小、散热性能好，允许通过大电流、易于批量生产优点。（3）薄膜：采用真空蒸镀、沉积或溅射的方法，将金属材料在绝缘基底上支撑一定形状，厚度在0.1um以下的薄膜而形成敏感栅。,3.电阻应变片的温度误差和温度补偿温度误差：电阻温度系数的影响试件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的影响温度补偿应变片自补偿法a单金
10、属敏感栅自补偿b 双金属敏感栅自补偿电桥补偿法,3.电阻应变片的测量电路直流电桥或交流电桥。（1）直流电桥平衡条件（2）不平衡直流电桥的工作原理及输出电压结论：RiRi时，电桥的输出电压与应变成正比。,提高电桥的供电电压，增大应变片的灵敏系数，可提高电桥的输出电压；差动电桥灵敏度为单桥的二倍，全臂桥灵敏度为单臂桥的4倍；相对两桥臂应变极性一致，输出电压为两者之和，反之为两者之差；为增大电桥输出，1，4与2 3相反。,4.电阻应变式传感器的应用（1）柱（筒）式力传感器（2）悬臂梁式力传感器,纵向对称两两串接是为了减小偏心载荷及弯矩的影响，横向贴片作温度补偿用。,3.3.2 压阻式传感器1.半导体
11、的压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到作用力时，其电阻率发生变化的现象。2.半导体电阻应变片的结构（1）体型半导体应变片：从单晶硅或锗上切下薄片制作而成。灵敏系数大；温度稳定性较差，非线性较大。（2）扩散型半导体应变片：在N型单晶硅上，蒸镀半导体电阻应变薄膜。,3.测量电路与温度补偿,4.半导体压阻式传感器的应用,可沿径向对称于0.635r0两侧采用扩散工艺制作四个电阻，其中R1，R4接于电桥对角线上，R2，R3接于电桥的另一个对角线。当膜片两边存在压力差时，膜片上各点产生应力，4个电阻在应力的作用下发生变化，电桥失去平衡，输出相应电压，此电压与膜片两边的压力差成正比，测得不平衡电桥的输出电
12、压就能求得膜片所受的压力差的大小。,3.3.3 热电阻传感器,金属热电阻，半导体热敏电阻1。金属热电阻（1）铂热电阻：稳定，测温精度高，复现性好；温度系数小，不能在还原性介质使用。热电特性-200630。-2000 时：0 630 时：,纯度：电阻比 W100（铂热电阻100 时电阻值与0 电阻值的比率）(2)铜热电阻测量范围：-50150=4.2810-3/两种分度号,（3）热电阻的结构,铂热电阻结构,2.半导体热敏电阻随温度升高：一方面，半导体的价电子受热激发跃迁到较高的能级产生新的电子空穴对，使载流子数增加，电阻率减小；另一方面，半导体材料载流子的平均运动速度升高，阻碍载流子定向运动能力
13、增强，电阻率增大。正温度系数（PTC）：钛酸钡掺杂铝及锶等稀土烧结而成的陶瓷材料，用于控温、保护；与负温度系数（NTC）：固体多晶体半导体氧化物混合而成，用于测温、温度补偿。,（1）热电特性:以负温度系数热敏电阻为例,（2）热敏电阻的伏安特性,3.热电阻传感器的应用（1）金属热电阻传感器,(2)热敏电阻传感器温度控制,温度补偿,第四章 电量检测装置,4.1 热电偶传感器优点：结构简单，动态性能好，测温范围广（-1802800），输出信号便于传输和处理。4.1.1 热电偶测温原理热电效应：将两种不同的金属A和B构成一个闭合回路，当两个将点温度不同时（TT0），回路中会产生热电势（，），这种现象称
14、为热电效应。（，）大小由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定。,.接触电势（帕尔帖电势）当两种不同的导体紧密接触的时候，由于其内部的自由电子密度不同，设NANB，这样在单位时间内由导体A扩散到导体B的自由电子的数目就要比由导体B扩散到A的电子数多。导体A因失去电子带有正电，导体因得到电子带有负电，这样、B接触处形成一定的电位差，称为接触电势（帕尔帖电势）。2.温差电势（汤姆逊电势）是由同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。设均质导体A，TT0，两端的温度不同，电子能量就不同。高温端的电子能量大，电子从高温端向低温端扩散的数量多，最后达到平衡。在导体A两端产生一定的电位差，及温差电势（汤姆逊电势）。,3.热电偶回路的热电势,
