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1、主要内容,3.1,3.2,3.3,电阻式传感器,电容式传感器,电感式传感器,3.1 电阻式传感器,电阻式传感器组成,电阻式传感器分类电阻应变式、压阻式、热阻式、光敏电阻式、磁敏电阻等。,一、应变式传感器,电阻应变式传感器定义 它是利用弹性敏感元件将被测量转变为其应变,再通过粘贴在其上的电阻应变片将应变转换为电阻变化，最后通过测量电路（电桥）转换为输出电压的装置。,应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导体的压阻效应制成的一种转换传感元件。,分类：电阻丝应变片和半导体应变片。,1、电阻丝的应变效应,金属丝受拉时，l 变长、r 变小，导致R变大。,金属丝沿轴向受到拉伸或压缩，其阻值增大或减小，此现象
2、为电阻应变效应。电阻变化（应变）与伸长量的关系？,图3-1电阻丝的应变效应,1.电阻丝的应变效应,设有一长度为、截面积为S、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。,实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中的轴向应变的关系在很大范围内是线性的，即,对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金
3、属材料大几十倍。,在材料力学中，称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。通常很小，常用10-6表示之。例如，当 为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,应变片用于测量力F的计算公式,由材料力学可知，=F/（SE），所以R/R又可表示为 如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R/R的数值，即可获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的称重。,2、电阻丝应变片的结构与类型
4、,图 3-2 电阻丝应变片结构,（1）结构,箔式应变片的外形,敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。,基底绝缘及传递应变。由纸薄、胶质膜等制成。,粘结剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。,覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。,引线（低阻易焊）连接电阻丝与测量电路，输出电参量。,应变片的使用面积和阻值表示其规格。如（310）mm2，120。,根据制栅工艺的不同分为丝式、箔式和薄膜式。丝式制作：粘贴工艺。箔式制作工艺：照相制版或光刻技术。薄膜式制作工艺：真空蒸发或真空沉积。应变片的选择根据测量精度、允许工作电流、散热、体积、是否批量等要求查手册选择。,（2）电阻丝应变片的种类,图 3
5、-3 箔式电阻丝应变片结构,应变片的粘贴：1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,3、电阻应变片的特性,（1）应变片的灵敏系数K,
6、=0,285钢件,确定方法：实验测定,确定过程：,应变片,F,F,应力仪测出X,电位差计测R/R,图 3-4 应变片K确定方法,敏感栅是由n条直线段和（n1）个半径为r的半圆组成,若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变x时,则各直线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从+x到x之间变化的应变。即从拉应变过渡到压应变。,（2）横向效应,定性分析,图 3-5 应变片的轴向受力与 横向效应,a点：只有X。b点：既有X，又有 Y。c点：只有 Y。,圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸长引起阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减小，K值减小，此现象为横向效应。,减小横向效应加长敏感栅纵栅，加宽缩短
7、横栅，消除圆弧。箔式和薄膜式应变片横向效应可忽略。,定量分析应变片置于二维应力场，即有，又有。,（3-9）,4、应变片的温度误差及补偿（1）温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。,产因之一:电阻丝温度系数的影响,（3-10）,产因之二:试件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的影响,（3-11）,（3-12）,（3-13）,（3-15）,（3-14）,（3-16）,（3-17）,（2）温度补偿,方法一:应变片的自补偿法,特种应变片 T0T=0,电阻丝材料与被测材料配合恰当。,选择式应变片的自补偿法,（3-18）,两段敏感栅的电阻大小选择,双金属敏感栅自补偿应
8、变片,（3-19）,R1,R2,图3-6 双金属敏感栅自补偿,方法二:桥路补偿法 补偿原理：桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥 输出无影响。,电桥输出,U 0=A（R1 R4 RB R3）,温度补偿条件是什么？,（2-20）,电桥输出Uo=A（R1+R1t）R4(RB+RBt)R3=0,电桥输出电压为 Uo=AR1R4K Uo 与成单值函数关系。与温度变化无关。结论：单臂桥加补偿片可实现温度补偿。,应变输出R1=R1K,（2-21）,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积
9、为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R/R转换为输出电压Uo的。,5、电阻应变片的测量电路,图3-8 不平衡直流电桥,U0=？等臂电桥四个桥臂均为应变片，感受应变。U0=？,（3-22）,四个臂为应变片工作时，其电阻变化R,（1）不平衡电桥电路的输出,（3-23）,当Ri R(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量,（3-24）,单臂电桥,R1,F,U0,R1R1,R4,R3,U,R2,图3-10 单臂电桥,图3-9
10、 悬臂梁应变,（3-25）,半桥差动电桥,图3-11 差动直流电桥,（3-26）,R2R2,R4R4,全桥差动电路,图3-12 全桥差动电路,（3-27）,调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。,结论：Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。为了产生最大输出电压,应使一个对角线应变片受拉,另一对对角线应变片受压。电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。（应使工作电流小于允许电流）增大电阻
11、应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,（2）非线性误差及其补偿,单臂电桥，即R1桥臂变化R，理想的线性关系,实际输出电压,非线误差误差,（2-28）,（2-29）,（2-30）,半桥与全等臂桥输入输出成线性关系。电桥灵敏度是单臂桥的两倍，全等臂桥灵敏度是单臂桥的四倍。温度补偿作用。实验验证,应用测量力、位移、加速度、扭矩等。它由弹性元件和粘贴在其表面的应变片组成。,6、电阻应变式传感器的应用,制作 弹性元件的制作加工。应变片的正确粘贴。,结构形式柱式、悬臂梁式、环式和轮辐式等。,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；,图3-13柱式力弹性体结构图,（1）柱（筒）式力传感器,纵向对称两两串接为了
12、减小偏心载荷及弯矩的影响；横向贴片作温度补偿用。,横向应变片的应变为,（3-31）,（3-32）,接成差动全等臂电桥，总的应变为,电桥输出为,（3-33）,（2-34）,（2）悬臂梁式力传感器,F,固定点,F,固定点,电缆,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,输出电压为,（2-36）,（2-37）,（2-35）,传感器为悬臂梁式传感器。悬臂梁端部受质量块惯性力作用，距端部L处的应变为,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,F,F,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,汽车衡,荷重传感器应用估算,例：用荷重传感器称重，荷重传感器铭牌：F m=100
13、103N，K=2mV/V，当桥路电压为6V时，测得桥路的输出电压为24mV，求被测荷重为多少吨。被测荷重,共性:将应变片贴于应变值最大的点上，接于全桥电路，产生较大输出（具有较高的灵敏度）注意对角线上的应力状态一致,不同点:结构不同,敏感元件受力等产生的应变与被测量关系不同。各性能参数有所不同,应用范围有所不同。（查手册）,总结各种结构电阻应变传感器的共性是什么？不同之处是什么？,定义 单晶半导体材料受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。特点 灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。温度误差较大，要有温度补偿措施。分类 体型压阻式传感器和扩散型压阻式传感器。,二、压阻式传感
14、器,半导体电阻率,1、压阻效应的定量关系,（3-38）,（3-39）,（3-40）,（3-41）,缺点温度稳定性较差，非线性较大。,2、半导体电阻应变片的结构及特点,制作从单晶硅或锗上切下薄片制成。,结构组成基片、半导体薄片、引线。,优点灵敏系数大，横向效应和机械滞后小。,图3-16 体型半导体应变片的结构形式,输出电压受环境温度的影响。,消除了环境温度的变化对输出的影响。,3、测量电路与温度补偿,恒压源,恒流源,（3-42）,（3-43）,3-17恒压（流）源供电电桥,4、压阻式传感器应用,3-18压阻式压力传感器结构简图1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片,（1）结构,低压进气口,
15、高压进气口,膜片上径向应力r和切向应力t的分布,（3-44）,沿径沿 两侧采用扩散工艺制作四个电阻。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，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压。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压就能求得膜片所受的压力差大小。,（3-45）,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉索应变测试,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,上
16、表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？,应变片主要性能指标举例,金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。,热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的特性对与温度相关的参量进行检测的装置。,定义,测温、测温范围主要在中低温区（-200650）,应用,分类,三、热电阻传感器,1、金属热电阻,（1）铂热电阻,R t=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),热电特性（RTT）,当温度t为-2000时,当温度t为0650时,对纯度一定的铂热电阻，A、B、C为一常数。,R t=R0(1+At+Bt2),（3-46）,（3-47）,有R0=100和R0=1000及R0=500三种,它们的分度号分
17、别为Pt100、Pt1000和Pt500。,工业用铂热电阻的种类,查分度表法：铂热电阻不同分度号亦有相应分度表,即R tt 的关系表,这样在实际测量中,只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。,计算温度的方法,公式计算法：由测得的热电阻阻值，由热电特性公式计算出相应的温度值。,铂电阻的灵敏度。,R t=R0（1+t）,纯度W100=R100/R0。按IEC标准,工业使用的铂热电阻W1001.387。,使用场合:不宜在还原性介质中使用。,（3-48）,（2）铜热电阻,测量范围为-50+150。热电特性为：,R t=R0（1+t）,Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100
18、）。,分度号,不宜在氧化性介质中使用。适于在无水分及侵蚀性介质的温度测量。,使用场合,（3-49）,（3）热电阻的结构,图3-19热电阻结构图,图3-19（a）铜热电阻结构图,图3-19（b）铂热电阻结构图,利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质而制成的温度敏感元件。,定义,随着温度的升高，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；另外一方面，半导体材料的载流子的平均运动速度升高，阻碍载流子定向运动能力增强，电阻率增大。,工作机理,2、热敏电阻,半导体热敏电阻主要类型,正温度系数热敏电阻PTC和负温度系数热敏电阻NTC。,主要用于控温、
19、保护等场合。如半导体器件的过热保护。电机、变压器、音响设备的安全保护等。,PTC的应用场合,NTC热敏电阻主要用于测温和温度补偿。,NTC的应用场合,RT=R0e B(1/T1/T0),（1）热电特性（RTT）,T=373.15K(100)，T0=293.15K(20)R20、R100 已知，计算B,材料常数B的确定,温度灵敏度的确定,（3-50）,（3-51）,（3-52）,不同型号的热敏电阻B值不同，它反映T0与T温度之间电阻值变化大小。,（2）热敏电阻的伏安特性,图3-20 热敏电阻的伏安特性,工业用铂电阻采用三线制测量电路和四线制测量电路。,3、热电阻传感器的应用（1）金属热电阻传感器
20、,温度测量，测量电路采用电桥电路。,图3-21 三线制测量电路,三线制补偿原理电桥的相临两个桥臂增加了相同导线电阻，差动输出后，可消除导线电阻的影响。,输出电压,（3-53）,图3-22 四线制测量电路,四线制补偿原理,当实际温度低于设定温度时，热敏电阻阻值较大，VT1的基射极间的电压大于导通电压，TV1导通，VT2也导通，继电器J线圈得电，其常开触点J1吸合，电热丝加热。发光二极管发光，指示电路处于加热状态。当实际温度高于设定温度时，热敏电阻阻值较小，VT1的基射极间的电压小于导通电压，TV1截止，VT2也截止，继电器J1线圈失电，其常开触点J1断开，电热丝断电。小温度范围的温度控制。,（2
21、）热敏电阻传感器,温度控制,图3-25 温度控制器,将负温度系数的热敏电阻与小阻值锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联。,温度补偿,补偿原理,温度变化T，零件阻值变化R1，热敏电阻并联电路阻值变化R2，合理选择电路参数，使,补偿方法,锰铜丝电阻,R2,R1,被补偿元件,RT,图3-26温度补偿电路,当光敏电阻受到光照时，阻值减小。,四、光敏电阻,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,、光敏电阻的结构与工作原理,光敏电阻的结构,图3-27光敏电阻的电极图案,光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对
22、，增强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。,图3-28 光敏电阻工作原理图,工作原理,、光敏电阻的主要参数和基本特性,（2）基本特性伏安特性一定光照，R一定，I正比于U。一定电压，I随着光照E增强而增大。ERI。,（1）主要参数,图3-29 光敏电阻的伏安特性,光照特性（IE）光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。如光照度计：农作物日照时数测定。,图3-30 光敏电阻的光照特性,无光照V0=VL。有光照V0=VH。输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。,图3-31 光敏电阻的应
23、用,图3-32 光敏电阻的光谱特性,光谱特性（Kr%）,光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。亦称为光谱响应。,不同材料，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件，使光电元件得到较高得相对灵敏度。,频率特性光敏电阻受到（调制）交变光作用，光电流与频率的关系。反映光敏电阻的响应速度。,3-33 调制原理图,转盘,3-34光敏电阻的频率特性,3-35光敏电阻的温度特性,3-36光敏电阻的光谱温度特性,电感式传感器的工作基础：电磁感应即利用线圈自感或互感的改变来实现非电量测量,按转换原理分为自感式、互感式、电涡流
24、式等特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好,a)变间隙式气隙型 b)变面积式截 c)螺管式螺管型3-37自感式传感器原理图,一、自感式传感器,1、原理,线圈、铁芯和衔铁三部分组成,气隙变小，电感变大，电流变小,当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。,原理式的推导,铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。,螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的基础上。,2、变气隙式自感传感器灵敏度,气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,当衔铁上移时
25、,传感器气隙减小,即=0,则此时输出电感为L=L0+L,（1）简单变气隙式自感传感器灵敏度,线圈的电感为,3-38变间隙式电感传感器L-特性,当/1时,可将上式用泰勒级数展开,当衔铁下移时,传感器气隙增大,即=0,则此时输出电感为L=L0L。,可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此适用于测量微小位移的场合。,忽略高次项后,与,衔铁上移 切线斜率变大,衔铁下移切线斜率变小,与线性度,衔铁上移：,衔铁下移：,无论上移或下移，非线性都将增大。,1-铁芯；2-线圈；3-衔铁,3-39差动式变间隙式电感传感器,为了减小非线性误差，提高灵敏度实际测量中广泛采用差动变气隙式电感传感器
26、。,（2）差动变气隙式电感传感器灵敏度,在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。,曲线1、2为L1、L2 的特性，3为差动特性,当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2,结论：差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍。非线性减小。简单式电感传感器非线性误差,克服温度等外界共模信号干扰。,3、变面积式自感传感器灵敏度,输入与输出呈线性关系。得到较大的线性范围。,灵敏度,特点,(1)变压器电路,图3-40 变压器电桥,3、电感式传感器测量电路,初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0,输出空载电压,电桥两臂Z1、Z2为传感器
27、线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。,衔铁偏离中间零点，下移时,传感器衔铁上移时,可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于 是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。,空载输出电压与电感的变化成线性关系,(2)带相敏检波的电桥电路,电路作用：辨别衔铁位移方向。U0的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。消除零点残余电压。使x=0时，U0=0。,未加相敏整流器和加相敏整流器的电桥输出、输入特性曲线如图。,图3-8 非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路,实测得到的 相敏检波
28、电路的特性曲线,通过调零电路，可使输出曲线平移到原点。,标定位移时的实验数据及曲线,设衔铁移动使Z1=Z+Z，Z2=Z-Z。当电源u上端为正（A正），下端为负时（B负）,当电源u上端为负（A负），下端为正时（B正）,在电源一个周期内，电压表的输出始终为上正下负。即输出的极性取决于衔铁位移的方向。,设衔铁移动使Z1=Z-Z，Z2=Z+Z时，分析输出电压的极性。,调频电路：是传感器电感L的变化将引起输出电压频率的变化。通常把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。,(3)调频电路,传感器自感变化将引起输出电压频率的变化,G,
29、C,L,f,图3-42调频电路,5、自感式传感器应用举例,图3-43变隙差动式电感压力传感器,敏感元件：C形弹簧管转换元件：差动变隙自 感传感器转换电路：变压器电桥,当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。,二、互感式传感器,1、互感式传感器的结构与工作原理,根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用差动形式连接
30、,故称差动变压器式传感器。与普通变压器的区别与联系。,（1）结构,-活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为W1初级绕组；-匝数为W2a的次级绕组；-匝数为W2b的次级绕组,图3-45 螺管式差动变压器的结构,（2）工作原理 差动变压器一次线圈加一定频率的激励，由于一次和二次线圈之间的互感，二次线圈产生感应电势。,衔铁处于中间位置,衔铁上移,衔铁下移,差动变压器输出电压与活动衔铁位移x的关系曲线，呈V字形。是E2a 曲线与E2b曲线合成的结果。,（3）特性曲线,被测量的变化带动衔铁产生位移，引起原副边磁阻变化,进而原副边磁链和互感系数的变化，最终使两个次级线圈产生感应电势不同,差动输出电压变化。
31、,图3-46 差动变压器输出电压特性曲线,2、基本特性,图3-47差动变压器等效电路,（1）等效电路,当次级开路时,初级线圈有激励电流,二次线圈由于互感产生互感电动势为,空载输出电压为,由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得,输出电压的有效值为,当激磁电压的幅值U和角频率、初级绕组的直流电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，再代入上式即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。,(1)活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M U2=0,(2)活动衔铁向上移动时M1=M+M
32、M2=MM,(3)活动衔铁向下移动时M1=M M M2=M+M,短路阻抗,（2）主要性能灵敏度,提高灵敏度的措施增大U1、提高Q值、增大D、减小损耗。,频率特性,图3-48 KE与f的关系曲线,取测量范围为线圈骨架长度的1/101/4，激励频率采用中频，配用相敏检波式测量电路。,线性度,保证线性度的措施,零点残余电压,定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。（x0，U0e00),产生原因两个二次测量线圈的等效参数不对称，阻抗不同，基波分量不能抵消。铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。,减小零点残余电压措施,制造工艺上，做到磁路对称，线圈对称，铁芯材料均匀。
33、加补偿电路。,差动整流电路。,补偿电路：,补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电压的大小和相位改变，使零点电压最小。,串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次谐波。,图3-49 补偿零点残余电压的电路,3、测量电路,功能：,测量位移的大小，辨别移动方向，消除零点残余电压。,（1）差动整流电路,整流原理把差动变压器的两个次级输出电压分别整流,然后将整流的电压或电流的差值作为输出。,图3-50 差动整流电路,全波电压输出输出电压极性反映位移的方向。,半波电压输出,全波电流输出,考虑电流输出型与电压输出型各自适应场合。,(a)、(b)适用于高阻抗负载(c)、(d)适用于低阻抗负载电阻R0用于调
34、整零点残余电压。,（2）相敏检波电路,(a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c)差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形,图3-52 相敏检波电路电压波形,工作原理（过程）当位移x 0时,u2与uS同频同相,uL0。当位移x 0时,u2与uS同频反相,uL0。,x 0时,u2与uS为同频同相 当u2与uS均为正半周时,uS使环形电桥中二极管VD1、D4截止,VD2、VD3导通,得图 3-51（b）的等效电路。,u22在RL上产生的电压为,当u2与us均为负半周时,二极管VD2、VD3截止,VD1、VD4导通。其等效电路如图 3-51（c
35、）所示。,输出电压亦为,结论：位移X0,不论u2与uS是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压u0始终为正。,当x0时,u2与uS为同频反相。不论u2与uS是正半周还是负半周,负载电阻RL两端得到的输出电压u0表达式总是为,相敏检波器输出电压的变化规律不仅反映了位移变化的大小，而且反映了位移的方向。,结论：位移X0,不论u2与uS是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压u0始终为负。,4、差动变压器应用,1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔,传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡
36、式压力计,图3-53 微压力传感器,图3-54 微压力传感器测量电路,三、电涡流传感器,当电涡流线圈与金属板的距离x 减小时，电涡流线圈的等效电感L 减小，等效电阻R 增大。感抗XL 的变化比 R 的变化 大 得 多，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。,电涡流在我们日常生活中经常可以遇到,干净、高效的 电磁炉,电磁炉内部的励磁线圈,高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅 内 的 食 物。,涡流定义：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,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。,传感器可分为高频
37、反射式和低频透射式两类。,分类,对位移、厚度、材料损伤等进行非接触式连续测。,应用,1、高频反射式电涡流传感器,3-55 涡流的产生,工作过程信号流程,传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为 Z=F（,r,f,x）,Z=F（x）,（1）工作原理,（2）等效电路分析,线圈和导体的回路方程,由方程解得线圈等效阻抗Z的表达式为,Leq线圈受电涡流影响后的等效电感,式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻,线圈的等效品质因数Q值为,被测量的变化，引起线圈电感L、阻抗Z和品质因数Q的变化，通过测量电路将Z或L或Q转变为电信号，可测被测量。,可见：因涡流效应，线圈的品质因素Q下降。,（3）传感
38、器的结构,交变磁场,电涡流探头外形,线圈 框架 3框架衬套4 支架 5电缆 6插头,3-58 高频涡流传感器的结构,CZF-1系列传感器的性能,分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？,大直径电涡流探雷器,（4）被测材料对谐振曲线的影响,图3-59 传感器的谐振曲线,被测体为非磁材料，线圈的等效电感减小，谐振曲线右移；被测体为软磁材料，线圈的等效电感增大，谐振曲线左移。定频时，回路失谐，传感器的阻抗及品质因数降低。,谐振频率,（5）测量方法 定频调幅法,石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压,输出电压为高频载波的等
39、幅电压或调幅电压。,高频放大器：电平抬高。检波电路：取出等幅电压。滤波电路：滤出高频杂散信号，取出与距离（振动）对应的直流电压U0。,当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。,3-61 输出特性曲线,X在（1/5 1/3）D（线框直径）,3-62 调频测距电路原理图,调频法,鉴频器特性,使用鉴频器可以将f 转换为电压Uo
40、,鉴频器的输出电压与输入频率成正比,2、低频透射式涡流传感器,3-63(a)透射式涡流传感器原理(b)线圈感应电势与厚度关系曲线,测厚的依据:E的大小间接反映了M的厚度t,（1）工作原理,发射线圈,接收线圈,（2）影响E的因素,频率、材料一定，板越厚，接收线圈E越小。,板厚、材料一定，频率越高，E越小。,材料一定，不同频率下的E与t的关系,3-64 不同频率渗透深度对E=f(t)曲线的影响,厚板，较低频率,薄板，较高频率,为了得到较高的灵敏度，根据板厚选择激励频率。,更换被测材料时,采取变频的方法,使渗透深度基本不变,灵敏度不变。,测试频率与材料关系,3、涡流式传感器的应用,（1）厚度测量,涡
41、流传感器S1、S2 与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。两探头距离为D。,结构组成,工作原理,x1和x2由涡流传感器测出，经调理电路变为对应的电压值，再经A/D转换器，变为数字量，送入单片机。单片机分别算出x1和x2值，然后由公式d=D(x1+x2)计算出板厚。D值由键盘设定。板厚值送显示器显示。,图3-65 高频反射式涡流测厚仪测试系统图,位移测量,位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。,数显位移测量仪及探头,偏心和振动检测,测量弯曲、波动、变形,对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须
42、使用多个传感器。,（2）转速测量,若转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为,特点：可实现非接触式测量，抗污染能力很强。最高测量转速可达60万r/min,例：下图中，设齿数z=48，测得频率 f=120Hz，求该齿轮的转速n。,电动机转速测量,电涡流式通道安全检查门,安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的
43、光学图像。,安检门演示,（3）涡流探伤,图3-67 波接管成型工艺流程框图,当金属片未靠近探头时，LC并联谐振回路阻抗较大，输出电压大。设计经处理后的输出电压V0大于比较器的参考电压VR。比较器输出高电平。,（4）三杯式风速传感器,它的结构是碗式风杯转动轴上的固定的金属片圆盘。当风杯受风而转动时，圆盘上的金属片便不断地接近或离开涡流传感器探头中的振荡线圈，造成回路失谐，输出电压下降（磁回路间断短路）。,风速转换为电脉冲信号。如频率速度转换常数为1.87HZ/m/s。风速为v=f/1.87(m/s)如将脉冲送入单片机的计数口T1，T0定时1分钟计T1中的计数值N，由公式,当金属片靠近探头时，LC
44、谐振回路失谐，阻抗下降，输出电压减小。V0 VR。比较器输出低电平。,圆盘转动圈数N1=涡流产生的次数N2=比较器输出脉冲数N3。,若想提高分辨能力，可在圆盘上等距放多个金属片，转一圈输出多个脉冲。风速计算公式,Z：圆盘上放金属片的个数。,计算出风速值。,XC（X：位移、加速度、液位、料位、振动、湿度）,一、工作原理和类型,原理式,类型,变间隙式、变面积式和变介电常数式。,图3-69 电容传感器原理图,3.3、电容式传感器,图3-70 电容传感器结构图变极距(）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数()型:（i）(l),1、变极距型电容传感器
45、（1）简单变极距型电容传感器,。,灵敏度推导,若以容抗为输出,亦可用泰勒展开式表示为,（2）差动变间隙式电容传感器,图3-71差动变间隙式电容传感器结构图,灵敏度推导设动极板上移。,差动电容传感器非线性误差,单极非线性误差,非线性误差减小一个数量级。,2、变面积型电容传感器,（1）线位移,图3-72变面积型电容传感器原理图,（2）电容式角位移传感器,当=0时,当0时,图3-74电容角位移传感器原理图,3、变介电常数型电容式传感器,图3-75电容式液位传感器,（1）根据各种介质的介电常数不同，检测液面或料位的高度。,结构形式 电容的连接方式。,电容与液位的关系：,（2）测量被测介质的插入深度,图
46、3-76变介电常数式电容传感器,当X=0时，传感器的初始电容,当被测电介质进入极板间x深度后，引起电容相对变化量为,电容变化量与电介质移动量x呈线性关系。,有介质插入 两段电容并联,二、电容式传感器等效电路,传感器电容,引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成,极板间漏电阻,电容传感器的等效灵敏度,ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。定频、定长。,1、调频电路,图3-78调频电路原理框图,三、电容传感器测量电路,混频后,被测量引起电容变化,鉴频器：频率变化转换为幅值变化。,线性检波器：测幅辨相，测振动。,低通滤波器：直流平均，测位移。,调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度
47、，可以测量高至0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。,2、运算放大器式电路,Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号,3-79运算放大器式电路原理图,特点：能克服变极距型电容传感器的非线性。,式中“”号表示输出电压Uo的相位与电源电压反相。可见运算放大器的输出电压与极板间距离成线性关系。,3、二极管双T型电路,当传感器没有输入时，C1=C2。电路工作原理：当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，其等效电路如图5-13（b）所示；在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，
48、负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，其等效电路如图5-13（c）所示；在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。,若传感器输入不为0，则C1C2,I1I2,此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为,式中,f为电源频率。,当RL已知，上式中,可改写为,输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。
49、电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。当U幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2及RL有关，约为1100k。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1 k的负载电阻上升时间为20s左右，故可用来测量高速的机械运动。,4、脉冲宽度调制电路 差动电容传感器、双稳态触发器、比较器及低通滤波器有机配合，实现,（1）工作原理正半周 设上电后RS触发器Rd=Sd=0。Q=1 Q=0 差动电容传感器上电压UF=UG=0。,U0,Q点输出电压U1通过R1对C1充电。UF渐增。（C2如有电荷，通过二极管VD
50、2快速放掉）当UFUr时，比较器IC1翻转，Rd=1，双稳态触发器复位。,在A、B两点输出方波电压uAB。经低通滤波器得到其平均值U0。从以上的分析可知：比较器的输出控制双稳态触发器的状态。双稳态触发器的输出提供差动电容器的电压。电容端的电压控制比较器的翻转。,（2）各点电压的波形 设C1C2 C1充电速度慢于C2充电速度，UA持续时间长于 UB的持续时间。,图3-82脉宽调制电路电压波形,C1充电时，零状态响应,输出电压的推导,对变间隙传感器,对变面积电容传感器,结论,2、转换效率高直流供电,经过低通滤波器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。,1、适用于变极板距离以及变面积式
