長(zhǎng)江大學(xué)感測(cè)技術(shù)PPT第四章 阻抗型傳感器

1、2022-1-41第四章 阻抗型傳感器電子信息學(xué)院楊 友 平2022-1-42.1 電阻式傳感器電阻式傳感器.1.1 電位器式傳感器電位器式傳感器一、組成原理一、組成原理 圖圖1-1二、輸入二、輸入輸出特性輸出特性1線性特性線性電位器xLRRxxLURRUUxx式中L觸點(diǎn)行程x觸點(diǎn)位移角位移線位移2非線性特性非線性電位器 非線性函數(shù) )(xfRx)(xfRUUx2022-1-434.1.1 電位器式傳感器)()(xfRUxfRUUUABACx 2022-1-44三、結(jié)構(gòu)形式2非接觸式光電電位器 圖412四、用途：測(cè)量位移；測(cè)量可轉(zhuǎn)化為位移的其他非電量。2022-1-45圖-1-2光電電位器原理

2、圖 2022-1-464.1.2 電阻式應(yīng)變傳感器和固態(tài)壓阻式傳感器電阻式應(yīng)變傳感器和固態(tài)壓阻式傳感器一、電阻式應(yīng)變傳感器（一）應(yīng)變電阻效應(yīng)應(yīng)變使電阻變化1、應(yīng)變：圖4-1-3 縱向線應(yīng)變 橫向線應(yīng)變 泊松比面應(yīng)變 體應(yīng)變 ldl /rdr /ldrrdr/22/rdrAdA)21 (/AdALdlVdV2022-1-472、導(dǎo)體電阻及其變化金屬材料 半導(dǎo)體材料 壓阻系數(shù) E彈性模量3、應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式： （應(yīng)變材料的靈敏系數(shù)）：金屬材料 約1.02半導(dǎo)體材料 約50100ALRdAdALdLRdR)21 ()21 ( cvdvcdEd00KRR00/ RRK21)21 ()21 (0cKEEK

3、)21 (02022-1-484.1.2 應(yīng)變式傳感器和壓阻式傳感器 dAdAldlRdR2022-1-49（二）電阻應(yīng)變片1、組成結(jié)構(gòu)圖4-1-43、安裝粘貼在試件表面（應(yīng)使應(yīng)變片軸向與所測(cè)應(yīng)變方向一致）4、應(yīng)變片靈敏系數(shù)應(yīng)變片電阻相對(duì)變化與粘貼處試件表面應(yīng)變之比RRK/(1)xxyyxxxRkkkHkR試件表面縱向線應(yīng)變 試件表面橫向線應(yīng)變xy)0(xy縱向靈敏系數(shù)， 橫向靈敏系數(shù)xkyk 橫向效應(yīng)系數(shù)xykkH/應(yīng)變片靈敏系數(shù)小于應(yīng)變電阻材料靈敏系數(shù) 0)1 (kkHkkxx2022-1-4102022-1-4112022-1-412（三）應(yīng)變電橋 1、電阻傳感器電橋的近似公式圖311中

4、令 在 的條件下，電橋開(kāi)路輸出電壓可近似為iiiRRZiiRR 31240012344RRRRUUURRRR 非線性誤差近似為 001234012341()2UURRRReURRRR結(jié)論結(jié)論：1）如果電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂，溫度引起的電阻變化）如果電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂，溫度引起的電阻變化將相互抵消，其影響將減小或消除；將相互抵消，其影響將減小或消除；2）非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號(hào)相同，則應(yīng)將這兩）非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號(hào)相同，則應(yīng)將這兩電阻傳器接在電橋的相對(duì)兩臂，但是這只能提高電橋輸出電壓，電阻傳器接在電橋的相對(duì)兩臂，但是這只能提高電橋輸出電壓，并不能減小溫

5、度變化的影響和非線性誤差。并不能減小溫度變化的影響和非線性誤差。3）被測(cè)非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號(hào)相反，則應(yīng)將）被測(cè)非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號(hào)相反，則應(yīng)將這兩電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂即構(gòu)成差動(dòng)電橋，這既能這兩電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂即構(gòu)成差動(dòng)電橋，這既能提高電橋輸出電壓，又能減小溫度變化的影響和非線性誤差。提高電橋輸出電壓，又能減小溫度變化的影響和非線性誤差。2022-1-4132、應(yīng)變電橋接入應(yīng)變片的電橋1）單應(yīng)變片工作：2）雙應(yīng)變片工作： 一片受拉，另一片受壓，即1=x，2=-x，一片承受縱向應(yīng)變x，即1=x，另一片承受橫向應(yīng)變y，即2=y。因y=- x，(為泊

6、松比)，04kUU0124kUU02xkUU014xkUU 3) 四應(yīng)變片工作：兩片受拉，另兩一片受壓1=3=x，2=4=-x， 兩片承受縱向應(yīng)變x，另兩片承受橫向應(yīng)變y1=3=x，2=4=y，y=-x(為泊松比)，0 xUkU012344kUU012xkUU 2022-1-414（四）溫度誤差及其補(bǔ)償1、溫度誤差產(chǎn)生原因 應(yīng)變電阻隨溫度變化)1 (0tRRttRRt0tKKRRt0/試件材料與應(yīng)變法的線膨脹系數(shù)不一致)1 (0tlLsst)1 (0tlLggttllllsgstgt)(0tllsg)(0產(chǎn)生電阻變化為0()tgsRktR總的電阻變化為00()tttgsRRRtktRR 202

7、2-1-415 00()tttgsRRRtktRR 2022-1-416 3、補(bǔ)償溫度誤差的辦法 補(bǔ)償塊法 圖1-711111()ttRRRkRR 2222ttRRkRR04kUU差動(dòng)電橋法 如果兩應(yīng)變片型號(hào)參數(shù)、所處環(huán)境溫度及所粘貼材料均相同，只要將兩應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩臂，就可消除溫度變化引起的測(cè)量誤差。2、溫度誤差的危害產(chǎn)生應(yīng)變測(cè)量誤差即“虛假視應(yīng)變”溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化可折算成的“虛假視應(yīng)變”為()()tgsgstttkk 2022-1-41704kUU2022-1-418二、固態(tài)壓阻式傳感器（一）半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)應(yīng)力使半導(dǎo)體電阻率變化 dEAF)21 ( EdEdRdR

8、（二）固態(tài)電阻式傳感器特點(diǎn)：在半導(dǎo)體硅材料基底上制成擴(kuò)散電阻，作為測(cè)量傳感元件，優(yōu)點(diǎn)：無(wú)須粘貼，便于傳感器的集成化缺點(diǎn)：易受溫度影響。需溫度補(bǔ)償或在恒溫條件下使用。（三）溫度誤差及其補(bǔ)償1、溫度誤差產(chǎn)生原因1電阻隨溫度變化（電橋輸出）零位漂移2溫度壓阻系數(shù)（電橋輸出）靈敏度漂移2、溫度補(bǔ)償電路圖4-1-81零位溫漂補(bǔ)償：RP起補(bǔ)償作用；RS起調(diào)零作用2靈敏度溫漂補(bǔ)償二級(jí)管V；壓降隨溫度升高而下降。2022-1-419 2022-1-4204.1.3 熱電阻和熱敏電阻一、熱電阻金屬電阻1電阻溫度特性 （正溫度特性）近似公式：一般 故 近似線性 電阻溫度系數(shù) 百度電阻比： 一般為100、50兩種分

9、度表溫度t與電阻阻值Rt的對(duì)照數(shù)據(jù)表。 Rt)1 (320ctttRRt32cttt)1 (0tRRt00R2對(duì)熱電阻材料的要求溫度特性的線性度好溫度系數(shù)大且穩(wěn)定電阻率大物理化學(xué)性能穩(wěn)定2022-1-4213常用熱電阻 W（100） 測(cè)溫范圍 價(jià)格 溫度系數(shù)鉑電阻 1.391 -200650 昂貴 高 低銅電阻 1.425 -50150 低廉 差 高二、熱敏電阻半導(dǎo)體電阻1、類型 圖4-1-9 特性曲線PTC Positive temperature coefficientCTC critical temperature coefficientNTC negative temperature

10、coefficientNTC常用于溫度測(cè)量和溫度補(bǔ)償 PTC、CTC常用作開(kāi)關(guān)元件2022-1-4224.1.3 熱電阻和熱敏電阻011()0BTTRR e 2022-1-423 2結(jié)構(gòu)及符號(hào)圖4-1-102022-1-4242022-1-4253NTC熱敏電阻電阻溫度特性)11(00TTBeRR21/TBdTdRRdTRdR2011() ()02()BBTTTdRBR eRdTT 2/TBdTRdR結(jié)論：1溫度系數(shù)比熱電阻大幾十倍 2非線性比熱電阻嚴(yán)重因?yàn)樗?022-1-426 伏安特性圖4-1-12應(yīng)根據(jù)允許功能確定電流2022-1-4274.1.4 氣敏電阻氣敏電阻一、工作原理 圖3、

11、圖4半導(dǎo)體陶瓷與氣體接觸時(shí)電阻發(fā)生變化： 接觸氧化性氣體，電阻 接觸還原性氣體，電阻 濃度越大，電阻變化越大用途：氣體識(shí)別，濃度檢測(cè)二、材料與組成1、材料SnO2應(yīng)用最廣2、組成： 氣敏電阻體；加熱器 3、結(jié)構(gòu)： 燒結(jié)型；薄膜型；厚膜型2022-1-4284.1.4 氣敏電阻2022-1-429 2022-1-4304、電路符號(hào) 圖4115旁熱式 圖4115(a)(b)直熱式 圖4115(c)SLLCRLRRRUU氣敏電阻Rs與負(fù)載電阻RL分壓電路 2022-1-431氣敏電阻電橋電路 2022-1-4324.1.5 濕敏電阻濕敏電阻一、氯化化鋰濕敏電阻 是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變

12、化而制成的測(cè)濕元件。 氯化鋰溶液的當(dāng)量電導(dǎo)隨著溶液濃度的增高而下降。環(huán)境的相對(duì)濕度高，氯化鋰溶液將因吸收水份而濃度降低；反之，環(huán)境的相對(duì)濕度低，則氯化鋰溶液的濃度就高。因此，氯化鋰濕敏電阻的阻值將隨環(huán)境相對(duì)濕度的改變而變化，從而實(shí)現(xiàn)了濕度的測(cè)量。二、半導(dǎo)瓷濕敏電阻1濕敏特性： 正特性 濕度電阻 負(fù)特性 濕度電阻2典型結(jié)構(gòu) 燒結(jié)型 正濕敏特性 涂復(fù)膜型 負(fù)濕敏特性三、高分子膜濕敏電阻是采用人工合成的有機(jī)高分子膜作為濕敏材料的電阻式濕度傳感器(1)碳濕敏電阻；（2）聚苯乙烯磺酸鋰濕敏電阻2022-1-4332022-1-4342022-1-4352022-1-436電流表電流 濕敏電阻Rd校滿電阻

13、與xmax%RH對(duì)應(yīng)的Rx相等。濕度RxIx注意：1不能使用電壓表，因電壓表內(nèi)阻r很大，電壓表讀數(shù)為 幾乎不隨濕度改變. 2濕敏電阻必須用交流式換向直流供電，不能用單向電流供電.4213RRRVIxxRVRRRrrRRRrUUxx33212102022-1-437.2 電容式傳感器電容式傳感器4.2.1基本原理與結(jié)構(gòu)類型基本原理與結(jié)構(gòu)類型一、原理1平行平面電容單層介質(zhì) s極板覆蓋面積多層介質(zhì) 2平行曲面形（同軸圓筒形）電容 L覆蓋長(zhǎng)度當(dāng)時(shí) ， （x0時(shí)，ln x展成冪級(jí)數(shù)，取第一項(xiàng)， ，令 ，所以 ）二、結(jié)構(gòu)類型：變極距、變面積、變介質(zhì)dsCssdddsC2211)/ln(2rRLCrrR )

14、(rRLrrRrRLC2)(112lnxxxrRx rRrrRrRrR)(2)/ln(12022-1-4384.2.1 基本原理與結(jié)構(gòu)類型000001)1 (ddCdddSddSC12120CCdCCd 動(dòng)極板上移差動(dòng)式2022-1-439 000()(1)b lllCCdl)1 ()(0000llCdllbC單一式差動(dòng)式2022-1-440 12120CCCC0000ACBCl rCCCRr2022-1-441 1212121rrCClCCl2022-1-4424.2.3 等效電路分析 2(1)eCCCCLC結(jié)論：1、激勵(lì)頻率 通常2、每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或更換連接電纜時(shí)須重新進(jìn)行標(biāo)定。LCff

15、2100)3121(ff 2022-1-4434.2.4 接口電路選擇接口電路選擇 盡可能使輸出電壓或頻率與被測(cè)非電量成線性關(guān)系。一、比例運(yùn)算電路1、恒電流激勵(lì)電路 圖35（a） 應(yīng)用于單一變極距式電容傳感器 2、恒電壓激勵(lì)電路 圖35（b） 應(yīng)用于變面積式和變介質(zhì)式電容傳感器 3、恒電壓激勵(lì)差動(dòng)電路 圖35（c） 應(yīng)用于變面積差動(dòng)式電容傳感器 .00ExCUUC .001EdUUd .001EdUUd .001ElUUl .2100ECCUUC002EUU二、交流電橋1、電阻平衡臂電橋 圖3-1-6（a）2、變壓器電橋 圖3-1-6（b）開(kāi)路（ZL時(shí)）輸出電壓都為 應(yīng)用于變極距差動(dòng)式電容傳感

16、器 .120122CCEUCC002EdUd2022-1-444三、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 圖36 變極距差動(dòng)式電容傳感器接入差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖36得 設(shè)被測(cè)量為振動(dòng)位移 ，代入上式得 。顯然，低通濾波器應(yīng)允許頻率為fx的被測(cè)非電信號(hào)通過(guò)，為了濾去方波基波及其諧波而且允許頻率為fx的被測(cè)非電信號(hào)通過(guò)，一般選取截止頻率fh為 00ddUUEsin2mxddf t 00sin2mExdUUf tdxhfff)53()53(02022-1-4454.3 電感式傳感器電感式傳感器4.3.1 自感式傳感器自感式傳感器一、工作原理 1、組成：鐵芯線圈 活動(dòng)街鐵2、自感 式中 故 因?yàn)?所以 ，所以 所以 3、原

17、理：被測(cè)量變化R-m變化L變化類型：1、變所隙式 變化L變化 2、變面積式 A變化L變化 3、螺管插鐵式 變化L變化INLmRNImRNL2RRRFmFFFFAlRAR020FRRFRRm20222ANRNRNLm二、輸入輸出特性1變氣隙式自感傳感器; 2變面積式自感傳感器; 3螺管插鐵式自感傳感器.2022-1-446 0000020021)1 (2)(2LANANL0=(0.1-0.5)mm;=(0.1-0.2) 0單一式 圖4-3-1（a） 2022-1-44702112aaLLLL00222112)(1(1)(1(xxlxrrlxrrLLLLcrcr02112LLLL差動(dòng)式 圖4-3-

18、2 (a) (b) (c)2022-1-448三、等效電路圖3-3LjcjLje11LcLLe21LcLdLLdLee21/結(jié)論：1、應(yīng)選擇激勵(lì)頻率，最好選擇能使品質(zhì)因數(shù)最高的最佳激勵(lì)頻率。 Lcff2102、更換連接電纜時(shí)，須重新進(jìn)行校準(zhǔn)。2022-1-449四、接口電路選擇 盡可能使輸出電壓、電流或頻率與被測(cè)非電量成線性關(guān)系。1、變壓器電橋 圖316(b)211202LLLLEU1）單一式 L2=L0（固定電感） )21/(4200000ELLLLEUxx2）差動(dòng)式： 002EU結(jié)論：1、差動(dòng)式比單一式靈敏度提高一倍 2、差動(dòng)式可消除非線性2、差動(dòng)電感脈沖調(diào)寬電路圖328 適用于差動(dòng)自感傳

19、感器21210LLLLUUUEAB2022-1-450 3、比例電路（與圖325相似）適用于單一式自感傳感器 圖中L0為固定電感，其值等于自感傳感器LX的初始值。 2022-1-4514.3.2 互感式傳感器一、互感與自感dtdiMdtdNu1212122112121IMjU緊耦合時(shí) 所以 112112121NNLM二、互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）組成原理差動(dòng)變壓器也有變氣隙式、變面積式和螺管式三種類型。2022-1-4522、差動(dòng)變壓器工作原理.1212212211211()()jMMUUUjMMIUrj L 2022-1-453 2022-1-45402010ELNUUNR三、輸出特性202

20、2-1-455結(jié)論：應(yīng)選取合適的較高的激勵(lì)頻率，以保持靈敏度不變。2022-1-456.2222222212111()()22UUUUUU四、測(cè)量電路2022-1-457 電流輸出 電壓輸出 全波整流 圖4-3-9（a） 圖4-3-9（c）半波整流 圖4-3-9（b） 圖4-3-9（d）差動(dòng)輸出 21IIIabbcacabUUU注意點(diǎn)：1）整流二極管方向與輸出電流方向一致。2）電位器用于輸出調(diào)零。2022-1-458 2022-1-4594.3.3壓磁式傳感器壓磁式傳感器 是利用鐵磁物質(zhì)的壓磁效應(yīng)工作的傳感器一、壓磁效應(yīng)1、“磁致伸縮效應(yīng)”鐵磁材料在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，在磁場(chǎng)方向會(huì)伸長(zhǎng)或者縮短，這種

21、現(xiàn)象稱為“磁致伸縮效應(yīng)”。2、“壓磁效應(yīng)”鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力(拉、壓、扭)作用下，磁導(dǎo)率發(fā)生變化，外力取消后，磁導(dǎo)率復(fù)原，這種現(xiàn)象稱為“壓磁效應(yīng)” (又稱磁彈性效應(yīng))。鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率變化與機(jī)械應(yīng)力之間有如下關(guān)系：22ssB 二、基本結(jié)構(gòu)型式1、組成： 壓磁元件（由硅鋼片粘疊而成閉合的磁路） 線圈（繞制在壓磁元件上）。2、類型：2022-1-4601）自感型壓磁傳感器壓磁元件上若只繞上一組線圈 圖43-1112LkkF2022-1-4612211( )NUUk FFN2）互感型壓磁傳感器壓磁元件上同時(shí)繞制激勵(lì)繞組和輸出繞組 圖3-122022-1-4623）常用的互感型壓磁傳感器圖3-132022-1-463三、測(cè)量電路 圖3-142022-1-4644.3.4 電渦流式傳感器 一、電渦流效應(yīng) 1、電渦流的產(chǎn)生：成塊金屬置于交變磁場(chǎng)中或在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生環(huán)形感應(yīng)電流電“渦流”。2、電渦流的強(qiáng)度與分布 圖315)(111 212xRII強(qiáng)度一般取X/R=(0.05-0.15)mm2022