機(jī)械工程測(cè)試技術(shù) 第2版 教學(xué)課件 陳花玲 主編 4參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用

1、在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：http:/教材其余課件及動(dòng)畫(huà)素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)教材其余課件及動(dòng)畫(huà)素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：或者直接輸入下面地址：http:/測(cè)試技術(shù)測(cè)試技術(shù) 參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用第四章第四章 問(wèn)題：1.電阻式、電容式、電感式傳感器能測(cè)量電阻式、電容式、電感式傳感器能測(cè)量哪些量？哪些量？2.電容式傳感器有幾種類型？各自的特點(diǎn)電容式傳感器有幾種類型？各自的特點(diǎn)是什么？是什么？3.電渦流傳感器一般測(cè)量什么量，其工作電渦流傳感器一般測(cè)量什么量，其工作原理是什么？原理是什么？?jī)?nèi)容內(nèi)容 1.傳感器概念傳感器概念2.電

2、阻式傳感器電阻式傳感器3.電容式傳感器電容式傳感器4.電感式傳感器電感式傳感器重點(diǎn)：掌握每種傳感器的工作原理及其應(yīng)用重點(diǎn)：掌握每種傳感器的工作原理及其應(yīng)用1)1)基本概念基本概念國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665GB76658787）對(duì)傳感器定義）對(duì)傳感器定義: : 感受規(guī)定的被測(cè)量感受規(guī)定的被測(cè)量并并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成成可用輸出信號(hào)可用輸出信號(hào)的器件或裝置的器件或裝置內(nèi)涵：內(nèi)涵： 一個(gè)指定的傳感器，只能感受規(guī)定的物理量一個(gè)指定的傳感器，只能感受規(guī)定的物理量 輸入輸出關(guān)系服從一定規(guī)律輸入輸出關(guān)系服從一定規(guī)律 傳感器的輸出信號(hào)中載有被測(cè)量信息傳感器的輸出信號(hào)中載有被測(cè)量信息1 1、

3、傳感器概念傳感器概念 什么是傳感器？什么是傳感器？重要作用：重要作用：機(jī)械量檢測(cè)中不可缺少的機(jī)械量檢測(cè)中不可缺少的首要環(huán)節(jié)首要環(huán)節(jié)它的精度直接影響測(cè)試系統(tǒng)的整體它的精度直接影響測(cè)試系統(tǒng)的整體測(cè)試精度測(cè)試精度工程實(shí)際中俗稱測(cè)量頭、檢測(cè)器等，也稱為一次儀表工程實(shí)際中俗稱測(cè)量頭、檢測(cè)器等，也稱為一次儀表傳感器傳感器 Transducer/Sensor/probe 1 1、傳感器概念傳感器概念 2) 2) 組成組成敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量被測(cè)量電量電量敏感元件敏感元件直接感受被測(cè)量（如：位移）直接感受被測(cè)量（如：位移）轉(zhuǎn)換為有確定關(guān)系的易變成電參轉(zhuǎn)換為有確定關(guān)系的易變成電

4、參數(shù)的數(shù)的其它物理量其它物理量（如：應(yīng)變）（如：應(yīng)變）轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件將將其它物理量其它物理量直接轉(zhuǎn)換為有確直接轉(zhuǎn)換為有確定關(guān)系的電參量的元件（如：定關(guān)系的電參量的元件（如：電阻）電阻）1 1、傳感器概念傳感器概念 有的傳感器兩有的傳感器兩元件合二為一。元件合二為一。 傳感器傳感器敏感元件敏感元件 力、轉(zhuǎn)矩力、轉(zhuǎn)矩應(yīng)變應(yīng)變轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件 應(yīng)變應(yīng)變電阻電阻 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 電阻電阻電壓電壓1 1、傳感器概念傳感器概念 可見(jiàn)可見(jiàn) （1）敏感元件可以將被測(cè)量進(jìn)行多于一次的變換；）敏感元件可以將被測(cè)量進(jìn)行多于一次的變換； （2）敏感元件可以是多個(gè)零件的組合體。）敏感元件可以是多個(gè)零件的組合體。位移

5、傳感器位移傳感器敏感元件敏感元件 直線位移直線位移徑向位移徑向位移 徑向位移徑向位移彎曲變形彎曲變形 彎曲變形彎曲變形應(yīng)變應(yīng)變轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件 應(yīng)變應(yīng)變電阻電阻1 1、傳感器概念傳感器概念 波登管波登管一端開(kāi)通，一端封閉，當(dāng)流體進(jìn)入管中后封一端開(kāi)通，一端封閉，當(dāng)流體進(jìn)入管中后封閉端產(chǎn)生位移，其位移大小正比于流體的壓強(qiáng)。閉端產(chǎn)生位移，其位移大小正比于流體的壓強(qiáng)。敏感元件：敏感元件：波登管（波登管（C型管）型管） 壓強(qiáng)壓強(qiáng)位移位移1 1、傳感器概念傳感器概念 轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn)換元件：銜鐵銜鐵 位移位移電感電感5C型彈簧管型彈簧管 6、8線圈線圈 7 銜鐵銜鐵 9機(jī)械零點(diǎn)調(diào)零螺釘機(jī)械零點(diǎn)調(diào)零螺釘 基本特

6、性基本特性 包括靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性兩大類性能指標(biāo)。包括靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性兩大類性能指標(biāo)。靜態(tài)特性靜態(tài)特性 量程、靈敏度、分辨率、精度、非線性、穩(wěn)定性等。量程、靈敏度、分辨率、精度、非線性、穩(wěn)定性等。動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 可用頻率范圍可用頻率范圍 動(dòng)態(tài)放大比動(dòng)態(tài)放大比設(shè)計(jì)或選用時(shí)必須考慮的問(wèn)題設(shè)計(jì)或選用時(shí)必須考慮的問(wèn)題1 1、傳感器概念傳感器概念 3) 基本特性基本特性輸入量輸入量分類法分類法 可分為溫度、壓力、位移、速度、濕度等傳感器?？煞譃闇囟取毫?、位移、速度、濕度等傳感器。 該分類法適合于該分類法適合于用戶和銷售商用戶和銷售商，便于很明確地根據(jù)用途選用傳感器。，便于很明確地根據(jù)用途選用傳感器

7、。 輸出量輸出量分類法分類法 可分為參數(shù)式傳感器和發(fā)電式傳感器兩類?？煞譃閰?shù)式傳感器和發(fā)電式傳感器兩類。 該分類法適合該分類法適合研發(fā)者和學(xué)習(xí)者研發(fā)者和學(xué)習(xí)者，以便于掌握傳感器的工作原理。，以便于掌握傳感器的工作原理。 1 1、傳感器概念傳感器概念 4) 傳感器分類傳感器分類 一種被測(cè)量可以用不同類型的傳感器來(lái)測(cè)量一種被測(cè)量可以用不同類型的傳感器來(lái)測(cè)量 同一原理的傳感器通常又可測(cè)量多種非電量同一原理的傳感器通常又可測(cè)量多種非電量 將輸入的機(jī)械參數(shù)變化轉(zhuǎn)變將輸入的機(jī)械參數(shù)變化轉(zhuǎn)變?yōu)闉殡妳?shù)變化電參數(shù)變化的傳感器。的傳感器。 常用的有常用的有電阻、電感和電容電阻、電感和電容式式三種基本參數(shù)傳感器

8、。三種基本參數(shù)傳感器。 這種傳感器由于在工作時(shí)其這種傳感器由于在工作時(shí)其本身本身沒(méi)有內(nèi)在的能量轉(zhuǎn)換沒(méi)有內(nèi)在的能量轉(zhuǎn)換，而，而不能產(chǎn)生電信號(hào)輸出不能產(chǎn)生電信號(hào)輸出，故常常，故常常也被稱之為也被稱之為無(wú)源傳感器無(wú)源傳感器。 將輸入的機(jī)械參數(shù)信號(hào)直接將輸入的機(jī)械參數(shù)信號(hào)直接轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出電信號(hào)輸出的傳感器。的傳感器。 常用的有常用的有壓電式、磁電式、壓電式、磁電式、光電式、霍爾式以及熱電式光電式、霍爾式以及熱電式等基等基本類型傳感器。本類型傳感器。 在工作時(shí)其本身就在工作時(shí)其本身就有內(nèi)在的有內(nèi)在的能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換，且，且能夠產(chǎn)生電信號(hào)輸能夠產(chǎn)生電信號(hào)輸出出，故它常常也被稱之為，故它常常也被稱

9、之為有源傳有源傳感器。感器。 參數(shù)式傳感器參數(shù)式傳感器發(fā)電式傳感器發(fā)電式傳感器1 1、傳感器概念傳感器概念 本章重點(diǎn)介紹本章重點(diǎn)介紹參數(shù)式傳感器參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用及其應(yīng)用 下一章將介紹下一章將介紹發(fā)電式傳感器發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用及其應(yīng)用定義：將定義：將非電量變化非電量變化轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電阻變化電阻變化的傳感器的傳感器分類：分類：敏感元件敏感元件 . . 彈性元件、彈性元件、 熱敏元件、熱敏元件、 滑塊滑塊轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件電阻電阻轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路直流電橋直流電橋2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器 V E R1 R2 R3 R4 電阻電阻R R電阻電阻應(yīng)變應(yīng)變式式熱熱電阻式電阻式電電位位計(jì)式計(jì)式電

10、阻式電阻式傳感器傳感器測(cè)應(yīng)變測(cè)應(yīng)變測(cè)溫度測(cè)溫度測(cè)位移測(cè)位移原理：原理：微微應(yīng)變與電阻的關(guān)系應(yīng)變與電阻的關(guān)系 根據(jù)根據(jù)電阻定律電阻定律，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻可以表示為：，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻可以表示為： (2)dRddldARlA(1) AlRtrtrvrdrAdA22)(2(3) )21 (dvRdRt第一項(xiàng)表示材料第一項(xiàng)表示材料幾何尺寸幾何尺寸變化引起的電阻變化變化引起的電阻變化第二項(xiàng)表示第二項(xiàng)表示材料特性電阻率材料特性電阻率變化引起的電阻變化變化引起的電阻變化tldl2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器2.1 應(yīng)變片式傳感器應(yīng)變片式傳感器材料在材料在軸向受力軸向受力的作用，產(chǎn)生的作用，產(chǎn)生機(jī)機(jī)械

11、變形械變形/結(jié)構(gòu)變結(jié)構(gòu)變形形微應(yīng)變微應(yīng)變求微分：求微分：已知：已知：可得：可得：電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 分析電阻率變化分析電阻率變化tdEd 半導(dǎo)體 金屬2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器（1）金屬材料）金屬材料-與體應(yīng)變成比例與體應(yīng)變成比例 式中：式中：C比例常數(shù)比例常數(shù)（2）半導(dǎo)體材料）半導(dǎo)體材料-取決于壓阻效應(yīng)取決于壓阻效應(yīng) 式中：式中：半導(dǎo)體材料在受力方向半導(dǎo)體材料在受力方向壓阻系數(shù)壓阻系數(shù) E半導(dǎo)體材料的彈性模量半導(dǎo)體材料的彈性模量電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器tCAdAldlCVdVCd)21 ()(金屬材料金屬材料 一般一般0.3，C1，因此金屬材料的，因此金屬材料的

12、電阻應(yīng)變效應(yīng)主要來(lái)自電阻應(yīng)變效應(yīng)主要來(lái)自結(jié)構(gòu)尺寸的變化結(jié)構(gòu)尺寸的變化尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)，且靈敏系數(shù)較小，約為，且靈敏系數(shù)較小，約為2.0左右左右。tmtSCRdRRR)21 ()21(ttSERdRRR)21(2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 E(1+2)，因此半導(dǎo)體材料的電阻變化主要來(lái)自，因此半導(dǎo)體材料的電阻變化主要來(lái)自 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)，靈敏系數(shù)較大，約為，靈敏系數(shù)較大，約為50200，分散性大。，分散性大。電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片式傳感器技術(shù)參數(shù)應(yīng)變片式傳感器技術(shù)參數(shù)類類 型型金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量范圍測(cè)量范圍0.150000

13、0.0013000 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)1.84.550200標(biāo)稱阻值標(biāo)稱阻值120，350，600，500010005000電阻受溫度影響電阻受溫度影響溫度系數(shù)是溫度系數(shù)是正值正值溫度系數(shù)一般是溫度系數(shù)一般是負(fù)值負(fù)值電阻容差電阻容差0.1%0.35%1%2%有效柵長(zhǎng)度有效柵長(zhǎng)度/mm0.4150 標(biāo)準(zhǔn)值：標(biāo)準(zhǔn)值：310152 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的性能比較金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的性能比較半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片： 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，比金屬材料是靈敏度高，比金屬材料約高約高50倍，因此有時(shí)可以不加放大倍，因此有時(shí)可以不加放大器，

14、使測(cè)量電路大大簡(jiǎn)化。器，使測(cè)量電路大大簡(jiǎn)化。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是是電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)大，比常大，比常用金屬絲材料大幾十倍，因此對(duì)溫用金屬絲材料大幾十倍，因此對(duì)溫度過(guò)于敏感；度過(guò)于敏感； 此外大應(yīng)變時(shí)此外大應(yīng)變時(shí)靈敏度不為常數(shù)靈敏度不為常數(shù)。2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變片：金屬應(yīng)變片： 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是是靈敏度一般為常數(shù)。靈敏度一般為常數(shù)。 溫度影響比半導(dǎo)體小溫度影響比半導(dǎo)體小，由溫度，由溫度引起的電阻變化與試件應(yīng)變帶來(lái)的引起的電阻變化與試件應(yīng)變帶來(lái)的電阻變化也電阻變化也幾乎是同一數(shù)量級(jí)。幾乎是同一數(shù)量級(jí)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是靈敏度較低，需要放大是靈敏度較低，需要放

15、大電路。電路。應(yīng)變片結(jié)構(gòu)應(yīng)變片結(jié)構(gòu)2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器目前主要使用金屬箔式應(yīng)變片目前主要使用金屬箔式應(yīng)變片電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器各種形式應(yīng)變花各種形式應(yīng)變花常用常用金屬應(yīng)變片材料金屬應(yīng)變片材料康銅：康銅：常用的電阻絲材料常用的電阻絲材料卡瑪合金卡瑪合金：比康銅具有更長(zhǎng)的疲勞壽命和更寬的溫度范圍：比康銅具有更長(zhǎng)的疲勞壽命和更寬的溫度范圍 適用于長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)測(cè)量適用于長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)測(cè)量鉑鎢合金鉑鎢合金：具有極長(zhǎng)的：具有極長(zhǎng)的疲勞壽命疲勞壽命應(yīng)變片性能應(yīng)變片性能對(duì)絕緣電阻要求高：對(duì)絕緣電阻要求高： 粘貼的應(yīng)變片與被測(cè)試件之間的電阻值一般要求粘貼的應(yīng)變片與被測(cè)試件之間的電阻值一般要求

16、R108限制限制最大工作電流最大工作電流Imax： 應(yīng)變片敏感柵允許通過(guò)的應(yīng)變片敏感柵允許通過(guò)的不影響其工作特性不影響其工作特性的最大電流值的最大電流值 通常靜態(tài)測(cè)量取通常靜態(tài)測(cè)量取25mA左右，動(dòng)態(tài)測(cè)量可取左右，動(dòng)態(tài)測(cè)量可取75100mA2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器？柱式柱式應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用應(yīng)用膜片式膜片式（氣體、液體）（氣體、液體）梁式梁式等截面梁等截面梁雙孔梁雙孔梁S型拉力梁型拉力梁2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片的安裝應(yīng)變片的安裝安裝質(zhì)量安裝質(zhì)量力傳遞效果力傳遞效果測(cè)量效果測(cè)量效果 應(yīng)變大

17、的方向應(yīng)變大的方向應(yīng)變片縱向應(yīng)變片縱向安裝方法有三種：安裝方法有三種：粘貼法粘貼法、焊接法焊接法和和噴涂法噴涂法，其，其中中粘貼法最為常用粘貼法最為常用2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變傳感器溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變傳感器溫度誤差及補(bǔ)償溫度引起的測(cè)量誤差溫度引起的測(cè)量誤差1.溫度效應(yīng)：阻值隨溫度變化溫度效應(yīng)：阻值隨溫度變化2.熱膨脹效應(yīng)：不同的線脹系數(shù)導(dǎo)致不同應(yīng)變熱膨脹效應(yīng)：不同的線脹系數(shù)導(dǎo)致不同應(yīng)變實(shí)用中常采用實(shí)用中常采用橋路補(bǔ)償橋路補(bǔ)償方法方法tSSRRtt)(/120電阻溫度效應(yīng)電阻溫度效應(yīng)熱膨脹效應(yīng)熱膨脹效應(yīng)2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器Rt、R0應(yīng)變

18、片在溫度應(yīng)變片在溫度t、t0時(shí)電阻值時(shí)電阻值應(yīng)變片電阻絲的電阻溫度系數(shù)應(yīng)變片電阻絲的電阻溫度系數(shù)電阻絲材料和試件材料的電阻絲材料和試件材料的線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)t 溫度變化量溫度變化量電橋特征：電橋特征：輸出電壓與相鄰臂阻值之差成輸出電壓與相鄰臂阻值之差成比例。比例。因此：電橋可以實(shí)現(xiàn)因此：電橋可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償。電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器2.2 2.2 熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器測(cè)量溫度測(cè)量溫度p工作原理：工作原理： 利用利用電阻隨溫度變化電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器叫做電阻式溫度傳感的特性制成的傳感器叫做電阻式溫度傳感器。器。 p兩種類型兩種

19、類型 金屬熱電阻：金屬熱電阻：純金屬是制造熱電阻的主要材料純金屬是制造熱電阻的主要材料 可以應(yīng)用于熱電阻的金屬有鉑、銅、鎳、鐵等可以應(yīng)用于熱電阻的金屬有鉑、銅、鎳、鐵等 半導(dǎo)體熱敏電阻：半導(dǎo)體熱敏電阻：分為三類：分為三類： 負(fù)溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（熱敏電阻（NTC）；）； 正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)熱敏電阻（熱敏電阻（PTC）；）； 臨界溫度系數(shù)臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（熱敏電阻（CTC） PTC和和CTC型在一定溫度范圍內(nèi)，阻值隨溫度劇烈變化，因型在一定溫度范圍內(nèi)，阻值隨溫度劇烈變化，因此常用作開(kāi)關(guān)元件，此常用作開(kāi)關(guān)元件，溫度測(cè)量主要使用溫度測(cè)量主要使用NTC型熱敏電阻。型熱敏電阻。 2 2、電

20、阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器p兩種類型熱電阻兩種類型熱電阻特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1. 靈敏度靈敏度 溫度升高溫度升高1： 大多數(shù)金屬的阻值要大多數(shù)金屬的阻值要增加增加0.40.6%正溫度效應(yīng)正溫度效應(yīng) NTC半導(dǎo)體的電阻值要半導(dǎo)體的電阻值要減小減小36%負(fù)溫度效應(yīng)負(fù)溫度效應(yīng)010ttRRtt0011()BttttRR e2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器一般純金屬在溫度變化范圍不大時(shí)，電阻值與溫度的關(guān)系近似為線性一般純金屬在溫度變化范圍不大時(shí)，電阻值與溫度的關(guān)系近似為線性NTC半導(dǎo)體的電阻值與溫度的關(guān)系為非線性關(guān)系半導(dǎo)體的電阻值與溫度的關(guān)系為非線性關(guān)

21、系 其中，其中，B是熱敏電阻的材料常數(shù)。是熱敏電阻的材料常數(shù)。2. 線性度線性度電阻電阻溫度特性曲線溫度特性曲線鉑、銅的電阻特性曲線比較理想鉑、銅的電阻特性曲線比較理想 半導(dǎo)體的電阻特性曲線半導(dǎo)體的電阻特性曲線2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻材料選擇熱電阻材料選擇n電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)要大要大，制成的溫度傳感器的靈敏度高。，制成的溫度傳感器的靈敏度高。 電阻溫度系數(shù)與材料的純度有關(guān)，電阻溫度系數(shù)與材料的純度有關(guān)，純度越高純度越高，值值就越大，且穩(wěn)定就越大，且穩(wěn)定n電阻率要大電阻率要大，這樣可使熱電阻體積較小，熱慣性較小，這樣可使熱電阻體積較小，熱慣性較小

22、，對(duì)溫度變化的響應(yīng)就比較快對(duì)溫度變化的響應(yīng)就比較快n在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、線性、良好、線性、良好重復(fù)性重復(fù)性n易于加工易于加工復(fù)制，價(jià)格便宜復(fù)制，價(jià)格便宜 2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器常用熱電阻：常用熱電阻： 1 1）鉑電阻：鉑電阻： 化學(xué)穩(wěn)定性很高，容易提純，便于加工化學(xué)穩(wěn)定性很高，容易提純，便于加工 是是最常用的最常用的金屬金屬熱電阻熱電阻材料材料 用于用于-259.34630.74范圍內(nèi)的測(cè)溫范圍內(nèi)的測(cè)溫 是是基準(zhǔn)溫度計(jì)基準(zhǔn)溫度計(jì)31227320320/102735.4/108019.5/109083.36

23、500).1(0200)100(.1CCCBCAttBtARRtttCtBtARRtt2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器薄膜鉑電阻薄膜鉑電阻用真空沉積的用真空沉積的薄膜技術(shù)薄膜技術(shù)把鉑把鉑濺射濺射在陶瓷基片上，膜厚在在陶瓷基片上，膜厚在2m以內(nèi)，以內(nèi)，用玻璃燒結(jié)料固定用玻璃燒結(jié)料固定Ni(或或Pd)引線，制成薄膜元件引線，制成薄膜元件.特點(diǎn)：微型化、反應(yīng)快特點(diǎn)：微型化、反應(yīng)快2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器2) 銅電阻銅電阻優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)溫度系數(shù)高高，價(jià)格低廉，易于提純，價(jià)格低廉，易于提純?cè)谠?50150范圍內(nèi)近似呈線性關(guān)系范圍內(nèi)

24、近似呈線性關(guān)系缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：電阻率小電阻率小，體積較大，銅電阻絲細(xì)而長(zhǎng)，故機(jī)械強(qiáng)度降低，體積較大，銅電阻絲細(xì)而長(zhǎng)，故機(jī)械強(qiáng)度降低易氧化，易氧化，只能用于無(wú)侵蝕性介質(zhì)只能用于無(wú)侵蝕性介質(zhì)CtRRt/1025.4).1(302 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器幾種金屬熱電阻材料特性幾種金屬熱電阻材料特性2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器 鎳和鐵電阻雖然也適合做熱電阻，但由于易氧化、非線性嚴(yán)重，較鎳和鐵電阻雖然也適合做熱電阻，但由于易氧化、非線性嚴(yán)重，較少應(yīng)用少應(yīng)用. 3) 鍺電阻鍺電阻 鍺是最常用的鍺是最常用的半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料，純鍺在低溫下電

25、阻率太大，純鍺在低溫下電阻率太大,對(duì)溫度的對(duì)溫度的靈敏度也不高，因此必須摻雜微量的雜質(zhì)靈敏度也不高，因此必須摻雜微量的雜質(zhì). 特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)負(fù)的電阻溫度系數(shù)：溫度降低時(shí)，其電阻值增加，靈敏度增大：溫度降低時(shí)，其電阻值增加，靈敏度增大電阻溫度關(guān)系很穩(wěn)定，重復(fù)性很好電阻溫度關(guān)系很穩(wěn)定，重復(fù)性很好迄今所研究過(guò)的半導(dǎo)體中最迄今所研究過(guò)的半導(dǎo)體中最理想的理想的低溫測(cè)量元件低溫測(cè)量元件標(biāo)定一次可長(zhǎng)期使用，而且它的測(cè)量精度可達(dá)到標(biāo)定一次可長(zhǎng)期使用，而且它的測(cè)量精度可達(dá)到0.005K許多國(guó)家將鍺電阻溫度計(jì)作為許多國(guó)家將鍺電阻溫度計(jì)作為4.2K20K之間的之間的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀表標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀表2

26、2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器4）熱敏電阻：）熱敏電阻：n種類繁多種類繁多；n由單晶、多晶以及由單晶、多晶以及玻璃玻璃、塑料塑料等等半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料制成制成 nPNC、CNC熱敏電阻隨溫度變化阻值變化劇烈，常用開(kāi)關(guān)元件熱敏電阻隨溫度變化阻值變化劇烈，常用開(kāi)關(guān)元件n測(cè)量靈敏度較高、測(cè)量靈敏度較高、成本低、成本低、體積?。c(diǎn)溫度測(cè)量），可滿足不同測(cè)溫對(duì)象體積?。c(diǎn)溫度測(cè)量），可滿足不同測(cè)溫對(duì)象的要求，而且適合的要求，而且適合動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量缺點(diǎn)是性能不穩(wěn)定，互換性差，導(dǎo)致測(cè)量精度不高缺點(diǎn)是性能不穩(wěn)定，互換性差，導(dǎo)致測(cè)量精度不高空調(diào)系統(tǒng)的溫空調(diào)系統(tǒng)的溫控元件控元件 a

27、) a)圓片型圓片型 b)b)柱型柱型 c)c)平板型平板型 d)d)結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成 e)e)符號(hào)符號(hào)2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器2.3 2.3 電位計(jì)式電阻傳感器電位計(jì)式電阻傳感器原理：原理：將將線位移或角位移轉(zhuǎn)換為線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：帶有直線或旋轉(zhuǎn)帶有直線或旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)觸頭滑動(dòng)觸頭的電阻器件的電阻器件種類種類：按按結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式可分為繞線式可分為繞線式、薄膜式等、薄膜式等xSLxRrRxSLxURrUUUii02 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電位計(jì)式傳感器電位計(jì)式傳感器2.4 2.4 電阻式傳感

28、器的應(yīng)用電阻式傳感器的應(yīng)用1 1）應(yīng)變式力傳感器）應(yīng)變式力傳感器n被測(cè)物理量被測(cè)物理量：載荷或力載荷或力 各種各種類型類型的測(cè)力元件，測(cè)量范圍從的測(cè)力元件，測(cè)量范圍從1mN108Nn特點(diǎn)：特點(diǎn)：分辨率高，誤差較小，測(cè)量范圍大，分辨率高，誤差較小，測(cè)量范圍大，靜態(tài)與動(dòng)態(tài)都可測(cè)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)都可測(cè)，能在嚴(yán)酷環(huán)境能在嚴(yán)酷環(huán)境下下工作工作 柱式測(cè)力元件：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡(jiǎn)單柱式測(cè)力元件：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡(jiǎn)單柱式柱式2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器這是一個(gè)這是一個(gè)重要特性！重要特性！ 2 2）應(yīng)變式壓力傳感器）應(yīng)變式壓力傳感器n被測(cè)物理量被測(cè)物理量：液體、氣體的液體、氣體的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)

29、壓力壓力 例如：例如：動(dòng)力管道設(shè)備進(jìn)、出口氣體和液體的壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口壓動(dòng)力管道設(shè)備進(jìn)、出口氣體和液體的壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口壓力，內(nèi)燃機(jī)管道壓力等力，內(nèi)燃機(jī)管道壓力等n結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：膜片式或筒式彈性元件膜片式或筒式彈性元件 在壓力的作用下，在壓力的作用下，圓膜片產(chǎn)生圓膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變和和切向應(yīng)變切向應(yīng)變應(yīng)變片應(yīng)變片2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器EhxRpr22228)3)(1 (3EhxRp22228)(1 (33 3）應(yīng)變式扭矩傳感器）應(yīng)變式扭矩傳感器原理：原理：彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變 軸受到扭矩作用時(shí)，軸受到扭矩作用時(shí)，剪切應(yīng)變剪切應(yīng)變與它所傳遞的扭

30、矩有線性關(guān)系與它所傳遞的扭矩有線性關(guān)系 其中：其中：Me轉(zhuǎn)軸所受的轉(zhuǎn)軸所受的扭矩扭矩、G剪切模量剪切模量 、W扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)模模量量2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器 應(yīng)變片扭矩傳感器徑向刷式應(yīng)變片扭矩傳感器徑向刷式集流環(huán)集流環(huán)示意圖示意圖1-扭矩軸；扭矩軸；2-應(yīng)變片；應(yīng)變片；3-絕緣環(huán)；絕緣環(huán)；4-滑環(huán)；滑環(huán)；5-電刷電刷eeeKMdGMGWMG3161膜盒 2連桿 3曲柄 4電刷 5電阻元件2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器4）電位計(jì)式壓力傳感器電位計(jì)式壓力傳感器 敏感元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移，再由電位計(jì)將敏感元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移，再由電位計(jì)將位移位移轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為與之成對(duì)應(yīng)關(guān)系的為與之成

31、對(duì)應(yīng)關(guān)系的電阻或電壓電阻或電壓信號(hào)輸出。信號(hào)輸出。傳感器傳感器定義：感受特定量、一定規(guī)律、可用輸出信號(hào)定義：感受特定量、一定規(guī)律、可用輸出信號(hào)組成：兩部分功能組成：兩部分功能電阻式傳感器電阻式傳感器1 1）應(yīng)變式傳感器）應(yīng)變式傳感器 原理原理: : 結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)、壓阻效應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)、壓阻效應(yīng)2 2）熱電阻傳感器）熱電阻傳感器： 原理原理：熱阻效應(yīng)：熱阻效應(yīng)3 3）電位計(jì)傳感器）電位計(jì)傳感器： 原理：原理：滑動(dòng)觸頭滑動(dòng)觸頭位移改變阻值位移改變阻值電阻式傳感器回顧電阻式傳感器回顧1）定義：）定義：將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換為電容變化的傳感器將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換為電容變化的傳感器電容傳感器特點(diǎn)電容傳感器特點(diǎn)分辨

32、率高，分辨率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠 可非接觸測(cè)量可非接觸測(cè)量，可在惡劣環(huán)境下工作，可在惡劣環(huán)境下工作可測(cè)量的物理量可測(cè)量的物理量位移位移壓力壓力液位液位介質(zhì)介質(zhì)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件 電容電容C A3、電容式傳感器、電容式傳感器 2 2）工作原理）工作原理在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平行極板電容器的電容量在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平行極板電容器的電容量 AUQACQCU3、電容式傳感器、電容式傳感器3）基本類型）基本類型 變極距變極距：位移：位移 變面積變面積 A A：位移、壓力（差動(dòng)）：位移、壓力（差動(dòng)） 變介質(zhì)變介質(zhì)：厚度、液位厚度、液位 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 電容式探頭D （1 1）變極距式）

33、變極距式 兩極板在被測(cè)對(duì)象作用下兩極板在被測(cè)對(duì)象作用下, ,間隙間隙發(fā)生變化發(fā)生變化 n電容量電容量C C與極距與極距呈非線性關(guān)系，為了減小非線性誤差，通常極距變化呈非線性關(guān)系，為了減小非線性誤差，通常極距變化范圍范圍/ / 0 0 0.010.010.10.1。此類電容傳感器僅適于。此類電容傳感器僅適于微小位移微小位移的測(cè)量（的測(cè)量（0.0.001mm001mm零點(diǎn)幾毫米零點(diǎn)幾毫米）；）；n靈敏度靈敏度s s與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，為了提高靈敏，為了提高靈敏度，極距應(yīng)盡可能小度，極距應(yīng)盡可能小n極距減小受限制：一是非線性誤差增大；二是

34、容易發(fā)生電容極板間的電極距減小受限制：一是非線性誤差增大；二是容易發(fā)生電容極板間的電擊穿。一般初始極距擊穿。一般初始極距 0 00.10.11mm1mm左右。左右。n用于非接觸測(cè)量用于非接觸測(cè)量22AdCddCASd 3、電容式傳感器、電容式傳感器靈敏度靈敏度AC 性能改進(jìn)方法性能改進(jìn)方法差動(dòng)方式差動(dòng)方式 兩個(gè)變極距電容傳感器，被測(cè)位移使兩個(gè)變極距電容傳感器，被測(cè)位移使動(dòng)片動(dòng)片變化，引起極距差動(dòng)變化，變化，引起極距差動(dòng)變化，兩個(gè)輸出電容也差動(dòng)變化：兩個(gè)輸出電容也差動(dòng)變化：一個(gè)增大、一個(gè)減小一個(gè)增大、一個(gè)減小。 如果在如果在電路設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)：輸出量與兩個(gè)電容變化量之差成比例電路設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)：輸出量與

35、兩個(gè)電容變化量之差成比例，則差動(dòng)方式的靈敏度就是原來(lái)則差動(dòng)方式的靈敏度就是原來(lái)2倍。倍。 差動(dòng)電容傳感器常采用交流電橋進(jìn)行放大差動(dòng)電容傳感器常采用交流電橋進(jìn)行放大:兩個(gè)電容就是電橋的相兩個(gè)電容就是電橋的相鄰兩個(gè)橋臂鄰兩個(gè)橋臂動(dòng)片動(dòng)片定片定片定片定片3、電容式傳感器、電容式傳感器差動(dòng)變極距式電容傳感器性能分析：差動(dòng)變極距式電容傳感器性能分析： 對(duì)于對(duì)于兩個(gè)極板構(gòu)成的平行極板電容器兩個(gè)極板構(gòu)成的平行極板電容器，見(jiàn)圖，見(jiàn)圖(a), 假設(shè)動(dòng)極假設(shè)動(dòng)極板上移時(shí)，板上移時(shí)， 極板間距由初始距離極板間距由初始距離 變?yōu)樽優(yōu)?，電容變化，電容變化： 000/CA0/()CA則電容的相對(duì)變化量為：則電容的相對(duì)變

36、化量為： 1000(1)CC因?yàn)橐驗(yàn)?1，將上式按冪級(jí)數(shù)展開(kāi)，將上式按冪級(jí)數(shù)展開(kāi),得到忽略得到忽略二次以上二次以上高次項(xiàng)的近似解高次項(xiàng)的近似解.0/ 2000001()CC 對(duì)于對(duì)于三個(gè)極板構(gòu)成的差動(dòng)電容器三個(gè)極板構(gòu)成的差動(dòng)電容器，見(jiàn)圖，見(jiàn)圖(c), 假設(shè)動(dòng)極板上移假設(shè)動(dòng)極板上移 時(shí)，上、下極板時(shí)，上、下極板間距分別變?yōu)殚g距分別變?yōu)?與與 ，電容為，電容為 0 023100001()()CC23200001()()CC31200022()CCCC002CC得到了忽略得到了忽略三次以上三次以上高次項(xiàng)解。可見(jiàn)：差動(dòng)電容器靈敏度提高，非線性誤差減小。高次項(xiàng)解?？梢?jiàn)：差動(dòng)電容器靈敏度提高，非線性誤差減

37、小。03、電容式傳感器、電容式傳感器00CCS002CCS（2 2）變面積式變面積式：相對(duì)面積變化：相對(duì)面積變化 輸出特性：輸出特性：線性線性 可測(cè)量可測(cè)量1cm10cm中等大小的位移中等大小的位移 靈敏度靈敏度 可見(jiàn)，靈敏度為常數(shù)。可見(jiàn)，靈敏度為常數(shù)。 減小極距減小極距可提高靈敏度可提高靈敏度. 應(yīng)用中也采用差動(dòng)方式應(yīng)用中也采用差動(dòng)方式：提高靈敏度：提高靈敏度 dCSdAdCdA3、電容式傳感器、電容式傳感器ACdAdC2（3 3）變介質(zhì)式）變介質(zhì)式輸出特性：輸出特性：線性線性 內(nèi)圓筒內(nèi)圓筒 外圓筒外圓筒介質(zhì)介質(zhì)AdCddCASd3、電容式傳感器、電容式傳感器AC靈敏度靈敏度可見(jiàn)，增加面積可

38、見(jiàn)，增加面積A、減小極距、減小極距可提高靈敏度可提高靈敏度應(yīng)用應(yīng)用 液位高低液位高低 片狀材料的厚度片狀材料的厚度4）電容式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)）電容式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高靈敏度高精度高達(dá)精度高達(dá)0.01% 0.01% 動(dòng)態(tài)特性好，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)量動(dòng)態(tài)特性好，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)量能量損耗小能量損耗小非接觸測(cè)量非接觸測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：電纜分布電容影響大電纜分布電容影響大3、電容式傳感器、電容式傳感器 5）電容測(cè)量時(shí)的幾點(diǎn)考慮）電容測(cè)量時(shí)的幾點(diǎn)考慮抗干擾：抗干擾：電容量很?。◣讉€(gè)電容量很小（幾個(gè)pf 幾十個(gè)幾十個(gè)pf），），易受

39、外界電場(chǎng)干擾，因此：易受外界電場(chǎng)干擾，因此： 采用采用輸入阻抗高，噪聲低的前置放大器輸入阻抗高，噪聲低的前置放大器 引出線應(yīng)盡量短引出線應(yīng)盡量短 采用屏蔽線，采用屏蔽線，而且屏蔽線與殼體及可動(dòng)電極應(yīng)有可靠的而且屏蔽線與殼體及可動(dòng)電極應(yīng)有可靠的接地接地 盡量減小外電場(chǎng)的干擾；盡量減小外電場(chǎng)的干擾；極板間絕緣材料要求高：極板間絕緣材料要求高： 通常要求絕緣電阻在通常要求絕緣電阻在100M以上，以減小漏電阻對(duì)測(cè)量精度的影響；以上，以減小漏電阻對(duì)測(cè)量精度的影響；環(huán)境溫度影響：環(huán)境溫度影響： 采用采用補(bǔ)償電橋補(bǔ)償電橋以抵消以抵消介電常數(shù)介電常數(shù)隨溫度的變化隨溫度的變化 盡量選擇膨脹系數(shù)低的盡量選擇膨脹系

40、數(shù)低的材料材料制造電容式傳感器，以減小尺寸隨溫度的變化。制造電容式傳感器，以減小尺寸隨溫度的變化。3、電容式傳感器、電容式傳感器 6 6）電容式傳感器典型結(jié)構(gòu)）電容式傳感器典型結(jié)構(gòu) 變極距變極距(）型）型: (a)、(e) 變面積型變面積型(A)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數(shù)變介電常數(shù)( )型型: （i）(l)3、電容式傳感器、電容式傳感器7）電容式傳感器的應(yīng)用）電容式傳感器的應(yīng)用3、電容式傳感器、電容式傳感器 （1）電容式轉(zhuǎn)速傳感器）電容式轉(zhuǎn)速傳感器（2）電容式厚度傳感器）電容式厚度傳感器電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用（3）電容式壓差傳感器）電容式壓

41、差傳感器結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：變間隙變間隙差動(dòng)方差動(dòng)方式電容傳感式電容傳感器器固定極板固定極板:兩個(gè)凹面鍍金兩個(gè)凹面鍍金的的玻璃圓玻璃圓盤(pán)盤(pán)可動(dòng)電極可動(dòng)電極:一個(gè)金屬一個(gè)金屬(不銹鋼不銹鋼)膜片膜片當(dāng)當(dāng)p1p2時(shí)，膜片彎向一側(cè)，時(shí)，膜片彎向一側(cè)，那么兩個(gè)差動(dòng)電容一個(gè)增大、一那么兩個(gè)差動(dòng)電容一個(gè)增大、一個(gè)減小，且變化量大小相同個(gè)減小，且變化量大小相同當(dāng)壓差反向時(shí)，差動(dòng)電容變化量當(dāng)壓差反向時(shí)，差動(dòng)電容變化量也反向也反向特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，響結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，響應(yīng)速度快應(yīng)速度快(約約100ms)，能測(cè)微小，能測(cè)微小壓差壓差(00.75Pa)電容式差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1金屬鍍層 2凹形玻璃 3膜片

42、4過(guò)濾器 5外殼3、電容式傳感器、電容式傳感器電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用（4）電容式微加速度傳感器）電容式微加速度傳感器 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：上、下電極固定不動(dòng)上、下電極固定不動(dòng)，動(dòng)片動(dòng)片是是左端固定在襯底上的左端固定在襯底上的懸臂梁懸臂梁，可以上下振動(dòng)可以上下振動(dòng)三維方向的振動(dòng)或加速度三維方向的振動(dòng)或加速度測(cè)量：測(cè)量：在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器安裝三個(gè)加速度傳感器 3硅襯底，4底層多晶硅下電極，5中間層多晶硅振動(dòng)片； 6頂層多晶硅上電極3、電容式傳感器、電容式傳感器電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用變極距式電容傳感器產(chǎn)品舉例變極距式電容傳感器

43、產(chǎn)品舉例 非接觸非接觸DWC型電容式位移測(cè)量?jī)x：型電容式位移測(cè)量?jī)x：平面、圓柱面平面、圓柱面線性量程線性量程:5/10/50/100/500/1000/2000/3000/4000/5000:5/10/50/100/500/1000/2000/3000/4000/5000m m分辨率分辨率:0.01%FS:0.01%FS 非線性非線性: 0.25%FS: 0.25%FS 頻響頻響:0-7.5KHz:0-7.5KHz 電源電源:+15V,-15V:+15V,-15V 輸出輸出:-5V-+5V:-5V-+5V 溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性:0.25% FS/h:0.25% FS/h 具有自校靈敏度具有自校

44、靈敏度. .非線性功能非線性功能 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 電容式探頭D 3、電容式傳感器、電容式傳感器電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器回顧電容式傳感器回顧特點(diǎn)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高分辨率高、工作可靠、工作可靠、可非接觸測(cè)量可非接觸測(cè)量類型類型類型類型靈敏度靈敏度特性特性常測(cè)量常測(cè)量應(yīng)用形式應(yīng)用形式變極距式變極距式非線性非線性微小位移微小位移0.0011mm壓力、加速度壓力、加速度常用差動(dòng)常用差動(dòng)變面積式變面積式線性線性中等位移中等位移1-10cm常用差動(dòng)常用差動(dòng)變介質(zhì)式變介質(zhì)式線性線性液位液位厚度厚度dCASd2dCASd dCSdA1 ）定義：）定義： 基于基于電磁感應(yīng)原理電磁

45、感應(yīng)原理，將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量，將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量. . 可測(cè)量的物理量可測(cè)量的物理量位移位移壓力壓力流量流量電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型4、電感式、電感式傳感器傳感器 2）分類）分類（1）自感型自感型變磁阻變磁阻傳感器傳感器 組成：組成：自感型變磁阻傳感器由線圈、鐵心、銜鐵三部分組成。自感型變磁阻傳感器由線圈、鐵心、銜鐵三部分組成。原理：原理：設(shè)線圈匝數(shù)為設(shè)線圈匝數(shù)為N，線圈自感線圈自感L的定義為：的定義為：磁路磁阻磁路磁阻Rm由鐵心由鐵心和銜鐵的和銜鐵的磁阻磁阻R Rf f和氣隙磁阻和氣隙磁阻 兩部份組成，即：兩部份組成，即：其中：其中

46、： mRL2RRRRfmifiiilRA02RAx0Li123202NAL4、電感式、電感式傳感器傳感器 由于鐵心磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，自感傳感器的自感量為：由于鐵心磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，自感傳感器的自感量為：氣隙面積、氣隙長(zhǎng)氣隙面積、氣隙長(zhǎng)度改變時(shí)，均會(huì)引度改變時(shí)，均會(huì)引起磁路磁阻變化起磁路磁阻變化自感型自感型變磁阻變磁阻傳感器靈敏度傳感器靈敏度 4、電感式、電感式傳感器傳感器 變面積式靈敏度變面積式靈敏度變氣隙式靈敏度變氣隙式靈敏度202NdLsdA2022NAdLsd x0Li123x 自感型自感型變磁阻變磁阻傳感器類型傳感器類型 變面積式變面積式 變氣隙式變氣隙式202NAL靈

47、敏度低，較少使用靈敏度低，較少使用靈敏度高，常用靈敏度高，常用001/LLsL變氣隙式靈敏度也可表示為變氣隙式靈敏度也可表示為4、電感式、電感式傳感器傳感器 自感傳感器缺點(diǎn)自感傳感器缺點(diǎn)： （1 1）變面積型變面積型工作特性是線性的，但靈敏度低；工作特性是線性的，但靈敏度低； （2 2）變氣隙型變氣隙型靈敏度高靈敏度高, , 但非線性嚴(yán)重；但非線性嚴(yán)重； 為減小非線性誤差，氣隙的初始值為減小非線性誤差，氣隙的初始值0 0不宜過(guò)小；不宜過(guò)小； 為獲得較高靈敏度，氣隙的初始值為獲得較高靈敏度，氣隙的初始值0 0不宜過(guò)大；不宜過(guò)大； =0.10.5mm， =(1/51/10) 僅測(cè)量較小位移僅測(cè)量較

48、小位移0.0010.0011mm1mm； （3 3）鐵心對(duì)銜鐵的吸力比較大。）鐵心對(duì)銜鐵的吸力比較大。00如何既提高靈敏度如何既提高靈敏度又改善非線性？又改善非線性？雙邊雙邊差動(dòng)式差動(dòng)式自感型傳感器自感型傳感器結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：自感傳感器采用自感傳感器采用兩個(gè)線圈激磁兩個(gè)線圈激磁，共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵組成，工作時(shí)兩線共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵組成，工作時(shí)兩線圈的自感呈反相變化，形成差動(dòng)輸出。圈的自感呈反相變化，形成差動(dòng)輸出。 0 0 4、電感式、電感式傳感器傳感器 應(yīng)用：應(yīng)用： 主要用于主要用于位移位移測(cè)量，也可以用于測(cè)量，也可以用于振動(dòng)、壓力、流量、液位振動(dòng)、壓力、流量、液位等等參數(shù)測(cè)量參數(shù)測(cè)量 差動(dòng)式自感型傳

49、感器可以使兩線圈對(duì)銜鐵差動(dòng)式自感型傳感器可以使兩線圈對(duì)銜鐵吸引力相互抵消吸引力相互抵消 工作范圍可以達(dá)到氣隙的工作范圍可以達(dá)到氣隙的30%，測(cè)量范圍可達(dá)測(cè)量范圍可達(dá)2 mm 實(shí)際使用的電感傳感器幾乎全是差動(dòng)的實(shí)際使用的電感傳感器幾乎全是差動(dòng)的（2）互感式差動(dòng)變壓器）互感式差動(dòng)變壓器n互感式電感傳感器，是一種互感式電感傳感器，是一種線圈線圈互感值互感值隨隨鐵芯位移改鐵芯位移改變變而變化的而變化的變磁阻式變磁阻式傳感器，傳感器，其原理其原理類似于變壓器類似于變壓器 。n它主要用于它主要用于位移位移測(cè)量，也可以用于測(cè)量，也可以用于振動(dòng)、壓力、流量振動(dòng)、壓力、流量、液位、液位等參數(shù)測(cè)量。當(dāng)它用于精密小

50、位移測(cè)量時(shí)，一等參數(shù)測(cè)量。當(dāng)它用于精密小位移測(cè)量時(shí)，一般約為般約為0.001 l mm。n應(yīng)用最多的就是應(yīng)用最多的就是螺線管式差動(dòng)變壓器螺線管式差動(dòng)變壓器，它具有測(cè)量精，它具有測(cè)量精確度高、測(cè)量范圍大（確度高、測(cè)量范圍大（可擴(kuò)大到可擴(kuò)大到100mm，視結(jié)構(gòu)尺寸視結(jié)構(gòu)尺寸而定）、穩(wěn)定性好和使用方便等特點(diǎn)。而定）、穩(wěn)定性好和使用方便等特點(diǎn)。4、電感式、電感式傳感器傳感器 組成：組成：兩個(gè)線圈、一個(gè)鐵芯兩個(gè)線圈、一個(gè)鐵芯原理：原理：互感型電感式傳感器工作時(shí)，互感型電感式傳感器工作時(shí)，線圈線圈1通入交變電流，在線圈附近空間通入交變電流，在線圈附近空間產(chǎn)生磁通，從而在線圈產(chǎn)生磁通，從而在線圈2產(chǎn)生感生電

51、壓。產(chǎn)生感生電壓。即：即：式中，式中，M21是兩線圈之間的互感系數(shù)，即：是兩線圈之間的互感系數(shù)，即：當(dāng)鐵芯在兩個(gè)線圈的孔中左、右移動(dòng)時(shí)，當(dāng)鐵芯在兩個(gè)線圈的孔中左、右移動(dòng)時(shí)，M21隨著隨著N21變化，變化，u2隨之變化隨之變化u2與與x之間的關(guān)系呈現(xiàn)之間的關(guān)系呈現(xiàn)非線性非線性，靈敏度也低，靈敏度也低實(shí)用中常采用實(shí)用中常采用雙邊差動(dòng)變壓器雙邊差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)改善其非線性結(jié)構(gòu)改善其非線性 221( )/ud M i tdt4、電感式傳感器、電感式傳感器 21211/MMN NR互感式差動(dòng)變壓器互感式差動(dòng)變壓器組成組成：初級(jí)線圈、完全對(duì)稱的反極性串聯(lián)的次級(jí)線圈、鐵芯：初級(jí)線圈、完全對(duì)稱的反極性串聯(lián)的次級(jí)

52、線圈、鐵芯原理原理：輸出電壓幅值與輸出電壓幅值與鐵芯鐵芯位移大小成正比位移大小成正比4、電感式、電感式傳感器傳感器 120212211()iMMjUUUUrj L 理論理論實(shí)際實(shí)際x0零點(diǎn)零點(diǎn)UT 殘余電壓殘余電壓WW1W2WPx三段式三段式雙邊雙邊差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器量程量程10-20mm調(diào)零電阻調(diào)零電阻R解決輸出存在的零點(diǎn)殘余電壓解決輸出存在的零點(diǎn)殘余電壓相敏檢波解決鐵心相敏檢波解決鐵心位移的方向性（單輸出對(duì)應(yīng)多輸入）位移的方向性（單輸出對(duì)應(yīng)多輸入） u0 理論 實(shí)際 相敏檢波 x 4、電感式、電感式傳感器傳感器 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：輸出輸出功率大功率大，性能穩(wěn)定，精度高。，性能穩(wěn)定，精度高。缺點(diǎn)

53、：缺點(diǎn)：不能反映其方向不能反映其方向 輸出電壓存在一定的零點(diǎn)殘余電壓輸出電壓存在一定的零點(diǎn)殘余電壓 n二段式二段式差動(dòng)變壓器測(cè)量技術(shù)差動(dòng)變壓器測(cè)量技術(shù) n測(cè)量測(cè)量大位移大位移時(shí)可采用兩段式差動(dòng)變壓器時(shí)可采用兩段式差動(dòng)變壓器 ,（線圈布局不同、心棒構(gòu)造不同）（線圈布局不同、心棒構(gòu)造不同） l（1L、1R）一感應(yīng)線圈）一感應(yīng)線圈 2一鐵心一鐵心 3一滑動(dòng)支承一滑動(dòng)支承4一外殼一外殼 5一端蓋一端蓋 6一磁極一磁極 7一膠木管一膠木管 8一勵(lì)磁線一勵(lì)磁線圈圈4、電感式傳感器、電感式傳感器 靈敏度一般可達(dá)靈敏度一般可達(dá)0.5-5V/mm 。為提高靈敏度，勵(lì)磁電。為提高靈敏度，勵(lì)磁電壓在壓在10V左右，

54、電源頻率以左右，電源頻率以1-10kHz為好為好 。 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器（3 3）電渦流傳感器）電渦流傳感器渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)（電磁感應(yīng)定律）：塊狀金屬置于變化著的磁場(chǎng)中或在磁（電磁感應(yīng)定律）：塊狀金屬置于變化著的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)自身閉場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)自身閉合，稱為電渦流，此現(xiàn)象為電渦流效應(yīng)。合，稱為電渦流，此現(xiàn)象為電渦流效應(yīng)。 ( (與變壓器原理相似與變壓器原理相似, ,二次側(cè)只有一匝并且輸出端總是短路的。二次側(cè)只有一匝并且輸出端總是短路的。) )結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：高頻激勵(lì)電流：高頻激勵(lì)電流+ +線圈線圈表征表征：電

55、渦流線圈的等效阻抗：電渦流線圈的等效阻抗 Z=R+jL=F（i1、f、 、 、t、x） 靠近的被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流靠近的被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流i2，它也，它也產(chǎn)生交變磁場(chǎng)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H2，H2的方向與的方向與H1的方的方向相反。由于磁場(chǎng)向相反。由于磁場(chǎng)H2的反作用，的反作用，導(dǎo)致導(dǎo)致傳感器線圈阻抗變化。傳感器線圈阻抗變化。4、電感式、電感式傳感器傳感器 測(cè)量原理：測(cè)量原理： 線圈阻抗與距離線圈阻抗與距離x、導(dǎo)體、導(dǎo)體 、 、t有關(guān)，有關(guān)，通過(guò)測(cè)量阻抗變化獲得通過(guò)測(cè)量阻抗變化獲得位移、振動(dòng)、位移、振動(dòng)、材料鑒別、探傷等材料鑒別、探傷等靈敏度取決于靈敏度取決于被測(cè)面材料被測(cè)面材料 ( 、 、t)n電渦流傳感器特性電渦流傳感器特性1）電渦流在金屬導(dǎo)體的縱深方向不是均勻分布的，只集中在導(dǎo)體表面）電渦流在金屬導(dǎo)體的縱深方向不是均勻分布的，只集中在導(dǎo)體表面。 頻率越高，滲透深度越淺頻率越高，滲透深度越淺 頻率越低，滲透深度越深頻率越低，滲透深度越深 因此，因此，改變頻率可控制檢測(cè)深度。改變頻率可控制檢測(cè)深度。2）當(dāng)被測(cè)對(duì)象的材質(zhì)改變時(shí)，輸出的特性曲線也不同。當(dāng)被測(cè)對(duì)象的材質(zhì)改變時(shí)，輸出的特性曲線也不同。 特別是鐵磁材特別是鐵磁材料差異更大，使用時(shí)要注意。料差異更大，使用時(shí)要注意。 n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：非接觸測(cè)量：非接觸測(cè)量 、線性好線性好，工作范圍寬，