阻抗型傳感器

1、第四章第四章 阻抗型傳感器阻抗型傳感器 了解阻抗型傳感器的常見類型了解阻抗型傳感器的常見類型 理解常見阻抗型傳感器的基本工作原理理解常見阻抗型傳感器的基本工作原理 掌握常見阻抗型傳感器的測量電路掌握常見阻抗型傳感器的測量電路基本要求：基本要求：4.1電阻式傳感器電阻式傳感器 將被測量如位移、形變、力、加速度、濕將被測量如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一度、溫度等物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一種器件。種器件。 4.1.1 電位器式傳感器電位器式傳感器利用電位器為傳感元件可制成電位器式傳感器，利用電位器為傳感元件可制成電位器式傳感器，可以測量線位移或角位移可以測量線位

2、移或角位移;還還可可測量一切可以轉(zhuǎn)換為位移的物理量參數(shù)，如測量一切可以轉(zhuǎn)換為位移的物理量參數(shù)，如壓力、加速度等。壓力、加速度等。 電位器式傳感器是由電阻元件及電刷電位器式傳感器是由電阻元件及電刷(活動(dòng)觸點(diǎn)活動(dòng)觸點(diǎn)) 兩個(gè)基本部分組成。兩個(gè)基本部分組成。一、組成原理一、組成原理)()(xfRUxfRUUUABACx( )xACRRf x二、電位計(jì)分類及特點(diǎn) 電位計(jì)分類電位計(jì)分類按輸出按輸出-輸入特性輸入特性按結(jié)構(gòu)形式按結(jié)構(gòu)形式線性電位計(jì)線性電位計(jì)非線性電位計(jì)非線性電位計(jì)線繞式線繞式在傳感器中應(yīng)用較多在傳感器中應(yīng)用較多薄膜式薄膜式具有較高的精度和線具有較高的精度和線 性特性性特性光電式光電式無摩擦

3、和磨損，分辨無摩擦和磨損，分辨 率高率高851010三、輸入三、輸入輸出特性輸出特性1. 線性特性線性特性線性電位器線性電位器 假定全長為假定全長為 的電位器的阻值為的電位器的阻值為 ，電阻沿長，電阻沿長均勻分布，則當(dāng)電刷由均勻分布，則當(dāng)電刷由A A向向B B移動(dòng)移動(dòng) 后，則：后，則：若變阻器式若變阻器式： 若分壓式：若分壓式： lRxxRRxlxxUURUURxxRRll2非線性特性非線性特性非線性電位器非線性電位器 ()xRfx()xUUfxR例：一電位計(jì)式位移傳感器及接線圖如圖所示，變例：一電位計(jì)式位移傳感器及接線圖如圖所示，變阻器有效長度為阻器有效長度為L，總電阻，總電阻R ，讀數(shù)儀表

4、電阻，讀數(shù)儀表電阻RL，活動(dòng)觸點(diǎn)位置活動(dòng)觸點(diǎn)位置x=L/5。求：讀數(shù)儀表的指示值求：讀數(shù)儀表的指示值 ？abU四、電位器式傳感器的應(yīng)用四、電位器式傳感器的應(yīng)用 電位器式傳感器常用來測量位移、壓力、加速度電位器式傳感器常用來測量位移、壓力、加速度等等。電位計(jì)式壓力傳感器案例：玩具機(jī)器人案例：玩具機(jī)器人原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化4.1.2 電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片 利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。電阻應(yīng)變片是電阻應(yīng)變式傳感器中的傳感元件，簡稱應(yīng)變片。應(yīng)變片一種是應(yīng)變片一種是金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體材料，另一種是材料，另一種是半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料材料。工作原理是基于金屬

5、導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，或者是工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，或者是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)?；诎雽?dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體在外力的作用下產(chǎn)生機(jī)械：金屬導(dǎo)體在外力的作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，它的電阻值隨著所受機(jī)械形變（伸長形變時(shí)，它的電阻值隨著所受機(jī)械形變（伸長或縮短）的變化而變化的物理現(xiàn)象?；蚩s短）的變化而變化的物理現(xiàn)象。壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體半導(dǎo)體受到應(yīng)力時(shí)，其電阻率發(fā)生受到應(yīng)力時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。變化的物理現(xiàn)象。 )(rAlR2)(rrAAdAldldRdRurdrAdA2)(2)(AdAldldRdR)(ldl)21 (/udRdRldlrdrddVCV)21

6、 (udRdR)21 (uAdAldlVdV而mKuCuRdR)21 ()21(EdEAF其中其中 ：壓阻系數(shù)；：壓阻系數(shù)； ：作用于材料的軸向應(yīng)力；：作用于材料的軸向應(yīng)力； E E ：半導(dǎo)體材料的彈性模量：半導(dǎo)體材料的彈性模量 SKEuRdR)21(0KRdR)21 ()21 (0uCuKKmEuKKs)21 (0mSKK)8050(二、電阻應(yīng)變片二、電阻應(yīng)變片 1. .組成結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu) 蓋片敏感柵金屬絲基底引線敏感柵（金屬絲）：敏感柵（金屬絲）：是是應(yīng)變片內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變應(yīng)變片內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變-電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。基底：為了保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通過粘合劑將其固定在基底

7、上?；祝簽榱吮３置舾袞殴潭ǖ男螤?、尺寸和位置，通過粘合劑將其固定在基底上。引線：起著敏感柵與測量電路之間的連接作用。引線：起著敏感柵與測量電路之間的連接作用。蓋片：覆蓋在敏感柵上的保護(hù)層。蓋片：覆蓋在敏感柵上的保護(hù)層。粘合劑：用粘合劑將蓋片、敏感柵和基底牢固地粘合在一起。粘合劑：用粘合劑將蓋片、敏感柵和基底牢固地粘合在一起。(1)金屬絲式應(yīng)變片：金屬絲式應(yīng)變片：敏感柵由直徑敏感柵由直徑0.015mm0.05mm的金屬絲的金屬絲繞成柵狀。繞成柵狀。(2)金屬箔式應(yīng)變片：金屬箔式應(yīng)變片：敏感柵由金屬箔經(jīng)光刻腐蝕成柵狀，具有橫向效應(yīng)小，敏感柵由金屬箔經(jīng)光刻腐蝕成柵狀，具有橫向效應(yīng)小，精度高，散熱好

8、等優(yōu)點(diǎn)。精度高，散熱好等優(yōu)點(diǎn)。(3)薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片其厚度在其厚度在0.1 m以下。以下。采用采用真空蒸發(fā)或真空沉積真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，將電阻材料在基底上制成等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形式敏感柵而形成應(yīng)變片。一層各種形式敏感柵而形成應(yīng)變片。靈敏系數(shù)高，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)靈敏系數(shù)高，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。變片。實(shí)際使用中的主要問題，是尚難控制其電阻對溫度和時(shí)間的實(shí)際使用中的主要問題，是尚難控制其電阻對溫度和時(shí)間的變化關(guān)系。變化關(guān)系。3. .安裝安裝 應(yīng)變片粘貼在被測試件表面（應(yīng)使應(yīng)變片軸向與應(yīng)變片粘貼在被測試件表面（應(yīng)使應(yīng)變片軸

9、向與所測應(yīng)變方向一致）所測應(yīng)變方向一致） 將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器。4、應(yīng)變片靈敏系數(shù)、應(yīng)變片靈敏系數(shù) 應(yīng)變片電阻相對變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)應(yīng)變片電阻相對變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比域的軸向應(yīng)變之比 /xR Rk應(yīng)變片靈敏系數(shù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)k小于小于制作應(yīng)變片的應(yīng)變電阻材料制作應(yīng)變片的應(yīng)變電阻材料靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) K0, 主要原因就是存在橫向效應(yīng)。主要原因就是存在橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)敏感柵通常是呈柵狀，由軸向縱柵和圓弧橫柵兩部分。縱柵 l0橫柵 r橫柵 ry 橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變yxx軸向應(yīng)變軸

10、向應(yīng)變yyxx試件承受單向應(yīng)力試件承受單向應(yīng)力時(shí)，表面處于平面應(yīng)變狀態(tài)，即軸向（拉伸）應(yīng)時(shí)，表面處于平面應(yīng)變狀態(tài)，即軸向（拉伸）應(yīng)變變x 和橫向（收縮）應(yīng)變和橫向（收縮）應(yīng)變y ?？v柵主要感受軸向應(yīng)變縱柵主要感受軸向應(yīng)變x（縱柵受拉伸）、橫柵主要感受橫向應(yīng)變（縱柵受拉伸）、橫柵主要感受橫向應(yīng)變y（橫柵受壓縮），從而引起應(yīng)變片總電阻的變化為：（橫柵受壓縮），從而引起應(yīng)變片總電阻的變化為：(1)xxyyxxRkkkHR(1)xxyyxxRkkkHR式中：式中：kx：軸向靈敏系數(shù)軸向靈敏系數(shù)ky橫向靈敏系數(shù)橫向靈敏系數(shù)H=ky / kx雙向應(yīng)變靈敏系數(shù)比雙向應(yīng)變靈敏系數(shù)比，稱為橫向效應(yīng)系數(shù)，稱為橫向

11、效應(yīng)系數(shù)=y /x雙向應(yīng)變比（橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變比）雙向應(yīng)變比（橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變比）實(shí)驗(yàn)證明：實(shí)驗(yàn)證明：y /x= -0 0雙向應(yīng)變比雙向應(yīng)變比系數(shù)系數(shù)0(1)(1)xxxxxyyxxRkkkHkHRk式中：式中：k=kx(1-0H) 三、測量電路三、測量電路 測量過程測量過程R3VER1R2R41.直流電橋(1) 平衡電橋平衡電橋R1R2R4R3ACBEDIoRLUoR1、R2、R3及R4為橋臂電阻，RL為負(fù)載電阻。 當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為311234oRRUERRRR當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有R1R4=R2R3或3124RRRR結(jié)論：欲使電橋平衡，結(jié)論：欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻

12、的比值應(yīng)相等，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等， 或或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。 （2） 非平衡電橋iiiZRR)()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRREU初始狀態(tài)時(shí)電橋平衡，沒有輸出電壓；電橋工作時(shí)，電橋失去平衡，有初始狀態(tài)時(shí)電橋平衡，沒有輸出電壓；電橋工作時(shí)，電橋失去平衡，有輸出電壓，為非平衡電橋。輸出電壓，為非平衡電橋。Z1Z2Z4Z3ACBEDIoUo0iRR令輸出電壓為：iiRR通常略去二階微量，近似為略去二階微量，近似為3124001243()4RRRREUURRRR非線性誤差非線性誤差：)(2133442211000RRR

13、RRRRRUUUea)單臂工作電橋R1R2R4R3ACBEDIoUo設(shè)R2=R3=R4 R0，R1=R0 R 若R0 R , 則： 電橋的靈敏度為：01/4oUSER R非線性誤差：31240012430()44RRRREUURRRRRER3124124301()22RRRRReRRRRRb)雙臂工作電橋雙臂工作電橋R1R1R4R3ACBEDR2R2Uo1020,RRR RRR 若且R3=R4 R0 ，則： 31240012430()42RRRREUURRRRRER非線性誤差：312412431()02RRRReRRRR電橋的靈敏度為：01/2oUSER RR1 R1ACBEDR2 R2UoR

14、3 R3R4 R431240012430()4RRRREUURRRRRER電橋的靈敏度為：0/oUSER R140RRRR230RRRR非線性誤差：0e 2、交流電橋、交流電橋 交流電橋的結(jié)構(gòu)與直流電橋相同交流電橋的結(jié)構(gòu)與直流電橋相同，但，但電源電壓為交流電源電壓為交流電壓電壓，橋臂用阻抗表示，即橋臂用阻抗表示，即jiiiiiZRjxz eZ1Z2Z4Z3ACBDU0U設(shè)電橋輸出接高阻抗放大器，設(shè)電橋輸出接高阻抗放大器，電橋輸出視為開路。電橋輸出視為開路。014231234()()DCBCUUUZ ZZ ZUZZZZ3.應(yīng)變電橋應(yīng)變電橋（1）單應(yīng)變片工作：一個(gè)工作應(yīng)變片接入電橋的一臂,另外 三

15、個(gè)臂接固定電阻。R2=R3=R4 R0R1為工作應(yīng)變片且111RkR則輸出為：014kEU（2）雙應(yīng)變片工作：）雙應(yīng)變片工作： 為減小和克服非線性誤差，采用差動(dòng)電橋， 在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變， 接入電橋相鄰橋臂.R3=R4 R0R1， R2為工作應(yīng)變片且11xRkR22xRkR 則輸出為：02xkEU（4）四應(yīng)變片工作：若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。R1， R4受拉， R2， R3受壓，即1414xRRkRR3223xRRkRR 則輸出為：0 xUkE四、溫度誤差及其補(bǔ)償四、溫度誤

16、差及其補(bǔ)償 1. .溫度誤差產(chǎn)生原因溫度誤差產(chǎn)生原因 應(yīng)變片電阻隨溫度變化應(yīng)變片電阻隨溫度變化 0(1)tRRt000ttRRRRtR Rt t溫度溫度t t時(shí)電阻值時(shí)電阻值; ;R R0 0溫度溫度0 0度電阻值；度電阻值； 應(yīng)變片電阻的溫度系數(shù)；應(yīng)變片電阻的溫度系數(shù)； 溫度變化值，溫度變化值， t當(dāng)溫度變化時(shí)，應(yīng)變片電阻的變化值為當(dāng)溫度變化時(shí)，應(yīng)變片電阻的變化值為試件材料與應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)不一致試件材料與應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)不一致 試件和敏感柵線膨脹系數(shù)不同，環(huán)境溫度的變化，敏感柵產(chǎn)生附加變形，產(chǎn)試件和敏感柵線膨脹系數(shù)不同，環(huán)境溫度的變化，敏感柵產(chǎn)生附加變形，產(chǎn)生附加電阻。生附加電阻。 溫

17、度為溫度為0 0度時(shí)長度均為度時(shí)長度均為 , ,線膨脹系數(shù)分別為線膨脹系數(shù)分別為 和和 ，若兩者不粘貼，若兩者不粘貼，在溫度改變時(shí)，則它在溫度改變時(shí)，則它們的長度分別為們的長度分別為 sg0l0(1)stsllt0(1)gtgllt00()tttgsRRRtktRR 當(dāng)應(yīng)變片粘貼到試件材料的表面后，應(yīng)變片被迫從當(dāng)應(yīng)變片粘貼到試件材料的表面后，應(yīng)變片被迫從 拉長到拉長到 stlgtl產(chǎn)生附加變形為產(chǎn)生附加變形為：0()gtstgsllllt 即附加應(yīng)變?yōu)榧锤郊討?yīng)變?yōu)椋?()gsltl0()tgsRkktR產(chǎn)生的電阻的變化為：產(chǎn)生的電阻的變化為：溫度引起的總電阻變化為：溫度引起的總電阻變化為：相應(yīng)

18、的虛假應(yīng)變輸出相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出:tKtKRRsgtt)(/0溫度變化引起的總電阻變化溫度變化引起的總電阻變化tKRtRRRRsgttt)(002. 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法 單絲自補(bǔ)償法 自補(bǔ)償法 組合式自補(bǔ)償法 線路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻溫度補(bǔ)償 2. 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電橋補(bǔ)償方法電橋補(bǔ)償方法11111()ttRRRkRR2222ttRRkRR04kUU 差動(dòng)電橋法差動(dòng)電橋法 兩應(yīng)變片型號參數(shù)、環(huán)境溫度及所粘貼材料均相同，將兩應(yīng)變兩應(yīng)變片型號參數(shù)、環(huán)境溫度及所粘貼材料均相同，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量

19、誤差片接入電橋的相鄰兩臂，就可消除溫度變化引起的測量誤差。R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法特點(diǎn)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較優(yōu)點(diǎn)：簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好好； 缺點(diǎn)：溫度變化梯度較大條件下，很難做缺點(diǎn)：溫度變化梯度較大條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致，影到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致，影響補(bǔ)償效果。響補(bǔ)償效果。 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法 溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼在被測部位上粘貼在被測部位上的一種特殊應(yīng)變片，溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的的一種特殊應(yīng)變片，溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒郊討?yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?a. 選擇式自補(bǔ)償

20、應(yīng)變片選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 b. 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片 五、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用五、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1）將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)力將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些或應(yīng)變。例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件工作狀態(tài)下的受力、變形情況，利用應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件工作狀態(tài)下的受力、變形情況，利用應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測部位，測得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等。構(gòu)件的預(yù)測部位，測得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等。2）應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式應(yīng)變片粘貼

21、于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。傳感器。常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。該情況下，彈性元件得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)該情況下，彈性元件得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。測物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂梁產(chǎn)生測物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂梁產(chǎn)生于位移相等的撓度，應(yīng)變片產(chǎn)生于位移相等的撓度，應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。在小撓度情況下，相應(yīng)的應(yīng)變。在小撓度情況下，撓度與應(yīng)變情況成正比。撓度與應(yīng)變情況成正比。電子稱電子稱原理原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)

22、變片轉(zhuǎn)化為電構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。量輸出。沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測 電阻式溫度傳感器電阻式溫度傳感器利用電阻隨溫度變利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器化的特性制成的傳感器。 1)金屬熱電阻金屬熱電阻-熱電阻熱電阻 2)半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻-熱敏電阻熱敏電阻 材材料料 溫溫度度系系數(shù)數(shù) （1 1/ /） 比比電電阻阻 （ .mm2/m） 溫溫度度范范圍圍 （） 特特 性性 鉑鉑 3.9210-3 0.0981 -200 +650 近近線線性性 銅銅 4.2510-3 0.0170 -50 +150 線線性性 鐵鐵 6.5010-3 0.0910

23、-50 +150 非非線線性性 鎳鎳 6.6010-3 0.1210 -50 +100 非非線線性性 )1 (20BtAtRRt)100(1 320ttCBtAtRRt)1 (320CtBtAtRRt-50 150 )(1000ttRRt 優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn) （ 1） 易易 提提 純純 ； （ 2） 物物 理理 、 化化 學(xué)學(xué) 特特 性性 穩(wěn)穩(wěn) 定定 ； （ 3） 輸輸 出出 近近 線線 性性 ； （ 4） 價(jià)價(jià) 格格 低低 廉廉 。 缺缺 點(diǎn)點(diǎn) （ 1） 電電 阻阻 率率 低低 ； （ 2） 體體 積積 較較 大大 ， 熱熱 慣慣 性性 較較 大大 ； （ 3） 溫溫 度度 高高 于于 100 易易

24、 氧氧 化化 。 玻璃殼玻璃殼熱敏電阻熱敏電阻引線引線溫度溫度電阻電阻CTRNTCPTCTR00expTBTBRRT0T0RB:B:熱敏電阻的材料常數(shù)，又可稱為熱靈敏指標(biāo)，通常熱敏電阻的材料常數(shù)，又可稱為熱靈敏指標(biāo)，通常B=2000B=20005000K5000K。 IUT21TBdTdRRT.constTTT：uA1R2R4RtRrrrE21RR 若142RRRRt則1142)(RrRrRRRt)()(421rRRrRRtIURtSEtRIIrrrr四、熱敏電阻測溫電路四、熱敏電阻測溫電路課堂練習(xí)題：已知鉑電阻溫度計(jì)，0C時(shí)電阻為100，100 0C時(shí)電阻為139。當(dāng)它與熱介質(zhì)接觸時(shí)，電阻值

25、增至281。試確定該介質(zhì)的溫度。dSCd+dS 一、基本工作原理1、平板電容器變間隙型變面積型變介質(zhì)型電電 容容式式傳傳感感器器2 、同軸圓筒形2ln(/ )LCR rRrL柱形電容器柱形電容器二、變間隙型電容傳感器二、變間隙型電容傳感器設(shè)極板面積為S，初始時(shí)： 動(dòng)極板上移 00/CS dd00000(1)1CssCddddddd1、單一式、單一式 單一式變極距型電容傳感器的靈敏度為：00000/11C CCCKdCdddd2、差動(dòng)式、差動(dòng)式 初始時(shí)上下兩電容器電容相等：00/CS d動(dòng)極板上移d100(1)dCCd2001dCCd差動(dòng)電容公式為：12120CCdCCd靈敏度為： 012002

26、00/()/2/121 (/)C CCCCdKddd dd 三、變面積型電容傳感器三、變面積型電容傳感器 初始時(shí)： 00b lCd移動(dòng) 后： l0000()(1)b lllCCdl電容因位移而產(chǎn)生的變化量為 ：000blCCClCdl 其靈敏度為00/1CCKll四、變介電常數(shù)式電容傳感器四、變介電常數(shù)式電容傳感器 大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位等。大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位等。 設(shè)靜態(tài)時(shí)極板長為設(shè)靜態(tài)時(shí)極板長為 ，寬為，寬為 ，間距為，間距為 ，極板間空氣的介電常數(shù)為，極板間空氣的介電常數(shù)為 。有。有一個(gè)固體介質(zhì)長、寬分別為一個(gè)固體介質(zhì)長、寬分別為 、 ，厚為，厚為 ，且其相

27、對介電常數(shù)為，且其相對介電常數(shù)為 ，初始時(shí)，初始時(shí)固體介質(zhì)居中，則電容為：固體介質(zhì)居中，則電容為：lbd0lbdr1C2C12000()2rblCCCd 介質(zhì)（ ）塊右移 時(shí) rl001()()22rllblblCdd 1000000000000000()()222()(1)(1)2rrrrrrrlbb lCddlbllCdll 故：同理 0020002(1)rrlCCl 001212001221rrrrCCllCCll 所以結(jié)論：結(jié)論：電容傳感器的靈敏系數(shù)為常數(shù)，即輸出與輸入呈線性關(guān)系。電容傳感器的靈敏系數(shù)為常數(shù)，即輸出與輸入呈線性關(guān)系。 五、五、測量電路測量電路 1 1、比例運(yùn)算電路、比例

28、運(yùn)算電路 .00ExCUUC 應(yīng)用于單一變極距式電容傳感器 .001EdUUd .00 xECUUC 應(yīng)用于變面積式電容傳感器應(yīng)用于變面積式電容傳感器 .001ElUUl .2100ECCUUC應(yīng)用于差動(dòng)變面積式和差動(dòng)變介質(zhì)式電容傳感器應(yīng)用于差動(dòng)變面積式和差動(dòng)變介質(zhì)式電容傳感器 2 2、交流電橋、交流電橋 開路（ZL時(shí)）輸出電壓都為 若圖中 、 為兩個(gè)電容式傳感器，則.120122CCEUCC2112212022ZZZZEEZZZEU1Z2Z應(yīng)用于所以差動(dòng)式電容傳感器。 七、電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器外 殼p1p2金 屬 鍍 層凹 形 玻 璃膜 片過 濾

29、器具有預(yù)張力的金屬膜片作為感壓敏感元件，同時(shí)作為可變電容的動(dòng)極板。采用蒸鍍工藝將電容的兩個(gè)定極板蒸鍍在弧形玻璃襯底上，構(gòu)成傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。智能型差壓/壓力變送器電容式測厚儀: 測量金屬帶材在軋制過程中厚度 C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容， 其總電容為C= C1+C2 。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。 電容式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。 設(shè)齒數(shù)為m,頻率為f,則轉(zhuǎn)速為:min/60rfmn 4.3.2 電感式傳感器被測的物

30、理量位移振動(dòng)壓力流量比重的變化傳感器自感系數(shù)L互感系數(shù)M的變化電路電壓電流 特點(diǎn)：特點(diǎn)： q 優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、輸出功率較大等輸出功率較大等；q 缺點(diǎn)靈敏度、線性度和測量范圍相互制約；缺點(diǎn)靈敏度、線性度和測量范圍相互制約； 傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測量。傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測量。 4.3.1 自感式傳感器自感式傳感器一、工作原理及分類一、工作原理及分類 組成：鐵芯，線圈組成：鐵芯，線圈，活動(dòng)街鐵活動(dòng)街鐵 測物理量時(shí)，銜鐵隨被測物理量時(shí)，銜鐵隨被測量變化而移動(dòng)時(shí)，鐵測量變化而移動(dòng)時(shí)，鐵心與銜

31、鐵之間的氣隙磁心與銜鐵之間的氣隙磁阻隨之變化，引起線圈阻隨之變化，引起線圈自感系數(shù)自感系數(shù)L L變化變化 . .RRRRm211111AlR2222AlRAR002RRR21L0mRWL202022AWRWL類型：類型：1、變所隙式、變所隙式 變化變化L變化變化 2、變面積式、變面積式 A變化變化L變化變化 3、螺管插鐵式、螺管插鐵式 變化變化L變化變化 20002000002()2(1)1NALLLNAL 二、輸入二、輸入輸出特性輸出特性 設(shè)初始?xì)庀稙樵O(shè)初始?xì)庀稙?，則初始電感為，則初始電感為 000022NAL工作時(shí)，若銜鐵移動(dòng)使氣隙長度工作時(shí)，若銜鐵移動(dòng)使氣隙長度減少減少 ，則電感增加，

32、則電感增加 ， L1變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器 輸出與輸入的關(guān)系為非線性。輸出與輸入的關(guān)系為非線性。為了減小非線性誤差，在為了減小非線性誤差，在實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用中，中，通常的辦法是采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)通常的辦法是采用差動(dòng)結(jié)構(gòu) 。采用前面分析方法可得采用前面分析方法可得： 1L2L10011LL20011LL差動(dòng)電感為：差動(dòng)電感為：21120LLLL2變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器 20002Na bL0()Ab aa2000()2(1)Naa bLaLa 100(1)aLLa200(1)aLLa21120LLaLLa輸出與輸入的關(guān)系為線性關(guān)系。輸出與輸入的關(guān)系為線性關(guān)系。3螺管插鐵式自

33、感傳感器螺管插鐵式自感傳感器 它由螺管線圈它由螺管線圈1 1、銜鐵、銜鐵3 3和磁性和磁性套筒套筒2 2等組成。等組成。單一式：單一式： 差動(dòng)式差動(dòng)式：較單一式有較高靈敏度較單一式有較高靈敏度及線性，被用于電感測及線性，被用于電感測微計(jì)上，其測量范圍為微計(jì)上，其測量范圍為0300m，最小分辨，最小分辨力為力為0.5m。 變氣隙長度式、變氣隙面積式和螺管式三種類型自感傳感變氣隙長度式、變氣隙面積式和螺管式三種類型自感傳感器相比較，變氣隙長度式靈敏度最高，螺管式最低。器相比較，變氣隙長度式靈敏度最高，螺管式最低。變氣隙式的主要缺點(diǎn)是：非線性嚴(yán)重，而且制造裝配困難。變氣隙式的主要缺點(diǎn)是：非線性嚴(yán)重，

34、而且制造裝配困難。變氣隙面積式和螺管式的有點(diǎn)是具有較好的線性，自由行變氣隙面積式和螺管式的有點(diǎn)是具有較好的線性，自由行程可按需要安排，制造裝配也較方便。程可按需要安排，制造裝配也較方便。 特點(diǎn)比較：三、測量電路三、測量電路 1、電阻平衡臂電橋、電阻平衡臂電橋 2、變壓器電橋、變壓器電橋 開路（開路（ZL時(shí)）輸出電壓都為時(shí)）輸出電壓都為 .210122E LLULL2112212022ZZZZEEZZZEU若圖中若圖中 、 為兩個(gè)電感式傳感器，則為兩個(gè)電感式傳感器，則1Z2Z應(yīng)用于所以差動(dòng)式電感傳感器。應(yīng)用于所以差動(dòng)式電感傳感器。 3、比例電路、比例電路適用于單一式自感傳感器適用于單一式自感傳感

35、器 四、應(yīng)用可以測位移，壓力等。變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器 互感型傳感器的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。由于常采用兩個(gè)次級線圈組成差動(dòng)式，故又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。一、互感與自感 21211UjMI 緊耦合時(shí) 所以 211122111NMLN二、互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）組成原理 1U2U銜鐵在初始平衡位置 2M1M12MM21U22U2122UU221220UUU被測體位移 銜鐵位移 12MM2122UU20U 差動(dòng)變壓器也有變氣隙式、變面積式為螺管式三種類型。 2、差動(dòng)變壓器輸出特性 以變氣隙型差動(dòng)變壓器為例來推導(dǎo) 1L2L

36、設(shè)上對線圈 和 之間的互感為1N2N1M2111NMLN設(shè)下對線圈 和 之間的互感為1N2N2M2221NMLN1020,100/(1)LL200/(1)LL0212212122112111221112()()()()()EUUUjMMINjMMIjLLINNUjLLNjLL 112/()EIUj Lj L若 ， ， 22rwL11rwL當(dāng)次級線圈開路時(shí)，設(shè)初級線圈的電流為 ；1I211 1Uj M I 222 1Uj M I 則兩個(gè)次級線圈的感應(yīng)電壓分別為： 100/(1)LL200/(1)LL2202111210()()EENUNUjLLUNjLLN0oU 若激勵(lì)頻率過低，使 ， ，則輸出

37、靈敏度：210oEUN UKN012112()EUUjMMIjMrr K隨著w增加而增加。 若w超過某一值時(shí)，K會(huì)下降。11rwL 22rwL 11rwL 若w增加 ，使 ， ，K為常數(shù)；22rwL 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。 三、測量電路 1、反串電路 .02122UUU2、橋路 wR 為調(diào)零的電位器，當(dāng)橋臂電阻相等時(shí)，空載輸出為.0212222.21221()21()2UUUUUU四、應(yīng)用測位移測壓力高高頻頻反反射射式式低低頻頻透透射射式式電電渦渦流流式式傳傳感感器器一、電渦流效應(yīng) 1、電渦流的產(chǎn)生： 成塊金屬置于交變磁場中或在固定磁場中運(yùn)動(dòng)，金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生環(huán)形感應(yīng)電流電“渦流”。 圖中1為產(chǎn)生交變磁場的激勵(lì)線圈，2為金屬導(dǎo)體，離激勵(lì)線圈的距離為X，則金屬導(dǎo)體上的電渦流強(qiáng)度為：2、電渦流的強(qiáng)度 21221()2XIIDX電渦流強(qiáng)度與X及D有關(guān)。3.電渦流貫穿深度電渦流只能在金屬導(dǎo)體靠近線圈一側(cè)的表面薄層內(nèi)形成，其軸向滲透深度為h，h的定義為渦流強(qiáng)度減小到表面渦流強(qiáng)度1/e時(shí)厚度：hf ：金屬導(dǎo)體的電阻率； ：金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率； ：激磁頻率。f4.電渦流形成范圍分布區(qū)域在金屬導(dǎo)體靠近激勵(lì)線圈一側(cè)的表面環(huán)形區(qū)域 2r=0.525D 2R=1.39D 電渦流的內(nèi)徑為r，外徑為