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1、传感器测量电路 第1页，共50页，编辑于2022年，星期四 一 电阻式传感器工作原理电阻式传感器工作原理v电阻式传感器电阻式传感器测量原理测量原理:被测的非电量 R 电量输出 v其其基基本本原原理理为为：设设有有一一根根长长度度为为L L，截截面面积积为为A，电电阻阻率率为为的的金金属属丝丝，则则它它的的电电阻值阻值R可用下式表示：可用下式表示：第2页，共50页，编辑于2022年，星期四 三个参数：长度L，截面积A，电阻率，如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变化，构成不同电阻传感器：1、长度L发生变化电位器式传感器电位器式传感器；2、截面积A、长度L发生变化电阻应变片电阻应变片传感器；传感器
2、；3、电阻率发生变化热敏电阻、光导性热敏电阻、光导性光检测器等。光检测器等。第3页，共50页，编辑于2022年，星期四电位器式传感器电位器式传感器 通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。电位器式传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型等，如图所示。第4页，共50页，编辑于2022年，星期四电电位位器器式式传传感感器器一一般般采采用用电电阻阻分分压压电电路路，将将电电参参量量R 转转换换为为电电压压输输出出给给后后续续电电路路，如图所示。当触头移动时，输出电压为：如图所示。当触头移动时，输出电压为：第5页，共50页，编辑于202
3、2年，星期四二二 电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理 S S 极板相对覆盖面积；d 极板间距离；极板间距离；r相对介电常数；相对介电常数；0 0真空介电常数，；真空介电常数，；电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。S S 第6页，共50页，编辑于2022年，星期四变极距变极距(）型型:(a)、(e)变面积型变面积型(S)(S)型型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数变介电常数()型型:（i）(l)第7页，共50页，编辑于2022年，星期四1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器非线性关系非线性关系 若若d/d1d/d1时，则上式可简化为时，则上式可简化为
4、 若极距缩小若极距缩小d d 最大位移应小于间距的1/10 差动式差动式改善其非线性初始电容初始电容第8页，共50页，编辑于2022年，星期四2.变面积型电容传感器变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为方向平移时，其电容变化量化为C C与与x x间呈线性关系间呈线性关系 第9页，共50页，编辑于2022年，星期四电容式角位移传感器电容式角位移传感器 当=0=0时 当当0时传感器电容量传感器电容量C C与角位移与角位移间呈线性关系 第10页，共50页，编辑于2022年，星期四3.变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器初始电
5、容初始电容 电容式液位传感器电容式液位传感器 电容与液位的关系为：电容与液位的关系为：第11页，共50页，编辑于2022年，星期四4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用(1)电容式差压传感器(2)电容式加速度传感器(3)电容式振动位移传感器第12页，共50页，编辑于2022年，星期四三三 电感式传感器工作原理电感式传感器工作原理 1自感式传感器自感式传感器 l i l i 各段导磁体的长度；各段导磁体的长度；U iU i各段导磁体的磁导率；各段导磁体的磁导率；S i S i 各段导磁体的截面积；各段导磁体的截面积；空气隙的厚度；空气隙的厚度；U U0 0 真空磁导率真空磁导率;S S 空气隙
6、截面积空气隙截面积线圈自感线圈自感线圈自感线圈自感 第13页，共50页，编辑于2022年，星期四变气隙型传感器变气隙型传感器变截面型传感器变截面型传感器 第14页，共50页，编辑于2022年，星期四变间隙式电感传感器变间隙式电感传感器传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体作时衔铁与被测物体连接，被测物体作时衔铁与被测物体连接，被测物体作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。的位移将引起空气隙的长度发生变化。的位移将引起空气隙的长度发生变化。的位移将
7、引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化感量的变化感量的变化感量的变化。线圈电感：线圈电感：NN为线圈匝数，为线圈匝数，为线圈匝数，为线圈匝数，R Rmm为磁路总磁阻。为磁路总磁阻。为磁路总磁阻。为磁路总磁阻。特点：灵敏度高，非线性误差较大，制特点：灵敏度高，非线性误差较大，制特点：灵敏度高，非线性误差较大，制特点：灵敏度高，非线性误差较大，制作装配比较困难。作装配比较困难。作装配比较困难。作装配比较困难。第15页，共50页，编辑于2022年，星期四变面积型电感传感器变面
8、积型电感传感器气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵敏度低，线性灵敏度低，线性灵敏度低，线性灵敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。较好，量程较大，使用比较广泛。较好，量程较大，使用比较广泛。较好，量程较大，使用比较广泛。第16页，共50页，编辑于2022
9、年，星期四螺管型电感传感器螺管型电感传感器衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。灵灵灵灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生产，是使用最广敏度较低，量程大，结构
10、简单易于制作和批量生产，是使用最广敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生产，是使用最广敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。泛的一种电感式传感器。泛的一种电感式传感器。泛的一种电感式传感器。第17页，共50页，编辑于2022年，星期四差动式电感传感器为了改善线性在实际中大都采用差动式，为了改善线性在实际中大都采用差动式，采用两采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。个相同的传感线圈共用一个衔铁。要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。何尺寸完全相同。第18
11、页，共50页，编辑于2022年，星期四差动式优点：差动式优点：1、线性好；、线性好；2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；输出信号大一倍；3、温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器、温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；的影响，由于能够相互抵消而减小；4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能够相、电磁吸力对测力变化的影响也由于能够相互抵消而减小。互抵消而减小。第19页，共50页，编辑于2022年，星期四2 2 差动变压器传感器（互感）差动变压器传感器（互感）互感式互感式传传感器本身是其感器本身是其互感系数可互感系数
12、可变变的的变压变压器，器，当一次当一次侧线侧线圈接入激励圈接入激励电压电压后，二次后，二次侧线侧线圈将圈将产产生感生感应电压输应电压输出，互感出，互感变变化化时时，输输出出电压电压将作相将作相应变应变化。一般，化。一般，这这种种传传感器的二次感器的二次侧线侧线圈有两个，圈有两个，接接线线方式又是差方式又是差动动的，故常称之的，故常称之为为差差动变压动变压器式器式传传感器。感器。第20页，共50页，编辑于2022年，星期四两个次级绕组的同名端则反向串联。两个次级绕组的同名端则反向串联。第21页，共50页，编辑于2022年，星期四图图3.2.6 3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线差动变压器输出
13、电压特性曲线 第22页，共50页，编辑于2022年，星期四差动变压器的结构类型差动变压器的结构类型 第23页，共50页，编辑于2022年，星期四（3）差动变压器应用）差动变压器应用 力和力矩的测量微小位移的测量压力测量加速度传感器第24页，共50页，编辑于2022年，星期四四四 压电式传感器工作原理压电式传感器工作原理 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。压电效应为转换原理的传感器。压电效应：压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用时，某些晶体在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个
14、表面产生内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面聚集电荷，电荷量相等，极性相反，相当于一个以压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的各种物理量可测量能变换为力的各种物理量。第25页，共50页，编辑于2022年，星期四常用的压电材料常用的压电材料石英晶体石英晶体水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、磷酸二氢钾等）磷酸二氢钾等）铌酸锂晶体铌酸锂晶体压电陶瓷压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅（钛酸钡压
15、电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）压电半导体压电半导体高分子压电材料高分子压电材料第26页，共50页，编辑于2022年，星期四石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应是二氧化硅单晶，属于六角晶系。是二氧化硅单晶，属于六角晶系。第27页，共50页，编辑于2022年，星期四石英晶体优点：石英晶体优点：它的介电常数和压电常数的温度稳定性它的介电常数和压电常数的温度稳定性很好；很好；工作温度范围很宽；工作温度范围很宽；机械强度高，可承受机械强度高，可承受108Pa的压力；的压力；在冲击作用下，漂移也很小；在冲击作用下，漂移也很小；弹性系数较大。弹性系数较大。可用于
16、测量大量程的力和加速度可用于测量大量程的力和加速度第28页，共50页，编辑于2022年，星期四压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应是一种多晶体电体，具有电畴结构的压电材是一种多晶体电体，具有电畴结构的压电材料。电团是分子自发形成的区域，它有一定料。电团是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。的极化方向。第29页，共50页，编辑于2022年，星期四压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电式力传感器压电式力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器第30页，共50页，编辑于2022年，星期四电桥电路又叫电桥电路又叫惠斯登电桥惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电感等参，
17、它是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。电桥电路按其所采用的激励电源类型 直流电桥交流电桥工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。四四 传感器测量电路传感器测量电路第31页，共50页，编辑于2022年，星期四1 直流电桥直流电桥 直流电桥直流电桥桥路输出桥路输出第32页，共50页，编辑于2022年，星期四（1）平衡电桥：）平衡电桥：IL=0时 平衡条件平衡条件:R R1 1R R4 4=R=R2
18、 2R R3 3 R R1 1/R/R2 2=R=R3 3/R/R4 4 R1+R1+R1R1R2R2R4R4R3R3U UI IL LR RL L第33页，共50页，编辑于2022年，星期四（2）不平衡直流电桥 当电桥后面接放大器时当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路电桥输出端看成开路.电桥电桥的输出式为：的输出式为：应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化RR 第34页，共50页，编辑于2022年，星期四采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4=R R
19、。此时有：。此时有：。此时有：。此时有：当当当当 R Ri i R R (i i=1,2,3,4)=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则 第35页，共50页，编辑于2022年，星期四 Ri i R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。时，电桥的输出电压与应变成线性关系。若若相相邻邻两两桥桥臂臂的的应应变变极极性性一一致致，即即同同为为拉拉应应变变或或压压应应变变时时，输输出出电电压压为为两两者者之之差差；若若相相邻邻两两桥桥臂臂的的应应变变极极性性不不同同，则则输出电压为两者之和。输出电压为两者之和。若相
20、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。电桥供电电压U U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。增大电阻应变片的灵敏系数增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。第36页，共50页，编辑于2022年，星期四略去分母中的R R1/R1项项 ,假设假设 R R1 1/R/R11理想的线性关系：实际输出电压：实际输出电压：电桥的相对非线性误差：电桥的相对非线性误差：电桥的相对非线性误差：电桥的相对非线性误差：单臂电桥：单臂电桥：即R1桥臂变化R第37页，共50页，编辑于202
21、2年，星期四半桥差动电桥半桥差动电桥 R1R1R2R2F FU0U0R1R1R1R1R4R4R3R3U UR2R2R2R2第38页，共50页，编辑于2022年，星期四R1R R2 2R R3 3R R4=R=R，R1 1 R R2=R R 严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用温度补偿作用第39页，共50页，编辑于2022年，星期四输出电压为：输出电压为：U0U0R1R1R1R1U UR2R2R2R2R4R4R4R4R3R3R3R3全桥差动电路第40页，共50页，编辑于2022年，星期四恒流源供电电桥恒流源供电电桥假设假设RRT T为温度引起的电阻变化为温度引起的电阻变化 电桥的
22、输出为电桥的输出为电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。但与温度无关，因此测量不受温度的影响。第41页，共50页，编辑于2022年，星期四2 2 交流电桥交流电桥 如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为交流电桥。为适应电感、电容式传感器的需要 交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。第42页，共50页，编辑于2022年，星期四（1）交流电桥的平衡条件）交流电桥的平衡条件 交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感或变压器的两个交流电桥的四臂可以
23、为：电阻、电容、电感或变压器的两个次级线圈次级线圈交流电桥的四个桥臂分别用阻抗交流电桥的四个桥臂分别用阻抗 、表示表示 交流电桥的平衡条件为：交流电桥的平衡条件为：电阻交流电桥电阻交流电桥 电感电桥电感电桥 电容电桥电容电桥电容电桥电容电桥 变压器电桥电路变压器电桥电路 第43页，共50页，编辑于2022年，星期四电阻交流电桥电阻交流电桥1、单臂电阻；2 2、等臂差动电桥等臂差动电桥；3 3、全桥交流电桥。第44页，共50页，编辑于2022年，星期四电感电桥电感电桥 两相邻桥臂为电感两相邻桥臂为电感L L1 1和和L L2 2，另两臂为，另两臂为纯电阻纯电阻R R1 1和和R R2 2，其中，
24、其中 和和 为电感为电感线圈的有功电阻。线圈的有功电阻。若设若设Z Z1 1、Z Z2 2为传感器阻抗为传感器阻抗 且且则有则有另有另有 第45页，共50页，编辑于2022年，星期四 由于电桥是双臂工作，所以接入由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电感式传感器的两差动电的是差动电感式传感器的两差动电感，工作时：感，工作时：电桥的输出电压为：电桥的输出电压为：当当L LR R 时，时，上式可近似为：上式可近似为：交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。交流电桥的输出电压与传感
25、器线圈的电感相对变化量成正比。第46页，共50页，编辑于2022年，星期四电容电桥电容电桥 两相邻桥臂为电容C C1 1和C2，另两臂为纯电阻R1 1和R2，其中 和 为电容介质损耗电阻。设设Z Z1 1、Z Z2 2为传感器阻抗，为传感器阻抗，且且有有 由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两差动电容，由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两差动电容，第47页，共50页，编辑于2022年，星期四电桥的输出电压为：当当CCR R 时，时，上式可近似为：上式可近似为：交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。交流电
26、桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。第48页，共50页，编辑于2022年，星期四变压器电桥电路变压器电桥电路 电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电桥电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电桥 它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差动电容或差动它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差动电容或差动电感分别接在另两个臂电感分别接在另两个臂设其阻抗分别为设其阻抗分别为Z Z1 1和和Z Z2 2，(由于被测量使传感器的阻抗发生变化由于被测量使传感器的阻抗发生变化)第49页，共50页，编辑于2022年，星期四电桥的输出电压为：第50页，共50页，编辑于2022年，星期四