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1、能量控制型传感器广东工程职业技术学院本次课需要掌握下列传感器的原理和使用电位器式传感器电位器式传感器 应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器 电感式传感器电感式传感器 电容式传感器电容式传感器传感器分类按输出量类按能量关系按能量关系有源传感器（能量转换型传感器）能将非电量直接转换成电信号，所以有时被成为“换能器”。例如压电式（超声波换能器）、热电式（热电偶）、光电式（光电池）等。无源传感器（能量控制型传感器能量控制型传感器）自身无能量转换装置，被测量仅能在传感器中起能量控制作用，必须有辅助电源供给电能。如电容式、压阻式等按工作原理按输入量类电阻式传感器电阻式传感器核心器件：线绕电位器、电阻应核心
2、器件：线绕电位器、电阻应变片等。变片等。主要应用：力学参数的测量主要应用：力学参数的测量(位位移、压力、荷重、加速度等移、压力、荷重、加速度等)。1.电位器式传感器分类二：线绕式分类一：薄膜式分类三：光电式薄膜式电位器内部图线绕式电位器的结构和工作原理线绕式电位器的结构和工作原理1.电位器式传感器xU U0 0阶梯特性阶梯特性计算题：计算题：电位器式传感器电阻为电位器式传感器电阻为10K欧，电欧，电刷最大行程为刷最大行程为10cm,消耗功率为消耗功率为40mW，试求当输入位移为，试求当输入位移为3cm时，时，传感器输出电压多少？传感器输出电压多少？类似类似P48-10左：波登管位移带动仪表指示
3、右：波登管位移带动电位器滑动电刷压力传感器示意图膜盒内腔通入被测流体，膜盒中心发生位移，推动连杆上移，使得曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动电位器式位移传感器示意图ABC问题：示意图中的ABC实际分别接到什么地方？测量小位移的传感器示意图ABC问题：示意图中的ABC实际分别接到什么地方？我们可以做这样一个较简单的实验：取一根细电阻丝，两端接上一台3 1/2位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为10.05）。应变片的工作原理应变片的工作原理2.应变片式电阻传感器电阻应变效应：导体产生机械变形时，它
4、的电阻发生相应的变化。电阻应变效应：导体产生机械变形时，它的电阻发生相应的变化。电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。金属应变片金属应变片电阻电阻R R公式：公式：电阻率长度截面积ABC电阻应变片电阻应变片分三种分三种：1.金属丝式应变片2.金属箔式应变片3.半导体应变片金属丝式或箔式结构示意图各类箔式应变花箔式应变花：一种具有两个或两个以上不同轴向敏感栅的电阻应变计，用于确定平面应力场中主应变的大小和方向电阻率长度截面积根据电阻公式，如果改变电阻率也可以达到改变电阻的目
5、的，半导体应变片半导体应变片就是改变电阻率的传感器半导体应变片结构图半导体应变片结构图半导体应变片半导体应变片主要是利用硅半导体材料的压阻效应压阻效应而制成的。如果在半导体晶体上施加作用力，晶体除产生应变外，其电阻率电阻率会发生变化。这种由外力引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应压阻效应。半导体应变片是直接用单晶锗或单晶硅等半导体材料进行切割、研磨、切条、焊引线、粘贴一系列工艺制作过程完成的。半导体式电阻应变片半导体式电阻应变片优点：灵敏度大（比金属式大优点：灵敏度大（比金属式大100100倍）倍）;体积小体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复
6、性不如金属应变片。灵敏度大：从半导体三极管的放大作用理解半导灵敏度大：从半导体三极管的放大作用理解半导体的电阻很容易发生很大的变化体的电阻很容易发生很大的变化温度稳定性差：可以从两方面理解温度稳定性差：可以从两方面理解1.1.半导体器件的温度一般不能超过焊接温度很多半导体器件的温度一般不能超过焊接温度很多2.2.之前讲过的二极管正向电压随温度变化，之前讲过的二极管正向电压随温度变化，LM35LM35温度集成电路，以及后续半导体热敏电阻温度集成电路，以及后续半导体热敏电阻问题：下表中，哪几个型号是半导问题：下表中，哪几个型号是半导体应变片，依据是什么体应变片，依据是什么?应变片的主要参数应变片的
7、主要参数 1）几何参数：表距）几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用 bL表示。表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值）电阻值：应变计的原始电阻值 (本实验室的应变片为本实验室的应变片为350欧姆欧姆)。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。应变片单臂电桥测量电路应变片单臂电桥测量电路VER1R2R3R4根据P27的推算得到电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度(输出
8、电压与电阻变化率的比)KU的公式,公式表明:KU与桥臂比n有关,与E成正比当n=1（R1=R3）时,KU=E/4,比如E=4V时,应变片每变化1%,电压变化0.01V化简公式化简公式上述公式表明U0与R/R是非线性关系，故测量中不可避免会存在非线性误差，为消除非线性误差，常采用以下两种电路：半桥全桥同时也提高了灵敏度应变片单臂电桥测量电路应变片单臂电桥测量电路实际公式在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,接入电桥相邻桥臂,称为半桥差动电路,Uo与（R1/R1）呈线性关线性关系系,差动电桥无非线性误差,而且电桥电压灵电压灵敏度敏度KU=E/2,比单臂工作时提高一倍,同时还具有温
9、度补偿作用。9半桥差动电路R1+R1R2-R29全桥差动电路R1+R1R2-R2R4+R4R3-R3在试件上安装四个工作应变片,此时全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏电压灵敏度度是单片的 4 倍,同时仍具有温度补偿温度补偿作用。一、直流电桥的平衡条件二、直流电桥的电压灵敏度推导R1/R2=R3/R4定义：K=V0/(R/R)单臂的推导（演示）双臂的推导（点名）全桥的推导（点名）电压灵敏度对比（E=4V时,应变片每变化1%,）单臂电桥,KU=E/4,电压变化0.01V双臂电桥,KU=E/2,电压变化0.02V四臂电桥,KU=E,电压变化0.04V题目：题目：电桥输入电压10V，当1K欧
10、的应变片变化0.1%,下列三种电桥电压输出分别是多少？单臂电桥双臂电桥四臂电桥单臂灵敏度10V/4,则输出为0.1%*10V/4=2.5mV双臂灵敏度10V/2,则输出为0.1%*10V/2=5mV四臂灵敏度10V,则输出为0.1%*10V=10mV选择题：选择题：单臂电桥是（线形、非线形）输出双臂电桥是（线形、非线形）输出四臂电桥是（线形、非线形）输出差动放大器电路分析差动放大器电路分析应变式传感器的应用应变式传感器的应用-电子计价秤电子计价秤通常选用铝合金为材料的双复梁式结构的称重传感器。当称重传感器受外力F作用时，产生平行四边形变形，四个应变片分别粘贴在变形较大的部位(孔的周围)，电阻值
11、随之变化。当外载荷改变时，由四个电阻应变片组成的电桥输出电压与外加载荷成正比。案例：应变片的粘贴问题：应变式传感器由哪几部分组成？能测量那些物理量？力、压力、转矩、位移、加速度P29电阻在双孔悬臂梁的位置VS在全桥中的位置训练任务：如图所示的四个应变片R1-R4分别在双孔悬臂梁的对应位置，请画出全桥电路。一种电子厨房称应变式传感器的应用应变式传感器的应用压阻式压力传感器图片附加内容压阻式传感器压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻压阻式传感器式传感器和半导体应变片半
12、导体应变片均是利用半导体材料的压阻效应制作的传感器。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50100倍。汽车新技术介绍：胎压实时监视系统(TPMS)汽车胎压监视器件MPS-500G是模仿日系传感器制造，采用恒流源供电，因此具有非常优越的温度系数，在客户的血压计应用中，在稳定性及抑制漂移drift等方面具有很好的表现。MPS-500G系列压力传感器在一块微机械加工的硅片表面膜片上制作出四个高灵敏度压阻电阻四个高灵敏度压阻电阻。扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作
13、用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。采用DIP封装。温度:-5-80表压型:7PSI零点偏移:10mV线性度:0.3%FS迟滞性：0.3%FS尺寸(LxWxH)mm：8.4x7.2x9.633.电感式传感器电感式传感器是利用线圈自感或者互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、力矩和应变等多种物理量。P293.电感式传感器LC振荡电路Q0=835HZQ4Q5Q6Q7Q8Q9Q105226136.53.31.60.8LED闪烁CD4060中文资料特点：结构简单，无触点，工作可靠寿命长；灵敏度分辨率高，能测0.01m的变化，输出信号强；线性度
14、和重复性较好，在一定位移几十m数mm内，非线性误差可做到0.05%0.1%，且稳定性好。在工业检测系统中广泛应用。缺点：频率响应较低，不宜快速动态测控。电感型传感器分为自感、互感、电涡流式。其中自感式传感器又分变隙式、变面积式和螺线管式三种自感式传感器自感式传感器利用线圈自感的变化来实现非电量电测的一种装置。对位移压力、压力、振动、应变、流量等进行测量。自感式传感器有变隙式、变面积式和螺管式三种。它把被测物理量转变为自感系数L。一、变隙式一、变隙式结构：如图所示，由线圈、铁芯、衔铁等组成。3.电感式传感器工作原理：传感器工作时，衔铁与被测体连接。当被测体产生的位移时，衔铁与其同步移动，引起磁路
15、中气隙的磁阻发生相应的变化。从而导致线圈电感的变化。只要测出这种电感量的变化，就能确定衔铁（被测体）位移量的大小和方向。3.电感式传感器变隙式传感器变隙式传感器垂直运动则为变隙式垂直运动则为变隙式当匝数N确定，若保持面积S为常数，则L是气隙厚度的函数，即L=F（）。电感量L与气隙厚度成反比。输入与输出是非线性。3.电感式传感器N线圈匝数;真空磁导率;气隙厚度；S气隙有效截面积灵敏度：K=K0=-如图所示。可以看出，越小，越高，为保证线性度，只能用于微小位移的测量。3.电感式传感器3.电感式传感器根据公式，L除了与纵向的位移成反比外，还与空气隙有效截面积S成正比，所以当衔铁横向移动造成有效截面积
16、变化时，L也随之变化，根据这种理论，可做成截面型或者变面积型自感式传感器。水平运动则为变面积式水平运动则为变面积式变面积式传感器变面积式传感器由于漏感的原因，线性区范围很小，故工业上应用不多。螺管式传感器螺管式传感器工作原理：传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管线圈电感量的变化。一般情况（长度Lr），被测体与衔铁钢性连接。当衔铁处于螺线管中间位置时，可以认为线圈内磁场强度均匀，此时，空心线圈（铁芯插入长度X=0）的电感为单线圈螺线管电感传感器测量范围大、线性度好、结构简单和便于制作。广泛应用于测量大量程直线位移。缺点为灵敏度较低。3.电感式传感器采用差动式结构，除了可以改善非线
17、性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。变隙式、变面积式和螺管式三种自感式传感器均对应有差动方式截面差动型自感传感器原理气隙差动型自感传感器原理静铁自感式传感器应用举例测试气体压力的传感器图中，感受气体或流体压力的元件为膜盒，因此测试压力范围由膜盒的刚度来决定。这种传感器用于测量精度要求不高的场所或者报警系统。差动变压器的工作原理差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测唯一改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接
18、，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常通称差动变压器。右图显示：当X从中心位置的0往更大移动时候，原来等大的E21增加，E22减少，差值为E2，虚线为E2实际曲线。底端的E0为残余电动势，产生的原因是不对称以及衔铁位置。此值使得在零点附近不灵敏，给测量带来误差两个次级分别整流简易整流位移变化频率很低，无法通过变压器互感，所以必须调制到高频再检波缸体状空心截面弹性元件受力发生形变，衔铁相对线圈移动压力传感器位移传感器微压传感器当存在压力时，膜盒自由端产生正比于压力的位移，带动衔铁移动当有垂直方向的加速度时，悬臂梁弯曲，带动衔铁移动涡流式传感器当金属体在变化的磁场中，导
19、体内就会产生电流，这种电流的流线形状成闭合回路，似水中漩涡称涡电流涡电流。这种现象成为涡流效涡流效应应。视频播放视频播放视频播放圆盘产生涡电流，涡电流产生抵抗的磁场，产生阻尼通电的线圈代替永磁铁来产生磁场，当金属中产生涡流，涡流产生相对的磁场抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感、阻抗、品质因素发生变化，那么通过检测这些变化，就可以检测运动块的位置。利用涡流效应制作的传感器称涡流式传感器通有交变电流I1的传感器线圈L1,产生变化的磁场I,磁场I内的被测金属产生涡流I2,I2也产生相反的磁场II，抵消了部分原磁场，导致线圈的L，等效电阻R,品质因数Q发生变化。该变化与被测金属类型和距离有关，所以可以
20、测量位移电涡流式传感器结构示意图电涡流式传感器结构示意图电涡流式传感器实物图电涡流式传感器实物图电涡流式传感器使用电涡流式传感器使用电涡流式传感器电涡流式传感器结构简单，频率响应快、灵敏度高、抗干扰能力强、体积较小，具有非接触测量的优点。可用来测量振动、位移、厚度、转速以及进行可用来测量振动、位移、厚度、转速以及进行涡流探伤、涡流金属探测器等涡流探伤、涡流金属探测器等。检波型滤波振荡回路射极跟随器下图为一种测量电路，电涡流式传感器电涡流式传感器L引起振荡回路的幅度变化，输出调幅信号经过检波和型滤波后由射极跟随器输出4.电容式传感器有关电容的矿石收音机4.电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的
21、变化转换为电容量变化的一种传感器。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量介电常数、极板的有效面积A以及两极板间的距离有关：C=A/C=A/+A 若被测量的变化使式中、A、三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型变极距型、变面积型变面积型和变介质型变介质型三种类型。极距极距变化型变化型+C=A/C=A/4.电容式传感器手工实验：手工实验：用2个硬币夹1张纸介质组成电容器，监测电容量，并做如下变化：1.将纸介质从1张分别变为2张、4张测量电容量，比较电容量随间距变化趋势2.2个硬币
22、错动位置，造成极板面积S变化，比较电容量随面积变化趋势3.上面分别代表变间隙和变面积的电容传感器，想想如何利用硬币做出变电介质的电容传感器来驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。C=A/C=A/由于变极距型的分辨力极高，可测小至由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01m的线位的
23、线位移，故在微位移检测中应用最广移，故在微位移检测中应用最广说明位移与位移与C的变化不成线性的变化不成线性关系，只有当关系，只有当 位移变化量很位移变化量很小时候，我们才可以认为是线小时候，我们才可以认为是线性的，因此性的，因此变极距型电容传感器一般用来测量微小变化量如，一般用来测量微小变化量如，0.01um零点几个毫米的线零点几个毫米的线位移。位移。极板间采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质可以减小非线性误差，防止电容器击穿或短路。右图所示为差动结构，动极板置于两定极板之间。初始位置时，120，两边初始电容相等。当动极板向上有位移时，两边极距为10-，20+；两组电容一增一减灵敏度提
24、高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。变面积型电容传感器变面积型电容传感器C=A/C=A/变面积型电容传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。变面积型差动式结构(a)扇形平板结构；(b)柱面板结构当动极板C随角位移()输入而摆动时两组AB电容值一增一减，差动输出变介质型电容传感器变介质型电容传感器这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。被测物以电介质形式插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容
25、量C为被测物介质极板电容和空气介质极板电容并联结果。(a)电介质插入式(b)非导电流散材料物位的电容测量常用测量电介质的厚度、位移、液位、容量P43图3-44点名回答为什么可以测量。？.温度稳定性好温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。电容式传感器的优点电容式传感器的优点.结构简单结构简单电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高
26、温和低压差，也能对带磁工作进行测量。.动态响应好动态响应好 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个105N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。.可以非接触测测量，具有平均效应可以非接触测测量，具有平均效应 例如 非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除了上述的优点外，还
27、因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01m 甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。2.缺点缺点.输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般几十到几百皮法，甚至只有几个皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达108106。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施
28、，从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作十分稳定。.寄生电容影响大寄生电容影响大 电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（12m导线可达800pF）、电子线路的杂散电容以及传感器内极板于其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳
29、定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断地得到克服。电容式传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途地传感器。电容式传感器的应用电容式传感器的应用质量块由2根弹簧支撑于充满空气的壳体内，当垂直方向加速时，壳体相对于质量块运动，实A面和B面一个增大一个减小，差值正比于被测加速度这种加速度传感器精度高，频率响应范围广，量程大。电容式加速度传感器电容式加速度传感器差动式电容压差传感器差动式电容压差传感器如图形成的两个电容，在大小不同的被测p1和p2压力的作用下，
30、一个容量增大，一个减小。C2和C1的差值反应了压力差D3D4D6D5高频振荡二极管环形充放电电路滤波I和C成比例CX1CX2为差动电容传感器原理：被测位移和CX1、CX2分别变大和变小，转换电路转换成电压输出，通过测量输出电压可以得到位移变化。差动式电容传感器测量电路差动式电容传感器测量电路问题：电容式传感器按原理可分为哪几种？各有什么特点？能测量那些物理量？PPT接续实验数据结果处理作业：1.预习实验一实验六：应变片传感器实验手册请学习委员拷贝实验手册和实验报告的电子文档并负责发放；或者索取2.每次实验课带拍照工具，记录实验过程；3.每次实验课后请将实验过程记录到网上；（建议保护个人信息）4.每次实验课必须填写2个实验的实验报告word文档。建议每个实验报告2页（方便正反打印）PPT接续传感器实验器材介绍