1、机电工程学院测量与控制技术研究所卢春霞QQ：467033116 Tel：13379086851,工程测试技术,信号分析与信号处理,本课程重在信号处理,信号分析：研究信号的构成与特征,模拟信号处理：采用能实现模拟信号运算的器件或方 法，对模拟信号的处理。,信号处理：将信号做必要的变换以获得所需信息的过程,第六章、模拟量传感器,本章学习要求：,了解传感器的分类掌握常用传感器测量原理了解传感器测量电路,工程测试技术基础,6.1 传感器概述,传感器,信号调理及处理,微处理器,A,D,被测信号,整形,放大,滤波,传感器系统,传感器是传感器系统的一个组成部分，是被测信号输入的第一个关口,基本概念：传感器的
2、定义、构成与分类传感器原理：电阻式、电容式、电感式传感器特点：传感器测量电路：直流电桥、交流电桥(辨向电路)、变压器电桥、调频电路、谐振电路、运算放大式电路、脉宽调制电路,模拟量传感器,6.1 概述,6.1.1 传感器定义,指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。,如热电偶可以测炙热物体的温度； 超声波探测器测海水深度； 红外遥感器从高空测地面植被和污染情况；,6.1 传感器概述,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,力,位移,温度,6.1 传感器概述,传感器由敏感元件与转换元件组成。 敏感元件能直接感
3、受（响应）被测量的部分； 转换元件传感器中能将敏感元件感受的被测量转换成能传输或测量的电信号的部分。,6.1.2 传感器的构成,转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。,6.1 传感器概述,6.1.3 传感器的分类,用途（被测物理量）机械量，声，光，磁 转换原理-电阻，电容，电感，压电， 能量关系物性型，结构型 输出信号类型模拟量，数字量 其它分类方法,6.1 传感器概述,1）用途（被测物理量）,位移传感器液面传感器速度传感器加速度传感器振动传感器,热敏传感器湿敏传感器气敏传感器生物传感器真空度传感器,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,
4、速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量;声: 声压,噪声.磁: 磁通,磁场.温度: 温度,热量,比热.光： 亮度，色彩,6.1 传感器概述,2）转换原理,利用物理效应和化学效应，即使被测量是微小量都可以转换为电信号,6.1 传感器概述,3)按信号变换特征：,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,6.1 传感器概述,4）输出信号类型,模拟传感器将被测量的非电学量转换为模拟信号； 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号； 开关传感
5、器当一个被测量达到某个特定的确定值时，传感器相应地输出一个低电平或高电平信号,6.1 传感器概述,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,弹性压力计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如:电桥电阻应变仪.,制作材料和工艺：,所用材料的类别金属、聚合物、陶瓷等材料的物理性质导体、半导体、磁性材料等制造工艺集成传感器、薄膜传感器、陶瓷传感器等,按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,6.1 传感器概述,按输出形式分模拟量传感器 数字量传感器按工作原理分电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 压电式传感器 ,6.1 传感器概述,6.1.4 传
6、感器的工作原理与标定,传感器工作原理：基于某一种物理现象或化学现象。,y = f(x1,x2,xn),如： R=L/A,传感器的制造：能够让被测量影响某一个参数，而通过另一个电参数的变化来反映被测量的大小，既传感器的设计、研制都要基于某种物理效应，在此基础上再设计出敏感部分的结构以及变换部分的结构。,传感器的标定：即确定输入与输出的关系。,传感器作用及分类 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 压电式传感器 磁电式传感器,6.2 电阻式传感器,被测量电阻变化,6.2 电阻式传感器,按工作的原理可分为: 变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,6.2.1 变阻器式传感器（电位器式传感
7、器）,6.2 电阻式传感器,等效电路分析:,x,L,L-变阻器总长;x-电刷移动量.,电阻：,灵敏度：,kl-单位长度电阻值,传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系,6.2 电阻式传感器,分压电路,6.2 电阻式传感器,负载特性(其后接电路一般采用电阻分压电路),为减小后接电路的影响，一般RLR,6.2 电阻式传感器,接入电桥半桥邻臂:,6.2 电阻式传感器,单圈电位器（一般用于音量控制),多圈电位器（精密调节电路中),直线滑动式电位器(一般用于电视机、音响中作音量控制或均衡控制),分类:,6.2 电阻式传感器,优点：结构简单，价格低廉，且性能稳定；受环境温度影响小；输出信号大，一般不需
8、放大缺点:电刷与线圈式电阻膜之间摩擦，需较大的输入能量；磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性分辨力较低 动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量,应用：主要用来测量位移、压力、加速度等,滑动电阻式位移传感器结构：,6.2 电阻式传感器,6.2.2 变阻应变式传感器,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。,金属电阻应变片半导体应变片,结构,6.2 电阻式传感器,6.2 电阻式传感器,工作原理应变效应,6.2 电阻式传感器,6.2 电阻式传感器,金属丝体积不变：,有：,单位应变所引起的电阻相对变化,6.2 电阻
9、式传感器,对金属材料，导电率不变或很小，即,表明电阻相对变化率与应变成正比，称比值S为应变系数或灵敏度，即：,（取值一般在1.73.6）,金属丝应变片,6.2 电阻式传感器,优点：结构简单，性能稳定，价格低;缺点：精度不高，灵敏度低,分丝式和箔式，有单轴，多轴（应变花），同轴多栅等多种类型,6.2 电阻式传感器,简化为：,压阻效应：半导体材料受到外界作用时，电阻率发生变化,对半导体来说， 由几何尺寸引起，,半导体应变片,6.2 电阻式传感器,灵敏度：,（是金属丝灵敏度的5070倍）,优点：灵敏度高;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化；半
10、导体应变片利用半导体电阻率变化引起电阻变化,半导体应变传感器应用：,应变片的主要参数,（4）其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞后、疲劳寿命、横向灵敏度等）。,（1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，常用 bL表示。,（2）电阻值：应变计的原始电阻值。,（3）灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。,6.3 电阻式传感器,灵敏系数：,6.2 电阻式传感器,应变片测量电路,采用转换电路把电阻的变化转换为电压或电流的变化，这种电路称为测量电路。电桥,6.2 电阻式传感器,组桥时，应变片的灵敏系数必须一致，初始零位,表明各桥臂应变对电桥输出的影响相对桥臂应变值相加，相邻桥臂应变值相减,全桥方式,6.2
11、 电阻式传感器,R1或R1,R3产生R, R2或R2,R4产生-R,应变片电桥工作方式和输出电压,6.2 电阻式传感器,温度补偿,概念：作为测量应变的金属应变片，希望电阻值仅随应变变化，而干扰因素主要是温度变化。,原因：,电阻温度效应：,线膨胀系数不同产生的电阻变化：,其中：1-试件线膨胀系数 2 -电阻丝线膨胀系数 S -应变片灵敏度,6.2 电阻式传感器,桥路补偿 利用电桥相邻的相等两臂同时产生大小相等、符号相同的电阻增量（加减特性），从而不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿。,R1-工作片R2-温度补偿,R1、 R2 -工作片R3 、R4 -温度补偿,6.2 电阻式传感器,电阻应变片的粘贴技
12、术,应变片需粘贴在试件或弹性元件上才能工作，因此粘合剂和粘合技术对测量结果有直接影响。,6.2 电阻式传感器,应变片贴在弹性体上,可测力、位移、压力、加速度等,梁的应变与质量块相对于基座的位移成正比,6.2 电阻式传感器,电阻应变片应用,直接测力或应变,6.2 电阻式传感器,柱（筒）式力传感器,6.2 电阻式传感器,环式力传感器,6.2 电阻式传感器,膜片式压力传感器,6.2 电阻式传感器,应变式容器内液体重量传感器,该传感器有一根传压杆, 上端安装微压传感器, 为了提高灵敏度, 共安装了两只; 下端安装感压膜, 感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时, 感压膜感受的压力就增大。 将其上
13、两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路, 则输出电压为,感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系式为： Uo= (A1-A2)QD,6.2 电阻式传感器,案例：电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,6.2 电阻式传感器,6.2 电阻式传感器,作业：,1、下图悬臂梁贴有两应变片和R1 ，R2，且R1=R2=120，梁受力的变化规律为 ，R1和R2的灵敏度为 ，已知R= R1= - R2 ，若电桥的激励电压为 ，问： 1）应变片的变化量 R=? 2）组成半桥时，若电桥的另外两 个桥臂电阻R3、R4也为120 ， 求电桥输出电压 。 3）绘制 的频谱。,6
14、.3 电感式传感器,6.3 电感式传感器,传感器作用及分类 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 压电式传感器 磁电式传感器,6.3 电感式传感器,变压器,变压器的工作原理就是电磁感应原理，也就是“动电生磁，动磁生电”的过程。,6.3 电感式传感器,分类:,6.3 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,6.3 电感式传感器,6.3.1 可变磁阻式 reluctance variation sensors,1.原理:电磁感应,气隙厚度；气隙面积S；导磁率；线圈匝数W,6.3.1 可变磁阻式传感器,变气隙式,变截面式,螺线管式,2.常见形式,变面积
15、和螺旋管式原理,6.3.1 可变磁阻式传感器,结论：电感L的变化与气隙面积S的变化之间是线性的,结论：电感L的变化与混合磁导率的变化之间是线性的,3.变气隙原理,衔铁位移引起的电感变化为：,6.3.1 可变磁阻式传感器,结论：电感L的变化与气隙的变化之间是非线性关系,泰勒展开式,衔铁位移引起的电感变化为：,6.3.1 可变磁阻式传感器,变气隙式线性化处理：,变气隙式电感传感器用于小位移比较精确； 一般/ = 0.1-0.2（0.0011 mm ）； 为减小非线性误差，提高灵敏度，实际测量中多采用差动工作方式。,6.3.1 可变磁阻式传感器,4.差动式原理,差动变隙式由两个相同的线圈和磁路组成。
16、当被测量通过导杆使衔铁上下位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。,6.3.1 可变磁阻式传感器,6.3.1 可变磁阻式传感器,对比结论: ,单线圈: ,差动式: ,6.3.1 可变磁阻式传感器,差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍；差动式自感传感器线性度得到明显改善；采用差动式传感器，还能抵消温度变化、电源波动、外界干扰、电磁吸力等因素对传感器的影响。,对比结论: ,为了使输出特性能得到有效改善, 构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、 材料、电气参数等方面均应完全一致。,6.3.1 可变磁阻式传感器,6.3.1 可变磁阻式传感器,5.变磁阻式传感器的
17、参数,6.测量电路,电感式传感器的测量电路有交流电桥式、 交流变压器式以及谐振式等几种形式。,6.3.1 可变磁阻式传感器,谐振式测量电路,6.3.1 可变磁阻式传感器,交流电桥式测量电路,交流电桥结构示意图 等效电路,如何辨向,6.3.1 可变磁阻式传感器,辨向电路加二极管整流,二极管整流电桥,环形二极管整流电桥,6.3.1 可变磁阻式传感器,6.3.1 可变磁阻式传感器,采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。,差动电感型相敏整流,6.3.1 可变磁阻式传感器,交流电桥结构示意图 等效电路,6.3.1 可变磁阻式传感器,机械调零：铁芯放中间；电气调零：位移为零
18、，输出电压为零。调满：向上移动，输出电压调成5v； 向下移动，输出电压调成5v。,D3,6.3.1 可变磁阻式传感器,6.3.1 可变磁阻式传感器,7.变磁阻式传感器的应用,变隙式差动电感压力传感器结构图,6.3.1 可变磁阻式传感器,变隙式差动电感压力传感器,6.3 电感式传感器,1、原理:涡流效应,6.3.2 涡流式传感器 Eddy current sensors,形成电涡流必须具备两个条件： 存在交变磁场 导电体处于交变磁场中,6.3.2 涡流式传感器,6.3.2 涡流式传感器,分类： 高频反射式 非接触式位移测量 低频透射式今用于金属板的厚度测量,1）高频(lMHz)反射式电涡流传感器
19、,高频反射式涡流传感器多用于位移及与位移相关的厚度、振动等测量。,6.3.2 涡流式传感器,2）低频透射式电涡流传感器：音频(20kHz)激励电流,低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。,6.3.2 涡流式传感器,2、特点,1）非接触测量；2）结构简单、频率响应宽，可以从几Hz到几百千Hz；3）灵敏度高，抗干扰能力强；4）测量线性范围大，300微米到1000微米；5）体积小；,6.3.2 涡流式传感器,3、测量电路, 调幅式,Lx Uo x,谐振频率,并联谐振,6.3.2 涡流式传感器,3、测量电路,输出特性曲线,U-x,调整振荡频率 U-f,6.3.2 涡流式传感器,3、测量电路, 调频式
20、,6.3.2 涡流式传感器,3、测量电路, 电桥,Z1、Z2为差动式传感器的两个线圈，位移线圈阻抗输出电压,6.3.2 涡流式传感器,4、应用,（1）测厚：低频透射式涡流厚度传感器 高频反射式涡流厚度传感器,6.3.2 涡流式传感器,(2)涡流振动测量,(3)涡流转速测量,6.3.2 涡流式传感器,抗污染能力很强, 可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达 600 000 r/min(转/分),6.3.2 涡流式传感器,5、产品图片,6.3.2 涡流式传感器,6.3 电感式传感器,6.3.3 差动变压器（互感）式传感器 current sensors linear varia
21、ble differential transformers(LVDTs),1、工作原理:互感现象,(e)、(f) 变截面式差动变压器,(a)、(b) 变间隙式差动变压器,(c)、(d) 螺线管式差动变压器,把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化，该类传感器称为互感式传感器; 根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接;,结构形式,6.3 电感式传感器,等效电路： 两个次级线圈必须反相串接，保证差动形式。,初级线圈,次级线圈,6.3 电感式传感器,初级线圈的复数电流值为:,输出电压：,2、输出特性（定量公式推导）,初级线圈,次级线圈,6.3 电感式传感器,输出电压为：,（1）衔
22、铁处于中间平衡位置时，互感Ma = Mb =M，则Es=0 ；,（2）衔铁上升时， Ma= M+M， Mb= M-M,(3)衔铁下降时， Ma= M-M， Mb= M+M,即输出电压与互感的差值有关；,6.3 电感式传感器,2、输出特性（定性分析）,可见: 输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。,当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。,若衔铁上移,若衔铁下移,6.3 电感式传感器,理想输出特性,6.3 电感式传感器,3、零点残余电压,实际输出特性,原因：次级线圈绕组电气系数（M互感 L电感 R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同,6.3 电感式传感器,3、零点残余电压,补偿方
23、法,串联电阻：改变次级线圈之间的电阻份量； 并联电容：消除基波分量相差，减小谐波分量； 加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量； 相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。,6.3 电感式传感器,3、零点残余电压,6.3 电感式传感器,优点：结构简单，工作可靠；灵敏度高，能分辨0.1um的变化；线性范围大(可扩展到100mm)；稳定性好，使用方便。 实际使用频率收传感器机械结构限制。,4、特点,6.3 电感式传感器,5、测量电路,交流电桥,变压器式交流电桥,电桥两臂Z1、 Z2为传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的 1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压：,6.3.1
24、可变磁阻式传感器,衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相差180，要判断衔铁方向就是判断信号相位。,6.3.1 可变磁阻式传感器,6.3 电感式传感器,(1) 差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。,6.3 电感式传感器,6.3 电感式传感器,6.3 电感式传感器,(2) 相敏检波电路,相敏检波的目的： （1）使输出电压能够反映位移的方向； （2）解决零点残余电压。,6.3 电感式传感器,(2) 相敏检波电路,6.3 电感式传感器,(2) 相敏检波电路,6.3 电感式传感器,(2) 相敏检波电路,(a) 被测位移变化波形图(b)差
25、动变压器激磁电压波形(c) 差动变压器输出电压波(d) 相敏检波解调电压波形(e) 相敏检波输出电压波形,6.3 电感式传感器,(3) 二极管相敏检波电路,机械调零：铁芯放中间；电气调零：位移为零，输出电压为零。调满：向上移动，输出电压调成5v； 向下移动，输出电压调成5v。,6.3.1 可变磁阻式传感器,差动电感型相敏整流,6.3 电感式传感器,6、差动变压式传感器应用,差动变压器式传感器可以直接用于位移测量, 也可以测量与位移有关的任何机械量, 如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。,6.3 电感式传感器,6.3 电感式传感器,（1）压差计 当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电
26、压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。,6.3 电感式传感器,（2）液位测量 沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。,6.3 电感式传感器,（3）测厚度,作业：1. 什么叫电感式传感器？电感式传感器有哪些类型？2. 变气隙式自感传感器的工作原理。3. 相敏整流电桥电路的工作原理。4. 涡流式传感器的工作原理。,6.4 电容式传感器,6.4 电容式传感器,传感器作用及分类 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 压电式传感器 磁电式传感器,6.4 电容式传感器,一、原理:,极板间距d；极板相互覆盖面积S；介电常数；,电容式传感器是将被测量
27、的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。,6.4 电容式传感器,分类示意图：,c) 介质变化型,6.4 电容式传感器,电容式传感元件的各种结构形式,6.4 电容式传感器,二、 变极距型电容传感器,测微小的线位移(0.01微米零点几毫米),6.4 电容式传感器,1）、输出特性,传感器灵敏度,6.4 电容式传感器,变极距型电容传感器的非线性特性,非线性误差,6.4 电容式传感器,工作特性： 起始极距与灵敏度成反比 变化微小时近似线性非接触测量。,6.4 电容式传感器,要提高传感器灵敏度，应减小初始极距,但初始极距受电容击穿电压限制（极板间距离在25 200m之间）；
28、非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移（最大位移一般是间距的0.1倍以下）；初始电容一般在20 100pF之间 起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移；0.01um0.xmm,频率响应100KHz 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用提高介电常数的方法和差动结构。,云母g=7,6.4 电容式传感器,2）、差动式变极距型电容传感器,传感器灵敏度,非线性误差,6.4 电容式传感器,结论： 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍; 非线性误差减小。,6.4 电容式传感器,三、 变面积型电容传感器,测角位移或较大线位移,6.4 电容式传感器,结论： 变面积式电容传感
29、器灵敏度为常数； 输出特性为线性； 适合大位移测量。几个cm或180度频率响应范围10KHz,传感器灵敏度,线位移型,C与动极板位移x呈线性关系,(2)角位移型,电容的变化C=-C0(/)与角位移成线性关系,(3)圆筒型,电容量的变化C与高度的变化 x 呈线性关系,6.4 电容式传感器,四、 变介质型电容传感器,用途：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度,6.4 电容式传感器,电容的变化C与电介质r2的移动量 L 呈线性关系。,1）、输出特性,6.4 电容式传感器,2）应用实例,6.4 电容式传感器,液位传感器,电容增量C正比于被测液位高度h,6.4 电容
30、式传感器,6.4 电容式传感器,6.4 电容式传感器,五、 电容传感器等效电路,计算有效电容Ce(为了计算方便，忽略Rs和Rp):,Rp并联损耗电阻，Rs串联损耗电感，L电容器电感和外部引线电感,6.4 电容式传感器,两点注意：1.工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。2.电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件（）相同。,6.4 电容式传感器,六、 电容传感器测量电路,电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。电桥电路调频电路谐振电路运算放大器式电路脉冲宽度调制电路,6.4 电容式
31、传感器,电桥型电路,（c）,U,Cr1,Cr2,U0,L,L,6.4 电容式传感器,紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。,6.4 电容式传感器,变压器电桥,理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。,6.4 电容式传感器,调频电路,调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01m级位移变化量。,6.4 电容式传感器,调频原理,P56 图2-11,鉴频原理,P58 图2-13,6.4 电容式传感器,调频电容传感器,6.4 电容式传感器,谐振电路,特点：电路比较灵敏；工作点
32、不易选好，且变化范围窄；连接电缆杂散电容对电路的影响大；为提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性,6.4 电容式传感器,运算放大器式电路,特点：能将变间隙电容式传感器的非线性特性转换为线性关系,6.4 电容式传感器,脉冲宽度调制电路,C1、C2传感器的差动电容；Ur参考电压。,常用于差动式电容传感器,组成：电压比较器；双稳态触发器；电容充放电回路,6.4 电容式传感器,6.4 电容式传感器,6.4 电容式传感器,平均电压与充电时间关系：,6.4 电容式传感器,设R1R2R，则,对于差动电容 改变d,对于差动电容变极板面积,电容的充电时间与电容大小成正比：,6.4 电容式传感器,可见：1
33、）差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器， 并具有理论上的线性特性； 2）该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波 形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等； 3）对元件没有线性要求； 4）经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的 纯度要求也不高。,总结电桥电路：很少使用调频电路：传感器测量电路具有较高的灵敏度谐振电路：测量电路虽灵敏度，但抗干扰差运算放大电路：能将变间隙电容式传感器的非线性特性转换为线性关系脉宽调制电路：能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性,6.4 电容式传感器,七、影响电容式传感器精度的因素分析,温度的影响漏电阻的影响边缘效应寄生电容,6
34、.4 电容式传感器,1、温度的影响,环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面：,温度对结构尺寸的影响温度对介质（介电常数）的影响,6.4 电容式传感器,1）、温度对结构尺寸的影响,电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙发生较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。 为了减小这种误差，在制造电容式传感器时，可以选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料。如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金。 近年来，采用在陶瓷或石英上喷涂一层金属作为电极，效果更
35、好。,6.4 电容式传感器,2）、温度对介电常数的影响,温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数的温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数温度系数可达0.07/；若环境温度变化50，则将带来7的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。,6.4 电容式传感器,2、漏电阻的影响,电容式传感器的电容量很小，一般在几十PF。如果激励频率较低时，电容传感器的容抗很高，达几十兆欧。一般电器设备中的几兆欧绝缘电阻对电容式传感器来说只能看作是一个旁路，成为漏电阻。 漏电阻与传感器的容抗相近时，将使系统总的灵敏度下降。甚
36、至当绝缘材料性能不够好的时候，绝缘电阻会随着环境温度和湿度而变化，致使传感器的输出存在零漂。 选用绝缘性能好的材料（陶瓷、石英等）作两极板间支架；采用高的激励电源频率（数千赫至数兆赫）降低传感器的内阻。,6.4 电容式传感器,3、边缘效应,电容器两极板间的电场在中心部分的分布均匀，边缘部分的分布不均匀适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。,6.4 电容式传感器,可在结构上增设等位环来消除边缘效应。,等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等电位，使电极1和2
37、之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。,6.4 电容式传感器,4、寄生电容的影响,电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十pF)，而其引线电缆电容(l2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种常用方法。,缩短传感器和测量电路之间的电缆驱动电缆法整体屏蔽法,6.4 电容式传感器,驱动电缆法,驱动电缆采用双层屏蔽电缆。其中用一个增益为1的放大器，
38、放大器输入端接于芯线，输出端接于内屏蔽线，用芯线的电位来驱动内屏蔽线的电位。当放大器严格保持增益为1和相移为零时，内屏蔽线和芯线等电位，可以免除芯线和内屏蔽线之间的容性漏电流，从而消除了两者之间寄生电容的影响。,6.4 电容式传感器,整体屏蔽法,所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等)统一屏蔽起来；如图所示，公用极板与屏蔽之间的寄生电容C1只影响灵敏度，另外两个寄生电容C3及C4在一定程度上影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但不影响电桥正常工作，寄生电容对传感器的电容的影响基本得到排除。,6.4 电容式传感器,6.4 电容式传感器,八、电容式传感器的应用,（a）振幅测量 （b）轴的回转精度和
39、轴心偏摆测量电容式传感器在振动位移测量中的应用,6.4 电容式传感器,差动式电容加速度传感器结构图,6.4 电容式传感器,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感器的假人,气囊,6.4 电容式传感器,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。,6.4 电容式传感器,汽车气囊对驾驶员的保护作用,6.4 电容式传感器,利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹,传感器安装
40、位置,6.4 电容式传感器,差动式电容测厚仪系统组成框图,6.4 电容式传感器,电容式液位计,聚四氟乙烯外套,电容式传感器在油箱液位检测中的应用,6.4 电容式传感器,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,设定按钮,电容式接近开关,被检测物体可以是导电体、含水的物体（例如饲料、人体等）
41、；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。,电容式接近开关在物位测量控制中的使用,全密封防水式,远距离式（大量程）,指纹传感芯片，指纹传感芯片表面由若干个电容传感器组成。当人把手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一个电极。由于手指上存在指纹纹路，且深浅不一致，导致硅表面电容阵列的各个电容电压不同；通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图像，从而达到辨别指纹的目的。,调频电容传感器,案例设计,一弹簧机，平均每分钟生产约100个弹簧，要求当弹簧到达设计长度时自动切断弹簧，请选用合适的传感器，并说明其工作的基本原理。,案
42、例设计,思路：1）选用接近式开关。可选类型电感式和电容式,案例设计,思路：2）对比：精度检测距离温度影响。,常用位移传感器一览表（模拟量）,常用位移传感器一览表（续）,常用位移传感器一览表（续）,作业,作业4 应变片作业,1、下图悬臂梁贴有两应变片和R1 ，R2，且R1=R2=120，梁受力的变化规律为 ，R1和R2的灵敏度为 ，已知R= R1= - R2 ，若电桥的激励电压为 ，问： 1）应变片的变化量 R=? 2）组成半桥时，若电桥的另外两 个桥臂电阻R3、R4也为120 ， 求电桥输出电压 。 3）绘制 的频谱。,作业5 电感作业,什么叫电感式传感器？电感式传感器有哪些类型？2. 变气隙
43、式自感传感器的工作原理。3. 相敏整流电桥电路的工作原理。4. 涡流式传感器的工作原理。,1、有一变极距型电容传感器，两极板的重合面积为8cm2，两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数为1.00，试计算该传感器的位移灵敏度。2、一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙 =0.3mm，问：（1）工作时，如果传感器与工作的间隙变化量 =1m时，电容变化量是多少？（2）如果测量电路的灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，在 =1m时，读数仪表的指示值变化多少格？,作业6 电容作业,1、总结已介绍过的各种类型模拟量传感器的特点。,作业7 模拟量传感器特点总结,各类典型传感器参数,各类典型传感器参数,各类典型传感器参数,各类典型传感器参数,各类典型传感器参数,各类典型传感器参数,各类典型传感器参数,各类典型传感器参数,各类典型传感器参数,未完待添加,
