1、測試技術測試技術 參數式傳感器及其應用參數式傳感器及其應用第四章第四章內容內容 1.傳感器概念傳感器概念2.電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基本概念基本概念傳感器：一種能把傳感器：一種能把特定的信息特定的信息（物理、化（物理、化學、生物）按學、生物）按一定規律一定規律轉換成某種轉換成某種可用信可用信號號輸出的器件和裝置。輸出的器件和裝置。1 1、傳感器概念傳感器概念 基本概念基本概念信息檢測的不可缺少的首要環節，它的直接影響測試系統的信息檢測的不可缺少的首要環節，它的直接影響測試系統的整體測試精度整體測試精度工程實際中俗稱測量頭、檢測器等，也稱為

2、一次儀表工程實際中俗稱測量頭、檢測器等，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 基本概念基本概念 國家標準（國家標準（GB766587）對傳感器定義）對傳感器定義: 感受規定的被測量并按一定的規律轉換成感受規定的被測量并按一定的規律轉換成可用輸出信號可用輸出信號的器的器件或裝置件或裝置 一個指定的傳感器，只能感受規定的物理量一個指定的傳感器，只能感受規定的物理量 電量、非電量電量、非電量 傳感器的輸出信號中載有被測量信息，且能遠距離傳送傳感器的輸出信號中載有被測量信息，且能遠距離傳送 電信號、光信號、氣動信號電信號、光信號、氣動

3、信號 輸入輸出關系服從一定規律，可以復現輸入輸出關系服從一定規律，可以復現公認、標準公認、標準1 1、傳感器概念傳感器概念 組成組成 感受規定的被測量并按一定的規律轉換成可用輸出信感受規定的被測量并按一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置號的器件或裝置敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件轉換電路轉換電路被測量被測量電量電量敏感元件敏感元件直接感受被測量直接感受被測量轉換為有確定關系的易轉換為有確定關系的易變成電量的其它量變成電量的其它量轉換元件轉換元件將其它物理量直接轉將其它物理量直接轉換為有確定關系的電換為有確定關系的電量的元件量的元件便于遠傳、接收的信號便于遠傳、接收的信號420mA、5V服

4、從一定的可復現的規律服從一定的可復現的規律Vf（p）、）、Qf（p）Rf（）Lf（x）規定的物理量規定的物理量壓力壓力應變應變振動、位移振動、位移1 1、傳感器概念傳感器概念 敏感元件敏感元件 力、轉矩力、轉矩應變應變轉換元件轉換元件 應變應變電阻電阻 轉換電路轉換電路 電阻電阻電壓電壓基本特性基本特性測試系統的一個基本單元，具有：測試系統的一個基本單元，具有：靜態特性靜態特性 測量范圍、靈敏度、精度等測量范圍、靈敏度、精度等動態特性動態特性 帶寬帶寬 頻響曲線頻響曲線 特性曲線特性曲線 靈敏度：靈敏度： 輸出電壓輸出電壓 V 1 1、傳感器概念傳感器概念 分類分類 用途用途/ /輸入量輸入量

5、: :適合于用戶機械量：位移、力、速度、加速度、振動機械量：位移、力、速度、加速度、振動熱工量：溫度、壓力、流量、流速熱工量：溫度、壓力、流量、流速光學量：光強、光通量、輻射能光學量：光強、光通量、輻射能 能量關系能量關系 能量轉換型能量轉換型/ /有源型：熱電偶、光電池、壓電式、慣性式有源型：熱電偶、光電池、壓電式、慣性式能量控制型：獲取的信息能量來控制、調制外部激勵能量控制型：獲取的信息能量來控制、調制外部激勵 渦流、渦流、R R、L L、C C參數型參數型1 1、傳感器概念傳感器概念 分類分類 輸出量性質：輸出量性質：適合于研發電參數型電參數型/ /參數式：參數式：R R、L L、C C

6、工程參數工程參數電參數電參數基本類型基本類型: :電阻、電感和電容式電阻、電感和電容式無源傳感器：本身沒有內在的能量轉換無源傳感器：本身沒有內在的能量轉換電量型電量型/ /發電式：電壓、電流、電荷發電式：電壓、電流、電荷工程參數工程參數電信號電信號基本類型基本類型: :壓電式、磁電式、光電式、霍爾式以及熱電式壓電式、磁電式、光電式、霍爾式以及熱電式有源傳感器：本身就有內在的能量轉換有源傳感器：本身就有內在的能量轉換1 1、傳感器概念傳感器概念 定義：定義：將將非電量非電量變化轉換為變化轉換為電阻電阻變化的傳感器變化的傳感器測量的物理量測量的物理量應變應變應變片應變片熱熱熱敏電阻熱敏電阻位移位移

7、/ /距離距離電位器電位器轉換元件轉換元件電阻電阻R R轉換電路轉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應變片式傳感器應變片式傳感器p工作原理：應變效應工作原理：應變效應應變片的電阻：應變片的電阻： l l長度長度 A A截面、半徑截面、半徑r r 電阻率電阻率微應變微應變材料在材料在軸向受力軸向受力的作用，產生的作用，產生機械變形機械變形/ /結構變形結構變形微應變微應變 lRAAldRddldARlA2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應變片式傳感器應變片式傳感器p工作原理工作原理微應變微應變結構尺寸變化結構尺寸變化 應變單位

8、：應變單位：（1 1= =1x101x10-6-6m m/m/m） 材料的泊松比材料的泊松比2()22trtdl ldA Adr rv 材 料 的 軸 向 線 應 變AldvRdRt)21(2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應變片式傳感器應變片式傳感器p工作原理工作原理電阻率變化電阻率變化金屬材料金屬材料 材料的材料的泊松比泊松比 C C常數常數半導體材料半導體材料 半導體材料在受力方向半導體材料在受力方向壓阻系數壓阻系數 E E半導體材料的彈性模量半導體材料的彈性模量tdEAl(12 )tdC d半導體金屬2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應變片式傳感器應變片式傳感器p工作原理工作原理n金屬

9、材料金屬材料 一般一般0.3，C1，因此金屬材料的，因此金屬材料的電阻應變效應主要來自結構電阻應變效應主要來自結構尺寸的變化尺寸的變化尺寸效應尺寸效應，且靈敏系數較小，約為，且靈敏系數較小，約為2.0左右。左右。n半導體材料半導體材料 E(1+E(1+) )，因此半導體材料的電阻變化主要來自因此半導體材料的電阻變化主要來自壓阻效應壓阻效應，靈敏系數較大，約為靈敏系數較大，約為50200，且分散性大。，且分散性大。tmtSCRdRRR)21 ()21(ttSERdRRR)21(2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應變片式傳感器應變片式傳感器p應變片技術參數應變片技術參數類類 型型金屬應變片金屬應變

10、片半導體應變片半導體應變片測量范圍測量范圍0.150000 0.0013000 靈敏系數靈敏系數1.84.550200標稱阻值標稱阻值120，350，600，500010005000電阻受溫度影響電阻受溫度影響溫度系數是溫度系數是正值正值溫度系數是溫度系數是負值，負值， 0.15%/0C電阻容差電阻容差0.1%0.35%1%2%有效柵長度有效柵長度/mm0.4150 標準值：標準值：310152 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應變片式傳感器應變片式傳感器p應變片技術參數應變片技術參數(金屬金屬)應變片材料應變片材料康銅：常用的電阻絲材料卡瑪合金：適用于長時間靜態測量，比康銅具有更長的疲勞壽命和

11、更寬的溫度范圍鉑鎢合金：具有極長的疲勞壽命絕緣電阻：絕緣電阻：應變片絕緣電阻R是指已粘貼的應變片與被測試件之間的電阻值，一般要求R108最大工作電流最大工作電流Imax已安裝的應變片敏感柵允許通過的不影響其工作特性的最大電流值.通常靜態測量取25mA左右，動態測量可取75100mA2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應變片式傳感器應變片式傳感器p應變片結構應變片結構50年代以前2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器柱式柱式應變片式傳感器應變片式傳感器p應變片使用應變片使用敏感元件敏感元件膜片式膜片式（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

12、、電阻式傳感器應變片式傳感器應變片式傳感器p應變片的安裝應變片的安裝安裝安裝力傳遞力傳遞測量效果測量效果 受力的方向受力的方向應變片縱向應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，其中粘貼法最為常用中粘貼法最為常用2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應變片式傳感器應變片式傳感器p溫度誤差溫度誤差溫度引起的測量誤差溫度引起的測量誤差Rt、R0應變片在溫度應變片在溫度t、t0時電阻值時電阻值應變片電阻絲的電阻溫度系數應變片電阻絲的電阻溫度系數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線膨脹系數應變片靈敏系數應變片靈敏系數t 溫度變化量溫度變化

13、量必須采用一定的方法來補償電阻應變片輸出的必須采用一定的方法來補償電阻應變片輸出的溫度誤差溫度誤差，實用中常采用實用中常采用橋路補償橋路補償方法方法tSSRRtt)(/120電阻溫度效應電阻溫度效應熱膨脹效應熱膨脹效應2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應變片式傳感器應變片式傳感器p溫度補償溫度補償溫度效應：阻值隨溫度變化溫度效應：阻值隨溫度變化被測體線脹：不同的線脹系數被測體線脹：不同的線脹系數電橋連接電橋連接差動：相鄰臂差動：相鄰臂提高靈敏度提高靈敏度補償：相鄰臂補償：相鄰臂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p工作原理：工作原理：金屬或半導體的電阻值是溫度的函數金

14、屬或半導體的電阻值是溫度的函數 當溫度升高當溫度升高1時，大多數金屬的阻值要時，大多數金屬的阻值要增加增加0.40.6%，而半導體的電阻值要，而半導體的電阻值要減小減小36%n一般純金屬在溫度變化范圍不大時，其電阻值與溫度的關一般純金屬在溫度變化范圍不大時，其電阻值與溫度的關系近似為系近似為n某些半導體的電阻值與溫度的關系為某些半導體的電阻值與溫度的關系為010ttaRRtt000ln00)11(ttttBttRRttttBeRR2 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p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 半導體的電阻

15、特性曲線半導體的電阻特性曲線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p熱電阻材料選擇熱電阻材料選擇n電阻溫度系數電阻溫度系數a要大要大，制成的溫度傳感器的靈敏度越高。電阻溫度系數，制成的溫度傳感器的靈敏度越高。電阻溫度系數與材料的純度有關，與材料的純度有關，純度越高純度越高，a值就越大，且穩定值就越大，且穩定n材料的材料的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，對溫度變，這樣可使熱電阻體積較小，熱慣性較小，對溫度變化的響應就比較快化的響應就比較快n在整個測量范圍內，物理化學性質穩定、線性、良好重復性在整個測量范圍內，物理化學性質穩定、線性、良好重復性n易

16、于加工復制，價格便宜易于加工復制，價格便宜幾種熱電阻材料特性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p金屬電阻：金屬電阻：工業中應用最多的是鉑和銅工業中應用最多的是鉑和銅n鉑電阻鉑電阻化學穩定性很高，容易提純，便于加工化學穩定性很高，容易提純，便于加工最常用的材料最常用的材料用于用于13.81K630范圍內的測溫、也是基準溫度計范圍內的測溫、也是基準溫度計31227320320/102735.4/108019.5/109083.38500).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

17、傳感器n鉑電阻鉑電阻精度等級：決定于純度精度等級：決定于純度純度：純度：百度電阻比百度電阻比W(100)=R100/R0 1.391工業標準工業標準分度號：分度號： BA1、BA2HT-101HT-101鉑電阻元鉑電阻元件件（honeywell ） 分度號：分度號：pT100pT100（BA2BA2）量程：量程：-200-450-200-450精度：精度：A A：0.06 B0.06 B：0.120.12外形：外形：1.61.63.2 23.2 25 5 2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器分度號分度號R0（）精度精度等級等級R100/R0R0允許的允許的誤差（）誤差（）測量最大允許偏差（測量最

18、大允許偏差（）BA146.001.39100.00070.05級：級：-2000時時(0.15+4.510-3t)0500時時(0.15+3.010-3t)級：級：-2000時時(0.3+6.010-3t)0500時時(0.3+4.510-3t)1.39100.0010.1BA2100.001.39100.00070.051.39100.0010.1熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器n膜膜鉑電阻鉑電阻用真空沉積的用真空沉積的薄膜技術薄膜技術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，用玻璃燒結料固定以內，用玻璃燒結料固定Ni(或或Pd)引線，經激光調阻制成薄引線，經激光調阻制成

19、薄膜元件膜元件微型化、反應快微型化、反應快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p金屬電阻：金屬電阻：工業中應用最多的是鉑和銅工業中應用最多的是鉑和銅n銅電阻銅電阻溫度系數溫度系數a高高于其它金屬的值，價格低廉，易于提純于其它金屬的值，價格低廉，易于提純在在-50150范圍內近似呈線性關系范圍內近似呈線性關系缺點缺點電阻率小電阻率小，體積較大，銅電阻絲細而長，故機械強度降低，體積較大，銅電阻絲細而長，故機械強度降低易氧化，只能用于無侵蝕性介質易氧化，只能用于無侵蝕性介質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p半

20、導體電阻半導體電阻具有具有負的電阻溫度系數負的電阻溫度系數：溫度降低時，其電阻值增加，靈敏度增大：溫度降低時，其電阻值增加，靈敏度增大具有靈敏度高、體積小、熱容量小的優點，可作為精密溫度測量具有靈敏度高、體積小、熱容量小的優點，可作為精密溫度測量常用的測溫電阻有鍺電阻和熱敏電阻常用的測溫電阻有鍺電阻和熱敏電阻n鍺電阻鍺電阻電阻溫度關系很穩定，重復性很好電阻溫度關系很穩定，重復性很好迄今所研究過的半導體中最理迄今所研究過的半導體中最理想的想的低溫測量元件低溫測量元件標定一次可長期使用，而且它的測量精度可達到標定一次可長期使用，而且它的測量精度可達到0.005K許多國家將鍺電阻溫度計作為許多國家將

21、鍺電阻溫度計作為4.2K20K之間的標準測溫儀表之間的標準測溫儀表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p半導體電阻半導體電阻n熱敏電阻：熱敏電阻：正、負、臨界溫度系數正、負、臨界溫度系數測量靈敏度較高、成本低、體積小（點溫度測量）、重復性測量靈敏度較高、成本低、體積小（點溫度測量）、重復性好，可滿足不同測溫對象的要求，而且適合動態測量好，可滿足不同測溫對象的要求，而且適合動態測量缺點是性能不穩定，缺點是性能不穩定，互換性差互換性差，導致測量精度不高，導致測量精度不高空調空調系統的溫控元件系統的溫控元件 a) a)圓片型圓片型 b)b)柱型柱型 c)c)平板型平板型 d

22、)d)結構組成結構組成 e)e)符號符號2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電位計電位計p原理及結構原理及結構結構：結構：帶有直線或旋轉帶有直線或旋轉滑動觸頭滑動觸頭的的電電阻器件阻器件將將線位移或角位移轉換為線位移或角位移轉換為與其成一定函數關系的電阻與其成一定函數關系的電阻種類種類：按按結構形式結構形式可分為繞線式、薄可分為繞線式、薄膜式等膜式等原理原理xSLxRrRxSLxURrUUUii02 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應用應用p應變式力傳感器應變式力傳感器n被測物理量被測物理量：載荷或力載荷或力n用途：用途：各種電子衡器的測力元件，測量范圍從各種電子衡器的測力元件，測量范圍從1mN1

23、08Nn特點：特點：分辨率高，誤差較小，測量范圍大，靜態與動態都可測，分辨率高，誤差較小，測量范圍大，靜態與動態都可測，能在嚴酷環境工作的特點能在嚴酷環境工作的特點n柱式測力元件：體積小、結構緊湊、構造簡單柱式測力元件：體積小、結構緊湊、構造簡單柱式柱式2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應用應用p應變式力傳感器應變式力傳感器ZL110力傳感器力傳感器額定載荷額定載荷 1050（kg）靈敏度靈敏度 2.00.2%（mV/kg/V）非線性非線性 0.02% F.S 滯后滯后 0.02% F.S 激勵電壓激勵電壓 912 VDC 重復度重復度 0.02% F.S溫度補嘗范圍溫度補嘗范圍 -10 +4

24、0 蠕變蠕變 0.02% F.S/30min 允許使用范圍允許使用范圍 -20 +55 激勵電壓為激勵電壓為10V時，時，滿載荷滿載荷時的輸出是多少？時的輸出是多少？2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器與激勵電與激勵電壓有關壓有關 應用應用p應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器n被測物理量被測物理量：液體、氣體的動態和靜態壓力測量：液體、氣體的動態和靜態壓力測量n用途：用途：動力管道設備進、出口氣體和液體的壓力，發動機噴口壓動力管道設備進、出口氣體和液體的壓力，發動機噴口壓力，內燃機管道壓力等力，內燃機管道壓力等n結構：膜片式或筒式彈性元件結構：膜片式或筒式彈性元件 在壓力的作用下，在壓力的作用下，

25、圓膜片產生徑向應變圓膜片產生徑向應變和和切向應變切向應變應變片應變片2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應用應用p應變式扭矩傳感器應變式扭矩傳感器原理：彈性元件在傳遞轉矩時產生的應變來測量扭矩原理：彈性元件在傳遞轉矩時產生的應變來測量扭矩 軸受到扭矩作用時，軸受到扭矩作用時，剪切應力剪切應力與它所傳遞的扭矩有線性關系與它所傳遞的扭矩有線性關系 其中：其中：Mk轉軸所受的轉軸所受的扭矩扭矩、G剪切彈性模量剪切彈性模量 ekmxMKrGM. 232 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器集流環集流環應用應用動態電阻應變儀動態電阻應變儀 應變片：應變片：1201K 輸出：輸出：5V_p（電流（電流5mA） 激

26、勵電壓為激勵電壓為10V時，時，滿載荷滿載荷時的輸出是多少？時的輸出是多少？2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器應用應用p熱電阻式溫度傳感器熱電阻式溫度傳感器（負溫度系數）（負溫度系數）冷卻水溫冷卻水溫測量測量：非線性變化、非線性電流、非線性刻度，測量有限溫度范圍內的溫度溫度補償電路：儀表線圈R銅導線(正系數)，r為錳銅電阻(0溫系)，Rt負溫系數溫度控制電路：可調電阻、負溫度系數熱敏電阻和繼電器線圈串聯組成2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器溫度上升溫度上升阻值下降阻值下降電電流變大流變大繼電器開啟降溫繼電器開啟降溫應用應用p電位計式壓力傳感器在壓力作用下，在壓力作用下，膜盒中心點產膜盒中心點產

27、生位移生位移，推動連桿上移，使得，推動連桿上移，使得曲柄帶動電位計電刷滑動，電曲柄帶動電位計電刷滑動，電位計輸出與壓力成位計輸出與壓力成比例比例的電壓的電壓信號信號1膜盒 2連桿 3曲柄 4電刷 5電阻元件2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器傳感器傳感器定義：感受特定量、一定規律、可用輸出信號定義：感受特定量、一定規律、可用輸出信號組成：三部分功能組成：三部分功能電阻式傳感器電阻式傳感器應變片原理應變片原理: :結構尺寸效應、壓阻效應結構尺寸效應、壓阻效應應用：差動、補償原則、敏感元件應用：差動、補償原則、敏感元件熱電阻傳感器：熱阻效應熱電阻傳感器：熱阻效應應用：鉑電阻、銅電阻；鍺電阻、熱敏電阻

28、應用：鉑電阻、銅電阻；鍺電阻、熱敏電阻電位計：電位計：滑動觸頭滑動觸頭種類種類：繞線式、薄膜式繞線式、薄膜式回顧回顧定義：定義：將被測量變化轉換為將被測量變化轉換為電容電容變化的傳感器變化的傳感器電容傳感器特點電容傳感器特點結構簡單，分辨率高，工作可靠結構簡單，分辨率高，工作可靠 可非接觸測量，可在惡劣環境下工作可非接觸測量，可在惡劣環境下工作測量的物理量測量的物理量位移位移壓力壓力液位液位介質介質轉換元件轉換元件 電容電容C A3、電容式傳感器、電容式傳感器工作原理工作原理 在忽略邊緣效應的情況下，平行極板電容器的電容量在忽略邊緣效應的情況下，平行極板電容器的電容量 基本類型基本類型變極距變

29、極距：位移：位移變面積變面積A A：位移、壓力（差動）：位移、壓力（差動）變介質變介質：介電常數：介電常數AUQmFo120r1085.8為真空介電常數為相對介電常數0AQCCU3、電容式傳感器、電容式傳感器 轉子轉子 電容式探頭D 02Add CdCd CCSd變極距式變極距式 兩極板在被測對象作用下發生位移兩極板在被測對象作用下發生位移變化時變化時 變極距型電容傳感器的變極距型電容傳感器的靈敏度靈敏度是非線性的是非線性的 極距愈小，靈敏度愈高極距愈小，靈敏度愈高, ,受擊穿電壓的限制受擊穿電壓的限制 一般一般極距取極距取0.10.11mm1mm左右左右減小非線性誤差減小非線性誤差 選擇初始

30、距離選擇初始距離; ;微小位移量的測量微小位移量的測量非接觸測量非接觸測量3、電容式傳感器、電容式傳感器變極距式變極距式 差動差動方式方式 兩個變極距電容傳感器，被測位移使兩個變極距電容傳感器，被測位移使動片動片變化，引起極距差動變化，引起極距差動變化，兩個輸出電容也差動變化，提高測量靈敏度變化，兩個輸出電容也差動變化，提高測量靈敏度 差動電容傳感器通常均接成電橋進行放大:電橋的相鄰兩個橋臂2ddCCddCC 兩 電)容 之 差差 動 (取動片動片定片定片定片定片3、電容式傳感器、電容式傳感器變面積式：變面積式：相對面積變化相對面積變化 輸出特性：線性輸出特性：線性 測量測量1cm10cm中等

31、大小的位移中等大小的位移 靈敏度靈敏度 減小極距減小極距可提高靈敏度可提高靈敏度 差動方式差動方式：提高靈敏度：提高靈敏度 .0dAdCSdAdC.03、電容式傳感器、電容式傳感器變介質式變介質式 輸出特性：線性輸出特性：線性 靈敏度靈敏度 增加面積增加面積A、減小極距、減小極距可提高靈敏度可提高靈敏度 應用應用 液位高低液位高低 介電常數介電常數內圓筒內圓筒 外圓筒外圓筒介質介質dAdC.0AddCS.03、電容式傳感器、電容式傳感器 傳感器優點傳感器優點輸入能量小而靈敏度高輸入能量小而靈敏度高精度高達精度高達0.01% 0.01% 動態特性好，適合測量動態參數動態特性好，適合測量動態參數能

32、量損耗小能量損耗小結構簡單，環境適應性好（高溫、輻射等）結構簡單，環境適應性好（高溫、輻射等）缺點缺點：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 電容式轉速傳感器電容式轉速傳感器flash動畫演示動畫演示3、電容式傳感器、電容式傳感器 應用應用p電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路并聯電阻并聯電阻RP代表極板間代表極板間泄漏電阻泄漏電阻和介質損和介質損耗耗，低頻時影響較大低頻時影響較大串聯電阻串聯電阻RS表征引線電阻、極板電阻，通表征引線電阻、極板電阻，通常很小，它隨頻率增高而增大，只有在極常很小，它隨頻率增高而增大，只有在極高工作頻率時才考慮高工作頻率時才

33、考慮電感電感L包括電容器本身電感和外部接線電感包括電容器本身電感和外部接線電感諧振頻率諧振頻率：幾十兆赫幾十兆赫工作頻率應工作頻率應低于諧振頻率低于諧振頻率（一般選為諧振（一般選為諧振頻率的頻率的1/21/3）3、電容式傳感器、電容式傳感器 應用應用p電容測量的幾點考慮電容測量的幾點考慮抗干擾：電容量很小（幾個抗干擾：電容量很小（幾個pf 幾十個幾十個pf），），易受外界電易受外界電場的干擾，這樣，就要求采用場的干擾，這樣，就要求采用輸入阻抗高，噪聲低的前置輸入阻抗高，噪聲低的前置放大器放大器，引出線應盡量短，采用屏蔽線，而且屏蔽線與殼，引出線應盡量短，采用屏蔽線，而且屏蔽線與殼體及可動電極應

34、有可靠的接地，以盡量減小外電場的干擾體及可動電極應有可靠的接地，以盡量減小外電場的干擾應正確選擇應正確選擇極板間的絕緣材料極板間的絕緣材料，通常要求絕緣電阻在，通常要求絕緣電阻在100M以上，以減小漏電阻對測量精度的影響以上，以減小漏電阻對測量精度的影響環境溫度環境溫度：采用補償電橋以抵消：采用補償電橋以抵消介電常數介電常數隨溫度的變化隨溫度的變化, ,盡盡量選擇膨脹系數低的量選擇膨脹系數低的材料材料制造電容式傳感器，以減小尺寸制造電容式傳感器，以減小尺寸隨溫度的變化隨溫度的變化3、電容式傳感器、電容式傳感器典型結構典型結構 變極距變極距(）型）型: (a)、(e) 變面積型變面積型(A)型型

35、: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數變介電常數( )型型: （i）(l)3、電容式傳感器、電容式傳感器 應用應用p電容式壓差傳感器電容式壓差傳感器結構：結構：變間隙變間隙差動方差動方式電容傳感器式電容傳感器固定極板固定極板:兩個凹面鍍金兩個凹面鍍金的的玻璃圓盤玻璃圓盤可動電極可動電極:一個金屬一個金屬(不銹鋼不銹鋼)膜片膜片當當p1p2時，膜片彎向一側，那時，膜片彎向一側，那么兩個差動電容一個增大、一個么兩個差動電容一個增大、一個減小，且變化量大小相同減小，且變化量大小相同當壓差反向時，差動電容變化量當壓差反向時，差動電容變化量也反向也反向特點：特點：結構簡單，靈敏度

36、高，響應結構簡單，靈敏度高，響應速度快速度快(約約100ms)，能測微小壓，能測微小壓差差(00.75Pa)電容式差壓傳感器結構示意圖1金屬鍍層 2凹形玻璃 3膜片4過濾器 5外殼3、電容式傳感器、電容式傳感器 應用應用p電容式微加速度傳感器電容式微加速度傳感器結構：差動式電容傳感器結構：差動式電容傳感器上、下電極上、下電極：固定不動固定不動動片動片：左端固定在襯底上左端固定在襯底上的的懸臂梁懸臂梁，可以上下振動，可以上下振動時微動時微動三維方向的振動或加速度三維方向的振動或加速度測量：測量：在殼體內的三個相互在殼體內的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器垂直方向安裝三個加速度傳感器 3硅襯底

37、，4底層多晶硅上電極，5中間層多晶硅振動片； 6頂層多晶硅上電極3、電容式傳感器、電容式傳感器優點：多極電容、閉環反饋式測量電路優點：多極電容、閉環反饋式測量電路 提高了提高了抗干擾能力抗干擾能力 提高了測量提高了測量精度精度(可達可達5m) 極大地擴展了極大地擴展了量程量程(可達可達1m)3、電容式傳感器、電容式傳感器 應用應用p容柵式位移傳感器容柵式位移傳感器結構：結構：差動式多級電容傳感器差動式多級電容傳感器一定形狀和尺寸的柵片一定形狀和尺寸的柵片長柵長柵(定柵定柵)：均勻排列電極：均勻排列電極動柵對動柵對：一對相同尺寸的交錯對插電極梳：一對相同尺寸的交錯對插電極梳定柵尺動柵對發射極接收

38、極反射極定義：定義：基于基于電磁感應原理電磁感應原理，將被測量轉化為電感量，將被測量轉化為電感量測量的物理量測量的物理量位移位移壓力壓力流量流量振動振動分類分類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 變磁阻傳感器變磁阻傳感器單邊電感式單邊電感式 當鐵心磁導率遠遠大于空氣磁當鐵心磁導率遠遠大于空氣磁導率時導率時 自感量與位移成反比自感量與位移成反比，特性曲，特性曲線非線性線非線性存在問題存在問題靈敏度低、非線性嚴重靈敏度低、非線性嚴重鐵心對銜鐵的吸力比較大鐵心對銜鐵的吸力比較大微小位移的測量：微小位移的測量：0.0010.0

39、011mm1mm202SNL x0Li123線圈線圈銜鐵銜鐵鐵芯鐵芯N4、電感式、電感式傳感器傳感器 變磁阻傳感器變磁阻傳感器差動式差動式差動線圈差動線圈電橋測量電橋測量測量電感量測量電感量 結構：螺線管式差動變壓器結構：螺線管式差動變壓器非線性得到了補償，靈敏度也提高一倍，非線性得到了補償，靈敏度也提高一倍，吸引力相互抵消吸引力相互抵消特點：特點：分辨率很高分辨率很高可達可達0.010.01微米微米測測量范圍一般小於量范圍一般小於2 2毫米毫米主要用于位移測量，也可以用于主要用于位移測量，也可以用于振動、振動、壓力、流量、液位壓力、流量、液位等參數測量等參數測量 0 0 磁心磁心線圈線圈1

40、1線圈線圈2 2變壓器變壓器電橋電橋測桿測桿被測件被測件電源電源U Ue e4、電感式、電感式傳感器傳感器 互感式互感式差動變壓器差動變壓器結構：結構：初級線圈初級線圈、完全對稱的反極性串聯的、完全對稱的反極性串聯的次級線圈次級線圈、銜鐵銜鐵原理：原理：輸出電壓幅值與輸出電壓幅值與鐵心鐵心位移大小成正比，不能反映其方向位移大小成正比，不能反映其方向輸出電壓存在一定的零點殘余電壓輸出電壓存在一定的零點殘余電壓 4、電感式、電感式傳感器傳感器 120212211()iMMjUUUUrj L 理論理論實際實際x0零點零點UT 殘余電壓殘余電壓WW1W2WPx互感式差動變壓器式互感式差動變壓器式差動相敏檢波差動相敏檢波（位移方向）（位移方向）解決鐵心解決鐵心位移的方向性位移的方向性單輸出對應多輸入單輸出對應多輸入輸出存在一定的零點殘余電壓輸出存在一定的零點殘余電壓調零調零R小位移測量的差動相敏檢波電路小位移測量的差動相敏檢波電路直接測量直接測量：直線位移；間接測量：力、重量、液位：直線位移；間接測量：力、重量、液位敏感元件敏感元件 u0 理論 實際 相敏檢波 x 4、電感式、電感式傳感器傳感器 電渦流傳感器電渦流傳感器原理：渦流效應原理：渦流效應結構結構：高頻激勵電流：高頻激勵電流