第一章傳感器及其應用

—慣用傳感器工作原理和測量電路—

常用傳感器工作原理及測量電路第1頁

一電阻式傳感器工作原理

電阻式傳感器測量原理:被測非電量ΔR

電量輸出其基本原理為：設有一根長度為L，截面積為A，電阻率為ρ金屬絲，則它電阻值R可用下式表示：常用傳感器工作原理及測量電路第2頁

三個參數：長度L，截面積A，電阻率ρ，假如發生改變，則它電阻值R隨之發生改變，組成不一樣電阻傳感器：1、長度L發生改變——電位器式傳感器；2、截面積A、長度L發生改變——電阻應變片傳感器；3、電阻率ρ發生改變——熱敏電阻、光導性光檢測器等。常用傳感器工作原理及測量電路第3頁電位器式傳感器

經過滑動觸點把位移轉換為電阻絲長度改變，從而改變電阻值大小，進而再將這種改變值轉換成電壓或電流改變值。電位器式傳感器分為直線位移型、角位移型和非線性型等，如圖所表示。常用傳感器工作原理及測量電路第4頁電位器式傳感器普通采取電阻分壓電路，將電參量R轉換為電壓輸出給后續電路，如圖所表示。當觸頭移動時，輸出電壓為：常用傳感器工作原理及測量電路第5頁二電容式傳感器工作原理

S——極板相對覆蓋面積；

d

——極板間距離；

εr——相對介電常數；

ε0——真空介電常數，；

ε——電容極板間介質介電常數。δSε常用傳感器工作原理及測量電路第6頁變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(ε)型:（i）～(l)常用傳感器工作原理及測量電路第7頁1.變極距型電容傳感器非線性關系若△d/d<<1時，則上式可簡化為若極距縮小△d最大位移應小于間距1/10差動式改進其非線性初始電容常用傳感器工作原理及測量電路第8頁2.變面積型電容傳感器當動極板相對于定極板沿著長度方向平移時，其電容改變量化為△C與△x間呈線性關系常用傳感器工作原理及測量電路第9頁電容式角位移傳感器當θ=0時

當θ≠0時傳感器電容量C與角位移θ間呈線性關系常用傳感器工作原理及測量電路第10頁3.變介電常數型電容式傳感器初始電容電容式液位傳感器電容與液位關系為：常用傳感器工作原理及測量電路第11頁4電容式傳感器應用

(1)電容式差壓傳感器(2)電容式加速度傳感器(3)電容式振動位移傳感器常用傳感器工作原理及測量電路第12頁三電感式傳感器工作原理

自感式傳感器li——各段導磁體長度；

Ui——各段導磁體磁導率；

Si——各段導磁體截面積；δ——空氣隙厚度；

U0

——真空磁導率;S——空氣隙截面積線圈自感

常用傳感器工作原理及測量電路第13頁變氣隙型傳感器變截面型傳感器常用傳感器工作原理及測量電路第14頁變間隙式電感傳感器傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體位移將引發空氣隙長度發生改變。因為氣隙磁阻改變，造成了線圈電感量改變。

線圈電感：N為線圈匝數，Rm為磁路總磁阻。特點：靈敏度高，非線性誤差較大，制作裝配比較困難。常用傳感器工作原理及測量電路第15頁變面積型電感傳感器氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量改變面而改變，從而造成線圈電感量發生改變。靈敏度低，線性很好，量程較大，使用比較廣泛。常用傳感器工作原理及測量電路第16頁螺管型電感傳感器銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上磁阻發生改變，線圈電感量也所以而改變。線圈電感量大小與銜鐵插入線圈深度相關。靈敏度較低，量程大，結構簡單易于制作和批量生產，是使用最廣泛一個電感式傳感器。常用傳感器工作原理及測量電路第17頁差動式電感傳感器為了改進線性在實際中大都采取差動式，采取兩個相同傳感線圈共用一個銜鐵。要求兩個導磁體幾何尺寸及材料完全相同，兩個線圈電氣參數和幾何尺寸完全相同。常用傳感器工作原理及測量電路第18頁差動式優點：1、線性好；2、靈敏度提升一倍，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍；3、溫度改變、電源波動、外界干擾等對傳感器影響，因為能夠相互抵消而減小；4、電磁吸力對測力改變影響也因為能夠相互抵消而減小。

常用傳感器工作原理及測量電路第19頁2差動變壓器傳感器（互感）

互感式傳感器本身是其互感系數可變變壓器，當一次側線圈接入激勵電壓后，二次側線圈將產生感應電壓輸出，互感改變時，輸出電壓將作對應改變。普通，這種傳感器二次側線圈有兩個，接線方式又是差動，故常稱之為差動變壓器式傳感器。常用傳感器工作原理及測量電路第20頁兩個次級繞組同名端則反向串聯。常用傳感器工作原理及測量電路第21頁圖3.2.6差動變壓器輸出電壓特征曲線常用傳感器工作原理及測量電路第22頁差動變壓器結構類型

常用傳感器工作原理及測量電路第23頁（3）差動變壓器應用

力和力矩測量微小位移測量壓力測量加速度傳感器常用傳感器工作原理及測量電路第24頁四壓電式傳感器工作原理

壓電式傳感器是以一些晶體受力后在其表面產生電荷壓電效應為轉換原理傳感器。壓電效應：一些晶體在一定方向受到外力作用時，內部將產生極化現象，對應在晶體兩個表面產生符號相反電荷；當外力作用除去時，又恢復到不帶電狀態。看成用力方向改變時，電荷極性也伴隨改變，這種現象稱為壓電效應。壓電傳感器在受外力作用時，在兩個電極表面聚集電荷，電荷量相等，極性相反，相當于一個以壓電材料為電介質電容器。可測量能變換為力各種物理量。常用傳感器工作原理及測量電路第25頁慣用壓電材料石英晶體水溶性壓電材料（酒石酸鉀鈉、硫酸鋰、磷酸二氫鉀等）鈮酸鋰晶體壓電陶瓷（鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷）壓電半導體高分子壓電材料常用傳感器工作原理及測量電路第26頁石英晶體壓電效應是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。常用傳感器工作原理及測量電路第27頁石英晶體優點：它介電常數和壓電常數溫度穩定性很好；工作溫度范圍很寬；機械強度高，可承受108Pa壓力；在沖擊作用下，漂移也很小；彈性系數較大。可用于測量大量程力和加速度常用傳感器工作原理及測量電路第28頁壓電陶瓷壓電效應是一個多晶體電體，含有電疇結構壓電材料。電團是分子自發形成區域，它有一定極化方向。常用傳感器工作原理及測量電路第29頁壓電式傳感器應用壓電式力傳感器壓電式壓力傳感器壓電式加速度傳感器常用傳感器工作原理及測量電路第30頁電橋電路又叫惠斯登電橋，它是將電阻、電容、電感等參數改變轉換為電壓或電流輸出一個測量電路。

電橋電路按其所采取激勵電源類型

直流電橋交流電橋工作方式有兩種：平衡電橋（零檢測器）和不平衡電橋。在傳感器應用中主要是不平衡電橋。

四傳感器測量電路常用傳感器工作原理及測量電路第31頁1直流電橋直流電橋橋路輸出常用傳感器工作原理及測量電路第32頁（1）平衡電橋：IL=0時平衡條件:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4

R1+⊿R1R2R4R3UILRL常用傳感器工作原理及測量電路第33頁（2）不平衡直流電橋

當電橋后面接放大器時,電橋輸出端看成開路.電橋輸出式為：應變片工作時，其電阻改變ΔR

常用傳感器工作原理及測量電路第34頁采取等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R

。此時有：當ΔRi<<R(i=1,2,3,4)時，略去上式中高階微量，則常用傳感器工作原理及測量電路第35頁①

ΔRi<<R時，電橋輸出電壓與應變成線性關系。②若相鄰兩橋臂應變極性一致，即同為拉應變或壓應變時，輸出電壓為二者之差；若相鄰兩橋臂應變極性不一樣，則輸出電壓為二者之和。③若相對兩橋臂應變極性一致，輸出電壓為二者之和；反之則為二者之差。④電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。不過，當U大時，電阻應變片經過電流也大，若超出電阻應變片所允許經過最大工作電流，傳感器就會出現蠕變和零漂。⑤增大電阻應變片靈敏系數K，可提升電橋輸出電壓。常用傳感器工作原理及測量電路第36頁略去分母中ΔR1/R1項,假設ΔR1/R1<<1理想線性關系：實際輸出電壓：電橋相對非線性誤差：單臂電橋：即R1橋臂改變ΔR常用傳感器工作原理及測量電路第37頁半橋差動電橋R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2常用傳感器工作原理及測量電路第38頁R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

嚴格線性關系電橋靈敏度比單臂時提升一倍溫度賠償作用常用傳感器工作原理及測量電路第39頁輸出電壓為：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3全橋差動電路常用傳感器工作原理及測量電路第40頁恒流源供電電橋假設ΔRT為溫度引發電阻改變電橋輸出為電橋輸出電壓與電阻改變成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無關，所以測量不受溫度影響。常用傳感器工作原理及測量電路第41頁2交流電橋

假如電橋供電電源為交流電壓時，這種電橋稱為交流電橋。為適應電感、電容式傳感器需要

交流電橋通常采取正弦交流電壓供電，在頻率較高情況下需要考慮分布電感和分布電容影響。

常用傳感器工作原理及測量電路第42頁（1）交流電橋平衡條件交流電橋四臂可認為：電阻、電容、電感或變壓器兩個次級線圈交流電橋四個橋臂分別用阻抗、、、表示

交流電橋平衡條件為：

電阻交流電橋

電感電橋電容電橋變壓器電橋電路

常用傳感器工作原理及測量電路第43頁電阻交流電橋1、單臂電阻；2、等臂差動電橋；3、全橋交流電橋。常用傳感器工作原理及測量電路第44頁電感電橋

兩相鄰橋臂為電感L1和L2，另兩臂為純電阻R1和R2，其中和為電感線圈有功電阻。

若設Z1、Z2為傳感器阻抗

且則有另有

常用傳感器工作原理及測量電路第45頁

因為電橋是雙臂工作，所以接入是差動電感式傳感器兩差動電感，工作時：

電橋輸出電壓為：

當ωL＞＞R'時，上式可近似為：

交流電橋輸出電壓與傳感器線圈電感相對改變量成正比。

常用傳感器工作原理及測量電路第46頁電容電橋

兩相鄰橋臂為電容C1和C2，另兩臂為純電阻R1和R2，其中和為電容介質損耗電阻。

設Z1、Z2為傳感器阻抗，

且有

因為電橋是雙臂工作，所以接入是差動電容式傳感器兩差動電容，

常用傳感器工作原理