1.2 常用传感器工作原理及测量电路.ppt

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1、第一章第一章 传感器及其应用传感器及其应用常用传感器工作原理和测量电路常用传感器工作原理和测量电路 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：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发生变化电阻应变电阻应变片传感器；片传感器；3

2、、电阻率发生变化热敏电阻、光导热敏电阻、光导性光检测器等。性光检测器等。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。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：二二 电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理 S 极板相对覆盖面积；d 极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数，

3、；电容极板间介质的介电常数。S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)1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器非线性关系 若d/d1时，则上式可简化为 若极距缩小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方向平移时，其电容变化量化为C与x间呈线性关系 电容式角位移传感器电容式角位移传感器 当=0时 当0时传感器电容量C与角位移间呈线性关系 3.变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感

4、器初始电容 电容式液位传感器 电容与液位的关系为：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 各段导磁体的长度；U i各段导磁体的磁导率；S i 各段导磁体的截面积；空气隙的厚度；U0 真空磁导率;S 空气隙截面积线圈自感线圈自感 变气隙型传感器变截面型传感器 变间隙式电感传感器变间隙式电感传感器传感器由线圈、铁心和衔铁组传感器由线圈、铁心和衔铁组传感器由线圈、铁心和衔铁组传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连成。工作时衔铁与被测

5、物体连成。工作时衔铁与被测物体连成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空接，被测物体的位移将引起空接，被测物体的位移将引起空接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气气隙的长度发生变化。由于气气隙的长度发生变化。由于气气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电隙磁阻的变化，导致了线圈电隙磁阻的变化，导致了线圈电隙磁阻的变化，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：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

6、，特点：灵敏度高，非线性误差较大，特点：灵敏度高，非线性误差较大，特点：灵敏度高，非线性误差较大，制作装配比较困难。制作装配比较困难。制作装配比较困难。制作装配比较困难。变面积型电感传感器变面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气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量气隙长度不变，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。的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵灵灵灵敏度低，线

7、性较好，量程较大，使用比较广泛。敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。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圈电感量也因此而变化。线圈电感量

8、的大小与衔铁插入线圈的深度有关。深度有关。深度有关。深度有关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。产，是使用最广泛的一种电感式传感器。产，是使用最广泛的一种电感式传感器。产，是使用最广泛的一种电感式传感器。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，采用采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。两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，两个线圈的电要求两

9、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。气参数和几何尺寸完全相同。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、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；传感器的影响，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、电磁吸力对测力变化的影响也由于能够相互抵消而减小。够相互抵消而减小。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

10、感系数可互感系数可变变的的变变压压器，当一次器，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，这这种种传传感器感器的二次的二次侧线侧线圈有两个，接圈有两个，接线线方式又是差方式又是差动动的，的，故常称之故常称之为为差差动变压动变压器式器式传传感器。感器。两个次级绕组的同名端则反向串联。图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线 差动变压器的结构类型差动变压器的结构类型（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四四

11、 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。生电荷的压电效应为转换原理的传感器。压电效应：压电效应：压电效应：压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用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表时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生面产生符号相反的电荷符号相反的电荷 ；当外力作用除去时，又恢；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。性

12、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。压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的可测量能变换为力的各种物理量各种物理量。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

13、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。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

14、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。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。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1 直流电桥直流电桥 直流电桥直流电桥桥路输出（1）平衡电桥：）平衡电桥：IL=0时 平衡条件

15、平衡条件:R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRL（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.电桥的输出式为：电桥的输出式为：应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化R 采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。此时有：。此时有：当当Ri R (i=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 R Ri i R 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

16、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极性不同，则输出电压为两者之和。变极性不同，则输出电压为两者之和。若若相相对对两两桥桥臂臂应应变变的的极极性性一一致致，输输出出电电压压为为两两者者之之和；反之则为两者之差。和；反之则为两者之差。电电桥桥供供电电电电压压U U越越高高，输输出出电电压压U U0 0越越大大。但但是是，当当U U大大时时，电电阻阻应应变变片片通通过过的的电电流流也也大大，若若超超过过电电阻阻应应变变片片所所允允许许通通过过的的最最大大工工作作电电流流，传传感感器器就就会会出出现蠕变和零漂。现蠕变和零漂。增增

17、大大电电阻阻应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数K K，可可提提高高电电桥桥的的输输出出电压。电压。略去分母中的R1/R1项,假设R1/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：单臂电桥：单臂电桥：即R1桥臂变化R半桥差动电桥半桥差动电桥 R1R2FU0R1R1R4R3UR2R2R1R2R3R4=R，R1R2=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输出电压为：U0R1R1UR2R2R4R4R3R3全桥差动电路恒流源供电电桥恒流源供电电桥假设RT为温度引起的电阻变化 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，

18、但与温度无关，因此测量不受温度的影响。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。v为适应电感、电容式传感器的需要 v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。（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次级线圈交流电桥的四个桥臂分别用阻抗 、表示 交流电桥的平衡条件为：电阻交流电桥 电感电桥电感电桥 电容电桥电容电桥 变压器电桥电路变压器电桥电路 电阻交流电桥电阻交流电桥1、单臂电阻；2、等臂差动电桥；3、全桥交流电桥。电感电桥电感电桥 两相邻桥臂为电感L1和

19、L2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中 和 为电感线圈的有功电阻。若设Z1、Z2为传感器阻抗 且则有另有 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感，工作时：电桥的输出电压为：当LR 时，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。电容电桥电容电桥 两相邻桥臂为电容C1和C2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中 和 为电容介质损耗电阻。设Z1、Z2为传感器阻抗，且有 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，电桥的输出电压为：当CR 时，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。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 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设其阻抗分别为Z1和Z2，(由于被测量使传感器的阻抗发生变化)电桥的输出电压为：