第四章 無源傳感器

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2、式： （應(yīng)變材料的靈敏系數(shù)）：金屬材料 約1.02半導(dǎo)體材料 約50100（二）電阻應(yīng)變片1、組成結(jié)構(gòu)圖4-1-43、安裝粘貼在試件表面（應(yīng)使應(yīng)變片軸向與所測應(yīng)變方向一致） 4、應(yīng)變片靈敏系數(shù)應(yīng)變片電阻相對變化與粘貼處試件表面應(yīng)變之比 試件表面縱向線應(yīng)變 試件表面橫向線應(yīng)變 縱向靈敏系數(shù)，橫向靈敏系數(shù)橫向效應(yīng)系數(shù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)小于應(yīng)變電阻材料靈敏系數(shù) （三）應(yīng)變電橋 1、電阻傳感器電橋的近似公式圖311中令 在的條件下，電橋開路輸出電壓可近似為 非線性誤差近似為 結(jié)論：1）如果電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂，溫度引起的電阻變化將相互抵消，其影響將減小或消除；2） 非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化

3、符號相同，則應(yīng)將這兩電阻傳器接在電橋的相對兩臂，但是這只能提高電橋輸出電壓，并不能減小溫度變化的影響和非線性誤差。3）被測非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號相反，則應(yīng)將這兩電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂即構(gòu)成差動電橋，這既能提高電橋輸出電壓，又能減小溫度變化的影響和非線性誤差。2、 應(yīng)變電橋接入應(yīng)變片的電橋1）單應(yīng)變片工作：2）雙應(yīng)變片工作： 一片受拉，另一片受壓，即1=x，2=-x，一片承受縱向應(yīng)變x，即1=x，另一片承受橫向應(yīng)變y，即2=y。因y=- x，(為泊松比)，3) 四應(yīng)變片工作：兩片受拉，另兩一片受壓1=3=x，2=4=-x， 兩片承受縱向應(yīng)變x，另兩片承受橫向應(yīng)變y1=3=x，

4、2=4=y，y=-x(為泊松比)，（四）溫度誤差及其補償1、溫度誤差產(chǎn)生原因 應(yīng)變電阻隨溫度變化 試件材料與應(yīng)變法的線膨脹系數(shù)不一致 2、溫度誤差的危害產(chǎn)生應(yīng)變測量誤差即“虛假視應(yīng)變”溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)變片電阻的相對變化可折算成的“虛假視應(yīng)變”為 3、補償溫度誤差的辦法 補償塊法 圖1-7 ， 差動電橋法 如果兩應(yīng)變片型號參數(shù)、所處環(huán)境溫度及所粘貼材料均相同，只要將兩應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩臂，就可消除溫度變化引起的測量誤差。二、固態(tài)壓阻式傳感器（一） 半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)應(yīng)力使半導(dǎo)體電阻率變化 , , （二）固態(tài)電阻式傳感器特點：在半導(dǎo)體硅材料基底上制成擴散電阻，作為測量傳感元件，優(yōu)點：無須粘貼，便于

5、傳感器的集成化缺點：易受溫度影響。需溫度補償或在恒溫條件下使用。（三）溫度誤差及其補償1、溫度誤差產(chǎn)生原因1°電阻隨溫度變化（電橋輸出）零位漂移2°溫度壓阻系數(shù)（電橋輸出）靈敏度漂移2、溫度補償電路圖4-1-81°零位溫漂補償：RP起補償作用 RS起調(diào)零作用2°靈敏度溫漂補償二級管V；壓降隨溫度升高而下降。一、熱電阻金屬電阻1電阻溫度特性 （正溫度特性）近似公式：一般故近似線性電阻溫度系數(shù) 百度電阻比： 一般為100、50兩種分度表溫度t與電阻阻值Rt的對照數(shù)據(jù)表。2對熱電阻材料的要求溫度特性的線性度好溫度系數(shù)大且穩(wěn)定電阻率大物理化學(xué)性能穩(wěn)定3常用熱電阻

6、 W（100） 測溫范圍 價格 溫度系數(shù)鉑電阻 1.391 -200°650° 昂貴 高 低銅電阻 1.425 -50°150° 低廉 差 高二、熱敏電阻半導(dǎo)體電阻1、 類型 圖4-1-9 PTC Positive temperature coefficientCTC critical temperature coefficientNTC negative temperature coefficientNTC常用于溫度測量和溫度補償 PTC、CTC常用作開關(guān)元件2結(jié)構(gòu)及符號圖4-1-103NTC熱敏電阻電阻溫度特性 因為 所以 結(jié)論：1°溫度系

7、數(shù)比熱電阻大幾十倍 2°非線性比熱電阻嚴(yán)重伏安特性圖4-1-12應(yīng)根據(jù)允許功能確定電流一、工作原理 圖4半導(dǎo)體陶瓷與氣體接觸時電阻發(fā)生變化：接觸氧化性氣體，電阻接觸還原性氣體，電阻濃度越大，電阻變化越大用途：氣體識別，濃度檢測二、材料與組成1、材料SnO2應(yīng)用最廣2、組成： 氣敏電阻體 加熱器 3、結(jié)構(gòu)： 燒結(jié)型薄膜型厚膜型4、電路符號 圖4115旁熱式 圖4115(a)(b)直熱式 圖4115(c)三、測量電路分析1氣敏電阻Rs與負(fù)載電阻RL分壓電路 圖4115 2氣敏電阻電橋電路 圖6一、氯化化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。氯化鋰溶液的當(dāng)量電

8、導(dǎo)隨著溶液濃度的增高而下降。環(huán)境的相對濕度高，氯化鋰溶液將因吸收水份而濃度降低；反之，環(huán)境的相對濕度低，則氯化鋰溶液的濃度就高。因此，氯化鋰濕敏電阻的阻值將隨環(huán)境相對濕度的改變而變化，從而實現(xiàn)了濕度的測量。二、半導(dǎo)瓷濕敏電阻1濕敏特性： 正特性 濕度電阻 負(fù)特性 濕度電阻2典型結(jié)構(gòu) 燒結(jié)型 正濕敏特性 涂復(fù)膜型 負(fù)濕敏特性三、高分子膜濕敏電阻是采用人工合成的有機高分子膜作為濕敏材料的電阻式濕度傳感器(1)碳濕敏電阻（2）聚苯乙烯磺酸鋰濕敏電阻四、測濕電路分析1不平衡電橋 圖182歐姆回路 圖19電流表電流 濕敏電阻Rd校滿電阻與xmax%RH對應(yīng)的Rx相等。濕度RxIx注意：1°不能

9、使用電壓表，因電壓表內(nèi)阻r很大，電壓表讀數(shù)為 幾乎不隨濕度改變2°濕敏電阻必須用交流式換向直流供電，不能用單向電流供電.2 電容式傳感器一、原理1平行平面電容單層介質(zhì) s極板覆蓋面積多層介質(zhì) 2平行曲面形（同軸圓筒形）電容 L覆蓋長度當(dāng)時，（x>0時，ln x展成冪級數(shù)，取第一項，令，所以）二、結(jié)構(gòu)類型：變極距、變面積、變介質(zhì)一、變極距型1、單一式 圖4-2-1（a）初始時 動極板上移 2、差動式 圖4-2-1（b） 二、變面積型1、線位移式：單一式 圖4-2-2（a） 初始時 移動后 差動式 2角位移式（差動結(jié)構(gòu)）扇形結(jié)構(gòu)圖4-2-3（a）初始時 轉(zhuǎn)動后 所以 柱面形結(jié)構(gòu) 圖

10、4-2-3（b） 公式同上三、變介質(zhì)型（差動式） 圖4-2-4初始時 介質(zhì)（）塊右移時 所以 同理 所以 圖4-2-4 一、等效電路RP并聯(lián)損耗電阻 Rs引線電阻L引線電感二、引線電感的影響等效電容 兩邊同乘 所以 ， 證明：因 所以 結(jié)論：1、激勵頻率 通常2、每當(dāng)改變激勵頻率或更換連接電纜時須重新進行標(biāo)定。 盡可能使輸出電壓或頻率與被測非電量成線性關(guān)系。一、比例運算電路1、恒電流激勵電路 圖35（a） 應(yīng)用于單一變極距式電容傳感器 2、恒電壓激勵電路 圖35（b） 應(yīng)用于變面積式和變介質(zhì)式電容傳感器 3、恒電壓激勵差動電路 圖35（c） 應(yīng)用于變面積差動式電容傳感器 二、交流電橋1、電阻平

11、衡臂電橋 圖3-1-6（a）2、變壓器電橋 圖3-1-6（b）開路（ZL時）輸出電壓都為 應(yīng)用于變極距差動式電容傳感器 三、差動脈沖調(diào)寬電路 圖36 變極距差動式電容傳感器接入差動脈沖調(diào)寬電路圖36得 設(shè)被測量為振動位移，代入上式得。顯然，低通濾波器應(yīng)允許頻率為fx的被測非電信號通過，為了濾去方波基波及其諧波而且允許頻率為fx的被測非電信號通過，一般選取截止頻率fh為 4.3 電感式傳感器一、工作原理 1、組成：鐵芯線圈 活動街鐵2、自感 式中 故 因為 所以 ，所以所以 3、原理：被測量變化Rm變化L變化類型：1、變所隙式 變化L變化 2、變面積式 A變化L變化 3、螺管插鐵式 變化L變化二

12、、輸入輸出特性1變氣隙式自感傳感器單一式 圖4-3-1（a） 差動式 圖4-3-2（a） ， ， 2變面積式自感傳感器單一式 圖4-3-1（b） 差動式 圖4-3-2（b） ， ， 3螺管插鐵式自感傳感器單一式 圖4-3-1（c）未插入銜鐵時， 插入銜鐵后，差動式 圖4-3-2（c）初始時，銜鐵居中銜鐵右移， 三、等效電路圖3-3 所以 結(jié)論：1、應(yīng)選擇激勵頻率，最好選擇能使品質(zhì)因數(shù)最高的最佳激勵頻率。 2、更換連接電纜時，須重新進行校準(zhǔn)。四、接口電路選擇 盡可能使輸出電壓、電流或頻率與被測非電量成線性關(guān)系。1、變壓器電橋 圖316(b)1）單一式 L2=L0（固定電感） L1=Lx=（自感式

13、傳感器）2）差動式： 結(jié)論：1、差動式比單一式靈敏度提高一倍 2、差動式可消除非線性2、 差動電感脈沖調(diào)寬電路圖328 適用于差動自感傳感器 3、比例電路（與圖325相似）適用于單一式自感傳感器 圖中L0為固定電感，其值等于自感傳感器LX的初始值。一、互感與自感 所以 緊耦合時 所以 二、互感式傳感器（差動變壓器）組成原理 差動變壓器也有變氣隙式、變面積式為螺管式三種類型。2、差動變壓器輸出特性（以圖36所示型鐵芯的變氣隙型差動變壓器為例來推導(dǎo)） 所以 （）所以 結(jié)論：中包含同相分量和正交分量當(dāng)時 當(dāng)時 繼續(xù)增加到超過某一數(shù)值時(該值視鐵心材料而異)，由于導(dǎo)線趨膚效應(yīng)和鐵損等影響而使靈敏度下降

14、。靈敏度頻率特性如圖3-9所示。結(jié)論：應(yīng)選取合適的較高的激勵頻率，以保持靈敏度不變。三、接口電路1、反串電路圖36 2、橋路圖38 電位器用于輸出調(diào)零3、差動整流電路圖4-3-9 電流輸出 電壓輸出 全波整流 圖4-3-9（a） 圖4-3-9（c）半波整流 圖4-3-9（b） 圖4-3-9（d）差動輸出 注意點：1）整流二極管方向與輸出電流方向一致2）電位器用于輸出調(diào)零4、直流差動變壓器電路 圖4310 是利用鐵磁物質(zhì)的壓磁效應(yīng)工作的傳感器一、壓磁效應(yīng)1、“磁致伸縮效應(yīng)”鐵磁材料在磁場中磁化時，在磁場方向會伸長或者縮短，這種現(xiàn)象稱為“磁致伸縮效應(yīng)”。2、“壓磁效應(yīng)”鐵磁物質(zhì)在外界機械力(拉、壓

15、、扭)作用下，磁導(dǎo)率發(fā)生變化，外力取消后，磁導(dǎo)率復(fù)原，這種現(xiàn)象稱為“壓磁效應(yīng)” (又稱磁彈性效應(yīng))。鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率變化與機械應(yīng)力之間有如下關(guān)系：二、基本結(jié)構(gòu)型式1、組成： 壓磁元件（由硅鋼片粘疊而成閉合的磁路）線圈（繞制在壓磁元件上）。2、類型： 1）自感型壓磁傳感器壓磁元件上若只繞上一組線圈 圖43-11 2）互感型壓磁傳感器壓磁元件上同時繞制激勵繞組和輸出繞組 圖3-12 常用的互感型壓磁傳感器圖3-13三、測量電路 圖3-14一、電渦流效應(yīng) 1、電渦流的產(chǎn)生：成塊金屬置于交變磁場中或在固定磁場中運動，金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生環(huán)形感應(yīng)電流電“渦流”。2、電渦流的強度與分布 圖315強度 分布區(qū)

16、域在金屬導(dǎo)體靠近激勵線圈一側(cè)的表面環(huán)形區(qū)域 圖4-3-16 2r=0.525D 2R=1.39Dh深處渦流密度 （表層渦流密度）3、電渦流作用方式圖4-3-17反射方式渦流環(huán)產(chǎn)生的磁場抵消一部分原激勵磁場透射方式渦流環(huán)產(chǎn)生的磁場在另一側(cè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓二、高頻反射式渦流傳感器圖4-3-181、組成： 傳感器線圈、被測金屬導(dǎo)體2、等效電路分析 圖4-3-18（b）1）無金屬塊時 2）有金屬塊時，電路方程： 所以 傳感器等效阻抗 所以 R>R1 L<L1 Q<Q0結(jié)論：Z、R、L、Q均與x、有關(guān)（因x影響M，影響R2，影響L2）3工作原理：被測非電量使一個參數(shù)如x(其余參數(shù)不變)變化，可使L（或Q，或Z）隨該被測非電量變化4、應(yīng)用：1°以x作變量測位移，厚度，振動，轉(zhuǎn)速2&