傳感器原理及應用課件

傳感器原理及應用1可編輯課件PPT2可編輯課件PPT第一章基本概念

§1-1傳感器的定義與組成

§1-2傳感器的特性

§1-3傳感器的誤差及信噪比3可編輯課件PPT第一章基本概念§1-1傳感器的定義與組成

§1-2傳感器的特性

§1-3傳感器的誤差及信噪比4可編輯課件PPT§1-1

傳感器的定義與組成傳感器的定義

傳感器的分類

被測量與能量變換

5可編輯課件PPT一、傳感器的定義

1、定義所謂傳感器是來自“感覺”一詞

傳感器技術屬現(xiàn)代高新技術（電五官）

根據(jù)GB7665-87，【傳感器】（Transducer／Sensor）的定義為：

能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉換成可用信號輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。我國往往把“傳感器”和“敏感元件”等同使用6可編輯課件PPT傳感器的定義

2、傳感器的組成敏感元件（Sensingelement）

直接感受或響應被測量的部分。有時也將敏感元件稱為傳感器。轉換元件（Transductionelement）

能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。7可編輯課件PPT傳感器的定義

3、傳感器的特征參數(shù)被測量傳感器輸入量，是傳感器命名和分類的重要依據(jù)。輸出量含有原始信號，且為便于接收與處理的信號形式。8可編輯課件PPT傳感器的定義

4、傳感器的應用從被檢測對象中獲取原始信號（1）用于自動檢測系統(tǒng)9可編輯課件PPT傳感器的定義

4、傳感器的應用－續(xù)（2）用于測控系統(tǒng)

10可編輯課件PPT自動檢測與自動控制系統(tǒng)在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產線上設備運行狀態(tài)關系到整個生產線流程。通常建立24小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。11可編輯課件PPT石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測12可編輯課件PPT13可編輯課件PPT14可編輯課件PPT15可編輯課件PPT在汽車、機床、電機、發(fā)動機等產品出廠時，必須對其性能質量檢測圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產品質量。16可編輯課件PPT汽車扭距測量機床加工精度測量17可編輯課件PPT汽車與傳感器

高級轎車需要用傳感器對溫度、壓力、位置、距離、轉速、加速度、濕度、電磁、光電、振動等進行實時準確的測量，一般需要30～100種傳感器。18可編輯課件PPT傳感器與家用電器

自動電飯鍋、吸塵器、空調器、電子熱水器、風干器、電熨斗、電風扇、洗衣機、洗碗機、照相機、電冰箱、電視機、錄像機、家庭影院等。19可編輯課件PPT傳感器在機器人上的應用機械手、機器人中的傳感器：轉動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。20可編輯課件PPT密歇根大學的機械手裝配模型21可編輯課件PPT機器人服務員22可編輯課件PPTAGV自動送貨車香港理工AGV模型23可編輯課件PPT傳感器在生物醫(yī)學上的應用對人體的健康狀況進行診斷需要進行多種生理參數(shù)的測量。國內已經成功地開發(fā)出了用于測量近紅外組織血氧參數(shù)的檢測儀器。人類基因組計劃的研究也大大促進了對酶、免疫、微生物、細胞、DNA、RNA、蛋白質、嗅覺、味覺和體液組份以及血氣、血壓、血流量、脈搏等傳感器的研究。醫(yī)學24可編輯課件PPT25可編輯課件PPT傳感器與航空及航天飛行器：控制在預定軌道上陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器航天26可編輯課件PPT傳感器與環(huán)境保護保護環(huán)境和生態(tài)平衡，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須進行大氣監(jiān)測和江河湖海水質檢測，需要大量用于污水流量、PH值、電導、濁度、COD、BOD、TP、TN、礦物油、氰化物、氨氮、總氮、總磷、金屬離子濃度特別是重金屬離子濃度以及風向、風速、溫度、濕度、工業(yè)粉塵、煙塵、煙氣、SO2、NO、O3、CO等參數(shù)測量的傳感器，這些傳感器中大多數(shù)亟待開發(fā)。27可編輯課件PPT煙塵濁度測量28可編輯課件PPT傳感器與遙感技術飛機及航天飛行器：近紫外線、可見光、遠紅外線、微波船舶：超聲波傳感器微波紅外接收傳感器紅外線分布差異礦藏埋藏地區(qū)地面29可編輯課件PPT二、傳感器的分類

1、按傳感器輸入量（用途）分類生產廠家往往按輸入量分類，以向戶提供基本的使用信息。如：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、壓力傳感器、流速傳感器、溫度傳感器、光強傳感器、濕度傳感器、粘度傳感器、濃度傳感器、…。

30可編輯課件PPT傳感器的分類

2、按傳感器工作機理分類此種分類方法能表示輸入變量和輸出變之間的關系。

31可編輯課件PPT傳感器的分類

2、按傳感器工作機理分類－續(xù)1（1）物性型傳感器是利用某些功能材料本身所具有的內在特性及效應把被測量直接轉換為電量的傳感器。如：各種壓電晶體傳感器。（2）結構型傳感器是以結構（如形狀、尺寸）為基礎，利用某些物理規(guī)律實現(xiàn)把被測量轉換為電量。如：氣隙型電感式傳感器。

32可編輯課件PPT傳感器的分類

2、按傳感器工作機理分類－續(xù)2（3）化學傳感器是利用化學反應的原理，把無機和有機化學物質的成分、濃度等轉換為電信號的傳感器。如：離子選擇性電極。（4）生物傳感器是一種利用生物活性物質選擇性的識別和測定生物化學物質的傳感器。近年來發(fā)展很快。33可編輯課件PPT傳感器的分類

3、按信息能量變換方式分類在傳感器內部，信息的傳遞與變換伴隨著能量的流動。（1）能量變換型：傳感器從被測對象中獲取能量，用于直接輸出。如：熱電偶、光電池、壓電式、電磁感應式、固體電解質氣敏傳感器等。（2）能量控制型：傳感器從被測對象中獲取能量，用于控制激勵源，故又稱有源型傳感器。如：電阻式、電感式、電容式、霍爾式、…。34可編輯課件PPT三、被測量與能量變換1、示容變量和示強變量(1)示容變量或稱為流通變量、擴展量(Extensive)

示容變量是與空間分布成比例的量，表示能容納多少的量。如：長度、面積、體積、質量、位移、速度、電荷、磁力線、電流、熱流、熵、…。35可編輯課件PPT被測量與能量變換

1、示容變量和示強變量(2)示強變量或跨越變量,密集量(Intensive)

示強變量是指在某種場合下，表示作用程度的量。如：力、壓力、溫度、溫差、電壓、磁通、光通、氣體濃度、濕度…。36可編輯課件PPT被測量與能量變換

1、示容變量和示強變量示容量與示強量組合之積是與某種能量相對應的。如：力與位移之積是功、力與速度之積是功率、壓力與體積之積是氣體力學能量、溫度與熵之積是熱能、溫差與熱流之積是熱功率、電壓與電荷之積是電能、電壓與電流之積是電功率。37可編輯課件PPT被測量與能量變換

2、傳感器能量變換

傳感器的工作過程可以視為是將示容量與示強量由一種組合變成另一種組合。38可編輯課件PPT被測量與能量變換

3、能量變換與誤差（1）傳感器從被測物體拾取能量時對被測物體的狀態(tài)產生了影響，從而導致了誤差。如：熱電偶測溫時，輸入的熱流是被測物體傳遞的，若熱電偶的熱容量過大，將使被測物體的溫度下降，從而產生誤差。（2）傳感器輸出端的負載消耗傳感器的能量時，亦對被測物體造成誤差。傳感器對被測物體的影響越小，負載對傳感器輸出的影響越小，測量精度就越高。39可編輯課件PPT被測量與能量變換

4、傳感器信號變換

根據(jù)傳感器輸出信號是模擬量或是數(shù)字量，可將信號變換分為兩大類?！灸M變換】輸入為模擬量，輸出為模擬量?！緮?shù)字變換】輸入為模擬量，輸出為數(shù)字量。

40可編輯課件PPT被測量與能量變換

5、傳感器的輸入與輸出特性（1）傳感器的輸入特性（負荷效應）傳感器的輸入特性是用來衡量傳感器對被測對象的影響程度。其主要參數(shù)是廣義輸入阻抗Zi，定義為由于示強變量X與示容變量x的乘積為能量W（或功率），則有能量或功率：41可編輯課件PPT被測量與能量變換

5、傳感器的輸入與輸出特性可知：①當被測量為示強變量時（如：被測量為力、壓力、溫度等），傳感器廣義輸入阻抗越大，從被測對象吸收的能量就越小，誤差也就越小。②當被測量為示容變量時（如：位移、速度、加速度等），傳感器廣義輸入阻抗則越小越好。③當被測示容變量為0時（如：用力傳感器測量靜態(tài)力時），此時被測點處于力平衡狀態(tài)，速度為0，此時輸入特性應用靜態(tài)剛度來表示靜態(tài)剛度：，此時被測力的功：42可編輯課件PPT被測量與能量變換

5、傳感器的輸入與輸出特性（2）傳感器的輸出特性（阻抗匹配）傳感器的輸出特性是用來衡量傳感器承受負載能力大小的重要參數(shù)。主要參數(shù)是廣義輸出阻抗Zo，定義為

從提高負載能力出發(fā)，Zo

越小越好，承載能力強；從獲得最大功率出發(fā)，Zo

等于負載阻抗?？偟囊笫牵合Ｍ麖谋粶y對象處獲取較小的能量，而輸出大的有用信號。43可編輯課件PPT四、傳感器的發(fā)展趨勢發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象開發(fā)新材料采用微細加工技術集成化智能化仿生傳感器44可編輯課件PPT第一章基本概念§1-1傳感器的定義與組成

§1-2傳感器的特性

§1-3傳感器的誤差及信噪比

45可編輯課件PPT§1-2傳感器的特性傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的動態(tài)特性傳感器的特性就是對輸入輸出關系的描述，理想的特性是在任何情況下輸入與輸出都是一一對應的。分靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

46可編輯課件PPT§1-2傳感器的特性

一、傳感器的靜態(tài)特性【靜態(tài)特性】：輸入不隨時間變化時（在穩(wěn)態(tài)信號作用下），傳感器輸出與輸入之間的關系。

１、變換函數(shù)（靜態(tài)特性的一般數(shù)學模型）變換函數(shù)反映傳感器輸入與輸出間的關系式，y=f(x)

其中x為輸入量，y為輸出量。幾種典型的變換函數(shù)如下表47可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

１、變換函數(shù)通常，要求傳感器在靜態(tài)情況下的輸入與輸出保持線性關系，實際上，如上表所示，很難滿足理想的線性關系，一般用多項式表示

只有當二階以上的項為0時，才滿足理想的線性關系。

48可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

2、靈敏度（靜態(tài)靈敏度）當輸入變化為Δx時，有：

其中k(x)稱為靈敏度，是傳感器在工作點上的微商（dy／dx），是靜態(tài)特性的最主要指標。當k(x)為定值時，即Δy與Δx成比例，由測量值Δy便可直接求得Δx。靈敏度具有可比性。49可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

3、精度傳感器的精度是指測量結果的可靠程度，它以給定的準確度表示重復某個讀數(shù)的能力，其誤差愈小，則精度愈高。定義為：傳感器的精度表示傳感器在規(guī)定條件下允許的最大絕對誤差相對于傳感器滿量程輸出的百分比，

其中，ΔA為測量范圍內允許的最大絕對誤差。在應用中，為了簡化傳感器的精度的表示方法，引用了精度等級的概念，分為：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等級越小精度越高50可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

4、線性度（非線性誤差）

在規(guī)定條件下，傳感器校準曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程（F.S）輸出值的百分比稱為線性度。線性度：擬合方法有基端線性擬合、最佳直線擬合和最小二乘法擬合。

51可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

5、最小檢測量和分辨率

是指傳感器能確切反映被測量的最低極限量Δx，小于這個量的區(qū)域稱為死區(qū)。對于數(shù)字傳感器，常用分辨率來表示。最小檢測量(或感度)的影響因素二：(1)輸入的變動量Δx在傳感器內部被吸收如：帶有螺紋或齒條傳遞的傳感器，由于螺紋和螺母間、齒輪和齒條間存在間隙，當輸入變量Δx小于這一間隙時，便被傳感器內部吸收。52可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

5、最小檢測量和分辨率－續(xù)1(2)傳感器輸入、輸出端均存在噪聲干擾，Δx過小時，被外界噪聲所淹沒。

最小檢測量：

其中，C為系數(shù)，一般取1～5，N為噪聲電平，K為靈敏度。對于數(shù)字式傳感器，則用輸出數(shù)字指示值最后一位數(shù)字所代表的輸入量來表示，稱為分辨率。53可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

6、滯后性在輸入量增加過程中測得的某一點輸出值，與在輸入減少過程測得的同一點值不一樣，這種現(xiàn)象稱為滯后。圖中曲線稱為滯環(huán)特性曲線。

54可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

6、滯后性－續(xù)1對滯后性的衡量，一般用滯環(huán)的最大偏差或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比來表示，稱為滯環(huán)誤差

或

如果傳感器存在滯后性，則輸入與輸出就不能保持一一的對應關系，因此應盡量使之變小。產生滯后性的原因主要是材料的物理性質所造成的。55可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

7、重復性重復性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全量程范圍內連續(xù)變動多次所得特性曲線的不一致性。56可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

7、重復性－續(xù)1不一致性一般用各測量值正、反行程標準偏差最大值的兩位或三倍值與滿量程輸出值的百分比來表示（或稱為回差）

或

其中，σ為標準偏差。

57可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

8、零點漂移傳感器無輸入（或某一輸入值不變）時，每隔一段時間進行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值），即為零點飄移，用百分比表示：

其中，Δy0為最大零點偏差（或相應偏差）。

58可編輯課件PPT一、傳感器的靜態(tài)特性

9、溫度漂移溫漂表示溫度變化時，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1℃時，輸出最大偏差與滿量程的百分比表示：

其中，Δmax為輸出最大偏差，ΔT為溫度變化范圍。

59可編輯課件PPT§1-2傳感器的特性

二、傳感器的動態(tài)特性【傳感器動態(tài)特性】傳感器的響應特性。【傳感器響應】當輸入信號隨時間變化時，輸出信號隨之變化的情況。60可編輯課件PPT二、傳感器的動態(tài)特性

1、動態(tài)特性的一般數(shù)學模型由于傳感器在工作中，質量加速或減速需要時間，能量存取需要時間，信號在傳輸過程中克服阻力需要時間，所以輸出信號總是要遲后輸入信號，不可能同步變化。動態(tài)特性的一般數(shù)學模型為一常系數(shù)微分方程:

式中，y(t)為輸出信號，x(t)為輸入信號，a0,a1,…,an及b0,b1,…,bm均為常數(shù)。

61可編輯課件PPT二、傳感器的動態(tài)特性

1、動態(tài)特性的一般數(shù)學模型－續(xù)1對上式兩邊進行拉氏變換，得

則得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下

在一般情況下，上面的傳遞函數(shù)可以分解為分母為一次多項式和二次多項式的分式形式，用一次多項式作分母的系統(tǒng)稱為傳遞函數(shù)的一階系統(tǒng)（即慣性環(huán)節(jié)），用二次多項式作分母的系統(tǒng)稱為傳遞函數(shù)的二階系統(tǒng)（即振蕩環(huán)節(jié)）。所以一階和二階系統(tǒng)的響應是最基本的響應。62可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

2、零階傳感器的數(shù)學模型零階傳感器的微分方程只有a0、b0兩個系數(shù)，方程為:

或其中k為靜態(tài)靈敏度，所以零階系統(tǒng)的動態(tài)特性即就是系統(tǒng)的靜態(tài)特性。63可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

2、零階傳感器的數(shù)學模型-續(xù)1典型的零階系統(tǒng)如線性電位器輸出電壓與電刷位移之間的關系：64可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

3、一階傳感器的數(shù)學模型(慣性環(huán)節(jié))一階系統(tǒng)的方程式為

或

其中(a1/a0)＝τ，稱為時間常數(shù)，(b0/a0)為靜態(tài)靈敏度。一階系統(tǒng)函數(shù)（傳遞函數(shù)）65可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

3、一階傳感器的數(shù)學模型-續(xù)1典型的一階傳感器如熱電偶66可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

3、一階傳感器的數(shù)學模型-續(xù)2

微分方程如下:其中:τ＝Rmc，為熱電偶的時間常數(shù)，

R為介質與熱電偶之間的熱阻，

m熱電偶質量，

c為熱電偶的比熱，

mc為熱電偶的熱容量。67可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

4、二階傳感器的數(shù)學模型(振蕩環(huán)節(jié))二階系統(tǒng)的微分方程為二階系統(tǒng)函數(shù)（拉氏傳遞函數(shù)）

68可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

4、二階傳感器的數(shù)學模型-續(xù)1式中，為靜態(tài)剛度；，無阻尼固有頻率；，阻尼比。上述三個量稱為二階傳感器的特征量。典型的二階傳感器有光線示波器的振動子、鎧裝熱電偶（即帶保護套管的熱電偶）。69可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性【時域方面】采用瞬態(tài)響應法（階躍響應）【頻域方面】采用頻率響應法（正弦響應）（1）單位階躍響應函數(shù)為70可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性－階躍響應1（2）一階傳感器的階躍響應

其中，，為時間常數(shù)。

71可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性－階躍響應2（3）二階傳感器的階躍響應二階系統(tǒng)分欠阻尼系統(tǒng)（ξ<1）、過阻尼系統(tǒng)（ξ＞1）和臨界阻尼系統(tǒng)（ξ＝1），一般傳感器為欠阻尼系統(tǒng)，ξ值一般在0.7左右，其響應為式中，，為有阻尼時的固有頻率。72可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性－階躍響應3二階系統(tǒng)的階躍響應超調量α

衰減度φ73可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性－頻率響應1頻率響應：指在一系列不同頻率的正弦信號的作用下，傳感器的輸出特性，分幅頻特性和相頻特性。

式中A(ω)=|H(jω)|,

φ(ω)=arctg[HI(ω)/HR(ω)]。74可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性－頻率響應2（1）對正弦輸入的響應（時域）若輸入信號為正弦波：則響應由暫態(tài)響應部分和穩(wěn)態(tài)響應部分組成，暫態(tài)響應逐漸衰減直至消失，穩(wěn)態(tài)響應是一與輸入信號同頻率但不同幅值，并存在相位差的正弦信號。一階系統(tǒng)對正弦信號的響應為

其中，

75可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性－頻率響應3二階系統(tǒng)對正弦信號的響應為

式中ω0——傳感器無阻尼固有頻率；

ωd——傳感器有阻尼時的固有頻率；

ξ——傳感器阻尼比，

k1、k2，常數(shù)，由初始條件決定。76可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性－頻率響應4(2)傳感器的頻率響應（頻域）傳感器的頻率響應函數(shù)（即傳遞函數(shù)）前面已進行了討論一階系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)

幅頻特性

相頻特性77可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性－頻率響應5一階系統(tǒng)的頻率響應曲線78可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性－頻率響應6二階系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)幅頻特性相頻特性

79可編輯課件PPT傳感器的動態(tài)特性

5、傳感器的動態(tài)特性－頻率響應7二階系統(tǒng)的頻率響應曲線80可編輯課件PPT第一章基本概念

§1-1傳感器的定義與組成

§1-2傳感器的特性

§1-3傳感器的誤差及信噪比81可編輯課件PPT§1-3傳感器的誤差及信噪比

設S為傳感器的靈敏度，ΔS為環(huán)境因素引起的靈敏度變化，N為外界干擾的等效噪聲，則可以用如下框圖來表示傳感器在實際工作的情況，

高階傳感器有三種基本結構形式：直接變換型，差動型和平衡型。現(xiàn)按這三種形式來討論其誤差。82可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

一、直接變換型直接變換型是典型的開環(huán)系統(tǒng)。

系統(tǒng)的變換函數(shù)為其中，Si0

–

表示沒有干擾時的靈敏度83可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

一、直接變換型１、靈敏度變化的影響假設在環(huán)境作用下，S1發(fā)生了變化，為S1=S10±ΔS1，此時的輸出為

則有

當多個變換環(huán)節(jié)的靈敏度發(fā)生變化時，若忽略二階小以上的項，則傳感器的相對靈敏度為

84可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

一、直接變換型直接變換型的傳感器相對靈敏度為

由此可得出如下兩點結論靈敏度變化所引起的相對誤差等于各個環(huán)節(jié)靈敏度相對變化值的代數(shù)和；可以利用各環(huán)節(jié)靈敏度變化的符號不同而相互補償（即正負相消）。85可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

一、直接變換型２、外界噪聲的影響假設第二個環(huán)節(jié)受外界噪聲影響，則引起的誤差為則有

同理，在忽略二階以上無窮小時，可得全部環(huán)節(jié)噪聲所引起的相對誤差86可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

一、直接變換型或

由以上二式，可得出如下結論由噪聲引起的誤差等于各環(huán)節(jié)噪信比（噪聲功率與有用信號功率之比）的總和；在傳感器總靈敏度一定的情況下，提高前面各環(huán)節(jié)的靈敏度有利于減少后面環(huán)節(jié)中噪聲的影響（因分母變大）；傳感器第一個環(huán)節(jié)輸入端噪聲的影響，只取決入口處的噪信比，與整個系統(tǒng)的靈敏度無關，故第一個環(huán)節(jié)是十分重要的。87可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

二、差動型差動型結構是由兩個相同的通道和一個減法器組成。傳感器的變換函數(shù)為：88可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

二、差動型假定兩個通道完全對稱，即S1o=S2o，則可導出如下三個特點：差動型結構的靈敏度是單個系統(tǒng)的兩倍，即

差動型結構有很好的補償作用

外噪聲的作用對兩個通道是相同的，有N1＝N289可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

二、差動型對非線性具有一定的補償作用，假定靈敏度是輸入x0的函數(shù)，即將上式代入前述噪聲誤差公式，經整理后，有

從公式中可看出，偶次非線項消除了，傳感器線性得到了改善。90可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

三、平衡型平衡型是一個小型反饋系統(tǒng)傳感器變換函數(shù)(靜態(tài)特性)為91可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

三、平衡型平衡型結構有如下四個特點：由于環(huán)路的總靈敏度一般很大，即S1S2S3S4→∞，則有

系統(tǒng)的閉環(huán)靈敏度及線性度與S4有關。對變換函數(shù)取一階偏微分，經整理后，

怱略項，近似有

92可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

三、平衡型由上式,可看出：正向通道靈敏度對傳感器影響很??；反饋點應盡可能接近被測變量，以降低對前置變換的要求；逆變換的特性及特性穩(wěn)定性對傳感器影響很大。93可編輯課件PPT傳感器的誤差及信噪比

三、平衡型由噪聲(N1、N4)引起的相對誤差為所以

平衡式傳感器是運用兩種互逆?zhèn)鞲性膹秃蟼鞲衅?/p>

94可編輯課件PPT第二章電阻式傳感器及檢測電路

§2-1線繞電位器式傳感器§2-2金屬電阻應變傳感器§2-3壓阻式傳感器95可編輯課件PPT第二章電阻式傳感器及檢測電路

電阻式傳感器是將非電量如力、位移、形變、速度和加速度等的變化，通過電阻元件變換成電阻值的變化，然后再變成電信號。

96可編輯課件PPT§2-1線繞電位器式傳感器

一、線繞電位器結構和工作原理是典型的零階傳感器。結構：由線繞電阻（將電阻絲繞在絕緣的骨架上）和移動電刷組成。

97可編輯課件PPT§2-1線繞電位器式傳感器

一、線繞電位器結構和工作原理原理：通過電刷的移動，改變電阻值的大小，從而得到不同的輸出出電壓Uo，輸出電壓與電刷位移之間的關系為

式中SV為電壓靈敏度，即單位位移所輸出的電壓。

98可編輯課件PPT線繞電位器式傳感器

一、線繞電位器結構和工作原理當電位器接上負載后，輸出為

式中R—電位器總電阻；

Rx—電刷所在位置的電阻；

RL—負載電阻。

99可編輯課件PPT線繞電位器式傳感器

一、線繞電位器結構和工作原理電位器負載特性曲線

100可編輯課件PPT線繞電位器式傳感器

一、線繞電位器結構和工作原理從上面電位器負載特性曲線可以看出:電位器的輸出特性（負載特性）是非線性的，這種非線性受RL/R比值的影響，比值越大，非線性越小;開路時,RL/R→∞，滿足線性關系。101可編輯課件PPT線繞電位器式傳感器

二、線繞電位器的階梯特性線繞電位器的電阻不是連續(xù)可調節(jié)器的，它是從一圈移動到另一圈，若繞線共有n匝，則電刷每移動一圈的調節(jié)器節(jié)電壓為

所以分辯率為：

因此輸出呈階梯變化。由于電刷在從一圈移向另一圈的瞬間，會造成兩相鄰匝線短接，使總電阻減少，而產生一個小的波動，如圖所示。

102可編輯課件PPT線繞電位器式傳感器

二、線繞電位器的階梯特性階梯誤差為理想階梯特性與理論特性之間的誤差：

103可編輯課件PPT線繞電位器式傳感器

三、非線繞電位器電阻值分辯率高。（1）膜式電位器：碳膜和金屬膜。（2）導電塑料電位器：塑料粉加導電材料粉。（3）光電電位器：非接觸式。

104可編輯課件PPT第二章電阻式傳感器及檢測電路

§2-1線繞電位器式傳感器§2-2金屬電阻應變傳感器

§2-3壓阻式傳感器105可編輯課件PPT§2-2金屬電阻應變傳感器

概述【能量變換】【原理】應變效應【用途】檢測力、壓力、轉矩、位移、加速度等106可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

概述【類型】金屬電阻應變片式（絲式、箔式）壓阻式（半導體應變片）——壓敏電阻固態(tài)壓阻器件（壓力敏感元件）【特點】簡便、精度高、體積小、動態(tài)響應好；電阻值受環(huán)境溫度影響很大

107可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

一、應變的檢測當外力作用物體時，物體在其彈性限度內產生伸縮變位，這種關系如果用應力和應變來表示，則有如下關系

式中σ——應力（單位面上的作用力）

ε——應變（單位長度的變位）

E——材料的彈性系數(shù)因此，檢測出物體的這種應變，就可以知道應力，作用力，位移，加速度和作用于軸上的轉矩。108可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

一、應變的檢測【應變效應】導體在機械變形時，引起電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬電阻應變效應。導體的電阻可由下式計算:

式中ρ——電阻絲材料的電阻率（Ω.mm2/m）；

l——電阻絲長度（m）；

S——電阻絲截面積（mm2）。

109可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

一、應變的檢測--應變效應對上式兩邊取對數(shù)，有再對等式兩邊微分,得

式中dR/R

——

電阻的相對變化；

dρ/ρ——

電阻率的相對變化；

dl/l

——

金屬絲長度的相對變化；

dS/S

——

截面積的相對變化。110可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

一、應變的檢測--應變效應設電阻絲的半徑為r令為金屬絲的軸向應變，為徑向應變。而材料的軸向應變與徑向應變的關系為

其中μ為金屬材料的泊松比，代入前式，得111可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

一、應變的檢測--應變效應

金屬材料電阻率的相對變化與其體積的相對變化有如下關系式中c為金屬材料的一種常數(shù)。所以有112可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

一、應變的檢測--應變效應【電阻絲靈敏度系數(shù)】單位應變引起的電阻相對變化值。

113可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

二、應變片的結構與材料敏感柵：直徑為0.015～0.05mm的金屬絲電阻為60Ω、120Ω、200Ω、…蓋片和底基：厚度為0.02～0.04mm的紙片或有機聚合物引線：直徑為0.1～0.15mm的鍍錫銅線。114可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

三、主要特性

１、傳感器靈敏度系數(shù)

傳感器靈敏度系數(shù)小于電阻絲靈敏度系數(shù)，原因：膠層的影響，敏感柵半圓弧部分的橫向效應

115可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

三、主要特性

２、橫向效應敏感柵半圓弧部分受橫向應變εy的影響而產生的誤差，考慮該應變后，有116可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

三、主要特性

３、機械滯后

加載和卸載過程中的靈敏度系數(shù)不一致。４、零漂和蠕變零漂——主要由溫度引起；蠕變——不穩(wěn)定，主要是由于膠層間的

“滑動”。117可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

三、主要特性５、應變極限（最大線性范圍）由于粘結劑和基底材料傳遞變形的性能的影響，應變片安裝質量的影響，存在相對誤差，為

其中，εZ為真實應變；εi為指示應變。118可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

三、主要特性最大線性范圍

119可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

三、主要特性６、動態(tài)特性（頻率范圍）頻率測量范圍生要決定于應變波在被測物體中的傳播速度和波長，一般取式中λ——應變波波長；

v——應變波在被測物體中的傳播速度；

f——應變片能測量的最高頻率；

l——應變片柵長。120可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

三、主要特性７、絕緣電阻＞1010Ω121可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

四、溫度誤差及其補償１、應變片的阻值受溫度影響很大原因：⑴、電阻絲本身的溫度系數(shù)αt的影響；⑵、被測物體線膨脹系數(shù)βe與電阻絲的線膨脹系數(shù)βg不同。由溫度變化引起的總電阻的相對變化為122可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

四、溫度誤差及其補償２、溫度補償溫度補償有三種方法⑴、單絲自補償應變片使金屬絲的電阻溫度系數(shù)滿足下列關系

該方法的優(yōu)點是結構簡單,使用方便；缺點是使用面窄。123可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

四、溫度誤差及其補償⑵、雙絲組合式自補償應變片將兩種不同電阻溫度系數(shù)（一正、一負）的材料串聯(lián)組成敏感柵，使124可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

四、溫度誤差及其補償⑶、電路補償法（最常用）電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關系為當R3R4為常數(shù)時，使

R1和R2對輸出電壓的作用方向相反，具體做法是一個作為工作片，一個作為補償片（只受溫度影響）這樣可實現(xiàn)溫補償。125可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

四、溫度誤差及其補償補償片的三種貼法①、貼于專用的補償塊上。126可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

四、溫度誤差及其補償②、分別貼于試件的兩面

上面受拉（壓），下面受壓（拉），應變絕對值相等，符號相反，但溫度引起的變化是相等的（符號相同），二者相減后，溫度引起的變化相抵消，而靈敏度增大一倍。127可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

四、溫度誤差及其補償③、工作片與受力方向一致，溫度補償片與之垂直。128可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路1、典型的測量電路作用：將應變電阻值的變化轉換為電壓或電流的變化。應變傳感器的測量電路主要是： 直流電橋（惠斯登電橋）； 恒流源； 電橋放大器。

129可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路當Rf>>R時，有：其中，<<1，為工作臂Rx的電阻相對變化率。130可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路2、直流電橋的特點及基本類型⑴、結構：直流電橋是由連接成環(huán)形的四個電阻（橋臂電阻）所組成，由一直流電源提供能量，輸出端與放大器相連。131可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路⑵、電橋平衡條件：

此時，測量輸出端的輸出為零。

132可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路⑶、橋路輸出電壓若輸出端放大器的輸入阻抗很高，則可視為輸出端開路，即：RL→∞，此時兩支路中的電流分別為

在R1和R3上的壓降分別為

133可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路則橋路輸出端的電壓為134可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路⑷、電橋的電壓靈敏度若R1為電阻式傳感器，R2、R3、R4為固定橋臂，R10、R20、R30、R40為平衡時的初始阻值，此時輸出為零，當RL→∞，R1變化ΔR時，則輸出為135可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路令，根據(jù)平衡條件：(橋臂比），則

如果δR<<1，略去分母中的δR，則有

則電壓靈敏度為：

136可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路提高KU的途徑：提高電源電壓 （受電源耗散功的限制）；選擇合適的橋臂比n （n=1時最大：）。137可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路3、電橋的結構形式（1）串聯(lián)對稱式：相等兩橋臂同在一個支路中形成串聯(lián)形式。即

138可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路在單臂工作時，R1=R10+ΔR，取RL=∞，此時有

令，根據(jù)平衡條件：，則

略去分母中的δR，近似有：

139可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路從上式中可看出：輸出電壓的大小只與δR有關，且成正比；必須有高穩(wěn)定性電源，以維持UE不變，否則會影響輸出；只有當2δR<<4時，上式才成立。140可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路(２)并聯(lián)對稱式相等兩橋臂分別接入不同支路的對稱位置。

即

141可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路在單臂工作時，R1=R10+ΔR，取RL=∞，此時有令，則有

142可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路從上式中可看出:輸出電壓除與δR和UE有關外，還與同一支路中橋臂比m有關，當m=1時，與串聯(lián)對稱式相同。143可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路（3）等臂電橋組成橋路的四個臂，其阻值均相等。即

平衡條件：，假設RL=∞，根據(jù)應變片的工作情況，分三種情況加以分析

144可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路①單臂工作：電橋工作臂R1為電阻傳感元件。輸出電壓145可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路②半橋線路（雙臂工作）：電橋工作臂R1和R2為電阻傳感元件。輸出電壓

從公式中可以看出UO與δR之間為線性關系；輸出電壓為單臂時的兩倍。146可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路③全橋線路（四臂工作）：電橋的四個工作臂均為電阻傳感元件。輸出電壓:

從公式中可以看出UO與δR之間為線性關系；輸出電壓為單臂時的４倍；輸出電壓UO與電源電壓UE的比值在數(shù)值上等于δR。147可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路４、負載電阻為有限值的情況上述均假定RL=∞，當RL為有限值時，則負載RL上的壓降為式中，RTh為等效內阻上式說明，在考慮負載后，輸出電壓縮小了倍。148可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路５、橋路的電阻平衡在橋路中，實際上很艱使橋臂電阻絕對相同，總會存在差異，因此，必須設計調零電路，以使初始狀態(tài)達到平衡。調零電路一般由兩個電阻（其中一個為可調電阻）組成星形連接電路。

149可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路帶調零電路的電橋。

可調平衡范圍150可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路6、非線性誤差及其補償方法從前述電橋的輸出電壓知：

其中，，說明橋的輸出出電壓與輸入電壓之間為非線性關系，只有在時，略去分母中的，才能滿足線性關系，但測量的應變較大時，這種條件難于滿足，因而會造成較大的誤差，此時需要采取其它的補償方法。

151可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路(1)提高橋臂比n提高橋臂比n可使的影響下降，可適當減少非線性誤差，當n=1時，橋的輸出電壓最大。(2)采用差動電橋采用差動電橋是最佳方案，從前述串聯(lián)對稱式電橋知，當采用半橋差動結構時，其輸出為,為線性關系。若采用全橋差動電路，則輸出為亦為線性關系。152可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路（3）采用恒流源供橋當供橋電源采用恒流源時，電橋輸出為

解得

153可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路則輸出電壓為

對于等臂電橋R1=R2=R3=R4，在單臂工作時，其輸出為

而恒壓供橋時為則輸出電壓為

154可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路7、交流電橋平衡條件電橋的輸出電壓：

155可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路－－交流電橋①單臂交流電橋輸出電壓

②差動交流電橋（半橋線路）輸出電壓

③雙差動交流電橋（全橋線路）輸出電壓

156可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

五、測量電路－－交流電橋應變儀組成方框圖157可編輯課件PPT§2-2金屬電阻應變傳感器六、應變式傳感器的應用

用應變片制成的傳感器應用很廣，如力傳感器、扭矩傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、稱重傳感受器等，量程從幾克到幾百噸。158可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用

（1）柱式傳感器結構：⑴、彈性敏感元件為實心或空心圓柱。⑵、應變片—將敏感元件的應變轉換為電阻。分別在軸向和周向各布置4個應變片。159可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用

在彈性范圍內，應力與應變成正比，則軸向和周向的應變片感受的應變?yōu)?軸向應變：周向應變：其中，S為彈性元件的截面積，F(xiàn)為作用力，E為彈性模量，μ為泊松比。160可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用當采用全橋差動結構時，輸出為與作用力在正比。

161可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用（2）梁式力傳感器（等強度梁或等截面梁）等強度彈性元件是一特殊形式的懸臂梁。

162可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用沿梁的長度方向上的截面抗彎模量W的變化與彎矩M的變化成正比梁各點的應變值為(等強度各點相等)

式中,bx為與x對應的梁寬；

h為梁的厚度；

F被測作用力。163可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用若等臂結構，即:，，電橋輸出為

164可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用應變式加速度傳感器是典型的梁式傳感器，彈性元件為懸臂梁，加速度感受元件為一慣性質量塊m

165可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用測量原理：慣性質量塊在加速度的作用下，產生慣性力F=ma，梁在慣性力的作用下發(fā)生變形，應變片電阻發(fā)生變化，產生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。

166可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用電阻應變式電子稱

--梁式傳感器的另一個典型應用它是在一個S型雙彎曲懸臂梁上貼四片應變片，組成橋路。

雙彎曲梁的應變?yōu)?/p>

式中，b為梁厚167可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用橋路輸出為

168可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用(3)應變式壓力傳感器彈性元件為一薄壁圓板，應變片貼于圓板上。

169可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用當均布壓力作用于薄板時圓板上各點的徑向應力和切向應變分布170可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用

當均布壓力作用于薄板時，圓板上各點的徑向應力和切向應力可用以下兩式表示徑向應力：

切向應力：其中，R和h分別為圓板的半徑和厚度，x為離圓心的徑向距離。171可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用圓板邊緣處（x=R）的應力為徑向應力：

切向應力：

可見，圓板周邊處的徑向應力最大

172可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用圓板內任一點的應變值計算公式為在圓板中心處（x=0）的應變值為

在圓板邊緣處（x=R）的應變值為173可編輯課件PPT金屬電阻應變傳感器

六、應變式傳感器的應用貼片時徑向應變片應避開εr=0處，一般在圓片邊緣處沿徑向貼兩片，在中間沿切向貼兩片。應變片R1、R4和R2、R3接在橋路的相鄰臂內，以提高靈敏度并進行溫度補償。

174可編輯課件PPT第二章電阻式傳感器及檢測電路

§2-1線繞電位器式傳感器§2-2金屬電阻應變傳感器§2-3壓阻式傳感器

175可編輯課件PPT§2-3

壓阻式傳感器一、壓阻式傳感器的結構及工作原理

壓阻式傳感器是在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，直接作為敏感元件而制成的傳感器。優(yōu)點：靈敏度高，橫向效應小，滯后和蠕變小。缺點：溫度穩(wěn)定性差，非線性較大。176可編輯課件PPT§2-3

壓阻式傳感器

一、壓阻式傳感器的結構及原理１、壓阻效應【壓阻效應】沿半導體的某一軸向施加一定的載荷而產生應變時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。半導體材料的應變與電阻的相對變化之間的關系如下

177可編輯課件PPT一、壓阻式傳感器的結構及原理

壓阻效應有：則靈敏度為：

由于K值一般為70～160，而（1+2μ）約為1.6，故可以略去，則:178可編輯課件PPT一、壓阻式傳感器的結構及原理２、擴散硅壓阻器件擴散硅壓阻器件是一個由四個擴散電阻構成的惠斯登電橋。設計要求：⑴、等臂電橋（四個橋臂電阻值相等）；⑵、差動結構（電橋相鄰兩臂的壓阻效應大小相等符號相反）；⑶、四個橋臂的溫度系數(shù)相同。179可編輯課件PPT一、壓阻式傳感器的結構及原理

擴散硅壓阻器件這樣的電橋為理想壓阻電橋，橋臂電阻是應變ε和溫度t的函數(shù):電橋電源既可用恒壓電源也可用恒流電源。用恒壓電源供電時，電橋輸出為:

用恒流電源供電時，電橋輸出為:

其中:，，

αt為電阻溫度系數(shù)，kt為靈敏度溫度系數(shù)。180可編輯課件PPT一、壓阻式傳感器的結構及原理３、壓阻器件的特性⑴、溫度性能溫度系數(shù)較大，當溫度變化時，產生溫漂，且壓阻系數(shù)隨溫度而變化。⑵、線性度在數(shù)百微應變范圍內呈線性。181可編輯課件PPT§2-3

壓阻式傳感器

二、應用壓阻式壓力傳感器（固態(tài)壓力傳感器）其結構與應變式壓力傳感器類似，彈性元件為一塊圓形硅膜片，在膜片上利用集成電路的工藝擴散四個阻值相等的硅電阻。壓阻式加速度傳感器其結構與應變式加速度傳感器類似，彈性元件為一硅制懸臂梁，在梁的根部利用集成電路的工藝擴散四個阻值相等的硅電阻，梁的自由端裝有一慣性質量塊用來感受加速度。182可編輯課件PPT§2-3

壓阻式傳感器三、測量橋路及溫度補償

１、恒流供電電橋為了減少溫度影響，壓阻器件多采用恒流源供電。當采用等臂差動結構時，橋路輸出為

式中，為溫度引起的阻值變化?？梢?，此時橋路輸出與溫度無關。183可編輯課件PPT三、測量橋路及溫度補償２、零點溫度補償用串、并聯(lián)電阻法進行補償。184可編輯課件PPT三、測量橋路及溫度補償

零點溫度補償串聯(lián)電阻RS用于調零；并聯(lián)電阻RP用于補償；其值通過計算求得。在電源回路中串聯(lián)一定數(shù)量的二極管可以對靈敏度溫度補償，因為二極管PN結的溫度特性為負值，溫度升高時，二極管正向壓降減少，橋路輸出電壓增高。

185可編輯課件PPT第三章電容式傳感器

§3-1概述§3-2電容式傳感器的測量電路§3-3電容式傳感器的應用186可編輯課件PPT第三章電容式傳感器【能量變換】屬能量控制型傳感器

187可編輯課件PPT第三章電容式傳感器【原理】由一個恒定的激勵源在兩金屬導體之間建立一電場，被測對象通過某種方式改變或調制電場的某一參數(shù)，使電場能量發(fā)生變化，測出能量的變化就可獲得所需的信號?！居猛尽繖z測位移、液位、濕度、含水量【類型】變面積（A）型，變介質介電常數(shù)(ε)，變極板間距（d）型?！咎攸c】測量范圍大、靈敏度高、動態(tài)響應時間短、機械損失小、結構簡單；寄生電容影響較大、線性度較差、受大氣溫度和濕度影響188可編輯課件PPT第三章電容式傳感器

§3-1概述

§3-2電容式傳感器的測量電路§3-3電容式傳感器的應用189可編輯課件PPT§3-1概述

一、電容傳感器的工作原理

平板電容器的電容量，在忽略邊緣效應時，有:式中:

A為兩極板間的有效覆蓋面積；d

為兩極板間的距離；ε為兩極板間介質的介電常數(shù)；

190可編輯課件PPT概述

一、電容傳感器的工作原理

εr為介質的相對介電常數(shù)；ε0為真空的介電常數(shù)從電容量表達式可看出：電容量與覆蓋面積成正比，與相對介電常數(shù)成正比，與兩極板間距成反比。因此，通過改變復蓋面積或相對介電常數(shù)或極板間距，都可以引起電容量的相對變化，這是電容傳感器的基本工作原理。

191可編輯課件PPT概述

二、典型的電容傳感器

１、變面積（A）型改變兩極板間的有效覆蓋面積來獲得電容量的變化。

192可編輯課件PPT二、典型的電容傳感器

1、變面積（A）型⑴、角位移式

電容量與角位移成線性關系。靈敏度，增大初始電容C0可以提高靈敏度K。193可編輯課件PPT二、典型的電容傳感器

1、變面積（A）型⑵、直線位移式靈敏度，

增大初始電容C0可以提高靈敏度K。194可編輯課件PPT二、典型的電容傳感器

1、變面積（A）型（3）圓柱直線位移式靈敏度，增大初始電容C0可以提高靈敏度K。

195可編輯課件PPT概述

二、典型的電容傳感器２、變介質介電常數(shù)(ε)⑴平板式電容量為兩個電容C0和C1的串聯(lián)，其值為:196可編輯課件PPT二、典型的電容傳感器

2、變介質介電常數(shù)（ε）

⑵、圓筒式兩個電容C0和C1并聯(lián)，其值為

197可編輯課件PPT二、典型的電容傳感器

2、變介質介電常數(shù)（ε）可見，傳感器電容量與液位高度h1成線性關系。物質名稱相對介電常數(shù)εr物質名稱相對介電常數(shù)εr

水80玻璃3.7甲醇37瀝青2.7乙醇20～25砂3～5鹽6空氣及其它氣體1～1.2紙2198可編輯課件PPT二、典型的電容傳感器３、變極板間距（d）型

199可編輯課件PPT二、典型的電容傳感器

３、變極板間距（d）型

當間距d0減少Δd時，電容量為其中，得相對變化值為200可編輯課件PPT二、典型的電容傳感器

３、變極板間距（d）型當Δd<<d0

時，將上式展開為級數(shù)，并略去二階以上的高階項后，得即

近似為線性關系。為了得到較好的線性關系，一般取Δd/d0＝0.02～0.1。

靈敏度201可編輯課件PPT§3-1概述三、激勵源性質與傳感器特性之間的關系由前所述，電容傳感器的工作原理是通過改變電容的幾何參數(shù)或介質參數(shù)來實現(xiàn)的，而電容與電流、電壓間有如下關系電流電壓

式中，UC為極板上的電壓；IC

為通過電容中的電流；f

為激勵源頻率。202可編輯課件PPT概述

三、激勵源性質與傳感器特性之間的關系

從以上諸式可看出，電容傳感器的變換函數(shù)可以是Cx

形式，也可以是1/Cx形式，取決于激勵源變量的選取。

1、恒電流激勵2、恒電壓激勵203可編輯課件PPT三、激勵源性質與傳感器特性之間的關系

1、恒電流激勵保持交流激勵源的電流恒定，即電流與電容變化Cx無關204可編輯課件PPT三、激勵源性質與傳感器特性之間的關系

1、恒電流激勵恒電流激勵時的輸出電壓為

在恒電流激勵時，要求負載不消耗電流，這就需要負荷阻抗為無窮大，所以恒電流激勵時要求檢測線路為高阻抗輸入。205可編輯課件PPT三、激勵源性質與傳感器特性之間的關系

2、恒電壓激勵

激勵源保持電容器上的交流電壓有效值恒定，輸出變量為電流，此時電流的大小隨電容的變化而變化。206可編輯課件PPT三、激勵源性質與傳感器特性之間的關系

2、恒電壓激勵IC與ε或與A則為單值線性關系，因此恒電壓激勵適于變面積和變ε型電容傳感器。

在實際中恒電壓激勵較為常用。207可編輯課件PPT§3-1概述四、電容傳感器的差動式結構

由于差動式結構具有較強的抗干擾能力，誤差小，靈敏度高等特點，所以電容式傳感器常常采用差動式結構。208可編輯課件PPT概述

四、電容傳感器的差動式結構

恒壓激勵差動電容傳感器變間距型，其電容量分別為209可編輯課件PPT概述

四、電容傳感器的差動式結構按級數(shù)展開當采用恒壓激勵差動輸出時，有

210可編輯課件PPT概述

四、電容傳感器的差動式結構忽略高階項后，得

即電容量的相對變化與間距的相對變化近似為線性關系。非線性誤差：可見，采用差動結構時，靈敏度提高倍，誤差小一個數(shù)量級。211可編輯課件PPT第三章電容式傳感器

§3-1概述§3-2電容式傳感器的測量電路

§3-3電容式傳感器的應用212可編輯課件PPT第三章電容式傳感器

§3-2電容式傳感器的測量電路一、等效電路電容傳感器主要由極板、引線和負載等組成，其測量電路可以用RLC電路來等效。

213可編輯課件PPT§3-2電容式傳感器的測量電路

一、等效電路圖中：C為傳感器電容；RP

為等效并聯(lián)電阻（包括極板間的直流電阻、氣隙中的介質損耗）；RS為等效串聯(lián)電阻（包括引線電阻、極板電阻等）；L等效串聯(lián)電感（各連線的電感）；214可編輯課件PPT§3-2電容式傳感器的測量電路

一、等效電路等效阻抗：等效電容：式中，f0為電路諧振頻率（截止頻率）；

ω激勵電源的圓頻率。215可編輯課件PPT§3-2電容式傳感器的測量電路

一、等效電路

在測量中電容的實際相對變化量為

由于，，所以實際相對靈敏度比理論值小，上式表明：電容傳感器的標定和測量必須在同樣的條件下進行，以保證ω和L

不變。216可編輯課件PPT§3-2電容式傳感器的測量電路二、測量電路電容傳感器的電容量一般都很小，只有幾PF到幾十PF，必須借助測量電路提供能量，并轉換為電壓、電流或頻率后才能有信號輸出，所以電容傳感器屬能量控制型傳感器。其測量電路主要由兩部分組成：（1）將電容量的變化轉換為電壓、電流或頻率信號，一般多采用差動變壓器電橋來實現(xiàn)這一轉換，其它形式也較多。（2）對交流電橋的輸出信號進行放大，相敏檢波和低通濾波，獲得相應的直流輸出。217可編輯課件PPT電容式傳感器的測量電路

二、測量電路１、差動變壓器電橋（交流不平衡電橋）是電容傳感器最基本、最常用的測量電路。218可編輯課件PPT電容式傳感器的測量電路

二、測量電路--差動變壓器電橋等效電路:橋的初始平衡條件:219可編輯課件PPT電容式傳感器的測量電路

二、測量電路--差動變壓器電橋⑴、橋的輸出電壓設傳感器的阻抗變化為ΔZ，則橋的輸出電壓為將橋的平衡條件代入，并消去整理得

220可編輯課件PPT電容式傳感器的測量電路

二、測量電路--差動變壓器電橋令，為傳感器阻抗相對變化值，，稱為橋臂比,，稱為橋臂系數(shù)。則輸出電壓表達式可簡化為

221可編輯課件PPT電容式傳感器的測量電路

二、測量電路--差動變壓器電橋

其中，βk

稱為電壓靈敏度系數(shù)。橋臂系數(shù)

K是一復數(shù)，其模和相角分別為

其中，φ1

和φ2分別為兩橋臂的幅角。222可編輯課件PPT電容式傳感器的測量電路

二、測量電路--差動變壓器電橋常用的結構有兩種：（1）取，輸出為：；（2）取，輸出為：，若采用差動結構，則。上述各種電橋的輸出電壓是在輸出端開路的情況下得到的（即負載阻抗為無窮