傳感器原理及應用.ppt

1、教材,傳感器原理及應用 黃賢武 鄭筱霞 編箸 電子科技大學出版社,參考書,傳感器原理、設計與應用（第三版） 劉迎春葉湘濱編箸 國防科技大學出版社 傳感器原理與應用技術(shù) 劉愛華，滿寶元編著 人民郵電出版社,2006年,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,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,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,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(shù)屬現(xiàn)代高新技術(shù)（電五官） 根據(jù)GB7665-87，【

2、傳感器】（TransducerSensor）的定義為： 能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 我國往往把“傳感器”和“敏感元件”等同使用,傳感器的定義2、傳感器的組成,敏感元件（Sensing element） 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(zhuǎn)換元件（Transduction element） 能將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。,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。,傳感器的定義

3、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),傳感器的定義4、傳感器的應用續(xù),（2）用于測控系統(tǒng),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(chǎn)線上設備運行狀態(tài)關系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立24小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。,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,在汽車、機床、電機、發(fā)動機等產(chǎn)品出廠時，必須對其性能質(zhì)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(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。,汽車扭距測量 機床加工精度測量,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(zhuǎn)

4、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301 00種傳感器。,傳感器與家用電器自動電飯鍋、吸塵器、空調(diào)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。,傳感器在機器人上的應用,機械手、機器人中的傳感器： 轉(zhuǎn)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。,密歇根大學的機械手裝配模型,機器人服務員,AGV自動送貨車,香港理工AGV模型,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(nèi)已經(jīng)成功地開 發(fā)出了用于測量近紅外 組織

5、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(zhì)、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,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,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(zhì)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

6、器中大多數(shù)亟待開發(fā)。,煙塵濁度測量,傳感器與遙感技術(shù),紅外接收傳感器,二、傳感器的分類 1、按傳感器輸入量（用途）分類,生產(chǎn)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、。,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。,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(nèi)在特性及效應把被測量直接轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。如：各種壓電晶體傳感器。 （2）結(jié)構(gòu)型傳感器 是以結(jié)構(gòu)（如

7、形狀、尺寸）為基礎，利用某些物理規(guī)律實現(xiàn)把被測量轉(zhuǎn)換為電量。如：氣隙型電感式傳感器。,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(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)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(zhì)選擇性的識別和測定生物化學物質(zhì)的傳感器。近年來發(fā)展很快。,傳感器的分類 3、按信息能量變換方式分類,在傳感器內(nèi)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(zhì)氣敏傳感器等。 （2）能量控制型：傳感器從被測對象中

8、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、。,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(zhì)量、位移、速度、電荷、磁力線、電流、熱流、熵、。,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。,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

9、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。,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。,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(chǎn)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(chǎn)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

10、小，負載對傳感器輸出的影響越小，測量精度就越高。,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。 【模擬變換】輸入為模擬量，輸出為模擬量。 【數(shù)字變換】輸入為模擬量，輸出為數(shù)字量。,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：,被測量與能量變換 5、傳感器的輸入與輸出特性,可知： 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

11、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。 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。 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：,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。總的要求是：希望從被測對象處獲取較小的能量，

12、而輸出大的有用信號。,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(shù) 集成化 智能化 仿生傳感器,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,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。,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。 、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)

13、 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,一、傳感器的靜態(tài)特性、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。,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x時，有： 其中k(x)稱為靈敏度，是傳感器在工作點上的微商（dydx），是靜態(tài)特性的最主要指標。當k(x)為定值時，即y與x成比例，由測量值y便可直接求得x。靈敏度具有可比性。,一、傳感器的靜態(tài)特性 3、精度,傳感器的精度是指測量結(jié)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

14、，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，A為測量范圍內(nèi)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,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。,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

15、量的最低極限量 x，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x在傳感器內(nèi)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x小于這一間隙時，便被傳感器內(nèi)部吸收。,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，x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15，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。,一、傳感器的靜態(tài)特性 6、滯后性,在輸入量增

16、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。,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(chǎn)生滯后性的原因主要是材料的物理性質(zhì)所造成的。,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(nèi)連續(xù)變動多次所得特性曲線的不一致性。,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

17、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，為標準偏差。,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，y0為最大零點偏差（或相應偏差）。,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，max為輸出最大偏差，T為溫度變化范圍。,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。,二

18、、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(zhì)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)。,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

19、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。,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。,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：,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)，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)）,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

20、,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:Rmc，為熱電偶的時間常數(shù)， R 為介質(zhì)與熱電偶之間的熱阻， m 熱電偶質(zhì)量， c 為熱電偶的比熱， mc 為熱電偶的熱容量。,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)）,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）。,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

21、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,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)。,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)（1）、過阻尼系統(tǒng)（1）和臨界阻尼系統(tǒng)（1），一般傳感器為欠阻尼系統(tǒng)，值一般在0.7左右，其響應為 式中 ， ，為有阻尼時的固有頻率。,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(diào)量 衰減度,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

22、性和相頻特性。 式中 A()=|H(j)|, ()=arctgHI()/HR()。,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，,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0傳感器無阻尼固有頻率； d傳感器有阻尼時的固有頻率； 傳感器阻尼比， k1、k2，常數(shù)，由初始條件決定。,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

23、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,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,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,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,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,1-3 傳感器的誤差及信噪比,設S為傳感器的靈敏度，S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

24、， 高階傳感器有三種基本結(jié)構(gòu)形式：直接變換型，差動型和平衡型?，F(xiàn)按這三種形式來討論其誤差。,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,傳感器的誤差及信噪比 一、直接變換型,、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=S10S1，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,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(jié)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)

25、節(jié)靈敏度變化的符號不同而相互補償（即正負相消）。,傳感器的誤差及信噪比 一、直接變換型,、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,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(jié)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。,傳感器的誤差及信噪比 二、差

26、動型,差動型結(jié)構(gòu)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：,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(jié)構(gòu)的靈敏度是單個系統(tǒng)的兩倍，即 差動型結(jié)構(gòu)有很好的補償作用 外噪聲的作用對兩個通道是相同的，有N1N2,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(jīng)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。,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,傳感器的誤差及信噪比 三、平衡

27、型,平衡型結(jié)構(gòu)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(jīng)整理后， 怱略 項， 近似有,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。,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?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

28、,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。,2-1 線繞電位器式傳感器一、線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作原理,是典型的零階傳感器。 結(jié)構(gòu)：由線繞電阻（將電阻絲繞在絕緣的骨架上）和移動電刷組成。,2-1 線繞電位器式傳感器一、線繞電位器結(jié)構(gòu)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。,線繞電位器式傳感器一、線繞電位器結(jié)構(gòu)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； R

29、x電刷所在位置的電阻； RL負載電阻。,線繞電位器式傳感器一、線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作原理,電位器負載特性曲線,線繞電位器式傳感器一、線繞電位器結(jié)構(gòu)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。,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(diào)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(diào)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(chǎn)生一個

30、小的波動，如圖所示。,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：,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。,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,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(zhuǎn)矩、位移、加速度等,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

31、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,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(nèi)產(chǎn)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 應力（單位面上的作用力） 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(zhuǎn)矩。,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: 式中電阻絲材料的電阻率（.mm2/m）； l電阻絲長度（m）； S電阻

32、絲截面積（mm2）。,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； d/ 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。,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 其中為金屬材料的泊松比，代入前式，得,金屬電阻應變傳感器 一、應變的檢測-應變效應,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,金屬電阻應變傳感器 一、應變的檢測-應變效應,【電阻

33、絲靈敏度系數(shù)】 單位應變引起的電阻相對變化值。,金屬電阻應變傳感器 二、應變片的結(jié)構(gòu)與材料,敏感柵：直徑為 0.0150.05 mm 的金屬絲 電阻為 60、120、200、 蓋片和底基：厚度為0.020.04 mm 的紙片或有機聚合物 引線：直徑為0.10.15 mm 的鍍錫銅線。,金屬電阻應變傳感器 三、主要特性,、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,金屬電阻應變傳感器 三、主要特性,、橫向效應 敏感柵半圓弧部分受橫向應變y的影響而產(chǎn)生的誤差，考慮該應變后，有,金屬電阻應變傳感器 三、主要特性,、機械滯后 加載和卸載過程

34、中的靈敏度系數(shù)不一致。 、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”。,金屬電阻應變傳感器 三、主要特性,、應變極限（最大線性范圍） 由于粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能的影響，應變片安裝質(zhì)量的影響，存在相對誤差，為 其中，Z 為真實應變；i 為指示應變。,金屬電阻應變傳感器 三、主要特性,最大線性范圍,金屬電阻應變傳感器 三、主要特性,、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 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。,金屬電阻應變傳感器 三、主要特性,、絕緣

35、電阻1010,金屬電阻應變傳感器四、溫度誤差及其補償,、應變片的阻值受溫度影響很大 原因：、電阻絲本身的溫度系數(shù)t的影響； 、被測物體線膨脹系數(shù)e與電阻絲的線膨脹系數(shù)g不同。 由溫度變化引起的總電阻的相對變化為,金屬電阻應變傳感器四、溫度誤差及其補償,、溫度補償 溫度補償有三種方法 、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(jié)構(gòu)簡單,使用方便；缺點是使用面窄。,金屬電阻應變傳感器四、溫度誤差及其補償,、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,金屬電阻應變傳感器四、溫度誤差及其補償,、電路補償法（最常用） 電橋輸出電壓與橋

36、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。,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 、貼于專用的補償塊上。,金屬電阻應變傳感器四、溫度誤差及其補償,、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。,金屬電阻應變傳感器四、溫度誤差及其補償,、工作片與受力方向一致，溫度補償片與之垂直。,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,1、典型的測量電路

37、作用：將應變電阻值的變化轉(zhuǎn)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。,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,當 RfR 時， 有： 其中， 1， 為工作臂 Rx 的電 阻相對變化率。,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 、結(jié)構(gòu)：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。,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,、電橋平衡條件： 此時，測量輸出端的輸出為零。,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,、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

38、路中的電流分別為 在 R1 和 R3 上的壓降分別為,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,則橋路輸出端的電壓為,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,、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R 時，則輸出為,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R1，略去分母中的R，則有 則電壓靈敏度為：,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： ）。,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,3

39、、電橋的結(jié)構(gòu)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,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,在單臂工作時，R1=R10+R，取RL=，此時有 令 ，根據(jù)平衡條件：，則 略去分母中的R，近似有：,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R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 2R4 時，上式才成立。,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,()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,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,在單臂工作時，R1=R10+R，取 RL=，此時有 令 ，則有,金屬電阻應變傳感器五、

40、測量電路,從上式中可看出: 輸出電壓除與R 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。,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,金屬電阻應變傳感器五、測量電路, 單臂工作：電橋工作臂 R1 為電阻傳感元件。 輸出電壓,金屬電阻應變傳感器五、測量電路, 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R 之間為線性關系； 輸出電壓為單臂時的兩倍。,金屬電阻應變傳感器五、測量電路, 全橋線路（

41、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R 之間為線性關系； 輸出電壓為單臂時的倍； 輸出電壓UO 與電源電壓 UE 的比值在數(shù)值上等于R。,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,、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(nèi)阻 上式說明，在考慮負載后，輸出電壓縮小了 倍。,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,、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(diào)零電路，以使初始狀態(tài)達到平衡。 調(diào)零電路一般由兩個電阻（其中一個為可調(diào)電阻）組成星形連接電路。

42、,金屬電阻應變傳感器五、測量電路,帶調(diào)零電路的電橋。 可調(diào)平衡范圍,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。,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(jié)構(gòu)時，其輸出為 ,為線性關系。 若采用全

43、橋差動電路，則輸出為 亦為線性關系。,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,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,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：,金屬電阻應變傳感器五、測量電路交流電橋, 單臂交流電橋 輸出電壓 差動交流電橋（半橋線路） 輸出電壓 雙差動交流電橋（全橋線路） 輸出電壓,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,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

44、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。,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(jié)構(gòu)：、彈性敏感元件為實心或空心圓柱。 、應變片將敏感元件的應變轉(zhuǎn)換為電阻。分別在軸向和周向各布置4個應變片。,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(nèi)，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，為泊松比。,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(jié)構(gòu)時，輸出為 與作用力在正比。,金屬電阻應變傳感器六、應

45、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。,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。,金屬電阻應變傳感器六、應變式傳感器的應用,若等臂結(jié)構(gòu)， 即: ， ， 電橋輸出為,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(zhì)量塊 m,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(zhì)量塊在加速度的作用下

46、，產(chǎn)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(chǎn)生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。,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)?式中，b為梁厚,金屬電阻應變傳感器六、應變式傳感器的應用,橋路輸出為,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。,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,金屬電阻應變傳感器六、應變式

47、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。,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,金屬電阻應變傳感器六、應變式傳感器的應用,圓板內(nèi)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,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r=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、

48、R4 和 R2、R3 接在橋路的相鄰臂內(nèi)，以提高靈敏度并進行溫度補償。,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,2-3 壓阻式傳感器,一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)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。,2-3 壓阻式傳感器一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理,、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(chǎn)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

49、的相對變化之間的關系如下,一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 壓阻效應,有： 則靈敏度為： 由于 K 值一般為70160，而（1+2）約為 1.6，故可以略去，則:,一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理,、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(gòu)成的惠斯登電橋。 設計要求： 、等臂電橋（四個橋臂電阻值相等）； 、差動結(jié)構(gòu)（電橋相鄰兩臂的壓阻效應 大小相等符號相反）； 、四個橋臂的溫度系數(shù)相同。,這樣的電橋為理想壓阻電橋，橋臂電阻是應變和溫度 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: ， ， t為電阻溫度系數(shù)，kt為

50、靈敏度溫度系數(shù)。,一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 擴散硅壓阻器件,一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理,、壓阻器件的特性 、溫度性能 溫度系數(shù)較大，當溫度變化時，產(chǎn)生溫漂，且壓阻系數(shù)隨溫度而變化。 、線性度 在數(shù)百微應變范圍內(nèi)呈線性。,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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)量塊用來感受加速度。,2-3 壓阻式傳感器,三

51、、測量橋路及溫度補償 、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(jié)構(gòu)時，橋路輸出為 式中， 為溫度引起的阻值變化?？梢姡藭r橋路輸出與溫度無關。,三、測量橋路及溫度補償,、零點溫度補償 用串、并聯(lián)電阻法進行補償。,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(diào)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(jié)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。,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,第

52、三章 電容式傳感器,【能量變換】屬能量控制型傳感器,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(diào)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。 【用途】檢測位移、液位、濕度、含水量 【類型】變面積（A）型，變介質(zhì)介電常數(shù)()，變極板間距（d）型。 【特點】測量范圍大、靈敏度高、動態(tài)響應時間短、機械損失小、結(jié)構(gòu)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,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,3-1 概述一、電容傳感器的工作原理,平板電容器的

53、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； 為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；,概述一、電容傳感器的工作原理,r為介質(zhì)的相對介電常數(shù)； 0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。,概 述二、典型的電容傳感器,、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。,二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型,、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

54、高靈敏度K。,二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型,、直線位移式 靈敏度 ， 增大初始電容C0 可以提高靈敏度K。,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。,概 述二、典型的電容傳感器,、變介質(zhì)介電常數(shù)() 平板式 電容量為兩個電容C0 和C1 的串聯(lián)，其值為:,二、典型的電容傳感器2、變介質(zhì)介電常數(shù)（）,、圓筒式 兩個電容C0和C1并聯(lián)，其值為,二、典型的電容傳感器2、變介質(zhì)介電常數(shù)（）,可見，傳感器電容量與液位高度 h1 成線性關系。 物質(zhì)名稱 相對介電常數(shù)r 物質(zhì)名稱 相對介電常數(shù)r 水 80 玻璃 3.7 甲醇

55、37 瀝青 2.7 乙醇 2025 砂 35 鹽 6 空氣及其它氣體 11.2 紙 2,二、典型的電容傳感器,、變極板間距（d）型,二、典型的電容傳感器、變極板間距（d）型,當間距 d0 減少 d 時，電容量為 其中，得相對變化值為,二、典型的電容傳感器、變極板間距（d）型,當d 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d/d00.020.1。 靈敏度,3-1 概述,三、激勵源性質(zhì)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(zhì)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，

56、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。,概 述三、激勵源性質(zhì)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,三、激勵源性質(zhì)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,三、激勵源性質(zhì)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。,三、激勵源性質(zhì)與傳感器特性之間的關系 2、恒電壓激勵

57、,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。,三、激勵源性質(zhì)與傳感器特性之間的關系 2、恒電壓激勵,IC 與或與 A 則為單值線性關系，因此恒電壓激勵適于變面積和變型電容傳感器。 在實際中恒電壓激勵較為常用。,3-1 概述,四、電容傳感器的差動式結(jié)構(gòu) 由于差動式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。,概 述四、電容傳感器的差動式結(jié)構(gòu),恒壓激勵差動電容傳感器變間距型，其電容量分別為,概 述四、電容傳感器的差動式結(jié)構(gòu),按級數(shù)展開 當采用恒壓激勵差動輸出時，有,概 述四、電容傳感器的差動式結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)時，靈敏度提高倍，誤差小一個數(shù)量級。,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,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。,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(zhì)損耗）； RS