阻抗式结构性传感器1.ppt

第二章 阻抗式结构型传感器,阻抗式结构型传感器： 依靠敏感结构的变形、运动，将被测量转变成测试电路的阻抗； 主要有电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器。,这类传感器除结构相似外，它们的共同特点还有：,1)同时存在两种转换器件， 其一是将被测量转换 成变形、位移、运动等机械量的敏感元件，如： 弹性元件、各种运动机构，敏感元件的形式决定了 传感器的结构； 其二是将机械量转换成电阻、电容、电感等电量的转 换元件，转换元件决定了传感器的测试原理。仅由转 换元件也可以直接构成简单的传感器，但转换元件的 使用范围（被测量类型、量程等）将受到很大限制。 实际上，常常是敏感元件决定了传感器的功能和外貌。 2)这类传感器是无源性器件，必须有外接电源才能有 电信号输出。因此，传感器的精度和灵敏度也与供电 电压有关。,2.1阻抗式结构型传感器的敏感元件,2.1.1弹性敏感元件的主要性能 2.1.2常用弹性元件的结构和性能 2.1.3弹性敏感元件的材料,阻抗式结构型传感器的敏感结构可分为弹性变形和运动机构两类。 弹性变形式敏感结构的原理是：利用被测量伴随的力作用，将被测量转变成弹性体的微量弹性变形，或由被测对象直接牵引引起敏感元件的变形或位移。 运动机构主要作用是运动变换或放大，如将直线运动变换成旋转运动，常用的机构主要是齿轮机构、杠杆和连杆机构，可参考机械设计的有关书籍。 本章主要介绍弹性敏感元件。,2.1.1弹性敏感元件的主要性能,弹性敏感元件的主要性能有： 弹性特性、灵敏度，刚度、谐振频率、 品质因数、安全系数等。,1、弹性特性： 指元件的输入输出特性，一般指力变形 位移（挠度）特性。可用下式表示：,或,(2-1)式中：F表示施加于敏感元件的力或力矩，为变形量或位移,2、灵敏度与刚度 ：灵敏度S由下式表示：,敏感元件的刚度是灵敏度的倒数。理想传感器要求有较高的灵敏度，同时传感器的位移与被 测量对象的运动误差无关，即有足够的刚性。但是，很多情形下，传感器的位移也是被测对象的运动误差。因此，设计传感器时应当综合考虑。,(2-2),3、谐振频率： 弹性敏感元件的固有频率决定其动态特性，一般来说，固有频率越高，动态特性越好。弹性元件是一个质量连续分布的系统，可以有无穷多个谐振点，一般最关心谐振频率的最低一个，称为基频。敏感元件的谐振频率可由计算获得，但必须由实验校正。可用下式估计：,或,me元件的等效振动质量，k元件的弹簧常数。,(2-3),4、弹性滞后和后效 弹性滞后： 是指弹性敏感元件在弹性变形范围内，加、卸载的正反行程变形 不重合的现象，一般用最大变形滞后与最大变形的百分比表示。 加在弹性敏感元件上的载荷发生变化后，其变形并不能立即随载 荷变化，加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加（或减小） 到一定数值的现象称为弹性后效，在动态测试时，易造成测试 误差。,5、安全系数： 安全系数反映敏感元件的承载能力， 用下式表示：,或：,表示材料单位面积的受力，即应力 ，单位为Pa。F为受力或载荷， A为承载面积, 表示材料的许用应力。安全系数越大，敏感元件的过 载能力越强，但可能体积越大，越笨重。一般以1.55为宜。,除上述特性外，还有材料的蠕变、温度特性等。,2.1.2 常用弹性元件的结构和性能,常用弹性元件主要有： 环形结构、梁、膜片式结构、波纹管和 波登管、谐振结构，它们的性能取决于 元件的结构和材料的力学特性。,1、基本拉压 ：材料受力变形的最基本形式是拉压变形， 由下式计算：,式中：为应变，即单位长度的变形， 因此它是一个无量纲，习惯上将10-6称为一个微应变；l 是受力后发生的变形，l为受载变形长度；E为材料的弹性模量，单位Pa，它是一个仅与材料有关的参数。一般材料受力方向称为纵向，受力发生纵向变形的同时，横向也会发生变形，用x或y表示，则有下述关系： y, 称为泊松比，泊松比是材料的基本力学参数，一般钢材可取0.25，其它材料可从有关手册查得。 等截面杆件、等壁厚圆筒可视为基本拉伸结构。设计时应满足： 。,2、弹性梁: 变形以弯曲为主的结构称为弹性梁。按支承形式可分有悬臂梁、简支梁等；按承载特性可分有等截面梁、等强度梁等。只有一端支承的梁称为悬臂梁结构，如图2.1所示。 图2.1等截面梁 图中，b为悬臂梁截面宽度，l为力的作用点距固定端的长度，h为梁的厚度，x为测试点的位置。,图2.1等截面梁,图2.5 扁环形结构,3、环形结构 称重式传感器中常用到如图2.4所示的圆环形结构。 图2.5所示的扁环形结构也常用于测量力传感器;,图2.4 环形结构,4、膜片式结构 膜片式结构可用于测量与微小位移有关的量。虽然膜片的结构非常简单，但应力分布却比较复杂，按膜的形状可分为平膜片、带硬中心的膜片和波纹膜等，按受力方式可分为集中力载荷和均布力载荷，按应力的性质可分为厚膜和薄膜。膜受载后变形，中心的挠度0最大。设膜厚为h，如果0/h1/3，则可按厚膜计算，厚膜的变形以弯曲为主，膜的拉压处于次要地位；如果0/h5，则按薄膜计算，认为薄膜是柔软的，无弯曲刚度和弯曲应力，膜的变形以拉压为主。,图2.6 平薄膜受均布载荷,1)平膜 平膜适合与测量受均布载荷的情形， 圆形平膜的结构如图所示，,2)带有硬中心的膜片 在传感器中，带有硬中心的膜片也有广泛的应用，其特征是膜的中心很厚，可以认为是刚体。常利用硬中心将均布压力转换为集中力，在小位移下有较高的应力，因而有更高的灵敏度。,图2.7 硬中心的薄膜受均布载荷,5、弹性谐振元件 : 弹性谐振元件能将被测量转变成频率信 号，常用的谐振元件有振动弦、振动梁、振动膜和振动筒。,6、其它结构 传感器器还常采用波纹管和波登管作敏感元件。波纹管是 具有规则形状的圆形薄壳，在轴向力、径向力或扭矩的作 用下能产生相应的位移，按波纹成型方法可分为无缝波纹管 和有缝波纹管。无缝波纹管采用液压成型，已经有完整的规 格系列；有缝波纹管采用膜片冲压成型，再沿周边焊接的工 艺制造，其性能优越，在精密仪器中应用广泛。,(a)圆形截面 (b)蝶形截面 图2.8 波纹管,2.1.3 弹性敏感元件的材料,对弹性元件材料的性能有以下要求：强度高，弹性极限高；有较高的冲击韧性和疲劳极限；弹性模量的温度系数小而稳定热处理后有均匀稳定的组织，且各向同性；热膨胀系数小；具有良好的工艺性，如机械加工性能和热处理性能；较好的耐腐蚀性能弹性滞后小。一种材料很难满足上述所有的条件，选用时要根据传感器的工作和使用条件综合考虑。 常用的弹性合金可分为两大类：高弹性合金和恒弹性合金。,2.2电阻应变式传感器,电阻应变式传感器的工作原理基于四个基本的转换环节： 力(F) 应变() 电阻变化(R) 电压输出(V)。 其中，力 应变由敏感元件完成，这一转换依赖于传感器的结构； 应变电阻变化由电阻应变式转换元件完成，即金属应变效应； 电阻变化电压输出则由测试电路完成，三个转换过程构成一个完整的电阻应变式传感器。,2.2.1 应变效应,导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。,2.2.2 电阻应变片的结构和工作原理,基本结构:,引线-连接测量导线之用,盖层,基底与面胶中间介质和绝缘作用,电阻丝(敏感栅)转换元件,电阻应变片式传感器是目前用 于测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数最广泛的传感器之一。 其基本结构与组成如左图示意。,工作原理,对于一长为L、横截面积为A、电阻率为的金属丝，其电阻值R为：,如果对电阻丝长度作用均匀应力，则、L、A的变化(d、dL、dA)将引起电阻R变化dR ，dR可通过对上式的全微分求得：,电阻相对变化量为：,若电阻丝是圆形的， 则A=r ,对r 微分 得dA=2r dr，则：,由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为： y=-x （2-5） 为金属材料的泊松系数。,将（2-4）式、（2-5）代入（2-3）式得：,KS称为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化。,对于确定的材料，(1+2)项是常数，其数值约在12之间，实验证明d/x 也是一个常数。,上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。,根据应力和应变的关系: 应力 =E，即 ， 而 dR，所以 dR,2.2.3 电阻应变片的分类,金属电阻应变片,半导体电阻应变片,1金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式。 (1)金属丝式应变片： 将金属电阻丝 （一般是合金， 电阻率较高，直径 约0.02mm）粘贴在 绝缘基片上，上面 覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。,（2）金属箔式应变片 利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.0030.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。,（3）金属薄膜应变片,金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。 这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。,常用应变片的形式,金属应变计:,2半导体应变片,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件 。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。,当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为 :,式中 为半导体应变片的电阻率的相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常数。即,代入（2-10）式，得：,上式中1+2项随几何形状而变化，LE项为压阻效应，随电阻率而变化。,实验证明LE比1+2大近百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：,半导体应变片的突出优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。但其温度系数大，应变时非线性较严重。,2.2.4 电阻应变片的重要特性,灵敏度系数. 物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化 横向效应. 机械滞后. 零点漂移和蠕变. 应变极限. 动态响应特性.,2.2.4.1 灵敏度系数 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。,即:,K为金属应变片的灵敏系数。 测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。,2.2.4.2 横向效应 金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变r也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。,2.2.4.3 机械滞后、零漂及蠕变,应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。,2.2.4.4 应变极限,在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误 差不超过规定范围 （一般为10%）时的 最大真实应变值。 真实应变是由于工 作温度变化或承受 机械载荷，在被测 试件内产生应力时 所引起的表面应变。,2.2.4.5 动态特性,应变波的波长为 ； 应变片的基长为 ； 推导应变片在其基长内测得的平均应变最大值 ：,2.2.5 温度补偿,1. 单丝自补偿应变片,由(2-21)式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使,即：,单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,2. 双丝组合式自补偿应变片,由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿,这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即：,(Ra) t= (Rb) t,3. 电路补偿法,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面,称为工作应变片R1 。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片R2。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。,4.热敏电阻补偿法,热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应 变片的灵敏度随温度升 高而下降时，热敏电阻 Rt的阻值下降，使电桥 的输入电压增加，从而 提高了电桥的输出电压。 选择分流电阻R的值， 可以使应变片灵敏度下 降对电桥输出的影响得到很好的补偿。,2.3 电容式传感器,各种电容式传感器:,以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。,电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。 结构简单、分辨力高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。 随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。,2.3.1 电容式传感器的原理与结构,2.3.1.1 基本工作原理,平行极板电容器的电容量为：,S 极板的遮盖面积，单位为m2； 极板间介质的介电系数； 两平行极板间的距离，单位为m； 0 真空的介电常数，0 =8.85410-12 F/m； r 极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，r 1。,一、变面积式,变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。变面积式电容传感器还可以做成其他形式。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量,角位移变面积型:,板状线位移变面积型,二、变极距式,近年来，随着计算机技术的发展，电容传感器大多都配置了单片机，所以其非线性误差可用微机来计算修正。 为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式。,三、变介电常数式,图2.24 变介质型电容传感器 (a)电介质插入式 (b)非导电流散材料物位的电容测量,下表列出了几种常用气体、液体、固体介质的相对介电常数。,2.3.2应用中存在的问题及其改进措施,1 变极距型平板电容传感器的非线性问题,变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。,一 存在的问题,2 边缘效应,当极板厚度h与极距之比相对较大时，电容器极板的边缘处将不再是均匀电场，边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，还产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构，如图2.30所示。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而是在石英或陶瓷等非金属材料表面上蒸涂一薄层金属作为极板。,图2.30带有保护环的电容传感器的原理结构,图2.31带保护环的电容传感器,图2.31所示为一带保护环的微位移电容传感器，可用来测量偏心、不平行度、振动振幅等。只要被测对象在所用频率下是导电的，气隙中介质的介电常数不随时间、温度和机械应力而变化，均可获得较高的测量精度。设计上如作些改变，还能作介电材料的测厚传感器。,3 温度影响,环境温度的变化可能改变传感器的结构参数或介质的介电常数，从而改变电容传感器的输出相对于被测输入量的单值函数关系，产生温度温度干扰误差.,图2.32电容式传感器的温度误差,(1)温度对结构尺寸的影响,电容传感器由于极板间隙很，灵敏度很高，因而对结构尺寸的变化特别敏感。当传感器各零件材料线胀系数不匹配时，温度变化将导致极间间隙较大的相对变化，产生很大的温度误差。,现以图2-32所示变极距型为例，设定极板厚度为g0，绝缘件厚度b0，动极板至绝缘底部的壳体长为a0，各零件材料的线胀系数分别为a、b、g。当温度由t0变化t后，极板间隙将由0a0b0g0变成t；由此引起的温度误差,由此可见，消除温度误差的条件为：,在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关结构参数，可以满足温度误差补偿要求。,或,（2）温度对介质的影响,温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云 母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质， 如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数 较大。例如煤油的介电常数的温度系数可达 0.07； 若环境温度变化50，则将带来 7的温度误差， 故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。,4 寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容(l2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。,“寄生电容” 降低了传感器的灵敏度，且是随机变化的，使传感器的工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求,二 改进措施,1 消除和减小边缘效应,适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。 电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。,可在结构上增设等位环来消除边缘效应。,等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等电位，使电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。,电极2,电极1,2 消除和减小寄生电容的影响,寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。,（1）增加传感器原始电容值 （2）注意传感器的接地和屏蔽； （3）集成化 （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 （5）采用运算放大器法； （6）整体屏蔽法,（1）增加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.20.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3103 pF范围内，相对值变化在 10-61范围内。,（2）集成化 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。,（3）“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术,当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。,采用这种技术可使电缆线长达10m之远也不影响仪器的性能。,传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过增益为1的放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。,图3-21 “驱动电缆”技术,由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。,外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。,当电容式传感器的初始电容值很大(几百F)时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m，仪器仍能正常工作。,内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达1/10000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。,（4）整体屏蔽法,将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。,图3-23 交流电桥的整体屏蔽,2.4 电感式传感器,2.4.1 电感器式传感器的原理,电感式传感器种类很多，本章主要介绍基于变磁阻原理的自感式和互感式传感器，电涡流式传感器。,如图2.33所示：定义,为均匀铁芯的闭合磁路中的磁阻。 式中l为磁路长度，为磁路的磁导率，S为铁芯面积，磁通量与线圈参数有如下关系：,W为线圈的匝数，I为线圈的电流强度，WI称为磁通势。对于不均匀磁路，如存在铁芯（固定铁芯）、街铁（活动铁芯）和气隙（或其它介质）的磁路中，总磁阻可分段叠加计算：,由于RM而是与结构有关的参量，改变传感器的结构参数会引起 磁路磁阻的变化，从而引起磁路磁通量的变化。因此，改变磁 路的长度li，通磁面积S均可改变磁阻大小，从而改变磁通量 的大小:,(2-67),2.4.2 自感式传感器的原理与结构,自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，可分为变气隙式、变面积式与螺管式三种；按磁路的结构型式又有型、E型或罐型等等；按组成方式分，有单一式与差动式两种。,图4-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。,（a） 变气隙型,（b） 变面积型,（c） 螺管型,图4-4 差动式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆,1 变气隙型差动式自感传感器,衔铁下移：,上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。,忽略高次项：,提高一倍,差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： 线性好； 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍； 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小； 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。,三种类型比较： 气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。 截面型自感传感器灵敏度较低，截面型的优点是具有较好的线性，因而示但范围可取大些。 螺管型自感传感器的灵敏度比截而型的更低，但示值范围大，线性也较好，得到广泛应用。,2 螺管式自感传感器,特点：测量范围大，数百毫米，灵敏度低，大量程直线位移。,差动螺管式自感传感器,测量范围 1 200mm 线性度 0.1% 1% 分辨率 0.01um,2.4.3 互感式（差动式）传感器的结构与工作原理 分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,(a)、(b) 变隙式差动变压器,(c)、(d) 螺线管式差动变压器,(e)、(f) 变面积式差动变压器,工作原理类似于变压器。主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。,初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，且以差动方式输出，相当于变压器的副边。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称为差动变压器。,2.4.4 自感式和互感式传感器的误差,1输出特性的非线性 变气隙自感式传感器，电其输出与气隙宽度成反比，在原理 就存在非线性误差，即使变面积型电感传感器，也由于气隙边 缘磁场不均匀等原因，实际上也存在非线性误差。此外，测量 电路也往往存在非线性。为了减小非线性，常用的方法是采用 差动结构和限制测量范围。例如变气隙式常取（1/5一1/10）气 隙长度，螺管式取（1/31/10）线圈长度。 对于螺管式自感式传感器，增加线圈的长度有利于扩大线性范 围或提高线性度。在工艺上应注意导磁体和线圈骨架的加工精 度、导磁体材料与线圈绕制的均匀性，对于差动式则应保证其 对称性。 采用差动结构，可以抵消误差的偶次项，十分有利于减小 传感器的非线性误差。,2零位误差,当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。,图2.38 零位误差,图2.39零位误差的波形,产生零位残余误差的原因十分复杂，但从示波器上可看到，零位残余误差含有基波和高次谐波，如图2.39所示。 一般来讲，产生零位残余误差的主要原因有：传感器线圈的电电气参数、结构尺寸不可能完全一致，这是产生基波的主要原因；电感线圈不是理想电感，存在铁损，导致磁化曲线非线性；线圈中还存在寄生电容，在线圈子的外壳、铁心间存在分布电容；这是产生高次谐波的原因。此外，电感式传感器是无源性器件，其输出与电源电压成正比，因此，电源电压中的高次谐波也会叠加到传感器输出中。,3温度误差,图2.40 温度补偿电路,环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂移、灵敏度温 度漂移以及线性度和相位的变化，造成温度误差。环境温度对自 感式传感器的影响主要通过（1）材料的线膨胀系数引起零件尺寸 的变化，（2）材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化， （3）磁性材料磁导纲度系数，绕阻绝缘材料的介质温度系数和 线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。 上述因素对单电感传感器影响较大，特别对小气隙式与螺管式 影响更大，而第（2）项对低频激励的传感器影响较大。,4互感式传感器的温度误差,图2.41 差动变压器零位补偿,为减小温度误差，还可采取稳定激励电流的方法，如图2.40所示。 在初级串入一高阻值降压电阻R，或同时串入热敏电阻RT进行补偿。 适当选择RT，可使温度变化时原边总电阻近似不变，从而使激励电流保 持恒定。零位补偿电路有许多种，最简单的补偿方法是在输出端接一可 调电位器器，如图2.41所示。改变电位器电制的位置，可使两只次级线圈 的输出电压的大小和相位发生改变，从而使零位电压为最小值。这种方法 对零位电压中基波正交分量有显著的补偿效果，但无法补偿谐波分量。如 果在输出端再并联一只电容器C，就可以有效地补偿零位电压的高次谐波分量。,2.4.5 电涡流式传感器,2.4.5.1 工作原理,图4-22 电涡流式传感器原理图 （a） 传感器激励线圈; （b） 被测金属导体,根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。 根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。,式中, r为线圈与被测体的尺寸因子。 测量方法： 如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数， 传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。,Z=F(,r,f,x),传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为,(4-40),2.4.5.2 电涡流传感器测量电路 主要有调频式、 调幅式电路两种。 1. 调频式电路,图4-28 调频式测量电路 (a) 测量电路框图； (b) 振荡电路,传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。 振荡器的频率为,为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。 此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。,2. 调幅式电路 由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图4-29所示。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压,（4-48）,式中, Z为LC回路的阻抗。,图4-29 调幅式测量电路示意图,当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大， 谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、 检波后， 由指示仪表直接显示出x的大小。 除此之外， 交流电桥也是常用的测量电路。,2.4.5.3电涡流式传感器的结构和类型,1反射式 变间隙式是电涡流式传感器中最常用的一种结构型式。它的结构很简单，由一个扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度漆包铜线或银线绕制（高温使用时可采用钦钨合金线），用粘结剂粘在框架端部或绕制在框架槽内，后者如图3.44所示。,图3.44 电涡流传感器的结构 1线圈；2框架；3衬套； 4支座；5电缆；6接头,2透射式 这种类型与前述反射式主要不同在于它采用低频激励，贯穿深度大，适用于测量金属材料的厚度。图2.45为其工作原理示意。,图2.45 透射式涡流传感器工作原理,2.5 调理电路,2.51 电桥式测量电路 直流与交流电桥,1电桥的分类 阻抗式传感器将被测量的变化转换成电阻、电容或电感等电量的变化，但电量变化一般都很微小，不仅难以精确测量，也不便于直接处理。因此，必须采用转换电路，把这些电量的变化转换成电压或电流变化。具有这种转换功能的电路谓之测量电路，通常由应变测量电桥作为前端电路。 典型的电桥如图2-48所示：四个臂Z1、Z2、Z3、Z4按顺钟向为序AC为电源端，BD为输出端。AB、BC、CD及DA都称为电桥的一个臂。当一个臂、二个臂乃至四个臂接入传感器时，就相应谓之单臂工作、双臂工作和全臂工作电桥。 测量电桥按如下方法分类。,图2.48电桥结构,（1）按电源分，有直流电桥和交流电桥。 直流电桥桥臂只能接入电阻性元件（应变计）。它主要用于电桥输出可直接显示（如接磁电式指示器或光线示波器振子）而无需中间放大的场合。如半导体应变计。 交流电桥桥臂可以是R、L、C。主要用于输出需放大的场合，如金属应变计等。 （2）按工作方式分，有平衡桥式电路（零位测量法）和不平衡桥式电路（偏差测量法）。 图2.48电桥结构. 平衡桥式电路带有手调或自调整桥臂平衡的伺服反馈机构。仪表指示测量值时，电桥处于平衡状态。常用于高精度、长时间静态应变测量，如双桥式静态应变仪。 不平衡桥式电路的输出，是与桥臂应变量成一定函数关系的不平衡电量，然后放大、显示。仪表指示测量值时，电桥处于不平衡状态，它响应快，便于处理；常用于动态应变测量。,(3）按桥臂关系分，有：对输出端对称（第一种对称）电桥（Z1=Z2，Z3=Z4）；对电源端对称（第二种对称）电桥（Z1=Z4，Z2=Z3）；半等臂（ZI=Z2，Z3=Z4）和全等臂电桥（Z1Z2Z3Z4）。 （4）接负载输出电压或电流的不同要求：电桥还可分电压输出桥和功率输出桥。,2直流电压电桥的输出 直流电桥只能接入电阻，适用于电阻应变式传感器。因此图2-48中Z=R，当桥路负载电阻RL很大时，Io可以忽略，此时输出的电压灵敏度最高。平衡条件为：,各臂应变计电阻变化分别为R1、R2、R3、R4。输出电压为Uo：,由于在分母中含有电阻变化量，输出电压变化Uo与电阻变化R1、R2、R3、R4为非线性关系，但在小的电阻变化时可近似为线性。如果只有一个桥臂R1为传感器，其它桥臂为平衡固定电阻，且：R1R2R3R4，则上式为：,分母中忽略R，则：,由此引起的相对误差为：,一般金属应变计的K1.84.8，因此 =(0.451.2)。,若采用半导体应变计，设K=120，其他条件同上，则,由此可见： 采用金属应变计，在一般应变范围内，非线性误差 l。故在此允许的非线性范围内，金属应变计电桥的电压输出特性可由式（2-105）表示成线性关系。 采用半导体应变计时，由于非线性误差随K而大增，必须采取补偿措施,3电桥的非线性误差及其补偿 从上述分析可以看出，电桥的输出特性实际上都与应变呈非线性关系。当测量精度要求较高或变传感器的灵敏度较时，这种非线性误差必须适当补偿。,1）恒流源补偿法 应变电桥非线性误差的成因，主要由于应变电阻Ri的变化引起工作臂电流的变化所致。采用恒流源，可望减小非线性误差。如图2.49，恒流源供电，,图2.49恒流源电桥,2）差动电桥补偿法 差动电桥法就是利用上述电桥输出特性中呈现的相对臂与相邻臂之“和”、“差”特征，通过应变计的合理布置与接桥来达到补偿目的的。,图2.50四臂差动电桥,图2.51 双臂差动电桥,四臂差动工作，不仅消除了非线性误差，而且输出为单臂工作是的4倍。此外，差动电桥还能有效地消除或补偿温度引起的误差。,采用双臂差动电桥时，消除了温度的影响和非线性误差，还使电桥的输出提高1倍。,提高灵敏度、降低非线性误差、有效地补偿温度误差是差动技术的特点，在电桥测量中有广泛的应用。,4.信号调理电路 对于桥路电压的放大，一般采用图2.52所示仪表放大器（或称仪器放大器、数据放大器）电路解决。,图2.52 仪表放大器,5交流电桥 1)紧耦合电感电桥（Blumlein电桥） 图2.54所示为用于电容传感器测量的紧耦合电感臂电桥。其结构特点是两个电感桥臂互为紧耦合。,图2.54紧耦合电感臂电桥图,图2.55用紧耦合和不耦合电感做桥臂时的灵敏度,电桥输出电压的一般表达式为：,输出特性曲线如图2.55所示。谐振点在,即,对于小的 值，紧耦合的灵敏度是无耦合的二倍；对于高的 值，无耦合时不存在灵敏度与频率（或电感）变化无关的区域，因而稳定性很差。 紧耦合电感电桥抗干扰性好、稳定性高，目前已广泛用于电容式传感器中，同时它也很适合较高载波频率的电感式和电阻式传感器使用。,2)电容传感器测量电桥 如图2.56所示，C1、C2为传感器的两个差动电容,图2.56变压器电桥,电桥的空载输出电压为,对变极距型电容传感器,可见，对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性,3）电感传感器测量电桥 自感式传感器常用的交流电桥有以下几种,图2.57 输出端对称电桥 （a）一般形式 (b)变压器电桥,源端对称电桥 如图2.58所示,图2.58 电源端对称电桥,4)电容式和电感式传感器的辨向电路 电感式和电容式传感器采用交流电桥作测量电路，电桥输出电压的极性不能反映衔铁或动极板的运动方向，需要专门的差分电路来辨向。,图2.59 相敏检波电路 (a)带相敏检波的交流电桥 (b)实用电路,2.52 阻抗式传感器的差动结构 结构型传感器依靠其灵活的结构可以实现各种样的功能，差动技术由于能实现温度影响补偿、有效地减小非线性误差并提高传感器的灵敏度，因此在结构型传感器中应用较为普遍。,1电阻应变式传感器的差动结构 如图2.60为典型的应变式传感器差动结构。,图2.60 差动式应变梁,2电容式传感器的差动结构 图2.61所示为差动电容式传感器结构。,图2.61变极距型差动式结构,3差动式自感传感器 单一型自感式传感器，由于线圈电流的存在，它们的衔铁受 单向电磁力作用，而且易受电源电压和频率的波动与温度变化 等外界干扰的影响，因此不适合精密测量。在不少场合，它们 的非线性（即使是变面积式传感器，由于磁通的边缘效应，实 际上也存在非线性）限制了使用。因此，绝大多数自感式传感 器都运用差动技术来改善性能。,图2.62 差动自感传感器 （a）气隙式；(b)变截面式； (c)螺管式 1，2线圈；3铁芯或磁性套管；4衔,2.53 电流电压积分差动电路 1积分电路 电容式传感器常用积分电路来测量，图2.65示为由运算放大器构成的简单积分电路。,图2.65 积分运算电路,2双T二极管交流电桥 如图2.64所示：U是高频电源，提供幅值为U的对称方波（正弦波也适用）；D1、D2为特性完全相同的两个二极管，R1R2=R；C1、C2为传感器的两个差动电容。,图2.64双T二极管交流电桥,3脉冲调宽电路 图2.66为一种差动脉冲宽度调制电路。图中C1和C2为传感器的两个差动电容。线路由两个电压比较器IC1和IC2，一个双稳态触发器FF和两个充放电回路R1C1和R2C2（R1R2）所组成；Ur为参考直流电压；双稳态触发器的两输出端电平由两比较器控制。,图2.66差动脉冲调宽电路,2.54 直接放大 1.运算放大器直接放大 图2.68为其电原理图。CX为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高（ ），因此可视作理想运算成大器。,图2.68运算放大器直接放大,2.专用集成电路 图2.69 MS3110电容通用读出集成电路 已有一些专用集成电路可用于电容测量。MS3110便是其中一例，内部原理如图2.69所示。,图2.69 MS3110电容通用读出集成电路,3.频率式测量电路： 阻抗式电路还常采用频率式测量电路。将电容式传感器或电感式传感器接入高频振荡器的LC谐振回路中，当被测量变化使传感器的电容或电感改变时，振荡器的振荡频率 随之改变。测定频率或经鉴频器将频率变化转换成电压幅值的变化，就可测得被测量的变化。一种电路如图2.70所示。,图2.70 调频电路原理图,2.6 微机械传感器,MEMS(Micro - Electro - Mechanical Systems) 通常称为微机电系统技术，其含义是指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、包括接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS 可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务；可以嵌入到大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。 由于微机电系统是在微机械传感器基础之上发展起来的，因此微机械传感器不仅具有微机电系统的典型特征，而且是微机电系统中一个非常有特色的独立分支，也是目前微机电系统中发展最快、已经具有实用价值的研究方向之一。,2.61 微机电系统的分类和特点 微机电系统是指总尺度在毫米级以下的机电系统，表2-2给出了以尺度为标准的分类,表2-2 微机电系统的分类,微机械系统有以下特点：,(1) 微机械中起主导作用的力是表面力。由于体积是长度的三次方，表面积是长度的两次方，因此微机械体积的缩小要快于表面积的缩小。这将使表面力（如摩擦力、静电力）和体积力（如重力）之比相对增大，表面力成为微机械系统统中的主导作用力。随着尺寸的缩小，粘性力、静电力、摩擦力成为影响微机械性能的主要因素。 (2) 材料不同。首先，微机械装置制品的尺寸可能接近甚至小于材料的晶体尺寸，由于尺寸微小，材料的内部缺陷减少，材料的机械性能与常态相比有很大提高，表征材料性能的物理量需要重新定义；其次，微小尺寸下材料会表现出更多的各向异性；再其次，微机械传感器多采用硅作为原材料，也有用石英作为原材料，材料不同将导致系统的性能和工艺与普通机电装置都有很大的区别。,(3)能源供给。对于具有移动和转动功能的微型机械系统, 电缆成为运动的障碍, 所以一般不采用电缆供电。目前微机械一般用静电力供能, 此外常用振动直接激励供能(压电、电磁及形状记忆合金制动)、热力供能等。 （4）由于尺寸微小，微机电传感器的信号十分微弱，相应地外界的干扰信号就显得很大，因此，微机械传感器的信号获取、传输都与传统传感器不同。 （5）制品的性能不同。微机械尺寸小，重量轻，但表面积相对大，导致构件的惯性小，而热传导、动态响应快，迟滞小，重复性好等优点。,（6）微机电系统的设计理论和制造方法与普通传感器不同。由于主要阻力、驱动力的变化,使运动学和动力学方程起主要作用的因素改变。需要新的构造原理和控制方式、新的驱动原理和方法；由于微机械器件结构的微型化, 需要新的制造工艺和装备；另外，由于尺寸细小导致制造工艺的复杂化，使微机械产品的研制成本和风险大大增加，因此，微机械传感的设计方法需要新的理论指导，而仿真设计在微机电系统设计中占有更重要的地位。 （7）微机械传感器的应用领域更为广泛。它不仅能代替传统通传感器，还能应用于传统传感器无法涉及的领域，如人体血管微环境的监测。,2.62微机械传感器的制造技术,微机械传感器有其独特的加工方法，而这些制造工艺能更好地说明微机械传感器的特点。基本工艺有：生长、掺杂、腐蚀、刻蚀、淀积、牺牲层、键合、制膜等。其中光刻、腐蚀、键合、制膜是最基本的方法。,1.光刻（LIGA）技术：光刻的原理是光只对掩膜版上的透明区起作用，掩膜版下面是一层光敏材料层，受光照后可以显影。被光照的区域在显影过程中溶解，原来被掩盖的地方就暴露出来，以便进一步的工艺处理。光刻技术可以刻蚀出深度（或称高度）为数百um，而宽度仅1um的平面三维结构。LIGA的缺点是只有制造出不能自由活动的结构，为此，将光刻技术与牺牲层技术结合，形成一种新的SLIGA技术。,2.键合技术：键合的意思是依靠化学键的静电引力实现两个零件的永久性接合，相当于常规制造中的焊接技术，但其原理不同。,3.腐蚀：腐蚀技术是体成型技术，用以加工各种形状的元件或形状。包含材料去除方法和去除过程控制两方面的含义。腐蚀方法可分为干法刻蚀（惰性气体腐蚀）和湿法腐蚀（化学溶液腐蚀）。其中最重要的是湿法腐蚀。湿法腐蚀又可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀,4.薄膜生成技术：微机械传感器常需要在衬底材料的表面制作有各种各样的膜，如多晶硅膜、二氧化硅膜、合金膜及金刚石膜等。膜可以作为敏感膜，或作为绝缘膜，或起防腐等保护作用。可分为物理淀积法和化学淀积法两种。,5.牺牲层技术：用光刻的方法只能制作平面三维结构，为了获取内部空腔和可活动的三维结构，必须采用牺牲层技术。其方法是将多层膜组合在一起，设法腐蚀掉两层薄膜中下面（或是里面）的一层，在膜与衬底之间或膜与膜之间形成内部的空腔。被腐蚀掉的一层称为牺牲层。牺牲层是一种为制作某种形状而设置的工艺结构，这种技术对创造新的元件、敏感结构有重大的意义。 薄膜生成技术和牺性层技术合称表面成型技术,2.63 微机械传感器的结构和原理 传感器首先是一个能量转换装置，微机械传感器常用的换能机理有压阻效应、压电效应、光学共振和干涉、电容与几何尺寸的关系等；此外，流体传感器常应用热畴的方法。以下以加速度传感器为例介绍的微机械传感器原理,1电容式硅微加速度传感器原理 微硅加速度传感器的工作原理与一般常用的加速度传感器如液浮摆式加速度传感器、石英加速度传感器、金属挠性加速度传感器等的工作原理基本一样，都有一个质量摆敏感加速度， 并转换为电容信号。但硅微电容式加速度传感器多为力平