工程测试6-模拟量传感器总结

1、西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 QQQQ：467033116 Tel467033116 Tel：1337908685113379086851 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.1 传感器概述传感器概述 传感器 信号调理信号调理 及处理及处理 微处理器A D 被测信号被测信号 整形整形放大放大滤波滤波 传感器系统 传感器是传感器系统的一个组成部分，是被测信传感器是传感器系统的一个组成部分，是被测信 号输入的第一个关口号输入的第一个关口 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6 6 模拟量传感器模拟量传感器 伺服驱动与电气控制伺服驱动与电气控制 西安工业大学机电学院西安工

2、业大学机电学院 本章学习要求：本章学习要求： 了解传感器的分类了解传感器的分类 掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理 了解传感器测量电路了解传感器测量电路 工程测试技术基础工程测试技术基础 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.1 传感器概述传感器概述 传感器由传感器由敏感元件敏感元件与与转换元件转换元件组成。组成。 敏感元件能直接感受（响应）被测量的部分；敏感元件能直接感受（响应）被测量的部分； 转换元件传感器中能将敏感元件感受的被测量转换元件传感器中能将敏感元件感受的被测量 转换成能传输或测量的电信号的部分。转换成能传输或测量的电信号的部分。 传感器的构成：传感器的构成：

3、V 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.1 传感器概述传感器概述 按按输出形式输出形式分模拟量传感器分模拟量传感器 数字量传感器数字量传感器 按按工作原理工作原理分电阻式传感器分电阻式传感器 电容式传感器电容式传感器 电感式传感器电感式传感器 压电式传感器压电式传感器 1.3 1.3 传感器的分类传感器的分类 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.2 电阻式传感器电阻式传感器 2 2 电阻式传感器电阻式传感器 1) 1) 变阻器式传感器（电位器式传感器）变阻器式传感器（电位器式传感器） 灵敏度： l x k dx dR S UoUo UyUy R1R1R4R4 R3R3 R2

4、R2 4 4 3 3 2 2 1 1 2 21 21 0 R R R R R R R R RR RR UU y 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.2 电阻式传感器电阻式传感器 优点：优点： 结构简单，价格低廉，且性能稳定；结构简单，价格低廉，且性能稳定； 受环境温度影响小；受环境温度影响小； 输出信号大，一般不需放大输出信号大，一般不需放大 缺点缺点: 电刷与线圈式电阻膜之间摩擦，需较大的输入能量；电刷与线圈式电阻膜之间摩擦，需较大的输入能量； 磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性 分辨力较低分辨力较低 动态响应较差，适合于测量变化较缓慢

5、的量动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量 应用：应用：主要用来测量位移、压力、加速度等主要用来测量位移、压力、加速度等 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.2 电阻式传感器电阻式传感器 2) 2) 变阻应变式传感器变阻应变式传感器基于金属导体的基于金属导体的应变效应应变效应 金属电阻应变片金属电阻应变片 s R dR )21 ( sE d R dR 灵敏系数灵敏系数S： 半导体应变片半导体应变片 V E R1 R2 R4 R3 基本测量电路基本测量电路 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.2 电阻式传感器电阻式传感器 工作方式单臂双臂全桥 应变片所在桥臂R1R1,R2R1

6、,R2,R3,R4 输出电压Uo R1或R1,R3产生R, R2或R2,R4产生-R )( 4 4321 S U U i o S Ui 4 S Ui 2 SUi )( 4 4321 R R R R R R R RU U i o 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.2 6.2 电阻式传感器电阻式传感器 桥路温度补偿桥路温度补偿 利用电桥相邻的相等两臂同时产生大小相等、利用电桥相邻的相等两臂同时产生大小相等、 符号相同的电阻增量（加减特性），从而不会破坏符号相同的电阻增量（加减特性），从而不会破坏 电桥平衡的特性来达到补偿。电桥平衡的特性来达到补偿。 a b c d I 1 I 2 Ui

7、 Uo R R1 1R R R R4 4R R R R3 3R R R R2 2R R 全桥补偿法全桥补偿法 a b c d R R1 1R R R3 R4 Ui Uo R R2 2R R 半桥补偿法半桥补偿法 R1-工作片 R2-温度补偿 R1、 R2 -工作片 R3 、R4 -温度补偿 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.3 6.3 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器电感式传感器自感型自感型 可变磁阻型可变磁阻型 涡流式涡流式 互感型互感型 3 3 电感式传感器电感式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.3 6.3 电感式传感器电感式传感器 3.1 3.1 可

8、变磁阻式可变磁阻式 reluctance variation sensors 2 2 SW L 1.1.原理原理: :电磁感应电磁感应 变气隙式变气隙式 变截面式变截面式 差动螺线管式差动螺线管式 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 l 变气隙式电感传感器用于变气隙式电感传感器用于小位移小位移比较精确；比较精确； 一般一般/ / = 0.1-0.2= 0.1-0.2（0.0011 mm ）； l 为减小非线性误差，提高灵敏度，实际测量中多采为减小非线性误差，提高灵敏度，实际测量中多采 用用差动工作差动工作方式。方式。 6.3.1 6.3.1 可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器 00 L L

9、 变气隙式变气隙式 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 差动式原理差动式原理 差动变隙式由两个差动变隙式由两个 相同的线圈和磁路相同的线圈和磁路 组成。当被测量通组成。当被测量通 过导杆使衔铁上下过导杆使衔铁上下 位移时，两个回路位移时，两个回路 中磁阻发生中磁阻发生大小相大小相 等等、方向相反方向相反的变的变 化，形成化，形成差动差动形式。形式。 0 2 0 12 2 0 0 2 00 0 2() 1 2 2(1 () WS LLL WS L 6.3.1 6.3.1 可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 测量电路测量电路 电感式传感器的测量电路有电

10、感式传感器的测量电路有交流电桥式交流电桥式、 交流变交流变 压器式压器式以及以及谐振式谐振式等几种形式。等几种形式。 6.3.1 6.3.1 可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路 0001 1 0 222L LU jwLR LjwU Z ZU U ACACAC 等效电路等效电路 如何如何 辨向辨向 101202340 1 0 2000 00 00 , 222 2 ACsAC AC AC ZZjLZZjLZZR URjLUZL UU ZRjLL LLUU 电 桥 输 出 输 出 电 压 为 ： 6.3.1 6.3.1 可

11、变磁阻式传感器可变磁阻式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 机械调零机械调零：铁芯放中间；：铁芯放中间；电气调零电气调零：位移为零，输出电压为零。：位移为零，输出电压为零。 调满调满：向上移动，输出电压调成：向上移动，输出电压调成5v5v； 向下移动，输出电压调成向下移动，输出电压调成5v5v。 D3 R R + _ +L -L E D1 D2 D4 Vo 6.3.1 6.3.1 可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.3 6.3 电感式传感器电感式传感器 1 1、原理、原理: :涡流效应涡流效应 3.2 3.2 涡流式传感器涡流式传感器

12、Eddy current sensors 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 1 1）高频）高频(lMHz(lMHz) )反射式电涡流传感器反射式电涡流传感器 高频反射式涡流传感器多用于位移及与位移相关的厚度、高频反射式涡流传感器多用于位移及与位移相关的厚度、 振动等测量。振动等测量。 6.3.2 6.3.2 涡流式传感器涡流式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 2 2）低频透射式电涡流传感器：音频）低频透射式电涡流传感器：音频(20kHz)(20kHz)激励电流激励电流 低频透射式涡低频透射式涡 流传感器多用流传感器多用 于测定材料厚于测定材料厚 度。度。 6.3.2 6

13、.3.2 涡流式传感器涡流式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 特点特点 1 1）非接触测量；）非接触测量； 2 2）结构简单、频率响应宽，可以从几）结构简单、频率响应宽，可以从几HzHz到几百千到几百千HzHz； 3 3）灵敏度高，抗干扰能力强；）灵敏度高，抗干扰能力强； 4 4）测量线性范围大，）测量线性范围大，300300微米到微米到10001000微米；微米； 5 5）体积小；）体积小； 6.3.2 6.3.2 涡流式传感器涡流式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 测量电路测量电路 L L为电涡流线圈为电涡流线圈 11被测零件被测零件 x 1 1 2 f L

14、C 0 1 2 m uf L C 并联谐振 6.3.2 6.3.2 涡流式传感器涡流式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 测量电路测量电路 调频式调频式 6.3.2 6.3.2 涡流式传感器涡流式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 测量电路测量电路 电桥电桥 Z1Z1、Z2Z2为差动式传为差动式传 感器的两个线圈，感器的两个线圈， 位移位移 线圈阻抗线圈阻抗 输出电压输出电压 0 u i u 1 Z 2 Z 1 C 2 C 1 R 2 R 6.3.2 6.3.2 涡流式传感器涡流式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 应用应用 （1 1）测厚：低频透射式

15、涡流厚度传感器）测厚：低频透射式涡流厚度传感器 高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 6.3.2 6.3.2 涡流式传感器涡流式传感器 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.3 6.3 电感式传感器电感式传感器 6.3.3 6.3.3 差动变压器（互感）式传感器差动变压器（互感）式传感器 current sensors linear variable differential transformers(LVDTs) 1 1、工作原理、工作原理: :互感现象互感现象 11 . 1 1 . LjR U I . 1 12 . IMjE 差动变压器式传感器可差动变压器式传感器可 以

16、直接用于以直接用于位移位移测量测量, , 也可以测量与位移有关也可以测量与位移有关 的任何机械量的任何机械量, , 如振动、如振动、 加速度、应变、比重、加速度、应变、比重、 张力和厚度等。张力和厚度等。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.3 6.3 电感式传感器电感式传感器 理想输出特性理想输出特性 022 0 ab UEE 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.3 6.3 电感式传感器电感式传感器 实际输出特性实际输出特性 原因：原因：次级线圈次级线圈 绕组电气系数绕组电气系数 （M M互感互感 L L电感电感 R R内阻）不同，内阻）不同， 几何尺寸工艺上几何尺寸工艺

17、上 很难保证完全相很难保证完全相 同同 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.3 6.3 电感式传感器电感式传感器 优点：优点： 结构简单，工作可靠；结构简单，工作可靠； 灵敏度高，能分辨灵敏度高，能分辨0.1um的变化；的变化； 线性范围大线性范围大(可扩展到可扩展到100mm)； 稳定性好，使用方便。稳定性好，使用方便。 实际使用频率收传感器机械结构限制。实际使用频率收传感器机械结构限制。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.3 6.3 电感式传感器电感式传感器 (1) (1) 差动整流电路差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，把差动变压器的两个次级输出电

18、压分别整流， 然后将然后将 整流的电压或电流的差值作为输出。整流的电压或电流的差值作为输出。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 (2) (2) 相敏检波电路相敏检波电路 相敏检波的目的相敏检波的目的： （1 1）使输出电压能够反映位移的方向；）使输出电压能够反映位移的方向； （2 2）解决零点残余电压。）解决零点残余电压。 x-x o V x-x o V 6.3.3 6.3.3 电感式传感器互感式电感式传感器互感式 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.3 6.3 电感式传感器电感式传感器 二极管相敏检波电路二极管相敏检波电路 1 e 21 e 22 e 移相器移相器 T 1

19、D 2 D 3 D 4 D 1 C 2 C 1 R 2 R R B C D s e A E F o e 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 作业：作业： 1. 什么叫电感式传感器？电感式传感器有哪些类型？什么叫电感式传感器？电感式传感器有哪些类型？ 2. 变气隙式自感传感器的工作原理。变气隙式自感传感器的工作原理。 3. 相敏整流电桥电路的工作原理。相敏整流电桥电路的工作原理。 4. 涡流式传感器的工作原理。涡流式传感器的工作原理。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 d A d A C r 0 一、原理一、原理: : 极板间距极板间距d；

20、极板相互覆盖面积极板相互覆盖面积S S；介电常数介电常数； 4 电容式传感器电容式传感器 + + + F/m 108.854 -12 0 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 变极距型变极距型 0 0 n CC S dd 00 Cd Cd 线性 差动式变极距型差动式变极距型 0 0 2 d C d C Sn 变面积型变面积型 0 0 A C A C S n 测角位移或较大线位移测角位移或较大线位移 变介质型变介质型 测量纸张、绝缘薄膜等的厚度测量纸张、绝缘薄膜等的厚度 测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度测量粮食、纺织品、木材或煤等非导

21、电固体介质的湿度 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 五、五、 电容传感器等效电路电容传感器等效电路 计算有效电容Ce(为了计算方便，忽略Rs和Rp): LC C C e 2 1 R Rp p并联损耗电阻，并联损耗电阻，R Rs s串联损耗电感，串联损耗电感，L L电容器电感和外部引线电感电容器电感和外部引线电感 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 LC C Ce 2 1 LC CC C C e e 2 1 / 两点注意：两点注意： 1.1.工作频率等于或接近谐振频率时，工作频率等于或接近谐振频率时

22、， 谐振频率破坏了电容的正常作用。谐振频率破坏了电容的正常作用。 因此，工作频率应该先择低于谐振因此，工作频率应该先择低于谐振 频率。频率。 2.2.电容式传感器的有效电容除与位电容式传感器的有效电容除与位 移有关外，还与角频率有关。因此，移有关外，还与角频率有关。因此， 在实际应用时必须与标定的条件在实际应用时必须与标定的条件 （）相同。）相同。 2222 2 2 )1 ()1 (1LC C LC CLC LC C Ce 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 六、六、 电容传感器测量电路电容传感器测量电路 电容传感器的特点：电容量小，变化更小（电

23、容传感器的特点：电容量小，变化更小（PFPF级）。级）。 电桥电路电桥电路 调频电路调频电路 谐振电路谐振电路 运算放大器式电路运算放大器式电路 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路， 但由于电容及变化太小，不易实现。但由于电容及变化太小，不易实现。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 调频电路调频电路 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量调频电容传感器测量电路具有较高

24、的灵敏度，可以测量 高至高至0.01m级位移变化量。级位移变化量。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 谐振电路谐振电路 特点：特点： 电路比较灵敏；工作点不易选好，电路比较灵敏；工作点不易选好， 且变化范围窄；且变化范围窄； 连接电缆连接电缆杂散电容杂散电容对电路的影响对电路的影响 大；大； 为提高测量精度，振荡器的频率为提高测量精度，振荡器的频率 要求具有很高的稳定性要求具有很高的稳定性 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 运算放大器式电路运算放大器式电路 特点：能将变间隙电容式传感器的特点：能

25、将变间隙电容式传感器的非线性特性非线性特性转换为转换为线性关系线性关系 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 6.4 6.4 电容式传感器电容式传感器 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 常用于差动式电容传感器常用于差动式电容传感器 1 0 U d d U o 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 电容传感器测量电路总结电容传感器测量电路总结 电桥电路：电桥电路：很少使用很少使用 调频电路调频电路：传感器测量电路具有较高的灵敏度传感器测量电路具有较高的灵敏度 谐振电路谐振电路：测量电路虽灵敏度，但抗干扰差测量电路虽灵敏度，但抗干扰差 运算放大电路：运算放大电路：能将变间隙电容式传感器的能

26、将变间隙电容式传感器的非线性特非线性特 性性转换为转换为线性关系线性关系 脉宽调制电路：脉宽调制电路： 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 作业作业 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 作业作业4 4 应变片作业应变片作业 1 1、下图悬臂梁贴有两应变片和下图悬臂梁贴有两应变片和R1 ，R2，且，且R1=R2=120 ，梁梁 受力的变化规律为受力的变化规律为 ，R1和和R2的灵的灵 敏度为敏度为 ，已知，已知 R= R1= - R2 ，若电桥的激励电压，若电桥的激励电压 为为 ，问：，问： 1）应变片的变化量）应变片的变化量 R=? 2）组成半桥时，若电桥的另外两）组成半桥时，若电桥的另外两 个桥臂电阻个桥臂电阻R3、R4也为也为120 ， 求电桥输出电压