电容、电感及发电型传感器

1、第四章、传感器测量原理第四章、传感器测量原理电阻传感器应用电阻传感器应用井筒直径测量井筒直径测量 八臂井径仪测井筒直径，测臂紧贴井壁，当井壁有变形时，带动测杆2轴向移动，拉杆电位器的测杆1紧紧顶住测杆2的端面，测杆1作同步随动。测杆1的轴向移动就将套管臂井径的大小变化转换成拉杆电位器的电阻变化。 图8-21 8臂井径仪原理图固态压阻式传感器固态压阻式传感器利用单晶硅材料的压阻效应压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，即电阻发生后变化，然后，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式压力传感器优点： 1. 频率响应高，f0可达1.5M； 2.

2、体积小、耗电少； 3. 灵敏度高、精度好，可测量到0.1%的精确度； 4. 无运动部件（敏感元件与转换元件一体）。 压阻式压力传感器缺点： 1. 温度特性差； 2. 工艺复杂。用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。第四章、传感器测量原理第四章、传感器测量原理4.3 4.3 电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AC0+ A 、A A或或（极板间介质（极板间介质相对介电常数）发生变相对介电常数

3、）发生变化时，都会引起电容的化时，都会引起电容的变化。变化。0为真空介电常数4.3 电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+AC0+20AddCS可以看出，(1)灵敏度S与极板间距的平方成反比，有线性误差，愈小，灵敏度S愈高。（2）为减少此误差，一般极距变化范围约为00.1，可获得近似的线性关系。适用于测试小位移(0.01m至数百m)。实际应用中，为了改善非线性，常采用差动结构，如图。它有三个极板，其中两个极板固定不动，只有中间极板能产生移动。这种结构能够将传感器灵敏度提高一倍，并且线性误差也可大大减少，同时还能克服如电源电压、环境温度等变化对测试精度的影响。产品：压差传感器产

4、品：压差传感器. . 如图，膜片3与镀在球形玻璃表面的金属层2形成一个差动电容。在压差pplp2作用下，膜片向压力小的方向移动，引起差动电容量C的变化，电容C与压差p成比例。它适用于测液(气)体微压差b)b)面积变化型面积变化型0S角位移型角位移型+面积变化型电容传感器的输入与输出呈线性关系，灵敏度为常数，可用于测试角位移或较大的线位移。AC0平面线位移型平面线位移型4.3 电容式传感器电容式传感器 4.3 电容式转速检测电容式转速检测 当定极板2与齿顶相对时电容量最大，而与齿隙相对时，电容量最小。齿轮1转动时，电容传感器产生周期信号，经测试电路3转换为脉冲信号，用频率计4显示齿轮转速。c)

5、c) 介质变化型介质变化型AC04.3 电容式传感器电容式传感器 4.3 电容式传感器电容式传感器 电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）电容式接近开关电容式接近开关振荡振荡电路电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体

6、，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。a) a) 谐振电路谐振电路 LCf2103 3 测量电路测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分, 当输入量导致当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。可将电容电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。可将电容变化转化为输出电压的变化变化转化为输出电压的变化b) b) 运算放大器电路运算放大器电路 4.3 电容式传感器电容式传感器 xyCCuu00ACuuy000手机触摸屏：电阻屏，电容屏，红外线以及超声波手机触摸屏：电阻屏，

7、电容屏，红外线以及超声波电容屏：电容屏：当手指触摸到屏时，手机与屏之间形成一个耦合电容，手指从触摸点吸走部分电流，这个电流分别从触控屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，车载电容称重车载电容称重第四章、传感器测量原理第四章、传感器测量原理4.4 4.4 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :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4.4 电感式传感

8、器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式2mNLR原理原理: :电磁感应电磁感应其中，磁回路磁阻其中，磁回路磁阻R Rm m2002NAL121202mllRu Au Au A导体磁阻远小于空气磁阻4.4 电感式传感器电感式传感器变间隙型电感变间隙型电感200202N u AS 气隙愈小，灵敏度S愈高。由于由于S不不是常数，故会出现线性误差是常数，故会出现线性误差。为减小这一误差，规定在较小范围内变化。设初始间隙为0，一般取00.1，这种传感器一般只适用于0.0011mm范围的小位移测试。L 0 0oL0L0 LL0 L2002NAL4.4 电感式传感器电感式传感器若将两线圈接

9、在电桥的若将两线圈接在电桥的相邻臂时，相邻臂时，其输出灵敏其输出灵敏度可提高一倍，且可改度可提高一倍，且可改善其非线性特性善其非线性特性。差动型差动型202N uS变面积型变面积型L与与A0呈线性特性，但灵敏呈线性特性，但灵敏度较低，常用于角位移测试度较低，常用于角位移测试。单螺管型单螺管型a,当衔铁在线圈中运动，磁阻将发生变化，导致自感L变化。单螺管型结构简单、但灵敏度较低，适用于较大位移(mm量级)测试。由于有限长度线圈的轴向磁场强度分布不均匀，因此，只有在线圈中段才有较好的线性关系。差接螺管型差接螺管型c ，电感变化量增加一倍，能部分地消除磁场不均匀所造成的非线性影响。测试范围在0300

10、m，最高分辨率可达0.5m。螺管型电感传感器螺管型电感传感器电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）4.4 电感式传感器电感式传感器2 2 涡流式涡流式: :涡流效应涡流效应电涡流式传感器原理根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中时，导体的表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的漩涡状感应电流称为电涡流，线圈的等效阻抗Z：( , , ,)ZZ ，h4.4 电感式传感器电感式传感器h为线圈与金属之间的距离；阻率金属电，磁导率 ；为线圈激励电流的频率； 为厚度；结构简单，灵敏度高；抗干扰能力强；不受被测件油污介质的影响；非接触测量；1 mmm

11、分辨率高；测量范围大（ 110）图4-16 涡流式传感器1 壳体；2 框架；3线圈；4 保护套；5 填料；6螺母；7电缆电涡流传感器优点：电涡流传感器优点：电涡流传感器电涡流传感器应用：位移、振动测量，材质鉴别以及无损检测应用：位移、振动测量，材质鉴别以及无损检测振动计振动计案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测4.4 电感式传感器电感式传感器4.4 电感式传感器电感式传感器 电涡流传感器的测量电路，通常采用电桥和谐振电路电桥和谐振电路。谐振电路有调幅电路和调频调幅电路和调频电路。 将传感器线圈接入LC调谐电路，使其谐振频率随被测量而改

12、变，输出的幅值或频率随被测量变化，以实现信号转换。4.4 电感式传感器电感式传感器调频电路工作原理 分压式调幅电路原理互感型传感器互感型传感器 dtdiMe 互感型传感器互感型传感器是利用互感现象将被测物理量转换成线圈互感变化来实现测试的，如图所示，它有原、副两个线圈，当原线圈W输入交变电流i时，副线圈W1产生感应电动势e，其大小与电流i的变化率成正比，即式中，M为互感系数。当被测参数使互感系数M变化时，副线圈输出电动势也会随之产生相应变化。 2 2 互感型互感型-差动变压器差动变压器 当活动衔铁向上移动时当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，由于磁阻的影响，W2中磁通将大于中磁通将大于W1，

13、使，使e1e2。反之，。反之， e1Ca+Cc+Ci，foCqu可见，电荷放大器的输出电压可见，电荷放大器的输出电压uo只与输入电荷以及反馈电容只与输入电荷以及反馈电容Cf，有关，与电缆电容有关，与电缆电容Cc无关，且与无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最成正比，这是电荷放大器的最大特点：不受传输电缆的影响大特点：不受传输电缆的影响yiuAu 案例：加速度传感器案例：加速度传感器它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷和石英晶体不同，前者是人工压电陶瓷和石英晶体不同，前者是人工制造的制造的多晶体压电材料多晶体压电材料

14、，而后者是，而后者是单晶单晶体体。压电陶瓷的优点是：压电系数大，。压电陶瓷的优点是：压电系数大，成本低。成本低。 在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具都会发出逼真有趣的声音。都会发出逼真有趣的声音。 压电陶瓷在汽车上应用越来越广泛。在汽车的制动器活压电陶瓷在汽车上应用越来越广泛。在汽车的制动器活塞里安装一种简单的压电陶瓷致动器，向内部制动杉块的支塞里安装一种简单的压电陶瓷致动器，向内部制动杉块的支撑板施加撑板施加“抖动抖动”频率，有效抑制产生尖利噪音的振动，从频率，有效抑制产生尖利噪音的振动，从而能在温度湿度变化和刹车系统正常磨损的情

15、况下发挥作用。而能在温度湿度变化和刹车系统正常磨损的情况下发挥作用。压电橡胶压电橡胶 压电陶瓷比较脆，少许冲击力会破裂，很压电陶瓷比较脆，少许冲击力会破裂，很难形成任意形状，用压电陶瓷粉末分散在无难形成任意形状，用压电陶瓷粉末分散在无压电性的橡胶基体中制成压电复合材料，同压电性的橡胶基体中制成压电复合材料，同时具备橡胶的柔软性以及可变性性质，同时时具备橡胶的柔软性以及可变性性质，同时具备压电特性。可承受冲击载荷；具备压电特性。可承受冲击载荷；应用：应用： 在桥面与轨枕间的间隙处设置压电橡胶，可检测列车在桥面与轨枕间的间隙处设置压电橡胶，可检测列车通过产生的冲击力通过产生的冲击力PVDF（聚偏氟

16、乙烯）是一种新型的聚合物压电薄膜，（聚偏氟乙烯）是一种新型的聚合物压电薄膜，高分子压电薄膜：高分子材料压电特性不是很好，但易于生产，高分子压电薄膜：高分子材料压电特性不是很好，但易于生产，柔软，面积大，容易制成传感器阵列，用于机器人触觉柔软，面积大，容易制成传感器阵列，用于机器人触觉4.6 4.6 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器是利用磁电式传感器是利用电磁感应原理电磁感应原理将被测量（如振动、位移、将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源， 就就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种能量能

17、把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种能量转换型传感器。转换型传感器。 由于它输出功率大，由于它输出功率大， 且性能稳定，具有一定的且性能稳定，具有一定的工作带宽（工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍应用。），所以得到普遍应用。 分类分类 磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N变换原理变换原理: : 法拉第电磁感应定律，把被测量的物把被测量的物理量转换为感应电动势理量转换为感应电动势dtdWe线圈的感应电动势线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改

18、变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 ),(mdtdRB动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型角速度型角速度型测速电机测速电机磁阻式传感器磁阻式传感器 1. 1. 热电温度计热电温度计( (热电偶热电偶) ) 利用热电效应，当物体受热，电子利用热电效应，当物体受热，电子(空穴空穴) 随着随着温度梯温度梯度由高温区往低温区移动时度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一，所产生电流或电荷堆积的一种现象。种现象。 4.7 4.7 热敏传感器热敏传感器热敏传感器主要：热敏传感器主要： 1 1、热电偶；、热电偶；2 2、热电阻；、热电阻；3 3、红外测温、红外测温 将两

19、种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合回路，当串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流。两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流。热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。电动势。TT02)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会

20、影响要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。热电偶回路的总热电动势。TT0V2 2 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 半导体半导体热敏电阻热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。 )11(00TTeRRRT产品产品3 3 人体人体热电型热电型(热释热释)红外传感器红外传感器物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。一切温度高于绝对物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。一切温

21、度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。愈大，短波成分也愈多。 人体温在人体温在3637，发出红外波，发出红外波910um，远红外，远红外，第三章、测试系统的基本特性第三章、测试系统的基本特性2-1 2-1 进行某动态压力测量时，所采用的压电式进行某动态压力测量时，所采用的压电式传感器的灵敏度为传感器的灵敏度为90.9nC/MPa90.9nC/MPa， 将它与增益为将它与增益为0.005V/nC0.005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大器的的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上

22、，记录仪的灵敏度输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为为20mm/V,20mm/V,试计算这个测量仪的总灵敏度。当压试计算这个测量仪的总灵敏度。当压力变化为力变化为3.5MPa3.5MPa时，记录仪在记录纸上的偏移时，记录仪在记录纸上的偏移量是多少？量是多少？ 解：总灵敏度解：总灵敏度S=90.9S=90.90.00520=9.09mm/MPa S=S3.5MPa=9.093.5=31.815mm1( )0.351Hj 解：系统时间常数解：系统时间常数 ，频响函数为：，频响函数为：0.35s21( )1(0.35 )A 相应的幅频特性表达式为：相应的幅频特性表达式为：2-2 2-2 用一个

23、时间常数为用一个时间常数为0.35s0.35s的一阶装置去测量的一阶装置去测量周期分别为周期分别为1s1s、2s2s和和5s5s的正弦信号，问幅值误的正弦信号，问幅值误差是多少？差是多少？ 幅值误差幅值误差: :100%(1) 100%AAASAA 当当 t=1st=1s时，时，121()0.410.3521()1AAA 幅值误差为：幅值误差为：S=(1-0.41) S=(1-0.41) 100%=59%=59%同理，当同理，当 t=2st=2s和和5s5s时，幅值误差分别为时，幅值误差分别为33%33%和和8%8%。2-3 2-3 求周期信号求周期信号x (t)=0.5cos10t+0.2cos(100t-45o)通过传递函数为通过传递函数为H(s)=1/(0.005s+1)的装置后得到的装置后得到的稳态响应。的稳态响应。 解：由频率保