第5章R、L、C传感技术(1)

1、第第5章章R、L、C传感技术传感技术5.1电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是将电阻式传感器是将被测的非电量转换成电阻被测的非电量转换成电阻值的变化值的变化，再经转换电路变换成电量输出。，再经转换电路变换成电量输出。 特点：结构简单，易于制造，价格便宜，性特点：结构简单，易于制造，价格便宜，性能稳定，输出功率大，应用广泛。能稳定，输出功率大，应用广泛。 分类（引起电阻变化的参数不同）：分类（引起电阻变化的参数不同）： 电位器传感器电位器传感器和和电阻应变式传感器电阻应变式传感器工作原理：基于均匀截面导体的电阻计算工作原理：基于均匀截面导体的电阻计算公式：公式： 式中，式中， 电阻率，电阻率

2、， mm2/ m ； 电阻丝长度，电阻丝长度，m ； 电阻丝截面积，电阻丝截面积，mm2 。、A为定值，则为定值，则R与与l成正比成正比5.1.1 电位器式传感器电位器式传感器（又称变阻器传感器又称变阻器传感器）lRA常用的电位器式传感器有直线位移型、角位移型常用的电位器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。结构如图所示。和非线性型等。结构如图所示。组成：线圈、骨架和划动触头组成：线圈、骨架和划动触头直线型电位器式传感器。直线型电位器式传感器。若移动若移动x距离，则距离，则C点与点与A点之间的电阻为点之间的电阻为lxRKx式中式中,lK为单位长度电阻值。为单位长度电阻值。直线型电位式传感

3、器的灵敏度为直线型电位式传感器的灵敏度为ldxdRKS 当导线分布均匀时，当导线分布均匀时，S为常数。这时传感器为常数。这时传感器的输出（电阻）与输入（位移）成的输出（电阻）与输入（位移）成线性线性关系。关系。输出阻值的大小随角度位移的大小而变化，该传感器的灵敏度为dRdSK式中，为转角（rad）；K为单位弧度对应的电阻值。角位移型电位器式传感器角位移型电位器式传感器 当输入位移呈非线性规律时，为了保证输入、输当输入位移呈非线性规律时，为了保证输入、输出的线性关系，利于后续仪表的设计，可以根据出的线性关系，利于后续仪表的设计，可以根据输入的函数规律来确定这种传感器的骨架形状。输入的函数规律来确

4、定这种传感器的骨架形状。非线性型电位器式传感器非线性型电位器式传感器电位器式传感器一般采用电位器式传感器一般采用电阻分压电路电阻分压电路，将电参数将电参数R转换为电压输出给后续电路，转换为电压输出给后续电路，如图示。如图示。 当触头移动当触头移动x距离后，输出电压距离后，输出电压ey可用可用下式计算下式计算)1)(eypxxLRPRxpx0e式中，式中，RP为电位器的总电阻。为电位器的总电阻。 xp为电位器的总长度。为电位器的总长度。 RL为后续电路的输入电阻。为后续电路的输入电阻。实际应用中，实际应用中，RLRP,此时，此时，xepxey0近似为线性关系。近似为线性关系。电位器式传感器电位器

5、式传感器 电位器式传感器的电位器式传感器的优点优点：结构简单，性能稳定，：结构简单，性能稳定，使用方便。使用方便。 缺点缺点：分辨率不高，分辨率很难高于：分辨率不高，分辨率很难高于20m；使；使用频率范围也受到限制；噪声较大，绕制困难。用频率范围也受到限制；噪声较大，绕制困难。 电位器式传感器主要用于电位器式传感器主要用于线位移和角位移的测量线位移和角位移的测量。在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。 5.1.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器定义：定义：通过通过应变片应变片将被测物理量转换为电阻将被测物理量转换为电阻变化的器件称为变化的

6、器件称为电阻应变式传感器电阻应变式传感器。分类：分类：电阻应变式传感器可分为电阻应变式传感器可分为金属电阻应金属电阻应变片变片与与半导体应变片半导体应变片两类。两类。 金属电阻应变片有金属电阻应变片有丝式丝式和和箔式箔式两种。其两种。其工作原理是工作原理是电阻应变效应电阻应变效应。金属电阻应变式传感器金属电阻应变式传感器工作原理：工作原理：导体的导体的电电阻阻随着随着机械变形机械变形而发生变化的现象，称为而发生变化的现象，称为电电阻应变效应阻应变效应。 电阻应变式传感器电阻式应变传感器是电阻式应变传感器是测力与应变测力与应变的主要传感器，测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维（范围小到肌肉纤维

7、（5 51010-5-5N)N)，大到登月火箭，大到登月火箭(5(510107 7N),N),精确度可到精确度可到 0.01 0.010.1%0.1%，有，有1010年以上的校准稳定性。年以上的校准稳定性。可用于可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度应变力、压力、转矩、位移、加速度的测量。的测量。也是应用广泛的传感器。也是应用广泛的传感器。应变式传感器特征：应变式传感器特征： 主要优点：结构简单、精度高、范围大、体积小、动主要优点：结构简单、精度高、范围大、体积小、动态响应快。态响应快。 缺点：电阻、半导体会随温度变化。缺点：电阻、半导体会随温度变化。广泛应用于各种衡器、应变测量各种电子秤各种

8、电子秤电子天平电子天平高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡动动态态电电子子秤秤机械式机械式机械秤机械秤包装机包装机吊秤吊秤遥遥动动遥遥控控吊吊秤秤液液压压叉叉车车秤秤应变仪应变仪特性：特性：1.1. 测量通道：测量通道：8 8通道，可多模块组合通道，可多模块组合2.2. 测量范围：测量范围：30000300003.3. 测量精度：测量精度：1.51.54.4. 扫描率高于扫描率高于1 1次次/ /秒秒5.5. 支持多种桥路接入方式：支持多种桥路接入方式：1/41/4桥、桥、半桥、全桥（半桥、全桥（4 4线、线、6 6线）线）6.6. 应变片类型：应变片类型：1201201k1k7.7. 应变系数：

9、应变系数：1.801.802.202.208.8. 采样率可设置为每通道采样率可设置为每通道1010次次/ /秒到秒到几天采集一次几天采集一次9.9. 实时显示当前数据和所设置的参数实时显示当前数据和所设置的参数10.10. 2 28MByte8MByte非易失性存储器，用于非易失性存储器，用于存储测量数据存储测量数据. .上海卢浦大桥通车应变试验上海卢浦大桥通车应变试验上海国际会议中心模型试验上海国际会议中心模型试验一、应变片的类型和结构一、应变片的类型和结构1.金属丝式应变片金属丝式应变片出现较早，其典型结构如图出现较早，其典型结构如图5.3所示。所示。电阻应变式传感器（1）敏感栅）敏感栅

10、 感受应变感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、 箔式箔式和薄膜式三种。和薄膜式三种。（2）基底）基底 绝缘及传递应变绝缘及传递应变。测量时应变片的基底通过粘结剂粘在试件上，。测量时应变片的基底通过粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。否则应变片微小电信号就要漏掉。 由纸薄、胶质膜等制成。由纸薄、胶质膜等制成。（3）粘结剂）粘结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层

11、之间的粘结粘结。（4）覆盖层）覆盖层保护作用保护作用。防湿、蚀、尘。防湿、蚀、尘。（5）引线）引线连接连接电阻丝与测量电路，输出电参量。电阻丝与测量电路，输出电参量。2.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为1m10m电阻箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；与被测件粘结面积大；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；横向效应小；蠕变和机械滞后小，寿命长。缺点：电阻值的分散性大 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在缘基片上形成厚度在0.10.1微米以下的金属电阻微米以下的金属

12、电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。 优点：优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。应变灵敏系数大，允许电流密度大。 存在问题：存在问题：温度稳定性差温度稳定性差3.金属薄膜应变片金属薄膜应变片 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传进到敏感栅成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及

13、它们受温度变化影响的程度。性以及它们受温度变化影响的程度。 对粘合剂和粘贴工艺有严格要求对粘合剂和粘贴工艺有严格要求 把应变片用特制胶水粘贴在弹性元件或需要变形把应变片用特制胶水粘贴在弹性元件或需要变形的物体表面上，在外力作用下，应变片敏感栅随构件的物体表面上，在外力作用下，应变片敏感栅随构件一起变形，其电阻值发生相应的变化，由此可将被测一起变形，其电阻值发生相应的变化，由此可将被测量转换为电阻的变化。量转换为电阻的变化。应变片的粘贴应变片的粘贴2 dRdldrdRlrlRA（1 1）222 dArdrdrArr（3 3）2 - +RRRlldRdldAddldAdlAAAA（2 2）（4 4

14、）2 - +RRRdRdldrdlrll+ dl2r2(r-dr)F 金属丝的应变效应金属丝的应变效应 dlldrr令为电阻丝轴向相对变形，称轴向应变或纵向应变为电阻丝径向相对变形，称径向应变或横向应变 为金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。drdlrl (12) dRdR 将将 代入代入 式得：式得：2 dRdldrdRlr d为电阻丝电阻率的相对变化； d与电阻丝轴向所受正应力有关，为 dE 式中，E为电阻丝材料的弹性模量；为压阻系数，与材质有关。 (12E )dRRdrdlrl 由电阻丝的电阻率随应变的由电阻丝的电阻率随应变的改变所引起。改变所引起。对于电阻丝来说，对于电阻丝来说，

15、 很小，可以忽略不计，所以很小，可以忽略不计，所以E (12)dRR 应 变 电 阻 相 对 变 化 率E 上式表明电阻相对变化率与 成正比。定义：电阻应变片的应变系数灵敏度S常数21SldlRdR则 dRSR由于测试中R的变化量微小，可以认为RdR RSR常用电阻应变片的灵敏度S为1.73.6。在实际测试中，选用金属电阻应变片应注意以下两点。在实际测试中，选用金属电阻应变片应注意以下两点。1.应变片电阻的选择应变片电阻的选择当选配动态应变仪组成测试系统进行测试时，在没当选配动态应变仪组成测试系统进行测试时，在没有特殊要求的情况下，选择有特殊要求的情况下，选择120 的应变片为宜。传的应变片为

16、宜。传感器中大多选用感器中大多选用350 的应变片。的应变片。金属电阻应变片的选择金属电阻应变片的选择2. 应变片灵敏度的选择应变片灵敏度的选择 当选配动态应变仪进行测量时，应选用当选配动态应变仪进行测量时，应选用S=2的应的应变片；变片； 对于未配有应变仪的测试系统，应变片的对于未配有应变仪的测试系统，应变片的S值愈大，值愈大，输出也愈大，往往选用输出也愈大，往往选用S值较大的应变片。值较大的应变片。3. 其他：结构形式的选择、尺寸的选择、使用温度的选其他：结构形式的选择、尺寸的选择、使用温度的选择、蠕变的选择等。择、蠕变的选择等。蠕变蠕变：是在应力影响下固体材料缓慢永久性的移动或变：是在应

17、力影响下固体材料缓慢永久性的移动或变形的趋势。形的趋势。 固体材料在保持应力不变条件下，应变随时间延固体材料在保持应力不变条件下，应变随时间延长而增加的现象。长而增加的现象。*补充：半导体应变片结构及工作原理 1、半导体应变片的制作与结构制作材料用单晶硅、锗。P型单晶硅结构如图。在直角坐标系中它有许多晶轴方向，实验发现沿不同晶轴方向压阻系数相差很大（电阻率变化相差很大）。2、工作原理压阻效应：半导体沿某一轴向受到应力而产生应变时，其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。 一、基本工作原理(12 )RlRl半导体电阻率的变化为：llelEl 半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体

18、。当硅膜比较薄时，在应力作用下的电阻相对变化为：lleeleleRR 纵向压阻系数横向压阻系数纵向应力横向应力1. 电位器式传感器的应用电位器式传感器的应用这里介绍这里介绍 YHD型电位器式位移传感器，其型电位器式位移传感器，其结构如图结构如图5.5所示。所示。5.1.3 电阻式传感器的应用2. 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用(1) 将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变式应力。件的应变式应力。(2) 将应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起将应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。构成应变式传感器。使用应变片的注

19、意事项使用应变片的注意事项1 1、测的是某处的应变测的是某处的应变，而不是该处的应力、力或，而不是该处的应力、力或位移，需换算。位移，需换算。2 2、黏合剂和黏合技术黏合剂和黏合技术对测量结果有着直接影响。对测量结果有着直接影响。3 3、用于动态测量时，应考虑其、用于动态测量时，应考虑其动态响应特性动态响应特性。4 4、使用时需进行、使用时需进行温度补偿温度补偿。 直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件 314231012341234()()RR RR RRUEERRRRRRRR1423R RR R1234/RRRR电桥平衡时电桥平衡时 : : I I0 0 = 0 = 0 ，U U0 0 =

20、0 = 0 时时 要满足电桥平衡条件，必须有要满足电桥平衡条件，必须有对臂积相等对臂积相等或或邻臂比相等邻臂比相等当负载当负载RL（开路），电桥输出电压为（开路），电桥输出电压为 放大器的输入阻抗比桥路阻抗大的多，可视为开路。放大器的输入阻抗比桥路阻抗大的多，可视为开路。 设设R R1 1为应变片，应变时为应变片，应变时R R1 1变化量为变化量为RR1 1，应变片阻值变化，应变片阻值变化, , 电桥失衡电桥失衡 U U0 000，不平衡输出电压为，不平衡输出电压为：311011234141123443111121431423()()(/)(/)(1/) 1/RRRUERRRRRR RERR

21、RRRRRRRRRRERRRRRRR 电压灵敏度电压灵敏度21unKEn 定义电桥输出电压灵敏度为定义电桥输出电压灵敏度为 10211RnUERn电桥输出电压可近似为电桥输出电压可近似为 电压灵敏度电压灵敏度11RR11/RR，忽略分母中，忽略分母中由于由于，设桥臂比，设桥臂比21/nRR考虑平衡条件考虑平衡条件2143/RRRR43110112143(/)(/)(1/) 1/RRRRUERRRRRR对于对于电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度大，电桥输出电压越大； 2. Ku与电桥电源E成正比，但供电受应变片允许功耗限制； 3. Ku是桥臂比n的函数，恰当选择桥臂比可提高电压灵敏度； 显然 n=1、

22、R1=R2、R3=R4 时Ku有最大值， 4. 单臂工作片的电桥输出电压及电压灵敏度分别为21unKEn2410(1)udKndnn104REUR4uEK101uRUKRn=1n=12uEKq 半桥电压灵敏度为：半桥电压灵敏度为： 半桥电路讨论：半桥电路讨论： 1. 输出电压U0 与R/R呈线性关系，无非线性误差； 2. 半桥电路（两个工作片）的电压灵敏度Ku是单臂电桥的两倍； 3. 同时电路具有温度补偿作用。电桥输出：电桥输出： 12RRR 按等臂电桥初始条件：按等臂电桥初始条件： 同时同时 02ERUR3110112234RRRUERRRRRRr 全桥：将电桥四个桥臂按照全桥：将电桥四个桥

23、臂按照 对臂同性、邻臂异性原则连接对臂同性、邻臂异性原则连接 四个工作片四个工作片RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4101RUER 全桥电压输出为全桥电压输出为 uKE 全桥电压灵敏度为全桥电压灵敏度为 全桥输出电压灵敏度是单桥的全桥输出电压灵敏度是单桥的4 4倍倍 没有非线性误差。没有非线性误差。.142301234()()Z ZZ ZUUZZZZ1234ZZZZ、式中：式中：x电抗、r电阻、|Z|复数的模、幅角用指数形式代入得到交流电桥平衡条件，需满足两个方程式： 对臂复数的模积相等，幅角之和相等。1423| |ZZZZ142314230Z ZZ Z1234/ZZZZjZ

24、rjxZ e1234ZZZZ1Z已知已知 忽略分母项忽略分母项交流交流半桥半桥输出：输出： 10114ZUUZ10112ZUUZ 交流交流单桥单桥输出：输出： 11111RZj RC11211(1)RZj RC其中其中, Z1=R1 / XC143110112143(/) (/)(1/) (1/)ZZZZUUZZZZZZ 交流电桥输出：交流电桥输出：012ZUUZ1423R RR R2211R CR C11ZZZ 22ZZZ 022222211212R UCUUjRR CRR C022222211212R UCUUjRR CRR C10114ZUUZ04URUR1RZj R C 交流电桥，测交

25、流电桥，测20-200Hz20-200Hz应变力，输出调应变力，输出调 幅调制波；幅调制波； 振荡器，产生振荡器，产生400-2000Hz400-2000Hz等幅正弦波提等幅正弦波提 供电桥电压和相敏检波器参考电压；供电桥电压和相敏检波器参考电压； 差动放大器，将电桥输出信号放大差动放大器，将电桥输出信号放大, ,调幅调幅 波的负应变信号反向输出波的负应变信号反向输出; ; 相敏检波器，如果应变有拉和压应变，相敏检波器，如果应变有拉和压应变， 可通过相敏检波电路区分双向信号；可通过相敏检波电路区分双向信号； 低通滤波器去掉高频保留低频应变信号低通滤波器去掉高频保留低频应变信号, , 还原被检测

26、的信号。还原被检测的信号。 相移器，相敏检波器的参考信号与被测相移器，相敏检波器的参考信号与被测 信号有严格的相位关系信号有严格的相位关系, ,相敏检波电路要相敏检波电路要 求相位可调，由相移电路完成。求相位可调，由相移电路完成。 5.2 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器可用来测量力、力矩、压力、位移、电感式传感器可用来测量力、力矩、压力、位移、速度、振动等参数。速度、振动等参数。 优点优点：可以得到较大的输出功率：可以得到较大的输出功率(1VA5VA)，这，这样可以不经放大而直接显示和记录。此外，其结构样可以不经放大而直接显示和记录。此外，其结构简单，工作可靠，可在工业频率下稳定工作。

27、简单，工作可靠，可在工业频率下稳定工作。 电感式传感器是将电感式传感器是将被测物理量被测物理量转换成转换成电感或互电感或互感变化感变化的传感器，它是一种结构型传感器。的传感器，它是一种结构型传感器。 按转换方式的不同，可分为按转换方式的不同，可分为自感型自感型（包括（包括可变可变磁阻式磁阻式与与涡流式涡流式）和）和互感型互感型（如（如差动变压器差动变压器式）等式）等两大类型。两大类型。 1. 可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器结构原理如图可变磁阻式传感器结构原理如图5.8所示，所示，5.2.1 自感型电感式传感器自感型电感式传感器磁通与激磁电流的关系：磁通与激磁电流的关系：Wm

28、=Li由磁路欧姆定律得：由磁路欧姆定律得：磁动势磁动势Fm=W i，m =Fm / Rm则则 L=W 2 / Rm如如较小，且忽略磁路铁损较小，且忽略磁路铁损和铁芯磁阻，则总磁阻和铁芯磁阻，则总磁阻为为Rm2/2/0 A A0 当被测构件产生位移时，衔铁随着移动，空气隙当被测构件产生位移时，衔铁随着移动，空气隙发生变发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。20022mW AWRL 自感L的表达式为W线圈匝数线圈匝数Rm磁路总电阻磁路总电阻为气隙长度，为气隙长度，m；0为空气磁导率，为空气磁导率，;m/H,10470A0为空气隙导磁截面积

29、，为空气隙导磁截面积，m2。002m AR 变磁阻式传感器变磁阻式传感器2） 固定，改变固定，改变A0时，时，传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：22002W AdLdS 2220000002220022()2W AW AW AS 为减小非线性误差，通常，传感器在较小间隙范围内为减小非线性误差，通常，传感器在较小间隙范围内工作。工作。设间隙变化范围为设间隙变化范围为),(00即灵敏度即灵敏度S趋于定值，输出与输入近似呈线性关系。趋于定值，输出与输入近似呈线性关系。变磁阻式传感器变磁阻式传感器0()1）A0固定，改变固定，改变时，时，传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：2002W dLdAS 即

30、灵敏度即灵敏度S为定值，输出与输入呈线性关系，但灵敏度较低。为定值，输出与输入呈线性关系，但灵敏度较低。20022mW AWRL 常用可变磁阻式传感器的典型结构。常用可变磁阻式传感器的典型结构。 被用于电感测微被用于电感测微计上，测量范围：计上，测量范围：0300m，分辨率达，分辨率达0.5m。 将其线圈接于电将其线圈接于电桥上，构成两上桥臂，桥上，构成两上桥臂，线圈电感线圈电感L1L1、L2L2随铁随铁芯位移而变化，其输芯位移而变化，其输出特性如图出特性如图5.105.10所示。所示。双螺管线圈差动型可变磁阻式传感器双螺管线圈差动型可变磁阻式传感器涡流式传感器的原理利用了金属体在交变涡流式传

31、感器的原理利用了金属体在交变磁场中的磁场中的涡电流效应涡电流效应。图。图 5.11为一个高频反为一个高频反射式涡流传感器的工作原理图。射式涡流传感器的工作原理图。影响高频线圈阻抗影响高频线圈阻抗Z Z的因素：的因素：距离距离、金属板的电阻率、金属板的电阻率、磁导、磁导率率、线圈激磁角频率、线圈激磁角频率。如：如： 改变改变测量位移、振动测量位移、振动 改变改变或或 材质鉴别或探伤材质鉴别或探伤2.2.涡流式传感器涡流式传感器这种传感器利用了电磁感应中的互感现象，这种传感器利用了电磁感应中的互感现象，如图如图 5.12所示。所示。5.2.2 互感型-差动变压器式电感传感器dtdiMe112当线圈

32、W1输入交流电流i1时，线圈W2产生的感应电动势e12为：M为比例系数，称为互感（表明耦合程度）。 互感型传感器就是利用这一原理，将被测位移量转换成线圈互感的变化。 差动变压器式传感器如图5.13所示。组成组成线圈、铁芯、衔铁线圈、铁芯、衔铁连接方式连接方式两个次级线圈两个次级线圈反向串接反向串接工作原理工作原理衔铁居中：衔铁居中：e e0 0=0=0衔铁上移：衔铁上移：e e0 000衔铁下移：衔铁下移：e e0 000 理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，而实际输出理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，而实际输出U U0 000，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中

33、间位置时，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为最小不为零的电压称为零点残余电压零点残余电压。v 产生零点残余电压的原因是：产生零点残余电压的原因是：1.1.由于两个次级线圈绕组电气参数（由于两个次级线圈绕组电气参数（M M互感互感 L L电感电感 R R内阻）不同，几何内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同，尺寸工艺上很难保证完全相同，2.2.初级线圈铜损、铁磁材质不均匀、线圈中分布电容等原因。初级线圈铜损、铁磁材质不均匀、线圈中分布电容等原因。v 零点残余电压主要成分是频率、幅度不同零点残余电压主要成分是频率、幅度不同的基波、谐波。零点残余电压过大会

34、使灵敏的基波、谐波。零点残余电压过大会使灵敏度下降，非线性误差增大，放大器末级饱和，度下降，非线性误差增大，放大器末级饱和，因此是直接影响传感器质量的参数。因此是直接影响传感器质量的参数。v 为减小零点残余电压的影响为减小零点残余电压的影响 变压器工艺上采取措施，电路补偿等变压器工艺上采取措施，电路补偿等. .差动相敏检波电路工作原理图如图5.14所示。差动变压器（互感式）的标定差动变压器（互感式）的标定差动变压器传感器具有精确度高（高到差动变压器传感器具有精确度高（高到0.1m0.1m数量级），数量级），线性范围大，结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用线性范围大，结构简单，稳定性好等优点，被

35、广泛应用于直线位移及其他压力、振动等参量的测量。于直线位移及其他压力、振动等参量的测量。可变磁阻式电感传感器一般用于静态和动可变磁阻式电感传感器一般用于静态和动态的接触测量，主要用于位移测量，也可以用态的接触测量，主要用于位移测量，也可以用于振动、压力、负荷、流量和液位等参数的测于振动、压力、负荷、流量和液位等参数的测量。精密小位移的测量，量。精密小位移的测量，0.001mm1mm。5.2.3 电感传感器的应用涡流式电感传感器可用于动态非接触测量，主要涡流式电感传感器可用于动态非接触测量，主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量。用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量。差动变压器

36、式传感器常用于测量位差动变压器式传感器常用于测量位移、压力、压差、液位等各种参数移、压力、压差、液位等各种参数. 沉筒式液位计将水位变化转换沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。差动变压器的输出反映液位高低。电感测厚仪电感测厚仪5.3 电容式传感器电容式传感器两块极板之间的间隙变化，或是表面积变两块极板之间的间隙变化，或是表面积变化，将使电容量改变，根据这一原理制成的传化，将使电容量改变，根据这一原理制成的传感器称为电容式传感器。感器称为电容式传感器。5.3.1 电容式传感器工作原理电容量和两个极板的间隙、表面积

37、之间的关系可电容量和两个极板的间隙、表面积之间的关系可用下式表示：用下式表示：式中，式中，电容电容 （ 微微法）微微法） ； 极板间介质的介电常数，空气的极板间介质的介电常数，空气的1； Sb 两个极板相互覆盖的面积两个极板相互覆盖的面积 （ cm2 ）；）； 两个极板间的距离两个极板间的距离 （cm） ； r 相对介电常数；相对介电常数；0 真空介电常数；真空介电常数；0.088542 X 10-12 F/cm 。电容式传感器工作原理0bbrSSCdd根据工作原理，在实际应用中，电容式传根据工作原理，在实际应用中，电容式传感器一般可分成如下感器一般可分成如下种类型：种类型：（）可以改变两极板

38、间的距离（）可以改变两极板间的距离 ；（）可以移动极板，以改变极板间相覆（）可以移动极板，以改变极板间相覆盖的面积盖的面积 ；（）可以改变极板间的介质，以便介电（）可以改变极板间的介质，以便介电常数常数 发生变化发生变化。5.3.2 电容式传感器的结构类型1.优点优点动作能量低动作能量低 ，动态响应快，动态响应快 ，本身发热影响，本身发热影响小小 ，灵敏度高，误差小，能在恶劣的环境下，灵敏度高，误差小，能在恶劣的环境下工作工作 。5.3.3 电容式传感器的优缺点及一些特殊问题2.缺点缺点（）其输出特性是非线性的：（）其输出特性是非线性的：C与 d（）泄漏电容的影响，传感器的电容量及其（）泄漏电

39、容的影响，传感器的电容量及其变化一般小于泄漏电容量，泄漏电容量是由支持构件变化一般小于泄漏电容量，泄漏电容量是由支持构件及连接电缆所引起的。及连接电缆所引起的。 电容传感器的等效电路包括电容传感器的等效电路包括: 传感器电容传感器电容 C0 ；传输线的电感；传输线的电感 L0、电阻、电阻 R（小）（小）;极板等效漏电极板等效漏电阻阻Rg；A、B两端分布电容两端分布电容 Cp，常常常常 Cp比比 C0还大。还大。各类电容传感器的应用：各类电容传感器的应用： 改变改变d d和和S S，测位移（直线和转角）、压，测位移（直线和转角）、压 力、振动等。力、振动等。 改变改变，检测液位、不导电松散物质的

40、，检测液位、不导电松散物质的 料位、非导电材料的厚度、非金属材料料位、非导电材料的厚度、非金属材料 涂层。涂层。3.一些特殊问题一些特殊问题（）用加云母片的办法提高灵敏度（）用加云母片的办法提高灵敏度0012SCddd1云母片介电常数2空气介电常数d0气隙长度d 两极板间的距离1=7 2 ,云母的击穿电压不小于103kv/mm，空气的击穿电压仅为3kv/mm.例如：一圆盘形极板的电容式传感器，极板直径D=50mm，极板间距离d=0.2mm时，电容量C1=86.5PF。如果中间置0.1mm的云母片，则不仅可以使特性的线性得到改善，且可使电容数增至C2=151PF。当气隙变化d=0.025mm时，

41、有C1/C1=14.7%, C2/C2=30.3%1 222110 .0 8 8 5 4 21 0( 5 0 / 2 )1 00 .21 08 6 .5bSCdP F222001121212(50 / 2)100.10.1()1070.088542100.08854210151.4SCdddPF（）静电力的计算：需要驱动力较小（）静电力的计算：需要驱动力较小（）电容式传感器中部分量的变化范围（）电容式传感器中部分量的变化范围变极板间距离：变极板间距离：d1mm，dm 1/10d测量测量m级的位移，级的位移，变极板工作面积：适宜大位移测量（变极板工作面积：适宜大位移测量（cm）。）。电容大小选择

42、：电容大小选择：C的变化在的变化在:10-3PF103PF; C/C:10-61（）极板的材料（）极板的材料 :膨胀系数、温度系数膨胀系数、温度系数（）提高灵敏度的一些措施：增加原始电容（）提高灵敏度的一些措施：增加原始电容量、提高电源频率、屏蔽线量、提高电源频率、屏蔽线电容式传感器一般可以用来测量电容式传感器一般可以用来测量声强、振动、液位、含水量、压力、声强、振动、液位、含水量、压力、厚度、微小位移值等。厚度、微小位移值等。5.3.4 电容式传感器的应用 图5.17是英国皇家航空研究院Farnborough研制的用在风洞模型中的微型电容式压力传感器。图5.18所示为电容式传感器常用的Blu

43、mlein交流电桥（又称紧耦合电感比率臂电桥）。 图5.19所示为测量电缆芯的偏心原理图。小知识大家都用过收音机。当你搜寻电台时有没有想过，收音大家都用过收音机。当你搜寻电台时有没有想过，收音机是依靠什么元器件来调谐电台的呢？如果打开收音机是依靠什么元器件来调谐电台的呢？如果打开收音机的后盖，就可以看到与机的后盖，就可以看到与调谐旋钮联动的是一个旋转调谐旋钮联动的是一个旋转式可变电容器式可变电容器。当你。当你顺时针旋转调谐旋钮时顺时针旋转调谐旋钮时，变面积变面积式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积的覆盖面积A A，电容量，电容量

44、C C也就越来越小，也就越来越小，如图所示，如图所示，谐谐振频率也随之改变振频率也随之改变, ,从而可以从从而可以从550kHz550kHz逐渐增加到逐渐增加到1650kHz1650kHz，就可以从一个电台转换到另一个电台。，就可以从一个电台转换到另一个电台。在在数字式收音机中，是用变容二极管来调谐电台的。数字式收音机中，是用变容二极管来调谐电台的。 电容器在电子仪表中作为元器件来使用；在非电量检测电容器在电子仪表中作为元器件来使用；在非电量检测中作为测量位移的传感器来使用。中作为测量位移的传感器来使用。电容传感器的容量与投影面积的关系演示电容传感器的容量与投影面积的关系演示 5.4 典型应用

45、举例典型应用举例图图5.20所示为插入式测量容器内液体重量的示意图。所示为插入式测量容器内液体重量的示意图。5.4.1 罐内液重测量（电阻应变式传感器）01212120()()UUUAA hgQhgDAAQUDA1、A2传感器传输系数Q容器内感压膜上面溶液的重量D柱形容器的截面积料位测量示意图如图料位测量示意图如图5.21所示，是采用电所示，是采用电容式传感器进行测量的。容式传感器进行测量的。5.4.2 料位测量h hH H0000022()22()lnlnlnln2()lnssshHhHhCDDDDddddhCDd002lnHCDd初始电容 电容与料位的关系为： s s- -被测物料的被测物

46、料的介电常数（介电常数（r r0 0）0 0- -空气的空气的介电常数（介电常数（1 10 0）图图5.22所示是高频反射式涡流测厚仪测试所示是高频反射式涡流测厚仪测试系统原理图。系统原理图。5.4.3 高频反射式涡流厚度测量X X1 1+X+X2 2= =常数常数2U2U0 0+U+U电容测厚仪主要用来测量金属带材在轧制电容测厚仪主要用来测量金属带材在轧制过程中的厚度，其工作原理如图过程中的厚度，其工作原理如图5.23所示所示5.4.4 电容测厚仪5.4.4 电容测厚仪电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 带材是电容的动极板，总

47、电容带材是电容的动极板，总电容 C C1 1+C+C2 2 作为桥臂。作为桥臂。 带材只是上下波动时带材只是上下波动时 Cx = CCx = C1 1+C+C2 2总的电容量不变；总的电容量不变； 带材的厚度变化使电容带材的厚度变化使电容 Cx Cx 变化。变化。 采用变压器式输出电桥电路。或用集成运放电路采用变压器式输出电桥电路。或用集成运放电路电桥的一电桥的一个桥臂个桥臂电子皮带秤：能连续称量散装材料（煤、米、面电子皮带秤：能连续称量散装材料（煤、米、面）质量）质量（重量）的装置。可称某一瞬间在输送带上输出的质量，还可称（重量）的装置。可称某一瞬间在输送带上输出的质量，还可称出某段时间内的

48、输出物料的总质量。出某段时间内的输出物料的总质量。5.4.5 电子皮带秤（电阻应变式）U1 A(t)=U1 A(t)=g(t) L Lg(t)g(t)：单位长度的物料质量。单位长度的物料质量。 L L：被称量段的长度被称量段的长度U2 v(t)U2 v(t)U1U2x(t)= U1U2x(t)= L Lg(t)g(t)v(t)v(t) x(t) x(t)：单位时间里的输送量：单位时间里的输送量 U1U2U1U2dtdt 0 0到到t t段时段时间内物料的总质量。间内物料的总质量。t t0 0练习练习1 1、总结各类传感器（电阻应变式、自感型电感式、总结各类传感器（电阻应变式、自感型电感式可变磁阻式和涡流式、互感性可变磁阻式和涡流式、互感性差动变压器式、差动变压器式、电容式）的工作原理。电容式）的工作原理。2 2、什么是电阻应变效应、涡流效应？、什么是电阻应变效应、涡流效应？3 3、电阻式传感器的分类，电阻应变片的基本结构？、电阻式传感器的分类，电阻应变片的基本结构？4 4、电感传感器的