常用传感器工作原理及测量电路市公开课一等奖省赛课获奖课件

第一章传感器及其应用

—惯用传感器工作原理和测量电路—

常用传感器工作原理及测量电路第1页

一电阻式传感器工作原理

电阻式传感器测量原理:被测非电量ΔR

电量输出其基本原理为：设有一根长度为L，截面积为A，电阻率为ρ金属丝，则它电阻值R可用下式表示：常用传感器工作原理及测量电路第2页

三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ，假如发生改变，则它电阻值R随之发生改变，组成不一样电阻传感器：1、长度L发生改变——电位器式传感器；2、截面积A、长度L发生改变——电阻应变片传感器；3、电阻率ρ发生改变——热敏电阻、光导性光检测器等。常用传感器工作原理及测量电路第3页电位器式传感器

经过滑动触点把位移转换为电阻丝长度改变，从而改变电阻值大小，进而再将这种改变值转换成电压或电流改变值。电位器式传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型等，如图所表示。常用传感器工作原理及测量电路第4页电位器式传感器普通采取电阻分压电路，将电参量R转换为电压输出给后续电路，如图所表示。当触头移动时，输出电压为：常用传感器工作原理及测量电路第5页二电容式传感器工作原理

S——极板相对覆盖面积；

d

——极板间距离；

εr——相对介电常数；

ε0——真空介电常数，；

ε——电容极板间介质介电常数。δSε常用传感器工作原理及测量电路第6页变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)常用传感器工作原理及测量电路第7页1.变极距型电容传感器非线性关系若△d/d<<1时，则上式可简化为若极距缩小△d最大位移应小于间距1/10差动式改进其非线性初始电容常用传感器工作原理及测量电路第8页2.变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容改变量化为△C与△x间呈线性关系常用传感器工作原理及测量电路第9页电容式角位移传感器当θ=0时

当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系常用传感器工作原理及测量电路第10页3.变介电常数型电容式传感器初始电容电容式液位传感器电容与液位关系为：常用传感器工作原理及测量电路第11页4电容式传感器应用

(1)电容式差压传感器(2)电容式加速度传感器(3)电容式振动位移传感器常用传感器工作原理及测量电路第12页三电感式传感器工作原理

自感式传感器li——各段导磁体长度；

Ui——各段导磁体磁导率；

Si——各段导磁体截面积；δ——空气隙厚度；

U0

——真空磁导率;S——空气隙截面积线圈自感

常用传感器工作原理及测量电路第13页变气隙型传感器变截面型传感器常用传感器工作原理及测量电路第14页变间隙式电感传感器传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体位移将引发空气隙长度发生改变。因为气隙磁阻改变，造成了线圈电感量改变。

线圈电感：N为线圈匝数，Rm为磁路总磁阻。特点：灵敏度高，非线性误差较大，制作装配比较困难。常用传感器工作原理及测量电路第15页变面积型电感传感器气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量改变面而改变，从而造成线圈电感量发生改变。灵敏度低，线性很好，量程较大，使用比较广泛。常用传感器工作原理及测量电路第16页螺管型电感传感器衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上磁阻发生改变，线圈电感量也所以而改变。线圈电感量大小与衔铁插入线圈深度相关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和批量生产，是使用最广泛一个电感式传感器。常用传感器工作原理及测量电路第17页差动式电感传感器为了改进线性在实际中大都采取差动式，采取两个相同传感线圈共用一个衔铁。要求两个导磁体几何尺寸及材料完全相同，两个线圈电气参数和几何尺寸完全相同。常用传感器工作原理及测量电路第18页差动式优点：1、线性好；2、灵敏度提升一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；3、温度改变、电源波动、外界干扰等对传感器影响，因为能够相互抵消而减小；4、电磁吸力对测力改变影响也因为能够相互抵消而减小。

常用传感器工作原理及测量电路第19页2差动变压器传感器（互感）

互感式传感器本身是其互感系数可变变压器，当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出，互感改变时，输出电压将作对应改变。普通，这种传感器二次侧线圈有两个，接线方式又是差动，故常称之为差动变压器式传感器。常用传感器工作原理及测量电路第20页两个次级绕组同名端则反向串联。常用传感器工作原理及测量电路第21页图3.2.6差动变压器输出电压特征曲线常用传感器工作原理及测量电路第22页差动变压器结构类型

常用传感器工作原理及测量电路第23页（3）差动变压器应用

力和力矩测量微小位移测量压力测量加速度传感器常用传感器工作原理及测量电路第24页四压电式传感器工作原理

压电式传感器是以一些晶体受力后在其表面产生电荷压电效应为转换原理传感器。压电效应：一些晶体在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，对应在晶体两个表面产生符号相反电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。看成用力方向改变时，电荷极性也伴随改变，这种现象称为压电效应。压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面聚集电荷，电荷量相等，极性相反，相当于一个以压电材料为电介质电容器。可测量能变换为力各种物理量。常用传感器工作原理及测量电路第25页惯用压电材料石英晶体水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、磷酸二氢钾等）铌酸锂晶体压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）压电半导体高分子压电材料常用传感器工作原理及测量电路第26页石英晶体压电效应是二氧化硅单晶，属于六角晶系。常用传感器工作原理及测量电路第27页石英晶体优点：它介电常数和压电常数温度稳定性很好；工作温度范围很宽；机械强度高，可承受108Pa压力；在冲击作用下，漂移也很小；弹性系数较大。可用于测量大量程力和加速度常用传感器工作原理及测量电路第28页压电陶瓷压电效应是一个多晶体电体，含有电畴结构压电材料。电团是分子自发形成区域，它有一定极化方向。常用传感器工作原理及测量电路第29页压电式传感器应用压电式力传感器压电式压力传感器压电式加速度传感器常用传感器工作原理及测量电路第30页电桥电路又叫惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电感等参数改变转换为电压或电流输出一个测量电路。

电桥电路按其所采取激励电源类型

直流电桥交流电桥工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。在传感器应用中主要是不平衡电桥。

四传感器测量电路常用传感器工作原理及测量电路第31页1直流电桥直流电桥桥路输出常用传感器工作原理及测量电路第32页（1）平衡电桥：IL=0时平衡条件:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4

R1+⊿R1R2R4R3UILRL常用传感器工作原理及测量电路第33页（2）不平衡直流电桥

当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路.电桥输出式为：应变片工作时，其电阻改变ΔR

常用传感器工作原理及测量电路第34页采取等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R

。此时有：当ΔRi<<R(i=1,2,3,4)时，略去上式中高阶微量，则常用传感器工作原理及测量电路第35页①

ΔRi<<R时，电桥输出电压与应变成线性关系。②若相邻两桥臂应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为二者之差；若相邻两桥臂应变极性不一样，则输出电压为二者之和。③若相对两桥臂应变极性一致，输出电压为二者之和；反之则为二者之差。④电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。不过，当U大时，电阻应变片经过电流也大，若超出电阻应变片所允许经过最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。⑤增大电阻应变片灵敏系数K，可提升电桥输出电压。常用传感器工作原理及测量电路第36页略去分母中ΔR1/R1项,假设ΔR1/R1<<1理想线性关系：实际输出电压：电桥相对非线性误差：单臂电桥：即R1桥臂改变ΔR常用传感器工作原理及测量电路第37页半桥差动电桥R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2常用传感器工作原理及测量电路第38页R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

严格线性关系电桥灵敏度比单臂时提升一倍温度赔偿作用常用传感器工作原理及测量电路第39页输出电压为：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3全桥差动电路常用传感器工作原理及测量电路第40页恒流源供电电桥假设ΔRT为温度引发电阻改变电桥输出为电桥输出电压与电阻改变成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，所以测量不受温度影响。常用传感器工作原理及测量电路第41页2交流电桥

假如电桥供电电源为交流电压时，这种电桥称为交流电桥。为适应电感、电容式传感器需要

交流电桥通常采取正弦交流电压供电，在频率较高情况下需要考虑分布电感和分布电容影响。

常用传感器工作原理及测量电路第42页（1）交流电桥平衡条件交流电桥四臂可认为：电阻、电容、电感或变压器两个次级线圈交流电桥四个桥臂分别用阻抗、、、表示

交流电桥平衡条件为：

电阻交流电桥

电感电桥电容电桥变压器电桥电路

常用传感器工作原理及测量电路第43页电阻交流电桥1、单臂电阻；2、等臂差动电桥；3、全桥交流电桥。常用传感器工作原理及测量电路第44页电感电桥

两相邻桥臂为电感L1和L2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中和为电感线圈有功电阻。

若设Z1、Z2为传感器阻抗

且则有另有

常用传感器工作原理及测量电路第45页

因为电桥是双臂工作，所以接入是差动电感式传感器两差动电感，工作时：

电桥输出电压为：

当ωL＞＞R'时，上式可近似为：

交流电桥输出电压与传感器线圈电感相对改变量成正比。

常用传感器工作原理及测量电路第46页电容电桥

两相邻桥臂为电容C1和C2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中和为电容介质损耗电阻。

设Z1、Z2为传感器阻抗，

且有

因为电桥是双臂工作，所以接入是差动电容式传感器两差动电容，

常用传感器工作原理