参数式传感器及其应用

测试技术——

参数式传感器及其应用第四章问题：1.测量位移可以采用什么传感器？2.为什么实际中的电容及电感传感器常采用差动形式？3.电涡流传感器一般测量什么量，其工作原理是什么？内容4.1传感器概念4.2电阻式传感器4.3电容式传感器4.4电感式传感器重点：掌握每种传感器的工作原理及其应用1)基本概念国家标准（GB7665—87）对传感器定义:

感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置内涵：一个指定的传感器，只能感受规定的物理量输入输出关系服从一定规律传感器的输出信号中载有被测量信息4.1传感器概念

什么是传感器？重要作用：机械量检测中不可缺少的首要环节它的精度直接影响测试系统的整体测试精度工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表传感器Transducer/Sensor/probe

4.1传感器概念

2)组成敏感元件转换元件转换电路被测量电量敏感元件直接感受被测量（如：位移）转换为有确定关系的、易变成电参数的其它物理量（如：应变）转换元件将其它物理量直接转换为有确定关系的电参量的元件（如：电阻）有的传感器两元件合二为一。

一般传感器4.1传感器概念

敏感元件力、转矩应变转换元件应变电阻

转换电路电阻电压测力环测扭矩轴拉力传感器4.1传感器概念

可见（1）敏感元件可以将被测量进行多于一次的变换；（2）敏感元件可以是多个零件的组合体。位移传感器敏感元件直线位移径向位移径向位移弯曲变形弯曲变形应变转换元件应变电阻4.1传感器概念

波登管一端开通，一端封闭，当流体进入管中后封闭端产生位移，其位移大小正比于流体的压强。敏感元件：波登管（C型管）压强→位移转换元件：衔铁位移→电感5—C型弹簧管6、8—线圈7—衔铁9—机械零点调零螺钉

4.1传感器概念

基本特性包括静态特性与动态特性两大类性能指标。静态特性

量程、灵敏度、分辨率、精度、非线性、稳定性等。动态特性可用频率范围动态放大比设计或选用时必须考虑的问题3)传感器基本特性4.1传感器概念

4)传感器分类

一种被测量可以用不同类型的传感器来测量同一原理的传感器通常又可测量多种非电量输入量分类法可分为温度、压力、位移、速度、湿度等传感器。该分类法适合于用户和销售商，便于很明确地根据用途选用传感器。输出量分类法

可分为参数式传感器和发电式传感器两类。该分类法适合研发者和学习者，以便于掌握传感器的工作原理。4.1传感器概念

将输入的机械参数变化转变为电参数变化的传感器。常用的有电阻、电感和电容式三种基本参数传感器。这种传感器由于在工作时其本身没有内在的能量转换，而不能产生电信号输出，故常常也被称之为无源传感器。

将输入的机械参数信号直接转变为电信号输出的传感器。常用的有压电式、磁电式、光电式、霍尔式以及热电式等类型传感器。在工作时其本身就有内在的能量转换，且能够产生电信号输出，故它常常也被称之为有源传感器。

参数式传感器发电式传感器

本章重点介绍参数式传感器及其应用

下一章将介绍发电式传感器及其应用4.1传感器概念

定义：将非电量变化转换为电阻变化的传感器分类：敏感元件

.弹性元件、热敏元件、滑块转换元件电阻转换电路直流电桥4.2电阻式传感器电阻R电阻应变式热电阻式电位计式电阻式传感器测应变测温度测位移应变式传感器的工作原理：利用微应变与电阻的关系

根据电阻定律，导体或半导体的电阻可以表示为：第一项表示材料几何尺寸变化引起的电阻变化第二项表示材料特性电阻率变化引起的电阻变化1）

应变片式传感器材料在轴向受力的作用，产生机械变形/结构变形——微应变取对数再微分：已知：可得：——电阻应变式传感器4.2电阻式传感器分析电阻率变化（1）金属材料-与体应变成比例

式中：C比例常数（2）半导体材料-取决于压阻效应式中：л半导体材料在受力方向压阻系数

E半导体材料的弹性模量——电阻应变式传感器4.2电阻式传感器金属材料一般ν≈0.3，C≈1，因此金属材料的电阻应变效应主要来自结构尺寸的变化——尺寸效应，且灵敏系数较小，约为2.0左右。半导体材料

лE>>(1+2ν)，因此半导体材料的电阻变化主要来自

压阻效应，灵敏系数较大，约为50～200，分散性大。——电阻应变式传感器4.2电阻式传感器应变片式传感器技术参数类型金属应变片半导体应变片测量范围με0.1～500000.001～3000灵敏系数1.8～4.550～200标称阻值Ω120，350，600，…，50001000～5000电阻受温度影响温度系数是正值温度系数一般是负值电阻容差0.1%～0.35%1%～2%有效栅长度/mm0.4～150标准值：3～101～5——电阻应变式传感器4.2电阻式传感器金属应变片与半导体应变片的性能比较——电阻应变式传感器金属应变片：

优点是灵敏度一般为常数。

温度影响比半导体小，由温度引起的电阻变化与试件应变带来的电阻变化也几乎是同一数量级。

缺点是灵敏度较低，需要放大电路。半导体应变片：

优点是灵敏度高，比金属材料约高50倍，因此有时可以不加放大器，使测量电路大大简化。

缺点是电阻温度系数大，比常用金属丝材料大几十倍，因此对温度过于敏感；

此外大应变时灵敏度不为常数4.2电阻式传感器为什么是缺点？应变片结构目前主要使用金属箔式应变片——电阻应变式传感器各种形式应变花4.2电阻式传感器常用金属应变片材料康铜(铜镍为主的合金)：常用的电阻丝材料（电阻温度系数低）卡玛合金：比康铜具有更长的疲劳寿命和更宽的温度范围

适用于长时间静态测量铂钨合金：具有极长的疲劳寿命应变片性能对绝缘电阻要求高：

粘贴的应变片与被测试件之间的电阻值一般要求R＞108Ω限制最大工作电流Imax：

应变片敏感栅允许通过的不影响其工作特性的最大电流值

通常静态测量取25mA左右，动态测量可取75～100mA——电阻应变式传感器？4.2电阻式传感器柱式应变片式传感器的应用膜片式（气体、液体）等截面梁双孔梁S型拉力梁——电阻应变式传感器等截面梁4.2电阻式传感器应变片的安装安装质量力传递效果

测量效果安装方向：应变大的方向——应变片纵向安装方法：粘贴法、焊接法和喷涂法，其中粘贴法最为常用——电阻应变式传感器应用中注意事项1：4.2电阻式传感器应变传感器温度误差及补偿温度引起的测量误差温度效应：阻值随温度变化热膨胀效应：不同的线膨胀系数导致不同应变电阻温度效应热膨胀效应Rt、R0—应变片在温度t、t0时电阻值α—应变片电阻丝的电阻温度系数β—电阻丝材料和试件材料的线膨胀系数Ｓ—应变片灵敏系数Δt—温度变化量——电阻应变式传感器应用中注意事项2：4.2电阻式传感器温度补偿方法一：采用桥路补偿方法电桥特征：输出电压与相邻臂阻值之差成比例。因此：电桥可以实现温度补偿。——电阻应变式传感器温度补偿方法二：采取自补偿应变片（适当选择温度系数及线膨胀系数敏感珊材料）合理选择敏感栅材料,即其电阻温度系数α、线膨胀系数β使等式为零。4.2电阻式传感器2）

热电阻式传感器——测量温度工作原理：

利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做电阻式温度传感器。

两种类型

金属热电阻：纯金属是制造热电阻的主要材料

可以应用于热电阻的金属有铂、铜、镍、铁等

半导体热敏电阻：分为三类：

负温度系数热敏电阻（NTC）；

正温度系数热敏电阻（PTC）；

临界温度系数热敏电阻（CTC，在一定温度下电阻值会发生突变）。PTC和CTC型在一定温度范围内，阻值随温度剧烈变化，因此常用作开关元件，温度变化测量主要使用NTC型热敏电阻。

——热电阻式传感器4.2电阻式传感器两种类型热电阻特点：

A.灵敏度温度升高1℃：大多数金属的阻值要增加0.4~0.6%——正温度效应

NTC半导体的电阻值要减小3~6%——负温度效应——热电阻式传感器一般纯金属在温度变化范围不大时，电阻值与温度的关系近似为线性NTC半导体的电阻值与温度的关系为非线性关系

其中，B是热敏电阻的材料常数。B.线性度4.2电阻式传感器电阻—温度特性曲线铂、铜的电阻特性曲线比较理想半导体的电阻特性曲线——热电阻式传感器4.2电阻式传感器热电阻材料选择电阻温度系数α要大，制成的温度传感器的灵敏度高。电阻温度系数与材料的纯度有关，纯度越高，α值就越大，且稳定电阻率要大，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小，对温度变化的响应就比较快在整个测量范围内，物理化学性质稳定、线性、良好重复性易于加工复制，价格便宜——热电阻式传感器4.2电阻式传感器常用热电阻：

（1）铂电阻：

化学稳定性很高，容易提纯，便于加工

是最常用的金属热电阻材料用于-259.34～630.74℃范围内的测温

是基准温度计——热电阻式传感器4.2电阻式传感器薄膜铂电阻用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在2μm以内，用玻璃烧结料固定Ni(或Pd)引线，制成薄膜元件.特点：微型化、反应快——热电阻式传感器4.2电阻式传感器（2）铜电阻优点：温度系数α高，价格低廉，易于提纯在-50～150℃范围内近似呈线性关系缺点：电阻率小，体积较大，铜电阻丝细而长，故机械强度降低易氧化，只能用于无侵蚀性介质——热电阻式传感器4.2电阻式传感器几种金属热电阻材料特性——热电阻式传感器

镍和铁电阻虽然也适合做热电阻，但由于易氧化、非线性严重，较少应用.4.2电阻式传感器（3）锗电阻锗是最常用的半导体材料，纯锗在低温下电阻率太大,对温度的灵敏度也不高，因此必须掺杂微量的杂质.

特点：具有负的电阻温度系数：温度降低时，其电阻值增加，灵敏度增大电阻温度关系很稳定，重复性很好——迄今所研究过的半导体中最理想的低温测量元件标定一次可长期使用，而且它的测量精度可达到0.005K许多国家将锗电阻温度计作为4.2K~20K之间的标准测温仪表——热电阻式传感器4.2电阻式传感器3）

电位计式电阻传感器原理：将线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻结构：带有直线或旋转滑动触头的电阻器件种类：按结构形式可分为绕线式、薄膜式等——电位计式传感器4.2电阻式传感器4）

电阻式传感器的应用（1）应变式力传感器被测物理量：载荷或力

各种类型的测力元件，测量范围从1mN～108N特点：分辨率高，误差较小，测量范围大，静态与动态都可测，能在严酷环境下工作柱式测力元件：体积小、结构紧凑、构造简单柱式这是一个重要特性！4.2电阻式传感器

（2）应变式压力传感器被测物理量：液体、气体的动态和静态压力例如：动力管道设备进、出口气体和液体的压力，发动机喷口压力，内燃机管道压力等。4.2电阻式传感器结构：膜片式或筒式弹性元件在压力的作用下，圆膜片产生径向应变和切向应变应变片（3）应变式扭矩传感器原理：弹性元件在传递转矩时产生应变

轴受到扭矩作用时，剪切应变与它所传递的扭矩有线性关系

其中：Me转轴所受的扭矩、G剪切模量、W扭转模量

应变片扭矩传感器径向刷式集流环示意图1-扭矩轴；2-应变片；3-绝缘环；4-滑环；5-电刷4.2电阻式传感器（4）热敏电阻：种类繁多；由单晶、多晶以及玻璃、塑料等半导体材料制成

PTC、CTC热敏电阻随温度变化阻值变化剧烈，常用开关元件NTC测量灵敏度较高、成本低、体积小（点温度测量），可满足不同测温对象的要求，而且适合动态测量缺点是性能不稳定，互换性差，导致测量精度不高——空调系统的温控元件a)圆片型b)柱型c)平板型d)结构组成e)符号——热电阻式传感器4.2电阻式传感器1—膜盒

2—连杆

3—曲柄4—电刷5—电阻元件（5）电位计式压力传感器

敏感元件将被测量转换为机械位移，再由电位计将位移转换为与之成对应关系的电阻或电压信号输出。4.2电阻式传感器传感器定义：感受特定量、一定规律、可用输出信号组成：敏感元件、转换元件电阻式传感器1）应变式传感器

原理:结构尺寸效应、压阻效应2）热电阻传感器：

原理：热阻效应3）电位计传感器：

原理：滑动触头位移改变阻值电阻式传感器回顾

2）工作原理在忽略边缘效应的情况下，平行极板电容器的电容量:

δAεUQ3）基本类型

变极距δ：位移

变面积A：位移、压力（差动）变介质ε：厚度、液位工作原理：将被测量的变化转换为电容参数的变化。4.3电容式传感器1）组成：由两个平行导体（板）构成的电容。A（1）变极距式

两极板在被测对象作用下,间隙δ发生变化

电容量C与极距δ呈非线性关系，为了减小非线性误差，极距不能太小，通常极距变化范围/00.01～0.1。此类电容传感器仅适于微小位移的测量（0.001mm～零点几毫米）；灵敏度s与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，为了提高灵敏度，极距应尽可能小极距减小受限制：一是非线性误差增大；二是容易发生电容极板间的电击穿。一般初始极距0＝0.1～1mm左右。用于非接触测量灵敏度4.3电容式传感器如何既能改善非线性、又能提高灵敏度？性能改进方法——差动方式

两个变极距电容传感器，被测位移使动片变化，引起极距差动变化，两个输出电容也差动变化：一个增大、一个减小。

如果在电路设计上实现：输出量与两个电容变化量之差成比例，则差动方式的灵敏度就是原来2倍。

差动电容传感器常采用交流电桥进行放大，两个电容就是电桥的相邻两个桥臂。动片定片定片δδ4.3电容式传感器什么电路可以实现此功能？差动变极距式电容传感器性能分析：

对于两个极板构成的平行极板电容器，见图(a),假设动极板上移时，极板间距由初始距离变为，电容变化：

则电容的相对变化量为：

因为<<1，将上式按幂级数展开,得到忽略二次以上高次项的近似解.

对于三个极板构成的差动电容器，见图(c),假设动极板上移时，上、下极板间距分别变为与，电容为得到了忽略三次以上高次项解。可见：差动电容器灵敏度提高，非线性误差减小。4.3电容式传感器（2）变面积式：相对面积变化

灵敏度可见:

灵敏度为常数，输出特性为线性;减小极距δ可提高灵敏度;可测量1cm～10cm中等大小的位移.应用中也采用差动方式：提高灵敏度

4.3电容式传感器（3）变介质式内圆筒外圆筒介质灵敏度可见：

灵敏度为常熟，输出特性为线性；增加面积A、减小极距δ可提高灵敏度。应用

液位高低片状材料的厚度4.3电容式传感器4）电容式传感器优、缺点优点：分辨率高（变极距式）精度高达0.01%动态特性好，适合测量动态量能量损耗小非接触测量结构简单，环境适应性好（高温、辐射等）缺点：电缆分布电容影响大4.3电容式传感器

5）电容测量时的几点考虑抗干扰：电容量很小（几个pf~几十个pf），易受外界电场干扰，因此：

采用输入阻抗高，噪声低的前置放大器引出线应尽量短

采用屏蔽线，而且屏蔽线与壳体及可动电极应有可靠的接地

尽量减小外电场的干扰；极板间绝缘材料要求高：通常要求绝缘电阻在100MΩ以上，以减小漏电阻对测量精度的影响；环境温度影响：

采用补偿电桥以抵消介电常数随温度的变化尽量选择膨胀系数低的材料制造电容式传感器，以减小尺寸随温度的变化。4.3电容式传感器如何补偿？6）电容式传感器典型结构

变极距(δ）型:(a)、(e)

变面积型(A)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）

变介电常数(ε)型:（i）～(l)4.3电容式传感器7）电容式传感器的应用（1）电容式转速传感器（2）电容式厚度传感器——电容式传感器的应用4.3电容式传感器（3）电容式压差传感器结构：变间隙差动方式电容传感器固定极板:两个凹面镀金的玻璃圆盘可动电极:一个金属(不锈钢)膜片当p1≠p2时，膜片弯向一侧，那么两个差动电容一个增大、一个减小，且变化量大小相同当压差反向时，差动电容变化量也反向特点：结构简单，灵敏度高，响应速度快(约100ms)，能测微小压差(0～0.75Pa)电容式差压传感器结构示意图1－金属镀层2－凹形玻璃3－膜片4－过滤器5－外壳——电容式传感器的应用4.3电容式传感器（4）电容式加速度传感器

微加速度传感器：上、下电极固定不动，动片是左端固定在衬底上的悬臂梁，可以上下振动。三维方向的振动或加速度测量：在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器

3硅衬底，4底层多晶硅——下电极，5中间层多晶硅——振动片；6顶层多晶硅——上电极——电容式传感器的应用4.3电容式传感器宏观尺度电容式加速度传感器变极距式电容传感器产品举例非接触DWC型电容式位移测量仪：平面、圆柱面线性量程:5/10/50/100/500/1000/2000/3000/4000/5000μm分辨率:0.01%FS

非线性:0.25%FS

频响:0--7.5KHz

电源:+15V,-15V

输出:-5V--+5V

温度稳定性:0.25%FS/h

具有自校灵敏度.非线性功能——电容式传感器的应用4.3电容式传感器电容式传感器回顾特点结构简单、分辨率高、工作可靠、可非接触测量类型类型灵敏度特性常测量应用形式变极距式非线性微小位移0.001—﹤1mm压力、加速度常用差动变面积式线性中等位移1-10cm常用差动变介质式线性液位厚度定义及分类：

基于电磁感应原理，将被测量转化为电感量.

可测量的物理量位移压力流量电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型4.4电感式传感器

分类：1）自感型变磁阻传感器

组成：自感型变磁阻传感器由线圈、铁心、衔铁三部分组成。原理：将被测量的变化转换为线圈自感系数的变化。

由于铁心磁导率远远大于空气磁导率，自感传感器的自感量为：气隙面积、气隙长度改变时，均会引起磁路磁阻变化.4.4电感式传感器

磁路磁阻Rm由铁心和衔铁的磁阻Rf和气隙磁阻两部份组成，即：设线圈匝数为N，线圈自感L的定义为：其中：自感型变磁阻传感器灵敏度

变面积式灵敏度变气隙式灵敏度自感型变磁阻传感器类型

变面积式变气隙式灵敏度低，较少使用灵敏度高，常用变气隙式灵敏度也可表示为4.4电感式传感器

自感传感器缺点：

（a）变面积型工作特性是线性的，但灵敏度低；（b）变气隙型灵敏度高,但非线性严重；为减小非线性误差，气隙的初始值δ0不宜过小；为获得较高灵敏度，气隙的初始值δ0不宜过大；

=0.1～0.5mm，=(1/5～1/10)

仅测量较小位移0.001——﹤1mm；（c）铁心对衔铁的吸力比较大。如何既提高灵敏度又改善非线性？4.4电感式传感器

双边差动式自感型传感器结构：自感传感器采用两个线圈激磁，共用一个活动衔铁组成，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输出。应用：主要用于位移测量，也可以用于振动、压力、流量、液位等参数测量

差动式自感型传感器可以使两线圈对衔铁吸引力相互抵消工作范围可以达到气隙的30%，测量范围可达2mm

实际使用的电感传感器几乎全是差动的4.4电感式传感器

2）互感式差动变压器互感式电感传感器，是一种线圈互感值随铁芯位移改变而变化的变磁阻式传感器，其原理类似于变压器。它主要用于位移测量，也可以用于振动、压力、流量、液位等参数测量。当它用于精密小位移测量时，一般约为0.001~lmm。应用最多的就是螺线管式差动变压器，它具有测量精确度高、测量范围大（可扩大到数百mm，视结构尺寸而定）、稳定性好和使用方便等特点。4.4电感式传感器

组成：两个线圈、一个铁芯原理：互感型电感式传感器工作时，线圈1通入交变电流，在线圈附近空间产生磁通，从而在线圈2产生感生电压。即：式中，M21是两线圈之间的互感系数，即：当铁芯在两个线圈的孔中左、右移动时，M21随着N21变化，u2随之变化

传感器工作原理：将被测量的变化转换为线圈互感系数的变化。注意：u2与x之间的关系呈现非线性，灵敏度也低实用中常采用双边差动变压器结构改善其非线性、提高灵敏度。

4.4电感式传感器

互感式差动变压器组成：初级线圈、完全对称的反极性串联的次级线圈、铁芯原理：输出电压幅值与铁芯位移大小成正比理论实际Δx0—零点UT

—残余电压WW1W2WPx三段式双边差动变压器量程10-20mm4.4电感式传感器

调零电阻R解决输出存在的零点残余电压相敏检波解决铁心位移的方向性（单输出对应多输入）优点：输出功率大，性能稳定，精度高。缺点：不能反映其方向输出电压存在一定的零点残余电压

4.4电感式传感器

二段式差动变压器测量技术

测量大位移时可采用两段式差动变压器,工作行程可达数百毫米（线圈布局不同、心棒构造不同）

l（1L、1R）一感应线圈

2一铁心

3一滑动支承4一外壳

5一端盖

6一磁极

7一胶木管

8一励磁线圈灵敏度一般可达0.5-5V/mm

。为提高灵敏度，励磁电压在10V左右，电源频率以1-10kHz为好。差动变压器4.4电感式传感器

3）电涡流传感器涡流效应（电磁感应定律）：块状金属置于变化着的磁场中或在磁场中运动时，金属内会产生感应电流，这种电流在金属体内自身闭合，称为电涡流，此现象为电涡流效应。

(与变压器原理相似,二次侧只有一匝并且输出端总是短路的。)组成：高频激励电流+线圈表征：电涡流线圈的等效阻抗

Z=R+jωL=F（i1、f、、、t、x）

靠近的被测导体内产生电涡流i2，它也产生交变磁场H2，H2的方向与H1的方向相反。由于磁场H2的反作用，导致传感器线圈阻抗变化。测量原理：线圈阻抗与距离x、导体、、t有关，通过测量阻抗变化获得位移、振动、材料鉴别、探伤等灵敏度取决于被测面材料(、、t)4.4电感式传感器

电涡流传感器特性(1)电涡流在金属导体的纵深方向不是均匀分布的，只集中在导体表面。频率越高，渗透深度越浅频率越低，渗透深度越深因此，改变频率可控制检测深度。(2)当被测对象的材质改变时，输出的特性曲线也不同，使用时要注意。优点：非接触测量、线性好，工作范围宽，

分辨率高，受温度、湿度的影响小，

使用调整也比较方便。缺点：灵敏度稍低于变气隙式电容传感器。

这点优于电容传感器！4.4电感式传感器

如何利用它？一体化电涡流位移/振动传感器（内置前置器）

常用的涡流探头＋前置器eddyNCDT3300涡流式传感器线性量程:2mm绝对误差:≤±0.25%FS分辨率:0.005%FS频率响应:25kHz(-3dB)探头适用温度：-50℃至+150℃4.4电感式传感器

（1）自感压力传感器结构膜盒——弹性敏感元件