中北大学3常用传感器与敏感元件

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利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器, 除可以测量线位移或角位移外,还可以测量一切可以转换为 位移的其它物理量参数,如压力、加速度等。
按其结构形式不同,可分为线绕式、薄膜式、光电式 等,在线绕电位器中又有单圈式和多圈式两种;按其特性曲 线不同,则可分为线性电位器和非线性(函数)电位器。
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第三章 常用传感器与敏感元件
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
应用1:如图是一个采用单晶硅作成的悬臂梁式弹
性元件,并且采用平面扩散工艺技术,在它上面形成 四个性能一致的电阻,构成全桥;在梁的自由段连接 上敏感质量块,组成悬臂梁应变式加速度传感器。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
应用2:将应变片粘贴于
温度误差大,故需温度补偿或恒温条件下使用;灵敏度 分散度大(由于晶向、杂质等因素的影响);较大应变 下,非线性误差大。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
半导体应变式传感器 利用半导体材料的体电 阻制成粘贴式的应变片,其使用方法和电阻应 变片类似。
金属丝电阻应变片与半导体应变片传感器的区 别主要是:前者利用导体形变引起电阻的变化, 后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。
。此时,传感器的
灵敏度近似为常数。实际应用中,为了提高传感器的
灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件(如电源
电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响,常常
采用差动型电容式传感器。 28
第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
2. 面积变化型电容式传感器
面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数 的作用下来变化极板的有效面积,常用的有角位移型 和线位移型两种。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
上式表明,当被测量δ、A或ε发生变化时, 都会引起电容的变化。如果保持其中的两个 参数不变,而仅改变另一个参数,就可把该 参数的变化变换为单一电容量的变化,再通 过配套的测量电路,将电容的变化转换为电 信号输出。 根据电容器参数变化的特性,电容式 传感器可分为极距变化型、面积变化型和介 质变化型三种,其中极距变化型和面积变化 型应用较广。
图,弹性膜在外力作用下
(气压、液压)发生位移,
使电容量发生变化。电容器
接于具有直流极化电压E0的 电路中,电容的变化由高阻
值电阻R转换为电压变化。
分析表明,可近似为一阶系
统模型,输出电压uy和膜片 移动速度近似成一阶系统的
关系。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
3. 谐振电路 图示为谐振式电路的原理框图,电容传感器的电容C1
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
1. 极距变化型电容式传感器 传感器的灵敏度为
可看出,灵敏度S与极距平方成反比,极距愈小,灵敏
度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。由于
电容量C与极距δ呈非线性关系,故这将引起非线性误
差。为了减小这一误差,通常规定较小的测量范围。
一般取极距变化范围为
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
函数电位器。是其输出电阻(或电压)与电刷位
移(包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系
的一种电位器,

,它
可以实现指数函
数、三角函数、
对数函数等各种特
定函数,也可以是
其它任意函数。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
3.3.2 电阻应变式传感器
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
4.调频电路
传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量使电容 量发生变化时,振荡器的振荡频率将发生变化,频率的变化经过鉴频 器转换为电压的变化,经过放大处理后输出至显示或记录等仪器 。
特点:抗干扰性强、灵敏度高,可测到0.01μm 的位移量。 缺点:电缆电容的影响较大,使用中有些麻烦。
l、 b、 ax—固定极板长、宽及被测物进入两极板中 的长度(被测值);
r1、r2—内、外极筒的工作半径。 上述测量方法中,若电极间存在导电介质时,电极表 面应涂盖绝缘层(如涂0.1mm厚的聚四氟乙烯等),防止 电极间短路。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
3.4.2 测量电路
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第三章 常用传感百度文库与敏感元件
3.4 电容式传感器
若忽略边缘效应,图a、b、 c所示传感器的电容量与被测 量的关系为 :
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
空气δ的、介h电、常ε0数—;两固定极板间的距离、极间高度及间隙中
δx、hx、ε—被测物的厚度、被测液面高度和它的介电 常数;
将电容量转换成电量 (电压或电流)的电路称作电容式传感器的 转换电路,它们的种类很多,目前较常采用的有电桥电路、直流极化 电路、谐振电路、调频电路及运算放大电路等。
1.电桥型电路
所示为电容式传感器的电桥测量电路。电容传感器为电桥的一 部分。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥,该图所示为 一种电感、电容组成的电桥。由电容变化转换为电桥的电压输出,经 放大、相敏检波、滤波后,再推动显示、记录仪器。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.0 概述
传感器,也称为测量变送器,是人类感官的延伸,是 人们认识自然界的有力工具,是测量仪器与被测对象 之间的接口。
传感器,处于测试装置或测控装置的输入端,是测试 控制系统的关键技术,其性能直接影响系统的工作质 量;对测控及信息技术的发展,以及人类观测研究自 然界的深度和广度,都具有重要的实际意义。
为了获得较好的线性关系,一般谐振电路 的工作点选在谐振曲线的线性区域内,最大 振幅70%附近的地方,且工作范围选在BC 段内。 这种电路的优点是比较灵活;其缺点 是工作点不易选好,变化范围也较窄,传感 器连接电缆的杂散电容对电路的影响较大, 同时为了提高测量精度,要求振荡器的频率 具有很高的稳定性。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
对于电阻丝应变片: 对于半导体应变片:
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
半导体电阻应变片的结构和基本工作原理 半导体材料受到应力作用时,其电阻
率会发生变化,这种现象称为压阻效应。实 际上,任何材料都不同程度地呈现压阻效应, 但半导体材料的这种效应特别强。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
半导体压阻式传感器的优点是: a 灵敏度非常高,有时传感器的输出不需放大可直接用于
测量; b 分辨率高,例如测量压力时可测出10~20Pa的微压; c 测量元件的有效面积可做得很小,故频率响应高; d 可测量低频加速度和直线加速度。 半导体压阻式传感器的缺点是:
用机械和电子装置来代替部分脑力劳动,可以说是第 二次或第三次产业革命,这也是当前科学技术发展的 重要课题之一。在这一课题中,传感器的研究是一个 不可忽视的内容。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.2 机械式传感器
典型机械 式传感器 应用如图 3-3所示。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
作为谐振回路(C1、 L1、 L2、C2 )调谐电容的一部分。谐振 回路通过电感藕合,从稳定的高 频振荡器取得振荡电压。当 传感器电容发生变化时,使 得谐振回路的阻抗发生相应 的变化,而这个变化被转换 为电压或电流,再经过放大、 检波即可得到相应的输出。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
金属电阻应变式传感器特点
①精度高,测量范围广; ②使用寿命长,性能稳定可靠; ③结构简单,体积小,重量轻; ④频率响应较好,既可用于静态测量又可用于动态测量; ⑤价格低廉,品种多样,便于选择和大量使用。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
对于硅半导体电阻材料的灵敏系数,比金属丝的要高 50~70倍。最常用的半导体电阻材料有硅和锗,掺入杂 质可形成P型或N型
半导体。由于半导体(如单晶硅) 是各向异性材料, 因此它的压阻效应不仅与掺杂 浓度、温度和材料类型有关, 还与晶向有关,即对晶体的不 同方向上施加力时,其电阻 的变化方式不同。
3.3 电阻式传感器
• 变阻式传感器的原理与特性
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
由式可以看到:当电位器输出端接有输出电阻时,输出电 压与电刷位移并不是完全的线性关系。只有当负载电阻趋于 无群大时, Ku为常数,输出电 压与电刷位移成直 线关系,线性电位 器的理想空载特性 曲线是一条严格的 直线。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
结论:电容转换成电压变化是非线性的。因此,输出 与输人之间的关系出现较大的非线性。采用差动式结 构,可以得到适当改善,但不能完全消除。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
2. 直流极化电路
这种电路,多用于电容
传声器或压力传感器中。见
电阻式传感器的基本原理就是将被测物理量的 变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电 路而最后显示或记录被测量值的变化。按其工 作原理可分为变阻器式(电位器式)、电阻应变 式和固态压阻式传感器三种。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
3.3.1 变阻器式传感器
变阻器式传感器又称为电位器式传感器。它们是由电 阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。电刷相对于电 阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动,因而可以 将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电 压输出。
机械工程测试技术基础
中北大学机械工程与自动化学院
2011年1月
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机械工程测试技术基础,第三版
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 传感器的分类 3.7 压电式传感器 3.2 机械式传感器 3.8 热电式传感器 3.3 电阻式传感器 3.9 光电式传感器 3.4 电容式传感器 3.10 光纤传感器 3.5 电感式传感器 3.11半导体传感器 3.6 磁电式传感器 3.12传感器的选用原则
3.4 电容式传感器
电容式传感器是将位移、压力等被测量的变 化转换成电容量变化的一种传感器。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
3.4.1 变换原理 以最简单的平行极板电容器为例说明其
工作原理。在忽略边缘效应的情况下,平板 电容器的电容量为:
式中ε0—真空的介电常数, A—极(板ε0的=遮8.盖8面54积×(1m0-21)2;F/m); ε—极板间介质的相对介电系数,在空气中, ε=1; δ—两平行极板间的距离(m)。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
结论:面积变化
型电容传感器的优点
是输出与输入成线性
关系,但与极板变化
型相比,灵敏度较低
,适用于较大角位移
及直线位移的测量。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
3. 介电常数变化型 电容传感器 大多用于测量 电介质的厚度、位移、 液位,还可根据极板 间介质的介电常数随 温度、湿度、容量改 变而改变来测量温度、 湿度、容量等。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
电阻应变式传感器简称电阻应变计,它是用高 电阻率的细金属丝,绕成如图所示的栅状敏感元件 1,用粘结剂牢固地粘在基底2、4之间,敏感元件 两端焊上较粗的引线3。当将电阻应变计用特殊胶 剂粘在被测构件的表面上时,则敏感元件将随构件 一起变形,其电阻值也随之变化,而电阻的变化与 构件的变形保持一定的线性关系,进而通过相应的 二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在 构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接,即可测 得应力、变形、扭矩等机械参数。电阻应变式传感 器可分为电阻应变片式与半导体应变片式两类。
被测构件上,直接用来 测定构件的应力或应变。 例如,为了研究或验证 机械、桥梁、建筑等某 些构件在工作状态下的 受力、变形情况,可利 用形状不同的应变片, 粘贴在构件的预测部位, 可测得构件的拉、压应 力、扭矩或弯矩等。
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第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
应 用 3 :
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第三章 常用传感器与敏感元件
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