3电阻、电感、电容传感器

低l丝材料组合而成
适中、高温，但N,εlin低
敏感栅用厚3～10μm的铜镍合 尺寸小，品种多，静、动特性及散热性
金箔光刻而成
均好。工艺复杂，常用常温。
半 导 体 式 由单晶半导体径切型，切条、 灵敏系数比金属大50～80倍，动特好；
应变片
光刻腐蚀成形再粘贴。
但温度，时间稳定性较差。
特殊用途
ε=(2~5)×105με 大 应 变 的 应 变片、防水、防磁等应变片。
温度、湿度等。
To One
4.2.1 电阻应变片的工作原理
1 金属的应变效应
金属丝（导体）在外力作用下发生机械变形时，其电 阻发生变化，此种现象称为金属的电阻应变效应。
R L / S
To One
3 电阻——应变特性
由物理学可知，一根金属丝的电阻为：
R L
F
式中：R－金属丝的电阻；ρ－金属丝的电阻率；L－长度
F－截面积，
F r2
取一段金属丝如下图示，当金属丝受拉力F时，其L、F、ρ和R 的变化分别为dL、dF、d ρ和dR。
dR dL L dS L d
S
S2
S
dR dL dS d R LS
S r 2 , dS 2 rdr
则 dS 2 dr Sr
2 电阻应变片的结构
1）基底：固定敏感栅及绝缘；0.02～0.04mm厚；纸质或胶 质。
张力测量
To 4.3.2
第4节 电容式传感器
4.1电容式传感器的工作原理及结构形式 4.2传感器的等效电路 4.3传感器的信号调理电路 4.4影响传感器精度的因素 4.5传感器应用
工作原理：利用电容器的原理，将被测非电量转化为电容量 的变化。
优点：结构简单、体积小、分辨率高、频响范围宽、可非接 触测量。
4.1 自感式传感器
3.1.1 工作原理
1 自感型--可变磁阻式
L 原理:电磁感应
N 20 A0 2
线圈自感L W 2 Rm
磁路总磁阻Rm
l1
1 S1
l2
wenku.baidu.com2 S2
2 S
由于铁心与衔铁磁阻 空气隙磁阻
Rm
2 S
则L W 2S 2
相应地，自感式电感传感器分为变气隙厚度电感传感器、变气隙面积S 电感传感器、 变铁芯磁导率电感式传To 感Five器
C0
ba d
b(a x)
bx
Cx
d
C0 d
C
Cx
C0
b d
x
灵敏度Sn
C x
b d
增大极板边长b，减小间隙d，都可以提高灵敏度。但边长a过大，边 缘效应会影响线性特性。
4.1.3 变介电常数式电容传感器
（1）测量液位
C
2 h
ln D
d
（2）测量纸张、绝缘薄膜厚度或粮食、 纺织品、木材或煤等非导电固体介质湿度
4.2.4 电阻应变片的参数
1)应变片电阻值（R0 ）：有60，120，350，600 和1000Ω的各种阻值，120Ω最常见 ；
2)绝缘电阻：即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大 于1010 Ω(1万M) ；
3)灵敏系数K： 要求K大而稳定 ； 4)允许电流 ：电流一般为25mA ； 5)应变极限 ：测量最大的应变值 ； 6)机械滞后、零漂、蠕变 。蠕变：固体材料在保持应力不
第四章、传感器的基本类型及其工作原理
本章学习要求：
1.了解传感器的分类 2.了解电阻、电感、电容式传感器测量原理 3.了解传感器测量电路
4.1 概述
1. 传感器定义
传感器是借助检测元件将一种形式的信息转 换成另一种信息的装置。
物理量
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信 号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非 电信号转换成电信号的装置。
4.2.2 电阻应变片的种类和主要参数
金属电阻 应变片
丝式 箔式
应变片
薄膜应变片
半导体应变片
丝式应变片
回线式应变片
短接式应变片
箔式应变片
利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅， 厚度一般在0.003～0.010mm，粘贴在基片上，上面 再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之 比大，散热条件好，允许通过的电流较大。
工作原理：基于电磁感应现象，利用线圈自感或互感的 改变来实现非电量电测。
应用：位移、振动、压力、应变、流量、比重等的测量。
分类： 电感式传感器
自感式（可变磁阻型） 自感型 涡流式 互感型：差动变压器
特点： ➢结构简单、工作可靠、寿命长 ➢灵敏度高、分辨力高 ➢精度高、线性好 ➢性能稳定、重复性好 ➢缺点：频率响应低，不适宜快速动态测量
B—箔式
F—酚醛类 200 1, 10 150
T—特殊用途 J—聚脂式 350 2, 12 200
A—半导体式 X—缩醛类 500 3 15
P—金属薄片 (650) 4 20
L—临时基底 1000 5 30
可温度自补偿的 材料线膨胀系数
9 11 16 23 27
应变计
金属应变片
4.2.5 电阻应变片的应用 电阻应变式传感器的应用：测力
4.1 概述
3. 传感器的分类
1)按被测物理量分类
常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量;
声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩
4.2 电阻式传感器
➢工作原理：基于应变片的应变效应 ➢特点：
总电容量C
C1
C2
0b0
r1
(L0
L) d0
r2
L
初始电容C0
0 r L0b0
d0
电容相对变化量C C C0 ( r2 1)L
C0
C0
L0
4.4 电容式传感器
4.5 电容式传感器的应用
1.电容式测微仪
用以测量金属表面状况、距 离尺寸、振幅等参数，一般采用 单极式变间隙电容传感器。
C d
2 C0 d0
非线性误差 ( d )2 100%
d0
差动结构的优点： 灵敏度提高一倍； 非线性误差大大下降； 还能减小静电引力带来的误差，改善环境影响造成的误差。
4.1.2 变面积式电容传感器
（1）角位移式
C0
A
d
C
A(1
d
)
C0
C0
C A d
角位移型 + + +
（2）线位移式
缺点：电容量小，输出阻抗高；存在寄生电容，导致性能不 稳定；有的传感器输出特性为非线性。
应用：位移、振动、加速度、压力、液位等。
4.1 电容式传感器的工作原理及结构形式
当忽略边缘效应时
C A
d A 极板面积 d 极板间距
—相对介电常数
根据电容器变化参数的不同，分为3种类型： ① 变间隙式：测量微小线位移 ② 变面积式：测量角位移或较大线位移 ③ 变介电常数式：测量液位、固体厚度、介质湿度、密度
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效 应而制成的一种纯电阻性元件。 压阻效应：当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻 率会发生变化。
4.2.3 各种应变片的特点
丝绕式 应变片
短接式 应变片
箔式 应变片
用耐用性不同合金材料绕制而 可适应不同温度，尤适高温，但横向效
成
应大，散热差。
敏感栅轴向用高ρ丝，横向用 横向效应小，可做成双丝温度白补偿，
4.1.1 变间隙式电容传感器
C A r0 A
d
d
初始电容C0
0A d0
当d0减小d
C 0 A 0 A d0 d d0
电容相对变化C d / d0 d [1 ( d ) ( d )2 ( d )3 ]
C0 1 d / d0 d0
d0
d0
d0
当 d 1 d0
得近似线性关系C d C0 d0
3.变铁芯磁导率式电感传感器
原理：利用某些铁磁材料的压磁效应，又称压磁式传感器。 压磁效应：当铁磁材料受力时，在物体内部产生应力，从而 引起磁导率发生变化。 应用：主要用于测力。
3.1.3 自感式（变磁阻式）传感器的应用
✓用于接触式测量； ✓用于静态、动态测量； ✓用于位移、压力、流量、液位等测量。
4.2 电阻式传感器 案例：机器人握力测量
4.2 电阻式传感器
温度测量电路
R1
R2
E
V
R4 R3
V R2 R4 R1R3 E (R1 R4 )( R2 R3 )
第3节 电感式传感器
3.1 自感式电感式传感器 3.2 差动变压器式电感式传感器 3.3 涡流式电感式传感器 3.4 小结
电感传感器照片
L [1 ( )2 ( )3 ]
L
线性化处理
L L
灵敏度
Sn
L / L
1
特点：非线性误差大，常用于小位移测量，且制作装配比较困难，但灵敏度高。
1.变气隙厚度式电感传感器
初始电感
L W 2S 2
当衔铁位移使气隙减小时，L W 2S W 2S L / 2( ) 2 1 /
To 4.3.1
3.2 差动变压器式电感式传感器
工作原理：利用电磁感应中互感现象将被测量变化转化
为线圈互感的变化。
e12 = - M di /dt M：互感系数，反映了两线圈的
初级线 圈
耦合紧密程度，其大小与两线圈相
对位置及线圈介质的导磁能力有关。
次级线 圈
衔铁为板形，灵敏度高，测量范围窄； 圆柱形衔铁测量较大位移； 可测量微小角位移
2）电阻丝：金属丝绕成栅状，敏感栅。d=0.015～0.05mm。
作用：感应变的变化大小。 3）覆盖层：作用，防潮、防蚀、防损等。 4）引线：通常取直径约为0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线。
4 电阻应变片的横向效应
将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变片敏感栅的 电阻变化较直的金属丝小，从而其灵敏系数较直的金属丝灵敏系数小 的现象。
薄膜应变片
金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩 散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料 薄膜以形成应变片。
这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大， 工作温度范围较广。
To 4.1.3
半导体应变片
优点：体积小、灵敏度高、频率响应范围很 宽。
缺点：温度系数大、测量应变时非线性较严 重。
图4-14 自感式传感器示意图 a)变气隙式 b)变截面式 c)螺管式 1—线圈 2—铁心 3—衔铁 4—测杆 5—被测件
L N 20 A0 2
1.变气隙厚度式电感传感器
初始电感
L W 2S 2
当衔铁位移使气隙减小时，L W 2S W 2S L / 2( ) 2 1 /
当 / 1，按级数展开
传感器灵敏度Sn
C d
C0 d0
可见，要提高灵敏度，应减小d0，但容易引起电容器击穿或短路， 为此，极板间可采用高介电常数的材料，如云母、塑料膜。
1 1 1 C C1 C2
C
0A
0A
d1 / 1d2 / 2 d1 d2 / 2
有了云母片，极板间起始距离可大大减小。
差动式电容传感器
传感器灵敏度Sn
1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。 2）易于实现自动化测量，如多点测量，远距离测量。 3）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。 4）可以测量多种物理量。
➢ 电阻应变式传感器的发展历史 1856年：发现金属材料的应变效应； 1931年：制成第一片应变片； 1940年，发明应变式传感器。
➢ 应变式传感器举例 可测力、压力、应力、位移、加速度、
驻极体电容传声器
它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材 料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取 代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。 特点是体积小、性能优越、使用方便。
4.4 电容式传感器 电容式接近开关
被测物体 感应电极
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 移向接近开关时，物体和接近开 关的极距发生变化，使得和测量 头相连的电路状态也随之发生变 化.接近开关的检测物体，并不 限于金属导体，也可以是绝缘的 液体或粉状物体。
变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
应变片的型号代码
例，标称电阻为120 Ω ，栅长为3mm的箔式应变片
标称电阻值 (Ω) 基底材料种类 应变片类型
B
应变计的栅长 敏感栅结构形状 极限工作温度(℃) X 120－3 CA 100 (11)
S—丝绕式 Z—纸
60 0.2 6 50
D—短接式 H—环氧类 120 0.5 8 100
1. 螺管式差动变压器
1）结构与工作原理
次 螺管形差动变压器按绕组排列方级
线 式有：一段式、二段式、三段式、四 圈
段式及五段式。
其主要结构都是由三部分组成：线初级 圈绕组，可移衔铁，导磁外壳。 线
圈
(a) 三段式
S1 P
S 2
(b) 二段式
2. 差动变压器的应用
板的厚度测量
板的两侧对称 放置两个差动变压器 传感器，板的厚度对 应变压器铁芯位移量， 并由变压器传感器输 出电压信号实现厚度 测量。
当 / 1，按级数展开
L [1 ( )2 ( )3 ]
L
线性化处理
L L
灵敏度
Sn
L / L
1
特点：非线性误差大，常用于小位移测量，且制作装配比较困难，但灵敏度高。
2.变气隙面积式电感传感器
L W 2S 2
灵敏度
Sn
L / L S
W 2 2
特点：线性特性，灵敏度低，常用于角位移测量。