《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》配套PPT課件

《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》配套PPT課件,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù),機(jī)械工程,測(cè)試,技術(shù),配套,PPT,課件 第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件1*第三章第三章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1.1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.2.掌握常用傳感器測(cè)量原理掌握常用傳感器測(cè)量原理3.3.了解傳感器測(cè)量電路了解傳感器測(cè)量電路第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件2*第第3 3章章 常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件sensor（Transducer）3.1 常用傳感器分類常用傳感器分類(Classification)(Classification)3.2 機(jī)械式機(jī)械式傳感器及儀器傳感器及儀器(Themechanicalsensorandinstrument)3.3 電阻、電阻、電容與電感電容與電感式傳感器式傳感器(Resistor,inductorandcapacitorandsensor)3.4磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器(Magnetic,piezoelectricandpyroelectricsensor)3.5光電光電傳感器傳感器(Photoelectricsensor)第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件3*3.6光纖光纖式式傳感器傳感器（Opticalfibersensor）3.7半導(dǎo)體半導(dǎo)體傳感器傳感器（Semiconductorsensor）3.8紅外測(cè)試系統(tǒng)（紅外測(cè)試系統(tǒng)（Infraredtestsystem）3.10傳感器的傳感器的選用原則（選用原則（Theselectionprincipleofthesensor）3.9激光測(cè)試傳感器（激光測(cè)試傳感器（Lasermeasurementsensor）第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件4*1.1.傳感器定義傳感器定義 傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。換成另一種信息的裝置。物理量物理量電量電量目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測(cè)傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測(cè)試裝置的工作質(zhì)量。試裝置的工作質(zhì)量。3.1 常用傳感器分類常用傳感器分類(Classification)(Classification)第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件5*2.2.傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。dV第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件6*3.3.傳感器的分類傳感器的分類1)1)按被測(cè)物理量分類按被測(cè)物理量分類常見的被測(cè)物理量常見的被測(cè)物理量機(jī)械量機(jī)械量:長(zhǎng)度長(zhǎng)度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量質(zhì)量,重量重量,力力,壓力壓力,真空度真空度,力矩力矩,風(fēng)速風(fēng)速,流速流速,流量流量;聲聲:聲壓聲壓,噪聲噪聲.磁磁:磁通磁通,磁場(chǎng)磁場(chǎng).溫度溫度:溫度溫度,熱量熱量,比熱比熱.光：光：亮度，色彩亮度，色彩第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件7*機(jī)械式機(jī)械式,電氣式電氣式,光學(xué)式光學(xué)式,流體式等流體式等.2)2)按工作的物理基礎(chǔ)分類按工作的物理基礎(chǔ)分類:第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件8*能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)3)按信號(hào)變換特征按信號(hào)變換特征:能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型:直接由直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作使其工作.例如例如:熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì).能量控制型能量控制型:從外部供給能量并由從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部被測(cè)量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化.例如例如:電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片.第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件9*4)4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來 實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換.如如:水銀溫度計(jì)水銀溫度計(jì).結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變.例如例如:電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器.第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件10*微型探測(cè)開關(guān)測(cè)力計(jì)壓力計(jì)溫度計(jì)機(jī)械式傳感器常常以彈性體為傳感器的敏感元件，其輸入量可以是力、壓力溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形（或應(yīng)變）。3.2 機(jī)械式機(jī)械式傳感器及儀器傳感器及儀器(Themechanicalsensorandinstrument)第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件11*一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再通將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再通過中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進(jìn)行測(cè)量。過中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進(jìn)行測(cè)量。電阻式傳感器按工作原理可分為：電阻式傳感器按工作原理可分為：（5）氣敏電阻式）氣敏電阻式（6）光敏電阻式等）光敏電阻式等（1）變阻器（電位器）式變阻器（電位器）式（2）應(yīng)變片式（彈性電阻式）應(yīng)變片式（彈性電阻式）（3）熱敏電阻）熱敏電阻（4）磁敏電阻式）磁敏電阻式3.3 電阻、電阻、電容與電感電容與電感式傳感器式傳感器(Resistor,inductorandcapacitorsensor)第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件12*1.1.變阻器式傳感器變阻器式傳感器（1）變阻器式傳感器的結(jié)構(gòu)和原理變阻器式傳感器實(shí)際是變阻器式傳感器實(shí)際是精密線繞電位器精密線繞電位器，通過改變電位器觸，通過改變電位器觸頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而線性變化。導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測(cè)量線位移和角位移，還可以測(cè)量任變阻器式傳感器除可以測(cè)量線位移和角位移，還可以測(cè)量任何可以轉(zhuǎn)換為何可以轉(zhuǎn)換為位移位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。1）直）直線位移型線位移型改變觸點(diǎn)改變觸點(diǎn)C的位置時(shí)，的位置時(shí)，AC間電阻值為間電阻值為第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件13*1 1、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器（1 1）工作原理）工作原理1）直）直線位移型線位移型xCxABCR改變觸點(diǎn)改變觸點(diǎn)C的位置時(shí)，的位置時(shí)，AC間電阻值為間電阻值為k1：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的電阻值，：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的電阻值，/m。傳感器靈敏度：傳感器靈敏度：當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時(shí)，輸出（電阻）與輸入當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時(shí)，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。（位移）成線性關(guān)系。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件14*線性度線性度線性度是指由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻?qū)侵赣捎陔娮杞z本身的不均勻性或間隔的不均勻?qū)е码A梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性。致階梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性。uexpxRLu0對(duì)于后接電阻分壓電路的對(duì)于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器：變阻器式傳感器：式中：式中：Rp變阻器總電阻；變阻器總電阻；Rxx段的電阻。段的電阻。RpRx負(fù)載特性負(fù)載特性第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件15*于是空載時(shí)，于是空載時(shí)，式中：式中：由此可見，接入負(fù)載電阻由此可見，接入負(fù)載電阻RL后，輸出后，輸出u0與與x不再保持線性關(guān)系。不再保持線性關(guān)系。由負(fù)載特性引起的非線性誤差。由負(fù)載特性引起的非線性誤差。01102030405060m=5m=2m=1m=0.5m=0.1m=0reL若若RL。令令第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件16*2）角位移型）角位移型 角位移；角位移；K 單位弧度電阻值單位弧度電阻值,/rad。傳感器靈敏度：傳感器靈敏度：ACB第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件17*3）非線性型）非線性型xACB第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件18*第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件19*階梯輸出特性是指電位器觸點(diǎn)的是指電位器觸點(diǎn)的最小位移為線圈的一匝最小位移為線圈的一匝，每當(dāng)觸，每當(dāng)觸點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，輸出電阻產(chǎn)生點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，輸出電阻產(chǎn)生一匝電阻值的跳躍，即輸出電阻一匝電阻值的跳躍，即輸出電阻值不是位移的連續(xù)函數(shù)，而是階值不是位移的連續(xù)函數(shù)，而是階梯形折線。梯形折線。理想電位器每個(gè)階梯大小均相理想電位器每個(gè)階梯大小均相同，通過每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線同，通過每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線即為理論特性曲線。即為理論特性曲線。xR01）階梯輸出特性）階梯輸出特性（2 2）變阻器式傳感器的特性）變阻器式傳感器的特性變阻器式傳感器具有階梯特性和負(fù)載效應(yīng)。變阻器式傳感器具有階梯特性和負(fù)載效應(yīng)。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件20*因觸點(diǎn)與繞線間存在摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。分辨力低，一般因觸點(diǎn)與繞線間存在摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。分辨力低，一般小于小于20 m。噪聲大。噪聲大。主要應(yīng)用于線位移、角位移測(cè)量。或作為伺服記錄儀或電子主要應(yīng)用于線位移、角位移測(cè)量?；蜃鳛樗欧涗泝x或電子電位差計(jì)。電位差計(jì)。（3 3）變阻器式傳感器特點(diǎn)）變阻器式傳感器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號(hào)大，受外界條件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號(hào)大，受外界條件影響小。影響小。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（4 4）變阻器式傳感器的應(yīng)用）變阻器式傳感器的應(yīng)用第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件21*階梯誤差是指理想階梯特性線對(duì)理論直線的最大偏差。是指理想階梯特性線對(duì)理論直線的最大偏差。階梯誤差階梯誤差式中：式中：n為總匝數(shù)。為總匝數(shù)。顯然，減小顯然，減小ej必須增加必須增加n，當(dāng)骨架長(zhǎng)度不變時(shí)，只有減小線徑。，當(dāng)骨架長(zhǎng)度不變時(shí)，只有減小線徑。分辨率（力）分辨率（力）定義為電位器總匝數(shù)的倒數(shù)。定義為電位器總匝數(shù)的倒數(shù)。分辨率例：例：1000匝直線型線繞電位器，分辨率為匝直線型線繞電位器，分辨率為0.1%，即該電位器僅，即該電位器僅能檢測(cè)到它的總量程能檢測(cè)到它的總量程1/1000以上的位移量。以上的位移量。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件22*變阻器式傳感器產(chǎn)品變阻器式傳感器產(chǎn)品第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件23*案例：案例：重量的自動(dòng)檢測(cè)重量的自動(dòng)檢測(cè)-配料設(shè)備配料設(shè)備比較比較重量設(shè)定原材料原材料原理：彈簧原理：彈簧-力力-位移位移 -電位器電位器-電阻電阻第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件24*案例：案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)煤氣包煤氣包鋼鋼絲絲原理：鋼絲原理：鋼絲-收線圈數(shù)收線圈數(shù) -電位器電位器 -電阻電阻第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件25*案例：案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼 ）原理：電機(jī)原理：電機(jī)-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角 -電位器電位器 -電阻電阻第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件26*金屬導(dǎo)體材料金屬導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形（機(jī)械變形（應(yīng)變應(yīng)變），其），其電阻值電阻值發(fā)生相發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)。（1 1）電阻應(yīng)變效應(yīng)與壓阻效應(yīng)）電阻應(yīng)變效應(yīng)與壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)應(yīng)變變，導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，導(dǎo)體的導(dǎo)電性能（電阻率）（電阻率）發(fā)生發(fā)生了相應(yīng)變化，從而使電阻值也發(fā)生變了相應(yīng)變化，從而使電阻值也發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為化，這一現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體材料的效應(yīng)半導(dǎo)體材料的效應(yīng)。2 2、電阻應(yīng)變式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件27*1）概述：電阻應(yīng)變式傳感器由電阻應(yīng)變片、彈性）概述：電阻應(yīng)變式傳感器由電阻應(yīng)變片、彈性元件和測(cè)量電路的部分構(gòu)成。電阻應(yīng)變片又稱電阻元件和測(cè)量電路的部分構(gòu)成。電阻應(yīng)變片又稱電阻應(yīng)變計(jì)，一般由敏感元件、基底、引線、和覆蓋層應(yīng)變計(jì)，一般由敏感元件、基底、引線、和覆蓋層組成。組成。2）敏感元件也叫敏感柵。根據(jù)其材料不同，）敏感元件也叫敏感柵。根據(jù)其材料不同，應(yīng)變片可分為：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電應(yīng)變片可分為：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片兩大類。阻應(yīng)變片兩大類。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件28*3）工作原理：應(yīng)用時(shí)將應(yīng)變片粘結(jié)在被測(cè)試件表）工作原理：應(yīng)用時(shí)將應(yīng)變片粘結(jié)在被測(cè)試件表面上，當(dāng)試件受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨之面上，當(dāng)試件受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨之變形，引起應(yīng)變片電阻變化，通過測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)變形，引起應(yīng)變片電阻變化，通過測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)輸出。換為電壓或電流信號(hào)輸出。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件29*3）電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器工作原理工作原理電阻應(yīng)變效應(yīng)設(shè)設(shè)金屬絲長(zhǎng)度為金屬絲長(zhǎng)度為l，截面積為截面積為A，電阻率為電阻率為，則其阻值為則其阻值為金屬絲變形時(shí)，金屬絲變形時(shí)，、l、A將同時(shí)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致將同時(shí)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致R改變。改變。若若、l、A的變化量為的變化量為d、dl、dA，則，則第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件30*即：即：對(duì)半徑為對(duì)半徑為r的金屬電阻絲有：的金屬電阻絲有：，：電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱軸向應(yīng)變電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱軸向應(yīng)變。：電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱徑向應(yīng)變電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱徑向應(yīng)變。徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變間的關(guān)系為徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變間的關(guān)系為式中式中 為為泊松比泊松比：徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變/軸向應(yīng)變。負(fù)號(hào)表示兩者變化相反。軸向應(yīng)變。負(fù)號(hào)表示兩者變化相反。：電阻率相對(duì)變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力電阻率相對(duì)變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力 有關(guān)。有關(guān)。兩邊同除兩邊同除第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件31*E為電阻絲材料的為電阻絲材料的彈性模量彈性模量；為為壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)。，與材質(zhì)有關(guān)。受力后電阻絲幾何尺寸變化所受力后電阻絲幾何尺寸變化所引起，對(duì)于同一材料引起，對(duì)于同一材料（1+2）為常數(shù)。）為常數(shù)。受力后電阻率的改變引受力后電阻率的改變引起，對(duì)金屬材料，起，對(duì)金屬材料，E很很小。小。在電阻絲拉伸比例范圍內(nèi)，在電阻絲拉伸比例范圍內(nèi)，電阻相對(duì)變化與其所受的軸向電阻相對(duì)變化與其所受的軸向應(yīng)變成正比。應(yīng)變成正比。且且第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件32*電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)或靈敏度應(yīng)變系數(shù)或靈敏度S0定義為定義為通常，通常，S0=1.73.6。（2）應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理）應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理典型結(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪?shù)湫徒Y(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑合金等，直徑0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路中?；透采w層之間，由引出導(dǎo)線接于電路中。測(cè)量原理：測(cè)量原理：將應(yīng)變片將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片或者直接將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)粘貼在被測(cè)件上件上，被測(cè)物變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，被測(cè)物變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵阻阻值變化值變化轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件33*3 3、壓阻式傳感器、壓阻式傳感器（1）基本工作原理是指是指半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其，其電阻率發(fā)生電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象變化的現(xiàn)象。壓阻效應(yīng)單晶半導(dǎo)體在外力作用下的電阻變化量仍為單晶半導(dǎo)體在外力作用下的電阻變化量仍為對(duì)半導(dǎo)體而言，電阻率變化引起的電阻變化對(duì)半導(dǎo)體而言，電阻率變化引起的電阻變化 E 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形變引起的電阻變化變引起的電阻變化(1+2)，則，則實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別：前者利用導(dǎo)體形變引起電阻的變化，后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻的變化。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件34*靈敏度：靈敏度：由半導(dǎo)體理論由半導(dǎo)體理論E半導(dǎo)體材料的彈性模量。半導(dǎo)體材料的彈性模量。L沿某晶向沿某晶向L的壓阻系數(shù)；的壓阻系數(shù)；沿某晶向沿某晶向L的應(yīng)力；的應(yīng)力；半導(dǎo)體電阻材料的靈敏度比金屬絲要高半導(dǎo)體電阻材料的靈敏度比金屬絲要高5070倍。倍。例：對(duì)于半導(dǎo)體硅，例：對(duì)于半導(dǎo)體硅，L=(4080)10-11m2/N，E=1.671011Pa,則則S0=LE50100。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件35*（2）壓阻式傳感器類型與特點(diǎn)壓阻式傳感器有兩種類型壓阻式傳感器有兩種類型1）利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片，其使用）利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片，其使用方法與電阻應(yīng)變片類似。方法與電阻應(yīng)變片類似。2）在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，）在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，作為測(cè)量傳感元件，測(cè)量壓力和加速度等物理量。作為測(cè)量傳感元件，測(cè)量壓力和加速度等物理量。壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)是溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。缺點(diǎn)是溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。1）靈敏度非常高。）靈敏度非常高。2）分辨率高，例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出）分辨率高，例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出1020Pa的微壓。的微壓。3）測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高。）測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高。4）可測(cè)量低頻加速度和直線加速度。）可測(cè)量低頻加速度和直線加速度。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件36*應(yīng)變計(jì)金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)為主應(yīng)變效應(yīng)為主（多在（多在1.73.6之間）之間）半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片（多在（多在60150之間）之間）半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度高、體積小，但溫度穩(wěn)定性和半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度高、體積小，但溫度穩(wěn)定性和重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片，非線性誤差大。重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片，非線性誤差大。壓阻效應(yīng)為主壓阻效應(yīng)為主第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件37*（3）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件38*半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件39*4 4、測(cè)量電路測(cè)量電路VER1R2R3R4第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件40*令：令：金屬絲應(yīng)變片：金屬絲應(yīng)變片：V V與應(yīng)變成與應(yīng)變成線形關(guān)系線形關(guān)系，可以用，可以用電橋電橋測(cè)量電壓測(cè)量應(yīng)變。測(cè)量電壓測(cè)量應(yīng)變。S S第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件41*半橋單臂連接半橋單臂連接半橋雙臂連接半橋雙臂連接全橋連接全橋連接當(dāng)當(dāng)時(shí)，電橋的輸出電壓為時(shí)，電橋的輸出電壓為第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件42*齒輪輪齒彎矩齒輪輪齒彎矩x位移傳感器位移傳感器m質(zhì)塊質(zhì)塊加速度傳感器加速度傳感器F柱式測(cè)力傳感器柱式測(cè)力傳感器如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，可以構(gòu)成各種不同的傳感器。變，可以構(gòu)成各種不同的傳感器。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件43*5 5、電阻應(yīng)變片的分類及材料、電阻應(yīng)變片的分類及材料金屬電阻應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片分為絲式絲式、箔式箔式和和膜式膜式。（1）絲式應(yīng)變片）絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種。金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式短接式絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片制作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼制作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。n回線式應(yīng)變片因回線式應(yīng)變片因圓弧部分參與變形，橫向效應(yīng)較大圓弧部分參與變形，橫向效應(yīng)較大。n短接式應(yīng)變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑短接式應(yīng)變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大大510倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點(diǎn)是倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點(diǎn)是克服了橫向效應(yīng)克服了橫向效應(yīng)。安全電流：安全電流：1050mA，電阻：，電阻：501000（典型（典型120）。）。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件44*2）箔式應(yīng)變片）箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片由厚度為箔式應(yīng)變片由厚度為310m的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。蝕工藝制成的柵狀箔片。大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀。大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀。散熱好，允許電流大。散熱好，允許電流大。橫向效應(yīng)、蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。橫向效應(yīng)、蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件45*3）膜式應(yīng)變片）膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在度在0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。應(yīng)變靈敏度大。應(yīng)變靈敏度大。允許電流密度大。允許電流密度大。工作范圍廣，可達(dá)工作范圍廣，可達(dá)-197317。6 6、電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)及應(yīng)用、電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)及應(yīng)用（1）電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)）電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在1.0%0.1%，高精度力，高精度力傳感器已能達(dá)到傳感器已能達(dá)到0.03%0.01%。測(cè)量范圍廣測(cè)量范圍廣壓力：壓力：104109Pa；力：力：0.1107N。能適應(yīng)較大的振動(dòng)和沖擊，抗輻射能力強(qiáng)。能適應(yīng)較大的振動(dòng)和沖擊，抗輻射能力強(qiáng)。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件46*測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。加速度等物理參數(shù)的傳感器。（2）電阻應(yīng)變片的應(yīng)用及注意事項(xiàng)）電阻應(yīng)變片的應(yīng)用及注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)應(yīng)變極限：機(jī)械滯后：零漂和蠕變零漂和蠕變：零漂零漂：恒定溫度，無機(jī)械應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變：恒定溫度，無機(jī)械應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性?；奶匦?。蠕變?nèi)渥儯汉愣囟取⒑愣☉?yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化：恒定溫度、恒定應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性。的特性。應(yīng)變大應(yīng)變大輸出非線性大。輸出非線性大。誤差為誤差為10%時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限。應(yīng)變作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限。敏感柵、底基及膠粘層承受機(jī)械應(yīng)變后，敏感柵、底基及膠粘層承受機(jī)械應(yīng)變后，一般都一般都會(huì)存在殘余變形，造成應(yīng)變片的機(jī)械滯后。會(huì)存在殘余變形，造成應(yīng)變片的機(jī)械滯后。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件47*動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)變片柵長(zhǎng)/mm0.20.51235101520最高工作頻率/kHz125050025012583.3502516.612.5溫度影響：溫度變化導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化與由應(yīng)變引起的電溫度影響：溫度變化導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化與由應(yīng)變引起的電阻變化往往具有同等數(shù)量級(jí)，須用適當(dāng)電路進(jìn)行阻變化往往具有同等數(shù)量級(jí)，須用適當(dāng)電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件48*（3）應(yīng)用舉例：）應(yīng)用舉例：a)直接用來測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力b)將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為：測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件49*應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及應(yīng)變實(shí)例應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及應(yīng)變實(shí)例示例示例示例示例1 1 1 1：電子秤：電子秤：電子秤：電子秤 第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件50*FR1R2R4示例示例示例示例2 2：應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置：應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置：應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置：應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件51*FFFF第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件52*荷重傳感器原理演示荷重傳感器原理演示荷重傳感荷重傳感荷重傳感荷重傳感器上的應(yīng)變片器上的應(yīng)變片器上的應(yīng)變片器上的應(yīng)變片在重力作用下在重力作用下在重力作用下在重力作用下產(chǎn)生變形。軸產(chǎn)生變形。軸產(chǎn)生變形。軸產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向向變短，徑向向變短，徑向向變短，徑向變長(zhǎng)。變長(zhǎng)。變長(zhǎng)。變長(zhǎng)。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件53*示例示例3：汽車衡：汽車衡第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件54*第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件55*汽車衡稱重系統(tǒng)汽車衡稱重系統(tǒng)汽車衡稱重系統(tǒng)汽車衡稱重系統(tǒng)第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件56*示例示例示例示例5 5 5 5：應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手：應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手：應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手：應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N.m2500N.m，耗電量耗電量耗電量耗電量 10mA10mA，有公制，有公制，有公制，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。等功能。等功能。等功能。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件57*示例示例示例示例6 6 6 6：壓阻式固態(tài)壓力傳感器：壓阻式固態(tài)壓力傳感器：壓阻式固態(tài)壓力傳感器：壓阻式固態(tài)壓力傳感器 利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。l l 隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片可以將腐可以將腐可以將腐可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片蝕性的氣體、液體與硅膜片蝕性的氣體、液體與硅膜片蝕性的氣體、液體與硅膜片 隔離開來。隔離開來。隔離開來。隔離開來。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件58*l l 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路壓阻式固態(tài)壓力傳感器壓阻式固態(tài)壓力傳感器壓阻式固態(tài)壓力傳感器壓阻式固態(tài)壓力傳感器第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件59*小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口高壓進(jìn)氣口高壓進(jìn)氣口高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口絕對(duì)壓力傳感器絕對(duì)壓力傳感器第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件60*呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器p p1 1進(jìn)氣管進(jìn)氣管進(jìn)氣管進(jìn)氣管p p2 2進(jìn)氣管進(jìn)氣管進(jìn)氣管進(jìn)氣管固態(tài)壓力傳感器固態(tài)壓力傳感器固態(tài)壓力傳感器固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件61*示例示例示例示例7 7 7 7：橋梁固有頻率測(cè)量：橋梁固有頻率測(cè)量：橋梁固有頻率測(cè)量：橋梁固有頻率測(cè)量原理在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時(shí)的沖擊對(duì)橋梁進(jìn)行激勵(lì)，再通過應(yīng)變片測(cè)量橋梁動(dòng)態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件62*材料應(yīng)變的測(cè)量材料應(yīng)變的測(cè)量斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件63*二、二、電容式傳感器電容式傳感器(CapacitanceTransducer)1.工作原理及分類電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。感器。A電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一具有可變電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一具有可變參數(shù)的電容器。參數(shù)的電容器。電容量為電容量為 介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，空氣介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，空氣 1。0真空的介電常數(shù)，真空的介電常數(shù)，0=8.85 10-12F/m。極板間距。極板間距。A極板面積。極板面積。、A或或 發(fā)生變化都會(huì)引起發(fā)生變化都會(huì)引起C變化。變化。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件64*實(shí)際使用中，通常僅改變一個(gè)參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不實(shí)際使用中，通常僅改變一個(gè)參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不同，可分為三類：同，可分為三類：改變極板間距的改變極板間距的極距變化型極距變化型；改變極板相互遮蓋面積的改變極板相互遮蓋面積的面積變化型面積變化型；改變極板間介質(zhì)的改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型（改變（改變）。）。（1 1）極距變化型電容式傳感器）極距變化型電容式傳感器+普通式普通式差動(dòng)式差動(dòng)式第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件65*當(dāng)極板間當(dāng)極板間距減小距減小 時(shí)，電容為時(shí)，電容為C 與極距成反比，一般?。阂话闳。红`敏度靈敏度靈敏度靈敏度S S與極距平方成反比，輸入與極距平方成反比，輸入輸出呈非線性關(guān)系輸出呈非線性關(guān)系s s動(dòng)極板動(dòng)極板定極板定極板C極距變化型電容傳感器第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件66*求求C與與之間是什么關(guān)系？之間是什么關(guān)系？第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件67*/01時(shí)，時(shí)，C/C0展開為級(jí)數(shù)形式展開為級(jí)數(shù)形式:因因 /01，忽略高次項(xiàng)，忽略高次項(xiàng)上式表明，在上式表明，在 /01條件下，電容的變化與極板條件下，電容的變化與極板間距變化量近似是線性關(guān)系。間距變化量近似是線性關(guān)系。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件68*欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙，但受電容器擊，但受電容器擊 穿電壓的限制；穿電壓的限制；非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證一非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證一 定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的相對(duì)位移量。定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的相對(duì)位移量。為改善非線性，可以采用為改善非線性，可以采用差動(dòng)式差動(dòng)式。0第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件69*動(dòng)極板上移動(dòng)極板上移1，則，則C1增大，增大，C2減小，初始電減小，初始電容用容用C0來表示，則來表示，則：差動(dòng)電容器輸出：差動(dòng)電容器輸出：忽略高次項(xiàng)：忽略高次項(xiàng)：靈敏度提高靈敏度提高一倍，非線性誤一倍，非線性誤差減小。差減小。21第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件70*第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件71*產(chǎn)品產(chǎn)品.陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力液體壓力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片產(chǎn)生膜片產(chǎn)生 位移。位移。壓力變送器壓力變送器第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件72*角位移型角位移型角位移型角位移型平面線位移型平面線位移型平面線位移型平面線位移型柱面線位移型柱面線位移型柱面線位移型柱面線位移型（2）變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件73*（2）面積變化型電容式傳感器）面積變化型電容式傳感器該傳感器的工作原理是在被測(cè)參數(shù)的作用下來變化極板的有該傳感器的工作原理是在被測(cè)參數(shù)的作用下來變化極板的有效面積，常分為效面積，常分為角位移型角位移型和和線性位移型線性位移型。1）角位移型）角位移型式中：式中：覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角；覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角；r極板半徑。極板半徑。1動(dòng)板；2定板12第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件74*2）平面線位移型）平面線位移型式中：式中：b極板寬度。極板寬度。xxxb121動(dòng)板；2定板第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件75*3）圓柱線位移型）圓柱線位移型式中：式中：D圓筒孔徑；圓筒孔徑；d圓柱外徑。圓柱外徑。面積變化型電容傳感器輸入輸出呈線性關(guān)系，但靈敏面積變化型電容傳感器輸入輸出呈線性關(guān)系，但靈敏度較低，度較低，適用較大直線位移及角位移測(cè)量適用較大直線位移及角位移測(cè)量。dD12xl01動(dòng)板；2定板第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件76*（3 3）介質(zhì)變化型電容式傳感器）介質(zhì)變化型電容式傳感器第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件77*兩電容極板之間的介質(zhì)變化引起電容變化，常見有兩種情況：一是兩電容極板之間只有一種介質(zhì)，介質(zhì)的介電常數(shù)隨被測(cè)非電量（如溫度、濕度）而變化，電容式溫度傳感器和電容式濕度傳感器就屬于這種情況；二是兩電容極板之間有兩種介質(zhì)，兩介質(zhì)的位置或厚度變化，電容式位移傳感器、電容式厚度傳感器、電容式物（液）位傳感器就屬于這種情況。（3 3）介質(zhì)變化型電容式傳感器）介質(zhì)變化型電容式傳感器第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件78*變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器主要測(cè)量厚度、液位、介值的溫度和濕度等）主要測(cè)量厚度、液位、介值的溫度和濕度等）被測(cè)液體的液面在電容被測(cè)液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱式傳感器元件的兩同心同柱型電極間變化時(shí)，引起極間型電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改變。化，導(dǎo)致電容的改變。1液體介質(zhì)介電常數(shù)；液體介質(zhì)介電常數(shù)；0空氣中介電常數(shù)（空氣中介電常數(shù)（F/m）；）；h電極板總長(zhǎng)度（電極板總長(zhǎng)度（m）；）；r內(nèi)電極板外徑（內(nèi)電極板外徑（m）；）；R外電極板內(nèi)徑（外電極板內(nèi)徑（m）；）；x液面高度（液面高度（m）。）?？梢?，輸出電容可見，輸出電容C與液面高度與液面高度x成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。xh2r2R01類型類型1：液面高度液面高度第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件79*類型類型2：d面積面積S氣隙氣隙當(dāng)某種介質(zhì)在兩當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)，固定極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容輸出與介質(zhì)參數(shù)電容輸出與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：d運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度（運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度（m）可見：可見：若厚度若厚度d保持不變，介電常數(shù)保持不變，介電常數(shù)r改變（如濕改變（如濕度變化），可做成濕度傳感器；度變化），可做成濕度傳感器；若若r不變，可做成測(cè)厚傳感器不變，可做成測(cè)厚傳感器第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件80*可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量；一般傳感器兩極板間電容很?。◣灼しㄒ话銈鞲衅鲀蓸O板間電容很小（幾皮法幾十皮法）幾十皮法）導(dǎo)致低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百導(dǎo)致低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百M(fèi)）、負(fù)載能力）、負(fù)載能力弱，弱，電纜分布電容（大且不穩(wěn)定）影響大。電纜分布電容（大且不穩(wěn)定）影響大。2.特點(diǎn)與應(yīng)用輸入能量小（極板間靜電引力?。?，靈敏度、高動(dòng)態(tài)特輸入能量?。O板間靜電引力?。?，靈敏度、高動(dòng)態(tài)特性好（可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高）；性好（可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高）；（1）特點(diǎn)）特點(diǎn)第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件81*將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出。通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋，如上圖所示。通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋，如上圖所示。（1 1）電橋型電路）電橋型電路3 3 測(cè)量電路測(cè)量電路第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件82*(2)(2)諧振電路諧振電路 電容傳感器的電容電容傳感器的電容CxCx作為諧振回路（作為諧振回路（L L2 2、C C2 2、C Cx x）調(diào)諧電容）調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器的一部分。諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時(shí)，使得振蕩回路取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時(shí)，使得振蕩回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過方的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過方大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件83*（3 3）調(diào)頻電路）調(diào)頻電路調(diào)頻振蕩器限幅鑒頻放大輸出Cx傳感器n調(diào)頻電路第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件84*(4)(4)運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 這種電路用于位移測(cè)量傳感器輸出電壓ug與電容傳感器間隙成線性關(guān)系g第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件85*電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：（1 1）輸入能量小而靈敏度高）輸入能量小而靈敏度高（2 2）精度高達(dá)）精度高達(dá)0.01%0.01%。（3 3）動(dòng)態(tài)特性好，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)特性好，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)。（4 4）能量損耗小。）能量損耗小。（5 5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：電纜分布電容影響大電纜分布電容影響大。集成電路、雙屏蔽傳輸電纜等集成電路、雙屏蔽傳輸電纜等降低分布電降低分布電容的影響。容的影響。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件86*應(yīng)用應(yīng)用1電容式測(cè)厚電容式測(cè)厚軋輥工作極板被測(cè)帶材第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件87*12341齒輪2定極3電容傳感器4頻率計(jì)應(yīng)用應(yīng)用2振蕩電路振蕩電路被測(cè)物體被測(cè)物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測(cè)電容被測(cè)電容 轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量-電容式接近開電容式接近開關(guān)關(guān)測(cè)量頭測(cè)量頭2 2構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體極板是物體1 1本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)介電常數(shù)發(fā)生變發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。粉狀物體。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件88*應(yīng)用應(yīng)用3 3：電容式壓力傳感器：電容式壓力傳感器 工作原理工作原理將測(cè)量膜片與電容極板之間將測(cè)量膜片與電容極板之間的電容差經(jīng)振蕩器振蕩、調(diào)的電容差經(jīng)振蕩器振蕩、調(diào)制解調(diào)、放大器放大、電壓制解調(diào)、放大器放大、電壓電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。用用途途用于氣體、液體、蒸氣壓力用于氣體、液體、蒸氣壓力的測(cè)量的測(cè)量第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件89*高壓側(cè)高壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口電子線電子線路位置路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式電容式差壓差壓變送器變送器 第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件90*1 1高壓側(cè)進(jìn)氣口高壓側(cè)進(jìn)氣口 2 2低壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口 3 3過濾片過濾片 4 4空腔空腔 5 5柔性不銹鋼波柔性不銹鋼波紋隔離膜片紋隔離膜片 6 6導(dǎo)壓硅油導(dǎo)壓硅油 7 7凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片 8 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極9 9彈性平膜片彈性平膜片 1010 腔腔電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件91*各種電容式差壓變各種電容式差壓變送器外形送器外形 第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件92*法蘭法蘭第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件93*應(yīng)用應(yīng)用4 4電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）料位計(jì)）第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件94*應(yīng)用應(yīng)用4 4、電容式液位計(jì)、電容式液位計(jì) 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套 液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。出為高電平的型號(hào)。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件95*液位限位傳感器的設(shè)定液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)定方法智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單：十分簡(jiǎn)單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。號(hào)和控制信號(hào)。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件96*智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈超限燈正常工作指示燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕電源指示燈電源指示燈第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件97*應(yīng)用應(yīng)用5：硅：硅微加工微加工加速度傳感器加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細(xì)圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作慣性力或重力加速度。其工作電壓為電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測(cè)，加速度測(cè)量范圍為量范圍為數(shù)個(gè)數(shù)個(gè)g g，可輸出與加，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM PWM 脈沖。脈沖。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件98*微加工三軸加速度傳感器微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：靈敏度：500mV/g 500mV/g，量程：量程：10g10g，頻率范圍：頻率范圍：0.5-2000Hz0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn)安裝諧振點(diǎn):8kHz:8kHz，分辨力：分辨力：0.00004g 0.00004g，重量：重量：200g 200g，安裝螺紋：安裝螺紋：M5 mm M5 mm，線性誤差：線性誤差：1%1%第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件99*硅微加工加速度傳感器結(jié)構(gòu)硅微加工加速度傳感器結(jié)構(gòu) 1 1 加速度測(cè)試單元加速度測(cè)試單元 2 2 信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路 3 3 襯底襯底 4 4 底層多晶硅（下電極）底層多晶硅（下電極）5 5 多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6 6 頂層多晶硅（上電極）頂層多晶硅（上電極）第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件100*當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C C1 1、C C2 2呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將C C 轉(zhuǎn)換成直流輸轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)達(dá)1kHz1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)以上，允許加速度范圍可達(dá)10g 10g 以上。以上。如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件101*加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。裝有傳感器的裝有傳感器的假人假人氣囊氣囊第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件102*汽車氣囊的保護(hù)作用汽車氣囊的保護(hù)作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣使氣囊迅速充氣 。第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件103*電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類分類:電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻式可變磁阻式渦流式渦流式互感型互感型（差動(dòng)變壓器式）（差動(dòng)變壓器式）三、三、電感式傳感器電感式傳感器(InductanceTransducer)第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件104*1 自感型（可變磁阻、渦流）（1）-可變磁阻式（變間隙、變面積）可變導(dǎo)磁面積型差動(dòng)型原理:電磁感應(yīng)。自感自感L與A0成線性關(guān)系，靈敏度較低靈敏度提高一倍0空氣的磁導(dǎo)率；空氣的磁導(dǎo)率；A0空氣隙的截空氣隙的截面積；面積；空氣隙的長(zhǎng)度空氣隙的長(zhǎng)度第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件105*由電工學(xué)可知，線圈自感量：由電工學(xué)可知，線圈自感量：i 線圈中流過的電流。線圈中流過的電流。通過線圈的磁通量。通過線圈的磁通量。Rm磁路的總磁阻（磁路的總磁阻（H-1），），Rm=RF+R，其其中中RF為為鐵鐵心心與與銜銜鐵的磁阻鐵的磁阻；R為空氣隙磁阻為空氣隙磁阻。ix123L01線圈；線圈；2鐵心；鐵心；3銜鐵銜鐵式中：式中：N線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)；可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，在鐵心與銜可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，在鐵心與銜鐵之間存在氣隙鐵之間存在氣隙。a)變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器第第3章章常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件106*式中：式中：l1、l2鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁長(zhǎng)度；鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁長(zhǎng)度；1、2鐵鐵心心和銜鐵的磁導(dǎo)率；和銜鐵的磁導(dǎo)率；A1、A2鐵鐵心心和銜鐵的導(dǎo)磁截面積；和銜鐵的導(dǎo)磁截面積；氣隙長(zhǎng)度；氣隙長(zhǎng)度；0空氣磁導(dǎo)率，空氣磁導(dǎo)率，0=410-7Hm-1；A0空氣隙導(dǎo)磁截面積?？諝庀秾?dǎo)磁截面積。若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙 較小時(shí)：較小時(shí)：一般，一般，1和和2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0，即：，即：RF R，因此，因此，ix123L01線圈；線圈；2鐵心；鐵心；3銜鐵銜鐵第第3