4-5 常用传感器-电容式 08_1
常用传感器与敏感元件
第三章常用传感器
1
x x
x
b
传感器灵敏度 SdCee0b常数 a直线位移型 2 dx d
✓角位移型 C e e0 r2
2d
1
传感器灵敏度 SdCe e0r2 常 数 d 2d
2
b角位移型
测试技术基础
第三章常用传感器
✓圆柱体线位移型
C
e0eA d
电容量
C
2e x
In D / d
当覆盖长度 x 变化时;C电容量 发生变化;
缺点：固有频率低;可测频带窄;适用于测量缓慢变化或者 静态被测量; 为了提高频带;常与其它形式的传感器联合 运用
测试技术基础
第三章常用传感器
3 3 电阻式传感器
电阻式传感器 是把被测量转换为电阻变化的一种传
感器;
• R l
A
按工作的原理可分为:
♠变阻器式
♠电阻应变式
♠热敏式
♠光敏式
♠湿敏式
测试技术基础
LL0 dd0 1 dd0 dd0 2
d/d0 1 d /d0 0.1
SLL0
d d0
W22d002A0
测量范围允许在0 001mm~1mm之间;
衔铁
lδ Δδ
测试技术基础
第第四三章章常常用用传传感感器器
差动式电感传感器
d 1 d 2 L1 L2 L0 LL1L20
d
L1 L0L1 L2 L0L2
➢声: 声压;噪声； ➢磁: 磁通;磁场； ➢温度: 温度;热量;比热； ➢光： 亮度;色彩
▲
测试技术基础
第三章常用传感器
3 2 机械式传感器
机械式传感器 一类传感器的统称;指只含有机械的转换方式; 把机械量转换为另一种机械量的传感器; 常常以弹性体作为传感器的敏感元件
第四章常用传感器与敏感元件
第四章 常用传感器与敏感元件
当我象嗡嗡作响的陀螺一样高速旋转的时 候，就自然排除了外界各种因素的干扰， 抵抗着外界的压力。
皮埃尔·居里
Pierre Curie
法国 物理学家 1859－1906
China university of petroleum (Huadong)
中国石油大学（华东）机电工程学院1
激光测距传感器
控制和信 息融合计
算机
自主移动装配机器人
装配机械手 力觉传感器 触觉传感器
视觉传感器 超声波传感器
多传感器信息融合自主移动装配机器人
China university of petroleum (Huadong)
自补偿、自诊断、自校正、数据存储、分析、处理、通信
➢ 研究生物感官，开发仿生传感器； ➢ 传感器的集成化和多功能化。
China university of petroleum (Huadong)
中国石油大学（华东）机电工程学院12
机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
（1）机器人中的传感器信息融合
狭义上，非电信号
电信号。
非电量 敏感元件
转换元件
电量 测量电路
China university of petroleum (Huadong)
辅助电源
传感器的组成框图
中国石油大学（华东）机电工程学院5
机械工程测试技术基础
在非电量电测系统中的作用
第四章 常用传感器与敏感元件
被测 对象
非电量
传 感 器
电量 信 电量 号 调 理
机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
第四章 常用传感器与敏感元件
传感器和检测技术课程标准
传感器和检测技术课程标准《传感器及检测技术》课程标准一、课程信息课程名称：传感器及检测技术课程类型：电气自动化专业核心课课程代码：0722070 授课对象：电气自动化专业学分：4 先修课：模拟电子技术、数字电子技术、微机原理学时：72 后续课：智能仪器、电气综合实训、电工中、高级职业资格证书、毕业设计、顶岗实习制定人：邓贻XX制定时间：20XX/7/10二、课程性质传感器是现代操纵的基本工具，而检测技术则是操纵过程猎取信息的唯一手段。
《传感器与检测技术》是一门多学科交叉的专业课程，重点介绍各种传感器的工作原理和特性，结合工程应用实际，了解传感器在各种电量和非电量检测系统中的应用，培养学生使用各类传感器的技巧和能力，掌握常用传感器的工程测量设计方法和实验研究方法，了解传感器技术的进展动向。
本课程是电气自动化技术专业的一门核心专业技术课，也是后续的电气综合实训、电工中、高级职业资格证书（其内容约占20%）、毕业设计、顶岗实习等基本技能养成课程，即是职业素养养成与职业能力培养最基本的理论实践一体化课程。
三、课程设计1、课程目标设计总体目标：教学目标和总体要求是让学生初步掌握检测技术的基本知识和应用。
培养学生使用各类传感器的能力。
使学生能够进一步应用传感器解决工程测控系统中的具体问题。
要求理解不同传感器的工作原理，常用的测量电路；能够对常用传感器的性能参数与主要技术指标进行校量与标定。
掌握传感器的工程应用方法，并能正确处理检测数据。
了解传感器技术进展前沿状况，培养学生科学素养，提高学生分析解决问题的能力。
通过行为导向的项目式教学，加强学生实践技能的培养，培养学生的综合职业能力和职业素养；独立学习及猎取新知识、新技能、新方法的能力；与人交往、沟通及合作等方面的态度和能力。
（1）知识目标：1. 传感器的静态特性、动态特性与技术指标2. 电阻传感器原理与应用3. 电感传感器原理与应用4. 电容传感器原理与应用5. 光电（光纤、光栅）传感器原理与应用6. 磁电式传感器与霍尔传感器7. 压电式传感器原理与应用8. 半导体物性传感器9. 温度检测系统10.压力检测系统11.液位测检系统12.流量检测系统13.传感器在汽车上的应用（2）能力目标：1．测量误差与数据处理2. 传感器的标定和校准3. 应变电阻传感器的测量电路与电子秤的标定。
5 常用传感器变换原理
5.2.2 压阻式传感器
•利用半导体单晶的压阻效应使阻值变化。 •压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用 时，其电阻率发生变化的现象。 单晶半导体在外力作用下的电阻变化量仍为：
dR 1 2 l E R
•对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化
l E ，远远大于形变引起的电阻变化 1 2
非线性误差大； 机械强度低。
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5.2 电阻式传感器
5.2.3 变阻式传感器
变阻器式传感器原理 变阻器式传感器是精密线绕电位器，通过改变电位器
触头位臵将位移转换为电阻变化。
导体电阻公式：
l R （ ） A
其中，：电阻率；
l ：导体长度； A：导体截面积。
显然，若导体材质和截面积一定，其阻值随导
④体积重量小，结构简单，价格低, 品种多样,便于选择和大
量使用； ⑤对环境适应能力强。 缺点：输出信号微弱 。 使用： ①直接粘在被测试件上； ②粘在弹性体上，构成各种物理传感器。
Page 14
5.2 电阻式传感器
电阻式传感器的工作原理（1）
设电阻应变片的初始阻值为：
变形时，、l、A将同时发生变化，从而导致R改变。
Page 32
5.2 电阻式传感器
直线位移型
R 如图，当改变触 点C的位臵时，AC 间电阻值： x C x A
R=klx
kl：单位长度内的电阻值，材质均匀时为常数。
传感器灵敏度：
C B
S=dR/dx= kl（/m）
当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成 线性关系。
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传感器组成：
敏感元件： 直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。 转换元件： 敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入 转换成电量参量 。 转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显 示、记录或控制的有用的电信号的电路。
传感器技术 电容式、测量电路
① 驱动电缆法
☻ 原理：驱动电缆法是一种等电位屏蔽法。使用电缆屏蔽 层电位跟踪与电缆相连的传感器电容极板电位，使两电 位的幅值和相位均相同，从而消除电缆分布电容的影响。
11
介质变化型电容传感器
☻ 原理：利用极板间介质的介电常数变化将被测量转换成电
容变化的传感器称为介质变化型电容传感器。 以电介质插
入式为例， C C1 C2
0a
[ r1(
L
x
)
r2x
]
x
L
☻
S dC
应用特性： dx
0a
(
r2
r1
)
① 变介质型电容传感器可用来测量电介质的液位或某些材 料的温度、湿度和厚度等。
② 介质变化型电容传感器常用于非导电液体液位的测量， 其灵敏度与介电常数的差值(ε2-ε1)的值成正比，(ε2-ε1)值 越大灵敏度越高。
2020/6/30
12
应用中存在的问题和改进措施
(1) 等效电路(Equivalent circuit)
☎ 考虑电容传感器在高温、高
湿及高频激励的条件下工作，
而不可忽视其附加损耗和电 效应影响时，其等效电路如
C—传感器电容；RP—低频损耗并联电 阻； RS—串联损耗电阻；L—电容器及
图。
引线电感；CP—寄生电容
☎ 在实际应用中高频激励时，每当改变激励频率或者更换 传输线缆时，会使传感器有效电阻和有效灵敏度都发生 变化，因此必须对测量系统重新进行标定。
2020/6/30
13
应用中存在的问题和改进措施
测试技术课后题答案4传感器
习题4常用传感器4.6 电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径r =4mm ，工作初始极板间距离 δ0=0.3mm ，介质为空气。
问:① 如果极板间距离变化量Δδ=±l μm ，电容的变化量ΔC 是多少?② 如果测量电路的灵敏度S 1=100mv/pF,读数仪表的灵敏度S 2=5格/mV ，在Δδ= ±1μm 时，读数仪表的变化量为多少?解δδ∆-≈∆C C 220πδδεδδ∆-=∆-=∆r C C 2362312)103.0()10()104(14.31085.8----⨯±⨯⨯⨯⨯-= pF 1094.41094.4315--⨯=⨯=pF )1094.4(/m V 5m V /pF 100321-⨯⨯⨯=∆=∆ 格C S S x格472. =4-1 什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？一般情况下，应变片的灵敏系数小于电阻丝的灵敏系数。
原因是：当应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上时，由于基底和粘结剂的弹性模量与敏感栅的弹性模量之间有差别等原因，弹性体或试件的变形不可能全部均匀地传递到敏感栅；丝栅横向效应的影响。
4-2 金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？前者利用金属应变引起电阻的变化；而后者是利用半导体电阻率变化引起电阻的变化（压阻效应）。
4-3 试比较自感式传感器与差动变压器式传感器的异同。
不同点：自感式传感器把被测非电量的变化转换成自感系数的变化；差动变压器式传感器把被测非电量的变化转换成互感系数的变化。
相同点：两者都属于电感式传感器，都可以分为气隙型、截面型和螺管性三种类型。
4-4在自感式传感器中,螺管式自感传感器的灵敏度最低，为什么在实际应用中却应用最广泛？答：在自感式传感器中，虽然螺管式自感传感器的灵敏度最低，但示值范围大、线性也较好；同时还具备自由行程可任意安排、制造装配方便、可互换性好等优点。
4-1电容式传感器
Cx
A
d
代入（4-20）式得：
U0
Ui
C0 d
A
可见运算放大器的输出电压与动极板的板
间距离d成正比。运算放大器电路解决了
单个变极距型电容传感器的非线性问题。
上式是在运算放大器的放大倍数和输入 阻抗无限大的条件下得出的，实际上该 测量电路仍然存在一定的非线性。
3. 二极管双T形电路
R1
R2
UE
+ I1 C1
当传感器没有输入时，电流I1=I2，且方向相
反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。若
传感器输入不为0，则C1≠C2, I1≠I2, 此时在一 个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产
生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为
当RL已知时，
R((RRR2LR)2L)RLM(常数 ) 则:
U oU EfM (C 1C 2)
小的范围内变化。
相对非线性误差与Δd/d0有关。其表达式为：
（d）2
d0 d 100%
d
d0
d0
（46）
传感器的灵敏度为：
C K C01
d d0
（ 47）
差动式变间隙型电容传感器
初始位置时，
A
d1d2d0 C 0 d0
动极板上移：
定极板 动极板
C1 d1 C2 d2
d 1 d 0 d ,d 2 d 0 d
电容式传感器
变间隙型 变面积型 变介质型
电容式位移传感器的位移测量范围在 1μm—10mm之间，变极距式电容传 感器的测量精度约为2%。变面积式电 容传感器的测量精度较高，其分辨率 可达0.3 μm。
4.1.2 1. 变极距型电容传感器
传感器课件--5电容传感器 .ppt
（上电极）
利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成
多层结 构，制造出三层多晶硅极板，组成差动电容C1、 C2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅
是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上， 所以相当于悬臂梁。
当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加 速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC
微加工三轴加速度传感器
技术指标：
灵敏度：500mV/g ， 量程：10g， 频率范围：0.5-2000Hz， 安装谐振点:8kHz ， 分辨力：0.00004g ， 重量：200g ， 安装螺纹：M5 mm ， 线性误差：≤1%
硅微加工加速度传感器原理
1—加速度测试单元 2—信号处理电路 3—衬底 4—底层多晶硅
聚四氟乙烯外套
电容式液位限位传感器
液位限位传感器与液 位变送器的区别在于：它 不给出模拟量，而是给出 开关量。当液位到达设定 值时，它输出低电平。但 也可以选择输出为高电平 的型号。
液位限位传感器 的设定 设定按钮
智能化液位传感器的设 定方法十分简单：
用手指压住设定按钮， 当液位达到设定值时，放开 按钮，智能仪器就记住该设 定。正常使用时，当水位高 于该点后，即可发出报警信 号和控制信号。
改变了两极板之间的距离d，从而使电容量
发生变化。
实际使用时，总是使初始极距d0尽量 小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极 距式电容器的行程较小的缺点。
变极距式电容传感器的特性曲线
a） 结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1—定极板 2—动极板
从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小 些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较
第四章 常用传感器原理及应用
Ca
Cc
R0
★ 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压 电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无 法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电 式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量。
★ 压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往 是两片或多片进行串联或并联。
+
并联：适于测缓变信号和以电荷为 输出量的场合
3、介电常数变化型 此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。
两圆筒间的电容为：空气的介
21 L C ln(R r )
外电极 内半径
电常数
电极 长度
内电极 内半径
如果电极的一部分被非导电性液 体所浸没时，则会有电容量的增 量∆C产生：
2 ( 2 1 )l C ln(R r )
线圈
铁芯
衔铁
由于 δ 很小，可认为气隙磁场是均匀的 ，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：
线圈 铁芯
衔铁
l 2 Rm A 0 A0
由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略
2 Rm 0 A0
N 0 A0 L 2
传感器灵敏度： K
2
dL
N 2 0 A0 2
2
d
N 2 0 A0 2 2
这种传感器适用于较小位移 的测量，测量范围约在 0.001~1mm左右。
2、变面积式 原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相 对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致 线圈的电感量发生变化。 特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏 度为一常数，因而线性度较好，量程范围可 取大些，自由行程可按需要安排，制造装配 也较方便，因而应用较为广泛。 3、螺管式 原理：衔铁随被测对象移动，线圈 磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈 电感量也因此而变化。 特点：灵敏度更低，但测量范围大 ，线性也较好，同时自由行程可任意 安排，制造装配方便，应用较广泛。
常用传感器和信号处理
常称为测速发电机，旋转对象带动角速度型模拟动圈式传感器旋转，角速度型
模拟动圈式传感器将会产生电动势e，通过测量输出电动势的大小就可以测出
旋转速度为
e
Ke
2.2.5 磁电式传感器
图2-16 模拟动圈式传感器
2.2.5 磁电式传感器
2.数字磁阻式传感器 如图2-17所示，将线圈置于磁铁周围，旋转运动的测速盘为导磁材料制成的齿轮状结构。 当测速盘跟随被测对象一起旋转时，测速盘的凸齿通过磁铁位置时，磁阻减小；而在齿隙 部位通过磁铁位置时，磁阻增大，导致线圈中的磁场强度发生变化，从而在线圈中产生一 个脉冲电动势，根据脉冲的频率就可计算出测速盘的转速，计算公式为
x
• 灵敏度高，则可得到较高的测量精度。但灵敏度与 测量范围成反比关系，灵敏度越高，测量范围就越 窄，同事稳定性也越差。
2.1.2 传感器的特性
2)线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出的是曲线而 非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读 数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线。 线性度（非线性误差）就是描述拟合直线与实际特性 曲线近似程度的性能指标。 拟合直线的选取有多种方法，如将零输入和满量程输 出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线 上各点偏差的平方和最小的理论直线作为拟合直线， 此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
2）涡电流式传感器 涡电流式传感器是基于金属导体在交变磁场中的涡电流效应的传感器。该类型传 感器具有结构简单、响应快、灵敏度高等特点，但其仅限于测量具有金属表面的 物体。如图2-7所示，给线圈通入交变电流i1，则在其周围产生交变磁场H1，在H1 的作用下，靠近线圈的金属导体中产生了涡电流i2，i2在导体中自行闭合，进一步 产生交变磁场H2，H2的方向和H1相反并且抵抗H1，从而使线圈中的阻抗发生了变 化，进而影响了i1，通过对i1的变化进行检测，便可检测金属导体的位移大小或金 属存在与否。