测试技术 传感器原理与测量电路1

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第六章

传感器

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Sensors

主要内容

1. 2. 3. 4.

传感器概述 电容式传感器 电感式传感器 压电式传感器

5. 6. 7. 8.

磁电式传感器 霍尔式传感器 光栅式传感器 光纤式传感器

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Sensors

本章学习要求

1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理

3.了解传感器测量电路

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Sensors

6.1 概 述

正在给主人敬送饮料的机器人

传感器技术——信息采集——“感官” 通信技术———信息传输——“神经” 计算机技术——信息处理——“大脑”

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Sensors传感器按感官的归类人的感觉 视 觉 听 觉 温 觉 与 触 觉 嗅 觉 味 觉 人的感官 眼

6.1 概 述

信号形态转换 光→电流 光→电阻 光→电流

相关器件 光电池 光敏电阻器 光电晶体管

物理现象 光电动势 光导效应

耳

皮 肤

位移→电压 位移→电阻 位移→电压 位移→电容 温度→电压 温度→电阻 压力→电阻 压力→电容 压力→电压 压力→电压气体→电阻 气体→电流 化学变化→电

压电器件 应变计 霍尔元件 压变电容器 热电偶 热敏电阻器 应变计 压变电容器 压电传感器 电感式传感器半导体气敏元件 电化学气体传感器 离子电极 酶传感器

压电效应 压阻效应 霍尔效应 压力引起电容量变化 塞贝克效应 温度引起载流子数的变化 压阻效应 压力引起电容量的变化 压电效应表面吸附现象 电化学反应5

鼻

舌

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Sensors传感器定义

6.1 概 述

传感器是将被测量转换成为与之有确定对应关系的、 容易测量、传输或处理的另一种形式的量(大多为电量) 的装置。尺寸、位移、 温度、力等

物理量

传感器

电量电压、电流、 频率、脉冲等6

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Sensors传感器组成

6.1 概 述

传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感元件的作用 是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则 是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于 后续仪表接入。

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Sensors传感器分类

6.1 概 述

——按被测物理量分类机械量：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； 光：亮度，色彩； 温度：温度，热量，比热。8

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Sensors传感器分类

6.1 概 述——按传感原理分类

电阻式传感器

电容式传感器

电感式传感器

压电式传感器

光电式传感器

磁电式传感器

光纤式传感器

光栅式传感器

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Sensors传感器分类

6.1 概 述——按信号变换特征

能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。例如热电偶 温度计,压电式加速度计。 能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的 变化。例如电阻应变片。

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Sensors基本参数指标

6.1 概 述环境参数指标 可靠性指标工作寿命、平 均无故障时间、 保险期、疲劳 性能、绝缘电 阻、耐压及抗 飞弧等

其它指标使用有关指标： 供电方式 (直流、 交流、频率及波 形等)、功率、 各项分布参数值、 电压范围与稳定 度等 外形尺寸、重量、 壳体材质、结构 特点等 安装方式、馈线 电缆等

量程指标： 温度指标： 量程范围、过载能力等 工作温度范围、温度 误差、温度漂移、温 灵敏度指标： 度系数、热滞后等 灵敏度、分辨力、满量程 抗冲振指标： 输出、输入输出阻抗等 精度有关指标：精度、误 容许各项抗冲振的频 差、线性、滞后、重复性、率、振幅及加速度、 冲振所引入的误差 灵敏度误差、稳定性 其它环境参数： 动态性能指标： 固有频率、阻尼比、时间 抗潮湿、抗介质腐蚀 常数、频率响应范围、频 能力、抗电磁场干扰 率特性、临界频率、临界 能力等 速度、稳定时间等

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Sensors

6.1 概 述

传感器的发展趋势1. 发展、利用新效应； 2. 开发新材料；

3. 提高传感器性能和检测范围；4. 微型化与微功耗； 5. 集成化与多功能化； 6. 传感器的智能化； 7. 传感器的数字化和网络化。12

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Sensors主要内容

6.2 电容式传感器

一、电容传感器概述、工作原理和类型； 二、电容传感器输出特性； 三、电容式传感器的特点； 四、电容传感器测量电路； 五、电容式传感器的应用举例。

学习要求1.掌握电容式传感器工作原理； 2.掌握电容式传感器的分类、及它们各自的特点； 3.了解电容式传感器的测量电路。

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Sensors

6.2 电容式传感器

电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装 置，实质上是一个具有可变参数的电容器。介电常数变化型 面积变化型

0 r A C 极距变化型

0 真空介电常数 相对介电常数 r 极板间距离A 极板面积14

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Sensors极距变化型C

6.2 电容式传感器变化后电容：

ΔC O

0 A 0 C0 0 0 C C0 0 C 1 C0 0 0 1 0C0 C

Δδ

δ

[1 0 0

0

] — —非线性

2

当 0时， C C0 通常取

0

, 灵敏度S=

C C0 = 为近似线性。 0

0

0.1 。15

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Sensors 讨 论

6.2 电容式传感器

要提高传感器灵敏度S应减小初始极距 0 ,但极距也要受 电容击穿电压限制。 非线性随相对位移 的增加而增加，为保证线性度应限 0 制

相对位移。

初始极距 0 与S, / 0 与线性度相矛盾，决定了极距变 化型电容传感器只适合测小位移( 在0.01微米至零点几 毫米)。 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。16

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Sensors

极距变化型电容传感器

差动式极距变化型Δδ

C1δ0

C2δ0

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Sensors

极距变化型电容传感器

差动式极距变化型传感器灵敏度可提高一倍，而非线 性可大大减小。 A C1 0 r C0 0 A C2 0 r C0 0

1

2 3 4 1 ) ( ) ( ) ] C0 [1 ( ) ( 0 0 0 0

0

1

2 3 4 1 ) ( ) ( ) ] C0 [1 ( ) ( 0 0 0 0

0

C C1 C2 2C0 [(

0

3 5 ) ( ) ] ) (

0

0

C0 C S 2 0

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Sensors

极距变化型电容传感器

极距变化型电容式传感器的优点是动态响应快，灵敏 度高，可进行非接触测量。但由于输出非线性特性、传感 器杂散电容对灵敏度和测量精度的影响，以及与传感器配 合使用的电子线路比较复杂等缺点，因此使用范围受到一 定限制。差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍， 非线性误差减小。

特 点

1.主要用于小位移量测量，0.01μm到数百μm。 2.分辨力可达0.1μm,灵敏度较高。19

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Sensors电容式传声器

应用举例

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Sensors

面积变化型电容传感器

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 改变极板的有效面积。常用的有角位移型和线位移型两种。优 点是输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较 低。适用于较大角位移及直线位移的测量。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jdj4.html