传感器与检测技术课件第二章.ppt

常用位移的测量方法：机械法、光测法、电测法。本章主要介绍电测法 电测法：利用各种传感器将位移量变换为电量或电参数，再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法。电测法测量位移常用的传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式等 位移测试传感系统由传感器、变换电路、显示装置或记录仪器三部分组成。,第一节 参量型位移传感器,参量位移传感器的工作原理是将被测物理量转化为电参数，即电阻、电容或电感等。,三大无源元件,第一节 参量型位移传感器,一、电阻式位移传感器,电阻：实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能有关。,式中：称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。l 是导体的长度，S 为导体的截面积。,从上式可见，若导体的三个参数(电阻率、长度L或截面积S)中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。电位计和应变片就是根据这一原理制成的。例如，若改变长度L，则可制成电位计；改变L、S则可制成电阻应变式,第一节 参量型位移传感器,电位计的结构原理与特性,如果电阻丝直径（S)和材质()一定时，则电阻值随导线长度L而变化。根据这一原理制成电位计。,电位计是一种常用的机电元件。通常由骨架、电阻元件（线圈）及电刷（滑动触点）等零件组成。,线绕电位器,第一节 参量型位移传感器,电位计的结构原理与特性,按电位计的结构形式可分为：直线位移型、角位移型和非线形型。按电位计的输入/输出特性可分为：线性电位器、非线性电位器,图2-1 电位计的结构类型（a）直线位移型；（b）角位移型；（3）非线性型,第一节 参量型位移传感器,电位计的结构原理与特性,电位计的电阻元件通常有：绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等优点：电位计结构简单；价格低廉；对环境条件要求不高；输出信号大，易于转换（一般不需要放大就可以直接作为输出）；性能稳定，并容易实现任意函数关系。,第一节 参量型位移传感器,电位计的结构原理与特性,电位计的电阻元件通常有：绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等优点：要求输入能量大（触点始终存在摩擦和损耗。由于有摩擦，就要求电位计有比较大的输入功率，否则就会降低电位计的性能）；由于电刷与电阻元件之间有摩擦，容易磨损，产生噪声干扰，因此可靠性不太好，灵敏度较低，分辨力有限，精度不够高，动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量。,第一节 参量型位移传感器,一、电阻式位移传感器,（1）线性电位计的空载特性,线性电位计其单位长度（或转角）的电阻值是常数。（以直线电位计为例），如下图,电位计电阻长度为l，总电阻为R,电刷位移x,相应的电阻为Rx,电源电压Ui,输出电压U0,若电位器为空载（RL=）时,即空载特性为:,Ku电位计的电压灵敏度(V/m)，当电位计结构及电源电压确定后，Ku和KR为常数，线性电位计输出与电刷位移（或）转角呈线性关系。,电位计输出空载电压为:,线绕电位计,线绕电位计电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝绕制，因而能承受较高的温度，常被制成功率型电位计，其额定功率范围一般为0.2550 W，阻值范围为100 100 k。对于线绕电位计，,对于线绕电位计，电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的，即使电刷在电阻元件上是连续滑动的，它与导线的接触仍是以一匝一匝为单位移动的，而不是连续实现的，当电刷离开这一匝而与下一匝接触时,电阻突然增加一匝阻值,因此电阻是呈阶梯变化的，这样导致输出电压随着电刷的移动而出现阶跃变化，电刷每移过一匝,输出电压便阶跃一次,当电位计有W匝时，就会产生W个电压阶梯,。,因此绕线电位计的电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直线，而是阶梯状，称为阶梯特性。如图所示,线绕电位计,局部剖面和阶梯特性,从左图中可见,在理想情况下,特性曲线每个阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直线即是理论特性曲线,阶梯曲线围绕它上下跳动,从而带来一定误差,这就是阶梯误差。该误差是一种原理误差。它限制了线绕电位计的精度和分辨力。（如图所示）,线绕式电位计的阶梯误差和分辨率是由于其工作原理的不完善而引起的，是一种原理性误差,它决定了线绕式电位计所能达到的最高精度。在实际设计中,减少阶梯误差的主要方式就是增加匝数。当骨架长度一定时，就要减小导线直径（小型电位计通常选0.5mm或更细的导线）；反之当导线直径一定时，就要增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。分辨率与阶梯误差有关，当骨架长度一定时，阶梯误差由线绕电位计的导线直径决定。线径越小，匝数越多，阶梯误差越小，分辨率越高。反之亦然。,第一节 参量型位移传感器,一、电阻式位移传感器,（2）非线性电位计的空载特性,非线性电位计的输出电压（或电阻）与电刷位移之间具有非线性函数关系，即电位计可以将位移或转角变换成与之有某种函数关系的电阻或电压输出。,非线性电位计的结构形式有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式等。,第一节 参量型位移传感器,一、电阻式位移传感器,（2）非线性电位计的空载特性,变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数、S、t不变时,只改变骨架宽度b或高度h来实现非线性函数关系我们以只改变高度h的变骨架高度式非线性线绕电位器为例,则保持、S、t、b 不变。当电位计在空载时，要求输出电阻R为电刷位移x的某种函数f(x)，则需求出骨架高度h随x的变化规律。,在上图所示曲线上任取一小段,则可视为直线,当电刷移动微小位移为dx时，引起相应的电阻变化就是dR,则,式中 b骨架宽度（m);S导线的导电截面积 t 绕线节距，即相邻两导线间距离（m)导线电阻率（.m);I流过电位计的电流（A)U0_ 电位计输出电压（V),由于S、t、b、I均为常数，而dR/dx和dU0/dx都是x的函数，所以骨架高度h是电刷位移x的函数，且与dR/dx和dU0/dx有关。,电阻灵敏度,电压灵敏度,由于非线性电位计输出电压（或）电阻与电刷位移之间是非线性函数关系，因此空载特性是一条曲线。其电压、电阻灵敏度与电刷位移x有关，由于骨架高度是变化的,因而阶梯特性的阶梯也是变化的,最大阶梯值发生在特性曲线斜率最大处,故阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处。,1、绕线式线性电位计阶梯误差的存在限制了它的（）和分辨力：,精度,2、某线绕式线性电位计的骨架直径D0=10mm，总长度L0=100mm，导线直径d=0.1mm,电阻率=0.6*10（-6）.m；总匝数W=1000。试计算该电位计的空载电阻灵敏度KR(2010）,2、某线绕式线性电位计的骨架直径D0=10mm，总长度L0=100mm，导线直径d=0.1mm,电阻率=0.6*10（-6）.m；总匝数W=1000。试计算该电位计的空载电阻灵敏度KR(2010）,3、绕线式非线性电位计的最大阶梯误差发生在特性曲线（）的最大处：（2010）,斜率,4、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为L=100mm,总电阻为R=20，输入电压Ui=24V,试求：,（1）电位计的灵敏度KR输和电压灵敏度KU;（2）当电刷的位移x=24mm时，相应的电阻Rx和电位计输出的空载电压U0,4、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为L=100mm,总电阻为R=20，输入电压Ui=24V,试求：,（1）电位计的灵敏度KR输和电压灵敏度KU;,4、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为L=100mm,总电阻为R=20，输入电压Ui=24V,试求：,（2）当电刷的位移x=24mm时，相应的电阻Rx和电位计输出的空载电压U0,5、下列被测物理量中，适合使用电位器式传感器进行测量的是 A.位移 B.温度 C.湿度 D.扭矩,6、什么是参量型的位移传感器（密押二）,将被测物理量的变化转化为电参数如电阻，电容，电感等的传感器。,第一节 参量型位移传感器,二、电阻应变式位移传感器,应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件上的应力变化转换成电阻变化。,应变效应,导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。,取一根细电阻丝，两端接上一台3位半位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01）。,实验演示：,当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。,应变式传感器广泛应用于各种电子称,动态电子秤,应变式传感器广泛应用于各种电子称,应变式传感器广泛应用于各种电子称,三、电容式位移传感器,电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。在国内研究所，高等院校、工厂和军工部门得到广泛应用，成为科研、教学和生产中一种不可缺少的测试仪器。,ZNXsensor超精密电容位移传感器,ZCS1100精密电容位移传感器,三、电容式位移传感器,三、电容式位移传感器,应用领域：,压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。,三、电容式位移传感器,电容式位移传感器是利用电容量的变化来测量线位移或角位移的装置，其基本工作原理如右图示：,平板电容为:,S 极板面积 极板间距 0 真空介电常数 0=8.85410-12 F/mr 极板介质的相对介电常数=0 r,三、电容式位移传感器,等式右边的三个参数改变任何一个都可以使电容值C发生变化。这就是电容传感器的基本工作原理。,电容式传感器,变极板间距型,变面积型,变介电常数型,三、电容式位移传感器,电容式传感器,变极板间距型,变面积型,变介电常数型,变极距型电容位移传感器：具有较高的灵敏度、但电容变化与极距变化之间为非线性关系。变面积型和变介质（变介电常数）电容位移传感器：具有比较好的线性，但灵敏度比较低。,电容式位移传感器的使用方式,封闭形式下使用开放形式下使用，即利用被测对象作为一个极板（当被测对象为导体时），或利用被测对象作为极板间的介质（当被测对象为绝缘体时）,由于带电极板间的静电引力小，活动部分的可动质量小，对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在高频范围内工作。电容位移传感器的构件和连接电缆会引起泄漏电容，造成测量误差。,电容式位移传感器的特点,三、电容式位移传感器,三、电容式位移传感器,1.变极距型电容位移传感器,由式,知，电容C与极板间距成双曲线关系。,设动极板间的初始极距为0,则初始电容量：,当动极板上移，极距0减小，传感器的电容量,三、电容式位移传感器,1.变极距型电容位移传感器,电容增量：,(2-5),(2-6),三、电容式位移传感器,1.变极距型电容位移传感器,(2-6),略去高次非线性项，得电容的相对变化量为：,传感器的灵敏度为：,非线性误差与/0有关。其表达式为：,三、电容式位移传感器,1.变极距型电容位移传感器,只能用于小位移测量，只有在小位移测量时，其灵敏度才为常数（由上述分析可知，只有在/0 1的情况，电容随极板间距离的变化才近似成线性关系）,其灵敏度与初始极距0的平方成反比，故可通过减小初始极距来要提高灵敏度。,三、电容式位移传感器,1.变极距型电容位移传感器,但当0 过小时，又容易引起击穿，或短路。同时加工精度要求也高了。故一般在极板间采用高介电常数的材料如，放置云母、塑料膜等介电常数高的物质作为介质。,存在非线性误差，在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，改善线性度，可采用差动式结构。,为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。,双板式差动电容器,两定板和中间一块动板组成差动结构,动极板,定极板,定极板,C1 1,C2 2,差动式变间隙型电容传感器,把电容位移传感器连接成差动形式，当中间活动极板移动时，一边电容增加，另一边电容减小，总的电容变化为两者的代数和。这样不仅提高灵敏度，同时使在零点附近工作的线性度也得到了改善。,双板式差动电容器,初始位置时，,动极板上移时：,双板式差动电容器,非线性误差减小,非线性误差为：,双板式差动电容器,三、电容式位移传感器,2.变极板面积型电容位移传感器,变面积型电容位移传感器可用于线位移测量，也可用于角位移测量。根据不同需要采用平板型极板、圆筒型极板或锯齿型极板这类传感器输入/输出具有线性特性,三、电容式位移传感器,2.变极板面积型电容位移传感器,当有效覆盖从S0 变至 S，则,可见S与C的变化呈线性关系，故其灵敏度为常数：,可见，变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系,动极板移动时，两极板间的相对有效面积S发生变化，引起电容C发生变化。,图中所示线位移式传感器：,则有：,可见，电容相对变化量与水平位移是线性关系,（1）线位移型,当动极板移动L后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为,灵敏度为：,（2）角位移型,电容的相对变化量为：,当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为,初始电容为C0（当位移x=0时，动极板1和定极板2完全相互覆盖时）：,（3）同心圆筒形电容位移传感器,RB,L,x,RA,当动极板移动x后，其电容为：,（3）同心圆筒形电容位移传感器,RB,L,x,RA,3.变介质型电容式位移传感器,测量液面高度的电容式液位计,3.变介质型电容式位移传感器,测量液面高度的电容式液位计,有液体介质后传感器的电容值为：,3.变介质型电容式位移传感器,测量液面高度的电容式液位计,可见，电容式液位计具有线性输出特性。在用于位移或尺寸测量的变介质电容位移传感器，一般都具有较好的线性关系。故这种传感器可以测量液位、料位的高度。,3.变介质型电容式位移传感器,电容测厚仪,设极板形状为长方形，面积为S,两极板间的距离为d；被测物的厚度为,0 真空介电常数r 介质的相对介电常数介质的介电常数，=r 0在空气中r=1,电容C与介质厚度介电常数之间的关系是非线性的,电容测厚仪,3.变介质型电容式位移传感器,容栅位移传感器是根据在间隙和介电常数一定的条件下，电容C的变化量的大小与耦合面积S变化量的大小成正比，因此容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。,容栅位移传感器可分为两类，即长容栅位移传感器和圆容栅角位移传感器。,4.容栅式位移传感器,4.容栅式位移传感器,见P19 图2-13a,1是固定容栅，2是可动容栅，在A、B面上分别印制（或刻划）一系列均匀分布并互相绝缘的金属（如铜箔）。固定容栅与可动容栅栅极面相对，中间留有间隙，形成一对对电容。当可动容栅相对固定容栅移动时每对电容面积发生变化，因而电容值随之变化，可测出线位移或角位移。,4.容栅式位移传感器,长容栅位移传感器,式中：n为可动容栅的栅极数 a、b分别为栅极的宽度和长度（m),在测量位移时，动栅与定栅相覆盖的宽度发生变化，则覆盖面积发生变化，因此其电容量随之变化，所以根据所测电容量的变化可知位移的变化量。,忽略电容边缘效应，长容栅的最大电容量为：,4.容栅式位移传感器,圆容栅位移传感器,式中：R、r栅极外半径和内半径（m）每条栅极所对应的圆心角（rad),动栅转动时使两栅之间的覆盖角由变为x,电容C随之变化。,见P19 图2-13b,片状圆容栅的两圆盘1、2同轴安装，栅状成辐射状，可动容栅随被测对象一起转动。忽略电容边缘效应，圆容栅的最大电容量为：,容栅式传感器它在具有电容式传感器优点的同时，又具有多极电容带来的平均效应，分辨力高，提高了抗干扰能力、提高了测量精度(可达5um)、极大地扩展了量程(可达1m)，适宜进行大位移测量，对刻划精度和安装精度要求可有所降低，是一种很有发展前途的传感器。,容栅式传感器的优点：,4.容栅式位移传感器,5、电容位移传感器的绝缘和屏蔽,传感器的初始电容量很小，而极板与周围物体、各种仪器、电缆以至人体都会发生电容联系，产生附加电容，称为寄生电容。这些寄生电容较大，与传感器电容相并联，改变了电容传感器的电容量，一方面降低量传感器的灵敏度，另一方面这些寄生电容（如电缆电容）常常是随机变化的，从而导致了电容位移传感器特性的不稳定，影响测量精度。,措施：为了解决此问题，通常对电容位移传感器及其引线采取屏蔽措施，将传感器放在金属壳内，接地应安全可靠。,电容位移传感器的屏蔽和接地问题,电容位移传感器的一般比较小，如果电源频率不高，则传感器本身的容抗就会相当大，具有如此大内阻的电容位移传感器，通常的绝缘电阻只能视为电容位移传感器的旁路电阻，我们称之为漏电阻。若绝缘材料性能不佳，绝缘电阻随环境温度和湿度而变化，还会使电容位移传感器的输出产生缓慢的零位漂移。,解决方法：绝缘材料应具有高的绝缘电阻、低的膨胀系数、几何尺寸的长期稳定性和低的吸潮性，常用的材料有玻璃、石英等，使用时要进行表面密封。,5、电容位移传感器的绝缘和屏蔽,电容式位移传感器的绝缘,湿敏电容一般用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。,HM1500湿度传感器,当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。,电容式传感器的应用,常规的键盘有机械按键和电容按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。,利用变极距型电容传感器实现信息转换.,电容式传感器的应用,驻极体电容传声器,大膜片电容传声器,传声器（Microphone）即话筒，音译作麦克风，目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。,电容式传感器的应用,电容式传感器的应用,目前的指纹采集技术主要有光学采集、半导体采集、超声波采集。,(1)半导体压感式传感器 其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料,它们依照指纹的外表地形(凹凸)转化为相应的电子信号,并进一步产生具有灰度级的指纹图像。,(2)半导体温度感应传感器 它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同就可以获得指纹图像。,(3)硅电容指纹图像传感器 这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100,000个电容传感器,其外面是绝缘的表面。,电容式传感器的应用,传感器阵列的每一点是一个金属电极,充当电容器的一极,按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极,传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在),导致硅表面电容阵列的各个电容值不同,测量并记录各点的电容值,就可以获得具有灰度级的指纹图像。,电容式传感器的应用,指纹识别系统的电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，直达手指皮肤的活体层(真皮层)，直接读取指纹图案。由于深入真皮层，传感器能够捕获更多真实数据，不易受手指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有效防止辨识错误。,3.4 电容式传感器的应用,半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像,分辨率可高达600dpi,并且指纹采集时不需要象光学采集设备那样,要求有较大面积的采集头。由于半导体芯片的体积小巧,功耗很低,可以集成到许多现有设备中,这是光学采集设备所无法比拟的,现在许多指纹识别系统研发工作都采用半导体采集设备来进行。,电容式传感器的应用,指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。右上图为指纹经过处理后的成像图：,电容式传感器的应用,西门子推出的“ID Mouse”鼠标。鼠标上端安有指尖传感器，一旦指纹被识别，使用者就可以启动PC的操作系统。如果长时间不动鼠标，它将自动启动屏幕保护程序，直到使用者再次触摸ID 鼠标为止。这个鼠标在0.25平方英寸的触摸芯片上有65000个传感系统，可捕捉指纹的细节。该系统非常灵敏，甚至用户的手有伤口它都能准确的辨别出来。,7.电容式指纹传感器,3.4 电容式传感器的应用,最早的指纹识别手机是98年西门子推出的SL10手机，其将“Fingertip”指纹辨认技术移植在SL10上作模拟试用。手机机身前面及后面都装一跟SIM卡大小相似的金属指纹感应器。,3.4 电容式传感器的应用,1.把电容式位移传感器做成差动形式，即可以提高测量（），又可以使零点附近工作特性的线性度得到改善。,灵敏度,2.电容式测厚仪应用的传感器属于,A.容栅式电容传感器 B.变极距型电容传感器 C.变介质型电容传感器 D.变极板面积型电容传感器,3、变极距型电容位移传感器只有在（）测量时，其灵敏度才为常数。,小位移,4、某变极距型位移传感器的极板直径为D=10mm,极板间介质的相对介电常数r=500,空气介电常数0=8.85x10-12F/m。当极板间的初始距离0=5mm 时，求在微小位移测量时该传感器的灵敏度。,传感器的灵敏度为：,4、某变极距型位移传感器的极板直径为D=10mm,极板间介质的相对介电常数r=500,空气介电常数0=8.85x10-12F/m。当极板间的初始距离0=5mm 时，求在微小位移测量时该传感器的灵敏度。,5.下列电容式位移传感器中，测量范围最大的是。A.变极板面积型B.变极距型C.变介质型D.容栅式,6.电容式传感器根据工作原理可分为变极距型、变面积型和()型,变介质,4、电容式液位计属于,A.容栅型电容式传感器B.改变介质型电容式传感器C.改变极距型电容式传感器D.改极板面积型电容式传感器,课后作业,