常用传感器2.

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1、4.3 电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量 转化为电感线圈电感量变化而实现测量目的的一种传感 器。 分类: 电感式传感器自感式可变磁阻式 涡流式 互感式 第4章 常用传感器 1、自感型-可变磁阻式 原理:电磁感应 变气隙式 变面积式 螺管式 第4章 常用传感器 可变导磁面积型 当线圈通以电流i时，产生磁通，其大 小与电流成正比，即： 式中：W为线圈匝数；L为自感。 根据磁路欧姆定律： 由这两式得： 磁路总磁阻为： 考虑到导磁体磁阻远比 气隙磁阻小，可以忽略 不计，故 则得： 第4章 常用传感器 灵敏度： 常数 1）变气隙式 变气隙式传感器的输出特性是非线性的，愈小，灵敏

2、度愈 高。为了减小非线性误差，通常规定在较小的范围内工作。 当S0固定不变，变化时，L 与呈 非线性（双曲线）关系。 实际应用中，一般取 。这种传感器适用于较小 位移的测量，一般约为0.0011 mm。 第4章 常用传感器 2）变面积式 如将固定，变化空气隙导磁截 面积S0时，自感L与S0呈线性关系。 变面积式传感器的输出特性是线性的。与变气隙式传感器比 较灵敏度低。 3）单螺管线圈式 当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻， 使线圈自感发生变化。 螺管式电感传感器结构简单，制造容易， 易于测量较大位移，缺点是灵敏度低。 第4章 常用传感器 以上三种传感器存在以下缺点 1.测量精度低，易受外界干扰（

3、温度、电源波动等）； 2.存在非线性； 3.灵敏度低 第4章 常用传感器 在测试中经常采用的措施： 一般将传感器接成差动形式 提高测量灵敏度 减小非线性误差 减小外界干扰 减小电磁吸力的影响 差动型 4）双螺管线圈差动型传感器及测量电路 第4章 常用传感器 螺管线圈差动 线圈电感L1、L2随铁芯位移而 变化，并作为电桥两个相邻桥臂。 双螺管线圈差动型，较之单螺 管线圈型有较高灵敏度及线性。 用于电感测微计上， 其 测量范围为0300m 最小分辨力为0.5m 电感式接近传感器（金属） 第4章 常用传感器 2、涡流式传感器 原理:涡流效应 第4章 常用传感器 交流高频电流I1 交变线圈磁场B1交变

4、涡流I2 交变涡流磁场B2 B2与B1方向相反， B2总是抵抗B1的变化 原线圈的等效阻抗Z变化 第4章 常用传感器 涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属 板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。若改变其 中的某项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化测 量该参数。 第4章 常用传感器 涡流式传感器可分为 高频反射式 （测位移） 低频透射式 （测厚度 ） 发射线圈1 接收线圈2 优点：可实现非接触测量，结构简单，使用方便，不受油 (P105 ) 污、介质影响。 应用：位移、力、振动测量、测厚、材质判别 第4章 常用传感器 案例： 连续油管的椭圆度测量 Coiled Tube

5、 Eddy Sensor Reference Circle 原理： (3)调频式测量电路 利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以直接 使振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调制。然后通 过鉴频器及附加电路将频率的变化再变成电压输出。 案例： 无损探伤 原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。 火车轮检测 油管检测 第4章 常用传感器 案例： 测厚 案例： 零件计数（仿真试验） 第4章 常用传感器 第4章 常用传感器 3、互感型-差动变压器 工作原理:互感现象. W W1 W2 Ew Eout M1 M2 M1 M2 第4章 常用传感器 R1 U1 L1 I1 L2 I2 M 第4章 常用传感

6、器 测量电路 第4章 常用传感器 2、相敏检波电路 图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且 满足ere。调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容 C1=C2=C0，输出电压为UCD。 当铁芯在中间时,e=0,只有er起作用，输出电压UCD0。若铁芯上移 ，e0，设e和er同相位，由于ere，故er正半周时D1、D2仍导通 ，但D1回路内总电势为ere，而D2回路内总电势为ere，故回路 电流i1i2输出电压UCD=R0（i1i2）0。当er负半周时， R i1 e1 R1 R2 e21 e22 C2 C1 er 移 相 器 D1 D4D3 D2 C D A

7、 B i3 i2i4 e UCD=R0(i4-i3)0， 因此铁芯上移时 输出电压UCD0 。当铁芯下移时 ，e和er相位相反 。同理可得 UCD0。 由此可见，该电 路能判别铁芯移 动的方向。 由上图可知 因两次级线圈W1，W2反极性串联，则输出的总电势为： 第4章 常用传感器 零点残余电压：是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级 线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形 成的。 不同形式的零点残余电压补偿电路不同形式的零点残余电压补偿电路 特点：教材P106 应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度; 压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,

8、温度;振动,速度,加速度;等. 第4章 常用传感器 差动变压器位移传感器 案例：板的厚度测量（仿真试验） 第4章 常用传感器 案例：张力测量 第4章 常用传感器 4.4 电容式传感器 1、变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器,它的电容量为: + + + A 当被测量、A或发生变化时，都会引起电容的变化 。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数 ，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。 第4章 常用传感器 2、分类 第4章 常用传感器 a)变极距型; + + + c)变介电常数型 b)变面积型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型. + + + + +

9、+ a)变极距型 + + + + + + 第4章 常用传感器 传感器的灵敏度为 常数 极距愈小，灵敏度愈高。由于电容量C与极距呈非线性关系， 故这将引起非线性误差。 一般当极距变化 ，或 此时传感器的灵敏度近似为常数。 实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、 增大线性工作范围和克服外界条件(如电源 电压、环境温度等)的变化对测量精度的影 响，常常采用差动型电容式传感器。 第4章 常用传感器 b)面积变化型 角位移型 + + + 当动极板有角位移时,电容变化量: 灵敏度： =常数 常用的有角位移型和线位移型两种。 第4章 常用传感器 线位移型电容传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种 平面线位移型

10、 x b 灵敏度： =常数 当动极板移动后，覆盖面积发生变化，由此产生的电容变化量 第4章 常用传感器 圆柱线位移型： D d 当覆盖长度l变化时 ，电容的变化量 灵敏度： =常数 面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型电 容式传感器相比，灵敏度较低，适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量 。变面积电容式传感器由于存在边缘效应,仍然有非线性 第4章 常用传感器 变介电常数型电容传感器由于存在边缘效应,仍然有非线性 c)变介电常数型 第4章 常用传感器 第4章 常用传感器 产品. 电容式液位传感器（液位计/料位计） 第4章 常用传感器 液压差传感器 加速度传感器 测

11、厚传感器应用 电容式传感器测钢带厚度 第4章 常用传感器 产品. 陶瓷电容压力传感器 液体压力 作用在陶 瓷膜片的 表面，使 膜片产生 位移。 压力变送器 第4章 常用传感器 电容式接近开关 振荡电路 被测物体 感应电极 被测电容 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，物体和接近开关的介电常数发生变 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。 第4章 常用传感器 第4章 常用传感器 电容传感器特点： 灵敏度高，分辨力高，动态特性好，可作非接触式测量 变极距型：小位移测量，高精度。

12、 变面积型：大位移测量。 变介电常数型：温度、物位、液位等测量。 第4章 常用传感器 缺点：电缆分布电容影响大 解决方法：教材P113 3、 测量电路 第4章 常用传感器 a) 电桥电路 由电感、电容组成的电桥，电容变化转换为电桥的电压 输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。 b) 谐振电路 电容传感器的电容作为谐振回路(L2、C2、CX)调谐电容的一部分。谐振 回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生 变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或 电流，再经过放大、检波、滤波即可得到相应的输出。 为了获得较好的线性关系，一般谐振

13、电路的工作点选在谐振曲线的线性 区域内最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。 第4章 常用传感器 c)运算放大器电路 采用比例运算放大器电路，可以使变极距型电容式传感器输 出电压与位移的关系转换为线性关系。 第4章 常用传感器 第四章 常用传感器 4.5 压电式传感器 1.变换原理: 正压电效应 ：有些材料，当沿着一定方向对其施力而使它 变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符 号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。 当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。 q=DF F + 压电式传感器是一种可逆型换能器，机械能 电能。 它的工作原理是基于某些物质

14、的压电效应。 逆压电效应:在这些材料的极化方向施加电场，它们就在一定 方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时， 这些变形或应力也随之消失，这种现象称为“逆压电 效应”，或称为“电致伸缩效应”。（超声波发射探头） 压电效应是可逆的，压电传感器是双向传感器。 2、压电材料 具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或压电元件)。 常见的压电材料可分为两类： 单晶体：石英晶体等 多晶体：压电陶瓷等 石英晶体有天然石英和人工石英单晶体两种。 特点：石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好。机械 强度很高。性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化 导致电荷释放），绝缘性能相当好。 第4章 常用传感器 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶组成。 特点：稳定性较石英晶体差，有明显的热释电效应。压电常数大，灵敏度高。 制作工艺方便，耐湿、耐高温等特点，用的较多。 如钛酸钡压电陶瓷 、锆钛酸铅系压电陶瓷，即PZT系压电陶瓷、铌镁 酸铅压电陶瓷（PMN)、铌酸盐系压电陶瓷等。 天然石英晶体，其结构形状为一个六角形 晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中， 可以将其用三根互相垂直的轴表示。 纵轴Z光轴 通过六棱线而垂直于光轴的X轴电轴 垂直于六棱柱