測(cè)試技術(shù)課件第四章傳感器

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1、中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.1 概 述4.2 參 量 型 傳 感 器4.3 發(fā) 電 型 傳 感 器4.4 其 他 類 型 的 傳 感 器4.5 傳 感 器 的 選 用 原 則第 四 章 、 常 用 傳 感 器 及 其 變 換 原 理測(cè) 試 技 術(shù) 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院本 章 學(xué) 習(xí) 要 求 ：1.了 解 傳 感 器 的 分 類 2.掌 握 常 用 傳 感 器 測(cè) 量 原 理3.了 解 傳 感 器 測(cè) 量 電 路第 四 章 、 常 用 傳 感 器 及 其 變 換 原 理 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院第 四 章 、 常 用 傳 感 器 及 其 變 換 原

2、理 4.1 概 述1. 傳 感 器 定 義 傳 感 器 是 借 助 于 檢 測(cè) 元 件 接 收 一 種 形 式 的 信息 ， 并 按 一 定 的 規(guī) 律 將 所 獲 取 的 信 息 轉(zhuǎn) 換 成 另 一種 信 息 的 裝 置 。 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 信號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號(hào) 的 裝 置 。 物 理 量 電 量 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院2. 傳 感 器 的 構(gòu) 成 傳 感 器 一 般 由 敏 感 元 件 與 轉(zhuǎn) 換 元 件 組 成 。4.1 概 述

3、 敏 感 元 件 (sensing element)是 指 傳 感 器 中 能 直接 感 受 或 響 應(yīng) 被 測(cè) 量 ， 并 輸 出 與 被 測(cè) 量 成 確 定 關(guān) 系的 其 他 量 （ 一 般 為 非 電 量 ） 部 分 ； 轉(zhuǎn) 換 元 件 (transduction element)是 指 傳 感 器 中能 將 敏 感 元 件 感 受 或 響 應(yīng) 的 被 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換 成 適 于 傳 輸或 測(cè) 量 的 可 用 輸 出 信 號(hào) （ 一 般 為 電 信 號(hào) ） 部 分 。 如 ： 應(yīng) 變 式 壓 力 傳 感 器 的 彈 性 膜 片 就 是 敏 感 元 件 ，它 將 被 測(cè) 壓 力 轉(zhuǎn) 換 成

4、 彈 性 膜 片 的 變 形 。 如 ： 應(yīng) 變 式 壓 力 傳 感 器 中 的 應(yīng) 變 片 就 是 轉(zhuǎn) 換 元 件 ，它 將 彈 性 膜 片 在 壓 力 作 用 下 的 變 形 轉(zhuǎn) 換 成 應(yīng) 變 片 電阻 值 的 變 化 。 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院3. 傳 感 器 的 分 類(1)按 被 測(cè) 物 理 量 分 類 :(2)按 信 號(hào) 變 換 特 征 :(3)按 敏 感 元 件 與 被 測(cè) 對(duì) 象 之 間 的 能 量 關(guān) 系 :位 移 ,力 ,溫 度 等 .物 性 型 傳 感 器 ,結(jié) 構(gòu) 型 傳 感 器 .參 量 型 傳 感 器 （ 也 稱 無(wú) 源 傳 感 器 ， 或 能 量

5、 控 制 型 ）發(fā) 電 型 傳 感 器 （ 也 稱 有 源 傳 感 器 ， 或 能 量 轉(zhuǎn) 換 型 ）4.1 概 述 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院A 物 性 型 與 結(jié) 構(gòu) 型 傳 感 器物 性 型 :依 靠 敏 感 元 件 材 料 本 身 物 理 性 質(zhì) 的 變 化 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 信 號(hào) 變 換 . 例 如 :水 銀 溫 度 計(jì) ,壓 電 測(cè) 力 計(jì) .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 . 例 如 :電 容 式 和 電 感 式 傳 感 器 .4.1 概 述 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院B 參 量 型 和 發(fā) 電 型 傳 感

6、 器 參 量 型 :借 助 輔 助 能 源 將 輸 入 的 機(jī) 械 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 量輸 出 。 例 如 :電 阻 應(yīng) 變 片 .電 容 傳 感 器 、 電 感 傳 感 器 等 。 發(fā) 電 型 :直 接 將 被 測(cè) 對(duì) 象 輸 入 能 量 轉(zhuǎn) 會(huì) 為 電 量 而 不 需 外 加 能 源 。 例 如 :熱 電 偶 溫 度 計(jì) ,壓 電 式 加 速 度 計(jì) 等 .4.1 概 述 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4、 傳 感 器 的 發(fā) 展 動(dòng) 向 傳 感 器 技 術(shù) 的 主 要 發(fā) 展 動(dòng) 向 ： 一 是 開(kāi) 展 基 礎(chǔ) 研 究 ，重 點(diǎn) 研 究 傳 感 器 的 新 材 料 和 新 工

7、藝 ； 二 是 實(shí) 現(xiàn) 傳 感 器的 智 能 化 。（ 1） 用 物 理 現(xiàn) 象 、 化 學(xué) 反 應(yīng) 和 生 物 效 應(yīng) 設(shè) 計(jì) 制 作 各種 用 途 的 傳 感 器 ， 這 是 傳 感 器 技 術(shù) 的 重 要 基 礎(chǔ) 工 作 。 （ 2） 傳 感 器 向 高 精 度 、 一 體 化 、 小 型 化 的 方 向 發(fā) 展 。（ 3） 發(fā) 展 智 能 型 傳 感 器 。 4.1 概 述 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院5. 常 見(jiàn) 的 被 測(cè) 物 理 量 機(jī) 械 量 :長(zhǎng) 度 ,厚 度 ,位 移 ,速 度 ,加 速 度 ,旋 轉(zhuǎn) 角 ,轉(zhuǎn) 數(shù) ,質(zhì) 量 ,重 量 ,力 ,壓 力 ,真 空 度

8、 ,力 矩 ,風(fēng) 速 ,流速 ,流 量 ; 聲 : 聲 壓 ,噪 聲 . 磁 : 磁 通 ,磁 場(chǎng) . 溫 度 : 溫 度 ,熱 量 ,比 熱 . 光 ： 亮 度 ， 色 彩4.1 概 述 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.2 參 量 型 傳 感 器4.2.1 電 阻 式 傳 感 器4.2.2 電 容 式 傳 感 器4.2.3 電 感 式 傳 感 器4.2.4 渦 流 式 傳 感 器第 四 章 、 傳 感 器 測(cè) 量 原 理 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 電 阻 式 傳 感 器 是 把 被 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 變 化 的 一 種 傳感

9、 器 ,按 工 作 的 原 理 可 分 為 :變 阻 器 式 、 電 阻 應(yīng) 變 式 、熱 敏 式 、 光 敏 式 、 電 敏 式 . （ a） （ b） （ c）1 變 阻 器 式 傳 感 器 (1) 工 作 原 理 4.2 參 量 型 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院1 32 xxp 圖 （ a） 為 直 線 位 移 型 ， 當(dāng) 被 測(cè)位 移 量 x變 化 時(shí) ， 電 刷 觸 點(diǎn) 2沿 變阻 器 移 動(dòng) ， 則 任 意 位 置 2點(diǎn) 與 3點(diǎn)之 間 的 電 阻 值 lR k x ldRS kdx 傳 感 器 靈 敏 度圖 （ b） 為 旋 轉(zhuǎn) 型 變 阻 器 式 傳 感

10、器 ， 其 電 阻 值 隨 電刷 轉(zhuǎn) 角 而 變 化 。圖 （ c） 是 一 種 非 線 性 變 阻 器 式 傳 感 器 ， 或 稱 為 函 數(shù)電 位 器 。 lk 單 位 長(zhǎng) 度 的 電 阻 值 4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 等 效 電 路 分 析 : Rp-總 電 阻 ;xp-變 阻 總 長(zhǎng) ;RL負(fù) 載 電阻 ;x-電 刷 移 動(dòng) 量 。1 32 xxp Ein EoutRx RLRp-Rx ( )(1 )inx Rp p xx R xL pEoutE 0 x 100%100%Output0負(fù) 載 效 應(yīng) 4.2.1 電 阻 式 傳 感 器

11、23 1 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院優(yōu) 點(diǎn) ： (1)結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 尺 寸 小 、 重 量 輕 、 價(jià) 格 低 廉 且 性 能穩(wěn) 定 ； (2)受 環(huán) 境 因 素 (如 溫 度 、 濕 度 、 電 磁 場(chǎng) 干 擾 等 )影響 小 ； (3)可 以 實(shí) 現(xiàn) 輸 出 輸 入 間 任 意 函 數(shù) 關(guān) 系 ； (4)輸 出 信 號(hào) 大 ， 一 般 不 需 放 大 。 （ 2） 優(yōu) 缺 點(diǎn)缺 點(diǎn) ： 因 為 存 在 電 刷 與 線 圈 或 電 阻 膜 之 間 摩 擦 ， 因 此需 要 較 大 的 輸 入 能 量 ； 由 于 磨 損 不 僅 影 響 使 用 壽命 和 降 低 可 靠 性

12、， 而 且 會(huì) 降 低 測(cè) 量 精 度 ， 所 以 分辨 力 較 低 ； 動(dòng) 態(tài) 響 應(yīng) 較 差 ， 適 合 于 測(cè) 量 變 化 較 緩慢 的 量 。 4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院(5) 應(yīng) 用案 例 ： 重 量 的 自 動(dòng) 檢 測(cè) -配 料 設(shè) 備 重 量 設(shè) 定原 材 料 比 較 原 理用 彈 簧 將 力 轉(zhuǎn) 換 為 位 移 ;再 用 變阻 器 將 位 移 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 的 變 化4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院案 例 ： 煤 氣 包 儲(chǔ) 量 檢 測(cè) 原 理直 接 將 代 表 煤 氣 包

13、儲(chǔ) 量 的 高 度變 化 轉(zhuǎn) 換 為 鋼 絲 的 電 阻 變 化特 點(diǎn) ：（ 1） 測(cè) 量 量 程 大 ；（ 2） 防 爆 ；（ 3） 可 靠 ；（ 4） 成 本 低 。鋼 絲煤 氣 包4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院案 例 ： 玩 具 機(jī) 器 人 （ 廣 州 中 鳴 數(shù) 碼 ）原 理直 接 將 關(guān) 節(jié) 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 動(dòng)角 度 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 器 阻 值 變 化 4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院2 電 阻 應(yīng) 變 式 傳 感 器 -應(yīng) 變 片 金 屬 電 阻 應(yīng) 變 片 的 工 作 原 理

14、 是 基 于 金 屬 導(dǎo) 體 的應(yīng) 變 效 應(yīng) ， 即 金 屬 導(dǎo) 體 在 外 力 作 用 下 發(fā) 生 機(jī) 械 變形 時(shí) ， 其 電 阻 值 隨 著 它 所 受 機(jī) 械 變 形 (伸 長(zhǎng) 或 縮短 )的 變 化 而 發(fā) 生 變 化 的 現(xiàn) 象 。 4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 01 2 (1 2 )dR c KR 1) 工 作 原 理金 屬 應(yīng) 變 片 的 電 阻 R為 L AR 在 外 力 作 用 下 ， 導(dǎo) 線 變 形 ， 其 長(zhǎng) 度 、 截 面 積 、電 阻 率 均 將 隨 導(dǎo) 線 的 變 形 而 變 化 ， 由 此 引 起 R的變 化 由

15、電 阻 絲 幾 何 尺 寸 改 變 所 引 起 的 ； 由 電 阻 絲 的 電 阻 率 隨 應(yīng) 變 的 改 變 而 引 起 的 。 (1 2 ) (1 2 )c 4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 當(dāng) 不 變 時(shí) )21( RdAdldR ARlR 金 屬 應(yīng) 變 計(jì) 當(dāng) 變 化 時(shí) dR l eAdR d d R R E 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 計(jì) 4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院2) 金 屬 應(yīng) 變 計(jì) 金 屬 應(yīng) 變 計(jì) 有 : 絲 式 、 箔 式 和 薄膜 式 優(yōu) 點(diǎn) :穩(wěn) 定 性 和 溫度 特 性 好 .

16、缺 點(diǎn) :靈 敏 度 系 數(shù)小 . 應(yīng) 變 計(jì)4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院3) 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 優(yōu) 點(diǎn) ： 應(yīng) 變 靈 敏 度 大 ;體 積 小 ;機(jī) 械 滯 后 小 、 橫向 效 應(yīng) 小 ； 能 制 成 具 有 一 定 應(yīng) 變 電 阻 的 元 件 . 缺 點(diǎn) ： 溫 度 穩(wěn) 定 性 能 差 、 靈 敏 度 離 散 度 大 以 及在 較 大 應(yīng) 變 作 用 下 非 線 性 誤 差 大 ； 可 重 復(fù) 性 不如 金 屬 應(yīng) 變 片 。 應(yīng) 變 計(jì) dR l eAdR d d R R E 4.2.1 電 阻 式 傳 感 器工 作 原 理 ： 半

17、 導(dǎo) 體 材 料 的 壓 阻 效 應(yīng) 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院3) 應(yīng) 變 片 的 主 要 參 數(shù) 1） 幾 何 參 數(shù) ： 標(biāo) 距 L和 絲 柵 寬 度 b， 制 造 廠 常 用 L b 表 示 。 2） 電 阻 值 ： 應(yīng) 變 計(jì) 的 原 始 電 阻 值 。 3） 靈 敏 系 數(shù) ： 表 示 應(yīng) 變 計(jì) 變 換 性 能 的 重 要 參 數(shù) 。 4） 其 它 表 示 應(yīng) 變 計(jì) 性 能 的 參 數(shù) （ 工 作 溫 度 、 滯 后 、 蠕 變 、 零 漂 以 及 疲 勞 壽 命 、 橫 向 靈 敏 度 等 ） 。 4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電

18、 學(xué) 院案 例 ： 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(guò)應(yīng) 變 片 測(cè) 量 橋 梁 動(dòng) 態(tài) 變 形 ，得 到 橋 梁 固 有 頻 率 。4) 應(yīng) 用4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院案 例 ： 電 子 稱 原 理將 物 品 重 量 通 過(guò) 懸 臂 梁 轉(zhuǎn) 化 結(jié)構(gòu) 變 形 再 通 過(guò) 應(yīng) 變 片 轉(zhuǎn) 化 為 電量 輸 出 。4.2.1 電 阻 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院F ma4.2.1 電 阻 式

19、傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.2 參 量 型 傳 感 器4.2.2 電 容 式 傳 感 器 1.變 換 原 理 : 將 被 測(cè) 量 的 變 化 轉(zhuǎn) 化 為 電 容 量 變 化兩 平 行 極 板 組 成 的 電 容 器 ,它 的 電 容 量 為 : 0 r AAC d d + dA 當(dāng) 被 測(cè) 量 使 d、 A或 發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 都 會(huì)引 起 電 容 的 變 化 。 如 果 保 持 其 中 的 兩 個(gè) 參數(shù) 不 變 ， 而 僅 改 變 另 一 個(gè) 參 數(shù) ， 就 可 把 該參 數(shù) 的 變 化 變 換 為 單 一 電 容 量 的 變 化 。C 電 容 量 ， F；

20、極 板 間 介 質(zhì) 的 介 電 常 數(shù) ， F/mm；A 極 板 相 互 遮 蓋 面 積 ， m2 ；d 極 板 間 距 離 ， m；r 極 板 間 介 質(zhì) 的 相 對(duì) 介 電 常 數(shù) ， 對(duì) 于 空 氣 ， r 1；0 真 空 介 電 常 數(shù) ， 0 8.85 10-12 F/mm。 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院2 分 類 4.2.2 電 容 式 傳 感 器 a) 極 距 變 化 型 ; +c) 介 質(zhì) 變 化 型 0 r AdC b)面 積 變 化 型 :角 位 移 型 ,平 面 線 位 移 型 ,柱 面 線 位 移 型 .+ + + 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院3、

21、變 極 距 型 電 容 傳 感 器如 右 圖 所 示 ， 設(shè) 板 間 隙 有 一 改 變 量 d， 則 有 ：0 AC d d + dA 20 0 0 01 ( ) C d d dC d d d ， 將 上 式 按 泰 勒 級(jí) 數(shù) C d特 性 曲 線電 容 的 增 加 值 為 C：0 0 0A AC C C d d d 0/ 1d d 在展 開(kāi) 為 ： 4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院對(duì) 于 小 的 間 隙 變 化 ， ： 即 ， 上 式 可 舍 去 高 次項(xiàng) ， 從 而 可 得 近 似 的 線 性 關(guān) 系 式 ：0/ 1d d0 0C dC d 采

22、 用 上 述 相 同 的 方 法 ， 可 以 推 導(dǎo) 出 在 的 情 況 下 ，極 板 間 距 增 加 d 時(shí) 的 輸 出 電 容 相 對(duì) 變 化 量 為 20 0 0 01 ( ) C d d dC d d d 0/ 1d d這 時(shí) 電 容 傳 感 器 的 靈 敏 度 為 ： 20C AS d d 4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院將 變 極 距 型 電 容 傳 感 器 做 成 差 動(dòng) 形 式 可 以 減 小非 線 性 誤 差 和 增 加 靈 敏 度 。d dd 2C1C 差 動(dòng) 平 板 電 容 傳 感 器 4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó)

23、礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4、 變 面 積 型 電 容 傳 感 器 采 用 改 變 電 容 器 極 板 面 積 是 另 一 種 獲 取 電 容 傳 感器 輸 出 變 化 的 方 法 。 下 圖 示 出 幾 種 改 變 面 積 的 電 容傳 感 器 。 變 面 積 型 電 容 傳 感 器(a)平 板 線 位 移 式 ； (b)轉(zhuǎn) 角 式 ； (c)圓 柱 體 線 位 移 式 4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 對(duì) 平 極 板 線 位 移 型 電 容 傳 感 器 （ 圖 (a)所 示 ） ，當(dāng) 動(dòng) 極 板 沿 與 極 板 平 行 方 向 移 動(dòng) 時(shí) ，

24、遮 蓋 面 積 發(fā) 生變 化 ， 其 電 容 量 為 ： bxC ddC bS constdx d 其 靈 敏 度 為 ： 采 用 變 面 積 型 電 容 傳 感 器 還 可 用 于 各 種 壓 力 、 加速 度 等 物 理 量 的 測(cè) 量 。4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 這 類 傳 感 器 的 最 大 優(yōu) 點(diǎn) ： 是 其 輸 入 與 輸 出 是 一 種線 性 關(guān) 系 。 缺 點(diǎn) ： 是 電 容 的 橫 向 靈 敏 度 較 大 ； 此 外 其 機(jī) 械 結(jié)構(gòu) 要 求 十 分 精 確 ， 因 此 相 對(duì) 于 變 極 距 型 電 容 傳 感 器 ，測(cè) 量

25、 精 度 較 低 。 這 種 傳 感 器 的 測(cè) 量 范 圍 對(duì) 于 線 位 移 型 來(lái) 說(shuō) 為 幾 厘米 ， 對(duì) 轉(zhuǎn) 角 型 則 為 180 ， 測(cè) 量 的 頻 率 范 圍 為 0Hz104Hz。 同 樣 也 可 將 這 種 傳 感 器 做 成 差 動(dòng) 型 。4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院5、 變 介 電 常 數(shù) 型 電 容 傳 感 器d 0 d1d2 d0下 圖 所 示 為 變 介 電 常 數(shù) 型 電 容 傳 感 器 的 兩 種 形 式 ：變 介 電 常 數(shù) 型 電 容 傳 感 器(a)極 板 上 覆 蓋 有 介 質(zhì) ； (b)介 質(zhì) 可 移 動(dòng)

26、 4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院如 上 圖 (a)所 示 ， 該 電 容 器 具 有 兩 不 同 的 電 介 質(zhì) 。 整 個(gè) 裝 置可 視 為 由 兩 個(gè) 電 容 器 串 聯(lián) 而 成 ， 其 總 電 容 量 C由 兩 電 容 器的 電 容 C1和 C2所 確 定 ， 由 此 得 ： 1 21 2 0 1 21 1 1 1 ( )r rd dC C C A 01 21 2r rAC d d 為 分 析 方 便 起 見(jiàn) ， 設(shè) 介 質(zhì) 1為 空 氣 ， 即 ， 則 上 式 變 為 ：因 此 0 02 2 1 0 22 2r rA AC d dd d d

27、1 1r 4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院圖 (b)的 形 式 也 可 改 變 介 質(zhì) ， 這 種 結(jié) 構(gòu) 相 當(dāng) 于 兩 電 容 器 作 并 聯(lián) ，此 時(shí) 的 總 電 容 量 為 ： 0 1 0 0 0 2 01 2 0 0( )r rb l l b lC C C d d 0 0 00 0b lC dl為 了 分 析 方 便 起 見(jiàn) ， 同 樣 設(shè) 介 質(zhì) 1為 空 氣 ， 因 此 ，又 設(shè) 介 質(zhì) 全 部 為 空 氣 的 電 容 器 的 為 C0， 則 ：由 于 介 質(zhì) 2的 插 入 所 引 起 的 電 容 C的 相 對(duì) 變 化 C/C0正 比 于

28、 插 入深 度 : 1 1r 4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院0 0 2 20 0 0 0 0 11r rC C l l lC lC C l l l 利 用 這 一 原 理 常 用 于 對(duì) 非 導(dǎo) 電 液 體 和 松 散 物 料 的 液 位 或 填 充高 度 的 測(cè) 量 。 測(cè) 量 非 導(dǎo) 電 液 體 和 松 散 物 料 的 液 位 或填 充 高 度 的 電 容 傳 感 器 4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 特 點(diǎn) ： 電 容 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 可 以 進(jìn) 行 無(wú) 接觸 測(cè) 量 ； 它 的 動(dòng)

29、 態(tài) 響 應(yīng) 好 ， 靈 敏 度 高 ， 分 辨 力 強(qiáng) ，并 能 在 惡 劣 的 環(huán) 境 下 工 作 ； 特 別 適 合 測(cè) 量 高 頻 振動(dòng) 下 的 位 移 。 6、 應(yīng) 用 應(yīng) 用 ： 位 移 、 振 動(dòng) 、 角 度 、 加 速 度 、 荷 重 、壓 力 、 差 壓 力 、 料 位 、 成 分 含 量 等 。4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院案 例 ： 電 容 傳 聲 器 案 例 :液 面 高 度 測(cè) 量4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院電 容 式 位 移 傳 感 器 應(yīng) 用4.2.2 電 容 式 傳 感 器

30、 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 差 動(dòng) 式 電 容 壓 力 傳 感 器 1、 4 隔 膜 片 2、 3 基 座5 玻 璃 層 6 金 屬 膜7 彈 性 膜 片 電 容 式 加 速 度 傳 感 器1 絕 緣 體 2 固 定 電 極3 質(zhì) 量 塊 4 彈 簧pH pL 4.2.2 電 容 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.2 參 量 型 傳 感 器4.2.3 電 感 式 傳 感 器 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 。電 感 式 傳 感 器 自 感 型互 感 型 可 變

31、 磁 阻 式渦 流 式分 類 ： 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院1 自 感 型 -可 變 磁 阻 式(1)工 作 原 理組 成 ： 鐵 芯 、 線 圈 和 銜 鐵 當(dāng) 線 圈 通 以 電 流 i時(shí) ， 產(chǎn) 生 磁 通 m， 其 大 小與 電 流 成 正 比 ， 即 mW Li 式 中 W 線 圈 匝 數(shù) ； L 比 例 系 數(shù) ， 稱 為 自 感根 據(jù) 磁 路 歐 姆 定 律 m mWiR 式 中 Wi 磁 動(dòng) 勢(shì) ； Rm 磁 阻 。 4.2.3 電 感 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.2.3 電 感 式 傳 感 器 a)可 變 導(dǎo) 磁 面 積 型 b） 差

32、 動(dòng) 型 c） 單 螺 管 線 圈 型 d） 雙 螺 管 線 圈 差 動(dòng) 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院自 感 如 果 空 氣 隙 厚 度 （ 如 圖 ） 比 較 小 ， 且 不 考 慮 磁路 的 鐵 損 失 ， 則 磁 阻 Rm 02m lR A A 磁 路 的 磁 阻 效 應(yīng) 有 幾 何 磁 阻 效 應(yīng) 和 物 理 磁 阻 效 應(yīng) ?；?于 物 理 磁 阻 效 應(yīng) 原 理 構(gòu) 成 磁 彈 性 傳 感 器 （ 或 稱 壓磁 傳 感 器 ） 2 02 WL lA A 4.2.3 電 感 式 傳 感 器 2 mWL R 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 通 常 導(dǎo) 磁 體 磁 阻

33、（ 鐵 芯 及 銜 鐵 磁 阻 ） 遠(yuǎn) 小 于 空氣 隙 的 磁 阻 ， 計(jì) 算 時(shí) 可 忽 略 ， 則 202W AL 可 變 磁 阻 式 傳 感 器 有 變 氣 隙 厚 度 型 、 變 氣 隙 面積 型 和 可 動(dòng) 鐵 芯 型 三 種 。 對(duì) 變 氣 隙 型 電 感 傳 感 器 ， 當(dāng) 固 定 A， 變 化 時(shí) ， L與 呈 非 線 性 關(guān) 系 ， 此 時(shí) 傳 感 器 的 靈 敏 度 為 ： 2 022W AS 4.2.3 電 感 式 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 為 了 減 小 這 一 誤 差 ， 通 常 規(guī) 定 在 較 小 間 隙 范 圍 內(nèi)工 作 。 例

34、 如 ， 設(shè) 間 隙 變 化 范 圍 為 （ ） ，則 靈 敏 度 為 ： 0 0 ， 2 2 20 0 02 2 20 0 0(1 2 )2 2( ) 2W A W A W AS 當(dāng) 時(shí) ， 由 于 ， 故靈 敏 度 S趨 于 定 值 ， 即 輸 出 與 輸 入 近 似 成 線 性關(guān) 系 。 0 01 2 1 4.2.3 電 感 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院變 面 積 型 電 感 傳 感 器 ， 其 自 感 L和 A成 線 性 關(guān) 系 。（ 如 圖 ）可 動(dòng) 鐵 芯 型 電 感 傳 感 器 ， 由 螺 管 線 圈 和 插 入 的 鐵 芯（ 磁 芯 ） 構(gòu) 成 。（

35、2） 差 動(dòng) 電 感 傳 感 器4.2.3 電 感 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院2 互 感 型 -差 動(dòng) 變 壓 器工 作 原 理 :互 感 現(xiàn) 象 . WW1W2 x-xW W 1W2 e1e2 e=e1- e2P 4.2.3 電 感 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 厚 度 ,角 度 ,表 面 粗 糙 度 ;拉 伸 ,壓 縮 ;壓 力 ,流 量 ,液 位 ;張 力 ,重 力 ,負(fù) 荷 量 ;扭 矩 ,應(yīng) 力 ;溫 度 ;振 動(dòng) ,速 度 ,加 速 度 ;等 .案 例 ： 板 的 厚 度 測(cè) 量 案 例 ： 張 力 測(cè) 量3、 應(yīng) 用4.2.3

36、 電 感 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院差 動(dòng) 壓 力 傳 感 器4.2.3 電 感 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院加 速 度 傳 感 器 及 測(cè) 量 電 路1 彈 性 支 撐 2 差 動(dòng) 變 壓 器4.2.3 電 感 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.2.4 渦 流 式 傳 感 器1、 工 作 原 理 :原 線 圈 的 等 效 阻 抗 Z變 化 ： ),( ZZ 1 2 I1EI2渦 流 效 應(yīng) 4.2 參 量 型 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 渦 流 傳 感 器 一 般 分 為 高 頻 反 射 式

37、 和 低 頻 透 射 式 。以 上 介 紹 的 為 高 頻 反 射 式 ， 其 激 勵(lì) 電 流 i為 高 頻 （ 兆赫 茲 以 上 ） 。 這 種 傳 感 器 通 常 用 來(lái) 測(cè) 量 位 移 、 振 動(dòng) 等物 理 量 。 低 頻 透 射 式 渦 流 傳 感 器 多 用 于 測(cè) 量 材 料 的 厚 度 ，其 工 作 原 理 如 下 圖 所 示 。 低 頻 透 射 式 渦 流 傳 感 器 4.2.4 渦 流 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院2、 測(cè) 量 電 路 一 般 用 阻 抗 分 壓 式 調(diào) 幅 電 路 及 調(diào) 頻 電 路 。 下 圖 是用 于 渦 流 測(cè) 振 儀 上 的

38、 分 壓 式 調(diào) 幅 電 路 。 傳 感 器 的 線 圈L和 電 容 C組 成 并 聯(lián) 諧 振 回 路 ， 其 諧 振 頻 率 為 ：12f LC 分 壓 式 調(diào) 幅 電 路 原 理 4.2.4 渦 流 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院分 壓 式 調(diào) 幅 電 路 的 諧 振 曲 線 及 輸 出 特 性(a) 諧 振 曲 線 (b) 輸 出 特 性4.2.4 渦 流 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 調(diào) 頻 電 路 工 作 原 理 調(diào) 頻 電 路 同 樣 把 傳 感 器 線 圈 接 成 一 個(gè) LC振 蕩 回 路 。與 調(diào) 幅 電 路 不 同 的 是

39、將 回 路 的 諧 振 頻 率 作 為 輸 出 量 。隨 著 間 隙 的 變 化 ， 線 圈 電 感 L亦 將 變 化 ， 由 此 使 振蕩 器 的 振 蕩 頻 率 f發(fā) 生 變 化 。 采 用 鑒 頻 器 對(duì) 輸 出 頻 率作 頻 率 -電 壓 轉(zhuǎn) 換 ， 即 可 得 到 與 成 正 比 的 輸 出 電 壓信 號(hào) 。 4.2.4 渦 流 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院優(yōu) 點(diǎn) ： 接 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 使 用 方 便 ， 不 受 油 污 、 介 質(zhì) 影 響 。應(yīng) 用 ： 位 移 、 力 、 振 動(dòng) 測(cè) 量 ， 測(cè) 厚 ,材 質(zhì) 判 別3、 渦 流 傳 感 器 的 應(yīng) 用

40、:4.2.4 渦 流 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原 理 ：案 例 ： 連 續(xù) 油 管 的 橢 圓 度 測(cè) 量 4.2.4 渦 流 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院案 例 ： 無(wú) 損 探 傷 原 理裂 紋 檢 測(cè) ， 缺 陷 造 成 渦 流 變 化 ?；?車 輪 檢 測(cè) 油 管 檢 測(cè)4.2.4 渦 流 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院案 例 ： 測(cè) 厚案 例 ： 零 件 計(jì) 數(shù)4.2.4 渦 流 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué)

41、 院4.3 發(fā) 電 型 傳 感 器4.3.1 壓 電 式 傳 感 器4.3.2 磁 電 式 傳 感 器4.3.3 霍 爾 式 傳 感 器4.3.4 熱 電 式 傳 感 器第 四 章 、 常 用 傳 感 器 及 變 換 原 理 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院第 四 章 、 常 用 傳 感 器 及 變 換 原 理4.3.1 壓 電 式 傳 感 器 1.變 換 原 理 : 壓 電 效 應(yīng) 某 些 物 質(zhì) ， 如 石 英 ， 當(dāng) 受 到 外 力 作 用 時(shí) ， 不 僅 幾 何 尺寸 會(huì) 發(fā) 生 變 化 ， 而 且 內(nèi) 部 也 會(huì) 被 極 化 ， 表 面 會(huì) 產(chǎn) 生 電 荷 ；當(dāng) 外 力 去 掉

42、 時(shí) ， 又 重 新 回 到 原 來(lái) 的 狀 態(tài) ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 壓電 效 應(yīng) 。 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院q=dF0 r AC rA 極 板 間 距 ；壓 電 晶 片 工 作 面 的 面 積 。壓 電 材 料 的 相 對(duì) 介 電 常 數(shù) ；2、 壓 電 式 傳 感 器 及 等 效 電 路d 壓 電 常 數(shù) ， 與 材 質(zhì) 及 切 片 方 向 有 關(guān) 。 壓 電 式 傳 感 器 適 宜 作 動(dòng) 態(tài) 參 量 的 測(cè) 量 。 4.3.1 壓 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 實(shí) 際 壓 電 傳 感 器 中 ， 往 往用 兩 個(gè) 或 兩 個(gè) 以 上

43、 的 晶 片 進(jìn)行 并 聯(lián) 或 串 聯(lián) 。并 聯(lián) ： 電 荷 量電 壓電 容 2 aC C aU U 2 aQ Q串 聯(lián) ： 電 荷 量電 壓電 容 aQ Q2 aU U /2 aC C 4.3.1 壓 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 壓 電 式 傳 感 器 是 一 個(gè) 具有 一 定 電 容 的 電 荷 源 。 0 aqU C p3、 應(yīng) 用 4.3.1 壓 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院壓 電 式 加 速 度 傳 感 器 設(shè) 計(jì) 模 型(a)周 邊 壓 縮 式 ； (b)中 心 壓 縮 式 ； (c)倒 置 式 中 心 壓 縮 式 ；

44、(d)環(huán) 形 剪 切 式 ； (e)三 角 剪 切 式S 彈 簧 ； M 質(zhì) 量 塊 ； P 壓 電 晶 體 ； C 導(dǎo) 線 ； B 機(jī) 座 4.3.1 壓 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院b) 壓 力 變 送 器a) 加 速 度 計(jì) ， 力 傳 感 器 4.3.1 壓 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院案 例 ： 飛 機(jī) 模 態(tài) 分 析模 態(tài) 分 析 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 可 歸 結(jié) 為 一 下 幾 個(gè) 方 面 ： 1) 評(píng) 價(jià) 現(xiàn) 有 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 態(tài) 特 性 ； 2) 在 新 產(chǎn) 品 設(shè) 計(jì) 中 進(jìn) 行 結(jié) 構(gòu) 動(dòng) 態(tài) 特 性 的

45、 預(yù) 估 和 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) ； 3) 診 斷 及 預(yù) 報(bào) 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 的 故 障 ； 4) 控 制 結(jié) 構(gòu) 的 輻 射 噪 聲 ； 5) 識(shí) 別 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 的 載 荷 。 4.3.1 壓 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.3 發(fā) 電 型 傳 感 器4.3.2 磁 電 式 傳 感 器 1.變 換 原 理 : 磁 電 式 傳 感 器 是 把 被 測(cè) 物 理 量 轉(zhuǎn) 換 為 感 應(yīng) 電 動(dòng)勢(shì) 的 一 種 轉(zhuǎn) 換 器 。 又 稱 為 電 磁 感 應(yīng) 式 、 電 動(dòng) 力 式 ddte W 磁 通 變 化 率 與 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 、 磁 阻 、 線 圈 運(yùn) 動(dòng) 速

46、度 有 關(guān) ，改 變 其 中 一 個(gè) 因 素 ， 都 會(huì) 改 變 線 圈 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 。 根 據(jù) 法 拉 第 電 磁 感 應(yīng) 定 律 ， W匝 線 圈 在 磁 場(chǎng) 中運(yùn) 動(dòng) 切 割 磁 力 線 或 線 圈 所 在 磁 場(chǎng) 的 磁 通 變 化 時(shí) ，線 圈 中 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) e的 大 小 決 定 于 穿 過(guò) 線 圈的 磁 通 的 變 化 率 ， 即 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院2、 分 類 磁電式 動(dòng) 圈 式磁 阻 式 線 速 度 型角 速 度 型 N 4.3.2 磁 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院3、 動(dòng) 圈 式 傳 感 器

47、sin sindxe WBL WBLvdt sin sinde WBA WBAdt 4.3.2 磁 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4 磁 阻 式 傳 感 器 圖 磁 阻 式 傳 感 器 工 作 原 理(a) 測(cè) 頻 數(shù) (b) 測(cè) 轉(zhuǎn) 速 (c) 偏 心 測(cè) 量 (d) 振 動(dòng) 測(cè) 量4.3.2 磁 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院5 磁 電 式 傳 感 器 的 特 點(diǎn) 及 應(yīng) 用 絕 對(duì) 式 振 動(dòng) 速 度 傳 感 器1-彈 簧 片 ； 2-永 磁 鐵 ； 3-阻 尼 環(huán) ； 4-支 架 ； 5-中 心 軸 ； 6-外 殼 ； 7-線 圈

48、sin sindxe WBL WBLvdt sin sinde WBA WBAdt 4.3.2 磁 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 測(cè) 速 電 機(jī)磁 電 式 車 速 傳 感 器4.3.2 磁 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.3.3 霍 爾 式 傳 感 器 霍 爾 效 應(yīng) 的 產(chǎn) 生 是 由 于 運(yùn) 動(dòng) 電 荷 受 磁 場(chǎng) 中 洛 倫 茲力 作 用 的 結(jié) 果 。 霍 爾 元 件 及 霍 爾 效 應(yīng) 原 理(a) 霍 爾 元 件 (b) 霍 爾 效 應(yīng) 4.3 發(fā) 電 型 傳 感 器1、 霍 爾 效 應(yīng) c 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電

49、 學(xué) 院LF evB4.3.3 霍 爾 式 傳 感 器 HE H UF eE e b 任 何 帶 電 質(zhì) 點(diǎn) 在 磁 場(chǎng) 中 沿 著 和 磁 力 線 垂 直 的 方向 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 都 會(huì) 受 到 磁 場(chǎng) 力 FL的 作 用 ， 這 個(gè) 力 又稱 為 洛 倫 茲 力電 場(chǎng) 力達(dá) 到 動(dòng) 平 衡 時(shí) HH UevB eE e b 則 HU bvB 霍 爾 電 勢(shì) 的 大 小 取 決 于 載 流 體 中 電 子 運(yùn) 動(dòng) 的 速 度 ，它 載 流 體 材 料 有 關(guān) 。 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 1 H H HB IU R B I K B In e d d RH 霍 爾 常 數(shù) ，

50、取 決 于 載 流 體 材 料 的 物 理 性 質(zhì) ；KH 霍 爾 元 件 靈 敏 度 ， 它 表 示 霍 爾 元 件 在 單 位 磁 感應(yīng) 強(qiáng) 度 和 單 位 激 勵(lì) 電 流 作 用 下 霍 爾 電 勢(shì) 的 大 小 。Iv nebd流 經(jīng) 載 流 體 的 電 流 I與 載 流 子 速 度 之 間 有 下 述 關(guān) 系 4.3.3 霍 爾 式 傳 感 器 原 理 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院2、 霍 爾 元 件霍 爾 元 件 由 霍 爾 片 、 四 根 引 線 和 殼 體 組 成 ， 如圖 所 示 。 4.3.3 霍 爾 式 傳 感 器 3、 霍 爾 元 件 的 應(yīng) 用 中 國(guó) 礦 業(yè)

51、 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 霍 爾 元 件 工 程 測(cè) 量 應(yīng) 用(a) 角 位 移 (b) 線 位 移 (c) 加 速 度 (d) 零 件 計(jì) 數(shù) (e) 轉(zhuǎn) 速 (f) 壓 力 4.3.3 霍 爾 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院鋼 絲 繩 斷 絲 檢 測(cè) 儀 工 作 原 理4.3.3 霍 爾 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.3.4 熱 電 式 傳 感 器1、 工 作 原 理 熱 電 式 傳 感 器 是 一 種 將 溫 度 的 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 電 量變 化 的 變 換 裝 置 ， 它 利 用 傳 感 元 件 的 電 （ 磁 ） 參 數(shù)隨 溫

52、 度 變 化 而 變 化 的 特 性 來(lái) 達(dá) 到 測(cè) 量 目 的 。 熱 電 偶 是 由 兩 種 導(dǎo) 體 （ 或 半 導(dǎo) 體 ） 構(gòu) 成 的 回 路 ，如 圖 所 示 A B1 2t t0eAB (t) eAB (t0)eB (t,t0)mV 熱 電 效 應(yīng)熱 電 效 應(yīng) ：4.3 發(fā) 電 型 傳 感 器 eA (t,t0) 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院熱 電 偶 總 的 熱 電 勢(shì) 為 ：e AB(t,t0)= eAB(t) - eAB(t0) -eA(t,t0)+ eB(t,t0) 溫 差 電 勢(shì) 比 接 觸 電 勢(shì) 小 很 多 ， 可 以 忽 略 不 計(jì) ， 則熱 電 偶 的

53、總 的 熱 電 勢(shì) 可 表 示 為 ： eAB(t,t0)= eAB(t) - eAB(t0) 4.3.4 熱 電 式 傳 感 器 熱 電 偶 所 產(chǎn) 生 的 熱 電 勢(shì) 由 兩 部 分 組 成 ：（ 1） 兩 種 導(dǎo) 體 的 接 觸 電 勢(shì) （ 伯 爾 電 勢(shì) ） eAB(t)（ 2） 單 一 導(dǎo) 體 的 溫 差 電 勢(shì) （ 湯 姆 遜 電 勢(shì) ） eA(t,t0)因 此 ， 在 閉 合 回 路 中 出 現(xiàn) 四 個(gè) 熱 電 勢(shì) ， 分 別 為eAB(t)、 eAB(t0)、 eA(t,t0)和 eB(t,t0)， 它 們 的 代數(shù) 和 不 等 于 零 。 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué)

54、院2、 熱 電 偶 基 本 定 律（ 3） 中 間 溫 度 定 律ABt 1 t2中 間 溫 度 定 律ABt1 t3 ABt3 t2= +熱 電 勢(shì) 為 ： eAB (t1 ,t2)= eAB (t1,t3 ) + eAB (t3,t2) 4.3.4 熱 電 式 傳 感 器 （ 1） 均 勻 回 路 定 律（ 2） 中 間 導(dǎo) 體 定 律 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院（ 4） 標(biāo) 準(zhǔn) 電 極 定 律ABt1 t2標(biāo) 準(zhǔn) 電 極 定 律ACt1 t2 CBt1 t2= +熱 電 勢(shì) 為 ： e AB (t1 ,t2)= eAC (t1,t2 ) + eCB (t1,t2) 4.3.4

55、 熱 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院3、 熱 電 偶 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 及 應(yīng) 用4.3.4 熱 電 式 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 目 前 采 用 的 數(shù) 字 式 傳 感 器 主 要 有 碼 盤 、 光 柵 、旋 轉(zhuǎn) 變 壓 器 等 。一 、 數(shù) 字 式 傳 感 器4.4 其 他 類 型 傳 感 器 碼 盤 是 把 被 測(cè) 轉(zhuǎn) 角 直 接 轉(zhuǎn) 換 成 相 應(yīng) 代 碼 的 檢 測(cè)元 件 。 碼 盤 有 光 電 式 、 接 觸 式 和 電 磁 式 三 種 。第 四 章 、 常 用 傳 感 器 及 變 換 原 理1 碼 盤 中 國(guó) 礦 業(yè)

56、大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 工 作 時(shí) ， 碼 盤 的 一 側(cè) 放 置 光 源 ， 另 一 側(cè) 放 置 光 電接 受 裝 置 ， 每 個(gè) 數(shù) 位 都 對(duì) 應(yīng) 有 一 個(gè) 光 電 管 及 放 大 、整 形 電 路 。 碼 盤 轉(zhuǎn) 到 不 同 位 置 ， 光 電 元 件 接 收 光 信號(hào) ， 并 轉(zhuǎn) 成 相 應(yīng) 的 電 信 號(hào) ， 經(jīng) 放 大 整 形 后 ， 成 為 相應(yīng) 數(shù) 碼 電 信 號(hào) 。 右 圖 所 示 為 四 位 二 進(jìn) 制 碼盤 ， 碼 盤 上 各 圓 環(huán) 分 別 代 表一 位 二 進(jìn) 制 的 數(shù) 字 碼 道 ， 在同 一 個(gè) 碼 道 上 印 制 黑 （ 圖 中表 示 為 紅 色 ） 白

57、等 間 隔 圖 案 ，形 成 一 套 編 碼 。 黑 色 不 透 光區(qū) 和 白 色 透 光 區(qū) 分 別 代 表 二進(jìn) 制 的 “ 0”和 “ 1”。 4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院四 位 二 進(jìn) 制 循 環(huán) 碼 盤 帶 判 位 光 電 裝 置 的二 進(jìn) 制 循 環(huán) 碼 盤 4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院3602n 若 采 用 n位 碼 盤 ， 則 分 辨 的 角 度 為 ：位 數(shù) n越 大 ， 能 分 辨 的 角 度 越 小 ， 測(cè) 量 也 就 越 精 確 。4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器

58、2 光 柵 光 柵 是 在 基 體 上 刻 有 均 勻 分 布 條 紋 的 光 學(xué) 元 件 。用 于 位 移 測(cè) 量 的 光 柵 稱 為 計(jì) 量 光 柵 。 計(jì) 量 光 柵 分為 透 射 式 及 反 射 式 兩 種 。 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 光 柵 主 要 由 標(biāo) 尺 光 柵 、 指 示 光 柵 、 光 路 系 統(tǒng) 和 光電 元 件 等 組 成 。 標(biāo) 尺 光 柵 的 有 效 長(zhǎng) 度 即 為 測(cè) 量 范 圍 。必 要 時(shí) ， 標(biāo) 尺 光 柵 還 可 接 長(zhǎng) 。 指 示 光 柵 比 標(biāo) 尺 光 柵短 得 多 ， 但 兩 者 刻 有 同 樣 柵 距 。 測(cè) 量 線 位 移 的 光

59、 柵 稱 為 直 光 柵 ， 測(cè) 量 角 位 移 的 光柵 稱 為 圓 形 光 柵 。 在 直 光 柵 中 ， 若 a為 刻 線 寬 度 ， b為 縫 隙 寬 度 ， 則 W a+b稱 為 光 柵 的 柵 距 (也 稱 光 柵常 數(shù) )。 4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 光 柵 測(cè) 量 原 理 電 信 號(hào)的 形 成 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院(3)莫 爾 條 紋 的 間 距 與 兩 光 柵 線 紋 夾 角 之 間 的 關(guān)系 為 ：莫 爾 條 紋 有 如 下 的 重 要 特 征 ：(1)莫 爾 條

60、紋 由 光 柵 的 大 量 刻 線 共 同 形 成 ， 對(duì) 線 紋 的刻 劃 誤 差 有 平 均 抵 消 作 用 ， 能 在 很 大 程 度 上 消 除 短周 期 誤 差 的 影 響 。(2)在 兩 光 柵 沿 刻 線 的 垂 直 方 向 作 相 對(duì) 移 動(dòng) 時(shí) ， 莫 爾條 紋 在 刻 線 方 向 移 動(dòng) 。 兩 光 柵 相 對(duì) 移 動(dòng) 一 個(gè) 柵 距 W，莫 爾 條 紋 也 同 步 移 動(dòng) 一 個(gè) 間 距 BH 。 固 定 點(diǎn) 上 的 光 強(qiáng)則 變 化 一 周 。 而 且 在 光 柵 反 向 移 動(dòng) 時(shí) ， 莫 爾 條 紋 移動(dòng) 方 向 也 隨 之 反 向 。4.4 其 它 類 型 的 傳

61、 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院式 中 BH 莫 爾 條 紋 的 間 距 ； W光 柵 柵 距 ； 兩 光 柵 刻 線 間 的 夾 角 (rad)。 若 用 光 電 元 件 接 收 莫 爾 條 紋 移 動(dòng) 時(shí) 光 強(qiáng) 的 變 化 ，則 光 信 號(hào) 被 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號(hào) (電 壓 或 電 流 )輸 出 。 輸 出電 壓 信 號(hào) 的 幅 值 為 光 柵 位 移 量 x的 函 數(shù) ， 即 4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 式 中 u 0輸 出 信 號(hào) 中 的 直 流 分 量 ； um 輸 出 正 弦 信 號(hào) 的 幅 值 ； x兩 光 柵 間 的 瞬 時(shí) 相 對(duì) 位 移 。

62、 電 信 號(hào)的 形 成 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院3、 旋 轉(zhuǎn) 變 壓 器旋 轉(zhuǎn) 變 壓 器 是 一 種 其 輸 出 電 壓 隨 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 角 而 變化 的 角 度 測(cè) 量 裝 置 ， 由 定 子 和 轉(zhuǎn) 子 組 成 。 當(dāng) 激 勵(lì)電 壓 U 1加 到 定 子 繞 組 時(shí) ， 轉(zhuǎn) 子 繞 組 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電動(dòng) 勢(shì) U2 4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 光 柵 式 位 移 傳 感 器 優(yōu) 點(diǎn) ： 具 有 分 辨 力 高 (可 達(dá) 1 m或 更 小 ） 、 測(cè) 量 范 圍 大 （ 幾 乎 不 受 限 制 ） 、 動(dòng) 態(tài) 范圍 寬 等 ， 且 易 于 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 字 化 測(cè)

63、 量 和 自 動(dòng) 控 制 ， 是 數(shù)控 機(jī) 床 和 精 密 測(cè) 量 中 應(yīng) 用 較 廣 的 檢 測(cè) 元 件 。缺 點(diǎn) ： 對(duì) 使 用 環(huán) 境 要 求 較 高 ， 在 現(xiàn) 場(chǎng) 使 用 時(shí) 要 求 密封 ， 以 防 止 油 污 、 灰 塵 、 鐵 屑 等 的 污 染 。 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 旋 轉(zhuǎn) 變 壓 器 4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 有 刷 式 旋 轉(zhuǎn) 變 壓 器1-定 子 ； 2-轉(zhuǎn) 子 ； 3-電 刷 ； 4-滑 環(huán) 感 應(yīng)電 壓 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院式 中 K 變 壓 比 ； Um 最 大 瞬 時(shí) 電 壓 （ 電 壓 幅 值 峰 值 ）

64、。 顯 然 ， U2為 一 等 幅 正 弦 波 并 隨 而 改 變 ， 測(cè) 得 此電 壓 的 峰 值 即 可 求 出 轉(zhuǎn) 角 的 大 小 。4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 旋 轉(zhuǎn) 變 壓 器 優(yōu) 點(diǎn) ： 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 動(dòng) 作 靈 敏 ， 對(duì) 環(huán)境 無(wú) 特 殊 要 求 ， 維 護(hù) 方 便 ， 輸 出 信 號(hào) 幅 值 大 ， 抗干 擾 強(qiáng) ， 廣 泛 應(yīng) 用 于 數(shù) 控 技 術(shù) 檢 測(cè) 。 2 1 sin sin sinmU KU KU t 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院二 、 射 線 式 傳 感 器 射 線 式 傳 感 器 也 稱 核 輻 檢 測(cè) 裝 置 ， 它 是 利 用

65、 放 射性 同 位 素 、 根 據(jù) 被 測(cè) 物 質(zhì) 對(duì) 放 射 線 的 吸 收 、 散 射 或射 線 對(duì) 被 測(cè) 物 質(zhì) 的 電 離 激 發(fā) 、 穿 透 作 用 而 進(jìn) 行 工 作的 。 1、 工 作 原 理2、 組 成 射 線 式 傳 感 器 一 般 由 射 線 源 、 探 測(cè) 器 、 電 信 號(hào) 轉(zhuǎn)換 電 路 和 顯 示 記 錄 裝 置 等 四 部 分 組 成 。4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 利 用 射 線 式 傳 感 器 進(jìn) 行 測(cè) 量 時(shí) ， 都 要 有 可 發(fā) 射 出、 粒 子 或 射 線 的 輻 射 源 。（ 1） 射 線 源選 擇

66、 射 線 源 應(yīng) 盡 量 提 高 檢 測(cè) 靈 敏 度 和 減 小 統(tǒng) 計(jì) 誤 差 。 為 避 免 經(jīng) 常 更 換 放 射 源 ，要 求 采 用 的 同 位 素 有 較 長(zhǎng) 的半 衰 期 及 合 適 的 放 射 強(qiáng) 度 。最 常 用 的 有 60Co（ 鈷 ） 、137Cs（ 銫 ） 、 241Am（ 镅 ） 及90Sr（ 鍶 ） 等 。 薄 膜 4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院（ 2） 探 測(cè) 器作 用 ： 把 射 線 能 量 轉(zhuǎn) 換 為 容 易 測(cè) 量 的 電 信 號(hào) 。工 作 原 理 ： 基 于 粒 子 輻 射 對(duì) 于 物 質(zhì) 的 電 離 作 用 ；或 利 用 射 線 使 某 些 物 質(zhì) 產(chǎn) 生 熒 光 的 性 質(zhì) ， 再 通過(guò) 光 電 元 件 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號(hào) 。一 般 常 用 有 ： 比 例 計(jì) 數(shù) 管 、 蓋 革 計(jì) 數(shù) 管 、 閃 爍計(jì) 數(shù) 管 、 半 導(dǎo) 體 探 測(cè) 器 等 。4.4 其 它 類 型 的 傳 感 器 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 閃 爍 計(jì) 數(shù) 管 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 4.4 其 它 類 型 的