《常用傳感器》PPT課件

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1、2022-7-2112022-7-2125.1 傳感器作用及分類傳感器作用及分類5.2 發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器5.3 參量型傳感器參量型傳感器2022-7-2135.1 傳感器的作用與分類傳感器的作用與分類5.1.1 傳感器的作用傳感器的作用2.變換作用：將非電量變換成電量。變換作用：將非電量變換成電量。傳感器是控制系統(tǒng)中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它具有兩個(gè)作用：傳感器是控制系統(tǒng)中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它具有兩個(gè)作用：1.敏感作用：感受物理量的變化，以完成對被測信號(hào)的拾取。敏感作用：感受物理量的變化，以完成對被測信號(hào)的拾取。對應(yīng)這兩個(gè)作用，傳感器一般由兩部分對應(yīng)這兩個(gè)作用，傳感器一般由兩部分組成，即敏感元件與變

2、換元件，二者有組成，即敏感元件與變換元件，二者有時(shí)很容易分開，有時(shí)合二為一。時(shí)很容易分開，有時(shí)合二為一。2022-7-2145.1.2 傳感器的分類傳感器的分類按輸出信號(hào)是模擬量還是數(shù)字量，可分成模擬傳感器與數(shù)字傳感器按輸出信號(hào)是模擬量還是數(shù)字量，可分成模擬傳感器與數(shù)字傳感器。（I(t)，V(t)，數(shù)字量，頻率量數(shù)字量，頻率量）。）。按變換原理，可分為參量型與發(fā)電型。按變換原理，可分為參量型與發(fā)電型。參量型：被測量使傳感器本身的電參量參量型：被測量使傳感器本身的電參量R、L、C改變，這種傳感改變，這種傳感器工作時(shí)必須有外加電源，故又稱為無源型，通常將其接入電橋，諧振器工作時(shí)必須有外加電源，故又

3、稱為無源型，通常將其接入電橋，諧振電路等信號(hào)調(diào)節(jié)器中，再變換成電壓或電流量。電路等信號(hào)調(diào)節(jié)器中，再變換成電壓或電流量。發(fā)電型：被測量使傳感器產(chǎn)生電動(dòng)勢、電流、電荷，可直接接入發(fā)電型：被測量使傳感器產(chǎn)生電動(dòng)勢、電流、電荷，可直接接入放大器或記錄儀器，所以又稱為有源型，一般不需外加電源，如熱電偶、放大器或記錄儀器，所以又稱為有源型，一般不需外加電源，如熱電偶、壓電型傳感器等。但由于能量有限，通常還要接放大器。壓電型傳感器等。但由于能量有限，通常還要接放大器。發(fā)電型發(fā)電型參量型參量型2022-7-2155.1.3 傳感器工作原理與標(biāo)定傳感器工作原理與標(biāo)定 任何一種傳感器其工作原理都是基于某一種物理現(xiàn)

4、象或化學(xué)現(xiàn)象。這任何一種傳感器其工作原理都是基于某一種物理現(xiàn)象或化學(xué)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象抽象成若干個(gè)物理量（其中有一個(gè)電量）按一定規(guī)律相互影響，可種現(xiàn)象抽象成若干個(gè)物理量（其中有一個(gè)電量）按一定規(guī)律相互影響，可用一個(gè)數(shù)學(xué)公式來表示（建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型），即：用一個(gè)數(shù)學(xué)公式來表示（建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型），即：通常為通常為電量電量的的 y=f(x1,x2,xn)（通常為非電量）（通常為非電量）如：如：R=L/A 就描述了四個(gè)物理量間的關(guān)系。就描述了四個(gè)物理量間的關(guān)系。如果我們能夠讓被測量影響某一個(gè)參數(shù)，而通過另一個(gè)電參數(shù)的變化來如果我們能夠讓被測量影響某一個(gè)參數(shù)，而通過另一個(gè)電參數(shù)的變化來反映被測量的大小，那

5、么一個(gè)傳感器就制造出來了。所以一種傳感器的設(shè)計(jì)、反映被測量的大小，那么一個(gè)傳感器就制造出來了。所以一種傳感器的設(shè)計(jì)、研制都要基于某種物理效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)出敏感部分的結(jié)構(gòu)以及變換研制都要基于某種物理效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)出敏感部分的結(jié)構(gòu)以及變換部分的結(jié)構(gòu)。我們在下面介紹的各種傳感器都是從某一基本的物理概念或原部分的結(jié)構(gòu)。我們在下面介紹的各種傳感器都是從某一基本的物理概念或原理出發(fā)，根據(jù)物理量間的關(guān)系來分析相應(yīng)的傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。理出發(fā)，根據(jù)物理量間的關(guān)系來分析相應(yīng)的傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。傳感器在使用之前一般要進(jìn)行標(biāo)定，即確定輸入與輸出的關(guān)系，通常傳感器在使用之前一般要進(jìn)行標(biāo)定，即確定輸入與輸出

6、的關(guān)系，通常由于制作誤差和原理的理想化，使輸入輸出不能嚴(yán)格滿足理想的物理公式。由于制作誤差和原理的理想化，使輸入輸出不能嚴(yán)格滿足理想的物理公式。所以，只有給定已知輸入，確定輸入、輸出二者間關(guān)系后才能使用。所以，只有給定已知輸入，確定輸入、輸出二者間關(guān)系后才能使用。2022-7-2165.2 發(fā)電型傳感器簡介發(fā)電型傳感器簡介 5.2.1 電動(dòng)式傳感器（磁電式傳感器）電動(dòng)式傳感器（磁電式傳感器）1.工作原理：工作原理：根據(jù)電磁感應(yīng)定理，一個(gè)匝數(shù)為根據(jù)電磁感應(yīng)定理，一個(gè)匝數(shù)為w的線圈，當(dāng)穿過該線圈的的線圈，當(dāng)穿過該線圈的磁通磁通發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢的大小為：發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢的大小為：et

7、wdd 電動(dòng)勢電動(dòng)勢與與磁通變化量磁通變化量有關(guān)。導(dǎo)致磁通變化的原因有多種，當(dāng)線圈的有關(guān)。導(dǎo)致磁通變化的原因有多種，當(dāng)線圈的匝匝數(shù)數(shù)及及磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度不變時(shí)，磁通的變化率與磁路的磁阻及線圈在磁場中的運(yùn)不變時(shí)，磁通的變化率與磁路的磁阻及線圈在磁場中的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。根據(jù)利用被測量改變線圈速度或磁阻的方式，可將電動(dòng)式傳動(dòng)速度有關(guān)。根據(jù)利用被測量改變線圈速度或磁阻的方式，可將電動(dòng)式傳感器分成感器分成動(dòng)圈式動(dòng)圈式和和變磁阻式變磁阻式。2022-7-217 動(dòng)圈式工作原理動(dòng)圈式工作原理 a.線圈在磁場中作直線運(yùn)動(dòng)線圈在磁場中作直線運(yùn)動(dòng) ewBlv其中，其中，w線圈匝數(shù)，線圈匝數(shù)，B磁感應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，

8、強(qiáng)度，l單匝線圈有效長度，單匝線圈有效長度，v線圈與磁場的相對速度。線圈與磁場的相對速度。b.線圈在磁場中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)線圈在磁場中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ekWBA其中，其中，k與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)（），（），A線圈的截面積，線圈的截面積，角速度。角速度。2022-7-218變磁阻式工作原理：變磁阻式工作原理：一般通過改變傳感器到被測對象間的一般通過改變傳感器到被測對象間的氣隙厚氣隙厚度度等方法來改變磁路磁阻等方法來改變磁路磁阻。2.電動(dòng)式傳感器的構(gòu)成及其應(yīng)用電動(dòng)式傳感器的構(gòu)成及其應(yīng)用 振動(dòng)測量振動(dòng)測量動(dòng)圈式相對速度傳感器：動(dòng)圈式相對速度傳感器：由兩部分組成，一部分安裝在被測物體上，通由兩部分組

9、成，一部分安裝在被測物體上，通常是磁鐵與殼體，另一部分是線圈，固定在參照物體上；當(dāng)兩個(gè)物體產(chǎn)常是磁鐵與殼體，另一部分是線圈，固定在參照物體上；當(dāng)兩個(gè)物體產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生電壓量輸出。生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生電壓量輸出。（P104 圖圖540）動(dòng)圈式絕對速度傳感器：動(dòng)圈式絕對速度傳感器：傳感器殼體固定在被測振動(dòng)物理上，當(dāng)殼體以傳感器殼體固定在被測振動(dòng)物理上，當(dāng)殼體以大于某一頻率點(diǎn)的頻率振動(dòng)時(shí)，線圈芯軸系統(tǒng)大于某一頻率點(diǎn)的頻率振動(dòng)時(shí)，線圈芯軸系統(tǒng)（質(zhì)量大，慣性力大）（質(zhì)量大，慣性力大）相相對于大地是靜止的，因此殼體磁鋼與線圈之間的相對速度就是被測物體對于大地是靜止的，因此殼體磁鋼與線圈之間的相對速

10、度就是被測物體的絕對速度，線圈以這一速度切割磁力線，產(chǎn)生的電動(dòng)勢的大小即反應(yīng)的絕對速度，線圈以這一速度切割磁力線，產(chǎn)生的電動(dòng)勢的大小即反應(yīng)了被測對象的運(yùn)動(dòng)速度。了被測對象的運(yùn)動(dòng)速度。（P104 圖圖541）變磁阻式電動(dòng)式傳感器：變磁阻式電動(dòng)式傳感器：探頭的磁極與振動(dòng)物體間有一氣隙，當(dāng)振動(dòng)物探頭的磁極與振動(dòng)物體間有一氣隙，當(dāng)振動(dòng)物體振動(dòng)時(shí)，氣隙變化引起磁路磁阻改變，線圈磁通發(fā)生變化，輸出電動(dòng)體振動(dòng)時(shí)，氣隙變化引起磁路磁阻改變，線圈磁通發(fā)生變化，輸出電動(dòng)勢與振幅成比例。勢與振幅成比例。（P104 圖圖542）【演示】【演示】2022-7-2192022-7-2110 轉(zhuǎn)速傳感器及轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速傳感器

11、及轉(zhuǎn)速測量u 測速發(fā)電機(jī)：工作原理與發(fā)電機(jī)原理相同。測速發(fā)電機(jī)：工作原理與發(fā)電機(jī)原理相同。ekWBAu開磁路轉(zhuǎn)速傳感器（如圖所示）：開磁路轉(zhuǎn)速傳感器（如圖所示）：齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，探頭與齒輪間氣隙發(fā)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，探頭與齒輪間氣隙發(fā)生變化，引起磁阻改變。線圈中的生變化，引起磁阻改變。線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為為 f其中，其中，f：感應(yīng)電勢頻率：感應(yīng)電勢頻率 N：齒數(shù)：齒數(shù) n：轉(zhuǎn)速【演示】：轉(zhuǎn)速【演示】2022-7-21112022-7-21125.2.2 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電效應(yīng)，某些材料，如石英晶體和鈦酸鋇陶瓷，在某一方向受壓電效應(yīng)，某些材料，如石

12、英晶體和鈦酸鋇陶瓷，在某一方向受力時(shí)，其表面產(chǎn)生電荷，電荷量的改變與受力情況有關(guān)，即力時(shí)，其表面產(chǎn)生電荷，電荷量的改變與受力情況有關(guān)，即 QDF不同的材料雖然壓電機(jī)理不同，但最終產(chǎn)生的效應(yīng)是等同的。不同的材料雖然壓電機(jī)理不同，但最終產(chǎn)生的效應(yīng)是等同的。1工作原理工作原理D：壓電系數(shù)；：壓電系數(shù)；F：施加力的大?。菏┘恿Φ拇笮?022-7-21132壓電變換元件的應(yīng)用特性：壓電變換元件的應(yīng)用特性：壓電變換元件相當(dāng)于電荷源，其等效電路為：壓電變換元件相當(dāng)于電荷源，其等效電路為：00/iiCCCRRR電路方程：電路方程：().Q tCvi dt2022-7-2114()dQ tdvdvvCiCdtd

13、tdtR 兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換有：兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換有：1()()()1()()1()11SQ sCSV sV sRV sRSCH sQ sRCSRSC1/()11CH jjcR當(dāng)輸入當(dāng)輸入 00()sinF tFt時(shí)時(shí) 2022-7-21150000()sinsinQ tDFtQt輸出輸出：0000()|()|sin()u tQH jt 其幅值：其幅值：0002200/111()1()QCDFCVCRCR可見，若想使輸出信號(hào)保持一定的幅值，可見，若想使輸出信號(hào)保持一定的幅值，有一個(gè)范圍，或者說有一個(gè)范圍，或者說 1RC時(shí)時(shí) 00/VQC所以必須有足夠大的時(shí)間常數(shù)所以必須有足夠大的時(shí)間常數(shù)R

14、C，但，但C大，大，V0小，相當(dāng)于靈敏度小，相當(dāng)于靈敏度低，所以，要求低，所以，要求R大。而對于頻率較低或直流信號(hào)，用這種壓電機(jī)大。而對于頻率較低或直流信號(hào)，用這種壓電機(jī)理構(gòu)成的傳感器，就不能測量或誤差很大。理構(gòu)成的傳感器，就不能測量或誤差很大?！狙菔尽俊狙菔尽?022-7-21162022-7-21175.2.3 熱電偶式傳感器熱電偶式傳感器1.工作原理：工作原理：熱電偶是基于熱電勢效應(yīng)原理的測溫用傳感器，如圖，熱電偶是基于熱電勢效應(yīng)原理的測溫用傳感器，如圖，若若1、2點(diǎn)溫度不同，回路中有電流產(chǎn)生，稱之為熱電勢。對于某個(gè)點(diǎn)溫度不同，回路中有電流產(chǎn)生，稱之為熱電勢。對于某個(gè)確定的熱電偶，當(dāng)某一

15、端溫度確定的熱電偶，當(dāng)某一端溫度T0恒定時(shí)，熱電勢僅與測量端溫度恒定時(shí)，熱電勢僅與測量端溫度T有關(guān)，故可測溫度有關(guān)，故可測溫度T。熱電勢由兩部分組成：。熱電勢由兩部分組成：接觸電勢；接觸電勢；溫差溫差電勢。電勢。2022-7-2118 接觸電勢：接觸電勢：A、B兩導(dǎo)體接觸后，由于電子濃度不同，在截面兩導(dǎo)體接觸后，由于電子濃度不同，在截面附近產(chǎn)生接觸電勢：附近產(chǎn)生接觸電勢：()lnTAABBKTneqn式中，波爾茨曼常數(shù)，電子電荷量，式中，波爾茨曼常數(shù)，電子電荷量，A A、B B電子濃度，電子濃度，絕對溫度。絕對溫度。溫差電勢：溫差電勢：當(dāng)一塊導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)，在導(dǎo)體兩端形成溫差電勢。當(dāng)一塊導(dǎo)

16、體兩端溫度不同時(shí)，在導(dǎo)體兩端形成溫差電勢。00(,)TnTe T Tdt式中，式中，湯奴遜系數(shù)，與材料湯奴遜系數(shù)，與材料性質(zhì)及導(dǎo)體兩端平均溫度有關(guān)性質(zhì)及導(dǎo)體兩端平均溫度有關(guān) 熱電勢的方向與導(dǎo)體電子濃度熱電勢的方向與導(dǎo)體電子濃度n有關(guān)。顯然，當(dāng)有關(guān)。顯然，當(dāng)AB材料已定時(shí)，材料已定時(shí)，接觸電勢與溫度接觸電勢與溫度T（絕對溫度）有關(guān)。（絕對溫度）有關(guān)。2022-7-2119所以，當(dāng)兩種材料所以，當(dāng)兩種材料AB組成一個(gè)閉合回路時(shí)，設(shè)組成一個(gè)閉合回路時(shí)，設(shè)0時(shí)，回路時(shí)，回路中總電勢為中總電勢為 0000(,)()()(,)(,)ABABABBAET TeTeTeT TeT T由于接觸電勢大于溫差電勢，

17、所以，當(dāng)由于接觸電勢大于溫差電勢，所以，當(dāng)0時(shí)，時(shí)，A為正極，為正極，B為為負(fù)極。若忽略溫差電勢的影響，并設(shè)負(fù)極。若忽略溫差電勢的影響，并設(shè)AB，通?？蓪懽鳎海ǔ？蓪懽鳎?010(,)()ABABET TKTT式中，式中，AB為熱電偶靈敏度為熱電偶靈敏度。2022-7-2120 中間金屬定律：中間金屬定律：在由在由A、B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，將冷兩種導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，將冷端斷開，接入第三種或更多種導(dǎo)體，只要保證接入端的溫度相同，端斷開，接入第三種或更多種導(dǎo)體，只要保證接入端的溫度相同，則回路總電勢不變。則回路總電勢不變。2.熱電偶基本定理熱電偶基本定理 均勻電路定律：均勻電路定律

18、：由單一的金屬構(gòu)成的回路中不存在熱電勢。由單一的金屬構(gòu)成的回路中不存在熱電勢。2022-7-2121000000000000000000()()()(,)(,)(,)ln(lnln)lnln()()(,)(,)ABBCCABCAtttABCBCAtttBCAttABBAttBAABABBAEetetetet tettettkTnkTnkTndtdtdtqnqnqnkTnkTndtdtqnqneTeTet tet t證明：證明：2022-7-2122中間溫度定理中間溫度定理121332(,)(,)(,)ABABABEt tEt tEt t 一般熱電偶的分度表（輸出特性）是在冷端為一般熱電偶的分度

19、表（輸出特性）是在冷端為0時(shí)給出的，若時(shí)給出的，若測量時(shí)冷端不為測量時(shí)冷端不為0，則可據(jù)此修正。，則可據(jù)此修正。2022-7-2123熱電偶相配定理熱電偶相配定理 12122(,)(,)(,)ABACCBEt tEt tEt t 有時(shí)熱電偶的兩個(gè)極有時(shí)熱電偶的兩個(gè)極AB的分度表不知，但知道的分度表不知，但知道AC、BC的的分度表，據(jù)此則可獲得分度表，據(jù)此則可獲得A、B的分度表。的分度表。212022-7-21243.熱電偶傳感器及其應(yīng)用熱電偶傳感器及其應(yīng)用 熱電偶的材料有許多種，一般金屬有鎳鉻熱電偶的材料有許多種，一般金屬有鎳鉻鎳鋁硅、銅、康鎳鋁硅、銅、康銅，貴重金屬有鉑銠銅，貴重金屬有鉑銠鉑

20、、鉑銠鉑、鉑銠3，鉑銠，鉑銠6以及鎢、鉬等。熱電偶以及鎢、鉬等。熱電偶的種類也比較多，構(gòu)成基本相同：由熱電極材料、絕緣材料、保的種類也比較多，構(gòu)成基本相同：由熱電極材料、絕緣材料、保護(hù)材料和引線裝置等組成。護(hù)材料和引線裝置等組成。熱電偶是一種發(fā)電型傳感器，其輸出信號(hào)可直接接入記錄儀熱電偶是一種發(fā)電型傳感器，其輸出信號(hào)可直接接入記錄儀器。利用熱電偶還可測量兩點(diǎn)溫差及溫度場中多點(diǎn)的平均溫度，器。利用熱電偶還可測量兩點(diǎn)溫差及溫度場中多點(diǎn)的平均溫度，在實(shí)際使用時(shí)，還可利用不同被測對象構(gòu)成熱電偶，如測磨削溫在實(shí)際使用時(shí)，還可利用不同被測對象構(gòu)成熱電偶，如測磨削溫度；可用車刀與零件構(gòu)成一對熱電偶，有關(guān)方面

21、知識(shí)還可參考其度；可用車刀與零件構(gòu)成一對熱電偶，有關(guān)方面知識(shí)還可參考其它專著。它專著。2022-7-21255.2.4 半導(dǎo)體光電效應(yīng)式傳感器半導(dǎo)體光電效應(yīng)式傳感器光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光的照射使半導(dǎo)體載流子（電子空穴）濃度加光的照射使半導(dǎo)體載流子（電子空穴）濃度加大，電導(dǎo)率增加，根據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)可以制成光敏電阻。大，電導(dǎo)率增加，根據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)可以制成光敏電阻。光電導(dǎo)效應(yīng)的特點(diǎn)：光電導(dǎo)效應(yīng)的特點(diǎn)：a.馳豫現(xiàn)象：光電導(dǎo)值改變滯后于光強(qiáng)的變化。因此其具有低頻響馳豫現(xiàn)象：光電導(dǎo)值改變滯后于光強(qiáng)的變化。因此其具有低頻響應(yīng)好，高頻響應(yīng)不好的特點(diǎn)。在使用中要注意信號(hào)的變化頻率。應(yīng)好，高頻響應(yīng)不好的特點(diǎn)。在使用

22、中要注意信號(hào)的變化頻率。b.光譜特性：電導(dǎo)率的增量與光的頻率有關(guān)。不同的半導(dǎo)體元件對光譜特性：電導(dǎo)率的增量與光的頻率有關(guān)。不同的半導(dǎo)體元件對不同波長的光敏感程度不一樣，因此，在使用時(shí)，應(yīng)選擇最佳不同波長的光敏感程度不一樣，因此，在使用時(shí)，應(yīng)選擇最佳頻率的關(guān)源。頻率的關(guān)源。光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：光線照射在半導(dǎo)體的光線照射在半導(dǎo)體的Pn結(jié)上時(shí)，在結(jié)結(jié)上時(shí)，在結(jié)附近激發(fā)出電子空穴對，在結(jié)電場的作用下，電子向附近激發(fā)出電子空穴對，在結(jié)電場的作用下，電子向n區(qū)運(yùn)區(qū)運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)，使P區(qū)剩下空穴，從而區(qū)剩下空穴，從而n區(qū)帶負(fù)電，區(qū)帶負(fù)電，p區(qū)帶正電，形成光區(qū)帶正電，形成光生電動(dòng)勢。由此可制成光電池，光敏

23、三極管，二極管等。生電動(dòng)勢。由此可制成光電池，光敏三極管，二極管等。2022-7-2126應(yīng)用應(yīng)用函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)：用被測量改變光照強(qiáng)度，從而使輸出電流函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)：用被測量改變光照強(qiáng)度，從而使輸出電流與光照成比例，可以測量水的透明度，位移等。與光照成比例，可以測量水的透明度，位移等。開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)：判斷光的有無，如開門，關(guān)門，轉(zhuǎn)速測量，開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)：判斷光的有無，如開門，關(guān)門，轉(zhuǎn)速測量，產(chǎn)品技術(shù)，水壓。產(chǎn)品技術(shù)，水壓。2022-7-21275.3 參量型傳感器簡介參量型傳感器簡介5.3.1 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng) 如圖所示，線圈中通過交變電流，產(chǎn)生交變磁通；如圖所示，線

24、圈中通過交變電流，產(chǎn)生交變磁通；當(dāng)交變磁通通過導(dǎo)體時(shí)，交變磁通使導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生閉合電流，當(dāng)交變磁通通過導(dǎo)體時(shí)，交變磁通使導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生閉合電流，稱之為電渦流，電流方向隨磁通方向變化而改變。稱之為電渦流，電流方向隨磁通方向變化而改變。通常交變磁通借助于通過交變電流的線圈來產(chǎn)生，設(shè)線圈產(chǎn)生的通常交變磁通借助于通過交變電流的線圈來產(chǎn)生，設(shè)線圈產(chǎn)生的磁通為磁通為1，1作用在導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流同樣產(chǎn)生磁通作用在導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流同樣產(chǎn)生磁通2，且，且與與1方向相反。由于方向相反。由于2對線圈的反作用，導(dǎo)致線圈的阻抗發(fā)生變對線圈的反作用，導(dǎo)致線圈的阻抗發(fā)生變化。化。一般來說，線圈的阻抗與許多參數(shù)有關(guān)。一般來說

25、，線圈的阻抗與許多參數(shù)有關(guān)。1.1.工作原理工作原理：2022-7-21282022-7-2129 Z=f（，f 以及表面狀況以及表面狀況）-距離，距離，-磁導(dǎo)率，磁導(dǎo)率，-電導(dǎo)率，電導(dǎo)率，f-頻率頻率,如果這些參數(shù)中有某個(gè)發(fā)生變化，線圈阻抗便會(huì)發(fā)生變化，通如果這些參數(shù)中有某個(gè)發(fā)生變化，線圈阻抗便會(huì)發(fā)生變化，通過測線圈的阻抗，便能測定相應(yīng)的物理量。過測線圈的阻抗，便能測定相應(yīng)的物理量。線圈的等效阻抗線圈的等效阻抗 將產(chǎn)生電渦流的導(dǎo)體看作是一個(gè)封閉回路，根將產(chǎn)生電渦流的導(dǎo)體看作是一個(gè)封閉回路，根據(jù)等效電路可列出回路方程：據(jù)等效電路可列出回路方程：1 11 12122220R Ij L Ij MI

26、uj MIR Ij L I2022-7-21302222211212221212221222222222()()()()()()uIRRjLLMZRRjMMRLLLkkRRLkL由上式可看出：原線圈阻抗由上式可看出：原線圈阻抗 Z0=R1+j L1由于電渦流的影響由于電渦流的影響,Z1變成變成 Z1=(R1+kR2)+j(L1-kL2)式中：式中：kR2:渦流反射電阻，渦流反射電阻，kL2:反射電感反射電感 2022-7-2131諧振回路法測量原理諧振回路法測量原理 諧振法電路就是利用線圈電感與一個(gè)電容器相并聯(lián)，組成一個(gè)并聯(lián)諧振法電路就是利用線圈電感與一個(gè)電容器相并聯(lián)，組成一個(gè)并聯(lián)諧振回路，這

27、時(shí)，諧振回路的復(fù)阻抗為：諧振回路，這時(shí)，諧振回路的復(fù)阻抗為：211/11j Lj Lj cZj Lj cLcj Lj c2|1LZLcZ的幅頻特性的幅頻特性2022-7-213200|01,|,|0ZZLCZ 當(dāng)線圈靠近導(dǎo)體時(shí)，由于渦流反射電感的作用，使線圈的等當(dāng)線圈靠近導(dǎo)體時(shí)，由于渦流反射電感的作用，使線圈的等效電感發(fā)生變化，其變化情況分兩種：效電感發(fā)生變化，其變化情況分兩種：a.被測導(dǎo)體為非導(dǎo)磁體：被測導(dǎo)體為非導(dǎo)磁體：22122222()MLLLRL諧振頻率諧振頻率 0，即輸入電流頻率為，即輸入電流頻率為 0時(shí)，諧振回路阻抗值為最大。時(shí)，諧振回路阻抗值為最大。2022-7-213301Lc

28、b.被測導(dǎo)體為導(dǎo)磁體：被測導(dǎo)體為導(dǎo)磁體：01LcM LZM LRmLZ2022-7-2134電渦流傳感器在使用時(shí)應(yīng)保證被測導(dǎo)體的面積要比線圈的面積大，否則靈電渦流傳感器在使用時(shí)應(yīng)保證被測導(dǎo)體的面積要比線圈的面積大，否則靈敏度下降。另外，對于不同的材料，由于磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率不同，也會(huì)導(dǎo)致敏度下降。另外，對于不同的材料，由于磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率不同，也會(huì)導(dǎo)致靈敏度不同，因此，在使用前應(yīng)對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。靈敏度不同，因此，在使用前應(yīng)對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。電渦流傳感器通常可用來測量：電渦流傳感器通?？捎脕頊y量：位移、振幅；位移、振幅；轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速；表面裂紋、厚度；表面裂紋、厚度；材料分選、表面不平度等，還可以進(jìn)行零

29、件計(jì)數(shù)。材料分選、表面不平度等，還可以進(jìn)行零件計(jì)數(shù)。2.2.應(yīng)用應(yīng)用3.3.應(yīng)用特點(diǎn)應(yīng)用特點(diǎn)線圈厚度小，靈敏度高；線圈厚度小，靈敏度高；外徑大，測量范圍大，但靈敏度低外徑大，測量范圍大，但靈敏度低；被測對象的材質(zhì)對靈敏度的影響：被測對象的材質(zhì)對靈敏度的影響：電導(dǎo)率高，靈敏度高；磁導(dǎo)率高，靈敏電導(dǎo)率高，靈敏度高；磁導(dǎo)率高，靈敏度小，因而必須先進(jìn)行消磁處理。度小，因而必須先進(jìn)行消磁處理。被測體形狀對靈敏度的影響：被測體形狀對靈敏度的影響：被測體的表面積應(yīng)大于線圈的表面積。被測體的表面積應(yīng)大于線圈的表面積。2022-7-21355.3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器可分為電阻式傳感器可分為

30、電位計(jì)式電位計(jì)式和和應(yīng)變式應(yīng)變式，這里僅介紹電位計(jì)式。，這里僅介紹電位計(jì)式。電位電位計(jì)式傳感器計(jì)式傳感器通常用電阻絲繞在框架上，改變電阻絲的接入長度，引起輸通常用電阻絲繞在框架上，改變電阻絲的接入長度，引起輸出電阻的改變。出電阻的改變。特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠，但精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。且由于磨但精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。且由于磨損與塵埃等，引起接觸電阻變化，損與塵埃等，引起接觸電阻變化，引入噪聲。引入噪聲。靈敏度：靈敏度：應(yīng)用：應(yīng)用：可用來測位移及可變成位移的物理量。可用來測位移及可變成位移的物理量。1.1.工作原理工作原理：dRdRSkdxdL為常數(shù)，因此，具有

31、良好的線性。為常數(shù)，因此，具有良好的線性。2022-7-21365.3.3.電感式傳感器電感式傳感器1.1.自感式傳感器自感式傳感器 1)工作原理：工作原理：線圈的自感與磁路的磁阻有關(guān)。線圈的自感與磁路的磁阻有關(guān)。2mwLR其中其中w線圈匝數(shù)，線圈匝數(shù)，Rm磁路磁阻磁路磁阻 磁阻磁阻Rm與磁路各段的性質(zhì)有關(guān)，磁路通常由鐵芯及鐵芯間的空氣隙與磁路各段的性質(zhì)有關(guān)，磁路通常由鐵芯及鐵芯間的空氣隙組成。組成。0iimiiilRAAi,0分別為鐵芯和空氣隙的磁導(dǎo)率。分別為鐵芯和空氣隙的磁導(dǎo)率。Ai為各段鐵芯及空氣隙的截面積。為各段鐵芯及空氣隙的截面積。li和和i分別為鐵芯長度和空氣隙厚度。分別為鐵芯長度

32、和空氣隙厚度。2022-7-2137在變壓器中，鐵芯為閉合回路，因此空氣磁阻為在變壓器中，鐵芯為閉合回路，因此空氣磁阻為0，而在傳感器中，而在傳感器中，則利用空氣磁阻，在磁阻的表達(dá)式中。則利用空氣磁阻，在磁阻的表達(dá)式中。0i,即即Rm主要由空氣的磁阻構(gòu)成。主要由空氣的磁阻構(gòu)成。200imiiiwRLAA通常只要（設(shè)法）使空氣隙的厚度通常只要（設(shè)法）使空氣隙的厚度和截面積和截面積Ai發(fā)生變化，便可以發(fā)生變化，便可以使自感發(fā)生變化，因此可構(gòu)成下列三種傳感器。使自感發(fā)生變化，因此可構(gòu)成下列三種傳感器。變氣隙式變氣隙式 工作原理及結(jié)構(gòu)：工作原理及結(jié)構(gòu)：2022-7-213820022mwARLA靈敏度

33、：靈敏度：2022wAdLLd 呈非線性。呈非線性。2022-7-2139變氣隙截面式：變氣隙截面式：202wAL可知，輸出為線性?？芍?，輸出為線性。由由 2022-7-2140螺管式：在螺管線圈內(nèi)螺管式：在螺管線圈內(nèi)插入鐵芯，鐵芯山下移插入鐵芯，鐵芯山下移動(dòng)式時(shí)，磁阻發(fā)生變化，動(dòng)式時(shí)，磁阻發(fā)生變化，這種傳感器制造簡單，這種傳感器制造簡單，適用于較大位移測量適用于較大位移測量（數(shù)毫米），但靈敏度（數(shù)毫米），但靈敏度較低。較低。2）實(shí)用差動(dòng)式自感傳感器。）實(shí)用差動(dòng)式自感傳感器。一般實(shí)用的自感式傳感器，通常式構(gòu)成差動(dòng)式的，其輸出特性大有一般實(shí)用的自感式傳感器，通常式構(gòu)成差動(dòng)式的，其輸出特性大有改善

34、。以變氣隙式為例：改善。以變氣隙式為例：2022-7-2141在初始位置時(shí)，銜鐵位于氣隙的中間，兩線圈的電感值：在初始位置時(shí)，銜鐵位于氣隙的中間，兩線圈的電感值：L1=L2=L總電感的變化量：總電感的變化量：DlS=L1-L2=0。L1=L+dL，L2=L-dL 由于兩個(gè)電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，因此稱之為差動(dòng)式。總的由于兩個(gè)電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，因此稱之為差動(dòng)式。總的電感變化量：電感變化量：dLS=L1-L2=2dL 當(dāng)被測量使銜鐵偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)磁路的磁阻由于氣隙厚度改當(dāng)被測量使銜鐵偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)磁路的磁阻由于氣隙厚度改變而發(fā)生變化，兩個(gè)電感分別改變?yōu)椋鹤兌l(fā)生變化，兩個(gè)電感

35、分別改變?yōu)椋?022-7-2142其靈敏度其靈敏度 22sdLdLLdd 可見，不僅靈敏度提高，而且線性可見，不僅靈敏度提高，而且線性范圍也增加了。因此，使用自感傳范圍也增加了。因此，使用自感傳感器多組成差動(dòng)式，如差動(dòng)變氣隙，感器多組成差動(dòng)式，如差動(dòng)變氣隙，差動(dòng)變面積，差動(dòng)螺管式。通常接差動(dòng)變面積，差動(dòng)螺管式。通常接入電橋進(jìn)行測量，用來測量位移量。入電橋進(jìn)行測量，用來測量位移量。由此可見，差動(dòng)式傳感器比單邊傳由此可見，差動(dòng)式傳感器比單邊傳感器的靈敏度提高一倍，其輸出特感器的靈敏度提高一倍，其輸出特性為：性為：L。2022-7-21432.2.差動(dòng)變壓器（互感式）差動(dòng)變壓器（互感式）1）工作原理：）工作原理：利用被測量改變兩個(gè)利用被測量改變兩個(gè)線圈的互感，變壓器輸出端（次級(jí)線圈的互感，變壓器輸出端（次級(jí)線圈）的耦合電壓跟隨被測量變化。線圈）的耦合電壓跟隨被測量變化。()oaobabEEEjMMI 2）輸出特性：）輸出特性：在初級(jí)線圈加一在初級(jí)線圈加一激勵(lì)電壓激勵(lì)電壓ei，次級(jí)由兩個(gè)獨(dú)立的，次級(jí)由兩個(gè)獨(dú)立的線圈組成，并將兩個(gè)線圈反串串線圈組成，并將兩個(gè)線圈反串串接，這時(shí)次級(jí)輸出：接，這時(shí)次級(jí)輸出：2022-7-2144四四.電容式傳感器電容式傳感器 End of chapter 5與電感式傳感器類似，可構(gòu)成單邊與差動(dòng)式。與電感式傳感器類似，可構(gòu)成單邊與差動(dòng)式。