第3章 常用传感器的工作原理.doc

第3章 常用传感器的工作原理 第3章常用传感器的工作原理?3.1电阻式传感器?3.2电容式传感器?3.3电感式传感器?3.4电涡流式传感器?3.5压电式传感器?3.6磁电式传感器?3.7热电式传感器?3.8光电式传感器?3.9霍尔传感器?3.10光纤传感器下页返回3.11超声波传感器3.12微波传感器3.13红外传感器3.14核辐射传感器3.15化学传感器3.16数字式传感器3.17生物传感器3.18智能式传感器3.19微型传感器3.20模糊传感器3.21网络传感器3.1电阻式传感器?3.1.1金属电阻应变片?3.1.2半导体应变片?3.1.3应变片的命名?3.1.4电阻式传感器的测量电路?3.1.5电阻式传感器的应用下页上页返回3.2电容式传感器?3.2.1电容式传感器的特点?3.2.2电容式传感器工作原理和结构?3.2.3电容式传感器的测量电路?3.2.4电容式传感器应用举例下页上页返回3.3电感式传感器?3.3.1自感式传感器?3.3.2互感式传感器?3.3.3电感式传感器的应用下页上页返回3.4电涡流式传感器?3.4.1高频反射电涡流式传感器?3.4.2低频透射型电涡流传感器?3.4.3测量电路?3.4.4应用举例下页上页返回3.5压电式传感器?3.5.1压电效应和压电材料?3.5.2压电式传感器等效电路和测量电路?3.5.3压电式传感器的合理使用?3.5.4压电式传感器应用下页上页返回3.6磁电式传感器?3.6.1动圈式磁电传感器?3.6.2磁组式磁电传感器?3.6.3磁电传感器的测量电路下页上页返回3.7热电式传感器?3.7.1热电偶传感器?3.7.2热电阻传感器下页上页返回3.8光电式传感器?3.8.1光电效应?3.8.2光电导器件?3.8.3光生伏特器件?3.8.4光电耦合件?3.8.5电荷耦合器件（CCD）?3.8.6光电式传感器的其他应用下页上页返回3.9霍尔式传感器?3.9.1霍尔元件?3.9.2霍尔集成传感器?3.9.3霍尔传感器的应用下页上页返回3.10光纤传感器?3.10.1光纤传感器的组成?3.10.2光纤传感器的分类?3.10.3光纤传感器的工作原理?3.10.4光纤传感器的实际应用下页上页返回3.11超声波传感器?3.11.1超声检测的物理基础?3.11.2超声波传感器原理与结构?3.11.3超声波传感器基本应用电路下页上页返回3.12微波传感器?3.12.1微波的基本知识?3.12.2微波传感器及其分类?3.12.3微波传感器的优点与存在问题?3.12.4微波传感器的应用下页上页返回3.13红外传感器?3.13.1红外传感器?3.13.2红外传感器的应用下页上页返回3.14核辐射传感器?3.14.1核辐射基本概念?3.14.2核辐射传感器原理及组成?3.14.3核辐射传感器的应用下页上页返回3.15化学传感器?3.15.1气敏传感器?3.15.2湿敏传感器?3.15.3离子敏传感器下页上页返回3.16数字式传感器?3.16.1数字式传感器的概述?3.16.2编码器?3.16.3光栅式传感器?3.16.4感应同步器?3.16.5磁栅式传感器?3.16.6容栅式传感器下页上页返回3.17生物传感器?3.17.1生物传感器原理、特点及分类?3.17.2几种生物传感器下页上页返回3.18智能式传感器?3.18.1智能传感器的特点?3.18.2智能传感器的实现?3.18.3智能传感器的应用?3.18.4智能传感器的设计思想下页上页返回3.19微型传感器?3.19.1MEMS技术与微型传感器?3.19.2压电式微型传感器?3.19.3电容式微型传感器?3.19.4电容式微型传感器?3.19.5热敏电阻微型传感器?3.19.6隧道效应式微型传感器下页上页返回3.20模糊传感器?3.20.1模糊传感器的概念及特点?3.20.2模糊传感器结构?3.20.3典型模糊传感器举例下页上页返回3.21网络传感器?3.21.1网络传感器的概念?3.21.2网络传感器的类型?3.21.3基于IEEE1451标准的网络传感器?3.21.4网络传感器所在的体系结构下页上页返回3.1电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测参量转换为电阻变化的传感器，是目前在非电量检测技术中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一，常用的电阻式传感器有电位器式电位器式、电阻应变式、热敏效应式等类型的电阻传感器。 应变式电阻传感器是一种利用电阻应变效应，由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。 将应变片粘贴在各种弹性敏感元件（如弹性圆柱、悬臂梁、扭转圆柱、圆形平膜片、弹簧管、波纹管、薄壁圆筒）上，当弹性敏感元件感受到外力、位移、加速度等参数的作用，弹性敏感元件产生应变，再通过粘贴在上面的电阻应变片将其转换成电阻的变化。 下页上页返回?通常，它主要是由敏感元件、基底、引线和覆盖层等组成。 其核心元件是电阻应变片（敏感元件），它主要作用是敏感元件实现应变电阻的变换。 根据敏感元件材料与结构的不同，应变片可分为，金属电阻应变片和半导体式应变片。 3.1.1金属电阻应变片 （1）基本结构金属电阻应变片的基本结构如图3.1所示。 它由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成。 图3.1应变式电阻传感器的结构原理示意图1敏感栅2基底3引线4盖层5黏合剂下页上页返回?敏感栅可由金属丝、金属箔制成，它是转换元件，被粘贴在基底上。 ?用黏合剂粘贴在传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘作用。 ?盖层起绝缘保护作用。 ?焊接于敏感栅两端引线连接测量导线之用。 目前，常用的金属电阻应变片主要有金属丝式应变片、箔式应变片、及金属薄膜应变片等结构形式。 金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。 金属丝材料为电阻率大而电阻温度系数小的材料。 丝式应变片的规格一般以使用面积（Lb）和敏感栅的电阻值来表示。 阻值一般在501000?范围内，常用的为120?。 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属薄栅，厚度在0.003-0.010mm。 其优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过电流较大，可制成各种需要的形状，便于大批量生产。 下页上页返回?金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。 这样应变片的性能更好，灵敏度高。 所谓薄膜指厚度在0.1m以下的金属膜。 厚度在25m左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。 （2）金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。 当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。 下面介绍应变片电阻变化与应变的关系。 金属导体的电阻为（3.1）式中为金属导线电阻率（）；l金属丝长（m）；A金属丝的横截面积（，）；d金属丝直径（m）。 如果对电阻丝长度作用均匀应力，则导线电阻的相对变化（3.2）式中材料的轴向应变，令为金属丝径向应变，常用单位（）AlR=m?24d A=2mAdAldl dRdR?+=ldl=rdrm m/10116?=下页上页返回?根据材料力学的知识，在弹性范围内，金属丝受拉力，沿轴向伸长时，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为?式中为金属材料的泊松系数。 ?=根据此关系，故（3.3）式中为电阻丝几何尺寸改变引起，为形变效应部分；为电阻丝的电阻率随应变的改变所引起，为压阻效应部分；对大多数金属电阻丝而言，其值为常数，通常很小，可以忽略。 该式表明材料电阻的变化是应力引起形状的变化和电阻率变化的综合结果。 22?=rdrAdA?+=+=l dlddRdR)21()21()21(+l dld下页上页返回3.1.2半导体应变片半导体应变片是用半导体材料，采用与丝式应变片相同方法制成的半导体应变片。 其结构如图3.2所示。 图3.2半导体应变片1基片2半导体敏感条3外引线4引线联接片5内引线半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。 所谓压阻效应是指，当半导体材料的某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。 下页上页返回半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为为半导体应变片的电阻率相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应变力之比为一常数，即式中:半导体材料的压阻系数。 +=xRR)21(xE=将式(3-5)代入式中得其中项随几何形状而变化，项为压阻效应，随电阻率而变化。 实验证明比大近百倍，所以可忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为半导体应变片最突出的优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围很宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接使用，使测量系统简单；但它具有温度系数大，应变时非线性比较严重的缺点。 下页上页返回RRxERR)21(+=21+EE21+21+SxRRK E=3.1.3应变片的命名应变片的命名标准号为GBT13992-92，其内容如下。 (1)每种应变片产品命名型号，型号由汉语拼音字母和数字组成共7项。 (2)由左至右依次排列，第项字母表示应变片类别。 (3)第项字母表示应变片基底材料。 (4)第项数字表示标称电阻值，单位为?，带括号的规格不推荐采用。 (5)第项数字表示应变片栅长，小于l mm时小数点省略。 (6)第V项由两个字母组成表示应变片结构形状，表3-1中只列出常用的代表字母。 (7)第项数字表示应变片的极限工作温度，对常温应变片此项省略。 (8)第项括号内数字表示温度自补偿应变片所适用试件材料的线膨胀系数。 下页上页返回举例BH3503AA150 (16)为单轴箔式环氧基底用于线膨胀系数16106/的材料，最高工作温度150，栅长3mm的温度自补偿应变片。 下页上页返回表3-1型号命名表3.1.4电阻式传感器的测量电路由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路，常用桥式测量电路。 下面具体讨论有关电路和这几项指标。 （1）直流电桥平衡条件直流电桥的基本形式如图3.3所示。 R1，R2，R3，R4称为电桥的桥臂，R L为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。 下页上页返回RR当时，电桥的输出电压应为当电桥平衡时，由上式可得到或R1R4R2R3上式称为电桥平衡条件。 平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为0。 下页上页返回LROU311234()OR RU ER R R R=?+0OU=3124R RR R=0OU （2）电压灵敏度如果在实际测量中，使第一桥臂R1由应变片来替代，微小应变引起微小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小变化。 一般需要加入放大器放大。 由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多，所以此时电桥仍视为开路情况。 当受应变时，若应变片电阻变化为R1，其他桥臂固定不变，则电桥输出电压311141123411234()()()OR R R R RUEER R R R RRRRRR+=?=+4131124113()() (1) (1)R RR RER RRRRR=+设桥臂比，由于,分母中可忽略，并考虑到起始平衡条件，由式（3-10）可得电桥电压灵敏度定义为下页上页返回12RRn=11RR11RR3412RRRR=121 (1)OR nUEn R?+0211 (1)VU nSERnR=+由式（3-12）可知?电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压愈高，电桥电压灵敏度愈高，但是供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制，所以一般供桥电压应适当选择。 ?电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，因此必须恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。 下面分析当供桥电压E确定后，n应取何值，电桥电压灵敏度才最高。 由来求的最大值，由此得（3-13）当n=l时，为最大。 这就是说，在供桥电压确定后，当R1R2，R3R4时，电桥的电压灵敏度最高。 此时，式（3.1-10）、式（3.1-12）、式（3.1-13）分别简化为由此可知，当电源电压E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。 下页上页返回0=?nS VVS2410 (1)VS nEnn?=?+VS1111111412ORU ERRR=+1114ORU ER11RR14VS E=1111111412ORU ERRR=+1114ORU ER（）非线性误差及其补偿方法)1(11111nRRnRRnE U o+?+=与与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为oU11111RRnRRUU UoooL+=?=ERRnnU o112)1(+=理想情况（略去分母中的R1/R1项）实际情况（保留分母中的R1/R1项）如果桥臂比n=1，则11112LRRRR=+减小和消除非线性误差的方法: (1)提高桥臂比由非线性误差的公式可以看到，提高桥臂比可以减小非线性误差；但同时由于S U=E/n,电桥电压灵敏度将降低，这是一种矛盾，因此，为了达到既减小非线性误差，又不降低其灵敏度，必须适当提高供桥电压E。 （2)采用差动电桥采用半桥差动和全桥差动两种。 图3-10差动电桥R1R1R4R3ACBEDR2R2U o(a)R1R1A CBEDR2R2U o(b)R3R3R4R4）半桥差动在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂。 该电桥输出电压为在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂。 该电桥输出电压为?+?+=433221111R RRRRRRR REU o若若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得112RR EU o=可知U o与与R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度K U=E/2，是单臂工作时的两倍。 ，是单臂工作时的两倍。 ）全桥差动电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。 若电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。 若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则E KRREUUo=11结论全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。 下页上页返回3）采用高内阻的恒流源电桥恒流源电桥114414OR RUI I RRR RR?=?+通过电桥各臂的电流如果不恒定，也是产生非线性误差的重要原因。 所以电源一般使用恒流源。 若供桥电流为I，通过各臂的电流为I1和I2，设测量电路输入阻抗较高，则可得11223412()()1122I RR I R RII IoUIRIR+=+=+=?若电桥初始处于平衡状态，而且四个桥臂阻值相等，当R1变为R1+?R1，电桥的输出电压为3.1.5电阻应变片的主要参数和工作特性1电阻应变片的主要参数 （1）值电阻值应变片的电阻值是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。 应变片的电阻值是一个系列，有 60、 90、 120、 250、 350、1000等，其中以120和350应用最广泛。 电阻值越大，?R=KR越大，输出信号就越增大，从而敏感栅尺寸也要随之增大。 （2）灵敏系数将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，使其灵敏轴线与应力方向平行，应变片电阻值的相对变化与沿其轴向的应变之比值，称为应变片的灵敏系数，即/RRK= （3）绝缘电阻是指应变片引出线与粘贴该应变片的试件之间的电阻值。 它是检查应变片粘贴质量、粘合剂是否完全干燥或固化的重要指标。 绝缘电阻越高越好。 （4）零漂对于已安装的应变片，在温度恒定和试件不受应力作用的条件下，指示应变随时间的变化数值通常简称为零漂。 主要是由于绝缘电阻过低及通过电流产生的热电势等所造成。 （5）疲劳寿命是指粘贴在试件表面上的应变片，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。 该参数反映了应变片适应动态应变的能力。 （6）应变片的最大工作电流(允许电流）当应变片接入电路通以电流时，若电流超过某一规定值后，由于产生的热效应将使应变片温度不断升高，严重地影响其工作特性，甚至烧坏应变片敏感栅，因此需要规定允许通过应变片敏感栅而不影响其工作特性的最大电流值。 这个电流值称为应变片的最大工作电流（I max）。 它与应变片敏感栅的形状和尺寸、基底尺寸和材料、粘合剂的材料及试件的热性能有关，一般由厂家提供。 最大工作电流选取的依据是使应变片的零漂不超过允许值。 （7）机械滞后应变片安装在试件上以后，在温度恒定时，增加或减少机械应变过程中在同一机械应变量的作用下指示应变的不一致程度，称为应变片的机械滞后。 产生机械滞后的原因主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。 为了减小滞后，除选用合适的粘合剂外，最好在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。 （8）蠕变如果在一定温度下，使粘贴在试件上的应变片承受恒定的机械应变，其阻值随时间变化的特性，称为应变计的蠕变。 一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。 蠕变和零漂都是用来衡量应变片特性相对时间的稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。 实际上，蠕变中已包含零漂，因为零漂是不加载的情况，它是加载的特例。 2横向效应及横向效应系数（H）应变片在感受被测试件的应变时，横向应变将使其电阻变化率减小，从而降低灵敏系数的现象称为应变片的横向效应。 应变片横向效应的大小用横向效应系数H表示。 它的定义为在同一单向应变作用下垂直于单向应变方向安装的应变片的指示应变与平行于单向应变方向安装的同批应变片的指示应变之比，以百分数表示。 一般情况下，H都小于2%，高精度应变片的H值可达到0.2%左右。 3温度效应及其补偿方法粘贴到试件上的应变片，由于环境温度变化的影响，也将引起电阻的变化，这种现象称为应变片的温度效应。 由温度变化引起的应变输出称为热输出，它是虚假应变，在测量中须设法予以消除。 应变片产生热输出的原因主要有两个一是由于敏感栅的电阻值将会随着温度的变化而改变；二是由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同，使得应变片不能自由伸缩，只能跟随试件一起变形，从而使敏感栅产生一定的附加应变而造成的。 ?可以通过温度补偿消除热输出对应变测量的影响。 温度补偿方法通常有桥路补偿法、热敏电阻补偿法。 桥路补偿法这种方法的补偿原理是用两个参数相同的应变片分别接入测量电桥的两个相邻桥臂，其中R1为工作应变片，R2为补偿应变片。 测量时，R1粘贴在试件上，R2粘贴在和试件材料相同并处于同一温度的补偿块上。 工作过程中，补偿块不感受应变。 当温度变化时，由于补偿块与试件材料相同，且两个应变片参数相同，所以两个应变片的电阻变化?R1与?R2也相同，因此电桥仍满足平衡条件，电桥输出为零。 若有应变作用时，只有工作应变片感受应变，因此电桥输出只与被测试件受力情况有关，而与温度无关，从而起到温度补偿的作用。 桥路补偿法的优点是方法简单，在常温下补偿效果较好。 其缺点是上述条件有时难以保证，尤其是在温度变化梯度较大的情况下，它将影响补偿效果。 热敏电阻补偿法具有负电阻温度系数的热敏电阻R T与应变片处于相同温度条件下，当温度升高时，应变片的灵敏度将下降，同时，热敏电阻的阻值也下降，使电桥的输入电压增加，从而提高了电桥的输出电压值，补偿了应变片由温度效应而引起的输出下降。 适当选择R5的值，可以达到最佳补偿。 3.1.5电阻式传感器的应用电阻应变片应用可分为两大类一种是将应变片粘贴在弹性敏感元件上，由弹性元件在被测物理量(如力、压力、加速度等)的作用下，产生一个与之成正比的应变，然后由应变片作为传感元件将应变转换为电阻变化，通过测量电路检测出被测物理量，这样就可以组成各种专用的应变式传感器，在目前的传感器中，尤其是在称重测力传感器中占有重要的地位；下页上页返回另一种是直接将应变片粘贴在被测构件上，然后将其接到应变仪上就可以直接从应变仪上读到相应的应变值，例如电阻应变仪就是这种应用的一个例子。 （1）柱式力传感器柱式力传感器的弹性元件有实心柱与空心柱两种，以实心柱为例。 P53例1下页上页返回 （2）电阻应变仪电阻应变仪是专门用于测量电阻应变片应变量的仪器。 实际测量时，只要将应变片贴于被测点上，然后将其接入应变仪的测量桥路中，这样就可通过应变仪直接求得被测点的应变值。 电阻应变仪有静态、动态二大类。 如 (1)静态电阻应变仪。 静态电阻应变仪能测量频率为015Hz的应变。 例如国产型号有YJ-5，YJB-I，YJS-14等。 (2)静动态电阻应变仪。 静动态电阻应变仪用于测量静态或几百Hz以下的应变，国产型号有YJD-1，YJD-7等。 (3)动态电阻应变仪。 它用于测量频率为5kHz以下的应变，如Y4D-l，Y6D-2，YD-15等； (4)超动态电阻应变仪。 它可以测量频率从零至几十kHz的动态应变，如Y6C-9等。 (5)遥测应变仪。 它用于解决无法用有线传输信号时的应变测量，如测量旋转件、运动件等的应变。 3.2电容式传感器电容式传感器是利用将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。 电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、物位、压力、成份分析、介质特性等方面的测量。 3.2.1电容式传感器的优缺点1.优点 （1）受本身发热影响小，和材料本身的性能无关。 （2）静电引力小，虽然在电容器两极板间存在静电引力，但值很小。 （3）动态响应好，电容器本身固有频率比较高，适合动态测量。 下页上页返回 （4）结构简单，一般用无机材料做绝缘支架，镀上金属做极板，易于制造，精度高；且在恶劣环境下也可以使用，适应性强。 （5）可以进行非接触式测量（如测量带锯机锯条振动的电容式传感器）。 2、缺点 （1）输出阻抗较高、带负载能力差，且输出具有非线性。 （2）寄生电容影响大，会降低传感器的灵敏度。 3.2.2基本工作原理和结构以平行板电容为例（如图3.10），如果不考虑其边缘效应，其电容量为（3.26）式中极板间介质的相对介电常数，空气介质；真空介电常数；二平行极板覆盖面积；极板间距离。 lAC0=1=0m F/1085.8120?=A下页上页返回l图3.10平板式电容器显然，电容量是、的函数。 如果保持其中两个参数不变，只改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。 因此，电容式传感器分为以下三类极距变化型测量微小位移；面积变化型测量较大线位移或角位移；介质变化型测量液位、材料的湿度或成分等的变化。 CAl下页上页返回 一、变极距型电容式传感器下页上页返回0l当极板面积和介电常数为常数，而平板电容器的极间距为变量的传感器称为变极距型电容式传感器(如图3.10)。 由式（3-26）可知，电容量C与极板距离d不是线性关系，而是双曲线关系（如图3.10所示）。 若电容器极板距离由初始值l0缩小，极板距离分别为和，且lU_时，输出高电平；当U （2）RS触发器。 RS触发器的功能如表3-2； （3）R 1、D 1、C1构成一RC充放电回路；R 2、D 2、C2构成另一RC充放电回路；当Q为高电平，为低电平时，C1充电回路为地，C2放电回路为。 下页上页返回Q11C RQQ DC22当Q为低电平，为高电平时，C1放电回路为，C2充电回路为地。 （4）低通滤波器电压经低通滤波器后，获得输出电压平均值。 下页上页返回Q DC11Q22C RQQ表3-2RS触发器功能表S RQ00保持原态0101101011不允许出现Q3.2.4电容式传感器的应用 （1）电容测厚仪图3.19为电容测厚传感器的系统原理框图。 当被轧板材的厚度相对于要求值发生变化时，则发生变化。 增大，表示板材厚度变厚；减小，表示板材厚度变薄。 的变化经过电桥调节后，由耦合电容输出给运放进行放大，再经过整流滤波和差动放大后，一方面由显示仪表读出板材厚度，一方面通过反馈回路将偏差信号送给压力调节器，使板材厚度控制在规定范围内。 下页上页返回xCxCxCxC （2）电容式传感器测量电缆的偏心图为测量电缆芯的偏心原理图，在实际应用中是用两对电容传感器，分别测出在x方向和y方向的偏移量，再经计算得出偏心值。 （3）石英挠性伺服加速度计石英挠性伺服加速度计是由固有频率很低的电容式加速度计和伺服回路两大部分组成，并形成一个闭环的自动控制系统，具体结构与原理如图所示。 下页上页返回 （4）电容式压力传感器图3.21所示为两种电容式压力传感器结构图。 图3.21(a)为单只变极距型电容传感器，用于测量流体或气体的压力。 流体或气体压力作用于弹性膜片(动极片)，使弹性膜片产生位移，位移导致电容量的变化，从而引起由该电容组成的振荡器的振荡频率变化，频率信号经计数、编码、传输到显示部分，即可指示压力变化量。 下页上页返回图3.21(b)为一种小型差动式电容压力传感器。 它由金属弹性膜片与镀金凹型玻璃圆片组成。 当被测压力P通过过滤器进入空腔时，由于弹性膜片两侧的压力差，使弹性膜片凸向一侧，产生位移，该位移改变两个镀金玻璃圆片与弹性膜片间的电容量。 下页上页返回3.3电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应的原理将被测非电量转换为线圈的自感系数或互感系数变化的装置。 由于电感式传感器是将被测量的变化转化成电感量的变化，所以根据电感的类型不同，电感传感器可分为自感系数变化型和互感系数变化型两类。 3.3.1自感式传感器当匝数为N的线圈通以电流I产生磁通链为。 磁通链与线圈电流之比称为自感系数，简称电感L（3.69）式中为穿过每匝线圈的磁通。 INIL=下页上页返回根据磁路的欧姆定律（3.70）式中为磁路的总磁阻。 由式（3.69）、式（3.70）可得（3.71）由此可知，要将被测非电量的变化转化为自感的变化，在线圈形状不变的情况下可以通过改变线圈匝数使得线圈的自感系数产生改变，相应地就可制成线圈匝数变化型自感式传感器。 要将被测量的变化转变为使线圈匝数变化是很不方便的，实际极少用。 当线圈的匝数一定时，被测量可以通过改变磁路的磁阻的变化来改变自感系数。 因此这类传感器又称为可变磁阻型自感式传感器。 mRNI=mRmRNL2=下页上页返回根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为气隙厚度变化型气隙厚度变化型、气隙面积变化型和螺管型三种类型。 （1）气隙厚度变化型自感传感器典型的气隙变化型自感传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁组成（如图3.23所示）。 活动衔铁与被测物相连，并与铁芯保持一定距离。 当被测物移动时，气隙发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。 因此，只要能测出电感量的变化，就能确定衔铁（即被测体）位移量的大小和方向。 xx下页上页返回在电磁机构中，被固定的电磁铁的吸引，而运动后和电磁铁构成闭合磁路，这个运动的铁磁体被称为“衔铁”.由磁路的基本知识可知，磁路的总磁阻可表示为（铁心、衔铁、气隙磁阻之和）当铁心工作在非饱和状态时第一项可忽略不计。 由磁路的基本知识可知，线圈匝数为N匝时，线圈的电感量L为由此可知，自感与气隙的大小成反比，与气隙导磁面积成正比。 如固定，改变，传感器的灵敏度为1000022nimii ilx xRA AA=+?xxN ALx=xx2LN AdLkdx x=?Lx0A0A x由于灵敏度不是常数，故会出现非线性误差，为了减小非线性误差，在实际应用中，一般规定传感器在较小间隙的变化范围内工作，或者采用差动接法（如图3.24）。 Lk下页上页返回由图可知，由两个传感器构成差动工作方式，衔铁最初居中，两侧初始电感为L0，当衔铁有位移时，两个线圈的间隙分别为和，表明一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小，把两线圈接入电桥的相邻臂时，输出灵敏度比单个的提高一倍，并且可以降低非线性误差，消除外界干扰。 气隙厚度变化型自感式传感器的优点是灵敏度高，缺点是非线性严重、装配困难，要求气隙的变化小于初始气隙的五分之一，只能用于小位移测量。 下页上页返回xxx?2xx+2 （2）气隙面积变化型自感传感器当固定x，改变气隙导磁面积，自感与导磁面积成线性关系。 如图3.25所示为气隙面积变化型自感传感器。 下页上页返回下页上页返回 （3）螺管型自感传感器螺管型自感传感器是在螺管线圈中插入一个活动衔铁，当活动衔铁在线圈中运动时，使磁阻发生变化，从而使自感变化。 在实际应用中，该类传感器通常也采用差动的结构。 将铁芯置于两个线圈的中间，当铁芯移动时，两个线圈的电感产生相反方向的增减，然后利用电桥将两个电感接入电桥的相邻的桥臂，以获得比单个工作方式更高的灵敏度和更好的线性度。 （4）测量电路自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感的变化，为了测出电感的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理，就要用测量电路把电感变化量转换成电压（或电流）的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。 交流变压器电桥交流变压器电桥是调幅电路的一种形式。 2oU LUL=?3.3.2互感型变压器式电感传感器 （1）工作原理互感型变压器式电感传感器是利用被测量变化改变互感系数来实现的，其实质上是一个输出电压可变的变压器，又常采用差动的形式，故又称为差动变压器。 其结构形式有多种，应用较为普遍的是螺管型，其结构和工作原理如图3.27（a）（b）所示。 传感器主要由线圈（包括一个一次线圈和两个二次反接线圈）、铁芯三部分组成。 理想情况下，差动变压器的等效电路如图3.27（c）所示。 下页上页返回当一次线圈P加上某一频率的正弦交流电压U i后，二次线圈产生感应电压为U1和U2，它们的大小与铁心在线圈内的位置有关。 U1和U2反极性连接便得到输出电压Uo当铁心位于线圈中心位置时，U1=U2，Uo=0；当铁心向上移动时，U1U2,M1大，M2小。 当铁心向下移动时，U1 铁心偏离中心位置时，输出电压随铁心偏离中心位置，U1或U2逐渐加大，但相位相差180由差动变压器等效电路（P70图3.29）可知测量前，可动衔铁处于中间位置，由于二次线圈的参数相同，则，此时0，变压器无输出。 测量时，可动衔铁偏移，两线圈互感量发生变化，设，由于两者为差动，衔铁在一定范围内有，故在输出端开路情况下，输出为此式表明当线圈参数和确定后，变压器的输出电压由二次线圈与一次线圈互感量的差值决定。 而与螺管内磁场变化有关，而磁场的变化取决于可移动衔铁的位移量。 因此，在衔铁位移的一定范围内，与衔铁位移有近似线性关系。 下页上页返回()101211UU jM MR j L=?+?21M M=0U?1122,M M M M MM=?MMM=2110112UU jMRj L=+?1U?MMxM （2）测量电路差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要进行解调。 常用解调电路有差动相敏检波与差动整流电路。 采用解调电路还可消除零点残余电压。 1）差动整流电路图3.30所示为实际的差动整流电路，是根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。 如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgdche（如图(a)）。 反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。 可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。 同理可分析另一个次级线圈的输出情况，电流总是从a流向b。 输出的电压波形见图(b)。 其中u sc=e ab+e cd下页上页返回下页上页返回2）相敏检波电路二极管相敏检波电路如图3.31所示。 U1为差动变压器输入电压，U2为U1的同频的参考电压，且U2U1，它们作用于相敏检波电路中两个变压器T1和T2。 U2=0时，输出的电流为零；U20时，有两种情况U1和U2同相位，输出的电流大于零；U1和U2反相位，输出的电流小于零。 所以，相敏检波电路可以由流过检波计的平均电流的大小和方向来判别差动变压器的位移大小和方向。 下页上页返回3.3.3电感传感器的应用差动变压器式传感器的应用非常广泛。 凡是与位移有关的物理量均可经过它转换成电量输出。 常用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。 （1）微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。 图3.32是微压力变送器的结构示意图。 下页上页返回 （2）差动式电感测厚仪差动式电感测厚仪由电桥式相敏检波测量电路组成，如图3.33所示。 下页上页返回下页上页返回 （3）差动式电感液位测量仪图3.34所示为液位测量原理图。 当液位不变时，铁芯处中间位置，无输出电压。 当液位增加或降低时，铁芯上移或下移，其输出电压经交流放大、相敏检波及相关测量电路处理后，得到液面的高度。 3.4电涡流式传感器基于法拉第电磁感应原理，将块状的金属导体置于变化的磁场中或者在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生旋涡的感应电流，该电流叫电涡流，此现象称为电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器叫做电涡流传感器。 特点结构简单、体积小、灵敏度高、测量线性范围大（频率响应宽）、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响，并且可以进行无接触测量等优点。 应用可以用于测量位移、厚度、速度、表面温度、应力、材料损伤等。 分类按照电涡流在导体中的贯穿情况，电涡流传感器可以分成高频反射式和低频透射式两类。 下页上页返回3.4.1高频反射电涡流传感器 （1）高频反射涡流传感器的结构高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。 线圈安置在框架上，线圈可以绕成一个扁平圆形粘贴在框架上，也可以在框架上开一个槽，导线绕制在槽内形成一个线圈。 由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、形状对整个测量系统的性能将产生重要的影响。 一般情况下，线圈的导线采用高强度漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用高温漆包线。 线圈框架要求选用损耗小，电性能好、热膨胀系数小的材料，可选用聚四氟乙烯、高频陶瓷、环氧玻璃纤维等。 下页上页返回下页上页返回图3.35所示为国产CZF-1型涡流传感器结构图。 它采用导线绕在框架上的形式，框架采用聚四氟乙烯，电涡流式传感器的线圈外径越大，线性范围也越大，但灵敏度也越低。 理论推导和实践都证明，细而长的线圈灵敏度高，线性范围小；扁平线圈则相反。 （2）高频反射涡流传感器的基本原理和等效电路1）基本原理电涡流式传感器产生涡流的基本结构形式如图3.36所示。 当通有一定高频交变电流I1（频率为f）的电感线圈L靠近金属导体时，在金属周围产生高频交变磁场H1，在金属表面将产生电涡流I2，根据电磁感应理论电涡流也将形成一个方向相反的磁场H2，力图消弱原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。 此电涡流的闭合流线的圆心同线圈在金属板上的投影的圆心重合。 下页上页返回1II?涡流区和线圈几何尺寸有如下关系（3-86）式中2R电涡流区外径；2r电涡流区内径。 涡流渗透深度（3-87）式中导体电阻率；f交变磁场的频率；相对导磁率。 ?=D rDR525.0239.12)(5000cmfhr=r线圈参数的变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电源的频率以及线圈到被测导体之间的距离有关。 如果控制上述参数，仅使其中一个参数改变，其余皆不变，就能构成测量该参数的传感器。 2）等效电路由工作原理可看成线圈与金属导体之间存在磁性联系，空心线圈看作变压器的初级线圈、涡流回路看作