常用传感器1综述

1、航天航天医医学学传感器与测试技术5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理1.了解传感器的分类；了解传感器的分类； 2.了解传感器的选用原则；了解传感器的选用原则； 3.掌握电阻式传感器的原理及其应用；掌握电阻式传感器的原理及其应用； 4.掌握电感式传感器的原理及其应用；掌握电感式传感器的原理及其应用； 5.掌握压电式传感器的原理及其应用；掌握压电式传感器的原理及其应用； 6.掌握磁电式传感器的原理及其应用；掌握磁电式传感器的原理及其应用； 7.掌握光电式传感器的原理及其应用；掌握光电式传感器的原理及其应用； 8.了解新型传感器的原理及其应

2、用。了解新型传感器的原理及其应用。5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理l传感器定义：传感器定义：以一定的精度和规律把被测量转换为以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。装置。l传感器组成传感器组成：敏感元件敏感元件： 直接感受被测量直接感受被测量,输出与被测量成输出与被测量成确定关系。确定关系。 转换元件转换元件： 敏感元件的输出就是转换元件的敏感元件的输出就是转换元件的输入输入,它把输入转换成电量参量它把输入转换成电量参量 。 转换电路转换电路：把

3、转换元件输出的电量信号转换为把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。的电路。5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理拳击袋测力传感器的工作原理5.1 5.1 传感器概述传感器概述 5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理l按传感器的工作机理： 分为物理型、化学型和生物型。l按传感器的输入量： 分为位移、压力、温度、流量、加速度等（表4.2）。l 按传感器的输出量： 分为模拟式传感器和数字式传感器。l 按转换过程是否可逆： 分为双向传感器、单向传感器。5.1 5.1 传感器概述传感器概述 5 5 常用传

4、感器的变换原理常用传感器的变换原理l 按传感器的构成原理： 分为物性型和结构型两大类。 l按传感器的能量转换情况： 分为能量转换型和能量控制型。A A 物性型与结构型传感器物性型与结构型传感器物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. . 例如例如: :水银温度计水银温度计, ,压电测力计压电测力计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .B B 能量转换型和能量控制型传感器能量转换型和能量控制型传感

5、器能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. . 例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .5.1 5.1 传感器概述传感器概述 5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理l按传感器的工作原理分为：电阻式传感器 压电式传感器磁电式传感器 光电式传感器气电式传感器 热电式传感器射线式传感器 波式传感器半导体式传感器 其他原理传感器5.1 5.1

6、传感器概述传感器概述 5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5.1.2 5.1.2 传感器的技术指标传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标量程指标量程指标: :量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标: :灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等精度有关指标精度有关指标: :精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性等动态性能指标动态性能指标: :固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间、过冲量、稳态误差温度指标温度指标: :工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标抗冲振指标: :允许各向抗冲

7、振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差等其它环境参数其它环境参数: :抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标使用有关指标: :供电方式(直流、交流、频率及波形等)、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等结构方面指标结构方面指标: :外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装连接方面指安装连接方面指标标: :安装方式、馈线电缆等5.1 5.1 传感器概述传感器概述 5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理l 灵敏度灵敏度: :高，测量范围，方向性高，测量范围，方向性 l 响应特性响应特性: :快，不失真快

8、，不失真 l 线性范围：线性范围：工作量程工作量程 l 稳定性稳定性 ：时间和时间和环境环境l 精确度精确度 ：高，但要考虑经济性高，但要考虑经济性 1 确定测试方式和初步确定传感器类型确定测试方式和初步确定传感器类型 2 分析测试环境和干扰因素分析测试环境和干扰因素 3 根据测试范围确定某种传感器根据测试范围确定某种传感器 4 确定测量方式确定测量方式 5 体积、价格、易维护性等体积、价格、易维护性等5.1 5.1 传感器概述传感器概述 5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理l采用新原理、开发新型传感器；l 大力开发物性型传感器(结构型满足不了要求)；l 传感器的集成化；l 传感器

9、的多功能化；l 传感器的智能化(Smart Sensor)；l 研究生物感官，开发仿生传感器。5.1 5.1 传感器概述传感器概述 蝴蝶翅膀因其本身纳米结构所具备的敏锐的感光性和化学感知特性。 5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理基本原理基本原理 ：将被测物理量的变化转换成将被测物理量的变化转换成的变化，再经的变化，再经相应的测量电路相应的测量电路将电阻变化变换为电压或电流进将电阻变化变换为电压或电流进行测量行测量。 按工作原理分按工作原理分 1 电阻应变式电阻应变式2 压阻式压阻式3 变阻器式变阻器式(电位器式电位器式)4 其它电阻

10、式（热敏电阻、其它电阻式（热敏电阻、 磁敏电阻式、气敏电阻式等）磁敏电阻式、气敏电阻式等）5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5.2 电阻式传感器电阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理设电阻应变片的初始阻值为：设电阻应变片的初始阻值为：变形时，变形时， 、l、A将同时发生变化，从而导致将同时发生变化，从而导致R改变。改变。 AlR若若 、l、A的变化量为的变化量为d 、dl、dA，则：，则：AdAdldlRdR2rArdrdA2rdrdldlRdR2即：即：对半径为对半径为r的金属电阻丝有：的金属电阻丝有：从而：从而：AdAdldlRdAAlAdldldAAR

11、dRdllRdR2/A?5.2 电阻式传感器电阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理ldl：电阻丝轴向相对变形，或称：电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变纵向应变。rdrldlrdrd：电阻丝径向相对变形，或称：电阻丝径向相对变形，或称横向应变横向应变。横向应变与纵向应变间的关系为：横向应变与纵向应变间的关系为：为泊松比，为泊松比， =0.280.33：电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴：电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴 向所受正应力向所受正应力 有关。有关。 ：负号表示两者变化相反。负号表示两者变化相反。rdrdldlRdR2EdllERdRl215.2 电阻式传感器电阻式传感

12、器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应：导体在外力作用下发生机械导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随所受机械变形变形时，其电阻值随所受机械变形（应变）的变化应变）的变化而发生变化的现象。而发生变化的现象。ERdRl212121El其中，其中，由电阻丝几何尺寸随应变改变由电阻丝几何尺寸随应变改变所引起。对于同一电阻材料，所引起。对于同一电阻材料，为常数。为常数。由电阻率随应变的改变引起，对金属电由电阻率随应变的改变引起，对金属电阻丝，阻丝，很小。很小。El5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理co

13、nstant21/0ldlRdRK即电阻相对变化与应变成正比。比值即电阻相对变化与应变成正比。比值K0称为称为 电阻应变片的应变系数或灵敏度。电阻应变片的应变系数或灵敏度。通常：通常： K0 =1.73.6。021KRdR从而：从而：5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理v组成：组成： l 称为称为栅长栅长(标距标距)，b称为称为栅宽栅宽(基宽基宽)， bl称称为应变片的使用面积。应变片的规格以面积和为应变片的使用面积。应变片的规格以面积和电阻值表示，如电阻值表示，如3mm20mm，120。5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用传感器的变

14、换原理常用传感器的变换原理q 丝式应变片丝式应变片 结构：将高电阻率金结构：将高电阻率金属丝（康铜、镍铬、属丝（康铜、镍铬、卡玛合金等，直径为卡玛合金等，直径为0.025mm左右）绕成栅左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，引片和覆盖层之间，引出导线接于电路中。出导线接于电路中。 金属电阻应变片金属电阻应变片按敏感栅材料按敏感栅材料分为分为丝式、箔式丝式、箔式和和膜膜式式等。等。 电阻应变片的分类及材料5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、

15、易粘贴。金属丝式应变片有金属丝式应变片有回线式回线式和和短接式短接式两种。两种。回线式应变片因圆弧部分参与变形，回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应横向效应较大；较大；短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大 510倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。 丝式应变片安全电流：丝式应变片安全电流：1050mA，电阻：，电阻：50 1000 （典型（典型120 ）。）。按敏感栅材料按敏感栅材料分类分类1 1：金属丝式应变片：金属丝式应变片5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用

16、传感器的变换原理常用传感器的变换原理 箔式应变片箔式应变片由厚度为由厚度为 0.0030.01mm 的康铜的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔片。片。 箔式应变片适于箔式应变片适于大批量生产大批量生产，可制成多种可制成多种复复 杂形状，杂形状，线条均匀，线条均匀，敏感栅尺寸准确，栅长敏感栅尺寸准确，栅长 最小可到最小可到0.2mm ；散热好散热好，允许电流大；，允许电流大；横横 向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长； 柔性好（可贴于形状复杂的表面），柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试传递试 件应变性能好件应变

17、性能好。 目前使用的应变片目前使用的应变片大多是大多是金属箔式应变片。金属箔式应变片。 按敏感栅材料按敏感栅材料分类分类2 2：箔式应变片：箔式应变片5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理膜式应变片采用真空蒸发或真空沉积等方膜式应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1 m以以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。它的优下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，点是应变灵敏系数大，允许电流

18、密度大，工作范围广，可达工作范围广，可达197317。 5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理l按基底不同：纸基、胶基，金属基。l被测量应力场不同：单向应力的应变计、平面应力应变花。5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理电阻应变传感器特点：性能稳定，精度高;灵敏度系数小，测量范围宽;频率响应较好,可用于静态、动态测量;体积重量小，结构简单，价格低, 品种多样,便于选择和大量使用；对环境适应能力强。使用：直接粘在被测试件上；粘在弹性体上，构成各种物理传感器。5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用

19、传感器的变换原理常用传感器的变换原理应用：应用：直接用直接用来测量来测量结构的结构的应变或应变或应力应力 轧机立柱上应变计的布置和接线方式5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理q 将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位位移、压力、加速度等物理参数的传感器移、压力、加速度等物理参数的传感器 5.2.1 电阻应变效应电阻应变效应5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理利用半导体单晶的利用半导体单晶的压阻效应压阻效应使阻值变化。使阻值变化。压阻效应：压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受单晶半导体材料在沿某一轴

20、向受 到外力作用时，其电阻率到外力作用时，其电阻率 发生变化的现象。发生变化的现象。单晶半导体在外力作用下的电阻变化量仍为：单晶半导体在外力作用下的电阻变化量仍为：对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化，远远大于形变引起的电阻变化，远远大于形变引起的电阻变化从而得从而得：ERdRl21ERdRl21ElERdRKl/05 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理半导体硅的灵敏度半导体硅的灵敏度50 50 100100。半导体应变片的灵。半导体应变片的灵敏度比金属丝应变片大敏度比金属丝应变片大 50 70倍。倍。不同材料的半不同材料的半导体、不同载荷施加

21、方向，压阻效应不同，灵敏导体、不同载荷施加方向，压阻效应不同，灵敏度也不同。度也不同。两种类型：两种类型：半导体应变计、固态压阻传感器半导体应变计、固态压阻传感器。固态压阻传感器是在半导体材料基片上用集成电固态压阻传感器是在半导体材料基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，也叫扩散型压阻传感器，路工艺制成的扩散电阻，也叫扩散型压阻传感器，或固态压阻传感器。主要用于测量压力和加速度或固态压阻传感器。主要用于测量压力和加速度等。等。5.2.2 压阻式传感器压阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理p优点优点灵敏度高灵敏度高：有时传感器的输出不需放大有时传感器的输出不需放大可直接用于测

22、量可直接用于测量 ;分辨率高，例如测量压力时，可测出分辨率高，例如测量压力时，可测出1020Pa的微压；的微压； 机械滞后小、横向效应小、体积小、机械滞后小、横向效应小、体积小、频频 响高、响高、 易于集成化易于集成化 。q 缺点：缺点： 温度稳定性能差温度稳定性能差；灵敏度分散度大；大；灵敏度分散度大；大应力作用，非线性误差大；应力作用，非线性误差大； 机械强度低。机械强度低。5.2.2 压阻式传感器压阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理 变阻器式传感器原理变阻器式传感器原理 变阻器式传感器是精密线绕电位器，通过改变阻器式传感器是精密线绕电位器，通过改变电位器触头位置将

23、变电位器触头位置将位移位移转换为转换为电阻变化电阻变化。 其中，其中， ：电阻率；：电阻率； l ：导体长度；：导体长度； A：导体截面积。：导体截面积。 显然，若导体材质和截面积一定，其阻值随导显然，若导体材质和截面积一定，其阻值随导 线长度而线性变化。线长度而线性变化。 AlR导体电阻公式导体电阻公式：（）5.2.3 5.2.3 变阻式传感器变阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理v用途用途：除可以测量线位移或角位移外：除可以测量线位移或角位移外, 还可以还可以测量可以转换为位移的其它物理量参数测量可以转换为位移的其它物理量参数,如压力、如压力、加速度等（电位器式传感器

24、）。加速度等（电位器式传感器）。 v变阻式传感器分类：变阻式传感器分类：按结构形式不同按结构形式不同,可分为可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按其特性曲线不线绕式、薄膜式、光电式等；按其特性曲线不同同,则可分为线性电位器和非线性电位器。则可分为线性电位器和非线性电位器。 5.2.3 变阻式传感器变阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理如图，当改变如图，当改变触点触点C的位置的位置时，时，AC间电阻间电阻值：值： kl：单位长度内的电阻值，材质均匀时为常数。：单位长度内的电阻值，材质均匀时为常数。当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移

25、）成线性关系。移）成线性关系。 传感器灵敏度传感器灵敏度：？：？（ /m）xCxABCRR=klxS=dR/dx= kl5.2.3 变阻式传感器变阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理直线位移型电位器的输出端电压：直线位移型电位器的输出端电压：当负载电阻当负载电阻RL ，相应位移相应位移x的电压输出的电压输出式中式中 KL为电压灵敏度。为电压灵敏度。)1 (LolxRRxlUUxKxlUULo电位器的输出电压电位器传感器负载特性电位器传感器负载特性5.2.3 变阻式传感器变阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理（/rad） kR kddRs ： 角位移；

26、角位移； k ：单位弧度对应：单位弧度对应的电阻值，的电阻值，材质均材质均匀时为常数匀时为常数。传感器灵敏度传感器灵敏度：图为回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角图为回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化，故为角位移型。而变化，故为角位移型。 5.2.3 变阻式传感器变阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理非线性电位器，又称函数电位器非线性电位器，又称函数电位器。是其输出电阻。是其输出电阻与电刷位移与电刷位移(包括线位移或角位移包括线位移或角位移)之间具有之间具有非线非线性函数关系性函数关系的一种电位器。它可以实现指数函数、的一种电位器。它可以实现指数函数、三角函数、对

27、数函数等变换，也可以是其它任意三角函数、对数函数等变换，也可以是其它任意函数。函数。 若输出量为若输出量为 ，电位计的骨架应采用三角电位计的骨架应采用三角形；形； 2)(Kxxf输出量为输出量为 ，电位计的骨架应采用抛物电位计的骨架应采用抛物线型。线型。3)(Kxxf5.2.3 变阻式传感器变阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理 优点优点：(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低且性能稳定；结构简单、尺寸小、重量轻、价格低且性能稳定；(2)受环境因素受环境因素(温度、湿度、电磁场干扰等温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；影响小；(3)可以实现输出可以实现输出输入间任意函数关系

28、；输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需放大。输出信号大，一般不需放大。缺点缺点：（1 1）因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此）因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；需要较大的输入能量；（2 2）由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而）由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较低；且会降低测量精度，分辨力较低；（3 3）动态响应较差，）动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量适合于测量变化较缓慢的量。 变阻式传感器的优缺点变阻式传感器的优缺点5.2.3 变阻式传感器变阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理变阻式传感

29、器变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度常用来测量位移、压力、加速度等参量。等参量。被测位移使测量轴沿被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从产生相同的位移，从而改变电位器的输出而改变电位器的输出电阻。电阻。气缸行程电阻位移传感器(瑞典瑞典REGAL公司）公司）5.2.3 变阻式传感器变阻式传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理 概述概述 电感式传感器将被测量，如位移或能转换成位电感式传感器将被测量，如位移或能转换成位 移的机械量，转换为电感量的变化。其变换的移

30、的机械量，转换为电感量的变化。其变换的 基础是基础是电磁感应原理电磁感应原理。 按照变换方式的不同可分为：按照变换方式的不同可分为：自感型和互感型自感型和互感型。 5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理2002AWL 可变磁阻式传感器属于自感式传感器，其构造可变磁阻式传感器属于自感式传感器，其构造如图，由线圈、铁芯和衔铁组成。在铁芯与衔如图，由线圈、铁芯和衔铁组成。在铁芯与衔铁之间存在气隙铁之间存在气隙 。 记记5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理灵敏度？20022AWLS2002AWL 传感器灵敏度与气隙长度的平方成反比。传感器灵敏度与气隙长度的平方成反比。若固定导磁截

31、面积若固定导磁截面积A0 ，变化，变化 时时5.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理为了减小非线性误差，通常使这种传感器在为了减小非线性误差，通常使这种传感器在较较小间隙范围小间隙范围内工作。内工作。设间隙变化范围为（设间隙变化范围为（ 0， 0+），实际应用），实际应用中，取中，取/ 0 0.1。变气隙长度式传感器适用于。变气隙长度式传感器适用于微小位移微小位移的测量，测量范围：的测量，测量范围：0.0011mm。 20022AWLS5.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理灵敏度？0A 如果将如果将固定，

32、变化空气隙导磁截面积固定，变化空气隙导磁截面积 时，时，自感自感L与与 呈线性关系。呈线性关系。 0A2002AWL 202WALS5.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理 1 1） 可变导磁面积型：线性，灵敏度低可变导磁面积型：线性，灵敏度低2 2）差动型：提高灵敏度，改善线性特性）差动型：提高灵敏度，改善线性特性 5.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理 3 3）单螺管线圈型：结构简单、易制造，灵敏单螺管线圈型：结构简单、易制造，灵敏度低，适于度低，适于较大位移（数毫米）较大位移（数毫米）测量。测量。

33、4 4）双螺管差动型：提高灵敏度，改善线性。双螺管差动型：提高灵敏度，改善线性。5.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理 由互感现象，传感器初级线圈由互感现象，传感器初级线圈W 输入交流电流时，输入交流电流时，次级线圈次级线圈W1产生感应电动势，其大小与初级线圈电流产生感应电动势，其大小与初级线圈电流的变化率成正比。即：的变化率成正比。即：dtdiMe112M为两线圈的互感，其大小与两线圈的相对位置为两线圈的互感，其大小与两线圈的相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关。及周围介质的导磁能力等因素有关。5.3.2 5.3.2 互感型传感器互感型传感器5

34、 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理实际的互感传感器通常采用两个次级线圈，并实际的互感传感器通常采用两个次级线圈，并 接成差动式，故称为差动变压器式传感器。接成差动式，故称为差动变压器式传感器。 5.3.2 5.3.2 互感型传感器互感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5.3.2 5.3.2 互感型传感器互感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理输出是交流，只反映大小，不能反映极性；输出是交流，只反映大小，不能反映极性；输出存在零点残余电压；输出存在零点残余电压；后接电路解决以上问题。后接电路解决以上问题。下图为用于小位移测量的差动相敏检波电路

35、，下图为用于小位移测量的差动相敏检波电路，其中其中R用于调节零点残余电压的大小。用于调节零点残余电压的大小。 5.3.2 5.3.2 互感型传感器互感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5.3.2 5.3.2 互感型传感器互感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理q 特点特点 精度高精度高(0.1 m 数量级，最高可达数量级，最高可达0.01 m )，高，高 精度型非线性误差可达精度型非线性误差可达0.1% 线性范围大线性范围大（可达（可达 100mm） 稳定性好，结构简单，使用方便稳定性好，结构简单，使用方便 因包含机械结构，频率响应较低，因包含机械结构

36、，频率响应较低，不宜测量高不宜测量高频动态参量频动态参量 5.3.2 5.3.2 互感型传感器互感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量5.3.2 5.3.2 互感型传感器互感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理 （三）振动和加速度的测量（三）振动和加速度的测量衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。 （四）液位测量（

37、四）液位测量采用了电感式传感器的沉采用了电感式传感器的沉筒式液位计。筒式液位计。由于液位的变化，沉筒所由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这受浮力也将产生变化，这一变化转变成衔铁的位移，一变化转变成衔铁的位移，从而改变了差动变压器的从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。映了液位的变化值。 5.3.2 5.3.2 互感型传感器互感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理l变换原理：利用金属导体在交流磁场中的涡流效应。l当金属板置于变化着的磁场中时，或者在磁场中运动时，在金属板上产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，所以称为涡

38、流。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度t以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。若固定其他参数，仅仅改变其中某一参数，就可以根据涡流大小测定该参数。l涡流式电感传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。4.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5.3.1 自感型传感器自感型传感器金属板置于线圈附近，相互间距为金属板置于线圈附近，相互间距为 。当线圈中通入高频交变电流当线圈中通入高频交变电流i 时，产时，产生磁通生磁通 ，此交变磁通作用于邻近的，此交变磁通作用于邻近的金属板（由于趋肤效应，仅作用于金金属板（由于趋肤效应，仅作用于金属板表面的

39、薄层内），使金属板产生属板表面的薄层内），使金属板产生“旋涡状旋涡状”的闭合感应电流的闭合感应电流 i1 （称为（称为涡涡电流电流或或涡流涡流）。该电流也产生交变磁）。该电流也产生交变磁通通 1，反作用于线圈，根据楞次定律，反作用于线圈，根据楞次定律，涡流的交变磁场变化方向与线圈磁场涡流的交变磁场变化方向与线圈磁场变化方向相反，变化方向相反， 1总是抵抗总是抵抗 的变化，的变化，从而导致原线圈等效阻抗发生变化。从而导致原线圈等效阻抗发生变化。5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理传感器等效阻抗的变化程度与线圈尺寸、距传感器等效阻抗的变化程度与线圈尺寸、距离离 、金属板电阻率、金属板电

40、阻率 和磁导率和磁导率 、线圈激励电、线圈激励电流流i及其频率及其频率 有关。有关。 通常线圈尺寸、激励电流通常线圈尺寸、激励电流 i 及其频率及其频率 一定，一定，若金属板材料一定，若金属板材料一定，变化变化 可以用来测量位移、可以用来测量位移、振动等参量振动等参量。若。若 一定，一定，变化变化 或或 可实现材质可实现材质鉴别或无损探伤鉴别或无损探伤。 5.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理如图如图W1和和W2分别为发射线圈分别为发射线圈 和接收线圈，两线圈间存在和接收线圈，两线圈间存在 金属板金属板G，低频（音频）交，低频（音频）交 流电流流经

41、流电流流经W1产生交变磁场产生交变磁场 穿过金属板作用于穿过金属板作用于W2，并产，并产 生感应电压生感应电压E2。由于金属板。由于金属板 产生的涡流消耗了一部分磁产生的涡流消耗了一部分磁场能量，从而使场能量，从而使E2有所降低，有所降低，板越厚，板越厚，E2越低。即越低。即E2的大的大小间接反映了金属板的厚度。小间接反映了金属板的厚度。 厚度厚度 h（越大）越大）,涡流（涡流（ ）, e（ ）。 思考：（越大）（越大）（越小越小）510155.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理q 涡流传感器的特点涡流传感器的特点 动态、动态、非接触测量非接触测量

42、 灵敏度高灵敏度高 分辨力高，检测范围：分辨力高，检测范围： 1mm 10mm， 最高分辨力可达最高分辨力可达lm。 结构简单，使用方便，不受油液等介质结构简单，使用方便，不受油液等介质 影响影响 5.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理利用位移x作为变换量，做成测量位移、厚度、振动、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；利用材料电阻率作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器；利用材料导磁率作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；利用变换量，x的综合影响，可以做成探伤装置。 5.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原

43、理常用传感器的变换原理q 涡流传感器的应用涡流传感器的应用 回转轴振动测试回转轴振动测试 回转轴误差测量回转轴误差测量 厚度测量厚度测量 零件计数零件计数 接近开关接近开关 表面裂纹或缺陷检测表面裂纹或缺陷检测 材质判别材质判别 油管油管检测检测5.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理5.3.1 自感型传感器自感型传感器5 5 常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理1.1.压磁效应压磁效应 磁畴、磁化、磁饱和的概念磁畴、磁化、磁饱和的概念 铁磁材料在晶格形成过程中形成了磁畴，铁磁材料在晶格形成过程中形成了磁畴，各个磁畴的磁化强度矢量是随机的。各个磁畴的磁化强度矢量是随机的。 在没有外磁场作用时，各个磁畴互相均衡，在没有外磁场作用时，各个磁畴互相均衡，材料总的磁场强度为零。材料总的磁场强度为零。 当有外磁场作用时，磁畴的磁化强度矢量当有外磁场作用时，磁畴的磁化强度矢量向外磁场方向转动，材料呈现磁化。向外磁场方向