北航传感器原理19

传感器技术及应用——几种典型的模拟式传感器(八)李成2013.06.04

思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)1.环境温度变化会对传感器特性产生一定影响，请举例说明在温度测量过程中也会受到环境温度影响的实例，并说明这样的实例如何减少温度误差？课程回顾：回答要点：（1）如热电偶温度传感器。（2）主要是进行冷端补偿，可以采用保持冷端0℃，实测冷端温度，利用热电偶的分度表进行补偿。4.1概述4.2电位器式传感器4.3应变式传感器4.4压阻式传感器4.5热电式传感器4.6电容式传感器4.7变磁路传感器4.8压电式传感器第4讲：几种典型的模拟式传感器思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)1.知识点：

敏感参数——电容变化机理——差动检测——优缺点——原理结构示意图/传感器框图课程回顾：电容式压力传感器电容式加速度传感器4.6.5典型的电容式传感器电容式压力传感器——结构4.6.5典型的电容式传感器——

敏感结构与工作机理电容式压力传感器4.6.5典型的电容式传感器——

特性方程电容式压力传感器4.6.5典型的电容式传感器——

测量误差

非线性特性的影响

边缘特性的影响电容式压力传感器4.6.5典型的电容式传感器4.6.5典型的电容式传感器电容式压力传感器电容式加速度传感器11差动电容式测厚传感器4.6.5典型的电容式传感器

电容式液位计

电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。(1)安装形式

电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而有差别 右图为用来测量导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。1-内电极；2-绝缘套右图为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。

1、2-内、外电极；

3-绝缘套；4-流通孔。以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其它特殊安装形式，如大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；针对某一具体被测对象，单一电容灵敏度太低，如何改进结构以提高电容灵敏度？解答：在测极低温度下的液态气体时，一个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。测定电极安装在金属储罐的顶部，储罐的罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。Dd检测电路测定电极储罐ε0ε1h4.6.5典型的电容式传感器差容式料位和液位传感器石油化工领域！——

应用特点电容式压力传感器4.6.5典型的电容式传感器温度变化对结构稳定性的影响漏电阻的影响绝缘问题寄生电容的影响防止和减小外界干扰4.6.5电容式传感器的结构及抗干扰问题4.6.1基本电容式敏感元件4.6.2电容式敏感元件的主要特性4.6.3电容式变换元件的信号转换电路4.6.4典型的电容式传感器4.6.5电容式传感器的结构及抗干扰问题4.6电容式传感器(小结)交流变换元件差动的实现方式作业：P220，8.1-8.3，8.17-8.19

预习——第9章变磁路式传感器4.1概述4.2电位器式传感器4.3应变式传感器4.4压阻式传感器4.5热电式传感器4.6电容式传感器4.7变磁路传感器4.8压电式传感器第4讲：几种典型的模拟式传感器4.7.1电感式变换原理4.7.2差动变压器式变换元件4.7.3电涡流式变换原理4.7.4霍尔效应及元件4.7.5典型的变磁路式传感器4.7变磁路式传感器简单电感式原理差动电感式变换元件4.7.1电感式变换原理变换元件简单电感式原理4.7.1电感式变换原理电感式变换元件的特性简单电感式原理4.7.1电感式变换原理差动电感式变换元件4.7.1电感式变换原理差动电感式变换元件4.7.1电感式变换原理各种差动变压器的结构示意图4.7.2差动变压器式变换元件磁路分析电路分析4.7.2差动变压器式变换元件通过磁路分析磁路分析4.7.2差动变压器式变换元件通过电路分析4.7.2差动变压器式变换元件磁路分析电路分析电涡流效应等效电路特性分析信号转换电路4.7.3电涡流式变换原理电涡流效应4.7.3电涡流式变换原理

当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大。感抗XL的变化比R的变化大得多，流过电涡流线圈的电流i1增大。电涡流效应4.7.3电涡流式变换原理电涡流效应4.7.3电涡流式变换原理等效电路4.7.3电涡流式变换原理把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R1、电感为L1。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距x的减小而增大。MRL1LR1特性分析4.7.3电涡流式变换原理电涡流在金属导体内的渗透深度为:说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。特性分析4.7.3电涡流式变换原理

高频(>lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i及角频率ω等有关，若只改变距离δ而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

—高频反射式电涡流传感器特性分析4.7.3电涡流式变换原理—高频反射式电涡流传感器特性分析4.7.3电涡流式变换原理—低频透射式电涡流传感器特性分析4.7.3电涡流式变换原理—低频透射式电涡流传感器感应电压e2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关.试验表明e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，一般激励频率为1kHz左右。测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量电阻率ρ较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量ρ较大的材料时，应选用较高的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。信号转换电路4.7.3电涡流式变换原理电涡流传感器转换电路的作用就是将Z、L转换为电压或电流的变化。阻抗Z的转换电路一般用电桥，电感L的转换电路一般用谐振电路，又可以分为调幅法和调频法两种。1.交流电桥将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图中L1

、L2是两个差动传感器线圈，它们与电容C1

、C2的并联阻抗Z1

、Z2作为电桥的两个桥臂.信号转换电路4.7.3电涡流式变换原理2.调幅式电路涡流传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，由恒流源石英晶体振荡器供电。没有被测物体时，并联谐振回路的谐振频率等于激励振荡器的频率f0，此时LC并联回路呈现阻抗最大。谐振回路上输出电压U0为：U0=I0·Z

典型应用4.7.3电涡流式变换原理转速测量计数测厚度探伤测振动测温测位移霍尔效应霍尔元件4.7.4霍尔效应及元件霍尔效应4.7.4霍尔效应及元件当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。霍尔效应4.7.4霍尔效应及元件

半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。

磁感应强度B为零时的情况霍尔效应4.7.4霍尔效应及元件

作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：

EH=KHIB磁感应强度B较大时的情况或引入霍尔元件的灵敏度霍尔电势电流方向电子运动方向(电子)霍尔效应霍尔元件4.7.4霍尔效应及元件Q：霍尔电势与什么有关？霍尔元件一般用N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成霍尔效应霍尔元件4.7.4霍尔效应及元件

线性型三端霍尔集成电路

在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁霍尔元件的应用4.7.4霍尔效应及元件

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔霍尔元件的应用4.7.4霍尔效应及元件铁心线性霍尔ICII霍尔元件的应用4.7.4霍尔效应及元件被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A霍尔元件的应用4.7.4霍尔效应及元件钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过70.9A霍尔元件的应用4.7.4霍尔效应及元件1变磁阻式加速度传感器2霍尔式振动位移传感器3电涡流式振动位移传感器及其应用4电磁式振动位移传感器及其应用5差动电感式压力传感器6力平衡伺服式加速度传感器7磁电式涡轮流量传感器8磁栅式位移传感器9感应同步器式位移传感器4.7.5典型的变磁路式传感器1变磁阻式加速度传感器4.7.5典型的变磁路式传感器振幅和振动频率2霍尔式振动位移传感器4.7.5典型的变磁路式传感器3电涡流式振动位移传感器及其应用4.7.5典型的变磁路式传感器1变磁阻式加速度传感器2霍尔式振动位移传感器3电涡流式振动位移传感器及其应用4电磁式振动位移传感器及其应用5差动电感式压力