第2章 基本电量传感器

第2章

基本电量传感器知识目标：

1、掌握电位器式传感器的原理、分类及用途；

2、掌握电感式传感器的原理、分类及用途；

3、掌握电容式传感器的原理、分类及用途；

4、熟练掌握电涡流传感器的无损探伤原理及应用。能力目标：

1、培养分析问题和应用知识的能力；

2、培养利用传感器技术解决实际问题的能力。在传感器领域中，应用广泛和技术比较成熟的是电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器和电涡流式传感器。它们以在机械力或磁场力的作用下产生的位移为基础，通过弹性元件或构件本身的变换，可构成力、压力、加速度、转矩、液位、流量等传感器，基本上属于电量传感器。这类传感器又属于无源型传感器或称能量控制型传感器，必须经转换电路才能输出电量，而且都可以用电桥电路或谐振电路来转换。

§2.1电位器式位移传感器

电位器式传感器主要用来测量位移，通过对电阻值的测量达到对非电量测量的目的。电位器式传感器分为线绕式和非线绕式，主要用于非电量变化较大的测量场合。本章主要内容§

2.1电位器式位移传感器§

2.2电感式传感器§2.3电容式传感器2.1.1电位器式位移传感器结构和基本原理

线绕电位器式传感器的核心是线绕电位器,主要由触点机构和电阻器两部分组成。图2-1是常用电位器式传感器的结构原理图。基本原理：当电源电压Ui确定以后，由于电刷沿着电阻器移动x，输出电压U。就产生相应变化，并有

U。=f(x)(2-1)

这样，电位器就将输入的位移量x转换成相应的电压U。输出。图2-1线绕电位器式传感器示意图1-电阻丝；2-骨架；3-滑臂

对图2-1(a)示线性位移传感器，设xmax是其总长度，总电阻为Rmax，加在A、B之间的电压为Umax当电刷行程为x时，对应于电刷移动量x的电阻值为Rx，则有图2-1线绕电位器式传感器示意图1-电阻丝；2-骨架；3-滑臂同理对图2-1(b)角度式，有图2-2线性绕线电位器示意图根据上图计算知则电阻灵敏度为同理，电压灵敏度为式中：ρ为电阻率(Ωm)；S为导线截面积(m2)；n为总匝数；h、b为骨架的高和宽(m)；t为绕线节距(m)；I为电流(A).2.1.2电位器式位移传感器的噪声与结构电位器式位移传感器主要由骨架、电阻丝和电刷（活动触点）等组成。对其使用基本要求是：噪声和非线性小，灵敏度高，稳定性好。2.1.3非线绕电位器式位移传感器非线绕式电位器又叫函数电位器，主要有：合成膜、金属膜、导电塑料和光电电位器。2.1.4电位器式位移传感器的应用电位器式位移传感器常用来测量几毫米到几十米的位移和几度到360度的角度。

§

2.1电感式传感器电感式传感器利用磁场变化引起自感量或互感量的变化，把非电量转换为电量，是把被测量转化为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。

2.2.1自感式位移传感器

自感式传感器是把被测量变化转换成线圈自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。1.自感式位移传感器基本原理

自感式传感器主要有三种类型：变气隙型、变面积型和螺管插铁型。它们的基本结构包括线圈、铁芯和活动衔铁等三部分，如图2-5所示。图2-5自感式传感器原理图

1-线圈；2-铁芯；3-衔铁图2-5自感式传感器原理图

1-线圈；2-铁芯；3-衔铁对图2-5(a)、(b)，因气隙较小，故磁路封闭，忽略磁路铁损，则自感为式中：W为线圈匝数；li为各段导磁体长度(m)；μi为各段导磁体磁导率(H/m)；δ为空气间隙厚度(m)；μ0为真空磁导率；S为气隙磁通的截面积(m2)当铁芯的结构和材料确定之后，自感L为气隙厚度和气隙磁通截面积的函数。于是，保持其中一个不变，就可得到变气隙和变截面型自感传感器。2.变气隙式自感式传感器的主要特征灵敏度K0为式中：δ0为初始气隙。由上式可见，变气隙式自感传感器测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此只适用于测量微小位移场合。变气隙型结构的电感传感器的灵敏度高，但其灵敏度随气隙的增大而减小，非线性误差大。自感L与气隙长度δ非线性关系3.变面积式自感式传感器的主要特征自感L与磁通截面积S的线性关系灵敏度K0为式中：lδ为气隙总长度(m)。变面积型自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出成线性关系，因此可以得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低，但其灵敏度为一常数，线性度好，量程较大。4.螺线管式自感式传感器的主要特征

当螺管结构固定后，电感量与位移量有线性关系。此传感器量程大、灵敏度低、结构简单，存在理论线性而实际非线性的特点。

2.2.2差动式自感传感器差动式自感传感器是将有公共衔铁的两个相同自感传感器结合在一起的一种传感器。1.基本原理图2-7差动变隙式电感传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁

图2-7是差动变气隙式电感传感器的原理结构图。由图可知，差动变隙式电感传感器是由两个完全相同的电感线圈合用一个衔铁和相应D磁路组成。测量时，衔铁与被测体相连，当被测体上下移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。使用时，两个电感线圈接在交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂接有电阻。2.差动式自感式传感器的主要特征(a)差动式比单线圈式的灵敏度高一倍；(b)差动式比单线圈式线性度明显改善。图2-9差动变压器原理图

2.2.3互感式电感传感器互感式电感传感器又称为变压器式传感器，是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。因此又称为变压器式传感器，它与自感式传感器的不同之处在于互感式传感器是先把被测非电量的变化转化成线圈相互的互感量的变化，然后再经过变换，成为电压信号输出。变压器式传感器以差动形式最常用，又简称为差动变压器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。可以实现非接触测量。1.互感式电感传感器的基本原理图2-9差动变压器原理图

如图2-9所示为差动变压器的接线原理图。当一次线圈加以适当频率的电压激励时，根据变压器的作用原理，在两个二次线圈中会产生感应电动势和。当铁芯向右移动时，在右边二次线圈内所穿过磁通比左边二次线圈多些，所以互感也大些，感应电动势增加；另一个线圈的感应电动势随铁芯向右偏离中心位置而逐渐减小，并减小到接近空心状态时的电动势。两个线圈的输出电压分别为

和，如果输出接成反向串联，如图2-9所示．则此传感器的输出电压。因为两个二次线圈做得一样，因此当铁芯在中央位置时，,当铁芯移动时，就随铁芯位移x成线性增加。若以适当的方法测，就可以得到与x成比例的线性读数.

当衔铁处于中心位置时，差动变压器的输出电压并不等于零．我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不一致。在实际使用时，应设法减少零点残余电压。否则将会影响传感器的测量结果图2-9差动变压器原理图2.差动变压器式传感器主要特性

(1)灵敏度差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以V／m表示。差动变压器的灵敏度Ke与激励电压频率f和激励电压U1的关系如图2-12、2-13所示。图2-12Ke与f关系曲线图2-13Ke与U1关系曲线影响差动变压器灵敏度Ke的主要因素有：（a）激励频率：增加频率，

Ke先↗后↘；（b）输入激励电压：增加电压，Ke

↗

；（c）线圈品质因素：提高线圈品质因数，

Ke

↗

；（d）衔铁和导磁外壳：增大衔铁直径，选择导磁性能好、铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳，Ke

↗

。

(2)线性度在分析计算中，把传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围(满量程)，并用百分数来表示，这就是它的线性度。影响差动变压器线性度的因素有：骨架形状和尺寸的精确性、线圈的排列、铁芯的尺寸和材质、激励频率和负载状态等。

零点残余电压的存在使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。因此，零点残余电压是评定差动变压器传感器性能的主要指标之一，必须设法减少和消除。(3)零点残余电压

2.2.4电涡流式传感器

成块的金属置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内都会产生感应电动势，形成电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，呈类似图2-15(a)所示的水涡形状，故称之为电涡流。电涡流传感器常用材料是金属。电涡流传感器属于电感式传感器，可以用于无损测量。图2-15涡流产生与等效电路图

以图2-16所示CZF1型涡流传感器为例说明。它是一只固定在框架上的扁平线圈。当没有测量体接近时，传感器的线圈由于高频电流的激励，将产生一高频交变磁场。当被测导电体靠近传感器时，根据电磁感应定律，在被测导电体的表面附近就产生了与交变磁场相交链的电涡流，从而引起传感器等效阻抗Z发生变化。

1．电涡流式传感器基本结构原理图2-16CZF1型涡流传感器结构1-线圈；2-框架；3-框架衬套；4-支架；5-电缆；6-插头其与被测体材料的电阻率ρ、磁导率μ、激励频率f及测试距离x有关，函数关系为Z=f(ρ,x,f,μ)。当当电源频率f以及另外两个参量恒定时，则第四参量将与阻抗Z呈单值函数。因此，当x变化时，导致Z发生变化，通过测量电路，可将Z的变化转化为电压U的变化，这样就达到了把位移(振幅)转换为电量的目的。

2．电涡流式传感器主要特性

（1）输出电压与位移在某范围内呈线性关系；（2）灵敏度与线圈形状和大小有关。

2.2.5电感式传感器典型应用

电感式传感器除可以直接测位移量外，还可以测量与位移有关的任何机械量，如力、力矩、压力、压差、振动、加速度、应变、液位等。下面介绍它们在位移测量中的几种常见应用。

1．自感式位移传感器（如图2-18）图2-18螺管式差动自感传感器1-导线；2-磁芯；3-衔铁；4-线圈；5-弹簧；6-放转销；7-导轨；8-测杆；9-密封套；10-可换测端

2．差动变压器式微小位移测量传感器（如图2-19）图2-19LVDT传感器外型示意图1-电缆；2-线夹；3-壳体；4-导轨；5-测杆；6-测头

3．电涡流传感器

具有无接触测量的特点，可可以无接触测位移（图2-21)、振幅（图2-23）、板材厚度（图2-24）和无损探伤。主轴径向振动叶片振幅多传感器尤其值得一提的是电涡流传感器的无损探伤应用。它可以用来检测金属的表面裂纹、热处理裂纹以及焊接部位探伤等。其原理是：保持传感器与被测体距离不变，当存在裂纹时将会引起金属的电阻率、磁导率的变化，在裂纹也就有位移值的变化，这三种参数的变换导致传感器参数变化，通过测量这种变化就可实现探伤的目的。

§

2.3电容式传感器电容式传感器是一种将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。它结构简单、体积小、分辨力高，具有平均效应，测量精度高，可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，广泛应用于压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等方面的测量。2.3.1电容式传感器的基本结构原理

常用的电容式传感器的结构形式有变面积型、变极距型、变介电常数型，如图2-25所示。图2-25电容式传感器结构形式电容式传感器的工作原理：

上式表明，当被测量d、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。

电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容由两个金属平行板组成，并且以空气为介质，如图2-26所示。

在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为:图2-26变极距型电容传感器1-上电极；2-下电极变间距传感器可以用来测量微米数量级的位移，而改变面积的传感器只适用于测量厘米数量级的位移，所以前者灵敏度高。变面积式电容传感器的原理是动片转过了某一角度，从而与固定极板间的正对面积变小，引起电容变化（图2-25b）。面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。变介电常数式电容传感器的原理是不同介质的介电常数不同。在两电极板之间加入空气以外的其他介质，它们之间的介电常数会发生变化，从而引起电容量的变化（图2-25c）。这种传感器大多用于测量电介质的厚度(附加图1a)、位移(附加图1b)、液位(附加图1c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(附加图1d)等。附加图1变介质常数型电容传感器2.3.2电容传感器的等效电路

电容传感器的等效电路如图1-5所示。当考虑传感器的外部环境等因素时，电容式传感器就不是纯电容，它存在引线电阻、分布电容和极间等效损耗电阻Rp。式中：Ce为传感器的等效电容，单位为F;ω为电源角频率，单位为弧度/秒。等效灵敏度系数Ke为图2-27电容传感器的等效电路在忽略R和Rp的前提下，传感器等效电容Ce可以表示如下：2.3.3电容式传感器的测量电路

电容式传感器的测量电路很多．主要有调频电路、运算放大电路、谐振电路、电桥电路（如一般交流电桥电路、紧耦合电桥电路、变压器电桥电路、二极管双T交流电桥电路）、脉冲电路以及脉冲调宽电路。

1．调频电路

调频电路将电容传感器作为振荡器的谐振回路的一部分，当输入非电量变化导致电容传感器的电容发牛变化时．就使振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化在鉴频器中变换为振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或者用记录仪器记录下来。两类调频电路如图2-28所示。图2-28调频电路框图2.运算放大器图2-29为运算放大电路原理图。Cx为传感器电容，它直接跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之问；C为固定电容；∑为虚地。由于运算放大器的输入阻抗很大，故输入端视为虚断，可视为理想运算放大器。其输出端输出一个与Cx成反比的电压Uo，即对于变极距式电容传感器，当极距由d变化为d-△d时，其输出特性是非线性的，经过运算放大器后，其输出特性为式中：K为压电灵敏度由上式可以看出，输出电压与被测位移是线性关系。因此，运算放大器电路的最大特点是能使变极距式电容传感器的非线性输出变为线性输出。图2-29运算放大电路3．交流电桥

将电容式传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂

(另一个臂为固定电容

)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥（图2-30a）具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压器式电桥（图2-30b）使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。电桥输出电压与被测量成正比。

图2-30交流电桥电容电桥的主要特点有:

①高频交流正弦波供电；

②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳、频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求准确度高的场合应采用自动平衡电桥；

④输出阻抗很高

(一般达几兆欧至几十兆欧

),输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。

2.3.4电容式传感器的优缺点分析优点：

(1)需要的动作能量低。

(2)可以获得较大的相对变化量。

(3)能在恶劣的环境下工作。

(4)本身发热影响小。

(5)动态响应快。图2-31电容式振动位移传感器应用示意图1-电容传感器；2-被测振动物；3-被测轴缺点：

(1)输出特性为非线性。

(2)泄漏电容的影响。2.3.5电容式传感器的应用举例1．电容式振动位移传感器图2-31所示为电容式振动位移传感器应用示意图，其中传感器的一极是被测物体表面，这种传感器不仅可以测量振动的位移，而且可以测量转轴的回转精度和轴心的动态偏摆。图2-32所示是电荷平衡式位移传感器结构示意图。这个系统安装在测头中，其主要原理是：一块接地的导电圆屏蔽板1在两块静止不动的同轴圆筒电极间移动，理论上，测量电容CM与屏蔽板的位置成正比。参考电容CR与可变测量电容具有公共电极。工作时，等幅方波电压VR加在CM的外层电极上，一个幅值变化且与VR的反相的电压VM加在参考极上，VM幅值由反馈系统自动调整，以保证公共电机4的信号为零，即公共电极上的电荷为零。于是

2．电荷平衡式位移传感器图2-32电荷平衡式电容式位移传感器1-屏蔽板；2-测量电容器；3-参考电容器；4-公用电极；5-前置放大器可见，可变电压VM与侧头的位置成比例，用模数转换器可将电压量变成数字量显示出来。本章小结

1．电位器传感器的种类及用途；

2、电感式传感器原理及用途；

3．电容式传感器的种类、特点及用途；知识点：

1．电位器式传感器电阻灵敏度、电压灵敏度的计算公式；

2．电涡流式传感器的无损探伤原理；

3．变间隙电容式传感器的原理；

4．三种电量传感器可以测量的量（具体见下表）。重点内容：基本电量传感器（无源型）的比较表名称基本原理基本分类测量方式可测量量电阻式（主指电位器式）接触电阻发生变化电位器式应变式接触式力、位移、形变、速度、加速度、温度电感式电磁感应定律自感式互感式差动式电涡流式非接触式位移、振动、力、速度、加速度、扭矩、流量电容式电容计算公式变极距式变面积式变介电常数式非接触式压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量课堂练习1.按能量变换关系划分，电感式传感器属于（）

A．发电型Ｂ．有源型Ｃ．能量变换型Ｄ．能量控制型2.对于电容式传感器，按能量变换关系，它属于（）

A．发电型Ｂ．有源型Ｃ．能量变换型Ｄ．能量控制型3.以下属于无源型传感器是（）

A．发电型Ｂ．热电偶Ｃ．气敏传感器Ｄ．电阻式传感器4.下列不能实现非接触测量的是（）

A．电阻传感器Ｂ．电感传感器Ｃ．电容传感器Ｄ．色彩传感器5.自感式位移传感器主要分为变间隙型、螺管插铁型和（）

A．变面积型Ｂ．变长度型Ｃ．变组成型Ｄ．变温度型6.差动变压器的零点残余电压太大时会使其灵敏度（）

A．较大增加Ｂ．不变Ｃ．下降Ｄ．略有增加7.按传感器的能量变换关系分类，电感式传感器属于（）

A．发电型Ｂ．有源型Ｃ．能量变换型Ｄ．能量控制型8.以下不属于电容式传感器测量电路的是（）

A．调频电路Ｂ．放大器Ｃ．交流电桥Ｄ．脉冲电路9.在以下类型的传感器中，存在零点残余电压的是（）

A．电阻式Ｂ．差动变压器Ｃ．磁电式Ｄ．电容式10.电涡流传感器常用的材料为（）

A．玻璃Ｂ．陶瓷Ｃ．高分子Ｄ．金属11.电阻式传感器是一种基本电量传感器，其非电量与电量转换是通过测量（）

A．电流值Ｂ．电压值Ｃ．电感值Ｄ．电阻值12.互感式电感传感器又称为（）

A．压电式Ｂ．力敏式Ｃ．变压器式Ｄ．磁敏式13.在三种基本电量传感器中，不能实现非接触测量的是（）

A．电阻式Ｂ．电感式Ｃ．电容式Ｄ．电压式14.线绕电位器式传感器的核心是（）

A．触点结构Ｂ．电刷Ｃ．线绕电位器Ｄ．骨架15.将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器称为（）

A．电容式Ｂ．差动式Ｃ．智能式Ｄ．电感式16.互感式电感传感器又称为（）

A．电流式传感器Ｂ．变压器式传感器Ｃ．差动传感器Ｄ．涡流传感器17.电位器式电阻传感器和应变片式电阻传感器相比，后者的灵敏度（）

A．低Ｂ．与前者相等Ｃ．高Ｄ．无法确定18.下列参量一般情况下不能用电感式传感器转换为电量的是（）

A．光学量Ｂ．位移量Ｃ．流量Ｄ．速度19.电涡流式传感器可以进行无接触测量和探伤。）20.变压器式传感器可以进行无接触测量。21.电涡流式传感器不可以进行无接触测量。22.电容式传感器可以对位移、加速度、压力等进行测量。23.电容式传感器不可实现非接触测量。24.电涡流式传感器可以进行无接触测量位移、振幅、板材厚度等参量。25.电涡流式传感器属于电容式传感器，可以用于无损探伤。26.在传感器领域，应用比较广泛的基本电量传感器有电阻式传感器、

式传感器、电感式传感器和电涡流式传感器。27.电感式传感器以电和磁为媒介，利用磁场变换引起线圈的

或者互感量的变化，把非电量转换为电量的装置。28.基本电量传感器需要经

将非电量转换成电量。29.涡流传感器可以

测量金属板厚度和非金属板的镀层厚度。30.常用的基本电量传感器包括

、电感式和电容式传感器。31.差动变压器属于互感式电感传感器，它分为

、变面积式和螺线管式等。32.零点残余电压的存在限制着差动变压器传感器

的提高。33.差动变压器灵敏度34.电位器式位移传感器的基本原理是什么？电位器式位移传感器主要由（触点结构）和（电阻器）两部分组成。当电位器两端的电压确定后，由于电刷沿着电阻器移动x，输出电压Uo就产生相应变化，并有Uo=f(x)，这样电位器就将输入的位移量x转换成相应的电压Uo输出。

35.电涡流传感器能进行无损探伤的原理是什么？电涡流式传感器无损探伤的原理是：使传感器与被测体（距离不变），如有裂纹出现，将引起金属的电阻率、磁导率的变化。在裂纹处也可以说有（位移值）的变化。这些综合参数的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可以达到探伤的目的.36.简述电感式传感器的原理及用途。（电感式）传感器是以电和磁为媒介，利用磁场变换引起线圈的（自感量）或互感量的变化，把非电量转换为电