第二章常用传感器2课件

第二章常用传感器2.3电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量（如位移）转化为电感量变化的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型2.3电感式传感器1自感型--可变磁阻式原理:铁芯线圈电路中，线圈自感量L为i磁通量磁通势=电流*线圈匝数磁路磁阻所以又由于，空气磁导率空气隙导磁横截面气隙长度2.3电感式传感器可变磁阻式a)可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动当导磁截面不变，L与δ成非线性关系，此时灵敏度δ越小，灵敏度越高。为减小线性误差，常规定在较小间隙范围内工作。适用于较小位移的测量，一般约为0.001~1mm.2.3电感式传感器双螺管线圈差动型传感器及测量电路~交流电桥2.3电感式传感器2涡流式原理:金属体在可变磁场中的涡流效应原线圈的等效阻抗Z变化：2.3电感式传感器优点：结构简单，使用方便，不受油污、介质影响。应用：位移、振动的测量，测厚，材质判别案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：2.3电感式传感器案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测2.3电感式传感器案例：测厚案例：零件计数2.3电感式传感器2互感型--差动变压器工作原理:互感现象.当线圈W1输入交流电流时，线圈2产生感应电动势，其大小与电流i1的变化率成正比

M，比例系数，称为互感（H），其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的耦合程度。其实质是一个变压器，当初级线圈接入稳定交流电，被测参数使互感M变化时，次级输出电压随着变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称为差动变压器式传感器。2.3电感式传感器螺线管形差动变压器WW1W22.3电感式传感器测量电路2.3电感式传感器应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：板的厚度测量~案例：张力测量第二章常用传感器2.4电容式传感器1.变换原理:

将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++A

当被测量δ、A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电容量的变化。（实质上是一个具有可变参数的电容器）真空中介电常数介质的相对介电常数2分类

2.4电容式传感器

a)极距变化型;+++传感器灵敏度与极距平方成反比，即传感器灵敏度随极距而变化，这将带来线性误差。因此，通常规定在较小的间隙变化范围内工作，以便获得近似线性关系。一般取极距变化范围约为0.1极距变化型电容传感器的优点是可进行动态非接触式测量，对被测系统的影响小；灵敏度高，适用于较小位移（0。01微米至数百微米）的测量。缺点是有线性误差，传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂。由于这些缺点，其使用范围受到限制。2.4电容式传感器

b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++如右图，两极板的覆盖面积所以电容量灵敏度为常数输入与输出成线性关系这是它的优点，但与极距变化型相比，灵敏度低，适用于较大位移的测量2.4电容式传感器

c)介质变化型这是一种利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。可用来测量电介质的液位或某些材料的厚度等，也可用来测量空气的湿度。测纸张、电影胶片等的通过垂直放入液体中，可测量浸入的液面高度3测量电路2.4电容式传感器

a)电桥电路

b)谐振电路

将电容传感器作为电桥的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出。通常采用电阻、电容或电感组成的交流电桥当传感器电容发生变化时，谐振回路的阻抗发生相应变化，并被转换成电压或电流输出，经放大、检波可得到输出2.4电容式传感器

c)调频电路d)运算放大器电路传感器电容是振荡器谐振回路的一部分，当电容变化时，振荡器的频率发生变化，经过鉴频可变为电压的变化。这种电路具有抗干扰性强、灵敏度高等优点，可测0.01微米的位移。但缺点是电缆电容的影响较大，使用中有些麻烦。极距变化型电容传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传感器的应用受到一定限制。采用比例运算放大器可得到输出与位移之间的线性关系4应用2.4电容式传感器

案例：电容传声器

案例:液面高度测量第二章常用传感器2.5压电式传感器1.变换原理:

压电效应某些物质（如石英）当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷，形成电场；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。

相反，如果将这些物质置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由于外电场的作用导致物质的机械变形称为逆压电效应，或称为电致伸缩。q=dcF第二章常用传感器2.压电材料压电材料大致有三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜F+q=dcF代表性的如石英晶体，稳定性好，但压电常数不高电荷量压电常数作用力压电常数比石英高数百倍，应用最广高分子压电薄膜的压电特性并不太好，但它可以大量生产，具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人触觉第二章常用传感器在压电晶片的两个工作面进行金属蒸镀，引出电极，就成了压电传感器因此压电传感器可以看成是电荷发生器，或电容器第二章常用传感器3.等效电路

当压电传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容和后续电路的输入阻抗就形成传感器的负载。此时有以下电荷平衡关系当输入力为正弦力时，输出电荷亦为正弦变化量，即可容易求出（稳态）电压为第二章常用传感器在测试动态量时，为了建立一定的输出电压并为了不失真地测量，压电式传感器的后续测量电路必须有高输入阻抗交在输入端并联一定的电容以加大时间常数。但并联电容过大也会使输出电压降低过多，降低了测量装置的灵敏度。++串联并联压电晶片的串并联在不同的场合可以提高测量的灵敏度。

并联时电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号；

串联时，电容小，输出电压大，适用于以电压作为输出信号。2.5压电式传感器

4测量电路

压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。

压电式传感器的测量放大电路通常有两种形式，其一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出）成正比。由上页公式可以看出，由于电压与电容有关，而电容C中的最大成份是电缆对地的分布电容，因此整个测量系统对分布电容的变化非常敏感，连接电缆的长度和形态变化，都会导致传感器输出电压的变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化。

其二是电容反馈的电荷放大器。

2.5压电式传感器

考虑到运放的开环增益A非常大，可得到以下关系：

可见，此时输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆对地电容无关。因此采用电荷放大镜时，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化。

5应用b)压力变送器2.5压电式传感器

a)加速度计，力传感器

2.5压电式传感器

案例：飞机模态分析第二章常用传感器2.6磁电式传感器1.工作原理及分类:

磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N2动圈式传感器2.6磁电式传感器

匝数

磁感应强度

线圈有效长度

相对运动速度

结构系数

单匝线圈截面

3磁阻式传感器2.6磁电式传感器

线圈与铁芯不作相对运动，由运动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻5应用b)测速电机a)磁电式车速传感器2.6磁电式传感器

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