04-《传感器原理与应用》项目四

传感器原理与应用目录项目一

传感器的基础项目二

电阻式传感器项目三

电容式传感器项目四

电感式传感器项目五

磁电式传感器项目六热电式传感器项目七光电式传感器项目八声波式和辐射式传感器项目九其他传感器项目十传感器综合应用电感式传感器项目四客舱安全管理与应急处置签到扫码下载文旌课堂APP扫码签到（202X.X.XXXX:00至202X.X.XXXX:10）签到方式教师通过“文旌课堂APP”生成签到二维码，并设置签到时间，学生通过“文旌课堂APP”扫描“签到二维码”进行签到。。电感式传感器具有结构简单、工作可靠、灵敏度高、精度高、线性好、性能稳定等优点，主要用来测量位移、振动、压力、压变等参数。本项目主要介绍自感式传感器、差动变压器式传感器和电涡流式传感器三种电感式传感器。项目导读项目导读第5页学习目标知识目标能够测试自感式传感器的性能能够测试差动变压器式传感器的性能能够测试电涡流式传感器的性能技能目标弘扬追求突破、追求革新的创新精神树立科技成才、技能报国的人生理想践行团结协作、顾全大局的团队精神素质目标了解自感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器的结构理解自感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器的工作原理掌握自感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器的测量电路了解自感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器的应用第6页目录任务一认识自感式传感器任务二认识差动变压器式传感器任务三认识电涡流式传感器任务一认识自感式传感器学习目标任务工单本任务要求学生正确认识自感式传感器，掌握自感式传感器的结构、工作原理及应用。第9页任务引入思考：磁轴承用自感式位移传感器是自感式传感器的具体应用之一。那么，什么是自感式传感器？它的工作原理是什么？第10页任务实施——测试自感式传感器的性能1．实施目的（1）了解自感式传感器的基本结构。（2）掌握自感式传感器的工作原理。2．实施器材自感式传感器，自感式传感器实验模板，差动放大器板，直流稳压电源，数字电压表，位移台架。第11页任务实施——制作与调试电容触摸按键3．实施步骤将学生以3～5人为一组进行分组。各组按照以下步骤进行自感式传感器的性能测试。（1）固定好位移台架，将自感式传感器置于位移台架上。（2）对差动放大器进行调零。（3）根据自感式传感器实验电路完成连接。（4）接通电源，调节Rp1、Rp2、测微器、差动放大器第12页任务实施——制作与调试电容触摸按键3．实施步骤（5）分别上旋和下旋测微器，每次旋转0.5mm，上下各旋转2.5mm，将各位移量x所对应的输出电压U0记入表中。x/mm-2.5

-2

-1.5

-1-0.5

00.511.522.5U0/V

第13页任务实施——制作与调试电容触摸按键4．任务评价评价项目评价标准满分实际得分教师评语技能操作正确认识自感式传感器20

正确连接电路20

正确调试电路20

正确测试输出电压20参与程度认真参加活动，积极思考，主动与同学、指导教师进行交流，善于发现和解决问题10

职业素养具有团队协作精神和责任意识，具有一定的创新思维10

总分100

个人总结

第14页相关知识一、敏感元件自感式传感器是利用自感器将被测量的变化转换为自感系数L的变化，并通过测量电路将自感系数L的变化转换成电压或电流输出的装置。自感器作为自感式传感器的敏感元件，是自感式传感器的核心部件。第15页相关知识一、敏感元件1．自感器的结构自感器一般由线圈、衔铁和铁芯组成，如图所示。第16页相关知识一、敏感元件2．工作原理线圈自感系数L等于线圈的磁通量与产生磁通量的电流之比，即

线圈的匝数穿过单匝线圈的磁通I通过线圈的电流真空的磁导率空气间隙的厚度磁通的截面积改变铁芯与衔铁之间空气间隙的厚度或者改变磁通的截面积都能改变线圈的自感系数第17页相关知识一、敏感元件2．工作原理自感器变间隙型自感器变间隙型自感式传感器变面积型电容器变面积型自感式传感器螺管型自感器螺管型自感式传感器第18页相关知识一、敏感元件2．工作原理1）变间隙型自感器变间隙型自感器的截面积保持不变，在铁芯和衔铁之间有空气间隙，当衔铁移动时，空气间隙的厚度发生改变，引起磁路中磁阻的变化，从而改变线圈的自感系数L，如图所示。第19页相关知识一、敏感元件2．工作原理1）变间隙型自感器

线圈的自感变化量为:

第20页相关知识一、敏感元件2．工作原理1）变间隙型自感器当δ0≫Δδ时，变间隙型自感式传感器的灵敏度系数为:

为了减小非线性误差，变间隙型自感器多采用差动式结构，如图所示。它由共用一个衔铁的两个完全相同的电感线圈及相应磁路组成。第21页相关知识一、敏感元件2．工作原理2）变面积型自感器

第22页相关知识一、敏感元件2．工作原理2）变面积型自感器设初始状态下磁通截面积为A0，a为铁芯截面长度，b为铁芯截面宽度，则A0=ab。当力沿平行于b的方向作用时，系统的灵敏度K可表示为:

第23页相关知识一、敏感元件2．工作原理3）螺管型自感器螺管型自感器的结构如图所示。它主要由线圈、铁芯和磁筒套组成。磁筒套构成了线圈的外部磁路，并可作为螺管型自感器的磁屏蔽层。第24页相关知识一、敏感元件2．工作原理3）螺管型自感器若线圈均匀绕线，此时自感系数的相对变化量可表示为:

自感系数自感系数的变化量l线圈长度铁芯深入线圈的长度由螺管型自感器制成的螺管型自感式传感器可用于较大位移的测量。第25页相关知识二、测量电路1．变压器式交流电桥

第26页相关知识二、测量电路1．变压器式交流电桥

第27页相关知识二、测量电路1．变压器式交流电桥同理，当衔铁向下移动时，电桥的输出电压为:

由以上可知，当衔铁上下移动时，输出的电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化，输出电压与电感变化量呈线性关系。由于输出电压是交流电压，因此不能反映位移量的方向。第28页相关知识二、测量电路2．带相敏整流电路的交流电桥

第29页相关知识二、测量电路2．带相敏整流电路的交流电桥采用带相敏整流电路的交流电桥，其输出电压既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向。衔铁处于中间位置衔铁向下移动衔铁向上移动电桥处于平衡状态，电桥输出电压为0电桥的输出电压均为正值电桥的输出电压均为负值第30页相关知识二、测量电路3．谐振式电路1）螺管型自感器

第31页相关知识二、测量电路3．谐振式电路2）谐振式调频电路谐振式调频电路如图所示。自感式传感器的自感器L与电容器C接入调频电路中，当L变化时，振荡频率随之变化，根据频率的大小即可确定被测量的值。第32页相关知识三、自感式传感器的应用1．自感式压力传感器变间隙型自感式压力传感器是自感式压力传感器的基础形式之一，其结构如图所示。膜盒铁芯衔铁线圈当液体或气体进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生位移，位移量与压力P的大小成正比。电流表的指示值反映了被测压力的大小。第33页相关知识三、自感式传感器的应用1．自感式压力传感器差动变间隙型自感式压力传感器是变间隙型自感式压力传感器的改进形式，其结构如图所示。C形弹簧管铁芯衔铁线圈因为输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可知被测压力的大小。第34页相关知识三、自感式传感器的应用2．自感式测微仪自感式测微仪的结构如图所示。它采用差动式结构，其测量电路为带相敏整流电路的交流电桥。

第35页敏感元件测量电路自感式传感器的应用任务二认识差动变压器式传感器学习目标任务工单本任务要求学生正确认识差动变压器式传感器，掌握差动变压器式传感器的结构、工作原理及应用。第38页任务引入思考：什么是差动变压器式传感器？除了上述差动变压器式位移传感器外，差动变压器式传感器还有哪些应用？39任务实施——测试差动变压器式传感器的性能1．实施目的（1）了解差动变压器式传感器的结构。（2）理解差动变压器式传感器的工作原理。2．实施器材音频振荡器，差动变压器，差动放大器，移相器，相敏检波器，电桥，示波器。第40页3．实施步骤将学生以3～5人为一组进行分组。各组按照以下步骤测试差动变压器式传感器的性能。（1）按如图所示连接电路。第41页任务实施——测试差动变压器式传感器的性能3．实施步骤

第42页任务实施——测试差动变压器式传感器的性能3．实施步骤

x/mm-5

-4

-3

-2-1

012345U0/V

第43页任务实施——测试差动变压器式传感器的性能4．任务评价评价项目评价标准满分实际得分教师评语技能操作正确认识差动变压器式传感器的结构25

正确连接电路25

正确调试电路30

参与程度认真参加活动，积极思考，主动与同学、指导教师进行交流，善于发现和解决问题10

职业素养具有团队协作精神和责任意识，具有一定的创新思维10

总分100

个人总结

第44页任务实施——测试差动变压器式传感器的性能相关知识一、敏感元件差动变压器主要由初级线圈、次级线圈、铁芯、衔铁构成，其中次级线圈分成极性相反的两部分，如图所示。1．差动变压器的结构第45页相关知识一、敏感元件1．差动变压器的结构第46页相关知识一、敏感元件1．差动变压器的结构差动变压器有变间隙型差动变压器、变面积型差动变压器、螺管型差动变压器等类型，如图所示。（a）变间隙型差动变压器

（b）变面积型差动变压器（c）螺旋管型差动变压器第47页相关知识一、敏感元件1．差动变压器的结构螺管型差动变压器最常见，以它制成的螺管型差动变压器式传感器可以测量1～100mm范围内的机械位移，具有测量准确度高、灵敏度高、结构简单和性能可靠等优点。第48页相关知识一、敏感元件2．工作原理

第49页相关知识一、敏感元件2．工作原理式中：

第50页相关知识一、敏感元件2．工作原理

第51页相关知识一、敏感元件2．工作原理

第52页相关知识二、测量电路1．差动整流电路差动整流电路如图所示。（a）半波整流电压输出型

（b）半波整流电流输出型（c）全波整流电压输出型

（d）全波整流电流输出型第53页相关知识二、测量电路1．差动整流电路差动整流电路通过半波或全波整流电路，分别对差动变压器的两个次级线圈的输出电压进行整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。电压输出型差动整流电路可连接高阻抗负载，电流输出型差动整流电路可连接低阻抗负载。第54页相关知识二、测量电路1．差动整流电路

第55页相关知识二、测量电路2．相敏检波电路

第56页相关知识二、测量电路2．相敏检波电路

第57页相关知识二、测量电路2．相敏检波电路通过电路分析可知，电路的输出电压（省略推导过程）为:

第58页相关知识三、差动变压器式传感器的应用1．差动变压器式位移传感器如图所示为差动变压器式位移传感器，其中，测头通过轴套与测杆连接，衔铁固定在测杆上。第59页相关知识三、差动变压器式传感器的应用1．差动变压器式位移传感器线圈架上绕有三组线圈，中间是初级线圈，两端是次级线圈，它们通过导线与测量电路连接。线圈的外面有屏蔽筒，屏蔽筒可用来防止外磁场的干扰。测杆用圆片弹簧导向，通过弹簧获得恢复力。防尘罩可防止灰尘侵入测杆。第60页相关知识三、差动变压器式传感器的应用1．差动变压器式位移传感器差动变压器式位移传感器的分辨率可达0.5"μm"，非线性误差约为0.5%，灵敏度比自感式传感器高。对于差动变压器式位移传感器的灵敏度，当测量电路输入阻抗较高时，用电压灵敏度来表示；当测量电路输入阻抗较低时，用电流灵敏度来表示。第61页相关知识三、差动变压器式传感器的应用2．差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器的结构如图所示。它主要由悬臂梁和差动变压器构成。第62页相关知识三、差动变压器式传感器的应用2．差动变压器式加速度传感器测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，衔铁的A端与被测物体相连。当被测物体带动衔铁按照一定规律振动时，差动变压器的输出电压也按相同规律变化。因此，可以通过测量输出电压间接地反映出被测物体加速度的变化。第63页相关知识三、差动变压器式传感器的应用3．差动变压器式压力传感器差动变压器式压力传感器的结构如图所示。膜盒随膜盒膨胀与收缩而移动的衔铁线圈第64页相关知识三、差动变压器式传感器的应用3．差动变压器式压力传感器线圈包括一个初级线圈和两个次级线圈，其中初级线圈与振荡电路相连，产生交流控制电压，并在线圈周围产生磁场，在两个次级线圈中产生感应电压。第65页相关知识三、差动变压器式传感器的应用3．差动变压器式压力传感器当被测压力为零时，膜盒处于初始状态，衔铁处于线圈的中间位置，两个次级线圈的感应电压大小相等、方向相反，传感器的输出电压为零。第66页相关知识三、差动变压器式传感器的应用3．差动变压器式压力传感器被测压力经过接头传入膜盒，使膜盒产生一定的位移，位移大小与被测压力成正比。膜盒带动衔铁在线圈中移动，此时两个次级线圈的感应电压一个增大、另一个减小，输出电压为两个次级线圈感应电压的代数和，其大小取决于衔铁的移动距离。经相敏检波电路处理后的输出电压可以反映被测压力值。第67页敏感元件测量电路差动变压器式传感器的应用任务三认识电涡流式传感器学习目标任务工单本任务要求学生正确认识电涡流式传感器，掌握电涡流式传感器的工作原理及应用。第70页任务引入电磁炉是利用电涡流原理进行加热的。其工作原理如图所示。思考：与电磁炉相似，电涡流式传感器也是利用电涡流原理来工作的。它有什么特点？又有哪些应用呢？71任务实施——测试电涡流式传感器的性能1．实施目的（1）理解电涡流式传感器的工作原理。（2）掌握电涡流式传感器电路的连接与调试方法。2．实施器材涡流变换器，电压表，金属片，电涡流式传感器，示波器。第72页任务实施——测试电涡流式传感器的性能3．实施步骤---连接电路将学生以3～5人为一组进行分组。各组按照以下步骤测试电涡流式传感器的性能。（1）检测电路元器件是否正常。（2）按照如图所示连接电路。（3）检查电路连接，确认无误后接通电源。第73页任务实施——测试电涡流式传感器的性能3．实施步骤---调试电路（1）用示波器观察涡流变换器的输入端波形，示波器应显示振荡波形。（2）调整金属片与电涡流式传感器的距离，使电涡流式传感器与被测金属片间有位移变化。（3）根据测试数据，画出输出电压与位移的关系曲线（U-X），指出曲线大致的线性范围。x/mm0.250.50.751.01.251.51.752.02.252.52.75

U/V

第74页任务实施——测试电涡流式传感器的性能4．任务评价评价项目评价标准满分实际得分教师评语技能操作正确理解电涡流式传感器的工作原理20

正确连接和调试电路20

正确测试峰峰值和输出电压20

正确绘制输出电压与位移的关系曲线20参与程度认真参加活动，积极思考，主动与同学、指导教师进行交流，善于发现和解决问题10

职业素养具有团队协作精神和责任意识，具有一定的创新思维10

总分100

个人总结

第75页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理电涡流式传感器是基于电涡流效应制成的。电涡流效应如图所示。第76页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理

第77页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理假设金属导体是匀质的，则金属导体与线圈共同构成一个系统，其物理性质用磁导率μ、电阻率ρ、尺寸因子r、距离x、激励电流强度I、角频率ω等参数来描述，线圈阻抗为:

第78页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理电涡流式传感器高频反射型电涡流式传感器高频反射型敏感元件低频投射型电涡流式传感器低频投射型敏感元件按照电涡流在导体内贯穿情况的不同，电涡流式传感器可分为:第79页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理1．高频反射型敏感元件高频反射型敏感元件主要是由一个安装在框架上的线圈构成的。线圈绕成扁平圆形，可以粘贴于框架上，也可在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内，形成一个线圈。第80页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理1．高频反射型敏感元件线圈的导线一般采用高强度漆包铜线。如图所示为CZF1型电涡流式传感器的结构，它就是将导线绕在聚四氟乙烯框架槽沟内，形成线圈的。第81页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理1．高频反射型敏感元件电感量主要由线圈与金属导体的距离决定，通过测量电感量的变化就可确定高频反射型电涡流式传感器与金属板之间的距离。第82页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理2．低频透射型敏感元件低频透射型敏感元件采用低频激励，贯穿深度较大，适用于测量金属材料的厚度，其工作原理如图所示。第83页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理2．低频透射型敏感元件

第84页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理2．低频透射型敏感元件

第85页相关知识一、敏感元件的结构与工作原理2．低频透射型敏感元件

被测金属板的厚度越大，电涡流损耗也越大，e就越小。e的大小间接反映了被测金属板的厚度。第86页相关知识二、测量电路1．调频电路当电涡流式传感器线圈与被测金属导体之间的距离x改变时，电涡流式传感器线圈的电感发生变化，振荡器输出频率也随之改变。该频率可用数字频率计直接测量，或者通过f-U变换，用数字电压表测量对应的电压。第87页相关知识二、测量电路2．调幅电路调幅电路主要是把电涡流式传感器等效电感的变化转换为电路振荡频率的变化，再经放大、检波处理，最终得到所需的输出电压。第88页相关知识二、测量电路2．调幅电路如图所示为调幅电路，该电路由振荡器供电，振荡器相当于一个恒流源，L为电涡流式传感器的线圈。第89页相关知识二、测量电路2．调幅电路当金属导体远离线圈时，调幅电路的谐振频率为振荡频率，回路呈现的阻抗最大，调幅电路上的输出电压也最大；当金属导体靠近线圈时，电感发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，电感的数值随距离x的变化而变化，输出电压也随之变化。第90页相关知识三、电涡流式传感器的应用1．电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器的工作原理如图所示。第91页相关知识三、电涡流式传感器的应用1．电涡流式位移传感器接通电源后，在电涡流式位移传感器探头线圈的感应工作面将产生一个交变磁场。当被测物体接近此感应工作面时，金属物体表面会吸收电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性衰减。可根据衰减量的变化，计算出探头线圈与被测物体的距离。第92页相关知识三、电涡流式传感器的应用1．电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器属于非接触式测量，工作时不受灰尘等非金属物质影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。第93页相关知识三、电涡流式传感器的应用2．电涡流式振幅传感器电涡流式振幅传感器可以无接触