《智能传感器与智能仪表》课件-项目4：电容式与变磁阻式传感器

电容式传感器的工作原理及分类智能感知核心器件项目三

力学量传感器电气工程学院知识导入自动化生产线的精准检测医疗设备的细微参数监测智能家居的智能响应系统将压力、位移、液位等物理量巧妙转化为电信号电容式传感器知识导入指纹识别收音机调频洗衣机液位麦克风知识导入电容式传感器把被测量转换为电容量变化结构简单、灵敏度高、动态响应特性好适应性强、抗过载能力大、价格便宜压力缺点带来局限电容式传感器泄漏电阻、非线性力位移振动液位目录CONTENTS电容式传感器的工作原理Smartsensorsandsmartmeters01电容式传感器的分类Smartsensorsandsmartmeters02电容式传感器的工作原理电容式传感器

|以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测物理量转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率电容C用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为：式中：A——两平行板所覆盖的面积d——两平行板之间的距离ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr

其中：ε0——真空介电常数8.854×10-12F/mεr——极板间介质的相对介电常数变极距型d型变介电常数型ε型变面积型A型电容式传感器的分类电容式传感器有三种基本类型A、d、ε三个参量改变其中任意一个量，均可使电容C改变即电容C是A、d、ε的函数电容式传感器的分类变间隙式电容传感器活两极板间的距离d发生变化，从而改变两极板之间的电容C动极板因被测参数的改变而引起移动固定极板极板1与被测对象相连的活动极板极板2变间隙式电容传感器的原理图电容式传感器的分类变间隙式电容传感器假设活动极板移动x后，其电容为：当

∆x<<d0时，利用泰勒级数展开，为了提高灵敏度，应当减小初始间隙d0，实际应用中，可采用差动式结构电容式传感器的分类变间隙式电容传感器差动式结构电容式传感器的分类变间隙式电容传感器差动式结构01差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也得到改善02外界影响如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消03电容传感器的非线性误差可以进一步用计算机来计算修正04变间隙式传感器应用有H型加速度计，电容式传声器，齿轮转速传感器等电容式传感器的分类变面积式电容传感器平板直线位移型传感器极板2可以左右移动，称为动极板极板1固定不动，定极板同心圆筒型传感器外圆筒不动内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动角位移型传感器上面扇形不动下面扇形沿着中间轴左、右旋转电容式传感器的分类变面积式电容传感器直线位移型传感器初始电容值：移动后电容值电容值变化量：在变面积电容传感器中，电容Cx与直线位移

∆x呈线性关系电容式传感器的分类变面积式电容传感器直线位移型传感器角位移型传感器圆筒型传感器电容Cx与位移∆x均呈线性关系灵敏度都是常数极板间未插入介质εr2时极板间插入介质εr2后电容式传感器的分类变介电常数式电容传感器线位移型电容传感器设极板宽度为

b，长度

l0，间距

d0线性关系电容式传感器的分类变介电常数式电容传感器圆柱型电容传感器线性关系电容式传感器的分类以下各种传感器，分别属于哪一种类型的电容式传感器呢？案例分析电容式液位计在化工生产中的应用在化工车间，需要精准监测反应釜内液体的液位变化，电容式液位计正是最佳选择采用变介电常数式结构，将传感器电极插入反应釜内液体作为一种介质，随着液位上升，电极间的介电常数逐渐增大，电容量也随之线性变化通过测量电容量的变化，就能精准换算出液位高度案例分析电容式液位计在化工生产中的应用案例启示优势展现电容式传感器不仅体现了线性特性好、灵敏度高的优势，更保障了化工生产的安全稳定安全底线我国化工行业的高质量发展，离不开优质传感器的技术支撑，和工程师们严谨细致的责任担当知识小结电容式传感器的工作原理|变极距、变面积、变介电常数|化工应用从技术局限到广泛应用，彰显了科技自立自强的重要意义电容式传感器结构简单、灵敏度高、动态响应好的特点，在参数测量中发挥重要作用作用不可替代任何技术的进步都离不开创新思维和坚持不懈的探索技术突破启示电容式传感器的测量电路智能传感技术的核心应用项目三

力学量传感器电气工程学院知识导入在工业自动化、智能检测等现代科技领域，传感器就像“感知器官”电容式传感器凭借灵敏度高、结构简单等优势，成为众多场景的优选从手机触摸屏的精准响应到工业生产线的位移检测，它的身影无处不在电容式传感器的测量精度，关键取决于配套的测量电路目录CONTENTS普通交流电桥Smartsensorsandsmartmeters01调频电路Smartsensorsandsmartmeters02运算放大器式电路Smartsensorsandsmartmeters03脉冲调制电路Smartsensorsandsmartmeters04普通交流电桥电桥电路是电容式传感器最基本的一种测量电路图中C1与C2是直线型差动电容传感器的两个电容，另两个桥臂是变压器的两个次级线圈，可以是电阻、电容或电感思考一下为什么桥臂元件的选型会影响测量结果呢和元件稳定性、频率特性密切相关是工程实践中需要重点考量的细节调频电路把电容式传感器直接纳入振荡器的谐振回路当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就会发生变化比如当电容Cx变大时，振荡器的频率f变低由于振荡器的频率受电容传感器的调制，所以可实现

C/f

的变换运算放大器式电路非线性误差当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零Cx为传感器，C0为固定电容当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零此时运放的输出电压为：输出电压：运算放大器电路能改变间隙式电容传感器Cx与d的非线性关系脉冲调制电路差分脉冲调制电路

|利用对传感器电容充、放电使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号C1、C2：差分式传感器电容，初始值相等A1、A2：比较器UR：参考电压脉冲调制电路01

03F点电位UR经二极管VD1迅速放电至0，同时B点高电位经R2向C2充电，重复上述过程04周而复始，则在A、B两点分别输出宽度受C1和C2调制的矩形脉冲02A点通过R1对电容C1充电，F点电位等于UR时，A1输出脉冲，使双稳态触发器翻转电路原理脉冲调制电路差动脉冲调宽电路各点电压波形图差动脉冲调宽电路脉冲调制电路与电桥电路相比，只采用直流电源，无需振荡器，也就不存在对载波波形纯度等的要求差分脉冲调制电路一般为100kHz~1MHz的矩形波，只要配置一个低通滤波器就可以得到直流信号输出信号对矩形波的纯度要求不高，也不需要相敏检波器，从而避免了伴随而来的线性问题矩形波案例分析某汽车制造厂发动机活塞位移检测系统|差动电容传感器搭配脉冲调制电路该系统曾因使用普通交流电桥电路，受工业现场电磁干扰影响，测量误差较大过去工程师结合脉冲调制电路抗干扰能力强、结构简单优势，对测量电路进行升级改造后来系统测量精度从±0.05mm提升至±0.01mm，有效保障了发动机的装配质量改造提升检测性能，为工业生产的提质增效提供技术支撑选择合适的测量电路知识总结知识回顾|

电容式传感器的四种核心测量电路普通交流电桥奠定基础调频电路实现高效转换运算放大器式电路优化线性脉冲调制电路简化设计每种电路都有其独特优势和适用场景其共同目标，都是将微小的物理量变化精准转化为可利用的电信号思想升华

感受科技发展从基础原理到实际应用，从电路设计到工程优化既能感受到电子技术的精妙，也能体会到我国在智能传感领域的快速发展

坚持科技兴国希望各位同学能扎实掌握专业知识秉持创新精神和严谨态度，未来在科技领域发光发热，为我国高端制造业的自主自强贡献力量思考一下哪种电路最符合你心中“高效实用”的设计标准思考一下它的进一步优化空间结合实际场景思考

？课后回顾电容式传感器精度的影响及改善措施智能传感技术进阶项目三

力学量传感器电气工程学院思考一下这样一款性能出色的传感器，其精度会受到哪些因素的影响我们该如何通过科学设计和技术手段，让它始终保持最佳工作状态目录CONTENTS温度的影响Smartsensorsandsmartmeters01漏电阻的影响Smartsensorsandsmartmeters02边缘效应的影响Smartsensorsandsmartmeters03寄生电容的影响Smartsensorsandsmartmeters04温度的影响比如温度升高时极板间距可能变大、面积轻微膨胀改变传感器的几何尺寸不同介质的介电常数会随温度波动，进而改变电容值影响介质的介电常数漏电阻的影响激励频率较低电容传感器的容抗很高，达几十兆欧，由于具有这样高的内阻抗，所以绝缘问题显得十分突出漏电阻与传感器的容抗相近系统总的灵敏度下降当绝缘材料性能不够好的时候，绝缘电阻会随着环境温度和湿度而变化，致使传感器的输出存在零漂电容式传感器的电容量很小，一般为几十pF漏电阻的影响为了减少漏电阻对传感器性能的影响，可以采取以下两种措施|对于电容式传感器可以选用绝缘性能好的材料（比如陶瓷、石英等）作为两极板间的支架01采用较高的激励电源频率（数千赫至数兆赫）来降低电容传感器的内阻02边缘效应的影响边缘效应：理想电容器的电场线是直线实际电容器只有中间区域是直线，越靠近边缘电场线弯曲的越厉害电容极板面积较小时边缘效应将会引起电容传感器的测量误差如何减小这种影响呢？电容器的边缘效应边缘效应的影响减小影响的方法

02电极应做得极薄，使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响

01适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大易产生击穿并有可能限制测量范围

03可在结构上增设等位环来消除边缘效应边缘效应的影响等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等电位，使电极1和2之间的电场基本均匀发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场，从而消除电极1和2之间的边缘效应减小影响的方法寄生电容的影响寄生电容任何两个导体之间均可构成电容联系电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体之间产生电容联系，即寄生电容寄生电容与传感器电容之间呈现并联关系，对传感器的灵敏度将会产生很大程度的影响影响（1）增加传感器原始电容值（2）注意传感器的接地和屏蔽（3）集成化（4）采用“驱动电缆”技术（5）整体屏蔽法寄生电容的影响需要对传感器的寄生电容进行处理|01增加传感器的原始电容值02注意传感器的接地和屏蔽03增加传感器的原始电容值04整体屏蔽法寄生电容的影响驱动电缆技术驱动屏蔽技术可以通过驱动放大器使屏蔽层电位与信号线电位相同，消除屏蔽层与信号线之间的电位差，从而消除寄生电容案例分析某汽车电子厂商生产的油箱油位传感器电容式原理油位测量

|初期产品在实际使用中出现测量精度不稳定的问题，尤其在高温环境和长途行驶后，误差明显增大01传感器外壳与极板间的寄生电容干扰02发动机舱高温导致的介电常数变化03绝缘材料在湿热环境下漏电阻下降案例分析将激励电源频率从1kHz提升至500kHz，降低漏电阻影响03选耐高温石英材料作为极板支架，提升绝缘性能和温度稳定性01用整体屏蔽设计并优化接地方式，减少寄生电容02优化后，传感器在-40℃至85℃的工作温度范围内测量误差从原来的±3%降至±0.5%，完全满足汽车行业的精密测量要求知识总结希望大家既能掌握专业知识，又能传承精益求精的工匠精神，为我国高端制造业的发展贡献自己的力量电容式传感器的精度优化，既是技术层面的精益求精，更是科技工作者追求真理、严谨务实的体现影响因素改善措施实际应用变磁阻式传感器的基本原理及分类基础原理打造核心部件项目四

位移传感器和物位传感器电气工程学院主讲人：江奕目录CONTENTS变磁阻式传感器的基本原理Smartsensorsandsmartmeters01变磁阻式传感器的分类Smartsensorsandsmartmeters02知识导入变磁阻式传感器|工业“感知神经”|默默支撑高端制造的精准运行精密机床的微小位移检测航天设备的力值监控变磁阻式传感器的基本原理变磁阻式传感器（自感）的结构δ线圈铁芯衔铁Δδ电感式传感器

|利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感的改变这一物理现象自感式互感式01工作时可动衔铁与被测物体连接，被测物体的位移通过可动衔铁的上、下移动，将引起空气气隙的长度发生变化02即气隙磁阻发生相应的变化，从而导致线圈电感量发生变化03实际检测时，正是利用这一变化来判定被测物体的移动量及运动方向的变磁阻式传感器的基本原理

线圈匝数总磁阻1/H

磁通通过铁芯的长度磁导率H/mδ线圈铁芯衔铁Δδ

变磁阻式传感器的电感量与空气间隙、和磁导率之参数有关变磁阻式传感器的基本原理自感式电感传感器常见的形式

（a）气隙型（b）截面型（c）螺管型变磁阻式传感器的基本原理变气隙厚度的自感式传感器δ线圈铁芯衔铁Δδ衔铁上移Δ

，δ＝δ0－Δδ衔铁下移Δδ，δ＝δ0＋Δδ

变磁阻式传感器的基本原理变气隙厚度的自感式传感器变气隙型的输出特性是非线性的为获得较好的线性关系，须限制测量范围使衔铁位移在较小范围内变化（∆δ<<δ0）一般取∆δ=（0.1～0.2）δ0

初始点为获得较高灵敏度，气隙的初始值δ0不宜过大适用于微小位移的测量，测量范围0.001～1mm变磁阻式传感器的基本原理变气隙型差动自感式传感器的工作原理衔铁右移忽略高次项：

变磁阻式传感器的基本原理式中不存在偶次项，差动式自感传感器的非线性误差在±

工作范围内比单个自感传感器的小得多变磁阻式传感器的基本原理差动式与单线圈电感式传感器相比，有下列优点：线性度好01）温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小03）灵敏度提高一倍02）电磁力对测力变化的影响也由于相互抵消而减小04）变磁阻式传感器的基本原理变面积的自感式传感器传感器气隙长度保持不变

|令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为：衔铁上下移动，导致衔铁与铁心的有效投影面积和电感的改变

灵敏度

变磁阻式传感器的基本原理输出特性为线性，因此测量范围大，但代价是灵敏度相对较低01想提升灵敏度，要在机械设计层面控制参数，不要使气隙δ过大02

变磁阻式传感器的基本原理螺线管型的自感式传感器单线圈结构螺线管型自感式传感器是具有多重卷绕的导线，卷绕内部可以是空心的，或者有一个磁芯；螺线管当电流通过线圈时，线圈中部区域形成较均匀磁场；电流通过导线螺线管电感传感器的主要元器件是一只螺线管和一根可移动的圆柱形衔铁作为传感器将引起螺线管内部的磁阻的减小，电感随插入的深度而增大衔铁插入绕组后变磁阻式传感器的基本原理螺线管型自感传感器的线性区当衔铁工作在螺线管接近中部位置时，可认为绕组内磁场强度是均匀的此时绕组的电感量L与衔铁插入深度成正比对于长螺线管（l>>r）螺线管式电感传感器的线性区约为螺线管长度的1/10测杆应选用非导磁材料，电导率也应尽量小，以免增加铁磁损耗和电涡流损耗螺线管越长，线性区越大例题采用螺线管电感传感器测量直径为100mm的工件是否合格，被测工件的最大允许误差为±1.5mm。解：求：应选长度大于多少毫米的螺线管？则螺线管长度为：ΔD=2×1.5mm=3mml>3mm×10倍=30mm（不包括外壳）课程小结以“磁阻-电感”变化为基础|衍生出三类产品|差动结构优化性能在科技自立自强的道路上，正是这些基础部件的技术突破，为大国重器筑牢了根基科技自强传感器的设计过程，体现了“从物理原理到工程应用”的转化智慧彰显了我国工程师“啃硬骨头”的创新精神创新精神课后思考如果让你设计一款用于高铁轮对磨损检测的传感器，你会优先选择哪种类型为何要考虑量程、灵敏度和抗干扰性的平衡变磁阻式传感器的转换电路+零点残余电压从原理到工程实践项目四

位移传感器和物位传感器电气工程学院主讲人：江奕目录CONTENTS电阻平衡臂交流电桥Smartsensorsandsmartmeters01差动自感式传感器的变压器电桥Smartsensorsandsmartmeters02零点残余电压Smartsensorsandsmartmeters03工程抑制对策Smartsensorsandsmartmeters04相敏检波Smartsensorsandsmartmeters05相敏检波的输出特性Smartsensorsandsmartmeters06知识导入变磁阻式传感器凭借高灵敏度成为工业精密测量的核心，但它的微小电感变化怎么变成可读取的信号？零点附近的测量误差又该如何解决？芯片制造中微米级的位移检测机床加工时的精密定位电阻平衡臂交流电桥桥臂Z1和Z2表示传感器两个差动线圈的电抗复阻抗，另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替，其输出电压为：基础的交流电桥

电桥平衡输出电压为0当Z1∙Z3=Z2∙Z4时01电桥失去平衡输出电压不为0当Z1∙Z3≠Z2∙Z4时02根据电桥输出电压的情况来判定是否有位移量的产生差动自感式传感器的变压器电桥δ2δ1L2L1Z1、Z2为差动传感器两线圈的复阻抗，另两臂为电源变压器的两个二次线圈

传感器衔铁上移时，则：Z12=Z0±ΔZ

传感器衔铁下移时，则：Z12=Z0∓ΔZ

零点残余电压|出现零点残余电压的原因电气参数与几何尺寸不对称磁性材料的非线性电源电压中含有高次谐波寄生电容它的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标零点残余使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差工程抑制对策将传感器的工作区域设置在磁化曲线的线性区选线性区可判别衔铁移动方向、改善输出特性、减小零点残余电压配相敏检波尽量使传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路相互对称尽量对称采用良好的导磁材料制作壳体，进行屏蔽抗干扰做好屏蔽减小零点残余电压的措施精益求精的设计是国产传感器企业突破国外技术壁垒、实现核心技术自主可控的关键——从参数对称到屏蔽接地，每一个细节的打磨都彰显着工匠精神相敏检波普通检波普通检波把交流信号变成直流平均值，只能反映大小，判不出方向检波电路将电感的变化转换成直流电压或电流，以便用仪表指示出来只能判别位移的大小，却无法判别输出电压的相位和位移的方向若仅采用电桥电路配以普通的检波电路可反映幅值（位移的大小）和输出电压的相位（位移的方向）若输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路相敏检波电路相敏检波相敏检波的原理相敏检波是一种带有相敏整流的交流电桥衔铁在中间位置时，无论正负半周，C、D两点等电位，电桥平衡，输出UCD=0V电压表读数大小反映衔铁的位移；电压表极性反映移动方向。相敏检波当衔铁上移D点将比C点电位高，认为电压表正偏

相敏检波当衔铁上移负半周D比C点电位高，电压表仍正偏

只要衔铁上移：电压表头就正转只要衔铁下移：电压表头就反转位移越多：指针偏转越大典型案例分析：机床主轴径向跳动检测某国产机床企业曾面临难题|

采用传统检测方案时，零点附近的死区导致小幅度跳动无法被精准捕捉，影响产品合格率工程师团队采用变压器电桥作为转换电路严格控制线圈参数对称、优化磁路设计减少先天误差壳体采用导磁合金材料并规范接地，屏蔽车间电磁干扰将传感器工作点校准在磁化曲线的线性区，搭配相敏检波电路零点残余电压被抑制到微米级以下传感器不仅能精准测量跳动幅度，还能判别跳动方向，为机床的实时反馈控制提供了可靠信号相敏检波的输出特性只表示位移的大小，在零点附近会出现不连续或“死区”现象普通检波曲线在零点附近连续平滑，零点为对称中心的一侧为正、一侧为负相敏检波经过相敏检波后正位移输出正电压，负位移输出负电压相敏检波提高了测量的灵敏度与抗干扰能力让电感传感器具备了双向位移检测的能力差动变压器的输出特性曲线由(a)变成(b)，残存电压自动消失课程小结知识点总结系统学习了变磁阻式传感器的转换电路和零点残余电压抑制技术：秉持工匠精神攻克技术难题基础交流电桥实现电感变化到电压信号的转换01变压器电桥提升抗干扰能力02零点残余电压是精密测量的主要误差源03四大工程对策+相敏检波从根本上解决这一问题04差动变压式位移传感器基本原理及测量电路精准感知位移项目四

位移传感器和物位传感器电气工程学院目录CONTENTS差动变压器式传感器的工作原理Smartsensorsandsmartmeters01差动变压器与差动式自感传感器的区别Smartsensorsandsmartmeters02差动变压器式传感器的分类Smartsensorsandsmartmeters03螺管式差动变压器Smartsensorsandsmartmeters04差动变压器式传感器的工作原理差动变压器式传感器是本身是一个变压器，它把被测位移量转换为传感器互感的变化，使次极线圈感应电压也发生相应的变化。差动式自感传感器（b）差动变压器电气连接图（a）差动变压器结构示意图差动变压器与差动式自感传感器的区别（b）差动式变磁阻传感器（a）差动变压器结构示意图你觉得两种“差动”传感器，最可能在哪个核心参数上存在差异？差动变压器与差动式自感传感器的区别记忆法一个看互感M，一个看自感L一个是变压器家族初级电压输入次级电压输出，输出的直接就是电压信号，可以直接读出一个是电感桥家族电感信号需进一步通过电桥或其他电路把电感转化成电压，或频率变化，进一步才能被读出差动变压器靠改变互感输出信号，差动式自感传感器靠两只线圈自感差异输出信号差动变压器式传感器的分类（c、d）螺线管式（e、f）变面积式（a、b）变气隙式通过改变气隙、等效长度或有效面积让磁路参数变化，从而改变互感不同结构适配不同量程、灵敏度与加工难度，目前应用最广的是螺管形差动变压器螺管式差动变压器差动变压器差动变压器按绕组排列形式有二节式、三节式、四节式和五节式0102不管绕组排列方式如何，其主要结构都是由线圈绕组、可移动衔铁和导磁外壳三大部分组成03线圈绕组由初、次级线圈和骨架组成，初级线圈加激励电压，次级线圈输出电压信号螺管式差动变压器可移动衔铁采用高导磁材料做成

|输入位移量加于衔铁导杆上，用以改变初、次级线圈之间的互感量，导磁外壳提供磁回路、磁屏蔽和机械保护PS1S266134212341-初级线圈；2、3-次级线圈；4-铁芯差动变压器电气连接图螺管式差动变压器二次绕组

感应电动势

反向串接→差值输出螺管式差动变压器两路互感相等差动输出为零铁芯中位：M1=M2=M铁芯上升：M1=M+M，M2=M-∆M

与Ui同极性铁芯下降：M1=M-∆M，M2=M+∆M

与Ui反极性螺管式差动变压器差动变压器输出的是交流电压，而且存在零点残余电压差动整流电路相敏检波电路当用交流电压表进行测量时，不能反映位移的方向或消除零点残余电压螺管式差动变压器全波差动整流电路R2R1abhgcBdA++efCDR2R1abhgcBdA++efDCU0=Udc+Ugh=Ugh-Ucd螺管式差动变压器全波差动整流电路零位以上零位ttUghUcdtUoUghtttUcdUotUghtUcdtUo零位以下当衔铁在零位时Ucd=Ugh，所以U0=0当衔铁在零位以上Ucd<Ugh，所以U0>0当衔铁在零位以下Ucd>Ugh，所以U0<0R2R1abhgcfde铁芯在零位以上或零位以下时,输出电压的极性相反,零点残存电压自动抵消螺管式差动变压器全波差动整流电路只能根据符号判断衔铁位置在零位、以上或以下，但不能判断运动方向差动整流电路，结构简单，一般不需调整相位，不需考虑零位输出远距离传输时，将电路整流部分放在差动变压器一端，整流后的输出线延长，可避免感应和引线分布电容的影响螺管式差动变压器相敏检波电路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+参考电压U2和测量信号U1同频，经过移相器使U2和U1保持同相，且满足U2>>U1，由参考去控制整流器开关二极管的通断由U2决定典型案例分析精密机床的位移检测在高端制造业中，精密机床的加工精度直接决定产品质量通过相敏检波电路处理后，信号实时传输给控制系统控制系统，根据位移数据调整进给速度和位置，将加工误差控制在微米级某型号精密车床传感器安装在刀架进给系统中，刀架移动，衔铁随刀架同步位移课程小结我国制造业向高端化、智能化转型的坚定步伐是科研工作者秉持工匠精神、精益求精的成果01制造业发展学习专业知识时应培养严谨细致、追求卓越的态度为科技创新筑牢基础，在专业领域中探索更多专业的素养02超声波及其物理性质探秘“隐形”能量项目四

位移传感器和物位传感器电气工程学院目录CONTENTS从次声到超声的分类Smartsensorsandsmartmeters01四种波形的特性与应用Smartsensorsandsmartmeters02影响声速的关键因素Smartsensorsandsmartmeters03超声波的优势Smartsensorsandsmartmeters04超声波的传播Smartsensorsandsmartmeters05知识导入大家在医院体检时，是否见过医生用B超仪器清晰观察内脏情况？眼镜、珠宝放进超声波清洗机，不用动手就能洗得锃亮高铁技术人员用超声设备一扫，就能发现轨道内部裂纹从次声到超声的分类声音的本质声音源于物体的振动在振动介质（空气、液体或固体）中某一质点沿中间轴来回发生振动带动周围的质点也发生振动，逐渐向各方向扩展声波声波是一种机械波声波的传播是能量以波动形式的扩展声波的能量随扩展距离增大逐渐消耗从次声到超声的分类次声波：振动频率低于20Hz特点波长大传播远穿透力强人耳听不到，但可与人体器官发生共振7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。从次声到超声的分类可闻声波：振动频率在20Hz～20kHz内能为人耳所闻|美妙的音乐，可以使人心情愉悦从次声到超声的分类超声波：振动频率高于20kHz便携式超声波探鱼器超声波塑料焊接机微波的定义频率在3×108~3×1011Hz之间的波称为微波超声波的特点可以被聚焦，具有能量集中的特点四种波形的特性与应用纵波(LongitudinalWave)质点振动方向与波的传播方向一致的波

|固体传播液体传播气体传播01介质质点受到交变的拉伸或压缩应力作用时，质点间产生相应的伸缩形变，形成纵波；02凡能承受拉或压应力的介质都能传播纵波。固体介质能承受拉或压应力；液体和气体虽不能承受拉应力，但能承受压应力产生容积变化介质四种波形的特性与应用横波(TransverseWave)质点振动方向垂直于传播方向的波

|固体传播当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生剪切形变。横波的形成只有固体介质能承受剪切应力，液体和气体不能。传播的介质焊缝钢管探伤四种波形的特性与应用表面波(SurfaceWave)质点的振动介于横波与纵波之间

|质点的振动介于横波与纵波之间，在固体表面的平衡位置作椭圆轨迹沿着固体的表面向前传播的波。01振幅随深度增加而迅速衰减02表面波只在固体的表面传播03表面波又称瑞利波四种波形的特性与应用板波(Platewave,LambWave)在平板中传播的机械波叫作板波

|声波传播在当板较薄时，板的两个边界面都会有影响，声波在两个自由边界发生反射、叠加后形成兰姆波指因物体两平行表面所限形成的纵波与横波组合波，在整个物体内传播，质点椭圆轨迹运动板波示意图上方为s模，下方为a模。影响声速的关键因素超声波的频率越高，传播速度是不是越快？声速的关系02

影响因素01影响声速的主要因素是波形、传播介质的弹性性能、工件的尺寸和温度超声波在气体和液体中传播时传播速度c为

：

超声波的优势超声波的特点

|指向性好能量集中穿透本领大超声波传播图形在声源的中心轴线上声强最大随着扩散角度的增大，声强逐步减小

半扩散角θ声源直径D波长λ超声波的传播反射波超声波以一定的入射角α从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上部分能量反射回原介质折射波另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播超声波的传播反射定律反射定律入射角a和反射角a1的正弦与入射波和反射波在介质中的速度之间有如下的关系：

入射波和反射波波型相同、波速相同时，入射角等于反射角。c为入射波在介质中的速度c1为反射波在介质中的速度超声波的传播折射定律入射角α和折射角β的正弦与入射波和折射波在介质中的速度之间有如下的关系：

改变入射角α|使折射角β为90°入射角称为临界入射角α0sinα0=c/c2当α>α0时|只产生反射波c1为入射波在介质中的速度c2为折射波在介质中的速度超声波的传播两个重要指标透射声压与入射声压之比称为透射率；反射声压与入射声压之比称为反射率。两种介质的密度当从密度小的介质入射到密度大的介质时，透射率较大，反射率也较大；反之，透射率和反射率较小。超声波从一种介质垂直入射到另一种介质超声波从水中入射到钢中透射率高达93.5%超声波的传播超声波在介质中传播随着传播距离的增加，以及介质吸收能量，声强逐渐减弱，即能量逐渐衰减。在空气中采用的超声波频率较低在固体和液体中可用频率较高的超声波1－超声探头2－耦合剂3－试件4－被测试点Px=Pie-αx,Ix=Iie-2αxPx、Ix——距声源x处的声压和声强；x——声波与声源间的距离；

α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。

课程小结超声波融入国家发展高铁轨道的“安全哨兵”医疗诊断的“健康卫士”深海勘探的“科技利器”制造强国的“技术基石”课程小结科学知识、是服务国家、造福人民的力量他们用行动告诉我们秉持“严谨求实、精益求精”的科学精神一代代科研工作者变磁阻式传感器的基本原理及分类基础原理打造核心部件项目四

位移传感器和物位传感器电气工程学院目录CONTENTS变磁阻式传感器的基本原理Smartsensorsandsmartmeters01变磁阻式传感器的分类Smartsensorsandsmartmeters02知识导入变磁阻式传感器|工业“感知神经”|默默支撑高端制造的