安全检测技术-3传感器基础上

安 全 检 测 技 术常 用 传 感 器 的 原 理 及 结 构 传 感 器 的 作 用n 传 感 器 ： 将 被 测 的 物 理 量 按 一 定 规 律 变 换 成 另 一 物 理量 的 装 置 。n 通 常 是 非 电 量 到 电 量 由 力 、 压 力 、 重 量 、 力 矩 、 应 力 、 应 变 、 位 移 、 速度 、 加 速 度 、 流 量 、 振 动 、 噪 声 到 电 流 、 电 压 、 电 阻 、 电 感 、 电 容 、 电 荷 、 频 率 、阻 抗 等n 也 可 由 电 量 到 非 电 量n逆 压 电 效 应n 作 用n 检 测 的 首 要 环 节 ， 计 算 机 比 作 人 的 大 脑 ， 则 传 感 器就 是 五 官 n 传 感 技 术 是 衡 量 国 家 科 技 现 代 化 的 重 要 标 志n 应 用 非 常 广 泛 传 感 器 分 类n 按 输 入 量 (被 测 对 象 )分 类n 物 理 量 传 感 器 ： 温 度 、 压 力 、 位 移 传 感 器 等 等n 化 学 量 传 感 器n 生 物 量 传 感 器方 便 选 择 ， 容 易 根 据 被 测 对 象 选 择 所 需 要 的 传 感 器 。n 按 转 换 原 理 分 类 ： 结 构 型 、 物 性 型n 结 构 型 传 感 器 是 利 用 机 械 构 件 (如 金 属 膜 片 等 )在 动力 场 或 电 磁 场 的 作 用 下 产 生 变 形 或 位 移 ， 将 外 界 被测 参 数 转 换 成 相 应 的 电 阻 、 电 感 、 电 容 等 物 理 量 ，它 是 利 用 物 理 学 运 动 定 律 或 电 磁 定 律 实 现 转 换 的 。n 物 性 型 传 感 器 是 利 用 材 料 的 固 态 物 理 特 性 及 其 各 种物 理 、 化 学 效 应 (即 物 质 定 律 ， 如 虎 克 定 律 、 欧 姆 定律 等 )实 现 非 电 量 的 转 换 。 它 是 以 半 导 体 、 电 介 质 、铁 电 体 等 作 为 敏 感 材 料 的 固 态 器 件 。 传 感 器 分 类n 按 能 量 转 换 的 方 式 分 类n 有 源 型 ： 也 称 能 量 转 换 型 或 发 电 型 ， 它 把 非 电 量 直 接 变 成 电压 量 、 电 流 量 、 电 荷 量 等 (如 磁 电 式 、 压 电 式 、 光 电 池 、 热 电偶 等 )；n 无 源 型 ： 也 称 能 量 控 制 型 或 参 数 型 ， 它 把 非 电 量 变 成 电 阻 、电 容 、 电 感 等 量 。n 输 出 信 号 的 形 式 分 类n 按 输 出 信 号 的 形 式 ， 传 感 器 可 分 为 开 关 式 、 模 拟 式 和 数 字 式n 按 输 入 和 输 出 的 特 性 分 类n 线 性 n 非 线 性n 输 出 信 号 的 形 式 分 类n 开 关 式n 模 拟 式n 数 字 式 结 构 性 传 感 器 -电 阻 式 传 感 器n 电 阻 式 传 感 器 原 理n 改 变 l可 做 成 电 位 器 式 传 感 器 ；n 改 变 l ， A可 做 成 电 阻 应 变 片 ；n 改 变 可 做 成 热 敏 电 阻 。n 电 位 器 式 传 感 器n 线 绕 电 位 器 式 传 感 器 ： 由 骨 架 、 绕 组 、 电 刷 、 导 电 环 及 转 轴构 成 。 绕 组 用 电 阻 丝 的 种 类 很 多 ， 电 阻 丝 的 材 料 是 根 据 电 位器 的 结 构 、 容 纳 电 阻 丝 的 空 间 、 电 阻 值 和 温 度 系 数 来 选 择 。电 阻 丝 越 细 ， 在 给 定 空 间 内 越 获 得 较 大 的 电 阻 值 和 分 辨 率 。但 电 阻 丝 太 细 ， 影 响 传 感 器 的 寿 命 。 n 非 线 绕 电 位 器 式 传 感 器n 合 成 膜 电 位 器n 金 属 膜 电 位 器n 导 电 塑 料 电 位 器n 导 电 玻 璃 釉 电 位 器 AlR 线 绕 电 位 传 感 器 阶 梯 特 性n 电 刷 在 电 位 器 的 线 圈 上 移 动 时 ， 线圈 一 圈 一 圈 的 变 化 ， 电 位 器 阻 值 随电 刷 移 动 不 是 连 续 地 改 变 ， 导 线 与一 匝 接 触 过 程 中 ， 虽 有 微 小 位 移 ，但 电 阻 值 并 无 变 化 ， 因 次 输 出 电 压也 不 改 变 ， 在 输 出 特 性 曲 线 上 对 应地 出 现 平 直 段 ； 当 电 刷 离 开 这 一 匝而 与 下 一 匝 接 触 时 ， 电 阻 突 然 增 加一 匝 阻 值 ， 因 次 特 性 曲 线 相 应 出 现阶 跃 段 。 理 想 阶 梯 特 性 曲 线 非 线 性 电 位 器n 变 骨 架 式 非 线 性 电 位 器n 变 节 距 式 非 线 绕 电 位 器 式 传 感 器n 为 了 克 服 线 绕 电 位 器 存 在 的 缺 点 ， 人 们 在 电 阻 的 材 料 及制 造 工 艺 上 下 了 很 多 工 夫 ， 发 展 了 各 种 非 线 绕 电 位 器 。n 合 成 膜 电 位 器n合 成 膜 电 位 器 的 电 阻 体 是 用 具 有 某 一 电 阻 值 的 悬 浮 液喷 涂 在 绝 缘 骨 架 上 形 成 电 阻 膜 而 成 的 ， 这 种 电 位 器 的优 点 是 分 辨 率 较 高 、 电 阻 范 围 很 宽 （ 1004.7M） ，耐 磨 性 较 好 、 工 艺 简 单 、 成 本 低 、 输 入 输 出 信 号 的线 性 度 较 好 等 ， 其 主 要 缺 点 是 接 触 电 阻 大 、 功 率 不 够大 、 容 易 吸 潮 、 噪 声 较 大 等 。 非 线 绕 电 位 器 式 传 感 器n 金 属 膜 电 位 器n 金 属 膜 电 位 器 由 合 金 、 金 属 或 金 属 氧 化 物 等 材 料 通 过 真空 溅 射 或 电 镀 方 法 ， 沉 积 在 瓷 基 体 上 一 层 薄 膜 制 成 。n 金 属 膜 电 位 器 具 有 无 限 的 分 辨 率 ， 接 触 电 阻 很 小 ， 耐 热性 好 ， 它 的 满 负 荷 温 度 可 达 70 。 与 线 绕 电 位 器 相 比 ，它 的 分 布 电 容 和 分 布 电 感 很 小 ， 所 以 特 别 适 合 在 高 频 条件 下 使 用 。 它 的 噪 声 信 号 仅 高 于 线 绕 电 位 器 。 金 属 膜 电位 器 的 缺 点 是 耐 磨 性 较 差 ， 阻 值 范 围 窄 ， 一 般 在10100k之 间 。 由 于 这 些 缺 点 限 制 了 它 的 使 用 。 非 线 绕 电 位 器 式 传 感 器n 导 电 塑 料 电 位 器n 导 电 塑 料 电 位 器 又 称 为 有 机 实 心 电 位 器 ， 这 种 电 位 器 的电 阻 体 是 由 塑 料 粉 及 导 电 材 料 的 粉 料 经 塑 压 而 成 。 导 电塑 料 电 位 器 的 耐 磨 性 好 ， 使 用 寿 命 长 ， 允 许 电 刷 接 触 压力 很 大 ， 因 此 它 在 振 动 、 冲 击 等 恶 劣 的 环 境 下 仍 能 可 靠地 工 作 。 此 外 ， 它 的 分 辨 率 教 高 ， 线 性 度 较 好 ， 阻 值 范围 大 ， 能 承 受 较 大 的 功 率 。 导 电 塑 料 电 位 器 的n 缺 点 是 阻 值 易 受 温 度 和 湿 度 的 影 响 ， 故 精 度 不 易 做 得 很高 。 非 线 绕 电 位 器 式 传 感 器n 导 电 玻 璃 釉 电 位 器n 导 电 玻 璃 釉 电 位 器 又 称 为 金 属 陶 瓷 电 位 器 ， 它 是 以 合 金 、金 属 化 合 物 或 难 溶 化 合 物 等 为 导 电 材 料 ， 以 玻 璃 釉 为 粘合 剂 ， 经 混 合 烧 结 在 玻 璃 基 体 上 制 成 的 。 导 电 玻 璃 釉 电位 器 的 耐 高 温 性 好 ， 耐 磨 性 好 ， 有 较 宽 的 阻 值 范 围 ， 电阻 温 度 系 数 小 且 抗 湿 性 强 。n 导 电 玻 璃 釉 电 位 器 的 缺 点 是 接 触 电 阻 变 化 大 ， 噪 声 大 ，不 易 保 证 测 量 的 高 精 度 。 电 阻 应 变 片 式 传 感 器n 结 构 由 弹 性 敏 感 元 件 和 电 阻 应 变 片 （ 金 属 或 半 导 体 材 料 ） 组 成 。n 物 理 效 应n 金 属 电 阻 应 变 效 应 ： 当 金 属 丝 在 外 力 作 用 下 发 生 机 械 变 形 时 ， 其电 阻 值 将 发 生 变 化n 半 导 体 材 料 压 阻 效 应 ： 当 半 导 体 材 料 受 到 外 力 作 用 产 生 应 力 时 ，其 电 阻 率 将 发 生 变 化 。n 原 理 弹 性 元 件 受 力 变 形 后 ， 粘 贴 其 上 的 电 阻 应 变 片 因 变 形 而 电 阻 发生 变 化 ， 通 过 测 量 电 阻 确 定 被 测 量n 优 点 ：n 尺 寸 小 ， 重 量 轻 ， 对 被 测 工 件 工 作 状 态 和 应 力 影 响 小 n 测 量 应 变 的 灵 敏 度 和 精 度 高 ， 可 测 微 米 级 应 变 ；n 测 量 范 围 宽 ， 1%20%n 适 应 高 低 温 （ 压 ） 、 强 磁 场 和 腐 蚀 环 境n 缺 点 ：n 输 出 信 号 微 弱n 大 应 变 状 态 下 输 出 非 线 性 明 显位 移 、 力 、 力 矩 、 加 速 度 、 压 力 弹 性 敏感 元 件 应 变 电 阻 应 变 片 式 传 感 器 工 作 原 理 AlR F l、 A 、 R dAldAAldlAdR 2电 阻 相 对 变 形 量 ： dAdAldlRdR 电 阻 应 变 片 式 传 感 器 工 作 原 理 （ 续 ） rdrrrdrAdA 22 2 kdRR )21(d对 于 半 径 为 r的 圆 导 体 ， A=r2， 故 有由 材 料 力 学 可 知 ， 在 弹 性 范 围 内 ， 为 导 体 的 纵 向 应 变 ， 其 数 值 一 般 很 小 ， 常 以 微 应 变 度 量 ；为 电 阻 丝 材 料 的 泊 松 比 ， 一 般 金 属 =0.30.5； k为 灵 敏 系 数 2, AdAldlrdrldl经 整 理 ： dk )21( 应 变 片 灵 敏 系 数 dRdRk 2121 /dk 材 料 的 几 何 尺 寸 变 化 引 起 的材 料 的 电 阻 率 随 应 变 引 起 的金 属 材 料 ： k以 前 者 为 主 ， 则 k 1+2 =1.73.6半 导 体 ： k值 主 要 是 由 电 阻 率 相 对 变 化 所 决 定 应 变 片 的 分 类n 按 敏 感 材 料 分 为 ： 金 属 应 变 片 和 半 导 体 应 变 片n 按 敏 感 栅 结 构 分 为 ， 单 轴 应 变 片 和 多 轴 应 变 片 。n 按 基 底 材 料 可 分 为 ； 纸 质 应 变 片 、 胶 基 应 变 片 、 金 属 基 底 应 变 片 、浸 胶 基 应 变 片 。n 按 制 栅 工 艺 可 分 为 ： 丝 绕 式 应 变 片 、 短 接 式 应 变 片 、 箔 式 应 变 片 、薄 膜 式 应 变 片 。n 按 使 用 温 度 可 分 为 ： 低 温 应 变 片 (一 30 以 下 )、 常 温 应 变 片 (一 30一 60 )、 中 温 应 变 片 (60350)、 高 温 应 变 片 (350以 上 )。n 按 安 装 方 式 可 分 为 ： 粘 贴 式 应 变 片 、 焊 接 式 应 变 片 、 喷 涂 式 应 变片 、 埋 人 式 应 变 片 。 n 按 用 途 可 分 为 ： 一 般 用 途 应 变 片 、 特 殊 用 途 应 变 片 (水 、 疲 劳 寿 命 、抗 磁 感 应 、 裂 缝 扩 展 等 ）n 按 制 造 工 艺 分 为 ： 体 型 半 导 体 应 变 片 、 扩 散 型 半 导 体 应 变 片 、 薄膜 型 半 导 体 应 变 片 、 NP元 件 半 导 体 型 应 变 片 。 电 阻 应 变 片 的 结 构 n 金 属 丝 式 n 金 属 箔 式 n 金 属 薄 膜 式 回 线 式短 接 式 电 阻 应 变 片 的 基 本 结 构 丝 绕 式 敏 感 栅 直 径 为 0.025mm左 右 的 合 金 电 阻 丝 制 成 ， 用 来 感 受 应变 ， 是 应 变 片 的 敏 感 元 件 。 基 底 绝 缘 覆 盖 层 保 护 引 线 传 导 信 号 至 测 量 电 路 金 属 电 阻 丝 应 变 片 的 基 本 结 构 1-基 片 ； 2-电 阻 丝 ； 3-覆 盖 层 ； 4-引 出 线 金 属 箔 式 应 变 片 n 在 绝 缘 基 底 上 ， 将 厚 度 为 0.003 0.01mm电 阻 箔 材 ，利 用 照 相 制 板 或 光 刻 腐 蚀 的 方 法 ， 制 成 适 用 于 各 种 需要 的 形 状 箔 式 应 变 片 箔式应变片的外形 箔 式 应 变 片 优 点 （ 1） 尺 寸 准 确 ， 线 条 均 匀 ， 适 应 不 同 的 测 量 要 求 （ 2） 可 制 成 多 种 复 杂 形 状 尺 寸 准 确 的 敏 感 栅 （ 3） 与 被 测 试 件 接 触 面 积 大 ， 粘 结 性 能 好 。 散 热 条 件 好 ， 允 许 电 流 大 ， 灵 敏 度 提 高 。（ 4） 横 向 效 应 可 以 忽 略 。（ 5） 蠕 变 、 机 械 滞 后 小 ， 疲 劳 寿 命 长 。 缺 点 ： 电 阻 值 的 分 散 性 大 阻 值 调 整 n 采 用 真 空 蒸 发 或 真 空 沉 积 等 方 法 在 薄 的 绝 缘 基 片 上 形成 厚 度 在 0.1m以 下 的 金 属 电 阻 材 料 薄 膜 敏 感 栅 ， 再加 上 保 护 层 ， 易 实 现 工 业 化 批 量 生 产 n 优 点 ： 应 变 灵 敏 系 数 大 ， 允 许 电 流 密 度 大 ， 工 作 范 围广 ， 易 实 现 工 业 化 生 产n 问 题 ： 难 控 制 电 阻 与 温 度 和 时 间 的 变 化 关 系 金 属 薄 膜 应 变 片 半 导 体 电 阻 应 变 片n 压 阻 效 应 ： 对 半 导 体 材 料 施 加 载 荷 产 生 应 力 时 ， 电 阻 率会 产 生 变 化n 半 导 体 应 变 片 三 种 形 式 ：n 体 型 半 导 体 应 变 片 ： 将 半 导 体 材 料 硅 或 锗 晶 体 按 一 定方 向 切 割 成 片 状 小 条 ， 经 腐 蚀 压 焊 粘 贴 在 基 片 上 而 制成 的 应 变 片 。n 薄 膜 型 半 导 体 应 变 片 是 利 用 真 空 沉 积 技 术 将 半 导 体材 料 沉 积 在 带 有 绝 缘 层 的 试 件 上 而 成 。n 扩 散 型 半 导 体 应 变 片 是 将 P型 杂 质 扩 散 到 N型 硅 单 晶基 底 上 ， 形 成 一 层 极 薄 的 P型 导 电 层 ， 再 通 过 超 声 波和 热 压 焊 法 接 上 引 出 线 。n 半 导 体 应 变 片 与 金 属 电 阻 应 变 片 相 比 其 灵 敏 度 高 50一 70倍 ， 另 外 ， 其 横 向 效 应 和 机 械 滞 后 小 。 n 温 度 稳 定 性 差 ， 在 较 大 应 变 下 ， 灵 敏 度 非 线 性 误 差 大 。 电 阻 应 变 式 传 感 器 的 测 量 电 路n 通 常 可 以 通 过 电 桥 将 电 阻 的 变 化 转 变 成 电 压 或 电 流 信号 。n 常 用 的 全 桥 电 路n 假 设 电 桥 的 输 入 电 源 内 阻 为 零 ， 输 出 为 空 载 。n 基 于 上 面 的 假 设 ， 电 桥 的 输 出 电 压 为 U0=UAB= UAC- UCB ERRRR RRRRERR RRR RU 4321 324143 321 10 电 桥 平 衡 指 电 桥 的 输 出 电 压 U0为 零 。此 时 若 AB间 装 有 检 流 计 则 检 流 计 的 指示 为 零 。 根 据 上 式 ， 平 衡 条 件 为 ：R1R4=R2R3 电 阻 应 变 式 传 感 器 的 测 量 电 路n 设 单 臂 受 载 ， 即 仅 R1为 应 变 片 ， 此 时 R1 R1+R1 ERRRR RRRRERR RRR RU 4321 324143 321 10 ERRRRRR RRRRERR RRRR RRU 341211 113443 3211 110 11)(代 入得 到设 桥 臂 比 为 R2/R1=n， 由 于 R1 R1, 则 分 母 中 R1/R1可忽 略 。 同 时 考 虑 到 初 始 电 桥 平 衡 ， 即 R1R4=R2R3,则 有 ERRnnU 1120 1 电 桥 的 灵 敏 度 定 义 为 EnnRRUKv 211 0 1/ Kv的 特 征 ： 1） 正 比 于 电 桥 供 电 电 压 E， 但 以 应 变 片 允 许 功 耗 为 限 ； 2） 桥 比 n的 函 数 ， 当 n=1时 ， Kv有 最 大 值 。 电 容 式 传 感 器 电 容 式 传 感 器 的 工 作 原 理 改 变 A、 d、 三 个 参 量 中 的 任 意 一 个 量 ， 均 可 使 平 板 电 容 的电 容 量 C 改 变 。 固 定 三 个 参 量 中 的 两 个 ， 可 以 做 成 变 面 积 、 变 极 距 、 变 介 电常 数 三 种 类 型 的 电 容 传 感 器 。 0 rAAC d d 电 容 传 感 器 的 理 想 公 式 为A极 板 的 有 效 面 积 ； d极 板 间 距 离 ； 0真 空 介 电 常 数 ； r极 板间 相 对 介 电 常 数 变面积式电容传感器 图 a是 平 板 形 直 线 位 移 式 结 构 ， 其 中 极 板 1可 以 左 右 移 动 ， 称 为 动 极 板 。 极板 2固 定 不 动 ， 称 为 定 极 板 。 图 b是 同 心 圆 筒 形 变 面 积 式 传 感 器 。 外 圆 筒 不 动 ， 内 圆 筒 在 外 圆 筒 内 作 上 、下 直 线 运 动 。 图 c是 一 个 角 位 移 式 的 结 构 。 极 板 2的 轴 由 被 测 物 体 带 动 而 旋 转 一 个 角 位 移 度 时 ， 两 极 板 的 遮 盖 面 积 A就 减 小 ， 因 而 电 容 量 也 随 之 减 小 。 平 板 式 变 面 积 电 容 传 感 器当 动 极 板 相 对 于 定 极 板 沿 着 宽 度方 向 平 移 时 （ 原 理 重 复 a） ， 其 电容 变 化 量 化 为 00 00 ( )r rrC C Cab a x bd db xd C与 x间 呈 线 性 关 系 角 位 移 变 面 积 电 容 式 传 感 器 0 000 d sC r 0 0 0 00(1 )rsC C Cd 当 =0时 当 0时传 感 器 电 容 量 C与 角 位 移 间 呈 线 性 关 系 变面积式电容传感器的特性 变 面 积 式 电 容 传 感 器 的 输 出 特 性 是 线 性 的 ， 灵 敏 度 是常 数 。 这 一 类 传 感 器 多 用 于 检 测 直 线 位 移 、 角 位 移 、 尺 寸等 参 量 。 变 极 距 型 电 容 传 感 器 221 ddddddddCCd sC r 0若 d/d1时 ， 则 上 式 可 用 泰 勒 级 数 展 开 得若 极 距 缩 小 d 则 电 容 增 加初 始 电 容 ddCdd sCC r 10 ddddCC /1 1等 式 两 边 同 除 以 C得 到略 去 高 次 非 线 性 项 得 近 似 线 性 关 系 和 灵 敏 度 Kc为ddCC ddCCK 1/c Kc表 示 单 位 位 移 引 起 的 电 容 量 相对 变 化 的 大 小 。特 点 ： 1） 只 有 d 很 小 时 ， 才 有 近 似 的 线 性 输 出 ； 2） d 越 小 ， 灵 敏 度 越 高 ； 3） d过 小 非 线 性 误 差 增 大 ， 同 时 易 于 击 穿 ； 4） 引 入 差 动 变 极 距 型 电 容 传 感 器 差 动 变 极 距 型 电 容 传 感 器d1d2 上 下 为 定 极 板 ， 中 间 位 动 极 板 ， 初 始 时 d1=d2=d, C1=C2=C0, 中 间 极 板 上 移 d后特 点 ： 灵 敏 度 提高 1倍 ， 非 线 性 误差 降 低 。 静 电 引力 影 响 降 低 。 变 介 电 常 数 型 电 容 传 感 器 因 为 各 种 介 质 的 相 对 介 电 常 数 不 同 ， 所 以 在 电 容 器 两 极板 间 插 入 不 同 介 质 时 ， 电 容 器 的 电 容 量 也 就 不 同 。表5-1 几种介质的相对介电常数 变 介 电 常 数 型 电 容 传 感 器 dDhCdDhdDHdDhHdDhC ln )(2ln )(2ln2ln )(2ln2 1011 dD HC ln20 初 始 电 容 电 容 式 液 位 传 感 器 电 容 与 液 位 的 关 系 为 ： 可 见 ， 传 感 器 的 电 容 量 正 比 于 液位 的 高 度 h 0 2010021 )( d LLLbCCC rr 当 L=0时 ， 若 传 感 器 的 初 始 电 容 0 0000 00100 d bLd bLC r b0为 极 板 的 宽 度 1 1r 当 被 测 电 介 质 进 入 极 板 间 L深 度 后 ， 引 起 电 容 相 对 变 化 量 为 020 00 )1( L LCCCCC r 电 容 变 化 量 与 电 介 质 移 动量 L呈 线 性 关 系 变 极 距 (） 型 : (a)、 (e) 变 面 积 型 (S)型 : (b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g) （ h） 变 介 电 常 数 ( )型 : （ i） (l) 电 容 式 传 感 器 测 量 电 路n 被 测 位 移 量 转 化 为 电 容 量 的 变 化 ， C较 小n 需 要 测 量 电 路 检 测 ， 并 转 换 成 电 压 、 电 流 或 频 率n 常 用 的 有 电 桥 式 、 运 算 放 大 器 式 、 调 频 式 、 差 动 脉 冲宽 度 调 制 式 。n 桥 式原 理 ： 电 容 传 感 器 作 为 桥 路 的 一 部 分 ， 差 动 电 容 C1、 C2作 为 相 邻两 臂 接 人 电 桥 ， 另 一 相 邻 两 臂 为 电 感 ， 构 成 电 容 传 感 器 变 压 器 电桥 。 电 桥 的 输 出 是 调 幅 波 ， 经 交 流 放 大 后 ， 需 经 过 相 敏 解 调 和 滤 波 便 可 得 到 与 电 容 量 变 化 相 应 的 直 流 电 压 输 出 。 电 容 式 传 感 器 测 量 电 路n 运 算 放 大 器 式 iX UCCU 00 iUACU 0 00 原 理 ： 将 变 极 距 型 电 容 传 感器 作 为 运 算 放 大 器 的 反 馈 环节 。 根 据 运 算 器 的 运 算 关 系 ：若 激 励 电 压 U i与 输 入 电 容 C0不 变 ， 则 输 出电 压 U0与 极 距 成 线 性 关 系 。 常 用 于 位移 测 量 电 容 式 传 感 器 测 量 电 路n 调 频 电 路原 理 ： 电 容 式 传 感 器 作 为 调 频 振 荡 器 中 谐 振 回 路 的 一 部 分 。当 物 体 的 振 动 位 移 作 为 输 入 量 时 便 引 起 电 容 传 感 器 的 电 容量 发 生 相 应 的 变 化 ， 导 致 振 荡 器 的 振 动 频 率 的 变 化 并 输 出相 应 的 调 频 波 ， 再 由 鉴 频 器 转 换 为 相 应 的 电 压 变 化 ， 最 后放 大 输 出 。特 点 ： 抗 干 扰 性 强 、 灵 敏 度 高 等 优 点 ， 可 测 0.01微 米 的 位移 变 化 量 。 缺 点 是 电 缆 的 分 布 电 容 影 响 大 。 电 感 式 传 感 器依 据 的 物 理 效 应利 用 线 圈 电 感 或 互 感 的 改 变 来 实 现 非 电 量 电 测 ，它 可 以 把 输 入 的 各 种 的 机 械 物 理 量 如 位 移 、 振动 、 压 力 、 应 变 、 流 量 、 比 重 等 参 数 转 换 成 电量 输 出 。特 点1） 结 构 简 单 ， 无 活 动 电 触 点 ， 可 靠 寿 命 长 ；2） 灵 敏 度 和 分 辨 率 高 ， 电 压 每 毫 米 位 移 可 达数 百 毫 伏 输 出 ；3） 线 性 度 、 重 复 性 和 稳 定 性 较 好 。 电 感 传 感 器 工 作 原 理 线 圈 电 感 线 圈 总 磁 链 ,单 位 ： 韦 伯 ；I通 过 线 圈 的 电 流 ， 单 位 ： 安 培 ；N线 圈 的 匝 数 ； 磁 通 ； =NIS/l, 为 磁 导 率 ， S为 磁 路 的 截 面 积 ， l 磁 路 总 长 度 ，Rm磁 路 总 磁 阻 ， Rm= l/ S： 1/亨 。mRNINIL 2忽 略 铁 芯 衔 铁 的 磁 阻 有 0 0022 2l SNRNL m S0-气 隙 截 面 积 ；0空 气 磁 导 率原 理 ： 只 要 被 测 非 电 量 能 够 引 起 空 气 间 隙 长 度 l0或 截 面 积 S0发 生 变 化 ， L就 会 变 化 。类 型 ： 气 隙 型 、 截 面 型 、 螺 管 型 变 气 隙 式 电 感 传 感 器 特 性 2 022 SNRNL m L与 之 间 是 非 线 性 关 系 变 面 积 式 （ 截 面 ） 电 感 传 感 器n 气 隙 长 度 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 自 感 L=f（ S） ,且 成 线 性 关 系 。 由 于 漏 感 ， S 0时 ， L并 不 绝 对 为 零 。 特 点 ： 1)线 性 度 较 好 ， 量 程 较 大 ； 2)与 变 气 隙 式 传 感 器 相 比 ， 灵 敏 度 降 低 。 SLO变 面 积 式 电 感 传 感 器 输 出 特 性 螺 线 管 式 电 感 传 感 器由 于 线 圈 内 磁 场 强 度 沿 轴 线 分 布 不 均 匀 。 所 以 实 际 上它 的 输 出 仍 有 非 线 性 。 由 一 柱 型 衔 铁 插 入 螺 管 圈 内 构 成 。 其 衔 铁 随 被 测 对 象 移动 ， 线 圈 磁 力 线 路 径 上 的 磁 阻 发 生 变 化 ， 线 圈 电 感 量 也因 此 而 变 化 。 iaam Urllrl nL 14 22 22 L： 线 圈 长 度 ， R： 线 圈 平 均 半 径 ， n： 线 圈 匝 数 ， la：衔 铁 进 入 线 圈 长 度 ， ra： 衔 铁 半 径 ， m： 铁 芯 有 效磁 导 率特 点 ： 1)灵 敏 度 较 低 ； 2)量 程 大 ； 3)结 构 简 单 ， 使 用 最 广 泛 。 电 感 传 感 器 的 比 较 灵 敏 度 高 ， 但 非 线 性 严 重 ， 为 了 限 制 线 形 误 差 ，示 值 范 围 不 能 太 宽 ， 衔 铁 自 由 行 程 小 ； 有 较 好 的 线 性 ， 示 值 范 围 和 自 由 行 程 都 较 宽 容 易 制 造 和 装 配 ， 示 值 范 围 和 自 由 行 程 均 较 大 ，但 灵 敏 度 低 。 差 动 电 感 传 感 器三 种 类 型 传 感 器 的 缺 点 ：n 线 圈 中 流 过 负 载 的 电 流 不 等 于 零 ， 存 在 起 始 电 流 ， 非线 性 较 大 ；n 电 磁 吸 力 一 直 作 用 于 活 动 衔 铁 ；n 易 受 外 界 干 扰 的 影 响 ， 如 电 源 电 压 和 频 率 的 波 动 、 温度 变 化 等 都 将 使 输 出 产 生 误 差 。不 适 用 于 精 密 测 量 ， 只 用 在 一 些 继 电 信 号 装 置 。 在 实 际应 用 中 ， 广 泛 采 用 的 是 将 两 个 电 感 式 传 感 器 组 合 在 一起 ， 形 成 差 动 式 传 感 器 。 当 铁 芯 移 动 （ 如 右 移 ） 后 ， 使 右 边 电 感 值 增 加 ， 左 边 电 感 值 减 小 l xlrrl NrL ccr 22021 11 l xlrrl NrL ccr 22022 11 根 据 以 上 两 式 ， 可 以 求 得 每 只 线 圈 的 灵 敏 度 为 2 2202121 1l rNdxdLdxdLkk cr 两 只 线 圈 的 灵 敏 度 大 小 相 等 ， 符 号 相 反 ， 具 有 差 动 特 征 。 差 动 螺 管 式 电 感 传 感 器 变 气 隙 式 差 动 电 感 传 感 器n 两 只 完 全 对 称 的 单 个 自 感 传 感 器 合 用 一 个 活 动 衔 铁 ，传 感 器 的 两 只 电 感 线 圈 接 成 交 流 电 桥 的 相 邻 桥 臂 ， 另外 两 只 桥 臂 由 电 阻 组 成 ， 构 成 交 流 电 桥 的 四 个 臂 ， 供桥 电 源 为 UAC。 (交 流 )， 桥 路 输 出 为 交 流 电 压 U0.n 初 始 状 态 时 ， 衔 铁 位 于 中 间 位 置 ， 两 边 气 隙 宽 度 相 等 ，两 只 线 圈 电 感 量 相 等 ， 接 在 电 桥 相 邻 臂 上 ， 电 桥 输 出U0 0， 即 电 桥 处 于 平 衡 状 态 。当 衔 铁 移 动 时 ， 造 成 两 边 气 隙 宽 度 不 一 样 ， 使 两 只 线圈 的 电 感 量 一 增 一 减 ， 电 桥 不 平 衡 ， 电 桥 输 出 电 压 的大 小 与 衔 铁 移 动 的 大 小 成 比 例 ， 其 相 位 则 与 衔 铁 移 动量 的 方 向 有 关 。 因 此 ， 只 要 能 测 量 出 输 出 电 压 的 大 小和 相 位 ， 就 可 决 定 衔 铁 位 移 的 大 小 和 方 向 ， 衔 铁 带 动 连 动 机 构 就 可 以 测 量 多 种 非 电 量 ， 如 位 移 、 液 面 高 度等 。 差 动 自 感 传 感 器 不 仅 可 使 灵 敏 度 提 高 一 倍 ， 而 且使 非 线 性 误 差 大 为 减 小 ， 当 单 边 式 非 线 性 误 差 为 10时 ， 差 动 式 非 线 性 误 差 可 小 于 1 。 互 感 式 电 感 传 感 器 （ 差 动 变 压 器 ）n 结 构 和 原 理 ： 由 可 动 铁 芯 和原 、 次 级 线 圈 构 成 。 初 级 线圈 接 入 交 流 电 时 ， 次 级 线 圈因 互 感 作 用 产 生 感 应 电 动 势 ，当 互 感 变 化 时 ， 输 出 电 势 亦发 生 变 化 。n 由 于 两 个 次 级 线 圈 常 接 成 差动 的 形 式 ， 故 又 称 为 差 动 变压 器 式 电 感 传 感 器 ， 简 称 差动 变 压 嚣当 原 线 圈 加 上 交 流 电 压 后 ， 次 级 线 圈 产 生感 应 电 动 势 e1、 e2,其 大 小 和 铁 芯 位 置 有 关 ，并 有 按 如 图 反 极 性 串 联 两 次 极 线 圈 ， 则 输 出 电 势 e0=e1-e2 dtdiMe M 初 级 线 圈 与 次 极 线 圈 之 间 互 感当 铁 芯 移 动 时 ， M1M2,e1 e2,随移 动 距 离 加 大 ， e0逐 渐 增 大 ， 见 上图 。 互 感 式 电 感 传 感 器 测 量 电 路 差 动 变 压 器 的 输 出 是 一 个 调 幅 波 ， 且存 在 一 定 的 零 点 残 余 电 压 ， 因 此 为 了 判别 铁 芯 移 动 的 大 小 和 方 向 ， 必 须 进 行 解调 和 滤 波 另 外 ， 为 消 除 零 点 残 余 电 压的 影 响 ， 差 动 变 压 器 的 后 接 电 路 常 采 用差 动 整 流 电 路 和 相 敏 检 波 电 路 差 动 整流 电 路 就 是 把 差 动 变 压 器 的 两 个 次 级 线圈 的 感 应 电 动 势 分 别 整 流 ， 然 后 将 整 流后 的 两 个 电 压 或 电 流 的 差 值 作 为 输 出 。U 0=uab+ucd =uab-udc铁 芯 零 位 时 U0=0上 下 移 动 时 ， 零点 残 余 电 压 抵 消 。故 精 度 、 灵 敏 度高 、 线 性 度 大 。 磁 电 式 传 感 器n 原 理 ： 通 过 电 磁 感 应 原 理 作 用 将 被 测 量 （ 如 振 动 、转 速 、 扭 矩 ） 转 换 成 电 势 信 号 。利 用 导 体 和 磁 场 发 生 相 对 运 动 而 在 导 体 两 端 输 出感 应 电 势 ， 又 称 有 源 型 传 感 器n 特 点 ： 不 需 要 供 电 电 源 ， 电 路 简 单 ， 性 能 稳 定 ，输 出 阻 抗 小n 类 型 ： 磁 电 感 应 式 ； 变 磁 阻 式 法 拉 第 电 磁 感 应 定 律 ： dtdkE k为 比 例 系 数 ， E为 感 应 电 势 ， 为 磁 通 。 当 E的 单位 为 伏 特 （ V） ， 的 单 位 为 韦 伯 （ Wb） ， t的 单位 为 秒 （ s） 时 ， k 1， 这 时 感 应 电 势 为 ： dtdE 磁电感应式传感器的工作原理如 果 在 线 圈 运 动 部 分 的 磁 场 强 度 B是 均 匀 的 ，则 当 线 圈 与 磁 场 的 相 对 速 度 为 时 ， 线 圈 的 感 应 电 动 势 ： la线 圈 长 度 ， 为 运 动 方 向 与 磁 场 方 向 间 夹 角 ， 当 90 ，线 圈 的 感 应 电 动 势 为 ： aNBlE 当 N、 B和 la恒 定 不 变 时 ， E与 =dx/dt成 正 比 ，根 据 感 应 电 动 势 E的 大 小 就 可 以 知 道 被 测 速 度 的 大 小 。 sinsin aa NBldtdxNBlE 磁电感应式传感器的工作原理 sinsin NBSdtdNBlE a 如 果 线 圈 相 对 磁 场 作 旋 转 运 动 切 割 磁 力 线 ， 则 感 应 电 动 势S每 匝 线 圈 的 截 面 积 ， =d /dt,旋 转 运 动 的 相 对 角 速 度 。当 90 ， 线 圈 的 感 应 电 动 势 为 ：当 N、 B和 S恒 定 不 变 时 ， E与 转 动 速 度 成 正 比 ，根 据 感 应 电 动 势 E的 大 小 就 可 以 知 道 被 测 转 速 度 的 大 小 。 NBSdtdNBSE 90sin 不 同 类 型 的 磁 电 式 传 感 器磁 通 量 的 变 化 实 现 办 法 : 磁 铁 与 线 圈 之 间 做 相 对 运 动 ； 磁 路 中 磁 阻 的 变 化 ； 恒 定 磁 场 中 线 圈 面 积 的 变 化 . 可 做 成 恒 磁 通 的 动 圈 式 和 动 铁 式 传 感 器 或 变 磁 通 （ 磁 阻 ） 的 传 感 器 ， 又 分 开 磁 路 式 和 闭 磁 路 式应 用 n 测 定 速 度n 在 信 号 调 节 电 路 中 接 积 分 电 路 ， 可 测 量 位 移n 在 信 号 调 节 电 路 中 接 微 分 电 路 ， 可 测 加 速 度 动 圈 式 磁 电 传 感 器 原 理图 5.1.1 动 圈 式 磁 电 传 感 器 原 理 图 动 圈 式 磁 电 传 感 器 结 构磁 电 式 传 感 器 构 成 ： 1、 磁 路 系 统 由 它 产 生 恒 定 直 流 磁 场 。 为 了 减 小 传 感 器 的 体 积 ， 一 般都 采 用 永 久 磁 铁 ； 2、 线 圈 由 它 运 动 切 割 磁 力 线 产 生 感 应 电 动 势 。 作 为 一 个 完 整的 磁 电 式 传 感 器 ， 除 了 磁 路 系 统 和 线 圈 外 ， 还 有 一 些其 它 元 件 ， 如 壳 体 、 支 承 、 阻 尼 器 、 接 线 装 置 等 。 磁 电 式 振 动 传 感 器 的 结 构 原 理 n 该 传 感 器 在 使 用 时 ， 把 它 与 被 测 物 体 紧 固 在 一 起 ， 当 物 体 振动 时 ， 传 感 器 外 壳 随 之 振 动 ， 此 时 线 圈 、 阻 尼 环 和 芯 杆 的 整体 由 于 惯 性 而 不 随 之 振 动 ， 因 此 它 们 与 壳 体 产 生 相 对 运 动 ，位 于 磁 路 气 隙 间 的 线 圈 就 切 割 磁 力 线 ， 于 是 线 圈 就 产 生 正 比于 振 动 速 度 的 感 应 电 动 势 。 该 电 动 势 与 速 度 成 一 一 对 应 关 系 ，可 直 接 测 量 速 度 ， 经 过 积 分 或 微 分 电 路 便 可 测 量 位 移 或 加 速度 。 磁 电 式 振 动 传 感 器 变 磁 阻 （ 通 ） 式 磁 电 传 感 器n 特 点 ： 线 圈 和 磁 铁 部 分 都 是 静 止 的 ， 与 被 测 物 连 接而 运 动 的 部 分 是 用 导 磁 材 料 制 成 的 ， 在 运 动 中 ， 它们 改 变 磁 路 的 磁 阻 ， 因 而 改 变 贯 穿 线 圈 的 磁 通 量 ，在 线 圈 中 产 生 感 应 电 动 势 。n 目 的 ： 用 来 测 量 转 速 ， 线 圈 中 产 生 感 应 电 动 势 的 频率 作 为 输 出 ， 而 感 应 电 动 势 的 频 率 取 决 于 磁 通 变 化的 频 率 。n 结 构 ： 开 磁 路 、 闭 磁 路 开 磁 路 磁 阻 式 转 速 传 感 器 1 永 久 磁 铁3 感 应 线 圈2 软 铁4 齿 轮 60/Znf 结 构 比 较 简 单 ， 但 输 出 信 号 较 小 ，当 被 测 轴 振 动 较 大 时 ， 传 感 器 输 出 波 形 失 真 较 大 。 闭 磁 路 磁 阻 式 转 速 传 感 器 闭磁路磁组式转速传感器 内 、 外 齿 轮 的 齿 数 相 同 ，当 转 轴 联 结 到 被 测 轴 上与 被 测 轴 一 起 转 动 时 ，内 外 齿 轮 的 相 对 运 动 使磁 路 气 隙 发 生 变 化 ， 因而 磁 阻 发 生 变 化 并 使 贯穿 于 线 圈 的 磁 通 量 变 化 ，在 线 圈 中 感 应 出 电 势 。与 开 磁 路 情 况 相 同 ， 也可 通 过 感 应 电 动 势 频 率测 量 转 速 。 1、 转 轴 ； 2、 内 齿 轮 ； 3、 外 齿 轮 ； 4、 线 圈 ； 5、 永 久 磁 铁 磁 阻 式 转 速 传 感 器 特 点 ： 传 感 器 的 输 出 电 势 取 决 于 线 圈 中 磁 场 变 化 速 度 ， 因 而 它是 与 被 测 速 度 成 一 定 比 例 关 系 的 。 当 转 速 太 低 时 ， 输 出电 势 很 小 ， 以 致 无 法 测 量 。 所 以 这 种 传 感 器 有 一 个 下 限工 作 频 率 ， 一 般 为 50H z左 右 ， 闭 磁 路 转 速 传 感 器 的 下 限频 率 可 降 低 到 30H z左 右 。 其 上 限 工 作 频 率 可 达 100H z。 The End！