1、2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,1,07傳感器及應(yīng)用,第4章 電位器、電感及電容式傳感器 本章介紹的傳感器是利用:被測(cè)量改變時(shí)引起傳感器的電阻量、電容量或磁路的磁阻等的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)非電量的檢測(cè)。 統(tǒng)稱(chēng)變阻抗式傳感器。 大都屬于結(jié)構(gòu)型傳感器。,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,2,4.1.1電位器式傳感器工作原理 1.電位器的結(jié)構(gòu) 電位器是一種可變電阻，有兩個(gè)固定端，和一個(gè)滑動(dòng)端（電刷） 電刷在電阻體表面滑動(dòng)引起電阻改變 將非電量的變化轉(zhuǎn)變成電量（電壓或電流）的變化,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,3,線(xiàn)性電位器的電阻變化值R或電壓降U與滑臂的移動(dòng)距

2、離x或轉(zhuǎn)動(dòng)角度成正比 對(duì)于位移 若是轉(zhuǎn)動(dòng)角度，則,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,4,2.電位器傳感器的特性,（1）靈敏度 對(duì)于如下結(jié)構(gòu)的電位器計(jì)算其靈敏度：,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,5,電位器的輸入量是電刷的位移x，輸出量是電阻R，其靈敏度S為 在x處，電位器骨架的寬度和高度分別為b(x)和h(x)，匝與匝間距離為t(x)，繞線(xiàn)的截面積為A，繞線(xiàn)的電阻率為。,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,6,在x微段上，有x / t(x)匝導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度為2b(x)+h(x) x / t(x) ，所對(duì)應(yīng)的電阻為,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用

3、第4章講稿,7,線(xiàn)性線(xiàn)電位器的電阻靈敏度與電壓靈敏度分別表示為,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,8,（2）階梯特性,對(duì)于線(xiàn)繞電位器即使電刷在傳感器上滑動(dòng)是連續(xù)的，但它與導(dǎo)線(xiàn)的接觸仍是以一匝一匝為單位移動(dòng)的，而不是連續(xù)的 電位器的輸出特性不是一條光滑的曲線(xiàn)，而是一條如階梯狀的拆線(xiàn) 電刷每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，輸出電壓就有一個(gè)微小的跳躍,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,9,當(dāng)電位器有W匝時(shí)，就有W次跳躍。 這就是電位器傳感器的階躍特性。 線(xiàn)繞式傳感器階躍特性會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，稱(chēng)階梯誤差。,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,10,（3）分辨力,分辨力是傳感器檢測(cè)微

4、小變化的能力 對(duì)電位器傳感器來(lái)說(shuō)，電位器所能反映的輸入量最小變化（ 線(xiàn)徑d）就是分辨力 線(xiàn)徑越細(xì)，分辨率就越好 要提高傳感器的精度（d/Xmax），就要減少繞線(xiàn)的直徑,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,11,3.非線(xiàn)性電位器,指在空載時(shí)其輸出電壓（電阻）與電行程間是特定函數(shù)關(guān)系（如指數(shù)、對(duì)數(shù)、三角函數(shù)或其它） 這是為滿(mǎn)足特定的測(cè)控系統(tǒng)要求而設(shè)計(jì)的 4.結(jié)構(gòu)與材料 電位器傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性和壽命等與傳感器的結(jié)構(gòu)、選用材料和工藝是密不可分的 不同需要會(huì)采用不用材料。常用的線(xiàn)繞電位器由電阻率溫度系數(shù)很小的、穩(wěn)定性好的電阻絲繞成,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,12,

5、5.非線(xiàn)繞式電位器傳感器 大多數(shù)電位器式傳感器大都采用線(xiàn)繞式，優(yōu)點(diǎn)是比較穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)所要求的變換特性；缺點(diǎn)是存在階梯誤差和分辨率低、耐磨性差，壽命短和功耗大 非線(xiàn)繞電位器有合成膜、金屬膜、導(dǎo)電塑料和導(dǎo)電玻璃釉電位器，具有分辨率高，耐磨、壽命長(zhǎng)、校準(zhǔn)容易的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是受溫度、濕度變化影響大，較難實(shí)現(xiàn)高精度,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,13,4.1.2 電位器式傳感器的應(yīng)用,主要測(cè)量位移，通過(guò)其它敏感元件（膜片、膜盒、彈簧管等）轉(zhuǎn)換也可測(cè)量壓力、加速度等 1.電位器式位移傳感器 利用位移（轉(zhuǎn)角）與電壓間的關(guān)系，將非電信息轉(zhuǎn)換成電壓，就可能測(cè)量距離或轉(zhuǎn)角 電位器式傳感器可以測(cè)量

6、幾米到幾十米的位移或幾乎到360角度,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,14,圖4.4是推桿式位移傳感器，電位器的阻值1500，可測(cè)量5299mm位移，使用溫度為50，濕度98%RH和頻率300Hz以?xún)?nèi)， 300m/s2的振動(dòng)加速度條件下，精度為2%,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,15,2.電位移式壓力傳感器,圖4.5是一個(gè)電位移式壓力傳感器 敏感元件是膜盒，通入被測(cè)流體后在流體作用下中心產(chǎn)生彈性位移，推動(dòng)連桿上行，使曲柄帶動(dòng)電位器的電刷，在繞組上滑動(dòng)，輸出與壓力相關(guān)的電信號(hào),2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,16,3.電位器式加速度傳感器,圖4.

7、6為電位器式加速度傳感器 慣性塊在加速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正比于加速度的位移，引起電刷在電阻體上滑動(dòng)，輸出一個(gè)與加速度成比例的電壓信號(hào),2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,17,電位器式加速度傳感器優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉 性能穩(wěn)定，能承受惡劣環(huán)境條件 輸出信號(hào)大 因此目前在火箭上仍被采用 缺點(diǎn)是： 精度不高 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差 不適于 測(cè)量快速變化量,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,18,4.2電感式傳感器,將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈自感或互感的變化來(lái)測(cè)量非電量的一種裝置 4.2.1 自感式傳感器 1.工作原理 圖4.7為自感式傳感器,2020/7/28,07傳感器

8、及應(yīng)用第4章講稿,19,鐵心與銜鐵的初始距為，線(xiàn)圈的匝數(shù)為N 由電感定義可得 L=N/I N為匝數(shù) 為磁通 L為電感,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,20,磁通的表示式為： 電感表示式為： Ai為各段導(dǎo)磁材料的截面積，Rmi為第i段的磁阻，li為第i段的平均長(zhǎng)度，i為第i段的磁導(dǎo)率，n為磁路的段數(shù) 當(dāng)線(xiàn)圈的匝數(shù)一定時(shí)，磁路的幾何尺寸發(fā)生變化導(dǎo)致電感的改變，這就是設(shè)計(jì)傳感器的依據(jù),2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,21,2.類(lèi)型,自感式傳感器有三種： 變間隙型；變面積型和螺旋插鐵型 變間隙型傳感器靈敏度最高，靈敏隨氣隙的增大而減小，非線(xiàn)性誤差大。為了增加靈敏度減小非

9、線(xiàn)性，量程必需做得很?。ㄩg隙的1/5)，因此制作比較困難 變面積型傳感器靈敏度比變間隙型低，但理論靈敏度為一常數(shù)，線(xiàn)性度好量程大，使用廣泛 螺旋插鐵型傳感器量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，應(yīng)用也較普及,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,22,3.自感式傳感器的測(cè)量電路,非電量信息經(jīng)轉(zhuǎn)換成互感變化后再通過(guò)電路將它轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出 常用的電路有： （1）調(diào)幅電路 變壓器電路（用電橋），相敏和諧振電路等 （2）調(diào)頻電路 其基本原理是將傳感器電感線(xiàn)圈和固定電容接入一振蕩電路中,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,23,其振蕩頻率為 當(dāng)L變化時(shí)頻率f也隨之變化，根據(jù)f

10、變化的大小可確定L變化的大小，從而測(cè)量到非電信號(hào)的大小和變化 （3）調(diào)相電路 其基本原理是傳感器L的變化會(huì)引起輸出電壓相位的變化,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,24,4.2.2互感式傳感器,1.工作原理 通過(guò)線(xiàn)圈間的互感量M的變化，將非電量轉(zhuǎn)換成電量 根據(jù)變壓器的原理制作故又稱(chēng)變壓器式傳感器 由兩個(gè)或多個(gè)帶鐵心的電感線(xiàn)圈組成，初、次線(xiàn)圈之間的耦合隨銜鐵或兩個(gè)線(xiàn)圈這間的相對(duì)移動(dòng)而改變,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,25,將被測(cè)的位移轉(zhuǎn)換為傳感器的互感變化，而輸出電壓變化值 圖4.8是變壓器式傳感器的原理示意圖 目前應(yīng)用得比較多的是次級(jí)用兩個(gè)繞組，形成一種差動(dòng)結(jié)

11、構(gòu)，如圖b, c,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,26,差動(dòng)結(jié)構(gòu)的變壓器當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)繞組的互感相同。兩個(gè)次級(jí)繞組s1、s2反向串接，輸出電壓為零 當(dāng) s1互感增大， s2互感減小，因而感生電動(dòng)勢(shì)E s1大于E s2，輸出差動(dòng)電壓。在量程內(nèi)，移動(dòng)距離越大，輸出電壓越大 如果銜鐵向次級(jí)繞組s2一邊移動(dòng)時(shí)情況類(lèi)似，不過(guò)差動(dòng)電壓相反。根據(jù)輸出電壓的大小和相位，可知銜鐵位移的大小和方向,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,27,2.差動(dòng)變壓器式傳感器的類(lèi)型,（1）螺管式差動(dòng)變壓器 螺管式差動(dòng)傳感器按繞組排列方式有一節(jié)式、二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式 一節(jié)式靈

12、敏度較高，三節(jié)式的零點(diǎn)誤差較小 螺管式差動(dòng)變壓器由線(xiàn)圈繞組、可移動(dòng)銜鐵和導(dǎo)磁外殼三部分組成 線(xiàn)圈繞組由初、次級(jí)線(xiàn)圈和骨架組成。線(xiàn)圈由高強(qiáng)度漆包線(xiàn)繞制。骨架加工精度要高，尺寸和形狀要求嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)。骨架材料要求高頻耗損小、膨脹系數(shù)小抗?jié)裥阅芎玫慕^緣材料,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,28,（2）型差動(dòng)變壓器,如圖4.10所示，這種變壓器的形鐵心上各有初、次級(jí)繞組，中間銜鐵為平板。這種傳感器靈敏度較高，但可測(cè)量范圍較小 一般可測(cè)移動(dòng)量為幾微米到幾百微米,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,29,可移銜鐵要用導(dǎo)磁性能良好的導(dǎo)磁材料，如工業(yè)純鐵、鐵氧體和坡莫合金等 （3）旋轉(zhuǎn)

13、變壓器式傳感器 這種傳感器不僅可以測(cè)量線(xiàn)位移還可以測(cè)量角位移 旋轉(zhuǎn)式變壓器傳感器常用于測(cè)量角位移,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,30,4.2.3電感式傳感器的應(yīng)用,利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈自感量或互感量的變化，進(jìn)而由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量 有自感式、互感式二種 廣泛應(yīng)用的傳感器，可以用以測(cè)量直線(xiàn)位移、角位移的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)量,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,31,配合一些敏感元件，可做成多種用途的傳感器用于測(cè)量力、壓力轉(zhuǎn)距和加速度 電感式傳感器主要特點(diǎn)有： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠 靈敏度高，能分辨0.01m的位移變化 測(cè)量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定 可實(shí)

14、現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用 主要缺點(diǎn)有： 靈敏度、線(xiàn)性度和測(cè)量范圍相互制約； 自身頻率響應(yīng)低，不適于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,32,圖4.11是間隙電感式氣壓傳感器示意圖。,由膜盒、鐵心、銜鐵及線(xiàn)圈行組成。銜鐵與膜盒上端連在一起 壓力引起膜盒位移，其大小與壓力成比例，銜鐵的移動(dòng)使系統(tǒng)電感變化，于是線(xiàn)圈上感生出與壓力成比例的電流,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,33,圖4.12為差動(dòng)變壓器加速度傳感器 示意圖和測(cè)振電路方框圖。 測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的10倍以上，才能得到精確

15、的結(jié)果 這種傳感器可測(cè)的振幅為0.15mm，振動(dòng)頻率為0150Hz,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,34,圖4.13為微壓力變送器，它是由差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件相結(jié)合而成 接頭感受外力使膜片移動(dòng)，帶動(dòng)銜鐵 在差動(dòng)變壓器中移動(dòng)，由輸出電壓測(cè)定外界壓力,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,35,4.3渦流式傳感器,利用電渦流效應(yīng)原理制作 可以實(shí)現(xiàn)非接觸方式來(lái)測(cè)量導(dǎo)體 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻響寬（從零到幾百Hz），靈敏度高，測(cè)量線(xiàn)性范圍大（300m1000mm)，抗干擾能力強(qiáng)，體積小等特點(diǎn) 在測(cè)控技術(shù)方面有廣泛應(yīng)用,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,36,4.3

16、.1電渦流式傳感器的工作原理,如圖4.14，一個(gè)通有交變電流I1的線(xiàn)圈，在線(xiàn)圈的周?chē)鷮a(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1，當(dāng)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍之內(nèi)時(shí)，導(dǎo)體體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電渦流I2 。此電渦流也會(huì)感生一個(gè)新磁場(chǎng)H2，與方向相反，因而抵消部分原磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致線(xiàn)圈的電感、阻抗和品質(zhì)因素Q發(fā)生變化,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,37,傳感器線(xiàn)圈的阻抗、電感等變化與被測(cè)導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等有關(guān)外，也與線(xiàn)圈的幾何參數(shù)、電流頻率及線(xiàn)圈到導(dǎo)體間距離有關(guān) 電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將位移、溫度等非電量轉(zhuǎn)換為阻抗（或電感的變化，或Q值的變化）從而進(jìn)行非電量測(cè)量 如果控制上述參數(shù)中的一個(gè)變化其余皆

17、保持不變，就可以構(gòu)成測(cè)位移、溫度和硬度等各類(lèi)傳感器,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,38,4.3.2 電渦流式傳感器的應(yīng)用,1.低頻透射式電渦流傳感器 這種傳感器采用低頻激勵(lì)，因而能得到較大的穿深度，可用于檢測(cè)金屬材料的厚度,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,39,由圖4.17可見(jiàn)，由振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓U1加到發(fā)射線(xiàn)圈L1，接收線(xiàn)圈L2上會(huì)感生電壓U2 由于兩線(xiàn)圈間有金屬存在，在金屬上會(huì)感生渦流，阻礙磁場(chǎng)對(duì)線(xiàn)圈的感生電勢(shì) 金屬導(dǎo)體越厚，電流渦流損耗越大，L1的磁力線(xiàn)被抵消和越多，到達(dá)L2的磁力線(xiàn)就越少， U2 也就越小 式中為被測(cè)物厚度 h為貫穿深度 由此可測(cè)金

18、屬厚度,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,40,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,41,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,42,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,43,2.電渦流式溫度傳感器,因?yàn)閷?dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系比較敏感 電渦流傳感器能夠測(cè)量金屬表面溫度或液態(tài)氣態(tài)介質(zhì) 溫度,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,44,如圖4.19所示，這里，金屬作為感溫敏感物，由于溫度變化引起電阻變化，根據(jù)導(dǎo)體短路環(huán)的計(jì)算公式，可以計(jì)算出金屬的電阻率，由此可推算出溫度 這種溫度傳感器具有響應(yīng)速度快，不受水、油及涂料等影響 當(dāng)用0.001

19、5mm厚的鉛作為敏感層時(shí)，這種電渦流傳感器的熱慣性為0.001s,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,45,3.電渦流式壓力傳感器,圖4.20（a）是電渦流壓力傳感器的示意圖，（b）是測(cè)量電路圖 測(cè)量孔接受壓力信號(hào)，上面有一結(jié)構(gòu)完全一樣的線(xiàn)圈。線(xiàn)圈與鈹銅金屬薄片實(shí)現(xiàn)耦合,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,46,它們分別接于電橋的兩臂，沒(méi)有壓力時(shí)電橋平衡。受外力作用后下膜片往后移動(dòng)，使電橋失去平衡?？梢愿鶕?jù)失穩(wěn)程度來(lái)獲得壓力的信息 供電頻率為1MHz，頻響為0250kHz，可測(cè)有壓力的上限為686.5MPa，可分辨上升時(shí)間為2s的沖擊波 具有良好的動(dòng)態(tài)特性，能在核爆炸等

20、惡劣的工作條件下，測(cè)量沖擊波的壓力,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,47,4.4電容式傳感器,利用電容原理將非電量轉(zhuǎn)化為電量 隨著新材料 ，特別是加工技術(shù)的發(fā)展，電容式傳感器的精度、穩(wěn)定性得到很大的提高 頻響寬，應(yīng)用廣，非接觸式的傳感器 在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量等方面得到廣泛的應(yīng)用,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,48,4.4.1電容式傳感器的工作原理,廣泛使用平板式結(jié)構(gòu)與圓筒式結(jié)構(gòu)，如圖4.21所示。 它們的電容量分別為,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,49,把力、加速度、位移及轉(zhuǎn)速等力學(xué)量轉(zhuǎn)換成d、A或l等的變化，從而轉(zhuǎn)換成電容量的變化 電容的變化不便于作為輸出信號(hào)記錄；需通過(guò)測(cè)量電路，將電容變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等信號(hào)輸出 通常將電容傳感器分為三種類(lèi)型： 變間隙型 變面積型 變介電常數(shù)型,2020/7/28,07傳感器及應(yīng)用第4章講稿,50,4.4.2 電容式傳感器的應(yīng)用,1.小撓度緊固膜片電容式壓力傳感器 如圖4.23所示 傳感器