传感器及应用第4章.ppt

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1、2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,1,07传感器及应用,第4章 电位器、电感及电容式传感器本章介绍的传感器是利用:被测量改变时引起传感器的电阻量、电容量或磁路的磁阻等的变化，实现对非电量的检测。统称变阻抗式传感器。大都属于结构型传感器。,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,2,电位器式传感器工作原理1.电位器的结构电位器是一种可变电阻，有两个固定端，和一个滑动端（电刷）电刷在电阻体表面滑动引起电阻改变将非电量的变化转变成电量（电压或电流）的变化,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,3,线性电位器的电阻变化值R或电压降U与滑臂的移动距离x或转动角度成正比对于

2、位移若是转动角度，则,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,4,2.电位器传感器的特性,（1）灵敏度对于如下结构的电位器计算其灵敏度：,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,5,电位器的输入量是电刷的位移x，输出量是电阻R，其灵敏度S为在x处，电位器骨架的宽度和高度分别为b(x)和h(x)，匝与匝间距离为t(x)，绕线的截面积为A，绕线的电阻率为。,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,6,在x微段上，有x/t(x)匝导线，导线的长度为2b(x)+h(x)x/t(x)，所对应的电阻为,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,7,线性线电位器的电阻灵敏度与电

3、压灵敏度分别表示为,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,8,（2）阶梯特性,对于线绕电位器即使电刷在传感器上滑动是连续的，但它与导线的接触仍是以一匝一匝为单位移动的，而不是连续的电位器的输出特性不是一条光滑的曲线，而是一条如阶梯状的拆线电刷每移动一个节距，输出电压就有一个微小的跳跃,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,9,当电位器有W匝时，就有W次跳跃。这就是电位器传感器的阶跃特性。线绕式传感器阶跃特性会带来测量误差，称阶梯误差。,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,10,（3）分辨力,分辨力是传感器检测微小变化的能力对电位器传感器来说，电位器所能反映的输入

4、量最小变化（线径d）就是分辨力线径越细，分辨率就越好要提高传感器的精度（d/Xmax），就要减少绕线的直径,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,11,3.非线性电位器,指在空载时其输出电压（电阻）与电行程间是特定函数关系（如指数、对数、三角函数或其它）这是为满足特定的测控系统要求而设计的4.结构与材料电位器传感器的灵敏度、稳定性和寿命等与传感器的结构、选用材料和工艺是密不可分的不同需要会采用不用材料。常用的线绕电位器由电阻率温度系数很小的、稳定性好的电阻丝绕成,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,12,5.非线绕式电位器传感器大多数电位器式传感器大都采用线绕式，优点是比

5、较稳定、易于实现所要求的变换特性；缺点是存在阶梯误差和分辨率低、耐磨性差，寿命短和功耗大非线绕电位器有合成膜、金属膜、导电塑料和导电玻璃釉电位器，具有分辨率高，耐磨、寿命长、校准容易的优点；缺点是受温度、湿度变化影响大，较难实现高精度,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,13,4.1.2 电位器式传感器的应用,主要测量位移，通过其它敏感元件（膜片、膜盒、弹簧管等）转换也可测量压力、加速度等1.电位器式位移传感器利用位移（转角）与电压间的关系，将非电信息转换成电压，就可能测量距离或转角电位器式传感器可以测量几米到几十米的位移或几乎到360角度,2023/9/21,07传感器及应用第4

6、章讲稿,14,图4.4是推杆式位移传感器，电位器的阻值1500，可测量5299mm位移，使用温度为50，湿度98%RH和频率300Hz以内，300m/s2的振动加速度条件下，精度为2%,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,15,2.电位移式压力传感器,图4.5是一个电位移式压力传感器敏感元件是膜盒，通入被测流体后在流体作用下中心产生弹性位移，推动连杆上行，使曲柄带动电位器的电刷，在绕组上滑动，输出与压力相关的电信号,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,16,3.电位器式加速度传感器,图4.6为电位器式加速度传感器惯性块在加速度的作用下，使片状弹簧产生正比于加速度的位移，

7、引起电刷在电阻体上滑动，输出一个与加速度成比例的电压信号,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,17,电位器式加速度传感器优点：结构简单，价格低廉性能稳定，能承受恶劣环境条件输出信号大因此目前在火箭上仍被采用缺点是：精度不高动态响应较差不适于 测量快速变化量,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,18,4.2电感式传感器,将被测量变化转换成线圈自感或互感的变化来测量非电量的一种装置4.2.1 自感式传感器1.工作原理图4.7为自感式传感器,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,19,铁心与衔铁的初始距为，线圈的匝数为N由电感定义可得 L=N/IN为匝数为磁通L为电

8、感,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,20,磁通的表示式为：电感表示式为：Ai为各段导磁材料的截面积，Rmi为第i段的磁阻，li为第i段的平均长度，i为第i段的磁导率，n为磁路的段数当线圈的匝数一定时，磁路的几何尺寸发生变化导致电感的改变，这就是设计传感器的依据,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,21,2.类型,自感式传感器有三种：变间隙型；变面积型和螺旋插铁型变间隙型传感器灵敏度最高，灵敏随气隙的增大而减小，非线性误差大。为了增加灵敏度减小非线性，量程必需做得很小（间隙的1/5)，因此制作比较困难变面积型传感器灵敏度比变间隙型低，但理论灵敏度为一常数，线性度好量程

9、大，使用广泛螺旋插铁型传感器量程大，灵敏度低，结构简单，使用方便，应用也较普及,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,22,3.自感式传感器的测量电路,非电量信息经转换成互感变化后再通过电路将它转换为电压或电流输出常用的电路有：（1）调幅电路 变压器电路（用电桥），相敏和谐振电路等（2）调频电路 其基本原理是将传感器电感线圈和固定电容接入一振荡电路中,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,23,其振荡频率为 当L变化时频率f也随之变化，根据f变化的大小可确定L变化的大小，从而测量到非电信号的大小和变化（3）调相电路 其基本原理是传感器L的变化会引起输出电压相位的变化,202

10、3/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,24,互感式传感器,1.工作原理通过线圈间的互感量M的变化，将非电量转换成电量根据变压器的原理制作故又称变压器式传感器由两个或多个带铁心的电感线圈组成，初、次线圈之间的耦合随衔铁或两个线圈这间的相对移动而改变,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,25,将被测的位移转换为传感器的互感变化，而输出电压变化值图4.8是变压器式传感器的原理示意图目前应用得比较多的是次级用两个绕组，形成一种差动结构，如图b,c,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,26,差动结构的变压器当衔铁在中间位置时，两个次级绕组的互感相同。两个次级绕组s1、s2反向

11、串接，输出电压为零当 s1互感增大，s2互感减小，因而感生电动势E s1大于E s2，输出差动电压。在量程内，移动距离越大，输出电压越大如果衔铁向次级绕组s2一边移动时情况类似，不过差动电压相反。根据输出电压的大小和相位，可知衔铁位移的大小和方向,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,27,2.差动变压器式传感器的类型,（1）螺管式差动变压器螺管式差动传感器按绕组排列方式有一节式、二节式、三节式、四节式和五节式一节式灵敏度较高，三节式的零点误差较小螺管式差动变压器由线圈绕组、可移动衔铁和导磁外壳三部分组成线圈绕组由初、次级线圈和骨架组成。线圈由高强度漆包线绕制。骨架加工精度要高，尺寸

12、和形状要求严格对称。骨架材料要求高频耗损小、膨胀系数小抗湿性能好的绝缘材料,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,28,（2）型差动变压器,如图4.10所示，这种变压器的形铁心上各有初、次级绕组，中间衔铁为平板。这种传感器灵敏度较高，但可测量范围较小一般可测移动量为几微米到几百微米,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,29,可移衔铁要用导磁性能良好的导磁材料，如工业纯铁、铁氧体和坡莫合金等（3）旋转变压器式传感器这种传感器不仅可以测量线位移还可以测量角位移旋转式变压器传感器常用于测量角位移,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,30,电感式传感器的应用,利用电磁

13、感应原理将被测非电量转换成线圈自感量或互感量的变化，进而由测量电路转换为电压或电流的变化量有自感式、互感式二种广泛应用的传感器，可以用以测量直线位移、角位移的静态和动态量,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,31,配合一些敏感元件，可做成多种用途的传感器用于测量力、压力转距和加速度电感式传感器主要特点有：结构简单、工作可靠灵敏度高，能分辨0.01m的位移变化测量精度高、零点稳定可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用主要缺点有：灵敏度、线性度和测量范围相互制约；自身频率响应低，不适于快速动态测量,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,32,

14、图4.11是间隙电感式气压传感器示意图。,由膜盒、铁心、衔铁及线圈行组成。衔铁与膜盒上端连在一起压力引起膜盒位移，其大小与压力成比例，衔铁的移动使系统电感变化，于是线圈上感生出与压力成比例的电流,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,33,图4.12为差动变压器加速度传感器 示意图和测振电路方框图。测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的10倍以上，才能得到精确的结果这种传感器可测的振幅为0.15mm，振动频率为0150Hz,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,34,图4.13为微压力变送器，它是由差动变压器和弹性敏感元件相结合而成接头感受外力使膜片移动，带动

15、衔铁 在差动变压器中移动，由输出电压测定外界压力,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,35,4.3涡流式传感器,利用电涡流效应原理制作可以实现非接触方式来测量导体具有结构简单、频响宽（从零到几百Hz），灵敏度高，测量线性范围大（300m1000mm)，抗干扰能力强，体积小等特点在测控技术方面有广泛应用,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,36,电涡流式传感器的工作原理,如图4.14，一个通有交变电流I1的线圈，在线圈的周围将产生一个交变磁场H1，当导体置于该磁场范围之内时，导体体内会产生电涡流I2。此电涡流也会感生一个新磁场H2，与方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致

16、线圈的电感、阻抗和品质因素Q发生变化,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,37,传感器线圈的阻抗、电感等变化与被测导体的几何形状、电导率、磁导率等有关外，也与线圈的几何参数、电流频率及线圈到导体间距离有关电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗（或电感的变化，或Q值的变化）从而进行非电量测量如果控制上述参数中的一个变化其余皆保持不变，就可以构成测位移、温度和硬度等各类传感器,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,38,4.3.2 电涡流式传感器的应用,1.低频透射式电涡流传感器这种传感器采用低频激励，因而能得到较大的穿深度，可用于检测金属材料的厚度,

17、2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,39,由图4.17可见，由振荡器产生的低频电压U1加到发射线圈L1，接收线圈L2上会感生电压U2由于两线圈间有金属存在，在金属上会感生涡流，阻碍磁场对线圈的感生电势金属导体越厚，电流涡流损耗越大，L1的磁力线被抵消和越多，到达L2的磁力线就越少，U2 也就越小式中为被测物厚度h为贯穿深度由此可测金属厚度,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,40,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,41,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,42,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,43,2.电涡流式温度传感器,因为导

18、体的电阻率与温度的关系比较敏感电涡流传感器能够测量金属表面温度或液态气态介质 温度,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,44,如图4.19所示，这里，金属作为感温敏感物，由于温度变化引起电阻变化，根据导体短路环的计算公式，可以计算出金属的电阻率，由此可推算出温度这种温度传感器具有响应速度快，不受水、油及涂料等影响当用0.0015mm厚的铅作为敏感层时，这种电涡流传感器的热惯性为0.001s,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,45,3.电涡流式压力传感器,图4.20（a）是电涡流压力传感器的示意图，（b）是测量电路图测量孔接受压力信号，上面有一结构完全一样的线圈。线圈与

19、铍铜金属薄片实现耦合,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,46,它们分别接于电桥的两臂，没有压力时电桥平衡。受外力作用后下膜片往后移动，使电桥失去平衡。可以根据失稳程度来获得压力的信息供电频率为1MHz，频响为0250kHz，可测有压力的上限为686.5MPa，可分辨上升时间为2s的冲击波具有良好的动态特性，能在核爆炸等恶劣的工作条件下，测量冲击波的压力,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,47,4.4电容式传感器,利用电容原理将非电量转化为电量随着新材料，特别是加工技术的发展，电容式传感器的精度、稳定性得到很大的提高频响宽，应用广，非接触式的传感器在位移、压力、厚度、

20、物位、湿度、振动、转速、流量等方面得到广泛的应用,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,48,电容式传感器的工作原理,广泛使用平板式结构与圆筒式结构，如图4.21所示。它们的电容量分别为,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,49,把力、加速度、位移及转速等力学量转换成d、A或l等的变化，从而转换成电容量的变化电容的变化不便于作为输出信号记录；需通过测量电路，将电容变化进一步转换为电压、电流或频率等信号输出通常将电容传感器分为三种类型：变间隙型变面积型变介电常数型,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,50,4.4.2 电容式传感器的应用,1.小挠度紧固膜片电容式

21、压力传感器如图4.23所示传感器的膜片厚度比直径小得多，没有起始径向应力，只考虑挠曲力挠曲的紧固膜片，其电容量为无数个小窄平板电容器之和,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,51,在外压力作用下，膜片发生弯曲，产生的挠度引起电容量的变化，由电容的变化率与压力成正比（公式4.27）由此测定压力兵器测试中常用的压力传感器,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,52,2.变介电常数型电容式液位传感器,利用电容器极板间介电常数变化而引起电容量变化的原理制作图4.24为示意图,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,53,电容器的极板在两种介质中，这是两个同心圆筒形的极板液

22、位发生变化时，电容量发生变化传感器的电容量为 电容量与液体高度呈线性关系由此根据电容量可测量液体的高度,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,54,结构简单，分辨力高，可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作，这是它独特优点随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度,2023/9/21,07传感器及应用第4章讲稿,55,第4章复习思考题1.电位器式传感器的工作原理与优缺点。2.比较电感式式传感器与涡流式传感器的异同。3.电容式传感器的工作原理。4.本章讨论的传感器从电、磁特性上看是一种什么类型的传感器？从工作特点看是什么类型的传感器？5.用本章讨论的传感器设计一种非接触的测量位移的传感器。,