第二章 2013(3)

1、第二章第二章 传感技术基础传感技术基础内内容容提提要要2.2.5 5 电感式传感器电感式传感器2.2.6 6 电容式传感器电容式传感器2.2.7 7 压电式传感器压电式传感器2.2.8 8 磁电式传感器磁电式传感器重点重点：电感、电容、压电、磁电式传感器的工作原理及用途：电感、电容、压电、磁电式传感器的工作原理及用途难点难点：工作原理，涡流效应、压电效应、逆压电效应、霍尔：工作原理，涡流效应、压电效应、逆压电效应、霍尔效应等效应等2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应原理电磁感应原理，它是把，它是把被测量转化为电感量的一种装置。被测量转化为电感量

2、的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器一、自感型可变磁阻式电感是闭合回路的一种属性。当线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗，即电感。可变磁阻式传感器的结构，它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙。1、基本原理2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器/mLi N/mmNi R电磁感应定律磁通欧姆定律2/mLNR002mlRAA很小磁路总磁阻l 导磁体

3、(铁芯)长度 铁芯导磁率A 铁芯导磁横截面积 空气隙长度0 空气导磁率A0 空气隙导磁横截面积 L 线圈电感N 线圈匝数空气隙空气隙磁阻磁阻衔铁衔铁磁阻磁阻衔铁衔铁铁芯铁芯2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器左式表明，自感左式表明，自感L L与空气隙与空气隙成反比，成反比，而与空气隙导磁截面积而与空气隙导磁截面积A A0成正比。成正比。检测原理2002NAL、A A0变化变化L L 变化变化改变电感的几种方法（1）改变空气隙（2）改变空气隙导磁横截面积0A衔铁衔铁铁芯铁芯2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器传感器的灵敏度传感器的灵敏度 L（1）改变空气隙200200(1 2)2dLNA

4、Sd 一般取/00.1。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001mm-1mm。 导致S可变，非线性测量2002NAL当固定A0不变，变化时，L 与呈非线性(双曲线)关系2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器（2）改变空气隙导磁截面积S 为常数，线性测量线性较好，测量范围较大，灵敏度较差2002dLNSdAL0A传感器的灵敏度传感器的灵敏度2002NAL若将固定，变化空气隙导磁截面积A0 时，自感L与A0 呈线性关系。 2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器2、可变磁阻式电感传感器的典型结构较之单螺管线圈型有较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性较高灵敏度及线性，被被用于电感测微计用于

5、电感测微计上，上，其测量范围为其测量范围为0 0 300m300m，最小分辨，最小分辨力为力为0.5m0.5m。 可变导磁面积型可变导磁面积型由于空气通路长，使由于空气通路长，使得磁路的磁阻比较高，得磁路的磁阻比较高，因此因此灵敏度比较低灵敏度比较低，主要主要用于较大位移的用于较大位移的测量测量，可达数毫米到，可达数毫米到数百毫米。数百毫米。单螺管线圈型单螺管线圈型差动型差动型双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器3、测量电路幅值：调幅电路频率：调频电路相位：调相电路电阻平衡臂变压器02ULUL02UZUZLxoU最主要的调幅电路是交交流电桥流电桥2.5 2.

6、5 电感式传感器电感式传感器二、自感型涡流式1、基本原理 金属板置于一只线圈的附近，当线圈输入一交变电流 i 时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流 i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流 ” 。 (电生磁、磁生电)金属导体在交流磁场中的涡电流效应2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。线圈的等效阻抗Z可表示为,Zfh 涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器（1）高频反射式：自感测位移( ,)LLi （2）低频透射式

7、：互感测厚度t 输出电势e2 与材料厚度h 的增加按负指数规律减少。2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器2、特点（1）测量范围大：01mm，080mm（2）分辨率高：满量程的0.1%（3）灵敏度高3、测量幅值：调幅电路频率：调频电路相位：调相电路LxoU2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量。凡是可以变换成位移量的参数，都可以用电涡流传感器来测量，如液位、张力、流体压力等4、涡流式传感器的应用2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器工作原理：互感

8、现象工作原理：互感现象当变压器初级线圈N1输入稳定交流电压后，次级线圈N2便会有感应电压输出，该电压随两线圈的耦合程度的变化而变化。12diMedt 互感M，是两线圈N1和N2之间耦合程度的度量， 与其 相对位置 及 周围介质的磁导率 等因素有关。 三、互感型三、互感型差动变压器式差动变压器式2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器差动变压器式电感传感器工作原理差动变压器式电感传感器工作原理 线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈。输出电压为两者之差主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1 和e2。2.5 2.5 电感式传感器电感式传感

9、器改变铁芯位置改变M改变电压差eo活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度，输出活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度，输出e e 的大小随的大小随活动衔铁的位置而变。活动衔铁的位置而变。2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器(a) 输出值只能反映铁芯位移大小，而不能反映移动方向；测量电路（1）交流电压表(b) 零点残余电压（2）相敏检波电路2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器输入电流i与输出电压eo频率相同，有相位差相位差铁芯位置与相位差有确定函数关系的直流输出相敏检波鉴相特性ioe相敏检波电路2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器特点（1）精度高：0.1m量级（2）线圈变化范围大：100mm（3

10、）加速度计只能用于低频测量：150Hz2.5 2.5 电感式传感器电感式传感器四、电感式传感器特点总结原理：电感式传感器建立在电磁感应原理的基础上，利用线圈自感或互感的改变来实现非电量测量优点：结构简单可靠，没有触点摩擦，灵敏度、分辨率都比较高，输出功率比较大，测量准确度比较高缺点：对激磁电源频率和振幅的稳定性要求比较高2.6 2.6 电容式传感器电容式传感器电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。实际上，它就是一个可变参量的电容器。 两平行极板组成的电容器,电容量为:+ A 0(F)rAAC 0 真空的介电常数 A 极板的覆盖面积r 极板间介质的相对介电系数在空气中=1 两平

11、行极板间的距离2.6 2.6 电容式传感器电容式传感器一、基本原理一、基本原理电容指的是在给定电位差下的电荷储藏量2.6 2.6 电容式传感器电容式传感器、A或或发生变化时，发生变化时，都会引起电容的变化。都会引起电容的变化。改变电容的几种方法（1）极距变化（2）面积变化（3）介质变化A0rAC r2.6 2.6 电容式传感器电容式传感器（1）极距变化型二、电容式传感器分类二、电容式传感器分类C+ 如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则当两极板在被测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化 2.6 2.6 电容式传感器电容式传感器02rdCACSd 适用于小位移测量导致S可变，非线性测量0

12、00rAC 极距 灵敏度 非线性误差极距应减小，但不能过度减小00.1，Z0 ，Cc可忽略恒定磁通式测量电路1000111ceeZj C ZR10ee思考：电缆分布电容Cc和被测信号频率对输出电压e1有何影响？2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器变磁通式开磁路闭磁路分类 每转过一个齿，磁阻变化一次，磁通也就变化一次，则感应电动势的频率等于齿轮齿数和转速的乘积也称变磁阻式或变气隙式，常用于旋转角度的测量。（2）磁电感应式 变磁通式2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器特点优点： 不需要外部供电电源，测量电路简单，直接输出感应电动势，一般不需要增益放大器；性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范

13、围（10 1000Hz），对环境条件要求不高，能在一定温度范围内工作。适用于振动、转速、扭矩等测量。缺点： 尺寸和质量相对较大缺点（变磁通式）： 要在被测对象上加装齿轮，使用不方便，且因高速轴上加装齿轮会带来不平衡，因而不宜测高转速2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器二、霍尔传感器二、霍尔传感器基本原理：霍尔效应 半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。霍尔效应在高纯度半导体中表现较为显著。 霍尔电动势HHHIBURk IBdHHHIBURk IBd薄膜霍尔元件厚度只有0.1mm左右2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器霍尔效应演示

14、霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器霍尔传感器外形、结构、符号测量电路霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片。四根引线：两根激励电极（控制电极）、两根霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器霍尔传感器应用直接应用：测量磁场强度，灵敏度HHdUSk IdB间接应用：测量位移等，灵敏度HHdUdBSk Idxdx最好为常数，线性测量HHHIBURk IBdHHHIBURk IBd思考：还有哪

15、些可能的应用？2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABSABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器霍尔霍尔2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器霍尔式接近开关用于转速测量霍尔式接近开关用于转速测量n= = 6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔IC T T2.8 2.8 磁电传感器磁电传感器习题：电阻式