北航传感器原理19

1、传感器技术及应用传感器技术及应用几种几种典型的模拟式典型的模拟式传感器传感器( (八八) )李成李成2013.06.042013.06.04 思考题思考题( (第第4 4讲：几种典型的模拟式传感器讲：几种典型的模拟式传感器) )1.1.环境温度变化会对传感器特性产生一定影响，请举例环境温度变化会对传感器特性产生一定影响，请举例说明在温度测量过程中也会受到环境温度影响的实例，说明在温度测量过程中也会受到环境温度影响的实例，并说明这样的实例如何减少温度误差并说明这样的实例如何减少温度误差？课程回顾：课程回顾：回答要点：回答要点：（1 1）如热电偶温度传感器）如热电偶温度传感器。（2 2）主要是进行

2、冷端补偿，可以采用保持冷端）主要是进行冷端补偿，可以采用保持冷端00，实，实测冷端温度，利用热电偶的分度表进行测冷端温度，利用热电偶的分度表进行补偿补偿。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.1 4.1 概概 述述4.2 4.2 电位器式传感器电位器式传感器4.3 4.3 应变式传感器应变式传感器4.4 4.4 压阻式传感器压阻式传感器4.5 4.5 热电式传感器热电式传感器4.7 4.7 变磁路传感器变磁路传感器4.8 4.8 压电式传感器压电式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro

3、. Eng.思考题思考题( (第第4 4讲：几种典型的模拟式传感器讲：几种典型的模拟式传感器) )1.1.知识点：知识点： 敏感参数敏感参数电容变化机理电容变化机理差动检测差动检测优缺优缺点点原理结构示意图原理结构示意图/ /传感器框图传感器框图课程回顾：课程回顾：School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 电容式压力传感器电容式压力传感器n 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.5 4.6.5 典型的电容式传感器典型的电容式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 电容式

4、压力传感器电容式压力传感器结结 构构玻璃绝缘 基座引油孔硅油瓷管 绝缘隔离膜片硅油壳体引出线固定极板(一对)硅油引出线硅油隔离膜片绝缘瓷管硅油引油孔张紧敏感 膜片焊接密封外壳4.6.5 4.6.5 典型的电容式传感器典型的电容式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 敏感结构与工作机理敏感结构与工作机理引出线固定极板(一对)引出线张紧敏感 膜片焊接密封n 电容式压力传感器电容式压力传感器4.6.5 4.6.5 典型的电容式传感器典型的电容式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. E

5、ng. 特性方程特性方程引出线固定极板(一对)引出线张紧敏感 膜片焊接密封 222231163rREHprw rrwrrCRd2000up rrwrrCRd2000downn 电容式压力传感器电容式压力传感器4.6.5 4.6.5 典型的电容式传感器典型的电容式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 测量误差测量误差 非线性特性的影响非线性特性的影响 玻璃绝缘 基座引油孔硅油瓷管 绝缘隔离膜片硅油壳体引出线固定极板(一对)硅油引出线硅油隔离膜片绝缘瓷管硅油引油孔张紧敏感 膜片焊接密封外壳 边缘特性的影响边缘特性的影响 n 电容式压力

6、传感器电容式压力传感器4.6.5 4.6.5 典型的电容式传感器典型的电容式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.m绝缘体固定电极弹簧片活动极板(质量块)4.6.5 4.6.5 典型的电容式传感器典型的电容式传感器n 电容式压力传感器电容式压力传感器n 电容式加速度传感器电容式加速度传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.11n 差动电容式测厚传感器差动电容式测厚传感器4.6.5 4.6.5 典型的电容式传感器典型的电容式传感器00School of Instru. Sci

7、. & Opto-electro. Eng.Dd检测电路测定电极储罐01 1h4.6.5 4.6.5 典型的电容式传感器典型的电容式传感器差容差容式料位和液位传感器式料位和液位传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 应用特点应用特点n 电容式压力传感器电容式压力传感器4.6.5 4.6.5 典型的电容式传感器典型的电容式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 温度变化对结构稳定性的影响温度变化对结构稳定性的影响n 漏电阻的影响漏电阻的影响n 绝缘问题绝缘问题n

8、寄生电容的影响寄生电容的影响n 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰4.6.5 4.6.5 电容式传感器的结构及抗干扰问题电容式传感器的结构及抗干扰问题School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.6.1 4.6.1 基本电容式敏感元件基本电容式敏感元件4.6.2 4.6.2 电容式敏感元件的主要特性电容式敏感元件的主要特性4.6.3 4.6.3 电容式变换元件的信号转换电路电容式变换元件的信号转换电路4.6.4 4.6.4 典型的电容式传感器典型的电容式传感器4.6.5 4.6.5 电容式传感器的结构及抗干扰问题电容式传感器的结构及抗干扰问

9、题4.6 4.6 电容式传感器电容式传感器( (小结小结) )作作 业：业：P220P220，8.1-8.38.1-8.3，8.17-8.198.17-8.19 预预 习习第第9 9章章 变磁路式传感器变磁路式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.1 4.1 概概 述述4.2 4.2 电位器式传感器电位器式传感器4.3 4.3 应变式传感器应变式传感器4.4 4.4 压阻式传感器压阻式传感器4.5 4.5 热电式传感器热电式传感器4.6 4.6 电容式传感器电容式传感器4.8 4.8 压电式传感器压电式传感器School of

10、Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.7.1 4.7.1 电感式变换原理电感式变换原理4.7.2 4.7.2 差动变压器式变换元件差动变压器式变换元件4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件4.7.5 4.7.5 典型的变磁路式传感器典型的变磁路式传感器4.7 4.7 变磁路式传感器变磁路式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 简单电感式原理简单电感式原理n 差动电感式变换元件差动电感式变换元件4.7.1 4.7.1 电感

11、式变换原理电感式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.线圈铁芯衔铁IWL RRIWRIWFM222111FSLSLRSR022022SWRWL变换元件变换元件 n 简单电感式原理简单电感式原理4.7.1 4.7.1 电感式变换原理电感式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.线圈铁芯衔铁00202SWL 0022 SWL000LLLL000011LL 302000LL1考虑0电感式变换元件的特性电感式变换元件的特性 n 简单电感式原理简单电感式原理4.7.1 4.7.1

12、 电感式变换原理电感式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.0020212SWLLL21ZZ 0outU021n 差动电感式变换元件差动电感式变换元件4.7.1 4.7.1 电感式变换原理电感式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.02012011020220jj2jj2WSZLWSZLin0in000in211CBout22111121UUUZZZUUUn 差动电感式变换元件差动电感式变换元件4.7.1 4.7.1 电感式变换原理电感式变换原理School of I

13、nstru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.7.2 4.7.2 差动变压器式变换元件差动变压器式变换元件School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 磁路分析磁路分析n 电路分析电路分析4.7.2 4.7.2 差动变压器式变换元件差动变压器式变换元件School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2200in21out22jSIWWU通过磁路分析通过磁路分析n 磁路分析磁路分析4.7.2 4.7.2 差动变压器式变换元件差动变压器式变换元件School of Ins

14、tru. Sci. & Opto-electro. Eng.in012outUWWU 通过电路分析通过电路分析4.7.2 4.7.2 差动变压器式变换元件差动变压器式变换元件n 磁路分析磁路分析n 电路分析电路分析School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 电涡流效应电涡流效应n 等效电路等效电路n 特性分析特性分析n 信号转换电路信号转换电路4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 电涡流效应电涡流效应4.7.3 4.7

15、.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 当电涡流线当电涡流线圈与金属板的距圈与金属板的距离离x 减小时，电减小时，电涡流线圈的等效涡流线圈的等效电感电感L 减小，等减小，等效电阻效电阻R 增大。增大。感抗感抗XL 的变化比的变化比 R 的变化的变化 大大 得得 多，流过电涡流多，流过电涡流线圈的电流线圈的电流 i1 增增大。大。 n 电涡流效应电涡流效应4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.

16、金属导体线圈），（xirfZ1n 电涡流效应电涡流效应4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 等效电路等效电路4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R R1 1、电感为电感为L L1 1。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一

17、个互感耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M M，它随线，它随线圈与导体间距圈与导体间距x x的减小而增大。的减小而增大。MRL1LR11U1II 1212122RLRMRReq 1212122LLRMLLeq School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 特性分析特性分析4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理电涡流在金属导体内的渗透深度为电涡流在金属导体内的渗透深度为: :fhr 5030 说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式传感器可分为激

18、励信号频率有关。故电涡流式传感器可分为高频反高频反射式射式和和低频透射式低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。器应用较广泛。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 特性分析特性分析4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理n 高频高频(lMHzlMHz) )激励电流产生的高频磁场作用于金属板的激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈

19、自感时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的变化。线圈自感的变化。线圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的变化与距离该金的变化与距离该金属板的电阻率属板的电阻率 、磁导率、磁导率 、激励电流、激励电流i i及角频率及角频率 等有关，等有关，若只改变距离若只改变距离 而保持其它参数不变，则可将而保持其它参数不变，则可将位移位移的变化转的变化转换为线圈换为线圈自感自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。的变化，通过测量电路转换为电压输出。n高频反射式涡流传感器多用于位移测量。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。 School of Instru. Sci

20、. & Opto-electro. Eng.n 特性分析特性分析4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 特性分析特性分析4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 特性分析特性分析4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理感应电压感应电压e2e2的的大小与金属板的厚度及材料的性质有关大小与金属板的厚度及材料的性质有关. .试验试验表明表明e2e2随材料

21、厚度随材料厚度h h的增加按负指数规律减少的增加按负指数规律减少, ,测量测量厚厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量测厚度，不利于进行厚度测量，一般，一般激励激励频率为频率为1kHz1kHz左右左右。测测薄金属板薄金属板时，频率一般应略时，频率一般应略高高些，些，测厚金属板测厚金属板时，时，频率应频率应低低些。在测量电阻率些。在测量电阻率较小较小的材料时，应选较的材料时，应选较低低的的频率（如频率（如500Hz500Hz），测量），测量较大较大的材料时，应选用较的材料时，应选用较高高的的频率（如频率（如

22、2kHz2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。的线性和灵敏度。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 信号转换电路信号转换电路4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理电涡流传感器转换电路的作用就是将电涡流传感器转换电路的作用就是将Z Z、L L转换转换为电压或电为电压或电流的变化。流的变化。阻抗阻抗Z Z的转换电路一般用电桥，电感的转换电路一般用电桥，电感L L的转换电的转换电路一般用谐振电路，又可以分为调幅法和调频法两种路一般用谐振电路，又可以分为调幅法和调

23、频法两种。 1. 1. 交流电桥交流电桥将传感器线圈的阻抗变化转化将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图中为电压或电流的变化。图中L L1 1 、L L2 2是两个是两个差动差动传感器线圈传感器线圈，它，它们与电容们与电容C C1 1 、C C2 2的并联阻抗的并联阻抗Z Z1 1 、Z Z2 2作为电桥的两个桥臂作为电桥的两个桥臂. .School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 信号转换电路信号转换电路4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理2. 2. 调幅式电路调幅式电路涡流传感器线圈与电容并联组成涡流传感器线

24、圈与电容并联组成LCLC并联谐振回路，由恒并联谐振回路，由恒流源石英晶体振荡器供电。没有被测物体时，并联谐振流源石英晶体振荡器供电。没有被测物体时，并联谐振回路的谐振频率等于激励振荡器的频率回路的谐振频率等于激励振荡器的频率f f0 0，此时，此时LCLC并联并联回路呈现阻抗最大。回路呈现阻抗最大。谐振回路上输出电压谐振回路上输出电压U U0 0为：为：U U0 0 = = I I0 0Z Z School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 典型应用典型应用4.7.3 4.7.3 电涡流式变换原理电涡流式变换原理n转速测量转速测量n计数计数n测

25、厚度测厚度n探伤探伤n测振动测振动n测温测温n测位移测位移School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 霍尔效应霍尔效应n 霍尔元件霍尔元件4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 霍尔效应霍尔效应4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧向内侧偏移，在半导体薄片偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立

26、起霍尔电势。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 霍尔效应霍尔效应4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。 磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况School of Instru. Sci. & Opto-electr

27、o. Eng.n 霍尔效应霍尔效应4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IB磁感应强度磁感应强度B B较大时的情况较大时的情况School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.BvefLBvefLdIBRUHHdRKHHIBKUHH或或n 霍尔效应霍尔效应n 霍尔元件霍尔元件4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件School of Instru. Sci.

28、 & Opto-electro. Eng.霍尔元件一般用霍尔元件一般用N N型的锗、锑化铟和砷化铟等型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成半导体单晶材料制成 n 霍尔效应霍尔效应n 霍尔元件霍尔元件4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件 线性型三线性型三端霍尔端霍尔集成电路集成电路School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使

29、磁路的磁阻随气隙的改变统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁n 霍尔元件的应用霍尔元件的应用4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生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。动状

30、态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔n 霍尔元件的应用霍尔元件的应用4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.铁心铁心 线性霍尔ICn 霍尔元件的应用霍尔元件的应用4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9An 霍尔元件的应用霍尔元件的应用4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件School of Instru.

31、Sci. & Opto-electro. Eng.钳形表的环形铁心可以张开， 导线由此穿过70.9An 霍尔元件的应用霍尔元件的应用4.7.4 4.7.4 霍尔效应及元件霍尔效应及元件School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n1 1 变磁阻式变磁阻式传感器传感器n2 2 霍尔式霍尔式传感器传感器n3 3 电涡流式电涡流式传感器及其应用传感器及其应用n4 4 电磁式电磁式传感器及其应用传感器及其应用n5 5 差动电感式差动电感式传感器传感器n6 6 力平衡伺服式力平衡伺服式传感器传感器n7 7 磁电式涡轮磁电式涡轮传感器传感器n8 8 磁栅式磁