位移与速度测量传感器ppt课件

1、适用传感器技术教程适用传感器技术教程电感式位移传感器电感式位移传感器 第第4章章 位移与速度丈量传感器位移与速度丈量传感器 4.1电容式位移传感器电容式位移传感器 4.3霍尔传感器霍尔传感器 4.4电涡流式传感器电涡流式传感器 4.2光栅传感器光栅传感器 4.5微波传感器微波传感器 4.6超声波传感器超声波传感器 4.7位移检测传感器性位移检测传感器性能比较能比较 4.8v无论是科学研讨还是消费实际中，需求进展位无论是科学研讨还是消费实际中，需求进展位移丈量的场所非常多。此外，还有许多被测物移丈量的场所非常多。此外，还有许多被测物理量可以转化为位移进展丈量，如压力、位置理量可以转化为位移进展丈

2、量，如压力、位置等都可以经过某种转换部件，先将它们转换为等都可以经过某种转换部件，先将它们转换为直线位移，然后经过丈量位移间接得到被丈量。直线位移，然后经过丈量位移间接得到被丈量。在不同的场所、不同的运用领域，对位移丈量在不同的场所、不同的运用领域，对位移丈量传感器的要求差别也很大，比如丈量范围、丈传感器的要求差别也很大，比如丈量范围、丈量精度、动态呼应等。因此，位移丈量传感器量精度、动态呼应等。因此，位移丈量传感器的种类也是相当多，并且各自的特性也不一样。的种类也是相当多，并且各自的特性也不一样。4.1 电感式位移传感器电感式位移传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，将输入量转换成电感式传感

3、器是基于电磁感应原理，将输入量转换成电感变化量的一种安装。常配以不同的敏感元件用来丈量电感变化量的一种安装。常配以不同的敏感元件用来丈量位移、压力、振动等物理参数。位移、压力、振动等物理参数。4.1 电感式位移传感器电感式位移传感器 4.1.1电感位移传感器原理与分类电感位移传感器原理与分类 线圈线圈铁芯衔铁衔铁(a)(b)(c)图图4-1 4-1 电感式传感器的构造原理电感式传感器的构造原理 自感自感L与气隙与气隙成反比，而与气隙导磁截面积成反比，而与气隙导磁截面积A成正比。成正比。W线圈匝数，线圈匝数，0空气磁导率。空气磁导率。气隙型传感器的构造原理图气隙型传感器的构造原理图 4.1.1电

4、感位移传感器原理与分类电感位移传感器原理与分类v 差动变隙式电感传感器的原理差动变隙式电感传感器的原理构造构造v 初态时：假设构造对称，且动初态时：假设构造对称，且动铁居中，那么铁居中，那么1=2，U0=0。v 动铁上移时：那么动铁上移时：那么1L1I1=I1-Iv 2L2I2=I2+Iv I=I2-I1=2Iv U0=2IZLv 同理，动铁下移时：同理，动铁下移时：U0=-2IZL 4.1.2 电感位移传感器输出特性电感位移传感器输出特性 v 由图可以看出由图可以看出L=f()不是线性的，即变气隙式不是线性的，即变气隙式传感器传感器和和L之间不满足线形变化关系。实际之间不满足线形变化关系。实

5、际上，当上，当=0时，时，L为为，假设思索到导磁体的磁，假设思索到导磁体的磁阻，即当阻，即当=0时，时，L不等于不等于，而有一定的数值。，而有一定的数值。变截面积式传感器的面积变截面积式传感器的面积S与与L值那么是线性值那么是线性关系，即关系，即L=f(S)的特性曲线为一条直线。的特性曲线为一条直线。S，dLL=f(s)0L=f()4.1.2 电感位移传感器输出特性电感位移传感器输出特性 v 变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型电感传感器相比较，变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型电感传感器相比较，变气隙式灵敏度最高，因此它对电路的放大倍数要求很低，变气隙式灵敏度最高，因此它对电路的放大倍数要

6、求很低，缺陷是非线性严重。为了限制非线性误差，示值范围只能很缺陷是非线性严重。为了限制非线性误差，示值范围只能很小，导致自在行程小，因此制造装配比较困难。变面积式的小，导致自在行程小，因此制造装配比较困难。变面积式的优点是具有较好的线性，自在行程较大。螺线管式主要优点优点是具有较好的线性，自在行程较大。螺线管式主要优点是构造简单、制造装配容易、自在行程大，但是灵敏度最低。是构造简单、制造装配容易、自在行程大，但是灵敏度最低。但灵敏度低可以经过放大电路加以处理，因此，目前螺管型但灵敏度低可以经过放大电路加以处理，因此，目前螺管型电感传感器用得越来越多。电感传感器用得越来越多。 4.1.3电感位移

7、传感器丈量电路电感位移传感器丈量电路 1. 变压器电桥变压器电桥 输出特性公式为输出特性公式为 在初始位置时在初始位置时Z1=Z2=Z ，电桥处于平衡形状，电桥处于平衡形状，U0=0 动铁芯上移时：动铁芯上移时：1L1Z1=Z+Z2L2Z2=Z-Z代入式代入式4-2，得，得UiU/2U/2Z1Z2BAUO图图4-4 4-4 变压器电桥变压器电桥 120122ABZZUUUUZZ02ZUUZ4.1.3电感位移传感器丈量电路电感位移传感器丈量电路2.相敏检波电路相敏检波电路相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检波的交流电桥为

8、例引见该电路的作用。波的交流电桥为例引见该电路的作用。图4.5 相敏检波电路 ()带相敏检波的交流电桥；()适用电路4.1.3电感位移传感器丈量电路电感位移传感器丈量电路 如图3.11(a)所示，Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3Z4构成另两个桥臂，U为供桥电压，U为输出。当衔铁处于中间位置时，Z1Z2Z，电桥平衡，U0。假设衔铁上移，Z1增大，Z2减小。如供桥电压为正半周，即A点电位高于B点，二极管D1、D4导通，D2、D3截止。在AECB支路中，C点电位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D点电位由于Z2减小而增高。因此D点电位高于C点，输出信号为正4.1.3电感位移传感器丈量电路电感

9、位移传感器丈量电路 如供桥电压为负半周，B点电位高于A 点，二极管D2、D3导通，D1、D4截止。在BCFA支路中，C点电位由于Z2减小而比平衡时降低；在BDEA支路中，D点电位那么因Z1增大而比平衡时增高。因此D点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。 实践采用的电路如图3.11(b)所示。L1、L2为传感器的两个线圈，C1、C2为另两个桥臂。电桥供桥电压由变压器B的次级提供。R1、R2、R3、R4为四个线绕电阻，用于减小温度误差。C3为滤波电容，Rw1为调零电位器，Rw2为调倍率电位器，输出信号由电压表V指示。H2

10、被测导体被测导体H1传感器激励电流传感器激励电流电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图I1I2( , , )ZFr f x 其中：其中： 金属电阻率，金属电阻率， 金属磁导率，金属磁导率， r 线圈与被测物体的尺寸因子，线圈与被测物体的尺寸因子， f 激磁激磁电流频率，电流频率， x 线圈与导体间的间隔线圈与导体间的间隔 基于法拉第电磁感应原理，当传感基于法拉第电磁感应原理，当传感器线圈通以正弦交变电流器线圈通以正弦交变电流 I1 时，线圈周时，线圈周围空间将产生正弦交变磁场围空间将产生正弦交变磁场 H1，被测导，被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流体内产生呈涡旋状的交变感应电流I2 ，称电涡流

11、效应。电涡流产生的交变磁场称电涡流效应。电涡流产生的交变磁场H2与与H1方向相反，它使传感器线圈等效方向相反，它使传感器线圈等效阻抗发生变化。阻抗发生变化。4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器运用：运用：x位移、厚度、振幅；位移、厚度、振幅； 外表温度、电解质浓度、材质判别等；外表温度、电解质浓度、材质判别等； ，无损探伤等。无损探伤等。特点：非接触延续丈量，灵敏度高、频响宽、分辨率高特点：非接触延续丈量，灵敏度高、频响宽、分辨率高涡流分布在导体外表涡流分布在导体外表 4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器 电涡流在我们日常生活中运用干净、高效的电磁炉干净、高效的电磁炉电涡流探雷器 电磁炉内部的

12、励磁线圈4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器低频透射式电涡流式传感低频透射式电涡流式传感器：器：音频音频(20kHz)鼓励电流鼓励电流低频透射式涡流传感器多低频透射式涡流传感器多用于测定资料厚度。用于测定资料厚度。4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器v 3. 技术参数技术参数 型号丈量范围mm分辨率m反复性m线性度频响kHz温漂静态 动态KD19251.270.761.30.7621.50100.054/KD19503.811.32.52.5410100.036/KD197552.52.52.54102.50.018/KD

13、1925M0.90.761.30.7621.50100.054/表表4-1 4-1 英国真尚有电涡流传感器主要技术目的英国真尚有电涡流传感器主要技术目的电磁炉的任务原理图电磁炉是采用磁场感应涡流加热原理，它利用电流经过线圈产电磁炉是采用磁场感应涡流加热原理，它利用电流经过线圈产生磁场，当磁场内之磁力经过含铁质锅底部时，即会产生无数生磁场，当磁场内之磁力经过含铁质锅底部时，即会产生无数之小涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热于锅内食物。之小涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热于锅内食物。电磁炉任务时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板电磁炉任务时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层

14、和顶板上的含铁质锅所吸收，上的含铁质锅所吸收， 不会走漏，对人体安康绝对无危害。不会走漏，对人体安康绝对无危害。 电涡流探头外形电涡流探头外形交变磁场交变磁场电涡流式传感器的构造电涡流式传感器的构造 电涡流探头内部构造 1线圈线圈 2线圈管架线圈管架 3壳体壳体 4输出电缆输出电缆 5接插件接插件 6瓷罩瓷罩 w 丈量电路丈量电路交流电桥、谐振电路交流电桥、谐振电路4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器LC并联阻抗并联阻抗4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器LC回路是振荡器的一部分回路是振荡器的一部分4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器v 2. 电桥丈量电路电

15、桥丈量电路 v 电桥将反映线圈阻抗的变化，电桥将反映线圈阻抗的变化，线圈阻抗的变化反映被测金属线圈阻抗的变化反映被测金属导体的接近程度。当静态时，导体的接近程度。当静态时，电桥平衡，输出电压电桥平衡，输出电压u0=0。当。当传感器接近被测金属导体时，传感器接近被测金属导体时，传感器线圈的阻抗发生变化，传感器线圈的阻抗发生变化，电桥失去平衡，即电桥失去平衡，即u00，该信，该信号经经过线性放大和检波器检号经经过线性放大和检波器检波后输出直流电压，其幅值经波后输出直流电压，其幅值经过标定即可以实现对位移量的过标定即可以实现对位移量的丈量。丈量。uu0Z1Z2C1C2R1R2图4-11 涡流传感器电

16、桥丈量电路 4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器v 电涡流式传感器的特点：电涡流式传感器的特点：v 非接触丈量，不易受油液介质影响；非接触丈量，不易受油液介质影响；v 构造简单，运用方便，灵敏度高，最高分辨率达构造简单，运用方便，灵敏度高，最高分辨率达0.05微微米；米；v 频率呼应范围宽频率呼应范围宽010kHz，适宜动态丈量。，适宜动态丈量。4.2.3电涡流传感器运用电涡流传感器运用 v 1. 位移丈量位移丈量 试件试件电涡流传感器电涡流传感器(a)(b)图4-12 电涡流位移丈量方法 4.2.3电涡流传感器运用电涡流传感器运用v 2. 振动丈量振动丈量(a)(b)试件试件涡流传感器涡流传

17、感器图4-13 电涡流振动丈量方法 3传感器外形传感器外形无损探伤无损探伤 4.2.3电涡流传感器运用电涡流传感器运用4.2.3电涡流传感器运用电涡流传感器运用测转速测转速 测厚度测厚度 计数计数 测裂纹测裂纹 4.2.3电涡流传感器运用电涡流传感器运用v 5. 液位丈量与控制液位丈量与控制 测量电路微处理器串行接口继电器电动泵浮子涡流板涡流传感器图4-15 利用电涡流传感器构成的液位监控系统 偏心和振动检测汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试3转速丈量 转速丈量类型转速丈量类型1传感器传感器 2被测体被测体转速转速n单位为单位为r/min的计算公式为的计算公式为60fnz电涡流传感器转速丈量动画演示

18、电涡流传感器转速丈量动画演示齿轮转速丈量表示图【例】以下图中，设齿数【例】以下图中，设齿数z =48，测得频率，测得频率 f=120Hz，求该齿轮的转速，求该齿轮的转速n 。用于用于ABS系统的速度传感器系统的速度传感器4电涡流外表探伤 手持式裂纹丈量仪手持式裂纹丈量仪油管探伤油管探伤用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹电涡流传感器探伤检测动画演示5厚度丈量 丈量前，可先用电涡流测厚仪对规范厚度的镀层和铜箔作出丈量前，可先用电涡流测厚仪对规范厚度的镀层和铜箔作出“厚度输出电厚度输出电压的标定曲线，以便丈量时对照。压的标定曲线，以便丈量时对照。 电涡流涂层厚度仪 电涡流传感器丈量厚度动画演示其它运用

19、电涡流传感器计数动画演示电涡流传感器计数动画演示电涡流传感器轴心轨迹丈量动画演示A介电常数电容式传感器结构图原理：被测非电量转换为电容量的变化原理：被测非电量转换为电容量的变化 种类：变极距种类：变极距、变面积、变面积A、变介质、变介质 AC 、A A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。 4.3 电容式位移传感器电容式位移传感器 4.3.1 电容式位移传感器原理与分类电容式位移传感器原理与分类 1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 0CA0SCKconstA输入输出特性：输入输出特性：灵敏度：灵敏度： 面积变化型电容

20、传感器的优面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的适用于较大角位移及直线位移的丈量。丈量。2. 变面积型电容传感器变面积型电容传感器 0AC 介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等丈量用传数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等丈量用传感器。感器。图中，厚度为图中，厚度为2的介质的介质2为其介电常数在电为其介电常数在电容器中左右运动，由于电容器中左右运动，由于电容

21、器中介质的介电常数改容器中介质的介电常数改动，电容量改动。动，电容量改动。3. 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器 4.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点 1.优点：优点：.温度稳定性好温度稳定性好 电容式传感器的电容值普通与电极资料无关，有利于选择温度电容式传感器的电容值普通与电极资料无关，有利于选择温度系数低的资料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。系数低的资料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。 而电阻而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。传感器有铜损等，易发热产生零漂。.构造简单构造简单 电容式传感器构造简单，易于制造，易于保证高的精度，电容式传感器构造简单，易

22、于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的丈量；能任务在高温，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的丈量；能任务在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以接受很大的温度变化，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以接受很大的温度变化，接受高压力，高冲击，过载等；能丈量超高温暖低压差，也能接受高压力，高冲击，过载等；能丈量超高温暖低压差，也能对带磁任务进展丈量。对带磁任务进展丈量。4.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点.动态呼应好动态呼应好 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小约几个电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小约几个105N，需求的作用能量极小，又由于它的可

23、动部分可以做得很小很薄，即质需求的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态呼应时间短，能在几兆量很轻，因此其固有频率很高，动态呼应时间短，能在几兆Hz的频率的频率下任务，特别适用于动态丈量。又由于其介质损耗小可以用较高频率下任务，特别适用于动态丈量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统任务频率高。它可用于丈量高速变化的参数。供电，因此系统任务频率高。它可用于丈量高速变化的参数。.可以非接触丈量，具有平均效应可以非接触丈量，具有平均效应 例如例如 非接触丈量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙非接触丈量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠

24、轴承的径向间隙等。当采用非接触丈量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工等。当采用非接触丈量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件外表粗糙度等对丈量的影响。件外表粗糙度等对丈量的影响。 电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因此可测极低的压力、力和很小的小，所需输入力和输入能量极小，因此可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01m 甚至甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动构造并接成电

25、桥式更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动构造并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进展高倍率放大，使仪器具有很高时产生的零残极小，因此允许电路进展高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。的灵敏度。2.缺陷缺陷1输出阻抗高，负载才干差输出阻抗高，负载才干差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，普通微几十导几百皮法，其值只需几个皮法，使普通微几十导几百皮法，其值只需几个皮法，使 传感传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达源时，输出阻抗高达108106。因此传感器的负

26、载。因此传感器的负载才干很差，易受外界干扰影响而产生不稳定景象，严才干很差，易受外界干扰影响而产生不稳定景象，严重时甚至无法任务，必需采取屏蔽措施，从而给设计重时甚至无法任务，必需采取屏蔽措施，从而给设计和运用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部和运用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高几十兆欧以上，否那么绝缘部分分的电阻值极高几十兆欧以上，否那么绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能如灵敏度降低，将作为旁路电阻而影响仪器的性能如灵敏度降低，为此还要特别留意周围的环境如湿度、清洁度等。为此还要特别留意周围的环境如湿度、清洁度等。4.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传

27、感器特点 2寄生电容影响大。寄生电容影响大。电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、丈量电路的杂散电容以及传感器极板与其电缆电容、丈量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等周围导体构成的电容等“寄生电容却较大，降低了寄生电容却较大，降低了传感器的灵敏度，影响丈量精度，因此对电缆的选择、传感器的灵敏度，影响丈量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。安装、接法都要有要求。 3输出特性非线性。输出特性非线性。变极距型电容传感器的输出是非线性的。其它类型变极距型电容传感器的输出是非线性的。其它类型传感器也只需忽略电场的边缘

28、效应时，输出才是线性传感器也只需忽略电场的边缘效应时，输出才是线性的。的。 4.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点4.3.3 电容式位移传感器丈量电路电容式位移传感器丈量电路 1. 交流电桥电路交流电桥电路交流电桥电路如图交流电桥电路如图4-22所示，高频电源经变所示，高频电源经变压器接到电桥的一条对角线上，电容压器接到电桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的构成电桥的4个臂，个臂，Cx为电为电容传感器，交流电桥平衡时那么容传感器，交流电桥平衡时那么U0=0。当当Cx改动时，改动时，U00，有电压输出。，有电压输出。 此种电桥电路要求交流电源的幅度和频率都此种电桥

29、电路要求交流电源的幅度和频率都非常稳定；电桥放大器的输入阻抗要高；非常稳定；电桥放大器的输入阻抗要高；丈量系统的动态呼应受电桥供电电源的丈量系统的动态呼应受电桥供电电源的频率限制，普通要求电源频率为被测信频率限制，普通要求电源频率为被测信号最高频率的号最高频率的510倍。倍。 UUoC1C2C3Cx图4-22 交流电桥电路 4.3.3 电容式位移传感器丈量电路电容式位移传感器丈量电路 2.变压器电桥 如图4-23所示，C1、C2为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为对变极距型电容传感器，代入上式得21212CCCCUUoUiUoC1C2U/2U/24-23 变压器电桥 )/();/(00

30、2001ACAC02UUo4.3.3 电容式位移传感器丈量电路电容式位移传感器丈量电路 3. 调频电路调频电路 4.3.3 电容式位移传感器丈量电路电容式位移传感器丈量电路 4. 脉冲宽度调制电路 当接通电源后，假设触发器Q端为高电平， 端为低电平，那么触发器经过R1对C1充电；当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平， 端为高电平。此时，由电容C1经过二极管D1迅速放电至零，而触发器由端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。双 稳态 触发 器+-A1A2VD1VD2R1R2

31、Cx1Cx2UrQQABFGU0图4-25 脉冲宽度调制电路 QQ4.3.3 电容式位移传感器丈量电路电容式位移传感器丈量电路 可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。 当C1=C2时，各点的电压波形如图4.26(a)所示，Q和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。 当C1C2时，各点的电压波形如图4.26(b)所示，Q、两端间的平均电压(经一低通滤波器)为_Q_Q12121121210UCCCCUTTTTU (4-13)式中：T1和T2分别为Q端和 端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。_Q图图4-26 4-26 各点电压波形图各点电压

32、波形图4.3.3 电容式位移传感器丈量电路电容式位移传感器丈量电路当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，式(4-13)有 (4-14)这种电路只采用直流电源，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。用于差动式变面积型电容传感器时有 (4-15)4.3.3 电容式位移传感器丈量电路电容式位移传感器丈量电路210121SSUUSS210121ddUUddACUUrio00(4-17) 可见配用运算放大器丈量电路的最大特点是抑制了变极距型电容传感器的非线性。4.3.3 电容式位移传感器丈量电路电容式位移传感器丈量电路4.3.3 电容式传感器的运用电容式传感

33、器的运用 4.3.3 电容传感器运用电容传感器运用v 1.电容式位移传感器电容式位移传感器 电容传感器电容传感器CC(a)(b)图4-28 电容式移传感器运用 4.3.3 电容传感器运用电容传感器运用v2.电容加速度传感器电容加速度传感器 固定板壳体簧片质量块绝缘体A面B面C1C2图4-29 电容式加速度传感器构造4.3.3 电容传感器运用电容传感器运用v 3.电容式物位传感器电容式物位传感器RrLH图4-30 电容式物位传感器原理 v 当两圆筒间充以介电常数为1的气体时，那么由该圆筒组成的电容器的电容量为v 4-16v 假设两圆筒形电极间的一部分被介电常数为2的液体所浸没，设被浸没得电极长度

34、为H，此时的电容量为 图4-30 电容式物位传感器原理 v 4-17v 经整理可得v 4-18v 式中，C为电容器的电容值得增量，其值为 v 4.3.3 电容传感器运用电容传感器运用102lnLCRr12122()2lnlnLHHCCCRRrr0CCC212 ()lnCHRr 4.3.3 电容传感器运用电容传感器运用v3.电容式物位传感器电容式物位传感器检测电路hDd测定电极储罐图4-31 电容传感器进展料位丈量0()lnskhCDd传感器的电容可由下式表示传感器的电容可由下式表示 式中，k为比例常数；s为被测物料的相对介电常数；0为空气的相对介电常数；D为罐内直径；d为测定电极的直径；h为物

35、料的高度。非接触检测塑料管道内溶液液位。当液位到达非接触检测塑料管道内溶液液位。当液位到达设定高度并超出时，溶液进入电容式传感器检测范设定高度并超出时，溶液进入电容式传感器检测范围，传感器产生输出信号传送给控制机构，控制机围，传感器产生输出信号传送给控制机构，控制机构报警或进展其它动作，到达液位控制的目的。构报警或进展其它动作，到达液位控制的目的。4.3.3电容式传感器的运用电容式传感器的运用 4.3.3电容式传感器的运用电容式传感器的运用v 4.电容式测厚传感器电容式测厚传感器放大器整流滤波差动放大 信号发生器显示器轧辊C2C1C0L1L2CB图4-32 差动式电容测厚传感器丈量原理4.3.

36、3电容式传感器的运用电容式传感器的运用 4.3.3电容式传感器的运用电容式传感器的运用 4.3.3电容式传感器的运用电容式传感器的运用 置于磁场中的载流导体，当它置于磁场中的载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行电流和磁场方向上载流导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种景的两个面之间产生电动势，这种景象称为霍尔效应。象称为霍尔效应。FevBBFIUHdv4.4 霍尔位移传感器霍尔位移传感器4.4.1 4.4.1 霍尔传感器构造与任务原理霍尔传感器构造与任务原理 eBvf L长长l l、宽、宽b b、厚、厚 d d，N N型半导体

37、资料型半导体资料沿程度方向通以控制电流沿程度方向通以控制电流 I I半导体中的载流子即电子半导体中的载流子即电子e e沿与电沿与电流相反的方向运动，速度为流相反的方向运动，速度为v v由于磁场的作用，使得电子遭到洛由于磁场的作用，使得电子遭到洛仑兹力仑兹力fLfL的作用而发生偏转的作用而发生偏转半导体的前后端面上各自积累起数目相等的正、负电荷，构成电场半导体的前后端面上各自积累起数目相等的正、负电荷，构成电场电场产生的作用力电场产生的作用力fEfE阻止电子的偏转，最终二力平衡，构成稳定的霍尔电场阻止电子的偏转，最终二力平衡，构成稳定的霍尔电场EHEH霍霍尔尔效效应应11eBvf LevBeE

38、H( ,)HUf I B推导目的：得到霍尔电势推导目的：得到霍尔电势UHUH与与I I、B B的关系的关系二力动态平衡时，有：二力动态平衡时，有：LEffvBE HevBfLEHfeE Ivnebd HIEBnebd HHIUE bBnednevbdIn n：N N型半导体中的电子型半导体中的电子浓度浓度电流密电流密度度霍尔霍尔电势电势霍霍尔尔效效应应 HHIUE bBnedHHHIBURk IBd1HRne 霍尔系数，由载流子的物理性质所决议霍尔系数，由载流子的物理性质所决议HHRkd灵敏度系数，表示在单位灵敏度系数，表示在单位 B B 和单位和单位 I I 时的时的霍尔电势的大小。霍尔电势

39、的大小。 金属资料的自在电子浓度金属资料的自在电子浓度n n很大，不适于做霍尔元件很大，不适于做霍尔元件绝缘资料的几乎没有自在电子，不适于做霍尔元件绝缘资料的几乎没有自在电子，不适于做霍尔元件霍尔元件都是由半导体资料做成尤其是霍尔元件都是由半导体资料做成尤其是N N型型 锗锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、 砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)、 锑化铟锑化铟(InSb)(InSb)霍尔元件普通做得都较薄霍尔元件普通做得都较薄0.10.2mmHkdHHkRneRH1HRdRKHHHR 资料要求:大大大大 金属资料: 绝缘资料: 半导体资料:小小大大 大大小小 大大大大 ( 霍尔系数)

40、HK( 灵敏度系数)Ev载流子的载流子的迁移率迁移率霍尔元件都是由半导体资料做成尤其是霍尔元件都是由半导体资料做成尤其是N N型：型：锗锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、 砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)、 锑化铟锑化铟(InSb)(InSb) UHIB成正比关系成正比关系. KHn (半导体的电子浓度半导体的电子浓度)、e (电子当量电子当量)、d (霍尔元件的厚度霍尔元件的厚度)成反比关系成反比关系.KcosIBKUIBKnedIBUHHHHH霍尔元件的灵敏度下：在磁场角度在垂直条件下：霍尔元件的构造霍尔元件的构造控制电流端引线，红色黑端控制电流端引线，红色黑端霍尔输出端引线

41、，霍尔输出端引线，绿色白端绿色白端4 4端器件端器件霍尔元件的丈量电路霍尔元件的丈量电路提供鼓励电流提供鼓励电流调理鼓励电流的大小调理鼓励电流的大小负载电阻，通常是显示仪表、记录负载电阻，通常是显示仪表、记录安装、放大器的输入阻抗安装、放大器的输入阻抗UH普通在毫伏量级，实践运用普通在毫伏量级，实践运用后端应加放大器后端应加放大器1 1、额定鼓励电流、额定鼓励电流IHIH 使霍尔元件温升使霍尔元件温升1010所施加的控制电流值称为所施加的控制电流值称为额定鼓励电流。通常用额定鼓励电流。通常用IHIH表示。表示。2 2、输入电阻、输入电阻Ri Ri 它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室它是指

42、控制电流极间的电阻值。它规定要在室温温(20(205)5)的环境温度中测取。的环境温度中测取。 3 3、输出电阻、输出电阻Rs Rs 它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(20(205)5)的条件下测取。的条件下测取。霍尔元件主要技术目的霍尔元件主要技术目的霍尔元件主要技术目的霍尔元件主要技术目的不等位电阻：不等位电阻：ro=Uo/IHro=Uo/IH4 4、不等位电势、不等位电势UoUo及零位电阻及零位电阻r0r0 当霍尔元件通以控制电流当霍尔元件通以控制电流IHIH而不加外磁场时，它而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为的霍

43、尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势不等位电势( (或零位电势或零位电势) )。霍尔电极位置不对称或不在同一等位面上霍尔电极位置不对称或不在同一等位面上* *2.2.资料不均匀或几何尺寸不均匀资料不均匀或几何尺寸不均匀3.3.鼓励电极接触不良鼓励电极接触不良产生不等位电势的主要缘由产生不等位电势的主要缘由: 理想情况下理想情况下Uo=0Uo=0，但由于霍，但由于霍尔元件的某种构造缘由呵斥尔元件的某种构造缘由呵斥Uo0Uo0，那么电桥处于不平衡，那么电桥处于不平衡形状，即四个分布电阻的阻形状，即四个分布电阻的阻值不等；值不等； 可采用不等位电势补偿线路可采用不等位电势补偿线路进展

44、补偿进展补偿. .4.4.3霍尔传感器丈量电路与误差补偿霍尔传感器丈量电路与误差补偿v2.误差补偿误差补偿v2温度误差及其补偿温度误差及其补偿 R(a)(b)RtIRtRL输入回路温度补偿输出回路温度补偿图4-39 霍尔元件温度补偿方法补补偿偿将霍尔元件视为一个电桥，那么将霍尔元件视为一个电桥，那么A A、B B为控制电流极、为控制电流极、C C、D D为霍尔电为霍尔电极。在极间分布的电阻用极。在极间分布的电阻用4 4个电阻个电阻r1r1、r2r2、r3r3、r4r4表示。理想情况表示。理想情况下，下，4 4个电阻相等，那么不等位电个电阻相等，那么不等位电势为势为0 0；实践情况下，；实践情况

45、下，4 4个电阻并个电阻并不相等，即电桥不平衡，所以对不相等，即电桥不平衡，所以对外显示有不等位电势。外显示有不等位电势。1.1.不等电位电势补偿不等电位电势补偿 不等位电势的补偿电路不等位电势的补偿电路0,HHHHxxRUk IBkbd 霍尔器件在霍尔器件在x方向上长度为方向上长度为b，x0 是位于气隙下的初始长是位于气隙下的初始长度。此传感器常采用差动构造。度。此传感器常采用差动构造。 4.4.4 霍尔传感器运用霍尔传感器运用S NN S霍尔元件Xx-x0霍尔式传感器的运用霍尔式传感器的运用丈量位移丈量位移梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变化梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越

46、高；梯度变化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。 霍尔式位移传感器原理表示图霍尔式位移传感器原理表示图梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变化梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。KPPKIKKIBKUPUPBHHHH的关系：与被测压力 霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形4.4.4 4.4.4 霍尔传感器运用霍尔传感器运用 霍尔传感器是一种磁敏感元件，利用霍尔效应任务。霍尔霍尔传感器是一种磁敏感元件，利用霍尔效应任务

47、。霍尔 效效应产生的霍尔电势与经过的控制电流以及垂直于霍尔元件的磁感应产生的霍尔电势与经过的控制电流以及垂直于霍尔元件的磁感应强度有关。应强度有关。 霍尔元件的技术目的中最重要的是：不等位电势和不等位电阻。霍尔元件的技术目的中最重要的是：不等位电势和不等位电阻。假设将霍尔元件视为电桥，那么可采用桥臂上并联电阻的方式进假设将霍尔元件视为电桥，那么可采用桥臂上并联电阻的方式进展不等位电势的补偿。展不等位电势的补偿。 利用霍尔传感器可以丈量最终可以转换成电流、磁感应强度的利用霍尔传感器可以丈量最终可以转换成电流、磁感应强度的物理量。实践运用中，常利用霍尔集成电路丈量位移、磁场强度、物理量。实践运用中

48、，常利用霍尔集成电路丈量位移、磁场强度、转速以及电流、电压。转速以及电流、电压。小小 结结BIkUHHH4.7.1 4.7.1 超声涉及其特性超声涉及其特性动摇简称波：振动在弹性介质内的传播动摇简称波：振动在弹性介质内的传播声波：其频率在声波：其频率在162162104 Hz104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波之间，能为人耳所闻的机械波次声波：低于次声波：低于16 Hz16 Hz的机械波的机械波超声波：高于超声波：高于2 2104 Hz104 Hz的机械波的机械波微波：频率在微波：频率在3 3108310831011 Hz1011 Hz之间的波之间的波4.7 4.7 超声波传感器超声波传感器

49、声波的频率界限图 4.7.1 超声涉及其特性超声涉及其特性 超声波的反射和折射 21sinsincc2. 2. 反射与折射反射与折射 4.7.1 超声涉及其特性超声涉及其特性 声波在介质中传播时，随着传播间隔的添加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：xxeII20 xxePP0式中: xP、 xI 声波在距声源x处的声压和声强； 0P、 0I 声波在声源处的声压和声强； x 声波与声源间的间隔； 衰减系数。 3. 3. 声波的衰减声波的衰减4.7.2超声波传感器超声波传感器 压电式超声波传感器是利用压电资料的压电效应原理来任务的。压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高

50、频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电资料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。 压电式超声波接纳器是利用正压电效应原理进展任务的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个外表上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到丈量电路，最后记录或显示出来。 1.压电式超声波传感器4.7.3 超声波传感器运用超声波传感器运用v 1. 超声波探伤超声波探伤BFTFB高频发生器接收放大工件探头缺陷4.7.3 超声波传感器运用超声波传感器运用2.超声波测流量图4-60 超声波丈量流量 4.7.3 超声波传感器运用超声波传感器运用1/sincosDtc v2/sincosDtc v2122 cosDtttvc 22 coscvtD当当A为发射探头，为发射探头，B为接纳探头，此时为顺流传播，超声波传播速度为为接纳探头，此时为顺流传播，超声波传播速度为c+vcos,于是其传播时间于是其传播时间t1为为 4-35 当当B为发射探头，为发射探头，A为接纳探头，此时为逆流传播