第3章 电参量检测装置

电阻式传感器3.13.1.1应变式传感器3.1.3热电阻传感器3.1.4光敏电阻3.1.2压阻式传感器关闭下一页电感式传感器3.23.2.2互感式传感器

3.2.1自感式传感器3.2.3电涡流传感器电容式传感器3.33.3.1工作原理和类型3.3.3测量电路3.3.2等效电路3.3.4应用应变式传感器电阻应变传感器组成13.1.1弹性体应变片F电桥电路

弹性体应变片电桥电路

x（力、加速度、荷重等）应变电阻变化电压信号传递流图组成应变式传感器3.1.1电阻应变传感器定义2通过弹性敏感元件将被测量转变为其应变;通过电阻应变片将应变转换为电阻变化;通过测量电路（电桥）将电阻变化转换为输出电压的检测装置。分类：电阻丝应变片和半导体应变片。应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导体的压阻效应制成的一种转换元件。应变式传感器3.1.1电阻丝的应变效应3金属丝沿轴向受到拉伸或压缩，其阻值增大或减小，此现象为电阻应变效应。图3-1电阻丝的应变效应(3-1)(3-2)截面为圆形的单根金属电阻丝当电阻丝受到拉力F作用时,

相对变化量表示(3-3)3.1.1应变式传感器3.1.1应变式传感器对于半径为r的圆导体

在弹性范围内，轴向应变与径向应变关系为（3-4）（3-5）（3-6）3.1.1应变式传感器灵敏系数金属应变片灵敏系数受材料几何尺寸变化的影响取决于。

在电阻丝拉伸极限范围内，同一电阻丝材料，灵敏系数为常数。（3-7）（3-8）应变效应表达式3.1.1应变式传感器电阻丝应变片的结构与类型4

图3-2电阻丝应变片结构（1）结构3.1.1应变式传感器敏感栅：感受应变，并将应变转换为电阻的变化。基底：绝缘及传递应变。由纸薄、胶质膜等制成。粘结剂：敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。覆盖层：保护作用。防湿、蚀、尘。引线：连接电阻丝与测量电路，输出电参量。各组成部分的作用3.1.1应变式传感器应变片的使用面积和阻值表示其规格。如（3×10）mm2

，120Ω。根据制栅工艺的不同分为丝式、箔式和薄膜式。丝式制作：粘贴工艺。箔式制作工艺：照相制版或光刻技术。薄膜式制作工艺：真空蒸发或真空沉积。应变片的选择根据测量精度、允许工作电流、散热、体积、是否批量等要求查手册选择。（2）电阻丝应变片的种类3.1.1应变式传感器

图3-3电阻应变片结构

图(a)箔式应变片

图(b)薄膜式应变片照相制版或光刻技术真空蒸发或真空沉积3.1.1应变式传感器（1）应变片的灵敏系数K确定μ=0.285钢件确定方法：实验测定由电位差计测定电阻变化，由应力仪测出轴向应变，计算灵敏系数K应变片FF应力仪测出εX电位差计测△R/R

图3-4应变片K确定方法电阻丝应变片的特性53.1.1应变式传感器（2）横向效应图3-5应变片的轴向受力与横向效应定性分析实际应变片比单丝电阻丝灵敏系数低原因（a）应变片示意图（b）圆弧段局部放大图3.1.1应变式传感器圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸长引起阻值增加量起着抵消作用。此现象为横向效应。加长敏感栅纵栅，加宽缩短横栅，消除圆弧。箔式和薄膜式应变片横向效应可忽略。同样应变阻值变化减小，K值减小。横向效应横向效应的结果减小横向效应的措施3.1.1应变式传感器定量分析应变片置于二维应力场，即有，又有。（3-9）3.1.1应变式传感器电阻丝应变片温度误差及补偿6（1）温度误差

由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。

产生原因之一:电阻丝温度系数的影响（3-10）

温度变化造成电阻增量产生原因之二:试件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的影响（3-11）（3-12）（3-13）F温度变化△T,试件伸长量应变片伸长量应变片附加伸长量3.1.1应变式传感器3.1.1应变式传感器（3-15）（3-14）（3-16）（3-17）3.1.1应变式传感器（2）温度补偿

选择应变片使△T≠0时，εT≈0要求电阻丝材料与被测材料配合恰当。①选择式应变片的自补偿法

（3-18）3.1.1应变式传感器两段敏感栅的电阻大小选择②双金属敏感栅自补偿应变片（3-19）R1R2图3-6双金属敏感栅自补偿3.1.1应变式传感器③桥路补偿法

补偿原理：桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥输出无影响。

图3-7桥路补偿方法FR3RBR4R1UU0R1RBF工作片补偿片3.1.1应变式传感器

电桥输出U0=A（R1R4－RBR3）（2-20）无应变时的电桥输出Uo=A［（R1+ΔR1t）R4－

(RB+ΔRBt)R3］=0要求工作片与补偿片特性一致且置于同一温度场中。3.1.1应变式传感器电桥输出电压为

Uo=AR1R4Kε

Uo

与ε成单值函数关系。与温度变化无关。结论：单臂桥加补偿片可实现温度补偿。应变输出ΔR1=R1Kε

（2-21）有应变时3.1.1应变式传感器C

R1R2R4R3UAABDU0图3-8不平衡直流电桥思考：等臂电桥四个桥臂均为应变片，感受应变。输出电压U0=？电阻应变片的测量电路7实现：3.1.1应变式传感器（3-22）四个臂为应变片工作时，其电阻变化ΔR

（1）不平衡电桥电路的输出（3-23）输出电压推导方法一3.1.1应变式传感器（3-24）输出电压推导方法二3.1.1应变式传感器①单臂电桥（3-25）CR1FU0R1＋⊿R1R4R3UR2图3-10单臂电桥图3-9悬臂梁应变DBA3.1.1应变式传感器②半桥差动电桥R1R2F图3-11差动直流电桥U0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2（3-26）CDBA3.1.1应变式传感器③全桥差动电路R2－⊿R2R4＋⊿R4U0R1＋⊿R1UR3－⊿R3图3-12全桥差动电路（3-27）R1R4R3R2FCDAB3.1.1应变式传感器结论：①

ΔRi<<R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。②为了产生最大输出电压,应使一个对角线应变片受拉,另一对对角线应变片受压。③电桥供电电压U越高，输出电压U0和灵敏度越大。（应使工作电流小于允许电流）④增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的灵敏度。3.1.1应变式传感器（2）非线性误差及其补偿单臂电桥，即R1桥臂变化ΔR，理想的线性关系实际输出电压非线误差误差（2-28）（2-29）（2-30）3.1.1应变式传感器结论：半桥与全等臂桥输入输出成线性关系。半桥灵敏度是单臂桥的两倍，全等臂桥灵敏度是单臂桥的四倍。半桥与全等臂电桥具有温度补偿作用。以上结论通过CSY10传感器综合实验仪验证。3.1.1应变式传感器电阻应变传感器的应用8应用测量力、位移、加速度、扭矩等。汽车衡、电子秤等。制作

弹性元件的制作加工。应变片的正确粘贴。应变片的连线接桥。结构形式柱式、悬臂梁式、环式和轮辐式等。3.1.1应变式传感器轮辐式传感器电子秤悬臂梁式传感器汽车衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤3.1.1应变式传感器(c)薄壁环式(d)轮辐式（a）柱式(b)悬臂梁式图3-13各种弹性体结构图3.1.1应变式传感器（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；图3-14柱式力弹性体结构图（1）柱（筒）式力传感器

3.1.1应变式传感器R5R8R7R6R1R2R3R4图3-15柱式贴片及电桥电路连接图R5R8R7R6R1R2R3R4UoUi3.1.1应变式传感器纵向对称两两串接为了减小偏心载荷及弯矩的影响；横向贴片作温度补偿用。横向应变片的应变为（3-31）（3-32）接成差动全等臂电桥，总的应变为电桥输出为（3-33）（2-34）纵向应变片的应变为3.1.1应变式传感器图3-16等截面梁应变传感器原理图R1R2lFWhR3R4（2）悬臂梁式力传感器3.1.1应变式传感器输出电压为（2-36）（2-37）（2-35）传感器为悬臂梁式传感器。悬臂梁端部受质量块惯性力作用，距端部L处的应变为接成全桥总应变为3.1.1应变式传感器共性:将应变片贴于应变值最大的点上，接于全桥电路，产生较大输出（具有较高的灵敏度）注意对角线上的应力状态一致不同点:结构不同,敏感元件受力等产生的应变与被测量关系不同。各性能参数有所不同,应用范围有所不同。

（查手册）总结各种结构电阻应变传感器的共性是什么？不同之处是什么？3.1.2压阻式传感器

定义单晶半导体材料受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象称为压阻效应。

特点灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。温度误差较大，要有温度补偿措施。

分类体型压阻式传感器和扩散型压阻式传感器。

3.1.2压阻式传感器压阻效应表达式1半导体电阻率（3-38）（3-39）（3-40）（3-41）3.1.2压阻式传感器缺点温度稳定性较差，非线性较大。制作从单晶硅或锗上切下薄片制成。结构组成基片、半导体薄片、引线。优点灵敏系数大，横向效应和机械滞后小。半导体电阻应变片的结构及特点23.1.2压阻式传感器图3-17体型半导体应变片的结构形式3.1.2压阻式传感器测量电阻与温度补偿3输出电压受环境温度的影响。消除了环境温度的变化对输出的影响。恒压源

恒流源

（3-42）（3-43）3.1.2压阻式传感器图3-18恒压（流）源供电电桥R－△R＋△RTR－△R＋△RTR＋△R＋△RTR＋△R＋△RTABCD3.1.2压阻式传感器压阻式传感器的应用4图3-19压阻式压力传感器结构简图（1）结构低压腔高压腔硅杯引线硅膜片（2

）膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布（3-44）3.1.2压阻式传感器（3-45）沿径沿两侧采用扩散工艺制作四个电阻。（3）电桥输出电压3.1.2压阻式传感器C

R1R2R4R3UAVDDBDV0V01R5R5RgR6R6R7R7V02V1V2叠加定理（4）实用测量电路3.1.2压阻式传感器3.1.3热电阻式传感器金属热电阻和半导体热敏电阻。热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的特性对与温度相关的参量进行检测的装置。定义测温、测温范围主要在中低温区（－200℃～650℃）应用分类3.1.3热电阻式传感器（1）铂热电阻Rt＝R0［1+At+Bt2+Ct3(t－100)］①热电特性（RT～T）

T在－200~0℃时T在0~650℃时对纯度一定的铂热电阻，A、B、C为一常数。Rt

＝

R0(1+At+Bt2)（3-46）（3-47）金属热电阻13.1.3热电阻式传感器R0=100Ω和R0=1000Ω及R0=500Ω三种,分度号分别为Pt100、Pt1000和Pt500。

铂热电阻的种类查分度表法：铂热电阻不同分度号有相应分度表,即Rt与t的关系表，

测得热电阻的阻值Rt

，从分度表上查出对应的温度值。计算温度的方法公式计算法：由测得的热电阻阻值，由热电特性公式计算出相应的温度值。3.1.3热电阻式传感器铂电阻的灵敏度Rt＝R0（1+αt）②纯度W100＝R100/R0。按IEC标准,工业使用的铂热电阻W100>1.386。使用场合:不宜在还原性介质中使用。

（3-48）3.1.3热电阻式传感器（2）铜热电阻测量范围为－50～+150℃。热电特性为：Rt＝R0（1+αt）

Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。分度号不宜在氧化性介质中使用。适于在无水分及侵蚀性介质的温度测量。使用场合（3-49）3.1.3热电阻式传感器（3）热电阻的结构图3-20热电阻结构图图3-19（a）铜热电阻结构图图3-20（b）铂热电阻结构图3.1.3热电阻式传感器利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质而制成的温度敏感元件。定义工作机理价带导带图3-21热电阻工作机理图热敏电阻23.1.3热电阻式传感器热敏电阻主要类型正温度系数热敏电阻PTC和负温度系数热敏电阻NTC。主要用于控温、保护等场合。如半导体器件的过热保护。电机、变压器、音响设备的安全保护等。PTC的应用场合NTC热敏电阻主要用于测温和温度补偿。电子温度计等。NTC的应用场合3.1.3热电阻式传感器RT=R0eB(1/T—1/T0)（1）热电特性（RT～T）T=373.15K(100℃)，T0=293.15K(20℃)测量R20、R100，计算B材料常数B的确定温度灵敏度的确定（3-50）（3-51）（3-52）3.1.3热电阻式传感器（2）热敏电阻的伏安特性

图3-22热敏电阻的伏安特性

避免电流过大，电阻体产生自热。3.1.3热电阻式传感器铂电阻采用三线制测量电路和四线制测量电路。（1）金属热电阻传感器温度测量，测量电路采用电桥电路。热电阻传感器的应用23.1.3热电阻式传感器图3-23三线制测量电路

UCCRtR0U0rrrRR3.1.3热电阻式传感器①三线制补偿原理电桥的相临两个桥臂增加了相同导线电阻，差动输出后，可消除导线电阻的影响。输出电压（3-53）3.1.3热电阻式传感器RfRfRRR1R1Rt+U0－I图3-24四线制测量电路②四线制补偿原理（3-54）（3-55）铂电阻压降差动放大器输出3.1.3热电阻式传感器③典型测温电路图

3-25恒流源测量电路

恒流驱动3.1.3热电阻式传感器A/D满量程输入电压为2V。放大倍数为温度上限100℃时，PT1000的阻值为PT1000上电压为1.386V，输出电压为，温度下限0℃时输出电压为0。一级放大器实现恒流驱动温度转换二级放大器实现电压放大3.1.3热电阻式传感器恒压驱动图

3-26恒压源测量电路

RfRfR1R0R2R2Rt+U0-R1VCC=5VR3R4R550K50K1K1M1M1M1M0.5K5K100ΩPT10003.1.3热电阻式传感器A/D满量程输入电压为2V。温度上限100℃，电桥输出电压为36.82mV。放大倍数为54.3倍。放大器可采用仪表放大器AD623、AD627等。在量程上限时，调节量程电阻使输出达到2V。3.1.3热电阻式传感器热或力中站央锅空炉调温度传感器温度传感器积算仪流量计用户图

3-27热量表热量测量组成

④应用举例两只铂电阻温度传感器分别测出进水和回水温度，流量计测出流量，计算出用户消耗的热量。（2）热敏电阻传感器

①温度控制实现某一小温度范围t1～t2的温度控制。t<t1→RG↑→VT1导通（VT2导通）→J得电→加热t>t2→RG↓→VT1截止（VT2截止）→J失电→停止加热3.1.3热电阻式传感器3.1.3热电阻式传感器J1～J1图3-28温度控制器3.1.3热电阻式传感器锰铜丝电阻R2R1被补偿元件RT图3-29温度补偿电路②温度补偿温度变化△T，零件阻值变化△R1，热敏电阻并联电路阻值变化△R2，合理选择电路参数，使3.1.4光敏电阻图3-30光敏电阻的电极图案光敏电阻的结构与工作原理1（1）结构在玻璃基板上均匀涂上一薄层半导体物质，职称梳状电极3.1.4光敏电阻光照射到半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。

导带价带uA

图3-31光敏电阻工作原理图（2）工作原理3.1.4光敏电阻刚好产生内光电效应的临界波长为（3-56）3.1.4光敏电阻（2）

基本特性

①伏安特性

一定光照，R一定，I正比于U。一定电压，I随着光照E增强而增大。

E↑→R↓→I↑（1）主要参数光敏电阻的主要参数和基本特性

2光电流3.1.4光敏电阻

图3-32光敏电阻的伏安特性3.1.4光敏电阻②光照特性（I～E）

光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。

如光照度计：农作物日照时数测定。

图3-33光敏电阻的光照特性3.1.4光敏电阻无光照V0=VL。有光照V0=VH。输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。

图3-34光敏电阻的应用（3-57）1天日照时数3.1.4光敏电阻

图3-35光敏电阻的光谱特性③光谱特性（Kr%～λ）3.1.4光敏电阻光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。亦称为光谱响应。①不同材料，其峰值波长不同。②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件，使光电元件得到较高得相对灵敏度。（3-58）3.1.4光敏电阻④频率特性光敏电阻受到（调制）交变光作用，光电流与频率的关系。反映光敏电阻的响应速度。3-36调制原理图MuA调制盘电机3.1.4光敏电阻3-37光敏电阻的频率特性硫化铅的频率特性优于硫化铊的频率特性3.1.4光敏电阻3-38光敏电阻的温度特性3-39光敏电阻的光谱温度特性⑤温度特性自感式传感器结构与工作原理13.2.1a)变间隙式b)变面积式

c)螺管式3-38自感式传感器结构图（1）结构自感式传感器3.2.1（2）原理被测量（压力、位移等）变化，引起自感传感器自感值变化，通过测量电路转换为电压。图3-39变间隙自感式传感器结构图（3-59）（3-60）线圈磁通及电感自感式传感器3.2.1线圈自感（3-61）（3-62）自感式传感器3.2.1气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻

当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,

即δ=δ0－Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL（1）简单变气隙式自感传感器灵敏度

变气隙式自感传感器灵敏度2自感式传感器3.2.1

当Δδ/δ<<1时,可将上式用泰勒级数展开

（3-63）自感式传感器3.2.1

当衔铁下移Δδ时,传感器气隙增大Δδ,即δ=δ0＋Δδ,则此时输出电感为L=L0－ΔL。（3-64）（3-65）自感式传感器3.2.1（2）差动变隙式电感传感器灵敏度

1-铁芯；2-线圈；3-衔铁3-40差动式变间隙式电感传感器自感式传感器3.2.1当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2

自感式传感器3.2.1结论：①差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍。②非线性减小。简单式电感传感器非线性误差③克服温度等外界共模信号干扰。（3-66）（3-67）自感式传感器3.2.1变面积式自感传感器灵敏度3输入与输出呈线性关系。得到较大的线性范围。灵敏度特点（3-68）自感式传感器3.2.1(1)变压器电路图3-41变压器电桥u0z2＝ωL2z1＝ωL1u/2u/2ui自感传感器测量电路4自感式传感器3.2.1传感器衔铁移动方向相反时衔铁偏离中间零点向下移动时由于交流激励，转换电路不能实现辨向。

（3-69）（3-70）（3-71）自感式传感器3.2.1(2)带相敏检波的电桥电路图3-42相敏检波电路自感式传感器3.2.1图3-43非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路电路作用：辨别衔铁位移方向；消除零点残余电压。自感式传感器3.2.1设衔铁移动使Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ。当电源u上端为正（A正），下端为负时（B负）当电源u上端为负（A负），下端为正时（B正）在电源一个周期内，电压表的输出始终为上正下负。即输出的极性取决于衔铁位移的方向。设衔铁移动使Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ时，分析输出电压的极性。图3-45变隙差动式电感压力传感器自感式传感器3.2.1自感传感器应用5自感式传感器3.2.1敏感元件：C形弹簧管转换元件：差动变隙自感传感器转换电路：变压器电桥结构组成输出电压（1）变隙差动式电感压力传感器被测压力由C型弹簧管转换为其端部位移，带动衔铁位移，使差动自感传感器阻抗变化，经过变压器电桥输出电压。工作原理（3-72）自感式传感器3.2.1（2）差动式电感测厚仪被测板材上测滚轮衔铁L1L2连杆螺杆下测滚轮图3-46（a）差动式电感测厚仪结构图自感式传感器3.2.1图3-46差动式电感测厚仪电路图自感式传感器3.2.1开始测量之前，先调节测微螺杆至给定厚度（由度盘读出）。当刚带厚度偏离给定厚度时，上测量滚轮将带动测微螺杆上下，通过杠杆将位移传递给衔铁，使L1、L2变化。将差动电感接于相敏检波电路中，根据电流表的指针偏转的方向和刻度值可以判断衔铁位移的方向，同时知道被测厚度的变化大小。厚度的变化与给定厚度相加，得到实际板厚。工作原理根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用差动形式连接。（1）结构互感式传感器3.2.2互感传感器结构与工作原理1图3-47螺管式差动变压器的结构活动衔铁导磁外壳骨架初级绕组次级绕组

（2）工作原理

差动变压器一次线圈加一定频率的激励，由于一次和二次线圈之间的互感，二次线圈产生感应电势。衔铁处于中间位置衔铁左移衔铁右移互感式传感器3.2.2互感式传感器3.2.2差动变压器输出电压与活动衔铁位移x的关系曲线，呈V字形。是E2a

曲线与E2b曲线合成的结果。（3）特性曲线图3-48差动变压器输出电压特性曲线

互感式传感器3.2.2基本特性2图3-49差动变压器等效电路（1）等效电路互感式传感器3.2.2当次级开路时,初级线圈有激励电流二次线圈由于互感产生互感电动势为空载输出电压为

输出电压的有效值为（3-73）（3-74）（3-75）互感式传感器3.2.2(1)活动衔铁处于中间位置时

M1=M2=MU2=0(2)活动衔铁向右移动时M1=M+ΔMM2=M－ΔM(3)活动衔铁向左移动时M1=M－MM2=M+ΔM互感式传感器3.2.2短路阻抗（2）主要性能①灵敏度增大U1、提高Q值、增大D

、减小损耗，可提高灵敏度。（3-76）（3-77）互感式传感器3.2.2②频率特性图3-50KE与f的关系曲线

取测量范围为线圈骨架长度的1/10～1/4，配用相敏检波式测量电路。③线性度激励频率采用中频互感式传感器3.2.2④零点残余电压定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。（x＝0，U0＝e0≠0)产生原因两个二次测量线圈的等效参数不对称，阻抗不同，基波分量不能抵消。铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。减小零点残余电压措施制造工艺上，做到磁路对称，线圈对称，铁芯材料均匀。加补偿电路。互感式传感器3.2.2差动整流电路。补偿电路：补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电压的大小和相位改变，使零点电压最小。串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次谐波。图3-51补偿零点残余电压的电路互感式传感器3.2.2功能：测量位移的大小，辨别移动方向，消除零点残余电压。（1）差动整流电路整流原理把差动变压器的两个次级输出电压分别整流,然后将整流的电压或电流的差值作为输出。测量电路2差动整流电路种类全波电压输出、半波电压输出、全波电流输出、半波电流输出。互感式传感器图3-52差动整流电路3.2.2互感式传感器①全波电压输出输出电压极性反映位移的方向。

②半波电压输出3.2.2互感式传感器③全波电流输出3.2.2相敏检波器输出电压的变化规律不仅能反映位移变化的大小，而且能反映位移的方向。（2）相敏检波电路①功能互感式传感器3.2.2②相敏检波电路分析图3-53相敏检波电路互感式传感器3.2.2Δx>0时,u2与uS为同频同相当u2与uS均为正半周时,uS使环形电桥中二极管VD1、ＶD4截止,VD2、VD3导通,得图3-51（b）的等效电路。图3-51（b）正半周等效电路（3-78）互感式传感器3.2.2

当u2与us均为负半周时,二极管VD2、VD3截止,VD1、VD4导通。其等效电路如图3-51（c）所示。图3-51（c）负半周等效电路输出电压为（3-79）互感式传感器3.2.2结论：位移ΔX>0,不论u2与uS是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压u0始终为正。当Δx<0时,u2与uS为同频反相不论u2与uS是正半周还是负半周,负载电阻RL两端得到的输出电压u0表达式总是为（3-80）互感式传感器3.2.2(a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c)差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形图3-54相敏检波电路电压波形③波形互感式传感器3.2.21-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计图3-55微压力传感器

差动变压器的应用4互感式传感器3.2.2图3-56微压力传感器测量电路

当被测压力由接头传入膜盒时，其中央自由端产生一个正比于被测压力的位移，并带动衔铁6在差动变压器中移动，使差动变压器输出电压。输出经过相敏检波和滤波后，其直流输出电压反映被测压力的数值。涡流式传感器3.2.3块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。高频反射式和低频透射式

分类对位移、厚度、材料损伤等进行非接触式连续测量。

应用涡流定义

高频反射式电涡流传感器1涡流式传感器3.2.3线圈加上高频激励电流，产生同频率的磁场，磁场在导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流为涡流。涡流产生反磁通，阻碍原磁通，使线圈阻抗变化，通过测量阻抗变化，可测量相关被测参量。（1）工作原理3-57涡流的产生涡流式传感器3.2.3传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为

Z=F（ρ,μ,r,f,x）

Z=F（x）信号流图其它参量固定时等效阻抗Z是线圈与金属板距离函数，由此可测量距离或位移。涡流式传感器3.2.3（2）等效电路分析涡流式传感器3.2.3线圈和导体的回路方程线圈阻抗线圈等效电阻（3-81）（3-82）（3-83）涡流式传感器3.2.3线圈等效电感线圈等效电路如图5-57所示。（3-84）涡流式传感器3.2.3线圈的等效品质因数Q值为靠近非磁（硬磁材料），等效电感减小。靠近软磁材料等效电感增大。被测量的变化，引起线圈电感L、阻抗Z和品质因数Q的变化，通过测量电路将Z或L或Q转变为电信号，可测被测量。（3-85）涡流式传感器3.2.3（3）传感器的结构线圈

框架3．框架衬套4．支架5．电缆6．插头3-60高频涡流传感器的结构扁平线框内嵌入线圈，线圈与电容并联构成LC谐振回路，通过电缆和插头给LC谐振回路加上高频激励，输出信号。涡流式传感器3.2.3（4）被测材料对谐振曲线的影响图3-61传感器的谐振曲线涡流式传感器3.2.3

被测体为非磁材料，线圈的等效电感减小，谐振曲线右移；被测体为软磁材料，线圈的等效电感增大，谐振曲线左移。定频时，回路失谐，传感器的阻抗及品质因数降低。谐振频率涡流式传感器3.2.3图3-62定频调幅式测距原理电路（5）测量方法①定频调幅法涡流式传感器3.2.3定频激励加到LC谐振回路，当无被测体靠近线圈时，LC处于谐振状态，使出电压最大；当有被测体靠近时，回路失谐，输出电压下降。输出电压为高频载波的等幅电压或调幅电压。经过高频放大器放大，检波电路检波，取出等幅电压，最后经过滤波电路，滤出高频杂散信号，取出与距离（振动）对应的直流电压U0。②调频法工作原理被测体靠近线圈，线圈电感值变化，LC谐振频率变化，将谐振频率通过鉴频器转换为电压，测得电压或电压差值，可确定被测体距离线圈的距离。涡流式传感器3.2.33-63调频测距电路原理图涡流式传感器3.2.3

3-64(a)透射式涡流传感器原理(b)线圈感应电势与厚度关系曲线测厚的依据:

E的大小间接反映了M的厚度t（1）工作原理发射线圈接收线圈

低频透射式电涡流传感器2涡流式传感器3.2.3（2）影响E的因素频率、材料一定，板越厚，接收线圈E越小。板厚、材料一定，频率越高，E越小。材料一定，不同频率下的E与t的关系涡流式传感器3.2.3

3-65不同频率渗透深度对E=f(t)曲线的影响厚板，较低频率薄板，较高频率为了得到较高的灵敏度，根据板厚选择激励频率。

更换被测材料时,采取变频的方法,使渗透深度基本不变,灵敏度不变。测试频率与材料关系涡流式传感器3.2.3x1和x2由涡流传感器测出，经调理电路变为对应的电压值，再经A/D转换器，变为数字量，送入单片机。单片机分别算出x1和x2值，然后由公式d=D－(x1+x2)计算出板厚。D值由键盘设定。板厚值送显示器显示。（1）厚度测量

涡流传感器S1、S2

与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。两探头距离为D。结构组成工作原理涡流式传感器3.2.3电涡流传感器的应用3

x1和x2由涡流传感器测出，经调理电路变为对应的电压值，再经A/D转换器，变为数字量，送入单片机。单片机分别算出x1和x2值，然后由公式d=D－(x1+x2)计算出板厚。D值由键盘设定。板厚值送显示器显示。（1）厚度测量

涡流传感器S1、S2

与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。两探头距离为D。结构组成工作原理涡流式传感器3.2.3调理电路调理电路微机或单片机显示键盘设定Dx1x2d探头A/D转换器图3-66高频反射式涡流测厚仪测试系统图涡流式传感器3.2.3（2）转速测量图3-67转速测量Z:一周齿数；N：每分钟转过齿数。涡流式传感器3.2.3（3）涡流探伤

带钢圆管波接管打压制管胀波涡流探伤锯切焊头图3-68波接管成型工艺流程框图涡流式传感器3.2.3带钢经过制管机，加工成圆管，由胀波机制成一定波距的波节管，波节管经过水打压，由涡流探伤仪检测是否有裂缝，如果无裂缝，锯切成一定长度的波节管，如果有裂缝信号如图，重新处理或报废。涡流式传感器3.2.3当金属片未靠近探头时，LC并联谐振回路阻抗较大，输出电压大。设计经处理后的输出电压V0大于比较器的参考电压VR。比较器输出高电平。（4）三杯式风速传感器

它的结构是碗式风杯转动轴上的固定的金属片圆盘。当风杯受风而转动时，圆盘上的金属片便不断地接近或离开涡流传感器探头中的振荡线圈，造成回路失谐，输出电压下降（磁回路间断短路）。涡流式传感器3.2.3比较器整形电路整形电路滤波器频率计单片机检波器高频放大器高频振荡器转轴风杯外壳转盘LCRV0u0图3-69三杯式风速传感器及检测系统VR涡流式传感器3.2.3风速转换为电脉冲信号。如频率速度转换常数为K(HZ/m/s)。

风速为v=f/K(m/s)

如将脉冲送入单片机的计数口T1，T0定时1分钟计T1中的计数值N，由公式当金属片靠近探头时，LC谐振回路失谐，阻抗下降，输出电压减小。V0<VR。比较器输出低电平。圆盘转动圈数N1=涡流产生的次数N2=比较器输出脉冲数N3。（3-86）（3-87）涡流式传感器3.2.3若想提高分辨能力，可在圆盘上等距放多个金属片，转一圈输出多个脉冲。风速计算公式Z：圆盘上放金属片的个数。计算出风速值。（3-88）电容式传感器工作原理与类型3.3.1

电容传感器能将被测量（位移、加速度、液位、料位、振动、湿度）转换为电容变化的装置。

原理式类型变间隙式、变面积式和变介电常数式。δSε图3-70电容传感器原理图

工作原理与类型1图3-71电容传感器结构图变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:

（i）～(l)工作原理与类型3.3.1（1）简单变极距型电容传感器

。灵敏度推导工作原理与类型3.3.1（3-89）变极距型电容传感器2若以容抗为输出亦可用泰勒展开式表示为工作原理与类型3.3.1（2）差动变间隙式电容传感器

图3-72差动变间隙式电容传感器结构图工作原理与类型3.3.1灵敏度推导设动极板上移Δδ

。工作原理与类型3.3.1（3-90）简单变间隙式电容传感器非线性误差工作原理与类型3.3.1（3-91）差动变间隙式电容传感器差动电容传感器非线性误差非线性误差减小一个数量级。

工作原理与类型3.3.1（3-92）（1）线位移图3-73变面积型电容传感器原理图

工作原理与类型3.3.1（3-93）变面积型电容传感器3（2）电容式角位移传感器

当θ=0时当θ≠0时图3-74电容角位移传感器原理图

工作原理与类型3.3.1（3-94）图3-75电容式液位传感器

（1）根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度。工作原理与类型3.3.1变介电常数型电容传感器4同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成电容式传感器（并联）电容与液位的关系为：

工作原理与类型3.3.1（3-95）（2）位移测量

图3-76变介质介电常数型电容传感器工作原理与类型3.3.1当x=0时，传感器的初始电容为当被测电介质进入极板间X深度后，引起电容相对变化量为工作原理与类型3.3.1（3-96）电容传感器等效电路3.3.2RCL图3-77电容式传感器等效电路RP由等效电路推导电容传感器灵敏度电容传感器等效电路3.3.2使用电容传感器时，不宜随便改变引线电缆的长度，改变激励频率或改变电缆长度都要重新校正传感器的灵敏度。（3-97）电容传感器测量电路3.3.3低通滤波器鉴频器低频放大器线性检波电路外接振荡器本机振荡器混频器限幅放大器3-78外差式调频电路原理框图

（3-98）调频电路1电容传感器测量电路3.3.3混频后得到中频信号输出测量频率或频差得出被测位移。（3-99）电容传感器测量电路3.3.3u-ACx∑～u0C3-79运算放大器电路测量距离，输入与输出之间成线性关系。（3-100）运算放大电路2电容传感器测量电路3.3.3实现图3-80双T型电桥电路U0iC1iC2±UER