測試技術(shù)第四章 傳感器ppt課件

1、中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 參量型傳感器參量型傳感器4.3 4.3 發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器4.4 4.4 其他類型的傳感器其他類型的傳感器4.5 4.5 傳感器的選用原則傳感器的選用原則第四章、常用傳感器及其變換原理第四章、常用傳感器及其變換原理測試技術(shù)測試技術(shù)中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.掌握常用傳感器測量原理掌握常用傳感器測量原理3.了解傳感器測量電路了解傳感器測量電路第四章、常用傳感器及其變換原理第四章、常用傳感器及其變換原理中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院第四章、常用傳感器及其變換原理第四章、常用傳感器及

2、其變換原理4.1 概述概述1. 1. 傳感器定義傳感器定義 傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。物理量物理量電量電量中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2. 2. 傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成 傳感器一般由敏感元件與轉(zhuǎn)換元件組成。4.1 4.1 概述概述 敏感元件敏感元件(sensing element)(sensing element)是指傳感器中能直是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系接感受或響應(yīng)被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)

3、系的其他量一般為非電量部分；的其他量一般為非電量部分； 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件(transduction element)(transduction element)是指傳感器中是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的可用輸出信號(hào)一般為電信號(hào)部分?；驕y量的可用輸出信號(hào)一般為電信號(hào)部分。 如：應(yīng)變式壓力傳感器的彈性膜片就是敏感元件，如：應(yīng)變式壓力傳感器的彈性膜片就是敏感元件，它將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性膜片的變形。它將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性膜片的變形。 如：應(yīng)變式壓力傳感器中的應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件，如：應(yīng)變式壓力傳感器中的應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件，它將

4、彈性膜片在壓力作用下的變形轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片電它將彈性膜片在壓力作用下的變形轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片電阻值的變化。阻值的變化。中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院3. 3. 傳感器的分類傳感器的分類(1)(1)按被測物理量分類按被測物理量分類: :(2)(2)按信號(hào)變換特征按信號(hào)變換特征: :(3)(3)按敏感元件與被測對(duì)象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對(duì)象之間的能量關(guān)系: :位移位移, ,力力, ,溫度等溫度等. .物性型傳感器物性型傳感器, ,結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器. .參量型傳感器也稱無源傳感器，或能量控制型）參量型傳感器也稱無源傳感器，或能量控制型）發(fā)電型傳感器也稱有源傳感器，或能量轉(zhuǎn)換型）發(fā)電型傳感器也稱有源傳感器

5、，或能量轉(zhuǎn)換型）4.1 4.1 概述概述中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院A A 物性型與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來 實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換. . 例如例如: :水銀溫度計(jì)水銀溫度計(jì), ,壓電測力計(jì)壓電測力計(jì). .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .4.1 4.1 概述概述中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院B B 參量型和發(fā)電型傳感器參量型和發(fā)電型傳感器 參量型參量型: :借助輔助能源將輸入的機(jī)械量轉(zhuǎn)換為

6、電量借助輔助能源將輸入的機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電量輸出。輸出。 例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片. .電容傳感器、電感傳感器等。電容傳感器、電感傳感器等。 發(fā)電型發(fā)電型: :直接將被測對(duì)象輸入能量轉(zhuǎn)會(huì)為電量而直接將被測對(duì)象輸入能量轉(zhuǎn)會(huì)為電量而 不需外加能源。不需外加能源。 例如例如: :熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì), ,壓電式加速度計(jì)等壓電式加速度計(jì)等. .4.1 4.1 概述概述中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4 4、傳感器的發(fā)展動(dòng)向、傳感器的發(fā)展動(dòng)向 傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)向：一是開展基礎(chǔ)研究，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)向：一是開展基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)研究傳感器的新材料和新工藝；二是實(shí)現(xiàn)傳感器重點(diǎn)研究傳感器的新材料和新工藝

7、；二是實(shí)現(xiàn)傳感器的智能化。的智能化。（1 1用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)設(shè)計(jì)制作各用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)設(shè)計(jì)制作各種用途的傳感器，這是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)工作。種用途的傳感器，這是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)工作。 （2 2傳感器向高精度、一體化、小型化的方向發(fā)展。傳感器向高精度、一體化、小型化的方向發(fā)展。（3 3發(fā)展智能型傳感器。發(fā)展智能型傳感器。 4.1 4.1 概述概述中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院5. 5. 常見的被測物理量常見的被測物理量 機(jī)械量機(jī)械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, ,旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角, ,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,分量分量, ,力

8、力, ,壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風(fēng)速風(fēng)速, ,流流速速, ,流量流量; ; 聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. . 磁磁: : 磁通磁通, ,磁場磁場. . 溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱比熱. . 光：光： 亮度，顏色亮度，顏色4.1 4.1 概述概述中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.2 4.2 參量型傳感器參量型傳感器4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器第四章、傳感器測量原理第四章、傳感器測量原理中國礦業(yè)

9、大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器感器, ,按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :變阻器式、電阻應(yīng)變式、變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式熱敏式、光敏式、電敏式. .（a）（b）（c）1 1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器 (1) (1) 工作原理工作原理4.2 參量型傳感器參量型傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院132xxp 圖圖a a為直線位移型，當(dāng)被測為直線位移型，當(dāng)被測位移量位移量x x變化時(shí)，電刷觸點(diǎn)變化時(shí)，電刷觸點(diǎn)2 2沿變沿變阻器移動(dòng)，則任意位置阻器移動(dòng)，則

10、任意位置2 2點(diǎn)與點(diǎn)與3 3點(diǎn)點(diǎn)之間的電阻值之間的電阻值lRk xldRSkdx傳感器靈敏度傳感器靈敏度圖圖b b為旋轉(zhuǎn)型變阻器式傳感器，其電阻值隨電為旋轉(zhuǎn)型變阻器式傳感器，其電阻值隨電刷轉(zhuǎn)角而變化。刷轉(zhuǎn)角而變化。圖圖c c是一種非線性變阻器式傳感器，或稱為函數(shù)是一種非線性變阻器式傳感器，或稱為函數(shù)電位器。電位器。lk單位長度的電阻值單位長度的電阻值4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 等效電路分析等效電路分析: Rp-總電阻總電阻;xp-變阻總長變阻總長;RL負(fù)載電負(fù)載電阻阻;x-電刷移動(dòng)量。電刷移動(dòng)量。132xxpEinEoutRxRLRp-Rx()(1)i

11、nxRppxxRxLpEoutE0 x 100%100%Output0負(fù)載效應(yīng)負(fù)載效應(yīng)4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器231中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)(1)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；定；(2)(2)受環(huán)境因素受環(huán)境因素( (如溫度、濕度、電磁場干擾等如溫度、濕度、電磁場干擾等) )影影響?。豁懶?；(3)(3)可以實(shí)現(xiàn)輸出可以實(shí)現(xiàn)輸出輸入間任意函數(shù)關(guān)系；輸入間任意函數(shù)關(guān)系；(4)(4)輸出信號(hào)大，一般不需放大。輸出信號(hào)大，一般不需放大。 （2 2優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)缺陷：缺陷： 因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間摩擦，

12、因此因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；由于磨損不僅影響使用壽需要較大的輸入能量；由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測量精度，所以分命和降低可靠性，而且會(huì)降低測量精度，所以分辨力較低；動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩辨力較低；動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的量。慢的量。 4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器構(gòu)造構(gòu)造中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院(5) (5) 運(yùn)用運(yùn)用案例：案例： 重量的自動(dòng)檢測重量的自動(dòng)檢測-配料設(shè)備配料設(shè)備重量設(shè)定重量設(shè)定原材料原材料 比較原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移;再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化4.2.1 4.2.1 電阻式傳感

13、器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測原理直接將代表煤氣包儲(chǔ)量的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1測量量程大；測量量程大；（2防爆；防爆；（3可靠；可靠；（4成本低。成本低。鋼絲鋼絲煤氣包煤氣包4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院案例：玩具機(jī)器人廣州中鳴數(shù)碼案例：玩具機(jī)器人廣州中鳴數(shù)碼 ）原理原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化變化4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2 2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片應(yīng)變

14、片 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形( (伸長或縮伸長或縮短短) )的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院012(12 )dRcKR1) 工作原理工作原理金屬應(yīng)變片的電阻金屬應(yīng)變片的電阻R R為為LAR 在外力作用下，導(dǎo)線變形，其長度、截面積、在外力作用下，導(dǎo)線變形，其長度、截面積、電阻率均將隨導(dǎo)線的變形而變化，由此引起電

15、阻率均將隨導(dǎo)線的變形而變化，由此引起R R的變的變化化由電阻絲幾何尺寸改變所引起的；由電阻絲幾何尺寸改變所引起的；由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變而引起的。由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變而引起的。(12 ) (12 )c 4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 當(dāng)當(dāng)不變時(shí)不變時(shí))21 ( RdAdldRARlR金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)當(dāng)當(dāng) 變化時(shí)變化時(shí)dRleAdRddRRE半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2) 金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì) 金屬應(yīng)變計(jì)有金屬應(yīng)變計(jì)有: : 絲式、箔式和薄絲式、箔式和薄膜式膜式 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):

16、:穩(wěn)定性和溫穩(wěn)定性和溫度特性好度特性好. . 缺陷缺陷: :靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)小小. .應(yīng)變計(jì)4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院3) 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大; ;體積小體積小; ;機(jī)械滯后小、橫機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)??；能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件向效應(yīng)??；能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件. . 缺陷：溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度離散度大以及缺陷：溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度離散度大以及在較大應(yīng)變作用下非線性誤差大；可重復(fù)性不在較大應(yīng)變作用下非線性誤差大；可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。如金屬應(yīng)變片。應(yīng)變計(jì)dRleAdRddRRE4.2.1 4

17、.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器工作原理：半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)工作原理：半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院3) 3) 應(yīng)變片的主要參數(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù) 1 1幾何參數(shù)：標(biāo)距幾何參數(shù)：標(biāo)距L L和絲柵寬度和絲柵寬度b b，制造廠常用，制造廠常用L Lb b 表示。表示。 2 2電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。 3 3靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。 4 4其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)工作溫度、滯后、其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

18、4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院案例：橋梁固有頻率測量案例：橋梁固有頻率測量原理在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時(shí)的沖擊對(duì)橋梁進(jìn)行激勵(lì)，再通過應(yīng)變片測量橋梁動(dòng)態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。4) 運(yùn)用運(yùn)用4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院案例：電子稱案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院Fma4.2.1 4.2.1 電阻式傳感器電阻式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.2 4.2 參量型傳感器參量型傳感器4.2.2 4.2.2

19、電容式傳感器電容式傳感器 1.1.變換原理變換原理: : 將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,它的電容量為它的電容量為: :0rAACdd +dA 當(dāng)被測量使當(dāng)被測量使d d、A A或或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。C電容量，電容量，F(xiàn)；極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，F(xiàn)/mm；A極板相互遮蓋面積，

20、極板相互遮蓋面積，m2 ；d極板間距離，極板間距離，m；r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于空氣，極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于空氣， r 1；0真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)， 0 8.8510-12 F/mm。中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2 2 分類分類 4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 a) a) 極距變化型極距變化型; ;+c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型0rAdC b)b)面積變化型面積變化型: :角位移型角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型柱面線位移型. .+中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院3、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器如右圖所示，設(shè)板間隙有一改變量如右圖所示，

21、設(shè)板間隙有一改變量d，則有，則有：0ACdd+dA200001()CdddCddd，將上式按泰勒級(jí)數(shù)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)Cd特性曲線特性曲線電容的增加值為電容的增加值為C：000AACCCddd0/1d d在在展開為：展開為：4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院對(duì)于小的間隙變化，：即對(duì)于小的間隙變化，：即 ，上式可舍去高次，上式可舍去高次項(xiàng)，從而可得近似的線性關(guān)系式：項(xiàng)，從而可得近似的線性關(guān)系式：0/1d d00CdCd采用上述相同的方法，可以推導(dǎo)出在采用上述相同的方法，可以推導(dǎo)出在 的情況下，的情況下，極板間距增加極板間距增加 d 時(shí)的輸出電容相對(duì)變化量為時(shí)的

22、輸出電容相對(duì)變化量為200001()CdddCddd0/1d d這時(shí)電容傳感器的靈敏度為：這時(shí)電容傳感器的靈敏度為：20CASdd4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院將變極距型電容傳感器做成差動(dòng)形式可以減小將變極距型電容傳感器做成差動(dòng)形式可以減小非線性誤差和增加靈敏度。非線性誤差和增加靈敏度。ddd dd d2C1C 差動(dòng)平板電容傳感器差動(dòng)平板電容傳感器4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4、變面積型電容傳感器、變面積型電容傳感器 采用改變電容器極板面積是另一種獲取電容傳感采用改變電容器極板面積是另一種獲取電容傳感器輸出變化的

23、方法。下圖示出幾種改變面積的電容器輸出變化的方法。下圖示出幾種改變面積的電容傳感器。傳感器。變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器(a)平板線位移式；平板線位移式；(b)轉(zhuǎn)角式；轉(zhuǎn)角式；(c)圓柱體線位移式圓柱體線位移式4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 對(duì)平極板線位移型電容傳感器圖對(duì)平極板線位移型電容傳感器圖(a)(a)所示），所示），當(dāng)動(dòng)極板沿與極板平行方向移動(dòng)時(shí)，遮蓋面積發(fā)生當(dāng)動(dòng)極板沿與極板平行方向移動(dòng)時(shí)，遮蓋面積發(fā)生變化，其電容量為：變化，其電容量為：bxCddCbSconstdxd其靈敏度為：其靈敏度為： 采用變面積型電容傳感器還可用于各種壓力、加采

24、用變面積型電容傳感器還可用于各種壓力、加速度等物理量的測量。速度等物理量的測量。4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 這類傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)：是其輸入與輸出是一種這類傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)：是其輸入與輸出是一種線性關(guān)系。線性關(guān)系。 缺陷：是電容的橫向靈敏度較大；此外其機(jī)械結(jié)缺陷：是電容的橫向靈敏度較大；此外其機(jī)械結(jié)構(gòu)要求十分精確，因此相對(duì)于變極距型電容傳感器，構(gòu)要求十分精確，因此相對(duì)于變極距型電容傳感器，測量精度較低。測量精度較低。 這種傳感器的測量范圍對(duì)于線位移型來說為幾厘這種傳感器的測量范圍對(duì)于線位移型來說為幾厘米，對(duì)轉(zhuǎn)角型則為米，對(duì)轉(zhuǎn)角型則為180180，測量的

25、頻率范圍為，測量的頻率范圍為0Hz0Hz104Hz104Hz。 同樣也可將這種傳感器做成差動(dòng)型。同樣也可將這種傳感器做成差動(dòng)型。4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院5 5、變介電常數(shù)型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器d0d1d2d0下圖所示為變介電常數(shù)型電容傳感器的兩種形式：下圖所示為變介電常數(shù)型電容傳感器的兩種形式：變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器(a)極板上覆蓋有介質(zhì)；極板上覆蓋有介質(zhì)；(b)介質(zhì)可移動(dòng)介質(zhì)可移動(dòng)4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院如上圖如上圖(a)所示，該電容器具有兩不同的電介質(zhì)。整個(gè)裝置所

26、示，該電容器具有兩不同的電介質(zhì)。整個(gè)裝置可視為由兩個(gè)電容器串聯(lián)而成，其總電容量可視為由兩個(gè)電容器串聯(lián)而成，其總電容量 C由兩電容器由兩電容器的電容的電容C1和和C2所確定，由此得：所確定，由此得：12120121111()rrddCCCA01212rrACdd為分析方便起見，設(shè)介質(zhì)為分析方便起見，設(shè)介質(zhì)1為空氣，即為空氣，即 ，則上式變?yōu)椋?，則上式變?yōu)椋阂虼艘虼?02210222rrAACddddd11r4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院圖圖(b)的形式也可改變介質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩電容器作并聯(lián)，的形式也可改變介質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩電容器作并聯(lián)，此時(shí)的總電容

27、量為：此時(shí)的總電容量為：01 0002 01200()rrb llb lCCCdd 0 0 000b lCdl為了分析方便起見，同樣設(shè)介質(zhì)為了分析方便起見，同樣設(shè)介質(zhì)1為空氣，因此為空氣，因此 ，又設(shè)介質(zhì)全部為空氣的電容器的為又設(shè)介質(zhì)全部為空氣的電容器的為C0，那么：，那么：由于介質(zhì)由于介質(zhì)2的插入所引起的電容的插入所引起的電容C的相對(duì)變化的相對(duì)變化C/C0正比于插入正比于插入深度深度 :11r4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院00220000011rrCClllClCClll 利用這一原理常用于對(duì)非導(dǎo)電液體和松散物料的液位或填充利用這一原理常用于對(duì)非導(dǎo)電液

28、體和松散物料的液位或填充高度的測量。高度的測量。測量非導(dǎo)電液體和松散物料的液位或測量非導(dǎo)電液體和松散物料的液位或填充高度的電容傳感器填充高度的電容傳感器4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 特點(diǎn)：電容傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，可以進(jìn)行無接特點(diǎn)：電容傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，可以進(jìn)行無接觸測量；它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨力強(qiáng)，觸測量；它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨力強(qiáng)，并能在惡劣的環(huán)境下工作；特別適合測量高頻振并能在惡劣的環(huán)境下工作；特別適合測量高頻振動(dòng)下的位移。動(dòng)下的位移。 6 6、 運(yùn)用運(yùn)用 運(yùn)用：位移、振動(dòng)、角度、加速度、荷重、運(yùn)用：位移、振動(dòng)、角度、加速度、荷重、壓

29、力、差壓力、料位、成分含量等。壓力、差壓力、料位、成分含量等。4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院案例：電容傳聲器案例：電容傳聲器 案例案例: :液面高度測量液面高度測量4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院電容式位移傳感器應(yīng)用電容式位移傳感器應(yīng)用4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 差動(dòng)式電容壓力傳感器差動(dòng)式電容壓力傳感器1 1、4 4隔膜片隔膜片 2 2、3 3基座基座5 5玻璃層玻璃層 6 6金屬金屬膜膜7 7彈性膜片彈性膜片 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器1 1絕緣體絕緣體 2 2

30、固定電極固定電極3 3質(zhì)量塊質(zhì)量塊 4 4彈簧彈簧pHpL4.2.2 4.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.2 4.2 參量型傳感器參量型傳感器4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型互感型互感型可變磁阻式可變磁阻式渦流式渦流式分類：分類：中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式(1)(1)工作原理工作原理組成：鐵芯、線圈和銜鐵組成：鐵芯、線圈和銜鐵 當(dāng)線圈通以電流當(dāng)線

31、圈通以電流i i時(shí)，產(chǎn)生磁通時(shí)，產(chǎn)生磁通mm，其大小，其大小與電流成正比，即與電流成正比，即mWLi式中式中 W線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)； L比例系數(shù)，稱為自感比例系數(shù)，稱為自感根據(jù)磁路歐姆定律根據(jù)磁路歐姆定律mmWiR式中式中 Wi磁動(dòng)勢；磁動(dòng)勢； Rm磁阻。磁阻。4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器a)可變導(dǎo)磁面積型b差動(dòng)型c單螺管線圈型d雙螺管線圈差動(dòng)中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院自感自感 如果空氣隙厚度如果空氣隙厚度如圖比較小，且不考慮磁如圖比較小，且不考慮磁路的鐵損失，則磁阻路的鐵損失，則磁阻Rm02mlRAA 磁路的磁

32、阻效應(yīng)有幾何磁阻效應(yīng)和物理磁阻效應(yīng)。磁路的磁阻效應(yīng)有幾何磁阻效應(yīng)和物理磁阻效應(yīng)?；谖锢泶抛栊?yīng)原理構(gòu)成磁彈性傳感器或稱壓基于物理磁阻效應(yīng)原理構(gòu)成磁彈性傳感器或稱壓磁傳感器）磁傳感器）202WLlAA4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器2mWLR中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 通常導(dǎo)磁體磁阻鐵芯及銜鐵磁阻遠(yuǎn)小于空通常導(dǎo)磁體磁阻鐵芯及銜鐵磁阻遠(yuǎn)小于空氣隙的磁阻，計(jì)算時(shí)可忽略，那么氣隙的磁阻，計(jì)算時(shí)可忽略，那么202W AL 可變磁阻式傳感器有變氣隙厚度型、變氣隙面可變磁阻式傳感器有變氣隙厚度型、變氣隙面積型和可動(dòng)鐵芯型三種。積型和可動(dòng)鐵芯型三種。 對(duì)變氣隙型電感傳感器，當(dāng)固定對(duì)變氣隙型電感傳感

33、器，當(dāng)固定A A，變化，變化時(shí)，時(shí)，L L與與呈非線性關(guān)系，此時(shí)傳感器的靈敏度為：呈非線性關(guān)系，此時(shí)傳感器的靈敏度為：2022WAS 4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小間隙范圍內(nèi)為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小間隙范圍內(nèi)工作。例如，設(shè)間隙變化范圍為（工作。例如，設(shè)間隙變化范圍為（ ），），則靈敏度為：則靈敏度為：00，222000222000(12)22()2WAWAWAS 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，由于時(shí)，由于 ，故，故靈敏度靈敏度S S趨于定值，即輸出與輸入近似成線性趨于定值，即輸出與輸入近似成線性關(guān)系。關(guān)系。001 214.2.3 4.

34、2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院變面積型電感傳感器，其自感變面積型電感傳感器，其自感L和和A成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。（如圖）（如圖）可動(dòng)鐵芯型電感傳感器，由螺管線圈和插入的鐵芯可動(dòng)鐵芯型電感傳感器，由螺管線圈和插入的鐵芯磁芯構(gòu)成。磁芯構(gòu)成。（2 2差動(dòng)電感傳感器差動(dòng)電感傳感器4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2 互感型互感型-差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器工作原理工作原理: :互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象. .WW1W2x-xWW1W2e1e2e=e1- e2P4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 厚度厚度, ,角度角度, ,表面

35、粗糙度表面粗糙度; ;拉伸拉伸, ,緊縮緊縮; ;壓力壓力, ,流量流量, ,液位液位; ;張力張力, ,重力重力, ,負(fù)荷量負(fù)荷量; ;扭矩扭矩, ,應(yīng)力應(yīng)力; ;溫度溫度; ;振動(dòng)振動(dòng), ,速度速度, ,加速度加速度; ;等等. .案例：板的厚度測量案例：板的厚度測量 案例：張力測量案例：張力測量3、運(yùn)用、運(yùn)用4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院差動(dòng)壓力傳感器差動(dòng)壓力傳感器4.2.3 4.2.3 電感式傳感器電感式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院加速度傳感器及測量電路加速度傳感器及測量電路1 1彈性支撐彈性支撐 2 2差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器4.2.3 4.2.3 電

36、感式傳感器電感式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器1 1、工作原理、工作原理: :原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(ZZ 1122I1I1E EI2I2渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)4.2 4.2 參量型傳感器參量型傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 渦流傳感器一般分為高頻反射式和低頻透射式。渦流傳感器一般分為高頻反射式和低頻透射式。以上介紹的為高頻反射式，其激勵(lì)電流以上介紹的為高頻反射式，其激勵(lì)電流i i為高頻兆為高頻兆赫茲以上）。這種傳感器通常用來測量位移、振動(dòng)等赫茲以上）。這種傳感器通常用來測量位移、振動(dòng)等物理量。物理量。 低頻透射式渦流傳感器多用于測量材料的

37、厚度，低頻透射式渦流傳感器多用于測量材料的厚度，其工作原理如下圖所示。其工作原理如下圖所示。低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2 2、測量電路、測量電路 一般用阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。下圖是一般用阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。下圖是用于渦流測振儀上的分壓式調(diào)幅電路。傳感器的線圈用于渦流測振儀上的分壓式調(diào)幅電路。傳感器的線圈L L和電容和電容C C組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為：組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為：12fLC分壓式調(diào)幅電路原理分壓式調(diào)幅電路原理4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)

38、電學(xué)院分壓式調(diào)幅電路的諧振曲線及輸出特性分壓式調(diào)幅電路的諧振曲線及輸出特性(a) (a) 諧振曲線諧振曲線 (b) (b) 輸出特性輸出特性4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院調(diào)頻電路工作原理調(diào)頻電路工作原理 調(diào)頻電路同樣把傳感器線圈接成一個(gè)調(diào)頻電路同樣把傳感器線圈接成一個(gè)LCLC振蕩回路。振蕩回路。與調(diào)幅電路不同的是將回路的諧振頻率作為輸出量。與調(diào)幅電路不同的是將回路的諧振頻率作為輸出量。隨著間隙隨著間隙的變化，線圈電感的變化，線圈電感L L亦將變化，由此使振亦將變化，由此使振蕩器的振蕩頻率蕩器的振蕩頻率f f發(fā)生變化。采用鑒頻器對(duì)輸出頻率發(fā)生變化。采用鑒頻器

39、對(duì)輸出頻率作頻率作頻率- -電壓轉(zhuǎn)換，即可得到與電壓轉(zhuǎn)換，即可得到與成正比的輸出電壓成正比的輸出電壓信號(hào)。信號(hào)。4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院優(yōu)點(diǎn)：接構(gòu)簡單，使用方便，不受油污、介質(zhì)影響。優(yōu)點(diǎn)：接構(gòu)簡單，使用方便，不受油污、介質(zhì)影響。運(yùn)用：位移、力、振動(dòng)測量，測厚運(yùn)用：位移、力、振動(dòng)測量，測厚, ,材質(zhì)判別材質(zhì)判別3 3、渦流傳感器的應(yīng)用、渦流傳感器的應(yīng)用: :4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：案例：案例： 連續(xù)油管的橢圓度測量連續(xù)油

40、管的橢圓度測量4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院案例：案例： 無損探傷無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測火車輪檢測油管檢測油管檢測4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院案例：案例： 測厚測厚案例：案例： 零件計(jì)數(shù)零件計(jì)數(shù)4.2.4 4.2.4 渦流式傳感器渦流式傳感器中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.3 4.3 發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器

41、第四章、常用傳感器及變換原理第四章、常用傳感器及變換原理中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院第四章、常用傳感器及變換原理第四章、常用傳感器及變換原理4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: : 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會(huì)被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會(huì)被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。電效應(yīng)。中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院q=dF0rAC rA極板間距；極板間距；壓電晶片工

42、作面的面積。壓電晶片工作面的面積。壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；2 2、壓電式傳感器及等效電路、壓電式傳感器及等效電路d d壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)。壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)。 壓電式傳感器適宜作動(dòng)態(tài)參量的測量。壓電式傳感器適宜作動(dòng)態(tài)參量的測量。4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 實(shí)際壓電傳感器中，往往實(shí)際壓電傳感器中，往往用兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶片進(jìn)用兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶片進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)。行并聯(lián)或串聯(lián)。并聯(lián)：并聯(lián)： 電荷量電荷量電壓電壓電容電容2aCC aUU 2aQQ 串聯(lián)：串聯(lián)： 電荷量電荷量電壓電壓電容電容aQQ 2aUU /

43、2aCC 4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 壓電式傳感器是一個(gè)具壓電式傳感器是一個(gè)具有一定電容的電荷源。有一定電容的電荷源。0aqUCp3 3、運(yùn)用、運(yùn)用4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院壓電式加速度傳感器設(shè)計(jì)模型壓電式加速度傳感器設(shè)計(jì)模型(a)(a)周邊壓縮式；周邊壓縮式；(b)(b)中心壓縮式；中心壓縮式；(c)(c)倒置式中心壓縮式；倒置式中心壓縮式；(d)(d)環(huán)形剪切式；環(huán)形剪切式；(e)(e)三角剪切式三角剪切式S S彈簧；彈簧；M M質(zhì)量塊；質(zhì)量塊；P P壓電晶體；壓電晶體；C C導(dǎo)線；導(dǎo)線；B B機(jī)座機(jī)座

44、4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院b) 壓力變送器壓力變送器a) 加速度計(jì)，力傳感器加速度計(jì)，力傳感器 4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院案例：飛機(jī)模態(tài)分析案例：飛機(jī)模態(tài)分析模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為一下幾個(gè)方面：模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為一下幾個(gè)方面： 1) 1) 評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性； 2) 2) 在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估 和優(yōu)化設(shè)計(jì)；和優(yōu)化設(shè)計(jì)； 3) 3) 診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障； 4) 4) 控制結(jié)構(gòu)的輻

45、射噪聲；控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲； 5) 5) 識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。 4.3.1 4.3.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.3 4.3 發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: : 磁電式傳感器是把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)磁電式傳感器是把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢的一種轉(zhuǎn)換器。又稱為電磁感應(yīng)式、電動(dòng)力式勢的一種轉(zhuǎn)換器。又稱為電磁感應(yīng)式、電動(dòng)力式ddteW 磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢。改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改

46、變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，W W匝線圈在磁場中運(yùn)匝線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，線動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e e的大小決定于穿過線圈的的大小決定于穿過線圈的磁通磁通的變化率，即的變化率，即中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2 2、分類、分類 磁磁電電式式動(dòng)圈式動(dòng)圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角速度型N4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院3、動(dòng)圈式傳感器、動(dòng)圈式傳感器 sinsindxeWBLWBLvdtsinsindeWBAWBAdt4.3

47、.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4 4 磁阻式傳感器磁阻式傳感器 圖圖 磁阻式傳感器工作原理磁阻式傳感器工作原理(a) (a) 測頻數(shù)測頻數(shù) (b) (b) 測轉(zhuǎn)速測轉(zhuǎn)速 (c) (c) 偏心測量偏心測量 (d) (d) 振動(dòng)測量振動(dòng)測量4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院5 5 磁電式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用磁電式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用 絕對(duì)式振動(dòng)速度傳感器絕對(duì)式振動(dòng)速度傳感器1-1-彈簧片；彈簧片；2-2-永磁鐵；永磁鐵；3-3-阻尼環(huán)；阻尼環(huán)；4-4-支架；支架；5-5-中心軸；中心軸；6-6-外殼；外殼；7-7-線圈線圈sinsi

48、ndxeWBLWBLvdtsinsindeWBAWBAdt4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 測速電機(jī)測速電機(jī)磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器4.3.2 4.3.2 磁電式傳感器磁電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場中洛倫茲霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。力作用的結(jié)果。 霍爾元件及霍爾效應(yīng)原理霍爾元件及霍爾效應(yīng)原理(a) (a) 霍爾元件霍爾元件 (b) (b) 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)4.3 4.3 發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器1 1、霍爾效應(yīng)、霍爾效應(yīng)c中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院L

49、FevB4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 HEHUFeEeb 任何帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場中沿著和磁力線垂直的方任何帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場中沿著和磁力線垂直的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)受到磁場力向運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)受到磁場力FL的作用，這個(gè)力又的作用，這個(gè)力又稱為洛倫茲力稱為洛倫茲力電場力電場力達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)HHUevBeEeb那么那么HUbvB 霍爾電勢的大小取決于載流體中電子運(yùn)動(dòng)的速度，霍爾電勢的大小取決于載流體中電子運(yùn)動(dòng)的速度，它載流體材料有關(guān)。它載流體材料有關(guān)。中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 1HHHB IURB IKB In e ddRH霍爾常數(shù)，取決于載流體材料的物理性質(zhì)；霍爾常數(shù)，取決于載流體材料

50、的物理性質(zhì)；KH霍爾元件靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感霍爾元件靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位激勵(lì)電流作用下霍爾電勢的大小。應(yīng)強(qiáng)度和單位激勵(lì)電流作用下霍爾電勢的大小。Ivnebd流經(jīng)載流體的電流流經(jīng)載流體的電流I I與載流子速度之間有下述關(guān)系與載流子速度之間有下述關(guān)系4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2 2、霍爾元件、霍爾元件霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖。下圖。 4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 3 3、霍爾元件的應(yīng)用、霍爾元件的應(yīng)用中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院霍爾元件工程測量應(yīng)用

51、霍爾元件工程測量應(yīng)用(a) (a) 角位移角位移 (b) (b) 線位移線位移 (c) (c) 加速度加速度 (d) (d) 零件計(jì)數(shù)零件計(jì)數(shù) (e) (e) 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 (f) (f) 壓力壓力4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院鋼絲繩斷絲檢測儀工作原理鋼絲繩斷絲檢測儀工作原理4.3.3 4.3.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器1 1、工作原理、工作原理 熱電式傳感器是一種將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量熱電式傳感器是一種將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的變換裝置，它利用傳感元件的電磁參數(shù)變化的變換裝置，它利用

52、傳感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來達(dá)到測量目的。隨溫度變化而變化的特性來達(dá)到測量目的。 熱電偶是由兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成的回路，熱電偶是由兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成的回路，如下圖如下圖AB12tt0eAB (t)eAB (t0)eB (t,t0)mV 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)：熱電效應(yīng)：4.3 4.3 發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器eA (t,t0)中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院熱電偶總的熱電勢為：熱電偶總的熱電勢為：eAB(t,t0)= eAB(t) - eAB(t0) -eA(t,t0)+ eAB(t,t0)= eAB(t) - eAB(t0) -eA(t,t0)+ eB(t,t0)eB(t,t0) 溫差

53、電勢比接觸電勢小很多，可以忽略不計(jì)，則溫差電勢比接觸電勢小很多，可以忽略不計(jì)，則熱電偶的總的熱電勢可表示為：熱電偶的總的熱電勢可表示為： eAB(t,t0)= eAB(t) - eAB(t0) eAB(t,t0)= eAB(t) - eAB(t0)4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成：熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成：（1 1兩種導(dǎo)體的接觸電勢伯爾電勢兩種導(dǎo)體的接觸電勢伯爾電勢eAB(t)eAB(t)（2 2單一導(dǎo)體的溫差電勢湯姆遜電勢）單一導(dǎo)體的溫差電勢湯姆遜電勢） eA(t,t0) eA(t,t0)因此，在閉合回路中出現(xiàn)四個(gè)熱電勢，分別為因此，

54、在閉合回路中出現(xiàn)四個(gè)熱電勢，分別為eAB(t)eAB(t)、eAB(t0)eAB(t0)、 eA(t,t0) eA(t,t0)和和eB(t,t0)eB(t,t0)，它們，它們的代數(shù)和不等于零。的代數(shù)和不等于零。中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2 2、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律（3 3中間溫度定律中間溫度定律ABt1t2中間溫度定律中間溫度定律ABt1t3ABt3t2=+熱電勢為：熱電勢為：eAB (t1 ,t2)= eAB (t1,t3 ) + eAB (t3,t2)4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器 （1 1均勻回路定律均勻回路定律（2 2中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院（

55、4 4標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律ABt1t2標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律ACt1t2CBt1t2=+熱電勢為：熱電勢為：eAB (t1 ,t2)= eAC (t1,t2 ) + eCB (t1,t2)4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院3 3、熱電偶傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用、熱電偶傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用4.3.4 4.3.4 熱電式傳感器熱電式傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 目前采用的數(shù)字式傳感器主要有碼盤、光柵、目前采用的數(shù)字式傳感器主要有碼盤、光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器等。旋轉(zhuǎn)變壓器等。一、數(shù)字式傳感器一、數(shù)字式傳感器4.4 4.4 其他類型傳感器其他類型傳感器 碼盤是把被測轉(zhuǎn)角直接

56、轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測碼盤是把被測轉(zhuǎn)角直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。元件。碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。第四章、常用傳感器及變換原理第四章、常用傳感器及變換原理1 1 碼盤碼盤中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 工作時(shí)，碼盤的一側(cè)放置光源，另一側(cè)放置光電工作時(shí)，碼盤的一側(cè)放置光源，另一側(cè)放置光電接受裝置，每個(gè)數(shù)位都對(duì)應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、接受裝置，每個(gè)數(shù)位都對(duì)應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接收光信整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接收光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號(hào)。應(yīng)數(shù)

57、碼電信號(hào)。 右圖所示為四位二進(jìn)制碼右圖所示為四位二進(jìn)制碼盤，碼盤上各圓環(huán)分別代表盤，碼盤上各圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個(gè)碼道上印制黑圖中同一個(gè)碼道上印制黑圖中表示為紅色白等間隔圖案，表示為紅色白等間隔圖案，形成一套編碼。黑色不透光形成一套編碼。黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的進(jìn)制的“0“0和和“1”“1”。 4.4 4.4 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤 帶判位光電裝置的帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤二進(jìn)制循環(huán)碼盤 4.4 4.4 其它類型的傳感器其它類型的傳感器

58、中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院3602n若采用若采用n n位碼盤，則分辨的角度為：位碼盤，則分辨的角度為：位數(shù)位數(shù)n n越大，能分辨的角度越小，測量也就越精確。越大，能分辨的角度越小，測量也就越精確。4.4 4.4 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 2 2 光柵光柵 光柵是在基體上刻有均勻分布條紋的光學(xué)元件。光柵是在基體上刻有均勻分布條紋的光學(xué)元件。用于位移測量的光柵稱為計(jì)量光柵。計(jì)量光柵分用于位移測量的光柵稱為計(jì)量光柵。計(jì)量光柵分為透射式及反射式兩種。為透射式及反射式兩種。中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 光柵主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光光柵主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的

59、有效長度即為測量范圍。電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量范圍。必要時(shí)，標(biāo)尺光柵還可接長。指示光柵比標(biāo)尺光柵必要時(shí)，標(biāo)尺光柵還可接長。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者刻有同樣?xùn)啪?。短得多，但兩者刻有同樣?xùn)啪唷?測量線位移的光柵稱為直光柵，測量角位移的光測量線位移的光柵稱為直光柵，測量角位移的光柵稱為圓形光柵。在直光柵中，若柵稱為圓形光柵。在直光柵中，若a為刻線寬度，為刻線寬度，b為縫隙寬度，則為縫隙寬度，則Wa+b稱為光柵的柵距稱為光柵的柵距(也稱光也稱光柵常數(shù)柵常數(shù))。 4.4 4.4 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院4.4 4.4 其它類型的傳感器其它類型的傳感器

60、 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院(3)(3)莫爾條紋的間距與兩光柵線紋夾角莫爾條紋的間距與兩光柵線紋夾角之間的關(guān)之間的關(guān)系為：系為：莫爾條紋有如下的重要特征：莫爾條紋有如下的重要特征：(1)(1)莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對(duì)線紋的莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對(duì)線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。周期誤差的影響。(2)在兩光柵沿刻線的垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾在兩光柵沿刻線的垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋在刻線方向移動(dòng)。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距條紋在刻線方向移動(dòng)。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋也同步移動(dòng)一個(gè)間距莫爾條