能量控制型傳感器

能量控制型傳感器第1頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四能量控制型傳感器第2頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四第2章能量控制型傳感器2.1電阻應(yīng)變式傳感器

2.2電容式傳感器

2.3電感式傳感器第3頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)

導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，其電阻值也隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。下面我們以金屬絲應(yīng)變片為例分析這種效應(yīng)。

2.1.2應(yīng)變片結(jié)構(gòu)類型與粘貼

1.應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)類型常用的應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類，金屬應(yīng)變片分為金屬絲式、箔式和薄膜式三種；半導(dǎo)體應(yīng)變片分為體型、擴(kuò)散型、薄膜型和PN結(jié)元件等類型，如圖2-1所示。第4頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器金屬絲式應(yīng)變片由敏感柵、基底和覆蓋層、黏結(jié)劑、引線組成，如圖2?2所示。其中敏感柵是應(yīng)變片最重要的部分，一般柵絲直徑為0．015~0．05mm。敏感柵的縱向軸線稱為應(yīng)變片軸線，根據(jù)不同用途，柵長可為0．2~200mm?；缀透采w層用以保持敏感柵及引線的幾何形狀和相對(duì)位置，并將被測(cè)件上的應(yīng)變迅速準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上。因此基底做得很薄，一般為0．02~0．4mm。覆蓋層起保護(hù)敏感柵作用?；缀透采w層用專門的薄紙制成的稱為紙基，用各種黏結(jié)劑和有機(jī)樹脂膜制成的稱為膠基，現(xiàn)多采用后者。第5頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器圖2-1各種應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

a)金屬絲式應(yīng)變片b)金屬箔式應(yīng)變片

c)體型半導(dǎo)體應(yīng)變片

1—基片2—Si片3—引線第6頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器圖2-2金屬絲式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖

1—引線2—覆蓋層

3—基片4—敏感柵第7頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器2.應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片是粘貼在彈性敏感元件或被測(cè)元件上的，傳感器的性能在很大程度上取決于粘貼質(zhì)量，所以黏合劑的選擇要考慮基片的材料、工作環(huán)境、潮濕程度、穩(wěn)定性、是否加溫加壓以及粘貼時(shí)間等因素。

(1)試件的表面處理為了保證良好的黏合度，粘貼表面應(yīng)保持平整、光滑，無雜質(zhì)、油污及表面氧化層等。第8頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器(2)確定貼片位置在應(yīng)變片上標(biāo)出敏感柵的縱向、橫向中心線，在試件被測(cè)點(diǎn)處畫出中心線，粘貼時(shí)使兩者重合。

(3)粘貼先在處理后的試件表面和應(yīng)變片的基底各涂一層薄而均勻的膠水，然后將應(yīng)變片貼在被測(cè)點(diǎn)上，并在應(yīng)變片上覆蓋一層聚乙烯塑料薄膜并加壓，將多余的膠水和氣泡排出，加壓時(shí)要注意防止應(yīng)變片錯(cuò)位。

(4)固化根據(jù)所使用的黏合劑的固化工藝要求進(jìn)行固化處理和時(shí)效處理。

(5)粘貼質(zhì)量檢查檢查粘貼位置是否合格，黏合層是否有氣泡和漏貼，敏感柵是否有短路或斷路現(xiàn)象以及敏感柵的絕緣性能等。

(6)引線的焊接與防護(hù)檢查合格后即可焊接引線。

2.1.3電阻應(yīng)變式壓力傳感器的組成第9頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片正常工作時(shí)需依附于彈性元件，可以通過兩種形式實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片的粘貼。一種是將應(yīng)變片直接粘貼于壓力?位移型彈性元件（只有平膜片容易實(shí)現(xiàn)）的應(yīng)變處，在彈性元件實(shí)現(xiàn)壓力?位移變換的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變?電阻值的變換。另一種是粘貼在力?應(yīng)變型彈性元件表面，通過壓力?位移型彈性元件實(shí)現(xiàn)壓力?力的變換，再通過粘貼有電阻應(yīng)變片的力?應(yīng)變型彈性元件實(shí)現(xiàn)力?應(yīng)變?電阻值的轉(zhuǎn)換。最后，把應(yīng)變片接入測(cè)量電橋的橋臂，通過測(cè)量電路把電阻值轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，送至顯示儀表。電阻應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2?3所示。第10頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器圖2-3電阻應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理框圖1.力-應(yīng)變型彈性元件常用的力-應(yīng)變型彈性元件有柱形彈性元件、懸臂梁和薄壁環(huán)等。第11頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器圖2-4圓柱式測(cè)力傳感器

a)圓柱外形b)圓柱面展開圖第12頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器(1)柱形彈性元件此類彈性元件由于應(yīng)變很小，測(cè)力量程較大，尤其是實(shí)心圓柱在徑向尺寸較大時(shí)，測(cè)力上限可達(dá)數(shù)千萬牛頓，常作為荷重式壓力傳感器的敏感元件。

例2-1將阻值為120Ω、靈敏度為K=2的電阻應(yīng)變片，分別沿軸向、徑向貼在外直徑為10cm、內(nèi)直徑為5cm的圓環(huán)形鋼柱表面，鋼材的彈性模量E=2×1011N/m2，在鋼柱受到F=7.5×103N拉力后，兩應(yīng)變片的電阻分別變化了多少？

解：鋼柱的橫截面積

(2)梁式彈性元件梁有多種形式，如圖2-5所示。第13頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器圖2-5梁式測(cè)力傳感器

a)等截面懸臂梁b)等強(qiáng)度懸臂梁c)雙孔梁d)“S”形彈性梁第14頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器(3)薄壁環(huán)如圖2-6所示，彈性元件為等截面圓環(huán)。圖2-6薄壁環(huán)式測(cè)力傳感器第15頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器2.測(cè)量電路電阻應(yīng)變式傳感器是把機(jī)械應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，由于應(yīng)變量及電阻變化量一般都很微小，既難以直接精確測(cè)量，又不便直接處理。

在電阻應(yīng)變式傳感器中最常用的測(cè)量電路是橋式電路。按電源性質(zhì)不同，可分為直流電橋和交流電橋。按電橋橋臂電阻的工作方式不同，可分為惠斯頓電橋、半橋和全橋。圖2-7橋式測(cè)量電路

a)直流電橋b)橋路的調(diào)零電路第16頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器(1)惠斯頓電橋

(2)半橋

(3)全橋即電橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，此時(shí)電橋輸出電壓公式為式(2-5)或式(2-6)。

例2-2將四片阻值為200Ω的應(yīng)變片對(duì)稱粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁的上下表面，與阻值為200Ω的固定電阻組成電橋電路，應(yīng)變片靈敏度K=2，橋路供電電壓為5V，當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生2×10－6ε應(yīng)變時(shí)，試求惠斯頓電橋、半橋以及全橋工作時(shí)的輸出電壓。

解：惠斯頓電橋：第17頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器3.溫度補(bǔ)償在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù)(αt)及柵絲與試件膨脹系數(shù)(βg、βs)的差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出時(shí)，測(cè)量有時(shí)會(huì)產(chǎn)生與真實(shí)應(yīng)變同數(shù)量級(jí)的誤差，必須采取補(bǔ)償溫度誤差的措施。圖2-8補(bǔ)償塊溫度補(bǔ)償示意圖

1—試件2—補(bǔ)償塊第18頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器(1)補(bǔ)償塊補(bǔ)償法采用惠斯頓電橋測(cè)量如圖2-8所示試件上表面某一點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)，可采用兩片型號(hào)、初始電阻和靈敏度都相同的應(yīng)變片R1和R2，R1貼在試件的測(cè)試點(diǎn)上，R2(稱為溫度補(bǔ)償片)貼在試件的零應(yīng)變處(圖中試件的中線上)，或貼在補(bǔ)償塊上。

1)R1和R2是同規(guī)格的應(yīng)變片，即它們的初始電阻值、電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β和應(yīng)變靈敏度K都相同。

2)粘貼補(bǔ)償應(yīng)變片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作應(yīng)變片的試件材料必須相同。

3)兩應(yīng)變片R1和R2處于同一溫度場(chǎng)。

(2)橋路自補(bǔ)償法當(dāng)測(cè)量橋路處于半橋和全橋工作方式時(shí)，與上述補(bǔ)償法的原理相似，應(yīng)變片受溫度影響產(chǎn)生的電阻變化量相同，接在電橋相鄰兩臂上而相互抵消，達(dá)到橋路自補(bǔ)償?shù)哪康?。?9頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器圖2-9半橋的溫度補(bǔ)償2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第20頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器圖2-10應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器

a)半橋應(yīng)變片粘貼圖b)全橋應(yīng)變片粘貼圖1.應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以直接將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)軸上，其原理如圖2-10所示。第21頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器2.應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器主要用于液體、氣體壓力的測(cè)量，測(cè)量壓力的范圍在104~107Pa之間。

(1)筒式壓力傳感器如圖2-11所示，通常用于測(cè)量較大的壓力。圖2-11筒式壓力傳感器

1—工作應(yīng)變片2—補(bǔ)償應(yīng)變片第22頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器(2)膜片式壓力傳感器如圖2-12所示，它的敏感元件為圓形膜片，應(yīng)變片貼在膜片上。

(3)組合式壓力傳感器如圖2-13所示，它的壓力-位移型彈性元件為波紋膜片、膜盒或波紋管，而應(yīng)變片粘貼在力-應(yīng)變型彈性元件懸臂梁上。圖2-12膜片式壓力傳感器

1—插座2—膜片3—應(yīng)變片第23頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器圖2-13組合式壓力傳感器

a)波紋膜片與懸臂梁組合b)波紋管與

懸臂梁組合c)波紋膜盒與懸臂梁組合第24頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器圖2-14應(yīng)變式加速度傳感器

1—質(zhì)量塊2—彈性元件

3—?dú)んw及基座4—應(yīng)變片第25頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器3.應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器是一種慣性式傳感器，基本原理如圖2-14所示。

小制作——數(shù)顯電子秤

1.工作原理數(shù)顯電子秤電路原理如圖2-15所示，其主要有三部分，分別為電阻應(yīng)變式傳感器R1，由IC2、IC3組成的測(cè)量放大電路，IC1及外圍元件組成的數(shù)顯面板表。圖2-15數(shù)顯電子秤電路原理第26頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器2.元件選擇

1)IC1選用ICL7126集成塊，IC2、IC3選用高準(zhǔn)確度低溫漂精密運(yùn)算放大器OP07，IC4選用LM385—1.2V集成塊。

2)傳感器R1選用E350—2AA型箔式電阻應(yīng)變片，其常態(tài)阻值為350Ω。

3)各電阻元件宜選用精密金屬膜電阻。

4)RP1選用精密多圈電位器，RP2、RP3經(jīng)調(diào)試后可分別用精密金屬膜電阻代替。

5)電容中C1選用云母電容或瓷介電容。

6)電源采用9V恒流源電源供電。

3.制作與調(diào)試第27頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.1電阻應(yīng)變式傳感器(1)數(shù)顯電子秤的制作數(shù)顯電子秤的形變鋼件可用普通鋼鋸條制作，其制作方法為：首先將鋸齒打磨平整，再將鋸條加熱至微紅，趁熱加工成“U”形，并在對(duì)應(yīng)位置鉆孔，以便以后安裝；然后再將其加熱至呈橙紅色(七八百攝氏度)，迅速放入冷水中淬火，以提高硬度和強(qiáng)度；最后進(jìn)行表面處理工藝。

(2)數(shù)顯電子秤的調(diào)試準(zhǔn)備1kg及2kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼各一個(gè)，調(diào)試過程如下：首先在秤體自然下垂且無負(fù)載時(shí)調(diào)整RP1，使顯示器準(zhǔn)確顯示零；再調(diào)整RP2，使秤體承擔(dān)滿量程質(zhì)量(本電路選滿量程為2kg)時(shí)顯示滿量程值；然后在秤鉤下懸掛1kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，觀察顯示器是否顯示1.000，如有偏差，可調(diào)整RP3值，使之準(zhǔn)確顯示1.000(如有調(diào)整，應(yīng)重新進(jìn)行前兩步調(diào)試，使之均滿足要求)；最后準(zhǔn)確測(cè)量RP2、RP3電阻值，并用固定精密電阻予以代替。第28頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器2.2.1電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)

由物理學(xué)可知，兩個(gè)平行金屬極板組成的電容，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容值為

1.變極距式電容傳感器如圖2-16a所示，變極距式電容傳感器的位移是由被測(cè)量變化而產(chǎn)生的。

ΔC=εA/d－Δd－εA/d=εA/dΔd/d－Δd=C0Δd/d－Δd（2?11）圖2-16變極距式電容傳感器

a)變極距式b)差動(dòng)變極距式

1、3—固定極板2—可動(dòng)極板第29頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器2.變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器與變極距式相比，測(cè)量范圍大，可測(cè)量較大的線位移或角位移。

ΔC=A′ε/d－Aε/d=ε(A′－A)/d=εΔA/d（2?12）圖2-17變面積式電容傳感器

a)平板平移式b)半可調(diào)式c)筒式d)差動(dòng)筒式

1、3—固定極板2—可動(dòng)極板3.變介電常數(shù)式電容傳感器當(dāng)兩極板間極間介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之改變，第30頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器這種傳感器大多用來測(cè)量片狀材料的厚度、被測(cè)物位移、液面高度，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測(cè)量溫度、濕度和容量等，如圖2-18所示。圖2-18變介電常數(shù)式電容傳感器

a)測(cè)厚度b)測(cè)位移c)測(cè)液位d)測(cè)容量2.2.2電容式傳感器的測(cè)量電路第31頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器電容式傳感器的電容值一般十分微?。◣灼しㄖ翈资しǎ@樣微小的電容不便直接顯示、記錄或傳輸，因此，需要借助測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)化為電壓、電流或頻率信號(hào)。電容式傳感器的測(cè)量電路種類很多，下面介紹一些常用的測(cè)量電路。

1.橋式電路圖2-19所示為橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，其中圖2-19a為單臂接法的橋式測(cè)量電路，1MHz左右的高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一條對(duì)角線上，電容C1、C2、C3、Cx構(gòu)成電橋的四臂，Cx為電容傳感器。

當(dāng)Cx改變時(shí)，o不為0，橋路有輸出電壓。在圖2?19b中，Cx1、Cx2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，電橋的空載輸出電壓為第32頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器圖2-19電容式傳感器的橋式電路

a)單臂接法b)差分接法2.運(yùn)算放大器式電路如圖2-20所示，Cx為傳感器電容，它跨接在高增益運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。第33頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器圖2-20運(yùn)算放大器式電路3.調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路第34頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器的一部分，或作為晶體振蕩器中石英晶體的負(fù)載電容。

f=1/2π(2?14)圖2-21LC振蕩器調(diào)頻電路框圖4.脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路是通過對(duì)傳感器電容進(jìn)行充放電，使電路輸出脈沖的寬度隨電容式傳感器的電容量而變化，再通過低通濾波器得到對(duì)應(yīng)于被測(cè)量變化的直流信號(hào)。第35頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器如圖2?22所示，脈沖寬度調(diào)制電路由電壓比較器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成，其中C1、C2為差動(dòng)電容式傳感器。經(jīng)分析推導(dǎo)，可得1.tif第36頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器圖2-22脈沖寬度調(diào)制電路2.2.3電容式傳感器的應(yīng)用第37頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器電容式傳感器可用來測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅（可測(cè)量0．05μm的微小振幅），尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)準(zhǔn)確度、加速度等機(jī)械量，還可用來測(cè)量壓力、差壓、液位、料位、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號(hào)發(fā)生器。下面簡(jiǎn)單介紹幾種電容傳感器的應(yīng)用。

1.電容式位移傳感器圖2-23所示為一種變面積式位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，這種傳感器采用差動(dòng)形式，具有良好的線性度。圖2-23電容式位移傳感器

1—開槽簧片2—測(cè)桿

3—活動(dòng)電極4—固定電極第38頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器2.差動(dòng)式電容壓力傳感器圖2-24所示為一種典型的差動(dòng)式電容壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，傳感器中的金屬動(dòng)膜片與電鍍金屬上下表面形成兩個(gè)可變電容。

差動(dòng)式電容壓力傳感器比單極式的電容式傳感器靈敏度高、線性好，但加工較困難，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體或液體的密封，因此這種結(jié)構(gòu)的傳感器不宜工作在含腐蝕或其他雜質(zhì)的流體中。

3.電容式加速度傳感器圖2-25所示為一種典型的電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-24差動(dòng)式電容壓力傳感器

1—墊圈2—金屬動(dòng)膜片3—玻璃

4—過濾器5—電鍍金屬表面層第39頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器圖2-25電容式加速度傳感器

1、5—固定極板2—?dú)んw3—彈簧片

4—質(zhì)量塊6—絕緣體第40頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器4.電容式料位傳感器圖2-26所示為用電容式傳感器測(cè)量固體塊狀、顆粒體及粉狀物料位的原理圖。

如圖2?26a所示，用金屬電極棒插入容器來測(cè)量料位時(shí)，電容式料位傳感器的電容C與料位H的關(guān)系為

5.電容式測(cè)厚儀如圖2-27所示為電容式測(cè)厚儀的工作原理圖，用于金屬帶材在軋制過程中的厚度測(cè)量。圖2-26電容式料位傳感器

a)電極棒測(cè)料位b)絕緣棒測(cè)料位

1—電極棒2、4—容器壁

3—鋼絲繩5—絕緣材料第41頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器圖2-27電容式測(cè)厚儀

1—金屬帶材2—電容極板

3—導(dǎo)向輪4—軋輥第42頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器6.電容式油量表如圖2-28所示為電容式油量表的工作原理圖，用于測(cè)量油箱中的油位。第43頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器圖2-28電容式油量表

1—油箱2—圓柱形電容器3—伺服電動(dòng)機(jī)4—減速箱5—油量表第44頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.2電容式傳感器2.2.4電容式傳感器的使用注意事項(xiàng)

在應(yīng)用或制造電容式傳感器時(shí)，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：

(1)擊穿電壓極板之間的空氣隙很小，存在介質(zhì)被擊穿的危險(xiǎn)，通常在兩極板間加云母片避免空氣隙被擊穿。

(2)極板材料受溫度的影響由不同材料制造的傳感器，具有不同的溫度膨脹系數(shù)，為此在決定傳感器尺寸和選材時(shí)均要考慮溫度影響。

(3)連接線問題電容式傳感器的電容值均很小，一般在皮法(10-12F)級(jí)，因而連接線通常使用分布電容極小的高頻電纜。第45頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器2.3.1自感式傳感器

自感式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2?29所示，它主要由鐵心、線圈和銜鐵組成。工作時(shí)，銜鐵通過測(cè)桿（或轉(zhuǎn)軸）與被測(cè)物體相接觸，被測(cè)物體的直線位移或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量的變化。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料的磁導(dǎo)率都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得電壓或電流的變化。常用自感式傳感器有變隙式、變截面式和螺線管式三種。

1.變隙式電感傳感器

L≈A/2δ(2?17)第46頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器圖2-29自感式傳感器

a)變隙式b)變截面式c)螺線管式

1—線圈2—鐵心3—銜鐵4—測(cè)桿5—導(dǎo)軌6—工件7—轉(zhuǎn)軸第47頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器2.變截面式電感傳感器由式(2-17)可知，在線圈匝數(shù)N確定后，若保持氣隙厚度δ不變，則電感L是氣隙的有效截面積A的函數(shù)，所以稱這種傳感器為變截面式電感傳感器，如圖2-29b所示。

對(duì)于變截面式電感傳感器，理論上電感量L與氣隙截面積A成正比，輸入與輸出成線性關(guān)系，靈敏度為常數(shù)。但是，由于漏感等原因，變截面式電感傳感器在A=0時(shí)，仍有較大的電感，所以其線性區(qū)較小，靈敏度較低，在工業(yè)中用的不多。

3.螺線管式電感傳感器單線圈螺線管式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2-29c所示。

對(duì)于長螺線管（l≥r），當(dāng)銜鐵工作在螺線管的中部時(shí)，可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，此時(shí)線圈電感量L與銜鐵插入深度l大致成正比。第48頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器4.差動(dòng)式電感傳感器上述三種電感式傳感器使用時(shí)，由于線圈中通有交流勵(lì)磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會(huì)引起振動(dòng)及附加誤差，而且非線性誤差較大；另外，外界的干擾如電源電壓、頻率的變化，溫度的變化都會(huì)使輸出產(chǎn)生誤差，所以在實(shí)際工作中常采用差動(dòng)形式，既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測(cè)量誤差。

差動(dòng)式電感傳感器結(jié)構(gòu)如圖2?30所示。兩個(gè)完全相同的單個(gè)線圈的電感傳感器共用一根活動(dòng)銜鐵就構(gòu)成了差動(dòng)式電感傳感器。圖2-30差動(dòng)式電感傳感器

a)變隙式差動(dòng)電感傳感器b)螺線管式差動(dòng)電感傳感器

1—差動(dòng)線圈2—鐵心3—銜鐵4—測(cè)桿5—工件第49頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器圖2-31差動(dòng)式電感傳感器的特性曲線

1—線圈的特性曲線2—線圈的特性曲線

3—差動(dòng)式電感傳感器的特性曲線第50頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器2.3.2差動(dòng)變壓器式傳感器

1.工作原理差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為一次繞組與二次繞組間的互感量M的變化的裝置。第51頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器圖2?32a為氣隙式差動(dòng)變壓器式傳感器的典型結(jié)構(gòu)。其中，1、2為兩個(gè)山字形固定鐵心，在其窗中各繞有兩個(gè)線圈，W1a及W1b為一次繞組，W2a及W2b為二次繞組,3為銜鐵。在被測(cè)量沒有變化時(shí)，銜鐵3與鐵心1、2的間隔相同，即δa0=δb0,則繞組W1a和W2a間的互感系數(shù)Ma與繞組W1b和W2b間的互感系數(shù)Mb相等。圖2-32差動(dòng)變壓器式傳感器

a)氣隙式b)截面式c)螺管式

1、2—鐵心3—銜鐵第52頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器2.零點(diǎn)殘余電壓圖2-33差動(dòng)變壓器的輸出特性

1—理想特性2—實(shí)際特性第53頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器1)差動(dòng)變壓器兩個(gè)二次繞組線圈的電氣參數(shù)、幾何尺寸或磁路參數(shù)不完全對(duì)稱。

2)存在寄生參數(shù)，如線圈間的寄生電容、引線與外殼間的分布電容。

3)電源電壓含有高次諧波。

4)磁路的磁化曲線存在非線性。

1)提高框架和線圈的對(duì)稱性。

2)減少電源中諧波成分。

3)正確選擇磁路材料，同時(shí)適當(dāng)減少線圈的勵(lì)磁電流，使銜鐵工作在磁化曲線的線性區(qū)。

4)在線圈上并聯(lián)阻容移相網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償相位誤差。第54頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器5)采用差動(dòng)整流電路，可以使零點(diǎn)殘余電壓減小到能夠忽略的程度。

2.3.3電感式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

1.測(cè)量電橋電感式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般采用電橋電路。圖2-34電感式傳感器電橋電路

a)電感電橋b)變壓器電橋第55頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器2.差動(dòng)整流電路

1)總有零點(diǎn)殘余電壓輸出，因而零位附近的小位移量測(cè)量困難。

2)交流電壓表無法判別銜鐵移動(dòng)方向，為此常采用差動(dòng)整流電路來解決。圖2-35差動(dòng)整流電路

a)全波電流輸出b)半波電流輸出c)全波電壓輸出d)半波電壓輸出第56頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器2.3.4電感式傳感器的應(yīng)用

電感式傳感器主要用于測(cè)量位移與尺寸，也可以測(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為位移變化的其他參數(shù)，如力、壓力、壓力差、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量等，下面簡(jiǎn)單介紹一些電感式傳感器的應(yīng)用。

1.差動(dòng)變壓器式位移傳感器圖2-36所示為差動(dòng)變壓器式位移傳感器的原理圖，測(cè)頭通過軸套和測(cè)桿連接，銜鐵固定在測(cè)桿上，線圈架上繞有三組線圈，中間是一次繞組，兩端是二次繞組，它們通過導(dǎo)線與測(cè)量電路相接。

2.差動(dòng)變壓器式力傳感器圖2-37所示為差動(dòng)變壓器式力傳感器的原理圖，它還可以應(yīng)用于壓力和壓力差等力學(xué)參數(shù)的測(cè)量。第57頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器圖2-36差動(dòng)變壓器式位移傳感器

1—引線2—差動(dòng)線圈3—銜鐵

4—測(cè)力彈簧5—測(cè)桿6—測(cè)頭端第58頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器圖2-37差動(dòng)變壓器式力傳感器

1—上部2—彈性元件3—下部

4—鐵心5—差動(dòng)變壓器線圈第59頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器3.微壓傳感器圖2-38所示為微壓傳感器的原理圖。

4.加速度傳感器圖2-39所示是一個(gè)應(yīng)用于加速度測(cè)量中的差動(dòng)變壓器式傳感器。第60頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器圖2-38微壓傳感器

1—接頭2—膜盒3—底座4—線路板5—差動(dòng)線圈

6—銜鐵7—罩殼8—指示燈9—安裝座第61頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.3電感式傳感器圖2-39加速度傳感器

1—差動(dòng)變壓器2—質(zhì)量塊(銜鐵)

3—彈簧片4—?dú)んw第62頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四5.電感式圓度計(jì)圖2-40所示是測(cè)量軸類工件圓度的示意圖。

2.4電渦流式傳感器第63頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四5.電感式圓度計(jì)圖2-40所示是測(cè)量軸類工件圓度的示意圖。圖2-40電感式圓度計(jì)

a)測(cè)量裝置b)計(jì)算機(jī)處理過的結(jié)果

1—被測(cè)物2—耐磨測(cè)端3—電感測(cè)端第64頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4電渦流式傳感器2.4.1電渦流式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)

2.4.2電渦流式傳感器的測(cè)量電路

2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用

2.4.4電渦流式傳感器的使用注意事項(xiàng)第65頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4電渦流式傳感器圖2-41電渦流式傳感器的工作

原理示意圖

1—電渦流線圈2—金屬導(dǎo)體第66頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.1電渦流式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)1.工作原理圖2-41是電渦流式傳感器的工作原理示意圖。

電渦流i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱為趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)與激勵(lì)源頻率f、工件的電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率μ等有關(guān)。頻率f越高，電渦流滲透的深度就越淺，趨膚效應(yīng)越嚴(yán)重。由于存在趨膚效應(yīng)，電渦流式傳感器只能檢測(cè)導(dǎo)體表面的各種參數(shù)。圖2-42CZF-1型電渦流式傳感器的

結(jié)構(gòu)示意圖

1—線圈2—框架3—框架襯套

4—支座5—電纜6—插頭第67頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.1電渦流式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)2.電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要是一個(gè)繞制在框架上的線圈，目前比較普遍使用的是矩形截面的扁平線圈。

如圖2?42所示為CZF?1型電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，它采用導(dǎo)線繞在框架上的形式，框架采用聚四氟乙烯。第68頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.2電渦流式傳感器的測(cè)量電路1.定頻調(diào)幅式電路原理框圖如圖2-43所示。1.tif圖2-43定頻調(diào)幅式的電路原理框圖2.變頻調(diào)幅式電路原理框圖如圖2-44所示，這種電路的基本原理是將傳感器線圈直接接入電容三點(diǎn)式振蕩回路。第69頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.2電渦流式傳感器的測(cè)量電路1.tif圖2-44變頻調(diào)幅式的電路原理框圖3.調(diào)頻式所謂調(diào)頻式就是將探頭線圈的電感L與微調(diào)電容C0構(gòu)成LC振蕩器，把振蕩器的頻率f作為輸出量，此頻率可以通過f/V轉(zhuǎn)換器(又稱為鑒頻器)轉(zhuǎn)換成電壓，由表頭顯示。

調(diào)頻式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的原理框圖如圖2?45所示。我們知道，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為第70頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.2電渦流式傳感器的測(cè)量電路1.tif圖2-45調(diào)頻式的電路原理框圖第71頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用1)利用位移作為變換量，可以做成測(cè)量位移、厚度、振幅、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可以做成接近開關(guān)、計(jì)算器等。

2)利用材料電阻率ρ作為變換量，可以做成測(cè)量溫度、材料判別等傳感器。

3)利用磁導(dǎo)率μ作為變換量，可以做成測(cè)量應(yīng)力、硬度等傳感器。

4)利用變換量x、ρ、μ等的綜合影響，可以做成探傷裝置等。

1.測(cè)位移電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測(cè)量金屬件的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)位移，最大量程達(dá)數(shù)百毫米，分辨率可達(dá)到滿量程的0.1%。第72頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用圖2-46位移測(cè)量示意圖

a)機(jī)器轉(zhuǎn)軸的軸向振動(dòng)b)金屬材料的膨脹系數(shù)c)旋轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng)d)機(jī)器軸的振動(dòng)形狀

1—電渦流式傳感器2—被測(cè)導(dǎo)體2.測(cè)厚度用電渦流式傳感器可以測(cè)量金屬材料厚度、塑料表面金屬鍍層的厚度以及印制電路板銅箔的厚度等。第73頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用圖2-47厚度測(cè)量示意圖3.測(cè)轉(zhuǎn)速在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上開一條或數(shù)條槽或做成齒狀，第74頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用旁邊安裝一個(gè)電渦流式傳感器，如圖2-48所示。

n=60f/Z(2?23)

4.測(cè)溫度

ρ1=ρ0［1+α(t1－t0)］(2?24)1.tif第75頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用圖2-48轉(zhuǎn)速測(cè)量示意圖

a)凹槽轉(zhuǎn)軸及輸出波形b)齒狀轉(zhuǎn)軸及輸出波形

1—電渦流式傳感器2—被測(cè)導(dǎo)體第76頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用圖2-49溫度測(cè)量傳感器

1—補(bǔ)償線圈2—管架3—測(cè)量線圈

4—隔熱襯墊5—溫度敏感元件第77頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用5.表面探傷利用電渦流式傳感器可以檢查金屬表面(已涂防銹漆)的裂紋以及焊接處的缺陷等。

探頭對(duì)被測(cè)金屬表面逐點(diǎn)掃描，得到輸出信號(hào)。當(dāng)被測(cè)金屬表面存在裂縫時(shí)，電渦流所走的路程大為增加，所以電渦流突然減小，輸出波形如圖2?50a中的“尖峰”所示；對(duì)于比較淺的裂縫信號(hào)，需經(jīng)過濾波器、幅值甄別電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，抑制掉干擾信號(hào)，如圖2?50b所示。1.tif第78頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用2Z50.TIF圖2-50渦流探傷的測(cè)試信號(hào)

a)未處理的信號(hào)b)處理后的信號(hào)6.接近開關(guān)電渦流式傳感器可制成接近開關(guān)的感辨頭，辨別金屬導(dǎo)體的靠近，可用于生產(chǎn)線的工件定位、生產(chǎn)零件的計(jì)數(shù)或產(chǎn)品的合格檢驗(yàn)等，如圖2-51所示。第79頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用圖2-51接近開關(guān)的示意圖

a)生產(chǎn)線的工件定位b)生產(chǎn)零件的計(jì)數(shù)c)產(chǎn)品的合格檢驗(yàn)第80頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.4電渦流式傳感器的使用注意事項(xiàng)1.電渦流軸向貫穿深度的影響電渦流在金屬導(dǎo)體中的軸向分布是按指數(shù)規(guī)律衰減的。

導(dǎo)體材料確定后，可以通過改變勵(lì)磁電源頻率來改變軸向貫穿深度，電阻率大的材料應(yīng)選取較高的勵(lì)磁頻率，電阻率小的材料應(yīng)選用較低的勵(lì)磁頻率。

2.電渦流的徑向形成范圍在線圈軸線附近，電渦流的密度非常小，愈靠近線圈的外徑處，電渦流的密度愈大。

3.電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦流強(qiáng)度隨著距離與線圈外徑比值的增加而減少，當(dāng)線圈與導(dǎo)體之間的距離大于線圈半徑時(shí)，電渦流強(qiáng)度已經(jīng)很微弱。第81頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四2.4.4電渦流式傳感器