《起重运输机械实验技术》4常用传感器的变换原理.ppt

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1、第四章第四章常用传感器的变换原理常用传感器的变换原理本章学习要求：本章学习要求：1.了解传感器的分类了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路4.1传感器的分类及其特性传感器的分类及其特性4.2电阻式传感器的变换原理电阻式传感器的变换原理4.2电感式和电容式传感器的变换原理电感式和电容式传感器的变换原理4.4压电式传感器的变换原理压电式传感器的变换原理4.5光电式传感器的变换原理光电式传感器的变换原理4.6光纤式传感器的变换原理光纤式传感器的变换原理4.7其它新型传感器其它新型传感器4.1.1传感器定义传感器定义4.1.2传感器的构

2、成传感器的构成4.1.3传感器的分类传感器的分类4.1.4常见的被测物理量常见的被测物理量4.1.5传感器的性能要求传感器的性能要求4.1.6传感器的发展趋势传感器的发展趋势4.1.7传感器选用原则传感器选用原则4.1传感器的分类及其特性传感器的分类及其特性第四章第四章常用传感器常用传感器传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。物理量物理量电量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感

3、器是把外界输入的非电信号转换成电信狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号的装置。4.1.1传感器定义传感器定义4.1传感器的分类及其特性传感器的分类及其特性4.1.2传感器的构成传感器的构成传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。dV4.1传感器

4、的分类及其特性传感器的分类及其特性4.1.3传感器的分类传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类:(2)(2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类:(3)(3)按传感器的构成原理按传感器的构成原理:(4)(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系:位移位移,力力,温度等温度等.机械式机械式,电气式电气式,光学式光学式,流体式等流体式等.物性型物性型,结构型结构型.能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型.4.1传感器的分类及其特性传感器的分类及其特性A A 物性型与结构型传感器物性型与结构型传感器物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质

5、的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如例如:水银温度计水银温度计,压电测力计压电测力计.结构型结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如例如:电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器.B B 能量转换型和能量控制型传感器能量转换型和能量控制型传感器能量转换型能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作.例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计.能量控制型能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如例

6、如:电阻应变片电阻应变片.4.1传感器的分类及其特性传感器的分类及其特性4.1.4常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量:长度长度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋转角旋转角,转数转数,质量质量,重量重量,力力,压力压力,真空度真空度,力矩力矩,风速风速,流速流速,流量流量.声声:声压声压,噪声噪声.磁磁:磁通磁通,磁场磁场.温度温度:温度温度,热量热量,比热比热.光：光：亮度，色彩亮度，色彩.电参量式传感器：电阻式、电容式、电感式压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、热电式传感器、射线式传感器、波式传感器、半导体式传感器、其它传感器4.1传感器的分类及其

7、特性传感器的分类及其特性4.1.5传感器的性能要求传感器的性能要求灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系噪声小，并且具有抗外部噪声的性能噪声小，并且具有抗外部噪声的性能滞后，漂移误差小滞后，漂移误差小动态性能良好动态性能良好接入测量系统时对测量产生影响小；接入测量系统时对测量产生影响小；功耗小，复现性好，有互换性功耗小，复现性好，有互换性防水及抗腐蚀性能良好，能长期使用防水及抗腐蚀性能良好，能长期使用结构简单，容易维修和校正结构简单，容易维修和校正低成本，通用性强低成本，通用性强4.1传感器的分类及其特性传感器的分类及其特性采用新原理，开发新型

8、传感器采用新原理，开发新型传感器大力开发物性型传感器大力开发物性型传感器传感器的集成化传感器的集成化传感器的多功能化传感器的多功能化传感器的智能化传感器的智能化仿生传感器仿生传感器4.1.6传感器的发展趋势传感器的发展趋势4.1传感器的分类及其特性传感器的分类及其特性4.1.7传感器选用原则传感器选用原则选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1、灵敏度、灵敏度一一般般说说来来，传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高越越好好，但但，在在确确定定灵灵敏度时，要考虑以下

9、几个问题。敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。量程范围。c)交叉灵敏度问题。交叉灵敏度问题。4.1传感器的分类及其特性传感器的分类及其特性2响应特性响应特性传传感感器器的的响响应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，保保持持不不失真的测量条件。失真的测量条件。实实际际上上传传感感器器的的响响应应总总不不可可避避免免地地有有一一定定延延迟迟，但但总希望延迟的时间越短越好。总希望延迟的时间越短越好。3线性范围线性范围任任何何传传感感器器都都有有一一定定的的线线性性工工作作范范围围。在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入

10、入成成比比例例关关系系，线线性性范范围围愈愈宽宽，则则表表明明传传感感器器的的工工作作量量程程愈愈大大。传传感感器器工工作作在在线线性性区区域域内内，是是保保证证测量精度的基本条件。测量精度的基本条件。4.1传感器的分类及其特性传感器的分类及其特性4稳定性稳定性稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期使使用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能。影影响响传传感感器器稳稳定定性性的的因因素素是是时时间间与环境。与环境。5精确度精确度传传感感器器的的精精确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测测量量的的对对应程度。应程度。6测量方式测量方式传传感

11、感器器工工作作方方式式，也也是是选选择择传传感感器器时时应应考考虑虑的的重重要要因因素素。例例如如，接接触触与与非非接接触触测测量量、破破坏坏与与非非破破坏坏性性测测量量、在线与非在线测量等。在线与非在线测量等。4.1传感器的分类及其特性传感器的分类及其特性4.2电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器.按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻式、电阻应变式、热敏式、光变阻式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式敏式、电敏式.第四章第四章常用传感器常用传感器4.2.1变阻式传感器变阻式传感器4.2.2电阻应变式传感

12、器电阻应变式传感器4.2.1变阻器式传感器变阻器式传感器（1）工作原理工作原理4.2电阻式传感器电阻式传感器R为单位长度的电阻灵敏度S=为单位弧度的电阻灵敏度S=当导线材质分布均匀时是一常数函数电位器用于测量控制系统、对某些传感器的非线性环节进行补偿等等效电路分析等效电路分析:Rp-总电阻总电阻;xp-变阻总长变阻总长;RL负载电阻负载电阻;x-电刷移动量电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0 x100%100%Output0负载效应负载效应4.2电阻式传感器电阻式传感器(2)变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数:1)线性线性(或曲线的一致性或曲线的一致性);4

13、)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围;2)分辨率分辨率;5)电阻温度系数电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差;6)寿命寿命;(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类:4.2电阻式传感器电阻式传感器变阻器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕电位器按电位器结构分(4)变阻器式传感器的特点：变阻器式传感器的特点：4.2电阻式传感器电阻式传感器电阻器电阻器制作制作特点特点绕线式绕线式直径0.012-0.1mm的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘的胶木板等卷心上而制作电阻温度系数非常好，为(520)10-6/；精度、

14、稳定性、重复性比薄膜式好；分辨力低于薄膜式金属陶瓷式金属陶瓷式电阻胶印在陶瓷基板上，并用高温烧制而成分辨力高，环境适应性强，电阻温度系数为20010-6/左右导电导电-塑料塑料式式将基板的树脂与电阻膜制成一体，或将电阻胶涂于薄膜基片上分辨力高，寿命长，线响应特性好，电阻温度系数为40010-6/混合式混合式导电型树脂涂于线绕式电阻元件上兼有绕线式、导电塑料式的优点，电阻温度系数为15010-6/(5)应用应用案例案例1 1：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备设定值原材料比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化4.2电阻式传感器电阻式传感器案例案例2 2：煤气包

15、储量检测煤气包储量检测原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化煤气包钢丝特点：特点：（1）测量量程大；）测量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低。4.2电阻式传感器电阻式传感器案例案例3 3：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化4.2电阻式传感器电阻式传感器4.2.2电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电效应，即金属导体在外力作用下发

16、生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。变化的现象。4.2电阻式传感器电阻式传感器可用于测量应力、应变、加速度、可用于测量应力、应变、加速度、扭矩等参数，具有体积小、动态响应扭矩等参数，具有体积小、动态响应好、测量精度高等优点。好、测量精度高等优点。1）工作原理）工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R为为纵向应变纵向应变泊松比泊松比弹性模量弹性模量压阻系数压阻系数4.2电阻式传感器电阻式传感器电阻的变化量dR电阻的变化由两种因素引起：1、电阻丝几何形状的改变；2、材料电阻率的改变(1)(1)当当 不变时不

17、变时金属应变计金属应变计(2)(2)当当 变化时变化时半导体应变计半导体应变计4.2电阻式传感器电阻式传感器金属材料：电阻率的改变对电阻的变化影响很小，电阻的变化主要由几何形状改变引起；半导体材料：电阻率变化的影响远大于几何形状变化的影响；电阻丝的应变灵敏度系数2）金属应变片）金属应变片应变计4.2电阻式传感器电阻式传感器敏感栅：感应应变，并将其转化为电阻变化基底和覆盖层：固定和保护敏感栅，使敏感栅与试件绝缘，并传递试件变形给敏感栅。引出线：将敏感栅的电阻变化引入到测量电路中。应变片的基本工作原理：P76粘贴胶层的要求：P77应变片的灵敏度系数（4-11）：K与K0的区别：测定应变片的灵敏度K

18、时，应变片的横向部分承受了试件横向方向的应变变形，使应变片总的电阻增量R变小，从而导致应变片的灵敏度K小于电阻丝的灵敏度K02）金属应变片）金属应变片应变计4.2电阻式传感器电阻式传感器应变片的横向效应：应变片对垂直于自身轴线方向的横向应变的反应。应变片的温度效应：应变工作时，周围环境和自身环境发生变化，由于电阻温度效应使敏感栅电阻发生变化，或由于敏感栅与被测试件的热变形不同使得敏感栅电阻受到附加的拉伸（或压缩)而造成电阻变化的现象。温度补偿方法：3）半导体应变片）半导体应变片应变计4.2电阻式传感器电阻式传感器优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大;体积小体积小;能制成具有一定应变电阻的元件能

19、制成具有一定应变电阻的元件.缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片温度稳定性和可重复性不如金属应变片.4）应变片的主要参数）应变片的主要参数1）几何参数：标距）几何参数：标距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用bL表示。表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。4.2电阻式传感器电阻式传感器2）金

20、属应变片）金属应变片应变计4.2电阻式传感器电阻式传感器金属应变片有：金属应变片有：丝式、箔式丝式、箔式优点：优点：稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好缺点：缺点：灵敏度系数小灵敏度系数小5）应变片的测量电路）应变片的测量电路第四章中第四章中“电桥电桥”内容内容4.2电阻式传感器电阻式传感器6）应用）应用案例案例1 1：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。4.2电阻式传感器电阻式传感器案例案例2 2：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。4.2电阻式

21、传感器电阻式传感器案例案例3 3：桶式测力传感器桶式测力传感器4.2电阻式传感器电阻式传感器电桥电桥1）直流电桥）直流电桥信号放大电路信号放大电路平衡条件平衡条件信号放大电路信号放大电路直流电桥的连接方式直流电桥的连接方式a)半桥单臂半桥单臂b)半桥双臂半桥双臂c)全桥全桥(a)半桥单臂半桥单臂(b)半桥双臂半桥双臂(c)全桥全桥直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件优点：优点：所需的高稳定直流电源较易获得；电所需的高稳定直流电源较易获得；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥

22、的平衡电路简单。电桥的平衡电路简单。缺点：缺点：直流放大器比较复杂，易受零漂和接直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。地电位的影响。信号放大电路信号放大电路平衡电桥平衡电桥信号放大电路信号放大电路2）交流电桥）交流电桥平衡条件平衡条件交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定度。率稳定度。3.3电感式传感器电感式传感器电感式传感器是基于电

23、磁感应原理，它是把被测量电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。转化为电感量的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型3.3电感式传感器电感式传感器1自感型自感型-可变磁阻可变磁阻式式原理原理:电磁感应电磁感应线圈匝数磁路总磁阻铁芯导磁长度铁芯导磁率铁芯导磁截面积气隙长度空气导磁率气隙导磁截面积不考虑磁路的铁损时3.3电感式传感器电感式传感器a）导磁面积变化）导磁面积变化b）变化变化3.3电感式传感器电感式传感器d）双螺管线圈差动c）单螺管线圈型b）差动型0-0+测量电路：将两线圈分别接到电桥的相邻桥臂上，

24、输出灵敏度可提高一倍。3.3电感式传感器电感式传感器双螺管线圈差动型传感器及测量电路双螺管线圈差动型传感器及测量电路双螺管线圈差动型，较之单双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型螺管线圈型有较高灵敏度及线性；有较高灵敏度及线性；用于电感测微计上，其测用于电感测微计上，其测量范围为量范围为0300m，最小分最小分辨力为辨力为0.5m。这种传感器的线圈接于电桥这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电上，构成两个桥臂，线圈电感感L1、L2随铁芯位移而变化。随铁芯位移而变化。3.3电感式传感器电感式传感器2涡流式涡流式原理原理:涡流效应涡流效应原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：电涡流效

25、应是指：当金属导体处于交变磁场中时，表面会因电磁感应产生电动势，该电动势因电阻的存在而发生自行闭合的游涡状电涡流，这种现象称为电涡流效应高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器。如图所示，如图所示，高频高频(1MHz)激励电激励电流流产生的高频磁场作用于金属板的表产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于面，由于集肤效应集肤效应，在金属板表面将，在金属板表面将形成涡电流形成涡电流。与此同时，该涡流产生。与此同时，该涡流产生的交变磁场又的交变磁场又反作用反作用于线圈，引起线于线圈，引起线圈自感圈自感L或阻抗或阻抗ZL的的变化变化。线圈自感。线圈自感L或阻抗或阻抗ZL的变化与距离该金属板的的变化与距离

26、该金属板的电阻率电阻率、磁导率、磁导率、激励电流、激励电流i及角及角频率频率等有关。若等有关。若只改变距离只改变距离而保而保持其它参数不变，则可将持其它参数不变，则可将位移变化转位移变化转换换为线圈为线圈自感变化自感变化，通过测量电路转，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感换为电压输出。高频反射式涡流传感器器多用于位移测量多用于位移测量。3.3电感式传感器电感式传感器低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器的工作原低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，理如图所示，发射线圈发射线圈1和和接收线圈接收线圈2分别置于被测金属板材料分别置于被测金属板材料G的上、的上、下

27、方。由于低频磁场下方。由于低频磁场集肤效应小集肤效应小，渗渗透深透深，当低频，当低频(音频范围音频范围)电压电压e1加到加到线圈线圈1的两端后，所产生磁力线的一的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料部分透过金属板材料G,使线圈使线圈2产生产生感应电动势感应电动势e2。但由于。但由于涡流消耗涡流消耗部分部分磁场能量，使感应电动势磁场能量，使感应电动势e2减少，当减少，当金属板材料金属板材料G越厚时，损耗的能量越越厚时，损耗的能量越大，输出电动势大，输出电动势e2越小。因此，越小。因此，e2的大的大小与小与G的厚度及材料的性质有关，试的厚度及材料的性质有关，试验表明，验表明，e2随材料厚度随

28、材料厚度h的增加按负指的增加按负指数规律减少数规律减少,如图所示，因此，若金属如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用板材料的性质一定，则利用e2的变化的变化即可测量其厚度。即可测量其厚度。3.3电感式传感器电感式传感器3.3电感式传感器电感式传感器案例案例1 1：测厚测厚3.3电感式传感器电感式传感器案例案例2 2：零件计数零件计数3.3电感式传感器电感式传感器案例案例2 2：零件计数零件计数3.3电感式传感器电感式传感器案例案例3 3：测转速：测转速3.3电感式传感器电感式传感器案例案例4 4：无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测3.3

29、电感式传感器电感式传感器优点优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。应用应用：位移、力、振动测量，：位移、力、振动测量，NDT，测厚，测厚,材质判别材质判别案例案例5 5：连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensorReferenceCircle原理：原理：第二节第二节差动变压器式传感器差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线线圈圈互互感感变变化化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式：变隙式、变面积式（这两种

30、也称气隙型）和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺螺线线管管式式差动变压器，它可以测量1100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。差差动动变变压压器器结结构构形形式式分分气气隙隙型型和和螺螺管管型型两两种种。目前多采用目前多采用螺管型差动变压器螺管型差动变压器。一、工作原理一、工作原理1初级线圈初级线圈;2.3次级线圈次级线圈;4衔铁衔铁1243(a)气隙型气隙型123(b)螺管型螺管型4螺线管式差动变压器结构差动变压器差动变压器1.1.工作原理工作原理:互感现象互感现象EwEoutWW1W2Esx-x工作原理类似于变压器。主要包括有衔铁、初工作原理类似于

31、变压器。主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。级绕组、次级绕组和线圈框架等。初、次级绕初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的即绕组间的互感互感随被测位移的改变而变化。随被测位移的改变而变化。初级线圈作为差动变压器激励用初级线圈作为差动变压器激励用，相当于，相当于变压器的原边，而变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接相同的两个线圈反相串接而成，且以差动方式而成，且以差动方式输出，相当于变压器的副边。所以又把这种传输出，相当于变压器的副边。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称感器称

32、为差动变压器式电感传感器，通常简称为为差动变压器差动变压器。螺管型差动变压器根据初、次级排列不同，有二螺管型差动变压器根据初、次级排列不同，有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。节式、三节式、四节式和五节式等形式。图图4-9 4-9 差动变压器线圈各种排列形式差动变压器线圈各种排列形式1 1 初级线圈；初级线圈；2 2 次级线圈；次级线圈；3 3 衔铁衔铁(a a)二节式二节式 (b)(b)三节式三节式 (c)(c)四节式四节式 (d)(d)五节式五节式31121 2112212123三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和

33、五节式改善了传感器高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。线性度。差动变压器的等效电路差动变压器的等效电路L1r2bL2aM1M2L2br2ar1差动变压器两个次级线圈反向串联、工作在理想差动变压器两个次级线圈反向串联、工作在理想情况下（情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响影响）时的等效电路：）时的等效电路：MM1 1、MM2 2初级绕组与两个初级绕组与两个次级绕组间的互感；次级绕组间的互感；L L1 1、r r1 1初级绕组的电感和初级绕组的电感和有效电阻；有效电阻；L L2a2a、L L2b2b两个次级绕组的两个次级绕组的电感；电感；r

34、 r2a2a、r r2b2b两个次级绕组的有两个次级绕组的有效电阻；效电阻；E E2a2a、E E2b2b 两个次级绕组产两个次级绕组产生的感应电动势。生的感应电动势。当当初初级级绕绕组组加加以以激激励励电电压压U U1 1 时时,根根据据变变压压器器的的工工作作原原理理,在在两两个个次次级级绕绕组组 2a2a和和 2b2b中中便便会会产产生生感感应应电电势势E E2a2a和和E E2b2b。如如果果工工艺艺上上保保证证变变压压器器结结构构完完全全对对称称,则则当当活活动动衔衔铁铁处处于于初初始始平平衡衡位位置置时时,必必然然会会使使两两互互感感系系数数MM1 1=MM2 2。根根据据电电磁磁

35、感感应应原原理理,将将有有E E2a2a=E E2b2b。由由于于变变压压器器两两次次级级绕绕组组反反相相串串联联,因因而而U U2 2=E E2a2a-E E2b2b=0,=0,即差动变压器输出电压为零。即差动变压器输出电压为零。当当活活动动衔衔铁铁向向上上移移动动时时,由由于于磁磁阻阻的的影影响响，2a2a中中磁磁通通将将大大于于 2b2b，使使MM1 1 MM2 2，因因而而E E2a2a增增加加，而而E E2b2b减减小小。反反之之，E E2b2b增增加加，E E2a2a减减小小。因因为为U Uo o=E E2a2a-E E2b2b，所所以以当当E E2a2a、E E2b2b 随随着着

36、衔衔铁铁位位移移x x变变化化时时，U Uo o也必将随也必将随x x而变化而变化。2=E2a-E2bE2bE2a差动变压器输出差动变压器输出电势电势与衔铁与衔铁位移位移x x的关系。其的关系。其中中x x表示衔铁偏离表示衔铁偏离中心位置的距离。中心位置的距离。0 x差动变压器输出特性差动变压器输出特性变压器与活动衔铁位移变压器与活动衔铁位移的关系曲线如下：的关系曲线如下：当当衔衔铁铁位位于于中中心心位位置置时时，差差动动变变压压器器输输出出电电压压并并不不等等于于零零，我我们们把把差差动动变变压压器器在在零零位位移移时时的的输输出出电电压压称称为为零零点点残残余余电电压压，记记作作U UX

37、X，它它的的存存在在使使传传感感器器的的输输出出特特性性不不经经过过零零点点，造造成成实际特性与理论特性不完全一致。实际特性与理论特性不完全一致。零点残余电压零点残余电压 U UX X 当当当当差差差差动动动动变变变变压压压压器器器器的的的的衔衔衔衔铁铁铁铁处处处处于于于于中中中中间间间间位位位位置置置置时时时时，理理理理想想想想条条条条件件件件下下下下其其其其输输输输出出出出电电电电压压压压为为为为零零零零。但但但但实实实实际际际际上上上上，当当当当使使使使用用用用桥桥桥桥式式式式电电电电路路路路时时时时，在在在在零零零零点点点点仍仍仍仍有有有有一一一一个个个个微微微微小小小小的的的的电电电

38、电压压压压值值值值(从从从从零零零零点点点点几几几几mVmVmVmV到到到到数数数数十十十十mV)mV)mV)mV)存存存存在在在在，称称称称为为为为零零零零点点点点残残残残余余余余电电电电压压压压。如如如如图图图图是是是是扩扩扩扩大大大大了了了了的的的的零零零零点点点点残残残残余余余余电电电电压压压压的的的的输输输输出出出出特特特特性性性性。零零零零点点点点残残残残余余余余电电电电压压压压的的的的存存存存在在在在造造造造成成成成零零零零点点点点附附附附近近近近的的的的不不不不灵灵灵灵敏敏敏敏区区区区；零零零零点点点点残残残残余余余余电电电电压压压压输输输输入入入入放放放放大大大大器器器器内内

39、内内会会会会使使使使放放放放大大大大器器器器末末末末级级级级趋趋趋趋向向向向饱饱饱饱和和和和，影响电路正常工作等。影响电路正常工作等。影响电路正常工作等。影响电路正常工作等。0 xx零点残余电压一般在几零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小用时，应设法减小U Ux x，否则将会影响传感器的否则将会影响传感器的测量结果。测量结果。零点残余电压产生原因：零点残余电压产生原因：基波分量基波分量 由由于于差差动动变变压压器器两两个个次次级级绕绕组组不不可可能能完完全全一一致致，因因此此它它的的等等效效电电路路参参数数（互互感感MM、自自感感L L及及损损耗耗电电阻

40、阻R R）不不可可能能相相同同，从从而而使使两两个个次次级级绕绕组组的的感感应应电电动动势势数数值值不不等等。又又因因初初级级线线圈圈中中铜铜损损电电阻阻及及导导磁磁材材料料的的铁铁损损和和材材质质的的不不均均匀匀，线线圈圈匝匝间间电电容容的的存存在在等等因因素素，使使激励电流与所产生的磁通相位不同。激励电流与所产生的磁通相位不同。高次谐波高次谐波 高高次次谐谐波波分分量量主主要要由由导导磁磁材材料料磁磁化化曲曲线线的的非非线线性性引引起起。由由于于磁磁滞滞损损耗耗和和铁铁磁磁饱饱和和的的影影响响，使使得得激激励励电电流流与与磁磁通通波波形形不不一一致致产产生生了了非非正正弦弦(主主要要是是三

41、三次次谐谐波波)磁磁通通，从从而而在在次次级级绕绕组组感感应应出出非非正正弦弦电电势势。另另外外，激激励励电电流流波波形形失失真真，因因其其内内含含高高次次谐谐波波分分量量，这这样样也也将将导导致致零零点点残残余余电压中有高次谐波成分。电压中有高次谐波成分。一、压磁效应一、压磁效应铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现象称为磁致伸缩效应。材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不是无限制的，最终会达到饱和。各种材料的饱和伸缩比是定值，称为磁致伸缩系数，用s表示，即第五第五节 压磁式磁式传感器感器式中 伸缩比。在一定的磁场范围内，一些材料(如Fe)的s为正值，称为正磁致伸缩；反之，一些材

42、料(如Ni)的s为负值，称为负磁致伸缩。测试表明，物体磁化时，不但磁化方向上会伸长(或缩短)，在偏离磁化方向的其他方向上也同时伸长(或缩短)，只是随着偏离角度的增大其伸长(或缩短)比逐渐减小，直到接近垂直于磁化方向反而要缩短(或伸长)。铁磁材料的这种磁致伸缩，是由于自发磁化时导致物质的晶格结构改变，使原子间距发生变化而产生的现象。铁磁物体被磁化时如果受到限制而不能伸缩，内部会产生应力。如果在它外部施力，也会产生应力。当铁磁物体因磁化而引起伸缩(且不管何种原因)产生应力时，其内部必然存在磁弹性能E。分析表明，E与s成正比，且同磁化方向与应力方向之间的夹角有关。由于E的存在，将使铁磁材料的磁化方向

43、发生变化。对于正磁致伸缩材料，如果存在拉应力，将使磁化方向转向拉应力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增大。反之，压应力将使磁化方向转向垂直于压应力的方向，削弱应力方向的磁化，从而使压应力方向的磁导率减小。对于负磁致伸缩材料，情况正好相反。这种被磁化的铁磁材料在应力影响下形成磁弹性能，使磁化强度矢量重新取向从而改变应力方向的磁导率的现象，称为磁弹性效应，或称压磁效应。铁磁材料的相对导磁率变化与应力之间的关系为 式中 铁磁材料的磁导率；BS饱和磁感应强度。从式(3-44)可知，用于磁弹性式传感器的铁磁材料要求能承受大的应力、磁导率高、饱和磁感应强度小。常用的材料是硅钢片与铁镍软

44、磁合金，由于后者价贵且性能不够稳定，目前大都采用硅钢片。(3-44)二压磁式传感器的工作原理二压磁式传感器的工作原理压磁式测力传感器的压磁元件由具有正磁致伸缩特性的硅钢片粘叠而成。如图3.33所示，硅钢片上冲有四个对称的孔，孔1、2的连线与孔3、4相互垂图(a)。孔1、2间绕有激磁绕组W12，孔3、4间绕有测量绕组W34，外力F与绕组W12、W34所在平面成45角。当激磁绕组W12通过一定的交变电流时，铁心中就产生磁场H，方向如图(b)所示。设将孔间区域分成A、B、C、D四部分。无外力作用时，A、B、C、D四部分的磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，合成磁场强度H平行于测量绕组W34的平面。图3.

45、33压磁式测力传感器的工作原理在磁场作用下，导磁体沿H方向磁化，磁通密度B与H取向相同。由于测量绕组无磁通通过，故不产生感应电势。若对压磁元件施加压力F，如图(c)所示，A、B区域将产生很大的压应力，而C、D区域基本上仍处于自由状态。对于正磁致伸缩材料，压应力使其磁化方向转向垂直于压力的方向。因此，A、B区的磁导率下降，磁阻增大，而与应力垂直方向的上升，磁阻减小。磁通密度B偏向水平方向，与测量绕组W34交链，W34中将产生感应电势e。F值越大，W34交链的磁通越多，e值就越大。经变换处理后，即能用电流或电压来表示被测力F的大小。三三.压磁式测力传感器的结构压磁式测力传感器的结构压磁式测力传感器

46、的核心部件是压磁元件。组成压磁元件的铁心有四孔圆弧形、六孔圆弧形、“中”字形和“田”字形等多种，图4.16为一种典型的测力传感器。可按测力大小、输出特性的要求和灵敏度等选用。为扩大测力范围，可以将几个冲片联成多联冲片。此外，还有“”字形与横“曰”字形冲片，常用于测定或控制拉力或压力，以及无损检测残余应力。所有铁心都由冲片叠合而成，以减小涡流损耗。压磁式测力传感器的结构四四.测量电路测量电路压磁式传感器的输出信号较大，一般不需要放大。所以测量电路主要由激磁电源、滤波电路、相敏整流和显示器等组成，基本电路如图3.35所示。由于铁磁材料的磁化特性随温度而变，压磁式传感器通常要进行温度补偿。最常用的方

47、法是将工作传感器与不受载体作用的补偿传感器构成差动回路。压磁式传感器的电路原理框图3.4电容式传感器电容式传感器1.变换原理变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器,它的电容量为它的电容量为:+A当当被被测测量量、S或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电电容容的的变变化化。如如果果保保持持其其中中的的两两个个参参数数不不变变，而而仅仅改改变变另另一一个个参参数数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。相对介电常数，空气中为相对介电常数，空气中为1真空介电常数真空介电常数

48、极板面积极板面积极板间距离极板间距离2分类分类3.4电容式传感器电容式传感器a)a)极距变化型极距变化型+为减少线性误差，一般取极距变化范围为减少线性误差，一般取极距变化范围3.4电容式传感器电容式传感器b)b)面积变化型面积变化型:角位移型角位移型,平面线位移型平面线位移型,柱面线位移型柱面线位移型3.4电容式传感器电容式传感器c)c)介质变化型介质变化型变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感器大多用于测量电介质的厚度器大多用于测量电介质的厚度(图图a)、位移、位移(图图b)、液位、液位(图图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温

49、度、湿度、容量改变而改还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量变来测量温度、湿度、容量(图图d)等。等。3.4电容式传感器电容式传感器若忽略边缘效应，图若忽略边缘效应，图a、图、图b、图、图c所示传感器的电容量与被测量的关系为所示传感器的电容量与被测量的关系为式中式中、h、0两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数；两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数；x、hx、被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数；被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数；l、b、ax固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）；固定极板长、宽及被测物进

50、入两极板中的长度（被测值）；r1、r2内、外极筒的工作半径。内、外极筒的工作半径。案例案例:液面高度测量液面高度测量3测量电路测量电路3.4电容式传感器电容式传感器a)电桥电路电桥电路电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，下图所示为一种由电感、电容组成的电桥。电容组成交流电桥，下图所示为一种由电感、电容组成的电桥。电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。动显示、记录仪器。3.4电容式传感器电容式传感器b)谐振电路谐