传感器课件 第四章.
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第四章 传感器及成像原理PPT课件
面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪。它利用 线阵列探测器进行扫描，利用色散元件将收集到的光谱 信息分散成若干个波段后，分别成像于面阵列的不同行。 这种仪器利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描，利 用线阵列探测器及沿轨道方向的运动完成空间扫描，它 具有空间分辨率高（不低于10～30m等特点，主要用于 航天遥感。
33
34
B 全色的HRV，波段范围0.51—0.73μm。 6000个CCD元件组成一行。 一个像元大小为10m×10m， 一行图像，相对地面上为10m×60km
35
为了在26天内达到全球覆盖一遍，SPOT卫星上平 排安装二台HRV仪器。每台仪器视场宽都为60km，两 者之间有3km重叠，因此总的视场宽度为117km。相邻 轨道间的间隔约为108km（赤道处），垂直地面观测 时，相邻轨道间的影像约有9km重叠。这样共观测369 圈，全球在北纬81.3°和南纬81.3°之间的地表面全部 覆盖一遍。
1）具体结构元件： 旋转扫描镜，反射镜系统，探测器，制冷设备，电
子处理装置和输出装置。
10
11
2）扫描成像过程及图像特征
扫描成像过程
当旋转棱镜旋转时，第一个镜面对地面横越航线方 向扫视一次，在扫描视场内的地面辐射能，由幅的一 边到另一边依次进入传感器，经探测器输出视频信号， 再经电子放大器放大和调制，在阴极射线管上显示出 一条相应于地面扫描视场内的景物的图像线，这条图 像线经曝光后在底片上记录下来。接着第二个扫描镜 面扫视地面，由于飞机向前运动，胶片也作同步旋转， 记录的第二条图像正好与第一条衔接。依次下去，就 得到一条与地面范围相应的二维条带图像。
2.图像特点：
单中心投影、比例尺、投影差、立体观测、光谱响应。
7
3.全景摄影机：
33
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B 全色的HRV，波段范围0.51—0.73μm。 6000个CCD元件组成一行。 一个像元大小为10m×10m， 一行图像，相对地面上为10m×60km
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为了在26天内达到全球覆盖一遍，SPOT卫星上平 排安装二台HRV仪器。每台仪器视场宽都为60km，两 者之间有3km重叠，因此总的视场宽度为117km。相邻 轨道间的间隔约为108km（赤道处），垂直地面观测 时，相邻轨道间的影像约有9km重叠。这样共观测369 圈，全球在北纬81.3°和南纬81.3°之间的地表面全部 覆盖一遍。
1）具体结构元件： 旋转扫描镜，反射镜系统，探测器，制冷设备，电
子处理装置和输出装置。
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2）扫描成像过程及图像特征
扫描成像过程
当旋转棱镜旋转时，第一个镜面对地面横越航线方 向扫视一次，在扫描视场内的地面辐射能，由幅的一 边到另一边依次进入传感器，经探测器输出视频信号， 再经电子放大器放大和调制，在阴极射线管上显示出 一条相应于地面扫描视场内的景物的图像线，这条图 像线经曝光后在底片上记录下来。接着第二个扫描镜 面扫视地面，由于飞机向前运动，胶片也作同步旋转， 记录的第二条图像正好与第一条衔接。依次下去，就 得到一条与地面范围相应的二维条带图像。
2.图像特点：
单中心投影、比例尺、投影差、立体观测、光谱响应。
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3.全景摄影机：
传感器原理与应用第四章
课堂互动内容 根据课堂所学知识，讨论实际生活中电容传感器的应用情况？ 讨论其他处理寄生电容影响的方法？ 讨论差动式电容传感器的主要优缺点？
习 题
1．电容式传感器有什么特点？试举出你所知道的电容传感器的实例。 2． 试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容传感器的灵敏度？为了提高传感器的灵敏度可采 取什么措施并应注意什么问题？ 3．为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？采取什么措施可改善其非线性特征。 4．变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图1所示。传感器的起始电容量 C_x0=20pF ，定动极板距离d_0=1.5mm ，C_0=10pF，运算放大器为理想放大器，R_f 极大，输入 电压u_i=5sinωt 。求当电容传感器动极板上输入一位移量∆x=0.15mm 使d_0 减小时，电路输出电 压u_0 为多少？ 5．如图2所示正方形平板电容器，极板长度a=4cm，极板间距离δ=0.2mm 。若用此变面积型传感器 测量位移 x ，试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。极板间介质为空气，ε_0=8.85× 〖10〗^(-12) F/m。
4.4 电容式传感器的应用
4.4.1 差动式电容压力传感器
图 4-14 所示为差动式电容压力传感器的结 构图。图中所示为一个膜片动电极和两个 在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差 动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并使之产 生位移时，形成的两个电容器的电容量， 一个增大，一个减小。该电容值的变化经 测量电路转换成与压力或压力差相对应的 电流或电压的变化。
本章小结 本章主要介绍了电容式传感技术的理论基础，并在此基础之上介绍了电容传感器的三种分类 及各自的工作原理。介绍了电容式传感器的测量电路的构成，对电容传感器的优缺点进行了 总结，并对电容传感器进行了误差分析。章节的最后进行了电容式传感器的应用举例，通过 差动式电容压力传感器、加速度传感器、测厚传感器、料位传感器、液位传感器及物位传感 器的实际应用，进一步深化了电容式传感器的知识。
电子课件-《传感器技术与应用》-A05-3188 第四章 力敏传感器
第四章 力敏传感器
常见的压电式传感器
第四章 力敏传感器
2.压电材料特点和分类
用于制作压电元件的压电材料一般分为三大类： 一是压电晶体（单晶），它包括石英晶体和其他 压电单晶； 二是压电陶瓷； 三是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高 分子压电材料两种。
第四章 力敏传感器
石英晶体薄片
压电陶瓷
第四章 力敏传感器
二、压电材料的主要特性参数
1.压电常数
压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接 关系到压电元件输出的灵敏度。
2.弹性常数
压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元件的固有 频率和动态特性。
3.介电常数
对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介 电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率 下限。
电阻应变片的工作原理是利用导体或半导体材料 的电阻应变效应，即导体或半导体材料在外力作用下， 会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化的现象。
第四章 力敏传感器
实验表明，在金属丝的弹性变形范围内，当金属 丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，当 金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积 减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩 时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。
第四章 力敏传感器
二以使用面积和电阻值表示，如 （3×10）mm2，120Ω。
2.应变片的灵敏系数K 3.应变片允许工作电流 4.应变极限 5.横向效应
第四章 力敏传感器
三、电阻应变片的选用
1.电阻应变片的选择 （1）应变片结构形式的选择
第四章 力敏传感器
名称 丝式 箔式 薄膜式
特点 制造简单、价格便宜、性能稳定、易于粘贴等优点，但蠕 变较大，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代，多用于大批量、 一次性试验 表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过较大电流， 从而增大输出信号，提高灵敏度；可根据测量需要制成任意 形状，在制造工艺上能保证敏感栅尺寸准确线条均匀；具有 较好的可挠性，有利于粘贴及应变的传递；易加工，适于批 量生产 应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现 工业化生产，但难以控制电阻与温度和时间的变化关系，是 一种很有前途的新型应变片
传感器第四章 PPT课件
显然，差动式比相应单组式的灵敏度提高一倍。
（2）非线性
L
真实值 测量值 真实值
真实值 测量值 测量值
对于平板形变极距型电容传感器
真实值：
C C0
C0
(1
1
)
C0 [1 ( )2 ( )3 ]
2 0
ic
2dt
1 T
T 2 0
U
E
(
R 2RL R RL
)C2
exp
[
R
R
RL
t (R RL )]C2
d{ [R RRL
t }
(R RL )]C2
1 T
(
R 2RL R RL
)U
E
C2{1
exp
[R
R
RL
T2 (R
RL
)]C2
}
若： [R RRL (R RL )]C2 T 2
代入前式有：
Z 4 Z1
U0
（1
Z3 Z1 Z 2 ）（1
U Z4 ）
Z1
Z3
U0
C U C
4 2 LC 2 2 LC 1
若： 2 LC
1, 则U 0
2U
C C
显然，将电容式传感器电容量的变化引起电路输出电压 的变化，进而实现测量目的。
①要求高频正弦波供电
电容电桥的特点： ②要求电源频率和幅值稳定 ③输出阻抗大 ④动态范围小
3、差动脉冲调宽电路
——电路如图。它由两个比较器、双稳态触发器、两 个充放电回路组成。
现代传感器-第四章(压力传感器)
压电式传感器的测量电路（7 压电式传感器的测量电路（7）
电荷放大器
Cr
－A
q
Ca
Ce
Ci
uo
电荷放大器的等效电路
压电式传感器的测量电路（8 压电式传感器的测量电路（8）
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个 反馈电容C 反馈电容CF和高增益运算放大器构成。 运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没 有分流，故可略去R 有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻：
压电材料
石英晶体， 压电陶瓷， 压电薄膜等
石英晶体的压电效应（1）
用三条互相垂直的轴来表示石英晶体的各方向。 其中， 纵向轴称为光轴(z轴)； 经过棱线并垂直于光轴的称为电 轴(x轴)； 与光轴、 电轴同时垂直的称为机械轴(y轴)。 如图4-1（b）所示。按照与z轴的不同夹角，多种切片可 形成一个系列家族，切片长边平行于y轴的称为X切族，平 行于x轴的称为Y切族。
1 q′ = q；U ′ = 2U；C ′ = C 2
压电传感器的等效电路（1 压电传感器的等效电路（1）
当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上 出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传 感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生 器。 其电荷容量为：
ε S ε rε 0 S Ca = = δ δ
压电式压力传感器的应用（5 压电式压力传感器的应用（5）
压电声传感器在超声速测量实验中的应用
示波器 S2 l S1 频率计
游标卡尺 超声速测量实验装置
信号发生器
压电式压力传感器的应用（6 压电式压力传感器的应用（6）
当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷 片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空 气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发 生器。 当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2 时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片 上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测 出该交变信号。所以，换能器S2是声频信号接收 器。
传感器第四章概论
L
L0+L L0
L0-L
2020/11/15
o -0 +0
安农大经济技术学院 16
EXIT
设电感传感器初始电感量为
L0
0S0W 2 2 0
L
当衔铁上移Δδ时，传感器气隙
L0+L L0
L0-L
o -0 +0
减小Δδ，即δ=δ0-Δδ， 则此时输出 电感为L=L0+ΔL， 得
L
L0
L
W 20S0 2(0
测量
测量
角位
线
2020/11/15
位
安农大经济技术学移院 14
EXIT
a)变气隙厚度δ的传感器 b)变气隙面积S0的传感器
2020/11/15
安农大经济技术学院 15
EXIT
4.1.2 变隙式电感传感器的L-δ特性
L W 2 W 20S0
Rm
2
L与δ之间是非线性关系， 特性曲线如图所示（双曲线）。
II
式中：Ψ——线圈总磁链；
I——通过线圈的电流；
W——线圈的匝数；
φ——
由磁路欧姆定律， 得 IW
Rm
式中, Rm为磁路总磁阻。
2020/11/15
安农大经济技术学院 9
EXIT
若气隙厚度δ很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽 略磁路磁损， 则磁路总磁阻为
Rm
l1
1S1
l2
2S2
2 0S0
K0
L0
1
0
可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度
及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测
量微小位移的场合，一般 Δδ=（0.1~0.2）δ0。为了减 小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感
04第四章 电涡流传感器
集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率 等有关。 频率f 越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。
根据简化模型，可将金属导体形象地看做一个短路 线圈，它与传感器线圈之间存在耦合关系，它们之间的 等效电路图如上。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其 表达式为： 2
R2
ra h1n ri
第四节
电涡流传感器的应用
一、位移测量
电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子 器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工 作面）将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感 应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能 量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的 变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。 这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等 非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下 使用。
ω ——线圈激磁电流角频率 R1——线圈电阻 L1——线圈电感 L2——短路环等效电感 R2——短路环等效电阻 M ——互感系数
根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：
R1I1 jL1I1 jMI 2 U1 jMI1 R2 I 2 jL2 I 2 0
并联谐振回路的谐振频率
1 f 2 LC0
4-3
设电涡流线圈的电感量L=0.8mH， 微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f 。
鉴频器特性
使用 鉴频器可 以将f 转 换为电压 Uo
鉴频器的输出电压与输入频率成正比
鉴频器在调频式电路中的应用
设电路参数如上页， 计算电涡流线圈未接近 金属时的鉴频器输出电 压Uo0 ；若电涡流线圈靠 近金属后，电涡流探头 的输出频率f 上升为 500kHz，f 为多少？输 出电压Uo又为多少？
根据简化模型，可将金属导体形象地看做一个短路 线圈，它与传感器线圈之间存在耦合关系，它们之间的 等效电路图如上。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其 表达式为： 2
R2
ra h1n ri
第四节
电涡流传感器的应用
一、位移测量
电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子 器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工 作面）将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感 应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能 量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的 变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。 这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等 非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下 使用。
ω ——线圈激磁电流角频率 R1——线圈电阻 L1——线圈电感 L2——短路环等效电感 R2——短路环等效电阻 M ——互感系数
根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：
R1I1 jL1I1 jMI 2 U1 jMI1 R2 I 2 jL2 I 2 0
并联谐振回路的谐振频率
1 f 2 LC0
4-3
设电涡流线圈的电感量L=0.8mH， 微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f 。
鉴频器特性
使用 鉴频器可 以将f 转 换为电压 Uo
鉴频器的输出电压与输入频率成正比
鉴频器在调频式电路中的应用
设电路参数如上页， 计算电涡流线圈未接近 金属时的鉴频器输出电 压Uo0 ；若电涡流线圈靠 近金属后，电涡流探头 的输出频率f 上升为 500kHz，f 为多少？输 出电压Uo又为多少？
01传感器-第四章1-73页精品文档
第五章 信号调理方法
本章学习要求：
1.掌握电桥的基本工作原理 2.了解模拟信号放大电路原理 3.了解信号调制解调原理 4.了解信号滤波器工作原理
被测量经传感器转换成的电信号，通常需要进行某些调理和处 理，以便提高信噪比，并把信号转换成更便于处理、接收和显 示的形式，最终转换为仪表示值，或被记录，或输入计算机、 控制装置，或供人观察。
f f0f
式中：f0为载波信号频率；Δf为频率偏移，与调制信号x(t)的
幅值成正比。
常用的频率调制法有直接调频法和间接调频法。
（1）直接调频测量电路
直接调频法就是用调制信号x(t)对压控振荡器(VCO)进行电
压控制，利用其振荡频率与控制电压成线性变化的特性， 改变压控振荡器的输出频率，从而达到频率调制的目的。
信号放大
分类
放大器
直流放大器 交流放大器 直流电桥 交流电桥 电荷放大器
特点 低频保留,高频截止 高频保留,低频截止
5.1 电桥转换原理
一、电桥及其分类
1. 什么是电桥 电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输 出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可 以送入放大器进行放大。
幅度调制与解调过程（数学分析）
x(t) z(t)
乘法器
x m(t)
放大器
x(t) z(t)
xm (t)x(t)co 2fszt)(
z(t)
z(t)
乘法器
滤波器
x(t)
ym (t)x(t)co 22 sfzt
x (t) 1 2x (t)co 22 sfzt()
三、 调频及其解调
过调。此时，如果采用包络法检波，则检出的信号就会产生失 真，而不能恢复出原信号。
本章学习要求：
1.掌握电桥的基本工作原理 2.了解模拟信号放大电路原理 3.了解信号调制解调原理 4.了解信号滤波器工作原理
被测量经传感器转换成的电信号，通常需要进行某些调理和处 理，以便提高信噪比，并把信号转换成更便于处理、接收和显 示的形式，最终转换为仪表示值，或被记录，或输入计算机、 控制装置，或供人观察。
f f0f
式中：f0为载波信号频率；Δf为频率偏移，与调制信号x(t)的
幅值成正比。
常用的频率调制法有直接调频法和间接调频法。
（1）直接调频测量电路
直接调频法就是用调制信号x(t)对压控振荡器(VCO)进行电
压控制，利用其振荡频率与控制电压成线性变化的特性， 改变压控振荡器的输出频率，从而达到频率调制的目的。
信号放大
分类
放大器
直流放大器 交流放大器 直流电桥 交流电桥 电荷放大器
特点 低频保留,高频截止 高频保留,低频截止
5.1 电桥转换原理
一、电桥及其分类
1. 什么是电桥 电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输 出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可 以送入放大器进行放大。
幅度调制与解调过程（数学分析）
x(t) z(t)
乘法器
x m(t)
放大器
x(t) z(t)
xm (t)x(t)co 2fszt)(
z(t)
z(t)
乘法器
滤波器
x(t)
ym (t)x(t)co 22 sfzt
x (t) 1 2x (t)co 22 sfzt()
三、 调频及其解调
过调。此时，如果采用包络法检波，则检出的信号就会产生失 真，而不能恢复出原信号。
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5
传感器线圈由于受金属导体中电涡流效应影响的复阻抗为
2 2 M 2 R2 M 2 L2 RS jLS Z R1 2 j L1 2 2 2 R2 L2 R2 L2
线圈的等效电阻和等效电感分别为
2M 2 R2 R1 R'2 RS R1 2 2 R2 L2 2 2 L L M L2 L1 L'2 1 2 2 S R2 L2
第四章 电涡流传感器
电涡流传感器是一种基于电涡流效应原理的传感器。也是基于 电磁感应原理，属于互感式电感传感器。 最大的特点是能对位移、振动、厚度、温度、电解质浓度、速 度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有结构简 单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大等特 点，应用极其广泛。 因为涡流渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关，故可分为 高频反射式和低频透射式两类电涡流传感器。前者应用较为广泛。 电涡流效应 二、低频透射式电涡流传感器 一、高频反射式电涡流传感器 三、电涡流式传感器的应用
1. 基本原理
当电感线圈 L通有交变电流 I1 （频率 为f ）时，周围空间将产生交变磁场H1， 此时，置于此磁场中的金属板中将产生 ，此电 感应电动势，从而形成电涡流 I 2 涡流又将产生一个方向相反的磁场H2 。
电涡流的闭合流线的圆心同线圈在 金属板上的投影的圆心重合。
3
涡流区和线圈几何尺寸有如下关系：
在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的 频率是距离 x 的函数 f ＝L(x)，该频率可由数字频率计直接测量，或者通 过 F- V 变换，用数字电压表测量对应的电压。
8
（2） 调幅式电路 传感器线圈 L 和电容器 C 并联组成谐振回路，石英晶体组成石英晶体 振荡电路。石英晶体振荡器起一个恒流源的作用，给谐振回路提供一个稳 定频率（f0）激励电流 i0 ，LC 回路输出电压为
1
电涡流效应
变化着的磁场经过导体块时，导体内就会产生感应电流，该电流 的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流。 电涡流的大小是导体的电阻率 ρ 、 相对导磁率 r 、导体厚度 t 、线圈激 励信号角频率ω以及线圈与导体块之 间的距离 x 等参数的函数。若固定某 些参数，就能按涡流的大小测量出另 外某一参数。
当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减 小，等效电阻R增大。感抗XL的变化比R的变化大得 多，所以电抗减小， 使流过电涡流线圈的电流 i1 增大。
2
一、高频反射式电涡流传感器
1. 基本原理 4. 测量电路 2. 等效电路分析 3. 基本结构 5. 电涡流传感器的特点及灵敏度的影响因素
E MI 金属导体 R1 I1 jL1 I1 j 2 jMI1 R2 I 2 jL2 I 2 0
E E I1 2 2 2 2 M R2 M L2 Z R1 2 j L1 2 2 2 R L R L 2 2 2 2 2 jMR I M I M L2 I 1 1 2 1 j I 2 2 2 R j L R L 2 2 2 2
x M RS x M LS
由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线 圈Q 值下降； （Q ＝ωL/R）
电涡流式传感器等效电路参数均是互感系数M 和电感L1、L2 的函数。 故把这类传感器归为电感式传感器。
6
3. 基本结构
电涡流传感器主要由探头、延长电缆和前置器组成。 探头通常由线圈、骨架、壳体、高频电缆和高频插头组成。
2 R 1.39D 2r 0.525D
式中D ——线圈直径
2R——电涡流区外径； 2r ——电涡流区内径。 h 5000 涡流渗透深度 ρ——金属导体电阻率； f ——交变磁场的频率；
r f
μr ——金属导体相对导磁率。 x ——线圈与金属导体之间的距离；
在金属导体表面感应的涡流所产生的电磁场H2又反作用于线圈L上，力 图改变线圈电感量L的大小，其变化程度与线圈的尺寸大小D、距离x、ρ、 μr等参数有关。如果仅改变一个参数而保持其它参数不变，就可把该参数的 变化转换为电感量L的变化。
U o i0 f Z
式中 Z——LC 回路的阻抗。 当金属导体远离或被去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡 频率f0 ，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体 靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输 出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化；因此，输出电压也随x而变化。 输出电压经过放大、检波后，由指示仪表直接显示出 x 的大小。
线圈1绕制在用聚四氟乙烯 做成的线圈骨架2内，线圈用多 股漆包线或银线绕制成扁平盘状。 使用时，通过骨架衬套3将整个 传感器安装在支架4上，5、6是 电缆和插头。
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4. 测量电路
用于涡流传感器的测量电路主要由线圈L和已知电容C组成LC并联谐 振回路，传感器线圈等效电感的变化使并联谐振回路的谐振频率发生变 化，将其被测量变换为电压或电流信号输出。有调幅式和调频式两种。 （1）调频式电路 传感器线圈接入 LC 振荡回路，当传感等效电路
电涡流传感器的空心线圈可看作变压器的初级线圈L1 ，金属导体中涡 流回路视作变压器次级L2 。当对线圈L1施加交变激励信号时，则在线圈周 围产生交变磁场，环状涡流L2也产生交变磁场。其方向与线圈L1产生磁场方 向相反，因而抵消部分原磁场，线圈L1和环状涡流L2之间存在互感M，M大 小取决于导体和线圈之间的距离 x 。根据基尔霍夫定律可列出如下方程组 线圈
传感器线圈由于受金属导体中电涡流效应影响的复阻抗为
2 2 M 2 R2 M 2 L2 RS jLS Z R1 2 j L1 2 2 2 R2 L2 R2 L2
线圈的等效电阻和等效电感分别为
2M 2 R2 R1 R'2 RS R1 2 2 R2 L2 2 2 L L M L2 L1 L'2 1 2 2 S R2 L2
第四章 电涡流传感器
电涡流传感器是一种基于电涡流效应原理的传感器。也是基于 电磁感应原理，属于互感式电感传感器。 最大的特点是能对位移、振动、厚度、温度、电解质浓度、速 度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有结构简 单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大等特 点，应用极其广泛。 因为涡流渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关，故可分为 高频反射式和低频透射式两类电涡流传感器。前者应用较为广泛。 电涡流效应 二、低频透射式电涡流传感器 一、高频反射式电涡流传感器 三、电涡流式传感器的应用
1. 基本原理
当电感线圈 L通有交变电流 I1 （频率 为f ）时，周围空间将产生交变磁场H1， 此时，置于此磁场中的金属板中将产生 ，此电 感应电动势，从而形成电涡流 I 2 涡流又将产生一个方向相反的磁场H2 。
电涡流的闭合流线的圆心同线圈在 金属板上的投影的圆心重合。
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涡流区和线圈几何尺寸有如下关系：
在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的 频率是距离 x 的函数 f ＝L(x)，该频率可由数字频率计直接测量，或者通 过 F- V 变换，用数字电压表测量对应的电压。
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（2） 调幅式电路 传感器线圈 L 和电容器 C 并联组成谐振回路，石英晶体组成石英晶体 振荡电路。石英晶体振荡器起一个恒流源的作用，给谐振回路提供一个稳 定频率（f0）激励电流 i0 ，LC 回路输出电压为
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电涡流效应
变化着的磁场经过导体块时，导体内就会产生感应电流，该电流 的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流。 电涡流的大小是导体的电阻率 ρ 、 相对导磁率 r 、导体厚度 t 、线圈激 励信号角频率ω以及线圈与导体块之 间的距离 x 等参数的函数。若固定某 些参数，就能按涡流的大小测量出另 外某一参数。
当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减 小，等效电阻R增大。感抗XL的变化比R的变化大得 多，所以电抗减小， 使流过电涡流线圈的电流 i1 增大。
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一、高频反射式电涡流传感器
1. 基本原理 4. 测量电路 2. 等效电路分析 3. 基本结构 5. 电涡流传感器的特点及灵敏度的影响因素
E MI 金属导体 R1 I1 jL1 I1 j 2 jMI1 R2 I 2 jL2 I 2 0
E E I1 2 2 2 2 M R2 M L2 Z R1 2 j L1 2 2 2 R L R L 2 2 2 2 2 jMR I M I M L2 I 1 1 2 1 j I 2 2 2 R j L R L 2 2 2 2
x M RS x M LS
由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线 圈Q 值下降； （Q ＝ωL/R）
电涡流式传感器等效电路参数均是互感系数M 和电感L1、L2 的函数。 故把这类传感器归为电感式传感器。
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3. 基本结构
电涡流传感器主要由探头、延长电缆和前置器组成。 探头通常由线圈、骨架、壳体、高频电缆和高频插头组成。
2 R 1.39D 2r 0.525D
式中D ——线圈直径
2R——电涡流区外径； 2r ——电涡流区内径。 h 5000 涡流渗透深度 ρ——金属导体电阻率； f ——交变磁场的频率；
r f
μr ——金属导体相对导磁率。 x ——线圈与金属导体之间的距离；
在金属导体表面感应的涡流所产生的电磁场H2又反作用于线圈L上，力 图改变线圈电感量L的大小，其变化程度与线圈的尺寸大小D、距离x、ρ、 μr等参数有关。如果仅改变一个参数而保持其它参数不变，就可把该参数的 变化转换为电感量L的变化。
U o i0 f Z
式中 Z——LC 回路的阻抗。 当金属导体远离或被去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡 频率f0 ，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体 靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输 出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化；因此，输出电压也随x而变化。 输出电压经过放大、检波后，由指示仪表直接显示出 x 的大小。
线圈1绕制在用聚四氟乙烯 做成的线圈骨架2内，线圈用多 股漆包线或银线绕制成扁平盘状。 使用时，通过骨架衬套3将整个 传感器安装在支架4上，5、6是 电缆和插头。
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4. 测量电路
用于涡流传感器的测量电路主要由线圈L和已知电容C组成LC并联谐 振回路，传感器线圈等效电感的变化使并联谐振回路的谐振频率发生变 化，将其被测量变换为电压或电流信号输出。有调幅式和调频式两种。 （1）调频式电路 传感器线圈接入 LC 振荡回路，当传感等效电路
电涡流传感器的空心线圈可看作变压器的初级线圈L1 ，金属导体中涡 流回路视作变压器次级L2 。当对线圈L1施加交变激励信号时，则在线圈周 围产生交变磁场，环状涡流L2也产生交变磁场。其方向与线圈L1产生磁场方 向相反，因而抵消部分原磁场，线圈L1和环状涡流L2之间存在互感M，M大 小取决于导体和线圈之间的距离 x 。根据基尔霍夫定律可列出如下方程组 线圈