传感器原理及应用-第5章
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精品文档-传感器原理及应用(郭爱芳)-第5章
为了提高灵敏度与线性度，多采用差动螺管式自感传感器， 其结构如图5.5(c)所示，磁场强度分布曲线如图5.5(d)所示。 设衔铁长度为2lc、半径为rc，线圈长度为2l、半径为r，当衔 铁向左或向右移动Δlc时，两个线圈的自感变化量ΔL1与ΔL2 大小相等、符号相反，总自感变化量为
ΔL
ΔL1
ΔL2
2L0
第5章 电感式传感器 图5.11 差动变压器原理及特性
第5章 电感式传感器
5.2.2 信号调理电路 1. 差动整流电路 差动整流电路是对差动变压器两个次级线圈的输出电压分
别整流后进行输出，典型电路如图5.12所示。图5.12(a)和(b) 用于低负载阻抗的场合，分别为全波和半波电流输出。图 5.12(c)和(d)用于高负载阻抗的场合，分别为全波和半波电 压输出。可调电阻Rp调整零点输出电压。
(2) 高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。 当磁路工作在磁化曲线的非线性段时，激励电流与磁通的波形 不一致，导致了波形失真；同时，由于磁滞损耗和两个线圈磁 路的不对称，造成了两线圈中某些高次谐波成分，于是产生了 零位电压的高次谐波；
(3) 激励电压中包含的高次谐波及外界电磁干扰，也会 产生高次谐波。
第5章 电感式传感器 图5.9 BYM型自感式压力传感器
第5章 电感式传感器
2. 螺管式位移传感器 图5.10所示为螺管式位移传感器，测杆7可在滚动导轨6 上作轴向移动，测杆上固定着衔铁3。当测杆移动时，带动衔 铁在电感线圈4中移动，线圈放在圆筒形铁芯2中，线圈配置成 差动式结构，当衔铁由中间位置向左移动时，左线圈的自感量 增加，右线圈的自感量减少。两个线圈分别用导线1引出，接 入测量电路。另外，弹簧5施加测量力，密封套8防止尘土进入， 可换测头9用螺纹固定在测杆上。
ΔL
ΔL1
ΔL2
2L0
第5章 电感式传感器 图5.11 差动变压器原理及特性
第5章 电感式传感器
5.2.2 信号调理电路 1. 差动整流电路 差动整流电路是对差动变压器两个次级线圈的输出电压分
别整流后进行输出，典型电路如图5.12所示。图5.12(a)和(b) 用于低负载阻抗的场合，分别为全波和半波电流输出。图 5.12(c)和(d)用于高负载阻抗的场合，分别为全波和半波电 压输出。可调电阻Rp调整零点输出电压。
(2) 高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。 当磁路工作在磁化曲线的非线性段时，激励电流与磁通的波形 不一致，导致了波形失真；同时，由于磁滞损耗和两个线圈磁 路的不对称，造成了两线圈中某些高次谐波成分，于是产生了 零位电压的高次谐波；
(3) 激励电压中包含的高次谐波及外界电磁干扰，也会 产生高次谐波。
第5章 电感式传感器 图5.9 BYM型自感式压力传感器
第5章 电感式传感器
2. 螺管式位移传感器 图5.10所示为螺管式位移传感器，测杆7可在滚动导轨6 上作轴向移动，测杆上固定着衔铁3。当测杆移动时，带动衔 铁在电感线圈4中移动，线圈放在圆筒形铁芯2中，线圈配置成 差动式结构，当衔铁由中间位置向左移动时，左线圈的自感量 增加，右线圈的自感量减少。两个线圈分别用导线1引出，接 入测量电路。另外，弹簧5施加测量力，密封套8防止尘土进入， 可换测头9用螺纹固定在测杆上。
5第五章电容式传感器1精品PPT课件
5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（ d ）
传感器原理及工程应用
电容的总的变化量
C
C1
C2
2C0
[
d d0
( d d0
)3
]
电容的相对变化量 C 2 d [1 ( d )2 ( d )4 ]
C0
d0
d0
d0
电容特征方程忽略高次项得： C 2 d
C0
d0
提问与解答环节
Questions And Answers
d
d0
d0
非性线误性差误δ就差在和2％d～d0 1有0％关之，间如。果也当就d是d0 说0.，02在~ 0d.1产时生，微则小非变线
化△d时，会产生比较大的非线性误差。显然这种单极板
式变间距型传感器适用于微小位移的测量
第5章 电容式传感器
传感器原理及工程应用
5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（d）
第5章 电容式传感器 5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（ d ）
传感器原理及工程应用
差动结构的电容特征方程式为（当动极板向上移动时）
C1
C0
C
C0
1
1 d
d0
C0[1
d d0
( d )2 d0
]
定极板
C2
C0 [1
d d0
( d d0
)2
]
动极板
C1 d1 C2 d2
定极板
第5章 电容式传感器
A
d0 d
A
d0
(1
d d0
)
C01ຫໍສະໝຸດ 1 dd0增加的电容量为：
电容的相对变化量:
第5章 电容式传感器
第5章《传感器及其应用》参考答案
第5章《传感器及其应用》第1节 揭开传感器的“面纱”【学习目标】1．了解传感器在生产和生活中的应用。
2．知道非电学量转换成电学量的技术意义。
3．知道传感器的最基本原理及其一般结构。
4．知道敏感元件的作用。
【要点透析】1. 什么是传感器？传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）按一定规律转换成便于处理和传输电学量（如电压、电流等）的一种元件。
传感器输入的是非电学物理量，输出的是电学量。
将非电学物理量转换成电学量后，测量比较方便，而且能输入到计算机进行处理。
各种传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以至家庭生活等多种领域。
2．传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。
如图5.1-1所示。
敏感元件（预变换器）：将不能够直接变换为电量的非电量转换为可直接变换为电量的非电量元件。
敏感元件是传感器的核心部分，它是利用材料的某种敏感效应（如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等）制成的。
转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，如压电晶体、热电偶等。
转换电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。
3．传感器的分类传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种：（1）按工作原理分类物理传感器：利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息的传感器，如电容传感器、电感传感器、光电传感器、压电传感器等；化学传感器：利用化学反应识别和检测信息的传感器，如气敏传感器、湿敏传感器等； 生物传感器：利用生物化学反应识别和检测信息的传感器，它是由固定生物体材料和适图5.1-1 敏感元件当转换器件组合成的系统。
如组织传感器、细胞传感器、酶传感器等。
（2）按用途分类这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据需要测量的对象选择所需要的传感器。
传感器与测试技术课件第五章电阻应变片
2、电阻应变片的种类及材料 电阻应变片的种类
常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。
丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高 电阻率金属丝（0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘 的基片和覆盖层之间并引出导线构成。
？栅状
结构
dR /R S x
为了获得大的 电阻变化量
丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。 分为丝绕式和短接式两种。
电桥的工作特性:
1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采 用半桥双臂或全桥方式。
1 R 0 Uo UI 4 R 0
1 R 0 Uo UI 2 R 0
R0 Uo UI R0
•在R0<<R0条件下，电桥的输出与 R0/R0成正比；
•全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单 臂接法的4倍 。
5）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。
6）用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘电阻，应 大于1000M欧。
7）应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。
5.2 测量电路及温度补偿
电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路 将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被 测量的测量。 1、测量电桥 电桥按其电源性质的不同可 以分为直流电桥和交流电桥。 直流电桥只能测量电阻，而 交流电桥可用于测量电阻、 电感和电容的变化。
电阻应变片
电阻应变片的选择、粘贴技术 1）目测 Nhomakorabea阻应变片有无折痕、断丝 等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。 2）用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥 中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆。
3）试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
_新教材高中物理第五章传感器12认识传感器常见传感器的工作原理及应用课件新人教版选择性必修第二册
第5章 传感器
1、2 认识传感器 常见 传感器的工作原理及应用
核心素养目标
1．知道什么是传感器，并了解传感器 的种类。
2．知道传感器的组成及应用模式，理 解将非电学量转化为电学量的物 理意义。
3．理解常见传感器敏感元件的特性及 应用。
知识点一 认识传感器 [情境导学] 干簧管的结构很简单，如图甲所示，它只是玻璃管内封入两个软磁性材料制
成的簧片，接入图乙电路，当磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？ (2)干簧管的作用是什么？
提示：(1)小灯泡会发光，因为两个簧片被磁化而接通。 (2)干簧管起到了开关的作用。
[知识梳理] 1．神奇的传感器 (1)干簧管是一种能够感知磁场的传感器。 (2)楼道灯白天不亮，晚上有声音时亮，是因为楼道的灯安装了“声控—光探” 开关。 (3)一些宾馆安装了自动门，当有人走近时，门会自动打开，是因为自动门安 装了红外线传感器。 (4)交通警察在检查司机是否酒后开车时，用的是“便携式酒精检测仪”，上 面安装了乙醇传感器。
(5)传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并 能够把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的如电压、电流等电学量，或 转换为电路的通断的装置。
(6)非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地 进行测量、传输、处理和控制。
2．传感器的种类 (1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传 感器、磁传感器、声传感器等。 (2)化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度 等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。 (3)生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传 感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。
1、2 认识传感器 常见 传感器的工作原理及应用
核心素养目标
1．知道什么是传感器，并了解传感器 的种类。
2．知道传感器的组成及应用模式，理 解将非电学量转化为电学量的物 理意义。
3．理解常见传感器敏感元件的特性及 应用。
知识点一 认识传感器 [情境导学] 干簧管的结构很简单，如图甲所示，它只是玻璃管内封入两个软磁性材料制
成的簧片，接入图乙电路，当磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？ (2)干簧管的作用是什么？
提示：(1)小灯泡会发光，因为两个簧片被磁化而接通。 (2)干簧管起到了开关的作用。
[知识梳理] 1．神奇的传感器 (1)干簧管是一种能够感知磁场的传感器。 (2)楼道灯白天不亮，晚上有声音时亮，是因为楼道的灯安装了“声控—光探” 开关。 (3)一些宾馆安装了自动门，当有人走近时，门会自动打开，是因为自动门安 装了红外线传感器。 (4)交通警察在检查司机是否酒后开车时，用的是“便携式酒精检测仪”，上 面安装了乙醇传感器。
(5)传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并 能够把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的如电压、电流等电学量，或 转换为电路的通断的装置。
(6)非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地 进行测量、传输、处理和控制。
2．传感器的种类 (1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传 感器、磁传感器、声传感器等。 (2)化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度 等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。 (3)生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传 感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。
第5章 电涡流传感器
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5. 4 电涡流传感器的应用
• 3.偏心测量 • 偏心是在低转速的情况下，电涡流传感器系统可对轴弯曲的程度进行
测量，这些弯曲可由下列情况引起: • 偏心的测量，对于评价旋转机械全面的机械状态，是非常重要的。特
别是对于装有透平监测仪表系统(TSI )的汽轮机，在启动或停机过程 电，偏心测量已成为不可少的测量项目。它使你能看到由于受热或重 力所引起的轴弯曲的幅度。转子的偏心位置，也叫轴的径向位置，它 经常用来指示轴承的磨损，以及加载荷的大小。如由不对电导致的偏 心，它同时也用来决定轴的方位角，方位角可以说明转子是否稳定。
• 定频调幅电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装 调较困难，线性范围也不够宽。因此，人们又研究了一种变频调幅电 路，这种电路的基本原理与上面介绍的调频电路相似。当导体接近传 感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都 发生变化，变频调幅电路利用振荡的变化来检测线圈与导体间的位移 变化，而对频率变化不予理会。
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5. 3 电涡流传感器的测量转换电路
• 二、调频法
• 当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压Uo相 应变小。这样，在一定范围内，输出电压幅值与位移成近似线性关系。 由于输出电压的频率.fo始终恒定，因此称为定频调幅式。
• 调频式测量转换电路的原理框图如图5 - 4 ( a}所示，鉴频器特性如图 5 - 4 ( b)所示。
• 电涡流传感器由电涡流线圈和被测金属组成，如图5一1所示，对电涡 流线圈施加一个高频电压信号，高频振荡电流it在探头头部的线圈电 产生交变的磁场H1。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产 生感应电涡流电流i2，电涡流i2也将产生一个与原磁场方向相反的新 的交变磁场H2。这两个磁场相互作用将使通电线圈L1的等效阻抗Z发 生变化。电涡流传感器就是利用电涡流效应将被测量转换为传感器线 圈阻抗Z变化的一种装置。
5. 4 电涡流传感器的应用
• 3.偏心测量 • 偏心是在低转速的情况下，电涡流传感器系统可对轴弯曲的程度进行
测量，这些弯曲可由下列情况引起: • 偏心的测量，对于评价旋转机械全面的机械状态，是非常重要的。特
别是对于装有透平监测仪表系统(TSI )的汽轮机，在启动或停机过程 电，偏心测量已成为不可少的测量项目。它使你能看到由于受热或重 力所引起的轴弯曲的幅度。转子的偏心位置，也叫轴的径向位置，它 经常用来指示轴承的磨损，以及加载荷的大小。如由不对电导致的偏 心，它同时也用来决定轴的方位角，方位角可以说明转子是否稳定。
• 定频调幅电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装 调较困难，线性范围也不够宽。因此，人们又研究了一种变频调幅电 路，这种电路的基本原理与上面介绍的调频电路相似。当导体接近传 感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都 发生变化，变频调幅电路利用振荡的变化来检测线圈与导体间的位移 变化，而对频率变化不予理会。
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5. 3 电涡流传感器的测量转换电路
• 二、调频法
• 当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压Uo相 应变小。这样，在一定范围内，输出电压幅值与位移成近似线性关系。 由于输出电压的频率.fo始终恒定，因此称为定频调幅式。
• 调频式测量转换电路的原理框图如图5 - 4 ( a}所示，鉴频器特性如图 5 - 4 ( b)所示。
• 电涡流传感器由电涡流线圈和被测金属组成，如图5一1所示，对电涡 流线圈施加一个高频电压信号，高频振荡电流it在探头头部的线圈电 产生交变的磁场H1。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产 生感应电涡流电流i2，电涡流i2也将产生一个与原磁场方向相反的新 的交变磁场H2。这两个磁场相互作用将使通电线圈L1的等效阻抗Z发 生变化。电涡流传感器就是利用电涡流效应将被测量转换为传感器线 圈阻抗Z变化的一种装置。
传感器原理与应用习题_第5章磁电式传感器
5-6 解：已知D1=18mm221+p2/，解：已知ξ=0.6，振幅误差小于2%。
若振动体作简谐振动，即当输入信号x 0为正弦波时，可得到频率传递函数为正弦波时，可得到频率传递函数÷÷øöççèæ+÷÷øöççèæ-÷÷øöççèæ=02020021)(w w x w w w w w j j x x t 得 振幅比2022020021úûùêëé÷÷øöççèæ+úúûùêêëé÷÷øöççèæ-÷÷øöççèæ=w w x w w w w j x x t0x x t =1.02时，0w w =3.51；0x x t =0.98时，0w w=1.45因要求0w w>>1，一般取0w w ≥3，所以取0w w ≥3.515-11 已知磁电式振动速度已知磁电式振动速度传感器传感器的固有频率n f =15Hz ，阻尼系数ξ=0.7。
若输入频率为f=45Hz 的简谐振动，求传感器输出的振幅误差为多少？谐振动，求传感器输出的振幅误差为多少？5-12 何谓何谓霍尔效应霍尔效应？利用霍尔效应可进行哪些参数测量？ 答：当答：当电流电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。
第5章 电感式传感器原理及其应用
自感式传感器结构图
5.2.2自感式传感器的工作原理 自感式传感器的工作原理 自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化 的变化， 自感式传感器是把被测量变化转换成自感 的变化， 通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁） 传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相 当动铁芯移动时， 连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度 δ 发生改变，引起磁路磁阻变化， 发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发 生改变，只要测量电感量的变化， 生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯 的位移量的大小和方向。 的位移量的大小和方向。
1.差动式自感传感器的结构 差动式自感传感器的结构
(a)变气隙式； 变气隙式； 变气隙式
（b）变面积式； ）变面积式； 差动式自感传感器
（c）螺管式 ）
三种形式的差动式自感传感器以变气隙厚度式电 感传感器的应用最广。 感传感器的应用最广。
变气隙式差动式自感传感器结构剖面图
2.差动式自感传感器的特点 差动式自感传感器的特点 自感系数特性曲线如图所示。 自感系数特性曲线如图所示。
（4）调相电路 ） 调相电路的基本原理是， 调相电路的基本原理是，传感器电感的变化将引起 的变化。 输出电压相位 ϕ 的变化。
第5章 电感式传感器原理及其应用 章
5.1概述 概述 5.2 自感式传感器 5.3差动变压器式传感器 差动变压器式传感器 5.4电涡流式传感器 电涡流式传感器
5.1概述 概述
1.电感式传感器的定义 电感式传感器的定义 利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈 的变化， 自感系数 L 或互感系数 M 的变化，再由测 量电路转换为电压或电流的变化量输出， 量电路转换为电压或电流的变化量输出，这 种装置称为电感式传感器。 种装置称为电感式传感器。
第5章-电阻应变式传感器
第5章电阻应变式传感器学习要点：1.掌握传感器的工作原理及性能2.了解传感器的结构、种类3.掌握测量电路及其补偿方法4.掌握应变片的布置及接桥方式5.了解传感器的应用电阻应变式传感器的基本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电阻值，再通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。
一、工作原理及结构参数1. 电阻应变片的工作原理电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片。
金属电阻应变片的工作原理是基于导体材料的“电阻应变效应”，半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的“压阻效应”。
当电阻丝受到拉伸或压缩时，其几何尺寸和电阻值同时发生变化，电阻的相对变化为ρρ+εμ+=d)21(RdRx对于金属材料来说，电阻应变效应是主要的。
由于压阻系数很小，电阻率的变化可以忽略不计，所以有 x)21(RdRεμ+=其灵敏度 0/12xdRRSμε==+对于半导体材料来说，其压阻效应远大于其应变效应，所以有xLEdRdRεπρρ==其灵敏度 ERdRSLxπε==0和金属电阻应变片相比，半导体应变片具有灵敏度系数大，横向效应小，机械滞后小，尺寸小等优点，但是，半导体应变片多数用薄硅片制成，容易断裂，其测试时的可测应变范围通常限制在3000με左右，而金属电阻应变片的可测应变值达40000με。
另外，半导体应变片的温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重，所以其应用仍然受到一定的限制。
当同样长度的线材制成金属电阻应变片时，试件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，同时敏感栅半圆弧部分产生的横向应变也将使其电阻发生变化。
应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。
横向效应的存在使得在测量纵向应变时，圆弧部分产生了一个负的电阻变化，从而降低了应变片的灵敏度系数。
减小横向效应的措施主要有：1）按标称灵敏度系数的测定条件使用；2）减小横向效应系数C，采用短接措施或采用箔式应变片；3）针对实际情况，重新标定在实际使用的应变场下，应变片的应变灵敏度系数。
第5章 磁电式传感器 3
26
3、磁电式测扭矩传感器 ■扭矩
扭矩是使物体发生转动的力 扭矩是指旋转装置旋转时，所需要的力矩，单位是牛顿· 米。 （旋转装置旋转时，正常工作范围内可以加载的最小力矩）
发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩 扭矩是汽车发动机的主要技术指标之一，它反映在汽车性能上， 包括加速度、爬坡以及悬挂能力等。 它的定义是：活塞在汽缸里的往复运动，往复一次做用一定的功， 它的单位是牛顿；在每个单位距离所做的功就是扭矩。 扭矩是衡量一个汽车发动机好坏的重要标准，一辆车扭矩的大小与 发动机的功率成正比。 在排量相同的情况下，扭矩越大说明发动机越好。
当传感器线圈相对运动的速度 和方向改变时，由 i 产生的附 加磁场的作用也随之改变 ， 从而使传感器的输出有谐波失 真。线圈中的电流越大，这种 非线性就越严重。
v Φ N
i
Φi
e
S
采用补偿线圈，可使其产生的 传感器线圈电流 i 的磁场效应 交变磁通与线圈本身产生的交 变磁通相互抵消。 气隙磁场不均匀也是造成传感器非线性误差的原因之一。
磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速） 转换成电信号的一种传感器。
磁电式传感器不需要辅助电源，就可把被测对象的机械能转换成 有用的电信号，是一种无源传感器。也称为电动式传感器。 本章介绍磁电式传感器有：
●磁电感应式传感器
●霍尔式传感器
3
第一节 磁电感应式传感器
一、工作原理及结构
二、磁电感应式传感器的误差分析 三、磁电感应式传感器的应用
ld
N
永久磁铁
v
弹簧
支架 线圈 软铁 磁路
式中： B 工作气隙磁感应强度 l 每匝线圈的平均长度 v 线圈相对于磁场的运动速度 W 线圈处于工作气隙磁场中的线圈匝数，工作匝数
3、磁电式测扭矩传感器 ■扭矩
扭矩是使物体发生转动的力 扭矩是指旋转装置旋转时，所需要的力矩，单位是牛顿· 米。 （旋转装置旋转时，正常工作范围内可以加载的最小力矩）
发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩 扭矩是汽车发动机的主要技术指标之一，它反映在汽车性能上， 包括加速度、爬坡以及悬挂能力等。 它的定义是：活塞在汽缸里的往复运动，往复一次做用一定的功， 它的单位是牛顿；在每个单位距离所做的功就是扭矩。 扭矩是衡量一个汽车发动机好坏的重要标准，一辆车扭矩的大小与 发动机的功率成正比。 在排量相同的情况下，扭矩越大说明发动机越好。
当传感器线圈相对运动的速度 和方向改变时，由 i 产生的附 加磁场的作用也随之改变 ， 从而使传感器的输出有谐波失 真。线圈中的电流越大，这种 非线性就越严重。
v Φ N
i
Φi
e
S
采用补偿线圈，可使其产生的 传感器线圈电流 i 的磁场效应 交变磁通与线圈本身产生的交 变磁通相互抵消。 气隙磁场不均匀也是造成传感器非线性误差的原因之一。
磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速） 转换成电信号的一种传感器。
磁电式传感器不需要辅助电源，就可把被测对象的机械能转换成 有用的电信号，是一种无源传感器。也称为电动式传感器。 本章介绍磁电式传感器有：
●磁电感应式传感器
●霍尔式传感器
3
第一节 磁电感应式传感器
一、工作原理及结构
二、磁电感应式传感器的误差分析 三、磁电感应式传感器的应用
ld
N
永久磁铁
v
弹簧
支架 线圈 软铁 磁路
式中： B 工作气隙磁感应强度 l 每匝线圈的平均长度 v 线圈相对于磁场的运动速度 W 线圈处于工作气隙磁场中的线圈匝数，工作匝数
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《传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
第五章 电容式传感器
被测非电量
电容器 特性
电容值
测量 电路
U、I、f
电容式传感器的定义 以电容器为敏感元件，将被测非电量的变化转换为电容量变 化的传感器。
电容式传感器的感测量 位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。 电容式传感器的种类 根据结构形式：变极距型、变面积型和变介质型。
3、测量液位圆筒式电容传感器
设被测介质的介电常数为ε1 ，液面高 度为h, 变换器总高度为H，内筒外径为d， 外筒内径为D，变换器电容值为
C 2 1h 2 1 ( H h) D D 1n 1n d d 2 H 2h( 1 ) 2h( 1 ) C0 D D D 1n 1n 1n d d d
三、变面积型电容传感器
2、同轴圆筒线位移式
2 L C0 D ln d 当覆盖长度变化时，电容量也随 之变化。当内筒上移为a 时，内外筒 间的电容相对变化量为
初始电容C0为
d
a L
C C0 C a C0 C0 L
传感器的电容量与内筒线位移呈 线性关系。
EXIT
D
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《传感器原理及应用》
§5.1 电容式传感器工作原理和结构
三、变面积型电容传感器
3、角位移式
初始电容C0为
C0
A0
d0
当动极板有一个角位移θ时，与 定极板间的有效覆盖面积就发生改变， 从而改变了两极板间的电容量。电容 相对变化量为
C C0 C C0 C0
传感器的电容量与角位移呈线性 关系。
一般变极板间距离电容式传 感器的起始电容在20~100pF之间， 极板间距离在25~200μm的范围内。
最大位移应小于间距的1/10。 C / C0 1 K 变极距电容式传感器在微位 d d0 单位输入位移所引起的输出 移测量中应用最广。 电容相对变化的大小与d0 呈反比 关系。
EXIT
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《传感器原理及应用》
§5.1 电容式传感器工作原理和结构
二、变极距型电容传感器
4、差动式结构
差动式传感器的相对非线性误差 近似为
d 2 | ( d / d 0 ) | 100 % d 2 | d / d 0 | 0
3
定极板 C1 d1 动极板
若电容器极板间距离由初始 值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC， 则有 0 r S C C0 C d 0 d
d C 0 1 d0 C0 2 d d 1 1 d0 d 0
d C C0 C0 d0
EXIT
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§5.3 电容式传感器测量电路
一、调频式测量电路
调频振荡器的振荡频 率为
f0
2
1 (C1 C2 C0 ) L
f
1
2
LC
当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡 器频率变化为
振荡回路的总电容， C=C1+C2+Cx，C1为振荡回 路固有电容, C2为传感器引 线分布电容, Cx=C0±ΔC为 传感器的电容。 当被测信号为0时， ΔC=0，则振荡器有一个固 有频率为
当|Δd/d0|<<1时，级数展开有
2 3 d C d d d 1 d d C0 d0 d0 0 0 输出电容的相对变化量与输 (d / d 0 ) 2 d 100 % 100 % 入位移之间成非线性关系。 | d / d 0 | d0 传感器的相对非线性误差：
1 C1 C0 1 d / d 0 C 2 C0
EXIT
C1 d1
C2 d2
定极板
1 1 d / d 0
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《传感器原理及应用》
§5.1 电容式传感器工作原理和结构
二、变极距型电容传感器
4、差动式结构
电容值总的变化量为
C C1 C2 d d 3 d 5 2C0 d d d0 0 0
dx
0
C1 C2 C3 C
传感器的电容量与被测量物体的厚度 和介电常数有关。 当介电常数一定时，通过传感器电容 量的变化测量物体的厚度。
EXIT
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§5.1 电容式传感器工作原理和结构
四、变介质型电容传感器
2、单组平板位移式电容传感器
设极板宽度为b，板间无介质ε2 时，传感器的电容量 bl C0 1 d1 d 2 插入介质ε2 后的电容量
1、平行平板线位移式
被测量通过动极板移动引起两极 板有效覆盖面积改变，产生电容量的 变化。当动极板相对于定极板平移Δx 时，则电容相对变化量为
C C0 C x C0 C0 a
传感器的电容量与水平位移呈线 性关系。
EXIT
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§5.1 电容式传感器工作原理和结构
ε2 d2 x l CA d1 CB
ε1
C C A C B bx
1 d1
1
1 bl x d2 d1 d2
2
1
CA
CB
C
传感器的电容量与位移呈线性关系。
EXIT
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§5.1 电容式传感器工作原理和结构
四、变介质型电容传感器
EXIT
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§5.1 电容式传感器工作原理和结构
四、变介质型电容传感器
1、单组平板厚度式电容传感器
设固定极板长度为a、宽度为b、两极 板间的距离为d；被测物的厚度和介电常 数分别为dx和ε, 则
ab C C1 C2 C3 d dx dx
EXIT
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第五章 电容式传感器
§ 电容式传感器工作原理和结构 5.1
§ 电容式传感器等效电路 5.2
§ 电容式传感器测量电路 5.3 § 电容式传感器应用 5.4
EXIT
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§5.3 电容式传感器测量电路
二、运算放大器测量电路
运算放大器的放大倍数大， 输入阻抗高, 可作为电容式传感 器的理想测量电路。 设Cx 为电容式传感器电容； Ui是交流电源电压; Uo是输出信 号电压; Σ是虚地点。运算放大 器输入电流可认为零，根据克 希荷夫定律有 I cb ;U I cx Ui 0 j C j C x I I I I
一、基本工作原理
两个平行金属板组成的平板电容器， 不考虑边缘效应时电容量为
极板1
C
A
d
0 r A
d
极板2
d
ε电容极板间介质的介电常数，ε0为真 空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数； 仅改变一个参数， A两平行板所覆盖的面积；d两平行板之间 该参数的变化可转换为 的距离。 电容量的变化，通过测 被测参数变化A、d或ε发生变化时， 量电路就可转换为电量 电容量C也随之变化。 输出。
EXIT
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§5.1 电容式传感器工作原理和结构
二、变极距型电容传感器
要提高灵敏度，应减小起始 当|Δd/d0|<<1时有近似线性关 间隙d0 ，但非线性误差却随着d0 的减小而增大。 系 C d
C0 d0
2、非线性特性
3、灵敏度
电容传感器的灵敏度为
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§5.1 电容式传感器工作原理和结构
二、变极距型电容传感器
4、差动式结构
在实际应用中，为了提高灵敏度， 定极板 减小非线性误差，大都采用差动式结 构。
在差动式平板电容器中，当动极 动极板 板位移Δd时，电容器C1的间隙d1变为 d0-Δd，电容器C2 的间隙d2 变为d0+Δd， 则
100 %
2
差动式传感器的灵敏度为
C2 d2 定极板
K
C / C0 2 d d0
差动式结构的电容传感器非线性 误差大大降低，灵敏度增加了一倍。
EXIT
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§5.1 电容式传感器工作原理和结构
三、变面积型电容传感器
两种常用变面积型电容传感器： 线位移式和角位移。
EXIT
f
1 f 0 f 2 (C1 C2 C0 C ) L
调频测量电路具有较高的灵敏度， 可测量高至0.01μm级位移变化量。 信号输出频率易于用数字仪器测量， 并与计算机通讯，抗干扰能力强， 可实 现遥测遥控。
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§5.3 电容式传感器测量电路
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§ 电容式传感器工作原理和结构 5.1
§ 电容式传感器等效电路 5.2
§ 电容式传感器测量电路 5.3 § 电容式传感器应用 5.4
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传感器原理及应用