五章节传感器与检测系统

3600/m
n36流测速发电机
用于自动控制中测量转速或速度负反馈校正元件。分为永 磁式和电磁式，常用的是永磁式。
测速发电机的输出电压：
测速发电机的输出特性：
二、码盘式转速转感器
n 60 N Zt
5.4加速度传感器
一、电阻应变式
电阻应变式加速度计原理结构如图所示。它由重块、悬臂梁、应 变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲， 按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情 况下即可算出被测加速度。
二、电容式位移传感器
电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变 化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信 号输出。
C 0 s
式中： ε0——真空的介电常数； s ——极板的遮盖面积； ε——极板间相对介电系数； δ——两平行极板间的距离。
1、极距变化型电容式传感器
如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板 在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为：
dC 02s d
传感器的灵敏度为：
KddC 02sC
2、面积变化型电容式传感器
动板与定板之间相互覆盖的面积引起电容量变化。当覆盖面积 对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为：
C 0ar2 2
电容量为：
S ar2 2
其灵敏度为：
KdC0r2 常数 da 2
3、介质变化型电容式传感器的变换原理
二、压电式
将传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产 生惯性力，使压电元件产生变形，压电元件产生的变形和由此产 生的电荷与加速度成正比。
5.5、力、压力和扭矩传感器
一、工作原理
首先由弹性元件将力、力矩、压力等被测量转换成位移 或应变，然后再通过转换元件将相应的位移或应变转换 成电信号输出。
2）频域指标 可以用幅频特性和相频特性描述
两种典型的输入响应：
二阶系统的脉冲输入和响应 二阶系统的阶跃输入和响应
5.2 位移传感器
一、电感式位移传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测物理量转 换为电感量的变化。 1、自感型电感式传感器
可变磁阻式电感传感器、电涡流式传感器 2、互感型电感传感器
2、互感型电感传感器
差动变压器式电感传感器：传感器由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。 当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。 传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。ev的大小随活动衔铁的 位置而变。当活动衔铁位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移 时，即e1>e2，ey>0;当活动衔铁向下移时，e1<e2，ey<0。活动衔铁 的位置往复变化，其输出电压也随之变化。
当给滑尺的正余弦绕组同时加励磁电压，则在定尺上感应的总电动势为：
e e A e B K A c U o K s B sU in
五、光电编码器
这种码盘有两个通道与B（即两组透光和不透光部分），其相 位差90°，相对于一定的转角得到一定的脉冲，将脉冲信号送 入计数器。则计数器的计数值就反映了码盘转过的角度。
2）电涡流式电感传感器
高频反射式涡流传感器：高频(>1MHz)激励电流，产生的高频磁场作 用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。
若只改变距离δ而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈 自感的变化。
低频透射式涡流传感器：发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属 板材料G的上、下方。当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后， 所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈ω2产生感应电动势e2， 且e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少。
三、光栅数字传感器
1、工作原理
光栅是在透明的玻璃上，均匀 地刻出许多明暗相间的条纹， 或在金属镜面上均匀地刻化出 许多间隔相等的条纹，通常线 条和间隙和宽度是相等的。
测量装置中由标尺光栅和指示 光栅组成，两者的光刻密度相 同，但体长相差很多。
把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线 相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条 较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹 几乎成垂直的方向排列。
这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位 (图c)，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(图d)等。
4、电容式传感器的测量电路
1）电桥电路
电容传感器为电桥的一部分。由电容变化转换为电桥的电压输 出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。
Babsinb(c/2) W
2、测量系统
光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可用光电元件接受，如图中 的是四块光电池，光电池产生的信号，相位彼此差90º，对这些 信号进行适当的处理后，即可变成光栅位移量的测量脉冲。
四、感应同步器
感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有
直线式和圆盘式两类。
1、自感型电感式传感器
1）可变磁阻式电感传感器
自感L可表示为：
灵敏度：
可变磁阻式传感器的典型结构：可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈 型、双螺管线圈差动型。
如果将δ固定，变化 空气隙导磁截面积 S0时，自感L与S0 呈线性关系
双螺管线圈差动型，较之单 螺管线圈型有较高灵敏度及 线性，被用于电感测微计上， 其测量范围为0～300μm， 最小分辨力为0.5μm。
2）谐振电路
电容传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐振回路通过 电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生 变化时，谐振回路的阻抗将发生相应的变化，而这个变化被转换为 电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。
3）运算放大器电路
前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化 量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的 限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压约与位移的关 系转换为线性关系。如图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电 容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。 由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为