机械工程测试 第二章(中)

低频透射涡流式传感器
低频透射式涡流传感器的工作原 理如图所示，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。由于低频磁场集肤效应小，渗 透深，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。但由于涡流消耗部分磁 场能量，使感应电动势e2减少，当金 属板材料G越厚时，损耗的能量越大， 输出电动势e2越小。因此，e2的大小 与G的厚度及材料的性质有关，试验 表明，e2随材料厚度h的增加按负指数 规律减少,如图所示，因此，若金属板 材料的性质一定，则利用e2的变化即 可测量其厚度。 低频透射式涡流传感器可用于金 属板材厚度。
霍尔效应演示
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的 作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端 面之间建立起霍尔电势。
在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：
FL e B
霍尔电场作用于电子的力 霍尔电场
FH eEH
EH
UH b
当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡：
器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输 出，该电压随被测量的变化而变化。
差动变压器式电感传感器
1、互感现象
差动变压器式电感传感 器基于互感现象。
当变压器初级线圈N1输入稳定交流电压后，次级线圈N2便会 有感应电压输出，该电压随被测量引起两线圈的耦合程度的 变化而变化。
di e12 M dt
• 关系： u0=q/Ca 1）压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源 2）如果负载不是无穷大，电路将按指数规律放电， 造成测量误差 3）在静态测量或准静态测量时，必须有极高的负载 4）动态测量时，信号变化快，漏电相对较小，压电 式传感器适于动态测量
压电元件的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
差动变压器式电感传感器
活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度，输出e 的大小随活动 衔铁的位置而变。
2.5 电容式传感器
原理:电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量 变化的一种装置。实际上，它就是一个可变参量的电 容器。
+ + +
A
两平行极板组成的电容器,它的电容 量为:

A r 0 A C (F)
M——比例系数，也称互感（H），是两线圈N1和N2之间耦合程度的度量
差动变压器式电感传感器
主要由线圈、铁 芯和活动衔铁三 部分组成。 线圈包括一个初 级线圈和两个反 接的次级线圈。 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。
差动变压器式电感传感器工作原理
输出电压为两者之差
压电式传感器的实际等效电路
压电式传感器实际等效电路 电缆电容Cc、后续电路的输入阻抗Ri、 输入电容Ci 以及压电传感器的漏电阻Ra。
压电式传感器及应用
加速度计
压力变送器
力传感器
2.7 磁电式传感器
1.变换原理: 磁电式传感器，也称电磁感应式或电动式传感器。 它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机 -电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路 简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响 应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭 矩等测量。
其它：电容式接近开关 被测物体 感应电极
测量头构成电容器的一个极板， 另一个极板是物体本身，当物体 移向接近开关时，物体和接近开 关的介电常数发生变化，使得和 测量头相连的电路状态也随之发 生变化.
振荡电路
被测电容
2.6压电式传感器
压电式传感器正是基于压电效应，常用来测量压力、应力、加
速度等。
一.压电效应
a)极距δ变化型
+ +
+
+ +
C
0A
+
如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则当两极板在被 测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化为
由此可得到传感器的灵敏度为 S d C A C d 2 灵敏度S与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。
b)面积变化型
磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有 关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。
根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线 圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁 阻、磁通变化。
N
恒定磁通式
磁路系统恒定磁场，运 动部件可以是线圈也可 以是磁铁。 恒 定 磁 通 式
C
ΔA→ ΔC
0A
改变极板间覆盖面积的电容式传感器，
常用的有角位移型和线位移型两种。
面积变化型电容式传感器结构
面积变化型电容传感器的优点是输出与输入是线性关系，但与 极距变化型电容式传感器相比，灵敏度较低，适用于大量程的角 位移和直线位移的测量。
c) 介质变化型
C
0A
• 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。
压电式传感器及其等效电路
1.变换原理:压电效应 在压电晶片的两个工作面上镀上金属膜，构成两个 电极。 当晶片受外力作用时，在两个极板上积聚数量相等、 极性相反的电荷，电荷量为q
q=DF
D——压电常数，F——作用力
+
F
q=dcF
• 另一方面，在金属极板上积累电荷后，它又是一 个电容器 • 电容量：Ca=εε0S/δ
m
• 根据磁路欧姆定律，磁通 φm为

m

N i
R
m
• 所以线圈电感(自感)可用下式计算 :
L
N R
2
m
磁路总磁阻:
铁心
空气隙 磁阻 衔铁磁 阻
Rm Rm0 Rm1 Rm 2
导磁体（铁 心）磁阻
l1 l2 2 0 A0 1 A1 2 A2
lδ
衔铁 Δδ
铁心、衔铁磁阻相对空气隙磁阻很小， 可以忽略：
Nμ 0A0 L 2δ
• 传感器的灵敏度为
Δδ Nμ 0A 0 S (1 2 ) 2 2 δ δ 0 0
2
2
• 如将δ固定，变化空气隙导磁截面积A0时，自感L与A0呈线 性关系如下图所示。
μ N 0 A0 L 2δ
2
μ S N 0 2δ
2
可变磁阻式电感传感器的典型结构
可变导磁面积型，差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型
本次课内容
2.4 电感式传感器
2.5 电容式传感器
2.6 压电式传感器
2.7 磁电式传感器
重点：电感、电容、压电、磁电式传感器的工作原理及用途
难点：工作原理，涡流效应、压电效应、逆压电效应、霍尔 效应等
2.4 电感式传感器
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。
分类:
• 涡流式传感器的应用
涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、 距离、厚度等参数的测量。 凡是可以变换成位移量的参数，都可以用电涡流 传感器来测量，如液位、张力、流体压力等
2
互感型--差动变压
工作原理:互感现象 互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变
化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压
其中（d）为双螺管线 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0300μ m，最 小分辨力为0.5μ m。
电感式传感器的测量电路
电感式传感器中电感的变化需要转变成电压或电流的 变化，才能送入下一级电路进行放大和处理。原则上可 将电感变化转换成电压（或电流）的幅值、频率、相位 的变化，分别称为调幅、调频、调相电路，其中调幅电 路用得较多。最主要的调幅电路是交流电桥。
某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸 会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去 掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。
逆压电效应
相反，如果将这些物质 (物体)置于电场中，其 几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致 物质 (物体)产生机械变形的现象，称为“逆压 电效应”或“电致伸缩效应”。利用逆压电效应
可制造微位移驱动器。
二，压电材料 大致可分三类： 1）压电单晶 石英：压电常数不高，机械强度较好，时间和 温度稳定度较好 2）压电陶瓷 鈦酸钡、鈦酸铅（PZT）：压电常数很高，是石英 的数百倍，制作方便，成本低。现在绝大多数应 用采用PZT 3）有机压电薄膜 聚偏二氟乙烯，压电特性不好，但可以大量生 产，面积大，不易破碎，可用于微压测量和机器 人触觉。
线速度型
动圈式 角速度型
动铁式
恒定磁通式
e NBlv e NBSω
式中l——每匝线圈的平均长度； B——线圈所在磁场的磁感应强度； S——每匝线圈的平均截，能直接测量线 速度或角速度。也就是说，磁电感应式传感器只适用于 动态测量。
变磁通式：变磁阻式或变气隙式，常用于旋转角度的测量。
开磁路
变 磁 通 式 闭磁路
霍尔传感器
(一)霍尔效应
1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为 太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体 材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传 感器是基于霍尔效应。 半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。
但这种传感器的尺寸和重量都较大。
根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动 切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈 中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的 磁通量Φ的变化率，即