电感式,电容式,压电式,磁电式传感器-传感器测量原理

a)比较浅的裂缝信号
b)经过幅值甄别后的信号
图3-28 用涡流探伤时的测量信号
3.3 电涡流式传感器
a)比较浅的裂缝信号
b)经过幅值甄别后的信号
图3-28 用涡流探伤时的测量信号
3.4 电感式传感器 产品：
3.4 电感式传感器 案例：连续油管的椭圆度测量
Eddy Sensor
Reference Circle
3.3 电涡流式传感器
3.3.5 电涡流式传感器的应用
3.3 电涡流式传感器
1．测位移 电涡流式传感器的主要用途之一是可用 来测量金属件的静态或动态位移，最大量 程达数百毫米，分辨率为0.1%。 目前电涡流位移传感器分辨力最高已到 0.05μm(量程0～15μm)。 凡是可转换为位移量的参数，都可用电 涡流式传感器测量，如机器转轴的轴向窜 动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、 纱线张力、流体压力等。
3.2.1 工作原理 3.2 互感式传感器 螺线管式差动变压器结构如下图所示。 它由一个初级线圈，两个次级线圈和插 入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。
工作原理:互感现象.
Eo
E
w
out
１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为W 1的初级绕组；
５-匝数为 W 2 a 的次级绕组；６-匝数为 的次级绕组 W 2b 图3-11 螺线管式差动变压器结构图
Coiled Tube
3.4 电感式传感器 案例：无损探伤
火车轮检测
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
油管检测
3.6压电式传感器
1.变换原理:压电效应
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。
3.1 变磁阻式传感器
L1 L2 2 Rm 1S1 2 S2 0 S0
式中：
1 ——铁芯材料的导磁率(H/m)；
2 ——衔铁材料的导磁率(H/m)；
L1 L2 S1 S2
0
S0
δ
——磁通通过铁芯的长度(m)； ——磁通通过衔铁的长度(m)； m ——铁芯的截面积( )； m ——衔铁的截面积( )； 10 ； ——空气的导磁率(4π× H/m) ——气隙的截面积( )； m ——气隙的厚度(m)。
k ( s 0 )h C D ln d
式中： k ——比例常数； s ——被测物料的相对介电常数； 0 ——空气的相对介电常数； D——储罐的内径； d ——测定电极的直径； h ——被测物料的高度。
4.5 电容式传感器的应用
假定罐内没有物料时的传感器静电电容 为C0 ，放入物料后传感器静电电容为C1， 则两者电容差为
2 1
传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗 Z 的函数关 系式为： Z F , , r, f , x 式中： —被测体的电阻率； —相对磁导率； r —线圈与被测体的尺寸因子； f —线圈激磁电流的频率； x —线圈与导体间的距离。 保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数， 传感器线圈阻抗 就仅仅是这个参数的单值函数。 Z 通过与传感器配用的测量电路测出阻抗 的变化量， Z 即可实现对该参数的测量。
E 2a


减小。因为
U 2 ，所以当 E2a E2b

、 随着衔铁位移 E 2b E 2a
x变化时， 也必将随xU 变化。下图给出了变压器 2
U2 输出电压 与活动衔铁位移 x的关系曲线。
实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器 输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零 位移时的输出电压称为零点残余电压，记作 它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成 U o 实际特性与理论特性不完全一致。
图3-19 电涡流传感器原理图
3.3 电涡流式传感器 根据法拉第定律，当传感器线圈通以正
1
2 2
弦交变电流 I 时，线圈周围空间必然产生 H1 正弦交变磁场 ，使置于此磁场中的金属 导体中感应电涡流 ， 又产生新的交变磁 I I 场 。根据愣次定律 的作用将反抗原磁 H2 H 场 ，导致传感器线圈的等效阻抗发生变 H 化，此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。 由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于 被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效 应既与被测体的电阻率 、相对磁导率 以 及几何形状有关，又与线圈几何参数、线 圈中激磁电流频率 有关，还与线圈与导 f 体间的距离 有关。 x

3.1 变磁阻式传感器
3.1.1 工作原理
3.1 变磁阻式传感器
图3-1 变磁阻式传感器 结构图
1-线圈；2-铁芯（定铁芯）；3-衔 铁（动铁芯）
铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫 3.1 变磁阻式传感器 合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气 隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相 连。 当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引 起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的 电感值变化，只要能测出这种电感量的变 化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 电路的磁阻指由于电流引起的链合磁通 量。根据电感定义，线圈中电感量可由下 式确定： N
3.3 电涡流式传感器 下图为用电涡流式传感器构成的液位监 控系统。 通过浮子3与杠杆带动涡流板1上下位移， 由电涡流式传感器2发出信号控制电动泵 的开启而使液位保持一定。
图3-27 液位监控系统
电涡流传感器测位移，由于测量范围宽、 反应速度快、可实现非接触测量，常用于 在线检测。
3.3 电涡流式传感器 2．涡流探伤
由上式可见，两种介质常数差别越大， 极径D与d相差愈小，传感器灵敏度就愈 高。
C C1 C0
电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理将被 测非电量如位移、压力、流量、重量、振 动等转换成线圈自感量L或互感量M的变 化，再由测量电路转换为电压或电流的变 化量输出的装置。 优点:结构简单，工作可靠寿命长，测量精 度高，零点稳定，输出功率较大等。 缺点:灵敏度、线性度和测量范围相互制约， 传感器自身频率响应低，不适用于快速动 态测量。
振荡电路
被测电容
3.3 电容式传感器
4.5.3 电容式料位传感器 下图是电容式料位传感器结构示意图。测 定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测 定电极之间就形成了一个电容器。
图4-20 电容式料位传感器结构示意图
4.5 电容式传感器的应用 ◆检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内
的高度。 传感器的静电电容可由下式表示：
3.2 互感式传感器
3-14 差动变压器输出电压特性曲线
3.4 电感式传感器 差动变压器位移传感器
3.4 电感式传感器 案例：板的厚度测量
~
3.4 电感式传感器 案例：张力测量
3.3 电涡流式传感器 3.3.1电涡流式传感器
涡流式 下图为电涡流式传感器的原理图， 该图由传感器线圈和被测导体组成线 原理:涡流效应 圈—导体系统。
3.3 电容式传感器 b)面积变化型
C
0A
角位移型
+
+
+
3.3 电容式传感器 平面线位移型
C
0A
3.3 电容式传感器 柱面线位移型.
C
0A
3.3 电容式传感器 c) 介质变化型
C
0A
3.3 电容式传感器 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.接近开关的检测物体， 并不限于金属导体，也可以是绝 缘的液体或粉状物体。
L I I
3.1 变磁阻式传感器 上式中：
Ψ——线圈总磁链； I ——通过线圈的电流； N——线圈的匝数； Φ——穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律，得磁通表达式：
Rm ——磁路总磁阻。
IN Rm
对于变隙式传感器，因为气隙很小，所 以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:
3.2 互感式传感器 螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的 方式不同，可分为一节、二节、三节、四 节和五节式等类型，如图所示。 一节式 灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通 常采用的是二节式和三节式两类。
（a）一节式；（b）二节式 （c）三节式；（d）四节式；（e）五节式 线圈排列方式图
当初级绕组W 1 加以激励电压 时，根据变 U 压器的工作原理，在两个次级绕组 和 W E 中便会产生感应电势 和 。 W E 如果工艺上保证变压器结构完全对称， 则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然 会使两互感系数 M 1 。根据电磁感应原理， M2 将有 E E 变压器两次级绕组反向串联，因而
3.2 互感式传感器 互感式传感器是把被测的非电量变化转
换为线圈互感量变化的传感器。它根据变 压器的基本原理制成，并且次级绕组都用 差动形式连接，故又称为差动变压器式传 感器。 差动变压器结构形式较多，有变隙式、 变面积式和螺线管式等，但其工作原理基 本一样。 非电量测量中，应用最多的是螺线管式 差动变压器，它可以测量1～100mm范围 内的机械位移，并具有测量精度高，灵敏 度高，结构简单，性能可靠等优点。
2
2
7
2
通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即：
L 2 1 0S0 1S1 L2 2 0S0 2S2
3.1 变磁阻式传感器
则可近似认为：
2 Rm 0S0
联立前几式，可得
N 2 N 2 0S0 L Rm 2
上式表明，当线圈匝数为常数时， 电感L仅仅是磁路中磁阻 R 的函数， S0 只要改变δ或 均可导致电感变化。 因此变磁阻式传感器又可分为变气 S 隙厚度δ的传感器和变气隙面积 的 传感器。 使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感 传感器。
m
3.1 变磁阻式传感器
0
3.1.5 变磁阻式传感器的应用
3.1 变磁阻式传感器
图3-9变隙电感式传感器结构图
3.1 变磁阻式传感器
变隙电感式传感器由膜盒、铁芯、衔铁 及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一 起。 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P 的作用下产生与压力P大小成正比的位移， 于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变 化，流过线圈的电流也发生相应的变化， 电流表指示值就反映了被测压力的大小。
F
+ +
并联
+
q=DF
串联
概述
压电式传感器的工作原理 当某些材料受力作用而变形时，其表面 会有电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工 作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量 范围广等特点，因此在各种动态力、 机 械冲击与振动的测量等方面都得到了非 常广泛的应用。
1

3.2 互感式传感器
2a

2a
2b
2b


2a
2b
U 2 E 2 a E 2b 0



即差动变压器输出电压为零。
活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响， W 2 a 中
磁通将大于

，使 W 2b

，因而 M 1 M 2 增加，而 E 2 a
E 2b


E 2b 减小。反之， 增加，
涡流探伤可以用来检查金属的表面裂纹、 热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。 x,) , 综合参数( 的变化将引起传感器参数 的变化，通过测量传感器参数的变化即可 达到探伤的目的。 在探伤时导体与线圈之间是有着相对运 动速度的，在测量线圈上就会产生调制频 率信号。在探伤时，重要的是缺陷信号和 干扰信号比。为了获得需要的频率而采用 滤波器，使某一频率的信号通过，而将干 扰频率信号衰减。
电容式传感器
变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化
+ + +
A
两平行极板组成的电 容器,它的电容量为:
C

0A
δ、A或ε发生变 化时，都会引起 电容的变化。
3.3 电容式传感器 a)极距δ变化型
+ +
ห้องสมุดไป่ตู้
+
+ +
C
0A
+
3.3 电容式传感器
驻极体电容传声器
它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材 料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取 代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。 特点是体积小、性能优越、使用方便。
概述
电感式传感器种类很多，有利用自 感原理的自感式传感器，利用互感原 理做成的差动变压器式传感器，还有 利于涡流原理的涡流式传感器、利用 压磁原理的压磁式传感器等 本章主要介绍自感式、互感式和电 涡流式三种传感器。
1 自感型--可变磁阻式
原理:电磁感应
L
N 2 0 A0 2
差动型 可变导磁面积型