位移與速度測量傳感器

關(guān)于位移與速度測量傳感器第一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日2電感式位移傳感器第4章位移與速度測量傳感器

4.1電容式位移傳感器4.3霍爾傳感器4.4電渦流式傳感器4.2光柵傳感器4.5微波傳感器4.6超聲波傳感器4.7位移檢測傳感器性能比較4.8第二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日3無論是科學(xué)研究還是生產(chǎn)實踐中，需要進(jìn)行位移測量的場合非常多。此外，還有許多被測物理量可以轉(zhuǎn)化為位移進(jìn)行測量，如壓力、位置等都可以通過某種轉(zhuǎn)換部件，先將它們轉(zhuǎn)換為直線位移，然后通過測量位移間接得到被測量。在不同的場合、不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對位移測量傳感器的要求差異也很大，比如測量范圍、測量精度、動態(tài)響應(yīng)等。因此，位移測量傳感器的種類也是相當(dāng)多，并且各自的特性也不相同。第三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日44.1電感式位移傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，將輸入量轉(zhuǎn)換成電感變化量的一種裝置。常配以不同的敏感元件用來測量位移、壓力、振動等物理參數(shù)。第四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日54.1電感式位移傳感器4.1.1電感位移傳感器原理與分類

圖4-1電感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理

第五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日6自感L與氣隙δ成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積A成正比。W——線圈匝數(shù)，μ0——空氣磁導(dǎo)率。氣隙型傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖第六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日74.1.1電感位移傳感器原理與分類差動變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)初態(tài)時：若結(jié)構(gòu)對稱，且動鐵居中，則δ1=δ2，U0=0。動鐵上移時：則δ1↓→L1↑→I1↓=I1-ΔIδ2↑→L2↓→I2↑=I2+ΔII=I2↑-I1↓=2ΔIU0=2ΔIZL同理，動鐵下移時：U0=-2ΔIZL

第七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日84.1.2電感位移傳感器輸出特性由圖可以看出L=f(δ)不是線性的，即變氣隙式傳感器δ和L之間不滿足線形變化關(guān)系。理論上，當(dāng)δ=0時，L為∞，如果考慮到導(dǎo)磁體的磁阻，即當(dāng)δ=0時，L不等于∞，而有一定的數(shù)值。變截面積式傳感器的面積S與L值則是線性關(guān)系，即L=f(S)的特性曲線為一條直線。第八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日94.1.2電感位移傳感器輸出特性變氣隙式、變面積式和螺線管式三種類型電感傳感器相比較，變氣隙式靈敏度最高，因而它對電路的放大倍數(shù)要求很低，缺點是非線性嚴(yán)重。為了限制非線性誤差，示值范圍只能很小，導(dǎo)致自由行程小，因此制造裝配比較困難。變面積式的優(yōu)點是具有較好的線性，自由行程較大。螺線管式主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造裝配容易、自由行程大，但是靈敏度最低。但靈敏度低可以通過放大電路加以解決，因此，目前螺管型電感傳感器用得越來越多。

第九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日104.1.3電感位移傳感器測量電路1.變壓器電橋

輸出特性公式為

在初始位置時Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，U0=0

動鐵芯上移時：δ1↓→L1↑→Z1↑=Z+ΔZδ2↑→L2↓→Z2↓=Z-ΔZ代入式（4-2），得圖4-4變壓器電橋

第十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日114.1.3電感位移傳感器測量電路2.相敏檢波電路相敏檢波電路是常用的判別電路。下面以帶二極管式環(huán)形相敏檢波的交流電橋為例介紹該電路的作用。圖4.5

相敏檢波電路(ａ)帶相敏檢波的交流電橋；(ｂ)實用電路第十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日124.1.3電感位移傳感器測量電路如圖3.11(a)所示，Z1、Z2為傳感器兩線圈的阻抗，Z3＝Z4構(gòu)成另兩個橋臂，U為供橋電壓，U為輸出。當(dāng)銜鐵處于中間位置時，Z1＝Z2＝Z，電橋平衡，U＝0。若銜鐵上移，Z1增大，Z2減小。如供橋電壓為正半周，即A點電位高于B點，二極管D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。在A—E—C—B支路中，C點電位由于Z1增大而降低；在A—F—D—B支路中，D點電位由于Z2減小而增高。因此D點電位高于C點，輸出信號為正第十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日134.1.3電感位移傳感器測量電路如供橋電壓為負(fù)半周，B點電位高于A點，二極管D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。在B—C—F—A支路中，C點電位由于Z2減小而比平衡時降低；在B—D—E—A支路中，D點電位則因Z1增大而比平衡時增高。因此D點電位仍高于C點，輸出信號仍為正。同理可以證明，銜鐵下移時輸出信號總為負(fù)。于是，輸出信號的正負(fù)代表了銜鐵位移的方向。實際采用的電路如圖3.11(b)所示。L1、L2為傳感器的兩個線圈，C1、C2為另兩個橋臂。電橋供橋電壓由變壓器B的次級提供。R1、R2、R3、R4為四個線繞電阻，用于減小溫度誤差。C3為濾波電容，Rw1為調(diào)零電位器，Rw2為調(diào)倍率電位器，輸出信號由電壓表V指示。第十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日144.2電渦流式傳感器第十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日15其中：ρ

金屬電導(dǎo)率，μ金屬磁導(dǎo)率，r線圈與被測物體的尺寸因子，f

激磁電流頻率，x

線圈與導(dǎo)體間的距離基于法拉第電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1

時，線圈周圍空間將產(chǎn)生正弦交變磁場H1，被測導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生呈渦旋狀的交變感應(yīng)電流I2，稱電渦流效應(yīng)。電渦流產(chǎn)生的交變磁場H2與H1方向相反，它使傳感器線圈等效阻抗發(fā)生變化。4.2電渦流式傳感器第十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日16應(yīng)用：x——位移、厚度、振幅；

ρ——表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等；

μ，ρ——無損探傷等。特點：非接觸連續(xù)測量，靈敏度高、頻響寬、分辨率高渦流分布在導(dǎo)體表面4.2電渦流式傳感器第十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日174.2電渦流式傳感器第十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日184.2電渦流式傳感器第十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日19低頻透射式電渦流式傳感器：音頻(<20kHz)激勵電流低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度。4.2電渦流式傳感器第十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日204.2電渦流式傳感器3.技術(shù)參數(shù)

型號測量范圍mm分辨率μm重復(fù)性μm線性度﹪頻響kHz溫漂靜態(tài)動態(tài)KD19251.270.761.30.762±1.50～100.054﹪/℃KD19503.811.32.52.54±10～100.036﹪/℃KD197552.52.52.54±10～2.50.018﹪/℃KD1925M0.90.761.30.762±1.50～100.054﹪/℃表4-1英國真尚有電渦流傳感器主要技術(shù)指標(biāo)第二十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日21測量電路——交流電橋、諧振電路4.2電渦流式傳感器第二十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日224.2電渦流式傳感器LC并聯(lián)阻抗→∞第二十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日234.2電渦流式傳感器LC回路是振蕩器的一部分第二十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日244.2電渦流式傳感器2.電橋測量電路

電橋?qū)⒎从尘€圈阻抗的變化，線圈阻抗的變化反映被測金屬導(dǎo)體的接近程度。當(dāng)靜態(tài)時，電橋平衡，輸出電壓u0=0。當(dāng)傳感器接近被測金屬導(dǎo)體時，傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，電橋失去平衡，即u0≠0，該信號經(jīng)經(jīng)過線性放大和檢波器檢波后輸出直流電壓，其幅值經(jīng)過標(biāo)定即可以實現(xiàn)對位移量的測量。圖4-11渦流傳感器電橋測量電路

第二十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日254.2電渦流式傳感器

電渦流式傳感器的特點：非接觸測量，不易受油液介質(zhì)影響；結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，靈敏度高，最高分辨率達(dá)0.05微米；頻率響應(yīng)范圍寬（0~10kHz），適合動態(tài)測量。第二十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日264.2.3電渦流傳感器應(yīng)用1.位移測量

圖4-12電渦流位移測量方法

第二十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日274.2.3電渦流傳感器應(yīng)用2.振動測量圖4-13電渦流振動測量方法

第二十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日28無損探傷4.2.3電渦流傳感器應(yīng)用第二十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日294.2.3電渦流傳感器應(yīng)用測轉(zhuǎn)速測厚度計數(shù)測裂紋第二十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日304.2.3電渦流傳感器應(yīng)用5.液位測量與控制

圖4-15利用電渦流傳感器構(gòu)成的液位監(jiān)控系統(tǒng)

第三十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日314.2.3電渦流傳感器應(yīng)用6.厚度測量

（1）金屬表面的厚膜測量第三十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日324.2.3電渦流傳感器應(yīng)用6.厚度測量（2）金屬板厚度測量圖4-19高頻反射式電渦流測厚儀

第三十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日33原理：被測非電量轉(zhuǎn)換為電容量的變化種類：變極距δ、變面積A、變介質(zhì)ε

δ

、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。4.3電容式位移傳感器4.3.1電容式位移傳感器原理與分類

第三十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日34輸入輸出關(guān)系：△δ/δ

0－△C/C0

具有嚴(yán)重非線性。

靈敏度：1.變極距型電容傳感器第三十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日351.變極距型電容傳感器第三十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日361.變極距型電容傳感器第三十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日371.變極距型電容傳感器第三十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日38輸入輸出特性：靈敏度：面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于較大角位移及直線位移的測量。2.變面積型電容傳感器第三十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日39介質(zhì)含水量、介質(zhì)厚度、溫度、密度等變化引起介電常數(shù)變化，因此可以構(gòu)成含水量、物位高度、溫度等測量用傳感器。圖中，厚度為δ2的介質(zhì)（ε2為其介電常數(shù)）在電容器中左右運動，由于電容器中介質(zhì)的介電常數(shù)改變，電容量改變。3.變介電常數(shù)型電容傳感器第三十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日40電容式傳感器測量電路常用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路、運算放大電路、差動脈沖寬度調(diào)制電路等。參考電位比較器第四十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日414.3.2電容式位移傳感器特點1.優(yōu)點：Ⅰ.溫度穩(wěn)定性好電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有銅損等，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。Ⅱ.結(jié)構(gòu)簡單電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，易于保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量；能工作在高溫，強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等；能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進(jìn)行測量。第四十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日424.3.2電容式位移傳感器特點Ⅲ.動態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小（約幾個10－5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆Hz的頻率下工作，特別適用于動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)。Ⅳ.可以非接觸測量，具有平均效應(yīng)例如非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。電容式傳感器除了上述的優(yōu)點外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力高，能敏感0.01μm甚至更小的位移；由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動結(jié)構(gòu)并接成電橋式時產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進(jìn)行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。第四十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日432.缺點（1）輸出阻抗高，負(fù)載能力差電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般微幾十導(dǎo)幾百皮法，其值只有幾個皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達(dá)108～106Ω。因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計和使用帶來極大的不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍的環(huán)境如濕度、清潔度等。4.3.2電容式位移傳感器特點第四十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日44（2）寄生電容影響大。電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度，影響測量精度，因此對電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。

（3）輸出特性非線性。變極距型電容傳感器的輸出是非線性的。其它類型傳感器也只有忽略電場的邊緣效應(yīng)時，輸出才是線性的。

4.3.2電容式位移傳感器特點第四十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日454.3.3電容式位移傳感器測量電路1.

交流電橋電路交流電橋電路如圖4-22所示，高頻電源經(jīng)變壓器接到電橋的一條對角線上，電容C1、C2、C3、Cx構(gòu)成電橋的4個臂，Cx為電容傳感器，交流電橋平衡時則U0=0。當(dāng)Cx改變時，U0≠0，有電壓輸出。此種電橋電路要求交流電源的幅度和頻率都十分穩(wěn)定；電橋放大器的輸入阻抗要高；測量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)受電橋供電電源的頻率限制，一般要求電源頻率為被測信號最高頻率的5～10倍。

圖4-22交流電橋電路

第四十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日464.3.3電容式位移傳感器測量電路

2.變壓器電橋如圖4-23所示，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。電橋的空載輸出電壓為對變極距型電容傳感器，代入上式得4-23變壓器電橋

第四十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日474.3.3電容式位移傳感器測量電路3.調(diào)頻電路

電容式傳感器的調(diào)頻電路原理如圖4-24所示。該電路將電容式傳感器接入高頻振蕩器的LC回路中，當(dāng)被測量變化時，電容也隨之變化，產(chǎn)生一個變化量ΔC，使得振蕩頻率也相應(yīng)變化。調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為第四十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日484.3.3電容式位移傳感器測量電路

4.脈沖寬度調(diào)制電路

當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平(U1)，端為低電平(0)，則觸發(fā)器通過R1對C1充電；當(dāng)F點電位UF升到與參考電壓Ur相等時，比較器IC1產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使Q端為低電平，端為高電平(U1)。此時，由電容C1通過二極管D1迅速放電至零，而觸發(fā)器由端經(jīng)R2向C2充電；當(dāng)G點電位UG與參考電壓Ur相等時，比較器IC2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過程。圖4-25脈沖寬度調(diào)制電路

第四十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日494.3.3電容式位移傳感器測量電路

可以看出，電路充放電的時間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容C1、C2調(diào)制。當(dāng)C1=C2時，各點的電壓波形如圖4.26(a)所示，Q和兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。當(dāng)C1＞C2時，各點的電壓波形如圖4.26(b)所示，Q、兩端間的平均電壓(經(jīng)一低通濾波器)為

(4-13)式中：T1和T2分別為Q端和端輸出方波脈沖的寬度，亦即C1和C2的充電時間。第四十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日50

圖4-26各點電壓波形圖4.3.3電容式位移傳感器測量電路第五十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日51當(dāng)該電路用于差動式變極距型電容傳感器時，式(4-13)有

(4-14)這種電路只采用直流電源，無需振蕩器，要求直流電源地電壓穩(wěn)定度較高，但比高穩(wěn)定度地穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電源易于做到。用于差動式變面積型電容傳感器時有

(4-15)4.3.3電容式位移傳感器測量電路第五十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日524.3.3電容式位移傳感器測量電路5．運算放大器電路

這種電路不需要載頻和附加解調(diào)線路，無波形和相移失真；輸出信號只需要通過低通濾波器引出；直流信號的極性取決于C1和C2；對變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線性輸出。這種脈寬調(diào)制線路也便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和干擾大大減小。圖4-27為其電原理圖。C1為傳感器電容，它跨接在高增益運算放大器的輸入端和輸出端之間。放大器的輸入阻抗很高(Zi→∞)，因此可視作理想運算放大器。其輸出端輸出一與C1成反比的電壓U0，即(4-16)第五十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日53

圖4-27運算放大器電路

4.3.3電容式位移傳感器測量電路

式中

Ui為信號源電壓，C0為固定電容，要求它們都很穩(wěn)定。對變極距型電容傳感器(C1＝ε0εrA/δ)，式(4-16)可寫為第五十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日54

(4-17)

可見配用運算放大器測量電路的最大特點是克服了變極距型電容傳感器的非線性。4.3.3電容式位移傳感器測量電路第五十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日554.3.3電容式傳感器的應(yīng)用第五十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日564.3.3電容傳感器應(yīng)用1.電容式位移傳感器

圖4-28電容式移傳感器應(yīng)用

第五十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日574.3.3電容傳感器應(yīng)用2.電容加速度傳感器

圖4-29電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)第五十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日584.3.3電容傳感器應(yīng)用3.電容式物位傳感器圖4-30電容式物位傳感器原理

第五十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日59當(dāng)兩圓筒間充以介電常數(shù)為ε1的氣體時，則由該圓筒組成的電容器的電容量為（4-16）如果兩圓筒形電極間的一部分被介電常數(shù)為ε2的液體所浸沒，設(shè)被浸沒得電極長度為H，此時的電容量為圖4-30電容式物位傳感器原理（4-17）經(jīng)整理可得（4-18）式中，ΔC為電容器的電容值得增量，其值為

4.3.3電容傳感器應(yīng)用

第五十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日604.3.3電容傳感器應(yīng)用3.電容式物位傳感器圖4-31電容傳感器進(jìn)行料位測量傳感器的電容可由下式表示

式中，k為比例常數(shù)；εs為被測物料的相對介電常數(shù)；ε0為空氣的相對介電常數(shù)；D為罐內(nèi)直徑；d為測定電極的直徑；h為物料的高度。第六十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日61非接觸檢測塑料管道內(nèi)溶液液位。當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定高度并超出時，溶液進(jìn)入電容式傳感器檢測范圍，傳感器產(chǎn)生輸出信號傳送給控制機(jī)構(gòu)，控制機(jī)構(gòu)報警或進(jìn)行其它動作，達(dá)到液位控制的目的。4.3.3電容式傳感器的應(yīng)用第六十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日624.3.3電容式傳感器的應(yīng)用4.電容式測厚傳感器圖4-32差動式電容測厚傳感器測量原理第六十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日634.3.3電容式傳感器的應(yīng)用第六十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日644.3.3電容式傳感器的應(yīng)用第六十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日654.3.3電容式傳感器的應(yīng)用第六十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日66置于磁場中的載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。4.4霍爾位移傳感器4.4.1霍爾傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

第六十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日67霍爾式傳感器基本原理載流子在磁場中受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成電場E，當(dāng)載流子受到的電場力與洛倫茲力達(dá)到動態(tài)平衡時，累積電荷形成穩(wěn)定的電勢UH

。其中——霍爾常數(shù)

——磁場與元件平面法線方向的夾角

d——與磁場方向一致的霍爾元件厚度 第六十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日68由得知，d越小，越大，則感生電動勢越大，故一般霍爾元件是由霍爾系數(shù)很大的N型半導(dǎo)體材料制作的薄片，厚度微米級。霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)第六十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日694.4.2霍爾傳感器主要參數(shù)（1）額定控制電流IH

（2）靈敏度KH

（3）不等位電勢U0（4）輸入電阻Ri和輸出電阻Ro（5）霍爾電勢溫度系數(shù)α（6）工作溫度范圍第六十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日704.4.2霍爾傳感器主要參數(shù)額定激勵電流和最大允許激勵電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10度時所流過的激勵電流以元件最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻電壓源內(nèi)阻不等位電勢和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零，此時測得的空載霍爾電勢。不等位電勢就是激勵電流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電壓。寄生直流電勢霍爾電勢溫度系數(shù)UHIHRiRo第七十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日71部分國產(chǎn)霍爾元件型號及參數(shù)表型號最大霍爾輸出電壓mV靈敏度mV·(mAkGs)-1輸入電阻Ω輸出電阻Ω不等位電勢mV靈敏度溫度系數(shù)℃-1霍爾電勢溫度系數(shù)℃-1工作溫度范圍℃HSJ-1A2502～5＜400＜400≤12×10-4-5×10-4-55～+125HJS-2200010～200.2～20000.2～20000.02～102×10-43.5×10-3-50～+250HJS-3B75010～150.5～10000.5～1000≤0.52×10-4-5×10-4-55～+125HJS-52000＞400.2～20000.2～20000.02～102×10-43.5×10-3-50～+250HZ-11.4±0.2110(±20％)＜15×10-4-0～+60第七十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日724.4.3霍爾傳感器測量電路與誤差補償1.測量電路（1）霍爾元件及符號

第七十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日734.4.3霍爾傳感器測量電路與誤差補償（2）測量電路圖4-35霍爾元件基本測量電路

第七十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日744.4.3霍爾傳感器測量電路與誤差補償（3）霍爾傳感器直流放大電路第七十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日754.4.3霍爾傳感器測量電路與誤差補償2.誤差補償（1）不等位電勢及其補償圖4-37霍爾元件等效電路

第七十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日764.4.3霍爾傳感器測量電路與誤差補償2.誤差補償（1）不等位電勢及其補償圖4-38霍爾元件不等位電勢的補償電路第七十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日774.4.3霍爾傳感器測量電路與誤差補償2.誤差補償（2）溫度誤差及其補償圖4-39霍爾元件溫度補償方法第七十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日78霍爾器件在x方向上長度為b，x0是位于氣隙下的初始長度。此傳感器常采用差動結(jié)構(gòu)。4.4.4霍爾傳感器應(yīng)用第七十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日79圖4-41給出的是線性霍爾元件放大電路。它將霍爾輸出電壓放大到5V。

4.4.4霍爾傳感器應(yīng)用圖4-41線性霍爾元件放大電路第七十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日804.4.4霍爾傳感器應(yīng)用第八十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日81第八十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日82第八十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日83第八十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日84第八十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日85第八十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日86第八十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日87第八十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日884.5光柵傳感器4.5.1光柵結(jié)構(gòu)與種類光柵是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等寬而又等間距的刻線。沒有刻線的地方透光（或反光），刻線的地方不透光（或不反光）。圖4-43所示的是一塊黑白型長光柵，平行等距的刻線稱為柵線。設(shè)其中透光的縫隙寬度為a，不透光的縫隙寬度為b，一般情況下，a＝b。圖中w＝a+b稱為光柵柵距(或光柵節(jié)距、光柵常數(shù))，它是光柵的一個重要參數(shù)。對于圓光柵來說，除了參數(shù)柵距之外，還經(jīng)常使用柵距角。柵距角是指圓光柵上相鄰兩刻線所夾的角。

圖4-43光柵結(jié)構(gòu)

第八十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日894.5.1光柵結(jié)構(gòu)與種類光柵按其用途分長光柵和圓光柵兩類?？坍嬙诓ＡС呱系墓鈻欧Q為長光柵，也稱光柵尺，用于測量長度或幾何位移。根據(jù)光線的走向，長光柵還分為透射光柵和反射光柵。透射光柵是將光柵線刻制在透明材料上，通常選用光學(xué)玻璃和制版玻璃。反射光柵的柵線刻制在具有強反射能力的金屬上，如不銹鋼或玻璃鍍金屬膜（如鋁膜），光柵也可刻制在鋼帶上再粘結(jié)在尺基上?？坍嬙诓ＡПP上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤，用來測量角度或角位移。根據(jù)柵線刻畫的方向，圓光柵分兩種，一種是徑向光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；另一種是切向光柵，其全部柵線與一個和光柵盤同心的小圓相切。圓光柵只有透射光柵。

第八十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日904.5.2光柵傳感器工作原理1.

光柵傳感器組成光柵傳感器通常由光源、聚光鏡、計量光柵、光電器件及測量電路等部分組成。計量光柵由標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，它決定了整個系統(tǒng)的測量精度。

一般主光柵和指示光柵的刻線密度相同，但主光柵要比指示光柵長得多，它們的刻線面相對，中間留有很小的間隙。測量時光源為傳感器提供能量（光能），聚光鏡將光源發(fā)出的可見光收集起來，并將其轉(zhuǎn)換成為平行光束送到計量光柵。主光柵與被測對象連在一起，并隨其運動，指示光柵固定不動。

圖4-44光柵傳感器測量原理第九十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日914.5.2光柵傳感器工作原理2.莫爾條紋由于主光柵和指示光柵的作用，形成了莫爾條紋。如圖4-45所示，在a–a＇線上兩光柵的柵線彼此錯開，光線無法通過，形成暗帶；在b–b＇線上兩光柵互相重合，互相擋住縫隙，光線從縫隙中通過，形成亮帶。這種明暗相間得條紋就成為莫爾條紋，它的方向與刻線方向垂直。

圖4-45莫爾條紋形成

第九十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日924.5.2光柵傳感器工作原理莫爾條紋有以下特性：（1）位移放大作用當(dāng)光柵移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也移動一個條紋寬度B。由于主光柵和指示光柵的柵線之間的夾角θ很小，且兩光柵的光柵柵距相等，因此，它們之間近似關(guān)系為可見其位移放大倍數(shù)為（2）運動對應(yīng)關(guān)系莫爾條紋的位移量和移動方向與主光柵相對于指示光柵的位移量和位移方向有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。

（3）誤差平均效應(yīng)由于莫爾條紋是由大量柵線共同作用形成的，對于光柵刻線誤差起到了平均的作用。

第九十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日934.5.3辯向與細(xì)分電路1.

辨向電路圖4-46辨向電路第九十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日944.5.3辯向與細(xì)分電路2.

細(xì)分電路

第九十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日954.5.4光柵傳感器參數(shù)1.電氣參數(shù)（1）分辨率（2）精度（3）信號波形（4）工作頻帶（5）波形邊緣距離第九十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日964.5.4光柵傳感器參數(shù)2.機(jī)械參數(shù)（1）最大速度（2）轉(zhuǎn)動慣量（3）允許軸負(fù)載（4）加速度

第九十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日974.5.5光柵傳感器應(yīng)用圖4-48位移測量儀結(jié)構(gòu)框圖第九十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日984.6微波傳感器微波作為一種電磁波，具有電磁波的所有性質(zhì)微波傳感器是利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置微波傳感器是一種新型非接觸式測量傳感器微波是波長為1mm～1m的電磁波，可以細(xì)分為三個波段。第九十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日994.6.1微波傳感器原理與分類1.

微波概念微波特點：需要定向輻射裝置；遇到障礙物容易反射；繞射能力差；傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、灰塵等的影響較?。唤橘|(zhì)對微波的吸收大小與介質(zhì)介電常數(shù)成正比，如水對微波的吸收作用最強。第九十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日100微波傳感器的測量原理及分類原理：由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物體或由被測物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路，即可以顯示出被測量，實現(xiàn)了微波檢測。分類：分為反射式和遮斷式兩類。4.6.1微波傳感器原理與分類第一百頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日101

1.反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時間間隔來測量被測量的。通常它可以測量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。

2.遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線收到的微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物體或被測物體的厚度、含水量等參數(shù)的。4.6.1微波傳感器原理與分類第一百零一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日102微波傳感器的組成微波傳感器通常由微波發(fā)生器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測器三部分組成。

1.微波發(fā)生器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長很短，即頻率很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有調(diào)速管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用體效應(yīng)管。第一百零二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日103

2、微波天線

由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號通過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線要具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線有喇叭形、拋物面形、介質(zhì)天線與隙縫天線等。喇叭形天線結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，可以看作是波導(dǎo)管的延續(xù)。喇叭形天線在波導(dǎo)管與空間之間起匹配作用，可以獲得最大能量輸出。拋物面天線使微波發(fā)射方向性得到改善。第一百零三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日104常用的微波天線扇形喇叭天線;(b)圓錐形喇叭天線;(c)旋轉(zhuǎn)拋物面天線;(d)拋物柱面天線第一百零四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日105

3.微波檢測器電磁波作為空間的微小電場變動而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測它的敏感探頭。與其它傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應(yīng)速度。作為非線性的電子元件可用種類較多（半導(dǎo)體PN結(jié)元件、隧道結(jié)元件等），根據(jù)使用情形選用。第一百零五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日106微波傳感器的特點

一種新型的非接觸傳感器。①有極寬的頻譜（波長=1.0mm~1.0m）可供選用，可根據(jù)被測對象的特點選擇不同的測量頻率；②在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫環(huán)境中對檢測信號的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；③時間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動態(tài)檢測與實時處理，便于自動控制；第一百零六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日107④測量信號本身就是電信號，無須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡化了傳感器與微處理器間的接口。⑤傳輸距離遠(yuǎn)，便于實現(xiàn)遙測和遙控；

⑥微波無顯著輻射公害。缺點：微波傳感器存在的主要問題是零點漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次，測量環(huán)境對測量結(jié)果影響大，如溫度、氣壓、取樣位置等。第一百零七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日1084.6.2微波傳感器應(yīng)用1.

微波物位傳感器當(dāng)被測物位低于設(shè)定物位時，接收天線接收的功率為當(dāng)被測物位升高到天線所在高度時，接收天線接收的功率為第一百零八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日109

4.6.2微波傳感器的應(yīng)用

2.微波液位計接收天線收到的功率Pr為第一百零九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日110微波定位傳感器第一百一十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日111

4.7.1超聲波及其特性波動（簡稱波）：振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播聲波：其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波次聲波：低于16Hz的機(jī)械波超聲波：高于2×104Hz的機(jī)械波微波：頻率在3×108~3×1011Hz之間的波4.7超聲波傳感器第一百一十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日112聲波的頻率界限圖

第一百一十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日1134.7.1超聲波及其特性超聲波的反射和折射

2.反射與折射

第一百一十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日1144.7.1超聲波及其特性

聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關(guān)系：式中:

、

——聲波在距聲源x處的聲壓和聲強；

、

——聲波在聲源處的聲壓和聲強；

——聲波與聲源間的距離；

——衰減系數(shù)。

3.聲波的衰減第一百一十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日1154.7.2超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時會產(chǎn)生共振，此時產(chǎn)生的超聲波最強。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上時引起晶片伸縮，在晶片的兩個表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。

1.壓電式超聲波傳感器第一百一十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期日116壓電式超聲波傳感器