《電參量檢測(cè)裝置》PPT課件.ppt

1、主要內(nèi)容,3.1,3.2,3.3,電阻式傳感器,電容式傳感器,電感式傳感器,3.1 電阻式傳感器,電阻式傳感器組成,電阻式傳感器分類 電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱阻式、光敏電阻式、磁敏電阻等。,一、應(yīng)變式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器定義 它是利用彈性敏感元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋺?yīng)變,再通過(guò)粘貼在其上的電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，最后通過(guò)測(cè)量電路（電橋）轉(zhuǎn)換為輸出電壓的裝置。,應(yīng)變片：利用金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)或半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制成的一種轉(zhuǎn)換傳感元件。,分類：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。,1 、電阻絲的應(yīng)變效應(yīng),金屬絲受拉時(shí)，l 變長(zhǎng)、r 變小，導(dǎo)致R變大 。,金屬絲沿軸向受到拉伸或壓縮，其阻值增大或減小，

2、此現(xiàn)象為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 電阻變化（應(yīng)變）與伸長(zhǎng)量的關(guān)系？,圖3-1電阻絲的應(yīng)變效應(yīng),1.電阻絲的應(yīng)變效應(yīng),設(shè)有一長(zhǎng)度為、截面積為S、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為 當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時(shí)，l將變長(zhǎng)、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時(shí)，將變大，導(dǎo)致R變大。,實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量R R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即,對(duì)于不同的金屬材料，K 略微不同，一般為2左右。而對(duì)半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時(shí)，電阻率 會(huì)產(chǎn)生很大的變化，所以靈

3、敏度比金屬材料大幾十倍。,在材料力學(xué)中，稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變，是量綱為1的數(shù)。 通常很小，常用10-6表示之。例如，當(dāng) 為0.000001時(shí)，在工程中常表示為110-6或m/m。在應(yīng)變測(cè)量中，也常將之稱為微應(yīng)變()。 對(duì)金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于110-3，即1000m/m，否則有可能超過(guò)材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致斷裂。,應(yīng)變片用于測(cè)量力F的計(jì)算公式,由材料力學(xué)可知，=F /（SE），所以R /R又可表示為 如果應(yīng)變片的靈敏度K 和試件的橫截面積A以及彈性模量均為已知，則只要設(shè)法測(cè)出R /R的數(shù)值，即可獲知試件受力的大小，例如可用于電子秤的稱重。,2、電阻絲

4、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型,圖 3-2 電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu),（1） 結(jié)構(gòu),箔式應(yīng)變片的外形,敏感柵 感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。,基底 絕緣及傳遞應(yīng)變。由紙薄、膠質(zhì)膜等制成。,粘結(jié)劑 敏感柵與基底、基底與試件、基底與覆蓋層之間的粘結(jié)。,覆蓋層 保護(hù)作用。防濕、蝕、塵。,引線（低阻易焊） 連接電阻絲與測(cè)量電路，輸出電參量。,應(yīng)變片的使用面積和阻值表示其規(guī)格。 如（310）mm2 ，120。,根據(jù)制柵工藝的不同分為絲式、 箔式和薄膜式。 絲式制作：粘貼工藝。 箔式制作工藝：照相制版或光刻技術(shù)。 薄膜式制作工藝：真空蒸發(fā)或真空沉積。 應(yīng)變片的選擇 根據(jù)測(cè)量精度、允許工作電流、散熱、體積、是否批量等要求

5、查手冊(cè)選擇。,（2）電阻絲應(yīng)變片的種類,圖 3-3 箔式電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu),應(yīng)變片的粘貼： 1. 去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。,2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過(guò)的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。,3.測(cè)量 ：從分開(kāi)的端子處，預(yù)先用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。,4.焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來(lái)，注意不要把端子扯斷。,5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞引

6、線和應(yīng)變片。,3、電阻應(yīng)變片的特性,（1）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K,=0,285鋼件,確定方法：實(shí)驗(yàn)測(cè)定,確定過(guò)程：,應(yīng)變片,F,F,應(yīng)力儀測(cè)出X,電 位 差 計(jì) 測(cè) R/R,圖 3-4 應(yīng)變片K確定方法,敏感柵是由n條直線段和（n1）個(gè)半徑為r的半圓組成, 若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變x時(shí), 則各直線段的電阻將增加, 但在半圓弧段則受到從+x到x之間變化的應(yīng)變。即從拉應(yīng)變過(guò)渡到壓應(yīng)變。,（2）橫向效應(yīng),定性分析,圖 3-5 應(yīng)變片的軸向受力與 橫向效應(yīng),a點(diǎn)：只有X。 b點(diǎn)： 既有X ，又有 Y 。 c點(diǎn)：只有 Y 。,圓弧段橫向收縮引起阻值減小量對(duì)軸向伸長(zhǎng)引起阻值增加量起著抵消作用。

7、因而同樣應(yīng)變阻值變化減小，K值減小，此現(xiàn)象為橫向效應(yīng)。,減小橫向效應(yīng) 加長(zhǎng)敏感柵縱柵，加寬縮短橫柵，消除圓弧。 箔式和薄膜式應(yīng)變片橫向效應(yīng)可忽略。,定量分析 應(yīng)變片置于二維應(yīng)力場(chǎng)，即有 ，又有 。,（3-9）,4、應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償 （1）溫度誤差 由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差, 稱為應(yīng)變片的溫度誤差。,產(chǎn)因之一:電阻絲溫度系數(shù)的影響,（3-10）,產(chǎn)因之二:試件材料與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的 影響,（3-11）,（3-12）,（3-13）,（3-15）,（3-14）,（3-16）,（3-17）,（2）溫度補(bǔ)償,方法一:應(yīng)變片的自補(bǔ)償法,特種應(yīng)變片 T0T=0,電阻絲材

8、料與被測(cè)材料配合恰當(dāng)。,選擇式應(yīng)變片的自補(bǔ)償法,（3-18）,兩段敏感柵的電阻大小選擇,雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片,（3-19）,R1,R2,圖3-6 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償,方法二:橋路補(bǔ)償法 補(bǔ)償原理：橋路相臨兩臂增加相同電阻，對(duì)電橋 輸出無(wú)影響。,電橋輸出,U 0=A（R1 R4 RB R3）,溫度補(bǔ)償條件是什么？,（2-20）,電橋輸出 Uo=A（R1+R1t）R4 (RB+RBt)R3=0 ,電橋輸出電壓為 Uo = AR1R4K Uo 與成單值函數(shù)關(guān)系。與溫度變化無(wú)關(guān)。 結(jié)論：?jiǎn)伪蹣蚣友a(bǔ)償片可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。,應(yīng)變輸出R1=R1K,（2-21）,金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆

9、表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。 例如，有一金屬箔式應(yīng)變片，標(biāo)稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R 的變化量?jī)H為0.2，所以必須使用不平衡電橋來(lái)測(cè)量這一微小的變化量。下面分析該橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路是如何將R /R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo的。,5、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路,圖3-8 不平衡直流電橋,U0=？ 等臂電橋四個(gè)橋臂均為應(yīng)變片，感受應(yīng)變。 U0=？,（3-22）,四個(gè)臂為應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化R,（1）不平衡電橋電路的輸出,（3-23）,當(dāng)Ri R ( i=1,2,3,

10、4) 時(shí)，略去上式中的高階微量,（3-24）,單臂電橋,R1,F,U0,R1R1,R4,R3,U,R2,圖3-10 單臂電橋,圖3-9 懸臂梁應(yīng)變,（3-25）,半橋差動(dòng)電橋,圖3-11 差動(dòng)直流電橋,（3-26）,R2R2,R4R4,全橋差動(dòng)電路,圖3-12 全橋差動(dòng)電路,（3-27）,調(diào)節(jié)RP，最終可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過(guò)程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。,結(jié)論： Ri R時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。 若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。為了產(chǎn)

11、生最大輸出電壓,應(yīng)使一個(gè)對(duì)角線應(yīng)變片受拉,另一對(duì)對(duì)角線應(yīng)變片受壓。 電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。（應(yīng)使工作電流小于允許電流） 增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。,（2）非線性誤差及其補(bǔ)償,單臂電橋，即R1橋臂變化R，理想的線性關(guān)系,實(shí)際輸出電壓,非線誤差誤差,（2-28）,（2-29）,（2-30）,半橋與全等臂橋輸入輸出成線性關(guān)系。 電橋靈敏度是單臂橋的兩倍，全等臂橋靈敏度是單臂橋的四倍。 溫度補(bǔ)償作用。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,應(yīng)用 測(cè)量力、位移、加速度、扭矩等。它由彈性元件和粘貼在其表面的應(yīng)變片組成。,6、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,制作 彈性元件的制作加工。 應(yīng)變片的正確粘貼。

12、,結(jié)構(gòu)形式 柱式、懸臂梁式、環(huán)式和輪輻式等。,（a）實(shí)心圓柱；（b）空心圓筒；,圖3-13柱式力彈性體結(jié)構(gòu)圖,（1）柱（筒）式力傳感器,縱向?qū)ΨQ兩兩串接為了減小偏心載荷及彎矩的影響； 橫向貼片作溫度補(bǔ)償用。,橫向應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?（3-31）,（3-32）,接成差動(dòng)全等臂電橋，總的應(yīng)變?yōu)?電橋輸出為,（3-33）,（2-34）,（2）懸臂梁式力傳感器,F,固定點(diǎn),F,固定點(diǎn),電纜,應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形,輸出電壓為,（2-36）,（2-37）,（2-35）,傳感器為懸臂梁式傳感器。懸臂梁端部受質(zhì)量塊慣性力作用，距端部L處的應(yīng)變?yōu)?應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置,F,F,F,荷重傳

13、感器原理演示,荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。,汽車(chē)衡,荷重傳感器應(yīng)用估算,例：用荷重傳感器稱重，荷重傳感器銘牌：F m=100103N，K= 2mV/V，當(dāng)橋路電壓為6V時(shí)，測(cè)得橋路的輸出電壓為24mV，求被測(cè)荷重為多少噸。 被測(cè)荷重,共性:將應(yīng)變片貼于應(yīng)變值最大的點(diǎn)上，接于全橋電路，產(chǎn)生較大輸出（具有較高的靈敏度）注意對(duì)角線上的應(yīng)力狀態(tài)一致,不同點(diǎn):結(jié)構(gòu)不同,敏感元件受力等產(chǎn)生的應(yīng)變與被測(cè)量關(guān)系不同。各性能參數(shù)有所不同,應(yīng)用范圍有所不同。 （查手冊(cè)）,總結(jié)各種結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變傳感器的共性是什么？ 不同之處是什么？,定義 單晶半導(dǎo)體材料受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變

14、化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng) 。 特點(diǎn) 靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。溫度誤差較大，要有溫度補(bǔ)償措施。 分類 體型壓阻式傳感器和擴(kuò)散型壓阻式傳感器。,二、壓阻式傳感器,半導(dǎo)體電阻率,1、壓阻效應(yīng)的定量關(guān)系,（3-38）,（3-39）,（3-40）,（3-41）,缺點(diǎn) 溫度穩(wěn)定性較差，非線性較大。,2、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),制作 從單晶硅或鍺上切下薄片制成。,結(jié)構(gòu)組成 基片、半導(dǎo)體薄片、引線。,優(yōu)點(diǎn) 靈敏系數(shù)大，橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后小。,圖3-16 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式,輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。,消除了環(huán)境溫度的變化對(duì)輸出的影響。,3、測(cè)量電路與溫度補(bǔ)償,恒壓源,恒流源,（

15、3-42）,（3-43）,3-17恒壓（流）源供電電橋,4、 壓阻式傳感器應(yīng)用,3-18壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1低壓腔 2高壓腔 3硅杯 4引線 5硅膜片,（1）結(jié)構(gòu),低壓進(jìn)氣口,高壓進(jìn)氣口,膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t的分布,（3-44）,沿徑沿 兩側(cè)采用擴(kuò)散工藝制作四個(gè)電阻。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力，4個(gè)電阻在應(yīng)力的作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓。此電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。測(cè)得不平衡電橋的輸出電壓就能求得膜片所受的壓力差大小。,（3-45）,材料應(yīng)變的測(cè)量,斜拉橋上的斜拉索應(yīng)變測(cè)試,電子天平,電子天平的精度可達(dá)十萬(wàn)分之一,人體秤,應(yīng)變式數(shù)顯扭

16、矩扳手,可用于汽車(chē)、摩托車(chē)、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。,上表中，哪幾個(gè)型號(hào)是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？,應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例,金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩大類。,熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的特性對(duì)與溫度相關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)的裝置。,定義,測(cè)溫、測(cè)溫范圍主要在中低溫區(qū)（-200650）,應(yīng)用,分類,三、熱電阻傳感器,1、金屬熱電阻,（1）鉑熱電阻,R t=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),熱電特性 （RTT）,當(dāng)溫度t為-2000時(shí),當(dāng)溫度

17、t為0650時(shí),對(duì)純度一定的鉑熱電阻， A、B、C為一常數(shù)。,R t = R0(1+At+Bt2),（3-46）,（3-47）,有R0=100和R0=1000及R0=500三種, 它們的分度號(hào)分別為Pt100、Pt1000和Pt500。,工業(yè)用鉑熱電阻的種類,查分度表法：鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表, 即R tt 的關(guān)系表, 這樣在實(shí)際測(cè)量中, 只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt ， 便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。,計(jì)算溫度的方法,公式計(jì)算法：由測(cè)得的熱電阻阻值，由熱電特性公式計(jì)算出相應(yīng)的溫度值。,鉑電阻的靈敏度。,R t=R0（1+t）, 純度 W100=R100/R0 。 按IEC標(biāo)準(zhǔn), 工業(yè)

18、使用的鉑熱電阻W1001.387。,使用場(chǎng)合:不宜在還原性介質(zhì)中使用。,（3-48）,（2）銅熱電阻,測(cè)量范圍為-50+150。熱電特性為：,R t=R0（1+t）,Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。,分度號(hào),不宜在氧化性介質(zhì)中使用。適于在無(wú)水分及侵蝕性 介質(zhì)的溫度測(cè)量。,使用場(chǎng)合,（3-49）,（3）熱電阻的結(jié)構(gòu),圖3-19熱電阻結(jié)構(gòu)圖,圖3-19（a）銅熱電阻結(jié)構(gòu)圖,圖3-19（b）鉑熱電阻結(jié)構(gòu)圖,利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì) 而制成的溫度敏感元件。,定義,隨著溫度的升高，一方面，半導(dǎo)體的價(jià)電子受熱激發(fā)躍遷到較高的能級(jí)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，使載流子數(shù)增加，電

19、阻率減?。涣硗庖环矫?，半導(dǎo)體材料的載流子的平均運(yùn)動(dòng)速度升高，阻礙載流子定向運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，電阻率增大。,工作機(jī)理,2、熱敏電阻,半導(dǎo)體熱敏電阻主要類型,正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC。,主要用于控溫、保護(hù)等場(chǎng)合。如半導(dǎo)體器件的過(guò)熱 保護(hù)。電機(jī)、變壓器、音響設(shè)備的安全保護(hù)等。,PTC的應(yīng)用場(chǎng)合,NTC熱敏電阻主要用于測(cè)溫和溫度補(bǔ)償。,NTC的應(yīng)用場(chǎng)合,RT=R0e B(1/T1/T0),（1）熱電特性 （RTT）,T=373.15K(100)，T0=293.15K (20 ) R20、R100 已知，計(jì)算B,材料常數(shù)B的確定,溫度靈敏度的確定,（3-50）,（3-51）,（3-

20、52）,不同型號(hào)的熱敏電阻B值不同，它反映T0與T溫度之間 電阻值變化大小。,（2）熱敏電阻的伏安特性,圖3-20 熱敏電阻的伏安特性,工業(yè)用鉑電阻采用三線制測(cè)量電路和四線制測(cè)量電路。,3、熱電阻傳感器的應(yīng)用 （1）金屬熱電阻傳感器,溫度測(cè)量，測(cè)量電路采用電橋電路。,圖3-21 三線制測(cè)量電路,三線制補(bǔ)償原理 電橋的相臨兩個(gè)橋臂增加了相同導(dǎo)線電阻，差動(dòng)輸出后，可消除導(dǎo)線電阻的影響。,輸出電壓,（3-53）,圖3-22 四線制測(cè)量電路,四線制補(bǔ)償原理,當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，熱敏電阻阻值較大，VT1的基射極間的電壓大于導(dǎo)通電壓，TV1導(dǎo)通，VT2也導(dǎo)通，繼電器J線圈得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)J1吸合，電

21、熱絲加熱。發(fā)光二極管發(fā)光，指示電路處于加熱狀態(tài)。 當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，熱敏電阻阻值較小，VT1的基射極間的電壓小于導(dǎo)通電壓，TV1截止，VT2也截止，繼電器J1線圈失電，其常開(kāi)觸點(diǎn)J1斷開(kāi)，電熱絲斷電。小溫度范圍的溫度控制。,（2）熱敏電阻傳感器,溫度控制,圖3- 25 溫度控制器,將負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻與小阻值錳銅絲電阻并聯(lián)后再與被補(bǔ)償元件串聯(lián)。,溫度補(bǔ)償,補(bǔ)償原理,溫度變化T，零件阻值變化R1，熱敏電阻并聯(lián)電路阻值變化R2，合理選擇電路參數(shù)，使,補(bǔ)償方法,錳銅絲電阻,R2,R1,被補(bǔ)償元件,RT,圖3- 26溫度補(bǔ)償電路,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)， 阻值減小。,四、光敏電阻,光敏電阻演示

22、,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。,暗電流（越小越好）,、 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理,光敏電阻的結(jié)構(gòu),圖3-27光敏電阻的電極圖案,光照射到本征半導(dǎo)體上，材料中的價(jià)帶電子吸收了光子能量躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出電子、空穴對(duì)，增強(qiáng)了導(dǎo)電性能，使阻值降低。光照停止，電子空穴對(duì)又復(fù)合，阻值恢復(fù)。,圖3-28 光敏電阻工作原理圖,工作原理,、 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性,（2） 基本特性 伏安特性 一定光照，R一定，I正比于U。 一定電壓，I隨著光照E增強(qiáng)而增大。 ERI。,（1） 主要參數(shù),圖3-29 光敏電阻的伏安特性,光照特性（IE） 光敏電阻的光照特性為非線性，不宜作檢

23、測(cè)元件，主要用于自動(dòng)控制中。 如光照度計(jì)：農(nóng)作物日照時(shí)數(shù)測(cè)定。,圖3-30 光敏電阻的光照特性,無(wú)光照V0=VL 。有光照V0=VH。 輸出接單片機(jī)的I/O口，每2分鐘對(duì)此口查詢1次，為高電平，計(jì)數(shù)一次，為低電平，不計(jì)數(shù)。1天查詢720次。,圖3-31 光敏電阻的應(yīng)用,圖3-32 光敏電阻的光譜特性, 光譜特性（Kr%）,光敏電阻的相對(duì)靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光譜特性。 亦稱為光譜響應(yīng)。,不同材料，其峰值波長(zhǎng)不同。 同一種材料，對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光，其相對(duì)靈敏度不同，響應(yīng)電流不同。 應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件，使光電元件得到較高得相對(duì)靈敏度。,頻率特性 光敏電阻受到（調(diào)制）交變光作用

24、，光電流與頻率的關(guān)系。反映光敏電阻的響應(yīng)速度。,3- 33 調(diào)制原理圖,轉(zhuǎn)盤(pán),3- 34光敏電阻的頻率特性,3- 35光敏電阻的溫度特性,3- 36光敏電阻的光譜溫度特性,電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng) 即利用線圈自感或互感的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量,按轉(zhuǎn)換原理分為自感式、互感式、電渦流式等 特點(diǎn)： 工作可靠、壽命長(zhǎng) 靈敏度高，分辨力高 精度高、線性好 性能穩(wěn)定、重復(fù)性好,a)變間隙式氣隙型 b)變面積式截 c)螺管式螺管型 3-37自感式傳感器原理圖,一、自感式傳感器,1、原理,線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成,氣隙變小，電感變大，電流變小,當(dāng)鐵心的氣隙較大時(shí)，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和

25、感抗XL 較小，所以電流I 較大。當(dāng)鐵心閉合時(shí)，磁阻變小、電感變大，電流減小。,原理式的推導(dǎo),鐵心的結(jié)構(gòu)和材料確定后，自感是氣隙厚度和氣隙截面積的函數(shù)。,螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵插入深度 不同而變化的基礎(chǔ)上。,2 、變氣隙式自感傳感器靈敏度,氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻,當(dāng)銜鐵上移時(shí), 傳感器氣隙減小, 即=0, 則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng) = L0+L,（1）簡(jiǎn)單變氣隙式自感傳感器靈敏度,線圈的電感為,3-38變間隙式電感傳感器L-特性,當(dāng)/ 1時(shí), 可將上式用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),當(dāng)銜鐵下移時(shí), 傳感器氣隙增大, 即=0, 則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng) = L0L。,可見(jiàn)：變間隙式電感傳感器的測(cè)量

26、范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。,忽略高次項(xiàng)后,與,銜鐵上移 切線斜率變大,銜鐵下移 切線斜率變小,與線性度,銜鐵上移：,銜鐵下移：,無(wú)論上移或下移，非線性都將增大。,1-鐵芯； 2-線圈； 3-銜鐵,3-39差動(dòng)式變間隙式電感傳感器,為了減小非線性誤差，提高靈敏度實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變氣隙式電感傳感器。,（2）差動(dòng)變氣隙式電感傳感器靈敏度,在變隙式差動(dòng)電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。,曲線1、2為L(zhǎng)1、L2 的特性，3為差動(dòng)特性,當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2,結(jié)論： 差動(dòng)式為簡(jiǎn)

27、單式電感傳感器靈敏度的2倍。 非線性減小。簡(jiǎn)單式電感傳感器非線性誤差,克服溫度等外界共模信號(hào)干擾。,3、 變面積式自感傳感器靈敏度,輸入與輸出呈線性關(guān)系。得到較大的線性范圍。,靈敏度,特點(diǎn),(1) 變壓器電路,圖3-40 變壓器電橋,3、 電感式傳感器測(cè)量電路,初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z, u0=0,輸出空載電壓,電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗。,銜鐵偏離中間零點(diǎn)，下移時(shí),傳感器銜鐵上移時(shí),可知：銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由于 是交流電壓， 輸出指示無(wú)法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來(lái)解決。,空載輸出

28、電壓與電感的變化成線性關(guān)系,(2) 帶相敏檢波的電橋電路,電路作用： 辨別銜鐵位移方向。 U0的大小反映位移的大小，U0的極性反映位移的方向。 消除零點(diǎn)殘余電壓。 使x=0時(shí)，U0=0。,未加相敏整流器和加相敏整流器的電橋輸出、輸入特性曲線如圖。,圖3-8 非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較 (a) 非相敏整流電路；（b） 相敏整流電路,實(shí)測(cè)得到的 相敏檢波電路的特性曲線,通過(guò)調(diào)零電路，可使輸出曲線平移到原點(diǎn)。,標(biāo)定位移時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線,設(shè)銜鐵移動(dòng)使Z1=Z+Z，Z2=Z-Z。 當(dāng)電源u上端為正（A正），下端為負(fù)時(shí)（B負(fù)）,當(dāng)電源u上端為負(fù)（A負(fù)），下端為正時(shí)（B正）,在電源一個(gè)周期內(nèi)，電

29、壓表的輸出始終為上正下負(fù)。即輸出的極性取決于銜鐵位移的方向。,設(shè)銜鐵移動(dòng)使Z1=Z-Z，Z2=Z+Z時(shí)，分析輸出電壓的極性。,調(diào)頻電路：是傳感器電感L的變化將引起輸出電壓頻率的變化。 通常把傳感器電感L和電容C接入一個(gè)振蕩回路中， 其振蕩頻率。當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。,(3) 調(diào)頻電路,傳感器自感變化將引起輸出電壓頻率的變化,G,C,L,f,圖3-42調(diào)頻電路,5、 自感式傳感器應(yīng)用舉例,圖3-43變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器,敏感元件：C形彈簧管 轉(zhuǎn)換元件：差動(dòng)變隙自 感傳感器 轉(zhuǎn)換電路：變壓器電橋,當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)， C形彈簧管產(chǎn)生變形， 其自由

30、端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化。即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系， 所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓， 即可得知被測(cè)壓力的大小。,二、互感式傳感器,1、互感式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理,根據(jù)變壓器的基本原理制成的。次級(jí)繞組采用差動(dòng)形式連接, 故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。 與普通變壓器的區(qū)別與聯(lián)系。,（1）結(jié)構(gòu),-活動(dòng)銜鐵；-導(dǎo)磁外殼；-骨架；-匝數(shù)為W1初級(jí)繞組；-匝數(shù)為W2a的次級(jí)繞組；-匝數(shù)為W2b的次級(jí)繞組,圖3-45 螺管式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu),（2

31、）工作原理 差動(dòng)變壓器一次線圈加一定頻率的激勵(lì)，由于一次和二次線圈之間的互感，二次線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。,銜鐵處于中間位置,銜鐵上移,銜鐵下移,差動(dòng)變壓器輸出電壓與活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系曲線，呈V字形。是E2a 曲線與E2b曲線合成的結(jié)果。,（3）特性曲線,被測(cè)量的變化帶動(dòng)銜鐵產(chǎn)生位移，引起原副邊磁阻 變化,進(jìn)而原副邊磁鏈和互感系數(shù)的變化，最終使兩 個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)不同,差動(dòng)輸出電壓變化。,圖3-46 差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線,2、基本特性,圖3-47差動(dòng)變壓器等效電路,（1） 等效電路,當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí) ,初級(jí)線圈有激勵(lì)電流,二次線圈由于互感產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)為,空載輸出電壓為,由于次級(jí)兩繞組反相

32、串聯(lián)，且考慮到次級(jí)開(kāi)路，則由以上關(guān)系可得,輸出電壓的有效值為,當(dāng)激磁電壓的幅值U和角頻率、 初級(jí)繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù)。 只要求出互感M1和M2對(duì)活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系式，再代入上式即可得到螺線管式差動(dòng)變壓器的基本特性表達(dá)式。,(1) 活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí) M1=M2=M U2=0,(2) 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) M1=M+M M2=MM,(3) 活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí) M1=M M M2=M+M,短路阻抗,（2）主要性能 靈敏度,提高靈敏度的措施 增大U1、提高Q值、增大D 、減小損耗。, 頻率特性,圖3-48 KE與f

33、的關(guān)系曲線,取測(cè)量范圍為線圈骨架長(zhǎng)度的1/101/4，激勵(lì)頻率采用中頻，配用相敏檢波式測(cè)量電路 。,線性度,保證線性度的措施,零點(diǎn)殘余電壓,定義：把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。（x0， U0e00),產(chǎn)生原因 兩個(gè)二次測(cè)量線圈的等效參數(shù)不對(duì)稱，阻抗不 同，基波分量不能抵消。 鐵芯的B-H特性的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不 能互相抵消。,減小零點(diǎn)殘余電壓措施,制造工藝上，做到磁路對(duì)稱，線圈對(duì)稱，鐵芯材料 均勻。 加補(bǔ)償電路。,差動(dòng)整流電路。,補(bǔ)償電路：,補(bǔ)償原理：改變二次側(cè)線圈的阻抗，使兩二次輸出 電壓的大小和相位改變，使零點(diǎn)電壓最小。,串聯(lián)電阻補(bǔ)償基波分量，并聯(lián)電容補(bǔ)償高次

34、諧波。,圖3-49 補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的電路,3、測(cè)量電路,功能：,測(cè)量位移的大小，辨別移動(dòng)方向，消除零點(diǎn)殘余電壓。,（1）差動(dòng)整流電路,整流原理 把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流, 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。,圖3-50 差動(dòng)整流電路,全波電壓輸出 輸出電壓極性反映位移的方向。,半波電壓輸出,全波電流輸出,考慮電流輸出型與電壓輸出型各自適應(yīng)場(chǎng)合。,(a)、(b)適用于高阻抗負(fù)載 (c)、(d)適用于低阻抗負(fù)載 電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。,（2）相敏檢波電路,(a）被測(cè)位移變化波形圖； (b)差動(dòng)變壓器激勵(lì)電壓波形； (c) 差動(dòng)變壓器輸出電壓波形； (d)相敏檢波解調(diào)電壓

35、波形； (e)相敏檢波輸出電壓波形,圖3-52 相敏檢波電路電壓波形,工作原理（過(guò)程） 當(dāng)位移x 0時(shí), u2與uS同頻同相,uL0。 當(dāng)位移x 0時(shí), u2與uS同頻反相, uL0。,x 0時(shí), u2與uS為同頻同相 當(dāng)u2與uS均為正半周時(shí), uS使環(huán)形電橋中二極管VD1、D4截止, VD2、VD3導(dǎo)通, 得圖 3-51（b）的等效電路。,u22在RL上產(chǎn)生的電壓為,當(dāng)u2與us均為負(fù)半周時(shí), 二極管VD2、VD3截止, VD1、 VD4導(dǎo)通。 其等效電路如圖 3 -51（c）所示。,輸出電壓亦為,結(jié)論：位移X0, 不論u2與uS是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載RL兩端得到的電壓u0始終為正。,當(dāng)

36、x0時(shí),u2與uS為同頻反相。 不論u2與uS是正半周還是負(fù)半周, 負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓u0表達(dá)式總是為,相敏檢波器輸出電壓的變化規(guī)律不僅反映了位移變化的大小，而且反映了位移的方向。,結(jié)論：位移X0, 不論u2與uS是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載RL兩端得到的電壓u0始終為負(fù)。,4、 差動(dòng)變壓器應(yīng)用,1-接頭；2-膜盒； 3-底座；4-線路板； 5-差動(dòng)變壓器線圈； 6-銜鐵；7-罩殼； 8-插頭；9-通孔,傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合， 可以組成開(kāi)環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計(jì),圖3-53 微壓力傳感器,圖3-54 微壓力傳感器測(cè)量電路,三、電渦流傳感器,當(dāng)電渦流

37、線圈與金屬板的距離x 減小時(shí)，電渦流線圈的等效電感L 減小，等效電阻R 增大。感抗XL 的變化比 R 的變化 大 得 多，流過(guò)電渦流線圈的電流 i1 增大。,電渦流在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常可以遇到,干凈、高效的 電磁爐,電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線圈,高頻電流通過(guò)勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開(kāi)鍋 內(nèi) 的 食 物。,渦流定義： 塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí), 導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流, 此電流叫電渦流, 以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。,傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。,分類, 對(duì)位移、厚度、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)。,應(yīng)用,1

38、、高頻反射式電渦流傳感器,3-55 渦流的產(chǎn)生,工作過(guò)程信號(hào)流程,傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為 Z=F（, , r, f, x） ,Z=F（x）,（1）工作原理,（2）等效電路分析,線圈和導(dǎo)體的回路方程,由方程解得線圈等效阻抗Z的表達(dá)式為,Leq線圈受電渦流影響后的等效電感,式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻,線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為,被測(cè)量的變化，引起線圈電感L、阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q的變化， 通過(guò)測(cè)量電路將Z或L或Q轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，可測(cè)被測(cè)量。,可見(jiàn)：因渦流效應(yīng)，線圈的品質(zhì)因素Q下降。,（3） 傳感器的結(jié)構(gòu),交變磁場(chǎng),電渦流探頭外形,線圈 框架 3框架襯套 4 支架

39、5電纜 6插頭,3-58 高頻渦流傳感器的結(jié)構(gòu),CZF-1系列傳感器的性能,分析上表請(qǐng)得出結(jié)論： 探頭的直徑與測(cè)量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？,大直徑電渦流探雷器,（4） 被測(cè)材料對(duì)諧振曲線的影響,圖3-59 傳感器的諧振曲線,被測(cè)體為非磁材料，線圈的等效電感減小，諧振曲線右移； 被測(cè)體為軟磁材料，線圈的等效電感增大，諧振曲線左移。 定頻時(shí)，回路失諧，傳感器的阻抗及品質(zhì)因數(shù)降低。,諧振頻率,（5）測(cè)量方法 定頻調(diào)幅法,石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路輸出電壓,輸出電壓為高頻載波的等幅電壓或調(diào)幅電壓。,高頻放大器：電平抬高。 檢波電路：取出等

40、幅電壓。 濾波電路：濾出高頻雜散信號(hào)，取出與距離（振動(dòng)）對(duì)應(yīng)的直流電壓U0。,當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大， 諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)放大、 檢波后， 由指示儀表直接顯示出x的大小。 ,3-61 輸出特性曲線,X在（1/5 1/3）D（線框直徑）,3-62 調(diào)頻測(cè)距電路原理圖,調(diào)頻法,鑒頻器特性,使用鑒頻器可以將f 轉(zhuǎn)換為電壓Uo,鑒頻器的輸出電壓與輸入頻率成正比,2、低頻透射

41、式渦流傳感器,3-63(a)透射式渦流傳感器原理 (b) 線圈感應(yīng)電勢(shì)與厚度關(guān)系曲線,測(cè)厚的依據(jù): E的大小間接反映了M的厚度t,（1）工作原理,發(fā)射線圈,接收線圈,（2）影響E的因素,頻率、材料一定，板越厚，接收線圈E越小。,板厚、材料一定，頻率越高，E越小。,材料一定，不同頻率下的E與t的關(guān)系,3-64 不同頻率滲透深度對(duì)E=f(t)曲線的影響,厚板，較低頻率,薄板，較高頻率,為了得到較高的靈敏度，根據(jù)板厚選擇激勵(lì)頻率。,更換被測(cè)材料時(shí),采取變頻的方法,使?jié)B透深度基本 不變,靈敏度不變。,測(cè)試頻率與材料關(guān)系,3、 渦流式傳感器的應(yīng)用,（1）厚度測(cè)量,渦流傳感器S1、S2 與被測(cè)帶材表面之間

42、的距離分別為x1和x2。兩探頭距離為D。,結(jié)構(gòu)組成,工作原理,x1和x2由渦流傳感器測(cè)出，經(jīng)調(diào)理電路變?yōu)閷?duì)應(yīng)的電壓值，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，變?yōu)閿?shù)字量，送入單片機(jī)。單片機(jī)分別算出x1和x2值，然后由公式d=D(x1+ x2)計(jì)算出板厚。D值由鍵盤(pán)設(shè)定。板厚值送顯示器顯示。,圖3-65 高頻反射式渦流測(cè)厚儀測(cè)試系統(tǒng)圖,位移測(cè)量,位移測(cè)量包含： 偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動(dòng)、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。來(lái)自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。,數(shù)顯位移測(cè)量?jī)x及探頭,偏心和振動(dòng)檢測(cè),測(cè)量彎曲、波動(dòng)、變形,對(duì)橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量，須使用多個(gè)傳感器。,（2） 轉(zhuǎn)速測(cè)量

43、,若轉(zhuǎn)軸上開(kāi)z 個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計(jì)算公式為,特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，抗污染能力很強(qiáng)。最高測(cè)量轉(zhuǎn)速可達(dá)60萬(wàn)r/min,例： 下圖中，設(shè)齒數(shù)z =48，測(cè)得頻率 f=120Hz，求該齒輪的轉(zhuǎn)速n 。,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量,電渦流式通道安全檢查門(mén),安檢門(mén)的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過(guò)時(shí)，交變磁場(chǎng)就會(huì)在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會(huì)在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來(lái)判定金屬物體的大小。在安檢門(mén)的側(cè)面還安裝一臺(tái)“軟x光”掃描儀，它對(duì)人體、膠卷無(wú)害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學(xué)圖像。,安檢門(mén)演示,（

44、3）渦流探傷,圖3-67 波接管成型工藝流程框圖,當(dāng)金屬片未靠近探頭時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路阻抗較大，輸出電壓大。設(shè)計(jì)經(jīng)處理后的輸出電壓V0大于比較器的參考電壓VR。比較器輸出高電平。,（4）三杯式風(fēng)速傳感器,它的結(jié)構(gòu)是碗式風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的固定的金屬片圓盤(pán)。當(dāng)風(fēng)杯受風(fēng)而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)上的金屬片便不斷地接近或離開(kāi)渦流傳感器探頭中的振蕩線圈，造成回路失諧，輸出電壓下降（磁回路間斷短路）。,風(fēng)速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。 如頻率速度轉(zhuǎn)換常數(shù)為1.87HZ/m/s。 風(fēng)速為v=f/1.87(m/s) 如將脈沖送入單片機(jī)的計(jì)數(shù)口T1，T0定時(shí)1分鐘計(jì)T1中的計(jì)數(shù)值N，由公式,當(dāng)金屬片靠近探頭時(shí)，LC諧振回路失諧，阻抗下

45、降，輸出電壓減小。V0 VR。比較器輸出低電平。,圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)N1=渦流產(chǎn)生的次數(shù)N2=比較器 輸出脈沖數(shù)N3。,若想提高分辨能力，可在圓盤(pán)上等距放多個(gè)金屬片，轉(zhuǎn)一圈輸出多個(gè)脈沖。 風(fēng)速計(jì)算公式,Z：圓盤(pán)上放金屬片的個(gè)數(shù)。,計(jì)算出風(fēng)速值。,XC （X：位移、加速度、液位、料位、振動(dòng)、濕度）,一、工作原理和類型,原理式,類型,變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式。,圖3-69 電容傳感器原理圖,3.3、電容式傳感器,圖3-70 電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 變極距(）型: (a)、(e) 變面積型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數(shù)( )型: （i）(l),1、變極距型電容傳感

46、器 （1）簡(jiǎn)單變極距型電容傳感器,。,靈敏度推導(dǎo),若以容抗為輸出,亦可用泰勒展開(kāi)式表示為,（2）差動(dòng)變間隙式電容傳感器,圖3-71差動(dòng)變間隙式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖,靈敏度推導(dǎo) 設(shè)動(dòng)極板上移 。,差動(dòng)電容傳感器非線性誤差,單極非線性誤差,非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。,2、變面積型電容傳感器,（1）線位移,圖3-72變面積型電容傳感器原理圖,（2）電容式角位移傳感器,當(dāng)=0時(shí),當(dāng)0時(shí),圖3-74電容角位移傳感器原理圖,3、 變介電常數(shù)型電容式傳感器,圖3-75電容式液位傳感器,（1）根據(jù)各種介質(zhì) 的介電常數(shù)不同， 檢測(cè)液面或料位的高度。,結(jié)構(gòu)形式 電容的連接方式。,電容與液位的關(guān)系：,（2）測(cè)量被測(cè)介質(zhì)

47、的插入深度,圖3-76變介電常數(shù)式電容傳感器,當(dāng)X=0時(shí)，傳感器的初始電容,當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間x深度后，引起電容相對(duì)變化量為,電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量x呈線性關(guān)系。,有介質(zhì)插入 兩段電容并聯(lián),二、 電容式傳感器等效電路,傳感器電容,引線電阻、極板電阻 和金屬支架電阻組成,極板間漏電阻,電容傳感器的等效靈敏度,ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨變化而變化。定頻、定長(zhǎng)。,1、 調(diào)頻電路,圖3-78調(diào)頻電路原理框圖,三、電容傳感器測(cè)量電路,混頻后,被測(cè)量引起電容變化,鑒頻器：頻率變化轉(zhuǎn)換為幅值變化。,線性檢波器：測(cè)幅辨相，測(cè)振動(dòng)。,低通濾波器：直流平均，測(cè)位移。,調(diào)頻電容傳感器測(cè)量

48、電路具有較高的靈敏度， 可以測(cè)量高至0.01m級(jí)位移變化量。信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量， 并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)， 可以發(fā)送、 接收， 以達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。,2、 運(yùn)算放大器式電路,Cx是傳感器電容 C是固定電容 u0是輸出電壓信號(hào),3-79運(yùn)算放大器式電路原理圖,特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性。,式中“”號(hào)表示輸出電壓Uo的相位與電源電壓反相?？梢?jiàn)運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關(guān)系。,3、二極管雙T型電路,當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí)，C1=C2。 電路工作原理：當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，于是電容C1充電，其等效電路如圖5-13（b）所示；在隨后負(fù)半周

49、出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電荷通過(guò)電阻R1，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I1。 當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)通、VD1截止，則電容C2充電，其等效電路如圖5-13（c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)， C2通過(guò)電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I2 。 電流I1=I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零。,若傳感器輸入不為0，則C1C2, I1I2, 此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)RL上的平均電流不為零， 因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為,式中, f為電源頻率。,當(dāng)RL已知，上式中,可改寫(xiě)為,輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。 電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。 當(dāng)U幅值較高，使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時(shí)，測(cè)量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無(wú)關(guān)，而僅與R1、 R2及RL有關(guān)，約為1100k。輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于1 k的負(fù)載電阻上升時(shí)間為20s左右， 故可用來(lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。,4、脈沖寬度調(diào)制電路 差動(dòng)電容傳感器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器及低通濾波器有機(jī)配合，實(shí)現(xiàn),（1）工作原理 正半周 設(shè)上電后RS觸