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1、关于位移与速度测量传感器第1页，讲稿共130张，创作于星期一2电感式位移传感器电感式位移传感器 第第4章章 位移与速度测量传感器位移与速度测量传感器 4.1电容式位移传感器电容式位移传感器 4.3霍尔传感器霍尔传感器 4.4电涡流式传感器电涡流式传感器 4.2光栅传感器光栅传感器 4.5微波传感器微波传感器 4.6超声波传感器超声波传感器 4.7位移检测传感器性能位移检测传感器性能比较比较 4.8第2页，讲稿共130张，创作于星期一3v无论是科学研究还是生产实践中，需要进行位移测无论是科学研究还是生产实践中，需要进行位移测量的场合非常多。此外，还有许多被测物理量可以量的场合非常多。此外，还有许
2、多被测物理量可以转化为位移进行测量，如压力、位置等都可以通过转化为位移进行测量，如压力、位置等都可以通过某种转换部件，先将它们转换为直线位移，然后通某种转换部件，先将它们转换为直线位移，然后通过测量位移间接得到被测量。在不同的场合、不同过测量位移间接得到被测量。在不同的场合、不同的应用领域，对位移测量传感器的要求差异也很大，的应用领域，对位移测量传感器的要求差异也很大，比如测量范围、测量精度、动态响应等。因此，位比如测量范围、测量精度、动态响应等。因此，位移测量传感器的种类也是相当多，并且各自的特性移测量传感器的种类也是相当多，并且各自的特性也不相同。也不相同。第3页，讲稿共130张，创作于星
3、期一44.1 电感式位移传感器电感式位移传感器电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应原理电磁感应原理，将输入量转换成电感，将输入量转换成电感变化量的一种装置。常配以不同的敏感元件用来测量变化量的一种装置。常配以不同的敏感元件用来测量位移、压位移、压力、振动力、振动等物理参数。等物理参数。第4页，讲稿共130张，创作于星期一54.1 电感式位移传感器电感式位移传感器 4.1.1电感位移传感器原理与分类电感位移传感器原理与分类图图4-1 4-1 电感式传感器的结构原理电感式传感器的结构原理 第5页，讲稿共130张，创作于星期一6自感自感L与气隙与气隙成反比，而与气隙导磁截面积成反比，而与气隙
4、导磁截面积A成正比。成正比。W线圈匝数，线圈匝数，0空气磁导率。空气磁导率。气隙型传感器的结构原理图气隙型传感器的结构原理图 第6页，讲稿共130张，创作于星期一74.1.1电感位移传感器原理与分类电感位移传感器原理与分类v差动变隙式电感传感器的原理差动变隙式电感传感器的原理结构结构初态时：若结构对称，且动铁居中，初态时：若结构对称，且动铁居中，则则1=2，U0=0。动铁上移时：则动铁上移时：则1L1I1=I1-I2L2I2=I2+II=I2-I1=2IU0=2IZL同理，动铁下移时：同理，动铁下移时：U0=-2IZL 第7页，讲稿共130张，创作于星期一84.1.2 电感位移传感器输出特性电
5、感位移传感器输出特性 v由图可以看出由图可以看出L=f()不是线性的，即变气隙式不是线性的，即变气隙式传感器传感器和和L之间不满足线形变化关系。理论上，之间不满足线形变化关系。理论上，当当=0时，时，L为为，如果考虑到导磁体的磁阻，如果考虑到导磁体的磁阻，即当即当=0时，时，L不等于不等于，而有一定的数值。变，而有一定的数值。变截面积式传感器的面积截面积式传感器的面积S与与L值则是线性关系，值则是线性关系，即即L=f(S)的特性曲线为一条直线。的特性曲线为一条直线。第8页，讲稿共130张，创作于星期一94.1.2 电感位移传感器输出特性电感位移传感器输出特性 v变气隙式、变面积式和螺线管式三种
6、类型电感传感器相比较，变变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型电感传感器相比较，变气隙式灵敏度最高，因而它对电路的放大倍数要求很低，缺点是气隙式灵敏度最高，因而它对电路的放大倍数要求很低，缺点是非线性严重。为了限制非线性误差，示值范围只能很小，导致自非线性严重。为了限制非线性误差，示值范围只能很小，导致自由行程小，因此制造装配比较困难。变面积式的优点是具有较好由行程小，因此制造装配比较困难。变面积式的优点是具有较好的线性，自由行程较大。螺线管式主要优点是结构简单、制造装的线性，自由行程较大。螺线管式主要优点是结构简单、制造装配容易、自由行程大，但是灵敏度最低。但灵敏度低可以通过放配容易、自由行程
7、大，但是灵敏度最低。但灵敏度低可以通过放大电路加以解决，因此，目前螺管型电感传感器用得越来越多。大电路加以解决，因此，目前螺管型电感传感器用得越来越多。第9页，讲稿共130张，创作于星期一104.1.3电感位移传感器测量电路电感位移传感器测量电路 1.变压器电桥变压器电桥v输出特性公式为输出特性公式为v在初始位置时在初始位置时Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，电桥处于平衡状态，U0=0 动铁芯上移时：动铁芯上移时：1L1Z1=Z+Z2L2Z2=Z-Z代入式（代入式（4-2），得），得图图4-4 4-4 变压器电桥变压器电桥 第10页，讲稿共130张，创作于星期一114.1.3电感位移传感器测量
8、电路电感位移传感器测量电路2.相敏检波电路相敏检波电路相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检波的交流电桥为例介绍该电路的作用。图4.5相敏检波电路()带相敏检波的交流电桥；()实用电路第11页，讲稿共130张，创作于星期一124.1.3电感位移传感器测量电路电感位移传感器测量电路如图3.11(a)所示，Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3Z4构成另两个桥臂，U为供桥电压，U为输出。当衔铁处于中间位置时，Z1Z2Z，电桥平衡，U0。若衔铁上移，Z1增大，Z2减小。如供桥电压为正半周，即A点电位高于B点，二极管D1、D4导通，D2、D3截止。在AECB支路中，C点电位由于Z1增大
9、而降低；在AFDB支路中，D点电位由于Z2减小而增高。因此D点电位高于C点，输出信号为正第12页，讲稿共130张，创作于星期一134.1.3电感位移传感器测量电路电感位移传感器测量电路如供桥电压为负半周，B点电位高于A 点，二极管D2、D3导通，D1、D4截止。在BCFA支路中，C点电位由于Z2减小而比平衡时降低；在BDEA支路中，D点电位则因Z1增大而比平衡时增高。因此D点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。实际采用的电路如图3.11(b)所示。L1、L2为传感器的两个线圈，C1、C2为另两个桥臂。电桥供桥电压由变
10、压器B的次级提供。R1、R2、R3、R4为四个线绕电阻，用于减小温度误差。C3为滤波电容，Rw1为调零电位器，Rw2为调倍率电位器，输出信号由电压表V指示。第13页，讲稿共130张，创作于星期一144.2 电涡流式传感器电涡流式传感器 第14页，讲稿共130张，创作于星期一15其中：其中：金属电导率，金属电导率，金属磁导率，金属磁导率，r 线圈与被测物体的尺寸因子，线圈与被测物体的尺寸因子，f 激磁电流频激磁电流频率，率，x 线圈与导体间的距离线圈与导体间的距离 基于法拉第电磁感应原理，当传感器线基于法拉第电磁感应原理，当传感器线圈通以正弦交变电流圈通以正弦交变电流 I1 时，线圈周围空间将时
11、，线圈周围空间将产生正弦交变磁场产生正弦交变磁场 H1，被测导体内产生呈被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流涡旋状的交变感应电流I2，称电涡流效应。称电涡流效应。电涡流产生的交变磁场电涡流产生的交变磁场H2与与H1方向相反，它方向相反，它使传感器线圈等效阻抗发生变化。使传感器线圈等效阻抗发生变化。4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器第15页，讲稿共130张，创作于星期一16应用：应用：x位移、厚度、振幅；位移、厚度、振幅；表面温度、电解质浓度、材质判别等；表面温度、电解质浓度、材质判别等；，无损探伤等。无损探伤等。特点：非接触连续测量，灵敏度高、频响宽、分辨率高特点：非接触连续测量，灵敏度高、
12、频响宽、分辨率高涡流分布在导体表面涡流分布在导体表面 4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器第16页，讲稿共130张，创作于星期一174.2 电涡流式传感器电涡流式传感器第17页，讲稿共130张，创作于星期一184.2 电涡流式传感器电涡流式传感器第18页，讲稿共130张，创作于星期一19低频透射式电涡流式传感器：低频透射式电涡流式传感器：音频音频(20kHz)激励电流激励电流低频透射式涡流传感器多用低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。于测定材料厚度。4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器第19页，讲稿共130张，创作于星期一204.2 电涡流式传感器电涡流式传感器v3.技术参数技术参数型号测
13、量范围mm分辨率m重复性m线性度频响kHz温漂静态 动态KD19251.270.761.30.7621.50100.054/KD19503.811.32.52.5410100.036/KD197552.52.52.54102.50.018/KD1925M0.90.761.30.7621.50100.054/表表4-1 4-1 英国真尚有电涡流传感器主要技术指标英国真尚有电涡流传感器主要技术指标第20页，讲稿共130张，创作于星期一21w 测量电路测量电路交流电桥、谐振电路交流电桥、谐振电路4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器第21页，讲稿共130张，创作于星期一224.2 电涡流式传感器电涡流
14、式传感器LC并联阻抗第22页，讲稿共130张，创作于星期一234.2 电涡流式传感器电涡流式传感器LC回路是振荡器的一部分第23页，讲稿共130张，创作于星期一244.2 电涡流式传感器电涡流式传感器v2.电桥测量电路电桥测量电路v电桥将反映线圈阻抗的变化，线电桥将反映线圈阻抗的变化，线圈阻抗的变化反映被测金属导体圈阻抗的变化反映被测金属导体的接近程度。当静态时，电桥平的接近程度。当静态时，电桥平衡，输出电压衡，输出电压u u0 0=0=0。当传感器接近。当传感器接近被测金属导体时，传感器线圈的阻抗被测金属导体时，传感器线圈的阻抗发生变化，电桥失去平衡，即发生变化，电桥失去平衡，即u u0 0
15、00，该信号经经过线性放大和检波器，该信号经经过线性放大和检波器检波后输出直流电压，其幅值经过检波后输出直流电压，其幅值经过标定即可以实现对位移量的测量。标定即可以实现对位移量的测量。图4-11 涡流传感器电桥测量电路 第24页，讲稿共130张，创作于星期一254.2 电涡流式传感器电涡流式传感器v 电涡流式传感器的特点：电涡流式传感器的特点：非接触测量，不易受油液介质影响；非接触测量，不易受油液介质影响；结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达0.05微米；微米；频率响应范围宽（频率响应范围宽（010kHz），适合动态测量。），适合动态测量。第25
16、页，讲稿共130张，创作于星期一264.2.3电涡流传感器应用电涡流传感器应用 v1.位移测量位移测量图4-12 电涡流位移测量方法 第26页，讲稿共130张，创作于星期一274.2.3电涡流传感器应用电涡流传感器应用v2.振动测量振动测量图4-13 电涡流振动测量方法 第27页，讲稿共130张，创作于星期一28无损探伤无损探伤 4.2.3电涡流传感器应用电涡流传感器应用第28页，讲稿共130张，创作于星期一294.2.3电涡流传感器应用电涡流传感器应用测转速测转速 测厚度测厚度 计数计数 测裂纹测裂纹 第29页，讲稿共130张，创作于星期一304.2.3电涡流传感器应用电涡流传感器应用v5.
17、液位测量与控制液位测量与控制图4-15 利用电涡流传感器构成的液位监控系统 第30页，讲稿共130张，创作于星期一314.2.3电涡流传感器应用电涡流传感器应用v6.厚度测量厚度测量v（1）金属表面的厚膜测量第31页，讲稿共130张，创作于星期一324.2.3电涡流传感器应用电涡流传感器应用v6.厚度测量厚度测量v（2）金属板厚度测量图4-19 高频反射式电涡流测厚仪 第32页，讲稿共130张，创作于星期一33原理：被测非电量转换为电容量的变化原理：被测非电量转换为电容量的变化 种类：变极距种类：变极距、变面积变面积A、变介质变介质 、A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起
18、电容的变化。4.3 电容式位移传感器电容式位移传感器 4.3.1 电容式位移传感器原理与分类电容式位移传感器原理与分类 第33页，讲稿共130张，创作于星期一34输入输出关系：输入输出关系：/0C/C0 具有严重非线性。具有严重非线性。灵敏度：灵敏度：1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 第34页，讲稿共130张，创作于星期一351.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 第35页，讲稿共130张，创作于星期一361.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 第36页，讲稿共130张，创作于星期一371.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 第37页，讲稿共130张，创作于星期一38输入输出特性
19、：输入输出特性：灵敏度：灵敏度：面积变化型电容传感器的优点是面积变化型电容传感器的优点是输输出与输入成线性关系出与输入成线性关系，但与极板变化，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于型相比，灵敏度较低，适用于较大角较大角位移及直线位移的测量位移及直线位移的测量。2.变面积型电容传感器变面积型电容传感器 第38页，讲稿共130张，创作于星期一39 介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常数变化，介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传感器。因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传感器。图中，厚度为图中，厚度为2的介质（的介质
20、（2为为其介电常数）在电容器中左其介电常数）在电容器中左右运动，由于电容器中介质右运动，由于电容器中介质的介电常数改变，电容量改的介电常数改变，电容量改变。变。3.变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器 第39页，讲稿共130张，创作于星期一40电容式传感器电容式传感器 测量电路测量电路 常用的有电桥电路、谐振电路、调频电路、运算放大电路、常用的有电桥电路、谐振电路、调频电路、运算放大电路、差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路等。等。参考电位参考电位 比较器比较器 第40页，讲稿共130张，创作于星期一414.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点 1.优点：优点：.温度稳
21、定性好温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。.结构简单结构简单电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。第41页，讲稿共130张，创作于星期一424.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点.动态响应好动态响应好 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个105N），需要的作用能
22、量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。.可以非接触测量，具有平均效应可以非接触测量，具有平均效应 例如 非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0
23、.01m 甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。第42页，讲稿共130张，创作于星期一432.缺点缺点（1）输出阻抗高，负载能力差）输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般微几十导几百皮法，其值只有几个皮法，使 传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达108106。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以
24、上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。4.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点第43页，讲稿共130张，创作于星期一44（2）寄生电容影响大。）寄生电容影响大。电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。（3）输出特性非线性。）输出特性非线性。变极距型电容传感器的输出是非线性的。其它类型传感器也只有忽略电场的边缘效应时，输出才是线性的。4.3.2 电容
25、式位移传感器特点电容式位移传感器特点第44页，讲稿共130张，创作于星期一454.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路 1.交流电桥电路交流电桥电路v交流电桥电路如图交流电桥电路如图4-22所示，高频电源经所示，高频电源经变压器接到电桥的一条对角线上，电容变压器接到电桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的构成电桥的4个臂，个臂，Cx为电容传感器，交流电桥平衡时则为电容传感器，交流电桥平衡时则U0=0。当当Cx改变时，改变时，U00，有电压输出。，有电压输出。v此种电桥电路要求交流电源的幅度和频率此种电桥电路要求交流电源的幅度和频率都十分稳定；电桥放大器的输入
26、阻抗要高；都十分稳定；电桥放大器的输入阻抗要高；测量系统的动态响应受电桥供电电源的频测量系统的动态响应受电桥供电电源的频率限制，一般要求电源频率为被测信号最率限制，一般要求电源频率为被测信号最高频率的高频率的510倍。倍。图4-22 交流电桥电路 第45页，讲稿共130张，创作于星期一464.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路2.2.变压器电桥变压器电桥 如图4-23所示，C1、C2为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为对变极距型电容传感器，代入上式得对变极距型电容传感器，代入上式得4-23 变压器电桥 第46页，讲稿共130张，创作于星期一474.3.3 电容式位
27、移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路 3.调频电路调频电路v电容式传感器的调频电路原理电容式传感器的调频电路原理如图如图4-244-24所示。该电路将电容所示。该电路将电容式传感器接入高频振荡器的式传感器接入高频振荡器的LCLC回路中，当被测量变化时，电回路中，当被测量变化时，电容也随之变化，产生一个变化容也随之变化，产生一个变化量量CC，使得振荡频率也相，使得振荡频率也相应变化。调频振荡器的振荡应变化。调频振荡器的振荡频率为频率为第47页，讲稿共130张，创作于星期一484.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路 4.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路当接通电源后，若触发
28、器当接通电源后，若触发器Q Q端为高电端为高电平平(U(U1 1)，端为低电平，端为低电平(0)(0)，则触发器，则触发器通过通过R R1 1对对C C1 1充电；当充电；当F F点电位点电位U UF F升到升到与参考电压与参考电压U Ur r相等时，比较器相等时，比较器ICIC1 1产产生一脉冲使触发器翻转，从而使生一脉冲使触发器翻转，从而使Q Q端端为低电平，端为高电平为低电平，端为高电平(U(U1 1)。此时，。此时，由电容由电容C C1 1通过二极管通过二极管D D1 1迅速放电至零，迅速放电至零，而触发器由端经而触发器由端经R R2 2向向C C2 2充电；当充电；当G G点点电位电
29、位U UG G与参考电压与参考电压U Ur r相等时，比较相等时，比较器器ICIC2 2输出一脉冲使触发器翻转，从输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。而循环上述过程。图4-25 脉冲宽度调制电路 第48页，讲稿共130张，创作于星期一494.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路 可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。当C1=C2时，各点的电压波形如图4.26(a)所示，Q和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1C2时，各点的电压波形如图4.26(b)所示，Q、两端间的平均电压(经一低通滤波器)为(4-13)式中：T
30、1和T2分别为Q端和 端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。第49页，讲稿共130张，创作于星期一50图4-26 各点电压波形图4.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路第50页，讲稿共130张，创作于星期一51当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，式(4-13)有 (4-14)这种电路只采用直流电源，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。用于差动式变面积型电容传感器时有 (4-15)4.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路第51页，讲稿共130张，创作于星期一524.3.3 电容式位移传感器测量电路
31、电容式位移传感器测量电路5 5运算放大器电路运算放大器电路这种电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出；直流信号的极性取决于C1和C2；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。图4-27为其电原理图。C1为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi)，因此可视作理想运算放大器。其输出端输出一与C1成反比的电压U0，即(4-16)第52页，讲稿共130张，创作于星期一53图4-27 运算放大器电路4.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位
32、移传感器测量电路式中 Ui为信号源电压，C0为固定电容，要求它们都很稳定。对变极距型电容传感器(C10rA/)，式(4-16)可写为第53页，讲稿共130张，创作于星期一54(4-17)可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。4.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路第54页，讲稿共130张，创作于星期一554.3.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 第55页，讲稿共130张，创作于星期一564.3.3 电容传感器应用电容传感器应用v1.电容式位移传感器电容式位移传感器图4-28 电容式移传感器应用 第56页，讲稿共130张，创作于星期一
33、574.3.3 电容传感器应用电容传感器应用v2.电容加速度传感器电容加速度传感器图4-29 电容式加速度传感器结构第57页，讲稿共130张，创作于星期一584.3.3 电容传感器应用电容传感器应用v3.电容式物位传感器电容式物位传感器图4-30 电容式物位传感器原理 第58页，讲稿共130张，创作于星期一59v当两圆筒间充以介电常数为1的气体时，则由该圆筒组成的电容器的电容量为v（4-16）v如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为2的液体所浸没，设被浸没得电极长度为H，此时的电容量为图4-30电容式物位传感器原理v（4-17）v经整理可得v（4-18）v式中，C为电容器的电容值得增量，其值为
34、v4.3.3 电容传感器应用电容传感器应用 第59页，讲稿共130张，创作于星期一604.3.3 电容传感器应用电容传感器应用v3.电容式物位传感器电容式物位传感器图4-31 电容传感器进行料位测量传感器的电容可由下式表示传感器的电容可由下式表示 式中，k为比例常数；s为被测物料的相对介电常数；0为空气的相对介电常数；D为罐内直径；d为测定电极的直径；h为物料的高度。第60页，讲稿共130张，创作于星期一61非接触检测塑料管道内溶液液位非接触检测塑料管道内溶液液位。当液位达到设定高度。当液位达到设定高度并超出时，溶液进入电容式传感器检测范围，传感器产生输出并超出时，溶液进入电容式传感器检测范围
35、，传感器产生输出信号传送给控制机构，控制机构报警或进行其它动作，达到液信号传送给控制机构，控制机构报警或进行其它动作，达到液位控制的目的。位控制的目的。4.3.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用 第61页，讲稿共130张，创作于星期一624.3.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用v4.电容式测厚传感器电容式测厚传感器图4-32 差动式电容测厚传感器测量原理第62页，讲稿共130张，创作于星期一634.3.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用 第63页，讲稿共130张，创作于星期一644.3.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用 第64页，讲稿共130张，创作于星期一654.3.3电
36、容式传感器的应用电容式传感器的应用 第65页，讲稿共130张，创作于星期一66 置于磁场中的载流导体，当它的置于磁场中的载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行电流和磁场方向上的两个导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为面之间产生电动势，这种现象称为霍霍尔效应尔效应。4.4 霍尔位移传感器霍尔位移传感器4.4.1 4.4.1 霍尔传感器结构与工作原理霍尔传感器结构与工作原理 第66页，讲稿共130张，创作于星期一67霍尔式传感器基本原理霍尔式传感器基本原理 载流子在磁场中受到载流子在磁场中受到洛伦兹力洛伦兹力的作用而发生
37、偏转，从而形成电场的作用而发生偏转，从而形成电场E，当载流子受到的电场力与洛伦兹力达到动态平衡时，累积电荷形成稳定的当载流子受到的电场力与洛伦兹力达到动态平衡时，累积电荷形成稳定的电势电势UH 。其中其中 霍尔常数霍尔常数 磁场与元件平面法线方向的夹角磁场与元件平面法线方向的夹角 d 与磁场方向一致的霍尔元件厚度与磁场方向一致的霍尔元件厚度第67页，讲稿共130张，创作于星期一68由由 得知，得知，d 越小，越小，越大，则感生电动势越大，越大，则感生电动势越大，故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的N型半导体材料制作的型半导体材料制作的薄片，厚度微米级。薄片，厚度微米
38、级。霍尔式传感器的结构霍尔式传感器的结构 第68页，讲稿共130张，创作于星期一694.4.2 霍尔传感器主要参数霍尔传感器主要参数 v（1）额定控制电流）额定控制电流IH v（2）灵敏度）灵敏度KH v（3）不等位电势）不等位电势U0v（4）输入电阻）输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻Rov（5）霍尔电势温度系数）霍尔电势温度系数v（6）工作温度范围）工作温度范围第69页，讲稿共130张，创作于星期一704.4.2 霍尔传感器主要参数霍尔传感器主要参数v额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10度时所流过的激励电流以元件最大温升为限制所对应的激励电流v输入电阻和输出电阻激励电极间的电
39、阻电压源内阻v不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，此时测得的空载霍尔电势。不等位电势就是激励电流经不等位电阻所产生的电压。v寄生直流电势v霍尔电势温度系数UHIHRiRo第70页，讲稿共130张，创作于星期一71部分国产霍尔元件型号及参数表部分国产霍尔元件型号及参数表 型号最大霍尔输出电压mV灵敏度mV(mAkGs)-1输入电阻输出电阻不等位电势mV灵敏度温度系数-1霍尔电势温度系数-1工作温度范围HSJ-1A250254004001210-4-510-4-55+125HJS-2200010200.220000.220000.0210210-43.5
40、10-3-50+250HJS-3B75010150.510000.510000.5210-4-510-4-55+125HJS-52000400.220000.220000.0210210-43.510-3-50+250HZ-11.40.2110(20)1510-4-0+60第71页，讲稿共130张，创作于星期一724.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿霍尔传感器测量电路与误差补偿 v1.测量电路测量电路v（1）霍尔元件及符号）霍尔元件及符号第72页，讲稿共130张，创作于星期一734.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿霍尔传感器测量电路与误差补偿v（2）测量电路图4-35 霍尔元件基本测量电路
41、 第73页，讲稿共130张，创作于星期一744.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿霍尔传感器测量电路与误差补偿（3 3）霍尔传感器直流放大电路）霍尔传感器直流放大电路第74页，讲稿共130张，创作于星期一754.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿霍尔传感器测量电路与误差补偿v2.误差补偿误差补偿v（1）不等位电势及其补偿）不等位电势及其补偿图图4-37 4-37 霍尔元件等效电路霍尔元件等效电路 第75页，讲稿共130张，创作于星期一764.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿霍尔传感器测量电路与误差补偿v2.误差补偿误差补偿v（1）不等位电势及其补偿）不等位电势及其补偿图4-38 霍尔元件不等
42、位电势的补偿电路第76页，讲稿共130张，创作于星期一774.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿霍尔传感器测量电路与误差补偿v2.误差补偿误差补偿v（2）温度误差及其补偿图4-39 霍尔元件温度补偿方法第77页，讲稿共130张，创作于星期一78 霍尔器件在霍尔器件在x方向上长度为方向上长度为b，x0 是位于气隙下的初始长度。此是位于气隙下的初始长度。此传感器常采用差动结构。传感器常采用差动结构。4.4.4 霍尔传感器应用霍尔传感器应用第78页，讲稿共130张，创作于星期一79图图4-414-41给出的是线性霍尔元件放大电路。它将霍尔输出给出的是线性霍尔元件放大电路。它将霍尔输出电压放大到电压放
43、大到5V5V。4.4.4 霍尔传感器应用霍尔传感器应用图4-41 线性霍尔元件放大电路第79页，讲稿共130张，创作于星期一804.4.4 4.4.4 霍尔传感器应用霍尔传感器应用第80页，讲稿共130张，创作于星期一81第81页，讲稿共130张，创作于星期一82第82页，讲稿共130张，创作于星期一83第83页，讲稿共130张，创作于星期一84第84页，讲稿共130张，创作于星期一85第85页，讲稿共130张，创作于星期一86第86页，讲稿共130张，创作于星期一87第87页，讲稿共130张，创作于星期一884.5 光栅传感器光栅传感器v4.5.1光栅结构与种类光栅结构与种类v光栅是在透明的
44、玻璃上刻有大量相互平行、光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的刻线。没有刻线的地方等宽而又等间距的刻线。没有刻线的地方透光（或反光），刻线的地方不透光（或透光（或反光），刻线的地方不透光（或不反光）。图不反光）。图4-434-43所示的是一块黑白型长光所示的是一块黑白型长光栅，平行等距的刻线称为栅线。设其中透光的栅，平行等距的刻线称为栅线。设其中透光的缝隙宽度为缝隙宽度为a a，不透光的缝隙宽度为，不透光的缝隙宽度为b b，一般情，一般情况下，况下，a ab b。图中。图中w wa+ba+b称为光栅栅距称为光栅栅距(或光或光栅节距、光栅常数栅节距、光栅常数)，它是光栅的一个重要
45、参，它是光栅的一个重要参数。对于圆光栅来说，除了参数栅距之外，还数。对于圆光栅来说，除了参数栅距之外，还经常使用栅距角。栅距角是指圆光栅上相邻两经常使用栅距角。栅距角是指圆光栅上相邻两刻线所夹的角。刻线所夹的角。图4-43 光栅结构 第88页，讲稿共130张，创作于星期一894.5.1光栅结构与种类v光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。v刻画在玻璃尺上的光栅称为长光栅，也称光栅尺，用于测量长刻画在玻璃尺上的光栅称为长光栅，也称光栅尺，用于测量长度或几何位移。根据光线的走向，长光栅还分为透射光栅和反度或几何位移。根据光线的走向，长光栅还分为透射光栅和反射光栅。射光
46、栅。v透射光栅是将光栅线刻制在透明材料上，通常选用光学玻璃和透射光栅是将光栅线刻制在透明材料上，通常选用光学玻璃和制版玻璃。反射光栅的栅线刻制在具有强反射能力的金属上，制版玻璃。反射光栅的栅线刻制在具有强反射能力的金属上，如不锈钢或玻璃镀金属膜（如铝膜），光栅也可刻制在钢带上如不锈钢或玻璃镀金属膜（如铝膜），光栅也可刻制在钢带上再粘结在尺基上。再粘结在尺基上。v刻画在玻璃盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘，用来测量角刻画在玻璃盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻画的方向，圆光栅分两种，一种是径度或角位移。根据栅线刻画的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长
47、线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的小圆相切。圆光栅向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的小圆相切。圆光栅只有透射光栅。只有透射光栅。第89页，讲稿共130张，创作于星期一904.5.2 光栅传感器工作原理光栅传感器工作原理1.光栅传感器组成光栅传感器组成v光栅传感器通常由光源、聚光镜、光栅传感器通常由光源、聚光镜、计量光栅、光电器件及测量电路等计量光栅、光电器件及测量电路等部分组成。计量光栅由标尺光栅部分组成。计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，它决（主光栅）和指示光栅组成，它决定了整个系统的测
48、量精度。定了整个系统的测量精度。v一般主光栅和指示光栅的刻线密度一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得相同，但主光栅要比指示光栅长得多，它们的刻线面相对，中间留有多，它们的刻线面相对，中间留有很小的间隙。测量时光源为传感器很小的间隙。测量时光源为传感器提供能量（光能），聚光镜将光源提供能量（光能），聚光镜将光源发出的可见光收集起来，并将其转发出的可见光收集起来，并将其转换成为平行光束送到计量光栅。主换成为平行光束送到计量光栅。主光栅与被测对象连在一起，并随其光栅与被测对象连在一起，并随其运动，指示光栅固定不动。运动，指示光栅固定不动。图4-44 光栅传感器测量原理第90页
49、，讲稿共130张，创作于星期一914.5.2 光栅传感器工作原理光栅传感器工作原理2.莫尔条纹莫尔条纹v由于主光栅和指示光栅的作用，形由于主光栅和指示光栅的作用，形成了莫尔条纹。如图成了莫尔条纹。如图4-45所示，在所示，在aa线上两光栅的栅线彼此线上两光栅的栅线彼此错开，光线无法通过，形成暗错开，光线无法通过，形成暗带；在带；在bb线上两光栅互相线上两光栅互相重合，互相挡住缝隙，光线从重合，互相挡住缝隙，光线从缝隙中通过，形成亮带。这种缝隙中通过，形成亮带。这种明暗相间得条纹就成为莫尔条明暗相间得条纹就成为莫尔条纹，它的方向与刻线方向垂直。纹，它的方向与刻线方向垂直。图图4-45 莫尔条纹形
50、成 第91页，讲稿共130张，创作于星期一924.5.2 光栅传感器工作原理光栅传感器工作原理v莫尔条纹有以下特性：莫尔条纹有以下特性：（1）位移放大作用）位移放大作用v当光栅移动一个光栅栅距当光栅移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也移动一个条纹宽度时，莫尔条纹也移动一个条纹宽度B。由于主光栅和指示光栅的栅线之间的夹角。由于主光栅和指示光栅的栅线之间的夹角很小，且两光栅很小，且两光栅的光栅栅距相等，因此，它们之间近似关系为的光栅栅距相等，因此，它们之间近似关系为 可见其位移放大倍数为可见其位移放大倍数为（2）运动对应关系）运动对应关系v莫尔条纹的位移量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移莫尔条纹