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1、能量控制型传感器本讲稿第一页，共八十七页能量控制型传感器本讲稿第二页，共八十七页第2章能量控制型传感器2.1电阻应变式传感器2.2电容式传感器2.3电感式传感器本讲稿第三页，共八十七页2.1电阻应变式传感器2.1.1电阻应变效应导体或半导体在外界力的作用下产生机械形变，其电阻值也随着发生变化，这种现象称为电阻应变效应。下面我们以金属丝应变片为例分析这种效应。2.1.2应变片结构类型与粘贴1.应变片的结构类型常用的应变片有金属应变片和半导体应变片两类，金属应变片分为金属丝式、箔式和薄膜式三种；半导体应变片分为体型、扩散型、薄膜型和PN结元件等类型，如图2-1所示。本讲稿第四页，共八十七页2.1电
2、阻应变式传感器金属丝式应变片由敏感栅、基底和覆盖层、黏结剂、引线组成，如图22所示。其中敏感栅是应变片最重要的部分，一般栅丝直径为0015005mm。敏感栅的纵向轴线称为应变片轴线，根据不同用途，栅长可为02200mm。基底和覆盖层用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置，并将被测件上的应变迅速准确地传递到敏感栅上。因此基底做得很薄，一般为00204mm。覆盖层起保护敏感栅作用。基底和覆盖层用专门的薄纸制成的称为纸基，用各种黏结剂和有机树脂膜制成的称为胶基，现多采用后者。本讲稿第五页，共八十七页2.1电阻应变式传感器图2-1各种应变片结构图a)金属丝式应变片b)金属箔式应变片c)体型半导体应变
3、片1基片2Si片3引线本讲稿第六页，共八十七页2.1电阻应变式传感器图2-2金属丝式应变片结构示意图1引线2覆盖层3基片4敏感栅本讲稿第七页，共八十七页2.1电阻应变式传感器2.应变片的粘贴应变片是粘贴在弹性敏感元件或被测元件上的，传感器的性能在很大程度上取决于粘贴质量，所以黏合剂的选择要考虑基片的材料、工作环境、潮湿程度、稳定性、是否加温加压以及粘贴时间等因素。(1)试件的表面处理为了保证良好的黏合度，粘贴表面应保持平整、光滑，无杂质、油污及表面氧化层等。本讲稿第八页，共八十七页2.1电阻应变式传感器(2)确定贴片位置在应变片上标出敏感栅的纵向、横向中心线，在试件被测点处画出中心线，粘贴时使
4、两者重合。(3)粘贴先在处理后的试件表面和应变片的基底各涂一层薄而均匀的胶水，然后将应变片贴在被测点上，并在应变片上覆盖一层聚乙烯塑料薄膜并加压，将多余的胶水和气泡排出，加压时要注意防止应变片错位。(4)固化根据所使用的黏合剂的固化工艺要求进行固化处理和时效处理。(5)粘贴质量检查检查粘贴位置是否合格，黏合层是否有气泡和漏贴，敏感栅是否有短路或断路现象以及敏感栅的绝缘性能等。(6)引线的焊接与防护检查合格后即可焊接引线。2.1.3电阻应变式压力传感器的组成本讲稿第九页，共八十七页2.1电阻应变式传感器应变片正常工作时需依附于弹性元件，可以通过两种形式实现应变片的粘贴。一种是将应变片直接粘贴于压
5、力位移型弹性元件（只有平膜片容易实现）的应变处，在弹性元件实现压力位移变换的同时，也实现了应变电阻值的变换。另一种是粘贴在力应变型弹性元件表面，通过压力位移型弹性元件实现压力力的变换，再通过粘贴有电阻应变片的力应变型弹性元件实现力应变电阻值的转换。最后，把应变片接入测量电桥的桥臂，通过测量电路把电阻值转换成电压或电流信号，送至显示仪表。电阻应变式压力传感器结构原理框图如图23所示。本讲稿第十页，共八十七页2.1电阻应变式传感器图2-3电阻应变式压力传感器结构原理框图1.力-应变型弹性元件常用的力-应变型弹性元件有柱形弹性元件、悬臂梁和薄壁环等。本讲稿第十一页，共八十七页2.1电阻应变式传感器图
6、2-4圆柱式测力传感器a)圆柱外形b)圆柱面展开图本讲稿第十二页，共八十七页2.1电阻应变式传感器(1)柱形弹性元件此类弹性元件由于应变很小，测力量程较大，尤其是实心圆柱在径向尺寸较大时，测力上限可达数千万牛顿，常作为荷重式压力传感器的敏感元件。例2-1将阻值为120、灵敏度为K=2的电阻应变片，分别沿轴向、径向贴在外直径为10cm、内直径为5cm的圆环形钢柱表面，钢材的弹性模量E=21011N/m2，在钢柱受到F=7.5103N拉力后，两应变片的电阻分别变化了多少？解：钢柱的横截面积(2)梁式弹性元件梁有多种形式，如图2-5所示。本讲稿第十三页，共八十七页2.1电阻应变式传感器图2-5梁式测
7、力传感器a)等截面悬臂梁b)等强度悬臂梁c)双孔梁d)“S”形弹性梁本讲稿第十四页，共八十七页2.1电阻应变式传感器(3)薄壁环如图2-6所示，弹性元件为等截面圆环。图2-6薄壁环式测力传感器本讲稿第十五页，共八十七页2.1电阻应变式传感器2.测量电路电阻应变式传感器是把机械应变量转换成电阻变化量，由于应变量及电阻变化量一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。在电阻应变式传感器中最常用的测量电路是桥式电路。按电源性质不同，可分为直流电桥和交流电桥。按电桥桥臂电阻的工作方式不同，可分为惠斯顿电桥、半桥和全桥。图2-7桥式测量电路a)直流电桥b)桥路的调零电路本讲稿第十六页，共八十七页2
8、.1电阻应变式传感器(1)惠斯顿电桥(2)半桥(3)全桥即电桥的四个桥臂都为应变片，此时电桥输出电压公式为式(2-5)或式(2-6)。例2-2将四片阻值为200的应变片对称粘贴在等强度悬臂梁的上下表面，与阻值为200的固定电阻组成电桥电路，应变片灵敏度K=2，桥路供电电压为5V，当应变片产生2106应变时，试求惠斯顿电桥、半桥以及全桥工作时的输出电压。解：惠斯顿电桥：本讲稿第十七页，共八十七页2.1电阻应变式传感器3.温度补偿在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数(t)及栅丝与试件膨胀系数(g、s)的差异性而产生虚假应变输出时，测量有时会产生与真实应变同数量级的误差，必须采取补偿温度误差的
9、措施。图2-8补偿块温度补偿示意图1试件2补偿块本讲稿第十八页，共八十七页2.1电阻应变式传感器(1)补偿块补偿法采用惠斯顿电桥测量如图2-8所示试件上表面某一点的应变时，可采用两片型号、初始电阻和灵敏度都相同的应变片R1和R2，R1贴在试件的测试点上，R2(称为温度补偿片)贴在试件的零应变处(图中试件的中线上)，或贴在补偿块上。1)R1和R2是同规格的应变片，即它们的初始电阻值、电阻温度系数、线膨胀系数和应变灵敏度K都相同。2)粘贴补偿应变片的补偿块材料和粘贴工作应变片的试件材料必须相同。3)两应变片R1和R2处于同一温度场。(2)桥路自补偿法当测量桥路处于半桥和全桥工作方式时，与上述补偿法
10、的原理相似，应变片受温度影响产生的电阻变化量相同，接在电桥相邻两臂上而相互抵消，达到桥路自补偿的目的。本讲稿第十九页，共八十七页2.1电阻应变式传感器图2-9半桥的温度补偿2.1.4电阻应变式传感器的应用本讲稿第二十页，共八十七页2.1电阻应变式传感器图2-10应变式转矩传感器a)半桥应变片粘贴图b)全桥应变片粘贴图1.应变式转矩传感器测量转矩时，可以直接将应变片粘贴在被测轴上，其原理如图2-10所示。本讲稿第二十一页，共八十七页2.1电阻应变式传感器2.应变式压力传感器应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量，测量压力的范围在104107Pa之间。(1)筒式压力传感器如图2-11所示，通
11、常用于测量较大的压力。图2-11筒式压力传感器1工作应变片2补偿应变片本讲稿第二十二页，共八十七页2.1电阻应变式传感器(2)膜片式压力传感器如图2-12所示，它的敏感元件为圆形膜片，应变片贴在膜片上。(3)组合式压力传感器如图2-13所示，它的压力-位移型弹性元件为波纹膜片、膜盒或波纹管，而应变片粘贴在力-应变型弹性元件悬臂梁上。图2-12膜片式压力传感器1插座2膜片3应变片本讲稿第二十三页，共八十七页2.1电阻应变式传感器图2-13组合式压力传感器a)波纹膜片与悬臂梁组合b)波纹管与悬臂梁组合c)波纹膜盒与悬臂梁组合本讲稿第二十四页，共八十七页2.1电阻应变式传感器图2-14应变式加速度传
12、感器1质量块2弹性元件3壳体及基座4应变片本讲稿第二十五页，共八十七页2.1电阻应变式传感器3.应变式加速度传感器应变式加速度传感器是一种惯性式传感器，基本原理如图2-14所示。小制作数显电子秤1.工作原理数显电子秤电路原理如图2-15所示，其主要有三部分，分别为电阻应变式传感器R1，由IC2、IC3组成的测量放大电路，IC1及外围元件组成的数显面板表。图2-15数显电子秤电路原理本讲稿第二十六页，共八十七页2.1电阻应变式传感器2.元件选择1)IC1选用ICL7126集成块，IC2、IC3选用高准确度低温漂精密运算放大器OP07，IC4选用LM3851.2V集成块。2)传感器R1选用E350
13、2AA型箔式电阻应变片，其常态阻值为350。3)各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。4)RP1选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试后可分别用精密金属膜电阻代替。5)电容中C1选用云母电容或瓷介电容。6)电源采用9V恒流源电源供电。3.制作与调试本讲稿第二十七页，共八十七页2.1电阻应变式传感器(1)数显电子秤的制作数显电子秤的形变钢件可用普通钢锯条制作，其制作方法为：首先将锯齿打磨平整，再将锯条加热至微红，趁热加工成“U”形，并在对应位置钻孔，以便以后安装；然后再将其加热至呈橙红色(七八百摄氏度)，迅速放入冷水中淬火，以提高硬度和强度；最后进行表面处理工艺。(2)数显电子秤的调试准备1kg及2
14、kg标准砝码各一个，调试过程如下：首先在秤体自然下垂且无负载时调整RP1，使显示器准确显示零；再调整RP2，使秤体承担满量程质量(本电路选满量程为2kg)时显示满量程值；然后在秤钩下悬挂1kg的标准砝码，观察显示器是否显示1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000(如有调整，应重新进行前两步调试，使之均满足要求)；最后准确测量RP2、RP3电阻值，并用固定精密电阻予以代替。本讲稿第二十八页，共八十七页2.2电容式传感器2.2.1电容式传感器的原理及结构由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容，如果不考虑其边缘效应，其电容值为1.变极距式电容传感器如图2-16a所示，变极距式电
15、容传感器的位移是由被测量变化而产生的。C=A/ddA/d=A/dd/dd=C0d/dd（211）图2-16变极距式电容传感器a)变极距式b)差动变极距式1、3固定极板2可动极板本讲稿第二十九页，共八十七页2.2电容式传感器2.变面积式电容传感器变面积式电容传感器与变极距式相比，测量范围大，可测量较大的线位移或角位移。C=A/dA/d=(AA)/d=A/d（212）图2-17变面积式电容传感器a)平板平移式b)半可调式c)筒式d)差动筒式1、3固定极板2可动极板3.变介电常数式电容传感器当两极板间极间介质的介电常数发生变化时，电容量C也随之改变，本讲稿第三十页，共八十七页2.2电容式传感器这种传
16、感器大多用来测量片状材料的厚度、被测物位移、液面高度，还可根据极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、湿度和容量等，如图2-18所示。图2-18变介电常数式电容传感器a)测厚度b)测位移c)测液位d)测容量2.2.2电容式传感器的测量电路本讲稿第三十一页，共八十七页2.2电容式传感器电容式传感器的电容值一般十分微小（几皮法至几十皮法），这样微小的电容不便直接显示、记录或传输，因此，需要借助测量电路将其转化为电压、电流或频率信号。电容式传感器的测量电路种类很多，下面介绍一些常用的测量电路。1.桥式电路图2-19所示为桥式测量转换电路，其中图2-19a为单臂接法的桥式测量电路，1
17、MHz左右的高频电源经变压器接到电容桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，Cx为电容传感器。当Cx改变时，o不为0，桥路有输出电压。在图219b中，Cx1、Cx2为传感器的两个差动电容，电桥的空载输出电压为本讲稿第三十二页，共八十七页2.2电容式传感器图2-19电容式传感器的桥式电路a)单臂接法b)差分接法2.运算放大器式电路如图2-20所示，Cx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。本讲稿第三十三页，共八十七页2.2电容式传感器图2-20运算放大器式电路3.调频电路调频电路是将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路本讲稿第三十四页，共八十七页2.2电容
18、式传感器的一部分，或作为晶体振荡器中石英晶体的负载电容。f=1/2(214)图2-21LC振荡器调频电路框图4.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路是通过对传感器电容进行充放电，使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量而变化，再通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。本讲稿第三十五页，共八十七页2.2电容式传感器如图222所示，脉冲宽度调制电路由电压比较器、双稳态触发器及电容充放电回路组成，其中C1、C2为差动电容式传感器。经分析推导，可得1.tif本讲稿第三十六页，共八十七页2.2电容式传感器图2-22脉冲宽度调制电路2.2.3电容式传感器的应用本讲稿第三十七页，共八十七页2.2电容式传
19、感器电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅（可测量005m的微小振幅），尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转准确度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压、液位、料位、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。下面简单介绍几种电容传感器的应用。1.电容式位移传感器图2-23所示为一种变面积式位移传感器的结构示意图，这种传感器采用差动形式，具有良好的线性度。图2-23电容式位移传感器1开槽簧片2测杆3活动电极4固定电极本讲稿第三十八页，共八十七页2.2电容式传感器2.差动式电容压力传感器图2-24所示
20、为一种典型的差动式电容压力传感器的结构示意图，传感器中的金属动膜片与电镀金属上下表面形成两个可变电容。差动式电容压力传感器比单极式的电容式传感器灵敏度高、线性好，但加工较困难，不易实现对被测气体或液体的密封，因此这种结构的传感器不宜工作在含腐蚀或其他杂质的流体中。3.电容式加速度传感器图2-25所示为一种典型的电容式加速度传感器的结构示意图。图2-24差动式电容压力传感器1垫圈2金属动膜片3玻璃4过滤器5电镀金属表面层本讲稿第三十九页，共八十七页2.2电容式传感器图2-25电容式加速度传感器1、5固定极板2壳体3弹簧片4质量块6绝缘体本讲稿第四十页，共八十七页2.2电容式传感器4.电容式料位传
21、感器图2-26所示为用电容式传感器测量固体块状、颗粒体及粉状物料位的原理图。如图226a所示，用金属电极棒插入容器来测量料位时，电容式料位传感器的电容C与料位H的关系为5.电容式测厚仪如图2-27所示为电容式测厚仪的工作原理图，用于金属带材在轧制过程中的厚度测量。图2-26电容式料位传感器a)电极棒测料位b)绝缘棒测料位1电极棒2、4容器壁3钢丝绳5绝缘材料本讲稿第四十一页，共八十七页2.2电容式传感器图2-27电容式测厚仪1金属带材2电容极板3导向轮4轧辊本讲稿第四十二页，共八十七页2.2电容式传感器6.电容式油量表如图2-28所示为电容式油量表的工作原理图，用于测量油箱中的油位。本讲稿第四
22、十三页，共八十七页2.2电容式传感器图2-28电容式油量表1油箱2圆柱形电容器3伺服电动机4减速箱5油量表本讲稿第四十四页，共八十七页2.2电容式传感器2.2.4电容式传感器的使用注意事项在应用或制造电容式传感器时，应特别注意以下几点：(1)击穿电压极板之间的空气隙很小，存在介质被击穿的危险，通常在两极板间加云母片避免空气隙被击穿。(2)极板材料受温度的影响由不同材料制造的传感器，具有不同的温度膨胀系数，为此在决定传感器尺寸和选材时均要考虑温度影响。(3)连接线问题电容式传感器的电容值均很小，一般在皮法(10-12F)级，因而连接线通常使用分布电容极小的高频电缆。本讲稿第四十五页，共八十七页2
23、.3电感式传感器2.3.1自感式传感器自感式传感器的结构如图229所示，它主要由铁心、线圈和衔铁组成。工作时，衔铁通过测杆（或转轴）与被测物体相接触，被测物体的直线位移或角位移的变化转换为线圈电感量的变化。这种传感器的线圈匝数和材料的磁导率都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得电压或电流的变化。常用自感式传感器有变隙式、变截面式和螺线管式三种。1.变隙式电感传感器LA/2(217)本讲稿第四十六页，共八十七页2.3电感式传感器图2-29自感式传感器a)变隙式b)变截面式c)螺线管式1线圈2铁心3衔铁4测杆5导
24、轨6工件7转轴本讲稿第四十七页，共八十七页2.3电感式传感器2.变截面式电感传感器由式(2-17)可知，在线圈匝数N确定后，若保持气隙厚度不变，则电感L是气隙的有效截面积A的函数，所以称这种传感器为变截面式电感传感器，如图2-29b所示。对于变截面式电感传感器，理论上电感量L与气隙截面积A成正比，输入与输出成线性关系，灵敏度为常数。但是，由于漏感等原因，变截面式电感传感器在A=0时，仍有较大的电感，所以其线性区较小，灵敏度较低，在工业中用的不多。3.螺线管式电感传感器单线圈螺线管式电感传感器的结构如图2-29c所示。对于长螺线管（lr），当衔铁工作在螺线管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀
25、的，此时线圈电感量L与衔铁插入深度l大致成正比。本讲稿第四十八页，共八十七页2.3电感式传感器4.差动式电感传感器上述三种电感式传感器使用时，由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰如电源电压、频率的变化，温度的变化都会使输出产生误差，所以在实际工作中常采用差动形式，既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。差动式电感传感器结构如图230所示。两个完全相同的单个线圈的电感传感器共用一根活动衔铁就构成了差动式电感传感器。图2-30差动式电感传感器a)变隙式差动电感传感器b)螺线管式差动电感传感器1差动线圈2铁心3衔铁4测
26、杆5工件本讲稿第四十九页，共八十七页2.3电感式传感器图2-31差动式电感传感器的特性曲线1线圈的特性曲线2线圈的特性曲线3差动式电感传感器的特性曲线本讲稿第五十页，共八十七页2.3电感式传感器2.3.2差动变压器式传感器1.工作原理差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次绕组与二次绕组间的互感量M的变化的装置。本讲稿第五十一页，共八十七页2.3电感式传感器图232a为气隙式差动变压器式传感器的典型结构。其中，1、2为两个山字形固定铁心，在其窗中各绕有两个线圈，W1a及W1b为一次绕组，W2a及W2b为二次绕组,3为衔铁。在被测量没有变化时，衔铁3与铁心1、2的间隔相同，即a0=b0,则绕组
27、W1a和W2a间的互感系数Ma与绕组W1b和W2b间的互感系数Mb相等。图2-32差动变压器式传感器a)气隙式b)截面式c)螺管式1、2铁心3衔铁本讲稿第五十二页，共八十七页2.3电感式传感器2.零点残余电压图2-33差动变压器的输出特性1理想特性2实际特性本讲稿第五十三页，共八十七页2.3电感式传感器1)差动变压器两个二次绕组线圈的电气参数、几何尺寸或磁路参数不完全对称。2)存在寄生参数，如线圈间的寄生电容、引线与外壳间的分布电容。3)电源电压含有高次谐波。4)磁路的磁化曲线存在非线性。1)提高框架和线圈的对称性。2)减少电源中谐波成分。3)正确选择磁路材料，同时适当减少线圈的励磁电流，使衔
28、铁工作在磁化曲线的线性区。4)在线圈上并联阻容移相网络，补偿相位误差。本讲稿第五十四页，共八十七页2.3电感式传感器5)采用差动整流电路，可以使零点残余电压减小到能够忽略的程度。2.3.3电感式传感器的测量转换电路1.测量电桥电感式传感器的测量转换电路一般采用电桥电路。图2-34电感式传感器电桥电路a)电感电桥b)变压器电桥本讲稿第五十五页，共八十七页2.3电感式传感器2.差动整流电路1)总有零点残余电压输出，因而零位附近的小位移量测量困难。2)交流电压表无法判别衔铁移动方向，为此常采用差动整流电路来解决。图2-35差动整流电路a)全波电流输出b)半波电流输出c)全波电压输出d)半波电压输出本
29、讲稿第五十六页，共八十七页2.3电感式传感器2.3.4电感式传感器的应用电感式传感器主要用于测量位移与尺寸，也可以测量能够转换为位移变化的其他参数，如力、压力、压力差、振动、转速、流量等，下面简单介绍一些电感式传感器的应用。1.差动变压器式位移传感器图2-36所示为差动变压器式位移传感器的原理图，测头通过轴套和测杆连接，衔铁固定在测杆上，线圈架上绕有三组线圈，中间是一次绕组，两端是二次绕组，它们通过导线与测量电路相接。2.差动变压器式力传感器图2-37所示为差动变压器式力传感器的原理图，它还可以应用于压力和压力差等力学参数的测量。本讲稿第五十七页，共八十七页2.3电感式传感器图2-36差动变压
30、器式位移传感器1引线2差动线圈3衔铁4测力弹簧5测杆6测头端本讲稿第五十八页，共八十七页2.3电感式传感器图2-37差动变压器式力传感器1上部2弹性元件3下部4铁心5差动变压器线圈本讲稿第五十九页，共八十七页2.3电感式传感器3.微压传感器图2-38所示为微压传感器的原理图。4.加速度传感器图2-39所示是一个应用于加速度测量中的差动变压器式传感器。本讲稿第六十页，共八十七页2.3电感式传感器图2-38微压传感器1接头2膜盒3底座4线路板5差动线圈6衔铁7罩壳8指示灯9安装座本讲稿第六十一页，共八十七页2.3电感式传感器图2-39加速度传感器1差动变压器2质量块(衔铁)3弹簧片4壳体本讲稿第六
31、十二页，共八十七页5.电感式圆度计图2-40所示是测量轴类工件圆度的示意图。2.4电涡流式传感器本讲稿第六十三页，共八十七页5.电感式圆度计图2-40所示是测量轴类工件圆度的示意图。图2-40电感式圆度计a)测量装置b)计算机处理过的结果1被测物2耐磨测端3电感测端本讲稿第六十四页，共八十七页2.4电涡流式传感器2.4.1电涡流式传感器的工作原理及结构2.4.2电涡流式传感器的测量电路2.4.3电涡流式传感器的应用2.4.4电涡流式传感器的使用注意事项本讲稿第六十五页，共八十七页2.4电涡流式传感器图2-41电涡流式传感器的工作原理示意图1电涡流线圈2金属导体本讲稿第六十六页，共八十七页2.4
32、.1电涡流式传感器的工作原理及结构1.工作原理图2-41是电涡流式传感器的工作原理示意图。电涡流i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为趋肤效应。趋肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流渗透的深度就越浅，趋肤效应越严重。由于存在趋肤效应，电涡流式传感器只能检测导体表面的各种参数。图2-42CZF-1型电涡流式传感器的结构示意图1线圈2框架3框架衬套4支座5电缆6插头本讲稿第六十七页，共八十七页2.4.1电涡流式传感器的工作原理及结构2.电涡流式传感器的结构电涡流式传感器的结构比较简单，主要是一个绕制在框架上的线圈，目前比较普遍使用
33、的是矩形截面的扁平线圈。如图242所示为CZF1型电涡流式传感器的结构示意图，它采用导线绕在框架上的形式，框架采用聚四氟乙烯。本讲稿第六十八页，共八十七页2.4.2电涡流式传感器的测量电路1.定频调幅式电路原理框图如图2-43所示。1.tif图2-43定频调幅式的电路原理框图2.变频调幅式电路原理框图如图2-44所示，这种电路的基本原理是将传感器线圈直接接入电容三点式振荡回路。本讲稿第六十九页，共八十七页2.4.2电涡流式传感器的测量电路1.tif图2-44变频调幅式的电路原理框图3.调频式所谓调频式就是将探头线圈的电感L与微调电容C0构成LC振荡器，把振荡器的频率f作为输出量，此频率可以通过
34、f/V转换器(又称为鉴频器)转换成电压，由表头显示。调频式测量转换电路的原理框图如图245所示。我们知道，并联谐振回路的谐振频率为本讲稿第七十页，共八十七页2.4.2电涡流式传感器的测量电路1.tif图2-45调频式的电路原理框图本讲稿第七十一页，共八十七页2.4.3电涡流式传感器的应用1)利用位移作为变换量，可以做成测量位移、厚度、振幅、转速等传感器，也可以做成接近开关、计算器等。2)利用材料电阻率作为变换量，可以做成测量温度、材料判别等传感器。3)利用磁导率作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器。4)利用变换量x、等的综合影响，可以做成探伤装置等。1.测位移电涡流式传感器的主要用途之一
35、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，分辨率可达到满量程的0.1%。本讲稿第七十二页，共八十七页2.4.3电涡流式传感器的应用图2-46位移测量示意图a)机器转轴的轴向振动b)金属材料的膨胀系数c)旋转轴的径向振动d)机器轴的振动形状1电涡流式传感器2被测导体2.测厚度用电涡流式传感器可以测量金属材料厚度、塑料表面金属镀层的厚度以及印制电路板铜箔的厚度等。本讲稿第七十三页，共八十七页2.4.3电涡流式传感器的应用图2-47厚度测量示意图3.测转速在被测旋转体上开一条或数条槽或做成齿状，本讲稿第七十四页，共八十七页2.4.3电涡流式传感器的应用旁边安装一个电涡流式传感器，如图2
36、-48所示。n=60f/Z(223)4.测温度1=01+(t1t0)(224)1.tif本讲稿第七十五页，共八十七页2.4.3电涡流式传感器的应用图2-48转速测量示意图a)凹槽转轴及输出波形b)齿状转轴及输出波形1电涡流式传感器2被测导体本讲稿第七十六页，共八十七页2.4.3电涡流式传感器的应用图2-49温度测量传感器1补偿线圈2管架3测量线圈4隔热衬垫5温度敏感元件本讲稿第七十七页，共八十七页2.4.3电涡流式传感器的应用5.表面探伤利用电涡流式传感器可以检查金属表面(已涂防锈漆)的裂纹以及焊接处的缺陷等。探头对被测金属表面逐点扫描，得到输出信号。当被测金属表面存在裂缝时，电涡流所走的路程
37、大为增加，所以电涡流突然减小，输出波形如图250a中的“尖峰”所示；对于比较浅的裂缝信号，需经过滤波器、幅值甄别电路对信号进行处理，抑制掉干扰信号，如图250b所示。1.tif本讲稿第七十八页，共八十七页2.4.3电涡流式传感器的应用2Z50.TIF图2-50涡流探伤的测试信号a)未处理的信号b)处理后的信号6.接近开关电涡流式传感器可制成接近开关的感辨头，辨别金属导体的靠近，可用于生产线的工件定位、生产零件的计数或产品的合格检验等，如图2-51所示。本讲稿第七十九页，共八十七页2.4.3电涡流式传感器的应用图2-51接近开关的示意图a)生产线的工件定位b)生产零件的计数c)产品的合格检验本讲
38、稿第八十页，共八十七页2.4.4电涡流式传感器的使用注意事项1.电涡流轴向贯穿深度的影响电涡流在金属导体中的轴向分布是按指数规律衰减的。导体材料确定后，可以通过改变励磁电源频率来改变轴向贯穿深度，电阻率大的材料应选取较高的励磁频率，电阻率小的材料应选用较低的励磁频率。2.电涡流的径向形成范围在线圈轴线附近，电涡流的密度非常小，愈靠近线圈的外径处，电涡流的密度愈大。3.电涡流强度与距离的关系电涡流强度随着距离与线圈外径比值的增加而减少，当线圈与导体之间的距离大于线圈半径时，电涡流强度已经很微弱。本讲稿第八十一页，共八十七页2.4.4电涡流式传感器的使用注意事项4.非被测金属物的影响由于任何金属物
39、体接近高频交流线圈时都会产生电涡流，为了保证测量准确度，测量时应禁止其他金属物体接近传感器线圈。本章小结1)电阻应变式传感器是根据应变效应制成的，分为金属应变片和半导体应变片，金属应变片又分为金属丝式、箔式和薄膜式，半导体应变片分为体型、扩散型、薄膜型和PN结元件等类型。2)电容式传感器是利用电容器的原理，将非电量的变化转化为电容量的变化，进而实现非电量到电量转化的器件，可以分成三种基本类型：变极距式、变面积式和变介电常数式。本讲稿第八十二页，共八十七页2.4.4电涡流式传感器的使用注意事项3)电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量转换成线圈的自感系数或互感系数的变化，再由电路转换为电压或电
40、流的变化量输出，实现非电量到电量的转换，常见的电感式传感器有自感式、互感式和涡流式三种。1.电阻应变式传感器的原理是什么？能测量哪些物理量？2.什么是应变效应？电阻应变片有哪些类型？3.应用应变片测量时为什么要采用温度补偿？常采用的补偿方法有哪些？4.采用阻值为120的应变片与阻值为120的固定电阻组成电桥电路，应变片灵敏度K=2，桥路供电电压为8V，当应变片产生110-6应变时，试求惠斯顿电桥、半桥以及全桥工作时的输出电压。本讲稿第八十三页，共八十七页2.4.4电涡流式传感器的使用注意事项5.电阻应变片灵敏系数K=2，沿纵向粘贴于直径为60mm的圆形钢柱表面，钢材的弹性模量E=21011N/
41、m2，泊松比=0.5。6.有一个钢材料的空心圆柱，外径D=5cm，内径d=3cm，弹性模量E=21011N/m2，7.在一圆柱形钢柱上沿轴向和圆周方向各贴一片R=120的金属应变片，并把两片应变片接成半桥形式，已知钢材泊松比=0.3，桥路电压为5V，当受力拉延时应变片产生电阻增量R1=0.36，求电桥的输出电压。8.电容式传感器有什么特点?9.电感式传感器有哪些类型？能够测量哪些物理量？10.什么是零点残余电压？产生原因是什么？解决方法有哪些？11.差动式电感传感器与差动变压器式电感传感器有什么不同？本讲稿第八十四页，共八十七页2.4.4电涡流式传感器的使用注意事项12.如图2-52为差动变压
42、器式接近开关感辨头的结构示意图，(1)将21与22正确地连接起来；析填空:a当导磁金属未靠近差动变压器铁心时，由于差动变压器的结构完全对称，所以21与22()，o为()；图2-52差动变压器式接近开关感辨头的结构示意图1导磁金属2H型铁心本讲稿第八十五页，共八十七页2.4.4电涡流式传感器的使用注意事项13.用一电涡流式测振仪测量某种机器主轴的轴向振动，已知传感器的灵敏度为50mV/mm，最大线性范围为5mm，将传感器安装在主轴右侧，如图2-53a所示。(1)传感器与被测金属的安装距离l为多少可以达到良好的测量效果？为什么？(2)轴向振幅的最大值A为多少？(3)主轴振动的基频f为多少？本讲稿第八十六页，共八十七页2.4.4电涡流式传感器的使用注意事项图2-53电涡流式测振仪示意图a)测量轴向振动示意图b)高速记录仪记录下来的振动波形本讲稿第八十七页，共八十七页