1、3.3電容式傳感器a）極距6變化型 ”叩n |I屮一1圖&55b電容式傳聲器的電路原理駐極體電容傳聲器它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取 代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。 特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。3.3電容式傳感器b）面積變化型C角位移型變面積型電容傳感器1固定極板2動極板3.3電容式傳感器3.3電容式傳感器平面線位移型 C£To£A6變面積型電容傳感器3.3電容式傳感器1固定極板2動極板柱面線位移型.c =畔C)2變面積型電容傳感器1固定極板2動極板3.3電容式傳感器c）介質(zhì)變化型C :3.3

2、電容式傳感器電容式接近開關(guān)被測物體感應電極被測電容測量頭構(gòu)成電容器的一個極板， 另一個極板是物體本身，當物體 移向接近開關(guān)時，物體和接近開 關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和 測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā) 生變化接近開關(guān)的檢測物體， 并不限于金屬導體，也可以是絕 緣的液體或粉狀物體。林料介電常數(shù)材料介電常數(shù)”料|介電常數(shù)1水80軟橡膠2.5有機菠璃3.2大理石8松節(jié)袖2.2聚乙稀2.3東母6木材2-7苯乙稀3陶瓷4.4酒精25.8石蠟2.2硬橡膠4電木3.6石英沙4.5玻璃5電纜2.5纟氐碎屑4硬紙4.5袖紙4石英玻璃3.7空氣12.2硅2.8合成樹脂3.6托3.5變壓器油2.2賽璐璐3聚丙稀2.3

3、普通紙2.320測測。和圖壁 意罐。 示在器 構(gòu)樣容 結(jié)這電 器，個感部一傳頂了 位的成 料罐形 式祖就 容裝間 電安之 是楓極圖電電下定定20檢測出這種電容量的變化就可測定物料在罐內(nèi) 的高度。傳感器的靜電電容可由下式表示：式中:k 比例常數(shù);6被測物料的相對介電常數(shù);%空氣的相對介電常數(shù)；D儲罐的內(nèi)徑；d測定電極的直徑;h被測物料的高度。假定罐內(nèi)沒有物料時的傳感器靜電電容 為c。，放入物料后傳感器靜電電容為G, 則兩者電容差為AC = C C°由上式可見，兩種介質(zhì)常數(shù)差別越大， 極徑D與d相差愈小，傳感器靈敏度就愈 高。電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應原理將被 測非電量如位移

4、、壓力、流量、重量、振 動等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變 化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變 化量輸出的裝置。優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠壽命長，測量精度高，零點穩(wěn)定，輸出功率較大等。缺點:靈敏度、線性度和測量范圍相互制約, 傳感器自身頻率響應低，不適用于快速動 態(tài)測量。電感式傳感器種類很多，有利用自感原理的自感式傳感器，利用互感原 理做成的差動變壓器式傳感器，還有 利于渦流原理的渦流式傳感器、利用 壓磁原理的壓磁式傳感器等本章主要介紹自感式、互感式和電 渦流式三種傳感器。自感型一可變磁阻式原理:電磁感應L=O O可變導磁面積型差動型3.1變磁阻式傳感器3.1.1工作原理 L,二 /S圖3-

5、1變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)圖1 線圈；2鐵芯（定鐵芯）；3銜 鐵（動鐵芯）鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫 合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣 隙厚度為6,傳感器的運動部分與禱鐵相 連。當銜鐵移動時，氣隙厚度6發(fā)生改變，引 起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的 電感值變化，只要能測出這種電感量的變 化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。電路的磁阻指由于電流引起的鏈合磁通 量。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定：TNL 上式中:W線圈總磁鏈;通過線圈的電流N線圈的匝數(shù); 穿過線圈的磁通。由磁路歐姆定律，得磁通表達式：亠心磁路總磁阻。對于變隙式傳感器，因為氣隙很小，所 以可以認為氣隙中的磁場是均勻

6、的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為:式中:28“0*0“2鐵芯材料的導磁率(H/m);銜鐵材料的導磁率但/m);厶厶2SS2“0S。8磁通通過鐵芯的長度(m);磁通通過銜鐵的長度(m)；鐵芯的截面積()；"銜鐵的截面積()；"空氣的導磁率(4?tX H/fiS)； 氣隙的截面積()陽 氣隙的厚度(m)。通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻， 即：則可近似認為：R . 23 m A0S025 “0$026 “oS。»»h厶聯(lián)立前幾式，可得l_N? 一問&心 25上式表明，當線圈匝數(shù)為常數(shù)時,感L僅僅是磁路中磁阻心的函數(shù),只要改變6或均可導致電感變化。

7、因此變磁阻式傳感器又可分為變氣 隙厚度§的傳感器和變氣隙面積的 傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度6式電感傳感器。315變磁阻式傳感器的應用膜盒an變隙電感式傳感器由膜盒、鐵芯、銜鐵 及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P 的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移,于是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變 化，流過線圈的電流也發(fā)生相應的變化， 電流表指示值就反映了被測壓力的大小。互感式傳感器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn) 換為線圈互感量變化的傳感器。它根據(jù)變 壓器的基本原理制成，并且次級繞組都用 差動形式連接，故又稱為差動變壓器式傳 感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，

8、有變隙式. 變面積式和螺線管式等，但其工作原理基 本一樣。Bl非電量測量中，應用最多的是螺線管式 差動變壓器，它可以測量1100mm范圍 內(nèi)的機械位移，異具有測量精度高靈敏 度高，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠等優(yōu)點。3.2.1工作原理螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)如下圖所示。它由一個初級線圈，兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。工作原理:互感現(xiàn)象E呂圖311螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)圖3.2.1工作原理圖311螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)圖3.2.1工作原理1-活動銜鐵；2 導磁外殼；3 骨架；4 匝數(shù)另Wi的初級繞組;1-活動銜鐵；2 導磁外殼；3 骨架；4 匝數(shù)另Wi的初級繞組;5 匝數(shù)爾2。的次級繞組；6

9、 匝數(shù)為 啲次級繞組5 -匝數(shù)爾2a的次級繞組；6 -匝數(shù)為 啲次級繞組圖311螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)圖圖311螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)圖螺線管式差動變壓器按線圈繞組排列的 方式不同，可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四 節(jié)和五節(jié)式等類型，如圖所示。一節(jié)式 靈敏度高，三節(jié)式零點殘余電壓較小，通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類。XXXhIXXX（a） 一節(jié)式；（b）二節(jié)式（c）三節(jié)式；（d）四節(jié)式；）五節(jié)式線圈排列方式圖當初級繞組妙加以激勵電壓0fc.根據(jù)變 壓器的工作原理，在兩個次級繞組 和f 中儷會產(chǎn)生感應電勢和。弘 E2b如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱， 則當活動銜鐵處于初始平衡位置時，必然 會使兩互感

10、系數(shù) 加芋臟據(jù)電磁感血原理, 將有E2a = E2b變壓器兩次級繞組反向串聯(lián)，因而 U 2 = Ela Elb = 0即差動變壓器輸出電壓為零。由于磁阻的影響，”2“中 血瀬5么增加，而QaElbEla活動銜鐵向上移動時，磁通將大于 W使減小。艮込增加，Ilf減小。因為 U2二遲2刀喙當、隨著銜鐵曲移 X變化時，也必將隨X齋化。下圖給出了變壓器 輸出電壓 與活動銜欽位移X的關(guān)系曲線。實際上，當銜鐵位于中心位置時，差動變壓器 輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作 它的存在使傳感器的輸出特性不過零點，造監(jiān)At/O 實際特性與理論特性不完全一致。Ar%理論特

11、性 曲線M0 M加一“肪 卜實際特性曲線3-14差動變壓器輸出電壓特性曲線3.4電感式傳感器差動變壓器位移傳感器3.4電感式傳感器案例：板的厚度測量W/M侈彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩 紹幺紹紹紹紹紹紹紹紹紹紹紹紹紹紹紹紹幺 紹幺紹彩紹彩紹彩彩彩紹彩彩彩紹彩彩彩0XOJ-區(qū)bXVV 、 、 、 、 、 、 Cwc pXXXX 、 AXXX 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 AXXX 、 、 、 、 、 、 AXXX 、 、 、 、 Xxx、 、 AXXX 、 、 、 、 、 、 （、 kXWX 、 、 、 、 、 、 、XA區(qū)3.4電感式傳感器案例：張力測量區(qū)區(qū)

12、331電渦流式傳感器下圖為電渦流式傳感薄稠理圖,|3-19電渦流傳感器原理圖該圖由傳感器線圈和蜒輪瀕感線 圈一導體系統(tǒng)。3-19電渦流傳感器原理圖根據(jù)法拉第定律，當傳感器線圈通”嚴 弦交變電流耐，.線圈周圍空間處就吿 正弦交變磁場，吸置于此磁場中的金屬 導體中感應電渦流，衷產(chǎn)生新的交變磁 場。根擴愣次定律的作用將反越埒建 場，導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生雯 化，此也渦流的聞合流媒曲慨心同線圈在 幺屬板上慚茲鬱的圓心重合。由上可知，線圈阻抗的變化完全取決于 菠測金雇專徐的電滿流效應。而電渦流效 應既與菠測様馬電阻傘A相對磁導率"以 及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何養(yǎng)牡、口線 圈中激磁電流頻

13、率有快，還與線圈與導 體間的距離徐關(guān)。傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為： 式中：Z = F(p,y,r,f,x)。一被測體的電阻率；“一相對磁導率；廠一線圈與被測體的尺寸因子; f線圈激磁電流的頻率； 兀一線圈與導體間的距離。保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù),傳感器線圈阻抗 就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗 的變化盧,即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。3.3.5電渦流式傳感器的應用1.測位移Oo電渦流式傳感器的主要用途之一是可用 來涮畫金痛祚閔靜態(tài)或動態(tài)位移，最耒量 程達數(shù)百毫米，分辨率為0.1%o目前電渦流位移傳感器分辨力最高已到 0.05p

14、m（量程0 15pm）。凡是可轉(zhuǎn)換為位/量的參數(shù)，都可用電 渦流式傳感器測量，如機器轉(zhuǎn)軸的軸向竄 動、金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、 易線張另、流探壓另等。下圖為用電渦流式傳感器構(gòu)成的液位監(jiān) 控系統(tǒng)。通過浮子3與杠桿帶動渦流板1上下位移, 由電渦流式傳感器2發(fā)出信號控制電動泵 的開啟而使液位保持一定。/777777/T測量電路圖327液位監(jiān)控系統(tǒng)電渦流傳感器測位移，由于測量范圍寬、 反應速度快、可實現(xiàn)非接觸測量，常用于 在線檢測O2渦流探傷渦流探傷可以用來檢查金屬的表面裂紋、 熱處理裂紋以及用于焊接部位的探傷等。綜合參數(shù)（兀：瀚凌化將引起傳感器參數(shù) 的變化，通過測量傳感器參數(shù)的變化即可達到探

15、傷的目的。在探傷時導體與線圈之間是有著相對運動速度的，在測量線圈上就會產(chǎn)生調(diào)制頻率信號。在探傷時，重要的是缺陷信號和干擾信號比。為了獲得需要的頻率而采用濾波器，使某一頻率的信號通過，而將干 擾頻率信號衰減。裂縫信號(b)瓦）比較淺的裂縫信號b）經(jīng)過幅值甄別后的信號3-28用渦流探傷時的測量信號2）比較淺的裂縫信號(b)b）經(jīng)過幅值甄別后的信號圖3-28用渦流探傷時的測量信號3.4電感式傳感器產(chǎn)品：3.4電感式傳感器EddySensor案例：連續(xù)油管的橢圓度測量Reference Circle3.4電感式傳感器案例=無損探傷原理裂紋檢測,缺陷造成渦流變化。仁變換原理:壓電效應3. 6壓電式傳感器

16、某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生 電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這 種現(xiàn)象稱為壓電效應。Fq=DF芒灌卷灌卷灌卷灌卷灌:串聯(lián)壓電式傳感器的工作原理當某些材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。71>1 o壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工 作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測量 范圍廣等特點，因此在各種動態(tài)力、機 械沖擊與振動的測量等方面都得到了非 常廣泛的應用。36壓電式傳感器產(chǎn)品力傳感器加速度計某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電

17、荷，當外力去掉后，其又重新恢復到不 帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應”。相反，當在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也 會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。具有壓電效應的材料稱為壓電材料,壓電材料能實現(xiàn)機一電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖51所示。0 0機械量壓電元件電量0 0圖5-1壓電效應可逆性石英晶體、鈦酸欽、錐鈦酸鉛等材 料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶、 體和壓電陶瓷。前者為晶體，后者為 極花處理的多晶體。11/他們都具有較大的壓電常數(shù)，機械 止能良好，時間穩(wěn)定

18、性好，溫度穩(wěn)定 性知華薛性，所以是較理想的壓電材料。壓電材料的主要特性參數(shù)有：(1) 壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應 強弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。(2) 彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度 決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。(3) 介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元 件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電 容又影響著壓電傳感器的頻率下限。(4) 機械耦合系數(shù)：在壓電效應中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量(如電能)與輸入的能量 (如機械能)之比的平方根；它是衡量 壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要 參數(shù)。(5) 電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電 荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特

19、性。居里點：壓電材料開始喪失壓電特 性的溫度稱為居里點。5.1.1石英晶體石英晶體化學式為SiCh （二氧化硅），是 單晶棟結(jié)構(gòu)11/inzooyXZb它的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、 重復性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工 作溫度高達550°C （壓電系數(shù)不隨溫度而改 變）、工作濕度高達100%、穩(wěn)定性好。/(a)(b)(c)圖5-2石英晶體圖5-2 (a)表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外 形。它是一個正六面體。石其晶體零個 向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線 并垂直于光軸的x軸稱為電軸，與x和z軸 同時垂直的軸y稱為機械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷

20、的壓電效應稱為“縱向壓電衣應”，而葩 沿機械y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效 應稱為“橫向壓電效應”。而沿光軸z方 向受力時不產(chǎn)生壓電效應。Qx = £1 * 卩乂莒從晶體上沿y方向切下一塊如圖5-2 (c)所 示晶片，當在電軸方向施加作用力時花在 與電軸X垂直的平面上將產(chǎn)生電希Qx,其大 小為式中：dn x方向受力的壓電系數(shù)；耳作用力。若在同一切片上，沿機械軸y方向施加作用 力耳，則仍在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷 Qy,其大小為：式中：Qy =dn-Fya> b12y軸方向受力的壓電系數(shù)，dn=dn 晶體切片長度和厚度。電荷Qx和Qy的符號由所受力的性質(zhì)決定。O2-石英晶體的上

21、述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖5. 3是一個單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離 子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個 正六邊形排列。圖中“+”代表 W, 代 表氧離子圖5-3石英晶體壓電模型當石英晶體未受外力作用時，正、負離子 正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個 互成120°夾角的電偶極矩Pl、P2、P3o此 時正負電荷重心重合，電偶極矩的矢量和 等于零，即P1+P2+P3二0,所以晶體表面不 產(chǎn)生電荷，即呈中性。當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時， 晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負離子的 相對位置也隨之變動。如圖53 (b)所示， 此時正負電荷重心不再重合，即 (P

22、1+P2+P3)x>0 o在x軸的正方向出現(xiàn) 正電荷，電偶極矩在y方向上的分量初為零, 不出現(xiàn)電荷。當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，晶命 變形如圖53 (c)所示，與圖5-3 (b)情況 相似，P1增大，P2、P3減小。在x軸上出 現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向為負由荷。在 y軸方向上不出現(xiàn)電荷。如果沿z軸方向滋加作用力，因為晶體在x 方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以 正負電荷重 等于零。這當作用力Fx、Fy的方向相反時，電荷的極 性也隨之改變。5.1.2壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。 在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分 布，它們的極化效應被相互抵消，壓電陶 瘵內(nèi)極化

23、強便為零，因此原始的壓電陶瓷 呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向 發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而使材料得到極化。讓外電 場強度大到使材料的極化達到飽和的程度, 即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方 向一致時，外電場去掉后，電疇的極化方 向基未不變，即剩余極化強度很大，這時 的材料才具有壓電特性。如圖5-4。電場 方向(a)未極化(b)電極化圖5-4壓電陶瓷的極化當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界 限發(fā)生移動，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起 剩余極化強度的變化，因而在垂直于極 化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。 這種因受力而產(chǎn)生的由機械效應轉(zhuǎn)變?yōu)?電效應，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象， 就是壓電

24、陶瓷的正壓電效應。電荷量的 大小與外力成正比關(guān)系：Q = d33FV上式中：d33壓電陶瓷的壓電系數(shù)；F作用力。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多, 所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的 靈敏度較高。但極化處理后的壓電陶瓷材 料的剩余極化強度和特性與溫度有關(guān)，它 的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性 減弱。最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸欽 (BaTiO3)o它是由碳酸欽和二氧化鈦按Ilf11/一定比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電 系數(shù)約為石英的50倍，但使用溫度較低, 最高只有70°C,溫度穩(wěn)定性和機械強度 都不如石英。目前使用較多的壓電陶瓷材料是錯鈦酸 鉛（PZT系列），它有較高的壓

25、電系數(shù) 希較高的工作溫度。la斃鎂酸鉛是20世紀60年代發(fā)展起來的壓 電尚瓷。具有極高的氏電系藪和簸高的 工作溫度，而且能承受較高的壓力。11/由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳蠶專懿訂飜茂蠢器我電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì),則其電容量為:式中：c£A壓電片的面積丫(5 4)d壓電片的厚度;空氣介電常數(shù)久壓電材料的相對介電常數(shù)。磁敏式傳感器磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測量（如 振動、位移、詰速等）轉(zhuǎn)換成電信再的一種傳 感器。磁敏式傳感器種類不同，其原理也不完 全相同，由此各有各的特點和應用范圍。6.1磁電感應式傳感器6.1磁電感應式傳感器磁電感應式傳感

26、器也稱為電動式傳感 器或感應式傳感器。磁電感應式傳感器是利用導體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生電動式的，它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測 量的電信號，是有源傳感器。由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（101000 Hz）,所以得到普JIJIJ遍的應用。6.1.1磁電感應式傳感器根據(jù)電磁感應定律，當眇互線圈在恒定磁場內(nèi) 運動時，設(shè)穿過線圈的磁通為則線圈內(nèi)的 感應電勢E與磁通變化率/力有如下關(guān)系:E = wdt根據(jù)這一原理，可以設(shè)計成兩種磁電傳感器結(jié) W：變磁通式和恒磁通敦:。圖61是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物 體的角速度。圖61 (a)為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜

27、止不動，測量齒輪安裝在被 測旋轉(zhuǎn)祐上，隨之一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應電勢，其變 化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。這種傳感 器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪 較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速。(b)閉磅路屮5,內(nèi)齒輪；&外齒輪;7.轉(zhuǎn)軸4k永久磚鐵;2r軟瑟鐵;覚感應線圈；測量齒輪;圖61 (b)esS6-1 (b)為閉磁路變磁通式，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒 輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù) 相同。當轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒 輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻 產(chǎn)生周期性變

28、化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈 內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電動勢。感應電勢的頻率與被 測轉(zhuǎn)速成正比。圖62恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖永久磁鐵式売體売體線圈線圈永久碣鐵永久碣鐵(b)動鐵式PCa）動磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的 工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是 恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動 圈式），也可以是磁鐵（動鐵式）,動圈 式（如圖62 （a）和動鐵式（如圖6-2（b）的工作原理是完全相同的。當殼體 隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟, 運動部件質(zhì)量相對較大。當振動頻率足夠 高（遠大于傳感器固有頻率）時，運動部 件慣性很大，來不及隨振動體一起振動， 近乎靜止不動，6

29、.2霍爾傳感器振歲能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈 之間的相對運動速度接近于振動體振動速度， 磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應電勢為:式中:E wB0Lv (6 - 2)B0工作氣隙磁感應強度;L每匝線圈平均長度;W線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù);相對運動速度。霍爾傳感器為載流半導體在磁場中有 電磁效應（霍爾效應）而輸出電動勢的一 種傳感器。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導體材 料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應顯著 而得到應用和發(fā)展。霍爾傳感器廣泛用于電磁測量電流、磁場、壓力、加速度、振動等方面的測量。6.2霍爾傳感器6.2.1霍爾效應及霍爾元件1）霍爾效應置于磁場中的靜止載流導體

30、宀潮電 流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行于電 流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn) 象稱霍爾效應，該電勢稱霍爾電勢，半導體薄片稱 霍爾元件。電板，導電板通以電流人方向如圖所示。霍爾效應原理圖.圖65所示，在垂直于外磁的方冋上放置一個*導電板中的電流是金屬中自由電子在電場作 用下的定向運動。此時，每個電子受洛侖磁力 卩皿的作用，卩加的大小為：=evB式中：g電子電荷；電子運動平均速度;B 磁場的磁感應強度。Fw的方向在圖65中是向上的，此時電子除 了沿血流皮方向作楚向運動夕F，還在F/w的祚用下向上漂移，結(jié)果使金屬導電板上底面積累電子，而下6.2霍爾傳感器底面積累正電荷，從而形厳

31、孑附娠曲電場班 稱霍爾電場，該電場強度為：Eh eEH 二evB則Eh = vBUH = bvB(6-10)(6-11) *6-(6-13)此時電荷不再向兩底面積累，達到平衡狀態(tài)。6.2霍爾傳感器一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很小;而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低。 故只有半導體材料適于制造霍爾片。目前常用的 霍爾元件材料有：錯、硅、碑化鋼、銖化鋼等半 導體材料。其中N型錯容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型錯相近。銖化鋼對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。碑化鋼的霍爾 系數(shù)較小，溫度系

32、數(shù)也較小，輸出特性線性度好。(b)圖形符號Q66霍爾元件2)霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡 單，它由霍爾片、引 線和殼體組孚，如圖6-6 (a)所示。霍爾是一塊矩形半導體單1'兩根引線加激勵電壓或晶薄片，引出四個引線。1、電流，稱為激勵電極；2、2,引線為霍爾輸出引線，稱 為霍爾電極。霍爾元件殼體由非導磁金屬、陶瓷或環(huán) 氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號表 示，如圖66 (b)所示。6.3磁敏電阻器磁敏電阻器是基于磁呻效應的磁敏元件電阻是磁阻位移傳感器、充觸點開關(guān)等的核心部件。其電阻會隨磁場而變化, 當溫度恒定時，在磁場6.3.1磁阻效應當一載流導體置于磁場中，這種現(xiàn)象被

33、稱為磁阻效應。內(nèi)，磁阻和磁感應強度B的平方成正比。理論推導 出來的磁阻效應方程為：式中，是磁蘇麗2另踴筍饌J 是零磁場下 的電阻率；卩是電子遷移率；B是磁感應強度。當電阻率的變化為M = P tt謝變 化為：乂 = 0.273“叨2 可以看出，"雀磁感應強度二 Kjli2B20定時，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導體材料）磁阻效 應越明顯。從微觀上講，赫科的電阻率增加是因另 電流的流動路徑因磁場的作用而加長所致。6.3磁敏電阻器6.3.3磁阻元件的主要特性1）靈敏度特性磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場強度下的電

34、阻變化率來表示, 即磁場一電阻變化率特性曲線的斜率。在 運算時常用Rb/Ro求得，Ro表示無磁場情 況下磁阻元件的電阻值，Rb為施加0.3T磁 感應強度時磁阻元件的電阻值。這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于27,如圖615所 示。由圖645(a)所示磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)， 它只隨磁場強度的增加而增加。由圖645(b)所示，在0.2T以 下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.2T后呈現(xiàn)線性8卩(b)電阻變化率特性刎(a) Ss N級之間電阻特性卩圖615磁阻元件的靈敏度特性測轉(zhuǎn)角:案例：汽車速度測量:案例：軋機轉(zhuǎn)速測量軋機轉(zhuǎn)速測量J原來用反 光式傳感器，可靠性低實驗：鋼管無損檢

35、測實驗模塊本模塊采用磁性檢測原理來探測鋼管缺陷e 探頭由磁鐵和可檢測磁場強度的霍爾傳感器組 成。磁鐵與被測的鐵磁材料工件間形成磯路,若工件卜有缺陷,則磁路的磁阻增大,霍爾傳感器附近的磁場強度變?nèi)酢．斕筋^花試件表ifii移動時，止常情況下磁場強度是不變的，當試 件表面有缺陷的時候,會產(chǎn)生一個磁場的跳變, 通過監(jiān)測磁場的跳變即可進行試件的探傷°3.9氣敏電阻傳感器氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段,氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達0.81.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還有易燃、易爆氣體 酒

36、精等的探測。煙霧報警器|酒精傳感器二氧化碳傳感器氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫、氧化猛。 當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變 化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化“&乙瞇5氫氣一氧化酒精傳感器3.10超聲波檢測傳感器1)聲波及其分類(1) 次聲波，振動頻率低于16Hz的機械波。(2) 聲波:振動頻率在16Hz-20KHz之間的機械波。(3)超聲波:高于20KHz的機械波2)超聲波的物理性質(zhì)超聲波與聲波比,振動頻率高,波長短，具有束射特 性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同 的聲波，并具有很高的穿透能力。聲壓所謂聲壓，是指某點上各瞬

37、間的壓力與大氣壓力之差值, 單位為Psi, IPa =lN/m2-聲強聲強是聲波在傳播方向上單位時間內(nèi)通過單位面積的能單位為W/1112 o聲功率聲功率（疔）是聲源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的總能量，單位 是W。超聲波傳感器原理磁滯式超聲波傳感器超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生機械振動，發(fā)射出超聲波。接收原理是當超聲波作用在磁致材料上時，使磁滯材 料磁場變化，使線圈產(chǎn)生感應電勢輸出。超聲波傳感器應用 超聲波探傷/測距/測物案例：輸油管檢測檢測機器人倒車雷達車帽以上2m程度I -魚群探測器蝙蝠利用回聲定位3.11光電傳感器光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光 能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于 一些物質(zhì)的光電效應。內(nèi)光電效應半導體材料受到光照時會產(chǎn)生電子空穴對，使其導電性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應O光敏電阻*光敏二極管和光敏三極管照相機自動測光 光控燈工業(yè)控制光電池光生伏特效應