第3章 几何量传感器及应用 （课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

第3章 几何量传感器及应用 知识目标 通过本课题的学习，认识、了解检测几何量的传感器器件。了解它们的主要特点和性能。掌握电容式传感器工作原理，了解电容式传感器的基本结构、工作类型及它们各自的特点，了解电容式传感器的测量电路及其工作原理；掌握自感式和互感式电感传感器的工作原理，熟悉电感传感器的基本结构和工作特性，了解电感传感器的测量转换电路组成及其工作原理；掌握涡流效应的概念，了解涡流传感器结构、工作类型和测量电路原理；掌握超声波的概念，了解超声波的折射、反射特性，熟悉超声波探头结构，了解超声波探头产生、接收超声波原理。 技能目标 通过本课题的学习，要求掌握差动电容器工作方式，能根据不同测量物理量选择合适的工作类型，正确分析由电容器组成的检测系统，设计基本的电容器检测系统；掌握差动电感工作方式，能根据不同测量物理量选择合适的工作类型，正确分析由电感组成的检测系统工作原理，能设计基本的电感检测系统；掌握直探头、斜探头、双探头特性和使用方法，了解超声波探头耦合剂的作用和使用方法，灵活应用超声波探头对相应物理量进行检测。 3.1电位器式位移传感器 电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。 电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。 3.1.1 电位器位移传感器原理和基本结构 1. 电位器的转换原理 2.基本结构 由于测量领域的不同，电位器的结构不同，但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成 3.1.2  电位器传感器负载特性 3.1.3 电位器传感器的应用实例 1. 电位器式位移传感器 2.电位器式压力传感器 3. 电位器式加速度传感器 3.2 电容式几何量传感器 3.2.1 电容式传感器工作原理及类型 当被测参数变化使得式（3-6）中的A、d或发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。因此, 电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介电常数式三种类型。 1 变极距式电容传感器 差动工作方式 极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特性好，灵敏度和精度极高（可达nm级），适应于较小位移（1nm～1μm）的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容（如电缆电容、 分布电容等）的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的电子电路比较复杂。 2 变面积式电容传感器 差动式结构 3 变介电常数式电容传感器 3.2.2 电容式传感器的转换电路 1.交流电桥 2.调频电路 3.运算放大式电路 4,脉冲宽度调制电路 5.二极管双T型交流电桥 3.2.3 电容式传感器的的应用 1.电容式接近开关 2.电容式油量表 3.电容式差压传感器 4.电容测厚仪 3.3 电感式几何量传感器 3.3.1 自感式传感器 1. 基本工作原理 (1) 变气隙式（闭磁路式）自感传感器 （2）螺线管式（开磁路式）自感式传感器 图3-30 差动自感式传感器输出特性 2.自感式传感器的测量电路 (1) 变压器交流电桥 (2) 带相敏整流的交流电桥 图3-32 带相敏整流的交流电桥电路 图3-33 铁心处于初始平衡位置时的等效电路 (a) 交流电正半周等效电路 (b)交流电负半周等效电路 相敏整流交流电桥输出特性 3.自感式传感器应用实例 (1) 自感式测厚仪 (2) 位移测量 3.3.2 差动变压器式传感器 1.基本工作原理 = = = = 零点残余电动势 零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性 不灵敏， 为测量带来误差。为了减小零点残余电动势，可采用以下方法： ⑴尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。 ⑵选用合适的测量电路。 ⑶采用补偿线路减小零点残余电动势。 图3-40 零点残余电动势 2.测量电路 (1) 差动整流电路 (2) 差动相敏检波电路 ②工作原理 图3-45 相敏检波电路波形图 3. 差动变压器式传感器应用实例 (1) 振动和加速度的测量 (2) 力和压力的测量 差动变压器式力传感器 电感式微压力传感器 3.4 电涡流传感器 3.4.1 涡流效应 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流, 该感应电流被称为电涡流或涡流，这种现象被称为涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体