測(cè)試技術(shù)-4-常用傳感器

上節(jié)課回顧1

測(cè)試系統(tǒng)及其主要性質(zhì)定義：借助專(zhuān)門(mén)設(shè)備—測(cè)試裝置(系統(tǒng))，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),采用合適的方法和必要的數(shù)學(xué)處理方法求得感興趣的信息。h(t)H(s)系統(tǒng)輸入輸出x(t)X(s)Y(s)y(t)1.1測(cè)試系統(tǒng)的基本要求

輸入輸出存在單值確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中線性關(guān)系為最佳。理想的測(cè)試裝置1.2

線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)1.2.1時(shí)不變（定常）線性系統(tǒng)：其中，ai

(i=0,1,…,n)、bj

(j=0,1,

…,m)為常數(shù)，n≥m。1.2.2線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)疊加性、齊次性、微分特性、積分特性、頻率保持性2

測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性

是指靜態(tài)測(cè)量情況下描述實(shí)際測(cè)試裝置與理想定常線性系統(tǒng)的接近程度。測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性：（1）

靜態(tài)方程測(cè)試裝置處于靜態(tài)測(cè)量時(shí)，輸入量x和輸出量y不隨時(shí)間而變化，各階微分等于0。（2）

定度曲線實(shí)際測(cè)量裝置一般為非理想定常線性系統(tǒng)：1.非線性度非線性度、定度曲線（通常不是直線）、非線性誤差擬合直線的確定方法：端基直線、獨(dú)立直線等0BAx測(cè)量范圍端基直線校準(zhǔn)曲線0BAx測(cè)量范圍擬合曲線校準(zhǔn)曲線2.靈敏度定義為輸出量的變化

y與引起該變化的輸入量的變化

x之比理想情況下，實(shí)際應(yīng)用：總是用定度曲線的擬合直線的斜率作為該裝置的靈敏度放大倍數(shù)：定義為當(dāng)輸入輸出量綱相同時(shí)的靈敏度。3分辨力

是指測(cè)試系統(tǒng)所能檢測(cè)出來(lái)的輸入量的最小變化量。定義：注意：一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的分辨力越高，表示它所能檢測(cè)出的輸入量的最小變化量越小。4.回程誤差回程誤差是指輸入量由小到大與由大到小變化時(shí)，測(cè)試裝置對(duì)同一輸入量所得輸出量不一致的程度回程誤差5.漂移

是指測(cè)試系統(tǒng)在輸入不變的條件下，輸出隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。點(diǎn)漂（相同輸入，不同輸出）；零漂：最低量程的點(diǎn)漂漂移3

測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

1.傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)

是指零初始條件下，定常線性系統(tǒng)輸出量的拉普拉斯變換與引起該輸出的輸入量拉普拉斯變換之比。

H(s)與輸入x(t)及系統(tǒng)的初始狀態(tài)無(wú)關(guān)；H(s)只反映系統(tǒng)傳輸特性，而和系統(tǒng)具體物理結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。輸入與輸出間的量綱變換關(guān)系ai和bj的量綱由具體物理系統(tǒng)決定。H(s)的分母取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)函數(shù)2.頻率響應(yīng)函數(shù)是指零初始條件下，定常線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出量的傅里葉變換與引起該輸出的輸入量傅里葉變換之比。（1）頻率響應(yīng)函數(shù)的概念（2）頻率特性幅頻特性、相頻特性、頻率特性、實(shí)頻特性、虛頻特性（3）頻率響應(yīng)函數(shù)的求法（4）幅、相頻率特性的圖像描述3.脈沖響應(yīng)函數(shù)4.環(huán)節(jié)的串聯(lián)和并聯(lián)h(t)稱(chēng)為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)或權(quán)函數(shù)。y(t)=L-1[H(s)]=h(t)H(s)=H1(s)H2(s)···

Hn(s)H(s)=H1(s)+H2(s)+

+Hn(s)串聯(lián)并聯(lián)幅頻特性、相頻特性。。。5.一階和二階系統(tǒng)的特性4

測(cè)試系統(tǒng)在典型輸入下的響應(yīng)4.1系統(tǒng)對(duì)任意輸入的響應(yīng)任何輸入信號(hào)x(t)都可用眾多相鄰接的、持續(xù)時(shí)間為

的矩形波信號(hào)來(lái)逼近。系統(tǒng)的響應(yīng)y(t)即為這些脈沖依次作用的結(jié)果。4.2測(cè)試系統(tǒng)在單位階躍輸入的響應(yīng)一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的特點(diǎn)：輸出無(wú)震蕩，y(

)=1，無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。。。二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的特點(diǎn)：輸出震蕩，y(

)=1，無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。。。第4章常用傳感器Transducer4.1傳感器概述(Introduction)4.2

傳感器選用原則(PrincipleofTransducerSelection)4.3

電阻式傳感器(ResistanceTransducer)4.4

電感傳感器(InductanceTransducer)4.5電容傳感器(CapacitanceTransducer)返回4.1

傳感器概述

(Introduction)1.傳感器概念

是指直接作用于被測(cè)量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。傳感器傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測(cè)試裝置的工作質(zhì)量。2.傳感器分類(lèi)

按被測(cè)量分類(lèi)位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。

按工作機(jī)理分類(lèi)機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、化學(xué)型等。傳感器概述(2/5)

按構(gòu)成原理分類(lèi)物性型

依靠敏感元件本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。如水銀溫度計(jì)、壓電式傳感器等。結(jié)構(gòu)型依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。

如電容式、電感式傳感器等。

按能量變換關(guān)系分類(lèi)能量轉(zhuǎn)換型(無(wú)源型、發(fā)電型或主動(dòng)傳感器）直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。

如熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)、壓電式傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器存在負(fù)載效應(yīng)。能量控制型(有源型、能量調(diào)節(jié)型或被動(dòng)傳感器)由外部輔助能量使其工作，并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化。如電橋式電阻應(yīng)變計(jì)等。傳感器的換能元件可能不止一個(gè)（如電容式壓力傳感器），甚至是一個(gè)小型裝置（如力反饋式加速度計(jì)）。注意：傳感器概述(3/5)3.傳感器的性能要求（9）低成本、通用性強(qiáng)。（1）靈敏度高，輸入和輸出之間有較好的線性關(guān)系；（2）噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能；（3）滯后、漂移誤差??；（4）動(dòng)態(tài)特性良好；（5）在接入測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)被測(cè)量不產(chǎn)生影響；（6）功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性；（7）防水及耐腐蝕等性能好，能長(zhǎng)期使用；（8）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維修和校正；傳感器概述(4/5)傳感器的技術(shù)指標(biāo)基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其他指標(biāo)量程指標(biāo):量程范圍、過(guò)載能力等靈敏度指標(biāo):靈敏度、分辨力、滿(mǎn)量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關(guān)指標(biāo):精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo):固有頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時(shí)間、過(guò)沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等溫度指標(biāo):工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo):允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差等其他環(huán)境參數(shù):抗潮濕、耐介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁干擾能力等工作壽命、平均無(wú)故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標(biāo):供電方式(直流、交流、頻率及波形等)及功率、各項(xiàng)分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等結(jié)構(gòu)方面指標(biāo):外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等安裝連接方面指標(biāo):安裝方式、饋線電纜等傳感器概述(5/5)4.傳感器的發(fā)展趨勢(shì)（6）研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生傳感器。（1）采用新原理、開(kāi)發(fā)新型傳感器；（2）大力開(kāi)發(fā)物性型傳感器；（3）傳感器的集成化；（4）傳感器的多功能化；（5）傳感器的智能化(smartsensor)；4.2

傳感器選用原則

(PrincipleofTransducerSelection)1.靈敏度傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小。

傳感器往往要求有較大的信噪比。傳感器的量程范圍與靈敏度密切相關(guān)。

過(guò)高的靈敏度會(huì)影響其適用的范圍。在測(cè)量過(guò)程中，傳感器在被測(cè)量方向上的靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好；

對(duì)于二維或三維矢量的測(cè)量，傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。2.線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍越寬，傳感器的工作量程越大。傳感器選用原則(2/2)3.響應(yīng)特性傳感器響應(yīng)特性必須在所測(cè)頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，但延遲時(shí)間越短越好。4.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間和環(huán)境。5.精確度精確度表示傳感器輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。傳感器的精確度并非越高越好，選擇時(shí)應(yīng)從實(shí)際出發(fā)。6.其他選用原則如實(shí)際測(cè)試條件下的工作方式等因素。4.3

電阻式傳感器

(ResistanceTransducer)

電阻式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再通過(guò)中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進(jìn)行測(cè)量。電阻式傳感器按工作原理可分為：（5）氣敏電阻式（6）光敏電阻式等（1）變阻器（電位器）式（2）應(yīng)變片式（彈性電阻式）（3）熱敏電阻（4）磁敏電阻式電阻式傳感器(2/22)1.電阻應(yīng)變式傳感器（1）應(yīng)變式傳感器工作原理1）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)

是指導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨所受機(jī)械變形（應(yīng)變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻應(yīng)變效應(yīng)設(shè)金屬絲長(zhǎng)度為l，截面積為A，電阻率為

，則其阻值為金屬絲變形時(shí)，

、l、A將同時(shí)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致R改變。若

、l、A的變化量為d

、dl、dA，則電阻式傳感器(3/22)即：對(duì)半徑為r的金屬電阻絲有：，：電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱(chēng)縱向應(yīng)變。：電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱(chēng)橫向應(yīng)變。橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變間的關(guān)系為式中為泊松比。負(fù)號(hào)表示兩者變化相反。：電阻率相對(duì)變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力

有關(guān)。電阻式傳感器(4/22)E為電阻絲材料的彈性模量；

為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)。受力后電阻絲幾何尺寸變化所引起，對(duì)于同一材料（1+2v）為常數(shù)。受力后電阻率的改變引起，對(duì)金屬材料，

E很小。

在電阻絲拉伸比例范圍內(nèi)，電阻相對(duì)變化與其所受的軸向應(yīng)變成正比。電阻式傳感器(5/22)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)或靈敏度S0定義為通常，S0=1.7~3.6。2）應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理典型結(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路中。測(cè)量原理：將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)件上，被測(cè)物變形通過(guò)基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵—

阻值變化—

轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)。電阻式傳感器(6/22)如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，可以構(gòu)成各種不同的傳感器。（2）電阻應(yīng)變片的分類(lèi)及材料金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式和膜式。1）絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式短接式電阻式傳感器(7/22)絲式應(yīng)變片制作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼?；鼐€式應(yīng)變片因圓弧部分參與變形，橫向效應(yīng)較大。短接式應(yīng)變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大5～10倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點(diǎn)是克服了橫向效應(yīng)。安全電流：10~50mA，電阻：50~1000

（典型120

）。2）箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片由厚度為3~10

m

的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。

大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀。

散熱好，允許電流大。

橫向效應(yīng)、蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。

柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。電阻式傳感器(8/22)3）膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。

應(yīng)變靈敏度大。

允許電流密度大。

工作范圍廣，可達(dá)-197～317℃。（3）電阻應(yīng)變片的應(yīng)用

測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。

將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。電阻式傳感器(9/22)齒輪輪齒彎矩x位移傳感器m質(zhì)塊加速度傳感器F柱式測(cè)力傳感器電阻式傳感器(10/22)注意事項(xiàng)應(yīng)變極限：機(jī)械滯后：零漂和蠕變：零漂：恒定溫度，無(wú)機(jī)械應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性。蠕變：恒定溫度、恒定應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性。

應(yīng)變大—輸出非線性大。誤差為10%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限。

敏感柵、底基及膠粘層承受機(jī)械應(yīng)變后，一般都會(huì)存在殘余變形，造成應(yīng)變片的機(jī)械滯后。電阻式傳感器(11/22)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)變片柵長(zhǎng)/mm0.20.51235101520最高工作頻率/kHz125050025012583.3502516.612.5溫度影響：溫度變化導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化與由應(yīng)變引起的電阻變化往往具有同等數(shù)量級(jí)，須用適當(dāng)電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。（4）電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)

性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在1.0%~0.1%，高精度力傳感器已能達(dá)到0.03%~0.01%。

測(cè)量范圍廣壓力：104~109Pa；力：0.1~107N。

能適應(yīng)較大的振動(dòng)和沖擊，抗輻射能力強(qiáng)。電阻式傳感器(12/22)2.壓阻式傳感器（1）基本工作原理

是指半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。壓阻效應(yīng)單晶半導(dǎo)體在外力作用下的電阻變化量仍為對(duì)半導(dǎo)體而言，電阻率變化引起的電阻變化

E遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形變引起的電阻變化(1+2v)

，則

實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。電阻式傳感器(13/22)靈敏度：由半導(dǎo)體理論E——半導(dǎo)體材料的彈性模量。

L——沿某晶向L的壓阻系數(shù)；

——沿某晶向L的應(yīng)力；半導(dǎo)體電阻材料的靈敏度比金屬絲要高50～70倍。例：對(duì)于半導(dǎo)體硅，

L=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011Pa,則S0=

LE＝50～100。電阻式傳感器(14/22)（2）壓阻式傳感器類(lèi)型與特點(diǎn)

壓阻式傳感器有兩種類(lèi)型1）利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片，其使用方法與電阻應(yīng)變片類(lèi)似。2）在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，作為測(cè)量傳感元件，測(cè)量壓力和加速度等物理量。

壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)是溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。1）靈敏度非常高。2）分辨率高，例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出10～20Pa的微壓。3）測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高。4）可測(cè)量低頻加速度和直線加速度。電阻式傳感器(15/22)3.變阻器式傳感器（1）變阻器式傳感器的結(jié)構(gòu)和原理變阻器式傳感器實(shí)際是精密線繞電位器，通過(guò)改變電位器觸頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測(cè)量線位移和角位移，還可以測(cè)量任何可以轉(zhuǎn)換為位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。1）直線位移型

xCxABCR改變觸點(diǎn)C的位置時(shí)，AC間電阻值為KL：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)的電阻值，

/m。電阻式傳感器(16/22)傳感器靈敏度：當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時(shí)，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。2）角位移型

—角位移；K

—單位弧度電阻值,

/rad

。傳感器靈敏度：ACB電阻式傳感器(17/22)3）非線性型（2）變阻器式傳感器的特性變阻器式傳感器具有階梯特性和負(fù)載效應(yīng)。xACB電阻式傳感器(18/22)階梯輸出特性

是指電位器觸點(diǎn)的最小位移為線圈的一匝，每當(dāng)觸點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，輸出電阻產(chǎn)生一匝電阻值的跳躍，即輸出電阻值不是位移的連續(xù)函數(shù)，而是階梯形折線。理想電位器每個(gè)階梯大小均相同，通過(guò)每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線即為理論特性曲線。xR01）階梯輸出特性電阻式傳感器(19/22)階梯誤差是指理想階梯特性線對(duì)理論直線的最大偏差。

階梯誤差式中：n為總匝數(shù)。顯然，減小ej必須增加n，當(dāng)骨架長(zhǎng)度不變時(shí)，只有減小線徑。

分辨率（力）定義為電位器總匝數(shù)的倒數(shù)。分辨率例：1000匝直線型線繞電位器，分辨率為0.1%，即該電位器僅能檢測(cè)到它的總量程1/1000以上的位移量。電阻式傳感器(20/22)

線性度線性度

是指由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻?qū)е码A梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性。2）負(fù)載特性u(píng)0xpxRLuy對(duì)于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器：式中：R0

—變阻器總電阻；

Rx

—x段的電阻。電阻式傳感器(21/22)令，對(duì)直線位移型變阻器，于是，式中：空載時(shí)，由此可見(jiàn)，接入負(fù)載電阻RL后，輸出uy與r不再保持線性關(guān)系。負(fù)載誤差由負(fù)載特性引起的非線性誤差。01102030405060m=5m=2m=1m=0.5m=0.1m=0reL若整個(gè)行程內(nèi)誤差不超過(guò)1%~3%，必須有RL

>(10~20)R0。電阻式傳感器(22/22)因觸點(diǎn)與繞線間存在摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。分辨力低，一般小于20

m。噪聲大。主要應(yīng)用于線位移、角位移測(cè)量?；蜃鳛樗欧涗泝x或電子電位差計(jì)。（3）變阻器式傳感器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號(hào)大，受外界條件影響小。缺點(diǎn)：（4）變阻器式傳感器的應(yīng)用4.4

電感式傳感器

(InductanceTransducer)

將被測(cè)量，如位移或能轉(zhuǎn)換成位移的機(jī)械量，轉(zhuǎn)換為電感量的變化。電感式傳感器

互感型（差動(dòng)變壓器式）按照變換方式的不同可分為：

自感型（包括可變磁阻式與渦流式）1.自感型傳感器（1）可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，在鐵心與銜鐵之間存在氣隙

。電感式傳感器(2/20)由電工學(xué)可知，線圈自感量：i—線圈中流過(guò)的電流。

—通過(guò)線圈的磁通量。

Rm

—磁路的總磁阻（H-1），Rm=

RF

+

R

，其中RF為

鐵心與銜鐵的磁阻；R

為空氣隙磁阻。ix123L01—線圈；2—鐵心；3—銜鐵式中：W—線圈匝數(shù)；電感式傳感器(3/20)式中：l1、l2

—鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁長(zhǎng)度；

1、

2

—鐵心和銜鐵的磁導(dǎo)率；

A1、A2

—鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁截面積；

—?dú)庀堕L(zhǎng)度；

0

—空氣磁導(dǎo)率，

0=410-7H·m-1

；

A0

—空氣隙導(dǎo)磁截面積。若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙

較小時(shí)：一般，

1和

2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

0，即：RF

<<R

，因此，電感式傳感器(4/20)

自感L與氣隙

成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。結(jié)論：當(dāng)固定A0，變化

時(shí)，L與

成非線性關(guān)系，傳感器靈敏度為了減小非線性誤差，

/

0≤0.1。變氣隙長(zhǎng)度式傳感器適用于微小位移的測(cè)量，范圍為0.001~1mm。傳感器靈敏度與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比。結(jié)論：電感式傳感器(5/20)1）可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu)

可變導(dǎo)磁面積型特點(diǎn)：線性，靈敏度低。

差動(dòng)變氣隙型特點(diǎn)：提高靈敏度，改善線性特性。~x~x電感式傳感器(6/20)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易制造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測(cè)量。

單螺管線圈型

雙螺管差動(dòng)型特點(diǎn)：提高靈敏度，改善線性特性。x~x~電感式傳感器(7/20)2）差動(dòng)變氣隙傳感器工作原理對(duì)差動(dòng)式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時(shí)，兩線圈的間隙按

0

、

0+

變化，即一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)減小。當(dāng)

/

<<1時(shí)：~x電感式傳感器(8/20)差動(dòng)方式時(shí)，

靈敏度，為原來(lái)的兩倍。

L無(wú)偶次非線性項(xiàng)，降低了非線性特性。非差動(dòng)方式時(shí)，結(jié)論：電感式傳感器(9/20)（2）渦流式傳感器當(dāng)金屬板置于變化磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬板體內(nèi)是閉合的，稱(chēng)為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度以及金屬板與線圈距離、激勵(lì)電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。1）高頻反射式渦流傳感器渦流式傳感器分為高頻反射式渦流傳感器和低頻透射式傳感器。金屬板ii1電感式傳感器(10/20)金屬板置于線圈附近，相互間距為

。高頻交變電流i-磁通

—（趨膚效應(yīng)）“旋渦狀”閉合感應(yīng)電流i1

（渦電流或渦流）—

交變磁通

1—

反作用于線圈。根據(jù)楞次定律，渦流的交變磁場(chǎng)變化方向與線圈磁場(chǎng)變化方向相反，

1總是抵抗

的變化，從而導(dǎo)致原線圈等效阻抗發(fā)生變化。工作原理通常線圈尺寸、激勵(lì)電流i及其頻率

一定，若金屬板材料一定，變化

可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)等參量。若

一定，變化

或

可實(shí)現(xiàn)材質(zhì)鑒別或無(wú)損探傷。等效阻抗的變化程度與線圈尺寸、距離

、金屬板電阻率

和磁導(dǎo)率

、線圈激勵(lì)電流i

及其頻率

有關(guān)。

電感式傳感器(11/20)2）低頻透射式渦流傳感器L1和L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈。

L1通低頻（音頻）交流電流。在L2中產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2。金屬板產(chǎn)生的渦流消耗了一部分磁場(chǎng)能量，使u2有所降低，板越厚，u2越低。工作原理高頻反射式渦流傳感器等效電路如下圖，M為線圈與金屬板中渦流回路的互感系數(shù)。ML2L1usu2l電感式傳感器(12/20)RCLL1R1ii1M等效阻抗：金屬板增加了傳感器線圈的等效電阻，降低了線圈的品質(zhì)因素，同時(shí)改變了線圈的等效電感。傳感器線圈L

與電容C

共同組成并聯(lián)諧振回路，諧振頻率為線圈等效電感改變，必然導(dǎo)致諧振頻率變化。結(jié)論：電感式傳感器(13/20)3）影響渦流傳感器靈敏度的因素

被測(cè)物材質(zhì)

被測(cè)物形狀和大小

電渦流產(chǎn)生的渦流環(huán)的直徑也一定。因此對(duì)板狀被測(cè)物的最小尺寸有要求。

電導(dǎo)率越高，靈敏度越大；磁性材料渦流損耗大，導(dǎo)致靈敏度降低。

在傳感器周?chē)艌?chǎng)范圍內(nèi)，不應(yīng)有非被測(cè)對(duì)象的金屬物體，否則，會(huì)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致靈敏度下降和線性范圍減小。實(shí)測(cè)表明，非被測(cè)金屬離傳感器線圈的距離必須大于線圈的直徑。一般要求，被測(cè)金屬的最小尺寸大于傳感器線圈直徑的1.8倍；被測(cè)物為圓柱體時(shí)，其直徑要求大于線圈直徑的3.5倍。

安裝位置電感式傳感器(14/20)4）渦流傳感器的特點(diǎn)

非接觸測(cè)量。

靈敏度高。

分辨力高，檢測(cè)范圍0~2mm，最高分辨力可達(dá)滿(mǎn)量程的0.1%。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，不受油液等介質(zhì)影響。5）渦流傳感器的應(yīng)用

回轉(zhuǎn)軸振動(dòng)測(cè)試。

回轉(zhuǎn)軸誤差測(cè)量。

厚度測(cè)量。

零件計(jì)數(shù)。

接近開(kāi)關(guān)。

表面裂紋或缺陷檢測(cè)。

材質(zhì)判別。電感式傳感器(15/20)表面裂縫檢